碳酸鈣含量對土壤風(fēng)蝕強(qiáng)度的影響

董 苗,嚴(yán) 平,孟小楠,郭金蕊,錢 瑤,吳 偉

(1.北京師范大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)部,北京 100875; 2.北京師范大學(xué) 地表過程與資源生態(tài)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100875; 3.防沙治沙教育部工程研究中心,北京 100875)

土壤風(fēng)蝕是土地沙漠化的重要組成部分和首要環(huán)節(jié)，已成為當(dāng)前全球主要的生態(tài)環(huán)境問題之一[1-2]。土壤風(fēng)蝕是一個復(fù)雜的地球物理過程，也是自然因素和人為因素疊加作用的綜合表現(xiàn)[2-3]。國內(nèi)外在土壤風(fēng)蝕方面開展了大量研究，其中土壤風(fēng)蝕影響因子的研究主要集中于風(fēng)況、水分、植被、人類活動等[3-8]，而對CaCO3的研究相對較少。在干旱、半干旱地區(qū)的土壤中CaCO3普遍存在，對土壤的物理、化學(xué)、生物性狀等都起著重要作用，是影響土壤風(fēng)蝕的重要因子[9-10]。研究表明，在不同質(zhì)地的土壤中，不同的CaCO3含量對土壤結(jié)構(gòu)和抗風(fēng)蝕能力影響程度不同[11-14]，一定量的CaCO3可以增加黏粒和團(tuán)聚體的含量，從而提高土壤抗風(fēng)蝕的能力，但是過量的CaCO3含量會增加易蝕部分的含量，使得土壤機(jī)械穩(wěn)定性差，因此隨著碳酸鈣含量的增加土壤抗風(fēng)蝕能力減弱[11]。雅庫波夫也認(rèn)為CaCO3含量高的地區(qū)比CaCO3含量較低的地區(qū)更容易遭受風(fēng)蝕[15]。在美國農(nóng)業(yè)部修正風(fēng)蝕方程(RWEQ)中，將碳酸鈣含量作為土壤可蝕性因子的一個重要因子[16]，RWEQ中認(rèn)為，風(fēng)蝕速率與碳酸鈣含量呈線性的負(fù)相關(guān)關(guān)系，即風(fēng)蝕速率隨碳酸鈣含量的增加而減小[5,6,12,13,17-21]。而在風(fēng)蝕預(yù)報系統(tǒng)(WEPS)中并沒有考慮影響土壤風(fēng)蝕的CaCO3因子[22]。此后，關(guān)于CaCO3與土壤風(fēng)蝕的相關(guān)研究較少，沒有深入研究特定的土壤類型中CaCO3含量對土壤風(fēng)蝕的影響，沒有定量的分析土壤CaCO3含量達(dá)到多少時最有利于土壤風(fēng)蝕的控制。因此本文選取內(nèi)蒙古東部草原栗鈣土、暗栗鈣土作為研究對象，通過定量的方法探討特定土壤類型中的CaCO3含量對土壤風(fēng)蝕的影響，闡明有利于防治土壤風(fēng)蝕的CaCO3含量閾值，以期為防治草原風(fēng)蝕提供重要的理論依據(jù)。

1 研究方法

1.1 樣品采集和培育

在前期野外調(diào)查和測試土壤理化性質(zhì)的基礎(chǔ)上，2012年5月選取表土CaCO3含量接近0的兩個土樣：試樣1和試樣2(表1)，采集表層0—15 cm土樣約600 kg。剔除土壤中的礫石、植物、植物根系，置于通風(fēng)處晾干，晾干后過2 mm篩子。將樣品分成五份，一份為原始樣品，剩余四份添加相應(yīng)的碳酸鈣，使得土壤中CaCO3含量分別為0%，2%，5%，8%，12%，置于80×30×15 cm土箱中進(jìn)行培育，定期灑水、觀察，連續(xù)培育半年以上，土壤形成結(jié)構(gòu)后停止灑水培育。樣品培育時間逾3 a，近似于自然狀態(tài)下不同碳酸鈣含量的原狀土。試樣1培育的土壤結(jié)構(gòu)主要以團(tuán)塊狀為主，土壤表層硬度與野外測試結(jié)果接近；試樣2培育的土壤結(jié)構(gòu)以團(tuán)粒狀為主，結(jié)構(gòu)較為松散，表層有結(jié)皮，硬度與野外相比較小。

表1 采樣點(diǎn)理化性質(zhì)

注：土壤質(zhì)地分類依據(jù)美國制土壤質(zhì)地分類三角表。

1.2 風(fēng)洞模擬試驗(yàn)

風(fēng)洞模擬試驗(yàn)于2015年7月在北京師范大學(xué)地表過程與資源生態(tài)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的中型風(fēng)洞中進(jìn)行(圖1)。該風(fēng)洞為直流吹氣式風(fēng)洞，全長34.4 m，風(fēng)速1～40 m/s可調(diào)，試驗(yàn)段長16 m，截面為1×1 m。試驗(yàn)前使用快速水分測定儀(美國奧斯豪OHAUS/MB35)檢測表土含水率，將其控制在1.0%左右；風(fēng)速使用皮托管連接數(shù)字壓力儀器測定。將土箱置于風(fēng)洞試驗(yàn)段中部的試樣傳送升降平臺，使用液壓升降和履帶傳輸系統(tǒng)控制土箱保持特定位置，使其表面與風(fēng)洞底板齊平。試驗(yàn)風(fēng)速依次設(shè)定為10，15，20，25，30 m/s，前3個風(fēng)速吹蝕時間設(shè)為5 min，后兩個風(fēng)速吹蝕時間分別設(shè)為3 min和2 min。試驗(yàn)開始時注意觀察土體表面起動狀況，當(dāng)表層有顆粒運(yùn)動時，記錄為起動風(fēng)速。每組試樣、每個風(fēng)速吹蝕前后，土箱降到平臺底部的KCC150型電子天平(量程150 kg，精度1 g)上進(jìn)行稱重，兩次差值即為吹蝕量，依次獲得每個風(fēng)速下的風(fēng)蝕量(g)，換算成風(fēng)蝕速率(g/m2·s)。

注：A風(fēng)洞試驗(yàn)布置示意圖;B升降傳送平臺(試樣1,CaCO3含量為2%)；C試驗(yàn)全景(試樣2,CaCO3含量為5%)。

圖1風(fēng)洞試驗(yàn)裝置

2 結(jié)果與分析

2.1 CaCO3含量與起動風(fēng)速的關(guān)系

不同CaCO3含量的土壤起動風(fēng)速不同(表2，圖2)。當(dāng)CaCO3含量約為5%時，兩組試樣起動風(fēng)速達(dá)到最大，試樣1栗鈣土為10.14 m/s，試樣2暗栗鈣土為10 m/s。當(dāng)CaCO3含量小于5%時，栗鈣土起動風(fēng)速隨著CaCO3含量的增加而增大，暗栗鈣土則是先減小后增大；當(dāng)CaCO3含量大于5%時，兩組試樣起動風(fēng)速均隨著CaCO3含量的增加而減小。因此給土壤添加適量的碳酸鈣使其含量達(dá)到5%左右，有利于提高起動風(fēng)速，從而減少土壤風(fēng)蝕。

表2 土壤樣品風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果

圖2 兩種土壤CaCO3含量與起動風(fēng)速的關(guān)系

2.2 不同風(fēng)速下CaCO3含量與風(fēng)蝕速率的關(guān)系

兩組不同類型的土樣在相同CaCO3含量下，風(fēng)蝕速率隨風(fēng)速增加而加大；在相同風(fēng)速下，當(dāng)土壤中CaCO3含量為5%時，風(fēng)蝕速率最低。不同風(fēng)速下風(fēng)蝕速率隨CaCO3含量的變化趨勢有所差異(圖3)。

試樣1栗鈣土，風(fēng)速小于等于20 m/s時，風(fēng)蝕速率隨CaCO3含量的變化較平穩(wěn)；當(dāng)風(fēng)速大于20 m/s時，風(fēng)蝕速率隨CaCO3含量的增加，呈現(xiàn)先急速下降后緩慢增加的趨勢。試樣2暗栗鈣土，風(fēng)速小于20 m/s時，風(fēng)蝕速率隨CaCO3含量的變化波動較小，風(fēng)速大于等于20 m/s時，風(fēng)蝕速率隨CaCO3含量的變化呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢。兩種類型土壤的下降趨勢不同，可能是由于不同質(zhì)地的土壤添加不同比例的CaCO3對土壤結(jié)構(gòu)和風(fēng)蝕能力有不同的影響[5-6]。兩組試樣不同風(fēng)速水平下，CaCO3含量約為5%時風(fēng)蝕速率最低，因此，當(dāng)風(fēng)速較大時，在土壤中添加適量的CaCO3有可以顯著的降低風(fēng)蝕強(qiáng)度。

圖3 不同風(fēng)速下風(fēng)蝕速率隨CaCO3含量的變化

兩組試樣累積風(fēng)蝕速率隨CaCO3含量的變化呈現(xiàn)陡變和緩變交替的特點(diǎn)(圖4)，對累積風(fēng)蝕速率與CaCO3含量進(jìn)行回歸分析，兩組試樣CaCO3含量與風(fēng)蝕速率之間的關(guān)系均符合二次函數(shù)式，式中，Y為風(fēng)蝕速率，X為CaCO3含量。對于栗鈣土，a=0.191，b=-2.927，c=10.407，R2=0.741；暗栗鈣土，a=0.461，b=-7.416，c=41.986，R2=0.927。從兩組方程式中可以看出，當(dāng)CaCO3含量X約為5%時，累積風(fēng)蝕速率Y達(dá)到最低。

2.3 不同CaCO3含量下風(fēng)速與風(fēng)蝕速率的關(guān)系

總體上，兩組土壤風(fēng)蝕速率隨著風(fēng)速的增加而增大(圖5)；當(dāng)風(fēng)速為10 m/s時，栗鈣土、暗栗鈣土的風(fēng)蝕速率均最小。風(fēng)速從10 m/s增加到15 m/s時，兩組土樣風(fēng)蝕速率緩慢上升；當(dāng)風(fēng)速從15 m/s增加到20 m/s時，風(fēng)蝕速率變化較明顯。對于栗鈣土，碳酸鈣含量為0時，風(fēng)蝕速率先急速上升，后緩慢上升，添加了碳酸鈣的土樣則呈現(xiàn)先降低后增加的趨勢。暗栗鈣土，風(fēng)蝕速率隨風(fēng)速的增加而增加。兩種類型的土樣在風(fēng)速15～20 m/s表現(xiàn)出不同的變化趨勢，主要是由于兩種土樣的土壤結(jié)構(gòu)不同，試樣1栗鈣土經(jīng)過培育后土壤結(jié)構(gòu)主要為團(tuán)塊狀，而試樣2暗栗鈣土主要為團(tuán)粒狀。當(dāng)風(fēng)速在10～15 m/s時，易受風(fēng)蝕的是松散且無結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)性差的細(xì)顆粒部分；當(dāng)風(fēng)速從15 m/s增加到20 m/s時，栗鈣土團(tuán)塊狀結(jié)構(gòu)的土壤由于團(tuán)聚體具有間歇性，易被風(fēng)蝕的土壤顆粒相對減少，暗栗鈣土則土壤松散，結(jié)構(gòu)較差易于受到風(fēng)蝕。當(dāng)風(fēng)速在20～30 m/s時，由于風(fēng)速增大，會對土壤結(jié)構(gòu)進(jìn)一步造成破壞，因此兩種土壤類型的風(fēng)蝕速率隨風(fēng)速的增加而增大。

圖4 累積風(fēng)蝕速率隨CaCO3含量的變化

從圖5中得出，兩種土壤當(dāng)CaCO3含量為5%時，風(fēng)蝕速率隨風(fēng)速的變化緩慢，風(fēng)蝕速率也最小[14]。因此在土壤中添加CaCO3，使其含量達(dá)到約5%，并通過一些工程措施、生物措施等手段將栗鈣土分布區(qū)域的風(fēng)速降低到10 m/s以下，可以有效的防治土壤的風(fēng)蝕。

圖5 不同CaCO3含量風(fēng)蝕速率隨風(fēng)速的變化

3 討 論

當(dāng)土壤中的碳酸鈣含量較小時，土壤團(tuán)粒形成的主要膠結(jié)物質(zhì)是黏粒。土壤微小顆粒帶有負(fù)電荷，表面吸附著一定量的低價陽離子，給土壤中添加適量的碳酸鈣，碳酸鈣遇水后，電解出來的Ca2+與土粒周邊的低價陽離子產(chǎn)生交換作用，從而減少了土粒表面吸附水膜的厚度，使得土粒間距更為接近，分子引力隨著增加，小顆粒聚集成大顆粒，組成一個穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)從而提高了土壤的抗侵蝕力[23-26]。當(dāng)加入過量的碳酸鈣時：(1) 除吸附和離子交換外，仍然有相當(dāng)部分的碳酸鈣包圍在土粒表面。碳酸鈣顆粒與孔隙溶液接觸，發(fā)生水化，形成一層包裹在外面的微晶或非晶Ca(OH)2膜，阻礙了顆粒的接觸，土壤之間難以形成微積聚體，土壤力學(xué)性質(zhì)反而下降[27]。(2) 隨著碳酸鈣含量的增加，破壞了土顆粒的原始膠結(jié)，由于碳酸鈣本身占用一定的體積，使土壤體積相對減少,土壤的容重先減小后增加，孔隙度、毛管孔隙度、自然含水量、田間持水量、毛管持水量、飽和持水量都出現(xiàn)了先增加后減小的變化趨勢，進(jìn)而降低土壤水分的絕對含量，土壤開始沙化，土壤結(jié)構(gòu)松散且結(jié)構(gòu)性差，土壤強(qiáng)度下降[28-30]。(3) 碳酸鈣含量的增加，使得土壤環(huán)境呈強(qiáng)堿性，不利于CaCO3轉(zhuǎn)化為Ca2+的形式,與土壤中黏粒形成團(tuán)聚體[31-33]，也不利于將土壤中的有機(jī)碳轉(zhuǎn)化為無機(jī)碳,研究表明有機(jī)碳和碳酸鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)均很高的土壤，有機(jī)碳的增加會抑制碳酸鹽對土壤團(tuán)聚體的作用[34-40]。

根據(jù)前期土壤調(diào)查結(jié)果，土壤質(zhì)地為壤質(zhì)砂土和砂質(zhì)壤土，物理性沙粒含量在75%以上。這種土壤類型大部分質(zhì)地較為疏松，透水性強(qiáng)而保水性較差，再加上有機(jī)質(zhì)和黏粒含量較低難以形成穩(wěn)定的土壤結(jié)構(gòu)。向土壤中添加CaCO3不僅直接影響土壤理化性質(zhì)，也間接的影響土壤結(jié)構(gòu)、土壤團(tuán)聚體、土壤有機(jī)質(zhì)等從而改變了土壤質(zhì)地和粒徑組成。不同質(zhì)地的土壤添加不同比例的CaCO3，其土壤結(jié)構(gòu)和土壤抗風(fēng)蝕能力不同。有研究表明CaCO3與細(xì)砂和粉砂有較高的相關(guān)性[41]，土壤中高CaCO3含量增加了粉砂和細(xì)砂的比例，容易形成顆粒狀的土壤結(jié)構(gòu)，減弱了黏粒和有機(jī)質(zhì)的膠結(jié)力，使土塊更容易破碎，這種結(jié)構(gòu)的土壤無論顆粒大小在一定條件下都會引起風(fēng)蝕[11,42-43]。這與前人的研究結(jié)果相一致[11,15,44-45]。關(guān)于碳酸鈣的具體膠結(jié)作用的大小、強(qiáng)度、方式等還需要今后進(jìn)一步的研究。

本文通過風(fēng)洞試驗(yàn)，探討土壤中單一CaCO3因子與土壤風(fēng)蝕強(qiáng)度的關(guān)系，得出土壤中CaCO3含量以5%為拐點(diǎn)，當(dāng)CaCO3含量小于5%時，起動風(fēng)速隨著CaCO3含量的減少而降低，風(fēng)蝕速率隨著CaCO3含量的減少而增加；當(dāng)CaCO3含量大于5%時，起動風(fēng)速隨著CaCO3含量的增加反而降低，風(fēng)蝕速率隨著CaCO3含量的增加而增加?；貧w分析得出碳酸鈣含量與風(fēng)蝕速率之間呈非線性的二次函數(shù)關(guān)系，而不是RWEQ中的簡單線性關(guān)系[8]，采用此模型，可能產(chǎn)生過高的估計，郭金蕊在研究中假設(shè)其他因子相同的條件下，采用RWEQ模型評估出來的土壤風(fēng)蝕速率可能達(dá)到實(shí)測值的1.02～3.65倍[21]。

由于本文僅對兩種類型土壤通過培育進(jìn)行研究和比較，目前還不能對RWEQ風(fēng)蝕模型進(jìn)行充分的修訂。風(fēng)洞模擬試驗(yàn)與野外實(shí)際情況有一定的差異，土壤樣品的培育完全達(dá)不到野外環(huán)境，所以原狀土與培育土的結(jié)果有一定差異，能否將風(fēng)洞模擬試驗(yàn)結(jié)果應(yīng)用到實(shí)際當(dāng)中，CaCO3因子的風(fēng)蝕防治措施在實(shí)際工作中是否具有適用性和可行性還需要進(jìn)一步的驗(yàn)證。

4 結(jié) 論

從CaCO3含量與起動風(fēng)速、風(fēng)蝕速率的分析可以看出，當(dāng)CaCO3含量小于5%時，起動風(fēng)速隨著CaCO3含量的減少而降低，風(fēng)蝕速率隨著CaCO3含量的減少而增加；當(dāng)CaCO3含量大于5%時，起動風(fēng)速隨著CaCO3含量的增加反而降低，風(fēng)蝕速率隨著CaCO3含量的增加而增加。兩種栗鈣土，不論CaCO3含量如何變化、土壤質(zhì)地有何差異，風(fēng)蝕速率隨著風(fēng)速的增大而增大，一定程度上，風(fēng)蝕強(qiáng)度與風(fēng)速大小密切相關(guān)。但當(dāng)土壤中CaCO3含量約為5%時，風(fēng)蝕速率隨風(fēng)速的變化較其他含量下變化平穩(wěn)，風(fēng)蝕量最小。栗鈣土和暗栗鈣土的累積風(fēng)蝕強(qiáng)度隨CaCO3含量的變化均呈現(xiàn)出非線性的二次函數(shù)關(guān)系，累計風(fēng)蝕速率先減少再增加，這與RWEQ中的簡單線性關(guān)系不相一致。不同碳酸鈣含量下，當(dāng)風(fēng)速小于10 m/s時，風(fēng)蝕強(qiáng)度最小，因此在北方草原地區(qū)，通過生物措施、化學(xué)措施、工程措施等手段降低風(fēng)速，為土壤中添加適量的碳酸鈣，使其含量達(dá)到約5%時，能夠有效的緩減該區(qū)土壤風(fēng)蝕。