草地土壤细沟可蚀性季节变化研究

唐科明

(四川农业大学水利水电学院，四川雅安 625014)

土壤侵蚀作为一个危害巨大、分布广泛的环境问题，受到全球范围的广泛关注。随着土壤侵蚀机理研究的不断深入，许多土壤侵蚀预报模型得以建立。细沟可蚀性作为衡量土壤抗侵蚀能力的关键指标，是土壤侵蚀预报机理模型的重要参数［1］。土壤细沟可蚀性与土壤性质密切相关［1－2］，而土壤容重、水分、黏结力等存在季节变化［3］。此外，植被根系通过网络串联、根土黏结及根系生物化学作用影响土壤侵蚀［4］，而根系生长存在季节波动，并受气候和土壤等因素的影响，具有地域性。在土壤性质和根系的共同作用下，土壤细沟可蚀性呈现显著的时空变化。当前，土壤可蚀性季节变化的研究在国际国内已经展开［3，5］，但往往针对特定地域和植被，所以应在国内开展不同地域、不同植被类型下土壤细沟可蚀性季节变化研究，为土壤侵蚀预报模型的校验及中国土壤侵蚀预报机理模型的开发等工作提供科学依据和数据支持。

1 材料与方法

1.1 试验区域概况 试验地点位于北京师范大学地表过程与资源生态国家重点实验室房山实验基地(115°25'E，39°35'N)，地处温带季风气候区，多年平均降水量为600 mm，集中于夏季。地带性土壤为褐土，黏粒、粉粒及砂粒含量分别为16.3%、47.0%、36.7%，有机质含量为 1%，土壤容重为1.21 g/cm3。

试验草种为柳枝稷(Panicum virgatum)。柳枝稷是一种多年生C4暖季型禾草植物，根系发达，对水分、养分及光照的利用效率高。植株高大，根系深，具有良好的固土、固碳的生态价值。因此，柳枝稷可作为再生能源的原料，还具有水土保持功能［6］。

1.2 样品采集与处理 试验时间为2011年4～10月。在4月中旬，以约20 d为周期，分别在柳枝稷草地和裸地采集原状土样，共进行10期试验，2011年10月底截止。采样时贴地表剪去柳枝稷地上部分，选择平整地表，用直径10.8 cm、高5.0 cm的钢环垂直下压采集土样。在采样的同时，用微型黏结力仪测定草地和裸地的土壤黏结力。在每个周期采集每个小区30个原状土样。在土样采集完成后，将所有土样静置于水中，维持水面在土壤表面1 cm以下，8 h后取出土样，于阴凉处放置12 h后用于冲刷试验。

1.3 水槽试验 土壤分离能力测定在室内变坡水槽内进行［7］。坡度、流量采用 17.4%、1.0 L/s，17.4%、2.0 L/s，25.9%、2.0 L/s，42.3%、1.0 L/s，42.3%、1.5 L/s，42.3%、2.5 L/s共6个组合。调节坡度和流量至预设值，水流稳定后用精度为0.01 mm的测针测定水深，测定区为水槽出口上方2 m处。6个组合下水流剪切力(τ=γHS)［8］的计算值分别为6.5、9.6、14.4、16.3、19.3、23.4 Pa。

随后，进行冲刷试验。冲刷时，记录冲刷时间用于计算土壤分离能力。土壤分离能力定义为单位时间、单位面积上流失的土壤干重。在冲刷完成后，挑出每个土样中的根系，洗净，烘干，测重。在每个水动力下，试验重复5次。

1.4 数据分析与处理 按WEPP模型，将每个周期测得的土壤分离能力(Dc)与相应水流剪切力(τ)拟合成下列形式，即得到各周期草地和裸地的土壤细沟可蚀性值。

式中，Kr为土壤细沟可蚀性值;τc为土壤分离所需的临界剪切力。

2 结果与分析

2.1 细沟可蚀性季节变化特征 由图1可知，草地Kr值在试验期内波动下降，春季＞夏季＞秋季。在4月中旬至5月上旬，Kr值波动较小，5月底、6月中旬有少许增大，6月中旬至7月上旬迅速下降，7月上旬至9月中旬Kr值下降趋势变缓，9月中旬至试验结束Kr值缓慢回升。在试验期内，Kr最大值与最小值分别出现在5月下旬、9月中旬，分别为0.012 0、0.001 4 s/m，最大值为最小值的 8.43 倍，试验期均值为0.005 s/m。裸地Kr值试验期间大致呈“V”型分布，春季和秋季较大，夏季较小。4月中旬Kr值较高，4月中旬至5月上旬下降。此后，直至5月下旬，Kr值变化较小，6月中旬有小幅上扬。在6月中旬至8月上旬，裸地Kr值快速下降。在8月下旬直至试验结束，Kr值持续回升。试验末期Kr值稍小于试验初期。裸地Kr值最大值与最小值分别出现在 4月中旬、8月上旬，分别为 0.117、0.016 s/m，最大值为最小值的7.51倍，试验期Kr均值为0.069 s/m。在试验期间，草地土壤细沟Kr值皆显著低于裸地，其均值仅为裸地的7.24%。

Knapen等［3］研究了比利时中部黄土区冬小麦地块细沟可蚀性的季节变化。在免耕措施下，冬小麦地块Kr值最大值约为0.028 s/m，最小值约为 0.001 s/m，试验期均值为0.006 s/m，而该研究中柳枝稷草地的 Kr相应值分别为0.012、0.001、0.005 s/m。在这两项研究中，细沟可蚀性最小值与试验期均值较接近，而最大值差别较大。这是由于Knapen等研究中细沟可蚀性最大值于播种后测得。由于播种机对表土的破坏，土壤细沟可蚀性急剧增大。

草地、裸地土壤细沟可蚀性季节波动显著，且具有不同的变化趋势。因此，在土壤侵蚀预报时，不能简单采用均值，而应考虑各因素对土壤细沟可蚀性的影响，准确模拟Kr值的动态变化。

2.2 细沟可蚀性季节变化影响因素

2.2.1 土壤黏结力对细沟可蚀性季节变化的影响。土壤黏结力是指在土壤充分湿润的情况下，单位体积土壤抵抗外力扭剪的能力。该指标直接关系到径流冲刷，进一步影响侵蚀强度［9］。土壤黏结力越大，水流越难克服黏结力的影响，细沟可蚀性就越小;反之，土壤黏结力越小，水流带走土粒越容易，细沟可蚀性越大。

受诸多因素的影响，土壤黏结力具有明显的季节变化。在4～6月，试验区域有少量低强度降水，在日照、风及不断增高的气温影响下雨水浸润地表后土壤水分快速蒸发。在表土层次的快速干湿交替及光照、风等因素的共同作用，土壤表面出现裂隙，土壤黏结力较低。在7、8月份，试验区域降雨次数多，强度大，由于受雨滴的打击，土壤变得密实，表土形成结皮层，土壤黏结力增大。9、10月份降雨减少，土壤表层变干后出现裂隙，土壤黏结力减小。土壤黏结力的这种变化将引起细沟可蚀性的波动。由图1与表1可知，黏结力与细沟可蚀性具有良好的对应关系。在4月中旬至6月上旬，草地土壤黏结力较小，此时段均值为0.826 kg/cm2，相应地细沟可蚀性较大，时段均值为0.009 s/m;在6月下旬至9月中旬，土壤黏结力增大，细沟可蚀性呈降低的趋势，此时段土壤黏结力均值为0.977 kg/cm2，细沟可蚀性均值为0.002 s/m;在10月上旬至试验结束，土壤黏结力下降，细沟可蚀性小幅回升至0.002 5 s/m。由图2可知，随着土壤黏结力的增大，细沟可蚀性呈指数形式下降。

表1 根系密度与土壤黏结力季节变化

2.2.2 根系对细沟可蚀性季节变化的影响。植被根系通过根系网络串联、根系黏结及根系生物化学等作用，有效地固结土壤，减少土壤侵蚀，使得细沟可蚀性降低。在试验初期，植被根系密度较小，主要来自上一年地下生物量积累。从6月开始，气温升高，降雨量增大，植被快速生长，根系密度也迅速增大。经过6～8月的大量积累，根系密度在9月份达到全年峰值。由图3可知，随着根系密度的增大，根系固结土壤的作用不断增强，土壤细沟可蚀性总体呈降低的趋势。

由于地域、土壤类型等条件不同，不同研究计算的细沟可蚀性往往具有地域性。为去除由于地域因素导致的不同研究结果可比性较差的问题，可将草地土壤细沟可蚀性用对应时段裸地细沟可蚀性进行标准化，即用前者除以后者，得到细沟可蚀性修正值(CK)。

图4呈现了该研究柳枝稷草地CK值与根系密度的关系。随着根系密度增大，CK值呈降低趋势。CK值与根系密度的关系如下:

式中，CK为细沟可蚀性修正值，0～1;RD为根系密度，kg/m3。

图4还给出Knapen等［3］研究中CK值随根系密度的变化趋势。在相同的根系密度下，Knapen等［3］研究中的CK值要小于该研究。在Knapen等［3］的研究中，以农地刚翻耕后测算的细沟可蚀性值作为区域背景值，并用其标准化其余时段的细沟可蚀性;而该研究中以每个周期裸地细沟可蚀性作为背景值去标准化同时段的草地小区细沟可蚀性。按照Knapen等［3］的研究中CK值的计算方法，随着时间的延续，土壤由于表土固化等因素导致的细沟可蚀性降低，在CK值计算中当成根系的影响，因而CK计算结果较该研究偏小。

2.3 细沟可蚀性季节变化模拟 土壤黏结力、根系密度的季节变化将引起细沟可蚀性的季节波动。在试验区内土壤细沟可蚀性与土壤黏结力、根系密度的关系如下:

式中，Kr为土壤可蚀性，s/m;RD为根系密度，kg/m3;CH为土壤黏结力，kg/cm2。

细沟可蚀性是土壤侵蚀预报中的重要参数。土壤侵蚀预报模型中也给出其计算公式。在WEPP模型中，草地细沟可蚀性计算公式［1］如下:

式中，clay为土壤黏粒含量，0～1;OM为土壤有机质含量，0～1;BD为土壤容重，kg/m3;root为表土10 cm内根系量，kg/m2。

将该研究各时段的土壤性质指标与根系指标换算成为WEPP公式所要求的形式，并且计算得出对应条件下WEPP模型的细沟可蚀性模拟值。结果表明，该研究各试验时段的土壤细沟可蚀性模拟值均大于WEPP模型模拟值。原因如下，与典型牧草相比，柳枝稷根径较大，研究中柳枝稷根径均值达0.48 mm，而 Baets等［10］研究指出，随着根径的增加，根系减缓土壤侵蚀的效果变弱，使得该研究细沟可蚀性模拟值大于WEPP模型。该研究考虑了土壤黏结力季节变化对细沟可蚀性的影响，4～6月土壤黏结力较小，模拟值约为WEPP模型模拟值的10.7倍，而在7～10月，土壤黏结力较大，该研究模拟值约为WEPP模型模拟值的3.2倍。

3 结论

(1)试验期内，草地土壤细沟可蚀性具有明显的季节变化。在4月中旬至6月中旬，细沟可蚀性较大;在6月中旬至7月上旬，细沟可蚀性迅速下降，之后至9月中旬一直维持在较低的水平;在9月中旬至10月上旬，细沟可蚀性值缓慢回升。试验期内细沟可蚀性最大值与最小值分别出现在5月下旬、9 月中旬，分别为0.012、0.001 4 s/m。

(2)试验区内土壤细沟可蚀性的季节变化受土壤黏结力和根系密度的影响。土壤黏结力在4～6月较低，在7、8月份较高，在9、10月小幅回落。根系密度在试验期间大致呈增长趋势。随着土壤黏结力和根系密度的增大，细沟可蚀性呈指数形式下降。试验区内草地土壤细沟可蚀性可用土壤黏结力和根系密度模拟。

［1］FLANAGAN D C，NEARING M A.USDA-Water Erosion Prediction Project(WEPP)，hillslope profile and watershed model documentation［M］.West Lafayette，IN:US Department of Agriculture-Agricultural Research Service，National Soil Erosion Research Laboratory Report 10，1995.

［2］KNAPEN A，POESEN J，GYSSELS G，et al.Resistance of soils to concentrated flow erosion:a review［J］.Earth Sci Rev，2007，80(1):75 －109.

［3］KNAPEN A，POESEN J，BAETS S D.Seasonal variations in soil erosion resistance during concentrated flow for a loess-derived soil under two contraxting tillage practices［J］.Soil and tillage research，2007，94:424 －440.

［4］刘国彬.黄土高原草地土壤抗冲性及其机理研究［J］.土壤侵蚀与水土保持学报，1998，4(1):93 －96.

［5］YU Y C，ZHANG G H，GENG R，et al.Temporal variation in soil rill erodibility to concentrated flow detachment under four typical croplands in the Loess Plateau of China［J］.Journal of soil and water conservation，2014，69(4):352 －363.

［6］刘吉利，朱万斌，谢光辉，等.能源作物柳枝稷研究进展［J］.草业学报，2009，18(3):232 －240.

［7］张光辉，刘宝元，何小武.黄土区原状土壤分离过程的水动力学机理研究［J］.水土保持学报，2005，19(4):48 －52.

［8］NEARING M A，FOSTER G R，LANE L J，et al.A process-based soil erosion model for USDA-water erosion Prediction project technology［J］.Transaction of the ASAE，1989，32:1587 －1593.

［9］张光辉，刘国彬.黄土丘陵区小流域土壤表面特性变化规律研究［J］.地理科学，2001，21(2):118 －122.

［10］BAETS S D，POESEN J.Empirical models for predicting the erosion-reducing effects of plant roots during concentrated flow erosion［J］.Geomorphology，2010，118:425 －432.