黄泛平原区风沙土物理结皮硬度和厚度特征及其影响因素

2022-04-02李鑫浩曹文华吕青霞

水土保持通报 2022年1期

李鑫浩, 曹文华, 牛勇, 吕青霞, 袁利, 赵磊

(1.山东农业大学林学院, 山东泰安 271018; 2.水利部水土保持监测中心, 北京 100053;3.兰考县水利局, 河南兰考 475300; 4淮河水利委员会淮河流域水土保持监测中心站, 安徽蚌埠 233001)

黄泛平原风沙区是国家级水土流失重点预防区，下垫面多为粉砂和沉积细砂，本底环境脆弱[1]。此外该区干旱与大风同期，地表扰动频繁，土壤抗风蚀能力脆弱，水土流失是当地农业生产、生态环境和区域高质量发展的主要威胁之一。

土壤结皮的形成有利于更好防止风力侵蚀。物理结皮是在雨滴冲溅和土壤黏粒理化分散作用下，土表孔隙被堵塞后形成，或挟沙水流经土表时细小颗粒沉积而形成的一层很薄的土表硬壳[2]，李晓丽等[3]提出结皮使得土壤的抗剪能力增大，从而能有力地抑制风力侵蚀，目前，土壤结皮的大量相关研究主要围绕生物结皮开展[4-6]，物理结皮研究较少，且相关研究多基于室内单因素试验或研究限于西北干旱低人为干扰沙地[3,7-11]，黄泛平原风沙区在中国面积约3.90×104km2[12]，且地处黄河下游经济发达地区，其风蚀灾害影响在近现代逐渐被人们所重视，但围绕该区域风沙土结皮的研究鲜有报道。明确风沙土土壤结皮硬度和厚度特征及其影响因素对于风蚀防治具有重要意义。现有研究认为，结皮强度在一定程度上反映沙(土)地表面形成的固结层所能承受的压力，抗压强度越大，表征耐风蚀能力越强，对自然的破坏力抵抗性越高[13]。土壤结皮的形成是一个随降雨历时延长而逐步完善的复杂的物理化学过程[14]，国内外许多学者还经过研究得出土壤颗粒组成、团聚体大小及稳定性等对土壤结皮的形成有很重要的影响[15-17]，而植被高度、覆盖度、近地表风速等其他因素对土壤结皮的影响研究较少。本研究对河南省兰考县国家土壤风蚀观测点4种下垫面条件的土壤结皮硬度、厚度、气象数据、植被数据及表层土壤含水量等影响因素开展定位观测，分析黄泛平原风沙区风沙土结皮硬度和厚度的动态变化特征，探求土壤物理结皮硬度和厚度的主要影响因素及影响机理，以期相关研究成果可以为当地风蚀防治决策提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

本研究选择位于河南省兰考县仪封乡的国家土壤风蚀观测点(东经114°55′12″—114°55′32″，北纬34°47′55″—34°47′20″)作为研究区。研究区地处黄河自孟津向东所形成的巨大冲积扇的中部。地面高程为60～70 m，相对高差10 m左右。地势西北高东南低，地面坡降为1/5 000。黄河的泛滥、决口和改道，改变了区域内原有地表形态，形成了新的微地貌单元，古河床形成槽形洼地。研究区属温带季风气候。其气候特征为春季干旱风沙多，夏季炎热雨水集中，秋季凉爽温差大，冬季寒冷雨雪少。多年平均气温14 ℃，1月气温最低，平均气温-1 ℃；7月气温最高，平均气温27 ℃。多年平均日照时数为2 529 h，多年平均日照率为57%。全年太阳有效辐射总量为247 kJ/cm2。多年平均无霜期219 d，多年平均降雨量687 mm。冬春季节平均风速在4.0～5.0 m/s之间，多平均风速在2.5～3.0 m/s之间。研究区土壤为风沙土。风沙土是由黄河主流冲积沉淀后发育而成，发育较弱，沉淀层次明显。研究区土壤机械组成为：砂粒含量为88.23%，粉粒含量为7.58%，黏粒含量为4.19%，该土壤透水性好，当地一般采用散射式喷灌带进行灌溉。

1.2 试验处理设置

黄泛平原风沙区位于黄河下游冲积平原，该区域是传统的农耕区域，农业开发历史悠久，主要农作物为小麦、玉米、花生和大豆等。在研究区所在的兰考县，约40 %的耕地土壤质地为风沙土，主要作物为小麦和花生。参考当地种植模式，本研究设置了4个试验处理，分别为：一年两熟耕地(T1)，一年一熟耕地(T2)，裸地(T3)，自然恢复地(T4)，其中T4处理试验小区长期处于自然恢复状态(约2 a)，各试验处理小区面积为30 m×30 m，各试验小区间有2 m隔离带，其中，T3处理由人为定期除草，T4处理处于植被自然恢复状态，无人为干扰，各处理具体耕作或植被情况如表1所示。

表1 黄泛平原风沙区风沙土物理结皮硬度和厚度试验样地布设

1.3 研究方法与监测指标

1.3.1 土壤结皮硬度和厚度测量 T1—T4处理的试验小区的地表结皮均为物理结皮，未发现生物结皮现象，其中T4处理的试验小区地表虽有枯落物覆盖，但不视为生物结皮。土壤结皮硬度和厚度测量时，先清除表层枯落物，使用高分辨率硬度计(KM-1，Japan)测定表土结皮硬度，并使用钢尺测定土壤结皮厚度。测定时将硬度计机身连接直径5 mm的钢制圆柱状施压探头，将其匀速压入结皮土中，直至表层结皮开裂，此时从硬度计表盘读取硬度数据。本研究采用硬度计读数与探头底面积比值表征土壤结皮硬度，计算公式如公式(1)所示。研究期间每半月测定各试验处理小区内土壤结皮硬度，每次每个小区重复测量20次，并使用钢尺测量对应位置土壤结皮的厚度(cm)。

式中：H为测试土壤结皮硬度(kg/cm2);A为测试时硬度计表盘读数(kg);S为测试时探头底面积(cm2)。

1.3.2 土壤及气象因子测量在各试验处理小区土壤表层安装3支ECH2O土壤含水量传感器(Decagon，USA)，用于自动测定土壤表层(传感器安装位置地表以下约5 cm处)含水量、温度、电导率等数据，土壤含水量传感器连接至EM50数据采集器(Decagon，USA)，定期自动记录相关数据，记录间隔为12 h，每隔半月下载数据并重启设备。

采用WatchDog 2000系列全自动气象站(Spectrum，USA)测定降水量、风速(2 m)、风向、温湿度等数据，记录间隔为15 min。通过设置在距地面20 cm，60 cm高处的S-WSB-M003风速传感器(Onset，USA)，测量不同高度的平均风速、阵风风速等，并由HOBOware数据采集器(Onset，USA)自动记录数据，记录间隔为10 min，每半月下载数据并重启设备。本研究将观测期内各阶段的降水量与灌溉量之和定义为累积补水量。选取距地表20 cm处阵风风速表征该半月内的近地表瞬时风速。

1.3.3 植被高度和覆盖度测量每半月对试验小区植被的高度和覆盖度测定一次。其中，植被高度使用卷尺测定，植被覆盖度使用动态测量系统(北京天航佳德科技有限公司，中国)测定，其测量方法为：将设备水平置于观测地物之上进行拍摄，再通过选取和分析图片中的一种或多种参考色，识别出参考色在照片中所占的百分比，以此计算获得植被覆盖度。每次测量每个小区选取10个测量位置，并计算植被覆盖度平均值。在观测期间T3试验处理植被覆盖度控制在5%以下，植被高度和覆盖度按0值处理。

1.3.4 统计分析方法以每半月份作为一个统计单元，将观测期(2020年10月至2021年4月)分为14个单元，由数字1—14表示。使用Excel 2016对数据进行处理和作图。使用spss19.0统计分析软件，分析各影响因素对土壤结皮硬度、厚度的影响程度，以及不同处理间的差异性，其中各因素间相关性分析采用Pearson法，差异性检验采用独立样本T检验法。基于残差分析法计算各驱动因子对结皮硬度、厚度的贡献度。

式中：H为植被高度(cm);B为覆盖度(%);U为风速(m/s);W为地表含水量(m3/m3);R为累计补水量(mm);T为温度(℃);δ表示土壤结皮硬度、厚度与上述6个因子之间的残差。TR为土壤结皮硬度、厚度变化趋势;J为土壤结皮因子;ρ(x)为第x个驱动因子的贡献度;C(x)为第x个驱动因子的变化对长期趋势的贡献。

2 结果与分析

2.1 结皮硬度与厚度动态变化特征

各试验处理小区土壤结皮硬度在观测期内的动态变化见图1。T1处理、T2处理、T3处理变化趋势大致相同，即土壤结皮硬度在1月中旬和3月初较低，进入4月后土壤结皮硬度快速增加，总体呈先下降后上升的趋势。T4处理土壤结皮硬度在整个观测期间变化较小。T1—T4处理土壤结皮硬度平均值分别为0.99±0.77，0.87±0.28，1.65±0.35，1.50±0.18 kg/cm2，T3，T4处理土壤结皮硬度远大于T1，T2处理土壤结皮硬度，T1处理土壤结皮硬度变化波动最大，其均值标准误为0.77 kg/cm2。差异显著性分析结果表明，整个研究期内T1，T2处理的土壤结皮硬度与T3，T4处理的土壤结皮硬度普遍具有显著差异(p<0.05)，其中T1，T2处理之间和T3，T4处理之间的土壤结皮硬度在次年4月份开始出现显著差异(p<0.05)。

注：T1—T4为4个试验处理，T1为一年两熟耕地，T2为一年一熟耕地，T3为裸地，T4为自然恢复地。下同。

如图2所示，各试验处理区土壤结皮厚度在观测期内变化趋势为：T1—T4处理变化趋势大致相同，即总体呈先下降后上升再下降的趋势，即各处理结皮厚度存在典型的“双峰”现象，各处理不同点在于T3，T4处理的变化幅度较T1，T2小，且T1，T2处理和T3，T4处理的结皮厚度峰值分别出现在3月和10月底。T1—T4处理土壤结皮厚度平均值分别为：0.66±0.31，0.51±0.22，0.60±0.19，0.48±0.21 cm，T1，T2处理土壤结皮厚度大于T3，T4处理土壤结皮厚度，T1处理土壤结皮厚度变化波动最大。差异显著性分析结果表明，在次年1月至3月，T1—T4处理的土壤结皮厚度之间具有显著差异(p<0.05)。

图2 研究期间黄泛平原风沙区土壤结皮厚度变化特征

2.2 土壤含水量与风速动态变化特征

本研究使用半月的土壤表层(0—5 cm)含水量平均值表征该段时间的土壤含水量水平。如图3所示，T1—T4试验处理土壤表层含水量变化趋势大致相同，即土壤表层含水量在1—2月较低且变化较小，在其他月份波动较大，总体呈先下降后上升再下降的变化趋势；T2处理的土壤表层含水量最大，平均值为0.081 7±0.025 3 m3/m3，T3处理的土壤表层含水量最小，平均值为0.057 1±0.019 6 m3/m3。地表含水量主要受降水、灌溉和蒸发的影响，观测期内降水量为202 mm。其中，12月至次年2月降水量较少，约为观测期间总降水量的1%；10月至11月下半月降水量较多，为138.2 mm；次年3月至4月降水量为26.7 mm，研究期间降水量整体呈先降低后增加的趋势，T1处理在4月有灌溉措施，灌溉量为50 mm。

图3 研究期间黄泛平原风沙区土壤表层含水量变化特征

近地表风速是影响土壤表层含水量的重要因素之一。结果表明，T1—T4试验处理近地表瞬时风速变化趋势大致相同，即总体呈先升高后降低的趋势。受地表植被影响，T3处理的近地表瞬时风速最大，平均值为11.63±3.43 m/s，T4处理的近地表瞬时风速最小，平均值为2.66±1.48 m/s。

图4 研究期间黄泛平原风沙区近地表瞬时风速变化特征

2.3 植被动态变化特征

各处理植被高度动态变化情况如图5所示。T1，T2处理植被高度变化趋势大致相同。即3月前变化较小，进入3月后快速增长，总体呈逐渐上升的趋势。T1，T2试验处理最大值分别为38±3 cm，50±2 cm；T4处理植被高度变化总体呈下降趋势，植被高度最小值为125±3 cm，最大值为150±4 cm，在研究期间其植被高度显著大于T1，T2试验处理(p<0.01)。

图5 研究期间黄泛平原风沙区植被高度变化特征

观测期间植被覆盖度动态变化情况如图6所示。T1，T2处理植被覆盖度变化大致相同，总体呈逐渐上升的趋势。T1，T2处理最大值分别为60%±2%，65%±3%；T4试验处理植被覆盖度变化较平缓，最大值为98%±1%，显著大于T1，T2试验处理(p<0.01)。

图6 研究期间黄泛平原风沙区植被覆盖度变化特征

2.4 影响因素分析

累计补水量、土壤表层含水量、植被高度、植被覆盖度、土壤温度和近地表风速等因素是对土壤结皮硬度和土壤结皮厚度可能产生影响的因素，将T1—T4处理的土壤结皮硬度和土壤结皮厚度与观测期内各试验处理的上述影响因素进行相关性分析，结果如表2所示。

表2 黄泛平原风沙区T1-T4处理土壤结皮硬度和厚度与各影响因素的相关系数

T1，T2处理的土壤结皮硬度与植被高度、土壤温度和近地表风速具有显著相关关系(p<0.05)，T1处理的土壤结皮硬度与植被覆盖度呈显著正相关关系(p<0.05)，其中T1，T2处理土壤结皮硬度与植被高度相关系数最大，相关系数分别为0.763，0.790；T3，T4处理的土壤结皮硬度与各影响因素均无显著相关关系。T1，T2处理的土壤结皮厚度与近地表风速呈显著正相关关系(p<0.05)，T3，T4处理的土壤结皮厚度与累计补水量呈显著负相关关系(p<0.05)；温度和植被同是土壤结皮厚度和硬度的主要影响因素。

土壤表层含水量(图3)与土壤结皮硬度的变化(图1)对比可知，结皮硬度与土壤含水量存在类似的变化趋势，但其响应变化存在半月左右的滞后性，与结皮厚度的变化(图2)对比可知，结皮厚度与土壤含水量存在类似的变化趋势。

贡献度计算结果表明，有无耕作条件下，土壤结皮硬度和厚度的主要驱动因子也不相同。耕作条件下，植被高度是影响结皮硬度和厚度变化的最主要驱动因子，其对T1，T2处理土壤结皮硬度变化的贡献度分别为37%，47%，其对T1，T2处理土壤结皮厚度变化的贡献度分别为39%，46%；无耕作条件下，近地表风速是影响结皮硬度变化的最主要驱动因子，其对T3，T4处理土壤结皮硬度变化的贡献度分别为60%，51%，累计补水量是影响结皮厚度变化的最主要的驱动因子，其对T3，T4处理土壤结皮硬度变化的贡献度分别为69%，45%。

3 讨论

3—4月期间，T1，T2，T3处理的土壤结皮硬度值快速增加的原因可能为该阶段其植被覆盖较低，土壤受降水影响，土粒间的内聚力增加，进而增大了土壤结皮硬度，该结果与李元元[17]的研究成果一致。研究期间T3和T4处理土壤结皮硬度整体显著大于T1和T2处理，其原因可能是T3，T4处理扰动较少所致。T1，T2处理之间和T3，T4处理之间的土壤结皮硬度在次年4月开始出现显著差异(p<0.05)，原因可能为进入春季，降雨增加，由于不同的植被覆盖度程度，导致降水对表层土壤的夯实作用产生差异。

研究期间，各处理土壤结皮厚度总体呈先下降后上升再下降的趋势，T3，T4处理的变化幅度较T1，T2小，且T1，T2处理和T3，T4处理的结皮厚度峰值分别出现在3月和10月底。这可能是由于T1，T2处理条件下，有多次地表旋翻、收获、播种、施肥、灌溉等人为干扰，使土壤结皮处于相对频繁的“破坏—形成”的循环过程中，而T3，T4处理长期处于人为干扰较小的环境下，其结皮相对稳定性更高，其整体变化较小。同时T1，T2试验处理长期(约为6 a)进行施肥，土壤中有机质含量大，有机胶体密集的负电荷密度提高离子的吸附强度，其吸附力强，导致了土壤颗粒间的凝聚胶结作用提高，进而使土壤结皮厚度增加，该结果与王军等[18]研究成果一致。在次年1—3月，T1—T4处理的土壤结皮厚度之间具有显著差异(p<0.05)。其原因可能为1月为冬季，降水极少，近地表风速大，结皮厚度偏低，但由于植被覆盖等因素影响，导致土壤小颗粒间的内聚力和土壤结皮厚度出现显著性差异；3月为冬、春更替期，可能受降水增多或植被变化的影响，结皮厚度有所增大，但由于植被覆盖等因素影响，不同处理间的土壤表层水分增大程度不同，降水对地表土壤的打击夯实作用也不相同，导致各试验处理的土壤结皮厚度出现显著差异。

T1，T2处理土壤结皮硬度与植被高度、覆盖度呈显著正相关关系，其原因可能是T1，T2处理受耕作影响，其植被变化较大且土壤有机质高于其他处理所致，这与刘均阳等[19]、赵富王等[20]提出的植物的根系通过物理、生物、电化学作用促进土壤团聚体的形成，有利于土壤结皮硬度的增加的研究成果一致。

各试验处理条件下，土壤结皮硬度与近地表风速均呈现负相关关系，且T1，T2与之表现出显著相关性。这是可能是由于地表风速增大可加速地表水分蒸发，使得土壤颗粒间吸引力下降，导致土壤结皮硬度下降。各处理土壤结皮硬度和厚度与温度呈现正相关关系，这可能是由于冬季土壤经过长期的昼夜反复冻融作用，土壤结皮进入一种破碎疏松的状态，这与段争虎等[11]在沙坡头地区对土壤结皮的研究结果一致。