陕北典型农地表层土壤物理性质季节变化

耿 韧，张光辉，，郁耀闯，王 浩

（1.北京师范大学 地理学与遥感科学学院，北京100875；2.中国科学院 水利部水土保持研究所，陕西 杨凌712100）

土壤侵蚀是黄土高原面临的主要环境问题之一，它包括土壤分离、泥沙输移和泥沙沉积三大过程［1］。在降雨击溅和径流冲刷作用下土壤颗粒脱离母质的过程为土壤分离过程［2］，它为泥沙输移和泥沙沉积提供了物质准备，是土壤侵蚀过程的起始阶段。土壤分离过程是降雨特性、地形条件、坡面流水动力条件、土壤性质、植被覆盖的函数［3］。土壤分离速率随着坡面流流量、水深、流速的增大而增大，在特定降雨和下垫面条件下，坡面流流量、水深、流速等水动力学特征又与坡面水文过程密切相关，无论是结皮的发育、地表积水、产流历时、入渗及产流过程均受控于土壤物理性质（土壤含水量、容重、粘结力、水稳团聚体）及其时空变化特征［4－6］。

土地利用方式显著影响土壤分离过程。黄土高原5种典型土地利用方式对土壤分离速率的影响，发现农地最容易分离，其分离速率分别是草地、灌木、荒地和林地分离速率的2.05，2.76，3.23，13.31倍，土壤细沟可蚀性和临界剪切力均受到土地利用方式的显著影响［7］。黄土高原典型土地利用条件下土壤分离速率的季节变化特征，结果发现无论是农地还是非农地，土壤分离速率均呈现显著的季节波动，主要驱动力为农事活动、土壤硬化和植被根系生长［8］。耕作、播种、锄草、收获等农事活动，扰动地表从而增大土壤分离速率，影响的大小取决于农事活动对地表的扰动程度；在降雨打击及重力的作用下，耕作后疏松的土壤逐渐沉降，土壤容重和粘结力逐渐增大，导致土壤分离速率逐渐减小；植被根系具有很强的抗蚀能力，随着根系密度的增大，土壤分离速率呈指数函数下降［9］。但目前关于土壤物理性质季节变化的定量化研究较少，特别是对于土壤物理性质变化显著的农地更是如此［10］，尚无法从机理上理解、模拟、预测土壤分离过程的季节变化，因此亟待展开不同气候、作物、田间管理条件下土壤物理性质的季节变化特征的研究，为解释、分析土壤分离过程的动态变化，检验或建立土壤分离季节变化预报方程或算法提供数据或理论支持。

1 试验区概况

试验在中国科学院水利部水土保持研究所安塞水土保持综合试验站进行。该站位于黄土高原丘陵沟壑区第二副区（109°19′24.4″E，36°51′29.9″N），海拔1 068～1 309m。属暖温带半干旱气候，年均气温8.8℃，年均降雨量500mm，60%的降水集中于6—9月，年际变化幅度较大。研究区土壤类型为黄绵土，黏粒含量为5.5%，粉粒含量为67.0%，沙粒含量为26.3%，有机质含量为0.9% 。受强烈的水土流失影响，地形千沟万壑，支离破碎。研究区主要农作物为玉米、谷子、大豆和土豆。

2 研究方法

在安塞水土保持综合试验站选取玉米、谷子、大豆和土豆4种典型农地，分别进行土壤含水量、土壤容重、土壤水稳性团聚体和土壤粘结力的测定。4种农地按照当地大田作物进行施肥和管理，表1给出了4种农地主要的农事活动及日期。试验从2012年4月8日开始，持续到9月29日，时间间隔大约20d。

表1 4种农地的农事活动

土壤含水量：用烘干称重法测定，试验时用小铝盒从上到下均匀采集0—5cm表层土壤，用烘干法测定土壤含水量，每种农地每次重复测定5次，取其平均值作为本次测定的土壤含水量。

土壤容重：用体积为100cm3的不锈钢环刀（高5.1cm，直径5cm）取0—5cm表层土壤，使土充满环刀，称湿重后放置于烘箱中在105℃下烘干24h，每次每种农地重复测定3次，取其平均值。

水稳性团聚体的测量步骤如下：

（1）采样：用铁铲取耕层土壤。土壤湿度要求最好不沾铁铲。用铁质饭盒采集3个有代表性的原状土样，运回实验室，轻轻的掰成10～12mm的土块，摊平，使其自然风干。

（2）干筛：取混合均匀的风干土样，过孔径分别为10，7，5，3，2，1，0.5，0.25mm 筛子。分别称重各孔径对应的团聚体，计算各孔径所占的质量百分比。并依据各级孔径所占百分比把各孔径上团聚体配成2份50g的土样。

（3）湿筛：本文使用的湿筛分析仪为FT-3型电动团聚体分析仪，湿筛的孔径为5，3，2，1，0.5，0.25 mm。先将湿筛组用铁架夹住放入水桶，把湿筛组升到最高处，向桶内缓慢注水，直到水面高于筛面1cm为止。将配好的50g土放入水中，震荡30次，把湿筛组取出，用清水洗出各孔径上的团聚体，烘干后，称重每个孔径湿筛的团聚体［11］，再把每个孔径湿筛的团聚体相加，然后取两个重复的平均值。

粘结力：采用由荷兰生产的微型粘结力仪（Durham Geo-enterprises，Inc.，UK），选取有代表性的平地，用喷壶喷湿地表，将粘结力仪的叶轮垂直插入土壤，顺时针转动粘结力仪，当扭力大于土壤最大抗剪强度时，粘结力仪叶轮开始转动，此时指针所指的数值即为此次测定的粘结力，每种农地重复10次，取平均值。

本文用变异系数来描述农地土壤物理性质随季节的波动情况，它反映了数据的离散程度。用峰度和偏度描述数据的正态分布情况，峰度反映了数据在均值附近集中情况，偏度反映了数据偏离以平均值为中心的程度，它们由下式计算：比标准正态分布低，但γkurtosis＞0时是数据集中程度比标准正态分布高。当γskewness＝0时是对称分布，当γskewness＜0时是数据的均值在峰值的左边，当γskewness＞0时是数据的均值在峰值的右边。

数据处理使用IBM SPSS Statistics 19.0，并对数据进行配对样本T检验分析不同农地土壤物理性质变化趋势的差异性，Pearson相关分析检验容重和粘结力的相关性。

3 结果与分析

式中：Cv——变异系数；γkurtosis——峰度；γskewness——偏度；SD——标准差；¯X——样本平均值；Xi——第i个样本值；n——样本个数。

根据Nielsen和Bouma提出的分类体系［12］，当Cv≤0.1时是弱变异性，当0.1＜Cv＜1时是中等变异性，当Cv≥1是强变异性。当γkurtosis＝0是标准正态分布的峰度系数，当γkurtosis＜0时是数据集中程度

3.1 土壤含水量

图1给出了4种农地土壤含水量的季节变化，从图中可以明显的看出，4种农地土壤含水量具有大致相同的变化趋势，从4月初到9月下旬，土壤含水量出现了3个高峰和2个低谷，3个高峰均出现降雨之后，而土壤含水量的低谷则对应着一段时间的干旱期。这表明该地区农地表层土壤含水量的季节变化受降雨的影响强烈，土壤含水量变化趋势基本上与降雨变化趋势一致，这与苏敏［13］和 Coronato［14］等的研究结果一致。土壤含水量的干湿交替，可能引起土壤表层出现较大缝隙，从而影响土壤抗蚀能力，导致土壤分离速率增大［15］。

表2给出了4种作物土壤物理性质的统计特征值。就土壤含水量平均值而言，玉米地＞大豆地＞土豆地＞谷子地。4种农地土壤含水量变异系数介于0.43～0.49之间，大于0.1小于1，属于中等变异性。

表2 土壤物理性质的统计特征值

从表2土壤含水量的峰度值、偏度值和单样本的Kolmogorov-Smirnov检验来看，各农地土壤含水量呈正态分布的，可以进行统计学分析。表3给出了4种农地配对样本T检验的P值，从表中可以看出玉米和谷子之间的P值为0.04，表明在0.05的显著性水平下，两者之间变化趋势存在显著差异，而其他作物配对的P值远大于0.05，表明这些作物的土壤水分随季节变化趋势之间无显著差异。各农地表层土壤水分总体上随季节变化趋势大体相同，但无论在均值和变异系数还是配对样本T检验结果都表现出一定差异性，其中玉米和谷子季节变化趋势有显著差异，就土壤含水量平均值而言，玉米地是谷子地的1.12倍。这可能是因为它们之间有着不同的植被盖度、不同的根系密度和不同的蒸散强度［16］所致。

图1 土壤含水量季节变化

表3 不同农地物理性质的配对样本T检验

3.2 土壤容重

图2给出了不同农地土壤容重的季节变化，从图中可以看出4种农地土壤容重随时间的变化趋势大体相同。4月8日到4月10日，受播种的影响各农地的容重迅速下降，达到最小值。随后受降雨击溅及土体自重的综合影响，各农地土壤均表现出一定程度的硬化过程，各农地的容重均呈上升趋势（5月23日之前），但上升的程度各不相同，玉米、谷子、大豆和土豆分别上升了6.0%，14.2%，3.6%，1.8%。到6月1日左右，受锄草的影响各农地土壤容重都呈下降趋势，之后各农地土壤容重出现再次上升趋势，上升的幅度也随作物类型的不同而有所差异。在7月22日之后，各农地之间的变化趋势较为混乱，但整体呈现上升趋势，这一方面是由硬化过程引起，另一方面与土壤结皮的发育密切相关。结皮的发育直接受控于降雨对地表的打击作用，而各种作物的盖度存在一定差异，从而导致各农地结皮发育的差异，从而造成土壤容重较为复杂的变化趋势。9月22日之后，各农地土壤容重迅速减小，其原因在于作物收获对地表引起的扰动，其扰动程度取决于收获方式，土豆的收获过程对地表扰动最大，其容重下降幅度也最大，为15.2%。总体而言，生长季4种农地的土壤容重整体呈增加趋势，这与Alletto等人的研究结果一致［17］。土壤容重的增大，提高了土壤抗蚀能力，从而导致土壤分离速率下降［18］。

从表2土壤容重的平均值来看，4种农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，这可能与作物种植的密度有关。从变异系数来看，玉米地、谷子地、大豆地和土豆地变异系数依次为0.07，0.05，0.05，0.07，都小于0.1，为弱变异性。表3给出了4种农地的容重配对样本T检验结果。除了谷子和大豆外，其他配对组合的显著性水平P值均大于0.05，表明这些农作物在0.05显著性水平下没有显著差异。谷子和大豆间的P值为0.03，小于0.05，表明谷子和大豆地的土壤容重随时间变化的趋势之间存在显著差异。这可能与不同农地的施肥水平、播种密度、农事活动的强度等因素有关［19］。

图2 土壤容重季节变化

3.3 土壤水稳性团聚体

从图3中可以看出，播种初期各农地的土壤水稳性团聚体几乎相同，随时间的变化都是单调递增趋势，这一结果与 Mulla等人的研究成果一致［20］。团聚体通过其物理、化学及生物的胶结作用提高土壤抗蚀能力，农地团聚体随作物生长呈上升趋势表明，随着作物的生长，农地的抗蚀能力呈逐渐增强的趋势。然而，水稳性团聚体随时间的增大幅度随着作物类型的不同而存在差异，这可从表2中的极差得到验证，农作物的水稳性团聚体最小值差别不大，极差值（最大值减去最小值）最小的土豆地为1.32，而极差值最大的玉米地为16.51，玉米地的极差值是土豆地的极差值得12.5倍。玉米地、谷子地和大豆地的变异系数分别为0.27，0.19，0.17，介于0.1和1之间，为中等变异性。而土豆地的变异系数只有0.03，为弱变异性。4种农地水稳性团聚体的平均值从大到小依次为玉米、大豆、谷子和土豆，其值分别为21.9，19.8，19.8，15.4。

图3 水稳性团聚体季节变化

由表3可知，玉米地和谷子地、玉米地和大豆地、谷子地和大豆地的显著性水平P值都大于0.05，表明它们的水稳性团聚体季节变化趋势无显著性差异。而土豆和玉米、土豆和谷子、土豆和大豆的显著性水平P值小于0.05，表明它们的水稳性团聚体随季节的变化趋势存在显著差异。总体而言，玉米地、谷子地和大豆地水稳性团聚体季节变化差异不大，而土豆地和玉米地差异明显。这可能是因为土豆较为稀疏，在单位面积上积累的有机物较少，因此团聚体含量少［21］。此外原本水稳性团聚体含量低的土豆地，由于植被盖度低，裸露的地表受到更多的雨滴打击作用，团聚体容易遭到破坏［22］。

3.4 土壤粘结力

图4给出了各农地土壤粘结力随时间变化趋势。由图中可以看出4种农地的粘结力随时间的变化具有相同的趋势，土壤粘结力存在两个高峰和三个低谷。三个低谷分别对应着4月10日的农地翻耕、6月4日的锄草和9月28日的作物收获，粘结力的减少显然与农事活动的扰动密切相关［23］。从表2可以看出无论是极差和平均值，还是变异系数，4种农地粘结力之间差异不大。4种农地的变异系数介于0.44和0.54之间，为中度变异性。

表3给出了4种农地粘结力配对样本T检验结果，从表中可以看出P值介于0.16和0.53之间，都远大于0.05，表明各农地粘结随时间变化在0.05的显著性水平下没有显著性差异，这在一定程度上说明了各农地抗蚀能力的相似性。比较图4和图2可以看出，四种农地粘结力和容重的变化趋势具有一定的相似性，土壤容重的减少，则对应着粘结力的减少，反之亦然。对4种农地的粘结力与土壤容重进行Pearson相关分析，相关系数为0.68，显著性水平P值小于0.01，两者相关关系显著。这可理解为土壤容重是土壤紧实度的指标之一，土壤紧实度低则粘结力小，土壤紧实度高则粘结力大［23］。

图4 粘结力季节分布

4 结论

本文研究了黄土高原4种典型农地（玉米、谷子、大豆和土豆）的表层土壤物理性质——土壤含水量、土壤容重、土壤水稳性团聚体和土壤粘结力的季节变化规律。得出以下结论：（1）土壤含水量季节变化受降水影响显著，生长季存在多个峰值和低谷，呈中等变异。（2）受土壤硬化的影响，土壤容重总体呈增大趋势，但农事活动可引起土壤容重的显著减小，影响程度取决于农事活动对地表的扰动程度，4种农地的土壤容重均属弱变异。（3）土壤团聚体随着作物的生长呈上升趋势，土豆地团聚体显著低于其他3种农地，除土豆地属弱变异外，其他3种农地的水稳性团聚体均属于中等变异。（4）作物生长季，土壤粘结力呈上升趋势，但受农事活动的影响显著，农事活动的扰动会导致土壤粘结力显著减小。总体而言，黄土高原典型农地的土壤物理性质具有较为相似的季节变化特征，主要影响因素包括农事活动、土壤硬化及根系生长引起的有机质积累，在生长季农地抗蚀能力呈增强趋势。

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