代 軍 呂 剛 杜昕鵬

(1.遼寧民族師范高等?？茖W校 遼寧 阜新 123000 2. 遼寧工程技術(shù)大學 遼寧 阜新 123000)

我國每年土壤侵蝕面積占國土總面積的三分之一，對生態(tài)、農(nóng)業(yè)構(gòu)成了巨大的負面影響，而土壤侵蝕取決于外營力對土壤的搬運能力以及土壤本身的抵抗力，即土壤抗侵蝕力[1]。土壤抗蝕性是土壤抵抗侵蝕營力分散和搬運作用表現(xiàn)出來的抵抗力[2]，是土壤侵蝕研究的重要內(nèi)容之一。本文通過研究表明土壤抗蝕性與土壤理化性質(zhì)密切相關(guān)，同時土壤的礫石含量及植物根系也是土壤抗蝕性的重要影響因素[3]?？茽柷呱车氐靥庍|寧西北部，是我國半干旱農(nóng)牧交錯帶的典型代表區(qū)域，亦是防風固沙的前線[4]。樟子松是防風固沙的優(yōu)良樹種，有效地控制了沙地向南入侵，遼西北土地沙漠化現(xiàn)象逐年改善[5]。隨著沙漠化治理的不斷深入，科爾沁沙地已形成了諸多不同的土地利用方式，但是受其本身土壤條件限制，該地區(qū)的生態(tài)環(huán)境依然很脆弱，風蝕、水蝕等現(xiàn)象較其他地區(qū)依然很嚴重，是我國水土流失嚴重的區(qū)域之一[6]。諸多學者對該地區(qū)風蝕的過程與防治做了大量研究[7-8]，但是該地區(qū)的水力侵蝕過程、土壤的抗蝕性以及土壤抵抗外營力的能力等方面的研究還鮮有報道。風沙土由于其結(jié)構(gòu)松散、土壤有機質(zhì)含量低的特點，在受到降雨、徑流的沖刷、懸浮作用時，容易分散和遷移，形成水力侵蝕。李強[9]等對黃土風沙區(qū)土壤抗沖性進行定量研究，探究了植物根系對土壤抗沖性的強化作用；肖俊波[10]等探究了內(nèi)蒙古坡耕地風沙土在凍融循環(huán)條件下的土壤抗沖性?？梢?，風沙土的水力侵蝕研究目前多集中在土壤的抗沖性上，在土壤抗蝕性方面還鮮有報道。而且，土壤水蝕是雨滴對土粒的擊濺作用和徑流對土粒的沖刷剪切作用的綜合[11]，徑流與土壤之間的物理作用歸根到底是水對土體的破壞作用，而土體的破壞過程是土壤抗剪能力喪失的過程[12]。劉國彬[13]在坡面土壤水蝕研究中也認為其過程實際上是水流對土壤剪切作用過程。因此抗剪強度等力學性質(zhì)對風沙土抗蝕性的影響尤為重要。

本文以遼西北風沙地的林地、草地、果園和耕地等四種典型的土地利用方式為研究對象。采用現(xiàn)場采樣與室內(nèi)分析結(jié)合的方法獲取了土壤特性指標與根系指標，對比分析了不同土地利用方式下的土壤抗蝕性特征，同時將風沙土的力學性質(zhì)與土壤抗蝕性相聯(lián)系，為其他地區(qū)同類土壤的抗蝕性指標篩選提供理論基礎(chǔ)。

一、研究區(qū)概況

研究區(qū)位于遼寧省沙地治理與利用研究所章古臺站(E 122°22′，N 42°43′)，該地區(qū)地處科爾沁沙地南緣，屬溫帶大陸性季風氣候區(qū)，年平均降雨量為497.8 mm，時空分布不均，由南向北逐漸遞減，且集中在6月～9月；多年平均蒸發(fā)量為1781mm；多年平均無霜期152d。平均凍土深度1.11m，最大凍土深度1.4m；多年平均氣溫為7.9℃，多年平均風速3.8m/s。土壤屬風沙土，土壤顆粒以砂粒為主，主要成分為石英沙，沙層深厚，土壤瘠薄，有機質(zhì)含量低，土壤剖面基本無層次劃分，其土壤結(jié)構(gòu)質(zhì)地很差，土壤疏松，缺乏淀積層，土壤保墑性較差。植被屬華北植物區(qū)系、蒙古植物區(qū)系和長白植物區(qū)系交錯地區(qū)，自然植被多為抗旱較強的沙地植被，代表性的有樟子松(Pinus sylvestris L. var. mongholica Litv.)、油松(Pinus tabulaeformis Carr.)、刺槐(Robinia pseudoacacia Linn.)、荊條(Vitex negundo)、虎榛子(Ostryopsis davidiana)、興安胡枝子(Lespedeza davurica)、多葉隱子草(Cleistogenes polyphylla)、百里香(Thymus mongolicus)、大針茅(Stipa grandis)等。

二、研究方法

筆者于2018年7月在遼寧省沙地治理與利用研究所章古臺站，綜合考慮植被類型、地形狀況，在試驗地選取4種土地利用方式(花生地、樟子松林地、荒草地、大扁杏林地(果園))的土壤作為研究對象。在不同土地利用方式的樣地布設(shè)1個20m×20m的樣方，每個樣方隨機選取三個樣點，在0～60cm土層深度分三層(0～20cm、20cm～40cm、40cm～60cm)取環(huán)刀樣品與散樣，帶回實驗室后測土壤理化性質(zhì)。其中土壤容重、土壤含水率、土壤飽和含水率、土壤毛管持水量采用環(huán)刀法進行測量；穩(wěn)滲速率采用雙環(huán)入滲法；有機質(zhì)采用重鉻酸鉀—外加熱法；土壤機械組成采用吸管法測定(按照國際制土壤分級標準劃分，砂粒2mm～0.02mm，粉粒0.02mm～0.002mm，粘粒<0.002mm)；根系參數(shù)采用根鉆法取樣，用WinRHIZO根系分析系統(tǒng)進行分析[14]。 不同土地利用方式下的土壤含水率、機械組成與根系見表1。

表1 土壤含水率、機械組成與根系指標

續(xù)表1

本實驗采用ZJ-應(yīng)變式直剪儀測量土壤粘聚力與內(nèi)摩擦角，休止角實驗測定在休止角測定儀上進行。將選好的沙洋放入錐形漏斗中，此時漏孔調(diào)節(jié)片呈關(guān)閉狀態(tài)。調(diào)整漏斗至某一高度，并用調(diào)節(jié)螺釘固緊在支撐桿上，使漏斗固定于坐標紙上方一定高度H。然后用水平儀調(diào)平承接板，當打開漏孔調(diào)節(jié)片時，使沙子落在承接板上直到形成的堆積圓錐頂部與漏斗底部剛好接觸，6次測定圓錐地面直徑，求其半徑平均值R.休止角=atan(H/R)[15]。

三、結(jié)果與分析

(一)土壤水分物理性質(zhì)與有機質(zhì)

由圖1可知，不同土地利用方式下的土壤容重的變化范圍為1.44～1.70 g/cm3?；ㄉ赝寥廊葜仉S著土層的加深土壤容重增大，且花生地不同土層之間容重的差異性顯著(P<0.05)；樟子松林地和荒草地隨著土層深度的增大土壤容重減小，這兩種土地利用方式不同土層的土壤容重差異性顯著(P<0.05)；大扁杏林地(果園)則隨著土層深度的加深土壤容重先增大后減小，且只有20cm～40cm層的土壤容重與其他土層的差異性顯著(P<0.05)，這是由于花生地為農(nóng)耕地，翻地、松土等耕作措施使得土壤表層的土質(zhì)變松軟，孔隙的增大，且表層根系發(fā)達，導(dǎo)致土壤容重較?。欢磷铀闪值睾突牟莸貨]有經(jīng)過人工翻作，但是經(jīng)常有牲畜的經(jīng)過，使得表層土壤被壓實，土壤容重較高。各土地利用方式的平均土壤容重表現(xiàn)為花生地(1.59g/cm3)>樟子松林地(1.57g/cm3)>荒草地(1.55g/cm3)>大扁杏林地(果園)(1.52g/cm3)，這與胡寧[16]的研究結(jié)果不同，一方面是由于人工干擾影響較大，另一方面是因為風沙土的機械組成與粘壤土的差異性較大。花生地0-20cm層有機質(zhì)含量是40cm-60cm土層的3.89倍，大扁杏0-20cm土層有機質(zhì)含量是40cm-60cm土層的4.42倍，這是因為農(nóng)地每年都會人工施肥，導(dǎo)致表層與深層的差異性較大，而大扁杏林果園由于果實掉落等現(xiàn)象使得表層的土壤有機質(zhì)含量較高；樟子松林地和荒草地三個土層深度差異性不大。不同土地利用方式不同土層平均有機質(zhì)含量表現(xiàn)為花生地(2.39g/kg)最大，大扁杏林地(果園)(1.39g/kg)最小，說明施肥對土壤有機質(zhì)含量影響較大，這與郭培才[17]等的研究結(jié)論相同。

圖1 不同土地利用方式土壤容重與有機質(zhì)

由圖2可知，不同土地利用方式下土壤的飽和含水量與毛管持水量隨土層深度的增加變化趨勢相同，花生地飽和含水量0-20cm土層顯著大于20cm-40cm土層和40cm-60cm土層，毛管持水量0-20cm土層顯著大于20cm-40cm土層顯著大于40cm-60cm土層；樟子松林地飽和含水量和毛管持水量都表現(xiàn)為20cm-40cm土層顯著大于40cm-60cm土層顯著大于0-20cm土層；荒草地飽和含水量和毛管持水量都表現(xiàn)為20cm-40cm土層顯著大于40cm-60cm土層顯著大于0-20cm土層；大扁杏林地(果園)飽和含水量0-20cm土層顯著大于20cm-40cm土層和40cm-60cm土層，這是由于花生地和大扁杏林地(果園)表層根系較多，是土壤更加疏松，土壤空隙增大，持水能力增強。

圖2 不同土地利用方式土壤飽和含水量與毛管持水量

(二)土壤抗蝕性分析

在土壤抗蝕性指標體系的選擇上，國內(nèi)外研究學者大多以土壤的結(jié)構(gòu)破壞率、土壤團聚狀況、土壤團聚度、分散系數(shù)、土壤水穩(wěn)性團聚體含量等指標作為土壤抗蝕性評價的指標來構(gòu)建指標評價體系[18]，但是風沙土結(jié)構(gòu)松軟，團聚體含量低，且水穩(wěn)性極差，土壤團聚體在濕篩實驗中極短的時間內(nèi)全部崩壞、分散，使得不同土地利用方式的實驗結(jié)果并無差異。因此風沙地的土壤抗蝕性指標無法單純采用傳統(tǒng)的指標體系。根據(jù)前人的研究基礎(chǔ)[19-20]，再結(jié)合風沙地特征，本研究選擇土壤持水狀況、機械組成、根系、土壤容重與養(yǎng)分5個方面8個指標(X1飽和含水量(%)、X2毛管持水量(%)、X3土壤含水率(%)、X4砂粒含量(%)、X5總根長密度(cm3/cm3)、X6根體積密度(cm3/cm3)、X7有機質(zhì)(%)、X8容重(g/cm3))組成風沙土抗蝕性評價指標體系。

對這些指標進行主成分分析，提取出三個主成分，三個主成分特征值均大于1，且累計貢獻率達85.84%，其中Y1貢獻率為45.13%，Y2為25.08%，Y3為15.63%，信息損失量為14.16%，符合主成分分析要求，主成分計算結(jié)果如表2所示。

表2 土壤綜合抗蝕性

如表2可知，不同土地利用方式土壤的綜合抗蝕性表現(xiàn)為花生地得分最高(5.30)，其次是樟子松林地(4.33)和荒草地(4.27)，大扁杏林地(果園)(3.51)得分最低，這與其它學者的研究結(jié)果不同。張華渝[21]對滇中尖河山流域的土壤抗蝕性研究結(jié)果為園地和林地最大，耕地和裸地最??；肖盛楊[22]在喀斯特高原峽谷區(qū)的研究結(jié)果也是林地最大，耕地最小。造成這種差異的原因可能是其他學者所篩選的影響較大的指標都是土壤的團聚度、團聚狀況和分散系數(shù)等[31-32]。而通過對風沙土壤綜合抗蝕性與抗蝕性指標的相關(guān)性分析，得出風沙地與土壤抗蝕性相關(guān)性最高的指標為根長密度、根表面積密度和有機質(zhì)三個指標，由圖1可知，花生地由于人工施肥的原因使它的有機質(zhì)含量遠大于其他土地利用方式，充足的有機質(zhì)含量也導(dǎo)致了根系的生長，使得花生地抗蝕性遠高于其它土地利用方式。不同的土地利用方式都表現(xiàn)為表層土抗蝕性最強，這與其它學者[21-22]的研究結(jié)果相同，這也是由于表層土壤的有機質(zhì)含量最高，且表層根系最發(fā)達。因此在風沙地中有機質(zhì)含量成為了植物生長和土壤抗蝕性的主要影響因素。

(三)土壤力學性質(zhì)分析

許多研究顯示，不同的土地利用方式，由于土壤理化性質(zhì)及根系特征的差異，土壤的抗剪強度也不一致[23]。由圖3可知，不同土地利用方式平均土壤粘聚力規(guī)律表現(xiàn)為花生地(16.94kpa)>樟子松林地(14.69kpa)>大扁杏林地(果園)(10.48kpa)>荒草地(9.67kpa)，花生地是荒草地的1.75倍，樟子松林地是荒草地的1.52倍，大扁杏林地(果園)與荒草地的粘聚力相近，這與汪三樹等[24]的研究結(jié)果一致。這是由于花生地和樟子松林地的總根長密度分別是荒草地1.47倍和1.21倍，植物根系的串聯(lián)作用增加了土壤之間的聯(lián)結(jié)能力，植物根系的抗剪抗拉作用也能增強土體穩(wěn)定性。土壤內(nèi)摩擦角反映了土壤的摩阻性質(zhì)，它取決于土粒間的摩阻力和連鎖作用。

圖3 土壤抗剪性能

由圖3可知，不同土地利用方式土壤隨土層深度的增加土壤內(nèi)摩擦角的變化趨勢都不相同，花生地和樟子松林地表現(xiàn)為先減小后增大，荒草地隨土層深度的增加內(nèi)摩擦角逐漸變小，大扁杏林地(果園)隨土層深度的增加內(nèi)摩擦角逐漸變大。不同土地利用方式平均土壤內(nèi)摩擦角表現(xiàn)為荒草地(27.92°)>花生地(27.82°)>樟子松林地(27.75°)>大扁杏林地(果園)(22.62°)，除大扁杏林地(果園)的內(nèi)摩擦角較小外，其他土地利用方式的內(nèi)摩擦角差異不大，原因是大扁杏林地(果園)的土壤含水率遠小于其它樣地，導(dǎo)致該樣地的內(nèi)摩擦角較小，這與徐宗恒等[25]的研究結(jié)果一致。

圖4 土壤休止角特征

土壤休止角反映散落土壤的內(nèi)摩擦特性和散落特性[26]。因此，本實驗將風干土樣過2mm篩過濾根系等雜質(zhì)，通過測量不同土地利用方式下土壤的休止角大小，來反映土壤顆粒之間的內(nèi)在摩擦特性和散落特性。由圖4可知，不同土地利用方式土壤隨土層深度的增加土壤休止角的變化趨勢都不相同：花生地隨土層深度的增加表現(xiàn)為先減小后增大；樟子松林地變現(xiàn)為隨土層深度的增加呈遞增趨勢；荒草地隨土層深度的增加表現(xiàn)為先增大后減?。淮蟊庑恿值?果園)隨土層深度的增加則表現(xiàn)為一直減小的趨勢。可見不同土地利用方式不同土層土壤顆粒的內(nèi)摩擦特性有所不同?；ㄉ睾驼磷铀闪值氐?0cm-60cm層都顯著大于0-20cm層和20cm-40cm，荒草地20cm-40cm層顯著大于0-20cm層和40cm-60cm層，大扁杏林地(果園)各土層之間的休止角差異性不顯著。不同土地利用方式下土壤平均休止角表現(xiàn)為花生地(39.72°)>樟子松林地(38.14°)>荒草地(36.86°)>大扁杏林地(果園)(35.13°)，說明在土壤松散狀態(tài)下，花生地的土壤間內(nèi)摩擦力最大；大扁杏林地(果園)的土壤散落性最強，這可能是由于花生地受人工干擾，長期擁有較好的水肥條件，使得花生地的土壤顆粒之間的摩擦力得到增強。

表3 土壤抗蝕性指標與力學性質(zhì)相關(guān)性分析

由表3可知，土壤黏聚力、土壤內(nèi)摩擦角和土壤休止角與土壤抗蝕性綜合得分的相關(guān)系數(shù)均大于0.75，說明土壤的力學性質(zhì)也是影響土壤抗蝕性的重要因素，但只有土壤的休止角與土壤抗蝕性成顯著的正相關(guān)關(guān)系，土壤的抗剪性能與土壤抗蝕性的相關(guān)性不顯著，這是由于土壤抗剪性能受土壤含水率影響較大，張愛國[27]等指出影響水土流失過程中土壤抗剪強度的主導(dǎo)因素是容重、粉/粘、土壤含水量、土壤有機質(zhì)含量，而風沙地機械組成中主要為砂粒(96.01%)，有機質(zhì)含量也遠低于其他土壤。而含水率對抗剪強度的影響曲線出現(xiàn)“峰值現(xiàn)象”[28]，風沙地的抗剪強度出現(xiàn)峰值的含水率還有待研究，因此使得顆粒與顆粒之間的內(nèi)摩擦阻力成為了對土壤抗蝕性的主要影響因素。

四、結(jié)論

(一)遼西北風沙地不同土地利用方式下的土壤機械組成主要以砂礫為主，不同土地利用方式表層土壤的根長密度皆大于其他土層，有機質(zhì)含量花生地和大扁杏林地(果園)的0～20 cm層顯著高于其他土層，土壤的飽和含水量與毛管持水量隨土層深度的增加變化趨勢相同。

(二)遼西北風沙地不同土地利用方式下的土壤綜合抗蝕性表現(xiàn)為花生地>樟子松林地>荒草地>大扁杏林地(果園)。不同土地利用方式下的土壤抗蝕性隨土層深度的增加而減小。

(三)遼西北風沙地不同土地利用方式土壤黏聚力表現(xiàn)為花生地最大，內(nèi)摩擦角除大扁杏林地(果園)的較小外，其他土地利用方式的內(nèi)摩擦角差異不大。土壤平均休止角表現(xiàn)為花生地>樟子松林地>荒草地>大扁杏林地(果園)。土壤的力學性質(zhì)也是影響土壤抗蝕性的重要因素，土壤力學性質(zhì)指標與土壤抗蝕性之間存在正相關(guān)關(guān)系，其中土壤休止角與土壤抗蝕性呈顯著的正相關(guān)關(guān)系。