黃土丘陵區典型農耕地土壤臨界剪切力季節變化

郁耀闖，王長燕

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黃土丘陵區典型農耕地土壤臨界剪切力季節變化

郁耀闖，王長燕

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

【目的】研究黃土丘陵區典型農作物玉米和谷子生育期內土壤臨界剪切力的季節變化特征及其影響因素，以期為該區的糧食安全生產和土壤侵蝕過程模型建立提供參考依據?！痉椒ā恳渣S土丘陵區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土壤臨界剪切力的季節變化規律?！窘Y果】黃土丘陵區玉米和谷子生育期內土壤臨界剪切力具有明顯的季節變化規律（＜0.05），整體呈上升趨勢。玉米地τ表現為先降低后升高再降低又升高的季節變化模式，變化范圍為1.51—4.89 Pa，平均值為3.0 Pa，最小值（1.51 Pa）出現在五葉期，最大值（4.89 Pa）出現在收獲期；谷子地τ表現為先降低后升高的季節變化模式，變化范圍為1.06—6.53 Pa，平均值為2.93 Pa，最小值（1.06 Pa）出現在幼苗期，最大值（6.53 Pa）出現在成熟期。玉米地和谷子地土壤臨界剪切力的季節變化由土壤黏結力、初始含水量等土壤屬性的季節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力、初始含水量和作物根重密度間呈正相關關系。在玉米和谷子生育期內，利用土壤黏結力、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變化（2＞0.74，＞0.72）?！窘Y論】作物根系、土壤黏結力和初始含水量等的季節變化是影響玉米地和谷子地土壤臨界剪切力季節變化的主要因素。土壤臨界剪切力與根重密度、土壤黏結力和初始含水量間呈正相關關系。用根重密度、土壤黏結力和初始含水量等參數能夠較好地模擬玉米地和谷子地土壤臨界剪切力的季節變化。

黃土丘陵區；土壤臨界剪切力；季節變化；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生的土壤分離、泥沙輸移和泥沙沉積過程，這是導致黃土高原地區大規模的土地退化和土地生產力下降的原因[1]，并潛在威脅著該區的糧食安全和人地系統的可持續發展[1-2]，也是黃土高原面臨的主要環境問題之一。土質疏松，地形破碎，氣候干旱，降水集中于6—9 月，土地利用強度大等因素是造成黃土高原土壤侵蝕嚴重的主要原因。該區土壤侵蝕較為嚴重，年土壤侵蝕模數約為5 000—10 000 t·km-2·a-1[3-4]。農耕地是黃土高原土壤侵蝕泥沙的主要來源[5-6]，該區現有農耕地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[9-10]，它的時（空）間變化對于精確預測細溝或沖溝所導致的水土流失有重要作用。因此，研究黃土高原典型農耕地土壤臨界剪切力的季節變化問題，對于控制該區土壤侵蝕的泥沙來源和保障糧食安全生產具有重要意義?！厩叭搜芯窟M展】土壤臨界剪切力反映了土體抵抗細溝股流作用而發生剪切形變破壞的能力[11]，是定量分析細溝侵蝕發生的重要指標之一，通常由土壤自身性質決定，與土壤理化性狀關系密切[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之一，它和土壤細溝可蝕性（K）共同反映了土壤抵抗細溝股流作用的能力，其值通常是通過經驗關系獲得的經驗值或是源于參考表的參考值[10]。劉紀根等[13]研究認為，施加土壤改良劑可增加土壤臨界剪切力。李云鵬等[14]研究了三峽庫區土壤臨界剪切力隨土層深度的變化，發現土壤臨界剪切力分別受土壤孔隙度、含水率和結構指標等因素影響。張樂濤等[15]研究表明，工程堆積體陡坡坡面發生細溝侵蝕時，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耕地土壤初始含水量對土壤臨界剪切力的影響，認為土壤中的初始含水量在達到臨界值（31%）之前與土壤臨界剪切力間呈指數正相關關系。目前的研究多集中于τ參數的確定方法及誤差[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季節變化規律的研究較少。準確評估τ的季節變化規律是建立土壤侵蝕過程模型的基礎。【本研究切入點】在黃土丘陵區玉米和谷子生育期內，受降水、農事活動、作物生長等因素的影響，地表土壤理化性狀發生了明顯變化，導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變化，目前它們之間的定量關系尚不明確?！緮M解決的關鍵問題】以黃土丘陵區玉米地和谷子地為研究對象，定量分析作物生育期內土壤臨界剪切力季節變化與土壤屬性季節變化的關系，揭示土壤臨界剪切力的季節變化規律，為該區的糧食安全生產和土壤侵蝕過程模型建立提供理論依據和數據支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于中國科學院安塞水土保持綜合試驗站墩山，地處北緯36°51′，東經109°19′，屬于典型的黃土丘陵區，氣候屬于暖溫帶半濕潤向半干旱氣候過渡區，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。峁狀、梁狀丘陵是該區的主要地貌類型，結構松散和抗侵蝕能力較差的黃綿土和沙黃土是該區的主要土壤類型，該區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典型的農作物。

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，每隔3 d 觀測玉米和谷子的生長狀況，詳細記錄兩種作物生育期內7個關鍵生長階段的生長過程（表1）。需要說明的是，本研究的季節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徑9.8 cm、高5 cm環刀采集。采樣時間為玉米和谷子生育期內的7個關鍵生長階段。每次采樣時，用環刀靠近玉米和谷子植株根部取原狀土[6, 26]，每次取樣設5個重復，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。

土壤分離能力指標采用長4 m、寬0.35 m、深0.6 m的變坡試驗水槽系統測定（圖1）。試驗設計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，分別對應于每個采樣點的5個重復樣品。坡面流表面最大流速用染色法測定，乘以修正系數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]：