黃土丘陵區須根系作物地土壤分離季節變化研究①

郁耀闖，王長燕

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

黃土丘陵區須根系作物地土壤分離季節變化研究①

郁耀闖1，2，王長燕1，2

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

采用變坡試驗水槽的試驗方法，研究了黃土丘陵區典型須根系作物玉米和谷子在生長季土壤分離能力的季節變化及潛在影響因素。結果表明： 在作物生長季，須根系作物玉米地和谷子地的土壤分離能力具有明顯的季節變化（P＜0.05），并表現出了相似的季節變化模式；兩種作物地土壤分離能力的季節變化主要受到農事活動、土壤硬化、水穩性團聚體和作物根系生長的影響；兩種作物地的土壤分離能力可以用土壤粘結力、作物根系密度和水流剪切力很好地擬合（R2＞0.75，NSE＞0.74）。

黃土丘陵區；土壤分離能力；季節變化；土壤硬化；根系生長

黃土丘陵區土壤結構疏松，植被覆蓋率較低，降水多為短歷時暴雨，主要集中于6—9月，水土流失較為嚴重，劇烈的土壤侵蝕加速了河道泥沙的淤積，并潛在地威脅著黃河流域的生態安全和人地系統的可持續發展［1-4］。在黃土高原地區，農耕地是黃河泥沙的主要來源［5-6］。黃土高原現有耕地1.46×105km2，分別為該區總面積和水土流失面積的22.5% 和30.9%［7］。隨著黃土高原地區人口的增多，該區農耕地的水土保持問題引起了學術界的廣泛關注。土壤分離是土壤顆粒在侵蝕動力的搬運作用下離開土壤母質的過程［6］，它是土壤侵蝕過程的起始階段，決定著泥沙輸移和泥沙沉積過程量的多少。因此，研究黃土高原地區典型農耕地土壤分離過程問題，對于該區水土流失的控制具有重要意義。

在坡面流侵蝕中，土壤分離能力通常被定義為，在某一特定的水動力條件下，當水流中的沉積物濃度為0時的最大土壤分離速率。坡面流土壤侵蝕發生在土壤和坡面水流的界面上。因此，它受到土壤屬性和坡面水動力條件的影響。水動力條件（如流速、坡度、水深、摩擦力和輸沙量等）［6，8-9］、土壤屬性（如土壤初始含水量，土壤黏粒含量、體積質量、水穩性團聚體含量、土壤切變強度和有機質的含量等）［10-14］、植被根系［6，15-17］、農事活動［6］等都是影響土壤分離過程變化的重要因素。在黃土高原地區，受氣候變化、農事活動、作物根系生長等多種因素的綜合影響，農耕地土壤屬性具有明顯的季節波動［6］，這可能導致土壤分離過程的季節變化。然而，目前對于黃土高原地區土壤分離過程季節變化及其影響因素的研究還相對較少。

以黃土丘陵區典型農耕地須根系作物玉米和谷子為研究對象，采用變坡水槽的試驗方法，系統研究了黃土丘陵區典型農耕地玉米和谷子地土壤分離能力的季節變化，同時分析土壤粘結力、體積質量、水穩性團聚體和作物根系密度等的動態變化對土壤分離能力季節變化的潛在影響。

1 材料與方法

1.1 研究區域概況

試驗地點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），該區水土流失嚴重，屬于黃土丘陵溝壑區。氣候類型屬于溫帶大陸性氣候，年均溫8.8℃，年降水量的變化范圍為297 ～645 mm，6—9月的降水占全年的70%，多為短歷時降雨，通常導致嚴重的土壤侵蝕。海拔1 068 ～ 1 309 m，土壤類型以黃綿土為主。

如圖1所示，在試驗期內，研究區的累積降水量為472.5 mm，主要集中在7—9月，這3個月的降水量占到試驗期降水量的69.3%。4月中旬后，研究區的日平均氣溫穩定在10℃以上，與多年平均狀況相比，相對偏低。

圖1 試驗區氣溫與降水量季節變化Fig. 1 Changes of temperature and rainfall in the experimental zone

1.2 作物選擇

選取黃土丘陵區典型須根系作物玉米和谷子作為研究對象。試驗樣地在2012年4月上旬采用大板犁（黃土高原傳統的耕作方式）深翻15 ～ 20 cm，人工移去土壤中的植物殘體。將整個試驗樣地分成長20 m，寬14 m左右的兩個試驗小區。玉米和谷子均采用播種機種植，行距均為50 cm，株距分別為35 cm和8 cm，種植時間均為4月30日，玉米地和谷子地分別在6月1日和7月1日各鋤草一次，鋤草深度小于5 cm，玉米和谷子均在9月28日收獲，玉米采用人工鋤收獲，谷子采用鐮刀收獲。需要說明的是，本文的季節指的是玉米和谷子的一個生長季。

1.3 樣品采集

試驗開始時分別在玉米地和谷子地采集原狀土壤樣品。采樣時盡量選取地表較為平整的土壤表面用內徑9.8 cm、高5 cm 的環刀，靠近植株根部取原狀土［6，18］。每次取樣時用5個鋁盒在采樣點附近隨機采集土壤水分含量樣品，用于計算土樣沖刷前的干重。

每個采樣點每次均采集5個重復樣品，土壤分離能力試驗開始于2012年4月上旬，根據各作物生育期的變化特征，分別選取關鍵的生育期開展試驗（表1），在玉米地和谷子地均進行了12次土壤分離能力試驗，共采集土壤分離樣品720個。

表1 作物生育期時間特征Table1 Information of plant growing period

1.4 試驗方法

土壤分離試驗采用變坡水槽系統測定，變坡試驗水槽長4 m、寬0.35 m、深0.6 m，底部為有機玻璃板，水槽坡度調節范圍為0° ～ 60°。試驗前將在試驗樣地采集的地表土風干，過1 mm篩子，用濕油漆均勻粘在有機玻璃板上，盡量保證水槽底部糙度與試驗樣地地表一致。試驗設計3個坡度和4個流量組合，分別為10°、1.0 L/s，10°、2.0 L/s，15°、2.0 L/s，25°、1.5 L/s，25°、2.0 L/s，25°、2.5 L/s，每組坡度和流量組合的沖刷試驗做5次重復，分別對應每個采樣點的5個樣品。用染色法測定水流表面最大流速，乘以修正系數0.8得到平均流速，徑流水深采用流量、流速和槽寬計算［6，18-19］。水流剪切力計算公式為［6，18-19］：

式中：τ為水流剪切力 （Pa）， ρ 為水的密度（kg/m3）， g 為重力加速度 （m/s2）， H 為水深 （m）， S 為水槽坡度 （m/m）。

土壤分離能力計算公式為［1，19-20］：

式中：Dc為土壤分離能力 （kg/（m2· s）），Wa為沖刷前土壤干重 （g），Wb為沖刷后土壤干重 （g），t 為沖刷時間 （s），A 為環刀面積 （m2）。土樣烘干稱重后，用水洗法沖刷土樣中的根系，并置于烘箱內，于 65 ℃下烘至恒重并稱重。需要說明的是，每次沖刷試驗時，當采樣器內的土壤樣品被沖刷至大約 2 cm 深度時［5-6，21-22］，結束該次沖刷試驗。

粘結力采用微型粘結力儀測定 （Durham Geoenterprises， Inc.， UK），每次測定12個重復。土壤體積質量用環刀（100 cm2）法測定，每次測定3個重復。土壤水穩性團聚體采用干濕篩法，每次測定3個重復。根系采用水洗法測定，每次測定3個重復。

1.5 統計分析方法

采用SPSS 18.0統計軟件進行數據分析，土壤分離能力季節變化采用Kendall’s W 檢驗（P＜0.05），差異顯著性檢驗采用LSD（P＜0.05，雙尾）。

2 結果與討論

2.1 兩種作物地土壤分離能力季節變化特征

在黃土丘陵區典型須根系作物玉米和谷子生長季（4月中旬至9月底），兩種作物地的土壤分離能力均呈現出明顯的先升高后降低再升高的相似的季節變化模式 （P＜0.05）（圖2）。玉米地的平均土壤分離能力最大 （1.37 kg/（m2·s）），其次是谷子地（1.15 kg/（m2·s））。在種植期前（4月上旬），兩種作物地的土壤分離能力都相對較小。4月底受種植活動的影響，玉米地和谷子地的土壤分離能力明顯從1.21 kg/（m2·s） 增加到5.04 kg/（m2·s） （P＜0.05），并達到了作物生長季中的最大值。4月下旬以后，隨著雨滴的打擊和土壤自身沉降等作用的影響，兩種作物地的土壤體積質量和粘結力呈增加趨勢，土壤固結力逐漸增強，玉米地和谷子地的土壤分離能力呈現下降趨勢（圖 2）。6月份以后，黃土高原開始進入雨季，玉米經歷了五葉期、拔節期、抽雄吐絲期和成熟期等4個生長階段，谷子經歷了幼苗期、拔節期、抽穗灌漿期、籽粒形成期和成熟期等5個生長階段，在這些不同的生長階段中，隨著玉米和谷子作物根系的生長、蓋度的增加，土壤硬化過程進一步增強，兩種作物地的土壤分離能力呈現明顯下降趨勢 （P＜0.05）（圖2），下降幅度分別為975% 和767%，玉米地和谷子地的土壤分離能力均在成熟期（9月下旬）達到最小值。9月底，玉米和谷子進入收獲期，玉米采用人工鋤收獲，谷子采用鐮刀收獲，收獲使兩種作物地的土壤分離能力又有所增加，增幅分別為453% 和194%，其中，玉米地的收獲方式使玉米地土壤分離能力的增加值在統計學上達到顯著性差異水平 （P＜0.01）。

圖2 玉米地和谷子地土壤分離能力季節變化Fig. 2 Seasonal changes of soil detachment capacities in corn and millet fields

本研究中，玉米地土壤分離能力在整個生長季的平均值是Mamo等［15］研究結果的856倍左右，是Zhang等［6］黃土高原農耕地研究結果的6.5倍，這可能與試驗測量方法、土壤屬性和農事活動方式等因素有關。本研究與Zhang等［6］的研究結果存在不同的原因可能是由于研究期的氣候條件、作物輪作、干濕循環、作物根系生長等因素的不同所造成。例如，本研究中，試驗期內7、8月份降水量分別比Zhang 等［6］2006年試驗期7、8月份降水量少28%和25%。在黃土高原地區，7、8月份是作物生長的關鍵時期，該時期降水的多少對作物的生長具有重要影響，也會影響到作物根系密度的大小，這可能是導致Zhang 等［6］研究結果中的根系密度是本研究中測量的根系密度4.7 ～ 49.8倍的主要原因。土壤分離能力隨根系密度增加呈指數函數降低［6，16，18-19］。此外，本試驗中的單寬流量是Zhang 等［6］研究單寬流量（0.002 8 m3/（s·m））的1 ～ 2.5倍。本試驗中所使用的最大水流剪切力是Zhang 等［6］研究中水流剪切力（11.63 Pa）的1.48倍。因此，本研究中測定的土壤分離能力結果比Zhang等［6］測得的結果相對偏大。本研究中須根系作物玉米和谷子的根系密度在整個生長季的均值具有統計學顯著性差異，但兩種作物地的土壤分離能力季節變化的平均值之間并未達到統計學顯著性差異水平 （P＞0.05），Mamo等［15］和Ghidey等［20］的研究結果也證明了這一結論，這說明土壤分離能力的減小并不完全是根系的作用，也可能與農事活動、土壤物理結皮的發育和土體沉降等因素有關。

2.2 土壤分離能力季節變化的潛在影響因素

坡面流水動力條件、土壤屬性和植被根系的生長都是土壤分離過程的重要影響因素。降雨強度、土壤屬性季節變化和植被根系生長等都可能導致土壤分離能力的動態變化。本研究中，由于不同試驗周期水動力條件相同。因此，不考慮水動力條件對土壤分離過程季節變化的影響，只討論土壤屬性和作物根系動態變化對土壤分離能力季節變化的影響。本研究中，土壤粘結力、體積質量和水穩性團聚體等土壤屬性具有明顯的季節變化（圖3），斯皮爾曼相關分析表明，兩種作物地的土壤分離能力與土壤屬性和作物根系密度關系密切（表2）。

圖3 土壤屬性季節變化Fig. 3 Seasonal changes of soil properties in crop fields

表2 土壤分離能力與土壤屬性和根系密度關系矩陣Table2 Correlation matrixes of soil detachment capacities with soil properties and root densities

土壤粘結力和體積質量的動態變化顯著影響著土壤分離能力的季節變化［6］，土壤粘結力和體積質量的增加，會使土壤變得更為緊實，從而難于被分離［6］，進而導致土壤分離能力降低。本研究中，玉米地和谷子地的土壤粘結力和體積質量在整個生長季呈增加趨勢（圖3A、3B），土壤分離能力隨土壤粘結力和體積質量的增加呈指數函數降低（圖4A、4B），這一研究結果與Morgan等［12］及De Baets和Tang［17］的研究結果相同。斯皮爾曼相關分析表明，玉米地和谷子地的土壤分離能力與土壤粘結力和土壤體積質量間呈顯著負相關 （表2）。

土壤水穩性團聚體是表征土壤侵蝕阻力大小的一個重要指標［23-25］。本研究中，玉米地和谷子地的土壤水穩性團聚體在整個生長季呈增加趨勢（圖3C），玉米地增加尤其明顯，在整個生長季增加了111%左右，谷子地在整個生長季增加了59%，土壤分離能力隨著土壤水穩性團聚體的增加呈指數函數降低（圖4C），這說明在作物生長季土壤水穩性團聚體的顯著增加可能影響了土壤分離能力的季節變化，這可能與大顆粒土壤水穩性團聚體的形成，有利于增加土壤的侵蝕阻力，土壤變得難于被分離有關（圖4C）。

植被根系對土壤分離能力也有重要影響［16-18］。本研究中，土壤分離能力與根系密度間呈指數負相關（圖4D），這一研究結果與Gyssels等［16］，De Baets和Poesen［17］，Zhang等［18］的研究結果相同，與Burylo等［26］的研究結果不同（土壤分離與植被根系沒有直接關系）。

玉米地和谷子地的土壤分離能力（Dc，kg/（m2· s））與根系密度（RD，kg/m3）的關系可以用下列方程擬合：

式中：系數a和b為回歸參數 （表3）。

圖4 土壤分離能力與土壤屬性和根系密度的關系Fig. 4 Relationships of soil detachment capacities with soil properties and root densities

表3 土壤分離能力擬合方程參數a，b和c 值Table3 Values of parameter a，b and c in the simulated equation of soil detachment capacity

玉米和谷子地土壤分離能力與根系密度間的決定系數（R2）分別為0.72和0.84，這一研究結果說明須根系作物抵抗土壤被分離的能力較強。斯皮爾曼相關分析表明玉米和谷子的土壤分離能力與作物平均根徑間呈正相關關系。當作物平均根徑被添加到土壤分離能力擬合方程 （3） 中時，玉米地和谷子地土壤分離能力擬合方程的擬合精度均有所提高，谷子地擬合方程的模型有效系數NSE提高了0.13。玉米和谷子地的土壤分離能力（Dc，kg/（m2·s））與根系密度（RD，kg/m3）和平均根徑（D，mm）的關系可以用下列方程擬合：

式中：D是平均根徑 （mm）。這一研究結果與De Baets和Poesen［17］的研究結果較為一致。但是，當平均根莖被添加到土壤分離能力擬合方程時，玉米地擬合方程的精度沒有明顯的變化，這說明平均根徑在本研究中并不是一個很好的擬合土壤分離能力季節變化的參數。

農事活動對土壤分離能力也有重要的影響。例如，玉米和谷子都采用播種機播種，播種后，與種植前相比玉米地和谷子地的土壤分離能力都明顯增加了416% （P＜0.05）。鋤草對作物地的土壤分離能力的變化也有影響。第一次鋤草，玉米地的土壤分離能力增加了17.4%，谷子地的土壤分離能力增加不明顯。第二次鋤草，谷子地伴隨著定苗，土壤分離能力增加了255%，玉米地則增加不明顯。玉米地采用人工鋤收獲，谷子地采用鐮刀收獲，受收獲的影響，玉米地的土壤分離能力增加了453%，達到統計學顯著性水平（P＜0.05），谷子地的土壤分離能力增加194%，未達到統計學顯著性水平（P＞0.05）。農事活動對土壤分離能力的影響的多少主要與農事活動對近地表層土壤干擾程度的大小有關，通常隨作物的種類和時間的變化而變化［6］。農事活動通常使農耕地近地表層的土壤變得更加容易被分離［6］。

2.3 土壤分離能力擬合方程

在野外條件下，坡面流土壤分離能力很難直接測量。但是，它對土壤侵蝕過程模型的建立是非常重要的。因此，精確模擬土壤分離能力是非常需要的。

本研究基于不同季節土壤屬性的動態變化和根系生長特征，利用作物地土壤粘結力、根系密度和水流剪切力構建了兩種作物地土壤分離能力的季節變化擬合方程：

在這個擬合方程中，根系密度、土壤粘結力和水流剪切力分別能夠解釋土壤分離能力自變量92% 和75% 的變量。總體而言，該擬合方程分別高估了玉米地和谷子地土壤分離能力的3% 和7%。擬合方程的決定系數R2分別為0.92和0.75，NSE系數分別為0.91和0.74 （表4）。相比之下，玉米地的擬合精度較高（圖5）。土壤體積質量和粘結力都反映了土壤的硬化過程，但相比之下，粘結力與土壤分離能力的關系更為密切。因此，在土壤分離能力擬合方程中，只考慮了粘結力對土壤分離能力的影響。

表4 土壤分離能力擬合方程參數d，e，f 和g 值Table4 Values of parameter d， e， f and g in the simulated equation of soil detachment capacity

圖5 土壤分離能力實測值與模擬值的關系Fig. 5 Relationship between the simulated and measured soil detachment capacities

3 結論

1） 在黃土丘陵區典型農耕地玉米和谷子作物生長季，它們的土壤分離能力在整個生長季都表現出了先升高后降低再升高的明顯的季節變化（P＜0.05），并表現出了相似的季節變化模式。

2） 黃土丘陵區農耕地土壤分離能力季節變化主要受控于農事活動、土壤屬性的季節變化和作物根系的生長。兩種作物地的土壤分離能力隨作物根系密度、土壤粘結力和水穩性團聚體的增大呈指數函數形式下降。

3） 在黃土丘陵區，利用作物地土壤粘結力、根系密度和水流剪切力能夠較好地擬合兩種作物地的土壤分離能力。

4） 針對黃土高原降雨主要集中于6—9月和坡耕地土壤分離能力存在季節變化的特點，可考慮在黃土高原坡耕地周圍修建不同組合模式的植物籬［27-28］，來減緩和降低坡耕地進入河流的泥沙。

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Seasonal Changes of Soil Detachment Capacity Under Two Typical Fibrous Crops in Hilly Region of Loess Plateau of China

YU Yaochuang1，2， WANG Changyan1，2
（1 College of Geography and Environment， Baoji University of Arts and Sciences， Baoji， Shaanxi 721013， China；2 Key Laboratory of Disaster Monitoring and Mechanism Simulating of Shaanxi Province， Baoji， Shaanxi 721013， China）

In order to provide scientific basis for soil and water conservation measurements of the loess plateau， overland flow with a hydraulic flume with adjustable bed gradients was used to study the seasonal changes in soil detachment capacity and the potential influential factors during one growing season of maize and millet in 2012. The results showed that the soil detachment capacity for each fibrous crop fluctuated significantly over time with a similar pattern of seasonal change. The seasonal changes of soil detachment capacity were affected by tillage practices， soil consolidation， water-stable aggregates， and root growth. Soil detachment capacities of two fibrous crops could be estimated by using flow shear stress， soil cohesion and root density （R2＞0.75， NSE＞0.74）.

Hilly regions of Loess Plateau； Soil detachment capacity； Seasonal variations； Soil consolidation； Root growth

S147

10.13758/j.cnki.tr.2016.05.025

國家自然科學基金項目（41371497，41171423）、陜西省教育廳重點實驗室項目 （2009JS071）、陜西省教育廳項目（14JZ013）、寶雞文理學院重點科研項目 （ZK15052，ZK1054） 和陜西省自然地理學重點學科項目資助。

郁耀闖（1980—），男，河南南陽人，講師，博士，主要研究方向為土壤侵蝕與環境效應。E-mail： yuyaochuang@126.com