库布齐沙漠北缘机械沙障对地表土壤可蚀性的影响

2021-08-09靳灵娜党晓宏韩彦隆雷虹娟

水土保持通报 2021年3期

靳灵娜, 党晓宏,2, 高永, 韩彦隆, 雷虹娟, 张超

(1.内蒙古农业大学沙漠治理学院, 内蒙古呼和浩特 010018; 2.内蒙古杭锦荒漠生态定位观测研究站,内蒙古鄂尔多斯 017400; 3.内蒙古达茂旗民安镇综合保障和技术推广中心, 内蒙古包头 014300)

风蚀是人类社会面临的一个严峻的环境问题[1]，土壤可蚀性指土壤对侵蚀营力分离作用和搬运作用下表现出的敏感程度，是表征地表土壤对侵蚀作用的敏感性，其是衡量土壤抗侵蚀能力的一个重要指标[2]。土壤可蚀性与土壤类型密切相关[3]；不同含量的物理性砂粒土壤风蚀模拟试验，认为风蚀强度与物理性砂粒含量呈正相关[4]；经模拟试验得出0.075～0.4 mm土壤颗粒为易蚀颗粒[5]；土壤干团聚体结构、碳酸钙含量和土壤机械组成等也可作为风蚀可蚀性评价指标[5]。

机械沙障作为工程治沙的主要措施之一，通过改变下垫面性质，增加地表粗糙度，降低风速，进而减弱地表风蚀，从而起到防风固沙的作用[6-7]，为植被恢复提供基础条件。而沙障因材料、规格及其配置模式的不同，其防护效果差异明显。沙柳(Salixpsammophila)是库布齐沙漠主要的沙生乡土灌木种，沙柳沙障在鄂尔多斯范围内应用广泛；生物基可降解聚乳酸沙袋沙障(PLA沙障)以农作物为原料，经发酵分解最终转化为CO2和H2O，不会污染环境，其采用“以沙治沙”的理念，铺设后可改变沙丘微地形气流特征、沙丘表层沉积物的粒度特征等[8-10]。芦苇沙障造价低廉、铺设简单、材料便捷，适合大面积铺设，芦苇沙障铺设使粗沙粒减少，细沙粒增多，并为生物结皮生长提供良好的生长环境，使植被盖度及植物种类增加[11-12]。目前，针对库布齐沙漠北缘机械沙障铺设后土壤可蚀性特征及有效防风固沙作用的配置模式鲜有明确提出。本研究采取库布齐沙漠北缘迎风坡不同设置年限铺设的PLA沙障、沙柳沙障和芦苇沙障不同坡位的土壤样品，分析地表0—20 cm深度土壤有机质和土壤粒度组成，并利用EPIC模型分析流动沙丘风沙土的可蚀性差异，以期明确机械沙障铺设对风沙土可蚀性特征的影响，并为防沙工程中沙障的合理应用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于内蒙古自治区鄂尔多斯市杭锦旗独贵塔拉镇东南约40 km(108°53′02″E，40°26′23″N)处，属于典型温带大陆性干旱气候，四季温差大；极端最低气温-34.5 ℃，极端最高气温为40.2 ℃，年平均温度7.6 ℃；年均降水量为311.8 mm[13]，降水季节分布不均匀，主要集中在6—8月，占全年降水量的64.7%；年均潜在蒸发量为2 498.7 mm；5—10月蒸发量占全年蒸发量的74%，其中一年中蒸发量最大的月份发生在5—6月；该地区全年以W和WN风为主，年均风速2.8 m/s，最大风速为7.6 m/s，其中平均风速≥5 m/s为323.4次，最多年份达418次；境内主要是流动、半流动沙丘，土壤类型以风沙土为主；天然植被有黑沙蒿(Artemisiaordosica)、羊柴(Hedysarummongolicum)、沙蓬(Agriophyllumsquarrosum)和芨芨草(Achnatherumsplendens)等。

1.2 样地选取、土壤样品采集与测定

研究区内选择沙丘高度、坡度、走向等沙丘属性基本相同的流动沙丘与设置不同年限机械沙障(简称设障年限)的沙丘为试验沙丘，高度为10～12 m，迎风坡坡度为9°～13°，背风坡坡度为30°～35°。3种沙障均在迎风坡铺设，沙丘顶部留空约4 m，其中沙柳沙障和芦苇沙障全部为死枝条；铺设方式采用半隐蔽式；沙柳沙障(S)设障年限分别为1 a，4 a和7 a，沙障规格为1 m×1 m和2 m×2 m，其中设障7 a只有1 m×1 m，PLA沙障(P)和芦苇沙障(L)设障年限为1 a和4 a，PLA沙障规格为1 m×1 m和2 m×2 m，芦苇沙障铺设规格为1 m×1 m，以附近裸沙丘作为对照(CK)，无植被生长。

在迎风坡下部、中部和上部进行土样采集，每个坡位取3个障格，每个障格内利用五点取样法用环刀采集障格内0—20 cm的土样，经混合均匀后带回实验室，自然风干后过2 mm筛，去除植物根系和地表杂物后备用。土壤有机质(SOM)测定采用重铬酸钾容量法—外加热法[14]，土壤粒径测定采用激光粒度仪。试验中机械组成颗粒粒径依据美国制(USDA)标准划分为砂粒(0.05～2 mm)、粉粒(0.002～0.05 mm)和黏粒(<0.002 mm)3级，对砂粒进一步划分为石砾(1～2 mm)、粗砂(0.25～1 mm)和细砂(0.05～0.25 mm)。

1.3 EPIC模型

本文根据所测定的土壤指标采用EPIC模型计算土壤可蚀性K值，公式如下[15]：

式中：Wa为砂粒含量(%);Wi为粉粒含量(%);Wl为黏粒含量(%);Wc为有机碳含量(%)；Wsom为有机质含量(%)。

1.4 数据统计与分析

应用Excel 2010进行数据处理，所有数据均在SPSS 26.0统计分析软件中完成。采用Pearson相关系数法分析土壤有机质含量、土壤粒径组成与土壤可蚀性K值的相关性。采用Origin 2018作图。

2 结果与分析

2.1 土壤有机质含量变化规律

土壤有机质是反映土壤抗蚀性强弱的一项重要指标[16]。由图1可知，机械沙障铺设利于土壤有机质的积累，且3种机械沙障土壤有机质随着设障年限的增加而增加。土壤0—20 cm范围内，沙柳沙障内土壤有机质含量为1.23～2.54 g/kg，PLA沙障内为1.16～1.91 g/kg，芦苇沙障内为1.09～1.29 g/kg。相较于裸沙丘，3种机械沙障内土壤有机质含量同期铺设的相对变化值均表现为：PLA沙障>沙柳沙障>芦苇沙障，同期铺设相同沙障有机质含量表现为：2 m×2 m>1 m×1 m。沙柳沙障中，设障年限1 a和7 a各坡位土壤有机质含量均表现为：中部>下部>上部，设障4 a表现为：下部>中部>上部；PLA沙障中各设障年限中均表现为：下部>中部>上部；芦苇沙障中，设障1 a表现为：中部>下部>上部，设障4 a表现为：下部>中部>上部。下部处，设障1 a时，各沙障综合表现为：1P2>1P1>1S2>1S1>1L1，设障4 a时，表现为：4S2>4P2>4P1>4S1>4L1；中部处，设障1 a时，表现为：沙柳沙障>PLA沙障>芦苇沙障；设障4 a时，表现为：PLA沙障>沙柳沙障>芦苇沙障，不同设障年限均为：2 m×2 m高于1 m×1 m，且1S2，4P2分别最高为：1.35 g/kg和1.49 g/kg；上部处，设障1 a时，表现为：1S2>1P1>1P2>1S1>1L1，设障4 a时，表现为：4P2>4S2>4S1>4P1>4L1。

注：S为沙柳沙障，P为生物基可降解聚乳酸(PLA)沙袋沙障，L为芦苇沙障；字母前的数字为设置沙障的年限，字母下角标为设置沙障的规格。例如：1S1表示设障1 a，规格为1 m×1 m的沙柳沙障，其他依次类推。下同。

2.2 土壤粒径分布变化规律

土壤粒径的分布对土壤侵蚀过程具有一定的指示作用[17]。由表1可知，研究区内3种机械沙障黏粒、粉粒和细砂体积百分含量随设障年限的增加呈增加趋势；且不同设障年限土壤粒径组成存在差异，土壤0—20 cm范围内均以细砂为主。沙柳沙障中，粒径由小到大各粒级体积百分含量均值分别为7.86%,8.65%,67.92%,6.19%和9.38%；PLA沙障中分别为6.97%，7.88%，66.09%，9.07%和9.99%；芦苇沙障中分别为6.85%，7.77%，67.66%，9.24%和8.49%，表明沙障不仅具有固定地表流沙的作用，同时设障后能够拦截大气中的粉尘物质，使之在障内堆积，使黏粒、粉粒和细砂含量增加。在迎风坡下部，设障1 a时细物质体积百分含量表现为：1P2>1P1>1S2>1L1>1S1，设障4 a时表现为：4P2>4P1>4L1>4S2>4S1；在迎风坡中部，设障1 a和4 a时细物质体积百分含量分别表现为：1S2>1S1>1P1>1L1>1P2，4S1>4S2>4L1>4P1>4P2；迎风坡上部设障1 a和4 a时分别表现为：1S2>1S1>1P1>1P2>1L1，4P1>4S1>4L1>4S2>4P2。

表1 机械沙障土壤粒径组成的体积百分含量 %

2.3 土壤可蚀性K值变化规律

土壤可蚀性反映土壤对侵蚀的敏感程度[18]。由表2可知，沙障的铺设会降低土壤可蚀性，且各沙障间土壤可蚀性无显著差异(p<0.05)。随着设障年限的延长土壤可蚀性降低。不同坡位土壤可蚀性K值的最大值是最小值的1.8倍，K值变化较为均匀。3种机械沙障各坡位土壤可蚀性K值整体表现为上部>中部>下部。迎风坡下部，设障1 a后，3种机械沙障的土壤可蚀性K值表现为：1L1>1S2>1P1>1P2>1S1，设障4 a后，表现为：4L1>4S1>4P1>4P2>4S2。迎风坡中部，设障1 a后，土壤可蚀性1 m×1 m规格高于2 m×2 m，且PLA沙障内土壤可蚀性最高，2种规格下分别为0.174 8 mg·hm2·h/(hm2·MJ·mm)和0.166 8 mg·hm2·h/(hm2·MJ·mm)，设障4 a后，表现为：4L1>4S1>4S2>4P1>4P2；迎风坡上部，设障1 a和4 a，土壤可蚀性皆表现为1 m×1 m规格高于2 m×2 m，且皆沙柳沙障的最高，2种规格下分别为0.176 9，0.174 6 mg·hm2·h/(hm2·MJ·mm)和0.185 6，0.171 5 mg·hm2·h/(hm2·MJ·mm)。

表2 2种机械沙障土壤可蚀性K值

由表3可知，土壤可蚀性K值与土壤有机质呈极显著(p<0.01)负相关，表明土壤可蚀性K值随土壤有机质含量的增大而减小，土壤抗侵蚀能力就增强，土壤受侵蚀风险就越小；土壤可蚀性K值与土壤砂粒、黏粒含量呈负相关，与粉粒含量呈正相关，但其相关性较小。

表3 土壤有机质和土壤粒度组成与土壤可蚀性K值的相关系数

3 讨论

本研究表明，机械沙障铺设使土壤有机质含量增加。机械沙障的铺设降低了风蚀损失，截获降尘和风沙流中细粒组分，使其携带的养分在障格内积累、分解；障格内植被生长、土壤生物结皮发育，生物作用明显[19]，使流沙环境中土壤有机质的流失减弱，从而土壤有机质在障格内积累；且沙障的铺设利于植被恢复，随着植被凋落物的分解及根系分泌物增多，皆有利于土壤有机质含量积累[20]。迎风坡上部土壤有机质含量相对较少，除此之外，各沙障土壤有机质含量均表现为：下部>中部>上部。因为铺设机械沙障后，沙丘中部、上部接受太阳辐射较多，水分蒸发相对较快，环境条件相对较差，稳定性差，风蚀损失相对严重[21]。由于缺乏植物根系和凋落物，坡上对风力和雨水的侵蚀较为敏感，营养物质流失较为严重。凋落物和草本植物的腐化与土壤水分等环境条件有关[22]，沙丘下部植被覆盖度相对较高，一定程度上减少降雨和风力对土壤的侵蚀作用。相关研究[23-26]表明，一定范围内，坡位会影响土壤有机质含量，受重力影响沙丘上部水土保持能力较差，从而影响土壤养分再分配情况，使得中部和上部养分会向下部流失，沙丘下部土壤有机质含量较高。本研究表明，2 m×2 m的沙柳沙障土壤有机质含量较高。可能原因是由于在沙障布设早期，作为布障材料的沙柳枝条内带有一定养分，比PLA沙障对土壤有机质含量的影响大；其次相比1 m×1 m障格内蚀积情况不稳定，2 m×2 m障格内形成了稳定凹曲面，利于土壤有机质含量的积累。

土壤粒径分布是指不同粒级的土壤颗粒重量占土壤颗粒总重量的百分比，它既是土壤分类的重要依据，又是影响土壤可蚀性的重要因素[27]。相关研究表明，沙障的铺设使土壤黏粒、粉粒和细砂含量增加，且各坡位下增幅不同，随设障年限的增加其呈增加趋势。土壤细物质含量增加，是因为沙障的铺设使地表粗糙度增大，气流的阻力增大，气流能量损失，地表风速削弱，使得风沙流中的沙粒在障格内沉降[28]，而各坡位土壤颗粒含量增加幅度不同，是由于风沙流中沙粒的沉降，使得坡底向坡顶的风沙流不饱和，且沙障固定了地表沙源，坡下至坡上风沙流能量逐渐减弱且无沙粒补给，所以从迎风坡下部至上部土壤颗粒沉降逐渐减少[29,7,9]；同时土壤有机质含量所测结果也表明，沙丘下部土壤有机质含量相对较高，能够较好地提高风沙土的团聚性，从而维持土壤大团聚体的稳定性[30]。

土壤可蚀性K值是衡量土壤对侵蚀敏感程度和进行土壤侵蚀预报的重要参数[31]，K值越大，土壤抗侵蚀能力就越低，就越容易发生侵蚀。本研究表明，土壤可蚀性随设障年限的增加而降低；因为随设障年限的增加，机械沙障捕获细物质，并逐渐积累、分解，同时固氮植物和结皮不断发育，生物也逐渐定居，生物作用逐渐加强，土壤水肥效益加强[32]，改变砂粒松散的状态，同时生物作用使障格内地表粗糙度增加，皆提高了土壤的抗蚀性，使得土壤可蚀性K值降低。本研究表明各立地条件下沙丘下部障格内土壤抗蚀性强，同时土壤可蚀性K值与土壤有机质含量呈极显著(p<0.01)负相关，表明土壤有机质含量越高，土壤抗侵蚀能力越强；因为土壤有机质会合成腐殖质等有机胶体，与风沙土中黏粒复合成胶体，可以提高砂土的团聚性，改善砂粒过于松散的状态，从而增强土壤抗蚀性，使土壤可蚀性降低；机械沙障的铺设，使土壤有机质增加，促进植被恢复，增加地表粗糙度，降低土壤可蚀性，且植物根系使小粒径团粒凝聚成更大粒径的土壤团粒，结合土壤有机质，增加中等粒径团聚体含量，改善土壤结构，提高土壤稳定性，对增加土壤抗蚀性起到重要作用[33]。本研究表明设障1 a后，各坡位2种规格下障格内土壤可蚀性无明显变化趋势，设障4 a后，2种规格下土壤可蚀性K值皆表现为2 m×2 m铺设规格下土壤抗侵蚀能力强于1 m×1 m。产生原因如下：1 m×1 m规格障格内沉积物堆积强度大于侵蚀速率，障格内蚀积特征不稳定，不利于短期内障格内的生物作用；设障4 a后，2 m×2 m障格内可有效控制易蚀颗粒不被风沙携带，使障格内达到蚀积平衡，形成稳定凹曲面[34]，利于障格内生物作用的加强，2 m×2 m沙障的持续防护能力增强。