黃土丘陵區(qū)典型農(nóng)耕地土壤臨界剪切力季節(jié)變化

郁耀闖，王長燕

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黃土丘陵區(qū)典型農(nóng)耕地土壤臨界剪切力季節(jié)變化

郁耀闖，王長燕

（寶雞文理學(xué)院地理與環(huán)境學(xué)院/陜西省災(zāi)害監(jiān)測與機(jī)理模擬重點(diǎn)實驗室，陜西寶雞721013）

【目的】研究黃土丘陵區(qū)典型農(nóng)作物玉米和谷子生育期內(nèi)土壤臨界剪切力的季節(jié)變化特征及其影響因素，以期為該區(qū)的糧食安全生產(chǎn)和土壤侵蝕過程模型建立提供參考依據(jù)。【方法】以黃土丘陵區(qū)玉米地和谷子地為研究對象，在6組不同的水流剪切力條件下（= 5.71—17.18 Pa），借助坡面徑流沖刷試驗測定土壤的分離能力，結(jié)合土壤侵蝕過程WEPP模型，利用線性回歸方法推求土壤臨界剪切力（τ）,分析了玉米和谷子生育期內(nèi)土壤臨界剪切力的季節(jié)變化規(guī)律。【結(jié)果】黃土丘陵區(qū)玉米和谷子生育期內(nèi)土壤臨界剪切力具有明顯的季節(jié)變化規(guī)律（＜0.05），整體呈上升趨勢。玉米地τ表現(xiàn)為先降低后升高再降低又升高的季節(jié)變化模式，變化范圍為1.51—4.89 Pa，平均值為3.0 Pa，最小值（1.51 Pa）出現(xiàn)在五葉期，最大值（4.89 Pa）出現(xiàn)在收獲期；谷子地τ表現(xiàn)為先降低后升高的季節(jié)變化模式，變化范圍為1.06—6.53 Pa，平均值為2.93 Pa，最小值（1.06 Pa）出現(xiàn)在幼苗期，最大值（6.53 Pa）出現(xiàn)在成熟期。玉米地和谷子地土壤臨界剪切力的季節(jié)變化由土壤黏結(jié)力、初始含水量等土壤屬性的季節(jié)變化和作物根系生長所致。兩種作物地的土壤臨界剪切力與土壤黏結(jié)力、初始含水量和作物根重密度間呈正相關(guān)關(guān)系。在玉米和谷子生育期內(nèi)，利用土壤黏結(jié)力、初始含水量和作物根重密度可以較好地模擬兩種作物地土壤臨界剪切力的季節(jié)變化（2＞0.74，＞0.72）。【結(jié)論】作物根系、土壤黏結(jié)力和初始含水量等的季節(jié)變化是影響玉米地和谷子地土壤臨界剪切力季節(jié)變化的主要因素。土壤臨界剪切力與根重密度、土壤黏結(jié)力和初始含水量間呈正相關(guān)關(guān)系。用根重密度、土壤黏結(jié)力和初始含水量等參數(shù)能夠較好地模擬玉米地和谷子地土壤臨界剪切力的季節(jié)變化。

黃土丘陵區(qū)；土壤臨界剪切力；季節(jié)變化；根系生長

0 引言

【研究意義】土壤侵蝕是指土壤在外營力作用下發(fā)生的土壤分離、泥沙輸移和泥沙沉積過程，這是導(dǎo)致黃土高原地區(qū)大規(guī)模的土地退化和土地生產(chǎn)力下降的原因[1]，并潛在威脅著該區(qū)的糧食安全和人地系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展[1-2]，也是黃土高原面臨的主要環(huán)境問題之一。土質(zhì)疏松，地形破碎，氣候干旱，降水集中于6—9 月，土地利用強(qiáng)度大等因素是造成黃土高原土壤侵蝕嚴(yán)重的主要原因。該區(qū)土壤侵蝕較為嚴(yán)重，年土壤侵蝕模數(shù)約為5 000—10 000 t·km-2·a-1[3-4]。農(nóng)耕地是黃土高原土壤侵蝕泥沙的主要來源[5-6]，該區(qū)現(xiàn)有農(nóng)耕地1.46×105km2，分別為黃土高原總面積和水土流失面積的22.5%和30.9%[7-8]。土壤臨界剪切力是土壤侵蝕過程模型中的重要參數(shù)[9-10]，它的時（空）間變化對于精確預(yù)測細(xì)溝或沖溝所導(dǎo)致的水土流失有重要作用。因此，研究黃土高原典型農(nóng)耕地土壤臨界剪切力的季節(jié)變化問題，對于控制該區(qū)土壤侵蝕的泥沙來源和保障糧食安全生產(chǎn)具有重要意義。【前人研究進(jìn)展】土壤臨界剪切力反映了土體抵抗細(xì)溝股流作用而發(fā)生剪切形變破壞的能力[11]，是定量分析細(xì)溝侵蝕發(fā)生的重要指標(biāo)之一，通常由土壤自身性質(zhì)決定，與土壤理化性狀關(guān)系密切[12]。在著名的土壤侵蝕過程WEPP模型中，土壤臨界剪切力（τ）是表征土壤侵蝕阻力的重要參數(shù)之一，它和土壤細(xì)溝可蝕性（K）共同反映了土壤抵抗細(xì)溝股流作用的能力，其值通常是通過經(jīng)驗關(guān)系獲得的經(jīng)驗值或是源于參考表的參考值[10]。劉紀(jì)根等[13]研究認(rèn)為，施加土壤改良劑可增加土壤臨界剪切力。李云鵬等[14]研究了三峽庫區(qū)土壤臨界剪切力隨土層深度的變化，發(fā)現(xiàn)土壤臨界剪切力分別受土壤孔隙度、含水率和結(jié)構(gòu)指標(biāo)等因素影響。張樂濤等[15]研究表明，工程堆積體陡坡坡面發(fā)生細(xì)溝侵蝕時，土壤臨界剪切力的值為12.8 Pa。Singh等[16]研究了美國威斯康星州西南部農(nóng)耕地土壤初始含水量對土壤臨界剪切力的影響，認(rèn)為土壤中的初始含水量在達(dá)到臨界值（31%）之前與土壤臨界剪切力間呈指數(shù)正相關(guān)關(guān)系。目前的研究多集中于τ參數(shù)的確定方法及誤差[17-18]、不同土壤類型τ值的確定[19-21]、土壤剝蝕率與τ的關(guān)系[22]、改良劑[23]及單一土壤屬性[16, 24-25]對τ的影響等幾個方面，對τ季節(jié)變化規(guī)律的研究較少。準(zhǔn)確評估τ的季節(jié)變化規(guī)律是建立土壤侵蝕過程模型的基礎(chǔ)。【本研究切入點(diǎn)】在黃土丘陵區(qū)玉米和谷子生育期內(nèi)，受降水、農(nóng)事活動、作物生長等因素的影響，地表土壤理化性狀發(fā)生了明顯變化，導(dǎo)致了土壤分離過程的變化[6, 26]，可能會影響土壤臨界剪切力的季節(jié)變化，目前它們之間的定量關(guān)系尚不明確。【擬解決的關(guān)鍵問題】以黃土丘陵區(qū)玉米地和谷子地為研究對象，定量分析作物生育期內(nèi)土壤臨界剪切力季節(jié)變化與土壤屬性季節(jié)變化的關(guān)系，揭示土壤臨界剪切力的季節(jié)變化規(guī)律，為該區(qū)的糧食安全生產(chǎn)和土壤侵蝕過程模型建立提供理論依據(jù)和數(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(xué)院安塞水土保持綜合試驗站墩山，地處北緯36°51′，東經(jīng)109°19′，屬于典型的黃土丘陵區(qū)，氣候?qū)儆谂瘻貛О霛駶櫹虬敫珊禋夂蜻^渡區(qū)，年平均氣溫為8.8℃，年平均降雨量為505.3 mm，全年70%以上降雨集中于6—9月。峁?fàn)睢⒘籂钋鹆晔窃搮^(qū)的主要地貌類型，結(jié)構(gòu)松散和抗侵蝕能力較差的黃綿土和沙黃土是該區(qū)的主要土壤類型，該區(qū)土壤侵蝕以溝蝕和面蝕為主。玉米、谷子、大豆、土豆和蕎麥等是該區(qū)典型的農(nóng)作物。

表1 玉米和谷子生育期基本特征

1.2 試驗樣地

試驗時間為2012年4月至2012年10月。選取黃土高原典型農(nóng)耕地（玉米地和谷子地）為研究對象，玉米和谷子植株行距均為50 cm，株距分別為35 cm和8 cm。整個生育期內(nèi)，每隔3 d 觀測玉米和谷子的生長狀況，詳細(xì)記錄兩種作物生育期內(nèi)7個關(guān)鍵生長階段的生長過程（表1）。需要說明的是，本研究的季節(jié)指的是玉米和谷子的一個生長季。

1.3 土壤分離樣品采集及測定

土壤分離樣品利用內(nèi)徑9.8 cm、高5 cm環(huán)刀采集。采樣時間為玉米和谷子生育期內(nèi)的7個關(guān)鍵生長階段。每次采樣時，用環(huán)刀靠近玉米和谷子植株根部取原狀土[6, 26]，每次取樣設(shè)5個重復(fù)，每個生長階段每個樣地采集30個原狀土樣品，兩種作物地每個生長階段共采集60個原狀土樣品，7個生長階段共采集420個原狀土樣品。

土壤分離能力指標(biāo)采用長4 m、寬0.35 m、深0.6 m的變坡試驗水槽系統(tǒng)測定（圖1）。試驗設(shè)計6組坡度（S=17.36%—42.26%）和流量（Q=1.0—2.5 L?s-1）組合[26-29]，他們所對應(yīng)的水流剪切力分別為5.71、8.60、10.75、13.06、15.36和17.18 Pa。每次進(jìn)行土壤分離能力試驗時，原狀土樣放置在水槽下端距出水口0.5 m處，每組坡度和流量組合做5次重復(fù)，分別對應(yīng)于每個采樣點(diǎn)的5個重復(fù)樣品。坡面流表面最大流速用染色法測定，乘以修正系數(shù)0.8得到坡面流平均流速，用流量、流速和水槽寬度計算坡面流水深[5-6, 30]，水流剪切力計算公式為[5-6]：

（1）

式中,為水流剪切力（Pa）；為水的密度（kg·m-3）；為重力加速度（m·s-2）；為水深（m）；為水槽坡度（m·m-1）。

土壤分離能力計算公式[3-4]：