風水復合侵蝕下錫林河流域不同管理方式草地表土粒度特征①

王則宇，崔向新，蒙仲舉*，黨曉宏，王 健，葛 楠

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風水復合侵蝕下錫林河流域不同管理方式草地表土粒度特征①

王則宇1，崔向新1，蒙仲舉1*，黨曉宏1，王 健2，葛 楠2

(1內蒙古農業(yè)大學沙漠治理學院，呼和浩特 010018；2水利部牧區(qū)水利科學研究所，呼和浩特 010020)

結合錫林河流域風水侵蝕情況，對錫林河流域圍封天然草地、放牧草地、封育種植草地表層(0 ~ 5 cm)土壤粒度特征及其與風蝕、水蝕關系進行研究，結果表明: 封育種植草地較放牧和天然草地在降低土壤風蝕和水蝕方面均起到了較明顯的作用；錫林河流域草地表層土壤粒度組成以砂粒為主，其所占比例為75% ~ 82%，放牧草地較天然草地及封育種植草地土壤粒度粗化明顯，封育種植草地中蒙古冰草+草木樨草地土壤顆粒分選性較差，其余草地土壤顆粒分選性均為中等；研究區(qū)內粒徑在160 μm左右土壤顆粒為易受侵蝕土壤顆粒；研究區(qū)土壤粒度組成特征與風蝕、水蝕均有明顯相關性，尤其與近地面20 cm風速和徑流產流總量聯系最為密切。

土壤粒度組成；風水復合侵蝕；管理方式；錫林河流域

錫林河流域天然草地作為我國目前最大的草地生態(tài)系統(tǒng)，其在氣候調節(jié)、水分循環(huán)、水土保持、生物多樣性保護及旅游經濟發(fā)展等方面發(fā)揮著重要作用[1]。然而，近年來由于氣候的波動變化以及人類活動(過度放牧、旅游、開采)的干擾，錫林郭勒草原植被及土壤正逐漸退化[3]，有關研究表明，錫林河流域草原退化的主要表現為典型草原向荒漠草原發(fā)展，而已退化的荒漠草原由于其植被變得稀疏低矮，在長期風力吹蝕下，地表呈現粗粒化，并逐漸沙化[4-5]。

土壤粗粒化是我國北方草原退化的主要表現形式之一[6]，土壤粗粒化會直接導致土壤涵養(yǎng)水源能力的下降以及土壤養(yǎng)分的衰減，因而土壤粒度組成是評價土壤沙漠化程度的重要指標[7]。趙超等[8]研究表明，土壤中粗顆粒物質及平均粒徑隨沙漠化程度增加而增加，細顆粒物質含量變化則反之。孫改清等[9]研究發(fā)現，典型草原土壤黏粒及粉粒含量與旱生、旱中生植物生物量具有顯著相關性。張惜偉等[10]認為，沙質草原的表層土壤粒度粗化與當地植被破壞及風蝕活動具有密切聯系。總而言之，目前關于草原退化以及土壤粒度特征方面已有大量的研究，且多集中在草原退化評價、土壤風蝕描述、土壤粒度分形維數研究以及不同退化程度草地土壤、植被特征等方面[11-12]。就錫林河流域而言，其土壤侵蝕類型主要包括風蝕和水蝕兩方面，由于兩者在侵蝕過程中的疊加及耦合效應，更增大了當地土壤侵蝕的復雜及危險性[13]。

因此，本文以錫林河流域圍封天然草地、放牧草地、封育種植草地表層土壤為研究對象，結合風蝕和水蝕情況，分析不同管理草地地表土壤粒度組成及變化特征，從而為我國北方典型草原土壤侵蝕監(jiān)測及評價、草地沙漠化防治工作的開展提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

錫林河是錫林郭勒草原上一條內陸河，位于內蒙古高原中東部地區(qū)。地理坐標為115°31′30″ ~ 117°15′10″E，43°22′50″ ~ 44°38′23″N。河水起源于赤峰市克什克騰旗境內，流入查干淖爾湖，途經錫林郭勒盟和錫林浩特市，河流東西向寬140 km左右，南北長175 km左右，流域總面積約為11 171.59 km2[14]。當地氣候屬于大陸性溫帶半干旱氣候，年均降雨量約為270 mm，降雨分布不均，其中5—9月占全年降水量的87.41%。全年多風，容易出現沙塵暴等天氣。由于氣候條件和地形的影響，該流域的土壤類型呈地帶性分布。由上游到下游的土壤依次為黑鈣土帶、暗栗鈣土亞帶、淡栗鈣土亞帶。植被類型大部分分為草甸、典型草原和草甸草原(占植被總面積的90% 以上)。流域內主要植被有: 無芒雀麥(Leyss.)、羊草((Trin.) Tzvel.)、蒙古冰草(Keng.)、紫花苜蓿(L.)、大籽蒿(Ehrhart ex Willd.)、狗尾草((L.) Beaμv.)、櫛葉蒿((Pall.) Poljak.)、堿蒿(Web ex Stechm.)、克氏針茅Roshev.) 、糙影子草((Trin.) Keng.)、刺藜(L.)、草木樨(Ledeb.)等。

1.2 研究方法

1.2.1 樣地選取 試驗選擇在坡向相同、坡度10° 左右的自由放牧草地，2013年開始圍封的天然草地以及人工草種配置種植草地。人工配置種植草種選擇適宜當地生長且對植被恢復、土壤改良效果較明顯的蒙古冰草、無芒雀麥、紫花苜蓿和草木樨[15]，種植規(guī)格為豆科草種15 kg/hm2，禾本科草種11.25 kg/hm2，豆科和禾本科草種搭配種植，即形成4種植被配置模式，A配置為蒙古冰草＋草木樨，B配置為蒙古冰草+紫花苜蓿，C配置為無芒雀麥＋草木樨，D配置為無芒雀麥＋紫花苜蓿。本試驗共選取上述6類典型樣地，樣地內植被基本特征以及0 ~ 5 cm層土壤水分及有機質含量見表1。

表1 樣地基本情況

注: 表中同列數據不同小寫字母表示各草地管理類型間差異顯著(<0.05)。

1.2.2 土壤粒徑測定 采樣于 2015 年 7 月下旬進行，取樣前一周內無大風和降水。采樣時選取平整地面，首先用剪刀將地表植被及枯落物剪除，用取土器平行于地表采集0 ~ 5 cm層土樣，各樣地采集3次重復，當場裝入塑封袋后帶回實驗室，室內試驗采用Mastersizer 3000激光粒度掃描儀對0 ~ 5 cm層土壤進行機械組成分析。

1.2.3 土壤風蝕水蝕相關指標的測定 風蝕指標選取近地面風速和距地表不同高度輸沙量，根據當地多年氣象資料以及實地調查數據。試驗于2015年4月風季采用HOBO小型氣象站測定風速，風杯設置高度為20、50、100、150、200 cm，同時設置風向標采集風向，數據采集器設置采集間隔為2 s。輸沙量采用內蒙古農業(yè)大學研制的分層式集沙儀進行測定。

水蝕的指標選取降雨產流和產沙量來表征，試驗于2015年6月進行，采用人工模擬降雨，降雨器噴頭出水高度為6 m，雨滴大小分配與天然降雨相似，設置雨強為1.03 mm/min模擬當地大雨雨強，降雨均勻度為0.8 ~ 0.9。降雨開始后記錄開始產流時間；產流發(fā)生后，每間隔1 min收集徑流樣1次；以后每間隔2 min收集徑流樣；降雨時間為45 min，降雨結束后，記錄結束產流時間，每次從出水口用聚乙烯塑料瓶接徑流，按照小瓶接徑流的順序排號，用量筒稱取徑流樣品體積，然后靜置24 h后撇去上層清水，取下層泥樣烘干并稱重，換算出徑流中的產沙量。

2 結果與分析

2.1 不同管理方式草地土壤侵蝕情況

由于對已退化草地實施了不同管理和恢復措施，從而在不同程度上改善了草地植被群落結構，使得草地下墊面發(fā)生變化，進而在不同程度上影響了近地面氣流以及降雨后地表徑流的流速。

試驗通過測量不同管理草地近地面風速以及0 ~ 50 cm高度各層輸沙量來反映不同管理方式草地風蝕特征。由圖1可以看出，不同管理方式草地近地面風速以及地表輸沙量具有明顯差異。放牧草地近地面風速以及輸沙量均明顯高于其他草地，4種人為種植草地近地面風速以及輸沙量均低于放牧草地和天然草地，其中蒙古冰草+草木樨草地距地表20 cm、50 cm高度風速以及總輸沙量均為最低，分別為1.93 m/s、3.14 m/s、0.73 g。同一類型管理草地內，輸沙量垂直變化隨高度增加而呈降低趨勢。

(A. 蒙古冰草+草木樨；B. 蒙古冰草+紫花苜蓿；C. 無芒雀麥+ 草木樨；D. 無芒雀麥+紫花苜蓿；E. 天然草地；F. 自由放牧草地；下圖同)

通常草地坡面水蝕主要表現為降雨時雨滴擊濺對表土結構的破壞以及徑流對土體的沖刷，因此研究以人工模擬當地大雨雨強，測量降雨期間產流及產沙量，用以描述不同管理方式草地水蝕特征。由圖2發(fā)現，不同管理方式草地產流量和產沙量整體變化規(guī)律一致，其大小依次為放牧草地＞天然草地＞無芒雀麥+草木樨草地＞蒙古冰草+紫花苜蓿草地＞無芒雀麥+紫花苜蓿草地＞蒙古冰草+草木樨草地。其中蒙古冰草+草木樨草地產流和產沙總量均最低，分別為27.82 L和3 156.18 g，為放牧草地的35.29% 和52.10%，為天然草地的38.40% 和55.10%。綜合比較，不同管理方式草地風蝕及水蝕指標大小表現基本一致，由此可以看出，人為圍封種植管理對于減小草地風蝕和水蝕均起到明顯作用。

圖2 不同管理方式草地水蝕特征

2.2 不同管理方式草地表層土壤粒度特征

試驗中測試結果以美國制土壤粒徑分級標準輸出，即分為黏粒(＜0.002 mm)、粉粒(0.002 ~ 0.05 mm)、極細砂(0.05 ~ 0.1 mm)、細砂(0.1 ~ 0.25 mm)、中砂(0.25 ~ 0.5 mm)、粗砂(0.5 ~ 1 mm)、極粗砂(1 ~ 2 mm)以及礫石(＞2 mm)。相關粒度參數的計算采用Folk和Ward的圖解法[6]，為便于計算，將先前輸出的土壤粒徑累積體積分數對應的顆粒直徑轉換為值，其公式為

＝–log2(1)

式中：為以mm計算的顆粒直徑。

粒度參數中平均粒徑計算公式為

0=1/3(16＋50＋84) (2)

標準偏差0=(84–16)/4+(95–5)/6.6 (3)

標準偏差表示土壤顆粒分布的離散程度，其值越小表示土壤顆粒分布越集中，顆粒分選性越好。

各樣地土壤粒度累積頻率間平均距離:

表2為各樣地地表土顆粒組成特征，從中看出: 6種不同管理方式草地土壤粒度組成均以砂粒所占比例最大，其所占百分比分別為: 75.15%、80.06%、78.46%、76.69%、80.51%、81.89%。其中除蒙古冰草+草木樨草地砂粒含量以極細砂為主外，其他人工管理草地表土均以細砂為主，而放牧草地粗砂百分含量(20.29%)明顯高于其他類型草地。就各類型草地黏粒和粉粒含量來看，人為種植草地明顯高于天然草地和放牧草地，其中蒙古冰草+草木樨草地黏粒和粉粒百分含量均最高(分別為2.17%、22.68%)，其次是無芒雀麥+紫花苜蓿草地(分別為1.97%、21.34%)。各類型草地中，僅有天然草地和放牧草地中含有礫石(分別為0.19%、1.17%)。不同管理方式草地表土平均粒徑存在較大差異，放牧草地表土平均粒徑(160.43 μm)顯著高于其他類型草地，其次是天然草地(141.61 μm)，封育種植草地平均粒徑范圍為84.38 ~ 124.14 μm。蒙古冰草+草木樨和無芒雀麥+紫花苜蓿草地標準偏差明顯大于其他草地，說明其分選性最差。放牧草地和無芒雀麥+草木樨草地標準偏差明顯小于其他草地，分選性較好。

由不同管理方式土壤粒度頻率分布曲線(圖3)可以看出，不同管理草地粒徑基本均呈單峰型分布，其中放牧草地波峰最為明顯，且明顯滯后于其他類型草地，其波峰出現在250 μm附近，蒙古冰草+草木樨和蒙古冰草+紫花苜蓿草地波峰較為靠前，出現在100 μm附近，說明其表土顆粒主要為細砂和極細砂；同時在20 ~ 50 μm處具有明顯的起伏，說明其粉粒含量具有增高趨勢。

表2 不同管理方式草地表層(0 ~ 5 cm)土壤粒度組成(%)

圖3 不同管理方式草地土壤粒度頻率分布曲線

圖4表示不同管理草地土壤粒度累積百分比變化情況，從中可以看出各類型草地累積頻率曲線在100 ~ 300 μm范圍內斜率最大，說明各類型樣地土壤顆粒粒徑大部分集中在100 ~ 300 μm。同時發(fā)現各類型草地土壤粒度累積頻率之間平均距離最大值出現在160 μm處，說明各類型草地整體差異在顆粒粒徑為160 μm處較大，也可認為粒徑在160 μm左右的土壤顆粒含量最易受到自然以及人為條件的干擾而發(fā)生變化。

圖4 不同管理方式草地土壤粒度累計頻率曲線

由圖5可知，蒙古冰草+草木樨、蒙古冰草+紫花苜蓿、無芒雀麥+紫花苜蓿草地中粒徑<160 μm土壤顆粒含量處于較高水平，放牧草地中粒徑<160 μm土壤粒度含量明顯小于其他類型草地。土壤有機質是評價土壤肥力和質量的重要指標，進一步對各類型草地粒徑<160 μm顆粒含量和土壤有機質含量進行相關性擬合(圖6)發(fā)現，土壤有機質隨粒徑<160 μm土壤顆粒含量增加而增加，且二者呈明顯線性相關，相關系數為0.76。

(圖中小寫字母不同表示同一組分不同樣地類型間差異達P<0.05顯著水平)

圖6 <160 μm粒度組分與有機質含量相關關系

2.3 土壤粒度組成與風蝕水蝕關系

表3為土壤粒度組成參數與風蝕水蝕指標的相關性分析結果，由表3中可以發(fā)現，土壤黏粒百分比、粉粒百分比、標準偏差以及粒徑<160 μm土粒百分比與試驗測定的5個侵蝕指標均呈負相關，土壤砂粒百分比、平均粒徑與5個侵蝕指標均呈正相關。就其相關程度來看，土壤粒級組成參數與20 cm處風速以及產流總量相關性較強，其中除平均偏差與20 cm處風速呈顯著相關外，其他土壤粒級組成參數與20 cm處風速均呈極顯著相關，水蝕指標中產流總量與黏粒百分比呈極顯著負相關，與平均粒徑呈極顯著正相關，產沙總量與黏粒百分比呈極顯著負相關。粒徑參數中粉粒含量百分比與各侵蝕指標相關性較強，而標準偏差與各侵蝕指標相關性較弱。

表3 土壤粒度組成參數與土壤侵蝕特征相關性分析

注: ** 表示在<0.01水平上(雙側)顯著相關， * 表示在<0.05水平上(雙側)顯著相關。

3 討論

付標等[16]研究不同植被重建管理方式對沙質草地植被及土壤性質的影響發(fā)現，封育管理在不同程度上改善了退化草地土壤及植被性質。本研究對不同管理方式下草地部分植被及土壤性質研究也發(fā)現，放牧草地內植被種類、高度、蓋度以及表層土壤含水量、有機質均低于人為封育管理草地以及天然草地。試驗中蒙古冰草+草木樨配置模式草地由于其植被高度、蓋度等方面均高于其他樣地，因此在降低近地面風速、增加地表粗糙度以及攔截降雨及地表徑流方面起到顯著的作用。

試驗對不同管理方式下表土粒度組成特征研究發(fā)現，封育種植草地及天然草地土壤中黏粒、粉粒以及極細砂含量明顯高于放牧草地。其原因是，黏粒、粉粒和極細砂粒徑均<100 μm，<100 μm的沙粒由于其沉降速度經常小于氣流向上的脈動分速度，所以極有可能以懸移形式運動，封育草地由于植被高度及蓋度均大于放牧草地，其不僅增加了地表粗糙度，而且有助于截留氣流中的細粒物質，從而使得土壤中細顆粒得以保存[17]。有關研究表明，粒徑為100 ~ 150 μm的沙粒最容易以躍移的形式運動，凡以躍移運動的沙物質統(tǒng)稱為躍移質，而躍移質是風蝕過程中風沙運動的主體部分，其占風沙流中總沙量的1/2 ~ 3/4[18]。而本試驗中各類樣地土壤粒度累積頻率之間平均距離最大值出現在160 μm左右，其原因是錫林河流域年平均風速較大，同時，風季過后土壤表面粒徑較大的躍移質容易被徑流挾帶形成挾沙水流而發(fā)生運移[19]，因此研究區(qū)不同類型樣地內粒徑為160 μm左右沙粒變化幅度較大。

脫登峰等[20]利用風洞以及人工模擬試驗研究風蝕水蝕交錯區(qū)侵蝕產沙過程和機理，認為風蝕和水蝕具有明顯的正交互作用，風蝕加劇了降雨坡面侵蝕強度，而水蝕又為下一次風蝕提供了物質來源[21]。本試驗發(fā)現土壤粒度組成參數和風蝕、水蝕均有明顯的相關性，其中土壤粒度組成參數與距20 cm處風速以及產流總量相關性最強。其原因是20 cm處風速和產流總量這兩指標均直接反映了侵蝕營力大小，而研究區(qū)內不同樣地土壤類型均為沙質土，其土粒間粘結能力相差較小，因此土壤顆粒搬運、沉積的比例主要取決于所受侵蝕營力作用的大小。而研究中輸沙量以及徑流產沙量大小一方面取決于氣流及水的輸沙能力，另一方面取決于地表沙物質組成及可蝕性特征[13]，研究區(qū)人為管理草地土壤粒徑較放牧草地更細，因此在同等侵蝕營力作用下更易受到侵蝕，故與近地面20 cm風速以及徑流量相比，輸沙總量及徑流產沙總量與土壤粒度組成參數相關性較弱。

4 結論

1)相比放牧草地和天然草地，封育種植草地在降低土壤風蝕和水蝕方面均起到較明顯的作用，其中蒙古冰草+草木樨人工配置草地效果最為明顯。

2)錫林河流域不同管理方式草地表層土壤粒度組成均以砂粒為主，其所占比例為75% ~ 82%。相比封育種植草地及天然草地，放牧草地土壤粒度粗化明顯；各類型草地中除蒙古冰草+草木樨草地土壤顆粒分選性較差(0= 2.05)外，其余草地土壤顆粒分選性均在中等范圍內。

3)土壤粒度分布頻率曲線和粒度累積頻率間平均距離顯示研究區(qū)粒徑在160 μm左右顆粒為易受侵蝕土壤顆粒。

4)對研究區(qū)表土粒度組成參數與土壤侵蝕特征指標進行相關性分析發(fā)現，研究區(qū)表土粒度組成分布與風蝕和水蝕均有明顯的相關性，其中近地面20 cm風速及徑流產流總量與土壤粒度組成聯系最為緊密。

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Soil Particle Size Distributions of Different Management Styles Under Complex Wind and Water Erosion in Xilin River Basin

WANG Zeyu1, CUI Xiangxin1, MENG Zhongju1*, DANG Xiaohong1, WANG Jian2, GE Nan2

(1 College of Desert Science and Engineering, Inner Mongolia Agricultural University, Hohhot 010018, China; 2 Institute of Water Resources for Pastoral Area, Ministry of Water Resources, Hohhot 010020, China)

Combined with the situation of wind and water erosion in the Xilin River Basin, particle size distributions of topsoils (0-5 cm) and their relations with wind and water erosion were studied in different management styles including enclosed natural grassland, grazing grassland and enclosed planting grassland in the Basin. The results showed that enclosed planting grassland played a more significant role in controlling soil water and wind erosion than grazing and natural grasslands. Sands were dominant in soil particles with a proportion of 75%-82% in the Basin. Compared with the natural and artificial grasslands, soil coarsening is obvious in grazing grassland. Soil particle sorting was poor in Mongolia wheatgrass and clover grasslands of enclosed planting grassland, while were medium in other grasslands. Soil particles (about 160 μm in size) are more erodible. Soil particle distribution is significantly correlated with wind and water erosion, especially correlated with wind speed about 20 cm above the ground and the total amount of runoff.

Soil particle size composition; Complex wind and water erosion; Management style; Xilin River Basin

國家自然科學基金項目(51769019)資助。

(mengzhongju@126.com)

王則宇(1992—)，男，內蒙古烏蘭察布人，碩士研究生，主要從事水土保持與荒漠化防治研究。E-mail: 18247158681@163.com

10.13758/j.cnki.tr.2018.04.023

S152.3

A