遼西北風(fēng)沙地土壤抗蝕性及其與力學(xué)性質(zhì)關(guān)系

代 軍 呂 剛 杜昕鵬

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

我國(guó)每年土壤侵蝕面積占國(guó)土總面積的三分之一，對(duì)生態(tài)、農(nóng)業(yè)構(gòu)成了巨大的負(fù)面影響，而土壤侵蝕取決于外營(yíng)力對(duì)土壤的搬運(yùn)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(yíng)力分散和搬運(yùn)作用表現(xiàn)出來(lái)的抵抗力[2]，是土壤侵蝕研究的重要內(nèi)容之一。本文通過(guò)研究表明土壤抗蝕性與土壤理化性質(zhì)密切相關(guān)，同時(shí)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(guó)半干旱農(nóng)牧交錯(cuò)帶的典型代表區(qū)域，亦是防風(fēng)固沙的前線[4]。樟子松是防風(fēng)固沙的優(yōu)良樹(shù)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(fēng)蝕、水蝕等現(xiàn)象較其他地區(qū)依然很嚴(yán)重，是我國(guó)水土流失嚴(yán)重的區(qū)域之一[6]。諸多學(xué)者對(duì)該地區(qū)風(fēng)蝕的過(guò)程與防治做了大量研究[7-8]，但是該地區(qū)的水力侵蝕過(guò)程、土壤的抗蝕性以及土壤抵抗外營(yíng)力的能力等方面的研究還鮮有報(bào)道。風(fēng)沙土由于其結(jié)構(gòu)松散、土壤有機(jī)質(zhì)含量低的特點(diǎn)，在受到降雨、徑流的沖刷、懸浮作用時(shí)，容易分散和遷移，形成水力侵蝕。李強(qiáng)[9]等對(duì)黃土風(fēng)沙區(qū)土壤抗沖性進(jìn)行定量研究，探究了植物根系對(duì)土壤抗沖性的強(qiáng)化作用；肖俊波[10]等探究了內(nèi)蒙古坡耕地風(fēng)沙土在凍融循環(huán)條件下的土壤抗沖性。可見(jiàn)，風(fēng)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(bào)道。而且，土壤水蝕是雨滴對(duì)土粒的擊濺作用和徑流對(duì)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(duì)土體的破壞作用，而土體的破壞過(guò)程是土壤抗剪能力喪失的過(guò)程[12]。劉國(guó)彬[13]在坡面土壤水蝕研究中也認(rèn)為其過(guò)程實(shí)際上是水流對(duì)土壤剪切作用過(guò)程。因此抗剪強(qiáng)度等力學(xué)性質(zhì)對(duì)風(fēng)沙土抗蝕性的影響尤為重要。

本文以遼西北風(fēng)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(duì)象。采用現(xiàn)場(chǎng)采樣與室內(nèi)分析結(jié)合的方法獲取了土壤特性指標(biāo)與根系指標(biāo)，對(duì)比分析了不同土地利用方式下的土壤抗蝕性特征，同時(shí)將風(fēng)沙土的力學(xué)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(biāo)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(tái)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(fēng)氣候區(qū)，年平均降雨量為497.8 mm，時(shí)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(wú)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(fēng)速3.8m/s。土壤屬風(fēng)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(jī)質(zhì)含量低，土壤剖面基本無(wú)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(zhǎng)白植物區(qū)系交錯(cuò)地區(qū)，自然植被多為抗旱較強(qiáng)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(tái)站，綜合考慮植被類型、地形狀況，在試驗(yàn)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(duì)象。在不同土地利用方式的樣地布設(shè)1個(gè)20m×20m的樣方，每個(gè)樣方隨機(jī)選取三個(gè)樣點(diǎn)，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(shí)驗(yàn)室后測(cè)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(jìn)行測(cè)量；穩(wěn)滲速率采用雙環(huán)入滲法；有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀—外加熱法；土壤機(jī)械組成采用吸管法測(cè)定(按照國(guó)際制土壤分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)行分析[14]。 不同土地利用方式下的土壤含水率、機(jī)械組成與根系見(jiàn)表1。

表1 土壤含水率、機(jī)械組成與根系指標(biāo)

續(xù)表1

本實(shí)驗(yàn)采用ZJ-應(yīng)變式直剪儀測(cè)量土壤粘聚力與內(nèi)摩擦角，休止角實(shí)驗(yàn)測(cè)定在休止角測(cè)定儀上進(jìn)行。將選好的沙洋放入錐形漏斗中，此時(shí)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(biāo)紙上方一定高度H。然后用水平儀調(diào)平承接板，當(dāng)打開(kāi)漏孔調(diào)節(jié)片時(shí)，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(cè)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(jī)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。花生地土壤容重隨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(dá)，導(dǎo)致土壤容重較小；而樟子松林地和荒草地沒(méi)有經(jīng)過(guò)人工翻作，但是經(jīng)常有牲畜的經(jīng)過(guò)，使得表層土壤被壓實(shí)，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?yàn)轱L(fēng)沙土的機(jī)械組成與粘壤土的差異性較大?；ㄉ?-20cm層有機(jī)質(zhì)含量是40cm-60cm土層的3.89倍，大扁杏0-20cm土層有機(jī)質(zhì)含量是40cm-60cm土層的4.42倍，這是因?yàn)檗r(nóng)地每年都會(huì)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(shí)掉落等現(xiàn)象使得表層的土壤有機(jī)質(zhì)含量較高；樟子松林地和荒草地三個(gè)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(jī)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(shuō)明施肥對(duì)土壤有機(jī)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(jī)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(shì)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(qiáng)。

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(biāo)體系的選擇上，國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者大多以土壤的結(jié)構(gòu)破壞率、土壤團(tuán)聚狀況、土壤團(tuán)聚度、分散系數(shù)、土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量等指標(biāo)作為土壤抗蝕性評(píng)價(jià)的指標(biāo)來(lái)構(gòu)建指標(biāo)評(píng)價(jià)體系[18]，但是風(fēng)沙土結(jié)構(gòu)松軟，團(tuán)聚體含量低，且水穩(wěn)性極差，土壤團(tuán)聚體在濕篩實(shí)驗(yàn)中極短的時(shí)間內(nèi)全部崩壞、分散，使得不同土地利用方式的實(shí)驗(yàn)結(jié)果并無(wú)差異。因此風(fēng)沙地的土壤抗蝕性指標(biāo)無(wú)法單純采用傳統(tǒng)的指標(biāo)體系。根據(jù)前人的研究基礎(chǔ)[19-20]，再結(jié)合風(fēng)沙地特征，本研究選擇土壤持水狀況、機(jī)械組成、根系、土壤容重與養(yǎng)分5個(gè)方面8個(gè)指標(biāo)(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(zhǎng)密度(cm3/cm3)、X6根體積密度(cm3/cm3)、X7有機(jī)質(zhì)(%)、X8容重(g/cm3))組成風(fēng)沙土抗蝕性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。

對(duì)這些指標(biāo)進(jìn)行主成分分析，提取出三個(gè)主成分，三個(gè)主成分特征值均大于1，且累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)85.84%，其中Y1貢獻(xiàn)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(jì)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(xué)者的研究結(jié)果不同。張華渝[21]對(duì)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?。恍な頪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(xué)者所篩選的影響較大的指標(biāo)都是土壤的團(tuán)聚度、團(tuán)聚狀況和分散系數(shù)等[31-32]。而通過(guò)對(duì)風(fēng)沙土壤綜合抗蝕性與抗蝕性指標(biāo)的相關(guān)性分析，得出風(fēng)沙地與土壤抗蝕性相關(guān)性最高的指標(biāo)為根長(zhǎng)密度、根表面積密度和有機(jī)質(zhì)三個(gè)指標(biāo)，由圖1可知，花生地由于人工施肥的原因使它的有機(jī)質(zhì)含量遠(yuǎn)大于其他土地利用方式，充足的有機(jī)質(zhì)含量也導(dǎo)致了根系的生長(zhǎng)，使得花生地抗蝕性遠(yuǎn)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(qiáng)，這與其它學(xué)者[21-22]的研究結(jié)果相同，這也是由于表層土壤的有機(jī)質(zhì)含量最高，且表層根系最發(fā)達(dá)。因此在風(fēng)沙地中有機(jī)質(zhì)含量成為了植物生長(zhǎng)和土壤抗蝕性的主要影響因素。

(三)土壤力學(xué)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(qiáng)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(shù)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(zhǎng)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(qiáng)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(shì)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(yuǎn)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(shí)驗(yàn)將風(fēng)干土樣過(guò)2mm篩過(guò)濾根系等雜質(zhì)，通過(guò)測(cè)量不同土地利用方式下土壤的休止角大小，來(lái)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(shì)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(shì)；荒草地隨土層深度的增加表現(xiàn)為先增大后減小；大扁杏林地(果園)隨土層深度的增加則表現(xiàn)為一直減小的趨勢(shì)。可見(jiàn)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。花生地和樟子松林地的40cm-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(shuō)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(qiáng)，這可能是由于花生地受人工干擾，長(zhǎng)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(qiáng)。

表3 土壤抗蝕性指標(biāo)與力學(xué)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(shuō)明土壤的力學(xué)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(ài)國(guó)[27]等指出影響水土流失過(guò)程中土壤抗剪強(qiáng)度的主導(dǎo)因素是容重、粉/粘、土壤含水量、土壤有機(jī)質(zhì)含量，而風(fēng)沙地機(jī)械組成中主要為砂粒(96.01%)，有機(jī)質(zhì)含量也遠(yuǎn)低于其他土壤。而含水率對(duì)抗剪強(qiáng)度的影響曲線出現(xiàn)“峰值現(xiàn)象”[28]，風(fēng)沙地的抗剪強(qiáng)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(duì)土壤抗蝕性的主要影響因素。

四、結(jié)論

(一)遼西北風(fēng)沙地不同土地利用方式下的土壤機(jī)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(zhǎng)密度皆大于其他土層，有機(jī)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(shì)相同。

(二)遼西北風(fēng)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(fēng)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(xué)性質(zhì)也是影響土壤抗蝕性的重要因素，土壤力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)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。