徐 莉,刘 宇,张忠启,赵 亮,蒋军乐

(1.江苏师范大学 地理测绘与城乡规划学院,江苏 徐州 221116;2.中国科学院 地理科学与资源研究所,生态系统网络观测与模拟重点实验室,北京 100101;3.中国科学院大学,北京 100049;4.河北科技大学,石家庄 050018)

土壤紧实度是衡量土壤质量的重要物理指标[1]，决定土壤入渗速率，影响土壤侵蚀强度[2]。有关土壤紧实度的研究多集中在农田，关注耕作方式、作物类型、自然因素等对农田土壤紧实度的作用与影响[3-7]，以及紧实度变化对土壤理化性质、农作物生长发育及作物产量和品质等影响[8-10]。景观连通度是影响土壤侵蚀过程的重要因素[11]。景观连通度包括景观结构连通度和景观功能连通度[12]。对土壤侵蚀过程而言，景观结构连通度指产生的径流、泥沙输送至目的地的畅通程度[13-14]。在小区和坡面尺度上，径流源区的连通对侵蚀的发生和发展有重要影响[11]。从坡顶至坡底，汇水面积逐渐增加，水文连通度也随之增强，从而增强土壤侵蚀强度，加大表土的剥离程度。与此同时，接收到的上坡输送的泥沙、凋落物碎屑等也在不断增加。在植被覆盖、微地形阻碍体等具备一定拦截能力的地表阻滞体存在的条件下，会形成较为疏松的沉积体[15]。

干旱区生态系统是典型的斑块镶嵌结构，灌草斑块镶嵌覆被格局较为常见。在干旱半干旱环境中，灌丛植被更容易导致坡面水流的汇聚[16]，从而改变坡面的水文连通格局，促进高水文连通区提前在靠近上坡的位置形成，加强冲刷侵蚀[17]而剥离表层疏松土壤。此外，灌丛镶嵌的坡面，由于灌丛斑块(尤其是带刺、较高大的灌丛)的存在，会导致牲畜在坡面的移动路径由较为分散转变为相对集中。这些因素共同作用，可能会塑造出与单一草被不同的水文连通格局和侵蚀—沉积空间异质性格局，导致土壤紧实度的空间异质性。基于以上认识，本研究试图通过格网化的调查，揭示半干旱地区灌丛—草地镶嵌坡面上土壤紧实度的空间变异及水文连通度的影响。

1 研究区概况与研究方法

1.1 研究区概况

本研究选择位于黄河二级支流东芦河流域的人工灌丛坡面开展研究。东芦河流域位于陕西省榆林市靖边县城南，上游部分区域属延安市安塞区，大部分位于靖边县内，为无定河的一条支流。该流域地处毛乌素沙地南侧，黄土丘陵沟壑区北缘，为鄂尔多斯高原向黄土高原的过渡地带。气候属半干旱内陆性季风气候，年平均气温为7.8℃，年平均气温日较差为12.4℃，无霜期125 ～179 d。土壤类型主要以砂质风沙土、黄绵土为主，土质疏松，持水性能差，抗侵蚀性低。东芦河流域内地带性植被以草本为主，间有天然灌丛。草地广泛分布于黄土丘陵沟壑区的梁峁顶、沟坡上，优势物种有针茅属、百里香属、蒿属等。这一带为大面积人工植被营造区。灌丛除分布于沟坡、谷坡和沟底的狼牙刺、黄刺玫、丁香等自然植被外，以人工种植的柠条为主，部分坡面种有沙棘。

1.2 研究方法

1.2.1 土壤紧实度测定 本研究选择位于东芦河西侧的一个典型人工柠条灌丛—茅草镶嵌坡面布设调查样地(图1)。为方便将地面测定的土壤紧实度与基于航拍制图获取的坡面位置、景观连通度相结合，在每个采样点使用白色胶带设置十字形地面标识点。从坡顶至坡底共布设17行93个样点，沿等高线方向和垂直于等高线方向间距均约6 m。每个样点分别采集灌丛下和灌丛间草地土壤紧实度数据。

图1 样地位置示意图

土壤紧实度指土壤颗粒间间隙的大小，也称土壤硬度或土壤穿透阻力。一般用金属柱塞或探针压入土壤时的阻力表示，它是衡量地表状况的一个重要指标[18]。坡面主要景观类型为灌丛—草地镶嵌景观。灌丛具有一定拦截泥沙能力，能形成泥沙沉积体。灌丛间草地泥沙拦截能力低。因此可能导致灌丛下和灌丛间草地土壤紧实度的差别。因此，分别测定了灌丛下、灌丛间草地的土壤紧实度。本研究采用型号为WJSD-750-Ⅱ土壤紧实度仪测定土壤紧实度。因为土壤侵蚀对土壤表层影响较大，所以选取土壤紧实度测定深度为10 cm。每个样点重复测三次取平均值。根据样点的位置，利用ArcGIS空间分析工具克里金插值模块获取土壤紧实度的坡面分布图。

1.2.2 坡面表面模型构建及水文连通度计算 坡面表面模型构建基于大疆精灵3Standard四旋翼无人机获取RGB照片制作。整个坡面人工灌丛高度大致在1.5 m以下，无人机飞行高度设置为15 m，航向重叠设90%，旁向重叠设为60%。使用GS Pro软件规划航线，航线规划完成后上传航线数据至无人机。为保证图像的质量，采用悬停拍照模式，共获得覆盖整个坡面的280张航拍照片。使用Agisoft Photoscan软件构建数字表面模型(DSM)和生成整个坡面的正射影像。具体处理的流程包括照片对齐(Align Photos)、构建密集点云(Build Dense cloud )、构建网格(Build Mesh)、生成数字表面模型(DSM)和生成正射影像图。其中DSM分辨率为3 cm，正射影像为2 cm。经处理去掉灌丛植被后生成坡面DEM，分辨率与DSM一致。

水文连通度量化了坡面任意位置与上坡通过径流连通的程度[19]。这里采用累积汇流量表征了水文连通度。因此，水文连通度指坡面上任意一个位置的上坡累计汇流面积，即每个栅格单元累积汇流量是指上游汇流区内流入该栅格单元的栅格的总数与栅格面积的乘积，即累积汇流面积[20]。其假定规则栅格处有一个单位径流量，根据区域地形水流方向数据计算有多少栅格上的径流流入该栅格，即表明有多少个单位径流量汇入该栅格单元，从而得到每个栅格上坡来水量[21]。这里采用八邻单流向算法计算累积汇流量。利用ArcGIS水文分析工具中累积汇流模块计算累积流量。利用Excel 2016软件中数据分析工具进行相关性分析、差异比较。

2 结果与分析

2.1 土壤紧实度的坡面空间变异

灌丛下土壤紧实度呈下降趋势，灌丛间草地土壤紧实度呈上升趋势(图2)。坡面灌丛下土壤紧实度最大值为37.93 kg/cm2，最小值为17.78 kg/cm2，变幅为20.15 kg/cm2，变异系数为0.19；草地土壤紧实度最大值为43.22 kg/cm2，最小值为20.12 kg/cm2，变幅为23.1 kg/cm2，变异系数为0.22。总体上灌丛土壤紧实度低于草地，灌丛间草地土壤紧实度的变异程度亦高于灌丛。

图2 灌丛与草地紧实度的沿坡位的变化

灌丛间草地和灌丛下土壤紧实度的空间分异存在差别。利用灌丛与灌丛间草地的土壤紧实度实测数据分别进行插值，得到仅有灌丛、草地两种情况下土壤紧实度值的空间分布(图3)。坡面灌丛土壤紧实度表现为从坡顶至坡中位置增大，坡中至坡底位置逐渐减小，最小值范围出现在下坡位置，坡面整体上表现为先增大后减小，坡中位置土壤紧实度值达到最高，介于27～29 kg/cm2。草地的土壤紧实度的空间分布表现为坡中位置最大(40～47 kg/cm2)，向上坡和坡底方向逐渐减小。与灌丛不同的是，草地土壤紧实度最小值分布在上坡位置。

图3 土壤紧实度空间分布

灌丛和灌丛间草地土壤紧实度的差异随坡位而异。如图4所示，差值为草地土壤紧实度减去灌丛土壤紧实度，在上坡位置灌丛土壤紧实度高于草地，从坡中至坡底草地土壤紧实度都不同程度地高于灌丛。从坡顶至坡底方向，灌丛—草地间差值整体上趋向于增加，即越往坡底方向，两者土壤紧实度差值越大。灌丛—草地同一坡位的土壤紧实度最大差值位于坡底，达23.66 kg/cm2，最小差值位于上坡，仅为1.49 kg/cm2。

图4 不同坡位灌丛和草地土壤紧实度差值

2.2 土壤紧实度坡面分异与水文连通度的关系

土壤侵蚀对表土的剥蚀可增加土壤紧实度，水文连通度高意味着土壤侵蚀强度高[22-23]。在本研究中，灌丛和灌丛间草地斑块土壤紧实度与水文连通度的关系表现相反。如图5所示，从上坡至下坡，灌丛下土壤紧实度与表达水文连通度的累积汇流面积之间呈负相关，而灌丛间草地的土壤紧实度与累积汇流面积呈正相关。从坡顶至坡底方向，汇流面积逐渐增加，即接收更多的上方来水量，坡面径流侵蚀能力随之增强，坡产沙量增加[24]，灌丛由于具有更好的泥沙拦截功能，更有利于形成松散的泥沙堆积体，从而使得灌丛下土壤紧实度随汇流面积的变化与草地表现出不同的变化趋势。

图5 土壤紧实度与累积汇流面积关系

3 讨 论

土壤紧实度是较为重要的土力学性质，是受土壤机械组成、有机质含量及土壤水分等因子影响的综合指标[25]，它直接影响到土壤的可蚀性[26]。在黄土区，土壤紧实度从表层向深层增加[27]。土壤侵蚀导致表土的流失，从而使土壤紧实度增加。已有研究表明，坡面侵蚀总体趋势表现为从分水岭向下由小变大，再由大变小，自分水岭到坡脚划分为微弱侵蚀带—侵蚀强烈带—冲刷带—堆积带[23]。本研究中灌丛间草地的土壤紧实度在空间尺度上表现为中坡位置最大，上坡与下坡位置较小。降雨侵蚀过程是降雨能量对地面做功的表现，做功的最初表现形式是雨滴的击溅侵蚀[28]。已有研究表明，当植被高度超过1 m时，会增强雨滴的溅蚀能力[29]。这与本研究中上坡位置灌丛下土壤紧实度高于灌丛间草地土壤紧实度的结果相一致。除上坡位置，灌草镶嵌坡面灌丛间草地的土壤紧实度均不同程度高于灌丛下土壤紧实度。灌丛相对于草地具有更强的泥沙拦截能力，也有较高的凋落物量，易形成较厚的松散堆积体[30]。

本研究所选的灌丛—草地镶嵌斑块结构是干旱半干旱地区典型的景观结构，具有与纯草地景观不同的水文响应特征。已有研究表明灌丛景观与草地相比有更高的径流系数[31]，因为灌丛景观径流向灌丛间汇聚[32]，形成较高的水文连通度，且灌丛间入渗率低于灌丛区[33]；本研究区存在一定的放牧活动，由于柠条灌丛的存在，牲畜移动路径往往呈现出镶嵌于灌丛间的网状结构，这会形成牲畜对灌丛间草地区域的较强的践踏，加剧土壤的板结，同时促进裸地斑块之间的水文连通，最终增大灌丛与灌丛间草地土壤紧实度差异。

4 结 论

通过对东芦河流域典型人工柠条—草地镶嵌坡面灌丛和灌丛间草地土壤紧实度的调查分析，探讨景观连通度对土壤紧实度的影响。研究结果表明：人工灌丛坡面灌丛下与灌丛间草地斑块的土壤紧实度在坡面尺度都呈现先增加再降低的变化趋势，即中坡位置的土壤紧实度值都较上坡、下坡位置高；同一坡位灌丛与草地土壤紧实度存在差异，从坡中偏上至坡底位置草地土壤紧实度都不同程度地高于灌丛，二者最小差值位于上坡位置，最大差值位于下坡位置。在灌丛—草地镶嵌的坡面，景观连通度对土壤紧实度的影响表现为草地土壤紧实度与水文连通度正相关，而灌丛下土壤紧实度与水文连通度呈负相关。