延怀盆地不同土地利用类型土壤风蚀物特征

2022-12-27李晓娜万秀云赵春桥张微微史瑞双樊冉冉

水土保持研究 2022年1期

李晓娜, 王超, 万秀云, 赵春桥, 张微微, 史瑞双, 樊冉冉, 李翠

(1.北京市农林科学院北京草业与环境研究发展中心, 北京100097; 2.河北省怀来县农业农村局, 河北怀来 075400)

延怀盆地位于河北省西北部，北京西部，地处中温带半干旱区，由于燕山山脉和太行山脉的阻挡使得这里常年盛行河谷风，频发的大风天气使该区域饱受土壤风蚀的侵扰，而经济发展所带来的高强度经营活动及土地利用方式变化更是加剧了风蚀过程。土壤风蚀引起的土壤退化、扬沙天气频发等现象，已经严重威胁到区域生态安全。风蚀为土壤表面碳氮损失的动力之一[1-2]，在我国北方，每年因风蚀引起的土壤有机碳、总氮流失量分别为7×107g，4×106g[3]。风蚀还导致土壤中细颗粒损失，进而产生更沙质的土壤结构，伴随土壤细颗粒的损失，进一步造成土壤养分含量及有效性降低[4]。细颗粒物损失受土壤性质及地上部植被状态影响[5]。近年来，许多学者从不同耕作方式下风蚀物含量及机械组成的垂直分布[6-9]，风蚀对土壤质量的影响等方面进行了大量研究，但土壤风蚀物携带的碳氮养分含量，土壤风蚀物粒度组成与地表土壤组成及养分损失的关系等还缺少定量的分析。因此，研究典型土地利用方式地表土壤风蚀物含量、机械组成及碳氮养分的垂直分布规律对于进一步了解风蚀过程，理清该区域土壤贫瘠沙化的原因及机理具有重要意义。

本研究通过对延怀盆地土地利用方式进行深入调研之后，确定林果用地和粮食用地两大地类，冬季休耕期和春季备耕期两个时间段，在2018—2019年冬春大风季节，采集距地面不同高度风蚀物，揭示不同土地利用类型下风蚀物质量、粒径、碳氮含量随高度垂直分布特征。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

延怀盆地主要包括河北省怀来县、涿鹿县和北京市延庆区，位于东经116°00′—115°30′，北纬40°0′—40°30′，属温带亚干旱大陆性季风气候，具有四季分明，光照充足，雨热同季，昼夜温差大的特点，年积温3 400℃，年降雨量420～480 mm，其土壤类型主要为褐土。盆地的地形和狭管效应，造成了该区域多风和多大风的特殊气候条件，分析该区域1998—2018年气候特征，大风日数为810 d，沙尘暴日数107 d，浮尘日数984 d，扬沙日数为221 d，其中尤以怀来县最为严重，大风日数、沙尘暴日数、浮尘日数、扬沙日数分别占区域内总日数的60.1%，72.9%，37.6%，41.6%(数据来源：中国气象局)。

1.2 观测地点的选择

本文选择土壤风蚀最为严重的怀来县为研究对象，根据怀来县农业用地情况确定观测的土地利用类型为林果用地(果桑、欧李、葡萄)和粮食作物用地(玉米留茬免耕地、玉米翻耕地)，其中果桑与欧李为怀来县近年引进的新型果树品种。同时为了保证所选择地点风向、风速、气温、土壤状况等的一致性，所有地块均分布在怀来县土木镇东水泉村葡乐庄园附近。各样点的具体地表特征见表1。

表1 各样点地表特征

1.3 观测项目方法

风蚀物采用北京剑灵科技有限公司研制的BJJL-JS18阶梯式集沙仪进行收集，整个仪器高度为100 cm，分别在距地面30 cm，40 cm，50 cm，60 cm，70 cm处安装2个截面积为5 cm×5 cm的集沙筒，集沙筒一端开口(朝风向收集风蚀物)，另一端连接布袋。风蚀物在风力作用下，通过集沙筒的进沙通道进入集沙布袋内，布袋采用流线构造，进入布袋内的沙尘靠重力作用沉积。同时在集沙仪上方安装导向器，可以控制集沙仪始终随主风向自由旋转，使集沙仪入口始终正对侵蚀风向。

经过实地调研获知，怀来县玉米收获期在10月下旬，葡萄于11月中下旬下架深埋，自12月开始农田全面休耕，从次年3月开始，玉米地开始清理秸秆，葡萄陆续开始出土上架，故定义该区域上年12月—次年3月为冬季休耕期，次年3—5月为春季备耕期。2018年12月2日在所选择地块内安装集沙仪，每个地块安装3个集沙仪，集沙仪间隔60 m，为了避免风蚀物远距离输移对结果的影响，本研究所选土地利用类型面积均在3 000 m2以上，在主风向方向即地块的西侧与北侧均种植有防护林及草篱。2019年2月28日收集集沙仪中采集到的风蚀物作为冬季休耕期风蚀物样品；2019年4月29日再次收集样品作为春季备耕期风蚀物样品。收集期间对该区域的风速降雨情况进行监测(表2)。风蚀物收集回来后将动植物残体挑出并称重，一部分用激光粒度仪(德国麦奇克S3500)测定粒度，一部分用元素分析仪(德国Elementar，vario MACRO cube)测定碳氮含量。

表2 观测期内风速及降雨情况

在冬季休耕期与春季备耕期观测前(即2018年12月2日与2019年2月28日)对每一观测点0—5 cm表土进行采样，样品采集后风干，剔除动植物残体，粉碎过2 mm筛，用激光粒度仪(德国麦奇克S3500)测定粒度。

1.4 富集比计算

采用富集比来表达风蚀物粒径、碳氮含量与地表土壤颗粒组成及养分损失的关系，计算公式如下：

(1)

(2)

(3)

式中：PZ1为风蚀物中某一粒级颗粒物含量(%)；PZ0为表层土壤中某一粒级颗粒物含量(%)；C1为风蚀物中碳含量(%)；C0为表层土壤中碳含量(%)；N1为风蚀物中氮含量(%)；N0表层土壤中氮含量(%)。

2 结果与分析

2.1 不同土地利用类型风蚀物质量分数及输沙通量沿高度的变化

图1为自然风条件下，不同土地利用类型土壤风蚀物在冬季休耕期和春季备耕期随高度的变化。可以看出，在冬季休耕期，欧李与玉米翻耕地土壤风蚀物质量分数均呈现随高度增加而减少的趋势。其中在距地表30 cm采集到的风蚀物占总采集量的30%以上；距地表40 cm采集到的风蚀物占总采集量的20%以上；果桑、葡萄与玉米免耕地土壤风蚀物质量分数随高度的变化则无明显规律可循，果桑林地距地表60 cm采集到的风蚀物质量最高，占总采集量的22%，葡萄地则表现为距地表40 cm采集的风蚀物质量最高，占总采集量的23%，玉米免耕地亦表现为距地表40 cm采集的风蚀物质量最高，占总采集量的22%。

图1 不同土地利用类型各高度风蚀物质量分数

在春季备耕期，欧李、玉米翻耕地土壤风蚀物质量分数仍然表现为随高度增加而减少的趋势；葡萄、玉米免耕地土壤风蚀物质量分数随高度变化与冬季休耕期不同，受人为活动影响，土壤风蚀物质量分数表现为随高度增加而减少的趋势。果桑林地距地表30 cm采集到的风蚀物质量最高，占总采集量的22%，但土壤风蚀物质量分数随高度增加并无规律性变化。初步说明在无人为扰动时期，土壤风蚀物质量随高度的变化与下垫面地势起伏有关。在春季备耕期人为扰动促进了近地表的风沙活动。

比较两个时期不同土地利用类型输沙通量(图2)。结果表明在冬季休耕期，5种土地利用类型输沙通量表现为玉米翻耕地>葡萄>果桑>玉米留茬免耕>欧李；在春季备耕期，5种土地利用类型输沙通量表现为葡萄>玉米留茬免耕>玉米翻耕>欧李>果桑；受人为扰动和大风天气的双重影响，春季备耕期各土地利用类型输沙通量较冬季休耕期有所增加，增加幅度为55%～388%，其中葡萄增加幅度最大，春季备耕期葡萄地输沙通量为冬季休耕期的4.88倍。

图2 不同土地利用类型各高度输沙通量变化

2.2 不同土地利用类型风蚀物粒径分析

表3为不同土地利用类型在冬季休耕期与春季备耕期风蚀物的粒径垂直分布特征。可以看出，在冬季休耕期5种土地利用类型风蚀物的粒径范围均在0～2 000 μm，集中分布在500～2 μm，占到总量的85%以上；春季休耕期5种土地利用类型风蚀物的粒径范围均在0～1 000 μm，集中分布在250～2 μm，占到总量的90%以上；在冬季休耕期5种土地利用类型平均粒径均大于春季备耕期。

表3 不同土地利用类型风蚀物粒径分布特征 %

表4为不同土地利用类型在冬季休耕期与春季备耕期风蚀物富集特征。可以看出，在冬季休耕期，5种土地利用类型不同高度土壤风蚀物种250～100 μm颗粒均产生富集，其中玉米免耕地富集比最高，葡萄地次之，玉米翻耕地最低；除欧李外，其他4种土地利用类型不同高度土壤风蚀物中500～250 μm颗粒亦产生富集；玉米翻耕地不同高度土壤风蚀物中50～2 μm颗粒产生富集。欧李林地土壤风蚀物中500～250 μm颗粒富集比随高度增加呈现下降趋势，50～2 μm细颗粒富集比随高度增加而增加；其他土地利用类型土壤风蚀物颗粒组成随高度无规律性变化。

表4 不同土地利用类型风蚀物粒径富集比

在春季备耕期，葡萄、玉米免耕、玉米翻耕地不同高度土壤风蚀物250～2 μm颗粒产生富集；欧李林地不同高度土壤风蚀物250～50 μm颗粒产生富集；果桑林地不同高度土壤风蚀物100～2 μm颗粒产生富集。葡萄、玉米免耕、玉米翻耕地土壤风蚀物中250～100 μm颗粒随高度增加而减少；葡萄地100～50 μm颗粒随高度增加而增加；玉米免耕与玉米翻耕地50～2 μm颗粒随高度增加而增加。

2.3 不同土地利用类型风蚀物碳氮含量分析

表5为不同土地利用类型风蚀物碳氮含量特征。可以看出5种土地利用类型在冬季休耕期风蚀物碳氮含量均高于春季备耕期。冬季休耕期风蚀物氮含量为春季备耕期风蚀物氮含量的1.4～5.5倍，碳含量为春季备耕期风蚀物碳含量的2.1～6.8倍。欧李林地在冬季休耕期距地面60 cm处收集到的风蚀物碳氮含量均为最高，与距地面30 cm处风蚀物碳氮含量相比，增加幅度分别达56.0%，70.6%，在春季备耕期风蚀物碳氮含量则表现为随着高度增加而增加的趋势。果桑林地在冬季休耕期距地面30 cm处收集到的风蚀物碳氮含量均为最高，与其他高度相比增加幅度分别达4.9%～12.1%，12.5%～28.8%。在春季备耕期风蚀物氮含量表现为随着高度增加而减少的趋势，而碳含量随高度增加无规律性变化。葡萄地在冬季休耕期距地面60 cm处收集到的风蚀物碳氮含量最高，为距地面70 cm处风蚀物碳氮含量的1.1倍和1.3倍。在春季备耕期风蚀物碳氮含量随高度增加无规律性变化。玉米免耕地在冬季休耕期距地面70 cm处收集到的风蚀物总氮含量最高，为距地面30 cm处风蚀物氮含量的1.7倍，距地面50 cm处风蚀物总碳含量最高，为距地面30 cm处风蚀物碳含量的1.4倍，在春季备耕期风蚀物总碳氮含量随高度增加无变化。玉米翻耕地在冬季休耕期距地面60 cm处收集到的风蚀物总碳氮含量均为最高，为距地面30 cm处风蚀物碳氮含量的1.7倍和2.0倍，在春季备耕期风蚀物总碳氮含量随高度增加无变化。

表5 不同土地利用类型风蚀物碳氮含量特征

5种土地利用类型土壤风蚀物碳氮均发生富集，冬季休耕期氮的富集比达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；碳的富集比亦表现为玉米免耕地最高。春季备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为最高，葡萄地碳氮富集比最低。

3 讨论

3.1 土地利用类型、采集时期以及表层土壤特征对土壤风蚀物的影响

风蚀物质量、碳氮及粒径的垂直分布受耕作类型、采集时期的影响[6]。本文研究表明，5种土地利用类型土壤风蚀物质量分数随高度的变化不同。欧李与玉米翻耕地土壤风蚀物质量分数随高度增加而减少，垂向分布遵循幂函数递减规律，这与前人在彰武、河北坝上等农田的研究结果一致[8-12]。但是果桑、葡萄与玉米免耕地土壤风蚀物质量分数在监测高度范围内随高度增加无规律性变化。葡萄与玉米免耕地风蚀物质量分数最高点在距地面40 cm处，这与王珊等在宁夏埋土防寒区研究结果不同[13]。玉米免耕地土壤风蚀物质量随高度变化呈现随机性特征，这与陈智等在农牧交错带农田的研究结果相同[7]。影响土壤风蚀的因素有很多，除了风力和干旱等自然因素外，人为植被破坏、表土破坏等造成表土松散也是引起风蚀的重要原因[14-15]。本研究中春季备耕期5种土地利用类型输沙通量较冬季休耕期均有所增加，最高增加幅度达388%。这与该时段内风速大、大风天数多(表2)、人为扰动频繁有关。

风蚀物颗粒体的起跳速度和跃移轨迹受下垫面粗糙度、风速、人为干扰等因素的影响，表现出不同的规律性，本研究中春季备耕期风蚀物平均粒径小于冬季备耕期，与春季备耕期人为扰动将下层土壤带至表层，对细颗粒形成补给有关。Chepil研究认为颗粒小于420 μm者为高度可蚀因子[16-17]，本研究两个监测时期内风蚀物粒径范围集中分布在500～2 μm，与其研究结果相符。同时表层土壤的粒度组成影响风力作用下土壤颗粒的释放、输送和沉降[18]。本研究对表层土壤粒度组成和风蚀物粒度组成进行了相关性分析，发现表层土壤500～2 μm粒度含量与距地面高度50 cm，60 cm处风蚀物500～2 μm粒度含量呈极显著正相关关系(距地面50 cm处：r=0.788，N=9；距地表60 cm处：r=0.896，N=9)，与距地面高度30 cm，40 cm，70 cm处风蚀物500～2 μm粒度含量无显著正相关关系。说明在该区域距地面50—60 cm高度风蚀物粒度组成受地表土壤粒度组成的影响。

本研究结果表明，在冬季休耕期，玉米免耕、玉米翻耕地风蚀物碳氮含量在0—70 cm内基本遵循随高度增加而增加的规律，葡萄与欧李风蚀物碳氮含量在0—60 cm遵循随高度增加而增加的规律。在春季备耕期，玉米免耕、玉米翻耕、葡萄、欧李4种土地利用类型风蚀物碳氮含量在0—70 cm内均遵循随高度增加而增加的规律。这一结果与李晓丽、陈健等研究结果一致[10,19]。果桑林地在冬季休耕期和春季备耕期风蚀物碳氮含量随高度增加无规律性变化，这可能与果桑枝条空间分布对气流的拦截、抬升作用使风蚀物的运动轨迹发生了改变[20]。

3.2 土壤风蚀物通量、粒度组成与碳氮富集的相关关系

对土壤风蚀物通量、粒度组成与碳氮含量进行相关性分析，发现在冬季休耕期，土壤风蚀物通量与粒度组成、碳氮富集比之间无显著相关关系。但土壤风蚀物粒度组成与碳氮富集比存在显著相关关系，其中氮富集比与500～100 μm颗粒存在显著正相关关系(500～250 μm：r=0.491，N=25，p<0.05；250～100 μm：r=0.696，N=25，p<0.01)，表明随着土壤风蚀物中500～100 μm颗粒的增加，氮的富集程度增加；氮富集比与100～2 μm颗粒存在显著负相关关系(100～50 μm：r=-0.466，N=25，p<0.05；50～2 μm：r=0.510，N=25，p<0.01)，表明，随着土壤风蚀物中100～2 μm颗粒的增加，氮的富集程度降低。风蚀物中碳富集比与1 000～100 μm颗粒存在显著正相关关系(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)，表明随着土壤风蚀物中1 000～100 μm颗粒的增加，碳的富集程度增加；碳富集比与风蚀物中50～2 μm颗粒存在负相关关系(r=-0.480，N=25，p<0.05)，表明随着土壤风蚀物中50～2 μm颗粒的增加，碳的富集程度降低。

在春季休耕期，土壤风蚀物通量与粒度组成存在显著相关关系，其中100～2 μm颗粒富集比与风蚀物通量存在显著相关关系(100～50 μm：r=0.739，N=25，p<0.01；50～2 μm：r=0.475，N=25，p<0.05)，表明随着土壤风蚀物通量增加，100～2 μm颗粒富集程度增加；风蚀物中碳氮富集比与粒度组成无显著相关关系。

研究资料表明，土壤风蚀具有时距效应，即粉尘的释放通量会随着风蚀时间的增加而减少[21-22]。风蚀物中碳氮亦具有时距效应，本研究中冬季休耕期风蚀物碳氮含量高于春季备耕期，说明碳氮含量较高的颗粒最先被大风吹蚀，在风蚀物中富集，之后随着风蚀时间的持续，表层土壤富含碳氮的可蚀颗粒减少。