黃泛平原區風沙土物理結皮硬度和厚度特征及其影響因素

李鑫浩, 曹文華, 牛 勇, 呂青霞, 袁 利, 趙 磊

(1.山東農業大學 林學院, 山東 泰安 271018; 2.水利部 水土保持監測中心, 北京 100053;3.蘭考縣水利局, 河南 蘭考 475300; 4淮河水利委員會 淮河流域水土保持監測中心站, 安徽 蚌埠 233001)

黃泛平原風沙區是國家級水土流失重點預防區，下墊面多為粉砂和沉積細砂，本底環境脆弱[1]。此外該區干旱與大風同期，地表擾動頻繁，土壤抗風蝕能力脆弱，水土流失是當地農業生產、生態環境和區域高質量發展的主要威脅之一。

土壤結皮的形成有利于更好防止風力侵蝕。物理結皮是在雨滴沖濺和土壤黏粒理化分散作用下，土表孔隙被堵塞后形成，或挾沙水流經土表時細小顆粒沉積而形成的一層很薄的土表硬殼[2]，李曉麗等[3]提出結皮使得土壤的抗剪能力增大，從而能有力地抑制風力侵蝕，目前，土壤結皮的大量相關研究主要圍繞生物結皮開展[4-6]，物理結皮研究較少，且相關研究多基于室內單因素試驗或研究限于西北干旱低人為干擾沙地[3,7-11]，黃泛平原風沙區在中國面積約3.90×104km2[12]，且地處黃河下游經濟發達地區，其風蝕災害影響在近現代逐漸被人們所重視，但圍繞該區域風沙土結皮的研究鮮有報道。明確風沙土土壤結皮硬度和厚度特征及其影響因素對于風蝕防治具有重要意義?，F有研究認為，結皮強度在一定程度上反映沙(土)地表面形成的固結層所能承受的壓力，抗壓強度越大，表征耐風蝕能力越強，對自然的破壞力抵抗性越高[13]。土壤結皮的形成是一個隨降雨歷時延長而逐步完善的復雜的物理化學過程[14]，國內外許多學者還經過研究得出土壤顆粒組成、團聚體大小及穩定性等對土壤結皮的形成有很重要的影響[15-17]，而植被高度、覆蓋度、近地表風速等其他因素對土壤結皮的影響研究較少。本研究對河南省蘭考縣國家土壤風蝕觀測點4種下墊面條件的土壤結皮硬度、厚度、氣象數據、植被數據及表層土壤含水量等影響因素開展定位觀測，分析黃泛平原風沙區風沙土結皮硬度和厚度的動態變化特征，探求土壤物理結皮硬度和厚度的主要影響因素及影響機理，以期相關研究成果可以為當地風蝕防治決策提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

本研究選擇位于河南省蘭考縣儀封鄉的國家土壤風蝕觀測點(東經114°55′12″—114°55′32″，北緯34°47′55″—34°47′20″)作為研究區。研究區地處黃河自孟津向東所形成的巨大沖積扇的中部。地面高程為60～70 m，相對高差10 m左右。地勢西北高東南低，地面坡降為1/5 000。黃河的泛濫、決口和改道，改變了區域內原有地表形態，形成了新的微地貌單元，古河床形成槽形洼地。研究區屬溫帶季風氣候。其氣候特征為春季干旱風沙多，夏季炎熱雨水集中，秋季涼爽溫差大，冬季寒冷雨雪少。多年平均氣溫14 ℃，1月氣溫最低，平均氣溫-1 ℃；7月氣溫最高，平均氣溫27 ℃。多年平均日照時數為2 529 h，多年平均日照率為57%。全年太陽有效輻射總量為247 kJ/cm2。多年平均無霜期219 d，多年平均降雨量687 mm。冬春季節平均風速在4.0～5.0 m/s之間，多平均風速在2.5～3.0 m/s之間。研究區土壤為風沙土。風沙土是由黃河主流沖積沉淀后發育而成，發育較弱，沉淀層次明顯。研究區土壤機械組成為：砂粒含量為88.23%，粉粒含量為7.58%，黏粒含量為4.19%，該土壤透水性好，當地一般采用散射式噴灌帶進行灌溉。

1.2 試驗處理設置

黃泛平原風沙區位于黃河下游沖積平原，該區域是傳統的農耕區域，農業開發歷史悠久，主要農作物為小麥、玉米、花生和大豆等。在研究區所在的蘭考縣，約40 %的耕地土壤質地為風沙土，主要作物為小麥和花生。參考當地種植模式，本研究設置了4個試驗處理，分別為：一年兩熟耕地(T1)，一年一熟耕地(T2)，裸地(T3)，自然恢復地(T4)，其中T4處理試驗小區長期處于自然恢復狀態(約2 a)，各試驗處理小區面積為30 m×30 m，各試驗小區間有2 m隔離帶，其中，T3處理由人為定期除草，T4處理處于植被自然恢復狀態，無人為干擾，各處理具體耕作或植被情況如表1所示。

表1 黃泛平原風沙區風沙土物理結皮硬度和厚度試驗樣地布設

1.3 研究方法與監測指標

1.3.1 土壤結皮硬度和厚度測量 T1—T4處理的試驗小區的地表結皮均為物理結皮，未發現生物結皮現象，其中T4處理的試驗小區地表雖有枯落物覆蓋，但不視為生物結皮。土壤結皮硬度和厚度測量時，先清除表層枯落物，使用高分辨率硬度計(KM-1，Japan)測定表土結皮硬度，并使用鋼尺測定土壤結皮厚度。測定時將硬度計機身連接直徑5 mm的鋼制圓柱狀施壓探頭，將其勻速壓入結皮土中，直至表層結皮開裂，此時從硬度計表盤讀取硬度數據。本研究采用硬度計讀數與探頭底面積比值表征土壤結皮硬度，計算公式如公式(1)所示。研究期間每半月測定各試驗處理小區內土壤結皮硬度，每次每個小區重復測量20次，并使用鋼尺測量對應位置土壤結皮的厚度(cm)。

式中：H為測試土壤結皮硬度(kg/cm2);A為測試時硬度計表盤讀數(kg);S為測試時探頭底面積(cm2)。

1.3.2 土壤及氣象因子測量 在各試驗處理小區土壤表層安裝3支ECH2O土壤含水量傳感器(Decagon，USA)，用于自動測定土壤表層(傳感器安裝位置地表以下約5 cm處)含水量、溫度、電導率等數據，土壤含水量傳感器連接至EM50數據采集器(Decagon，USA)，定期自動記錄相關數據，記錄間隔為12 h，每隔半月下載數據并重啟設備。

采用WatchDog 2000系列全自動氣象站(Spectrum，USA)測定降水量、風速(2 m)、風向、溫濕度等數據，記錄間隔為15 min。通過設置在距地面20 cm，60 cm高處的S-WSB-M003風速傳感器(Onset，USA)，測量不同高度的平均風速、陣風風速等，并由HOBOware數據采集器(Onset，USA)自動記錄數據，記錄間隔為10 min，每半月下載數據并重啟設備。本研究將觀測期內各階段的降水量與灌溉量之和定義為累積補水量。選取距地表20 cm處陣風風速表征該半月內的近地表瞬時風速。

1.3.3 植被高度和覆蓋度測量 每半月對試驗小區植被的高度和覆蓋度測定一次。其中，植被高度使用卷尺測定，植被覆蓋度使用動態測量系統(北京天航佳德科技有限公司，中國)測定，其測量方法為：將設備水平置于觀測地物之上進行拍攝，再通過選取和分析圖片中的一種或多種參考色，識別出參考色在照片中所占的百分比，以此計算獲得植被覆蓋度。每次測量每個小區選取10個測量位置，并計算植被覆蓋度平均值。在觀測期間T3試驗處理植被覆蓋度控制在5%以下，植被高度和覆蓋度按0值處理。

1.3.4 統計分析方法 以每半月份作為一個統計單元，將觀測期(2020年10月至2021年4月)分為14個單元，由數字1—14表示。使用Excel 2016對數據進行處理和作圖。使用spss19.0統計分析軟件，分析各影響因素對土壤結皮硬度、厚度的影響程度，以及不同處理間的差異性，其中各因素間相關性分析采用Pearson法，差異性檢驗采用獨立樣本T檢驗法?；跉埐罘治龇ㄓ嬎愀黩寗右蜃訉Y皮硬度、厚度的貢獻度。

式中：H為植被高度(cm);B為覆蓋度(%);U為風速(m/s);W為地表含水量(m3/m3);R為累計補水量(mm);T為溫度(℃);δ表示土壤結皮硬度、厚度與上述6個因子之間的殘差。TR為土壤結皮硬度、厚度變化趨勢;J為土壤結皮因子;ρ(x)為第x個驅動因子的貢獻度;C(x)為第x個驅動因子的變化對長期趨勢的貢獻。

2 結果與分析

2.1 結皮硬度與厚度動態變化特征

各試驗處理小區土壤結皮硬度在觀測期內的動態變化見圖1。T1處理、T2處理、T3處理變化趨勢大致相同，即土壤結皮硬度在1月中旬和3月初較低，進入4月后土壤結皮硬度快速增加，總體呈先下降后上升的趨勢。T4處理土壤結皮硬度在整個觀測期間變化較小。T1—T4處理土壤結皮硬度平均值分別為0.99±0.77，0.87±0.28，1.65±0.35，1.50±0.18 kg/cm2，T3，T4處理土壤結皮硬度遠大于T1，T2處理土壤結皮硬度，T1處理土壤結皮硬度變化波動最大，其均值標準誤為0.77 kg/cm2。差異顯著性分析結果表明，整個研究期內T1，T2處理的土壤結皮硬度與T3，T4處理的土壤結皮硬度普遍具有顯著差異(p<0.05)，其中T1，T2處理之間和T3，T4處理之間的土壤結皮硬度在次年4月份開始出現顯著差異(p<0.05)。

注：T1—T4為4個試驗處理，T1為一年兩熟耕地，T2為一年一熟耕地，T3為裸地，T4為自然恢復地。下同。

如圖2所示，各試驗處理區土壤結皮厚度在觀測期內變化趨勢為：T1—T4處理變化趨勢大致相同，即總體呈先下降后上升再下降的趨勢，即各處理結皮厚度存在典型的“雙峰”現象，各處理不同點在于T3，T4處理的變化幅度較T1，T2小，且T1，T2處理和T3，T4處理的結皮厚度峰值分別出現在3月和10月底。T1—T4處理土壤結皮厚度平均值分別為：0.66±0.31，0.51±0.22，0.60±0.19，0.48±0.21 cm，T1，T2處理土壤結皮厚度大于T3，T4處理土壤結皮厚度，T1處理土壤結皮厚度變化波動最大。差異顯著性分析結果表明，在次年1月至3月，T1—T4處理的土壤結皮厚度之間具有顯著差異(p<0.05)。

圖2 研究期間黃泛平原風沙區土壤結皮厚度變化特征

2.2 土壤含水量與風速動態變化特征

本研究使用半月的土壤表層(0—5 cm)含水量平均值表征該段時間的土壤含水量水平。如圖3所示，T1—T4試驗處理土壤表層含水量變化趨勢大致相同，即土壤表層含水量在1—2月較低且變化較小，在其他月份波動較大，總體呈先下降后上升再下降的變化趨勢；T2處理的土壤表層含水量最大，平均值為0.081 7±0.025 3 m3/m3，T3處理的土壤表層含水量最小，平均值為0.057 1±0.019 6 m3/m3。地表含水量主要受降水、灌溉和蒸發的影響，觀測期內降水量為202 mm。其中，12月至次年2月降水量較少，約為觀測期間總降水量的1%；10月至11月下半月降水量較多，為138.2 mm；次年3月至4月降水量為26.7 mm，研究期間降水量整體呈先降低后增加的趨勢，T1處理在4月有灌溉措施，灌溉量為50 mm。

圖3 研究期間黃泛平原風沙區土壤表層含水量變化特征

近地表風速是影響土壤表層含水量的重要因素之一。結果表明，T1—T4試驗處理近地表瞬時風速變化趨勢大致相同，即總體呈先升高后降低的趨勢。受地表植被影響，T3處理的近地表瞬時風速最大，平均值為11.63±3.43 m/s，T4處理的近地表瞬時風速最小，平均值為2.66±1.48 m/s。

圖4 研究期間黃泛平原風沙區近地表瞬時風速變化特征

2.3 植被動態變化特征

各處理植被高度動態變化情況如圖5所示。T1，T2處理植被高度變化趨勢大致相同。即3月前變化較小，進入3月后快速增長，總體呈逐漸上升的趨勢。T1，T2試驗處理最大值分別為38±3 cm，50±2 cm；T4處理植被高度變化總體呈下降趨勢，植被高度最小值為125±3 cm，最大值為150±4 cm，在研究期間其植被高度顯著大于T1，T2試驗處理(p<0.01)。

圖5 研究期間黃泛平原風沙區植被高度變化特征

觀測期間植被覆蓋度動態變化情況如圖6所示。T1，T2處理植被覆蓋度變化大致相同，總體呈逐漸上升的趨勢。T1，T2處理最大值分別為60%±2%，65%±3%；T4試驗處理植被覆蓋度變化較平緩，最大值為98%±1%，顯著大于T1，T2試驗處理(p<0.01)。

圖6 研究期間黃泛平原風沙區植被覆蓋度變化特征

2.4 影響因素分析

累計補水量、土壤表層含水量、植被高度、植被覆蓋度、土壤溫度和近地表風速等因素是對土壤結皮硬度和土壤結皮厚度可能產生影響的因素，將T1—T4處理的土壤結皮硬度和土壤結皮厚度與觀測期內各試驗處理的上述影響因素進行相關性分析，結果如表2所示。

表2 黃泛平原風沙區T1-T4處理土壤結皮硬度和厚度與各影響因素的相關系數

T1，T2處理的土壤結皮硬度與植被高度、土壤溫度和近地表風速具有顯著相關關系(p<0.05)，T1處理的土壤結皮硬度與植被覆蓋度呈顯著正相關關系(p<0.05)，其中T1，T2處理土壤結皮硬度與植被高度相關系數最大，相關系數分別為0.763，0.790；T3，T4處理的土壤結皮硬度與各影響因素均無顯著相關關系。T1，T2處理的土壤結皮厚度與近地表風速呈顯著正相關關系(p<0.05)，T3，T4處理的土壤結皮厚度與累計補水量呈顯著負相關關系(p<0.05)；溫度和植被同是土壤結皮厚度和硬度的主要影響因素。

土壤表層含水量(圖3)與土壤結皮硬度的變化(圖1)對比可知，結皮硬度與土壤含水量存在類似的變化趨勢，但其響應變化存在半月左右的滯后性，與結皮厚度的變化(圖2)對比可知，結皮厚度與土壤含水量存在類似的變化趨勢。

貢獻度計算結果表明，有無耕作條件下，土壤結皮硬度和厚度的主要驅動因子也不相同。耕作條件下，植被高度是影響結皮硬度和厚度變化的最主要驅動因子，其對T1，T2處理土壤結皮硬度變化的貢獻度分別為37%，47%，其對T1，T2處理土壤結皮厚度變化的貢獻度分別為39%，46%；無耕作條件下，近地表風速是影響結皮硬度變化的最主要驅動因子，其對T3，T4處理土壤結皮硬度變化的貢獻度分別為60%，51%，累計補水量是影響結皮厚度變化的最主要的驅動因子，其對T3，T4處理土壤結皮硬度變化的貢獻度分別為69%，45%。

3 討 論

3—4月期間，T1，T2，T3處理的土壤結皮硬度值快速增加的原因可能為該階段其植被覆蓋較低，土壤受降水影響，土粒間的內聚力增加，進而增大了土壤結皮硬度，該結果與李元元[17]的研究成果一致。研究期間T3和T4處理土壤結皮硬度整體顯著大于T1和T2處理，其原因可能是T3，T4處理擾動較少所致。T1，T2處理之間和T3，T4處理之間的土壤結皮硬度在次年4月開始出現顯著差異(p<0.05)，原因可能為進入春季，降雨增加，由于不同的植被覆蓋度程度，導致降水對表層土壤的夯實作用產生差異。

研究期間，各處理土壤結皮厚度總體呈先下降后上升再下降的趨勢，T3，T4處理的變化幅度較T1，T2小，且T1，T2處理和T3，T4處理的結皮厚度峰值分別出現在3月和10月底。這可能是由于T1，T2處理條件下，有多次地表旋翻、收獲、播種、施肥、灌溉等人為干擾，使土壤結皮處于相對頻繁的“破壞—形成”的循環過程中，而T3，T4處理長期處于人為干擾較小的環境下，其結皮相對穩定性更高，其整體變化較小。同時T1，T2試驗處理長期(約為6 a)進行施肥，土壤中有機質含量大，有機膠體密集的負電荷密度提高離子的吸附強度，其吸附力強，導致了土壤顆粒間的凝聚膠結作用提高，進而使土壤結皮厚度增加，該結果與王軍等[18]研究成果一致。在次年1—3月，T1—T4處理的土壤結皮厚度之間具有顯著差異(p<0.05)。其原因可能為1月為冬季，降水極少，近地表風速大，結皮厚度偏低，但由于植被覆蓋等因素影響，導致土壤小顆粒間的內聚力和土壤結皮厚度出現顯著性差異；3月為冬、春更替期，可能受降水增多或植被變化的影響，結皮厚度有所增大，但由于植被覆蓋等因素影響，不同處理間的土壤表層水分增大程度不同，降水對地表土壤的打擊夯實作用也不相同，導致各試驗處理的土壤結皮厚度出現顯著差異。

T1，T2處理土壤結皮硬度與植被高度、覆蓋度呈顯著正相關關系，其原因可能是T1，T2處理受耕作影響，其植被變化較大且土壤有機質高于其他處理所致，這與劉均陽等[19]、趙富王等[20]提出的植物的根系通過物理、生物、電化學作用促進土壤團聚體的形成，有利于土壤結皮硬度的增加的研究成果一致。

各試驗處理條件下，土壤結皮硬度與近地表風速均呈現負相關關系，且T1，T2與之表現出顯著相關性。這是可能是由于地表風速增大可加速地表水分蒸發，使得土壤顆粒間吸引力下降，導致土壤結皮硬度下降。各處理土壤結皮硬度和厚度與溫度呈現正相關關系，這可能是由于冬季土壤經過長期的晝夜反復凍融作用，土壤結皮進入一種破碎疏松的狀態，這與段爭虎等[11]在沙坡頭地區對土壤結皮的研究結果一致。

4 結 論

(1) 在黃泛平原風沙區，人為耕作不利于風沙土結皮的形成和硬度的保持，減少人為影響(沙地退耕還林、免耕)可以有效減少風蝕，保護土壤資源。

(2) 植被、近地表風速、溫度是影響風沙土結皮硬度和厚度的重要外部因素。風沙土結皮厚度、硬度變化趨勢與表層含水量表現出同步變化的特征，其中土壤結皮硬度的響應存在一定的滯后性，但結皮厚度、硬度與表層含水量未檢驗出顯著相關性。

(3) 耕作條件下，植被高度是影響結皮硬度和厚度變化的最大驅動因子。無耕作條件下，近地表風速是影響結皮硬度變化的最大驅動因子，累計補水量是影響結皮厚度變化的最大驅動因子。