風(fēng)力侵蝕作用對新增耕地土壤粒度特征的影響

張騰飛

摘 要：本文以定邊縣2017年實施的土地開發(fā)項目新增耕地為研究對象，研究一個風(fēng)力周期內(nèi)，風(fēng)力侵蝕作用對新增耕地土壤粒度變化特征以及含量的影響。結(jié)果表明：土壤粘粒含量和粉粒含量隨距離新造耕地距離的增加而增大，而沙粒含量與距離新造耕地距離呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。距新增耕地10m處，土壤粘粒含量顯著增大，且土壤質(zhì)地由此轉(zhuǎn)變?yōu)樯叭劳粒哿：恳仓鸩教岣?距新增耕地10m后，土壤粒徑變化趨于平緩，且土壤粉粒含量逐漸增加，砂礫含量逐漸減少，粘粒含量變化不顯著。風(fēng)力侵蝕作用對0.075mm以下的土壤粒徑運移距離影響顯著，隨著距新增耕地距離的增加，小于0.075mm的土壤粘粒含量逐漸增多，且小于0.075mm土壤粘粒含量中，粒徑級配越大，相同位置處的含量也越大。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力侵蝕;新增耕地;土壤粒度;粘粒含量

中圖分類號：S157.1 ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

DOI：10.19754/j.nyyjs.20200930039

引言

風(fēng)蝕作用是引發(fā)我國北方旱區(qū)耕地退化的主要因素，對當(dāng)?shù)厣鐣?jīng)濟條件和生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生十分嚴(yán)重的危害，同時也會造成大量揚塵影響空氣質(zhì)量[1，2]。我國陜北地區(qū)地處干旱半干旱區(qū)域，面臨嚴(yán)重的沙漠化威脅，此外，尚有大面積鹽堿地未得到有效開發(fā)利用。基于此，在陜北利用土體有機重構(gòu)技術(shù)開發(fā)實施了大面積的土地開發(fā)項目，改造沙荒地和鹽堿地為水澆地，為全省經(jīng)濟發(fā)展提供了耕地保障，同時也提高了耕地抗侵蝕能力，進(jìn)一步遏制了土壤沙漠化和水土流失現(xiàn)象[3-7]。但這些新開墾出的耕地，在多風(fēng)的冬季和春季處于裸露狀態(tài)，易遭受強烈的風(fēng)蝕。由于新開發(fā)出來的農(nóng)耕地表層土壤結(jié)構(gòu)松散且無粘結(jié)，在項目實施完成首年，一般無相關(guān)保護(hù)性處理，在風(fēng)蝕作用下，裸露的土壤不僅被破壞土壤結(jié)構(gòu)，且理化特性也受到嚴(yán)重破壞，土壤質(zhì)量也會因此受到極大影響，耕作層土壤減少變薄，造成土壤肥力流失和耕地質(zhì)量下降，影響后期農(nóng)作物的生長。

有研究表明，土壤中沙土含量越高，越容易受到風(fēng)蝕影響，0.075～0.40mm為易蝕顆粒類型[8]。苑依笑等[9]對農(nóng)田土壤細(xì)顆粒物的損失特征進(jìn)行研究，結(jié)果表明土壤粒徑在1.80～24.0μm的細(xì)顆粒損失最為嚴(yán)重。王仁德等[10]和Chepil[11]研究認(rèn)為，風(fēng)蝕物粒度組成以粒徑小于100μm的懸移質(zhì)為主，小于0.42mm的顆粒物質(zhì)為高度可蝕。李曉娜等[12]研究認(rèn)為，0.05～0.002mm的粉粒是風(fēng)蝕過程中損失的主要顆粒。王瑞東等[13]和丁延龍[14]實驗發(fā)現(xiàn)，荒漠草原近自然恢復(fù)狀態(tài)下土壤風(fēng)蝕顆粒范圍為110～250μm，沙堆表層沉積物粒徑多在100～300μm。眾多試驗均圍繞自然條件下風(fēng)蝕對土壤顆粒造成的影響進(jìn)行了分析，但對新造耕地條件下的風(fēng)蝕研究較少。因此，本文以定邊縣2017年實施的土地開發(fā)項目為研究對象，在地塊（田面）尺度上，以一個風(fēng)力周期（冬、春兩季）為時間尺度展開研究。通過研究一個風(fēng)力周期內(nèi)，風(fēng)蝕物的顆粒組成和風(fēng)蝕量，探索不同距離范圍內(nèi)風(fēng)蝕物與風(fēng)力之間的關(guān)系，以期為土地開發(fā)項目空白期風(fēng)力侵蝕下，土地耕作層防護(hù)提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)處于毛烏素沙漠與黃土丘陵區(qū)過渡地帶，隸屬于定邊縣白泥井鎮(zhèn)向陽村。區(qū)內(nèi)海拔高度介于1374～1387m，地表無喬、灌木植物。區(qū)內(nèi)多年平均氣溫7.9℃，極端最高氣溫37.7℃，最低氣溫-39℃。多年平均降水量316.9mm，其中7—9月降水量150.7mm，占全年降水量的62.16%，多年平均蒸發(fā)量為2490.2mm。無霜期141d，最長年無霜期為164d。初開始解凍在次年3月，結(jié)凍天數(shù)約95～105d，凍土層深度1.09～1.20m。

研究區(qū)地表覆蓋主要為風(fēng)沙土和鹽堿砂壤土，以風(fēng)蝕為主的水土流失普遍發(fā)生，危害較大。本文以定邊縣2017年實施的向陽村、北畔村土地開發(fā)項目農(nóng)田耕作層為研究對象，該項目建設(shè)規(guī)模共計266.67hm2，耕作層為沙與土的混合物，稱為“復(fù)配土”。陜西省土地工程建設(shè)集團通過大量實驗研究分析發(fā)現(xiàn)，“復(fù)配土”具備農(nóng)作物生長的基本條件，通過控制復(fù)配比例和增加種植季數(shù)，復(fù)配土能夠達(dá)到高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田的土壤要求，具有開發(fā)利用價值。2017年底項目實施完成，距離作物種植經(jīng)歷一個風(fēng)力周期，但耕作層土壤極為疏松，易受強風(fēng)侵蝕，環(huán)境問題突出。

1.2 測定項目與方法

項目區(qū)主要進(jìn)行野外風(fēng)力觀測（不同高度的風(fēng)速）和野外風(fēng)蝕物觀測（包括不同高度的風(fēng)蝕量、顆粒組成、運移及沉降過程）。野外風(fēng)場觀測使用儀器為野外用梯度風(fēng)速儀，可同時觀測不同高度上的9個風(fēng)速梯度，風(fēng)速的測量范圍為0.3～30m，分辨率為0.1m·s-1。該儀器配有數(shù)據(jù)采集器，能自動采集1min、10min和1h滑動平均數(shù)據(jù)，結(jié)果以ASCII碼數(shù)據(jù)輸出，以4m高度處風(fēng)速作為野外觀測風(fēng)速。利用平口式積沙儀收集地表風(fēng)蝕起沙（塵），儀器總高度85cm，沙塵采集高度60cm，采集梯度為30個連續(xù)的2cm×2cm進(jìn)沙口，采集效率大于80%。此外，考慮到研究區(qū)地表起沙、起塵量較大，一次大風(fēng)天氣過程積沙儀收集的沙塵量有限，很難對風(fēng)蝕物粒度特征和垂直結(jié)構(gòu)等進(jìn)行分析，本文設(shè)計采用插桿黏捕的方法對以上問題進(jìn)行補充觀測。

實驗開始前先將樣品分為2份，一份過2mm平篩，使用Mastersizer 3000型激光粒度分析儀進(jìn)行粒度分析，另一份樣品過0.075mm篩，使用土壤比重計（TM-85）進(jìn)行顆粒分析。測試工作在國土資源部退化及未利用土地整治工程重點實驗室內(nèi)進(jìn)行，粒度分析結(jié)果以重量百分?jǐn)?shù)表示。數(shù)據(jù)分析采用Excel 2007軟件完成。

2 結(jié)果分析

2.1 風(fēng)力侵蝕對新造耕地土壤粒徑級配的影響

表1為新造耕地在一個風(fēng)力周期內(nèi)，距耕地不同距離處土壤顆粒級配情況。分析可知，土壤粘粒含量和粉粒含量隨距離新造耕地距離的增加而增大，而沙粒含量與距離新造耕地距離呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。在距離新增耕地1m處，土壤均為砂土，土壤顆粒全部為砂粒;距離新增耕地5m處，土壤粒徑發(fā)生顯著變化，粘粒含量和粉粒含量增大，分別較距離新增耕地1m處增加121.05%和9.03%，砂粒含量降低8.63%;而距新增耕地10m處，土壤粘粒含量顯著增大，較距離新增耕地5m處顯著提高333.33%，且土壤質(zhì)地由此轉(zhuǎn)變?yōu)樯叭劳粒哿：恳仓鸩教岣撸^5m處增加了81.48%，砂粒含量較5m處降低8.85%;距新增耕地10m后，土壤粒徑變化趨于平緩，且土壤粉粒含量逐漸增加，砂礫含量逐漸減少，粘粒含量變化不顯著。

2.2 風(fēng)力侵蝕對新造耕地粘土粒徑分布的影響

土壤粘粒含量有利于土壤團聚體的形成，對于土壤肥力和土壤質(zhì)量的提高具有顯著影響，因此有必要對風(fēng)力侵蝕條件對新增耕地土壤粘粒含量的影響進(jìn)行研究分析。土壤沙粒的運動形式分為蠕移、躍移和懸移3種類型，小于0.075mm的土壤顆粒隨風(fēng)運移方式是懸移，即該粒徑的沙土顆粒在一定時間內(nèi)懸浮于空中，并隨氣流向前運動，運動距離更長，漂浮時間更久。表2為新造耕地在一個風(fēng)力周期內(nèi)，距耕地不同距離處小于0.075mm土壤粘粒級配情況。分析可知，風(fēng)力侵蝕作用對0.075mm以下的土壤粒徑運移距離影響顯著，隨著距新增耕地距離的增加，小于0.075mm的土壤粘粒含量逐漸增多，距新增耕地1m、5m、10m、20m和50m土壤粘粒平均含量分別較新增耕地處提高40.37%、16.02%、24.33%、35.25%和22.47%;且小于0.075mm的土壤粘粒含量中，粒徑級配越大，相同位置處的含量也越大。其中，土壤粒徑0.0627、0.045、0.02、0.0114、0.0081、0.0057、0.004以及0.0012含量占比分別為29.00%、21.00%、15.22%、10.44%、8.78%、6.00%、5.78%和3.77%。

3 結(jié)論和討論

我國陜北地區(qū)地處干旱半干旱區(qū)域，面臨嚴(yán)重的沙漠化威脅，此外，尚有大面積鹽堿地未得到有效開發(fā)利用。在陜北利用土體有機重構(gòu)技術(shù)開發(fā)實施了大面積的土地開發(fā)項目，通過工程措施新造耕地，提高耕地抗侵蝕能力，進(jìn)一步遏制了土壤沙漠化和水土流失現(xiàn)象。但這些新開墾出的耕地，在多風(fēng)的冬季和春季處于裸露狀態(tài)，易遭受強烈的風(fēng)蝕，由于新開發(fā)出來的農(nóng)耕地表層土壤結(jié)構(gòu)松散且無粘結(jié)，在項目實施完成首年，一般無相關(guān)保護(hù)性處理，在風(fēng)蝕作用下，裸露的土壤不僅被破壞土壤結(jié)構(gòu)，且理化特性也受到嚴(yán)重破壞，土壤質(zhì)量也會因此受到極大影響。

本文以定邊縣2017年實施的土地開發(fā)項目為研究對象，在地塊（田面）尺度上，以一個風(fēng)力周期（冬、春兩季）為時間尺度展開研究。研究一個風(fēng)力周期內(nèi)，風(fēng)蝕物的顆粒組成和風(fēng)蝕量，以期探索不同距離范圍內(nèi)風(fēng)蝕物與風(fēng)力之間的關(guān)系。結(jié)果表明，土壤粘粒含量和粉粒含量隨距離新造耕地距離的增加而增大，而沙粒含量與距離新造耕地距離呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。距新增耕地10m處，土壤粘粒含量顯著增大，較距離新增耕地5m處顯著提高333.33%，且土壤質(zhì)地由此轉(zhuǎn)變?yōu)樯叭劳粒哿：恳仓鸩教岣?距新增耕地10m后，土壤粒徑變化趨于平緩，且土壤粉粒含量逐漸增加，砂礫含量逐漸減少，粘粒含量變化不顯著。風(fēng)力侵蝕作用對0.075mm以下的土壤粒徑運移距離影響顯著，隨著距新增耕地距離的增加，小于0.075mm的土壤粘粒含量逐漸增多，且在小于0.075mm的土壤粘粒含量中，粒徑級配越大，相同位置處的含量也越大。

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（責(zé)任編輯 ?周康）