自然凍融條件下黃土丘陵區不同土地利用方式原狀土的抗沖性

柏蘭峰, 李占斌, 馬 波, 肖 列

(中國科學院 水利部水土保持研究所, 黃土高原土壤侵蝕與旱地農業國家重點實驗室, 陜西 楊凌 712100)

季節性凍融循環(FTCs)是指隨著季節和晝夜熱量的變化，地表溫度先降低至0 ℃以下，再上升到0 ℃以上的地質現象[1]。這是全球中高緯度寒冷地區和山區普遍存在的一種自然現象。近年來，國內外許多學者對加拿大、美國、俄羅斯和中國等不同地區的凍融及影響機制進行了研究，受季節性凍融循環影響的區域大約占全球陸地面積的50%[2]。在春季融雪期，由于表層土壤反復凍融，土壤黏結力降低，分散力增大，土壤抗侵蝕力降低。

人們在對水土流失問題不斷認識和研究過程中，林草植被對坡面上方土壤侵蝕泥沙的攔蓄與控制作用一直受到廣泛關注[3-4]。已有不少研究表明，黃土高原退耕還林(草)工程是該區生態系統恢復行之有效的措施之一[5-6]，長期植被恢復在改善土壤質量、減少徑流泥沙以及提高生態系統穩定性和適宜性等方面起到積極作用。然而，上述研究大都重點關注于植被與土壤侵蝕之間的關系，對于季節性凍融條件下不同植被類型土壤侵蝕特征及影響的相關研究則較為稀少。黃土丘陵區地處溫帶內陸，全年約三分之一的時間為0 ℃以下。多年平均降雨量為450～500 mm，汛期降雨占全年降雨量的70%，具備季節性凍融氣候的發生條件[7]。通常情況下，該區土壤凍結前為本年土壤水力侵蝕的結束，而土壤融化后是來年土壤水力侵蝕的開始。在春季解凍期，氣溫上升，由于土壤表層不完全解凍，形成一個隔水層，降低土壤入滲能力，產生更多的地表徑流。此外，由于土壤經歷反復凍融循環過程，土壤理化性質以及結構和質地發生了變化，這些因素都影響了土壤可蝕性和抗沖性，導致土壤流失。

不少研究發現，凍融作用通過改變土壤理化性質影響土壤可蝕性[8]。國內外已有不少關于凍融對土壤理化性質、土壤結構及可蝕性的影響的機理研究[9]，但至今仍有諸多問題尚無定論，究其原因，主要是因為野外自然凍融試驗開展難度大，試驗所需的儀器設備的布設以及原狀土壤的采集都較為困難。因此，大部分研究者至今仍主要依賴室內凍融模擬試驗來開展凍融研究[10]。由于不同學者的試驗條件差異較大，導致至今也很難對凍融的影響進行定量化。土壤質地、前期含水量、凍結溫度、凍融循環次數以及凍融循環方式等因素是影響凍融作用的主要因素，這是當下國內外學者的研究共識[11]。而其中凍融循環次數和前期含水量被認為是影響凍融作用最大的因素[12-13]。在不同學者的研究中，由于設置的凍融條件(凍融循環次數與前期含水量)不同，導致其影響效果相差甚大，甚至是相反的結論[14]。比如關于凍融作用對土壤結構、團聚體穩定性以及理化性質的影響，一些學者認為凍融提高了土壤團聚體穩定性，改善土壤結構[15]。而一些學者則持相反意見[16]。

因此，為了彌補野外自然凍融條件下不同土地利用條件下原狀土侵蝕研究方面研究成果的空白，有必要開展季節性凍融條件下黃土丘陵區不同土地利用方式土壤流失特征的研究。本研究以黃土丘陵區3種土地利用方式(坡耕地、草地和灌木地)為研究對象，通過野外土壤溫度監測和原狀土沖刷試驗，研究3種土地利用方式的土壤流失特征，并分析凍融對土壤抗沖性的影響，以期為土壤資源優化管理和優化植被恢復配置提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 樣地選擇和土壤采集

本試驗研究區位于中國陜西省榆林市綏德縣水土保持科學試驗研究示范基地——辛店溝科技示范園(110°16′—110°20′E， 37°28′—37°31′N)。該區年平均氣溫9.7 ℃，最低溫度和最高溫度分別為-27 ℃和39 ℃，存在明顯凍融循環過程。植被類型屬于溫帶森林草原，人工植被主要有楊樹(Populussimoniivar.przewalskii)、白榆(Ulmuspumila)、旱柳(Salixmatsudana)、側柏(Platycladusorientalis)、油松(Pinustabuliformis)等,灌叢主要有黃薔薇(Rosahugonis)、檸條錦雞兒(Caraganakorshinskii)、沙棘(Hippophaerhamnoides)和酸棗(Ziziphusjujube. var.spinosa)等。由于研究區辛店溝內部喬木林樹齡普遍較小，且分布較為稀疏。本次試驗僅選擇了兩種黃土丘陵區常見植被類型：灌木地(檸條錦雞兒Caraganakorshinskii)和草地(苜蓿Medicagosativa)，以耕地作為對照(CK)。

黃綿土是該區的主要土壤類型，發育于黃土或次生黃土母質，質地均一，其顆粒組成以粉粒占優勢(表1)，疏松多孔。在草地、灌木和坡耕地中每個樣地采集5個原狀土，混合均勻后帶入實驗室，使用馬爾可夫激光粒度分析儀測量土壤質地。土壤粒度分布以黏粒(<0.002 mm)、粉粒(0.002～0.05)和砂粒(>0.05)的百分比含量來描述(表1)。

表1 黃土丘陵區不同植被類型土壤粒徑分布

如表2所示，樣地面積為20 m×10 m。為減小試驗誤差，3個樣地的選擇盡量保持坡向與陡度一致。分別在3個樣地中間布設土壤溫度監測儀(ET-100, Symorui Environmental Technology Co., Ltd, XiAn, China)。將探針分別放置于10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90，100 cm深度的土層中。監測土壤溫度(ST)低于0 ℃時認為土壤開始凍結，ST高于0 ℃時土壤開始融解[12]。

表2 樣地基本信息

土壤抗沖指標的獲取采用原狀土沖刷法。用20 cm×10 cm×10 cm的自制長方形取樣器進行原狀土采集，取樣深度為10 cm。每個樣地內按S型采樣法選取植被之間(灌木樣地距離植株約50 cm左右)，長勢相對均勻并具有代表性的采樣點進行采集。在清除地表枯落物和結皮后，利用取樣器鋒利面從土壤表面垂直下切，直到取樣器完全切入土壤中。鏟掉取樣器周圍土壤，將取樣器完整取出，用剖面刀沿取樣器底部削平后墊上特制帶孔鋁制底片，再用保鮮膜密封。在樣品搬運過程中，將帶有鋁制底片端朝下，最大限度降低土壤擾動以及土壤水分流失。根據該區氣象資料統計[17]，發現該區土壤凍結時間大致為12月中旬至3月初，因此本次試驗一共分2次(凍融前后)對進行原狀土采集，每個樣地選取5個點，每個處理重復2次，共采集原狀土沖刷樣品60個。具體采樣時間為：2019年11月1日和2020年3月29日。根據灌木、草地和坡耕地野外實測土壤溫度數據動態變化，將凍融過程分為凍結初期、完全凍結期和融化期[12]。

1.2 原狀土沖刷以及指標測定

在進行沖刷試驗前，先將取回來的原狀土以及取樣器放置于水中浸泡，保持帶孔鋁片端朝下。水面低于取樣器上端口5 cm。水從鋁制底片小孔自下而上浸潤土壤12 h，確保所有待測土壤達到飽和。然后，將飽和土壤樣品取出置于干燥處8 h去除土壤重力水后進行原狀土沖刷試驗。

本研究使用的沖刷槽尺寸為2 m×0.1 m。設置坡度為25°，用當地標準徑流小區產生的最大徑流量換算成單位徑流沖刷流量(4.0 L/min)。每個原狀土樣沖刷時間為15 min。開始沖刷的前3 min，用徑流桶每分鐘收集1次水流泥沙樣，隨后改為每2 min收集1次。每個原狀土樣沖刷15 min共收集9個徑流泥沙樣。

抗沖系數[1]表示每沖掉1 g烘干土所需水量。用AS(anti-scouribility)表示(L/g)。AS越大，土壤的抗沖性越強。

式中：f為沖刷流量(L/min)；t為沖刷時間(min)；W為烘干泥沙質量(g)。

1.3 數據分析

本研究使用Windows軟件包spss17.0進行統計分析，使用方差分析來確定測量變量的處理效果。使用配對T檢驗來比較凍融前后處理之間的統計差異。在試驗中，認為p<0.05的概率水平具有統計學意義。

2 結果與分析

2.1 不同植被類型條件下土壤溫度垂直分布的時間變化

CV用來描述ST變化程度。3地類監測期間土壤溫度(ST)的CV值差異不明顯。在整個凍融過程中，ST從表層至深層逐漸增加，相應的CV值從表層至深層逐漸減小。說明表層ST值波動大，深層ST值波動小。坡耕地初始凍結日為11月17日，分別比草地和灌木地提前了4 d和5 d，灌木地的整體凍結時間最晚(表3)。而灌木的解凍日期比草地提前6 d，坡耕地的解凍日期最晚。在完全凍結期，坡耕地土壤各個土層的凍結天數均最多，草地次之，灌木地的凍結天數最少。3個地類不同土層深度總體上是坡耕地凍結溫度最低，灌木地的溫度最高。最低凍結溫度均發生在土壤表層10 cm處，草地最低凍結溫度為-15.5 ℃，灌木地為-13.05 ℃，坡耕地為-13.37 ℃。經歷最大凍融循環次數依次為：灌木地20次循環，草地30次循環，坡耕地33次循環。在融化期，灌木地和坡耕地土壤都在2月26日同時完成解凍，但是灌木地表層10 cm土壤完全解凍的日期比20 cm和30 cm土層提前了20 d。在表層10 cm處，灌木地、草地和坡耕地完成解凍的日期分別為2月6日，2月23日和2月26日。灌木地完成土壤解凍的日期比草地完成解凍日期提前了17 d，比坡耕地完成解凍日期提前了20 d。

表3 黃土丘陵區不同凍結時期土壤凍融特征

為了更加直觀的了解3個地類受凍融影響的劇烈程度，本研究利用各個土層深度的凍結日期與融化日期的時間節點構建凍融深度土壤剖面圖(圖1)。由圖1可知，草地、灌木與坡耕地土壤的凍結方向一致，均是從上至下的單向凍結，而融化過程也很相似，在融化期，3個地類土壤的融解均呈現最表層與最深層的土壤最先融解，中間土層最后融解的雙向融解現象(表3，圖1)。坡耕地、草地和灌木的最大凍結深度分別為90，80，60 cm。在該剖面圖中，可以將代表每個地類的凍融曲線與X軸所形成的封閉面積作為這個地類的土壤受季節性凍融氣候的影響劇烈程度。可以發現，坡耕地的凍結程度最為劇烈，其次是草地，灌木地的凍結程度最低。

注：圖中a為凍結過程； b為融化過程。

2.2 凍融前后泥沙流失特征和土壤抗沖性的變化特征

凍融作用不同程度的增大了兩個植被類型和坡耕地的泥沙流失總量。坡耕地的泥沙流失速率顯著大于草地和灌木地(圖2)。對3種土地利用方式凍融前后泥沙流失量進行配對t檢驗，發現凍融后泥沙流失量整體顯著大于凍融前泥沙流失量，在灌木地中，凍后泥沙流失量在沖刷的第3—5 min和第11—15 min顯著大于凍前，而草地和坡耕地凍前和凍后泥沙流失量主要在前3 min顯著大于凍前(表4)。由表5可知，坡耕地凍融前后泥沙流失量分別為157.75 g和172.61 g，增加了14.87 g。草地凍融前后泥沙流失量分別為41.74 g和54.76 g，增加了13.02 g。灌木凍融前后泥沙流失量分別為36.28 g和42.32 g，增加了6.04 g。在土壤凍結前期，前3 min泥沙流失量分別占坡耕地、草地和灌木地總泥沙流失量58.9%，58.4%和63.9%，而凍融后分別為69.7%，64.4%和63.3%(表5)。坡耕地和草地經歷凍融后的前3 min泥沙流失量分別增加了10.76%和5.92%，灌木地下降了0.67%。從圖2可以看出，坡耕地經歷凍融后的泥沙流失量在前3 min從64.71 g/min急劇下降到18.6 g/min，在此之后，凍融后泥沙流失量持續低于凍結前。坡耕地凍融后的泥沙流失量主要集中在沖刷過程的前3 min，草地凍融后的泥沙流失量主要集中在沖刷過程的前4 min，而灌木地凍融后的泥沙流失量在沖刷過程的第2—4 min與第7—15 min均大于凍結前的泥沙流失量。

圖2 黃土丘陵區凍融前后不同地類泥沙流失率動態

表4 黃土丘陵區不同土地利用方式凍融前后泥沙流失量t檢驗

表5 黃土丘陵區不同土地利用方式凍融前后泥沙流失特征

圖3為兩個植被類型和坡耕地凍融前后土壤抗沖系數的變化。

圖3 黃土丘陵區不同土地利用方式土壤抗沖系數特征

由圖3可以看出，坡耕地的抗沖系數明顯低于草地和灌木地，說明植被能夠有效的增加土壤的抗沖性。在兩個植被類型中，草地凍融前后的抗沖系數分別為1.43，1.1，下降了23%；而灌木地凍融前后的抗沖系數分別為1.65，1.42，下降了14%。草地的抗沖系數下降幅度更大，灌木地土壤具備更好的抗沖性。坡耕地凍融前后的抗沖系數分別為0.38，0.34，下降了8.7%。

3 討 論

3.1 季節性凍融對不同植被類型凍結程度的影響

在可蝕條件下，受季節的影響，土壤解凍時，土壤侵蝕速率會發生變化[17]。有研究發現，在溫帶地區約占年土壤流失量的51%以上都發生在凍土層解凍時期[18]。與此同時，有學者在室內不同土壤含水量的凍融處理條件下，設置不同的徑流量進行模擬降雨沖刷試驗，發現土壤含水量為30%時土壤可蝕性因子K值最大，含水量為15%時K值最小[14]。在本研究中，根據凍融過程中的凍結深度、凍結時長等各項凍融特征顯示，坡耕地土壤凍結程度明顯比兩個植被類型更加嚴重，說明植被覆蓋能夠很大程度的增加土體的抗凍性，植被覆蓋能夠對冬季土壤起到一定的緩沖作用。這個結論與一些學者的研究結論一致，有學者的研究表明，相比于無任何覆蓋的土體，增加積雪覆蓋或植被覆蓋均能對土體產生不同程度的保溫作用[19-20]。而在兩個植被類型中，草地的凍結深度為80 cm，灌木凍結深度為60 cm，最低土壤凍結溫度、凍結時長等凍融特征也顯示草地的凍結程度比灌木地嚴重。主要原因是不同植被類型的土壤經歷季節性凍融的水熱運移過程差異較大[12]。有研究表明，植被對凍土熱狀態的影響有多種表現形式。首先，通過遮蔭，植被冠層反射和吸收大部分向下的太陽輻射，減少其對土壤表面的影響[21-22]。其次，冠層結構及其生理功能改變了植被的氣象條件，進而影響了大氣與土壤之間的熱濕交換。最后，植被冠層還可以通過截留降雪以及降低風速來影響土壤溫度狀況[23]。在其他因素不變的情況下，草地比灌木的冠層更加低矮，這導致了草地與灌木地凍融過程截然不同。

有研究表明，植被的高低和蓋度對氣溫的影響較大，草地植被蓋度雖然較大，但因高度太小，對地面溫度的影響效果相對較小[20]。此外，有學者在黃土區的研究發現，灌木地(以白羊草為主)的根質量密度為7.41 kg/m3,而草地(以鐵桿蒿為主)的根質量密度僅為0.72 kg/m3，相較于草地，灌木地具更好根系條件[24]，高雙等[25]在東北黑土區不同土地利用類型土壤抗沖的研究中發現，植被根系能夠有效減弱凍融作用，所以灌木地土壤凍結程度低于草地。

在整凍結期，草地的土壤溫度(ST)都低于灌木地，此外，草地在10，20，30 cm土層的最低凍結溫度均明顯低于灌木地。在凍結時長方面，草地開始凍結的日期早于灌木地，而完成土壤解凍的日期比灌木地推遲了17 d，草地土壤經歷的凍結時長、最大凍融循環次數均大于灌木地土壤。同時，草地土體的凍土面積遠大于灌木地。因此草地的土壤凍結程度明顯比灌木地更劇烈。這個研究結果與一些學者的研究結論相似，比如有學者在中國西北地區祁連山開展類似研究，利用2015—2017年喬木、灌木和草地土壤水熱監測數據進行分析，發現隨土層深度增加，土壤溫濕度變化振幅均減小，同時，草地土壤的凍結速率、融化速率等均大于灌木地[26]。

3.2 凍結程度對產沙和土壤抗沖性的影響

本研究使用的沖刷槽尺寸為2 m×0.1 m，這個小水槽確實會引起試驗縮放的效應問題。例如當水流第一次接觸土壤時，流速可能不穩定，當沖刷水槽邊界過窄時，水流對土體的均勻沖刷會受水流邊界的影響。在沖刷過程中，由于流速不穩定和水槽邊界對水流的影響，毫無疑問，試驗結果可能與現場實際情況有所不同，規模的影響不可忽視。在土壤沖刷的研究中，尤其是凍融后土壤的抗沖性研究還沒有形成規范和尺寸標準[9]。雖然水槽的尺寸較小，但通過控制適當比例，可以顯著減少泥沙淤積，準確判斷土壤剝離過程，提高試驗結果的可靠性[27]。本研究發現凍結程度與土壤流失量之間存在一定聯系(盡管是間接的)，即根系降低凍結程度，同時增加沖刷的阻力。在本次研究中，坡耕地的凍結程度最為劇烈，其次是草地，灌木地的凍結程度最低。季節性凍融增大了兩個植被類型和坡耕地的總泥沙流失量，坡耕地的在沖刷中的泥沙流失速率和泥沙流失量遠大于兩個植被類型。草地和灌木地凍融前后的泥沙增加的總流失量分別為13.8 g和6.04 g。

值得注意的是，坡耕地和草地經歷凍融后的前3 min泥沙流失量分別增加了10.76%和5.92%，而灌木地下降了0.67%。造成這一現象的主要有兩個原因：①草地的凍結程度大于灌木地。在凍結過程中，由于黃土在低水分條件下具有疏松多孔的內部結構，土壤凍結引起的土壤水勢變化，驅使土壤水分從未凍結的區域向凍結鋒面移動[9,12]。而土壤溫度是土壤水分運移的主要驅動力，導致水從土壤深層向上運移。使得土中孔隙水和外界水源補給水結晶形成多種形式的冰侵入體，冰會膨脹土壤孔隙，打破土壤之間的鍵。草地具備更強的水分運移驅動力，引起更多土體體積變大，導致更大程度的凍脹和團聚體破碎，從而增大土壤流失風險；②從泥沙流失動態圖可以發現，灌木地在沖刷的2—4 min與7—15 min出現凍融后的泥沙流失量大于凍融前的泥沙流失量。而坡耕地與草地的泥沙流失量的增加均主要集中在沖刷前3—4 min，草地與坡耕地凍融后泥沙集中流失的現象很可能會增大來年雨季土壤流失的風險。

坡耕地的抗沖系數(AS)明顯低于草地和灌木地，而草地的抗沖系數下降幅度灌木地更大，說明：①植被能夠有效的增加土壤的抗沖性。②相較于草地，灌木地土壤具備更好的抗沖性。此外還發現坡耕地凍融前后的抗沖系數分別為0.38，0.34，下降了8.7%，下降幅度低于兩種植被類型凍融前后土壤抗沖系數的下降幅度，凍融作用對坡耕地土壤的抗沖性變化的影響比兩種植被類型更小。分析其主要原因可能是坡耕地的土壤流失量顯著大于草地和灌木地，單位時間內土壤流失量大，導致徑流的含沙率趨于飽和而降低徑流侵蝕能量。有研究表明，相對于有植被根系的土壤，無根系土壤的流失量更大，根系能夠顯著增大土壤抗沖阻力[1]。

值得注意的是，草地表層土壤溫度(ST)和最低凍結溫度比坡耕地低，主要原因可能是，部分積雪被草冠層攔截，導致草地表層積雪厚度低于坡耕地表層積雪厚度。很多研究表明，積雪覆蓋能夠降低表層土壤土壤凍結程度，提高土壤溫度[28-29]，在土壤凍結過程中起到一定保溫和緩沖作用。因此，草地表層土壤的凍結比坡耕地和灌木地更嚴重，進而可能導致草地表層土體團聚體穩定性破壞的加劇從而加大解凍期水土流失風險。這一發現應該在黃土高原季節性凍融區進行植被恢復建設工程中得到重視。

4 結 論

(1) 季節性凍融作用對不同植被類型土壤的凍結程度產生不同影響。從土壤最大凍結深度、凍結時長、表層土壤經歷最大凍融次數以及最低凍結溫度等凍融特征指標可以判斷，坡耕地凍結程度最劇烈，其次是草地和灌木地。

(2) 凍結程度一定程度上加劇了土壤流失。草地和灌木地土壤凍融前后的泥沙總流失量增加了31%和16.5%，草地和灌木地凍融前后的抗沖系數分別下降了23%和14%。草地的土壤流失量大于灌木，而坡耕地的泥沙流失速率和泥沙流失總量遠大于兩個植被類型。表明植被能夠有效增加土體的抗沖性，并且灌木地比草地土壤具備更好的抗凍性和抗沖性。

綜上所述，草地在季節性凍融過程中可能存在加劇水土流失風險。這項研究也為黃土高原季節性凍融區植被恢復建設提供了重要的新信息。