郭慧慧, 郝明德, 李 龍, 蘇富源, 馬 浩, 牛育華

(1.陜西農(nóng)村科技開發(fā)中心， 陜西 西安 710061;2.西北農(nóng)林科技大學 水土保持研究所, 陜西 楊陵 712100; 3.西北農(nóng)林科技大學 資源環(huán)境學院,陜西 楊陵 712100; 4.陜西科技大學 陜西農(nóng)產(chǎn)品加工技術(shù)研究院, 陜西 西安 710021)

農(nóng)牧交錯帶土地利用類型對土壤風蝕的影響

郭慧慧1, 郝明德2, 李 龍3, 蘇富源3, 馬 浩3, 牛育華4

(1.陜西農(nóng)村科技開發(fā)中心， 陜西 西安 710061;2.西北農(nóng)林科技大學 水土保持研究所, 陜西 楊陵 712100; 3.西北農(nóng)林科技大學 資源環(huán)境學院,陜西 楊陵 712100; 4.陜西科技大學 陜西農(nóng)產(chǎn)品加工技術(shù)研究院, 陜西 西安 710021)

[目的] 研究農(nóng)牧交錯帶不同土地利用類型對土壤風蝕的影響，為干旱沙區(qū)土地資源的合理利用及經(jīng)營耕作提供科學依據(jù)。 [方法] 通過氣象資料和野外風蝕試驗，分析該區(qū)不同土地利用方式下的土壤風蝕狀況。 [結(jié)果] 不同土地利用類型對土壤風蝕的影響顯著，在不同利用類型的人工草地中羊草地較苜蓿地減蝕效果顯著，天然草地中濱草地減蝕效果優(yōu)于蒿草地，人工草地較天然草地顯著降低土壤風蝕量。農(nóng)田用地中耕翻地土壤風蝕量最高，未留茬免耕玉米地較耕翻地風蝕量減少46.7%～48.6%；作物留茬地土壤減蝕效果顯著，且留茬作物不同，減蝕效果差異明顯，玉米留茬較耕翻地風蝕量減少了58.1%～63.5%，蕎麥留茬較耕翻地減蝕率為50.5%～54.6%。在不同地形坡地中迎風坡風蝕量高于背風坡3.12～3.73倍。 [結(jié)論] 應(yīng)在該地區(qū)適宜增加人工草地種植面積，減少冬春季節(jié)耕翻地面積，減少迎風坡土地的開墾利用，在冬春季節(jié)采取地表覆蓋或者作物收獲后留茬的保護措施，以降低土壤風蝕程度。

農(nóng)牧交錯區(qū); 不同土地利用類型; 土壤風蝕; 減蝕率

風力侵蝕是發(fā)生于干旱、半干旱地區(qū)土地荒漠化的根本原因[1]。風蝕可導致土地表層大量富含營養(yǎng)物質(zhì)的細微顆粒被風剝離損失，引起農(nóng)田表層的土壤粗化、土地生產(chǎn)力下降，與此同時，風蝕也是形成沙塵天氣的根源。中國受土壤風蝕及土地荒漠化影響的土地主要分布于北方地區(qū)，尤以旱作農(nóng)田區(qū)最為嚴重[2]。土壤風蝕的嚴重性取決于風速、地表土壤特性、地表覆蓋狀況及粗糙程度[3]，而土地利用與經(jīng)營方式可以直接改變土地覆被狀況并影響土壤特性以及土壤對外界環(huán)境變化的抵抗能力[4]，土壤風蝕的發(fā)生及演化主要受制于區(qū)域土地利用方式的改變。國外在風蝕影響因子方面進行了比較系統(tǒng)的研究，在氣候條件(大風、降水與溫度等)、土壤性狀(土壤可蝕性、土壤含水量與土壤表面粗糙度等)對土壤風蝕的影響以及植被覆蓋對地表保護作用等方面已取得了許多成果[5-6]。國內(nèi)學者采用野外觀測或風洞試驗的方法開展土壤風蝕問題的研究[7]，從宏觀和微觀角度對土壤風蝕成因、風蝕引起的土壤結(jié)構(gòu)破壞、土地沙漠化、土壤肥力下降和土壤風蝕機理及防治等問題進行了探討[8-11]，就保護性耕作、不同植被蓋度、土壤表層水分變化對風蝕的影響進行研究[12-14]，對于野外不同類型土地利用對土壤風蝕的影響研究較少。為此，本研究以地處干旱農(nóng)牧交錯生態(tài)脆弱帶的寧夏自治區(qū)鹽池縣地區(qū)為研究區(qū)域，在冬春風蝕強烈期，對人工羊草地、苜蓿地，天然濱草地、蒿草地，玉米留茬地，蕎麥留茬地，耕翻地，未留茬免耕玉米地和坡地的土壤進行了野外觀測研究，通過氣象資料和野外風蝕試驗，分析不同土地利用方式下土壤的風蝕狀況，旨在為干旱沙區(qū)土地資源的合理利用及經(jīng)營耕作提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

寧夏自治區(qū)中部干旱地區(qū)是中國土地沙化較嚴重的地區(qū)之一，其位于西北內(nèi)陸農(nóng)牧交錯地帶，三面被騰格里沙漠、烏蘭布和沙漠和毛烏素沙地包圍，氣候干燥、年降水量稀少而蒸發(fā)量很大、植被類型較少、生長稀疏，生態(tài)環(huán)境相對比較脆弱，大面積的土地沙化及退化嚴重制約著當?shù)剞r(nóng)牧業(yè)及經(jīng)濟快速發(fā)展[15]。該區(qū)農(nóng)作物一年一熟，一年中耕地處于裸露狀態(tài)時間長達7個月，尤其是從土壤解凍到作物出苗這段時間耕地表土干燥、疏松、大風天氣頻繁發(fā)生更加劇了耕地土壤的風蝕。試驗地位于寧夏中東部鹽池縣城西灘，屬于干旱風沙區(qū)，中心點坐標位置為37°48′N，107°17′E，海拔1 428 m，土壤類型主要為灰鈣土。多年平均降水量為296.4 mm，60%～70%降雨集中在7—9月，蒸發(fā)量為1 517.8 mm，年均氣溫8.3 ℃，氣溫日較差21.7 ℃，日照時數(shù)3 054 h，有效積溫(>10 ℃)3 146.2 ℃，無霜期150 d，輻射量5 885.8 MJ/m2。鹽池縣是灘羊之鄉(xiāng)，牧草需求大，牧業(yè)收入占全縣農(nóng)業(yè)產(chǎn)值的44.87%，天然草場總面積為4.78×105hm2，退化草原占天然草原可利用面積的97.7%[16]。

1.2 試驗設(shè)計

結(jié)合當?shù)氐膶嶋H情況，選取當?shù)赜写硇缘?0種主要土地利用類型。分別為人工羊草地、人工苜蓿地、天然濱草地、天然蒿草地、玉米留茬地、蕎麥留茬地、耕翻地、未留茬免耕玉米地和坡地(迎風坡、背風坡)。所選草地和耕地均位于同一地貌部位，成土母質(zhì)相同，小氣候環(huán)境相同，土層厚度一致。人工羊草地，植被高度17 cm，平均植被蓋度在65%，土壤表層根系分布密集；人工苜蓿地，植被高度20 cm，平均植被蓋度40%左右，土壤表層有結(jié)皮；天然濱草地植被高度10 cm左右，植被蓋度28%；天然蒿草地植被高度25 cm，植被蓋度10%左右，地表因放牧，動物踐踏導致土壤松散、破碎。農(nóng)田用地土層深厚，經(jīng)長期人工培育，玉米和蕎麥留茬地秸稈留茬高度20 cm，收獲后不耕翻擾動，蓋度分別在30%和40%左右；耕翻地為當?shù)貍鹘y(tǒng)農(nóng)業(yè)耕作模式，每年秋季地表作物收獲后，采取耕翻處理，地表無植被覆蓋，表層土壤松散、破碎；未留茬免耕地為秋季玉米收獲后不留茬且不經(jīng)翻耕，翌年播種時再耕翻，地表植被極少，蓋度3%左右，土壤未擾動。坡地植被覆蓋度很低，為野生雜草，植被高度7 cm，蓋度在6%左右，坡度為10°左右。2013年10月14日布設(shè)風蝕圈，2014年4月10日回收風蝕圈進行風蝕量測定，2014年10月15布設(shè)風蝕圈，2015年4月10日回收風蝕圈進行風蝕量測定。每次在布設(shè)風蝕圈和回收風蝕圈時對表層土壤進行水分測定。

1.3 試驗方法和數(shù)據(jù)處理

表層土壤含水率的測定采用鋁盒對不同利用類型的地表(0—10 cm)取樣，烘箱烘干稱重并計算土壤含水率。風速的測定在寧夏鹽池縣城西灘試驗基地中心安裝氣象站CR10 XTD，氣象站安于面積較大的寬闊平坦地區(qū)，觀測記錄風速，每1 h記錄1個風值。土壤風蝕量的測定 采用風蝕圈法，試驗前用天平對風蝕圈的質(zhì)量進行測定，秋季收割以后土壤風蝕發(fā)生之前將適量土壤稱重之后放置在風蝕圈中，烘干法對風蝕圈內(nèi)土壤含水量進行測定，放置風蝕圈時使該圈中的土壤與試驗小區(qū)的自然土壤形成一個上下貫通的整體，GPS記錄風蝕圈的地理位置。翌年春季基本不再發(fā)生風蝕后將風蝕圈收回，用天平對裝滿土的風蝕圈的質(zhì)量進行測定，烘干法對風蝕圈內(nèi)土壤含水量進行測定，將放置前后2次土壤干重的差值定為整個風蝕季節(jié)風蝕圈的風蝕量。

試驗數(shù)據(jù)處理采用Excel和SPSS 13.0統(tǒng)計軟件進行單因素方差分析(one-way ANOVA)，多重比較采用最小顯著差異法(LSD法)，顯著性水平設(shè)定為p<0.05，利用Excel軟件進行繪圖處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 氣候觀測

2.1.1 氣候觀測 風速、降雨和溫度等氣候因子綜合決定著年土壤風蝕水平。風是土壤侵蝕的直接動力來源，風速的大小直接影響風蝕的輕重，從2013年7月1日至2015年6月30日，進行研究區(qū)風速風向以及降雨的野外觀測，布設(shè)的試驗各點在距氣象站1 km范圍之類。試驗區(qū)一年內(nèi)平均風速呈現(xiàn)出冬春季較大且集中，夏秋季節(jié)平均風速最小的季節(jié)性特點(圖1)。2013—2015年月平均風速在冬春季節(jié)呈現(xiàn)逐漸增大趨勢，并在3月中、下旬達到一年中的最大值，約2.26 m/s。該地區(qū)在冬春季節(jié)風力最強，尤以11,12月及1—4月風力最強，風速大于5 m/s的天氣88.7%集中于此期間，其中12月風速最高，占大風日數(shù)的20.5%、其次是4月占大風日數(shù)的19.2%，而5—10月最低。

圖1 試驗區(qū)平均風速季節(jié)變化

2.1.2 水量觀測 降水量也是影響土壤風蝕的一個重要因素，2013—2015年2 a資料的分析結(jié)果表明,鹽池縣這2 a年降水量僅在200 mm左右，且主要集中在6—9月，多陣性降水，占全年降水量的84.8%。11月至翌年2月降水量最少，只占3.6%，3—4月次少，占6.9%。11月至翌年4月降雨量最少，又是風大風多的季節(jié)，另外3—4月，凍融作用使土壤變的松散，更易風蝕，因此風蝕試驗選擇在風速最大的冬春季節(jié)進行。

2.2 不同草地土壤風蝕量對比

由不同利用類型的草地土壤風蝕量對比結(jié)果可知(圖2)，各種類型草地對土壤風蝕的減蝕效果差異顯著(p<0.05)。2013—2014年，2014—2015年觀測試驗中，人工羊草地的風蝕量最小，分別為1.07，1.09 kg/m2，較同期苜蓿地降低16.5%，28.9%。天然草地中濱草地土壤風蝕量低于蒿草地，2 a觀測濱草地較蒿草地分別減蝕14.4%，16.7%。試驗中人工草地減蝕效果較天然蒿草地顯著，相較蒿草地，2013—2014年，羊草地的減蝕率為37.5%，苜蓿地減蝕率為25.1%；2014—2015年羊草地減蝕48.2%，苜蓿地減蝕27.2%。2 a試驗結(jié)果表明，在不同利用類型草地中，人工羊草地減少土壤風蝕效果最顯著，其次是苜蓿地，天然蒿草地減蝕效果最低。

從2013—2014年，2014—2015年風蝕季節(jié)土壤風蝕量的年際變化來看，因2014—2015年平均風速較2013—2014年高，2014—2015年的風蝕量整體上大于2013—2014年，相較2013—2014年，在2014—2015年，苜蓿地、濱草地、蒿草地風蝕量分別增加17.4%，17.5%和20.4%，而羊草地風蝕量僅增加2.0%。這是由于羊草地管理經(jīng)營較好，加之羊草為須根系植物，根系分蘗能力強，隨著年份的增加，根系密度和植株密度不斷加大，土壤抗風蝕能力不斷提高，苜蓿地雖由人工管理經(jīng)營，但苜蓿屬直根系，根系密度不及羊草大，分蘗慢，其抗風蝕能力低于羊草。

注：不同小寫字母表示p<0.05水平上差異顯著。下同。圖2 試驗區(qū)不同草地土壤風蝕量

2.3 農(nóng)田土壤風蝕量對比

未留茬免耕玉米地較耕翻地減蝕效果顯著，2013—2015年這2 a耕翻地土壤風蝕量達2.75，2.96 kg/m2(圖3)，相較耕翻地，免耕地年平均減蝕率為47.3%。是因為耕翻造成土壤表面大面積裸露，表層土壤疏松，在風蝕季節(jié)中，風的動能向土粒轉(zhuǎn)化效率非常高，土粒獲得動能后發(fā)生移動，進而造成風蝕量比較大，免耕地表層土壤結(jié)構(gòu)保持完整，加大了風力吹蝕的阻力。玉米茬地和蕎麥茬地與耕翻相比，也均有顯著的減蝕效果(p<0.05)，2013—2015年玉米茬地較耕翻減少風蝕量分別為63.5%和59.5%，蕎麥茬地較耕翻減少風蝕量分別為54.6%和52.2%，作物殘留物可以吸收一部分風力，減少風對土壤的作用力。玉米茬地的減蝕率高于蕎麥茬地15.3%～19.7%，在風蝕季節(jié)長時間的干旱使一部分蕎麥茬隨風吹走，而玉米茬比較結(jié)實，不易被風吹走。玉米茬地和蕎麥茬地較免耕玉米地風蝕量分別降低了23.5%～30.2%和9.7%～13.1%，作物留茬可降低地表風速，減弱土壤風蝕程度。

圖3 試驗區(qū)不同留茬地與深翻地土壤風蝕量

2.4 不同地形風蝕量對比

迎風坡和背風坡的風蝕量差異顯著，2013—2014年迎風坡的風蝕量為3.49 kg/m2，較背風坡高3.53倍，2014—2015年迎風坡風蝕量為3.65 kg/m2，較背風坡高出3.41倍(圖4)。相較于背風坡，迎風坡的風蝕量顯著增大，是由于土粒受到風的正面沖擊較為劇烈，進而獲得較大的動能，背風坡的土壤顆粒很難獲得風力轉(zhuǎn)化而來的動能，在背風坡形成了風力侵蝕的盲區(qū)。

圖4 試驗區(qū)不同地形土壤風蝕量

2.5 不同樣地土壤含水量變化

地表土壤含水量的變化也是影響風力搬運土壤顆粒的重要因素，尤其是表層土壤含水量對風蝕有一定的影響[17]。土壤中含有水分時，水分子與土壤顆粒間的拉張力增加顆粒間的黏聚力，從而提高土壤的抗風蝕能力[13]。2013—2015年2次風蝕試驗前期水分測定結(jié)果表示，不同利用類型的土地表層0—10 cm含水率差異顯著(圖5)。不同利用類型草地中，人工羊草地土壤表層含水量最高，2013，2014年測定其土壤含水量分別為6.24%和7.6%，較同期苜蓿地高出11.3%和6.8%，較同期蒿草地高出25.7%和24.2%。在不同利用方式的農(nóng)田用地中，玉米茬地表層土壤含水率高于不留茬免耕玉米地7.3%～10.0%，不留茬免耕玉米地高于耕翻地27.2%～30.1%，說明留茬地在一定程度上可以保持相對較高含水率使農(nóng)田土壤土壤水分流失減少，農(nóng)田耕翻后，幾乎無植被覆蓋，表層土壤經(jīng)過大風的吹蝕作用水分大量蒸發(fā)，土質(zhì)會變得更加疏松，因此耕翻地的含水率相對最低。背風坡表層土含水率較迎風坡高38.1%，迎風坡相較背風坡受到的風力大，地表水分蒸發(fā)量大。

圖5 試驗區(qū)不同樣地表層土壤含水率

3 討論與結(jié)論

(1) 試驗區(qū)每年11月至翌年4月份風大、風多，降雨量少，風速大于5 m/s的天氣88.7%集中于此期間，降水量占全年的10.5%，土壤質(zhì)地較粗，表層結(jié)構(gòu)松散，水分含量低，這些不利因素的綜合作用，決定了冬春季是該地區(qū)風蝕危害的高發(fā)期，這與陳娟等[15]的研究結(jié)果一致。

(2) 不同利用類型草地中，人工羊草地減少土壤風蝕效果最顯著，其次是苜蓿地，天然蒿草地減蝕效果最低。人工羊草地土壤風蝕量分別較天然蒿草地和濱草地減少37.5%和26.9%。這主要是由于人工羊草地的蓋度比較大，從而有效的阻止了風力對土壤的侵蝕，另外，羊草根系非常發(fā)達，密集的根系能夠有效的保護表層土壤。苜蓿地蓋度較小，裸露土表面積較多，加之在風蝕季節(jié)苜蓿莖葉組織嚴重凋零，不能有效保護表土。濱草地和蒿草是天然草地，雖有一定的植被蓋度，但在冬春季節(jié)，凍融作用使土壤表層更為疏松，加之放牧對草地的不斷踐踏，致使草地表土松散，土壤容易被吹蝕。

(3) 農(nóng)田土壤風蝕中耕翻地風蝕量是玉米茬地和蕎麥茬地的2.74和2.21倍，作物留茬可相對提高自然起沙風速，截獲風蝕顆粒，減輕土地風蝕程度，耕翻地地表缺乏植被覆蓋，表層土質(zhì)疏松，最容易導致風蝕。常旭虹等[18]的研究也表明，把作物的殘茬留在土壤表面、根茬留在土壤內(nèi)部，都能保護土壤顆粒不被風力移動。另外，試驗中同條件的未留茬免耕玉米較耕翻地減蝕率為46.9%～47.7%，這與和繼軍等[19]利用風洞研究土壤風蝕時發(fā)現(xiàn)同條件下擾動土的風蝕量明顯大于未擾動土的風蝕量，秦紅靈等[20]研究發(fā)現(xiàn)免耕能夠增加土壤表層堅實度，減少風蝕的結(jié)果均一致。張華等[17]的研究也表明減少表層土壤的擾動可以顯著抑制的土壤風蝕的強度。在不同地形土地利用中，迎風坡較背風坡風蝕量高3.41～3.53倍。

(4) 相同降雨、風速條件下不同利用類型的表層土壤含水量受土地利用類型的影響較大，人工羊草地、作物留茬地、以及玉米不留茬免耕地均能增加表層土壤水分含量，利于降低土壤風蝕，與何文清[21]的研究結(jié)果土壤含水量越高，土壤啟動風速越大，風蝕率越小的結(jié)果一致。因此，合理的土地利用方式有利于增加表層土壤的含水量。

(5) 在風蝕危害嚴重的北方半干旱農(nóng)牧交錯帶，土地利用類型對土壤風蝕的影響不可忽視，不合理的土地利用加劇了土壤風蝕，在防治土壤風蝕的過程中，應(yīng)增加人工草地的面積，農(nóng)田耕作中減少秋季耕翻，采取免耕或秸稈留茬，減少迎風坡土地的開墾利用等保護措施，降低地表土粒移動，提高土壤抗風蝕能力。

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Impacts of Land Use Type on Soil Wind Erosion in Agro-pastoral Area

GUO Huihui1, HAO Mingde2, LI Long3, SU Fuyuan3, MA Hao3, NIU Yuhua4

(1.RuralScienceandTechnologyDevelopmentCenterofShaanxiProvince，Xi’an,Shaanxi710061,China; 2.InstituteofSoilandWaterConservation,NorthwestA&FUniversity,Yangling，Shaanxi712100,China; 3.CollegeofNaturalResourcesandEnvironment,NorthwestA&FUniversity,Yangling，Shaanxi712100,China; 4.ShaanxiAgriculturalProductsTechnologyProcessingInstitute,ShaanxiUniversityofScience&Technology,Xi’an，Shaanxi710021,China)

[Objective] Impacts of land use type on soil erosion in agro-pastoral area were researched to provide a scientific basis for the rational use of land resources, including the farming and management in arid desert area. [Methods] Soil erosion status under different land use types were tested by field erosion experiments and analyzed by meteorological data. [Results] Land use type significantly affected soil erosion.For artificial grasslands,Leymuschinensisreduced erosion remarkably than Alfalfa grassland did . In natural grasslands, marram grassland reduced more amount of erosion than Humilis grassland did. Artificial grasslands significantly reduced soil erosion than natural grasslands did. Ploughed field had the highest erosion in farm lands, untillage corn field without stubble reduced wind-erosion 46.7%～48.6% as compared with the ploughed field. Stubble crops reduced soil erosion remarkably, although it was different for different crop types. Stubble corn field reduced soil erosion 58.1%～63.5% than the ploughed field did. Stubble buckwheat reduced erosion 50.5%～ 54.6% as compared with the plowed slope. In different terrains, windward soil erosion was as high 3.12～3.73 times as the value of leeward slope. [Conclusion] Artificial grassland should be increased in the area. Whereas, fields should not be ploughed or should be reduced for the ploughed area in winter and spring seasons; the reclamation of windward land should be diminished; fields should be covered in the winter or stubble should be retained after harvest to protect topsoil from wind erosion.

agro-pastoral area; different land use types; soil wind erosion; reduce erosion rate

2016-01-20

2016-03-29

寧夏農(nóng)業(yè)綜合開發(fā)土地治理科技推廣項目“黃土高原旱區(qū)增糧增效潛力與提升技術(shù)研究”(NTKJ-2014-01)； 國家科技支撐計劃項目“黃土旱塬區(qū)土壤質(zhì)量定向培育技術(shù)與模式研究”(2015BAD22B01-01)

郭慧慧(1989—),女(漢族),甘肅省渭源縣人,碩士研究生,研究方向為土壤肥料試驗研究和草地生態(tài)。E-mail:guohuihui0801@163.com。

郝明德(1957—),男(漢族),陜西省華縣人,研究員,博士生導師,主要從事土壤生態(tài)和黃土高原綜合治理研究。E-mail:mdhao@ms.iswc.ac.com。

10.13961/j.cnki.stbctb.2016.06.009

A

1000-288X(2016)06-0053-05

S157.1

文獻參數(shù)： 郭慧慧, 郝明德, 李龍, 等.農(nóng)牧交錯帶土地利用類型對土壤風蝕的影響[J].水土保持通報，2016,36(6)：053-057.