不同利用方式对草甸草原抗风蚀能力的影响
周尧治，王旭，杨桂霞，辛晓平*，
中国农业科学院农业资源与农业区划研究所，北京 100081
摘要 为了解不同利用方式对呼伦贝尔草甸草原抗风蚀能力的影响，采用植被调查结合风洞实验的方法对不同利用方式条件下的草甸草原植被变化和草甸草原原状土的抗风蚀能力进行了研究。结果表明，草甸草原不同利用强度条件临界风蚀风速（v）随植被盖度(Cover)的变化基本服从二次幂函数关系。随着利用强度的增加，植被盖度降低，在同样风速条件下（大于临界风蚀风速），风蚀率迅速增加。较轻的利用强度下，当植被盖度保持在63％时，在风速为25m/s条件下风蚀率也很小，而当植被盖度小于35％时，在风速为20m/s~25m/s条件下，风蚀率随植被盖度的下降迅速上升。草甸草原区的免耕农田由于完全失去植被的保护，每分钟狂风（25m/s）造成的土壤风蚀量达到682.1kg/hm2，接近一年的土壤平均生成量（1000kg/hm2）。 关键词 草甸草原 土壤风蚀 利用方式 风洞实验
中图分类号： 文献标识码：A 文章编号：0250－3301（2008）
The Influences of land Using Patterns on the Anti-wind Erosion of Meadow Grassland
ZHOU Yao-zhi, WANG-Xu, XIN Xiao-ping, YANG Gui-xia, LIU Yang, WANG Di, FENG Jian-zhong
（Institute of Natural Resources and Regional Planning, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100081,China）
Abstract: In order to analyse the effects of the human disturbances to the ability of anti-wind erosion of the Hulunbuir meadow grassland, the methods of vegetation investigation and the wind tunnel experiment were made to research the changes of vegetation and the abilities of anti-wind erosion of meadow grassland under different using patterns of meadow grassland. The result indicated that, under different grazing intensities of meadow grassland, the critical wind velocity of soil erosion (v) changes with the vegetation cover according to the relation of second power function. Along with the grazing intensities increasing and the vegetation cover reducing, the velocity of soil erosion rapidly increased on the condition of similar wind velocity which is speedier than the critical wind velocity of soil erosion. When the meadow grassland is mildly grazed which the vegetation cover maintains 63%, the velocity of soil erosion is small even there is gale that the wind velocity reach 25 m/s. When the vegetation cover of meadow grassland reduced to less than 35％, the velocity of soil erosion rapidly increased with the vegetation cover’s reducing on the condition of the wind velocity is among 20 m/s ～25 m/s. And owing to the no-tillage cropland of meadow grassland is completely far from the protection of the vegetation, the soil wind erosion quantity achieves 682.1kg/hm2 in a minute when the wind velocity is 25 m/s, which approaches the average formation quantity of soil (1000kg/hm2)in a year.
Key words: meadow grassland; soil wind erosion; land use patterns; wind tunnel experiment
全球大约有10％的农业土地（包括耕地和草地）遭受轻度至中度的土壤侵蚀，有80％的农业土地遭受中度至重度的土壤侵蚀。同时全球有超过50％的草地由于过牧而遭受土壤侵蚀[1]。在干旱区由于气候的变化和人类不合理经济活动，风蚀的影响越来越严重[2
，3]
。土
，3]
壤风蚀的发生一方面为沙尘暴提供了物质来源，另一方面带走了大量的土壤营养物质[1
，
收稿日期：2007-05-30； 修订日期：2007-10-10
基金项目：国家重点基础研究发展计划（2007CB106806）；863 草地生产数字化管理关键技术研究 (2006AA10Z241)；国家科技
支撑计划“半干旱风沙草原区退化草地治理技术研究”（2006BAC01A12）
作者简介：周尧治（1976～）男，博士后，主要研究方向为草地生态学。Tel:[1**********];E-mail:[email protected]
从而使人口拥挤的地球在满足人类社会需求方面面临严重挑战[4]。因此研究土地利用方式与土壤风蚀的关系，对于选择合理的治理措施，控制土壤风蚀具有非常重要的意义。美国农业部的科学家们在20世纪50年代系统地研究了土壤风蚀因子，如土壤粒度组成、土壤结构、土壤化学及有机质对土壤特性和抗风蚀力的影响，并建立了“通用风蚀方程”[5]。20世纪90年代在我国也开始定量研究风况、植被、土壤含水量、地表类型等自然因素和土地翻耕、过渡放牧、樵采等人为因素与土壤风蚀的定量关系[6分布区的风沙土为研究对象[12
，13]
～11]
。但是我国已有的研究主要是以沙漠
，而对草原区的风蚀状况研究较少，尤其是草甸草原的土
壤风蚀状况缺乏研究。同时，已有的关于人类活动对土壤风蚀影响的研究大多是采用模拟的方法[14]，而对人类活动影响下的原状土的风蚀规律的研究较为少见。
本实验以呼伦贝尔草甸草原不同利用方式条件下的原状土为研究对象，通过风洞实验的方法来研究不同利用方式对草甸草原抗风蚀能力的影响，了解不同利用方式条件下的草甸草原土壤风蚀规律，为草甸草原区的环境管理提供科学依据。
1 研究区域概况
呼伦贝尔市谢尔塔拉牧场地处大兴安岭西麓丘陵向蒙古高原的过渡区，海拔630~760m。年均气温 -2℃~ -1℃，最高、最低气温分别为36.17℃和-48.5℃，≥10℃年积温1580~1800℃，无霜期95~110d，年平均降水量350mm~400mm，年度间极不平衡，主要集中在6~8月。大风日数年平均为20天，其中70%的大风日数分布在3-6月份，主要是西北风，年均风速为3.0m/s~3.5 m/s，最高风速达30m/s。地带性土壤为黑钙土或暗栗钙土，土层厚30~40cm，有机质含量5.1%左右。植被组成主要有羊草(Leymus chinensis)、贝加尔针茅(Stipa baicalensis Roshev)、斜茎黄耆(Astragalus adsurgens pall)、山野豌豆(Vicia amoena Fisch)等。谢尔塔拉牧场曾是呼伦贝尔草原生产力和牧草质量最高的区域，近年来由于过度开垦和过度放牧使大面积草场发生不同程度的退化。目前该区域风蚀主要发生在农田和居民区周围。
2 材料与方法
在谢尔塔拉牧场11队，根据草场离居民区的不同距离的植被状况（植被盖度）确定不同放牧强度，植被盖度为20％、40％、60％，对应的放牧强度为重度、中度、轻度放牧。草原重度利用距牧民居住区150m、中度利用距牧民居住区1000m、轻度利用距牧民居住区2500m。3个草原取样点基本在一条直线上。耕地分布在草甸草原距草甸草原取样点1300m，当年种植夏小麦，九月份收获后未翻耕。2006-10月中旬在各取样点选择有代表性的地段，挖取长、宽、高分别为95cm、30cm、20cm的土体，装在特制的木箱中，并用木板封好。在挖掘和土样装箱和运输过程中注意使土体和植被保持原状。2006-08中旬在草甸草原各取样点附近选7个1m×1m的样方做植被调查，调查项目包括，植被盖度、物种组成、各植物种地上生物量。
风洞实验在农业部保护性耕作研究中心的风蚀风洞中进行，该风洞风速为2～30m/s，且连续可调，风洞总长11m，实验段长6m，截面积为0.8m×1.0m.。实验中保持土样表面与风洞底部平齐，样品有效风蚀面积为95cm×30cm。土壤风蚀强度用风蚀率即单位时间
2
（1min）内单位（1m2）风蚀面积上的风蚀量（g）表示，单位为g/（m·min）。在实验过程中风速用德图 Testo 416型叶轮风速仪在距离风洞底面20cm处测得，风蚀率以百分之一天平称重求算。实验员在风洞实验过程中通过风洞壁上的玻璃窗口观察土壤样品土壤颗粒的运动状态来确定临界风速。本实验测定风速设为4个梯度，分别为7m/s、12m/s、17m/s、22m/s和27m/s。
图1 风洞试验装置截面 Fig1 Section of the wind tunnel
3结果与分析
3.1不同利用方式对草甸草原植被的影响
从表1可以看出，在草甸草原距牧民集居点2500m处，草原植被处于轻度利用状态，草原植物群落基本保持完整。7个平米样方共发现49个植物种，平均每m2 23.8个植物种，8月中旬地上部分生物量为188.55 g/m2，枯落物为91.47 g/m2。当植被逐步靠近牧民点，家畜活动强度增大，在靠近牧民点1000m处，7个平米样方共出现48个物种，每m2样方有18.4个植物种。草甸草原利用强度从轻度利用到中度利用植物物种总数基本保持不变，而每m2植物物种数量从23.8个下降到18.4个,下降了22.7％（p＜0.05)，说明尽管草甸草原植被利用强度由轻度利用到中度利用，群落生物多样性基本保持不变，但是放牧活动的增强改变了植物物种的布局。同时随着放牧利用强度增加到中度，地上平均生物量和枯落物显著下降（p＜0.01)，分别比轻度利用草甸草原下降了47.39％、29.34%。草甸草原利用强度从中度利用到重度利用，只有每m2植物物种数量下降不明显，而群落中植物物种总数从48个下降到35个、地上部分生物量从99.20 g/m2下降到46.75 g/m2、枯落物从64.63 g/m2下降到23.61 g/m2，分别比中度利用草甸草原又减少了27.1%、52.8％、63.5％（p＜0.01)。
表1 不同利用方式条件对草甸草原植被的影响 Table 1 Effects of land using on the vegetation cover
草地利用方式
植物种 总数/个
轻度利用 (距牧民点2500m)
中度利用 (距牧民点1000m)
重度利用 (距牧民点150m)
免耕农田
49 48 35 0
1平方米 物种数/个 23.8±4.7 (21-26) 18.4±2.8 (16-23) 18±3.5 (15-24)
盖度/％ 63±5.7 (55-70) 42±6.4 (35-45) 22±5.6 (18-25)
地上生物量g/m 188.55±57.99 (147.78-275.35) 99.20±11.64 (88.48-117.34) 46.75±14.8 (30.44-67.78)
2
1)
枯落物g/m 91.47±31.62 (62.76-116.42) 64.63±17.31 (43.75-88.69) 23.61±8.4 (13.06-35.28)
2
1)“±”后面数字为标准差，括号内数字为最小值和最大值
由于植物生理生态特性不同，对草食动物的取食反应不同，因此随着草原利用强度的变化，植物群落组成发生了明显的改变（表2）。在轻度利用的草原，生态系统的生态功能主要由贝加尔针茅、羊草、日荫菅来承担；在中度利用草原上，生态系统生态功能主要由羊草、苔草和隐子草来承担，贝加尔针茅在群落中变为偶见种；在重度利用草原上，生态系统生态
功能主要由苔草、隐子草来承担，而贝加尔针茅和羊草均为偶见种。在呼伦贝尔草甸草原，贝加尔针茅和羊草不仅草原生态系统产品功能的主要承担者也是草原生态系统水土保持和防止土壤侵蚀等服务功能的主要承担者。
表2 不同的利用方式条件下草地植物种优势度的变化
1)
Table 2 Change of dominance of plant species under different land using patterns 轻度利用 物种 贝加尔针茅
羊草 日荫菅 白头翁 苔草 狭叶青蒿 裂叶蒿 扁蓿豆 唐松草 麻花头 隐子草
优势度 0.2186849 0.1829837 0.1120326 0.0720829 0.037490 0.0324889 0.0302059 0.0236613 0.023459 0.0184813 0.004943
物种 羊草 苔草 隐子草 裂叶蒿 日荫菅 瓣蕊唐松草 狭叶青蒿 麻花头 扁蓿豆
中度利用
优势度 0.400895 0.179584 0.109303 0.041147 0.014389 0.013004 0.004036 0.000818 0.000474
物种 苔草 隐子草 细叶白头翁
羊草 裂叶蒿 蒲公英 日荫菅 麻花头 双齿葱 贝加尔针茅
重度利用
优势度 0.359905 0.225371 0.022012 0.021225 0.020336 0.018432 0.015434 0.013074 0.006406 0.00189
1) 优势度＝（相对盖度＋相对重量）/2 ，优势度为7个1m2样方的平均值
3.2不同利用方式条件下草甸草原风蚀率状况
3.2.1不同利用方式条件下的草甸草原土壤临界风蚀风速
尽管由于草甸草原土壤有机质含量高（在5.1%左右）有较好的土壤结构和不同程度的植被保护以及免耕农田形成结皮保护层，使得本实验各处理样品的临界风速较高。但是草甸草原不同利用强度条件下土壤风蚀实验结果表明，临界风蚀风速随着利用强度的增加而下降，从植被基本保持完整的轻度放牧草甸草原到没有植被覆盖的农田，临界风蚀风速从25.3
-1-1
m·s下降到12.7 m·s。临界风蚀风速（v）随植被盖度(Cover，取值范围在0~1之间)的变化基本服从二次幂函数关系（n=4）：
v = 12.613－2.476×Cover ＋35.375×Cover2 R2＝0.998 F=269.076
随着草原利用强度的增加，贝加尔针茅和羊草在群落中由主要物种变为偶见种(表2)，同时植被地上部分生物量和枯落物显著下降（表1），由于失去植被及枯落物的保护，草甸草原重度放牧和农田容易遭受风蚀。
3.2.2不同土地利用方式条件下风速与土壤风蚀率的关系
由于沙风洞调速系统的误差，每组实验中实验段的的风速难于严格控制在拟定的风速条件下，由实验数据直接定量比较不同利用强度对风蚀率的影响存在较大困难，为精确起见，对实验结果（表3）采用自然3次样条法插值，求出草甸草原不同利用方式条件下，20m/s和25m/s风速时的风蚀率（表4）。
（1）当风速超过临界风蚀风速，风蚀率随风速增大而增加。草甸草原在中度、重度和免耕农田三种利用方式条件下，在风速20m/s之后，土壤风蚀率大幅上升，因此在草甸草原区风速20m/s以上对农田和重度放牧草甸草原是灾害性大风，对中度放牧的草地也产生非常严重的影响。
（2）风蚀率随风速增大的增加率因土地利用强度的大小而异。土地利用强度越大，风蚀率
随风速的增加率也越大。在25m/s风速条件下，重度放牧条件下土壤风蚀是中度放牧条件下土壤风蚀的6倍左右，免耕农田土壤风蚀是重度放牧条件下土壤风蚀的7倍左右。
表3 不同利用方式和各风速下0～5分钟内平均风蚀率1)
Table 3 The rate of wind erosion under different land using patterns and wind speed
不同利用方式对应植被盖度 轻度放牧 （63％） 中度放牧 （42％） 重度放牧 (22％) 农田 (0％)
表4 不同风速条件下草甸草原利用方式与风蚀率的关系 /g·(m·min)
Table 4 Relationshipe between land use and the rate of wind erosion under different wind speed /g·(m·min) 风速/m·s 15 20 25
-1
2
-1
1)
2
-1
临界风蚀风速 /m·s 25.0 18.1 13.5 12.7
-1
不同风速v /m·s-1条件下的风蚀率E /g·(m2·min)-1
v 11.8 E 0 v 12.1 E 0 v 12.6 E 0 v 11.3 E 0
16.7 0 17.0 0 17.2 2.67 16.5 3.33
21.5 0 20.8 0.88 22.5 6.55 19.5 5.22
26.3 0.10 25.5 1.56 28.5 12.33 27.2 72.87
1) 实验时土壤的含水量为3.5％左右
轻度放牧(63％) 0 0 0.05
中度放牧(42％) 0 0.88 1.56
重度放牧(22%) 2.03 3.16 9.72
农田(0%) 2.94 7.21 68.l2
1) 括号内数字是相应利用方式条件下的植被平均盖度
3.3草甸草原植被状况与风蚀状况的关系
草甸草原随着利用强度的增加，植被盖度降低，在同样风速条件下（大于临界风蚀风速），风蚀率迅速增加。较轻的利用强度下，当植被盖度保持在60％时，在大风（25m/s）条件下风蚀率也很小，而当植被盖度小于35％时，在大风（20m/s~25m/s）条件下，风蚀率随植被盖度的下降迅速上升。
图2 草甸草原在20m/s和25m/s风速条件下不同利用强度与风蚀率的关系 Fig2. Intensity of land use and rate of wind erosion under 20m/s and 25m/s wind speed
3.4 草甸草原不同利用方式的可持续性评价
由于植被可以增加地表粗糙度，阻挡风力对地表土壤物质的直接作用、分散近地表风动量、截留部分被蚀物质，因此植被发挥着抑制风蚀、保护地表的作用[16~18]。在呼伦贝尔草甸草原当植被盖度低于42％（地上部分生物量干物质重低于99.20g/m2，枯落物低于64.63 g/m2）时，地表将面临严重的风蚀。因为这种状态下的草甸草原除了通过畜牧业从草原生态系统输出大量物质（几乎没有人为的物质投入）以外，通过风蚀每年还要损失12192kg/hm2（当地气象资料表明，每年4月上旬至5月下旬呼伦贝尔草甸草原大风日数平均为10d，该时段内，最大风速能达25m/s以上,其中15m/s左右的风速共计约24h，20m/s左右大风共计约有16h，25m/s左右大风共计约有4h），土壤年风蚀量是土壤年生成量1000kg/hm2 [1]的12倍。而重度放牧[植被盖度为22±5.6％、地上部分生物量干物质重为(46.75±14.8)g/m2，枯落物低于(23.61±8.4 )g/m2]的草甸草原通过风蚀每年损失的土壤大约为成土作用的83.0倍左右，即每年每hm2草地损失土壤约83.0t。
呼伦贝尔草甸草原开垦为农田，在没有实行保护性耕作条件下是不可持续的，免耕农田在25m/s的风速条件下每分钟的风蚀量（682.1kg/hm2）就接近于平均1a的土壤生成量(1000kg/hm2)。免耕农田有结皮的保护，能在一定程度降低风蚀率。如果翻耕后遇到大风气候，由于地表结构破损而降低了土壤的抗风蚀力，其风蚀量会以2个数量级的速率上升[19]。呼伦贝尔市的现有耕地大部分在草甸草原区，因此亟待推广保护性耕作措施。
呼伦贝尔草甸草原轻度放牧植被盖度在63％以上，植被系统基本保持结构和功能的完整，其年风蚀量(120kg/hm2)小于每a的土壤生成量((1000kg/hm2)，因此是一种可持续的利用方式。
4结论
（1）轻度放牧利用的呼伦贝尔草甸草原当植被盖度保持在63％左右时，群落以贝加尔针茅和羊草为优势种群，8月份地上生物量为(188.55±57.99)g/m2，枯落物为(91.47±31.62)g/m2。由于植被系统在轻度放牧条件下基本保持完整，能有效防止大风对土壤的侵蚀，风蚀率小，是可持续的利用方式。
（2）当草甸草原利用强度增大植被盖度保持在42％左右时，群落以羊草、苔草、隐子草为优势种群，贝加尔针茅变为群落偶见种。8月份地上生物量为(99.20±11.64)g/m2，枯落物为(64.63±17.31)g/m2，与轻度利用条件下的草甸草原相比其地上部分生物量和枯落物显著下降(p＜0.01)，植被系统受到损伤不能很好控制大风对土壤的侵蚀，每年4月上旬至5月下旬土壤风蚀率为12192kg/(hm2·a)，是土壤生成量1000kg/(hm2·a)的12倍左右。
（3）呼伦贝尔草甸草原在重度放牧利用植被盖度维持在22％左右时，群落以苔草、隐子草为优势种群，贝加尔针茅和羊草变为群落偶见种。8月份地地上部分生物量从中度利用的(99.20±11.64 )g/m2下降到(46.75±14.8)g/m2、枯落物从(64.63±17.31)g/m2下降到(23.61±8.4) g/m2，分别比中度利用草甸草原又减少了52.8％、63.5％(p＜0.01)，植被系统严重受损，重度利用的草甸草原通过风蚀每年4月上旬至5月下旬损失的土壤大约为成土作用的83.0倍左右，即每年每hm2草地损失土壤约83.0t。
（4）草甸草原区的免耕农田由于完全失去植被的保护，每min大风（25m/s）造成的土壤风蚀量达到682.1kg/hm2，接近一年的土壤平均生成量。
致谢：感谢农业部保护性耕作研究中心李洪文教授、毛宁老师、王树东老师在风洞试验过程中的指导以及呼伦贝尔草原监察所
朱丽博博士在植被调查中的帮助。
参考文献：
[1] Pimentel D, Harvey C, Resosudarmo P, et al. Environmental and economic costs of soil erosion and conservation benefits[J].
Science,1995，267:1117~1123.
[2] 许中旗,李文华,闵庆文,等.典型草原抗风蚀能力的实验研究[J].环境科学，2005，26（5）：164~168.
[3] Shi P J, Yan P, Yuan Y. Wind erosion research in China:past, present and future[J]. Progress in physical geography,2004,28
（3）：366~386.
[4] Palmer M, Bernhardt E, Chornesky E, et al. Ecology for a crowed planet[J]. Science. 2004，304:1251~1252.
[5] Woodruff N, Siddoway P. A wind erosion equation[J]. Soil Science Society American Proceedings, 1965,29(3): 602~608.
[6] 刘玉璋,董光荣,李长治.影响土壤风蚀主要因素的风洞实验研究[J].中国沙漠,1992,12(4):41~49
[7] Dong Z B, Liu X P, Wang X M, et al. Experimental investigation of the velocity of a sand cloud blowing over a sandy
surface[J]. Earth Surface Processes and Landforms, 2004,29:343~358.
[8] 陈渭南,董光荣,董治宝.中国北方土壤风蚀问题研究的进展与趋势[J].地球科学进展，1994，9(5):6~11. [9] 凌裕泉,屈建军,金炯.稀疏天然植被对输沙量的影响[J].中国沙漠，2003,23(1):12~17.
[10] 刘小平，董治宝.直立植被粗糙度和阻力分解的风洞实验研究[J].中国沙漠，2002，22(1):82~87.
[11] Dong Z B, Gao Sh Y, Fryrear D W. Drag coefficients and roughness length as disturbed by standing vegetation [J].Journal of
Arid environments,2001,49(3):485~505.
[12] 董治宝,陈渭南,董光荣,等.植被对风沙土风蚀作用的影响[J].环境科学学报，1996，16(4):442~446. [13] 董治宝,Fryrear D W,高尚玉.直立植物防沙措施粗糙特征的模拟实验[J].中国沙漠,2000,20(3):260~263. [14] 张春来,邹雪勇,董光荣,等.植被对土壤风蚀的风洞实验研究[J]，水土保持学报，2003，17（3）:31~33. [15] 任继周.草业科学研究方法[M].北京:中国农业出版社,1998:15~16.
[16] Chepil W S, Woodruff N P, Siddoway F H, et al. Vegetative and nonvegetative materials to control wind and water erosion
[J].Soil Sci.Soc.Am.Proc.,1963,27(1):86~89.
[17] Wasson R J, Nanninga P M. Estimating wind transport sand on vegetated surface[J]. Earth Surface Processes and Land
forms,1986,11:505~514.
[18] Stephen A W, Nickling W G. The protective role of sparse vegetation in wind erosion[J]. Progress in Physical Geography
1993,17(1):50~68.
[19] 董治宝,陈渭南,董光荣,等.关于人为地表结构破损与土壤风蚀关系的定量研究[J].科学通报，1995，40(1):54~57.
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图1 风洞试验装置截面 Fig1 Section of the wind tunnel
图2 草甸草原在20m/s和25m/s风速条件下不同利用强度与风蚀率的关系 Fig2. Intensity of land use and rate of wind erosion under 20m/s and 25m/s wind speed
不同利用方式对草甸草原抗风蚀能力的影响
周尧治，王旭，杨桂霞，辛晓平*，
中国农业科学院农业资源与农业区划研究所，北京 100081
摘要 为了解不同利用方式对呼伦贝尔草甸草原抗风蚀能力的影响，采用植被调查结合风洞实验的方法对不同利用方式条件下的草甸草原植被变化和草甸草原原状土的抗风蚀能力进行了研究。结果表明，草甸草原不同利用强度条件临界风蚀风速（v）随植被盖度(Cover)的变化基本服从二次幂函数关系。随着利用强度的增加，植被盖度降低，在同样风速条件下（大于临界风蚀风速），风蚀率迅速增加。较轻的利用强度下，当植被盖度保持在63％时，在风速为25m/s条件下风蚀率也很小，而当植被盖度小于35％时，在风速为20m/s~25m/s条件下，风蚀率随植被盖度的下降迅速上升。草甸草原区的免耕农田由于完全失去植被的保护，每分钟狂风（25m/s）造成的土壤风蚀量达到682.1kg/hm2，接近一年的土壤平均生成量（1000kg/hm2）。 关键词 草甸草原 土壤风蚀 利用方式 风洞实验
中图分类号： 文献标识码：A 文章编号：0250－3301（2008）
The Influences of land Using Patterns on the Anti-wind Erosion of Meadow Grassland
ZHOU Yao-zhi, WANG-Xu, XIN Xiao-ping, YANG Gui-xia, LIU Yang, WANG Di, FENG Jian-zhong
（Institute of Natural Resources and Regional Planning, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100081,China）
Abstract: In order to analyse the effects of the human disturbances to the ability of anti-wind erosion of the Hulunbuir meadow grassland, the methods of vegetation investigation and the wind tunnel experiment were made to research the changes of vegetation and the abilities of anti-wind erosion of meadow grassland under different using patterns of meadow grassland. The result indicated that, under different grazing intensities of meadow grassland, the critical wind velocity of soil erosion (v) changes with the vegetation cover according to the relation of second power function. Along with the grazing intensities increasing and the vegetation cover reducing, the velocity of soil erosion rapidly increased on the condition of similar wind velocity which is speedier than the critical wind velocity of soil erosion. When the meadow grassland is mildly grazed which the vegetation cover maintains 63%, the velocity of soil erosion is small even there is gale that the wind velocity reach 25 m/s. When the vegetation cover of meadow grassland reduced to less than 35％, the velocity of soil erosion rapidly increased with the vegetation cover’s reducing on the condition of the wind velocity is among 20 m/s ～25 m/s. And owing to the no-tillage cropland of meadow grassland is completely far from the protection of the vegetation, the soil wind erosion quantity achieves 682.1kg/hm2 in a minute when the wind velocity is 25 m/s, which approaches the average formation quantity of soil (1000kg/hm2)in a year.
Key words: meadow grassland; soil wind erosion; land use patterns; wind tunnel experiment
全球大约有10％的农业土地（包括耕地和草地）遭受轻度至中度的土壤侵蚀，有80％的农业土地遭受中度至重度的土壤侵蚀。同时全球有超过50％的草地由于过牧而遭受土壤侵蚀[1]。在干旱区由于气候的变化和人类不合理经济活动，风蚀的影响越来越严重[2
，3]
。土
，3]
壤风蚀的发生一方面为沙尘暴提供了物质来源，另一方面带走了大量的土壤营养物质[1
，
收稿日期：2007-05-30； 修订日期：2007-10-10
基金项目：国家重点基础研究发展计划（2007CB106806）；863 草地生产数字化管理关键技术研究 (2006AA10Z241)；国家科技
支撑计划“半干旱风沙草原区退化草地治理技术研究”（2006BAC01A12）
作者简介：周尧治（1976～）男，博士后，主要研究方向为草地生态学。Tel:[1**********];E-mail:[email protected]
从而使人口拥挤的地球在满足人类社会需求方面面临严重挑战[4]。因此研究土地利用方式与土壤风蚀的关系，对于选择合理的治理措施，控制土壤风蚀具有非常重要的意义。美国农业部的科学家们在20世纪50年代系统地研究了土壤风蚀因子，如土壤粒度组成、土壤结构、土壤化学及有机质对土壤特性和抗风蚀力的影响，并建立了“通用风蚀方程”[5]。20世纪90年代在我国也开始定量研究风况、植被、土壤含水量、地表类型等自然因素和土地翻耕、过渡放牧、樵采等人为因素与土壤风蚀的定量关系[6分布区的风沙土为研究对象[12
，13]
～11]
。但是我国已有的研究主要是以沙漠
，而对草原区的风蚀状况研究较少，尤其是草甸草原的土
壤风蚀状况缺乏研究。同时，已有的关于人类活动对土壤风蚀影响的研究大多是采用模拟的方法[14]，而对人类活动影响下的原状土的风蚀规律的研究较为少见。
本实验以呼伦贝尔草甸草原不同利用方式条件下的原状土为研究对象，通过风洞实验的方法来研究不同利用方式对草甸草原抗风蚀能力的影响，了解不同利用方式条件下的草甸草原土壤风蚀规律，为草甸草原区的环境管理提供科学依据。
1 研究区域概况
呼伦贝尔市谢尔塔拉牧场地处大兴安岭西麓丘陵向蒙古高原的过渡区，海拔630~760m。年均气温 -2℃~ -1℃，最高、最低气温分别为36.17℃和-48.5℃，≥10℃年积温1580~1800℃，无霜期95~110d，年平均降水量350mm~400mm，年度间极不平衡，主要集中在6~8月。大风日数年平均为20天，其中70%的大风日数分布在3-6月份，主要是西北风，年均风速为3.0m/s~3.5 m/s，最高风速达30m/s。地带性土壤为黑钙土或暗栗钙土，土层厚30~40cm，有机质含量5.1%左右。植被组成主要有羊草(Leymus chinensis)、贝加尔针茅(Stipa baicalensis Roshev)、斜茎黄耆(Astragalus adsurgens pall)、山野豌豆(Vicia amoena Fisch)等。谢尔塔拉牧场曾是呼伦贝尔草原生产力和牧草质量最高的区域，近年来由于过度开垦和过度放牧使大面积草场发生不同程度的退化。目前该区域风蚀主要发生在农田和居民区周围。
2 材料与方法
在谢尔塔拉牧场11队，根据草场离居民区的不同距离的植被状况（植被盖度）确定不同放牧强度，植被盖度为20％、40％、60％，对应的放牧强度为重度、中度、轻度放牧。草原重度利用距牧民居住区150m、中度利用距牧民居住区1000m、轻度利用距牧民居住区2500m。3个草原取样点基本在一条直线上。耕地分布在草甸草原距草甸草原取样点1300m，当年种植夏小麦，九月份收获后未翻耕。2006-10月中旬在各取样点选择有代表性的地段，挖取长、宽、高分别为95cm、30cm、20cm的土体，装在特制的木箱中，并用木板封好。在挖掘和土样装箱和运输过程中注意使土体和植被保持原状。2006-08中旬在草甸草原各取样点附近选7个1m×1m的样方做植被调查，调查项目包括，植被盖度、物种组成、各植物种地上生物量。
风洞实验在农业部保护性耕作研究中心的风蚀风洞中进行，该风洞风速为2～30m/s，且连续可调，风洞总长11m，实验段长6m，截面积为0.8m×1.0m.。实验中保持土样表面与风洞底部平齐，样品有效风蚀面积为95cm×30cm。土壤风蚀强度用风蚀率即单位时间
2
（1min）内单位（1m2）风蚀面积上的风蚀量（g）表示，单位为g/（m·min）。在实验过程中风速用德图 Testo 416型叶轮风速仪在距离风洞底面20cm处测得，风蚀率以百分之一天平称重求算。实验员在风洞实验过程中通过风洞壁上的玻璃窗口观察土壤样品土壤颗粒的运动状态来确定临界风速。本实验测定风速设为4个梯度，分别为7m/s、12m/s、17m/s、22m/s和27m/s。
图1 风洞试验装置截面 Fig1 Section of the wind tunnel
3结果与分析
3.1不同利用方式对草甸草原植被的影响
从表1可以看出，在草甸草原距牧民集居点2500m处，草原植被处于轻度利用状态，草原植物群落基本保持完整。7个平米样方共发现49个植物种，平均每m2 23.8个植物种，8月中旬地上部分生物量为188.55 g/m2，枯落物为91.47 g/m2。当植被逐步靠近牧民点，家畜活动强度增大，在靠近牧民点1000m处，7个平米样方共出现48个物种，每m2样方有18.4个植物种。草甸草原利用强度从轻度利用到中度利用植物物种总数基本保持不变，而每m2植物物种数量从23.8个下降到18.4个,下降了22.7％（p＜0.05)，说明尽管草甸草原植被利用强度由轻度利用到中度利用，群落生物多样性基本保持不变，但是放牧活动的增强改变了植物物种的布局。同时随着放牧利用强度增加到中度，地上平均生物量和枯落物显著下降（p＜0.01)，分别比轻度利用草甸草原下降了47.39％、29.34%。草甸草原利用强度从中度利用到重度利用，只有每m2植物物种数量下降不明显，而群落中植物物种总数从48个下降到35个、地上部分生物量从99.20 g/m2下降到46.75 g/m2、枯落物从64.63 g/m2下降到23.61 g/m2，分别比中度利用草甸草原又减少了27.1%、52.8％、63.5％（p＜0.01)。
表1 不同利用方式条件对草甸草原植被的影响 Table 1 Effects of land using on the vegetation cover
草地利用方式
植物种 总数/个
轻度利用 (距牧民点2500m)
中度利用 (距牧民点1000m)
重度利用 (距牧民点150m)
免耕农田
49 48 35 0
1平方米 物种数/个 23.8±4.7 (21-26) 18.4±2.8 (16-23) 18±3.5 (15-24)
盖度/％ 63±5.7 (55-70) 42±6.4 (35-45) 22±5.6 (18-25)
地上生物量g/m 188.55±57.99 (147.78-275.35) 99.20±11.64 (88.48-117.34) 46.75±14.8 (30.44-67.78)
2
1)
枯落物g/m 91.47±31.62 (62.76-116.42) 64.63±17.31 (43.75-88.69) 23.61±8.4 (13.06-35.28)
2
1)“±”后面数字为标准差，括号内数字为最小值和最大值
由于植物生理生态特性不同，对草食动物的取食反应不同，因此随着草原利用强度的变化，植物群落组成发生了明显的改变（表2）。在轻度利用的草原，生态系统的生态功能主要由贝加尔针茅、羊草、日荫菅来承担；在中度利用草原上，生态系统生态功能主要由羊草、苔草和隐子草来承担，贝加尔针茅在群落中变为偶见种；在重度利用草原上，生态系统生态
功能主要由苔草、隐子草来承担，而贝加尔针茅和羊草均为偶见种。在呼伦贝尔草甸草原，贝加尔针茅和羊草不仅草原生态系统产品功能的主要承担者也是草原生态系统水土保持和防止土壤侵蚀等服务功能的主要承担者。
表2 不同的利用方式条件下草地植物种优势度的变化
1)
Table 2 Change of dominance of plant species under different land using patterns 轻度利用 物种 贝加尔针茅
羊草 日荫菅 白头翁 苔草 狭叶青蒿 裂叶蒿 扁蓿豆 唐松草 麻花头 隐子草
优势度 0.2186849 0.1829837 0.1120326 0.0720829 0.037490 0.0324889 0.0302059 0.0236613 0.023459 0.0184813 0.004943
物种 羊草 苔草 隐子草 裂叶蒿 日荫菅 瓣蕊唐松草 狭叶青蒿 麻花头 扁蓿豆
中度利用
优势度 0.400895 0.179584 0.109303 0.041147 0.014389 0.013004 0.004036 0.000818 0.000474
物种 苔草 隐子草 细叶白头翁
羊草 裂叶蒿 蒲公英 日荫菅 麻花头 双齿葱 贝加尔针茅
重度利用
优势度 0.359905 0.225371 0.022012 0.021225 0.020336 0.018432 0.015434 0.013074 0.006406 0.00189
1) 优势度＝（相对盖度＋相对重量）/2 ，优势度为7个1m2样方的平均值
3.2不同利用方式条件下草甸草原风蚀率状况
3.2.1不同利用方式条件下的草甸草原土壤临界风蚀风速
尽管由于草甸草原土壤有机质含量高（在5.1%左右）有较好的土壤结构和不同程度的植被保护以及免耕农田形成结皮保护层，使得本实验各处理样品的临界风速较高。但是草甸草原不同利用强度条件下土壤风蚀实验结果表明，临界风蚀风速随着利用强度的增加而下降，从植被基本保持完整的轻度放牧草甸草原到没有植被覆盖的农田，临界风蚀风速从25.3
-1-1
m·s下降到12.7 m·s。临界风蚀风速（v）随植被盖度(Cover，取值范围在0~1之间)的变化基本服从二次幂函数关系（n=4）：
v = 12.613－2.476×Cover ＋35.375×Cover2 R2＝0.998 F=269.076
随着草原利用强度的增加，贝加尔针茅和羊草在群落中由主要物种变为偶见种(表2)，同时植被地上部分生物量和枯落物显著下降（表1），由于失去植被及枯落物的保护，草甸草原重度放牧和农田容易遭受风蚀。
3.2.2不同土地利用方式条件下风速与土壤风蚀率的关系
由于沙风洞调速系统的误差，每组实验中实验段的的风速难于严格控制在拟定的风速条件下，由实验数据直接定量比较不同利用强度对风蚀率的影响存在较大困难，为精确起见，对实验结果（表3）采用自然3次样条法插值，求出草甸草原不同利用方式条件下，20m/s和25m/s风速时的风蚀率（表4）。
（1）当风速超过临界风蚀风速，风蚀率随风速增大而增加。草甸草原在中度、重度和免耕农田三种利用方式条件下，在风速20m/s之后，土壤风蚀率大幅上升，因此在草甸草原区风速20m/s以上对农田和重度放牧草甸草原是灾害性大风，对中度放牧的草地也产生非常严重的影响。
（2）风蚀率随风速增大的增加率因土地利用强度的大小而异。土地利用强度越大，风蚀率
随风速的增加率也越大。在25m/s风速条件下，重度放牧条件下土壤风蚀是中度放牧条件下土壤风蚀的6倍左右，免耕农田土壤风蚀是重度放牧条件下土壤风蚀的7倍左右。
表3 不同利用方式和各风速下0～5分钟内平均风蚀率1)
Table 3 The rate of wind erosion under different land using patterns and wind speed
不同利用方式对应植被盖度 轻度放牧 （63％） 中度放牧 （42％） 重度放牧 (22％) 农田 (0％)
表4 不同风速条件下草甸草原利用方式与风蚀率的关系 /g·(m·min)
Table 4 Relationshipe between land use and the rate of wind erosion under different wind speed /g·(m·min) 风速/m·s 15 20 25
-1
2
-1
1)
2
-1
临界风蚀风速 /m·s 25.0 18.1 13.5 12.7
-1
不同风速v /m·s-1条件下的风蚀率E /g·(m2·min)-1
v 11.8 E 0 v 12.1 E 0 v 12.6 E 0 v 11.3 E 0
16.7 0 17.0 0 17.2 2.67 16.5 3.33
21.5 0 20.8 0.88 22.5 6.55 19.5 5.22
26.3 0.10 25.5 1.56 28.5 12.33 27.2 72.87
1) 实验时土壤的含水量为3.5％左右
轻度放牧(63％) 0 0 0.05
中度放牧(42％) 0 0.88 1.56
重度放牧(22%) 2.03 3.16 9.72
农田(0%) 2.94 7.21 68.l2
1) 括号内数字是相应利用方式条件下的植被平均盖度
3.3草甸草原植被状况与风蚀状况的关系
草甸草原随着利用强度的增加，植被盖度降低，在同样风速条件下（大于临界风蚀风速），风蚀率迅速增加。较轻的利用强度下，当植被盖度保持在60％时，在大风（25m/s）条件下风蚀率也很小，而当植被盖度小于35％时，在大风（20m/s~25m/s）条件下，风蚀率随植被盖度的下降迅速上升。
图2 草甸草原在20m/s和25m/s风速条件下不同利用强度与风蚀率的关系 Fig2. Intensity of land use and rate of wind erosion under 20m/s and 25m/s wind speed
3.4 草甸草原不同利用方式的可持续性评价
由于植被可以增加地表粗糙度，阻挡风力对地表土壤物质的直接作用、分散近地表风动量、截留部分被蚀物质，因此植被发挥着抑制风蚀、保护地表的作用[16~18]。在呼伦贝尔草甸草原当植被盖度低于42％（地上部分生物量干物质重低于99.20g/m2，枯落物低于64.63 g/m2）时，地表将面临严重的风蚀。因为这种状态下的草甸草原除了通过畜牧业从草原生态系统输出大量物质（几乎没有人为的物质投入）以外，通过风蚀每年还要损失12192kg/hm2（当地气象资料表明，每年4月上旬至5月下旬呼伦贝尔草甸草原大风日数平均为10d，该时段内，最大风速能达25m/s以上,其中15m/s左右的风速共计约24h，20m/s左右大风共计约有16h，25m/s左右大风共计约有4h），土壤年风蚀量是土壤年生成量1000kg/hm2 [1]的12倍。而重度放牧[植被盖度为22±5.6％、地上部分生物量干物质重为(46.75±14.8)g/m2，枯落物低于(23.61±8.4 )g/m2]的草甸草原通过风蚀每年损失的土壤大约为成土作用的83.0倍左右，即每年每hm2草地损失土壤约83.0t。
呼伦贝尔草甸草原开垦为农田，在没有实行保护性耕作条件下是不可持续的，免耕农田在25m/s的风速条件下每分钟的风蚀量（682.1kg/hm2）就接近于平均1a的土壤生成量(1000kg/hm2)。免耕农田有结皮的保护，能在一定程度降低风蚀率。如果翻耕后遇到大风气候，由于地表结构破损而降低了土壤的抗风蚀力，其风蚀量会以2个数量级的速率上升[19]。呼伦贝尔市的现有耕地大部分在草甸草原区，因此亟待推广保护性耕作措施。
呼伦贝尔草甸草原轻度放牧植被盖度在63％以上，植被系统基本保持结构和功能的完整，其年风蚀量(120kg/hm2)小于每a的土壤生成量((1000kg/hm2)，因此是一种可持续的利用方式。
4结论
（1）轻度放牧利用的呼伦贝尔草甸草原当植被盖度保持在63％左右时，群落以贝加尔针茅和羊草为优势种群，8月份地上生物量为(188.55±57.99)g/m2，枯落物为(91.47±31.62)g/m2。由于植被系统在轻度放牧条件下基本保持完整，能有效防止大风对土壤的侵蚀，风蚀率小，是可持续的利用方式。
（2）当草甸草原利用强度增大植被盖度保持在42％左右时，群落以羊草、苔草、隐子草为优势种群，贝加尔针茅变为群落偶见种。8月份地上生物量为(99.20±11.64)g/m2，枯落物为(64.63±17.31)g/m2，与轻度利用条件下的草甸草原相比其地上部分生物量和枯落物显著下降(p＜0.01)，植被系统受到损伤不能很好控制大风对土壤的侵蚀，每年4月上旬至5月下旬土壤风蚀率为12192kg/(hm2·a)，是土壤生成量1000kg/(hm2·a)的12倍左右。
（3）呼伦贝尔草甸草原在重度放牧利用植被盖度维持在22％左右时，群落以苔草、隐子草为优势种群，贝加尔针茅和羊草变为群落偶见种。8月份地地上部分生物量从中度利用的(99.20±11.64 )g/m2下降到(46.75±14.8)g/m2、枯落物从(64.63±17.31)g/m2下降到(23.61±8.4) g/m2，分别比中度利用草甸草原又减少了52.8％、63.5％(p＜0.01)，植被系统严重受损，重度利用的草甸草原通过风蚀每年4月上旬至5月下旬损失的土壤大约为成土作用的83.0倍左右，即每年每hm2草地损失土壤约83.0t。
（4）草甸草原区的免耕农田由于完全失去植被的保护，每min大风（25m/s）造成的土壤风蚀量达到682.1kg/hm2，接近一年的土壤平均生成量。
致谢：感谢农业部保护性耕作研究中心李洪文教授、毛宁老师、王树东老师在风洞试验过程中的指导以及呼伦贝尔草原监察所
朱丽博博士在植被调查中的帮助。
参考文献：
[1] Pimentel D, Harvey C, Resosudarmo P, et al. Environmental and economic costs of soil erosion and conservation benefits[J].
Science,1995，267:1117~1123.
[2] 许中旗,李文华,闵庆文,等.典型草原抗风蚀能力的实验研究[J].环境科学，2005，26（5）：164~168.
[3] Shi P J, Yan P, Yuan Y. Wind erosion research in China:past, present and future[J]. Progress in physical geography,2004,28
（3）：366~386.
[4] Palmer M, Bernhardt E, Chornesky E, et al. Ecology for a crowed planet[J]. Science. 2004，304:1251~1252.
[5] Woodruff N, Siddoway P. A wind erosion equation[J]. Soil Science Society American Proceedings, 1965,29(3): 602~608.
[6] 刘玉璋,董光荣,李长治.影响土壤风蚀主要因素的风洞实验研究[J].中国沙漠,1992,12(4):41~49
[7] Dong Z B, Liu X P, Wang X M, et al. Experimental investigation of the velocity of a sand cloud blowing over a sandy
surface[J]. Earth Surface Processes and Landforms, 2004,29:343~358.
[8] 陈渭南,董光荣,董治宝.中国北方土壤风蚀问题研究的进展与趋势[J].地球科学进展，1994，9(5):6~11. [9] 凌裕泉,屈建军,金炯.稀疏天然植被对输沙量的影响[J].中国沙漠，2003,23(1):12~17.
[10] 刘小平，董治宝.直立植被粗糙度和阻力分解的风洞实验研究[J].中国沙漠，2002，22(1):82~87.
[11] Dong Z B, Gao Sh Y, Fryrear D W. Drag coefficients and roughness length as disturbed by standing vegetation [J].Journal of
Arid environments,2001,49(3):485~505.
[12] 董治宝,陈渭南,董光荣,等.植被对风沙土风蚀作用的影响[J].环境科学学报，1996，16(4):442~446. [13] 董治宝,Fryrear D W,高尚玉.直立植物防沙措施粗糙特征的模拟实验[J].中国沙漠,2000,20(3):260~263. [14] 张春来,邹雪勇,董光荣,等.植被对土壤风蚀的风洞实验研究[J]，水土保持学报，2003，17（3）:31~33. [15] 任继周.草业科学研究方法[M].北京:中国农业出版社,1998:15~16.
[16] Chepil W S, Woodruff N P, Siddoway F H, et al. Vegetative and nonvegetative materials to control wind and water erosion
[J].Soil Sci.Soc.Am.Proc.,1963,27(1):86~89.
[17] Wasson R J, Nanninga P M. Estimating wind transport sand on vegetated surface[J]. Earth Surface Processes and Land
forms,1986,11:505~514.
[18] Stephen A W, Nickling W G. The protective role of sparse vegetation in wind erosion[J]. Progress in Physical Geography
1993,17(1):50~68.
[19] 董治宝,陈渭南,董光荣,等.关于人为地表结构破损与土壤风蚀关系的定量研究[J].科学通报，1995，40(1):54~57.
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图1 风洞试验装置截面 Fig1 Section of the wind tunnel
图2 草甸草原在20m/s和25m/s风速条件下不同利用强度与风蚀率的关系 Fig2. Intensity of land use and rate of wind erosion under 20m/s and 25m/s wind speed