阴山北麓草地土壤潜在可蚀性研究

阴山北麓草地土壤潜在可蚀性研究

土壤风蚀是指土壤在风荷载下发生的运动。包括细粉尘以溶胶方式存在,沙尘以漂移方式迁移。也包括较粗颗粒在地表发生跃移,较粗颗粒在风速减弱的条件下迅速沉降。土壤被风力侵蚀使土壤肥力下降,土壤细颗粒物质被吹走,导致土壤粗化,甚至荒漠化。土壤风蚀的严重后果引起全世界的广泛关注。由此,对于土壤风蚀科学的发生、发展起到了积极的推动作用,土壤风蚀科学也就应运而生。20世纪80年代以来,土壤风蚀研究有了新的进展。国外研究方面:在广度和深度上继续进行了土壤风蚀的研究工作。在进行上述研究工作的同时,关于土壤风蚀预测模型问题的研究是本阶段的一个重心。此阶段比较有影响的模型和预测系统主要有:美国农业部推动建立的风蚀预报系统(WEPS)。WEPS是一个以过程为基础的运用最基本原则的计算机模拟模型,其目标不仅仅适用于农田。WEPS总结了已有的研究成果,是目前为止风蚀预报中最完整、技术手段最先进的模型系统。修正风蚀方程(RWEQ),Skidmore认为WEQ中的气候不能适用于高降雨量与低降雨量的地区,所以必须提出新的气候因子。鉴于WEQ在气候等方面的局限性,修正WEQ成为了必然趋势,由此导致了RWEQ的产生。Gregory在1988年提出了得克萨斯侵蚀分析模型(TEAM),模型的基本思路是利用计算机来模拟风速廓线的发育以及各种长度田块上的土壤运动。20世纪90年代以来由于新理论、新技术的出现,使得土壤科学出现了新的可喜的发展局面。1996年YapingShao等借助于GIS技术建立了土壤风蚀的评价模型。国内研究方面:贺大良、董光荣等在1986年至1987年通过风洞实验,探讨了土壤翻耕、牲畜践踏等因素对土壤风蚀的影响。朱震达、陈治平和吴正等在1981年认为土壤性质的差异会影响土壤风蚀的强度,而风蚀作用的结果会改变土壤颗粒的组成。刘玉璋、董光荣等在1992年利用风洞对影响风蚀的诸因素进行了定量和半定量的模拟实验,认为土壤风蚀是自然和人为因素相互作用的产物,人为因素是叠加于自然因素之上的加速作用。甘锐,孙虎等分析了黄土高原地区城郊型侵蚀环境。黄福祥、牛海山等在2001年通过野外实地观测,建立了毛乌素沙地植被覆盖类型与风势输沙率之间的定量模型,并确定了不同风速条件下的有效植被盖度。刘玉璋等人通过实验表明,由人为因素和自然因素引起的风蚀量分别占总风蚀量的78.6%和21.4%。随着社会的发展和人口数量的增加,土地利用结构在不断进行调整。人类对土地资源开发利用的深度和广度也在不断加大,土地退化现象日益严重。海春兴,赵烨等测量了农村交通用地的土壤风蚀状况。杜娟,赵景波对陕西关中全新世以来黄土塬区土壤侵蚀进行了研究。张克存,屈建军等进行了风沙流特性的风洞模拟实验。汪季,高永,刘艳萍等进行了防护林降解近地表沙尘的风洞模拟研究。我国是世界上受到土壤风蚀、土地沙漠化危害最严重的国家之一,土壤风蚀是干旱、半干旱及亚湿润地区土地荒漠化的一个主要过程。位于我国北方农牧交错带的阴山北麓存在着严重的土壤风蚀问题。因此,探讨其内部的土地利用方式与土壤风蚀的关系,不仅对本地区的可持续发展具有深刻的影响,也是保证区域生态安全的关键问题。1武川盆地群干草原区采样区主要位于武川县境内和包头市达尔罕茂明安联合旗的东南部地区。区域内自然环境复杂多样,山区约占总面积的47%,主要山脉即阴山山脉的中段——大青山。从县境西部的哈拉门独乡入境,逶迤起伏,沿南向东经庙沟、哈拉和少、纳令沟、蘑菇窑、大青山、大豆馆6个乡,至东部大蓝旗和哈乐乡出境。北部和中西部平缓起伏,形成一个未封闭的盆地——武川盆地,整个地形成簸箕状。该地区属中温带大陆性季风气候。其显著特点是冬季长而寒冷,夏季短而凉爽,降水量少,温差大,日照充足。多风沙和寒潮。历年平均气温2.5℃,最高气温34.2℃,1月平均气温-15.8℃,年平均降水量为360.4mm,降水时间集中在6～9月份,占年降水量的81%。年平均风速为3.6m/s,日平均风速大于或等于8m/s的日数年均116.4天,大于或等于17m/s的大风日数年均39天。2材料和方法2.1试验用的仪器和材料野外采样用的器材有:采样布袋(21×31cm2)、大平铲(20cm×20cm×4cm)、GPS(型号:HOLUXGM-101,精度:5～10m)等。试验用的仪器和材料主要有:2mm的土壤筛、擀磨用的木棒、油布、电子天平(TD型,精确度0.1g)、阻尼分析天平(TGS28型,精确度0.001g)、烘箱、铝盒、滤纸、漏斗、三角瓶、小三角杯、1000ml量筒、烧杯、电热板、试管夹、油浴锅、电导仪、电导电极、0～60℃温度计、60ml的注射器、0.2mol/L盐酸、0.05mol/L盐酸、0.068mol/L重铬酸钾硫酸溶液、邻菲罗啉指示剂、0.2mol/L的硫酸铁和0.02mol/L盐酸标准溶液。2.2样地的地貌、地貌特征2004年3～4月在阴山北麓沿西北方向先后进行三次定点取样,用GPS进行野外定点。方法是将GPS平放在采样点,等待读数稳定后读出所示的经度、纬度和海拔高度。先后选取退化林地(110°28′35.7″E,41°39′0.3″N,海拔1376m)、耕地(110°28′39.2″E,41°38′57″N,海拔1375m)、草地(110°32′44.8″E,41°32′54.8″N,海拔1372m)、未成林林地(110°31′58.5″E,41°26′49.2″N,海拔1515m)、人造林地(110°31′58.4″E,41°26′46.1″N,海拔1514m)、耕地(110°32′01.4″E,41°26′48.4″N,海拔1512m)、灌丛(110°40′37.5″E,41°22′06.4″N,海拔1631m)、耕地(110°40′35.9″E,41°22′03.0″N,海拔1626m)、退耕地(110°56′06.3″E,41°19′12.9″N,海拔1652m)、多年退耕地(111°11′19.3″E,41°15′38.3″N,海拔1654m)、耕地(111°24′56.1″E,40°06′49.1″N,海拔1586m)、耕地(111°24′56.1″E,40°06′49.1″N,海拔1586m)、草地(111°32′20.7″E,40°56′16.2″N,海拔1603m)十三个样地。以上采样对象根据土样所处的地形、土地利用状况、距离、地貌类型及土壤质地的不同来加以确定,采样点间隔15～30km。取回土样后,经过风干和挑选对其进行室内理化分析,用电导率仪测定电导率,用丘林法测定有机质,用吸管法测定土壤机械组成,用气量法来测定碳酸钙的有无,三次采样测定结果见表1、表2、表3。3计算和分析结果3.1土壤潜在可蚀性的计算根据以上测定的数据,用风蚀潜在方程计算出不同土地利用方式下土壤的可蚀部分。用EF表示可蚀性,单位为百分数。SC表示砂砾与粉粒的比率。Si为粘粒所占的百分率。OC代表有机碳的百分含量。EC指饱和电导率,其单位为ms·cm-1。利用以上因子,通过如下方程计算不同土地利用方式下土壤的潜在可蚀性,具体计算公式如下:旱地有钙土壤:旱地无钙土壤:在所采样点中,包括有钙和无钙两种土壤。碳酸钙的胶结作用能抑制风蚀对土壤表层的破坏,为了避免其对计算造成误差,分别采用方程(1)和方程(2)计算其潜在可蚀性,计算结果见表4。3.2土壤潜在可蚀性的变化在所采样点中包括林地(退化林地、未成林林地与人造林地)、耕地(耕地、退耕地与多年退耕地)、灌丛和草地几种主要土地利用类型。2004年3月13日在采样区从西北到东南进行第一次土壤采样,采样点土地利用方式依次为退化林地、耕地、草地、未成林林地、人造林地、耕地、灌丛、耕地、退耕地、多年退耕地、耕地、耕地和草地,共13个样点,2004年4月2日和2004年4月25日按相同顺序进行第二次及第三次采样,三次采样的土壤可蚀性百分数据值见表4。经过以上数据分析(图1)可知第一次采样的土壤可蚀性与第二次和第三次采样的土壤可蚀性存在明显差异,第二次采样的土壤可蚀性与第三次采样的土壤可蚀性较第一次增大。这是由于第一次采样在2004年3月,初春季节土壤未受冻融扰动和风蚀的影响,各种用地的土壤潜在可蚀性均小。春季升温后表土在冻融和风蚀作用下,土壤的潜在可蚀性发生了很大变化,其值均变大,但这种变化并不是持续的,如第三次采样的土壤潜在可蚀性与第二次相比变小,但仍大于第一次采样的土壤可蚀性。由计算结果可看出:研究区不同土地利用方式下土壤的潜在可蚀性存在着差异。图1和图2是各种用地土壤的潜在可蚀性大小的描述。春季随着温度的升高,土壤在冻融作用下产生风蚀现象,土壤可蚀性相应地发生变大。将第一次采样与第二次采样相比较,可知第二次采样的土壤可蚀性大于第一次采样的土壤可蚀性,如样点1退化林地在第一次采样中的土壤可蚀性为57.79%,第二次为66.92%。但受其它因素的影响,也有个别特殊的样点,第二次采样的可蚀性小于第一次采样的可蚀性,如样点3草地,位于达茂乌克忽洞的梁坡(北坡)。在三次采样中其砂砾含量分别为88.92%、88.16%、79.39%,逐渐减少;粉粒含量分别为3.26%、6.45%、11.12%,逐渐增大,正反映了土壤可蚀性与土壤颗粒组成的关系。春季随着温度的继续升高,土壤温度和湿度环境发生了变化,土壤潜在可蚀性降低。如在第二次和第三次采样中,样点7灌丛的土壤可蚀性为66.67%和64.81%,样点8耕地(农作物茬子15cm)的土壤可蚀性为68.16%和65.96%,总体都变小。但也有个别样点变大,如样点2和样点6,均为耕地,随温度的进一步升高,土壤可蚀性反而增大,在第二次和第三次采样中土壤可蚀性为58.25%、60.45和71.27%、74.29%。样点2为达茂乌克忽洞的玉米地,滩地。样点6为达茂乌克忽洞的油菜地,位于梁顶,土壤为含砾沙质。由图2可知在阴山北麓不同土地利用的土壤平均潜在可蚀性关系为:草地<灌丛<林地<耕地。4土壤潜在的可蚀性春季随着温度的升高,土壤在冻融作用下产生风蚀现象,土壤可蚀性相应地变大。但随着温度的继续升高,土壤温度和湿度环境发生了变化,土壤潜在可蚀性降低。土地利用方式不同,土壤表层的理化性质、地表状况也会产生一定的差异,从而导致了表层土壤的潜在可蚀性的不同。如第一次采样中样点2-耕地的土壤可蚀性最小,为57.05%