黃河源區高寒退化草地鼠丘對土壤風蝕作用的影響

翟 輝, 李國榮,2, 李進芳, 朱海麗,2, 趙健赟,2, 劉亞斌, 胡夏嵩,2

(1.青海大學 地質工程系, 西寧 810016; 2.青藏高原北緣新生代資源環境重點實驗室, 西寧 810016)

黃河源區位于青藏高原東北部，是我國重要的水資源涵養區，生態地位極其重要[1-2]。由于該區域獨特的地理位置及生態環境特點，在諸多因素的綜合影響下高寒草地發生了不同程度的退化[3-4]。目前造成黃河源區高寒草地退化的原因主要包括氣候因素以及放牧和嚙齒類動物活動，其中以高原鼠兔(Ochotonacurzoniae)和高原鼢鼠(Eospalaxbaileyi)為主的小型嚙齒動物活動是造成草地退化最主要的原因[5-6]。嚙齒動物掘穴造丘活動改變了原生草地的土壤理化性質，并在地表堆積形成大量的松散鼠丘[7]。風力是導致高寒草地退化的重要侵蝕動力[8-9]，在長期的風蝕作用中，嚙齒動物活動以及產生的大量鼠丘在草地退化過程中發揮著重要的作用，鼠類不僅啃食草根直接破壞植被，而且使地表植被因鼠丘土壤的掩埋而死亡[10]，導致草地出現大量退化斑塊[11-13]，大面積裸露的鼠丘土壤極易產生風蝕作用，從而加劇了草地退化。有關土壤風蝕研究方面，有學者指出影響土壤風蝕強度的因素主要有風力、植被蓋度、土壤質地、土壤含水量、地形因素等[14-17]，且土壤抗蝕因子的不同導致土壤風蝕特征和規律也存在一定的差異[18-21]。鼠丘作為高寒草地嚙齒動物擾動形成的特殊堆積體，其在影響土壤風蝕強度方面存在特殊性。因此，研究鼠丘對土壤風蝕作用的影響，對于揭示高寒草地退化機理具有重要意義。

目前諸多學者針對草地退化區水土流失和植被恢復進行了研究[22-26]，也有學者針對高寒草地鼠丘特征及土壤侵蝕等進行調查和研究，如王紅蘭等[27]研究認為鼠類活動使地表土壤保水能力降低，將對草地植被生長和水土流失產生影響。馬素潔等[28]對高原鼢鼠鼠丘水土流失特征進行研究，認為新生土丘屬于次生裸地，容易導致水土流失。李國榮等[29]分析不同風速梯度下鼠丘土壤風力侵蝕的基本特征和規律，并討論了嚙齒動物活動對水土流失的影響。盡管諸多學者針對鼠丘土壤開展相關研究，但有關黃河源草地退化區不同鼠丘土壤的風蝕規律等的研究較少，尤其是在不同影響因素下鼠丘對土壤風蝕作用的影響方面有待深入研究。為此，本文以黃河源高寒草地小型嚙齒動物活動堆積的鼠丘為研究對象，通過開展土壤風蝕原位模擬試驗，重點分析不同風速下，鼠丘形狀大小、植被根系及土壤含水量等抗蝕因子作用下鼠丘土壤的風蝕特征和規律，為揭示高寒草甸退化的成因機理以及草地植被恢復、生態環境改善等提供科學依據。

1 試驗材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于青海省黃南州河南縣，屬黃河源高寒草甸區，地理位置為東經101°47′，北緯34°44′，區內海拔約3 600 m。年均氣溫為-1.3～1.6℃，年降雨量597.1～615.5 mm[30]。該地區每年11月至次年4月份為寒冷、干燥、多大風天氣，最大風速達到23.7 m/s[31]。該地區地勢復雜，氣候惡劣，在諸多因素影響下原生草地出現大面積退化現象。該區域主要的嚙齒動物類型為高原鼠兔和高原鼢鼠，嚙齒動物強烈的掘穴活動使地表出現大量的鼠丘和洞穴。根據野外調查，同一區域內均分布著兩種鼠丘，鼠丘平均密度可達370個/hm2，鼠洞平均密度可達950個/hm2，其中高原鼠兔因地表活動頻繁而產生大量的鼠洞(圖1)，且在部分鼠洞周圍產生相對平緩或凸凹不平的鼠丘，其土壤顆粒較細小；高原鼢鼠主要在地下活動，其掘穴過程中在地表堆積形成半球型鼠丘(圖2)，土壤顆粒相對較粗，其鼠洞在鼠丘底部。小型嚙齒動物活動對草地造成極其嚴重的破壞現象，而且堆積形成了大量疏松鼠丘，從而加劇了干旱期土壤的風蝕作用，使該地區成為高寒草地典型的鼠丘土壤風蝕區域。

圖1 高原鼠兔活動產生的鼠洞

圖2 高原鼢鼠活動堆積的鼠丘

1.2 研究方法

在圈定的300 m×300 m的禁牧試驗區，隨機選取100個未結皮的鼠丘(高原鼢鼠和高原鼠兔堆積的鼠丘各50個)，測量其高度、直徑、鼠丘土壤含水量等，調查鼠丘外部形態特征及根系數量，然后采用人工模擬風蝕試驗裝置開展相應的試驗。

人工模擬風蝕試驗裝置由風箱、風速調節器、蓄電池和數據線組成(圖3)，該裝置的風速范圍為3～18 m/s，共分11檔風速(每差1.5 m/s為1檔)，迎風橫截面積約2 m2，風速誤差約±0.3 m/s，可將鼠丘置于2 mm厚的風蝕盤(無邊壁)中心進行吹蝕，并通過測定吹蝕前后風蝕盤上土壤的重量，以此獲得土壤風蝕量。試驗時風箱口與鼠丘距離為50 cm，每個試驗從風箱啟動開始計時，每隔5 min測量其土壤流失量1次，每次試驗吹蝕60 min。為了避免天然風力對模擬試驗的影響，試驗時用擋風板阻隔干擾模擬風速的自然風。

圖3 野外人工模擬風蝕試驗裝置

(1) 不同鼠丘大小和形狀的風蝕試驗。根據反復調查，研究區分布的鼠丘外部形狀大致可以分為半球型、平緩型和凸凹型(似“M”)3種類型(圖4)，平均直徑為35 cm，平均高度為12 cm。為分析不同大小和形狀的鼠丘對土壤風蝕量的影響，根據野外調查結果，試驗中鼠丘大小的選擇分別設定為大(直徑約40 cm，高度16 cm)、中(直徑約35 cm，高度12 cm)、小(直徑約30 cm，高度8 cm)3種，在風蝕盤上模擬堆積上述3種形態大小的鼠丘，然后采用風蝕試驗裝置分別開展3級風速梯度的恒風試驗。模擬風蝕試驗中的風速等級設定為6，9，12 m/s共3個等級(據研究區氣象站近3年季風期的風速監測結果設定)，風蝕歷時為60 min，每級風速下的侵蝕試驗均各重復5次。

圖4 研究區鼠丘外部形狀

(2) 不同鼠丘根系數量的風蝕試驗。為調查鼠丘內植被根系的分布數量，將鼠丘土壤放入2 mm孔徑的土壤篩，然后將鼠丘內的植被根系分離后統計數量(圖5)，根據統計結果，在鼠丘中配備的根系數量分別設定為200，400，600，800，1 000，1 200根共6個處理，以直徑35 cm、高度12 cm的中等半球型鼠丘為例，對均勻混合植被根系的鼠丘進行恒定風速9 m/s的風蝕試驗。為了使模擬鼠丘的土壤量相同，且便于對比植被根系對鼠丘土壤風蝕作用的影響，試驗時將相同體積和重量的土壤按鼠丘形狀模擬堆積在風蝕盤上進行試驗。此外，模擬試驗中在風蝕盤底部鋪設表面相對粗糙的一塊布(圖6)，以模擬自然草地表面的粗糙度。

圖5 篩分法統計鼠丘內植被根系

圖6 鼠丘風蝕盤底部鋪設的粗糙布

(3) 不同含水量條件下的風蝕試驗。以直徑35 cm、高度12 cm的中等半球形鼠丘為例，將不同含水量的天然鼠丘土壤放置在風蝕盤上，并在9 m/s風速條件下采用上述相同的方法開展恒風侵蝕試驗。依據野外調查和統計，選擇鼠丘土壤含水量的梯度為0，3%，6%，9%，12%，15%，18%共7種，每種含水量的鼠丘各重復3次，重點測試含水量對鼠丘土壤風蝕作用的影響。

2 結果與分析

(1) 鼠丘大小對土壤風蝕的影響。試驗結果表明，模擬鼠丘土壤的風蝕量隨著風速的增加而逐步增加(圖7)。如在鼠丘大小相同的情況下，風速從6 m/s增加到9 m/s和12 m/s時，大鼠丘的土壤流失量分別增加了1.22，1.86倍，中等鼠丘的土壤流失量分別增加了1.20，1.84倍，小鼠丘的土壤流失量分別增加了1.18，1.79倍。此外，在風速相同的情況下，鼠丘越大時土壤流失量越大，如風速6 m/s時，大鼠丘和中等鼠丘的流失量分別比小鼠丘增加2.71，1.70倍，當風速增加到9 m/s時其流失量分別增加1.85，2.78倍，風速增加到12 m/s時其分別增加1.91，2.95倍。分析認為鼠丘越大時接觸風蝕的表面積越大，而且細小顆粒的相對比例也增大，因此在同等條件下大鼠丘的土壤流失量隨風速的增加而出現顯著的增長趨勢(p<0.05)。

圖7 鼠丘大小與風蝕量的關系

(2) 鼠丘形狀對土壤風蝕的影響。3種不同形狀的鼠丘在風力侵蝕作用下(風速9 m/s)，其土壤的流失量也存在顯著差異(p<0.05)。試驗結果表明，嚙齒動物堆積的鼠丘越高，鼠丘表面越平坦，土壤的流失量就越大，即試驗中3種鼠丘土壤風蝕量的大小依次為半球型>凸凹型>平緩型(圖8)。分析結果顯示，經過60 min的恒風風蝕后，半球型的鼠丘表面的土壤流失量比凸凹型鼠丘增加35.5%，比平緩型鼠丘增加92.6%；凸凹型鼠丘土壤流失量比平緩型鼠丘增加42.2%。圖9是3種鼠丘表面土壤風蝕量隨風蝕時間的變化規律，從圖中也可以看出不同形狀的鼠丘土壤風蝕作用在前5 min內較敏感，且土壤風蝕量隨風蝕時間的增加而增大，分析認為這與鼠丘表面細小顆粒的瞬時流失有密切關系，即在風蝕作用下，細小顆粒在5 min內瞬間被吹蝕，鼠丘表面可被風運移的土壤顆粒急劇減小，導致風蝕初期流失量迅速增加，并隨風力的持續吹蝕，流失量變化緩慢。

圖8 鼠丘形狀與風蝕量的關系

圖9 不同形狀鼠丘土壤風蝕量隨風蝕時間的變化規律

(3) 鼠丘內根系數量對土壤風蝕的影響。鼠丘內植被根系數量的控制試驗數據得出，土壤中的植被根系對土壤風蝕具有抑制作用，即根系越多，土壤流失量越小，如鼠丘中根系含量為1 200根時的土壤流失量比含根200條時減少近66.51%(圖10)。圖11既反映出土壤流失量隨根系數量的增加而減小的變化規律，也反映出鼠丘土壤風蝕作用在前5 min內較敏感和土壤風蝕量隨風蝕時間的增加而增大的特征。

圖10 植被根系數量與風蝕量的關系

圖11 風蝕量隨根系數量和侵蝕時間的變化規律

(4) 土壤含水量變化對土壤風蝕的影響。通過野外實地調查發現，土壤含水量對土壤風力侵蝕具有很強的抑制作用。當退化區產生降水后，土壤中的含水量急劇增加，地表將會出現大量的水力侵蝕作用，盡管風力侵蝕對水力侵蝕產生間接輔助作用，但此時幾乎不存在風力對土壤流失的直接影響。模擬試驗及數據分析結果表明，隨著含水量的增加，土壤的風蝕量急劇降低(圖12—13)，如干燥、松散的鼠丘在風速9 m/s時，吹蝕60 min后土壤流失量達448.1 g，當含水量增加到3%，6%時，流失量減小到342.6，214.3 g，其減小幅度分別為23.6%，52.2%；當含水量為9%時，土壤流失量減小到87.4g，其減小幅度為80.5%；至含水量增加到18%時，土壤風蝕量僅為8.4 g，減少幅度為98.1%，而且此時流失的少量土壤顆粒是經過持續吹蝕后，土壤含水量降低所致。由圖13可知，5 min是土壤風蝕速率增長幅度最大的時期，因此土壤含水量是影響松散土壤區土壤顆粒流失的重要影響因素。

圖12 土壤風蝕量與土壤含水量的關系

圖13 土壤風蝕量與風蝕時間的關系

3 討 論

為查明不同影響因素對鼠丘土壤風蝕的影響，在前期試驗中重點對不同風速、鼠丘形態大小、根系數量和含水量等因素進行了分別探究。為分析上述因素對鼠丘土壤風蝕強度的影響程度，采用灰色關聯分析法進行了統計分析[32-33]。分析結果表明，鼠丘大小和風速與土壤流失量的關系最密切，其關聯度分別是0.864，0.849，其次是土壤含水量，其關聯度為0.805，含根量與土壤風蝕量的關聯度相對較小，其關聯度為0.722(表1)，上述分析結果說明風速和鼠丘大小的變化對鼠丘土壤風蝕作用的影響程度較大，結合野外調查和試驗結果，風速和鼠丘大小是鼠丘土壤風蝕作用的促進因素，且鼠丘大小對土壤風蝕量的影響略大于風速，含水量和含根量對土壤流失量具有一定的抑制因素，其中含根量的抑制作用略小于土壤含水量，分析認為盡管根系經嚙齒動物啃咬后破壞了原來根-土復合體的整體性，但在風蝕作用中根系依然發揮重要的抑制作用。

表1 風蝕強度因子貢獻度分析

鼠丘是受嚙齒類動物強烈的機械擾動形成的，土壤具有其特殊性和復雜性，這也就決定了影響鼠丘土壤風蝕因素的多元性和復雜性。為便于定量分析不同因素對鼠丘土壤風蝕作用的影響，在風蝕試驗中針對不同影響因素下鼠丘土壤風蝕特征進行了獨立的控制試驗，然而在野外鼠丘土壤風蝕有可能受多種因素的影響，為深入分析多因素綜合作用及各因素間的相互作用和相互制約等對高寒草地鼠丘土壤風蝕的影響，則需要設計更加細致的綜合性試驗方案和長期監測。此外，此次試驗中涉及高原鼠兔和高原鼢鼠2種小型嚙齒類動物活動堆積的鼠丘，由于動物類型和生活習性不同致使鼠丘形態、內部結構以及土壤顆粒等存在差異性，其對土壤風蝕作用的影響也存在一定的差異，如不同鼠丘間土壤風蝕強度差異、流失土壤的粒徑范圍及其運移規律、風速和風向變化與鼠丘土壤流失的關系、鼠丘長期堆積對植被及其草地退化的影響等，將是今后有待深入研究的科學問題。

經實地調查，降水對土壤侵蝕的抑制作用比較明顯，而且降雨后隨著水分的蒸發，鼠丘表面在短時間內將會形成機械結皮，其對鼠丘土壤風蝕產生極大的抗蝕作用。此外，野外調查還發現，經過長期風蝕作用后天然鼠丘表面相對細小的土壤顆粒急劇減少，即不同時間段形成的鼠丘土壤具有較為明顯的差異性，這也是本研究中選擇新鮮的、未結皮的鼠丘土壤進行模擬試驗的重要原因。

4 結 論

(1) 高寒草地鼠丘土壤的風蝕量不僅與風速有關，也與鼠丘大小和形狀有密切關聯。鼠丘土壤的風蝕量隨著風速的增加而逐步增加，風速從6 m/s逐步增加12 m/s時，大鼠丘土壤流失量增加了1.86倍，小鼠丘增加了1.79倍。風速6 m/s時，與小鼠丘相比，大鼠丘和中鼠丘的土壤流失量分別增加了2.71，1.70倍，風速增加到9 m/s時其分別增加1.85，2.78倍，風速增加到12 m/s時其分別增加1.91，2.95倍，表現出鼠丘大小與土壤流失量呈正比例關系。

(2) 鼠丘形狀是土壤風蝕作用的影響因素，同等條件下3種不同形狀的鼠丘土壤風蝕量大小依次為半球型>凸凹型>平緩型，其中半球型鼠土壤流失量比凸凹型和平緩型鼠丘分別增加了35.5%，92.6%，且風力作用的前5 min是土壤風蝕速的敏感期。

(3) 鼠丘土壤中的植被根系數量和土壤含水量均對土壤風蝕作用具有明顯的抑制作用。根系1 200根時的土壤流失量比含根200根時減少近66.51%；當土壤含水量從0逐步增加到18%時，鼠丘表面的土壤流失量降低23.6%～98.1%。根系數量和土壤含水量與土壤風蝕量呈反比，說明嚙齒動物活動堆積形成的鼠丘，其中的植被根系數量和土壤含水量均是土壤風蝕的重要抗蝕性因子。