延懷盆地不同土地利用類型土壤風蝕物特征

李曉娜, 王 超, 萬秀云, 趙春橋, 張微微, 史瑞雙, 樊冉冉, 李 翠

(1.北京市農林科學院北京草業與環境研究發展中心, 北京100097; 2.河北省懷來縣農業農村局, 河北 懷來 075400)

延懷盆地位于河北省西北部，北京西部，地處中溫帶半干旱區，由于燕山山脈和太行山脈的阻擋使得這里常年盛行河谷風，頻發的大風天氣使該區域飽受土壤風蝕的侵擾，而經濟發展所帶來的高強度經營活動及土地利用方式變化更是加劇了風蝕過程。土壤風蝕引起的土壤退化、揚沙天氣頻發等現象，已經嚴重威脅到區域生態安全。風蝕為土壤表面碳氮損失的動力之一[1-2]，在我國北方，每年因風蝕引起的土壤有機碳、總氮流失量分別為7×107g，4×106g[3]。風蝕還導致土壤中細顆粒損失，進而產生更沙質的土壤結構，伴隨土壤細顆粒的損失，進一步造成土壤養分含量及有效性降低[4]。細顆粒物損失受土壤性質及地上部植被狀態影響[5]。近年來，許多學者從不同耕作方式下風蝕物含量及機械組成的垂直分布[6-9]，風蝕對土壤質量的影響等方面進行了大量研究，但土壤風蝕物攜帶的碳氮養分含量，土壤風蝕物粒度組成與地表土壤組成及養分損失的關系等還缺少定量的分析。因此，研究典型土地利用方式地表土壤風蝕物含量、機械組成及碳氮養分的垂直分布規律對于進一步了解風蝕過程，理清該區域土壤貧瘠沙化的原因及機理具有重要意義。

本研究通過對延懷盆地土地利用方式進行深入調研之后，確定林果用地和糧食用地兩大地類，冬季休耕期和春季備耕期兩個時間段，在2018—2019年冬春大風季節，采集距地面不同高度風蝕物，揭示不同土地利用類型下風蝕物質量、粒徑、碳氮含量隨高度垂直分布特征。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

延懷盆地主要包括河北省懷來縣、涿鹿縣和北京市延慶區，位于東經116°00′—115°30′，北緯40°0′—40°30′，屬溫帶亞干旱大陸性季風氣候，具有四季分明，光照充足，雨熱同季，晝夜溫差大的特點，年積溫3 400℃，年降雨量420～480 mm，其土壤類型主要為褐土。盆地的地形和狹管效應，造成了該區域多風和多大風的特殊氣候條件，分析該區域1998—2018年氣候特征，大風日數為810 d，沙塵暴日數107 d，浮塵日數984 d，揚沙日數為221 d，其中尤以懷來縣最為嚴重，大風日數、沙塵暴日數、浮塵日數、揚沙日數分別占區域內總日數的60.1%，72.9%，37.6%，41.6%(數據來源：中國氣象局)。

1.2 觀測地點的選擇

本文選擇土壤風蝕最為嚴重的懷來縣為研究對象，根據懷來縣農業用地情況確定觀測的土地利用類型為林果用地(果桑、歐李、葡萄)和糧食作物用地(玉米留茬免耕地、玉米翻耕地)，其中果桑與歐李為懷來縣近年引進的新型果樹品種。同時為了保證所選擇地點風向、風速、氣溫、土壤狀況等的一致性，所有地塊均分布在懷來縣土木鎮東水泉村葡樂莊園附近。各樣點的具體地表特征見表1。

表1 各樣點地表特征

1.3 觀測項目方法

風蝕物采用北京劍靈科技有限公司研制的BJJL-JS18階梯式集沙儀進行收集，整個儀器高度為100 cm，分別在距地面30 cm，40 cm，50 cm，60 cm，70 cm處安裝2個截面積為5 cm×5 cm的集沙筒，集沙筒一端開口(朝風向收集風蝕物)，另一端連接布袋。風蝕物在風力作用下，通過集沙筒的進沙通道進入集沙布袋內，布袋采用流線構造，進入布袋內的沙塵靠重力作用沉積。同時在集沙儀上方安裝導向器，可以控制集沙儀始終隨主風向自由旋轉，使集沙儀入口始終正對侵蝕風向。

經過實地調研獲知，懷來縣玉米收獲期在10月下旬，葡萄于11月中下旬下架深埋，自12月開始農田全面休耕，從次年3月開始，玉米地開始清理秸稈，葡萄陸續開始出土上架，故定義該區域上年12月—次年3月為冬季休耕期，次年3—5月為春季備耕期。2018年12月2日在所選擇地塊內安裝集沙儀，每個地塊安裝3個集沙儀，集沙儀間隔60 m，為了避免風蝕物遠距離輸移對結果的影響，本研究所選土地利用類型面積均在3 000 m2以上，在主風向方向即地塊的西側與北側均種植有防護林及草籬。2019年2月28日收集集沙儀中采集到的風蝕物作為冬季休耕期風蝕物樣品；2019年4月29日再次收集樣品作為春季備耕期風蝕物樣品。收集期間對該區域的風速降雨情況進行監測(表2)。風蝕物收集回來后將動植物殘體挑出并稱重，一部分用激光粒度儀(德國麥奇克S3500)測定粒度，一部分用元素分析儀(德國Elementar，vario MACRO cube)測定碳氮含量。

表2 觀測期內風速及降雨情況

在冬季休耕期與春季備耕期觀測前(即2018年12月2日與2019年2月28日)對每一觀測點0—5 cm表土進行采樣，樣品采集后風干，剔除動植物殘體，粉碎過2 mm篩，用激光粒度儀(德國麥奇克S3500)測定粒度。

1.4 富集比計算

采用富集比來表達風蝕物粒徑、碳氮含量與地表土壤顆粒組成及養分損失的關系，計算公式如下：

(1)

(2)

(3)

式中：PZ1為風蝕物中某一粒級顆粒物含量(%)；PZ0為表層土壤中某一粒級顆粒物含量(%)；C1為風蝕物中碳含量(%)；C0為表層土壤中碳含量(%)；N1為風蝕物中氮含量(%)；N0表層土壤中氮含量(%)。

2 結果與分析

2.1 不同土地利用類型風蝕物質量分數及輸沙通量沿高度的變化

圖1為自然風條件下，不同土地利用類型土壤風蝕物在冬季休耕期和春季備耕期隨高度的變化。可以看出，在冬季休耕期，歐李與玉米翻耕地土壤風蝕物質量分數均呈現隨高度增加而減少的趨勢。其中在距地表30 cm采集到的風蝕物占總采集量的30%以上；距地表40 cm采集到的風蝕物占總采集量的20%以上；果桑、葡萄與玉米免耕地土壤風蝕物質量分數隨高度的變化則無明顯規律可循，果桑林地距地表60 cm采集到的風蝕物質量最高，占總采集量的22%，葡萄地則表現為距地表40 cm采集的風蝕物質量最高，占總采集量的23%，玉米免耕地亦表現為距地表40 cm采集的風蝕物質量最高，占總采集量的22%。

圖1 不同土地利用類型各高度風蝕物質量分數

在春季備耕期，歐李、玉米翻耕地土壤風蝕物質量分數仍然表現為隨高度增加而減少的趨勢；葡萄、玉米免耕地土壤風蝕物質量分數隨高度變化與冬季休耕期不同，受人為活動影響，土壤風蝕物質量分數表現為隨高度增加而減少的趨勢。果桑林地距地表30 cm采集到的風蝕物質量最高，占總采集量的22%，但土壤風蝕物質量分數隨高度增加并無規律性變化。初步說明在無人為擾動時期，土壤風蝕物質量隨高度的變化與下墊面地勢起伏有關。在春季備耕期人為擾動促進了近地表的風沙活動。

比較兩個時期不同土地利用類型輸沙通量(圖2)。結果表明在冬季休耕期，5種土地利用類型輸沙通量表現為玉米翻耕地>葡萄>果桑>玉米留茬免耕>歐李；在春季備耕期，5種土地利用類型輸沙通量表現為葡萄>玉米留茬免耕>玉米翻耕>歐李>果桑；受人為擾動和大風天氣的雙重影響，春季備耕期各土地利用類型輸沙通量較冬季休耕期有所增加，增加幅度為55%～388%，其中葡萄增加幅度最大，春季備耕期葡萄地輸沙通量為冬季休耕期的4.88倍。

圖2 不同土地利用類型各高度輸沙通量變化

2.2 不同土地利用類型風蝕物粒徑分析

表3為不同土地利用類型在冬季休耕期與春季備耕期風蝕物的粒徑垂直分布特征。可以看出，在冬季休耕期5種土地利用類型風蝕物的粒徑范圍均在0～2 000 μm，集中分布在500～2 μm，占到總量的85%以上；春季休耕期5種土地利用類型風蝕物的粒徑范圍均在0～1 000 μm，集中分布在250～2 μm，占到總量的90%以上；在冬季休耕期5種土地利用類型平均粒徑均大于春季備耕期。

表3 不同土地利用類型風蝕物粒徑分布特征 %

表4為不同土地利用類型在冬季休耕期與春季備耕期風蝕物富集特征。可以看出，在冬季休耕期，5種土地利用類型不同高度土壤風蝕物種250～100 μm顆粒均產生富集，其中玉米免耕地富集比最高，葡萄地次之，玉米翻耕地最低；除歐李外，其他4種土地利用類型不同高度土壤風蝕物中500～250 μm顆粒亦產生富集；玉米翻耕地不同高度土壤風蝕物中50～2 μm顆粒產生富集。歐李林地土壤風蝕物中500～250 μm顆粒富集比隨高度增加呈現下降趨勢，50～2 μm細顆粒富集比隨高度增加而增加；其他土地利用類型土壤風蝕物顆粒組成隨高度無規律性變化。

表4 不同土地利用類型風蝕物粒徑富集比

在春季備耕期，葡萄、玉米免耕、玉米翻耕地不同高度土壤風蝕物250～2 μm顆粒產生富集；歐李林地不同高度土壤風蝕物250～50 μm顆粒產生富集；果桑林地不同高度土壤風蝕物100～2 μm顆粒產生富集。葡萄、玉米免耕、玉米翻耕地土壤風蝕物中250～100 μm顆粒隨高度增加而減少；葡萄地100～50 μm顆粒隨高度增加而增加；玉米免耕與玉米翻耕地50～2 μm顆粒隨高度增加而增加。

2.3 不同土地利用類型風蝕物碳氮含量分析

表5為不同土地利用類型風蝕物碳氮含量特征。可以看出5種土地利用類型在冬季休耕期風蝕物碳氮含量均高于春季備耕期。冬季休耕期風蝕物氮含量為春季備耕期風蝕物氮含量的1.4～5.5倍，碳含量為春季備耕期風蝕物碳含量的2.1～6.8倍。歐李林地在冬季休耕期距地面60 cm處收集到的風蝕物碳氮含量均為最高，與距地面30 cm處風蝕物碳氮含量相比，增加幅度分別達56.0%，70.6%，在春季備耕期風蝕物碳氮含量則表現為隨著高度增加而增加的趨勢。果桑林地在冬季休耕期距地面30 cm處收集到的風蝕物碳氮含量均為最高，與其他高度相比增加幅度分別達4.9%～12.1%，12.5%～28.8%。在春季備耕期風蝕物氮含量表現為隨著高度增加而減少的趨勢，而碳含量隨高度增加無規律性變化。葡萄地在冬季休耕期距地面60 cm處收集到的風蝕物碳氮含量最高，為距地面70 cm處風蝕物碳氮含量的1.1倍和1.3倍。在春季備耕期風蝕物碳氮含量隨高度增加無規律性變化。玉米免耕地在冬季休耕期距地面70 cm處收集到的風蝕物總氮含量最高，為距地面30 cm處風蝕物氮含量的1.7倍，距地面50 cm處風蝕物總碳含量最高，為距地面30 cm處風蝕物碳含量的1.4倍，在春季備耕期風蝕物總碳氮含量隨高度增加無變化。玉米翻耕地在冬季休耕期距地面60 cm處收集到的風蝕物總碳氮含量均為最高，為距地面30 cm處風蝕物碳氮含量的1.7倍和2.0倍，在春季備耕期風蝕物總碳氮含量隨高度增加無變化。

表5 不同土地利用類型風蝕物碳氮含量特征

5種土地利用類型土壤風蝕物碳氮均發生富集，冬季休耕期氮的富集比達9以上，玉米免耕地氮富集比最高，葡萄地次之，玉米翻耕地最低；碳的富集比亦表現為玉米免耕地最高。春季備耕期碳氮的富集比均低于冬季休耕期，果桑林地碳氮富集比均為最高，葡萄地碳氮富集比最低。

3 討 論

3.1 土地利用類型、采集時期以及表層土壤特征對土壤風蝕物的影響

風蝕物質量、碳氮及粒徑的垂直分布受耕作類型、采集時期的影響[6]。本文研究表明，5種土地利用類型土壤風蝕物質量分數隨高度的變化不同。歐李與玉米翻耕地土壤風蝕物質量分數隨高度增加而減少，垂向分布遵循冪函數遞減規律，這與前人在彰武、河北壩上等農田的研究結果一致[8-12]。但是果桑、葡萄與玉米免耕地土壤風蝕物質量分數在監測高度范圍內隨高度增加無規律性變化。葡萄與玉米免耕地風蝕物質量分數最高點在距地面40 cm處，這與王珊等在寧夏埋土防寒區研究結果不同[13]。玉米免耕地土壤風蝕物質量隨高度變化呈現隨機性特征，這與陳智等在農牧交錯帶農田的研究結果相同[7]。影響土壤風蝕的因素有很多，除了風力和干旱等自然因素外，人為植被破壞、表土破壞等造成表土松散也是引起風蝕的重要原因[14-15]。本研究中春季備耕期5種土地利用類型輸沙通量較冬季休耕期均有所增加，最高增加幅度達388%。這與該時段內風速大、大風天數多(表2)、人為擾動頻繁有關。

風蝕物顆粒體的起跳速度和躍移軌跡受下墊面粗糙度、風速、人為干擾等因素的影響，表現出不同的規律性，本研究中春季備耕期風蝕物平均粒徑小于冬季備耕期，與春季備耕期人為擾動將下層土壤帶至表層，對細顆粒形成補給有關。Chepil研究認為顆粒小于420 μm者為高度可蝕因子[16-17]，本研究兩個監測時期內風蝕物粒徑范圍集中分布在500～2 μm，與其研究結果相符。同時表層土壤的粒度組成影響風力作用下土壤顆粒的釋放、輸送和沉降[18]。本研究對表層土壤粒度組成和風蝕物粒度組成進行了相關性分析，發現表層土壤500～2 μm粒度含量與距地面高度50 cm，60 cm處風蝕物500～2 μm粒度含量呈極顯著正相關關系(距地面50 cm處：r=0.788，N=9；距地表60 cm處：r=0.896，N=9)，與距地面高度30 cm，40 cm，70 cm處風蝕物500～2 μm粒度含量無顯著正相關關系。說明在該區域距地面50—60 cm高度風蝕物粒度組成受地表土壤粒度組成的影響。

本研究結果表明，在冬季休耕期，玉米免耕、玉米翻耕地風蝕物碳氮含量在0—70 cm內基本遵循隨高度增加而增加的規律，葡萄與歐李風蝕物碳氮含量在0—60 cm遵循隨高度增加而增加的規律。在春季備耕期，玉米免耕、玉米翻耕、葡萄、歐李4種土地利用類型風蝕物碳氮含量在0—70 cm內均遵循隨高度增加而增加的規律。這一結果與李曉麗、陳健等研究結果一致[10,19]。果桑林地在冬季休耕期和春季備耕期風蝕物碳氮含量隨高度增加無規律性變化，這可能與果桑枝條空間分布對氣流的攔截、抬升作用使風蝕物的運動軌跡發生了改變[20]。

3.2 土壤風蝕物通量、粒度組成與碳氮富集的相關關系

對土壤風蝕物通量、粒度組成與碳氮含量進行相關性分析，發現在冬季休耕期，土壤風蝕物通量與粒度組成、碳氮富集比之間無顯著相關關系。但土壤風蝕物粒度組成與碳氮富集比存在顯著相關關系，其中氮富集比與500～100 μm顆粒存在顯著正相關關系(500～250 μm：r=0.491，N=25，p<0.05；250～100 μm：r=0.696，N=25，p<0.01)，表明隨著土壤風蝕物中500～100 μm顆粒的增加，氮的富集程度增加；氮富集比與100～2 μm顆粒存在顯著負相關關系(100～50 μm：r=-0.466，N=25，p<0.05；50～2 μm：r=0.510，N=25，p<0.01)，表明，隨著土壤風蝕物中100～2 μm顆粒的增加，氮的富集程度降低。風蝕物中碳富集比與1 000～100 μm顆粒存在顯著正相關關系(1 000～500 μm：r=0.485，N=25，p<0.05；500～250 μm：r=0.546，N=25，p<0.01；250～100 μm：r=0.657，N=25，p<0.01)，表明隨著土壤風蝕物中1 000～100 μm顆粒的增加，碳的富集程度增加；碳富集比與風蝕物中50～2 μm顆粒存在負相關關系(r=-0.480，N=25，p<0.05)，表明隨著土壤風蝕物中50～2 μm顆粒的增加，碳的富集程度降低。

在春季休耕期，土壤風蝕物通量與粒度組成存在顯著相關關系，其中100～2 μm顆粒富集比與風蝕物通量存在顯著相關關系(100～50 μm：r=0.739，N=25，p<0.01；50～2 μm：r=0.475，N=25，p<0.05)，表明隨著土壤風蝕物通量增加，100～2 μm顆粒富集程度增加；風蝕物中碳氮富集比與粒度組成無顯著相關關系。

研究資料表明，土壤風蝕具有時距效應，即粉塵的釋放通量會隨著風蝕時間的增加而減少[21-22]。風蝕物中碳氮亦具有時距效應，本研究中冬季休耕期風蝕物碳氮含量高于春季備耕期，說明碳氮含量較高的顆粒最先被大風吹蝕，在風蝕物中富集，之后隨著風蝕時間的持續，表層土壤富含碳氮的可蝕顆粒減少。

4 結 論

(1)5種土地利用類型土壤風蝕物質量分數隨高度的變化不同，其中歐李與玉米翻耕地土壤風蝕物在監測范圍內垂向分布遵循冪函數遞減規律，果桑、葡萄與玉米免耕地土壤風蝕物質量分數隨高度增加無規律性變化。

(2)春季備耕期5種土地利用類型輸沙通量均高于冬季休耕期，冬季休耕期5種土地利用類型輸沙通量表現為玉米翻耕地>葡萄>果桑>玉米留茬免耕>歐李；春季備耕期輸沙通量表現為葡萄>玉米留茬免耕>玉米翻耕>歐李>果桑。

(3)研究區域500～2 μm粒徑土壤顆粒為易蝕顆粒，距地面50 cm，60 cm風蝕物500～2 μm顆粒受地表土壤500～2 μm顆粒含量影響。

(4)5種土地利用類型冬季休耕期風蝕物氮含量為春季備耕期風蝕物氮含量的1.4～5.5倍，碳含量為春季備耕期風蝕物碳含量的2.1～6.8倍。