吕兴民
(锦州凌丰建设工程有限公司，辽宁 锦州 121100)
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4×106t、7×106t。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。
1.1 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E121°33′52″～121°36′00″，N41°36′24″～41°39′56″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，多年平均大风日数161d，多年平均风速3 m/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
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5cm×5cm 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
在春季备耕期和冬季休耕期观测前，对各样点0～5cm 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：
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，%。
2.1 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。
图1 不同高度的土壤风蚀物质量分数
结果表明：①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。②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。
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2.09～5.23 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。结果表明，各用地类型春季休耕期的土壤风蚀物粒径均处于0～1000μm 范围，其中90%以上集中分布在2～250μm 范围；
各用地类型冬季休耕期的土壤风蚀物粒径均处于0～1000μm 范围，其中85%以上分布在2～500μm 范围。另外，各用地类型春季备耕期的平均粒径均小于冬季休耕期。
表3 土壤风蚀物粒径分布特征
续表3 土壤风蚀物粒径分布特征
在春季备耕期和冬季休耕期不同用地类型的土壤风蚀物富集特征见表4。结果表明：①春季备耕期不同高度的马铃薯翻耕、马铃薯免耕、油桃林地2～250μm 风蚀物颗粒出现富集，山杏林地50～250μm 风蚀物颗粒出现富集，桑葚林地2～100μm 风蚀物颗粒出现富集；
随高度增加马铃薯翻耕、马铃薯免耕、油桃林地100～250μm 风蚀物颗粒逐渐减少，油桃林地50～100μm 风蚀物颗粒逐渐增加，而马铃薯翻耕、马铃薯免耕2～50μm风蚀物颗粒逐渐增加。②冬季休耕期不同高度的各用地类型100～250μm 风蚀物颗粒都出现富集，其中富集比最高的是马铃薯免耕地，其次为油桃林地，富集比最低的是马铃薯翻耕地；
除山杏林地外，不同高度的其它4 种用地类型250～500μm风蚀物颗粒也出现富集，不同高度的马铃薯翻耕地2～50μm 风蚀物颗粒出现富集；
随着高度的增加山杏林地250～500μm 风蚀物颗粒富集比逐渐减小，而2～50μm 风蚀物颗粒富集比逐渐增大，随高度变化其它用地类型风蚀物颗粒组成未表现出明显规律性。
表4 土壤风蚀物粒径富集比
续表4 土壤风蚀物粒径富集比
2.3 风蚀物碳氮含量变化特征
不同用地类型风蚀物碳氮含量特征见表5。
表5 土壤风蚀物碳氮含量特征
续表5 土壤风蚀物碳氮含量特征
结果显示春季备耕期各用地类型碳氮含量均低于冬季休耕期，冬季休耕期碳氮含量为春季备耕期的2.0～6.1 倍和1.5～5.7 倍，具体如下：
①山杏林地：距地面60cm 处冬季休耕期山杏林地土壤风蚀物碳氮含量均达到最高，相比于距地面30cm 的碳氮含量增加幅度达到57.20%、70.0%，随高度的增加春季备耕期风蚀物碳氮含量呈现出上升趋势。②桑葚林地：距地面30cm 处冬季休耕期桑葚林地土壤风蚀物碳氮含量均达到最高，相比于其它高度的碳氮含量增加幅度达到4.6%～12.2%、12.1%～27.7%；
随高度的增加春季备耕期风蚀物碳含量变化未表现出明显的规律性，而氮含量则呈现出减小趋势。③油桃林地：距地面60cm 处冬季休耕期油桃林地土壤风蚀物碳氮含量均达到最高，与距地面70cm 处碳氮含量相比为其1.1 倍、1.3 倍；
随高度的增加春季备耕期风蚀物碳、氮含量变化未表现出明显规律性。④马铃薯免耕地：距地面70cm 处冬季休耕期马铃薯免耕地土壤风蚀物总氮含量均达到最高，与距地面30cm 处氮含量相比为其1.6 倍；
距地面50cm 处冬季休耕期马铃薯免耕地土壤风蚀物总碳含量均达到最高，与距地面30cm 处碳含量相比为其1.3 倍；
随高度的增加春季备耕期风蚀物碳、氮含量变化未表现出明显规律性。⑤马铃薯翻耕地：距地面60cm 处冬季休耕期马铃薯翻地土壤风蚀物碳氮含量均达到最高，与距地面30cm 处碳氮含量相比为其1.8 倍、2.0 倍；
随高度的增加春季备耕期风蚀物碳、氮含量变化未表现出明显规律性[13-15]。
从表5 可以看出，山杏、桑葚、油桃、马铃薯免耕、马铃薯翻耕各用地类型土壤风蚀物碳氮均产生富集，其中冬季休耕期马铃薯免耕地氮富集比最高达到18.86，其次为油桃林地的17.21，马铃薯翻耕地最低为9.30，而马铃薯免耕地的碳富集比最高。冬季休耕期的碳氮富集比均高于春季备耕期，碳氮富集比最高、最低的是油桃和桑葚林地。
1）随高度增加各用地类型的风蚀物质量分数变化特征不同，其中马铃薯翻耕地与山杏土壤风蚀物呈幂函数递减规律，随高度增加马铃薯免耕地、油桃、桑葚林地的风蚀物质量分数变化未表现出明显规律性。
2）各用地类型的冬季休耕期输沙通量均低于春季备耕期，从低到高冬季休耕期输沙通量排序为山杏＜马铃薯免耕＜桑葚＜油桃＜马铃薯翻耕地，春季备耕期排序为桑葚＜山杏＜马铃薯翻耕＜马铃薯免耕＜油桃林地。
3）研究区域易侵蚀土壤颗粒粒径处于2～500μm 范围，地表土壤2～500μm 颗粒含量影响着50cm、60cm 高度范围内的风蚀物2～500μm颗粒含量。春季备耕期各用地类型的碳氮含量均低于冬季休耕期，冬季休耕期碳氮含量为春季备耕期的2.0～6.1 倍和1.5～5.7 倍。
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