黃河源區(qū)高寒退化草地鼠丘對土壤風(fēng)蝕作用的影響

翟 輝, 李國榮,2, 李進芳, 朱海麗,2, 趙健赟,2, 劉亞斌, 胡夏嵩,2

(1.青海大學(xué) 地質(zhì)工程系, 西寧 810016; 2.青藏高原北緣新生代資源環(huán)境重點實驗室, 西寧 810016)

黃河源區(qū)位于青藏高原東北部，是我國重要的水資源涵養(yǎng)區(qū)，生態(tài)地位極其重要[1-2]。由于該區(qū)域獨特的地理位置及生態(tài)環(huán)境特點，在諸多因素的綜合影響下高寒草地發(fā)生了不同程度的退化[3-4]。目前造成黃河源區(qū)高寒草地退化的原因主要包括氣候因素以及放牧和嚙齒類動物活動，其中以高原鼠兔(Ochotonacurzoniae)和高原鼢鼠(Eospalaxbaileyi)為主的小型嚙齒動物活動是造成草地退化最主要的原因[5-6]。嚙齒動物掘穴造丘活動改變了原生草地的土壤理化性質(zhì)，并在地表堆積形成大量的松散鼠丘[7]。風(fēng)力是導(dǎo)致高寒草地退化的重要侵蝕動力[8-9]，在長期的風(fēng)蝕作用中，嚙齒動物活動以及產(chǎn)生的大量鼠丘在草地退化過程中發(fā)揮著重要的作用，鼠類不僅啃食草根直接破壞植被，而且使地表植被因鼠丘土壤的掩埋而死亡[10]，導(dǎo)致草地出現(xiàn)大量退化斑塊[11-13]，大面積裸露的鼠丘土壤極易產(chǎn)生風(fēng)蝕作用，從而加劇了草地退化。有關(guān)土壤風(fēng)蝕研究方面，有學(xué)者指出影響土壤風(fēng)蝕強度的因素主要有風(fēng)力、植被蓋度、土壤質(zhì)地、土壤含水量、地形因素等[14-17]，且土壤抗蝕因子的不同導(dǎo)致土壤風(fēng)蝕特征和規(guī)律也存在一定的差異[18-21]。鼠丘作為高寒草地嚙齒動物擾動形成的特殊堆積體，其在影響土壤風(fēng)蝕強度方面存在特殊性。因此，研究鼠丘對土壤風(fēng)蝕作用的影響，對于揭示高寒草地退化機理具有重要意義。

目前諸多學(xué)者針對草地退化區(qū)水土流失和植被恢復(fù)進行了研究[22-26]，也有學(xué)者針對高寒草地鼠丘特征及土壤侵蝕等進行調(diào)查和研究，如王紅蘭等[27]研究認為鼠類活動使地表土壤保水能力降低，將對草地植被生長和水土流失產(chǎn)生影響。馬素潔等[28]對高原鼢鼠鼠丘水土流失特征進行研究，認為新生土丘屬于次生裸地，容易導(dǎo)致水土流失。李國榮等[29]分析不同風(fēng)速梯度下鼠丘土壤風(fēng)力侵蝕的基本特征和規(guī)律，并討論了嚙齒動物活動對水土流失的影響。盡管諸多學(xué)者針對鼠丘土壤開展相關(guān)研究，但有關(guān)黃河源草地退化區(qū)不同鼠丘土壤的風(fēng)蝕規(guī)律等的研究較少，尤其是在不同影響因素下鼠丘對土壤風(fēng)蝕作用的影響方面有待深入研究。為此，本文以黃河源高寒草地小型嚙齒動物活動堆積的鼠丘為研究對象，通過開展土壤風(fēng)蝕原位模擬試驗，重點分析不同風(fēng)速下，鼠丘形狀大小、植被根系及土壤含水量等抗蝕因子作用下鼠丘土壤的風(fēng)蝕特征和規(guī)律，為揭示高寒草甸退化的成因機理以及草地植被恢復(fù)、生態(tài)環(huán)境改善等提供科學(xué)依據(jù)。

1 試驗材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于青海省黃南州河南縣，屬黃河源高寒草甸區(qū)，地理位置為東經(jīng)101°47′，北緯34°44′，區(qū)內(nèi)海拔約3 600 m。年均氣溫為-1.3～1.6℃，年降雨量597.1～615.5 mm[30]。該地區(qū)每年11月至次年4月份為寒冷、干燥、多大風(fēng)天氣，最大風(fēng)速達到23.7 m/s[31]。該地區(qū)地勢復(fù)雜，氣候惡劣，在諸多因素影響下原生草地出現(xiàn)大面積退化現(xiàn)象。該區(qū)域主要的嚙齒動物類型為高原鼠兔和高原鼢鼠，嚙齒動物強烈的掘穴活動使地表出現(xiàn)大量的鼠丘和洞穴。根據(jù)野外調(diào)查，同一區(qū)域內(nèi)均分布著兩種鼠丘，鼠丘平均密度可達370個/hm2，鼠洞平均密度可達950個/hm2，其中高原鼠兔因地表活動頻繁而產(chǎn)生大量的鼠洞(圖1)，且在部分鼠洞周圍產(chǎn)生相對平緩或凸凹不平的鼠丘，其土壤顆粒較細??；高原鼢鼠主要在地下活動，其掘穴過程中在地表堆積形成半球型鼠丘(圖2)，土壤顆粒相對較粗，其鼠洞在鼠丘底部。小型嚙齒動物活動對草地造成極其嚴重的破壞現(xiàn)象，而且堆積形成了大量疏松鼠丘，從而加劇了干旱期土壤的風(fēng)蝕作用，使該地區(qū)成為高寒草地典型的鼠丘土壤風(fēng)蝕區(qū)域。

圖1 高原鼠兔活動產(chǎn)生的鼠洞

圖2 高原鼢鼠活動堆積的鼠丘

1.2 研究方法

在圈定的300 m×300 m的禁牧試驗區(qū)，隨機選取100個未結(jié)皮的鼠丘(高原鼢鼠和高原鼠兔堆積的鼠丘各50個)，測量其高度、直徑、鼠丘土壤含水量等，調(diào)查鼠丘外部形態(tài)特征及根系數(shù)量，然后采用人工模擬風(fēng)蝕試驗裝置開展相應(yīng)的試驗。

人工模擬風(fēng)蝕試驗裝置由風(fēng)箱、風(fēng)速調(diào)節(jié)器、蓄電池和數(shù)據(jù)線組成(圖3)，該裝置的風(fēng)速范圍為3～18 m/s，共分11檔風(fēng)速(每差1.5 m/s為1檔)，迎風(fēng)橫截面積約2 m2，風(fēng)速誤差約±0.3 m/s，可將鼠丘置于2 mm厚的風(fēng)蝕盤(無邊壁)中心進行吹蝕，并通過測定吹蝕前后風(fēng)蝕盤上土壤的重量，以此獲得土壤風(fēng)蝕量。試驗時風(fēng)箱口與鼠丘距離為50 cm，每個試驗從風(fēng)箱啟動開始計時，每隔5 min測量其土壤流失量1次，每次試驗吹蝕60 min。為了避免天然風(fēng)力對模擬試驗的影響，試驗時用擋風(fēng)板阻隔干擾模擬風(fēng)速的自然風(fēng)。

圖3 野外人工模擬風(fēng)蝕試驗裝置

(1) 不同鼠丘大小和形狀的風(fēng)蝕試驗。根據(jù)反復(fù)調(diào)查，研究區(qū)分布的鼠丘外部形狀大致可以分為半球型、平緩型和凸凹型(似“M”)3種類型(圖4)，平均直徑為35 cm，平均高度為12 cm。為分析不同大小和形狀的鼠丘對土壤風(fēng)蝕量的影響，根據(jù)野外調(diào)查結(jié)果，試驗中鼠丘大小的選擇分別設(shè)定為大(直徑約40 cm，高度16 cm)、中(直徑約35 cm，高度12 cm)、小(直徑約30 cm，高度8 cm)3種，在風(fēng)蝕盤上模擬堆積上述3種形態(tài)大小的鼠丘，然后采用風(fēng)蝕試驗裝置分別開展3級風(fēng)速梯度的恒風(fēng)試驗。模擬風(fēng)蝕試驗中的風(fēng)速等級設(shè)定為6，9，12 m/s共3個等級(據(jù)研究區(qū)氣象站近3年季風(fēng)期的風(fēng)速監(jiān)測結(jié)果設(shè)定)，風(fēng)蝕歷時為60 min，每級風(fēng)速下的侵蝕試驗均各重復(fù)5次。

圖4 研究區(qū)鼠丘外部形狀

(2) 不同鼠丘根系數(shù)量的風(fēng)蝕試驗。為調(diào)查鼠丘內(nèi)植被根系的分布數(shù)量，將鼠丘土壤放入2 mm孔徑的土壤篩，然后將鼠丘內(nèi)的植被根系分離后統(tǒng)計數(shù)量(圖5)，根據(jù)統(tǒng)計結(jié)果，在鼠丘中配備的根系數(shù)量分別設(shè)定為200，400，600，800，1 000，1 200根共6個處理，以直徑35 cm、高度12 cm的中等半球型鼠丘為例，對均勻混合植被根系的鼠丘進行恒定風(fēng)速9 m/s的風(fēng)蝕試驗。為了使模擬鼠丘的土壤量相同，且便于對比植被根系對鼠丘土壤風(fēng)蝕作用的影響，試驗時將相同體積和重量的土壤按鼠丘形狀模擬堆積在風(fēng)蝕盤上進行試驗。此外，模擬試驗中在風(fēng)蝕盤底部鋪設(shè)表面相對粗糙的一塊布(圖6)，以模擬自然草地表面的粗糙度。

圖5 篩分法統(tǒng)計鼠丘內(nèi)植被根系

圖6 鼠丘風(fēng)蝕盤底部鋪設(shè)的粗糙布

(3) 不同含水量條件下的風(fēng)蝕試驗。以直徑35 cm、高度12 cm的中等半球形鼠丘為例，將不同含水量的天然鼠丘土壤放置在風(fēng)蝕盤上，并在9 m/s風(fēng)速條件下采用上述相同的方法開展恒風(fēng)侵蝕試驗。依據(jù)野外調(diào)查和統(tǒng)計，選擇鼠丘土壤含水量的梯度為0，3%，6%，9%，12%，15%，18%共7種，每種含水量的鼠丘各重復(fù)3次，重點測試含水量對鼠丘土壤風(fēng)蝕作用的影響。

2 結(jié)果與分析

(1) 鼠丘大小對土壤風(fēng)蝕的影響。試驗結(jié)果表明，模擬鼠丘土壤的風(fēng)蝕量隨著風(fēng)速的增加而逐步增加(圖7)。如在鼠丘大小相同的情況下，風(fēng)速從6 m/s增加到9 m/s和12 m/s時，大鼠丘的土壤流失量分別增加了1.22，1.86倍，中等鼠丘的土壤流失量分別增加了1.20，1.84倍，小鼠丘的土壤流失量分別增加了1.18，1.79倍。此外，在風(fēng)速相同的情況下，鼠丘越大時土壤流失量越大，如風(fēng)速6 m/s時，大鼠丘和中等鼠丘的流失量分別比小鼠丘增加2.71，1.70倍，當風(fēng)速增加到9 m/s時其流失量分別增加1.85，2.78倍，風(fēng)速增加到12 m/s時其分別增加1.91，2.95倍。分析認為鼠丘越大時接觸風(fēng)蝕的表面積越大，而且細小顆粒的相對比例也增大，因此在同等條件下大鼠丘的土壤流失量隨風(fēng)速的增加而出現(xiàn)顯著的增長趨勢(p<0.05)。

圖7 鼠丘大小與風(fēng)蝕量的關(guān)系

(2) 鼠丘形狀對土壤風(fēng)蝕的影響。3種不同形狀的鼠丘在風(fēng)力侵蝕作用下(風(fēng)速9 m/s)，其土壤的流失量也存在顯著差異(p<0.05)。試驗結(jié)果表明，嚙齒動物堆積的鼠丘越高，鼠丘表面越平坦，土壤的流失量就越大，即試驗中3種鼠丘土壤風(fēng)蝕量的大小依次為半球型>凸凹型>平緩型(圖8)。分析結(jié)果顯示，經(jīng)過60 min的恒風(fēng)風(fēng)蝕后，半球型的鼠丘表面的土壤流失量比凸凹型鼠丘增加35.5%，比平緩型鼠丘增加92.6%；凸凹型鼠丘土壤流失量比平緩型鼠丘增加42.2%。圖9是3種鼠丘表面土壤風(fēng)蝕量隨風(fēng)蝕時間的變化規(guī)律，從圖中也可以看出不同形狀的鼠丘土壤風(fēng)蝕作用在前5 min內(nèi)較敏感，且土壤風(fēng)蝕量隨風(fēng)蝕時間的增加而增大，分析認為這與鼠丘表面細小顆粒的瞬時流失有密切關(guān)系，即在風(fēng)蝕作用下，細小顆粒在5 min內(nèi)瞬間被吹蝕，鼠丘表面可被風(fēng)運移的土壤顆粒急劇減小，導(dǎo)致風(fēng)蝕初期流失量迅速增加，并隨風(fēng)力的持續(xù)吹蝕，流失量變化緩慢。

圖8 鼠丘形狀與風(fēng)蝕量的關(guān)系

圖9 不同形狀鼠丘土壤風(fēng)蝕量隨風(fēng)蝕時間的變化規(guī)律

(3) 鼠丘內(nèi)根系數(shù)量對土壤風(fēng)蝕的影響。鼠丘內(nèi)植被根系數(shù)量的控制試驗數(shù)據(jù)得出，土壤中的植被根系對土壤風(fēng)蝕具有抑制作用，即根系越多，土壤流失量越小，如鼠丘中根系含量為1 200根時的土壤流失量比含根200條時減少近66.51%(圖10)。圖11既反映出土壤流失量隨根系數(shù)量的增加而減小的變化規(guī)律，也反映出鼠丘土壤風(fēng)蝕作用在前5 min內(nèi)較敏感和土壤風(fēng)蝕量隨風(fēng)蝕時間的增加而增大的特征。

圖10 植被根系數(shù)量與風(fēng)蝕量的關(guān)系

圖11 風(fēng)蝕量隨根系數(shù)量和侵蝕時間的變化規(guī)律

(4) 土壤含水量變化對土壤風(fēng)蝕的影響。通過野外實地調(diào)查發(fā)現(xiàn)，土壤含水量對土壤風(fēng)力侵蝕具有很強的抑制作用。當退化區(qū)產(chǎn)生降水后，土壤中的含水量急劇增加，地表將會出現(xiàn)大量的水力侵蝕作用，盡管風(fēng)力侵蝕對水力侵蝕產(chǎn)生間接輔助作用，但此時幾乎不存在風(fēng)力對土壤流失的直接影響。模擬試驗及數(shù)據(jù)分析結(jié)果表明，隨著含水量的增加，土壤的風(fēng)蝕量急劇降低(圖12—13)，如干燥、松散的鼠丘在風(fēng)速9 m/s時，吹蝕60 min后土壤流失量達448.1 g，當含水量增加到3%，6%時，流失量減小到342.6，214.3 g，其減小幅度分別為23.6%，52.2%；當含水量為9%時，土壤流失量減小到87.4g，其減小幅度為80.5%；至含水量增加到18%時，土壤風(fēng)蝕量僅為8.4 g，減少幅度為98.1%，而且此時流失的少量土壤顆粒是經(jīng)過持續(xù)吹蝕后，土壤含水量降低所致。由圖13可知，5 min是土壤風(fēng)蝕速率增長幅度最大的時期，因此土壤含水量是影響松散土壤區(qū)土壤顆粒流失的重要影響因素。

圖12 土壤風(fēng)蝕量與土壤含水量的關(guān)系

圖13 土壤風(fēng)蝕量與風(fēng)蝕時間的關(guān)系

3 討 論

為查明不同影響因素對鼠丘土壤風(fēng)蝕的影響，在前期試驗中重點對不同風(fēng)速、鼠丘形態(tài)大小、根系數(shù)量和含水量等因素進行了分別探究。為分析上述因素對鼠丘土壤風(fēng)蝕強度的影響程度，采用灰色關(guān)聯(lián)分析法進行了統(tǒng)計分析[32-33]。分析結(jié)果表明，鼠丘大小和風(fēng)速與土壤流失量的關(guān)系最密切，其關(guān)聯(lián)度分別是0.864，0.849，其次是土壤含水量，其關(guān)聯(lián)度為0.805，含根量與土壤風(fēng)蝕量的關(guān)聯(lián)度相對較小，其關(guān)聯(lián)度為0.722(表1)，上述分析結(jié)果說明風(fēng)速和鼠丘大小的變化對鼠丘土壤風(fēng)蝕作用的影響程度較大，結(jié)合野外調(diào)查和試驗結(jié)果，風(fēng)速和鼠丘大小是鼠丘土壤風(fēng)蝕作用的促進因素，且鼠丘大小對土壤風(fēng)蝕量的影響略大于風(fēng)速，含水量和含根量對土壤流失量具有一定的抑制因素，其中含根量的抑制作用略小于土壤含水量，分析認為盡管根系經(jīng)嚙齒動物啃咬后破壞了原來根-土復(fù)合體的整體性，但在風(fēng)蝕作用中根系依然發(fā)揮重要的抑制作用。

表1 風(fēng)蝕強度因子貢獻度分析

鼠丘是受嚙齒類動物強烈的機械擾動形成的，土壤具有其特殊性和復(fù)雜性，這也就決定了影響鼠丘土壤風(fēng)蝕因素的多元性和復(fù)雜性。為便于定量分析不同因素對鼠丘土壤風(fēng)蝕作用的影響，在風(fēng)蝕試驗中針對不同影響因素下鼠丘土壤風(fēng)蝕特征進行了獨立的控制試驗，然而在野外鼠丘土壤風(fēng)蝕有可能受多種因素的影響，為深入分析多因素綜合作用及各因素間的相互作用和相互制約等對高寒草地鼠丘土壤風(fēng)蝕的影響，則需要設(shè)計更加細致的綜合性試驗方案和長期監(jiān)測。此外，此次試驗中涉及高原鼠兔和高原鼢鼠2種小型嚙齒類動物活動堆積的鼠丘，由于動物類型和生活習(xí)性不同致使鼠丘形態(tài)、內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及土壤顆粒等存在差異性，其對土壤風(fēng)蝕作用的影響也存在一定的差異，如不同鼠丘間土壤風(fēng)蝕強度差異、流失土壤的粒徑范圍及其運移規(guī)律、風(fēng)速和風(fēng)向變化與鼠丘土壤流失的關(guān)系、鼠丘長期堆積對植被及其草地退化的影響等，將是今后有待深入研究的科學(xué)問題。

經(jīng)實地調(diào)查，降水對土壤侵蝕的抑制作用比較明顯，而且降雨后隨著水分的蒸發(fā)，鼠丘表面在短時間內(nèi)將會形成機械結(jié)皮，其對鼠丘土壤風(fēng)蝕產(chǎn)生極大的抗蝕作用。此外，野外調(diào)查還發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過長期風(fēng)蝕作用后天然鼠丘表面相對細小的土壤顆粒急劇減少，即不同時間段形成的鼠丘土壤具有較為明顯的差異性，這也是本研究中選擇新鮮的、未結(jié)皮的鼠丘土壤進行模擬試驗的重要原因。

4 結(jié) 論

(1) 高寒草地鼠丘土壤的風(fēng)蝕量不僅與風(fēng)速有關(guān)，也與鼠丘大小和形狀有密切關(guān)聯(lián)。鼠丘土壤的風(fēng)蝕量隨著風(fēng)速的增加而逐步增加，風(fēng)速從6 m/s逐步增加12 m/s時，大鼠丘土壤流失量增加了1.86倍，小鼠丘增加了1.79倍。風(fēng)速6 m/s時，與小鼠丘相比，大鼠丘和中鼠丘的土壤流失量分別增加了2.71，1.70倍，風(fēng)速增加到9 m/s時其分別增加1.85，2.78倍，風(fēng)速增加到12 m/s時其分別增加1.91，2.95倍，表現(xiàn)出鼠丘大小與土壤流失量呈正比例關(guān)系。

(2) 鼠丘形狀是土壤風(fēng)蝕作用的影響因素，同等條件下3種不同形狀的鼠丘土壤風(fēng)蝕量大小依次為半球型>凸凹型>平緩型，其中半球型鼠土壤流失量比凸凹型和平緩型鼠丘分別增加了35.5%，92.6%，且風(fēng)力作用的前5 min是土壤風(fēng)蝕速的敏感期。

(3) 鼠丘土壤中的植被根系數(shù)量和土壤含水量均對土壤風(fēng)蝕作用具有明顯的抑制作用。根系1 200根時的土壤流失量比含根200根時減少近66.51%；當土壤含水量從0逐步增加到18%時，鼠丘表面的土壤流失量降低23.6%～98.1%。根系數(shù)量和土壤含水量與土壤風(fēng)蝕量呈反比，說明嚙齒動物活動堆積形成的鼠丘，其中的植被根系數(shù)量和土壤含水量均是土壤風(fēng)蝕的重要抗蝕性因子。