黄土丘陵区典型农耕地土壤临界剪切力季节变化

郁耀闯，王长燕



黄土丘陵区典型农耕地土壤临界剪切力季节变化

郁耀闯，王长燕

（宝鸡文理学院地理与环境学院/陕西省灾害监测与机理模拟重点实验室，陕西宝鸡721013）

【目的】研究黄土丘陵区典型农作物玉米和谷子生育期内土壤临界剪切力的季节变化特征及其影响因素，以期为该区的粮食安全生产和土壤侵蚀过程模型建立提供参考依据。【方法】以黄土丘陵区玉米地和谷子地为研究对象，在6组不同的水流剪切力条件下（= 5.71—17.18 Pa），借助坡面径流冲刷试验测定土壤的分离能力，结合土壤侵蚀过程WEPP模型，利用线性回归方法推求土壤临界剪切力（τ）,分析了玉米和谷子生育期内土壤临界剪切力的季节变化规律。【结果】黄土丘陵区玉米和谷子生育期内土壤临界剪切力具有明显的季节变化规律（＜0.05），整体呈上升趋势。玉米地τ表现为先降低后升高再降低又升高的季节变化模式，变化范围为1.51—4.89 Pa，平均值为3.0 Pa，最小值（1.51 Pa）出现在五叶期，最大值（4.89 Pa）出现在收获期；谷子地τ表现为先降低后升高的季节变化模式，变化范围为1.06—6.53 Pa，平均值为2.93 Pa，最小值（1.06 Pa）出现在幼苗期，最大值（6.53 Pa）出现在成熟期。玉米地和谷子地土壤临界剪切力的季节变化由土壤黏结力、初始含水量等土壤属性的季节变化和作物根系生长所致。两种作物地的土壤临界剪切力与土壤黏结力、初始含水量和作物根重密度间呈正相关关系。在玉米和谷子生育期内，利用土壤黏结力、初始含水量和作物根重密度可以较好地模拟两种作物地土壤临界剪切力的季节变化（2＞0.74，＞0.72）。【结论】作物根系、土壤黏结力和初始含水量等的季节变化是影响玉米地和谷子地土壤临界剪切力季节变化的主要因素。土壤临界剪切力与根重密度、土壤黏结力和初始含水量间呈正相关关系。用根重密度、土壤黏结力和初始含水量等参数能够较好地模拟玉米地和谷子地土壤临界剪切力的季节变化。

黄土丘陵区；土壤临界剪切力；季节变化；根系生长

0 引言

【研究意义】土壤侵蚀是指土壤在外营力作用下发生的土壤分离、泥沙输移和泥沙沉积过程，这是导致黄土高原地区大规模的土地退化和土地生产力下降的原因[1]，并潜在威胁着该区的粮食安全和人地系统的可持续发展[1-2]，也是黄土高原面临的主要环境问题之一。土质疏松，地形破碎，气候干旱，降水集中于6—9 月，土地利用强度大等因素是造成黄土高原土壤侵蚀严重的主要原因。该区土壤侵蚀较为严重，年土壤侵蚀模数约为5 000—10 000 t·km-2·a-1[3-4]。农耕地是黄土高原土壤侵蚀泥沙的主要来源[5-6]，该区现有农耕地1.46×105km2，分别为黄土高原总面积和水土流失面积的22.5%和30.9%[7-8]。土壤临界剪切力是土壤侵蚀过程模型中的重要参数[9-10]，它的时（空）间变化对于精确预测细沟或冲沟所导致的水土流失有重要作用。因此，研究黄土高原典型农耕地土壤临界剪切力的季节变化问题，对于控制该区土壤侵蚀的泥沙来源和保障粮食安全生产具有重要意义。【前人研究进展】土壤临界剪切力反映了土体抵抗细沟股流作用而发生剪切形变破坏的能力[11]，是定量分析细沟侵蚀发生的重要指标之一，通常由土壤自身性质决定，与土壤理化性状关系密切[12]。在著名的土壤侵蚀过程WEPP模型中，土壤临界剪切力（τ）是表征土壤侵蚀阻力的重要参数之一，它和土壤细沟可蚀性（K）共同反映了土壤抵抗细沟股流作用的能力，其值通常是通过经验关系获得的经验值或是源于参考表的参考值[10]。刘纪根等[13]研究认为，施加土壤改良剂可增加土壤临界剪切力。李云鹏等[14]研究了三峡库区土壤临界剪切力随土层深度的变化，发现土壤临界剪切力分别受土壤孔隙度、含水率和结构指标等因素影响。张乐涛等[15]研究表明，工程堆积体陡坡坡面发生细沟侵蚀时，土壤临界剪切力的值为12.8 Pa。Singh等[16]研究了美国威斯康星州西南部农耕地土壤初始含水量对土壤临界剪切力的影响，认为土壤中的初始含水量在达到临界值（31%）之前与土壤临界剪切力间呈指数正相关关系。目前的研究多集中于τ参数的确定方法及误差[17-18]、不同土壤类型τ值的确定[19-21]、土壤剥蚀率与τ的关系[22]、改良剂[23]及单一土壤属性[16, 24-25]对τ的影响等几个方面，对τ季节变化规律的研究较少。准确评估τ的季节变化规律是建立土壤侵蚀过程模型的基础。【本研究切入点】在黄土丘陵区玉米和谷子生育期内，受降水、农事活动、作物生长等因素的影响，地表土壤理化性状发生了明显变化，导致了土壤分离过程的变化[6, 26]，可能会影响土壤临界剪切力的季节变化，目前它们之间的定量关系尚不明确。【拟解决的关键问题】以黄土丘陵区玉米地和谷子地为研究对象，定量分析作物生育期内土壤临界剪切力季节变化与土壤属性季节变化的关系，揭示土壤临界剪切力的季节变化规律，为该区的粮食安全生产和土壤侵蚀过程模型建立提供理论依据和数据支撑。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于中国科学院安塞水土保持综合试验站墩山，地处北纬36°51′，东经109°19′，属于典型的黄土丘陵区，气候属于暖温带半湿润向半干旱气候过渡区，年平均气温为8.8℃，年平均降雨量为505.3 mm，全年70%以上降雨集中于6—9月。峁状、梁状丘陵是该区的主要地貌类型，结构松散和抗侵蚀能力较差的黄绵土和沙黄土是该区的主要土壤类型，该区土壤侵蚀以沟蚀和面蚀为主。玉米、谷子、大豆、土豆和荞麦等是该区典型的农作物。

表1 玉米和谷子生育期基本特征

1.2 试验样地

试验时间为2012年4月至2012年10月。选取黄土高原典型农耕地（玉米地和谷子地）为研究对象，玉米和谷子植株行距均为50 cm，株距分别为35 cm和8 cm。整个生育期内，每隔3 d 观测玉米和谷子的生长状况，详细记录两种作物生育期内7个关键生长阶段的生长过程（表1）。需要说明的是，本研究的季节指的是玉米和谷子的一个生长季。

1.3 土壤分离样品采集及测定

土壤分离样品利用内径9.8 cm、高5 cm环刀采集。采样时间为玉米和谷子生育期内的7个关键生长阶段。每次采样时，用环刀靠近玉米和谷子植株根部取原状土[6, 26]，每次取样设5个重复，每个生长阶段每个样地采集30个原状土样品，两种作物地每个生长阶段共采集60个原状土样品，7个生长阶段共采集420个原状土样品。

土壤分离能力指标采用长4 m、宽0.35 m、深0.6 m的变坡试验水槽系统测定（图1）。试验设计6组坡度（S=17.36%—42.26%）和流量（Q=1.0—2.5 L·s-1）组合[26-29]，他们所对应的水流剪切力分别为5.71、8.60、10.75、13.06、15.36和17.18 Pa。每次进行土壤分离能力试验时，原状土样放置在水槽下端距出水口0.5 m处，每组坡度和流量组合做5次重复，分别对应于每个采样点的5个重复样品。坡面流表面最大流速用染色法测定，乘以修正系数0.8得到坡面流平均流速，用流量、流速和水槽宽度计算坡面流水深[5-6, 30]，水流剪切力计算公式为[5-6]：

（1）

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

土壤分离能力计算公式[3-4]：