耿 韌，張光輝，，郁耀闖，王 浩

（1.北京師范大學(xué) 地理學(xué)與遙感科學(xué)學(xué)院，北京100875；2.中國科學(xué)院 水利部水土保持研究所，陜西 楊凌712100）

土壤侵蝕是黃土高原面臨的主要環(huán)境問題之一，它包括土壤分離、泥沙輸移和泥沙沉積三大過程［1］。在降雨擊濺和徑流沖刷作用下土壤顆粒脫離母質(zhì)的過程為土壤分離過程［2］，它為泥沙輸移和泥沙沉積提供了物質(zhì)準備，是土壤侵蝕過程的起始階段。土壤分離過程是降雨特性、地形條件、坡面流水動力條件、土壤性質(zhì)、植被覆蓋的函數(shù)［3］。土壤分離速率隨著坡面流流量、水深、流速的增大而增大，在特定降雨和下墊面條件下，坡面流流量、水深、流速等水動力學(xué)特征又與坡面水文過程密切相關(guān)，無論是結(jié)皮的發(fā)育、地表積水、產(chǎn)流歷時、入滲及產(chǎn)流過程均受控于土壤物理性質(zhì)（土壤含水量、容重、粘結(jié)力、水穩(wěn)團聚體）及其時空變化特征［4－6］。

土地利用方式顯著影響土壤分離過程。黃土高原5種典型土地利用方式對土壤分離速率的影響，發(fā)現(xiàn)農(nóng)地最容易分離，其分離速率分別是草地、灌木、荒地和林地分離速率的2.05，2.76，3.23，13.31倍，土壤細溝可蝕性和臨界剪切力均受到土地利用方式的顯著影響［7］。黃土高原典型土地利用條件下土壤分離速率的季節(jié)變化特征，結(jié)果發(fā)現(xiàn)無論是農(nóng)地還是非農(nóng)地，土壤分離速率均呈現(xiàn)顯著的季節(jié)波動，主要驅(qū)動力為農(nóng)事活動、土壤硬化和植被根系生長［8］。耕作、播種、鋤草、收獲等農(nóng)事活動，擾動地表從而增大土壤分離速率，影響的大小取決于農(nóng)事活動對地表的擾動程度；在降雨打擊及重力的作用下，耕作后疏松的土壤逐漸沉降，土壤容重和粘結(jié)力逐漸增大，導(dǎo)致土壤分離速率逐漸減??；植被根系具有很強的抗蝕能力，隨著根系密度的增大，土壤分離速率呈指數(shù)函數(shù)下降［9］。但目前關(guān)于土壤物理性質(zhì)季節(jié)變化的定量化研究較少，特別是對于土壤物理性質(zhì)變化顯著的農(nóng)地更是如此［10］，尚無法從機理上理解、模擬、預(yù)測土壤分離過程的季節(jié)變化，因此亟待展開不同氣候、作物、田間管理條件下土壤物理性質(zhì)的季節(jié)變化特征的研究，為解釋、分析土壤分離過程的動態(tài)變化，檢驗或建立土壤分離季節(jié)變化預(yù)報方程或算法提供數(shù)據(jù)或理論支持。

1 試驗區(qū)概況

試驗在中國科學(xué)院水利部水土保持研究所安塞水土保持綜合試驗站進行。該站位于黃土高原丘陵溝壑區(qū)第二副區(qū)（109°19′24.4″E，36°51′29.9″N），海拔1 068～1 309m。屬暖溫帶半干旱氣候，年均氣溫8.8℃，年均降雨量500mm，60%的降水集中于6—9月，年際變化幅度較大。研究區(qū)土壤類型為黃綿土，黏粒含量為5.5%，粉粒含量為67.0%，沙粒含量為26.3%，有機質(zhì)含量為0.9% 。受強烈的水土流失影響，地形千溝萬壑，支離破碎。研究區(qū)主要農(nóng)作物為玉米、谷子、大豆和土豆。

2 研究方法

在安塞水土保持綜合試驗站選取玉米、谷子、大豆和土豆4種典型農(nóng)地，分別進行土壤含水量、土壤容重、土壤水穩(wěn)性團聚體和土壤粘結(jié)力的測定。4種農(nóng)地按照當(dāng)?shù)卮筇镒魑镞M行施肥和管理，表1給出了4種農(nóng)地主要的農(nóng)事活動及日期。試驗從2012年4月8日開始，持續(xù)到9月29日，時間間隔大約20d。

表1 4種農(nóng)地的農(nóng)事活動

土壤含水量：用烘干稱重法測定，試驗時用小鋁盒從上到下均勻采集0—5cm表層土壤，用烘干法測定土壤含水量，每種農(nóng)地每次重復(fù)測定5次，取其平均值作為本次測定的土壤含水量。

土壤容重：用體積為100cm3的不銹鋼環(huán)刀（高5.1cm，直徑5cm）取0—5cm表層土壤，使土充滿環(huán)刀，稱濕重后放置于烘箱中在105℃下烘干24h，每次每種農(nóng)地重復(fù)測定3次，取其平均值。

水穩(wěn)性團聚體的測量步驟如下：

（1）采樣：用鐵鏟取耕層土壤。土壤濕度要求最好不沾鐵鏟。用鐵質(zhì)飯盒采集3個有代表性的原狀土樣，運回實驗室，輕輕的掰成10～12mm的土塊，攤平，使其自然風(fēng)干。

（2）干篩：取混合均勻的風(fēng)干土樣，過孔徑分別為10，7，5，3，2，1，0.5，0.25mm 篩子。分別稱重各孔徑對應(yīng)的團聚體，計算各孔徑所占的質(zhì)量百分比。并依據(jù)各級孔徑所占百分比把各孔徑上團聚體配成2份50g的土樣。

（3）濕篩：本文使用的濕篩分析儀為FT-3型電動團聚體分析儀，濕篩的孔徑為5，3，2，1，0.5，0.25 mm。先將濕篩組用鐵架夾住放入水桶，把濕篩組升到最高處，向桶內(nèi)緩慢注水，直到水面高于篩面1cm為止。將配好的50g土放入水中，震蕩30次，把濕篩組取出，用清水洗出各孔徑上的團聚體，烘干后，稱重每個孔徑濕篩的團聚體［11］，再把每個孔徑濕篩的團聚體相加，然后取兩個重復(fù)的平均值。

粘結(jié)力：采用由荷蘭生產(chǎn)的微型粘結(jié)力儀（Durham Geo-enterprises，Inc.，UK），選取有代表性的平地，用噴壺噴濕地表，將粘結(jié)力儀的葉輪垂直插入土壤，順時針轉(zhuǎn)動粘結(jié)力儀，當(dāng)扭力大于土壤最大抗剪強度時，粘結(jié)力儀葉輪開始轉(zhuǎn)動，此時指針所指的數(shù)值即為此次測定的粘結(jié)力，每種農(nóng)地重復(fù)10次，取平均值。

本文用變異系數(shù)來描述農(nóng)地土壤物理性質(zhì)隨季節(jié)的波動情況，它反映了數(shù)據(jù)的離散程度。用峰度和偏度描述數(shù)據(jù)的正態(tài)分布情況，峰度反映了數(shù)據(jù)在均值附近集中情況，偏度反映了數(shù)據(jù)偏離以平均值為中心的程度，它們由下式計算：比標準正態(tài)分布低，但γkurtosis＞0時是數(shù)據(jù)集中程度比標準正態(tài)分布高。當(dāng)γskewness＝0時是對稱分布，當(dāng)γskewness＜0時是數(shù)據(jù)的均值在峰值的左邊，當(dāng)γskewness＞0時是數(shù)據(jù)的均值在峰值的右邊。

數(shù)據(jù)處理使用IBM SPSS Statistics 19.0，并對數(shù)據(jù)進行配對樣本T檢驗分析不同農(nóng)地土壤物理性質(zhì)變化趨勢的差異性，Pearson相關(guān)分析檢驗容重和粘結(jié)力的相關(guān)性。

3 結(jié)果與分析

式中：Cv——變異系數(shù)；γkurtosis——峰度；γskewness——偏度；SD——標準差；ˉX——樣本平均值；Xi——第i個樣本值；n——樣本個數(shù)。

根據(jù)Nielsen和Bouma提出的分類體系［12］，當(dāng)Cv≤0.1時是弱變異性，當(dāng)0.1＜Cv＜1時是中等變異性，當(dāng)Cv≥1是強變異性。當(dāng)γkurtosis＝0是標準正態(tài)分布的峰度系數(shù)，當(dāng)γkurtosis＜0時是數(shù)據(jù)集中程度

3.1 土壤含水量

圖1給出了4種農(nóng)地土壤含水量的季節(jié)變化，從圖中可以明顯的看出，4種農(nóng)地土壤含水量具有大致相同的變化趨勢，從4月初到9月下旬，土壤含水量出現(xiàn)了3個高峰和2個低谷，3個高峰均出現(xiàn)降雨之后，而土壤含水量的低谷則對應(yīng)著一段時間的干旱期。這表明該地區(qū)農(nóng)地表層土壤含水量的季節(jié)變化受降雨的影響強烈，土壤含水量變化趨勢基本上與降雨變化趨勢一致，這與蘇敏［13］和 Coronato［14］等的研究結(jié)果一致。土壤含水量的干濕交替，可能引起土壤表層出現(xiàn)較大縫隙，從而影響土壤抗蝕能力，導(dǎo)致土壤分離速率增大［15］。

表2給出了4種作物土壤物理性質(zhì)的統(tǒng)計特征值。就土壤含水量平均值而言，玉米地＞大豆地＞土豆地＞谷子地。4種農(nóng)地土壤含水量變異系數(shù)介于0.43～0.49之間，大于0.1小于1，屬于中等變異性。

表2 土壤物理性質(zhì)的統(tǒng)計特征值

從表2土壤含水量的峰度值、偏度值和單樣本的Kolmogorov-Smirnov檢驗來看，各農(nóng)地土壤含水量呈正態(tài)分布的，可以進行統(tǒng)計學(xué)分析。表3給出了4種農(nóng)地配對樣本T檢驗的P值，從表中可以看出玉米和谷子之間的P值為0.04，表明在0.05的顯著性水平下，兩者之間變化趨勢存在顯著差異，而其他作物配對的P值遠大于0.05，表明這些作物的土壤水分隨季節(jié)變化趨勢之間無顯著差異。各農(nóng)地表層土壤水分總體上隨季節(jié)變化趨勢大體相同，但無論在均值和變異系數(shù)還是配對樣本T檢驗結(jié)果都表現(xiàn)出一定差異性，其中玉米和谷子季節(jié)變化趨勢有顯著差異，就土壤含水量平均值而言，玉米地是谷子地的1.12倍。這可能是因為它們之間有著不同的植被蓋度、不同的根系密度和不同的蒸散強度［16］所致。

圖1 土壤含水量季節(jié)變化

表3 不同農(nóng)地物理性質(zhì)的配對樣本T檢驗

3.2 土壤容重

圖2給出了不同農(nóng)地土壤容重的季節(jié)變化，從圖中可以看出4種農(nóng)地土壤容重隨時間的變化趨勢大體相同。4月8日到4月10日，受播種的影響各農(nóng)地的容重迅速下降，達到最小值。隨后受降雨擊濺及土體自重的綜合影響，各農(nóng)地土壤均表現(xiàn)出一定程度的硬化過程，各農(nóng)地的容重均呈上升趨勢（5月23日之前），但上升的程度各不相同，玉米、谷子、大豆和土豆分別上升了6.0%，14.2%，3.6%，1.8%。到6月1日左右，受鋤草的影響各農(nóng)地土壤容重都呈下降趨勢，之后各農(nóng)地土壤容重出現(xiàn)再次上升趨勢，上升的幅度也隨作物類型的不同而有所差異。在7月22日之后，各農(nóng)地之間的變化趨勢較為混亂，但整體呈現(xiàn)上升趨勢，這一方面是由硬化過程引起，另一方面與土壤結(jié)皮的發(fā)育密切相關(guān)。結(jié)皮的發(fā)育直接受控于降雨對地表的打擊作用，而各種作物的蓋度存在一定差異，從而導(dǎo)致各農(nóng)地結(jié)皮發(fā)育的差異，從而造成土壤容重較為復(fù)雜的變化趨勢。9月22日之后，各農(nóng)地土壤容重迅速減小，其原因在于作物收獲對地表引起的擾動，其擾動程度取決于收獲方式，土豆的收獲過程對地表擾動最大，其容重下降幅度也最大，為15.2%。總體而言，生長季4種農(nóng)地的土壤容重整體呈增加趨勢，這與Alletto等人的研究結(jié)果一致［17］。土壤容重的增大，提高了土壤抗蝕能力，從而導(dǎo)致土壤分離速率下降［18］。

從表2土壤容重的平均值來看，4種農(nóng)地中谷子地的容重最大，土豆地的容重最小，玉米地和大豆地居中，這可能與作物種植的密度有關(guān)。從變異系數(shù)來看，玉米地、谷子地、大豆地和土豆地變異系數(shù)依次為0.07，0.05，0.05，0.07，都小于0.1，為弱變異性。表3給出了4種農(nóng)地的容重配對樣本T檢驗結(jié)果。除了谷子和大豆外，其他配對組合的顯著性水平P值均大于0.05，表明這些農(nóng)作物在0.05顯著性水平下沒有顯著差異。谷子和大豆間的P值為0.03，小于0.05，表明谷子和大豆地的土壤容重隨時間變化的趨勢之間存在顯著差異。這可能與不同農(nóng)地的施肥水平、播種密度、農(nóng)事活動的強度等因素有關(guān)［19］。

圖2 土壤容重季節(jié)變化

3.3 土壤水穩(wěn)性團聚體

從圖3中可以看出，播種初期各農(nóng)地的土壤水穩(wěn)性團聚體幾乎相同，隨時間的變化都是單調(diào)遞增趨勢，這一結(jié)果與 Mulla等人的研究成果一致［20］。團聚體通過其物理、化學(xué)及生物的膠結(jié)作用提高土壤抗蝕能力，農(nóng)地團聚體隨作物生長呈上升趨勢表明，隨著作物的生長，農(nóng)地的抗蝕能力呈逐漸增強的趨勢。然而，水穩(wěn)性團聚體隨時間的增大幅度隨著作物類型的不同而存在差異，這可從表2中的極差得到驗證，農(nóng)作物的水穩(wěn)性團聚體最小值差別不大，極差值（最大值減去最小值）最小的土豆地為1.32，而極差值最大的玉米地為16.51，玉米地的極差值是土豆地的極差值得12.5倍。玉米地、谷子地和大豆地的變異系數(shù)分別為0.27，0.19，0.17，介于0.1和1之間，為中等變異性。而土豆地的變異系數(shù)只有0.03，為弱變異性。4種農(nóng)地水穩(wěn)性團聚體的平均值從大到小依次為玉米、大豆、谷子和土豆，其值分別為21.9，19.8，19.8，15.4。

圖3 水穩(wěn)性團聚體季節(jié)變化

由表3可知，玉米地和谷子地、玉米地和大豆地、谷子地和大豆地的顯著性水平P值都大于0.05，表明它們的水穩(wěn)性團聚體季節(jié)變化趨勢無顯著性差異。而土豆和玉米、土豆和谷子、土豆和大豆的顯著性水平P值小于0.05，表明它們的水穩(wěn)性團聚體隨季節(jié)的變化趨勢存在顯著差異?？傮w而言，玉米地、谷子地和大豆地水穩(wěn)性團聚體季節(jié)變化差異不大，而土豆地和玉米地差異明顯。這可能是因為土豆較為稀疏，在單位面積上積累的有機物較少，因此團聚體含量少［21］。此外原本水穩(wěn)性團聚體含量低的土豆地，由于植被蓋度低，裸露的地表受到更多的雨滴打擊作用，團聚體容易遭到破壞［22］。

3.4 土壤粘結(jié)力

圖4給出了各農(nóng)地土壤粘結(jié)力隨時間變化趨勢。由圖中可以看出4種農(nóng)地的粘結(jié)力隨時間的變化具有相同的趨勢，土壤粘結(jié)力存在兩個高峰和三個低谷。三個低谷分別對應(yīng)著4月10日的農(nóng)地翻耕、6月4日的鋤草和9月28日的作物收獲，粘結(jié)力的減少顯然與農(nóng)事活動的擾動密切相關(guān)［23］。從表2可以看出無論是極差和平均值，還是變異系數(shù)，4種農(nóng)地粘結(jié)力之間差異不大。4種農(nóng)地的變異系數(shù)介于0.44和0.54之間，為中度變異性。

表3給出了4種農(nóng)地粘結(jié)力配對樣本T檢驗結(jié)果，從表中可以看出P值介于0.16和0.53之間，都遠大于0.05，表明各農(nóng)地粘結(jié)隨時間變化在0.05的顯著性水平下沒有顯著性差異，這在一定程度上說明了各農(nóng)地抗蝕能力的相似性。比較圖4和圖2可以看出，四種農(nóng)地粘結(jié)力和容重的變化趨勢具有一定的相似性，土壤容重的減少，則對應(yīng)著粘結(jié)力的減少，反之亦然。對4種農(nóng)地的粘結(jié)力與土壤容重進行Pearson相關(guān)分析，相關(guān)系數(shù)為0.68，顯著性水平P值小于0.01，兩者相關(guān)關(guān)系顯著。這可理解為土壤容重是土壤緊實度的指標之一，土壤緊實度低則粘結(jié)力小，土壤緊實度高則粘結(jié)力大［23］。

圖4 粘結(jié)力季節(jié)分布

4 結(jié)論

本文研究了黃土高原4種典型農(nóng)地（玉米、谷子、大豆和土豆）的表層土壤物理性質(zhì)——土壤含水量、土壤容重、土壤水穩(wěn)性團聚體和土壤粘結(jié)力的季節(jié)變化規(guī)律。得出以下結(jié)論：（1）土壤含水量季節(jié)變化受降水影響顯著，生長季存在多個峰值和低谷，呈中等變異。（2）受土壤硬化的影響，土壤容重總體呈增大趨勢，但農(nóng)事活動可引起土壤容重的顯著減小，影響程度取決于農(nóng)事活動對地表的擾動程度，4種農(nóng)地的土壤容重均屬弱變異。（3）土壤團聚體隨著作物的生長呈上升趨勢，土豆地團聚體顯著低于其他3種農(nóng)地，除土豆地屬弱變異外，其他3種農(nóng)地的水穩(wěn)性團聚體均屬于中等變異。（4）作物生長季，土壤粘結(jié)力呈上升趨勢，但受農(nóng)事活動的影響顯著，農(nóng)事活動的擾動會導(dǎo)致土壤粘結(jié)力顯著減小?？傮w而言，黃土高原典型農(nóng)地的土壤物理性質(zhì)具有較為相似的季節(jié)變化特征，主要影響因素包括農(nóng)事活動、土壤硬化及根系生長引起的有機質(zhì)積累，在生長季農(nóng)地抗蝕能力呈增強趨勢。

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