寧夏賀蘭山東麓葡萄基地建設對土壤風蝕的影響

溫淑紅，左 忠*，胡毅飛，王東清，張安東，田 龍

(1.寧夏農林科學院荒漠化治理研究所， 寧夏 銀川 750002；2.四川大學生命科學學院，四川 成都 610065；3.北方民族大學生物科學與工程學院，寧夏 銀川 750021)

【研究意義】隨著人們生活水平的不斷提高和對物質需求的逐漸滿足，對環境保護的注重成為提升生活質量的首要工作。寧夏由于地處我國西北干旱區，三面被騰格里沙漠、巴丹吉林沙漠和毛烏素沙漠環繞，土地沙漠化嚴重。這使得寧夏沙塵暴，浮塵、揚沙等自然災害頻發[1]。在風蝕的作用下，裸露的土地不僅被破壞了地表，改變了土壤環境而且造成了的養分損失，嚴重影響當地及其周邊生態環境[2-4]，使得環境進一步惡化，嚴重危及人們生存環境。對此寧夏第十二次黨代會提出了生態立區戰略，在加強經濟建設的同時保護我們的綠水青山，實現可持續發展。【前人研究進展】目前退耕還林還草被認為是抑制風蝕、改善土壤肥力、恢復林地草地生態系統的有效手段之一[5-6]。退耕還林還草不僅可以解決農田風蝕嚴重，土壤結構、養分損失的同時還可以帶來經濟效益、保護生態環境[6]。2011年，在廣泛調研、深入論證的基礎上，為轉變經濟發展方式，調整產業結構，同時保護寧夏的生態環境，寧夏緊緊抓住機遇，按照優良品種、高新技術、高端市場、高效益的發展思路，結合當地自然環境選擇在寧夏賀蘭山東麓建設發展葡萄旅游文化長廊和以釀酒葡萄為導向的全產業鏈，創造中國葡萄酒可持續發展之路。緊緊圍繞寧夏賀蘭山東麓土地、光照等自然資源優勢和沿線豐富的旅游資源為區域優勢，大力發展葡萄產業，以及與其相匹配的體驗經濟、地產經濟和文化旅游經濟。通過文化打造、生態引領、產業推動，建設一個競爭力強、輻射面廣、國內最大、全球知名的特色葡萄長廊文化和生態經濟產業帶。目前，寧夏賀蘭山東麓葡萄酒依托獨特風土條件，堅持走以提升品質為目標的品牌創新發展之路，已躋身全國地理標志產品區域品牌百強榜。出口美國、英國、法國、澳大利亞、德國等20多個國家和地區，成為寧夏農業發展的優勢特色產業和自治區六大支柱產業之一。由于賀蘭山地處銀川西北風口處，葡萄種植須春放苗、秋覆土，對地表擾動性很大，因此開展葡萄林地風蝕監測研究對生產實踐具有很強的指導意義。為客觀評價葡萄基地開發對地表風蝕影響。【本研究切入點】在寧夏賀蘭山東麓葡萄園基地開展了相關監測研究，明確不同風蝕環境地表風蝕水平通量，量化不同林齡釀酒葡萄種植基地風蝕特征及相互差異及其對周邊沙塵暴貢獻程度。【擬解決的關鍵問題】制定科學合理的管理措施，科學合理地建設產業帶提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區域概況

研究區域位于寧夏和內蒙古交界處的賀蘭山東麓，處于綠洲-荒漠交錯帶(105°45′～106°27′E, 37°43′～39°05′N)，西靠賀蘭山脈，東臨黃河上游，北接古城銀川，總面積20萬hm2。該區域屬典型的大陸性氣候，中溫帶干旱氣候區，光照充足，熱量適中，干旱少雨，晝夜溫差大，無霜期160～170 d。該區域地處寧夏黃河沖積平原和賀蘭山沖積扇之間，土壤為淡灰鈣土，以沙礫土或雜以碎石為主，土壤表面沙面多孔，下層土質緊密、松軟。植被為山前荒漠草原。生態嚴酷，土地荒漠化嚴重，伴隨著生態移民與產業開發，人類活動對退化土地的擾動日益突出。寧夏賀蘭山東麓由于特殊的冷涼氣候與沙質土壤，晝夜溫差大，特別適合釀酒葡萄的栽植，是《寧夏葡萄產業規劃》確定的兩個重點產業帶之一，而且近年來發展速度明顯加快。

為進一步量化和監測評價葡萄基地建設對產區地表風蝕環境的影響程度，制定可行的防控措施。全程監測研究了1、3、9年等不同林齡葡萄基地，葡萄園南北行向，株距1.0 m，行距3.5 m，與主風向(西北風)形成大約15°夾角。同時，監測研究了周邊玉米農田、防護林地、原始荒漠草原地貌、樟子松人工林地、不同季節翻耕整理的新開葡萄基地，以及葡萄地秋埋土春放苗過程中農田地表、壟內等不同風蝕環境條件下的土壤空間風蝕特征，全面開展了葡萄基地建設對產區風蝕環境的影響評價研究工作。主要監測指標包括不同監測高度平均風速、地表粗糙度、摩阻速度、風脈動性、防風效能等主要風蝕特征監測研究。其中風蝕量分別利用誘捕法和集沙儀觀測法。

1.2 研究方法

1.2.1 樣地選擇 在大范圍實地調查基礎上，選取了代表性的樣地。該樣地的原生植被是天然荒漠草原，在人為的干擾作用下，開墾農田，植樹造林，之后隨著寧夏賀蘭山東麓防沙治沙工程的開展，又將部分農田退耕還林，近年來，由于寧夏賀蘭山東麓葡萄生態長廊工程的實施，又大面積開墾。選取荒漠草原為對照，當年新開地、1年葡萄地、3年葡萄地、9年葡萄地等幾種土地類型為樣地(表1)。樣地地形平坦，各地類位置相鄰，處于同一地貌，成土母質和小氣候環境等自然地理特征一致。

1.2.2 野外觀測與取樣 野外觀測時間為2016-2017年，風季內分別使用集沙儀和誘捕法監測地表及近地表風蝕量，同時設置小氣候觀測站一臺，以提高監測精度與自動化監測水平。土壤風蝕狀況的觀測采用土壤風蝕狀況的觀測使用旋轉式集沙儀，在不同試驗樣地中間布置集沙儀，保證底部第一個進沙口與地面齊平，監測高度分別為5、50、100、150、200 cm共5組，從不同垂直高度觀測土壤風蝕情況，每月收集1次沙樣，將風蝕物及時倒入已稱重的樣品袋回收分析。

1.2.3 實驗方法 ①誘捕法。以大面積分布的3、9年生葡萄農田，賀蘭山沿山區域玉米農田、天然草地、道路防護林、農田防護林、正在大規模機械整地的葡萄施工基地等周邊主要立地類型為研究對象，荒漠草原為對照，從2016年3月至2017年6月，在該區域的大風季節，每月進行一次各種覆被類型下土壤輸沙量的實地監測，每個處理6個重復。收集沙粒樣品時，將現場發現有動物破壞或異常的樣品剔除后，剩余樣品數據取其平均數。利用誘捕法，在各觀測地內選擇平整且保證具有原始地被物覆蓋的基礎上，同時放置口徑7 cm的集沙容器，放置時要保證容器口與地表持平，并且把容器周圍的空隙填平，盡量使其保持原狀，待有風蝕現象時容器對過境沙粒進行收集。期間及時觀察容器內沙粒沉降情況，按不同月份及時收集該容器的沙粒，并進行稱量，累加記錄后對比衡量不同立地類型土壤風蝕量。其中葡萄基地由于當年秋季進行了機械開溝覆土，地貌分地表和壟溝2種，分別進行了取樣后，對原始數據進行了平均(圖1)。②集沙儀法。利用2 m高的轉動式集沙儀，自2017年3月開始，至6月結束在多個大風日下監測了不同林齡葡萄基地、玉米農田、樟子松林地、道路防護林等多個風蝕監測點風蝕指標。集沙量監測高度分別為距離地面垂直高度5、50、100、150、200 cm，集沙盒入風口長寬分別為45 mm×30 mm，集沙盒前部長寬75 mm×30 mm，后部長寬80 mm×90 mm，裝集沙盒架子尾部設有風向標，風蝕過程中可隨風向及時調整方向，以保證集沙盒入風口隨時面對風向。集沙盒可靈活裝取。每供試樣地放置集沙儀3個，在整個風蝕季節長期放置，每月月底將集沙盒收集到的沙量統一回收，取其平均數后即可得該監測點的集沙量(圖2)。

表1 研究區域地貌類型

圖1 誘捕集沙法主要試驗原理[7-10]Fig.1 Main experimental principle of trapping and collecting sand

2 結果與分析

2.1 風蝕較為嚴重的時期

實驗通過2種不同監測對不同立地類型和不同葡萄林齡地表風蝕量在不同月份的監測，可以對一年中風蝕較為嚴重的時期進行判斷，從而為建植葡萄林地和防止因地表風蝕帶來的沙塵暴等災害進行提前預防和治理提供依據。

圖2 旋轉式集沙儀結構[11]Fig.2 The rotary sand collector

圖3 不同土地利用類型地表風蝕量動態監測(誘捕法)Fig.3 Dynamic monitoring of surface wind erosion by different land types (trapping method)

通過對全年主要風蝕季節不同時間段誘捕法風蝕量監測結果表明(圖3)，葡萄基地秋翻耕埋土后到次年6月間均是風蝕量易發季節，其中以3、4、6月風蝕量最大，其中6月由于采用的誘捕監測法，期間降雨量明顯影響到了風蝕監測結果，實際收集到的沙粒實際上是風蝕與降雨時雨滴濺起的沙粒，而實際監測發現由于降雨濺入的沙量明顯高于風蝕量，因此實際風蝕量最大產生在3-4月，以3月為最高。秋埋土后當年12月，風蝕量也占有一定比例但不嚴重。

從2017年集沙儀法監測結果表明(圖4)，3、4月各處理風蝕量最大，5月最小。

2.2 誘捕法監測不同立地類型樣地風蝕情況

從表2可以看出，2017年監測樣地中，不同土地利用類型地表風蝕量從大到小依次為3年葡萄基地>樟子松林地> 9年葡萄基地>道路防護林>荒漠草原(對照)>玉米農田。但道路防護林、樟子松林地、9年葡萄基地之間相差不大，均在964.903～1028.717 t/km2·年之間。與對照組荒漠草原相比，除玉米農田由于冬灌措施和在完善的防護林體系保護下風蝕量相對較小外，3、9年葡萄基地、道路防護林、樟子松林地等地貌類型風蝕量均明顯較高。其中以3年葡萄地表風蝕量最大，是對照荒漠草原的2.2倍。主要是由于3年葡萄基地秋翻耕覆土后地表機械擾動性大，無植被覆蓋，土壤質地疏松，土壤含水量較低，但有相當比例的礫石，防護林網健全但未成林，防護功能不完善。與之相反的是9年葡萄基地雖然機械作業與3年葡萄基地相同，但由于灌溉時間較常，防護林網健全，防護功能完善，林、路、渠網配套后地表殘留物覆蓋率較高。同時，由于長時間的灌溉形成的灌淤土農田物理結皮明顯，風蝕量明顯較低。玉米農田由于冬灌后形成了凍凝層和物理結皮、完善的農田防護林網等，風蝕量與9年葡萄基地也較類似，為各監測地貌中最低。

圖4 不同土地利用類型風蝕量監測結果(集沙儀法)Fig.4 Monitoring results of wind erosion by different land types (Sand collecting method)

根據2016年監測結果表明：不同土地利用類型地表風蝕量從大到小依次為葡萄基地新開地> 1年葡萄基地>荒漠草原(對照)>樟子松林地>道路防護林。葡萄基地新開地累計風蝕量高達5432.60 t/km2，遠高于葡萄基地累計風蝕量3863.25 t/km2，也就是說在葡萄基地建立后，隨著時間的推移，葡萄基地路、渠、道等地被物越穩定，基地防護林網越完善，地表風蝕越小，對周邊沙塵暴防護的貢獻率越高。

表2 不同土地利用類型地表風蝕量監測結果

注：土壤侵蝕強度參照《寧夏通志·地理環境卷》[12]。

Note: The intensity of soil erosion refers to ‘Ningxia Tongzhi·Geographic Environment Volume’[12].

圖5 不同立地類型不同監測高度平均集沙量所占比例Fig.5 Proportion of average sediment concentration in different monitoring heights of different land types

2.3 不同測量高度對集沙量的影響

通過從不同監測高度集沙量看，各處理間均以5 cm高度集沙量最大，且隨著監測高度的增加呈規律的遞減。其中，5、50、100、150和200 cm高度分別占總集沙量的72 %、11 %、7 %、5 %和5 %。

研究不同監測高度對確定該風蝕環境沙粒來源、風沙流結構特征意義重大。通常情況下，就地起沙現象越明顯，底層沙量所占比例越高。反之，如果該區域不易發生風蝕現象，則監測到的集沙量一般以周邊環境外來沙粒為主，反應垂直高度上，則以距離地表較高的部分所占的沙粒重量比例越高。分別對寧夏賀蘭山3年葡萄基地、9年葡萄基地、玉米農田、樟子松林地、未開發的荒漠草原原始地貌對照區等周邊風蝕環境監測表明(圖5)，3年葡萄基地、荒漠草原原始地貌對照區距離地表5 cm垂直高度的集沙量所占比例分別達到了82 %和79 %，說明上述兩類監測區域由于地表覆蓋度低，農田防護林系統不完善，就地起沙明顯。而3年葡萄基地150、200 cm較高層集沙量所占比例均分別僅為3 %，荒漠草原原始地貌對照區集沙量所占比例均分別僅為4 %。與之相反的是，9年葡萄基地、玉米農田、樟子松林地5 cm高度集沙量所占比例分別為24 %、46 %、38 %；150 cm高度集沙量所占比例分別可達14 %、13 %、8 %；200 cm高度集沙量所占比例分別可達17 %、14 %、17 %。由于上述風蝕環境中農田防護林體系完善、土壤墑情較好、地表覆蓋或質地環境較穩定，地表自身防風固土能力較高，而周邊外來“入侵”沙粒所占比例較大，因此不是風蝕防控重點區域。從另一方面也表明，完整的農田防護林體系、有效地表覆蓋或墑情保障、完善的地表覆蓋或多年耕種后形成的穩定的物理結皮系統，均可很好的防治風蝕起沙現象發生，減少沙害損失。

不同立地類型和不同林齡下觀測到的不同高度下地表風蝕輸沙量變化一致均隨監測高度增加而呈規律的遞減。其中5 cm高度集沙量占各監測樣地平均總集沙量的78 %，50、100、150、200 cm高度分別占總集沙量的12 %、5 %、3 %和2 %(圖6)。

從不同林齡釀酒葡萄基地風蝕狀況檢測數據表明(2016監測數據)，累計風蝕強度的對比情況：葡萄新開地﹥1年葡萄基地﹥3年葡萄基地﹥荒漠草原﹥七泉溝9年葡萄基地。其中七泉溝9年葡萄基地的平均風蝕量僅為0.4 g，總風蝕輕度為211.88 t/km2。說明葡萄基地建設時間越久，路、渠、道等地被物越穩定，基地防護林網越完善，地表風蝕越小，對周邊沙塵暴防護的貢獻率越高。不同土地利用類型集沙量與監測高度之間的相關性，可以明確集沙量與監測高度之間的關系，判斷和估測隨著高度的規律變化，集沙量隨之發生的相關變化，為進一步估測和明確隨著距離地表垂直高度的增加，可能會產生的風蝕量，為充分了解和掌握不同土地利用類型垂直梯度內可能產生的風蝕量提供可估判的數學模型。從而為確定該區域風蝕環境沙粒主要來源提供判斷依據。通常情況下，就地起沙現象越明顯，底層沙重量百分比越高，并且隨著高度的增加集沙量會呈乘冪或多項式規律的遞減。本次試驗將所有地貌類型的集沙量進行平均后，分析發現不同土地利用類型集沙量平均值與監測高度符合乘冪關系(R2=0.9061，圖7)。

圖6 不同監測高度集沙量所占比例Fig.6 Proportion of sand concentration in different monitoring heights

圖7 監測高度與集沙量相關性Fig.7 Monitoring the correlation between height and sand concentration

3 結論與討論

(1)寧夏賀蘭山東麓地處銀川西北風口，勁風經賀蘭山的阻擋途徑葡萄基地后正處于抬升過程，春放苗秋覆土的農藝操作工序，對地表風蝕影響很大，主要發生于春季，以新開墾地和1～3年的葡萄林地最為嚴重。葡萄基地建設8～9年后，由于防護林網日趨完善，地表灌淤土日漸形成，地表物理結皮明顯，地被物增多，地表風蝕量相對較小。

(2)完善防護林體系可有效緩解和防治地表風蝕[7，13-15]。因此在建植葡萄林地前必須營建完善的防護林地，形成穩定的環境，減少葡萄林地建植初期的風蝕影響。

(3)通過雨前耕作、耕后灌溉形成土壤物理結皮[8-10，16]，以及營建葡萄修剪掛枝風障[17]、種植綠肥、增加物理覆蓋、鋪蓋草席、提高農藝水平、噴涂可降解液態地膜[4，18-21]等均可有效減少風蝕發生。