晋西北不同土地利用方式下春季表层土壤水分对风蚀的影响

杨雄兵，马义娟，苏志珠，刘 蓉，胡子豪

（1.太原师范学院地理科学学院，山西晋中 030619；2.山西大学历史文化学院，山西太原 030006）

表层土壤水分作为土壤抗蚀性因子之一，与土壤风蚀密切相关[1]。土壤中的水分在表层形成水膜层，使土壤颗粒之间的黏结力增大，增强了土壤的抗风蚀能力。贺大良等[2]通过风洞模拟了沙质表层土壤水分对起沙风速的影响，刘连友等[3]以耕作土壤为对象研究土壤水分对风蚀的影响时，把土壤含水率2.00%作为产生风蚀的临界值。董治宝等[4]研究认为，风沙土风蚀的极限含水率为4.00%，当含水率小于4.00%时，起动风速随土壤含水率的增加变化较小，当土壤含水率大于4.00%时，含水率的微小增加会使起沙风速快速增加。麻硕士等[5]通过风洞试验建立了土壤含水率与起动风速之间的函数关系，并对不同土地利用类型的土壤表层含水率进行了测试，结果表明，不同土地利用方式及不同耕作方式都对土壤表层含水率有显著影响。显然，土壤表层水分含量对土壤风蚀影响的研究具有科学和生产实践意义。

晋西北位于覆沙黄土丘陵区，降水量较少，土壤贫瘠，生态环境脆弱，尤其在春季，土壤解冻后地表土质疏松，蒸发旺盛，且常伴有大风天气，土壤风蚀尤为严重。探讨不同土地利用方式下春季表层土壤水分变化状况，有助于为区域土壤风蚀防治和土地资源的合理利用提供理论依据。目前，不同土地利用类型土壤水分的研究较多集中于分层水分特征[6-7]、时空变化[8-9]、影响因子[10-11]、数值模拟[12]、生态效应[13]、亏缺评价[14]等方面。晋西北不同土地利用方式下土壤含水量的变化也有研究[8，14]，但针对春季表层土壤水分对风蚀的影响研究鲜有报道。

本试验以晋西北右玉县为研究区域，选取樟子松苗圃地、苦荞留茬地、撂荒地、春季翻耕地、杨树林地、柠条灌木地、退耕还草地7种地类作为土壤水分测试样地，较系统地分析春季不同土地利用方式下土壤表层0～20 cm水分变化特征，建立水分与土壤风蚀量的关系，旨在揭示不同土地利用方式下表层土壤水分对土壤风蚀的影响，为晋西北土壤风蚀防治和土地利用结构优化提供科学依据。

1 材料和方法

1.1 研究区概况

研究区位于晋西北右玉县威远镇白塘子村东（39°59′N，112°27′E），地面海拔约 1 340 m。地貌上属黄土高原东北缘的沙黄土丘陵区[15]，地表沙物质含量较多。气候属温带季风气候，冬春季风沙天气频发，8级以上大风频率达20～40 d/a；年均温3.6～8.8℃，平均日较温差15.4℃；年均降水量约420 mm，主要集中在夏秋季，冬春季降水量仅占全年的10%～15%，且春季蒸发旺盛。植被上属温带半湿润森林与半干旱草原过渡带[16]，代表性天然植物有狗尾草（Setaria viridis）、针茅（Stipa capillata）、黄蒿（Artemisia scoparia）等，典型人工植被有小叶杨（Populus simonii）、柠条（Caragana korshinskii）、樟子松（Pinus sylvestris var.mongolica）、沙棘（Hippophae rhamnoides）等；主要农作物有玉米（Zea mays）、苦荞（Fagopyrum tataricum）、莜麦（Avena chinensis）等。土壤主要为沙黄土母质基础上发育的褐土、淡栗褐土，兼有草原风沙土和淡栗钙土[17]。

1.2 数据来源

2018年3月下旬，对晋西北右玉县及周边地区进行了实地走访与考察，并结合实时遥感影像资料，选取樟子松苗圃地、苦荞留茬地、撂荒地、春季翻耕地、杨树林地、柠条灌木地、退耕还草地7种土地利用方式作为供试样地（表1）。由于农田地与其他用地表层土壤水分对土壤风蚀的影响程度不同，故将7种土地利用方式划分为2大类型，即农田地与非农田地。其中，农田地包括樟子松苗圃地、苦荞留茬地、撂荒地、春季翻耕地；非农田地包括杨树林地、柠条灌木地、退耕还草地（因所选樟子松苗圃地为育苗农田地，故划入农田地范畴）。7块样地均位于白塘子村东黄土台地上，地势较平坦，土壤性质和成土母质及周边环境相对一致。

表1 供试样地基本情况

1.3 试验方法

土壤样品的采集分别于2018年4，5月中旬进行，采样前7 d无降水现象。在各样地中央根据S形路线布设3个样点，采用剖面环刀采样法采集土样。环刀内径为5 cm，采样深度为20 cm，间隔5 cm，环刀内土壤样品均与环刀上下口齐平。野外对土壤湿质量进行称量，各样地3个样点取平均值。在室内用烘箱在105℃环境下将样品连续烘干8 h，达到恒质量后称质量。土壤质量含水量为土壤中水分质量与干土质量的比值。

式中，θm为土壤含水量（%），W为铝盒质量（g），W1为铝盒加湿土质量（g），W2为铝盒加干土质量（g）。

除采集土样外，在各样地架设自制集沙仪，架设时间为2018年4月17日，集沙口朝向为W与NW共2个方向。为确保积沙量的可比性，各样地集沙仪上风向地块面积基本一致。集沙仪材质为PVC管，进沙口为圆形，直径5 cm，可同时收集4个高度的沙粒，分别为 0～5，5～10，10～15，15～20cm。5月17日对集沙仪内风蚀物进行采集并称质量。

1.4 数据处理

数据统计分析与作图通过Excel，Origin，SPSS软件完成。

2 结果与分析

2.1 不同土地利用方式表层土壤含水量变化

2.1.1 表层土壤含水量变化 表层土壤含水量的分布状况因不同土地利用方式下的植被类型和盖度以及地表硬度等差异而表现出不同的特征（图1）。研究区4，5月表层土壤含水量整体表现为樟子松苗圃地（12.46%）＞苦荞留茬地（12.00%）＞撂荒地（11.60%）＞杨树林地（8.91%）＞春季翻耕地（8.45%）＞柠条灌木地（8.29%）＞退耕还草地（7.31%）。其中，4月份樟子松苗圃地表层土壤含水量最大（13.92%）；退耕还草地表层土壤含水量最小（9.95%）；其他土地利用方式的表层土壤含水量从大到小依次为苦荞留茬地（13.62%）、撂荒地（13.37%）、春季翻耕地（11.72%）、杨树林地（10.21%）、柠条灌木地（10.19%），总体上农田地表层土壤含水量大于非农田地。5月份正处于气温快速回升期，加之该时段无明显降水，各样地的表层土壤含水量均有所下降，樟子松苗圃地因植株盖度大，蒸发量小，土壤表层含水量依然最大（11.00%），较4月份表层土壤含水量下降2.92百分点；春季翻耕地地表裸露，土质疏松，易于水分蒸发，表层土壤含水量最小（4.67%），较4月份表层土壤含水量下降7.05百分点。其他地类表层土壤含水量由大到小依次为苦荞留茬地（10.38%）、撂荒地（9.82%）、杨树林地（7.61%）、柠条灌木地（6.40%）、退耕还草地（5.19%），与4月份表层土壤含水量相比，分别下降 3.24，3.55，2.60，3.79，4.76 百分点。从实测数据可以看出，除春季翻耕地外，其他农田地表层土壤含水量均比非农田地要高。这与张素芳等[18]对坝上地区不同地类表层土壤水分的研究结果相一致。4，5月期间，正值木本与草本植物抽芽阶段，对表层土壤水分消耗量大，尤其是草本植物根系较浅，生长初期主要依靠吸收表层土壤水分；林地与草地地表硬度较大，不利于水分下渗，且存在一定坡度，降水不易保留，故非农田地表层土壤水分含量较少。农田地除春季翻耕地外，地表均有残茬或植被覆盖，水分蒸发减弱。研究表明[19]，留茬与植被覆盖可提高0～15 cm土层的含水量，减少水分蒸发。另外，农田地的地形平坦，表土因常年翻耕，较为疏松，水分易于下渗，故农田地表层土壤含水量较多。

2.1.2 表层土壤水分流失量变化 不同土地利用方式表层土壤水分流失量受降水、地表蒸发、植物吸收等因素的综合影响表现出不同的变化特征。表层土壤水分流失量为各样地4月与5月表层土壤含水量的差值，分布状况如表2所示。总体来看，在不同的土地利用方式下，表层土壤水分流失量均表现为随深度的增加而降低。春季翻耕地，表层土壤各层水分流失量均最大，退耕还草地次之，平均土壤水分流失量分别为6.52%，5.28%，2种地类表层土壤各层水分流失量各自相差较小。春季翻耕地翻耕深度约25 cm，0～20 cm深度内由于翻耕影响，土壤中水分分布相对均匀，且土层疏松，透气性好，太阳辐射的热量容易到达地下20 cm处，致使各层蒸发量均较大；退耕还草地4，5月正处于草本的抽芽阶段，其根系主要集中于表层[20]，根系吸收导致各层水分流失量较大，且流失量保持一致。樟子松苗圃地受植被盖度较大的影响，平均土壤水分流失量最低，仅为2.00%，各层水分流失量相差也较小；苦荞留茬地与撂荒地，平均土壤水分流失量大体相当，分别为3.24%与3.55%；杨树林地，地表因枯枝落叶层的覆盖以及高大冠幅的遮阴，平均土壤水分流失量较少，为2.61%，其中，0～5 cm深度土壤水分流失量为5.16%，15～20 cm深度土壤水分流失量为0.43%；柠条灌木地因带间距较宽，且长势一般，平均土壤水分流失量较大（3.79%），0～5 cm深度土壤水分流失量略高于5～20 cm深度。综上所述，春季翻耕地表层土壤水分流失最为严重，其他土地利用方式下均小于春季翻耕地，说明残茬与植被覆盖可有效保持土壤水分，减少土壤表层水分流失。

表2 4—5月期间不同土地利用方式下表层0～20 cm内不同深度土壤水分流失量 %

2.2 不同土地利用方式土壤风蚀量变化

风蚀量作为测度土壤风蚀程度的重要指标之一，同一风营力作用下，受地形起伏度、植被覆盖、土地利用类型等因素影响。本试验采集4月17日至5月17日期间风蚀观测仪数据，获得不同土地利用方式下的表层土壤风蚀量（图2）。从图2可以看出，春季翻耕地风蚀量最大（8.93 g），樟子松苗圃地风蚀量最小（0.36 g），其他土地利用方式风蚀量从大到小依次为苦荞留茬地（2.29 g）、退耕还草地（2.16 g）、撂荒地（1.95 g）、柠条灌木地（1.32 g）、杨树林地（0.68 g）。从垂直方向上来看，各土地利用方式风蚀量均表现为随高度的增加而呈减少的趋势，风蚀量主要集中在地表0～10 cm高度内，平均约占89.00%，这与孙保平等[21]对风沙流结构的研究结果相一致。其中，樟子松苗圃地0～5 cm高度风蚀量占该地类风蚀量的88.00%，10～20 cm高度几乎没有积沙量；春季翻耕地10～20 cm高度风蚀量与其他地类同高度风蚀量相比较多，占比达25.00%。土壤风蚀物在近地表多以跃移与蠕移运动为主，上层以悬移为主[22]，随着风速的增加，近地表跃移与蠕移颗粒及上层悬移颗粒的数量均增加，但近地表跃移与蠕移颗粒的质量远大于悬移颗粒，因此，土壤风蚀量下层均大于上层。春季翻耕地疏松的表土增加了风蚀颗粒物，地表裸露平坦风速较大，这不仅使地表跃移、蠕移、悬移颗粒增加，还增加了跃移与悬移的高度，因此，春季翻耕地风蚀量最大，且与其他土地利用方式相比，10～20 cm高度的风蚀量明显较多。

2.3 表层土壤含水量与风蚀量的相关性

表层土壤含水量是影响风蚀的主要因子之一[23-25]，不同土地利用类型的表层土壤含水量是不一样的，故风蚀量亦存在明显差异。从图3-A可以看出，表层土壤含水量与风蚀量的关系整体上表现为表层土壤含水量越高、风蚀量越少，反之，表层含水量越低、风蚀量越大。在非农田地中，杨树林地土壤含水量最大（7.61%），风蚀量最小（0.68 g）；退耕还草地土壤含水量最小（4.67%），风蚀量最大（2.16 g）；柠条灌木地土壤含水量（6.39%）与风蚀量（1.32 g）均居中。农田地中，春季翻耕地土壤含水量最低（5.19%），风蚀量最大（8.93 g）；樟子松苗圃地土壤含水量最高（11.00%），风蚀量最小（0.36 g）；苦荞留茬地土壤含水量（10.38%）略高于撂荒地（9.82%），但风蚀量（2.29 g）高于撂荒地（1.95 g）；苦荞留茬地虽地表有残渣覆盖，减少表层土壤水分的蒸发，但因常年翻耕导致表土松软，易被风吹蚀，而撂荒地虽植被盖度不及苦荞留茬地，因常年不翻耕，地表坚硬，表土不易被吹蚀。由此可见，土地利用方式影响着土壤表层含水量，进而造成土壤风蚀量的不同。

农田地与非农田地表层土壤含水量与风蚀量的回归拟合曲线如图3-B所示，农田地与非农田地均呈现出土壤风蚀量随含水量增加而递减的负相关趋势。在0.01极显著性水平上，农田地拟合方程为 y＝-1.417x＋16.28（R2＝0.973）；非农田地拟合方程为 y＝-0.502x＋4.512（R2＝0.999），从方程斜率可以看出，非农田地土壤风蚀量对表层土壤含水量的响应相对迟缓，这与海春兴等[26]针对坝上地区不同植被类型表层土壤水分对土壤风蚀影响的研究结果相一致。对林地而言，由于植株较高和冠幅较大，使风速降低，同时地表枯枝落叶的覆盖增加了粗糙度，有效地阻止了表土的风蚀吹扬，故虽杨树林地表层土壤含水量较低，但土壤风蚀量较少；退耕还草地春季草本发芽生长对水分需求较大，加之此时期升温较快、蒸发较强，致使表层土壤含水量较少，但植物根系对表土的固结作用提高了地表硬度，使得风蚀量降低。与非农田地相比，农田地地表风蚀量对表层土壤含水量的响应较敏感。其中，樟子松苗圃地植株密度大，一方面增加了地表粗糙度，削弱风速，另一方面较高的植被覆盖度减少了地表水分蒸发，从而降低了土壤风蚀强度；苦荞留茬地与撂荒地因地表残渣与草本的覆盖，减少了表层土壤水分的蒸发，使风蚀量减少。春季翻耕地表土疏松，无植被覆盖，表层土壤水分蒸发量大，风蚀量也最大。因此，农田地秋后可实行留茬、覆盖等措施，以保持地表土壤水分，春季翻耕要尽量靠近播种日，减少翻耕地裸露时间。

3 结论

本研究通过对晋西北右玉县境内7种土地利用方式春季表层（0～20 cm）土壤含水量的测定和地表风蚀物的收集，分析了不同土地利用方式下土壤含水量变化以及风蚀量变化特征，并探讨了二者之间的关系。结果表明，7种土地利用类型中，樟子松苗圃地表层土壤含水量最高（12.46%），退耕还草地最低（7.31%），其他土地利用方式表层土壤含水量从高到低依次为苦荞留茬地（12.00%）、撂荒地（11.60%）、杨树林地（8.91%）、春季翻耕地（8.45%）、柠条灌木地（8.29%）。整体上，表层土壤含水量表现为农田地高于非农田地。

不同土地利用方式下表层土壤水分流失量，春季翻耕地最大（6.52%），樟子松苗圃地最小（2.00%），其他地类表层土壤水分流失量由大到小依次为退耕还草地（5.28%）、柠条灌木地（3.79%）、撂荒地（3.55%）、苦荞留茬地（3.24%）、杨树林地（2.61%）。在垂直方向上，表层土壤不同深度水分流失量存在差异，柠条灌木地、撂荒地、苦荞留茬地、杨树林地均表现出上层土壤水分流失量大于下层；春季翻耕地、樟子松苗圃地、退耕还草地各层土壤水分流失量基本一致。

土地利用方式不同造成表层土壤风蚀量存在差异，春季翻耕地风蚀量最大（8.93 g），樟子松苗圃地风蚀量最小（0.36 g），其他地类自大到小依次为苦荞留茬地（2.29 g）、退耕还草地（2.16 g）、撂荒地（1.95 g）、柠条灌木地（1.32 g）、杨树林地（0.68 g）。不同土地利用方式下地类风蚀量基本集中于0～10 cm高度内，约占89.00%。

农田地与非农田地表层土壤含水量与风蚀量均符合直线拟合，并呈现出显著负相关关系，农田地拟合方程斜率小于非农田地，说明农田地表层土壤含水量对土壤风蚀的影响较非农田地更敏感。因此，农田地秋后应实行留茬、覆盖等措施，春季翻耕时间要尽量选择在农作物播种期附近。