基于不同用地類型的土壤風蝕物變化特征研究

呂興民

(錦州凌豐建設工程有限公司，遼寧 錦州 121100)

義縣屬于遼西山地丘陵區范圍，地處半干旱、半濕潤大陸性季風氣候區，長期以來該區域大風天氣頻發飽受土壤風蝕的侵擾，尤其是土地利用方式的改變以及高強度經營活動更是加劇了風蝕過程，土壤風蝕帶來的揚沙天氣、土壤退化等現象對區域生態安全構成嚴重威脅[1-2]。實踐表明，風蝕是造成表層土壤碳氮流失的關鍵因素之一，風蝕每年造成的總氮和有機碳流失量達到4×106t、7×106t。風蝕導致的細顆粒損失會產生更沙質的土壤結構，而細顆粒的損失進一步降低土壤有效性及養分含量，其中地上部植被狀態及土壤性質是影響細顆粒物損失的主要因素[3-5]。近年來，我國諸多學者深入研究了土壤質量受風蝕的影響、風蝕物含量及其垂直分布等，但定量分析地表土壤養分損失及組成與土壤風蝕物粒度組成的關系，以及風蝕物攜帶的碳氮養分含量等還鮮有報道。因此，研究不同用地方式地表土壤碳氮養分的垂直分布規律、風蝕物含量及機械組成，對于理清土壤貧瘠沙化的原因以及進一步了解風蝕過程、作用機理等意義重大。

本研究通過野外實地調研，選擇遼西山地丘陵區義縣下堡子小流域糧食、林果兩種用地類型，確定春冬季兩個時段，地表風蝕物采集時間為2020-2021 年大風季節(春季、冬季)，通過數據采集揭示不同用地類型的風蝕物碳氮含量、粒徑、質量垂直分布特征。

1 研究方法

1.1 區域概況

下堡子小流域位于遼寧省義縣瓦子峪鎮境內，屬大凌河中游，地處E121°33′52″～121°36′00″，N41°36′24″～41°39′56″之間，屬半干旱、半濕潤大陸性季風氣候，具有春季干旱，雨熱同期，日照充足，溫差較大的特點，年均降水量528.3mm，降雨年季間變化大，年內分配不均勻，多集中在7-9月。據統計，≥10℃積溫3389.1℃，年日照時數2581.6h，無霜期149d，太陽總輻射量585kJ/cm2，多年平均大風日數161d，多年平均風速3 m/s，冬季以西北風為主，夏季以西南風為主。土壤類型以棕壤性土亞類為主，成土母質為第四紀黃土狀沉積物及石灰巖、基性巖、酸性巖等風化物，腐殖質少，通透性差，抗沖蝕性弱，土壤侵蝕極易發生水土流失[6-8]。

1.2 樣點選擇

根據義縣農業用地和土壤風蝕實際情況，確定糧食作物用地(馬鈴薯免耕地、馬鈴薯翻耕地)和林果用地(桑葚、山杏、油桃)等用地類型。為保證樣地土壤狀況、氣溫、風速、風向等參數的相同，各地塊均分布于下堡子小流域中心附近，各樣點情況見表1。

表1 樣點地表特征

1.3 檢測方法

采用階梯式集沙儀收集不同用地類型的土壤風蝕物，集沙儀總高度100cm，將截面積5cm×5cm 的2 個集沙筒分別安設于距離地面70cm、60cm、50cm、40cm、30cm 處，集沙筒的一端與布袋相連接，另一端開口收集風蝕物。在風力作用下風蝕物經進沙通道進入布袋，沙塵進入流線構造的布袋內后靠重力沉積，將導向器安裝在集沙儀上方，集沙儀能夠自由旋轉，從而保證侵蝕風向始終正對集沙儀入口[10-12]。

經實地調研，定義春季備耕期為次年3-5 月，冬季休耕期為上年12 月-次年3 月。本研究于2020 年12 月1 日安裝集沙儀，針對不同用地類型每隔60m 連續安裝3 個集沙儀，為降低遠距離運輸對風蝕物收集結果的影響，研究所選地塊面積均不低于2000m2，在地塊北側及西側即主風向方向種植草籬和防護林。將2021 年4 月28 日、2021年2 月26 日集沙儀所采集的風蝕物作為春季備耕期和冬季休耕期風蝕物樣品。風蝕物收集過程中，監測區域內的降雨及風速情況，如表2 所示。

表2 觀測期降雨及風速監測值

在春季備耕期和冬季休耕期觀測前，對各樣點0～5cm 深度范圍內的表土取樣，將采集回來的樣品風干，剔除雜質后粉碎過2mm 篩，然后將樣品分成兩部分用于碳、氮含量及粒度的測定，所用儀器有元素分析儀和激光粒度儀等。

1.4 富集比計算

本研究利用富集比來反映土壤養分損失及顆粒組成與碳氮含量、粒徑之間的關系，其相關公式為：

式中：C1、N1、PZ1為風蝕物中的碳、氮和某粒級顆粒物含量，%；C0、N0、PZ0為表層土壤中碳、氮和某粒級顆粒物含量，%。

2 結果與分析

2.1 土壤風蝕物質量分數變化

在春季備耕期和冬季休耕期，自然風條件下不同用地類型的土壤風蝕物隨高度變化特征見圖1。

圖1 不同高度的土壤風蝕物質量分數

結果表明：①隨高度增加春季備耕期馬鈴薯翻耕和山杏地土壤風蝕物質量分數呈現出逐漸減小趨勢；隨高度變化馬鈴薯免耕地、油桃林地土壤風蝕物質量變化與冬季休耕期不同，土壤風蝕物質量受人為活動影響呈現出減小趨勢。距地表30cm 高度時采集的桑葚林地風蝕物質量達到最高，占總采集量的21.2%，隨高度變化風蝕物質量分數未表現出明顯規律性。因此，隨高度變化無人為擾動時期的土壤風蝕物質量與下墊面條件密切相關，受人為擾動的春季備耕期內的近地表風沙活動加劇。②隨高度增加冬季休耕期馬鈴薯翻耕和山杏地土壤風蝕物質量分數呈現出逐漸減小趨勢，其中距地表30cm、40cm 處的風蝕物質量分數達到30%和20%以上；隨著高度增加馬鈴薯免耕、油桃、桑葚地土壤風蝕物質量分數未表現出明顯規律性，距地表60cm 高度時桑葚林地土壤風蝕物質量達到最高，占總采集量的20.7%，距地表40cm 高度時油桃林地和馬鈴薯免耕地土壤風蝕物質量達到最高，占總采集量的23.2%和22.0%。

在春季備耕期和冬季休耕期內，自然風條件下不同用地類型的土壤輸沙通量變化特征如圖2。

圖2 不同高度的土壤輸沙通量

結果表明：春季備耕期內不同用地類型的輸沙通量排序為桑葚＜山杏＜馬鈴薯翻耕＜馬鈴薯免耕＜油桃，冬季休耕期內不同用地類型的輸沙通量排序為山杏＜馬鈴薯免耕＜桑葚＜油桃＜馬鈴薯翻耕地。受大風天氣和人為擾動的雙重作用，春季備耕期明顯高于冬季休耕期各用地類型的輸沙通量，前者約為后者的2.09～5.23 倍，其中增幅最高的為油桃林地，春季備耕期約為冬季休耕期輸沙通量的5.23 倍。

2.2 風蝕物粒徑垂直分布特征

在春季備耕期和冬季休耕期不同用地類型的土壤風蝕物粒徑垂直分布特征見表3。結果表明，各用地類型春季休耕期的土壤風蝕物粒徑均處于0～1000μm 范圍，其中90%以上集中分布在2～250μm 范圍；各用地類型冬季休耕期的土壤風蝕物粒徑均處于0～1000μm 范圍，其中85%以上分布在2～500μm 范圍。另外，各用地類型春季備耕期的平均粒徑均小于冬季休耕期。

表3 土壤風蝕物粒徑分布特征

續表3 土壤風蝕物粒徑分布特征

在春季備耕期和冬季休耕期不同用地類型的土壤風蝕物富集特征見表4。結果表明：①春季備耕期不同高度的馬鈴薯翻耕、馬鈴薯免耕、油桃林地2～250μm 風蝕物顆粒出現富集，山杏林地50～250μm 風蝕物顆粒出現富集，桑葚林地2～100μm 風蝕物顆粒出現富集；隨高度增加馬鈴薯翻耕、馬鈴薯免耕、油桃林地100～250μm 風蝕物顆粒逐漸減少，油桃林地50～100μm 風蝕物顆粒逐漸增加，而馬鈴薯翻耕、馬鈴薯免耕2～50μm風蝕物顆粒逐漸增加。②冬季休耕期不同高度的各用地類型100～250μm 風蝕物顆粒都出現富集，其中富集比最高的是馬鈴薯免耕地，其次為油桃林地，富集比最低的是馬鈴薯翻耕地；除山杏林地外，不同高度的其它4 種用地類型250～500μm風蝕物顆粒也出現富集，不同高度的馬鈴薯翻耕地2～50μm 風蝕物顆粒出現富集；隨著高度的增加山杏林地250～500μm 風蝕物顆粒富集比逐漸減小，而2～50μm 風蝕物顆粒富集比逐漸增大，隨高度變化其它用地類型風蝕物顆粒組成未表現出明顯規律性。

表4 土壤風蝕物粒徑富集比

續表4 土壤風蝕物粒徑富集比

2.3 風蝕物碳氮含量變化特征

不同用地類型風蝕物碳氮含量特征見表5。

表5 土壤風蝕物碳氮含量特征

續表5 土壤風蝕物碳氮含量特征

結果顯示春季備耕期各用地類型碳氮含量均低于冬季休耕期，冬季休耕期碳氮含量為春季備耕期的2.0～6.1 倍和1.5～5.7 倍，具體如下：

①山杏林地：距地面60cm 處冬季休耕期山杏林地土壤風蝕物碳氮含量均達到最高，相比于距地面30cm 的碳氮含量增加幅度達到57.20%、70.0%，隨高度的增加春季備耕期風蝕物碳氮含量呈現出上升趨勢。②桑葚林地：距地面30cm 處冬季休耕期桑葚林地土壤風蝕物碳氮含量均達到最高，相比于其它高度的碳氮含量增加幅度達到4.6%～12.2%、12.1%～27.7%；隨高度的增加春季備耕期風蝕物碳含量變化未表現出明顯的規律性，而氮含量則呈現出減小趨勢。③油桃林地：距地面60cm 處冬季休耕期油桃林地土壤風蝕物碳氮含量均達到最高，與距地面70cm 處碳氮含量相比為其1.1 倍、1.3 倍；隨高度的增加春季備耕期風蝕物碳、氮含量變化未表現出明顯規律性。④馬鈴薯免耕地：距地面70cm 處冬季休耕期馬鈴薯免耕地土壤風蝕物總氮含量均達到最高，與距地面30cm 處氮含量相比為其1.6 倍；距地面50cm 處冬季休耕期馬鈴薯免耕地土壤風蝕物總碳含量均達到最高，與距地面30cm 處碳含量相比為其1.3 倍；隨高度的增加春季備耕期風蝕物碳、氮含量變化未表現出明顯規律性。⑤馬鈴薯翻耕地：距地面60cm 處冬季休耕期馬鈴薯翻地土壤風蝕物碳氮含量均達到最高，與距地面30cm 處碳氮含量相比為其1.8 倍、2.0 倍；隨高度的增加春季備耕期風蝕物碳、氮含量變化未表現出明顯規律性[13-15]。

從表5 可以看出，山杏、桑葚、油桃、馬鈴薯免耕、馬鈴薯翻耕各用地類型土壤風蝕物碳氮均產生富集，其中冬季休耕期馬鈴薯免耕地氮富集比最高達到18.86，其次為油桃林地的17.21，馬鈴薯翻耕地最低為9.30，而馬鈴薯免耕地的碳富集比最高。冬季休耕期的碳氮富集比均高于春季備耕期，碳氮富集比最高、最低的是油桃和桑葚林地。

3 結論

1）隨高度增加各用地類型的風蝕物質量分數變化特征不同，其中馬鈴薯翻耕地與山杏土壤風蝕物呈冪函數遞減規律，隨高度增加馬鈴薯免耕地、油桃、桑葚林地的風蝕物質量分數變化未表現出明顯規律性。

2）各用地類型的冬季休耕期輸沙通量均低于春季備耕期，從低到高冬季休耕期輸沙通量排序為山杏＜馬鈴薯免耕＜桑葚＜油桃＜馬鈴薯翻耕地，春季備耕期排序為桑葚＜山杏＜馬鈴薯翻耕＜馬鈴薯免耕＜油桃林地。

3）研究區域易侵蝕土壤顆粒粒徑處于2～500μm 范圍，地表土壤2～500μm 顆粒含量影響著50cm、60cm 高度范圍內的風蝕物2～500μm顆粒含量。春季備耕期各用地類型的碳氮含量均低于冬季休耕期，冬季休耕期碳氮含量為春季備耕期的2.0～6.1 倍和1.5～5.7 倍。