李鑫浩, 曹文華, 牛 勇, 呂青霞, 袁 利, 趙 磊

(1.山東農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)院, 山東 泰安 271018; 2.水利部 水土保持監(jiān)測中心, 北京 100053;3.蘭考縣水利局, 河南 蘭考 475300; 4淮河水利委員會 淮河流域水土保持監(jiān)測中心站, 安徽 蚌埠 233001)

黃泛平原風(fēng)沙區(qū)是國家級水土流失重點預(yù)防區(qū)，下墊面多為粉砂和沉積細(xì)砂，本底環(huán)境脆弱[1]。此外該區(qū)干旱與大風(fēng)同期，地表擾動頻繁，土壤抗風(fēng)蝕能力脆弱，水土流失是當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)、生態(tài)環(huán)境和區(qū)域高質(zhì)量發(fā)展的主要威脅之一。

土壤結(jié)皮的形成有利于更好防止風(fēng)力侵蝕。物理結(jié)皮是在雨滴沖濺和土壤黏粒理化分散作用下，土表孔隙被堵塞后形成，或挾沙水流經(jīng)土表時細(xì)小顆粒沉積而形成的一層很薄的土表硬殼[2]，李曉麗等[3]提出結(jié)皮使得土壤的抗剪能力增大，從而能有力地抑制風(fēng)力侵蝕，目前，土壤結(jié)皮的大量相關(guān)研究主要圍繞生物結(jié)皮開展[4-6]，物理結(jié)皮研究較少，且相關(guān)研究多基于室內(nèi)單因素試驗或研究限于西北干旱低人為干擾沙地[3,7-11]，黃泛平原風(fēng)沙區(qū)在中國面積約3.90×104km2[12]，且地處黃河下游經(jīng)濟發(fā)達(dá)地區(qū)，其風(fēng)蝕災(zāi)害影響在近現(xiàn)代逐漸被人們所重視，但圍繞該區(qū)域風(fēng)沙土結(jié)皮的研究鮮有報道。明確風(fēng)沙土土壤結(jié)皮硬度和厚度特征及其影響因素對于風(fēng)蝕防治具有重要意義?，F(xiàn)有研究認(rèn)為，結(jié)皮強度在一定程度上反映沙(土)地表面形成的固結(jié)層所能承受的壓力，抗壓強度越大，表征耐風(fēng)蝕能力越強，對自然的破壞力抵抗性越高[13]。土壤結(jié)皮的形成是一個隨降雨歷時延長而逐步完善的復(fù)雜的物理化學(xué)過程[14]，國內(nèi)外許多學(xué)者還經(jīng)過研究得出土壤顆粒組成、團聚體大小及穩(wěn)定性等對土壤結(jié)皮的形成有很重要的影響[15-17]，而植被高度、覆蓋度、近地表風(fēng)速等其他因素對土壤結(jié)皮的影響研究較少。本研究對河南省蘭考縣國家土壤風(fēng)蝕觀測點4種下墊面條件的土壤結(jié)皮硬度、厚度、氣象數(shù)據(jù)、植被數(shù)據(jù)及表層土壤含水量等影響因素開展定位觀測，分析黃泛平原風(fēng)沙區(qū)風(fēng)沙土結(jié)皮硬度和厚度的動態(tài)變化特征，探求土壤物理結(jié)皮硬度和厚度的主要影響因素及影響機理，以期相關(guān)研究成果可以為當(dāng)?shù)仫L(fēng)蝕防治決策提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

本研究選擇位于河南省蘭考縣儀封鄉(xiāng)的國家土壤風(fēng)蝕觀測點(東經(jīng)114°55′12″—114°55′32″，北緯34°47′55″—34°47′20″)作為研究區(qū)。研究區(qū)地處黃河自孟津向東所形成的巨大沖積扇的中部。地面高程為60～70 m，相對高差10 m左右。地勢西北高東南低，地面坡降為1/5 000。黃河的泛濫、決口和改道，改變了區(qū)域內(nèi)原有地表形態(tài)，形成了新的微地貌單元，古河床形成槽形洼地。研究區(qū)屬溫帶季風(fēng)氣候。其氣候特征為春季干旱風(fēng)沙多，夏季炎熱雨水集中，秋季涼爽溫差大，冬季寒冷雨雪少。多年平均氣溫14 ℃，1月氣溫最低，平均氣溫-1 ℃；7月氣溫最高，平均氣溫27 ℃。多年平均日照時數(shù)為2 529 h，多年平均日照率為57%。全年太陽有效輻射總量為247 kJ/cm2。多年平均無霜期219 d，多年平均降雨量687 mm。冬春季節(jié)平均風(fēng)速在4.0～5.0 m/s之間，多平均風(fēng)速在2.5～3.0 m/s之間。研究區(qū)土壤為風(fēng)沙土。風(fēng)沙土是由黃河主流沖積沉淀后發(fā)育而成，發(fā)育較弱，沉淀層次明顯。研究區(qū)土壤機械組成為：砂粒含量為88.23%，粉粒含量為7.58%，黏粒含量為4.19%，該土壤透水性好，當(dāng)?shù)匾话悴捎蒙⑸涫絿姽鄮нM行灌溉。

1.2 試驗處理設(shè)置

黃泛平原風(fēng)沙區(qū)位于黃河下游沖積平原，該區(qū)域是傳統(tǒng)的農(nóng)耕區(qū)域，農(nóng)業(yè)開發(fā)歷史悠久，主要農(nóng)作物為小麥、玉米、花生和大豆等。在研究區(qū)所在的蘭考縣，約40 %的耕地土壤質(zhì)地為風(fēng)沙土，主要作物為小麥和花生。參考當(dāng)?shù)胤N植模式，本研究設(shè)置了4個試驗處理，分別為：一年兩熟耕地(T1)，一年一熟耕地(T2)，裸地(T3)，自然恢復(fù)地(T4)，其中T4處理試驗小區(qū)長期處于自然恢復(fù)狀態(tài)(約2 a)，各試驗處理小區(qū)面積為30 m×30 m，各試驗小區(qū)間有2 m隔離帶，其中，T3處理由人為定期除草，T4處理處于植被自然恢復(fù)狀態(tài)，無人為干擾，各處理具體耕作或植被情況如表1所示。

表1 黃泛平原風(fēng)沙區(qū)風(fēng)沙土物理結(jié)皮硬度和厚度試驗樣地布設(shè)

1.3 研究方法與監(jiān)測指標(biāo)

1.3.1 土壤結(jié)皮硬度和厚度測量 T1—T4處理的試驗小區(qū)的地表結(jié)皮均為物理結(jié)皮，未發(fā)現(xiàn)生物結(jié)皮現(xiàn)象，其中T4處理的試驗小區(qū)地表雖有枯落物覆蓋，但不視為生物結(jié)皮。土壤結(jié)皮硬度和厚度測量時，先清除表層枯落物，使用高分辨率硬度計(KM-1，Japan)測定表土結(jié)皮硬度，并使用鋼尺測定土壤結(jié)皮厚度。測定時將硬度計機身連接直徑5 mm的鋼制圓柱狀施壓探頭，將其勻速壓入結(jié)皮土中，直至表層結(jié)皮開裂，此時從硬度計表盤讀取硬度數(shù)據(jù)。本研究采用硬度計讀數(shù)與探頭底面積比值表征土壤結(jié)皮硬度，計算公式如公式(1)所示。研究期間每半月測定各試驗處理小區(qū)內(nèi)土壤結(jié)皮硬度，每次每個小區(qū)重復(fù)測量20次，并使用鋼尺測量對應(yīng)位置土壤結(jié)皮的厚度(cm)。

式中：H為測試土壤結(jié)皮硬度(kg/cm2);A為測試時硬度計表盤讀數(shù)(kg);S為測試時探頭底面積(cm2)。

1.3.2 土壤及氣象因子測量 在各試驗處理小區(qū)土壤表層安裝3支ECH2O土壤含水量傳感器(Decagon，USA)，用于自動測定土壤表層(傳感器安裝位置地表以下約5 cm處)含水量、溫度、電導(dǎo)率等數(shù)據(jù)，土壤含水量傳感器連接至EM50數(shù)據(jù)采集器(Decagon，USA)，定期自動記錄相關(guān)數(shù)據(jù)，記錄間隔為12 h，每隔半月下載數(shù)據(jù)并重啟設(shè)備。

采用WatchDog 2000系列全自動氣象站(Spectrum，USA)測定降水量、風(fēng)速(2 m)、風(fēng)向、溫濕度等數(shù)據(jù)，記錄間隔為15 min。通過設(shè)置在距地面20 cm，60 cm高處的S-WSB-M003風(fēng)速傳感器(Onset，USA)，測量不同高度的平均風(fēng)速、陣風(fēng)風(fēng)速等，并由HOBOware數(shù)據(jù)采集器(Onset，USA)自動記錄數(shù)據(jù)，記錄間隔為10 min，每半月下載數(shù)據(jù)并重啟設(shè)備。本研究將觀測期內(nèi)各階段的降水量與灌溉量之和定義為累積補水量。選取距地表20 cm處陣風(fēng)風(fēng)速表征該半月內(nèi)的近地表瞬時風(fēng)速。

1.3.3 植被高度和覆蓋度測量 每半月對試驗小區(qū)植被的高度和覆蓋度測定一次。其中，植被高度使用卷尺測定，植被覆蓋度使用動態(tài)測量系統(tǒng)(北京天航佳德科技有限公司，中國)測定，其測量方法為：將設(shè)備水平置于觀測地物之上進行拍攝，再通過選取和分析圖片中的一種或多種參考色，識別出參考色在照片中所占的百分比，以此計算獲得植被覆蓋度。每次測量每個小區(qū)選取10個測量位置，并計算植被覆蓋度平均值。在觀測期間T3試驗處理植被覆蓋度控制在5%以下，植被高度和覆蓋度按0值處理。

1.3.4 統(tǒng)計分析方法 以每半月份作為一個統(tǒng)計單元，將觀測期(2020年10月至2021年4月)分為14個單元，由數(shù)字1—14表示。使用Excel 2016對數(shù)據(jù)進行處理和作圖。使用spss19.0統(tǒng)計分析軟件，分析各影響因素對土壤結(jié)皮硬度、厚度的影響程度，以及不同處理間的差異性，其中各因素間相關(guān)性分析采用Pearson法，差異性檢驗采用獨立樣本T檢驗法。基于殘差分析法計算各驅(qū)動因子對結(jié)皮硬度、厚度的貢獻(xiàn)度。

式中：H為植被高度(cm);B為覆蓋度(%);U為風(fēng)速(m/s);W為地表含水量(m3/m3);R為累計補水量(mm);T為溫度(℃);δ表示土壤結(jié)皮硬度、厚度與上述6個因子之間的殘差。TR為土壤結(jié)皮硬度、厚度變化趨勢;J為土壤結(jié)皮因子;ρ(x)為第x個驅(qū)動因子的貢獻(xiàn)度;C(x)為第x個驅(qū)動因子的變化對長期趨勢的貢獻(xiàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 結(jié)皮硬度與厚度動態(tài)變化特征

各試驗處理小區(qū)土壤結(jié)皮硬度在觀測期內(nèi)的動態(tài)變化見圖1。T1處理、T2處理、T3處理變化趨勢大致相同，即土壤結(jié)皮硬度在1月中旬和3月初較低，進入4月后土壤結(jié)皮硬度快速增加，總體呈先下降后上升的趨勢。T4處理土壤結(jié)皮硬度在整個觀測期間變化較小。T1—T4處理土壤結(jié)皮硬度平均值分別為0.99±0.77，0.87±0.28，1.65±0.35，1.50±0.18 kg/cm2，T3，T4處理土壤結(jié)皮硬度遠(yuǎn)大于T1，T2處理土壤結(jié)皮硬度，T1處理土壤結(jié)皮硬度變化波動最大，其均值標(biāo)準(zhǔn)誤為0.77 kg/cm2。差異顯著性分析結(jié)果表明，整個研究期內(nèi)T1，T2處理的土壤結(jié)皮硬度與T3，T4處理的土壤結(jié)皮硬度普遍具有顯著差異(p<0.05)，其中T1，T2處理之間和T3，T4處理之間的土壤結(jié)皮硬度在次年4月份開始出現(xiàn)顯著差異(p<0.05)。

注：T1—T4為4個試驗處理，T1為一年兩熟耕地，T2為一年一熟耕地，T3為裸地，T4為自然恢復(fù)地。下同。

如圖2所示，各試驗處理區(qū)土壤結(jié)皮厚度在觀測期內(nèi)變化趨勢為：T1—T4處理變化趨勢大致相同，即總體呈先下降后上升再下降的趨勢，即各處理結(jié)皮厚度存在典型的“雙峰”現(xiàn)象，各處理不同點在于T3，T4處理的變化幅度較T1，T2小，且T1，T2處理和T3，T4處理的結(jié)皮厚度峰值分別出現(xiàn)在3月和10月底。T1—T4處理土壤結(jié)皮厚度平均值分別為：0.66±0.31，0.51±0.22，0.60±0.19，0.48±0.21 cm，T1，T2處理土壤結(jié)皮厚度大于T3，T4處理土壤結(jié)皮厚度，T1處理土壤結(jié)皮厚度變化波動最大。差異顯著性分析結(jié)果表明，在次年1月至3月，T1—T4處理的土壤結(jié)皮厚度之間具有顯著差異(p<0.05)。

圖2 研究期間黃泛平原風(fēng)沙區(qū)土壤結(jié)皮厚度變化特征

2.2 土壤含水量與風(fēng)速動態(tài)變化特征

本研究使用半月的土壤表層(0—5 cm)含水量平均值表征該段時間的土壤含水量水平。如圖3所示，T1—T4試驗處理土壤表層含水量變化趨勢大致相同，即土壤表層含水量在1—2月較低且變化較小，在其他月份波動較大，總體呈先下降后上升再下降的變化趨勢；T2處理的土壤表層含水量最大，平均值為0.081 7±0.025 3 m3/m3，T3處理的土壤表層含水量最小，平均值為0.057 1±0.019 6 m3/m3。地表含水量主要受降水、灌溉和蒸發(fā)的影響，觀測期內(nèi)降水量為202 mm。其中，12月至次年2月降水量較少，約為觀測期間總降水量的1%；10月至11月下半月降水量較多，為138.2 mm；次年3月至4月降水量為26.7 mm，研究期間降水量整體呈先降低后增加的趨勢，T1處理在4月有灌溉措施，灌溉量為50 mm。

圖3 研究期間黃泛平原風(fēng)沙區(qū)土壤表層含水量變化特征

近地表風(fēng)速是影響土壤表層含水量的重要因素之一。結(jié)果表明，T1—T4試驗處理近地表瞬時風(fēng)速變化趨勢大致相同，即總體呈先升高后降低的趨勢。受地表植被影響，T3處理的近地表瞬時風(fēng)速最大，平均值為11.63±3.43 m/s，T4處理的近地表瞬時風(fēng)速最小，平均值為2.66±1.48 m/s。

圖4 研究期間黃泛平原風(fēng)沙區(qū)近地表瞬時風(fēng)速變化特征

2.3 植被動態(tài)變化特征

各處理植被高度動態(tài)變化情況如圖5所示。T1，T2處理植被高度變化趨勢大致相同。即3月前變化較小，進入3月后快速增長，總體呈逐漸上升的趨勢。T1，T2試驗處理最大值分別為38±3 cm，50±2 cm；T4處理植被高度變化總體呈下降趨勢，植被高度最小值為125±3 cm，最大值為150±4 cm，在研究期間其植被高度顯著大于T1，T2試驗處理(p<0.01)。

圖5 研究期間黃泛平原風(fēng)沙區(qū)植被高度變化特征

觀測期間植被覆蓋度動態(tài)變化情況如圖6所示。T1，T2處理植被覆蓋度變化大致相同，總體呈逐漸上升的趨勢。T1，T2處理最大值分別為60%±2%，65%±3%；T4試驗處理植被覆蓋度變化較平緩，最大值為98%±1%，顯著大于T1，T2試驗處理(p<0.01)。

圖6 研究期間黃泛平原風(fēng)沙區(qū)植被覆蓋度變化特征

2.4 影響因素分析

累計補水量、土壤表層含水量、植被高度、植被覆蓋度、土壤溫度和近地表風(fēng)速等因素是對土壤結(jié)皮硬度和土壤結(jié)皮厚度可能產(chǎn)生影響的因素，將T1—T4處理的土壤結(jié)皮硬度和土壤結(jié)皮厚度與觀測期內(nèi)各試驗處理的上述影響因素進行相關(guān)性分析，結(jié)果如表2所示。

表2 黃泛平原風(fēng)沙區(qū)T1-T4處理土壤結(jié)皮硬度和厚度與各影響因素的相關(guān)系數(shù)

T1，T2處理的土壤結(jié)皮硬度與植被高度、土壤溫度和近地表風(fēng)速具有顯著相關(guān)關(guān)系(p<0.05)，T1處理的土壤結(jié)皮硬度與植被覆蓋度呈顯著正相關(guān)關(guān)系(p<0.05)，其中T1，T2處理土壤結(jié)皮硬度與植被高度相關(guān)系數(shù)最大，相關(guān)系數(shù)分別為0.763，0.790；T3，T4處理的土壤結(jié)皮硬度與各影響因素均無顯著相關(guān)關(guān)系。T1，T2處理的土壤結(jié)皮厚度與近地表風(fēng)速呈顯著正相關(guān)關(guān)系(p<0.05)，T3，T4處理的土壤結(jié)皮厚度與累計補水量呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(p<0.05)；溫度和植被同是土壤結(jié)皮厚度和硬度的主要影響因素。

土壤表層含水量(圖3)與土壤結(jié)皮硬度的變化(圖1)對比可知，結(jié)皮硬度與土壤含水量存在類似的變化趨勢，但其響應(yīng)變化存在半月左右的滯后性，與結(jié)皮厚度的變化(圖2)對比可知，結(jié)皮厚度與土壤含水量存在類似的變化趨勢。

貢獻(xiàn)度計算結(jié)果表明，有無耕作條件下，土壤結(jié)皮硬度和厚度的主要驅(qū)動因子也不相同。耕作條件下，植被高度是影響結(jié)皮硬度和厚度變化的最主要驅(qū)動因子，其對T1，T2處理土壤結(jié)皮硬度變化的貢獻(xiàn)度分別為37%，47%，其對T1，T2處理土壤結(jié)皮厚度變化的貢獻(xiàn)度分別為39%，46%；無耕作條件下，近地表風(fēng)速是影響結(jié)皮硬度變化的最主要驅(qū)動因子，其對T3，T4處理土壤結(jié)皮硬度變化的貢獻(xiàn)度分別為60%，51%，累計補水量是影響結(jié)皮厚度變化的最主要的驅(qū)動因子，其對T3，T4處理土壤結(jié)皮硬度變化的貢獻(xiàn)度分別為69%，45%。

3 討 論

3—4月期間，T1，T2，T3處理的土壤結(jié)皮硬度值快速增加的原因可能為該階段其植被覆蓋較低，土壤受降水影響，土粒間的內(nèi)聚力增加，進而增大了土壤結(jié)皮硬度，該結(jié)果與李元元[17]的研究成果一致。研究期間T3和T4處理土壤結(jié)皮硬度整體顯著大于T1和T2處理，其原因可能是T3，T4處理擾動較少所致。T1，T2處理之間和T3，T4處理之間的土壤結(jié)皮硬度在次年4月開始出現(xiàn)顯著差異(p<0.05)，原因可能為進入春季，降雨增加，由于不同的植被覆蓋度程度，導(dǎo)致降水對表層土壤的夯實作用產(chǎn)生差異。

研究期間，各處理土壤結(jié)皮厚度總體呈先下降后上升再下降的趨勢，T3，T4處理的變化幅度較T1，T2小，且T1，T2處理和T3，T4處理的結(jié)皮厚度峰值分別出現(xiàn)在3月和10月底。這可能是由于T1，T2處理條件下，有多次地表旋翻、收獲、播種、施肥、灌溉等人為干擾，使土壤結(jié)皮處于相對頻繁的“破壞—形成”的循環(huán)過程中，而T3，T4處理長期處于人為干擾較小的環(huán)境下，其結(jié)皮相對穩(wěn)定性更高，其整體變化較小。同時T1，T2試驗處理長期(約為6 a)進行施肥，土壤中有機質(zhì)含量大，有機膠體密集的負(fù)電荷密度提高離子的吸附強度，其吸附力強，導(dǎo)致了土壤顆粒間的凝聚膠結(jié)作用提高，進而使土壤結(jié)皮厚度增加，該結(jié)果與王軍等[18]研究成果一致。在次年1—3月，T1—T4處理的土壤結(jié)皮厚度之間具有顯著差異(p<0.05)。其原因可能為1月為冬季，降水極少，近地表風(fēng)速大，結(jié)皮厚度偏低，但由于植被覆蓋等因素影響，導(dǎo)致土壤小顆粒間的內(nèi)聚力和土壤結(jié)皮厚度出現(xiàn)顯著性差異；3月為冬、春更替期，可能受降水增多或植被變化的影響，結(jié)皮厚度有所增大，但由于植被覆蓋等因素影響，不同處理間的土壤表層水分增大程度不同，降水對地表土壤的打擊夯實作用也不相同，導(dǎo)致各試驗處理的土壤結(jié)皮厚度出現(xiàn)顯著差異。

T1，T2處理土壤結(jié)皮硬度與植被高度、覆蓋度呈顯著正相關(guān)關(guān)系，其原因可能是T1，T2處理受耕作影響，其植被變化較大且土壤有機質(zhì)高于其他處理所致，這與劉均陽等[19]、趙富王等[20]提出的植物的根系通過物理、生物、電化學(xué)作用促進土壤團聚體的形成，有利于土壤結(jié)皮硬度的增加的研究成果一致。

各試驗處理條件下，土壤結(jié)皮硬度與近地表風(fēng)速均呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系，且T1，T2與之表現(xiàn)出顯著相關(guān)性。這是可能是由于地表風(fēng)速增大可加速地表水分蒸發(fā)，使得土壤顆粒間吸引力下降，導(dǎo)致土壤結(jié)皮硬度下降。各處理土壤結(jié)皮硬度和厚度與溫度呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，這可能是由于冬季土壤經(jīng)過長期的晝夜反復(fù)凍融作用，土壤結(jié)皮進入一種破碎疏松的狀態(tài)，這與段爭虎等[11]在沙坡頭地區(qū)對土壤結(jié)皮的研究結(jié)果一致。

4 結(jié) 論

(1) 在黃泛平原風(fēng)沙區(qū)，人為耕作不利于風(fēng)沙土結(jié)皮的形成和硬度的保持，減少人為影響(沙地退耕還林、免耕)可以有效減少風(fēng)蝕，保護土壤資源。

(2) 植被、近地表風(fēng)速、溫度是影響風(fēng)沙土結(jié)皮硬度和厚度的重要外部因素。風(fēng)沙土結(jié)皮厚度、硬度變化趨勢與表層含水量表現(xiàn)出同步變化的特征，其中土壤結(jié)皮硬度的響應(yīng)存在一定的滯后性，但結(jié)皮厚度、硬度與表層含水量未檢驗出顯著相關(guān)性。

(3) 耕作條件下，植被高度是影響結(jié)皮硬度和厚度變化的最大驅(qū)動因子。無耕作條件下，近地表風(fēng)速是影響結(jié)皮硬度變化的最大驅(qū)動因子，累計補水量是影響結(jié)皮厚度變化的最大驅(qū)動因子。