碳酸钙含量对土壤风蚀强度的影响

董 苗,严 平,孟小楠,郭金蕊,钱 瑶,吴 伟

(1.北京师范大学 地理科学学部,北京 100875; 2.北京师范大学 地表过程与资源生态重点实验室,北京 100875; 3.防沙治沙教育部工程研究中心,北京 100875)

土壤风蚀是土地沙漠化的重要组成部分和首要环节，已成为当前全球主要的生态环境问题之一[1-2]。土壤风蚀是一个复杂的地球物理过程，也是自然因素和人为因素叠加作用的综合表现[2-3]。国内外在土壤风蚀方面开展了大量研究，其中土壤风蚀影响因子的研究主要集中于风况、水分、植被、人类活动等[3-8]，而对CaCO3的研究相对较少。在干旱、半干旱地区的土壤中CaCO3普遍存在，对土壤的物理、化学、生物性状等都起着重要作用，是影响土壤风蚀的重要因子[9-10]。研究表明，在不同质地的土壤中，不同的CaCO3含量对土壤结构和抗风蚀能力影响程度不同[11-14]，一定量的CaCO3可以增加黏粒和团聚体的含量，从而提高土壤抗风蚀的能力，但是过量的CaCO3含量会增加易蚀部分的含量，使得土壤机械稳定性差，因此随着碳酸钙含量的增加土壤抗风蚀能力减弱[11]。雅库波夫也认为CaCO3含量高的地区比CaCO3含量较低的地区更容易遭受风蚀[15]。在美国农业部修正风蚀方程(RWEQ)中，将碳酸钙含量作为土壤可蚀性因子的一个重要因子[16]，RWEQ中认为，风蚀速率与碳酸钙含量呈线性的负相关关系，即风蚀速率随碳酸钙含量的增加而减小[5,6,12,13,17-21]。而在风蚀预报系统(WEPS)中并没有考虑影响土壤风蚀的CaCO3因子[22]。此后，关于CaCO3与土壤风蚀的相关研究较少，没有深入研究特定的土壤类型中CaCO3含量对土壤风蚀的影响，没有定量的分析土壤CaCO3含量达到多少时最有利于土壤风蚀的控制。因此本文选取内蒙古东部草原栗钙土、暗栗钙土作为研究对象，通过定量的方法探讨特定土壤类型中的CaCO3含量对土壤风蚀的影响，阐明有利于防治土壤风蚀的CaCO3含量阈值，以期为防治草原风蚀提供重要的理论依据。

1 研究方法

1.1 样品采集和培育

在前期野外调查和测试土壤理化性质的基础上，2012年5月选取表土CaCO3含量接近0的两个土样：试样1和试样2(表1)，采集表层0—15 cm土样约600 kg。剔除土壤中的砾石、植物、植物根系，置于通风处晾干，晾干后过2 mm筛子。将样品分成五份，一份为原始样品，剩余四份添加相应的碳酸钙，使得土壤中CaCO3含量分别为0%，2%，5%，8%，12%，置于80×30×15 cm土箱中进行培育，定期洒水、观察，连续培育半年以上，土壤形成结构后停止洒水培育。样品培育时间逾3 a，近似于自然状态下不同碳酸钙含量的原状土。试样1培育的土壤结构主要以团块状为主，土壤表层硬度与野外测试结果接近；试样2培育的土壤结构以团粒状为主，结构较为松散，表层有结皮，硬度与野外相比较小。

表1 采样点理化性质

注：土壤质地分类依据美国制土壤质地分类三角表。

1.2 风洞模拟试验

风洞模拟试验于2015年7月在北京师范大学地表过程与资源生态国家重点实验室的中型风洞中进行(图1)。该风洞为直流吹气式风洞，全长34.4 m，风速1～40 m/s可调，试验段长16 m，截面为1×1 m。试验前使用快速水分测定仪(美国奥斯豪OHAUS/MB35)检测表土含水率，将其控制在1.0%左右；风速使用皮托管连接数字压力仪器测定。将土箱置于风洞试验段中部的试样传送升降平台，使用液压升降和履带传输系统控制土箱保持特定位置，使其表面与风洞底板齐平。试验风速依次设定为10，15，20，25，30 m/s，前3个风速吹蚀时间设为5 min，后两个风速吹蚀时间分别设为3 min和2 min。试验开始时注意观察土体表面起动状况，当表层有颗粒运动时，记录为起动风速。每组试样、每个风速吹蚀前后，土箱降到平台底部的KCC150型电子天平(量程150 kg，精度1 g)上进行称重，两次差值即为吹蚀量，依次获得每个风速下的风蚀量(g)，换算成风蚀速率(g/m2·s)。

注：A风洞试验布置示意图;B升降传送平台(试样1,CaCO3含量为2%)；C试验全景(试样2,CaCO3含量为5%)。

图1风洞试验装置

2 结果与分析

2.1 CaCO3含量与起动风速的关系

不同CaCO3含量的土壤起动风速不同(表2，图2)。当CaCO3含量约为5%时，两组试样起动风速达到最大，试样1栗钙土为10.14 m/s，试样2暗栗钙土为10 m/s。当CaCO3含量小于5%时，栗钙土起动风速随着CaCO3含量的增加而增大，暗栗钙土则是先减小后增大；当CaCO3含量大于5%时，两组试样起动风速均随着CaCO3含量的增加而减小。因此给土壤添加适量的碳酸钙使其含量达到5%左右，有利于提高起动风速，从而减少土壤风蚀。

表2 土壤样品风洞试验结果

图2 两种土壤CaCO3含量与起动风速的关系

2.2 不同风速下CaCO3含量与风蚀速率的关系

两组不同类型的土样在相同CaCO3含量下，风蚀速率随风速增加而加大；在相同风速下，当土壤中CaCO3含量为5%时，风蚀速率最低。不同风速下风蚀速率随CaCO3含量的变化趋势有所差异(图3)。

试样1栗钙土，风速小于等于20 m/s时，风蚀速率随CaCO3含量的变化较平稳；当风速大于20 m/s时，风蚀速率随CaCO3含量的增加，呈现先急速下降后缓慢增加的趋势。试样2暗栗钙土，风速小于20 m/s时，风蚀速率随CaCO3含量的变化波动较小，风速大于等于20 m/s时，风蚀速率随CaCO3含量的变化呈现先降低后升高的趋势。两种类型土壤的下降趋势不同，可能是由于不同质地的土壤添加不同比例的CaCO3对土壤结构和风蚀能力有不同的影响[5-6]。两组试样不同风速水平下，CaCO3含量约为5%时风蚀速率最低，因此，当风速较大时，在土壤中添加适量的CaCO3有可以显著的降低风蚀强度。

图3 不同风速下风蚀速率随CaCO3含量的变化

两组试样累积风蚀速率随CaCO3含量的变化呈现陡变和缓变交替的特点(图4)，对累积风蚀速率与CaCO3含量进行回归分析，两组试样CaCO3含量与风蚀速率之间的关系均符合二次函数式，式中，Y为风蚀速率，X为CaCO3含量。对于栗钙土，a=0.191，b=-2.927，c=10.407，R2=0.741；暗栗钙土，a=0.461，b=-7.416，c=41.986，R2=0.927。从两组方程式中可以看出，当CaCO3含量X约为5%时，累积风蚀速率Y达到最低。

2.3 不同CaCO3含量下风速与风蚀速率的关系

总体上，两组土壤风蚀速率随着风速的增加而增大(图5)；当风速为10 m/s时，栗钙土、暗栗钙土的风蚀速率均最小。风速从10 m/s增加到15 m/s时，两组土样风蚀速率缓慢上升；当风速从15 m/s增加到20 m/s时，风蚀速率变化较明显。对于栗钙土，碳酸钙含量为0时，风蚀速率先急速上升，后缓慢上升，添加了碳酸钙的土样则呈现先降低后增加的趋势。暗栗钙土，风蚀速率随风速的增加而增加。两种类型的土样在风速15～20 m/s表现出不同的变化趋势，主要是由于两种土样的土壤结构不同，试样1栗钙土经过培育后土壤结构主要为团块状，而试样2暗栗钙土主要为团粒状。当风速在10～15 m/s时，易受风蚀的是松散且无结构或结构性差的细颗粒部分；当风速从15 m/s增加到20 m/s时，栗钙土团块状结构的土壤由于团聚体具有间歇性，易被风蚀的土壤颗粒相对减少，暗栗钙土则土壤松散，结构较差易于受到风蚀。当风速在20～30 m/s时，由于风速增大，会对土壤结构进一步造成破坏，因此两种土壤类型的风蚀速率随风速的增加而增大。

图4 累积风蚀速率随CaCO3含量的变化

从图5中得出，两种土壤当CaCO3含量为5%时，风蚀速率随风速的变化缓慢，风蚀速率也最小[14]。因此在土壤中添加CaCO3，使其含量达到约5%，并通过一些工程措施、生物措施等手段将栗钙土分布区域的风速降低到10 m/s以下，可以有效的防治土壤的风蚀。

图5 不同CaCO3含量风蚀速率随风速的变化

3 讨 论

当土壤中的碳酸钙含量较小时，土壤团粒形成的主要胶结物质是黏粒。土壤微小颗粒带有负电荷，表面吸附着一定量的低价阳离子，给土壤中添加适量的碳酸钙，碳酸钙遇水后，电解出来的Ca2+与土粒周边的低价阳离子产生交换作用，从而减少了土粒表面吸附水膜的厚度，使得土粒间距更为接近，分子引力随着增加，小颗粒聚集成大颗粒，组成一个稳定的结构从而提高了土壤的抗侵蚀力[23-26]。当加入过量的碳酸钙时：(1) 除吸附和离子交换外，仍然有相当部分的碳酸钙包围在土粒表面。碳酸钙颗粒与孔隙溶液接触，发生水化，形成一层包裹在外面的微晶或非晶Ca(OH)2膜，阻碍了颗粒的接触，土壤之间难以形成微积聚体，土壤力学性质反而下降[27]。(2) 随着碳酸钙含量的增加，破坏了土颗粒的原始胶结，由于碳酸钙本身占用一定的体积，使土壤体积相对减少,土壤的容重先减小后增加，孔隙度、毛管孔隙度、自然含水量、田间持水量、毛管持水量、饱和持水量都出现了先增加后减小的变化趋势，进而降低土壤水分的绝对含量，土壤开始沙化，土壤结构松散且结构性差，土壤强度下降[28-30]。(3) 碳酸钙含量的增加，使得土壤环境呈强碱性，不利于CaCO3转化为Ca2+的形式,与土壤中黏粒形成团聚体[31-33]，也不利于将土壤中的有机碳转化为无机碳,研究表明有机碳和碳酸盐质量分数均很高的土壤，有机碳的增加会抑制碳酸盐对土壤团聚体的作用[34-40]。

根据前期土壤调查结果，土壤质地为壤质砂土和砂质壤土，物理性沙粒含量在75%以上。这种土壤类型大部分质地较为疏松，透水性强而保水性较差，再加上有机质和黏粒含量较低难以形成稳定的土壤结构。向土壤中添加CaCO3不仅直接影响土壤理化性质，也间接的影响土壤结构、土壤团聚体、土壤有机质等从而改变了土壤质地和粒径组成。不同质地的土壤添加不同比例的CaCO3，其土壤结构和土壤抗风蚀能力不同。有研究表明CaCO3与细砂和粉砂有较高的相关性[41]，土壤中高CaCO3含量增加了粉砂和细砂的比例，容易形成颗粒状的土壤结构，减弱了黏粒和有机质的胶结力，使土块更容易破碎，这种结构的土壤无论颗粒大小在一定条件下都会引起风蚀[11,42-43]。这与前人的研究结果相一致[11,15,44-45]。关于碳酸钙的具体胶结作用的大小、强度、方式等还需要今后进一步的研究。

本文通过风洞试验，探讨土壤中单一CaCO3因子与土壤风蚀强度的关系，得出土壤中CaCO3含量以5%为拐点，当CaCO3含量小于5%时，起动风速随着CaCO3含量的减少而降低，风蚀速率随着CaCO3含量的减少而增加；当CaCO3含量大于5%时，起动风速随着CaCO3含量的增加反而降低，风蚀速率随着CaCO3含量的增加而增加。回归分析得出碳酸钙含量与风蚀速率之间呈非线性的二次函数关系，而不是RWEQ中的简单线性关系[8]，采用此模型，可能产生过高的估计，郭金蕊在研究中假设其他因子相同的条件下，采用RWEQ模型评估出来的土壤风蚀速率可能达到实测值的1.02～3.65倍[21]。

由于本文仅对两种类型土壤通过培育进行研究和比较，目前还不能对RWEQ风蚀模型进行充分的修订。风洞模拟试验与野外实际情况有一定的差异，土壤样品的培育完全达不到野外环境，所以原状土与培育土的结果有一定差异，能否将风洞模拟试验结果应用到实际当中，CaCO3因子的风蚀防治措施在实际工作中是否具有适用性和可行性还需要进一步的验证。

4 结 论

从CaCO3含量与起动风速、风蚀速率的分析可以看出，当CaCO3含量小于5%时，起动风速随着CaCO3含量的减少而降低，风蚀速率随着CaCO3含量的减少而增加；当CaCO3含量大于5%时，起动风速随着CaCO3含量的增加反而降低，风蚀速率随着CaCO3含量的增加而增加。两种栗钙土，不论CaCO3含量如何变化、土壤质地有何差异，风蚀速率随着风速的增大而增大，一定程度上，风蚀强度与风速大小密切相关。但当土壤中CaCO3含量约为5%时，风蚀速率随风速的变化较其他含量下变化平稳，风蚀量最小。栗钙土和暗栗钙土的累积风蚀强度随CaCO3含量的变化均呈现出非线性的二次函数关系，累计风蚀速率先减少再增加，这与RWEQ中的简单线性关系不相一致。不同碳酸钙含量下，当风速小于10 m/s时，风蚀强度最小，因此在北方草原地区，通过生物措施、化学措施、工程措施等手段降低风速，为土壤中添加适量的碳酸钙，使其含量达到约5%时，能够有效的缓减该区土壤风蚀。