郁耀闖，王長燕

(1.寶雞文理學院地理與環(huán)境學院， 陜西 寶雞 721013；2.陜西省災害監(jiān)測與機理模擬重點實驗室， 陜西 寶雞 721013)

黃土高原是我國土壤侵蝕最嚴重的地區(qū)之一，農(nóng)耕地是該區(qū)土壤侵蝕泥沙的重要來源[1-2]。嚴重的水土流失導致了該區(qū)大規(guī)模的土地退化和土地生產(chǎn)力下降[3-5]，潛在地威脅著該區(qū)的糧食安全[4,6]。土壤臨界剪切力(τc)是土壤侵蝕過程WEPP模型中表征土壤抵抗侵蝕阻力大小的重要參數(shù)[7-8]，它隨時間的變化規(guī)律是建立土壤侵蝕過程模型的基礎。因此，在黃土高原地區(qū)，探討典型作物大豆和馬鈴薯生長季土壤臨界剪切力的季節(jié)變化規(guī)律，對于該區(qū)土壤侵蝕過程模型的建立是很必要的。

土壤侵蝕是指土壤顆粒在坡面徑流作用下發(fā)生的分離和輸移過程[9-10]，它導致了細溝和沖溝的發(fā)育[9]。當坡面徑流施加給坡面表層土壤的剪切應力超過土壤臨界剪切力時，細溝和沖溝中的土壤開始發(fā)生分離，土壤侵蝕過程開始[11]。τc在該過程中反映了土壤抵抗細溝股流作用而發(fā)生剪切形變破壞的能力[12]，它通常受到土壤顆粒大小、有機質(zhì)和土壤水分含量等[12-17]的影響。在不同林地類型條件下，土壤孔隙度和含水率等土壤屬性能夠較好地表征土壤臨界剪切力的變化[16]。土壤初始含水量往往通過影響土壤切變強度的大小，進而導致土壤臨界剪切力的變化[17]。在作物生長季內(nèi)，根系生長[18-19]、土壤含水量干濕交替的變化、土壤物理結(jié)皮的發(fā)育、凍融作用[20]和作物殘渣的分解[21-22]等是影響土壤臨界剪切力季節(jié)變化的重要因素。以往的研究較多地關(guān)注了不同土壤類型τc值的確定[23-25]和單一土壤屬性[17,26-27]對τc的影響等方面，對作物生長季內(nèi)τc季節(jié)變化規(guī)律的認識還比較少，揭示τc的季節(jié)變化規(guī)律有助于土壤侵蝕過程模型的建立。

在黃土高原作物生長季，受降雨和作物根系生長等因素的影響，土壤容重和黏結(jié)力等屬性發(fā)生了明顯的季節(jié)變化[2,27]，這可能會導致土壤臨界剪切力生長季的變化，目前這方面的研究還相對較少。以黃土區(qū)典型作物大豆和馬鈴薯為研究對象，開展土壤臨界剪切力季節(jié)變化研究，揭示τc季節(jié)變化規(guī)律及其影響因素，建立τc季節(jié)變化模擬方程，以期為建立黃土高原土壤侵蝕過程模型提供數(shù)據(jù)支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于中國科學院安塞水土保持綜合試驗站墩山(109°19′23″E，36°51′30″N)，屬于典型的黃土丘陵區(qū)，該區(qū)氣候?qū)倥瘻貛О霛駶櫹虬敫珊禋夂蜻^渡區(qū)，年均溫8.8℃，年均降雨量505.3 mm，且集中在6—9月。該區(qū)地貌類型主要有峁狀和梁狀丘陵，土壤類型為結(jié)構(gòu)松散的黃綿土和沙黃土，土壤侵蝕以溝蝕和面蝕為主。該區(qū)農(nóng)作物主要有谷子、大豆、馬鈴薯和蕎麥等。

1.2 土樣采集

試驗選取黃土區(qū)典型農(nóng)耕地(大豆和馬鈴薯田)為采樣對象，于2012年4—10月進行土樣采集(表1)。土壤分離樣品用環(huán)刀(內(nèi)徑9.8 cm、高5 cm)采集，每次取樣時，選擇同期長勢大致相同的5株植株，用環(huán)刀靠近植株根部取原狀土[1-2,27]，每次取樣設5個重復，每個生長階段每個樣地采集30個原狀土壤樣品，兩種作物田每個生長階段共采集60個原狀土壤樣品，7個生長階段共采集420個原狀土壤分離樣品。土壤初始含水量樣品用輕型人力鉆采集，取樣深度為土壤表層5 cm，每次取樣設5個重復；土壤容重用環(huán)刀(100 cm2)采集，取樣深度為土壤表層5 cm，每次取樣設3個重復；土壤水穩(wěn)性團聚體樣品用鋁制盒采集，取樣在土不沾鏟，接觸不變形時進行，每次取樣設3個重復；作物根系樣品用土壤分離樣品采樣器采集，采樣方法與土壤分離樣品采集方法相同。

表1 大豆和馬鈴薯生育期 Table 1 Growth period of soybean and potato

1.3 測定項目及方法

土壤分離樣品用變坡試驗水槽系統(tǒng)測定[1-2,27]；土壤初始含水量用烘干稱重法測定[28]；土壤黏結(jié)力用微型黏結(jié)力儀測定[1-2,27]；土壤容重用環(huán)刀法測定[29]；土壤水穩(wěn)性團聚體用干濕篩法測定[30]；根重密度用水洗、烘干稱重法測定[31]。

1.4 土壤臨界剪切力計算

土壤臨界剪切力采用下列公式計算[8]：

Dc=Kr(τ-τc)

(1)

式中，Dc為土壤分離能力(kg·m-2·s-1)；Kr為土壤細溝可蝕性(s·m-1)；τ為水流剪切力(Pa)；τc為土壤臨界剪切力(Pa)。

1.5 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)分析采用SPSS18.0統(tǒng)計軟件進行，季節(jié)動態(tài)顯著性檢驗采用Kendall'sW法(P<0.05)，均值比較采用LSD法，作圖采用Excel軟件。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤黏結(jié)力和容重季節(jié)動態(tài)

大豆和馬鈴薯田土壤容重在整個生長季內(nèi)分別呈現(xiàn)出先升高后降低又升高和先降低后升高又降低的明顯的季節(jié)動態(tài)變化(P<0.05)(圖1a)，變化范圍分別介于1.02～1.16 g·cm-3和0.99～1.21 g·cm-3之間，平均值均為1.1 g·cm-3。大豆田土壤容重最大值出現(xiàn)在開花期，最小值出現(xiàn)在播種期；從播種期至開花期，大豆田土壤容重呈上升趨勢，上升幅度為14%；從開花期至成熟期，呈下降趨勢，下降幅度為7%；成熟期至收獲期大豆田土壤容重又略有上升，上升幅度為5%。馬鈴薯田土壤容重最大值出現(xiàn)在成熟期，最小值出現(xiàn)在幼苗期；從播種期至幼苗期，呈下降趨勢，下降幅度為4%；從幼苗期至成熟期，呈上升趨勢，上升幅度為22%；從成熟期至收獲期，呈下降趨勢，下降幅度為14%。

大豆和馬鈴薯田土壤黏結(jié)力在整個生長季內(nèi)分別呈現(xiàn)出先升高后降低再升高和先降低后升高又降低后趨于穩(wěn)定的明顯的季節(jié)動態(tài)變化(P<0.05)(圖1b)，土壤黏結(jié)力的值分別在1.08～14.13 kPa和5.04～12.31 kPa之間變化，平均值分別為9.96 kPa和9.76 kPa，大豆和馬鈴薯田土壤黏結(jié)力的最大值分別出現(xiàn)在收獲期和成熟期，最小值分別出現(xiàn)在播種期和幼苗期。大豆田土壤黏結(jié)力從播種期至鼓粒期，呈上升趨勢，上升幅度為1138%；從鼓粒期至成熟期，呈下降趨勢，下降幅度為10%；成熟期至收獲期又呈上升趨勢，上升幅度為17.7%。馬鈴薯田土壤黏結(jié)力從播種期至幼苗期，呈下降趨勢，下降幅度為33%；從幼苗期至現(xiàn)蕾期，呈上升趨勢，上升幅度為103%；從現(xiàn)蕾期至開花期，呈下降趨勢，下降幅度為9%；從淀粉積累期至收獲期，馬鈴薯田土壤黏結(jié)力基本趨于穩(wěn)定。

2.2 水穩(wěn)性團聚體季節(jié)動態(tài)

大豆和馬鈴薯田土壤水穩(wěn)性團聚體在整個生長季內(nèi)的變化總體呈上升趨勢(圖1c)，上升幅度分別為58%和9%(圖1c)。統(tǒng)計分析表明，大豆和馬鈴薯田的土壤水穩(wěn)性團聚體無明顯的季節(jié)變化規(guī)律(P>0.05)。

圖1 大豆和馬鈴薯田土壤屬性季節(jié)動態(tài)

Fig.1 Seasonal dynamics of soil properties of soybean and potato croplands

2.3 根系密度季節(jié)動態(tài)

在大豆和馬鈴薯生長季，2種作物根系呈先增加后期略有降低的變化趨勢(圖1d)。從播種期至收獲期，2種作物根系密度增幅分別為8.7%～108.8%和4.0%～182.1%，平均增加71.4%和98.5%。

2.4 土壤臨界剪切力季節(jié)動態(tài)

大豆和馬鈴薯田土壤臨界剪切力在整個生長季內(nèi)均呈現(xiàn)出明顯上升的季節(jié)動態(tài)變化(P<0.05)(圖2)。大豆田土壤臨界剪切力表現(xiàn)為先降低后升高再降低又升高再降低的季節(jié)動態(tài)，τc的變化范圍為1.66～5.37 Pa，平均值為3.34 Pa。馬鈴薯田土壤臨界剪切力表現(xiàn)為先升高后降低再升高又降低再升高又降低的季節(jié)動態(tài)(圖2)，τc的變化范圍為1.06～5.26 Pa，平均值為3.12 Pa。具體來講，在播種期，受農(nóng)事活動影響，大豆和馬鈴薯田土壤較為松散，抗分離能力較差，容易被徑流沖刷，此時，兩種作物田土壤臨界剪切力值較小。大豆田τc從播種期至幼苗期，呈下降趨勢，下降幅度為24%；從幼苗期至開花期，τc呈上升趨勢，上升幅度為148%；從開花期至結(jié)莢期，大豆田τc呈下降趨勢，下降幅度為22%。此后，大豆田τc又有所上升，在成熟期達到最大值5.37 Pa，在收獲期又略有下降，下降幅度為40%。馬鈴薯田τc從播種期至幼苗期呈上升趨勢，上升幅度為65%；從幼苗期至現(xiàn)蕾期，τc呈下降趨勢，下降幅度為61%；從現(xiàn)蕾期至開花期，馬鈴薯田τc增加幅度較大，增幅為396%；τc在開花期達到最大值(5.26 Pa)，開花期過后，馬鈴薯田τc又有所下降，下降幅度為44%；馬鈴薯田τc在成熟期又有所上升，上升幅度為57%；從成熟期至收獲期，τc呈下降趨勢，下降幅度為25%。總體來看，大豆和馬鈴薯田τc的季節(jié)動態(tài)變化明顯。

圖2 大豆和馬鈴薯田土壤臨界剪切力季節(jié)動態(tài)

Fig.2 Seasonal dynamics of soil critical shear stress in soybean and potato croplands

2.5 土壤臨界剪切力季節(jié)動態(tài)影響因素

Pearson相關(guān)分析表明，土壤黏結(jié)力、容重、水穩(wěn)性團聚體及作物根系是影響大豆和馬鈴薯田土壤臨界剪切力季節(jié)動態(tài)變化的重要因子。由表2可以看出，大豆和馬鈴薯田土壤臨界剪切力與土壤黏結(jié)力、容重、水穩(wěn)性團聚體和根重密度間呈正相關(guān)關(guān)系。

表2 土壤臨界剪切力與影響因子的相關(guān)系數(shù) Table 2 Correlation coefficients between soil critical shear stress and impact factors

注：*表示相關(guān)顯著(P<0.05)，**表示相關(guān)極顯著(P<0.01)。

Note: * and ** indicate significant correlation at 0.05 and 0.01 levels, respectively.

2.6 土壤臨界剪切力季節(jié)動態(tài)變化模擬

土壤臨界剪切力(τc)是土壤侵蝕過程WEPP模型中的重要參數(shù)。在野外條件下，τc通常是難以直接獲取的，但是，它隨時間變化的規(guī)律對于建立土壤侵蝕過程模型是非常關(guān)鍵的。因此，在土壤侵蝕較為嚴重的黃土高原地區(qū)，利用土壤屬性動態(tài)變化來模擬土壤臨界剪切力的季節(jié)動態(tài)是非常需要的。

在大豆和馬鈴薯生長季內(nèi)，受多種因素交互影響，τc季節(jié)動態(tài)變化較為復雜。基于對τc有重要影響的各相關(guān)因子，利用非線性回歸方法，建立了黃土區(qū)大豆和馬鈴薯田τc季節(jié)動態(tài)模擬方程：

(2)

式中，τc為土壤臨界剪切力(Pa)；BD為土壤容重(g·cm-3)；RD為根重密度(kg·m-3)；a、b和c為回歸參數(shù)。

在模擬方程(2)中，土壤容重和根重密度能夠解釋自變量τc50%的變量(表3)，這說明土壤容重和根重密度是影響τc季節(jié)動態(tài)變化的重要因子。大豆和馬鈴薯田模擬方程的模型有效系數(shù)分別為 0.48和0.49。在大豆生長季幼苗期、結(jié)莢期、鼓粒期和收獲期，模擬方程(2)分別高估了大豆田τc的45.6%、13.7%、18.6%和20%；在開花期和成熟期模擬方程(2)分別低估了大豆田τc的31.7%和22.3%。在馬鈴薯生長季播種期、現(xiàn)蕾期、淀粉沉積期和成熟期，模擬方程(2)分別高估了馬鈴薯田τc的33.5%、138.4%、25.8%和4.1%；在幼苗期、開花期和收獲期，模擬方程(2)分別低估了馬鈴薯田τc的27.2%、29.2%和27.4%，兩種作物田τc季節(jié)動態(tài)變化模擬具有一定偏差,這可能是由于作物生長季內(nèi)土壤物理結(jié)皮發(fā)育和根系結(jié)構(gòu)等不同所致。

表3 土壤臨界剪切力模擬方程參數(shù) Table 3 Parameter values of the simulated equation of soil critical shear stress

3 討 論

在土壤侵蝕過程WEPP模型中，土壤臨界剪切力(τc)是表征土壤侵蝕阻力大小的重要參數(shù)，探討τc隨時間變化的規(guī)律可為建立土壤侵蝕過程模型提供數(shù)據(jù)支撐。目前，τc隨時間變化的少量研究僅集中在歐洲比利時的黃土地帶。Knapen等[32]認為，在歐洲比利時黃土地帶冬小麥作物生長季，τc受多種因素影響，季節(jié)變化過程較為復雜。在我國黃土高原典型農(nóng)耕地大豆和馬鈴薯生長季，發(fā)現(xiàn)τc具有明顯的季節(jié)動態(tài)(P<0.05)，這可能與土壤屬性的季節(jié)變化和作物根系的生長有關(guān)。

Pearson相關(guān)分析表明，τc與土壤容重間呈正相關(guān)關(guān)系(表2)，這可能與土壤容重的季節(jié)變化改變了土壤的緊實程度有關(guān)。一般情況下，土壤容重較大時，土壤較為緊實，此時，近地表層土壤若受到徑流沖刷，則需要經(jīng)歷較長時間的蓄能后，才能夠被徑流分離，土壤臨界剪切力較大；反之，土壤臨界剪切力較小。唐科明[33]研究認為土壤臨界剪切力與土壤容重間沒有明顯函數(shù)關(guān)系，這可能是由于植被類型和土壤屬性等不同所致。例如，本研究所使用的植被類型為直根系作物大豆和馬鈴薯，這與唐科明所使用的須根系植被無芒雀麥和柳枝稷是不同的。土壤黏結(jié)力對τc的影響與土壤容重對τc的影響類似，這里不再討論。

本研究中，土壤臨界剪切力與土壤初始含水量間沒有明顯函數(shù)關(guān)系(表2)，這一結(jié)果與Singh等[17]研究結(jié)果土壤中的初始含水量在達到臨界值(31%)前與τc間呈正相關(guān)關(guān)系不同。以往的研究表明，土壤初始含水量是影響坡面水文過程的重要因素[34-35]，它對土壤侵蝕預報具有重要影響。目前研究認為，土壤初始含水量對土壤侵蝕影響的機制較為復雜[36]，存在著崩解和微觀裂隙發(fā)育兩種交互作用[37]。在作物生長季內(nèi)，土壤初始含水量受降雨和作物生長等因素影響，出現(xiàn)了干濕交替的變化，這可能會影響近地表層土壤崩解和微裂隙的發(fā)育過程，從而導致土壤顆粒內(nèi)部的破壞，進而影響土壤臨界剪切力季節(jié)動態(tài)的變化，但本研究中二者沒有明顯函數(shù)關(guān)系，這說明土壤臨界剪切力與土壤初始含水量間關(guān)系較為復雜，土壤初始含水量對τc的影響機制有待于進一步研究。

土壤臨界剪切力與水穩(wěn)性團聚體間呈顯著正相關(guān)關(guān)系(表2)。水穩(wěn)性團聚體作為土壤中具較強黏結(jié)作用的土壤顆粒，在土壤侵蝕過程中會通過崩解和分散等水土交互作用，使土壤表面結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，為土壤侵蝕提供物質(zhì)來源。Amezketa[38]認為植被根系在生長過程中通過捆綁和粘結(jié)等作用，促進了大顆粒土壤水穩(wěn)性團聚體的形成[39]，這有助于增加土壤的抗分離能力，從而導致土壤臨界剪切力的增加，本研究結(jié)果也證明了這一觀點。

土壤臨界剪切力與根重密度間呈正相關(guān)關(guān)系(表2)，這可能與作物根系在生長過程中，通過物理、化學以及生物等作用改變了土壤的屬性結(jié)構(gòu)有關(guān)[40-41]。在植被生長季，根系生長導致了土壤中土、水運移機械屏障的形成，這有助于土壤機械加固作用[42-43]和土壤穩(wěn)定性的增強，從而導致土壤臨界剪切力增加。

4 結(jié) 論

1) 在黃土區(qū)大豆和馬鈴薯生長季，兩種作物田的土壤臨界剪切力均表現(xiàn)出明顯上升的季節(jié)動態(tài)變化規(guī)律(P<0.05)。

2) 大豆和馬鈴薯田土壤臨界剪切力與土壤黏結(jié)力、水穩(wěn)性團聚體和根重密度間呈正相關(guān)關(guān)系，其中，土壤容重和根重密度是影響兩種作物田土壤臨界剪切力季節(jié)動態(tài)變化的重要因子。

3) 用土壤容重和根重密度能夠較好地模擬大豆和馬鈴薯田土壤臨界剪切力的季節(jié)動態(tài)。

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