翟 輝李國(guó)榮李進(jìn)芳童生春趙健赟朱海麗劉亞斌陳文婷胡夏嵩

(1.青海大學(xué) 地質(zhì)工程系,青海 西寧810016;2.青藏高原北緣新生代資源環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,青海 西寧810016)

土壤風(fēng)蝕是導(dǎo)致干旱區(qū)和半干旱區(qū)土壤流失的最重要的因素之一[1-2],尤其在青藏高原部分地區(qū)風(fēng)蝕作用極其強(qiáng)烈,導(dǎo)致裸露區(qū)土壤流失加劇,對(duì)高寒干旱區(qū)草地和土壤的退化產(chǎn)生較大影響,也引起諸多學(xué)者的關(guān)注和重視[3-6]。土壤風(fēng)蝕強(qiáng)度不僅與植被蓋度、團(tuán)聚體大小[7]、風(fēng)速大小、有機(jī)質(zhì)含量[8]、含根量等有關(guān),也與土壤質(zhì)地和草地的退化程度密切相關(guān),影響風(fēng)蝕強(qiáng)度的因素已成為研究土壤風(fēng)蝕的重要內(nèi)容[9-10]。有研究[11-13]結(jié)果表明,隨著風(fēng)蝕作用的加強(qiáng),地表土壤侵蝕量明顯增加。有學(xué)者[14-16]提出農(nóng)田、草地和沙漠地區(qū)土壤風(fēng)蝕量與風(fēng)速大小間呈指數(shù)函數(shù)或冪函數(shù)的遞增關(guān)系,說(shuō)明風(fēng)速對(duì)土壤風(fēng)蝕量的影響極為明顯。植被是抑制地表土壤風(fēng)蝕的重要因子,然而在氣候、嚙齒動(dòng)物干擾等影響下,草地植被遭到一定的破壞,植被退化越嚴(yán)重,土壤風(fēng)蝕強(qiáng)度越大[17],其不僅改變了土壤質(zhì)地和組成結(jié)構(gòu)[18],也影響了土壤退化和生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定[19]。因此研究高寒地區(qū)土壤風(fēng)蝕特征對(duì)揭示草地退化機(jī)理,保護(hù)和修復(fù)草地生態(tài)環(huán)境具有重要意義。

黃河源區(qū)地處青藏高原東北部,屬于典型的高原大陸性氣候,高寒、干旱少雨的氣候環(huán)境使該地區(qū)草地生態(tài)環(huán)境更加脆弱,且受高原地區(qū)各種地質(zhì)作用頻繁,侵蝕作用強(qiáng)烈[20-21],再加上多風(fēng)、大風(fēng)等氣象條件的影響,風(fēng)蝕作用是導(dǎo)致其草地退化和土壤退化的重要因素[22],部分地區(qū)草地土壤因此而出現(xiàn)沙化現(xiàn)象[23-26]。研究資料表明,黃河源區(qū)70%的土地類(lèi)型為高寒草地[27],且廣泛分布著以高原鼠兔和高原鼢鼠為主的小型嚙齒類(lèi)動(dòng)物[28],這些鼠類(lèi)活動(dòng)使原本脆弱的高寒草地遭受?chē)?yán)重的破壞,致使部分地區(qū)草地退化嚴(yán)重[29-31],尤其是因小型嚙齒動(dòng)物的掘穴、堆積鼠丘等,鼠類(lèi)活動(dòng)不僅破壞植被,也使得地表土層遭受機(jī)械擾動(dòng),從而激發(fā)草地退化和土壤流失[32-33]。針對(duì)黃河源區(qū)的上述現(xiàn)狀,目前諸多學(xué)者開(kāi)始高度關(guān)注鼠類(lèi)爆發(fā)后的土壤風(fēng)蝕和草地退化現(xiàn)象,也逐漸開(kāi)展了相應(yīng)的研究,如馮筱等[34]研究了鼠丘土壤堆積對(duì)草地沙漠化的影響,談靜等[35]采用風(fēng)蝕盤(pán)法對(duì)鼠丘風(fēng)蝕量進(jìn)行了長(zhǎng)期監(jiān)測(cè),馬素潔等[36]選用風(fēng)蝕橋法測(cè)定高原鼢鼠土壤隨時(shí)間的流失特征。李國(guó)榮等[37]對(duì)高原鼠兔鼠丘在不同風(fēng)速下土壤風(fēng)蝕量隨時(shí)間的變化等開(kāi)展了研究,盡管上述研究對(duì)鼠丘土壤風(fēng)蝕量與風(fēng)速的關(guān)系進(jìn)行了總結(jié),但是圍繞不同土壤質(zhì)地、不同類(lèi)型的鼠丘土壤在不同風(fēng)速梯度下的對(duì)比分析等尚未得到更深入的調(diào)查和分析。為此,本研究采用野外人工模擬風(fēng)蝕試驗(yàn)的方法,以黃河源區(qū)不同類(lèi)型、不同大小以及不同土壤質(zhì)地的鼠丘作為研究對(duì)象,探究鼠丘土壤風(fēng)蝕量與風(fēng)速大小的變化關(guān)系等,研究結(jié)論將為深入認(rèn)識(shí)黃河源區(qū)鼠丘土壤風(fēng)蝕特征和規(guī)律提供依據(jù),也對(duì)揭示鼠害退化區(qū)鼠丘土壤流失和風(fēng)蝕機(jī)理具有重要的意義。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)域設(shè)在黃河源區(qū)的黃南州河南縣,地理位置為東經(jīng)101°47′,北緯34°44′,海拔約3 600 m。該地區(qū)因特殊的地理位置和高海拔,常年氣候相對(duì)比較惡劣,干旱少雨,屬于典型的高原大陸性季風(fēng)氣候,年平均氣溫在-1.3～1.6℃,年降雨量597.1～615.5 mm,且年降雨量有逐年降低的趨勢(shì),但冬季略呈增加趨勢(shì)。目前該地區(qū)的草地已經(jīng)出現(xiàn)了不同程度的草地退化和土壤荒漠化現(xiàn)象,尤其是在鼠類(lèi)活動(dòng)比較頻繁區(qū)域,通過(guò)在野外劃定的100 m×100 m的樣方對(duì)鼠丘和鼠洞的數(shù)量進(jìn)行計(jì)數(shù)統(tǒng)計(jì),鼠丘分布平均密度可達(dá)370個(gè)/hm2,鼠洞平均密度可達(dá)950個(gè)/hm2(圖1),且該區(qū)域大風(fēng)天氣頻繁且強(qiáng)烈,歷史最大風(fēng)速可達(dá)20 m/s,年平均風(fēng)速2.6 m/s,根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的風(fēng)蝕試驗(yàn)可知,鼠害退化區(qū)鼠丘土壤起沙風(fēng)速(0.5 m高度)小于3 m/s,屬于典型的風(fēng)蝕強(qiáng)烈作用區(qū)域,風(fēng)蝕作用加劇了嚙齒動(dòng)物活動(dòng)區(qū)土壤流失和草地退化。

圖1 鼠害退化區(qū)鼠丘分布

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法

根據(jù)研究區(qū)分布的小型嚙齒動(dòng)物類(lèi)型,將鼠丘大類(lèi)分為高原鼠兔鼠丘和高原鼢鼠鼠丘,并根據(jù)草地表面的鼠丘土壤質(zhì)地類(lèi)型及含沙礫的情況,將研究區(qū)的鼠丘類(lèi)型劃分為草甸土鼠丘、沙化土鼠丘和含礫石土鼠丘,其中草甸土鼠丘為原生草甸區(qū)土壤堆積形成的鼠丘,黏粒和粉粒含量較高;沙化土鼠丘為草地重度退化區(qū)堆積形成的含沙鼠丘,其土壤沙化明顯,通過(guò)干篩法測(cè)得粗砂含量大于50%;含礫石土鼠丘為原生草甸區(qū)由嚙齒類(lèi)動(dòng)物活動(dòng)堆積的鼠丘,鼠丘中夾雜著直徑超過(guò)1 cm的礫石,單個(gè)鼠丘平均礫石個(gè)數(shù)為30～50。

野外調(diào)查發(fā)現(xiàn),高原鼠兔鼠丘和高原鼢鼠鼠丘在形狀上多呈半球型,按照鼠丘平均直徑和高度分別設(shè)置為大中小3個(gè)梯度(表1)。為避免其他因素的干擾,鼠丘選擇未結(jié)皮、未受擾動(dòng)的新生鼠丘,然后采用人工模擬風(fēng)蝕試驗(yàn)裝置分別對(duì)不同鼠丘土壤進(jìn)行恒定風(fēng)速的風(fēng)蝕試驗(yàn)。

表1 高原鼠兔鼠丘和高原鼢鼠鼠丘大小參數(shù)

人工模擬風(fēng)蝕試驗(yàn)主要由風(fēng)洞箱、蓄電池、電線以及土壤收集器等組成,風(fēng)速可調(diào)節(jié)幅度為3.0～18 m/s,每1.5 m/s可調(diào)1個(gè)風(fēng)級(jí)梯度值,平均風(fēng)速脈動(dòng)約為0.3 m/s,迎風(fēng)橫截面積約2 m2,吹蝕高度為0～1.2 m/s,電池組蓄電充足后最大風(fēng)速時(shí)可持續(xù)恒定吹風(fēng)約6 h。試驗(yàn)時(shí)將風(fēng)箱和土壤顆粒收集器分布安置在鼠丘兩側(cè),即吹風(fēng)口對(duì)準(zhǔn)鼠丘,土壤顆粒收集器安置在鼠丘另一側(cè),與鼠丘的水平距離均為50 cm,風(fēng)速設(shè)定為3～15 m/s,每隔1.5 m/s為一個(gè)梯度,每個(gè)風(fēng)速梯度下每種類(lèi)型鼠丘重復(fù)3次,每類(lèi)鼠丘風(fēng)蝕時(shí)間設(shè)定為60 min,待吹蝕60 min后,將收集器中收集到的土壤顆粒裝入密封袋后帶回實(shí)驗(yàn)室用電子天平稱(chēng)重(精度為0.001 g)。

此外,試驗(yàn)中以9 m/s風(fēng)速下兩種中度鼠丘為例,風(fēng)蝕試驗(yàn)中每隔5 min測(cè)試其土壤風(fēng)蝕量,分析土壤風(fēng)蝕量隨風(fēng)蝕時(shí)間的變化規(guī)律,并對(duì)被吹蝕的不同鼠丘土壤顆粒組成進(jìn)行了分析。該試驗(yàn)在2021年8—9月進(jìn)行,所有試驗(yàn)數(shù)據(jù)均采用SPSS統(tǒng)計(jì)分析軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和處理,并對(duì)不同鼠丘類(lèi)型的土壤風(fēng)蝕量測(cè)試結(jié)果進(jìn)行顯著性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 高原鼠兔鼠丘風(fēng)蝕量與風(fēng)速的關(guān)系

研究結(jié)果表明,隨著風(fēng)速的增加,3種鼠丘土壤風(fēng)蝕量增加幅度呈現(xiàn)出先慢后快的變化趨勢(shì),土壤流失總變化量大小依次為:沙化土鼠丘＞草甸土鼠丘＞含礫石土鼠丘(圖2)。

圖2 高原鼠兔3種鼠丘土壤風(fēng)蝕量隨風(fēng)速的變化規(guī)律

對(duì)于高原鼠兔的小鼠丘,當(dāng)風(fēng)速低于10.5 m/s時(shí),沙化土鼠丘土壤風(fēng)蝕量與草甸土鼠丘接近,而當(dāng)風(fēng)速高于10.5 m/s時(shí),沙化土小鼠兔鼠丘土壤風(fēng)蝕量顯著大于草甸土鼠丘。當(dāng)風(fēng)速達(dá)到15 m/s時(shí),沙化土鼠丘土壤風(fēng)蝕量比草甸土鼠丘多26.472 g,含礫石土鼠丘土壤風(fēng)蝕量最少,比沙化土鼠丘少84.826 g。對(duì)于高原鼠兔的中鼠丘而言,含礫石土鼠丘土壤風(fēng)蝕量均低于其他兩種類(lèi)型的鼠丘,當(dāng)風(fēng)速小于6 m/s時(shí),草甸土鼠丘土壤風(fēng)蝕量大于沙化土鼠丘,當(dāng)風(fēng)速大于6 m/s時(shí),沙化土鼠丘土壤風(fēng)蝕量明顯高于草甸土中鼠兔鼠丘。對(duì)于大鼠丘而言,含礫石土鼠丘土壤風(fēng)蝕量也始終低于其他兩種類(lèi)型鼠丘,當(dāng)風(fēng)速低于7.5 m/s時(shí),草甸土鼠丘土壤風(fēng)蝕量高于同風(fēng)速下的沙化土鼠丘,當(dāng)風(fēng)速大于7.5 m/s時(shí),沙化土鼠丘的土壤風(fēng)蝕量明顯大于其他兩種土壤質(zhì)地類(lèi)型鼠丘。對(duì)不同大小和不同土壤質(zhì)地的高原鼠兔鼠丘風(fēng)蝕量與風(fēng)速大小增長(zhǎng)關(guān)系的統(tǒng)計(jì)分析得出,當(dāng)風(fēng)速小于4.5 m/s時(shí),風(fēng)速的增加不會(huì)顯著增加高原鼠兔鼠丘土壤的風(fēng)蝕量(p＞0.05),當(dāng)風(fēng)速在4.5～7.5 m/s之間時(shí),風(fēng)速的增加會(huì)顯著增加高原鼠兔鼠丘土壤的風(fēng)蝕量(p＜0.05),當(dāng)風(fēng)速大于7.5 m/s時(shí),高原鼠兔鼠丘土壤的風(fēng)蝕量的增加隨風(fēng)速的增加極顯著(p＜0.01)。

根據(jù)土壤顆粒流失量與風(fēng)速間的擬合關(guān)系可知,相同土壤質(zhì)地條件下草甸土和含礫石土土壤風(fēng)蝕量與風(fēng)速間呈指數(shù)函數(shù)的遞增關(guān)系,而沙化土鼠丘土壤風(fēng)蝕量與風(fēng)速間呈冪函數(shù)的遞增關(guān)系,擬合度高于0.95(表2)。

表2 高原鼠兔3種鼠丘土壤風(fēng)蝕量與風(fēng)速的擬合關(guān)系

根據(jù)3種土壤質(zhì)地類(lèi)型的鼠丘土壤風(fēng)蝕量對(duì)比結(jié)果可知,當(dāng)風(fēng)速15 m/s時(shí)沙化土小鼠丘土壤風(fēng)蝕量分別是草甸土和含礫石土小鼠丘的1.25,2.39倍,沙化土鼠兔中鼠丘分別是草甸土和含礫石土中鼠丘的1.28,2.21倍,沙化土鼠兔大鼠丘分別是草甸土和含礫石土大鼠丘的1.19,2.10倍(圖3)。此外,當(dāng)風(fēng)速?gòu)? m/s增加到15 m/s時(shí),草甸土大、中、小鼠丘土壤風(fēng)蝕量分別增加2.46,2.23,3.15倍,沙化土鼠丘土壤風(fēng)蝕量分別增加2.73,2.83,2.72倍,含礫石土鼠丘土壤風(fēng)蝕量分別增加3.38,3.47,4.00倍。分析得出,土壤質(zhì)地對(duì)土壤風(fēng)蝕量的影響較顯著,鼠丘體積越大時(shí)土壤風(fēng)蝕量越大。統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果表明,在風(fēng)速為9 m/s的情況下,沙化土鼠丘土壤風(fēng)蝕量與草甸土鼠丘土壤風(fēng)蝕量差異性顯著(p＜0.05),與含礫石土鼠丘土壤風(fēng)蝕量差異性極顯著(p＜0.01),當(dāng)風(fēng)速為15 m/s時(shí),3種土壤質(zhì)地鼠丘土壤風(fēng)蝕量呈現(xiàn)相同的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

圖3 不同大小高原鼠兔鼠丘土壤風(fēng)蝕量對(duì)比

以高原鼠兔中等鼠丘為例,每隔5 min統(tǒng)計(jì)土壤風(fēng)蝕量后可知,當(dāng)風(fēng)速為9 m/s時(shí)3種不同類(lèi)型的鼠丘土壤風(fēng)蝕量變化規(guī)律相似,均表現(xiàn)為前15 min土壤顆?？焖倭魇?圖4),反映出鼠丘土壤風(fēng)蝕率的敏感期,且草甸土和沙化土鼠丘土壤風(fēng)蝕量及風(fēng)蝕規(guī)律基本一致,但其風(fēng)蝕量明顯高于含礫石土鼠丘(p＜0.05)。

圖4 在9 m/s風(fēng)速下高原鼠兔中等鼠丘土壤風(fēng)蝕量隨風(fēng)蝕時(shí)間的關(guān)系

2.2 高原鼢鼠鼠丘風(fēng)蝕量與風(fēng)速的關(guān)系

由圖5可知,3種不同土壤質(zhì)地高原鼢鼠鼠丘土壤風(fēng)蝕量隨風(fēng)速的增加也呈先慢后快的變化趨勢(shì),在流失總量上也與高原鼠兔鼠丘相同,即,沙化土鼠丘＞草甸土鼠丘＞含礫石土鼠丘。對(duì)于高壓鼢鼠鼠丘而言,當(dāng)風(fēng)速小于9 m/s時(shí),草甸土小鼠丘土壤風(fēng)蝕量略高于沙化土鼠丘,當(dāng)風(fēng)速大于9 m/s時(shí),沙化土小鼠丘土壤風(fēng)蝕量顯著大于草甸土小鼢鼠鼠丘。當(dāng)風(fēng)速達(dá)到15 m/s時(shí),沙化土小鼠丘土壤風(fēng)蝕量達(dá)到了草甸土小鼠丘流失量的1.56倍,含礫石土小鼠丘除3 m/s的風(fēng)速下流失量高于沙化土小鼠丘外,其余流失量均低于同等條件下其他兩種鼠丘。沙化土中鼠丘除3 m/s的風(fēng)速下流失量低于草甸土中鼠丘外,其余流失量均大于同等條件的其他兩種鼢鼠。在風(fēng)速為15 m/s時(shí),沙化土中土壤風(fēng)蝕量分別是草甸土中鼠丘和含礫石土中鼠丘的1.63,2.39倍。當(dāng)風(fēng)速大于7.5 m/s時(shí),3種土壤質(zhì)地的中鼠丘土壤風(fēng)蝕量均會(huì)隨風(fēng)速增加快速地增加,其增加幅度為沙化土鼠丘最大,含礫石土鼠丘增加幅度最小。對(duì)不同大小和不同土壤質(zhì)地的高原鼢鼠鼠丘風(fēng)蝕量與風(fēng)速大小增長(zhǎng)關(guān)系的統(tǒng)計(jì)分析得出,當(dāng)風(fēng)速小于6 m/s時(shí),風(fēng)速的增加不會(huì)顯著增加高原鼢鼠鼠丘土壤的風(fēng)蝕量(p＞0.05),當(dāng)風(fēng)速在6～9 m/s之間時(shí),風(fēng)速的增加會(huì)顯著增加高原鼢鼠鼠丘土壤的風(fēng)蝕量(p＜0.05),當(dāng)風(fēng)速大于9 m/s時(shí),高原鼢鼠鼠丘土壤的風(fēng)蝕量的增加隨風(fēng)速的增加極顯著(p＜0.01)。

圖5 高原鼢鼠3種鼠丘不同質(zhì)地土壤風(fēng)蝕量隨風(fēng)速的變化規(guī)律

由高原鼢鼠鼠丘土壤風(fēng)蝕量與風(fēng)速的擬合關(guān)系可知,高原鼢鼠鼠丘與高原鼠兔鼠丘具有相似的規(guī)律,草甸土和含礫石土土壤風(fēng)蝕量與風(fēng)速大小間呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系,沙化土鼠丘土壤風(fēng)蝕量與風(fēng)速間呈冪函數(shù)關(guān)系,擬合度均在0.97以上(表3)。

表3 高原鼢鼠3種鼠丘土壤風(fēng)蝕量與風(fēng)速的擬合關(guān)系

研究結(jié)果表明,當(dāng)風(fēng)速為15 m/s時(shí)高原鼢鼠沙化土小鼠丘的土壤風(fēng)蝕量分別是草甸土和含礫石土小鼠丘的1.56,2.84倍,中鼠丘分別是草甸土和含礫石中土鼠丘的1.63,2.39倍,大鼠丘分別是草甸土和含礫石土大鼠丘的1.34,2.32倍(圖6)。風(fēng)速對(duì)土壤風(fēng)蝕量的影響也較大,如風(fēng)速?gòu)? m/s增加到15 m/s時(shí),草甸土大、中、小鼠丘土壤風(fēng)蝕量分別增加3.15,2.74,2.94倍,沙化土大、中、小鼠丘土壤風(fēng)蝕量分別增加2.57,2.78,4.52倍,含礫石土大、中、小鼠丘土壤風(fēng)蝕量分別增加3.91,4.48,3.48倍?？傮w風(fēng)蝕特征與高原鼠兔鼠丘類(lèi)似,即土壤質(zhì)地類(lèi)型間的土壤風(fēng)蝕量差異顯著,且土壤風(fēng)蝕量與風(fēng)速和鼠丘大小之間呈正相關(guān)。統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果表明,在風(fēng)速為9 m/s和15 m/s的情況下,與高原鼠兔鼠丘一致,高原鼢鼠沙化土鼠丘土壤風(fēng)蝕量與草甸土鼠丘土壤風(fēng)蝕量差異性顯著(p＜0.05),與含礫石土鼠丘土壤風(fēng)蝕量差異性極顯著(p＜0.01)。

圖6 高原鼢鼠不同大小鼠丘不同質(zhì)地土壤風(fēng)蝕量的對(duì)比

高原鼢鼠3種土壤質(zhì)地鼠丘土壤風(fēng)蝕量隨風(fēng)蝕時(shí)間的變化規(guī)律也與高原鼠兔鼠丘相似,以風(fēng)速9 m/s時(shí)的高原鼢鼠中等鼠丘為例(圖7)。

圖7 在9 m/s風(fēng)速下高原鼢鼠中等鼠丘不同質(zhì)地土壤風(fēng)蝕量隨風(fēng)蝕時(shí)間的關(guān)系

高原鼢鼠3種類(lèi)型的鼠丘間以及與高原鼠兔鼠丘土壤風(fēng)蝕量的變化規(guī)律基本相似,均表現(xiàn)出土壤風(fēng)蝕量先快后慢的變化趨勢(shì)即風(fēng)蝕,即前15 min為土壤風(fēng)率的敏感期,3種土壤質(zhì)地鼠丘土壤風(fēng)蝕量的大小依次為:沙化土鼠丘＞草甸土鼠丘＞含礫石土鼠丘。

2.3 兩種鼠丘土壤風(fēng)蝕量和風(fēng)蝕規(guī)律的對(duì)比

同等條件下,高原鼢鼠鼠丘土壤風(fēng)蝕量隨風(fēng)速的變化規(guī)律與高原鼠兔鼠丘的類(lèi)似,2種鼠丘土壤風(fēng)蝕量大小上存在一定的差異。對(duì)于草甸土和含礫石土的鼠丘來(lái)說(shuō),高原鼠兔鼠丘的流失量一般要大于高原鼢鼠鼠丘的風(fēng)蝕量,而對(duì)于沙化土鼠丘,高原鼢鼠土壤的風(fēng)蝕量明顯大于高原鼠兔鼠丘的土壤風(fēng)蝕量,如當(dāng)風(fēng)速15 m/s時(shí)草甸土高原鼠兔鼠丘土壤風(fēng)蝕量是草甸土高原鼢鼠鼠丘土壤風(fēng)蝕量的1.11～1.21倍,含礫石土高原鼠兔鼠丘土壤風(fēng)蝕量是含礫石土高原鼢鼠鼠丘土壤風(fēng)蝕量的1.03～1.10倍,沙化土高原鼢鼠鼠丘土壤風(fēng)蝕量是含礫石土高原鼠兔鼠丘土壤風(fēng)蝕量的1.02～1.08倍(圖8)。分析認(rèn)為,對(duì)于草甸土和含礫石土來(lái)說(shuō),高原鼠兔活動(dòng)對(duì)土壤結(jié)構(gòu)的破壞更為嚴(yán)重,因此流失量略大于高原鼢鼠鼠丘;對(duì)于沙化土來(lái)說(shuō),由于其土質(zhì)松散,顆粒間的黏結(jié)性較差,但是高原鼢鼠鼠丘土壤的堆積量相對(duì)較大,因此此類(lèi)鼠丘土壤的風(fēng)蝕量表現(xiàn)出高原鼢鼠鼠丘略大于高原鼠兔鼠丘。

圖8 在15 m/s風(fēng)速下2種鼠丘不同質(zhì)地土壤風(fēng)蝕量的對(duì)比

2.4 鼠丘土壤風(fēng)蝕物顆粒組成

根據(jù)FAO/USDA分類(lèi)系統(tǒng),將土壤顆粒有效球面直徑＞50μm,50～2μm和＜2μm的分別劃分為砂粒、粉粒和黏粒[38]。從被吹蝕土壤顆粒的粒徑組成分析結(jié)果可知,含礫石土鼠丘和草甸土鼠丘土壤風(fēng)蝕物顆粒組成相似,均以粉粒為主,砂粒次之,黏粒含量最少;沙化土鼠丘土壤風(fēng)蝕物以砂粒為主,砂粒含量為78.57%,約是含礫石土鼠丘和草甸土鼠丘砂粒含量的3倍,沙化土鼠丘土壤風(fēng)蝕物黏粉粒含量較低(表4)。3種土壤質(zhì)地的鼠丘不僅在風(fēng)蝕量上存在差異,風(fēng)蝕物顆粒組成也存在差異。

表4 鼠丘土壤風(fēng)蝕物不同粒級(jí)顆粒組成 %

3 討論

(1)不同鼠丘表面土壤風(fēng)蝕量存在差異的原因。試驗(yàn)結(jié)果表明,影響鼠丘土壤風(fēng)蝕量大小的因素有鼠丘種類(lèi)、鼠丘大小以及組成鼠丘的土壤質(zhì)地等,本研究中由于2種鼠類(lèi)體型大小和生活習(xí)性的不同致使堆積的鼠丘形態(tài)、土壤重組結(jié)構(gòu)以及對(duì)土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的破壞等存在明顯差異性[39],因此對(duì)土壤風(fēng)蝕作用的影響也存在差異。野外調(diào)查發(fā)現(xiàn),相比于地下活動(dòng)的高原鼢鼠,高原鼠兔主要在地表在洞口或鼠丘周?chē)顒?dòng),其體型較小,而且其爪子較小,在掘穴過(guò)程中對(duì)于土壤團(tuán)聚體的破壞程度遠(yuǎn)大于高原鼢鼠,致使高原鼠兔堆積形成的鼠丘中土壤粗團(tuán)聚體組成低于高原鼢鼠鼠丘,因此高原鼠兔鼠丘土壤更易遭受風(fēng)蝕作用。野外調(diào)查還發(fā)現(xiàn),鼠丘越大時(shí)接受風(fēng)蝕的表面積越大,易侵蝕的土壤細(xì)顆粒數(shù)量越多,因此土壤風(fēng)蝕量也就越大。此外,與草甸土和含礫石土鼠丘相比,沙化土鼠丘中的細(xì)顆粒含量較少,當(dāng)風(fēng)速較小時(shí)土壤風(fēng)蝕量小于其他兩種鼠丘,但由于沙化土鼠丘土壤顆粒相對(duì)獨(dú)立,結(jié)構(gòu)松散干燥,當(dāng)風(fēng)速增加到9 m/s以上時(shí),沙化土鼠丘土壤達(dá)到起沙風(fēng)速的顆粒明顯高于草甸土鼠丘和含礫石土鼠丘,因此其土壤風(fēng)蝕量明顯大于草甸土鼠丘和含礫石土鼠丘(見(jiàn)圖2和圖5)。

(2)影響鼠丘土壤風(fēng)蝕的因素分析。小型嚙齒動(dòng)物在掘穴過(guò)程中土壤層原來(lái)的結(jié)構(gòu)和物理力學(xué)特性發(fā)生了重大變化,因此鼠丘是受干擾的土壤顆粒及其團(tuán)聚體與植被根系混合重組后形成的裸露土丘,是加劇土壤風(fēng)蝕作用的特殊疏松土體[37]。本研究中草甸土鼠丘來(lái)源于嚙齒動(dòng)物挖掘原生草甸層后堆積產(chǎn)生的土丘,土壤中根系含量較高,由此形成的根—土復(fù)合堆積體對(duì)抑制土壤風(fēng)蝕發(fā)揮著重要的作用。其次,草甸土鼠丘土壤的黏粒和粉粒含量較高,且具有較好的儲(chǔ)水能力,土壤含水量相對(duì)較高,從而對(duì)土壤風(fēng)蝕也產(chǎn)生一定的抑制作用[40]。此外,未退化草地養(yǎng)分含量較高[41],而養(yǎng)分有助于顆粒形成土壤團(tuán)聚體[42]。如野外調(diào)查發(fā)現(xiàn)草甸土易形成大量的團(tuán)聚體,即使在小型嚙齒動(dòng)物干擾,大部分土壤團(tuán)聚體并未遭到破壞,由此將增加土壤的抗蝕性。對(duì)于含礫石土鼠丘而言,其表面分布大小不一的礫石,礫石的覆蓋不僅降低了土壤的受風(fēng)接觸面,而且鼠丘表面可蝕土壤顆粒的比例較少,從而對(duì)土壤風(fēng)蝕產(chǎn)生抑制作用[43]。綜合上述特征后分析認(rèn)為,鼠丘土壤風(fēng)蝕量不僅與風(fēng)速有關(guān),而且與土壤質(zhì)地條件、嚙齒動(dòng)物活動(dòng)習(xí)性及其對(duì)土壤團(tuán)聚體的破壞和土壤重組特征等均有密切關(guān)聯(lián)。

(3)3種鼠丘土壤風(fēng)蝕量隨風(fēng)速變化關(guān)系的差異分析。由于土壤團(tuán)聚體、植被根系、水分或礫石等對(duì)風(fēng)蝕的抑制作用,當(dāng)風(fēng)速較低時(shí),草甸土和含礫石土鼠丘表面的土壤風(fēng)蝕量相對(duì)較低,而當(dāng)風(fēng)速持續(xù)增加后,達(dá)到起沙風(fēng)速的顆粒含量快速增多,即隨著風(fēng)速的增加,其鼠丘表面土壤風(fēng)蝕量增加幅度先慢后快,因此草甸土鼠丘和含礫石土鼠丘土壤風(fēng)蝕量與風(fēng)速間呈指數(shù)函數(shù)的遞增關(guān)系,這與王仁德[14]、孫悅超等[44]在農(nóng)田和草地研究結(jié)果基本一致,草甸土鼠丘和含礫石土鼠丘均不可視為充足物源的侵蝕體。沙化土鼠丘分布在經(jīng)長(zhǎng)期風(fēng)化后土壤沙化嚴(yán)重的區(qū)域,土壤中砂粒含量較高,顆粒間缺乏黏結(jié)性,多以單顆粒形式存在,水分蒸發(fā)作用強(qiáng)烈,儲(chǔ)水能力較差,當(dāng)風(fēng)速略有增大時(shí)表面顆粒極易被吹蝕,這與沙漠風(fēng)蝕相近。通過(guò)野外調(diào)查發(fā)現(xiàn),在黃河源干燥的氣候條件下,當(dāng)表層的顆粒被吹蝕后裸露的顆粒仍會(huì)源源不斷地繼續(xù)遭受侵蝕作用,因此沙化土鼠丘的土壤風(fēng)蝕隨風(fēng)速增大持續(xù)增強(qiáng),可視為有充足物源的侵蝕體,因此沙化土鼠丘土壤風(fēng)蝕量與風(fēng)速間呈現(xiàn)冪函數(shù)關(guān)系。在物源充分情況下土壤顆粒流失量一般與風(fēng)速的3次方成正比,在本研究中沙化土鼠丘土壤風(fēng)蝕量隨風(fēng)速的2.218 1～2.456 9次方成正比,這也表明風(fēng)蝕作用下沙化土鼠丘土壤流失嚴(yán)重,隨著風(fēng)速的增加,沙化土鼠丘土壤風(fēng)蝕量的增加速度要明顯大于草甸土鼠丘和含礫石土鼠丘。

4 結(jié)論

(1)草甸土和含礫石土鼠丘土壤風(fēng)蝕量與風(fēng)速間呈指數(shù)函數(shù)的正相關(guān),礫石對(duì)土壤風(fēng)蝕的抑制作用明顯。草甸土鼠丘土壤和含礫石土鼠丘土壤在侵蝕過(guò)程中并不能視為有充足物源的侵蝕體,在侵蝕的過(guò)程中隨著侵蝕程度不斷加深,侵蝕難度也在不斷地增加。

(2)沙化土鼠丘土壤草流失量隨風(fēng)速梯度呈現(xiàn)冪函數(shù)關(guān)系,土壤風(fēng)蝕量與風(fēng)速的2.218 1～2.456 9次方成正比,沙化土鼠丘土壤可視為有充足物源的侵蝕體,當(dāng)風(fēng)速超過(guò)7.5 m/s時(shí),沙化土鼠丘土壤風(fēng)蝕量最大。

(3)高原鼠兔鼠丘和高原鼢鼠鼠丘在同等條件下僅在流失量存在差距,除沙化土鼠丘外,高原鼠兔鼠丘土壤風(fēng)蝕量大于高原鼢鼠鼠丘,鼠丘土壤風(fēng)蝕率隨著風(fēng)速的增加幅度較大,同等風(fēng)速下鼠丘土壤風(fēng)蝕率隨風(fēng)蝕時(shí)間的增加呈現(xiàn)先快后慢的趨勢(shì)。

(4)被吹蝕的鼠丘土壤風(fēng)蝕顆粒粒徑組成特征與鼠丘土壤質(zhì)地類(lèi)型有關(guān),其中草甸土和含礫石土鼠丘土壤風(fēng)蝕顆粒以粉粒為主,而沙化土鼠丘土壤風(fēng)蝕顆粒以砂粒為主,這與組成鼠丘的土壤質(zhì)地有關(guān)。