土壤紧实度是衡量土壤质量的重要物理指标^[1],决定土壤入渗速率,影响土壤侵蚀强度^[2]。有关土壤紧实度的研究多集中在农田,关注耕作方式、作物类型、自然因素等对农田土壤紧实度的作用与影响^[3-7],以及紧实度变化对土壤理化性质、农作物生长发育及作物产量和品质等影响^[8-10]。景观连通度是影响土壤侵蚀过程的重要因素^[11]。景观连通度包括景观结构连通度和景观功能连通度^[12]。对土壤侵蚀过程而言,景观结构连通度指产生的径流、泥沙输送至目的地的畅通程度^[13-14]。在小区和坡面尺度上,径流源区的连通对侵蚀的发生和发展有重要影响^[11]。从坡顶至坡底,汇水面积逐渐增加,水文连通度也随之增强,从而增强土壤侵蚀强度,加大表土的剥离程度。与此同时,接收到的上坡输送的泥沙、凋落物碎屑等也在不断增加。在植被覆盖、微地形阻碍体等具备一定拦截能力的地表阻滞体存在的条件下,会形成较为疏松的沉积体^[15]。

干旱区生态系统是典型的斑块镶嵌结构,灌草斑块镶嵌覆被格局较为常见。在干旱半干旱环境中,灌丛植被更容易导致坡面水流的汇聚^[16],从而改变坡面的水文连通格局,促进高水文连通区提前在靠近上坡的位置形成,加强冲刷侵蚀^[17]而剥离表层疏松土壤。此外,灌丛镶嵌的坡面,由于灌丛斑块(尤其是带刺、较高大的灌丛)的存在,会导致牲畜在坡面的移动路径由较为分散转变为相对集中。这些因素共同作用,可能会塑造出与单一草被不同的水文连通格局和侵蚀—沉积空间异质性格局,导致土壤紧实度的空间异质性。基于以上认识,本研究试图通过格网化的调查,揭示半干旱地区灌丛—草地镶嵌坡面上土壤紧实度的空间变异及水文连通度的影响。

土壤紧实度是较为重要的土力学性质,是受土壤机械组成、有机质含量及土壤水分等因子影响的综合指标^[25],它直接影响到土壤的可蚀性^[26]。在黄土区,土壤紧实度从表层向深层增加^[27]。土壤侵蚀导致表土的流失,从而使土壤紧实度增加。已有研究表明,坡面侵蚀总体趋势表现为从分水岭向下由小变大,再由大变小,自分水岭到坡脚划分为微弱侵蚀带—侵蚀强烈带—冲刷带—堆积带^[23]。本研究中灌丛间草地的土壤紧实度在空间尺度上表现为中坡位置最大,上坡与下坡位置较小。降雨侵蚀过程是降雨能量对地面做功的表现,做功的最初表现形式是雨滴的击溅侵蚀^[28]。已有研究表明,当植被高度超过1 m时,会增强雨滴的溅蚀能力^[29]。这与本研究中上坡位置灌丛下土壤紧实度高于灌丛间草地土壤紧实度的结果相一致。除上坡位置,灌草镶嵌坡面灌丛间草地的土壤紧实度均不同程度高于灌丛下土壤紧实度。灌丛相对于草地具有更强的泥沙拦截能力,也有较高的凋落物量,易形成较厚的松散堆积体^[30]。

图5 土壤紧实度与累积汇流面积关系

本研究所选的灌丛—草地镶嵌斑块结构是干旱半干旱地区典型的景观结构,具有与纯草地景观不同的水文响应特征。已有研究表明灌丛景观与草地相比有更高的径流系数^[31],因为灌丛景观径流向灌丛间汇聚^[32],形成较高的水文连通度,且灌丛间入渗率低于灌丛区^[33]; 本研究区存在一定的放牧活动,由于柠条灌丛的存在,牲畜移动路径往往呈现出镶嵌于灌丛间的网状结构,这会形成牲畜对灌丛间草地区域的较强的践踏,加剧土壤的板结,同时促进裸地斑块之间的水文连通,最终增大灌丛与灌丛间草地土壤紧实度差异。

通过对东芦河流域典型人工柠条—草地镶嵌坡面灌丛和灌丛间草地土壤紧实度的调查分析,探讨景观连通度对土壤紧实度的影响。研究结果表明:人工灌丛坡面灌丛下与灌丛间草地斑块的土壤紧实度在坡面尺度都呈现先增加再降低的变化趋势,即中坡位置的土壤紧实度值都较上坡、下坡位置高; 同一坡位灌丛与草地土壤紧实度存在差异,从坡中偏上至坡底位置草地土壤紧实度都不同程度地高于灌丛,二者最小差值位于上坡位置,最大差值位于下坡位置。在灌丛—草地镶嵌的坡面,景观连通度对土壤紧实度的影响表现为草地土壤紧实度与水文连通度正相关,而灌丛下土壤紧实度与水文连通度呈负相关。