寧夏賀蘭山東麓葡萄基地建設(shè)對土壤風(fēng)蝕的影響

溫淑紅，左 忠*，胡毅飛，王東清，張安東，田 龍

(1.寧夏農(nóng)林科學(xué)院荒漠化治理研究所， 寧夏 銀川 750002；2.四川大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，四川 成都 610065；3.北方民族大學(xué)生物科學(xué)與工程學(xué)院，寧夏 銀川 750021)

【研究意義】隨著人們生活水平的不斷提高和對物質(zhì)需求的逐漸滿足，對環(huán)境保護的注重成為提升生活質(zhì)量的首要工作。寧夏由于地處我國西北干旱區(qū)，三面被騰格里沙漠、巴丹吉林沙漠和毛烏素沙漠環(huán)繞，土地沙漠化嚴重。這使得寧夏沙塵暴，浮塵、揚沙等自然災(zāi)害頻發(fā)[1]。在風(fēng)蝕的作用下，裸露的土地不僅被破壞了地表，改變了土壤環(huán)境而且造成了的養(yǎng)分損失，嚴重影響當(dāng)?shù)丶捌渲苓吷鷳B(tài)環(huán)境[2-4]，使得環(huán)境進一步惡化，嚴重危及人們生存環(huán)境。對此寧夏第十二次黨代會提出了生態(tài)立區(qū)戰(zhàn)略，在加強經(jīng)濟建設(shè)的同時保護我們的綠水青山，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。【前人研究進展】目前退耕還林還草被認為是抑制風(fēng)蝕、改善土壤肥力、恢復(fù)林地草地生態(tài)系統(tǒng)的有效手段之一[5-6]。退耕還林還草不僅可以解決農(nóng)田風(fēng)蝕嚴重，土壤結(jié)構(gòu)、養(yǎng)分損失的同時還可以帶來經(jīng)濟效益、保護生態(tài)環(huán)境[6]。2011年，在廣泛調(diào)研、深入論證的基礎(chǔ)上，為轉(zhuǎn)變經(jīng)濟發(fā)展方式，調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，同時保護寧夏的生態(tài)環(huán)境，寧夏緊緊抓住機遇，按照優(yōu)良品種、高新技術(shù)、高端市場、高效益的發(fā)展思路，結(jié)合當(dāng)?shù)刈匀画h(huán)境選擇在寧夏賀蘭山東麓建設(shè)發(fā)展葡萄旅游文化長廊和以釀酒葡萄為導(dǎo)向的全產(chǎn)業(yè)鏈，創(chuàng)造中國葡萄酒可持續(xù)發(fā)展之路。緊緊圍繞寧夏賀蘭山東麓土地、光照等自然資源優(yōu)勢和沿線豐富的旅游資源為區(qū)域優(yōu)勢，大力發(fā)展葡萄產(chǎn)業(yè)，以及與其相匹配的體驗經(jīng)濟、地產(chǎn)經(jīng)濟和文化旅游經(jīng)濟。通過文化打造、生態(tài)引領(lǐng)、產(chǎn)業(yè)推動，建設(shè)一個競爭力強、輻射面廣、國內(nèi)最大、全球知名的特色葡萄長廊文化和生態(tài)經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)帶。目前，寧夏賀蘭山東麓葡萄酒依托獨特風(fēng)土條件，堅持走以提升品質(zhì)為目標(biāo)的品牌創(chuàng)新發(fā)展之路，已躋身全國地理標(biāo)志產(chǎn)品區(qū)域品牌百強榜。出口美國、英國、法國、澳大利亞、德國等20多個國家和地區(qū)，成為寧夏農(nóng)業(yè)發(fā)展的優(yōu)勢特色產(chǎn)業(yè)和自治區(qū)六大支柱產(chǎn)業(yè)之一。由于賀蘭山地處銀川西北風(fēng)口處，葡萄種植須春放苗、秋覆土，對地表擾動性很大，因此開展葡萄林地風(fēng)蝕監(jiān)測研究對生產(chǎn)實踐具有很強的指導(dǎo)意義。為客觀評價葡萄基地開發(fā)對地表風(fēng)蝕影響?！颈狙芯壳腥朦c】在寧夏賀蘭山東麓葡萄園基地開展了相關(guān)監(jiān)測研究，明確不同風(fēng)蝕環(huán)境地表風(fēng)蝕水平通量，量化不同林齡釀酒葡萄種植基地風(fēng)蝕特征及相互差異及其對周邊沙塵暴貢獻程度?！緮M解決的關(guān)鍵問題】制定科學(xué)合理的管理措施，科學(xué)合理地建設(shè)產(chǎn)業(yè)帶提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

研究區(qū)域位于寧夏和內(nèi)蒙古交界處的賀蘭山東麓，處于綠洲-荒漠交錯帶(105°45′～106°27′E, 37°43′～39°05′N)，西靠賀蘭山脈，東臨黃河上游，北接古城銀川，總面積20萬hm2。該區(qū)域?qū)俚湫偷拇箨懶詺夂颍袦貛Ц珊禋夂騾^(qū)，光照充足，熱量適中，干旱少雨，晝夜溫差大，無霜期160～170 d。該區(qū)域地處寧夏黃河沖積平原和賀蘭山?jīng)_積扇之間，土壤為淡灰鈣土，以沙礫土或雜以碎石為主，土壤表面沙面多孔，下層土質(zhì)緊密、松軟。植被為山前荒漠草原。生態(tài)嚴酷，土地荒漠化嚴重，伴隨著生態(tài)移民與產(chǎn)業(yè)開發(fā)，人類活動對退化土地的擾動日益突出。寧夏賀蘭山東麓由于特殊的冷涼氣候與沙質(zhì)土壤，晝夜溫差大，特別適合釀酒葡萄的栽植，是《寧夏葡萄產(chǎn)業(yè)規(guī)劃》確定的兩個重點產(chǎn)業(yè)帶之一，而且近年來發(fā)展速度明顯加快。

為進一步量化和監(jiān)測評價葡萄基地建設(shè)對產(chǎn)區(qū)地表風(fēng)蝕環(huán)境的影響程度，制定可行的防控措施。全程監(jiān)測研究了1、3、9年等不同林齡葡萄基地，葡萄園南北行向，株距1.0 m，行距3.5 m，與主風(fēng)向(西北風(fēng))形成大約15°夾角。同時，監(jiān)測研究了周邊玉米農(nóng)田、防護林地、原始荒漠草原地貌、樟子松人工林地、不同季節(jié)翻耕整理的新開葡萄基地，以及葡萄地秋埋土春放苗過程中農(nóng)田地表、壟內(nèi)等不同風(fēng)蝕環(huán)境條件下的土壤空間風(fēng)蝕特征，全面開展了葡萄基地建設(shè)對產(chǎn)區(qū)風(fēng)蝕環(huán)境的影響評價研究工作。主要監(jiān)測指標(biāo)包括不同監(jiān)測高度平均風(fēng)速、地表粗糙度、摩阻速度、風(fēng)脈動性、防風(fēng)效能等主要風(fēng)蝕特征監(jiān)測研究。其中風(fēng)蝕量分別利用誘捕法和集沙儀觀測法。

1.2 研究方法

1.2.1 樣地選擇 在大范圍實地調(diào)查基礎(chǔ)上，選取了代表性的樣地。該樣地的原生植被是天然荒漠草原，在人為的干擾作用下，開墾農(nóng)田，植樹造林，之后隨著寧夏賀蘭山東麓防沙治沙工程的開展，又將部分農(nóng)田退耕還林，近年來，由于寧夏賀蘭山東麓葡萄生態(tài)長廊工程的實施，又大面積開墾。選取荒漠草原為對照，當(dāng)年新開地、1年葡萄地、3年葡萄地、9年葡萄地等幾種土地類型為樣地(表1)。樣地地形平坦，各地類位置相鄰，處于同一地貌，成土母質(zhì)和小氣候環(huán)境等自然地理特征一致。

1.2.2 野外觀測與取樣 野外觀測時間為2016-2017年，風(fēng)季內(nèi)分別使用集沙儀和誘捕法監(jiān)測地表及近地表風(fēng)蝕量，同時設(shè)置小氣候觀測站一臺，以提高監(jiān)測精度與自動化監(jiān)測水平。土壤風(fēng)蝕狀況的觀測采用土壤風(fēng)蝕狀況的觀測使用旋轉(zhuǎn)式集沙儀，在不同試驗樣地中間布置集沙儀，保證底部第一個進沙口與地面齊平，監(jiān)測高度分別為5、50、100、150、200 cm共5組，從不同垂直高度觀測土壤風(fēng)蝕情況，每月收集1次沙樣，將風(fēng)蝕物及時倒入已稱重的樣品袋回收分析。

1.2.3 實驗方法 ①誘捕法。以大面積分布的3、9年生葡萄農(nóng)田，賀蘭山沿山區(qū)域玉米農(nóng)田、天然草地、道路防護林、農(nóng)田防護林、正在大規(guī)模機械整地的葡萄施工基地等周邊主要立地類型為研究對象，荒漠草原為對照，從2016年3月至2017年6月，在該區(qū)域的大風(fēng)季節(jié)，每月進行一次各種覆被類型下土壤輸沙量的實地監(jiān)測，每個處理6個重復(fù)。收集沙粒樣品時，將現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)有動物破壞或異常的樣品剔除后，剩余樣品數(shù)據(jù)取其平均數(shù)。利用誘捕法，在各觀測地內(nèi)選擇平整且保證具有原始地被物覆蓋的基礎(chǔ)上，同時放置口徑7 cm的集沙容器，放置時要保證容器口與地表持平，并且把容器周圍的空隙填平，盡量使其保持原狀，待有風(fēng)蝕現(xiàn)象時容器對過境沙粒進行收集。期間及時觀察容器內(nèi)沙粒沉降情況，按不同月份及時收集該容器的沙粒，并進行稱量，累加記錄后對比衡量不同立地類型土壤風(fēng)蝕量。其中葡萄基地由于當(dāng)年秋季進行了機械開溝覆土，地貌分地表和壟溝2種，分別進行了取樣后，對原始數(shù)據(jù)進行了平均(圖1)。②集沙儀法。利用2 m高的轉(zhuǎn)動式集沙儀，自2017年3月開始，至6月結(jié)束在多個大風(fēng)日下監(jiān)測了不同林齡葡萄基地、玉米農(nóng)田、樟子松林地、道路防護林等多個風(fēng)蝕監(jiān)測點風(fēng)蝕指標(biāo)。集沙量監(jiān)測高度分別為距離地面垂直高度5、50、100、150、200 cm，集沙盒入風(fēng)口長寬分別為45 mm×30 mm，集沙盒前部長寬75 mm×30 mm，后部長寬80 mm×90 mm，裝集沙盒架子尾部設(shè)有風(fēng)向標(biāo)，風(fēng)蝕過程中可隨風(fēng)向及時調(diào)整方向，以保證集沙盒入風(fēng)口隨時面對風(fēng)向。集沙盒可靈活裝取。每供試樣地放置集沙儀3個，在整個風(fēng)蝕季節(jié)長期放置，每月月底將集沙盒收集到的沙量統(tǒng)一回收，取其平均數(shù)后即可得該監(jiān)測點的集沙量(圖2)。

表1 研究區(qū)域地貌類型

圖1 誘捕集沙法主要試驗原理[7-10]Fig.1 Main experimental principle of trapping and collecting sand

2 結(jié)果與分析

2.1 風(fēng)蝕較為嚴重的時期

實驗通過2種不同監(jiān)測對不同立地類型和不同葡萄林齡地表風(fēng)蝕量在不同月份的監(jiān)測，可以對一年中風(fēng)蝕較為嚴重的時期進行判斷，從而為建植葡萄林地和防止因地表風(fēng)蝕帶來的沙塵暴等災(zāi)害進行提前預(yù)防和治理提供依據(jù)。

圖2 旋轉(zhuǎn)式集沙儀結(jié)構(gòu)[11]Fig.2 The rotary sand collector

圖3 不同土地利用類型地表風(fēng)蝕量動態(tài)監(jiān)測(誘捕法)Fig.3 Dynamic monitoring of surface wind erosion by different land types (trapping method)

通過對全年主要風(fēng)蝕季節(jié)不同時間段誘捕法風(fēng)蝕量監(jiān)測結(jié)果表明(圖3)，葡萄基地秋翻耕埋土后到次年6月間均是風(fēng)蝕量易發(fā)季節(jié)，其中以3、4、6月風(fēng)蝕量最大，其中6月由于采用的誘捕監(jiān)測法，期間降雨量明顯影響到了風(fēng)蝕監(jiān)測結(jié)果，實際收集到的沙粒實際上是風(fēng)蝕與降雨時雨滴濺起的沙粒，而實際監(jiān)測發(fā)現(xiàn)由于降雨濺入的沙量明顯高于風(fēng)蝕量，因此實際風(fēng)蝕量最大產(chǎn)生在3-4月，以3月為最高。秋埋土后當(dāng)年12月，風(fēng)蝕量也占有一定比例但不嚴重。

從2017年集沙儀法監(jiān)測結(jié)果表明(圖4)，3、4月各處理風(fēng)蝕量最大，5月最小。

2.2 誘捕法監(jiān)測不同立地類型樣地風(fēng)蝕情況

從表2可以看出，2017年監(jiān)測樣地中，不同土地利用類型地表風(fēng)蝕量從大到小依次為3年葡萄基地>樟子松林地> 9年葡萄基地>道路防護林>荒漠草原(對照)>玉米農(nóng)田。但道路防護林、樟子松林地、9年葡萄基地之間相差不大，均在964.903～1028.717 t/km2·年之間。與對照組荒漠草原相比，除玉米農(nóng)田由于冬灌措施和在完善的防護林體系保護下風(fēng)蝕量相對較小外，3、9年葡萄基地、道路防護林、樟子松林地等地貌類型風(fēng)蝕量均明顯較高。其中以3年葡萄地表風(fēng)蝕量最大，是對照荒漠草原的2.2倍。主要是由于3年葡萄基地秋翻耕覆土后地表機械擾動性大，無植被覆蓋，土壤質(zhì)地疏松，土壤含水量較低，但有相當(dāng)比例的礫石，防護林網(wǎng)健全但未成林，防護功能不完善。與之相反的是9年葡萄基地雖然機械作業(yè)與3年葡萄基地相同，但由于灌溉時間較常，防護林網(wǎng)健全，防護功能完善，林、路、渠網(wǎng)配套后地表殘留物覆蓋率較高。同時，由于長時間的灌溉形成的灌淤土農(nóng)田物理結(jié)皮明顯，風(fēng)蝕量明顯較低。玉米農(nóng)田由于冬灌后形成了凍凝層和物理結(jié)皮、完善的農(nóng)田防護林網(wǎng)等，風(fēng)蝕量與9年葡萄基地也較類似，為各監(jiān)測地貌中最低。

圖4 不同土地利用類型風(fēng)蝕量監(jiān)測結(jié)果(集沙儀法)Fig.4 Monitoring results of wind erosion by different land types (Sand collecting method)

根據(jù)2016年監(jiān)測結(jié)果表明：不同土地利用類型地表風(fēng)蝕量從大到小依次為葡萄基地新開地> 1年葡萄基地>荒漠草原(對照)>樟子松林地>道路防護林。葡萄基地新開地累計風(fēng)蝕量高達5432.60 t/km2，遠高于葡萄基地累計風(fēng)蝕量3863.25 t/km2，也就是說在葡萄基地建立后，隨著時間的推移，葡萄基地路、渠、道等地被物越穩(wěn)定，基地防護林網(wǎng)越完善，地表風(fēng)蝕越小，對周邊沙塵暴防護的貢獻率越高。

表2 不同土地利用類型地表風(fēng)蝕量監(jiān)測結(jié)果

注：土壤侵蝕強度參照《寧夏通志·地理環(huán)境卷》[12]。

Note: The intensity of soil erosion refers to ‘Ningxia Tongzhi·Geographic Environment Volume’[12].

圖5 不同立地類型不同監(jiān)測高度平均集沙量所占比例Fig.5 Proportion of average sediment concentration in different monitoring heights of different land types

2.3 不同測量高度對集沙量的影響

通過從不同監(jiān)測高度集沙量看，各處理間均以5 cm高度集沙量最大，且隨著監(jiān)測高度的增加呈規(guī)律的遞減。其中，5、50、100、150和200 cm高度分別占總集沙量的72 %、11 %、7 %、5 %和5 %。

研究不同監(jiān)測高度對確定該風(fēng)蝕環(huán)境沙粒來源、風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)特征意義重大。通常情況下，就地起沙現(xiàn)象越明顯，底層沙量所占比例越高。反之，如果該區(qū)域不易發(fā)生風(fēng)蝕現(xiàn)象，則監(jiān)測到的集沙量一般以周邊環(huán)境外來沙粒為主，反應(yīng)垂直高度上，則以距離地表較高的部分所占的沙粒重量比例越高。分別對寧夏賀蘭山3年葡萄基地、9年葡萄基地、玉米農(nóng)田、樟子松林地、未開發(fā)的荒漠草原原始地貌對照區(qū)等周邊風(fēng)蝕環(huán)境監(jiān)測表明(圖5)，3年葡萄基地、荒漠草原原始地貌對照區(qū)距離地表5 cm垂直高度的集沙量所占比例分別達到了82 %和79 %，說明上述兩類監(jiān)測區(qū)域由于地表覆蓋度低，農(nóng)田防護林系統(tǒng)不完善，就地起沙明顯。而3年葡萄基地150、200 cm較高層集沙量所占比例均分別僅為3 %，荒漠草原原始地貌對照區(qū)集沙量所占比例均分別僅為4 %。與之相反的是，9年葡萄基地、玉米農(nóng)田、樟子松林地5 cm高度集沙量所占比例分別為24 %、46 %、38 %；150 cm高度集沙量所占比例分別可達14 %、13 %、8 %；200 cm高度集沙量所占比例分別可達17 %、14 %、17 %。由于上述風(fēng)蝕環(huán)境中農(nóng)田防護林體系完善、土壤墑情較好、地表覆蓋或質(zhì)地環(huán)境較穩(wěn)定，地表自身防風(fēng)固土能力較高，而周邊外來“入侵”沙粒所占比例較大，因此不是風(fēng)蝕防控重點區(qū)域。從另一方面也表明，完整的農(nóng)田防護林體系、有效地表覆蓋或墑情保障、完善的地表覆蓋或多年耕種后形成的穩(wěn)定的物理結(jié)皮系統(tǒng)，均可很好的防治風(fēng)蝕起沙現(xiàn)象發(fā)生，減少沙害損失。

不同立地類型和不同林齡下觀測到的不同高度下地表風(fēng)蝕輸沙量變化一致均隨監(jiān)測高度增加而呈規(guī)律的遞減。其中5 cm高度集沙量占各監(jiān)測樣地平均總集沙量的78 %，50、100、150、200 cm高度分別占總集沙量的12 %、5 %、3 %和2 %(圖6)。

從不同林齡釀酒葡萄基地風(fēng)蝕狀況檢測數(shù)據(jù)表明(2016監(jiān)測數(shù)據(jù))，累計風(fēng)蝕強度的對比情況：葡萄新開地﹥1年葡萄基地﹥3年葡萄基地﹥荒漠草原﹥七泉溝9年葡萄基地。其中七泉溝9年葡萄基地的平均風(fēng)蝕量僅為0.4 g，總風(fēng)蝕輕度為211.88 t/km2。說明葡萄基地建設(shè)時間越久，路、渠、道等地被物越穩(wěn)定，基地防護林網(wǎng)越完善，地表風(fēng)蝕越小，對周邊沙塵暴防護的貢獻率越高。不同土地利用類型集沙量與監(jiān)測高度之間的相關(guān)性，可以明確集沙量與監(jiān)測高度之間的關(guān)系，判斷和估測隨著高度的規(guī)律變化，集沙量隨之發(fā)生的相關(guān)變化，為進一步估測和明確隨著距離地表垂直高度的增加，可能會產(chǎn)生的風(fēng)蝕量，為充分了解和掌握不同土地利用類型垂直梯度內(nèi)可能產(chǎn)生的風(fēng)蝕量提供可估判的數(shù)學(xué)模型。從而為確定該區(qū)域風(fēng)蝕環(huán)境沙粒主要來源提供判斷依據(jù)。通常情況下，就地起沙現(xiàn)象越明顯，底層沙重量百分比越高，并且隨著高度的增加集沙量會呈乘冪或多項式規(guī)律的遞減。本次試驗將所有地貌類型的集沙量進行平均后，分析發(fā)現(xiàn)不同土地利用類型集沙量平均值與監(jiān)測高度符合乘冪關(guān)系(R2=0.9061，圖7)。

圖6 不同監(jiān)測高度集沙量所占比例Fig.6 Proportion of sand concentration in different monitoring heights

圖7 監(jiān)測高度與集沙量相關(guān)性Fig.7 Monitoring the correlation between height and sand concentration

3 結(jié)論與討論

(1)寧夏賀蘭山東麓地處銀川西北風(fēng)口，勁風(fēng)經(jīng)賀蘭山的阻擋途徑葡萄基地后正處于抬升過程，春放苗秋覆土的農(nóng)藝操作工序，對地表風(fēng)蝕影響很大，主要發(fā)生于春季，以新開墾地和1～3年的葡萄林地最為嚴重。葡萄基地建設(shè)8～9年后，由于防護林網(wǎng)日趨完善，地表灌淤土日漸形成，地表物理結(jié)皮明顯，地被物增多，地表風(fēng)蝕量相對較小。

(2)完善防護林體系可有效緩解和防治地表風(fēng)蝕[7，13-15]。因此在建植葡萄林地前必須營建完善的防護林地，形成穩(wěn)定的環(huán)境，減少葡萄林地建植初期的風(fēng)蝕影響。

(3)通過雨前耕作、耕后灌溉形成土壤物理結(jié)皮[8-10，16]，以及營建葡萄修剪掛枝風(fēng)障[17]、種植綠肥、增加物理覆蓋、鋪蓋草席、提高農(nóng)藝水平、噴涂可降解液態(tài)地膜[4，18-21]等均可有效減少風(fēng)蝕發(fā)生。