陰山北麓草地土壤潛在可蝕性研究

陰山北麓草地土壤潛在可蝕性研究

土壤風(fēng)蝕是指土壤在風(fēng)荷載下發(fā)生的運(yùn)動(dòng)。包括細(xì)粉塵以溶膠方式存在,沙塵以漂移方式遷移。也包括較粗顆粒在地表發(fā)生躍移,較粗顆粒在風(fēng)速減弱的條件下迅速沉降。土壤被風(fēng)力侵蝕使土壤肥力下降,土壤細(xì)顆粒物質(zhì)被吹走,導(dǎo)致土壤粗化,甚至荒漠化。土壤風(fēng)蝕的嚴(yán)重后果引起全世界的廣泛關(guān)注。由此,對(duì)于土壤風(fēng)蝕科學(xué)的發(fā)生、發(fā)展起到了積極的推動(dòng)作用,土壤風(fēng)蝕科學(xué)也就應(yīng)運(yùn)而生。20世紀(jì)80年代以來(lái),土壤風(fēng)蝕研究有了新的進(jìn)展。國(guó)外研究方面:在廣度和深度上繼續(xù)進(jìn)行了土壤風(fēng)蝕的研究工作。在進(jìn)行上述研究工作的同時(shí),關(guān)于土壤風(fēng)蝕預(yù)測(cè)模型問(wèn)題的研究是本階段的一個(gè)重心。此階段比較有影響的模型和預(yù)測(cè)系統(tǒng)主要有:美國(guó)農(nóng)業(yè)部推動(dòng)建立的風(fēng)蝕預(yù)報(bào)系統(tǒng)(WEPS)。WEPS是一個(gè)以過(guò)程為基礎(chǔ)的運(yùn)用最基本原則的計(jì)算機(jī)模擬模型,其目標(biāo)不僅僅適用于農(nóng)田。WEPS總結(jié)了已有的研究成果,是目前為止風(fēng)蝕預(yù)報(bào)中最完整、技術(shù)手段最先進(jìn)的模型系統(tǒng)。修正風(fēng)蝕方程(RWEQ),Skidmore認(rèn)為WEQ中的氣候不能適用于高降雨量與低降雨量的地區(qū),所以必須提出新的氣候因子。鑒于WEQ在氣候等方面的局限性,修正WEQ成為了必然趨勢(shì),由此導(dǎo)致了RWEQ的產(chǎn)生。Gregory在1988年提出了得克薩斯侵蝕分析模型(TEAM),模型的基本思路是利用計(jì)算機(jī)來(lái)模擬風(fēng)速廓線的發(fā)育以及各種長(zhǎng)度田塊上的土壤運(yùn)動(dòng)。20世紀(jì)90年代以來(lái)由于新理論、新技術(shù)的出現(xiàn),使得土壤科學(xué)出現(xiàn)了新的可喜的發(fā)展局面。1996年YapingShao等借助于GIS技術(shù)建立了土壤風(fēng)蝕的評(píng)價(jià)模型。國(guó)內(nèi)研究方面:賀大良、董光榮等在1986年至1987年通過(guò)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn),探討了土壤翻耕、牲畜踐踏等因素對(duì)土壤風(fēng)蝕的影響。朱震達(dá)、陳治平和吳正等在1981年認(rèn)為土壤性質(zhì)的差異會(huì)影響土壤風(fēng)蝕的強(qiáng)度,而風(fēng)蝕作用的結(jié)果會(huì)改變土壤顆粒的組成。劉玉璋、董光榮等在1992年利用風(fēng)洞對(duì)影響風(fēng)蝕的諸因素進(jìn)行了定量和半定量的模擬實(shí)驗(yàn),認(rèn)為土壤風(fēng)蝕是自然和人為因素相互作用的產(chǎn)物,人為因素是疊加于自然因素之上的加速作用。甘銳,孫虎等分析了黃土高原地區(qū)城郊型侵蝕環(huán)境。黃福祥、牛海山等在2001年通過(guò)野外實(shí)地觀測(cè),建立了毛烏素沙地植被覆蓋類型與風(fēng)勢(shì)輸沙率之間的定量模型,并確定了不同風(fēng)速條件下的有效植被蓋度。劉玉璋等人通過(guò)實(shí)驗(yàn)表明,由人為因素和自然因素引起的風(fēng)蝕量分別占總風(fēng)蝕量的78.6%和21.4%。隨著社會(huì)的發(fā)展和人口數(shù)量的增加,土地利用結(jié)構(gòu)在不斷進(jìn)行調(diào)整。人類對(duì)土地資源開(kāi)發(fā)利用的深度和廣度也在不斷加大,土地退化現(xiàn)象日益嚴(yán)重。海春興,趙燁等測(cè)量了農(nóng)村交通用地的土壤風(fēng)蝕狀況。杜娟,趙景波對(duì)陜西關(guān)中全新世以來(lái)黃土塬區(qū)土壤侵蝕進(jìn)行了研究。張克存,屈建軍等進(jìn)行了風(fēng)沙流特性的風(fēng)洞模擬實(shí)驗(yàn)。汪季,高永,劉艷萍等進(jìn)行了防護(hù)林降解近地表沙塵的風(fēng)洞模擬研究。我國(guó)是世界上受到土壤風(fēng)蝕、土地沙漠化危害最嚴(yán)重的國(guó)家之一,土壤風(fēng)蝕是干旱、半干旱及亞濕潤(rùn)地區(qū)土地荒漠化的一個(gè)主要過(guò)程。位于我國(guó)北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶的陰山北麓存在著嚴(yán)重的土壤風(fēng)蝕問(wèn)題。因此,探討其內(nèi)部的土地利用方式與土壤風(fēng)蝕的關(guān)系,不僅對(duì)本地區(qū)的可持續(xù)發(fā)展具有深刻的影響,也是保證區(qū)域生態(tài)安全的關(guān)鍵問(wèn)題。1武川盆地群干草原區(qū)采樣區(qū)主要位于武川縣境內(nèi)和包頭市達(dá)爾罕茂明安聯(lián)合旗的東南部地區(qū)。區(qū)域內(nèi)自然環(huán)境復(fù)雜多樣,山區(qū)約占總面積的47%,主要山脈即陰山山脈的中段——大青山。從縣境西部的哈拉門(mén)獨(dú)鄉(xiāng)入境,逶迤起伏,沿南向東經(jīng)廟溝、哈拉和少、納令溝、蘑菇窯、大青山、大豆館6個(gè)鄉(xiāng),至東部大藍(lán)旗和哈樂(lè)鄉(xiāng)出境。北部和中西部平緩起伏,形成一個(gè)未封閉的盆地——武川盆地,整個(gè)地形成簸箕狀。該地區(qū)屬中溫帶大陸性季風(fēng)氣候。其顯著特點(diǎn)是冬季長(zhǎng)而寒冷,夏季短而涼爽,降水量少,溫差大,日照充足。多風(fēng)沙和寒潮。歷年平均氣溫2.5℃,最高氣溫34.2℃,1月平均氣溫-15.8℃,年平均降水量為360.4mm,降水時(shí)間集中在6～9月份,占年降水量的81%。年平均風(fēng)速為3.6m/s,日平均風(fēng)速大于或等于8m/s的日數(shù)年均116.4天,大于或等于17m/s的大風(fēng)日數(shù)年均39天。2材料和方法2.1試驗(yàn)用的儀器和材料野外采樣用的器材有:采樣布袋(21×31cm2)、大平鏟(20cm×20cm×4cm)、GPS(型號(hào):HOLUXGM-101,精度:5～10m)等。試驗(yàn)用的儀器和材料主要有:2mm的土壤篩、搟磨用的木棒、油布、電子天平(TD型,精確度0.1g)、阻尼分析天平(TGS28型,精確度0.001g)、烘箱、鋁盒、濾紙、漏斗、三角瓶、小三角杯、1000ml量筒、燒杯、電熱板、試管夾、油浴鍋、電導(dǎo)儀、電導(dǎo)電極、0～60℃溫度計(jì)、60ml的注射器、0.2mol/L鹽酸、0.05mol/L鹽酸、0.068mol/L重鉻酸鉀硫酸溶液、鄰菲羅啉指示劑、0.2mol/L的硫酸鐵和0.02mol/L鹽酸標(biāo)準(zhǔn)溶液。2.2樣地的地貌、地貌特征2004年3～4月在陰山北麓沿西北方向先后進(jìn)行三次定點(diǎn)取樣,用GPS進(jìn)行野外定點(diǎn)。方法是將GPS平放在采樣點(diǎn),等待讀數(shù)穩(wěn)定后讀出所示的經(jīng)度、緯度和海拔高度。先后選取退化林地(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)、灌叢(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)十三個(gè)樣地。以上采樣對(duì)象根據(jù)土樣所處的地形、土地利用狀況、距離、地貌類型及土壤質(zhì)地的不同來(lái)加以確定,采樣點(diǎn)間隔15～30km。取回土樣后,經(jīng)過(guò)風(fēng)干和挑選對(duì)其進(jìn)行室內(nèi)理化分析,用電導(dǎo)率儀測(cè)定電導(dǎo)率,用丘林法測(cè)定有機(jī)質(zhì),用吸管法測(cè)定土壤機(jī)械組成,用氣量法來(lái)測(cè)定碳酸鈣的有無(wú),三次采樣測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表1、表2、表3。3計(jì)算和分析結(jié)果3.1土壤潛在可蝕性的計(jì)算根據(jù)以上測(cè)定的數(shù)據(jù),用風(fēng)蝕潛在方程計(jì)算出不同土地利用方式下土壤的可蝕部分。用EF表示可蝕性,單位為百分?jǐn)?shù)。SC表示砂礫與粉粒的比率。Si為粘粒所占的百分率。OC代表有機(jī)碳的百分含量。EC指飽和電導(dǎo)率,其單位為ms·cm-1。利用以上因子,通過(guò)如下方程計(jì)算不同土地利用方式下土壤的潛在可蝕性,具體計(jì)算公式如下:旱地有鈣土壤:旱地?zé)o鈣土壤:在所采樣點(diǎn)中,包括有鈣和無(wú)鈣兩種土壤。碳酸鈣的膠結(jié)作用能抑制風(fēng)蝕對(duì)土壤表層的破壞,為了避免其對(duì)計(jì)算造成誤差,分別采用方程(1)和方程(2)計(jì)算其潛在可蝕性,計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。3.2土壤潛在可蝕性的變化在所采樣點(diǎn)中包括林地(退化林地、未成林林地與人造林地)、耕地(耕地、退耕地與多年退耕地)、灌叢和草地幾種主要土地利用類型。2004年3月13日在采樣區(qū)從西北到東南進(jìn)行第一次土壤采樣,采樣點(diǎn)土地利用方式依次為退化林地、耕地、草地、未成林林地、人造林地、耕地、灌叢、耕地、退耕地、多年退耕地、耕地、耕地和草地,共13個(gè)樣點(diǎn),2004年4月2日和2004年4月25日按相同順序進(jìn)行第二次及第三次采樣,三次采樣的土壤可蝕性百分?jǐn)?shù)據(jù)值見(jiàn)表4。經(jīng)過(guò)以上數(shù)據(jù)分析(圖1)可知第一次采樣的土壤可蝕性與第二次和第三次采樣的土壤可蝕性存在明顯差異,第二次采樣的土壤可蝕性與第三次采樣的土壤可蝕性較第一次增大。這是由于第一次采樣在2004年3月,初春季節(jié)土壤未受凍融擾動(dòng)和風(fēng)蝕的影響,各種用地的土壤潛在可蝕性均小。春季升溫后表土在凍融和風(fēng)蝕作用下,土壤的潛在可蝕性發(fā)生了很大變化,其值均變大,但這種變化并不是持續(xù)的,如第三次采樣的土壤潛在可蝕性與第二次相比變小,但仍大于第一次采樣的土壤可蝕性。由計(jì)算結(jié)果可看出:研究區(qū)不同土地利用方式下土壤的潛在可蝕性存在著差異。圖1和圖2是各種用地土壤的潛在可蝕性大小的描述。春季隨著溫度的升高,土壤在凍融作用下產(chǎn)生風(fēng)蝕現(xiàn)象,土壤可蝕性相應(yīng)地發(fā)生變大。將第一次采樣與第二次采樣相比較,可知第二次采樣的土壤可蝕性大于第一次采樣的土壤可蝕性,如樣點(diǎn)1退化林地在第一次采樣中的土壤可蝕性為57.79%,第二次為66.92%。但受其它因素的影響,也有個(gè)別特殊的樣點(diǎn),第二次采樣的可蝕性小于第一次采樣的可蝕性,如樣點(diǎn)3草地,位于達(dá)茂烏克忽洞的梁坡(北坡)。在三次采樣中其砂礫含量分別為88.92%、88.16%、79.39%,逐漸減少;粉粒含量分別為3.26%、6.45%、11.12%,逐漸增大,正反映了土壤可蝕性與土壤顆粒組成的關(guān)系。春季隨著溫度的繼續(xù)升高,土壤溫度和濕度環(huán)境發(fā)生了變化,土壤潛在可蝕性降低。如在第二次和第三次采樣中,樣點(diǎn)7灌叢的土壤可蝕性為66.67%和64.81%,樣點(diǎn)8耕地(農(nóng)作物茬子15cm)的土壤可蝕性為68.16%和65.96%,總體都變小。但也有個(gè)別樣點(diǎn)變大,如樣點(diǎn)2和樣點(diǎn)6,均為耕地,隨溫度的進(jìn)一步升高,土壤可蝕性反而增大,在第二次和第三次采樣中土壤可蝕性為58.25%、60.45和71.27%、74.29%。樣點(diǎn)2為達(dá)茂烏克忽洞的玉米地,灘地。樣點(diǎn)6為達(dá)茂烏克忽洞的油菜地,位于梁頂,土壤為含礫沙質(zhì)。由圖2可知在陰山北麓不同土地利用的土壤平均潛在可蝕性關(guān)系為:草地<灌叢<林地<耕地。4土壤潛在的可蝕性春季隨著溫度的升高,土壤在凍融作用下產(chǎn)生風(fēng)蝕現(xiàn)象,土壤可蝕性相應(yīng)地變大。但隨著溫度的繼續(xù)升高,土壤溫度和濕度環(huán)境發(fā)生了變化,土壤潛在可蝕性降低。土地利用方式不同,土壤表層的理化性質(zhì)、地表狀況也會(huì)產(chǎn)生一定的差異,從而導(dǎo)致了表層土壤的潛在可蝕性的不同。如第一次采樣中樣點(diǎn)2-耕地的土壤可蝕性最小,為57.05%