庫布齊沙漠北緣機(jī)械沙障對地表土壤可蝕性的影響

靳靈娜, 黨曉宏,2, 高 永, 韓彥隆, 雷虹娟, 張 超

(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 沙漠治理學(xué)院, 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018; 2.內(nèi)蒙古杭錦荒漠生態(tài)定位觀測研究站,內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017400; 3.內(nèi)蒙古達(dá)茂旗民安鎮(zhèn)綜合保障和技術(shù)推廣中心, 內(nèi)蒙古 包頭 014300)

風(fēng)蝕是人類社會面臨的一個嚴(yán)峻的環(huán)境問題[1]，土壤可蝕性指土壤對侵蝕營力分離作用和搬運(yùn)作用下表現(xiàn)出的敏感程度，是表征地表土壤對侵蝕作用的敏感性，其是衡量土壤抗侵蝕能力的一個重要指標(biāo)[2]。土壤可蝕性與土壤類型密切相關(guān)[3]；不同含量的物理性砂粒土壤風(fēng)蝕模擬試驗，認(rèn)為風(fēng)蝕強(qiáng)度與物理性砂粒含量呈正相關(guān)[4]；經(jīng)模擬試驗得出0.075～0.4 mm土壤顆粒為易蝕顆粒[5]；土壤干團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)、碳酸鈣含量和土壤機(jī)械組成等也可作為風(fēng)蝕可蝕性評價指標(biāo)[5]。

機(jī)械沙障作為工程治沙的主要措施之一，通過改變下墊面性質(zhì)，增加地表粗糙度，降低風(fēng)速，進(jìn)而減弱地表風(fēng)蝕，從而起到防風(fēng)固沙的作用[6-7]，為植被恢復(fù)提供基礎(chǔ)條件。而沙障因材料、規(guī)格及其配置模式的不同，其防護(hù)效果差異明顯。沙柳(Salixpsammophila)是庫布齊沙漠主要的沙生鄉(xiāng)土灌木種，沙柳沙障在鄂爾多斯范圍內(nèi)應(yīng)用廣泛；生物基可降解聚乳酸沙袋沙障(PLA沙障)以農(nóng)作物為原料，經(jīng)發(fā)酵分解最終轉(zhuǎn)化為CO2和H2O，不會污染環(huán)境，其采用“以沙治沙”的理念，鋪設(shè)后可改變沙丘微地形氣流特征、沙丘表層沉積物的粒度特征等[8-10]。蘆葦沙障造價低廉、鋪設(shè)簡單、材料便捷，適合大面積鋪設(shè)，蘆葦沙障鋪設(shè)使粗沙粒減少，細(xì)沙粒增多，并為生物結(jié)皮生長提供良好的生長環(huán)境，使植被蓋度及植物種類增加[11-12]。目前，針對庫布齊沙漠北緣機(jī)械沙障鋪設(shè)后土壤可蝕性特征及有效防風(fēng)固沙作用的配置模式鮮有明確提出。本研究采取庫布齊沙漠北緣迎風(fēng)坡不同設(shè)置年限鋪設(shè)的PLA沙障、沙柳沙障和蘆葦沙障不同坡位的土壤樣品，分析地表0—20 cm深度土壤有機(jī)質(zhì)和土壤粒度組成，并利用EPIC模型分析流動沙丘風(fēng)沙土的可蝕性差異，以期明確機(jī)械沙障鋪設(shè)對風(fēng)沙土可蝕性特征的影響，并為防沙工程中沙障的合理應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市杭錦旗獨(dú)貴塔拉鎮(zhèn)東南約40 km(108°53′02″E，40°26′23″N)處，屬于典型溫帶大陸性干旱氣候，四季溫差大；極端最低氣溫-34.5 ℃，極端最高氣溫為40.2 ℃，年平均溫度7.6 ℃；年均降水量為311.8 mm[13]，降水季節(jié)分布不均勻，主要集中在6—8月，占全年降水量的64.7%；年均潛在蒸發(fā)量為2 498.7 mm；5—10月蒸發(fā)量占全年蒸發(fā)量的74%，其中一年中蒸發(fā)量最大的月份發(fā)生在5—6月；該地區(qū)全年以W和WN風(fēng)為主，年均風(fēng)速2.8 m/s，最大風(fēng)速為7.6 m/s，其中平均風(fēng)速≥5 m/s為323.4次，最多年份達(dá)418次；境內(nèi)主要是流動、半流動沙丘，土壤類型以風(fēng)沙土為主；天然植被有黑沙蒿(Artemisiaordosica)、羊柴(Hedysarummongolicum)、沙蓬(Agriophyllumsquarrosum)和芨芨草(Achnatherumsplendens)等。

1.2 樣地選取、土壤樣品采集與測定

研究區(qū)內(nèi)選擇沙丘高度、坡度、走向等沙丘屬性基本相同的流動沙丘與設(shè)置不同年限機(jī)械沙障(簡稱設(shè)障年限)的沙丘為試驗沙丘，高度為10～12 m，迎風(fēng)坡坡度為9°～13°，背風(fēng)坡坡度為30°～35°。3種沙障均在迎風(fēng)坡鋪設(shè)，沙丘頂部留空約4 m，其中沙柳沙障和蘆葦沙障全部為死枝條；鋪設(shè)方式采用半隱蔽式；沙柳沙障(S)設(shè)障年限分別為1 a，4 a和7 a，沙障規(guī)格為1 m×1 m和2 m×2 m，其中設(shè)障7 a只有1 m×1 m，PLA沙障(P)和蘆葦沙障(L)設(shè)障年限為1 a和4 a，PLA沙障規(guī)格為1 m×1 m和2 m×2 m，蘆葦沙障鋪設(shè)規(guī)格為1 m×1 m，以附近裸沙丘作為對照(CK)，無植被生長。

在迎風(fēng)坡下部、中部和上部進(jìn)行土樣采集，每個坡位取3個障格，每個障格內(nèi)利用五點取樣法用環(huán)刀采集障格內(nèi)0—20 cm的土樣，經(jīng)混合均勻后帶回實驗室，自然風(fēng)干后過2 mm篩，去除植物根系和地表雜物后備用。土壤有機(jī)質(zhì)(SOM)測定采用重鉻酸鉀容量法—外加熱法[14]，土壤粒徑測定采用激光粒度儀。試驗中機(jī)械組成顆粒粒徑依據(jù)美國制(USDA)標(biāo)準(zhǔn)劃分為砂粒(0.05～2 mm)、粉粒(0.002～0.05 mm)和黏粒(<0.002 mm)3級，對砂粒進(jìn)一步劃分為石礫(1～2 mm)、粗砂(0.25～1 mm)和細(xì)砂(0.05～0.25 mm)。

1.3 EPIC模型

本文根據(jù)所測定的土壤指標(biāo)采用EPIC模型計算土壤可蝕性K值，公式如下[15]：

式中：Wa為砂粒含量(%);Wi為粉粒含量(%);Wl為黏粒含量(%);Wc為 有機(jī)碳含量(%)；Wsom為有機(jī)質(zhì)含量(%)。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

應(yīng)用Excel 2010進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，所有數(shù)據(jù)均在SPSS 26.0統(tǒng)計分析軟件中完成。采用Pearson相關(guān)系數(shù)法分析土壤有機(jī)質(zhì)含量、土壤粒徑組成與土壤可蝕性K值的相關(guān)性。采用Origin 2018作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤有機(jī)質(zhì)含量變化規(guī)律

土壤有機(jī)質(zhì)是反映土壤抗蝕性強(qiáng)弱的一項重要指標(biāo)[16]。由圖1可知，機(jī)械沙障鋪設(shè)利于土壤有機(jī)質(zhì)的積累，且3種機(jī)械沙障土壤有機(jī)質(zhì)隨著設(shè)障年限的增加而增加。土壤0—20 cm范圍內(nèi)，沙柳沙障內(nèi)土壤有機(jī)質(zhì)含量為1.23～2.54 g/kg，PLA沙障內(nèi)為1.16～1.91 g/kg，蘆葦沙障內(nèi)為1.09～1.29 g/kg。相較于裸沙丘，3種機(jī)械沙障內(nèi)土壤有機(jī)質(zhì)含量同期鋪設(shè)的相對變化值均表現(xiàn)為：PLA沙障>沙柳沙障>蘆葦沙障，同期鋪設(shè)相同沙障有機(jī)質(zhì)含量表現(xiàn)為：2 m×2 m>1 m×1 m。沙柳沙障中，設(shè)障年限1 a和7 a各坡位土壤有機(jī)質(zhì)含量均表現(xiàn)為：中部>下部>上部，設(shè)障4 a表現(xiàn)為：下部>中部>上部；PLA沙障中各設(shè)障年限中均表現(xiàn)為：下部>中部>上部；蘆葦沙障中，設(shè)障1 a表現(xiàn)為：中部>下部>上部，設(shè)障4 a表現(xiàn)為：下部>中部>上部。下部處，設(shè)障1 a時，各沙障綜合表現(xiàn)為：1P2>1P1>1S2>1S1>1L1，設(shè)障4 a時，表現(xiàn)為：4S2>4P2>4P1>4S1>4L1；中部處，設(shè)障1 a時，表現(xiàn)為：沙柳沙障>PLA沙障>蘆葦沙障；設(shè)障4 a時，表現(xiàn)為：PLA沙障>沙柳沙障>蘆葦沙障，不同設(shè)障年限均為：2 m×2 m高于1 m×1 m，且1S2，4P2分別最高為：1.35 g/kg和1.49 g/kg；上部處，設(shè)障1 a時，表現(xiàn)為：1S2>1P1>1P2>1S1>1L1，設(shè)障4 a時，表現(xiàn)為：4P2>4S2>4S1>4P1>4L1。

注：S為沙柳沙障，P為生物基可降解聚乳酸(PLA)沙袋沙障，L為蘆葦沙障；字母前的數(shù)字為設(shè)置沙障的年限，字母下角標(biāo)為設(shè)置沙障的規(guī)格。例如：1S1表示設(shè)障1 a，規(guī)格為1 m×1 m的沙柳沙障，其他依次類推。下同。

2.2 土壤粒徑分布變化規(guī)律

土壤粒徑的分布對土壤侵蝕過程具有一定的指示作用[17]。由表1可知，研究區(qū)內(nèi)3種機(jī)械沙障黏粒、粉粒和細(xì)砂體積百分含量隨設(shè)障年限的增加呈增加趨勢；且不同設(shè)障年限土壤粒徑組成存在差異，土壤0—20 cm范圍內(nèi)均以細(xì)砂為主。沙柳沙障中，粒徑由小到大各粒級體積百分含量均值分別為7.86%,8.65%,67.92%,6.19%和9.38%；PLA沙障中分別為6.97%，7.88%，66.09%，9.07%和9.99%；蘆葦沙障中分別為6.85%，7.77%，67.66%，9.24%和8.49%，表明沙障不僅具有固定地表流沙的作用，同時設(shè)障后能夠攔截大氣中的粉塵物質(zhì)，使之在障內(nèi)堆積，使黏粒、粉粒和細(xì)砂含量增加。在迎風(fēng)坡下部，設(shè)障1 a時細(xì)物質(zhì)體積百分含量表現(xiàn)為：1P2>1P1>1S2>1L1>1S1，設(shè)障4 a時表現(xiàn)為：4P2>4P1>4L1>4S2>4S1；在迎風(fēng)坡中部，設(shè)障1 a和4 a時細(xì)物質(zhì)體積百分含量分別表現(xiàn)為：1S2>1S1>1P1>1L1>1P2，4S1>4S2>4L1>4P1>4P2；迎風(fēng)坡上部設(shè)障1 a和4 a時分別表現(xiàn)為：1S2>1S1>1P1>1P2>1L1，4P1>4S1>4L1>4S2>4P2。

表1 機(jī)械沙障土壤粒徑組成的體積百分含量 %

2.3 土壤可蝕性K值變化規(guī)律

土壤可蝕性反映土壤對侵蝕的敏感程度[18]。由表2可知，沙障的鋪設(shè)會降低土壤可蝕性，且各沙障間土壤可蝕性無顯著差異(p<0.05)。隨著設(shè)障年限的延長土壤可蝕性降低。不同坡位土壤可蝕性K值的最大值是最小值的1.8倍，K值變化較為均勻。3種機(jī)械沙障各坡位土壤可蝕性K值整體表現(xiàn)為上部>中部>下部。迎風(fēng)坡下部，設(shè)障1 a后，3種機(jī)械沙障的土壤可蝕性K值表現(xiàn)為：1L1>1S2>1P1>1P2>1S1，設(shè)障4 a后，表現(xiàn)為：4L1>4S1>4P1>4P2>4S2。迎風(fēng)坡中部，設(shè)障1 a后，土壤可蝕性1 m×1 m規(guī)格高于2 m×2 m，且PLA沙障內(nèi)土壤可蝕性最高，2種規(guī)格下分別為0.174 8 mg·hm2·h/(hm2·MJ·mm)和0.166 8 mg·hm2·h/(hm2·MJ·mm)，設(shè)障4 a后，表現(xiàn)為：4L1>4S1>4S2>4P1>4P2；迎風(fēng)坡上部，設(shè)障1 a和4 a，土壤可蝕性皆表現(xiàn)為1 m×1 m規(guī)格高于2 m×2 m，且皆沙柳沙障的最高，2種規(guī)格下分別為0.176 9，0.174 6 mg·hm2·h/(hm2·MJ·mm)和0.185 6，0.171 5 mg·hm2·h/(hm2·MJ·mm)。

表2 2種機(jī)械沙障土壤可蝕性K值

由表3可知，土壤可蝕性K值與土壤有機(jī)質(zhì)呈極顯著(p<0.01)負(fù)相關(guān)，表明土壤可蝕性K值隨土壤有機(jī)質(zhì)含量的增大而減小，土壤抗侵蝕能力就增強(qiáng)，土壤受侵蝕風(fēng)險就越??；土壤可蝕性K值與土壤砂粒、黏粒含量呈負(fù)相關(guān)，與粉粒含量呈正相關(guān)，但其相關(guān)性較小。

表3 土壤有機(jī)質(zhì)和土壤粒度組成與土壤可蝕性K值的相關(guān)系數(shù)

3 討 論

本研究表明，機(jī)械沙障鋪設(shè)使土壤有機(jī)質(zhì)含量增加。機(jī)械沙障的鋪設(shè)降低了風(fēng)蝕損失，截獲降塵和風(fēng)沙流中細(xì)粒組分，使其攜帶的養(yǎng)分在障格內(nèi)積累、分解；障格內(nèi)植被生長、土壤生物結(jié)皮發(fā)育，生物作用明顯[19]，使流沙環(huán)境中土壤有機(jī)質(zhì)的流失減弱，從而土壤有機(jī)質(zhì)在障格內(nèi)積累；且沙障的鋪設(shè)利于植被恢復(fù)，隨著植被凋落物的分解及根系分泌物增多，皆有利于土壤有機(jī)質(zhì)含量積累[20]。迎風(fēng)坡上部土壤有機(jī)質(zhì)含量相對較少，除此之外，各沙障土壤有機(jī)質(zhì)含量均表現(xiàn)為：下部>中部>上部。因為鋪設(shè)機(jī)械沙障后，沙丘中部、上部接受太陽輻射較多，水分蒸發(fā)相對較快，環(huán)境條件相對較差，穩(wěn)定性差，風(fēng)蝕損失相對嚴(yán)重[21]。由于缺乏植物根系和凋落物，坡上對風(fēng)力和雨水的侵蝕較為敏感，營養(yǎng)物質(zhì)流失較為嚴(yán)重。凋落物和草本植物的腐化與土壤水分等環(huán)境條件有關(guān)[22]，沙丘下部植被覆蓋度相對較高，一定程度上減少降雨和風(fēng)力對土壤的侵蝕作用。相關(guān)研究[23-26]表明，一定范圍內(nèi)，坡位會影響土壤有機(jī)質(zhì)含量，受重力影響沙丘上部水土保持能力較差，從而影響土壤養(yǎng)分再分配情況，使得中部和上部養(yǎng)分會向下部流失，沙丘下部土壤有機(jī)質(zhì)含量較高。本研究表明，2 m×2 m的沙柳沙障土壤有機(jī)質(zhì)含量較高?？赡茉蚴怯捎谠谏痴喜荚O(shè)早期，作為布障材料的沙柳枝條內(nèi)帶有一定養(yǎng)分，比PLA沙障對土壤有機(jī)質(zhì)含量的影響大；其次相比1 m×1 m障格內(nèi)蝕積情況不穩(wěn)定，2 m×2 m障格內(nèi)形成了穩(wěn)定凹曲面，利于土壤有機(jī)質(zhì)含量的積累。

土壤粒徑分布是指不同粒級的土壤顆粒重量占土壤顆?？傊亓康陌俜直?，它既是土壤分類的重要依據(jù)，又是影響土壤可蝕性的重要因素[27]。相關(guān)研究表明，沙障的鋪設(shè)使土壤黏粒、粉粒和細(xì)砂含量增加，且各坡位下增幅不同，隨設(shè)障年限的增加其呈增加趨勢。土壤細(xì)物質(zhì)含量增加，是因為沙障的鋪設(shè)使地表粗糙度增大，氣流的阻力增大，氣流能量損失，地表風(fēng)速削弱，使得風(fēng)沙流中的沙粒在障格內(nèi)沉降[28]，而各坡位土壤顆粒含量增加幅度不同，是由于風(fēng)沙流中沙粒的沉降，使得坡底向坡頂?shù)娘L(fēng)沙流不飽和，且沙障固定了地表沙源，坡下至坡上風(fēng)沙流能量逐漸減弱且無沙粒補(bǔ)給，所以從迎風(fēng)坡下部至上部土壤顆粒沉降逐漸減少[29,7,9]；同時土壤有機(jī)質(zhì)含量所測結(jié)果也表明，沙丘下部土壤有機(jī)質(zhì)含量相對較高，能夠較好地提高風(fēng)沙土的團(tuán)聚性，從而維持土壤大團(tuán)聚體的穩(wěn)定性[30]。

土壤可蝕性K值是衡量土壤對侵蝕敏感程度和進(jìn)行土壤侵蝕預(yù)報的重要參數(shù)[31]，K值越大，土壤抗侵蝕能力就越低，就越容易發(fā)生侵蝕。本研究表明，土壤可蝕性隨設(shè)障年限的增加而降低；因為隨設(shè)障年限的增加，機(jī)械沙障捕獲細(xì)物質(zhì)，并逐漸積累、分解，同時固氮植物和結(jié)皮不斷發(fā)育，生物也逐漸定居，生物作用逐漸加強(qiáng)，土壤水肥效益加強(qiáng)[32]，改變砂粒松散的狀態(tài)，同時生物作用使障格內(nèi)地表粗糙度增加，皆提高了土壤的抗蝕性，使得土壤可蝕性K值降低。本研究表明各立地條件下沙丘下部障格內(nèi)土壤抗蝕性強(qiáng)，同時土壤可蝕性K值與土壤有機(jī)質(zhì)含量呈極顯著(p<0.01)負(fù)相關(guān)，表明土壤有機(jī)質(zhì)含量越高，土壤抗侵蝕能力越強(qiáng)；因為土壤有機(jī)質(zhì)會合成腐殖質(zhì)等有機(jī)膠體，與風(fēng)沙土中黏粒復(fù)合成膠體，可以提高砂土的團(tuán)聚性，改善砂粒過于松散的狀態(tài)，從而增強(qiáng)土壤抗蝕性，使土壤可蝕性降低；機(jī)械沙障的鋪設(shè)，使土壤有機(jī)質(zhì)增加，促進(jìn)植被恢復(fù)，增加地表粗糙度，降低土壤可蝕性，且植物根系使小粒徑團(tuán)粒凝聚成更大粒徑的土壤團(tuán)粒，結(jié)合土壤有機(jī)質(zhì)，增加中等粒徑團(tuán)聚體含量，改善土壤結(jié)構(gòu)，提高土壤穩(wěn)定性，對增加土壤抗蝕性起到重要作用[33]。本研究表明設(shè)障1 a后，各坡位2種規(guī)格下障格內(nèi)土壤可蝕性無明顯變化趨勢，設(shè)障4 a后，2種規(guī)格下土壤可蝕性K值皆表現(xiàn)為2 m×2 m鋪設(shè)規(guī)格下土壤抗侵蝕能力強(qiáng)于1 m×1 m。產(chǎn)生原因如下：1 m×1 m規(guī)格障格內(nèi)沉積物堆積強(qiáng)度大于侵蝕速率，障格內(nèi)蝕積特征不穩(wěn)定，不利于短期內(nèi)障格內(nèi)的生物作用；設(shè)障4 a后，2 m×2 m障格內(nèi)可有效控制易蝕顆粒不被風(fēng)沙攜帶，使障格內(nèi)達(dá)到蝕積平衡，形成穩(wěn)定凹曲面[34]，利于障格內(nèi)生物作用的加強(qiáng)，2 m×2 m沙障的持續(xù)防護(hù)能力增強(qiáng)。

4 結(jié) 論

(1) 沙障鋪設(shè)后利于土壤有機(jī)質(zhì)含量增加，其中2 m×2 m沙柳沙障對土壤有機(jī)質(zhì)的積累效果最好，且迎風(fēng)坡上部土壤有機(jī)質(zhì)含量相對較少。

(2) 沙障鋪設(shè)使得障格內(nèi)黏粒、粉粒和細(xì)砂含量增加，隨設(shè)障年限的增加其呈增加趨勢；土壤0—20 cm范圍內(nèi)均以細(xì)砂為主。

(3) 鋪設(shè)機(jī)械沙障可降低土壤可蝕性，各立地條件下沙丘下部障格內(nèi)土壤抗蝕性最好；3種機(jī)械沙障中沙柳沙障抗蝕性較高；且隨設(shè)障年限增加障格內(nèi)土壤抗蝕性增強(qiáng)，設(shè)障4 a后，2 m×2 m鋪設(shè)規(guī)格障格內(nèi)的土壤受侵蝕風(fēng)險較??；土壤可蝕性K值與土壤有機(jī)質(zhì)含量呈極顯著(p<0.01)負(fù)相關(guān)。

沙障鋪設(shè)使土壤有機(jī)質(zhì)含量增加，利于細(xì)粒物質(zhì)的積累，增強(qiáng)土壤抗蝕性，是治理流動沙丘有效的風(fēng)蝕防治措施，建議在庫布齊沙漠北緣鋪設(shè)機(jī)械沙障時，可采用迎風(fēng)坡上部鋪設(shè)1 m×1 m的PLA沙障，中部鋪設(shè)2 m×2 m的沙柳沙障，下部鋪設(shè)2 m×2 m的PLA沙障的模式。