農(nóng)牧交錯帶不同利用方式土壤粒徑分布特征
——以呼和浩特市武川縣為例

付東升， 任曉萌， 王燕玲， 張翠英， 蒙仲舉

（1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學沙漠治理學院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018；2.內(nèi)蒙古自治區(qū)氣象科學研究所，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051；3.錫林郭勒盟水利局水利事業(yè)發(fā)展中心，內(nèi)蒙古 錫林浩特 026099；4.內(nèi)蒙古烏蘭察布市四子王旗吉生太鎮(zhèn)，內(nèi)蒙古 烏蘭察布 011826）

內(nèi)蒙古陰山北麓是我國最具代表性的半干旱半濕潤過渡帶之一［1］，其荒漠化發(fā)展最快、生態(tài)環(huán)境最為脆弱，該區(qū)同時也是我國中東部地區(qū)的“生態(tài)屏障”［2］，具有生態(tài)和生產(chǎn)的雙重功能［3］。而近半個世紀以來，該區(qū)域“重農(nóng)輕牧”、“重生產(chǎn)輕生態(tài)”［4］，加之該區(qū)域氣候干旱、水資源短缺、秋冬時期正值大風季節(jié)，原始的耕作方式使表層土壤疏松，土壤被風蝕破壞，使地表耕層變薄，養(yǎng)分流失，土壤肥力大大降低［5-6］，長期水土流失造成巨大的生態(tài)破壞和經(jīng)濟損失，使得該區(qū)域成了典型的風蝕荒漠化區(qū)［7］。武川縣地處內(nèi)蒙古陰山北麓農(nóng)牧交錯帶中部，是荒漠化發(fā)展最快、生境最為脆弱，屬于典型的風蝕沙化區(qū)，南部為山區(qū)；中部為高原區(qū)，農(nóng)牧業(yè)相互重疊（農(nóng)業(yè)為主），風蝕嚴重；北部為天然草地，農(nóng)牧混合（牧業(yè)為主），草地退化明顯。由于該區(qū)域長期采用傳統(tǒng)耕作方法，許多農(nóng)田處于中強度風蝕，嚴重制約區(qū)域可持續(xù)發(fā)展。近些年來，國家實施的一系列退耕（牧）還林（草）政策對農(nóng)牧交錯帶生態(tài)恢復產(chǎn)生了深遠影響。

粒徑作為土壤的一個穩(wěn)定的自然屬性［8-11］，在判斷土壤可蝕性［12-13］、反映風沙環(huán)境變化［14-17］、決定風蝕強度［18］、確認土地荒漠化程度［19］等方面都有著重要的地位，還可以間接表征復雜環(huán)境中土壤的變化過程［20］，反映土壤侵蝕的現(xiàn)狀［21-23］。土壤風蝕的過程最主要是土壤中的細小顆粒被風逐漸吹蝕沙化的過程［24-25］。不同的耕作方式導致地表覆蓋度和粗糙度出現(xiàn)了明顯的差異，進而影響土壤粒級分布［26-27］。邱捷等［28］研究發(fā)現(xiàn)，不同土地利用類型間分形維數(shù)存在顯著差異，與各粒徑級顆粒之間均呈顯著相關(guān)關(guān)系。崔曉［29］研究表明，春翻留茬10 cm 覆蓋和春翻還田措施可改善土壤部分物理性質(zhì)，在一定程度上減小農(nóng)田的土壤風蝕。風季后土壤黏粒和粉粒含量較風季前增加較為明顯，最高增加10%以上。王少博等［21］指出在長期實施保護性耕作措施下，免耕秸稈還田對比翻耕農(nóng)田明顯增加了土壤黏粒含量，土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性得到增強，深松秸稈還田使土壤的均勻性變差。因此，利用土壤粒度組成評價區(qū)域農(nóng)田土壤風蝕和土地退化程度，反映不同耕作方式下土壤風蝕的差異是可行的［30］。

鑒于此，本研究基于武川縣農(nóng)牧試驗區(qū)，以不同耕作方式下農(nóng)田土壤為研究對象，天然草地為對照實驗，分析粒度參數(shù)和粒度頻率曲線在不同耕作方式下的變化規(guī)律，旨在確定陰山北麓武川縣農(nóng)牧交錯帶適宜的耕作模式，為該地區(qū)耕作農(nóng)田土壤的改善治理以及農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供有參考價值的理論、實踐依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于希拉穆仁草原向呼和浩特市過渡區(qū)域，地理坐標為110°31′～111°53′E、40°47′～41°23′N，屬中溫帶大陸性季風氣候，日照充足，晝夜溫差大，冬季長，夏季短且全年都處在一個涼爽的環(huán)境，降水主要集中在6—9月，年平均降水量300 mm，風沙活動頻繁。正北風和西北風為該地區(qū)主風向，年均風速為4.5 m·s-1左右，年大風日數(shù)為65 d左右［31］，大多在春季。土壤主要以栗鈣土、灰褐土、石質(zhì)土為主，多孔性、結(jié)構(gòu)性差，有機質(zhì)含量低于2%。天然植被組成結(jié)構(gòu)簡單，主要以冷蒿（Artemisia frigida）、沙生針茅（Stipa glareosa）、大針茅（Stipa grandis）、克氏針茅（Stipa krylovii）等草本植物為主，適宜栽培一年一熟小日期農(nóng)作物，主要旱作農(nóng)作物為馬鈴薯（Solanum tuberosum），莜麥（Avena chinensis）和蕎麥（Fagopyrum esculentum）［32］。該區(qū)為典型農(nóng)牧交錯帶，土地利用類型多樣且侵蝕嚴重，包括有不同年限翻耕種植作物、天然草地、棄耕撂荒樣地。

1.2 研究方法

1.2.1 樣地選取與樣品采集 基于相似可比原則，研究區(qū)地勢平坦，東西走向，由北向南依次為：天然草地（CK）、小麥翻耕1 a、小麥留茬、小麥翻耕15 a、葵花留茬樣地以及退耕5 a，各樣地之間無明顯邊界，考慮到邊際效應，于2020 年10 月中旬，分別在各樣地中部采樣，其中在小麥翻耕1 a與天然草地邊界裸露剖面增加樣點，每樣點重復3次，分別采集0～5 cm、5～10 cm、10～20 cm、20～30 cm 深度土層土樣，將取回的土樣在實驗室鋪開，自然風干后，采用激光粒度儀分析Mastersizer 3000 測定土層粒度組成。研究樣地基本情況如表1、圖1所示。

圖1 觀測地類Fig.1 Observational soil classes

表1 試驗地點的地類概況Tab.1 Overview of the experimental site

1.2.2 土樣指標測定 去除根系、凋落物等雜質(zhì)后，過2 mm 篩，加入30%體積分數(shù)的H2O2去除土壤中的有機質(zhì)；加入10%體積分數(shù)的HCl 溶液煮沸去除土壤中的碳酸鹽；加入稀釋液離子水靜置12 h，去除上清液，重復稀釋至pH值在6.5～7.0之間；土壤粒徑體積分數(shù)采用激光粒度分析儀測定。在本實驗中，根據(jù)美國制分級標準將土壤粒徑分為：黏粒（＜0.002 mm）、粉粒（0.002～0.005 mm）、極細砂（0.005～0.01 mm）、細砂（0.01～0.25 mm）、中砂（0.25～0.5 mm）、粗砂（0.5～1.0 mm）、極粗砂（1.0～2.0 mm）共7級。計算對應的累積體積分數(shù)為5%、16%、25%、50%、75%、84%、95%的土壤粒徑用以計算粒度參數(shù)。用到的粒度參數(shù)模型如下：

采用伍登（1889 年）-溫德華（1922 年）粒級標準，根據(jù)克魯賓（1934年）對數(shù)轉(zhuǎn)化法計算Φ值，公式如下。

式中：d為土壤顆粒粒徑（mm）。

Φ5、Φ16、Φ25、Φ50、Φ75、Φ84、Φ95是克倫拜因（1957年）和福克（1955年）根據(jù)累積頻率分布曲線的累積百分比，分別為5%、16%、25%、50%、75%、84%、95%對應的粒度進行對數(shù)轉(zhuǎn)化所取得的值，據(jù)此計算粒度特征參數(shù)，公式如下。

平均粒徑（d0）：反映土壤粒度平均狀況的參數(shù)。計算公式為：

具體分級標準如表2。

表2 粒度參數(shù)分級標準Tab.2 Classification standards of particle size parameters

2 結(jié)果與分析

2.1 不同耕作方式下土壤粒度組成與粒徑分布特征

土壤顆粒作為土壤組成中不可或缺的一部分，伴隨著作物的生長，在土壤演替過程中，起著極其重要的作用［33-35］。由表3 可知，0～5 cm 表層土壤粒度組成以砂粒和粉粒為主，黏粒含量極低，其體積百分含量在2.04%～3.36%，粉粒體積百分含量變化范圍在22.26%～32.63%；砂粒中，粒徑為0.1～0.25 mm 的細砂粒最多，其體積百分含量平均為35.3%，其次是極細砂，中砂和較少粗砂。在各樣地5～10 cm土層深度中，不同耕作方式下的農(nóng)田土壤粒徑變化很大，以砂粒和粉粒為主，其中細砂粒最多，體積百分含量平均為32.95%，在25.81%～37.11%之間變動；粉粒平均體積百分含量為28.44%，在21.58%～37.28%之間變動。黏粒含量整體相比較上一層整體出現(xiàn)了小幅度的增加，平均體積百分含量增加了0.4%。其中小麥留茬地粉粒含量比同層葵花留茬地多10.59%，較表層多13.65%。退耕5 a 粗砂粒含量為2.71%，高于其他各類樣地，相比較天然草地高出0.9%。在不同耕作方式下農(nóng)田各樣地10～20 cm土層深度中，土壤顆粒各粒徑含量相比上一層（5～10 cm）趨于均勻，總體上顆粒物要比上一層的粗化，其粒徑變粗。該土壤深度中粉粒含量明顯減少，在天然草地中占34.43 %，在翻耕15 a 農(nóng)田中占29.37%，但在小麥留茬地中約占21.88%。退耕5 a中粉粒含量26.64%相比翻耕1 a農(nóng)田高出0.88%，低于翻耕15 a 農(nóng)田2.73%。20～30 cm 土層中，留茬地粉粒平均體積百分含量比退耕5 a 低14.54%。同時，退耕5 a砂粒含量整體也低于其他耕地，其中細砂粒含量占比29.79%，粗砂粒僅約占0.75%。

表3 不同耕作方式下0～30 cm土壤粒度分布Tab.3 Distribution of soil grain size in 0-30 cm under different tillage methods

2.2 不同耕作方式下土壤粒度參數(shù)特征

平均粒徑表征土壤粒度的平均分布情況，顆粒的平均粗細大小，代表著搬運作用營力的平均動能，顆粒大小反映土壤發(fā)育程度和物質(zhì)來源。由表4可知，農(nóng)田土表層0～5 cm中，各樣地間平均粒徑差別不大，范圍在2.21～2.50；其中翻耕1 a＞翻耕邊坡＞天然草地＞留茬地＞退耕5 a＞翻耕15 a；在5～10 cm 土層中，不同耕作方式間變化范圍在2.12～2.58，小麥留茬地最高，退耕5 a 較上一土層出現(xiàn)了粒度粗化的情況；在10～20 cm 土層中，各耕作方式間差異較大，變化范圍在2.14～2.41 之間，留茬地整體要低于翻耕地，翻耕15 a＞翻耕1 a＞小麥留茬＞葵花留茬；在20～30 cm土層中，退耕5 a平均粒徑最高，其值為2.61，翻耕1 a 樣地要高于天然草地與留茬地，其值為2.48。

表4 同一土層不同耕作方式下土壤粒度參數(shù)特征Tab.4 Characteristics of soil grain size parameters under different tillage methods in the same soil layer

不同耕作方式下各樣地的標準偏差在1.23～1.37，根據(jù)分級標準可知，研究區(qū)各樣地在0～30 cm土層內(nèi)，整體分選較差。在0～5 cm 土層中，翻耕15 a＞退耕5 a＞天然草地＞留茬地，其中翻耕15 a最高，與天然草地僅相差0.04；在5～10 cm 土層中，小麥留茬地最高，值為1.37，并且此土層整體要高于上一土層；在10～20 cm 土層中，葵花留茬＞退耕5 a＞翻耕地＞小麥留茬，其值為1.31；在20～30 cm 土層中，整體要低于上一土層，其中天然草地1.31 達到了此土層中的最大值，留茬地分選性要低于翻耕地。

不同耕作措施下的各樣地偏度介于-0.09～0.25，總體上土壤偏度為正偏，細粒物質(zhì)占比大于粗粒物質(zhì)。在0～5 cm 土層中，翻耕邊坡與翻耕1 a 偏度接近對稱，其余樣地偏度均為正偏；在5～10 cm土層中，小麥留茬偏度為負偏，翻耕1 a偏度接近對稱，其余樣地偏度均為正偏；在10～20 cm 土層中，天然草地、翻耕15 a偏度接近對稱，其余樣地偏度均為正偏；在20～30 cm土層中，天然草地、翻耕1 a、退耕5 a偏度接近對稱，其余樣地偏度均為正偏。整體上各樣地峰度值介于0.70～0.83，所對應的峰度等級標準均為寬平態(tài)。在0～5 cm土層中，翻耕地峰度低于其他樣地峰度，最小值為0.72；在5～10 cm土層中，退耕5 a峰度值為0.80高于其他樣地，土壤粒度分布較為分散；在10～20 cm 土層中，峰度值留茬地＞退耕5 a＞翻耕地，與天然草地相差0.09；在20～30 cm 土層中，小麥留茬地峰度值最大，為0.83，退耕5 a峰度最小，為0.71，相比較其他樣地更為分散。

2.3 不同耕作方式下土壤粒度曲線特征

2.3.1 土壤粒度頻率分布特征 由圖2可知，在0～5 cm 土層內(nèi)，翻耕1 a 樣地的粒度頻率曲線呈雙峰態(tài)分布，峰值高度差異不大，第1個峰的峰值位于30～50 μm 范圍內(nèi)，第2 個峰的峰值位于200～250 μm 范圍內(nèi)；在5～10 cm 土層內(nèi)，翻耕1 a 樣地的粒度頻率曲線與0～5 cm土層內(nèi)基本一致，天然草地與小麥留茬地的粒度頻率曲線呈雙峰態(tài)分布，小麥留茬地主峰位于30～50 μm 范圍內(nèi)，天然草地主峰位于200～300 μm 范圍內(nèi)；在10～20 cm 土層內(nèi)，小麥留茬地峰值的高度均高于其他樣地，峰值位于200～250 μm范圍內(nèi)；在20～30 cm土層中，天然草地、退耕5 a、翻耕1 a 呈現(xiàn)不同程度的雙峰態(tài)分布，其中退耕5 a 主峰值高度最高，位于30～45 μm 范圍內(nèi)，其余樣地呈單峰分布，峰值位于105～120 μm范圍內(nèi)。

圖2 同一土層不同耕作方式下土壤粒度頻率分布Fig.2 Frequency distribution curve of soil grain size under different tillage methods in the same soil layer

2.3.2 土壤粒度累積頻率分布特征 由圖3 可知，同一土層不同耕作方式下土壤的粒度累積頻率分布曲線，各樣地的曲線斜率相近，曲線的陡度表示顆粒分布的均勻性。各土層曲線均在100～120 μm間逐漸變陡。在0～5 cm 表層，翻耕1 a 農(nóng)田分布最均勻，細粒較多；在5～10 cm 土層中，葵花留茬地與翻耕15 a地顆粒分布相近，小麥留茬地顆粒組成最細，且退耕5 a 曲線坡度最?。辉?0～20 cm 土層中，翻耕15 a農(nóng)田與翻耕邊坡顆粒分布均勻程度相似，略低于分布最均勻的天然草地，開始各曲線均呈現(xiàn)緩慢增長變化，在100 μm 左右曲線大幅變陡，且迅速升高至累積體積百分含量達95%，說明土壤顆粒絕大部分存在100 μm之后；在20～30 cm土層內(nèi)，各樣地間顆粒分布程度差距明顯，退耕5 a 分布最均勻?？傮w上看，各樣地之間的粒度組成差異不大。

圖3 同一土層不同耕作方式下土壤粒度累積頻率分布Fig.3 Distribution curve of soil grain size accumulation frequency under different tillage methods in the same soil layer

3 討論

本研究對陰山北麓農(nóng)牧交錯帶不同耕作方式下農(nóng)田土壤粒徑進行分析可知，各樣地土壤均以細砂含量最大，為25.81%～39.56%，粗砂含量最低，為0.62%～2.87%，土壤顆粒各粒級比例差異較大。這與苑依笑等［36］研究在風蝕作用下農(nóng)田土壤粒徑黏粒、粉砂含量下降；土壤平均粒徑增大的研究結(jié)果相似。但粒徑變化的程度還存在一定的差異，這是由于本試驗樣地的走向與主風向平行，翻耕產(chǎn)生的地壟并沒有起到增大地表粗糙度的作用，反而受到大風吹蝕，加劇了翻耕地細粒物質(zhì)的流失。同時，本研究中0～5 cm表層土壤內(nèi)，小麥留茬和葵花留茬樣地的細砂含量明顯高于翻耕地，這是由于在秋天農(nóng)作物收獲后采取留茬覆蓋的耕作措施，土壤中細顆粒得以就地保留下來。翻耕農(nóng)田地表裸露，導致表土細粒物質(zhì)極易被吹蝕，從而形成了粗粒化的趨勢，這與王仁德等［37］的研究結(jié)果留茬地地表的細粒物質(zhì)相對較多，翻耕不耙平地次之，翻耕耙平地最小基本一致。整體來看，翻耕地各土層粒度分布更為均勻，經(jīng)野外實地調(diào)查，每年翻耕深度約在25～30 cm左右，翻耕后，將底土翻耕至地表，使耕地各土層的顆粒組成始終保持在相對均勻的水平，并隨著耕作年限的增加，可以明顯看出，細粒物質(zhì)含量在大幅減少，這可能是由于常年翻耕吹蝕原因?qū)е碌?。留茬地相比退耕地，秋收之后，冬季整個處于非耕作期的農(nóng)田，采取留茬覆蓋的保護模式，有效地防止了土壤細粒物質(zhì)被風吹蝕攜走，顯著提高了土壤的抗風蝕能力［38］。

陰山北麓農(nóng)牧交錯帶氣候干旱少雨，常年耕作活動對土壤的擾動使得土壤結(jié)構(gòu)松散，極易發(fā)生風蝕［39］，尤其冬季，風力強勁又大面積缺乏地表覆蓋，最終導致土壤逐漸粗化。經(jīng)過長期的改進和研究，留茬地有利于截留氣流中的細粒物質(zhì)，農(nóng)作物的高度和蓋度增加了地表粗糙度，致使近地表氣流對于農(nóng)田表層土壤的沖刷吹蝕能力大大降低，從而對土壤表層中的細粒物質(zhì)產(chǎn)生了一定的保護作用［40］。由表4 粒度參數(shù)分布特征可知，不同耕作方式下各土層粒度參數(shù)差異均較小，整體標準偏差分選較差；土壤偏度在-0.09～0.25，為正偏，細粒物質(zhì)占比大于粗粒物質(zhì)；土壤峰度各樣地均為寬平態(tài)，各土層粒度較為分散。

進一步對不同耕作方式下農(nóng)田土壤顆粒頻率曲線分析（圖2）可知，各土層不同耕作方式下土壤均在130 μm出發(fā)生交叉，土壤粒徑組分中的細砂粒（100～250 μm）組分在此處被分為100～130 μm、130～250 μm 兩部分。在0～5 cm 土層中，前半段（100～130 μm）較細部分顆粒翻耕1 a＞翻耕邊坡＞天然草地＞小麥留茬＞翻耕15 a＞葵花留茬＞退耕5 a，而細砂粒的后半段部分較粗顆粒（130～250 μm）表現(xiàn)出來完全相反的結(jié)果，這使得細砂粒前后兩部分得以相互補充，含量整體差異縮小。岳高偉等［41］研究發(fā)現(xiàn)，120～140 μm粒級范圍內(nèi)的土壤顆粒最易受風影響而被吹蝕。同時，各土層土壤顆粒頻率曲線顯示，在200～400 μm間，各曲線差距較大，從累積頻率曲線也可以看出，在200～400 μm，曲線明顯變陡，土壤顆粒粒度變化顯著，可認為200～400 μm 顆粒也易被風蝕。李曉麗等［42］研究認為，陰山北麓農(nóng)牧交錯帶農(nóng)田耕地表層土壤顆粒受氣流影響，發(fā)生躍移，主要集中在75～200 μm和250～425 μm 2個粒級范圍，這與本研究結(jié)果基本吻合。

綜上所述，不同的耕作方式促使土壤環(huán)境和土壤顆粒含量發(fā)生相對改變，是造成土壤粒度粗化的根本原因。翻耕地農(nóng)田地表裸露，經(jīng)過風蝕，細顆粒被風帶走，翻耕使各土層土壤均勻混合，各土層土壤粒徑相對均勻；留茬地有效保護了農(nóng)田表層土壤，因農(nóng)作物及蓋度不同也出現(xiàn)了不同的保護效果。因此排序結(jié)果可以為后續(xù)當?shù)剞r(nóng)田生產(chǎn)后的耕作方式的選擇提供合理科學依據(jù)，反映了天然草地被利用開墾為農(nóng)田后的實際情況，為土地自然修復提供理論依據(jù)。

4 結(jié)論

（1）不同耕作方式下農(nóng)田土壤粒度組成各土層均以細砂、極細砂、粉粒為主，占比達到總含量的80%～85%。常年的翻耕使得細粒物質(zhì)大量被吹蝕，并且細顆粒無法得到補充，進而農(nóng)田土壤粗化，留茬措施有效的攔截了細粒物質(zhì)的流失。土壤粒度組成由細到粗為：翻耕1 a＞天然草地＞翻耕邊坡＞小麥留茬＞翻耕15 a＞退耕5 a＞葵花留茬。沙粒平均粒徑為2.12～2.61。土壤分選性均表現(xiàn)較差，偏度均表現(xiàn)為正偏且接近對稱，峰度屬于寬平態(tài)。

（2）粒度累積分布曲線整體反映出翻耕地風沙活動較留茬地頻繁、強烈。耕作方式及農(nóng)作物的選擇決定著其防風固沙功能的大小，進而影響其表層土壤的粒度分布特征。研究區(qū)土壤粒徑在200～400 μm 之間，為易風蝕顆粒。各粒度參數(shù)顯示不同耕作方式下的農(nóng)田均在引起土壤的粗化，土壤粒徑分布范圍較大，粒徑整體趨于粗?；?。