1、 37 2023 年 第 1 期 黑 龙 江 水 利 科 技 No.1.2023 （第 51 卷）Heilongjiang Hydraulic Science and Technology （Total No.51）基于不同用地类型的土壤风蚀物变化特征研究吕兴民(锦州凌丰建设工程有限公司，辽宁 锦州 121100)摘 要：文章综合利用室内分析与野外监测的方法，分析了义县下堡子小流域不同用地类型在春季备耕期和冬季休耕期的风蚀物质量、碳氮含量及粒径变化特征。结果表明：垂向上，马铃薯翻耕和山杏林地的风蚀物质量呈幂函数递减趋势，监测范围内随高度的增加马铃薯免耕、桑葚和油桃地土壤风蚀物质质量分数变化没有
2、规律性。不同用地类型下春季备耕期均高于冬季休耕期的输沙通量，春季休耕期的风蚀物粒径多集中于2250m范围，而冬季休耕期多集中于 2500m 范围。春季备耕期低于冬季休耕期的风蚀物碳氮含量，人类活动和用地类型会对粒径、碳氮含量及风蚀物质量的垂直分布产生影响，其中输沙通量受人类活动的影响最大。因此，通过合理调整土地利用布局、构建防风草篱等措施，可以达到有效拦截风沙、降低近地表风速和防治土壤风蚀的作用。关键词：用地类型；土壤风蚀物；变化特征；野外监测；室内分析中图分类号：S157.1文件标识码：B义县属于辽西山地丘陵区范围，地处半干旱、半湿润大陆性季风气候区，长期以来该区域大风天气频发饱受土壤风蚀的
3、侵扰，尤其是土地利用方式的改变以及高强度经营活动更是加剧了风蚀过程，土壤风蚀带来的扬沙天气、土壤退化等现象对区域生态安全构成严重威胁1-2。实践表明，风蚀是造成表层土壤碳氮流失的关键因素之一，风蚀每年造成的总氮和有机碳流失量达到 4106t、7106t。风蚀导致的细颗粒损失会产生更沙质的土壤结构，而细颗粒的损失进一步降低土壤有效性及养分含量，其中地上部植被状态及土壤性质是影响细颗粒物损失的主要因素3-5。近年来，我国诸多学者深入研究了土壤质量受风蚀的影响、风蚀物含量及其垂直分布等，但定量分析地表土壤养分损失及组成与土壤风蚀物粒度组成的关系，以及风蚀物携带的碳氮养分含量等还鲜有报道。因此，研究不
4、同用地方式地表土壤碳氮养分的垂直分布规律、风蚀物含量及机械组成，对于理清土壤贫瘠沙化的原因以及进一步了解风蚀过程、作用机理等意义重大。本研究通过野外实地调研，选择辽西山地丘陵区义县下堡子小流域粮食、林果两种用地类型，确定春冬季两个时段，地表风蚀物采集时间为 2020-2021 年大风季节(春季、冬季)，通过数据采集揭示不同用地类型的风蚀物碳氮含量、粒径、质量垂直分布特征。1 研究方法1.1 区域概况下堡子小流域位于辽宁省义县瓦子峪镇境内，属大凌河中游，地处E12133521213600，N413624413956之间，属半干旱、半湿润大陆性季风气候，具有春季干旱，雨热同期，日照充足，温差较大的
5、特点，年均降水量528.3mm，降雨年季间变化大，年内分配不均匀，多集中在7-9月。据统计，10积温3389.1，年日照时数2581.6h，无霜期149d，太阳总辐射量585kJ/cm2，收稿日期 2022-12-15作者简介吕兴民（1965-），男，辽宁阜新人，助理工程师，研究方向为水利工程、水土保持工程、河道、农业水利工程、监理等。文章编号:1007-7596（2023）01-0037-06DOI:10.14122/ki.hskj.2023.01.046 38 2023 年 第 1 期 黑 龙 江 水 利 科 技 No.1.2023 （第 51 卷）Heilongjiang Hydraul
6、ic Science and Technology （Total No.51）多年平均大风日数161d，多年平均风速3m/s，冬季以西北风为主，夏季以西南风为主。土壤类型以棕壤性土亚类为主，成土母质为第四纪黄土状沉积物及石灰岩、基性岩、酸性岩等风化物，腐殖质少，通透性差，抗冲蚀性弱，土壤侵蚀极易发生水土流失6-8。1.2 样点选择根据义县农业用地和土壤风蚀实际情况，确定粮食作物用地(马铃薯免耕地、马铃薯翻耕地)和林果用地(桑葚、山杏、油桃)等用地类型。为保证样地土壤状况、气温、风速、风向等参数的相同，各地块均分布于下堡子小流域中心附近，各样点情况见表 1。表 1 样点地表特征用地类型桑葚山杏油
7、桃马铃薯免耕马铃薯翻耕种植密度/cm10010010050100600/郁闭度0.80.10.02/高度/cm18050200地表覆盖物无无无秸秆(50%)无越冬前干扰无无下架埋深无旋耕春季备耕期干扰无无深挖上架秸秆清理无1.3 检测方法采用阶梯式集沙仪收集不同用地类型的土壤 风 蚀 物，集 沙 仪 总 高 度 100cm，将 截 面 积5cm5cm 的 2 个集沙筒分别安设于距离地面70cm、60cm、50cm、40cm、30cm 处，集沙筒的一端与布袋相连接，另一端开口收集风蚀物。在风力作用下风蚀物经进沙通道进入布袋，沙尘进入流线构造的布袋内后靠重力沉积，将导向器安装在集沙仪上方，集沙仪能
8、够自由旋转，从而保证侵蚀风向始终正对集沙仪入口10-12。经实地调研，定义春季备耕期为次年 3-5 月，冬季休耕期为上年 12 月-次年 3 月。本研究于2020 年 12 月 1 日安装集沙仪，针对不同用地类型每隔 60m 连续安装 3 个集沙仪，为降低远距离运输对风蚀物收集结果的影响，研究所选地块面积均不低于 2000m2，在地块北侧及西侧即主风向方向种植草篱和防护林。将 2021 年 4 月 28 日、2021年 2 月 26 日集沙仪所采集的风蚀物作为春季备耕期和冬季休耕期风蚀物样品。风蚀物收集过程中，监测区域内的降雨及风速情况，如表 2 所示。表 2 观测期降雨及风速监测值时间202
9、0.11.12-2020.12.122020.12.13-2021.1.142021.1.15-2021.2.232021.2.24-2021.3.192021.3.20-2021.4.212021.4.22-2021.5.1410m 最大风速/ms-121.525.724.623.727.428.610m 平均风速/ms-13.43.53.83.44.14.2风速 13m/s 天数/d15162282418降雨量/mm003.504.60在春季备耕期和冬季休耕期观测前，对各样点05cm 深度范围内的表土取样，将采集回来的样品风干，剔除杂质后粉碎过 2mm 筛，然后将样品分成两部分用于碳、氮含
10、量及粒度的测定，所用仪器有元素分析仪和激光粒度仪等。1.4 富集比计算本研究利用富集比来反映土壤养分损失及颗粒组成与碳氮含量、粒径之间的关系，其相关公式为：01CC=碳富集比(1)01NN=氮富集比(2)01PZPZ=不同粒级颗粒富集比(3)式中：C1、N1、PZ1为风蚀物中的碳、氮和某粒级颗粒物含量，%；C0、N0、PZ0为表层土壤中碳、氮和某粒级颗粒物含量，%。2 结果与分析2.1 土壤风蚀物质量分数变化在春季备耕期和冬季休耕期，自然风条件下不同用地类型的土壤风蚀物随高度变化特征见图 1。0%20%40%60%80%100%山杏桑葚油桃马铃薯免耕马铃薯翻耕用地类型30cm40cm50cm6
11、0cm70cm风蚀物质量分数/%(a)春季休耕期 39 2023 年 第 1 期 黑 龙 江 水 利 科 技 No.1.2023 （第 51 卷）Heilongjiang Hydraulic Science and Technology （Total No.51）0%20%40%60%80%100%山杏桑葚油桃马铃薯免耕马铃薯翻耕用地类型30cm40cm50cm60cm70cm风蚀物质量分数/%(b)冬季休耕期图 1 不同高度的土壤风蚀物质量分数结果表明：随高度增加春季备耕期马铃薯翻耕和山杏地土壤风蚀物质量分数呈现出逐渐减小趋势；随高度变化马铃薯免耕地、油桃林地土壤风蚀物质量变化与冬季休耕期不
12、同，土壤风蚀物质量受人为活动影响呈现出减小趋势。距地表 30cm 高度时采集的桑葚林地风蚀物质量达到最高，占总采集量的 21.2%，随高度变化风蚀物质量分数未表现出明显规律性。因此，随高度变化无人为扰动时期的土壤风蚀物质量与下垫面条件密切相关，受人为扰动的春季备耕期内的近地表风沙活动加剧。随高度增加冬季休耕期马铃薯翻耕和山杏地土壤风蚀物质量分数呈现出逐渐减小趋势，其中距地表30cm、40cm 处的风蚀物质量分数达到 30%和 20%以上；随着高度增加马铃薯免耕、油桃、桑葚地土壤风蚀物质量分数未表现出明显规律性，距地表60cm 高度时桑葚林地土壤风蚀物质量达到最高，占总采集量的 20.7%，距地
13、表 40cm 高度时油桃林地和马铃薯免耕地土壤风蚀物质量达到最高，占总采集量的 23.2%和 22.0%。在春季备耕期和冬季休耕期内，自然风条件下不同用地类型的土壤输沙通量变化特征如图 2。02468103040506070高度/cm山杏桑葚油桃马铃薯免耕马铃薯翻耕输沙通量/(mgmin-1m-2)(a)春季休耕期00.511.52304050607080高度/cm山杏桑葚油桃马铃薯免耕马铃薯翻耕输沙通量/(mgmin-1m-2)(b)冬季休耕期图 2 不同高度的土壤输沙通量结果表明：春季备耕期内不同用地类型的输沙通量排序为桑葚山杏马铃薯翻耕马铃薯免耕油桃，冬季休耕期内不同用地类型的输沙通量排
14、序为山杏马铃薯免耕桑葚油桃马铃薯翻耕地。受大风天气和人为扰动的双重作用，春季备耕期明显高于冬季休耕期各用地类型的输沙通量，前者约为后者的 2.095.23 倍，其中增幅最高的为油桃林地，春季备耕期约为冬季休耕期输沙通量的5.23倍。2.2 风蚀物粒径垂直分布特征在春季备耕期和冬季休耕期不同用地类型的土壤风蚀物粒径垂直分布特征见表 3。结果表土地利用类型高度/cm春季备耕期/%冬季休耕期/%250m50100m 100250m250500m5001000m10002000m250m50100m 100250m 250500m 5001000m 10002000m山杏700.0030.2843.7
15、118.427.180.4133.2622.1024.5911.124.604.33600.0033.0545.6917.613.650.0027.7624.1231.2315.360.820.71500.0029.1242.9420.407.340.2021.3525.2035.5415.581.910.42400.0032.8741.4314.8810.470.3520.8819.8133.4516.606.582.68300.0029.0543.5217.679.650.1125.9617.3431.2920.612.122.68桑葚700.0041.0542.9912.703.260.
16、0024.2017.3631.9619.825.910.75600.0038.0649.5212.050.370.0013.8115.6836.7523.459.600.71500.0037.1043.6413.865.400.0024.7720.6131.6715.527.170.26400.0032.7842.6117.617.000.0024.6517.6028.916.8810.811.16300.0035.2641.7815.057.350.5612.7612.3432.1130.5210.821.45表 3 土壤风蚀物粒径分布特征 40 2023 年 第 1 期 黑 龙 江 水 利 科 技 No.1.2023 （第 51 卷）Heilongjiang Hydraulic Science and Technology （Total No.51）明，各用地类型春季休耕期的土壤风蚀物粒径均处于 01000m 范围，其中 90%以上集中分布在2250m 范围；各用地类型冬季休耕期的土壤风蚀物粒径均处于 01000m 范围，其中 85%以上分布在 2500m 范围。另外，各用地类型春
