翟 輝, 李國(guó)榮,2, 李進(jìn)芳, 朱海麗,2, 趙健赟,2, 劉亞斌, 胡夏嵩,2

(1.青海大學(xué) 地質(zhì)工程系, 西寧 810016; 2.青藏高原北緣新生代資源環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 西寧 810016)

黃河源區(qū)位于青藏高原東北部，是我國(guó)重要的水資源涵養(yǎng)區(qū)，生態(tài)地位極其重要[1-2]。由于該區(qū)域獨(dú)特的地理位置及生態(tài)環(huán)境特點(diǎn)，在諸多因素的綜合影響下高寒草地發(fā)生了不同程度的退化[3-4]。目前造成黃河源區(qū)高寒草地退化的原因主要包括氣候因素以及放牧和嚙齒類動(dòng)物活動(dòng)，其中以高原鼠兔(Ochotonacurzoniae)和高原鼢鼠(Eospalaxbaileyi)為主的小型嚙齒動(dòng)物活動(dòng)是造成草地退化最主要的原因[5-6]。嚙齒動(dòng)物掘穴造丘活動(dòng)改變了原生草地的土壤理化性質(zhì)，并在地表堆積形成大量的松散鼠丘[7]。風(fēng)力是導(dǎo)致高寒草地退化的重要侵蝕動(dòng)力[8-9]，在長(zhǎng)期的風(fēng)蝕作用中，嚙齒動(dòng)物活動(dòng)以及產(chǎn)生的大量鼠丘在草地退化過程中發(fā)揮著重要的作用，鼠類不僅啃食草根直接破壞植被，而且使地表植被因鼠丘土壤的掩埋而死亡[10]，導(dǎo)致草地出現(xiàn)大量退化斑塊[11-13]，大面積裸露的鼠丘土壤極易產(chǎn)生風(fēng)蝕作用，從而加劇了草地退化。有關(guān)土壤風(fēng)蝕研究方面，有學(xué)者指出影響土壤風(fēng)蝕強(qiáng)度的因素主要有風(fēng)力、植被蓋度、土壤質(zhì)地、土壤含水量、地形因素等[14-17]，且土壤抗蝕因子的不同導(dǎo)致土壤風(fēng)蝕特征和規(guī)律也存在一定的差異[18-21]。鼠丘作為高寒草地嚙齒動(dòng)物擾動(dòng)形成的特殊堆積體，其在影響土壤風(fēng)蝕強(qiáng)度方面存在特殊性。因此，研究鼠丘對(duì)土壤風(fēng)蝕作用的影響，對(duì)于揭示高寒草地退化機(jī)理具有重要意義。

目前諸多學(xué)者針對(duì)草地退化區(qū)水土流失和植被恢復(fù)進(jìn)行了研究[22-26]，也有學(xué)者針對(duì)高寒草地鼠丘特征及土壤侵蝕等進(jìn)行調(diào)查和研究，如王紅蘭等[27]研究認(rèn)為鼠類活動(dòng)使地表土壤保水能力降低，將對(duì)草地植被生長(zhǎng)和水土流失產(chǎn)生影響。馬素潔等[28]對(duì)高原鼢鼠鼠丘水土流失特征進(jìn)行研究，認(rèn)為新生土丘屬于次生裸地，容易導(dǎo)致水土流失。李國(guó)榮等[29]分析不同風(fēng)速梯度下鼠丘土壤風(fēng)力侵蝕的基本特征和規(guī)律，并討論了嚙齒動(dòng)物活動(dòng)對(duì)水土流失的影響。盡管諸多學(xué)者針對(duì)鼠丘土壤開展相關(guān)研究，但有關(guān)黃河源草地退化區(qū)不同鼠丘土壤的風(fēng)蝕規(guī)律等的研究較少，尤其是在不同影響因素下鼠丘對(duì)土壤風(fēng)蝕作用的影響方面有待深入研究。為此，本文以黃河源高寒草地小型嚙齒動(dòng)物活動(dòng)堆積的鼠丘為研究對(duì)象，通過開展土壤風(fēng)蝕原位模擬試驗(yàn)，重點(diǎn)分析不同風(fēng)速下，鼠丘形狀大小、植被根系及土壤含水量等抗蝕因子作用下鼠丘土壤的風(fēng)蝕特征和規(guī)律，為揭示高寒草甸退化的成因機(jī)理以及草地植被恢復(fù)、生態(tài)環(huán)境改善等提供科學(xué)依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于青海省黃南州河南縣，屬黃河源高寒草甸區(qū)，地理位置為東經(jīng)101°47′，北緯34°44′，區(qū)內(nèi)海拔約3 600 m。年均氣溫為-1.3～1.6℃，年降雨量597.1～615.5 mm[30]。該地區(qū)每年11月至次年4月份為寒冷、干燥、多大風(fēng)天氣，最大風(fēng)速達(dá)到23.7 m/s[31]。該地區(qū)地勢(shì)復(fù)雜，氣候惡劣，在諸多因素影響下原生草地出現(xiàn)大面積退化現(xiàn)象。該區(qū)域主要的嚙齒動(dòng)物類型為高原鼠兔和高原鼢鼠，嚙齒動(dòng)物強(qiáng)烈的掘穴活動(dòng)使地表出現(xiàn)大量的鼠丘和洞穴。根據(jù)野外調(diào)查，同一區(qū)域內(nèi)均分布著兩種鼠丘，鼠丘平均密度可達(dá)370個(gè)/hm2，鼠洞平均密度可達(dá)950個(gè)/hm2，其中高原鼠兔因地表活動(dòng)頻繁而產(chǎn)生大量的鼠洞(圖1)，且在部分鼠洞周圍產(chǎn)生相對(duì)平緩或凸凹不平的鼠丘，其土壤顆粒較細(xì)??；高原鼢鼠主要在地下活動(dòng)，其掘穴過程中在地表堆積形成半球型鼠丘(圖2)，土壤顆粒相對(duì)較粗，其鼠洞在鼠丘底部。小型嚙齒動(dòng)物活動(dòng)對(duì)草地造成極其嚴(yán)重的破壞現(xiàn)象，而且堆積形成了大量疏松鼠丘，從而加劇了干旱期土壤的風(fēng)蝕作用，使該地區(qū)成為高寒草地典型的鼠丘土壤風(fēng)蝕區(qū)域。

圖1 高原鼠兔活動(dòng)產(chǎn)生的鼠洞

圖2 高原鼢鼠活動(dòng)堆積的鼠丘

1.2 研究方法

在圈定的300 m×300 m的禁牧試驗(yàn)區(qū)，隨機(jī)選取100個(gè)未結(jié)皮的鼠丘(高原鼢鼠和高原鼠兔堆積的鼠丘各50個(gè))，測(cè)量其高度、直徑、鼠丘土壤含水量等，調(diào)查鼠丘外部形態(tài)特征及根系數(shù)量，然后采用人工模擬風(fēng)蝕試驗(yàn)裝置開展相應(yīng)的試驗(yàn)。

人工模擬風(fēng)蝕試驗(yàn)裝置由風(fēng)箱、風(fēng)速調(diào)節(jié)器、蓄電池和數(shù)據(jù)線組成(圖3)，該裝置的風(fēng)速范圍為3～18 m/s，共分11檔風(fēng)速(每差1.5 m/s為1檔)，迎風(fēng)橫截面積約2 m2，風(fēng)速誤差約±0.3 m/s，可將鼠丘置于2 mm厚的風(fēng)蝕盤(無邊壁)中心進(jìn)行吹蝕，并通過測(cè)定吹蝕前后風(fēng)蝕盤上土壤的重量，以此獲得土壤風(fēng)蝕量。試驗(yàn)時(shí)風(fēng)箱口與鼠丘距離為50 cm，每個(gè)試驗(yàn)從風(fēng)箱啟動(dòng)開始計(jì)時(shí)，每隔5 min測(cè)量其土壤流失量1次，每次試驗(yàn)吹蝕60 min。為了避免天然風(fēng)力對(duì)模擬試驗(yàn)的影響，試驗(yàn)時(shí)用擋風(fēng)板阻隔干擾模擬風(fēng)速的自然風(fēng)。

圖3 野外人工模擬風(fēng)蝕試驗(yàn)裝置

(1) 不同鼠丘大小和形狀的風(fēng)蝕試驗(yàn)。根據(jù)反復(fù)調(diào)查，研究區(qū)分布的鼠丘外部形狀大致可以分為半球型、平緩型和凸凹型(似“M”)3種類型(圖4)，平均直徑為35 cm，平均高度為12 cm。為分析不同大小和形狀的鼠丘對(duì)土壤風(fēng)蝕量的影響，根據(jù)野外調(diào)查結(jié)果，試驗(yàn)中鼠丘大小的選擇分別設(shè)定為大(直徑約40 cm，高度16 cm)、中(直徑約35 cm，高度12 cm)、小(直徑約30 cm，高度8 cm)3種，在風(fēng)蝕盤上模擬堆積上述3種形態(tài)大小的鼠丘，然后采用風(fēng)蝕試驗(yàn)裝置分別開展3級(jí)風(fēng)速梯度的恒風(fēng)試驗(yàn)。模擬風(fēng)蝕試驗(yàn)中的風(fēng)速等級(jí)設(shè)定為6，9，12 m/s共3個(gè)等級(jí)(據(jù)研究區(qū)氣象站近3年季風(fēng)期的風(fēng)速監(jiān)測(cè)結(jié)果設(shè)定)，風(fēng)蝕歷時(shí)為60 min，每級(jí)風(fēng)速下的侵蝕試驗(yàn)均各重復(fù)5次。

圖4 研究區(qū)鼠丘外部形狀

(2) 不同鼠丘根系數(shù)量的風(fēng)蝕試驗(yàn)。為調(diào)查鼠丘內(nèi)植被根系的分布數(shù)量，將鼠丘土壤放入2 mm孔徑的土壤篩，然后將鼠丘內(nèi)的植被根系分離后統(tǒng)計(jì)數(shù)量(圖5)，根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，在鼠丘中配備的根系數(shù)量分別設(shè)定為200，400，600，800，1 000，1 200根共6個(gè)處理，以直徑35 cm、高度12 cm的中等半球型鼠丘為例，對(duì)均勻混合植被根系的鼠丘進(jìn)行恒定風(fēng)速9 m/s的風(fēng)蝕試驗(yàn)。為了使模擬鼠丘的土壤量相同，且便于對(duì)比植被根系對(duì)鼠丘土壤風(fēng)蝕作用的影響，試驗(yàn)時(shí)將相同體積和重量的土壤按鼠丘形狀模擬堆積在風(fēng)蝕盤上進(jìn)行試驗(yàn)。此外，模擬試驗(yàn)中在風(fēng)蝕盤底部鋪設(shè)表面相對(duì)粗糙的一塊布(圖6)，以模擬自然草地表面的粗糙度。

圖5 篩分法統(tǒng)計(jì)鼠丘內(nèi)植被根系

圖6 鼠丘風(fēng)蝕盤底部鋪設(shè)的粗糙布

(3) 不同含水量條件下的風(fēng)蝕試驗(yàn)。以直徑35 cm、高度12 cm的中等半球形鼠丘為例，將不同含水量的天然鼠丘土壤放置在風(fēng)蝕盤上，并在9 m/s風(fēng)速條件下采用上述相同的方法開展恒風(fēng)侵蝕試驗(yàn)。依據(jù)野外調(diào)查和統(tǒng)計(jì)，選擇鼠丘土壤含水量的梯度為0，3%，6%，9%，12%，15%，18%共7種，每種含水量的鼠丘各重復(fù)3次，重點(diǎn)測(cè)試含水量對(duì)鼠丘土壤風(fēng)蝕作用的影響。

2 結(jié)果與分析

(1) 鼠丘大小對(duì)土壤風(fēng)蝕的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，模擬鼠丘土壤的風(fēng)蝕量隨著風(fēng)速的增加而逐步增加(圖7)。如在鼠丘大小相同的情況下，風(fēng)速從6 m/s增加到9 m/s和12 m/s時(shí)，大鼠丘的土壤流失量分別增加了1.22，1.86倍，中等鼠丘的土壤流失量分別增加了1.20，1.84倍，小鼠丘的土壤流失量分別增加了1.18，1.79倍。此外，在風(fēng)速相同的情況下，鼠丘越大時(shí)土壤流失量越大，如風(fēng)速6 m/s時(shí)，大鼠丘和中等鼠丘的流失量分別比小鼠丘增加2.71，1.70倍，當(dāng)風(fēng)速增加到9 m/s時(shí)其流失量分別增加1.85，2.78倍，風(fēng)速增加到12 m/s時(shí)其分別增加1.91，2.95倍。分析認(rèn)為鼠丘越大時(shí)接觸風(fēng)蝕的表面積越大，而且細(xì)小顆粒的相對(duì)比例也增大，因此在同等條件下大鼠丘的土壤流失量隨風(fēng)速的增加而出現(xiàn)顯著的增長(zhǎng)趨勢(shì)(p<0.05)。

圖7 鼠丘大小與風(fēng)蝕量的關(guān)系

(2) 鼠丘形狀對(duì)土壤風(fēng)蝕的影響。3種不同形狀的鼠丘在風(fēng)力侵蝕作用下(風(fēng)速9 m/s)，其土壤的流失量也存在顯著差異(p<0.05)。試驗(yàn)結(jié)果表明，嚙齒動(dòng)物堆積的鼠丘越高，鼠丘表面越平坦，土壤的流失量就越大，即試驗(yàn)中3種鼠丘土壤風(fēng)蝕量的大小依次為半球型>凸凹型>平緩型(圖8)。分析結(jié)果顯示，經(jīng)過60 min的恒風(fēng)風(fēng)蝕后，半球型的鼠丘表面的土壤流失量比凸凹型鼠丘增加35.5%，比平緩型鼠丘增加92.6%；凸凹型鼠丘土壤流失量比平緩型鼠丘增加42.2%。圖9是3種鼠丘表面土壤風(fēng)蝕量隨風(fēng)蝕時(shí)間的變化規(guī)律，從圖中也可以看出不同形狀的鼠丘土壤風(fēng)蝕作用在前5 min內(nèi)較敏感，且土壤風(fēng)蝕量隨風(fēng)蝕時(shí)間的增加而增大，分析認(rèn)為這與鼠丘表面細(xì)小顆粒的瞬時(shí)流失有密切關(guān)系，即在風(fēng)蝕作用下，細(xì)小顆粒在5 min內(nèi)瞬間被吹蝕，鼠丘表面可被風(fēng)運(yùn)移的土壤顆粒急劇減小，導(dǎo)致風(fēng)蝕初期流失量迅速增加，并隨風(fēng)力的持續(xù)吹蝕，流失量變化緩慢。

圖8 鼠丘形狀與風(fēng)蝕量的關(guān)系

圖9 不同形狀鼠丘土壤風(fēng)蝕量隨風(fēng)蝕時(shí)間的變化規(guī)律

(3) 鼠丘內(nèi)根系數(shù)量對(duì)土壤風(fēng)蝕的影響。鼠丘內(nèi)植被根系數(shù)量的控制試驗(yàn)數(shù)據(jù)得出，土壤中的植被根系對(duì)土壤風(fēng)蝕具有抑制作用，即根系越多，土壤流失量越小，如鼠丘中根系含量為1 200根時(shí)的土壤流失量比含根200條時(shí)減少近66.51%(圖10)。圖11既反映出土壤流失量隨根系數(shù)量的增加而減小的變化規(guī)律，也反映出鼠丘土壤風(fēng)蝕作用在前5 min內(nèi)較敏感和土壤風(fēng)蝕量隨風(fēng)蝕時(shí)間的增加而增大的特征。

圖10 植被根系數(shù)量與風(fēng)蝕量的關(guān)系

圖11 風(fēng)蝕量隨根系數(shù)量和侵蝕時(shí)間的變化規(guī)律

(4) 土壤含水量變化對(duì)土壤風(fēng)蝕的影響。通過野外實(shí)地調(diào)查發(fā)現(xiàn)，土壤含水量對(duì)土壤風(fēng)力侵蝕具有很強(qiáng)的抑制作用。當(dāng)退化區(qū)產(chǎn)生降水后，土壤中的含水量急劇增加，地表將會(huì)出現(xiàn)大量的水力侵蝕作用，盡管風(fēng)力侵蝕對(duì)水力侵蝕產(chǎn)生間接輔助作用，但此時(shí)幾乎不存在風(fēng)力對(duì)土壤流失的直接影響。模擬試驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析結(jié)果表明，隨著含水量的增加，土壤的風(fēng)蝕量急劇降低(圖12—13)，如干燥、松散的鼠丘在風(fēng)速9 m/s時(shí)，吹蝕60 min后土壤流失量達(dá)448.1 g，當(dāng)含水量增加到3%，6%時(shí)，流失量減小到342.6，214.3 g，其減小幅度分別為23.6%，52.2%；當(dāng)含水量為9%時(shí)，土壤流失量減小到87.4g，其減小幅度為80.5%；至含水量增加到18%時(shí)，土壤風(fēng)蝕量?jī)H為8.4 g，減少幅度為98.1%，而且此時(shí)流失的少量土壤顆粒是經(jīng)過持續(xù)吹蝕后，土壤含水量降低所致。由圖13可知，5 min是土壤風(fēng)蝕速率增長(zhǎng)幅度最大的時(shí)期，因此土壤含水量是影響松散土壤區(qū)土壤顆粒流失的重要影響因素。

圖12 土壤風(fēng)蝕量與土壤含水量的關(guān)系

圖13 土壤風(fēng)蝕量與風(fēng)蝕時(shí)間的關(guān)系

3 討 論

為查明不同影響因素對(duì)鼠丘土壤風(fēng)蝕的影響，在前期試驗(yàn)中重點(diǎn)對(duì)不同風(fēng)速、鼠丘形態(tài)大小、根系數(shù)量和含水量等因素進(jìn)行了分別探究。為分析上述因素對(duì)鼠丘土壤風(fēng)蝕強(qiáng)度的影響程度，采用灰色關(guān)聯(lián)分析法進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析[32-33]。分析結(jié)果表明，鼠丘大小和風(fēng)速與土壤流失量的關(guān)系最密切，其關(guān)聯(lián)度分別是0.864，0.849，其次是土壤含水量，其關(guān)聯(lián)度為0.805，含根量與土壤風(fēng)蝕量的關(guān)聯(lián)度相對(duì)較小，其關(guān)聯(lián)度為0.722(表1)，上述分析結(jié)果說明風(fēng)速和鼠丘大小的變化對(duì)鼠丘土壤風(fēng)蝕作用的影響程度較大，結(jié)合野外調(diào)查和試驗(yàn)結(jié)果，風(fēng)速和鼠丘大小是鼠丘土壤風(fēng)蝕作用的促進(jìn)因素，且鼠丘大小對(duì)土壤風(fēng)蝕量的影響略大于風(fēng)速，含水量和含根量對(duì)土壤流失量具有一定的抑制因素，其中含根量的抑制作用略小于土壤含水量，分析認(rèn)為盡管根系經(jīng)嚙齒動(dòng)物啃咬后破壞了原來根-土復(fù)合體的整體性，但在風(fēng)蝕作用中根系依然發(fā)揮重要的抑制作用。

表1 風(fēng)蝕強(qiáng)度因子貢獻(xiàn)度分析

鼠丘是受嚙齒類動(dòng)物強(qiáng)烈的機(jī)械擾動(dòng)形成的，土壤具有其特殊性和復(fù)雜性，這也就決定了影響鼠丘土壤風(fēng)蝕因素的多元性和復(fù)雜性。為便于定量分析不同因素對(duì)鼠丘土壤風(fēng)蝕作用的影響，在風(fēng)蝕試驗(yàn)中針對(duì)不同影響因素下鼠丘土壤風(fēng)蝕特征進(jìn)行了獨(dú)立的控制試驗(yàn)，然而在野外鼠丘土壤風(fēng)蝕有可能受多種因素的影響，為深入分析多因素綜合作用及各因素間的相互作用和相互制約等對(duì)高寒草地鼠丘土壤風(fēng)蝕的影響，則需要設(shè)計(jì)更加細(xì)致的綜合性試驗(yàn)方案和長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)。此外，此次試驗(yàn)中涉及高原鼠兔和高原鼢鼠2種小型嚙齒類動(dòng)物活動(dòng)堆積的鼠丘，由于動(dòng)物類型和生活習(xí)性不同致使鼠丘形態(tài)、內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及土壤顆粒等存在差異性，其對(duì)土壤風(fēng)蝕作用的影響也存在一定的差異，如不同鼠丘間土壤風(fēng)蝕強(qiáng)度差異、流失土壤的粒徑范圍及其運(yùn)移規(guī)律、風(fēng)速和風(fēng)向變化與鼠丘土壤流失的關(guān)系、鼠丘長(zhǎng)期堆積對(duì)植被及其草地退化的影響等，將是今后有待深入研究的科學(xué)問題。

經(jīng)實(shí)地調(diào)查，降水對(duì)土壤侵蝕的抑制作用比較明顯，而且降雨后隨著水分的蒸發(fā)，鼠丘表面在短時(shí)間內(nèi)將會(huì)形成機(jī)械結(jié)皮，其對(duì)鼠丘土壤風(fēng)蝕產(chǎn)生極大的抗蝕作用。此外，野外調(diào)查還發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過長(zhǎng)期風(fēng)蝕作用后天然鼠丘表面相對(duì)細(xì)小的土壤顆粒急劇減少，即不同時(shí)間段形成的鼠丘土壤具有較為明顯的差異性，這也是本研究中選擇新鮮的、未結(jié)皮的鼠丘土壤進(jìn)行模擬試驗(yàn)的重要原因。

4 結(jié) 論

(1) 高寒草地鼠丘土壤的風(fēng)蝕量不僅與風(fēng)速有關(guān)，也與鼠丘大小和形狀有密切關(guān)聯(lián)。鼠丘土壤的風(fēng)蝕量隨著風(fēng)速的增加而逐步增加，風(fēng)速從6 m/s逐步增加12 m/s時(shí)，大鼠丘土壤流失量增加了1.86倍，小鼠丘增加了1.79倍。風(fēng)速6 m/s時(shí)，與小鼠丘相比，大鼠丘和中鼠丘的土壤流失量分別增加了2.71，1.70倍，風(fēng)速增加到9 m/s時(shí)其分別增加1.85，2.78倍，風(fēng)速增加到12 m/s時(shí)其分別增加1.91，2.95倍，表現(xiàn)出鼠丘大小與土壤流失量呈正比例關(guān)系。

(2) 鼠丘形狀是土壤風(fēng)蝕作用的影響因素，同等條件下3種不同形狀的鼠丘土壤風(fēng)蝕量大小依次為半球型>凸凹型>平緩型，其中半球型鼠土壤流失量比凸凹型和平緩型鼠丘分別增加了35.5%，92.6%，且風(fēng)力作用的前5 min是土壤風(fēng)蝕速的敏感期。

(3) 鼠丘土壤中的植被根系數(shù)量和土壤含水量均對(duì)土壤風(fēng)蝕作用具有明顯的抑制作用。根系1 200根時(shí)的土壤流失量比含根200根時(shí)減少近66.51%；當(dāng)土壤含水量從0逐步增加到18%時(shí)，鼠丘表面的土壤流失量降低23.6%～98.1%。根系數(shù)量和土壤含水量與土壤風(fēng)蝕量呈反比，說明嚙齒動(dòng)物活動(dòng)堆積形成的鼠丘，其中的植被根系數(shù)量和土壤含水量均是土壤風(fēng)蝕的重要抗蝕性因子。