不同放牧强度影响下的土壤剪切力空间变化*

甘磊　彭扬建　谢永雄　马蕊　彭新华　莫春梦

(1.桂林理工大学广西环境污染控制理论与技术重点实验室　广西桂林 541004;2.桂林理工大学广西岩溶地区水污染控制与用水安全保障协同创新中心　广西桂林 541004；3.中国科学院南京土壤研究所土壤与农业可持续发展国家重点实验室　南京 210008)



不同放牧强度影响下的土壤剪切力空间变化*

甘磊1，2，3彭扬建1谢永雄1马蕊1彭新华3莫春梦1

(1.桂林理工大学广西环境污染控制理论与技术重点实验室广西桂林 541004;2.桂林理工大学广西岩溶地区水污染控制与用水安全保障协同创新中心广西桂林 541004；3.中国科学院南京土壤研究所土壤与农业可持续发展国家重点实验室南京 210008)

摘要在内蒙古锡林河流域建立典型羊草植被覆盖下围封、冬季放牧和过度放牧试验区以及典型大针茅植被覆盖下围封和持续放牧试验区。在长135 m，宽105 m，共计100个测量点的空间区域测量土壤剪切力并研究其空间变化情况。结果表明，土壤含水量是引起区域土壤剪切力变化的主要因素，而放牧是引起土壤剪切力空间变异的关键因子，其途径主要是通过改变土壤结构、土壤含水量以及植被状况。过度放牧严重破坏土壤结构导致的土壤剪切力最小。适度放牧因局部干扰，土壤剪切力的空间分布具有清晰的递变性，但这种递变性在干旱条件下减弱。而围封仅在土壤含水量与植被根系的作用下并未形成类似前者的空间分布形式。这说明在适度放牧的干预下，土壤剪切力的空间分布具有相对稳定性。

关键词放牧强度土壤剪切力空间变化

0引言

内蒙古草原的过度开发利用已经造成了该地区土壤结构的破坏，水土流失，环境问题日趋严重。土壤抗剪强度是区域水土流失评价中反映土壤力学特性的重要指标之一[1]。在放牧条件下，土壤所产生的变形、阻力以及压实等，都与土壤的抗剪强度有关，因此研究不同放牧强度下土壤剪切力的变化有着重要的理论与现实意义。土壤抗剪强度与土壤含水量密切相关，有研究表明土壤的黏聚力随着土壤含水率的增加先增大后减小[2]。同时有研究表明在一定直压力不变的条件下，随着含水量的增大，抗剪强度却非线性减小，它们之间的关系呈指数函数关系[3]。由此可见土壤含水量对土壤剪切力的影响随着含水量的不同表现出不同的形式。而植被可通过改变土壤水分情况及发挥根系加筋作用和根系锚固作用，提高土壤的抗剪强度，起到固土护坡的作用[4]。在对含根土壤与无根土壤的抗剪强度做比较和分析，发现在相同正应力作用下，含根土壤的抗剪强度比无根土壤的大[5]。而放牧是草地利用的主要方式之一。一般而言，随放牧强度的增大，植被减少，土壤的总孔隙减少，使土壤容重增加导致土壤的保水和持水能力下降。但当适度放牧时，土壤颗粒间隙变小，水分交换与补给减弱，有助于土壤毛细管水分的保持，增加土壤含水量。因此研究放牧对土壤剪切力的影响是尤为重要的。

放牧相当于是在土壤表面施加压力。这种动物踩踏行为的压力是不均匀和随机的，因而对土壤剪切力的影响在空间分布上也会表现出不均匀性和随机性。本研究选取不同的放牧强度，假定不同放牧强度对土壤剪切力的空间产生不同的影响，研究在不同水分条件下羊草和大针茅植被覆盖的土壤剪切力变化。1试验区采样与分析

1.1试验区介绍

该试验区位于内蒙古锡林河盆地(43°38’N，116°42’E)，多年平均气温为0.7 ℃，年降水量在340 mm左右，其中60%～80%的降水发生在每年的6～8月。草类生长季为每年5～9月。试验选取5个样研究区：羊草区为自1979年开始禁牧的围封LCUG79、只在冬季放牧的LCWG，放牧强度为0.5羊/(a·hm2)(1羊单位相当于一只成年羊加一只羔羊[6]，下同)和过度放牧区LCHG，放牧强度为2.0羊/(a·hm2)；大针茅区为自1979年开始禁牧的SGUG79和持续放牧区SGCG，放牧强度为1.2羊/(a·hm2)。在每一个研究区域，利用GPS定位长135 m，宽105 m的空间区域，每隔15 m建立一个测量点，并在其中再建立20个次级测量点，共计100个测量点，详见图1。1.2采样与分析

每个试验区随机选取3个土壤剖面采集环刀土样(0～6 cm)，测定土壤质地、容重、总孔隙度、以及

有机质。土壤剪切力采用Hand-held vane tester测量；土壤含水量采用HH2 Moisture Meter。表层0～6 cm的土壤剪切力和土壤含水量均每周同步测量1次。选取3种不同土壤湿度状态进行土壤剪切力的空间分析：干旱条件(测量日前1周内无降水发生)，中等条件(单日降水2日后无降水发生)以及湿润条件(连续3日降水后)。数据统计分析使用SPSS13.0软件；土壤剪切力空间分布成图使用surface 8.0软件(Golden Software，Inc)。

图1　100个监测点布置图

2结果与讨论

2.1土壤基本性质

5个试验区的土壤质地、容重、总孔隙度和有机质含量结果如表1所示。在羊草区域LCHG的土壤质地最粗且有机质含量都是最小的。在过度的碾压下，土壤孔隙不断减少，容重增加，同时由于过度放牧导致土壤结构被完全破坏，不利于植被生长，地表有机物也相应减少。而在大针茅区域SGCG与SGUG79质地差异不明显，但SGCG的总孔隙度和有机质要低于SGUG79，但容重高于SGUG79，这与羊草区域放牧对土壤基本性质的影响是一致的。

表1　5个试验区土壤性质

注：同列不同小写字母表示差异显著(P<0.05)，n=7。

2.2土壤剪切力与土壤含水量

在羊草地区，LCHG区土壤含水量在湿润、中等与干旱三种水分条件下都是最小的，而冬季放牧夏季休牧的轮牧区(LCWG)土壤含水量在湿润条件下比围封的LCUG79区要大，但在中等和干旱条件下两者的差别不大(见表2)。因为过度放牧使得土壤结构破坏严重，其保水能力非常弱，因而在LCHG区其土壤含水量最小。而轮牧区的放牧强度不大，尽管对土壤有一定的压实作用，阻碍了部分水分的入渗，但羊群的踩踏使土壤中的大孔隙破碎，土壤间隙减小，因此在水分的保持上有一定优势。加之与围封的LCUG79相比上一生长季围封所留下的枯草基本被羊群所食，土壤斥水性减小[6]，有利于水分的下渗，最终导致LCWG的土壤含水量在湿润条件下要高于围封区。在大针茅地区，湿润和中等条件下LCUG79和SGCG区的土壤含水量基本一致，仅在干旱条件下出现差异。其原因主要在于LGCG区设定的适度放牧强度使得连续性的土壤孔隙减少，延迟或者减少了土壤水分的补给，进而增强了土壤的保水能力。本研究结果与GAN等[7]模拟内蒙古草原放牧对土壤水量平衡影响的结果是一致的。而对于围封区而言，SGUG79的土壤含水量要略高于LCUG79。RESZKOWSKA等[6]的研究表明在该试验区，羊草土壤斥水性要高于大针茅，进而导致其土壤水分的入渗减少。这也是围封区大针茅土壤含水量要高于羊草的主要原因。

表2　3种土壤水分条件下5个试验区土壤含

放牧强度对土壤剪切力的影响也表现出一定的规律性。在羊草地区，过度放牧的LCHG的土壤剪切力基本较小。由于过度放牧，土壤结构被严重破坏，土壤颗粒之间的黏结力明显降低，从而导致LCHG区土壤剪切力最小。而轮牧区LCWG的土壤剪切力只在湿润条件下明显高于LCUG79，在中等条件下明显低于围封区。在大针茅地区，SGCG的土壤剪切力只在湿润条件下明显高于SGUG79，而其它条件下均明显小于围封区。就2个围封区而言，在干旱条件下SGUG79的土壤剪切力要明显高于LCUG79。有研究表明在一定条件下土壤剪切力随土壤含水量的降低而减弱[3]，因而在湿润状态下，含水量较大的LCWG区的土壤剪切力要高于LCUG79。随着时间推移，土壤中水分被逐渐消耗，那么含水量对土壤剪切力的作用也逐渐减小[3]，植物根系对土壤剪切力的作用就不能被忽视，根系越多越复杂，其土壤抗剪强度就越大[4-5]。根据GAN等[7]对试验区植被情况的调查，围封区的根系要多于放牧区，羊草区要高于大针茅区。因此可以解释在中等条件下LCWG的土壤剪切力要低于LCUG79，以及干旱条件下SGUG79的土壤剪切力要明显低于LCUG79。持续放牧对土壤的压实作用也比轮牧的LCWG要强，这个也可从表1密度数据得到。就湿润条件下大针茅区土壤剪切力而言，除了受到土壤含水量和根系的影响外，由于SGCG土壤被压实增强了土壤的抗剪切能力，最终导致在含水量相差不大的情况下其土壤剪切力要大于SGUG79。由此可以看出，土壤剪切力的大小除了与土壤含水量的大小有关以外，它还受到植被根系、放牧等外界条件干扰等因素的共同制约。

2.3土壤剪切力空间分布

利用地统计分析可形成土壤剪切力的空间分布图，现以LCUG79和SGCG的土壤剪切力空间分布图为例加以分析，如图2所示。在LCUG79区，湿润条件下，土壤剪切力的的高阈值分布在试验区的中心部位，从中心向四周逐渐降低。而在中等条件下，这种分布格局被改变，土壤剪切力的大小除了保持由中心向东西向递减外，还表现为从中心向南北方向的递增。当达到干旱条件时，土壤剪切力的空间分布格局被完全改变，其高阈值分布在图中的东北角，其它区域土壤剪切力的分布都较为一致。因此土壤剪切力的空间分布在围封区并不稳定。在围封区出现空间分布的这种变化主要是归咎于土壤水分与根系的分布情况。在围封区域，地表有机质等覆盖物的分布是不均匀的，因而有机质多的地方其保水能力也就较大，因此水分含量决定了部分土壤剪切力的空间分布，而随着水分的减少，含水量对剪切力的影响减小[2-3]，控制土壤剪切力的主要因素就是植被根系。这也就解释了在干旱条件下围封区土壤剪切力的空间分布变得较为均一。

图2　3种土壤水分条件下5个试验区的土壤剪切力空间分布

在SGCG区，湿润条件下，土壤剪切力的高阈值分布在试验区的中部两侧并向南北方向逐渐降低。而在中等条件下，这种分布格局被轻微破坏，但仍然保持湿润条件下的分布情况。当达到干旱条件时，土壤剪切力的空间分布格局也被完全改变，其高阈值分布在图中的四个边角和中心处，并由此向其它方向递减。与围封区域相比较，在放牧区其土壤剪切力的空间分布的递变性更为明显和稳定，这说明除了土壤含水量与植被作用外，放牧强度对土壤剪切力的空间分布也起到了一定作用。目前牧民的放牧形式由以往的游牧形式转变为定牧形式，羊群采食的区域也相对集中，这暗含着放牧对土壤结构，特别是土壤含水量的改变程度就存在一定的递变过程。这就解释了放牧条件下土壤剪切力空间分布明显的递变性。但随着土壤含水量的减少，其对土壤剪切力的影响减弱，进而降低了放牧强度对土壤剪切力空间递变的影响。

由此可以看出，土壤含水量是影响土壤剪切力的关键因素，而放牧强度可以改变土壤含水量的分布，进而改变土壤剪切力的空间分布。在一定含水量的条件下，不同植被对土壤剪切力的影响主要体现在根系情况。

3结语

本文通过研究不同放牧强度下内蒙古草原土壤剪切力的变化，证明了不同放牧强度形成的土壤剪切力的空间分布不同，并得出如下结论：过度放牧严重破坏了土壤结构，导致最小的土壤剪切力；放牧强度与植被对土壤剪切力大小及空间分布的改变受到土壤含水量制约；在含水量较大的条件下放牧强度对土壤剪切力大小和空间分布的改变有决定性，在含水量较小的情况下，土壤剪切力的大小及空间分布则主要受植被根系分布的影响；另外，适度的持续放牧可以增强土壤含水量。

参考文献

[1]孙一源, 高行方, 余登苑. 农业土壤力学[M]. 北京: 农业出版社,1985,54-97.

[2]陈红星,李法虎,郝仕玲,等.土壤含水率与土壤碱度对土壤抗剪强度的影响[J].农业工程学报,2007,23(2):21-25.[3]王为,李小昱,王转卫.农业土壤抗剪强度的试验研究[J].干旱地区农业研究,2002,20(1):125-127.

[4]侍倩,刘文娟,王敏强,等.植被对坡面防护作用的机理分析及定量估算[J].水土保持研究,2004,11(3):126-129.

[5]郝彤琦, 谢小妍, 洪添胜. 滩涂土壤与植物根系复合体抗剪强度的试验研究[J]. 广东农机,2002(1):12-14.

[6]RESZKOWSKA A,Krümmelbein J,GAN L,et al.Influence of grazing on soil water and gas fluxes of two Inner Mongolian steppe ecosystems[J].Soil & Tillage Research,2011,111:180-189.

[7]GAN L,PENG X,PETH S,et al.Modeling grazing effects on soil water budget underLeymuschinensisandStipagrandisvegetation in Inner Mongolia, China[J]. Soil Science,2013,178:256-266.

彭扬建，男，1990年生，湖北黄冈人，硕士，研究方向为农田土壤水热运动模拟。

Spatial Distribution of Soil Shear Strength under Different Grazing Intensities

GAN Lei1,2,3PENG Yangjian1XIE Yongxiong1MA Rui1PENG Xinhua3MO Chunmeng1

(1.GuangxiKeyLaboratoryofEnvironmentalPollutionControlTheoryand

Technology,GuilinUniversityofTechnologyGuilin,Guangxi541004)

AbstractTo understand the change of soil shear strength and its’ spatial distribution, un-grazed, winter grazing and heavy grazing under Leymus chinensis, and un-grazed and continuous grazing under Stipa grandis, were respectively investigated in each plot which covered an area of 105 m×135 m and positioned 100 points. The results showed that soil water content was the key factor to change the magnitude of soil shear strength. However grazing played an important role in the spatial variability and distribution of soil shear strength through the shift of soil structure, soil water content and vegetation coverage. Due to mero-effect of appropriate grazing intensities the spatial distribution of soil shear strength showed a hierarchy change but heavy grazing failed within the destructive soil structure caused by inappropriate heavy grazing. However such spatial distribution was not obvious in dry condition in these grazing plots. Un-grazed also did not shape such stable spatial distribution which was controlled by the combination effect of soil water content and vegetation coverage. In a conclusion, the appropriate grazing intensities could induce the relatively stable spatial distribution of soil shear strength.

Key Wordsgrazing intensitysoil shear strengthspatial distribution

(收稿日期：2015-09-16)

作者简介甘磊，男，1983年生，湖南岳阳人，博士，研究方向为草原土壤物理性质及土壤水热运动模拟。

*基金项目：德国科学基金会(Forschergruppe 536)，国家重点基础研究发展计划(2013CB429902)，桂林理工大学博士启动项目(2012027)，广西矿冶与环境科学实验中心和广西高等学校高水平创新团队及卓越学者计划项目资助。