黄土区大豆和马铃薯田土壤临界剪切力季节动态

郁耀闯，王长燕

(1.宝鸡文理学院地理与环境学院， 陕西 宝鸡 721013；2.陕西省灾害监测与机理模拟重点实验室， 陕西 宝鸡 721013)

黄土高原是我国土壤侵蚀最严重的地区之一，农耕地是该区土壤侵蚀泥沙的重要来源[1-2]。严重的水土流失导致了该区大规模的土地退化和土地生产力下降[3-5]，潜在地威胁着该区的粮食安全[4,6]。土壤临界剪切力(τc)是土壤侵蚀过程WEPP模型中表征土壤抵抗侵蚀阻力大小的重要参数[7-8]，它随时间的变化规律是建立土壤侵蚀过程模型的基础。因此，在黄土高原地区，探讨典型作物大豆和马铃薯生长季土壤临界剪切力的季节变化规律，对于该区土壤侵蚀过程模型的建立是很必要的。

土壤侵蚀是指土壤颗粒在坡面径流作用下发生的分离和输移过程[9-10]，它导致了细沟和冲沟的发育[9]。当坡面径流施加给坡面表层土壤的剪切应力超过土壤临界剪切力时，细沟和冲沟中的土壤开始发生分离，土壤侵蚀过程开始[11]。τc在该过程中反映了土壤抵抗细沟股流作用而发生剪切形变破坏的能力[12]，它通常受到土壤颗粒大小、有机质和土壤水分含量等[12-17]的影响。在不同林地类型条件下，土壤孔隙度和含水率等土壤属性能够较好地表征土壤临界剪切力的变化[16]。土壤初始含水量往往通过影响土壤切变强度的大小，进而导致土壤临界剪切力的变化[17]。在作物生长季内，根系生长[18-19]、土壤含水量干湿交替的变化、土壤物理结皮的发育、冻融作用[20]和作物残渣的分解[21-22]等是影响土壤临界剪切力季节变化的重要因素。以往的研究较多地关注了不同土壤类型τc值的确定[23-25]和单一土壤属性[17,26-27]对τc的影响等方面，对作物生长季内τc季节变化规律的认识还比较少，揭示τc的季节变化规律有助于土壤侵蚀过程模型的建立。

在黄土高原作物生长季，受降雨和作物根系生长等因素的影响，土壤容重和黏结力等属性发生了明显的季节变化[2,27]，这可能会导致土壤临界剪切力生长季的变化，目前这方面的研究还相对较少。以黄土区典型作物大豆和马铃薯为研究对象，开展土壤临界剪切力季节变化研究，揭示τc季节变化规律及其影响因素，建立τc季节变化模拟方程，以期为建立黄土高原土壤侵蚀过程模型提供数据支撑。

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(109°19′23″E，36°51′30″N)，属于典型的黄土丘陵区，该区气候属暖温带半湿润向半干旱气候过渡区，年均温8.8℃，年均降雨量505.3 mm，且集中在6—9月。该区地貌类型主要有峁状和梁状丘陵，土壤类型为结构松散的黄绵土和沙黄土，土壤侵蚀以沟蚀和面蚀为主。该区农作物主要有谷子、大豆、马铃薯和荞麦等。

1.2 土样采集

试验选取黄土区典型农耕地(大豆和马铃薯田)为采样对象，于2012年4—10月进行土样采集(表1)。土壤分离样品用环刀(内径9.8 cm、高5 cm)采集，每次取样时，选择同期长势大致相同的5株植株，用环刀靠近植株根部取原状土[1-2,27]，每次取样设5个重复，每个生长阶段每个样地采集30个原状土壤样品，两种作物田每个生长阶段共采集60个原状土壤样品，7个生长阶段共采集420个原状土壤分离样品。土壤初始含水量样品用轻型人力钻采集，取样深度为土壤表层5 cm，每次取样设5个重复；土壤容重用环刀(100 cm2)采集，取样深度为土壤表层5 cm，每次取样设3个重复；土壤水稳性团聚体样品用铝制盒采集，取样在土不沾铲，接触不变形时进行，每次取样设3个重复；作物根系样品用土壤分离样品采样器采集，采样方法与土壤分离样品采集方法相同。

表1 大豆和马铃薯生育期 Table 1 Growth period of soybean and potato

1.3 测定项目及方法

土壤分离样品用变坡试验水槽系统测定[1-2,27]；土壤初始含水量用烘干称重法测定[28]；土壤黏结力用微型黏结力仪测定[1-2,27]；土壤容重用环刀法测定[29]；土壤水稳性团聚体用干湿筛法测定[30]；根重密度用水洗、烘干称重法测定[31]。

1.4 土壤临界剪切力计算

土壤临界剪切力采用下列公式计算[8]：

Dc=Kr(τ-τc)

(1)

式中，Dc为土壤分离能力(kg·m-2·s-1)；Kr为土壤细沟可蚀性(s·m-1)；τ为水流剪切力(Pa)；τc为土壤临界剪切力(Pa)。

1.5 数据处理

数据分析采用SPSS18.0统计软件进行，季节动态显著性检验采用Kendall'sW法(P<0.05)，均值比较采用LSD法，作图采用Excel软件。

2 结果与分析

2.1 土壤黏结力和容重季节动态

大豆和马铃薯田土壤容重在整个生长季内分别呈现出先升高后降低又升高和先降低后升高又降低的明显的季节动态变化(P<0.05)(图1a)，变化范围分别介于1.02～1.16 g·cm-3和0.99～1.21 g·cm-3之间，平均值均为1.1 g·cm-3。大豆田土壤容重最大值出现在开花期，最小值出现在播种期；从播种期至开花期，大豆田土壤容重呈上升趋势，上升幅度为14%；从开花期至成熟期，呈下降趋势，下降幅度为7%；成熟期至收获期大豆田土壤容重又略有上升，上升幅度为5%。马铃薯田土壤容重最大值出现在成熟期，最小值出现在幼苗期；从播种期至幼苗期，呈下降趋势，下降幅度为4%；从幼苗期至成熟期，呈上升趋势，上升幅度为22%；从成熟期至收获期，呈下降趋势，下降幅度为14%。

大豆和马铃薯田土壤黏结力在整个生长季内分别呈现出先升高后降低再升高和先降低后升高又降低后趋于稳定的明显的季节动态变化(P<0.05)(图1b)，土壤黏结力的值分别在1.08～14.13 kPa和5.04～12.31 kPa之间变化，平均值分别为9.96 kPa和9.76 kPa，大豆和马铃薯田土壤黏结力的最大值分别出现在收获期和成熟期，最小值分别出现在播种期和幼苗期。大豆田土壤黏结力从播种期至鼓粒期，呈上升趋势，上升幅度为1138%；从鼓粒期至成熟期，呈下降趋势，下降幅度为10%；成熟期至收获期又呈上升趋势，上升幅度为17.7%。马铃薯田土壤黏结力从播种期至幼苗期，呈下降趋势，下降幅度为33%；从幼苗期至现蕾期，呈上升趋势，上升幅度为103%；从现蕾期至开花期，呈下降趋势，下降幅度为9%；从淀粉积累期至收获期，马铃薯田土壤黏结力基本趋于稳定。

2.2 水稳性团聚体季节动态

大豆和马铃薯田土壤水稳性团聚体在整个生长季内的变化总体呈上升趋势(图1c)，上升幅度分别为58%和9%(图1c)。统计分析表明，大豆和马铃薯田的土壤水稳性团聚体无明显的季节变化规律(P>0.05)。

图1 大豆和马铃薯田土壤属性季节动态

Fig.1 Seasonal dynamics of soil properties of soybean and potato croplands

2.3 根系密度季节动态

在大豆和马铃薯生长季，2种作物根系呈先增加后期略有降低的变化趋势(图1d)。从播种期至收获期，2种作物根系密度增幅分别为8.7%～108.8%和4.0%～182.1%，平均增加71.4%和98.5%。

2.4 土壤临界剪切力季节动态

大豆和马铃薯田土壤临界剪切力在整个生长季内均呈现出明显上升的季节动态变化(P<0.05)(图2)。大豆田土壤临界剪切力表现为先降低后升高再降低又升高再降低的季节动态，τc的变化范围为1.66～5.37 Pa，平均值为3.34 Pa。马铃薯田土壤临界剪切力表现为先升高后降低再升高又降低再升高又降低的季节动态(图2)，τc的变化范围为1.06～5.26 Pa，平均值为3.12 Pa。具体来讲，在播种期，受农事活动影响，大豆和马铃薯田土壤较为松散，抗分离能力较差，容易被径流冲刷，此时，两种作物田土壤临界剪切力值较小。大豆田τc从播种期至幼苗期，呈下降趋势，下降幅度为24%；从幼苗期至开花期，τc呈上升趋势，上升幅度为148%；从开花期至结荚期，大豆田τc呈下降趋势，下降幅度为22%。此后，大豆田τc又有所上升，在成熟期达到最大值5.37 Pa，在收获期又略有下降，下降幅度为40%。马铃薯田τc从播种期至幼苗期呈上升趋势，上升幅度为65%；从幼苗期至现蕾期，τc呈下降趋势，下降幅度为61%；从现蕾期至开花期，马铃薯田τc增加幅度较大，增幅为396%；τc在开花期达到最大值(5.26 Pa)，开花期过后，马铃薯田τc又有所下降，下降幅度为44%；马铃薯田τc在成熟期又有所上升，上升幅度为57%；从成熟期至收获期，τc呈下降趋势，下降幅度为25%。总体来看，大豆和马铃薯田τc的季节动态变化明显。

图2 大豆和马铃薯田土壤临界剪切力季节动态

Fig.2 Seasonal dynamics of soil critical shear stress in soybean and potato croplands

2.5 土壤临界剪切力季节动态影响因素

Pearson相关分析表明，土壤黏结力、容重、水稳性团聚体及作物根系是影响大豆和马铃薯田土壤临界剪切力季节动态变化的重要因子。由表2可以看出，大豆和马铃薯田土壤临界剪切力与土壤黏结力、容重、水稳性团聚体和根重密度间呈正相关关系。

表2 土壤临界剪切力与影响因子的相关系数 Table 2 Correlation coefficients between soil critical shear stress and impact factors

注：*表示相关显著(P<0.05)，**表示相关极显著(P<0.01)。

Note: * and ** indicate significant correlation at 0.05 and 0.01 levels, respectively.

2.6 土壤临界剪切力季节动态变化模拟

土壤临界剪切力(τc)是土壤侵蚀过程WEPP模型中的重要参数。在野外条件下，τc通常是难以直接获取的，但是，它随时间变化的规律对于建立土壤侵蚀过程模型是非常关键的。因此，在土壤侵蚀较为严重的黄土高原地区，利用土壤属性动态变化来模拟土壤临界剪切力的季节动态是非常需要的。

在大豆和马铃薯生长季内，受多种因素交互影响，τc季节动态变化较为复杂。基于对τc有重要影响的各相关因子，利用非线性回归方法，建立了黄土区大豆和马铃薯田τc季节动态模拟方程：

(2)

式中，τc为土壤临界剪切力(Pa)；BD为土壤容重(g·cm-3)；RD为根重密度(kg·m-3)；a、b和c为回归参数。

在模拟方程(2)中，土壤容重和根重密度能够解释自变量τc50%的变量(表3)，这说明土壤容重和根重密度是影响τc季节动态变化的重要因子。大豆和马铃薯田模拟方程的模型有效系数分别为 0.48和0.49。在大豆生长季幼苗期、结荚期、鼓粒期和收获期，模拟方程(2)分别高估了大豆田τc的45.6%、13.7%、18.6%和20%；在开花期和成熟期模拟方程(2)分别低估了大豆田τc的31.7%和22.3%。在马铃薯生长季播种期、现蕾期、淀粉沉积期和成熟期，模拟方程(2)分别高估了马铃薯田τc的33.5%、138.4%、25.8%和4.1%；在幼苗期、开花期和收获期，模拟方程(2)分别低估了马铃薯田τc的27.2%、29.2%和27.4%，两种作物田τc季节动态变化模拟具有一定偏差,这可能是由于作物生长季内土壤物理结皮发育和根系结构等不同所致。

表3 土壤临界剪切力模拟方程参数 Table 3 Parameter values of the simulated equation of soil critical shear stress

3 讨 论

在土壤侵蚀过程WEPP模型中，土壤临界剪切力(τc)是表征土壤侵蚀阻力大小的重要参数，探讨τc随时间变化的规律可为建立土壤侵蚀过程模型提供数据支撑。目前，τc随时间变化的少量研究仅集中在欧洲比利时的黄土地带。Knapen等[32]认为，在欧洲比利时黄土地带冬小麦作物生长季，τc受多种因素影响，季节变化过程较为复杂。在我国黄土高原典型农耕地大豆和马铃薯生长季，发现τc具有明显的季节动态(P<0.05)，这可能与土壤属性的季节变化和作物根系的生长有关。

Pearson相关分析表明，τc与土壤容重间呈正相关关系(表2)，这可能与土壤容重的季节变化改变了土壤的紧实程度有关。一般情况下，土壤容重较大时，土壤较为紧实，此时，近地表层土壤若受到径流冲刷，则需要经历较长时间的蓄能后，才能够被径流分离，土壤临界剪切力较大；反之，土壤临界剪切力较小。唐科明[33]研究认为土壤临界剪切力与土壤容重间没有明显函数关系，这可能是由于植被类型和土壤属性等不同所致。例如，本研究所使用的植被类型为直根系作物大豆和马铃薯，这与唐科明所使用的须根系植被无芒雀麦和柳枝稷是不同的。土壤黏结力对τc的影响与土壤容重对τc的影响类似，这里不再讨论。

本研究中，土壤临界剪切力与土壤初始含水量间没有明显函数关系(表2)，这一结果与Singh等[17]研究结果土壤中的初始含水量在达到临界值(31%)前与τc间呈正相关关系不同。以往的研究表明，土壤初始含水量是影响坡面水文过程的重要因素[34-35]，它对土壤侵蚀预报具有重要影响。目前研究认为，土壤初始含水量对土壤侵蚀影响的机制较为复杂[36]，存在着崩解和微观裂隙发育两种交互作用[37]。在作物生长季内，土壤初始含水量受降雨和作物生长等因素影响，出现了干湿交替的变化，这可能会影响近地表层土壤崩解和微裂隙的发育过程，从而导致土壤颗粒内部的破坏，进而影响土壤临界剪切力季节动态的变化，但本研究中二者没有明显函数关系，这说明土壤临界剪切力与土壤初始含水量间关系较为复杂，土壤初始含水量对τc的影响机制有待于进一步研究。

土壤临界剪切力与水稳性团聚体间呈显著正相关关系(表2)。水稳性团聚体作为土壤中具较强黏结作用的土壤颗粒，在土壤侵蚀过程中会通过崩解和分散等水土交互作用，使土壤表面结构发生变化，为土壤侵蚀提供物质来源。Amezketa[38]认为植被根系在生长过程中通过捆绑和粘结等作用，促进了大颗粒土壤水稳性团聚体的形成[39]，这有助于增加土壤的抗分离能力，从而导致土壤临界剪切力的增加，本研究结果也证明了这一观点。

土壤临界剪切力与根重密度间呈正相关关系(表2)，这可能与作物根系在生长过程中，通过物理、化学以及生物等作用改变了土壤的属性结构有关[40-41]。在植被生长季，根系生长导致了土壤中土、水运移机械屏障的形成，这有助于土壤机械加固作用[42-43]和土壤稳定性的增强，从而导致土壤临界剪切力增加。

4 结 论

1) 在黄土区大豆和马铃薯生长季，两种作物田的土壤临界剪切力均表现出明显上升的季节动态变化规律(P<0.05)。

2) 大豆和马铃薯田土壤临界剪切力与土壤黏结力、水稳性团聚体和根重密度间呈正相关关系，其中，土壤容重和根重密度是影响两种作物田土壤临界剪切力季节动态变化的重要因子。

3) 用土壤容重和根重密度能够较好地模拟大豆和马铃薯田土壤临界剪切力的季节动态。

[1] Zhang G H, Liu G B, Tang K M, et al. Flow detachment of soils under different land uses in the Loess Plateau of China[J]. Transactions of the American Society of Agricultural and Biological Engineers, 2008,51(3):883-890.

[2] Zhang G H, Tang M K, Zhang X C. Temporal variation in soil detachment under different land uses in the Loess Plateau of China[J]. Earth Surface Processes & Landforms, 2009,34(9):1302-1309.

[3] Zhang X, Quine T A, Walling D E. Soil erosion rates on sloping cultivated land on the Loess Plateau near Ansai, Shaanxi Province, China: An investigation using 137 Cs and rill measurements[J]. Hydrological Processes, 1998,12(1):171-189.

[4] Shi H, Shao M A. Soil and water loss from the Loess Plateau in China[J]. Journal of Arid Environments, 2000,45(1):9-20.

[5] Zheng F L. Effects of accelerated soil erosion on soil nutrient loss after deforestation on the Loess Plateau[J]. Pedosphere, 2005,15(6):707-715.

[6] Fu B J. Soil erosion and its control in the Loess Plateau of China[J]. Soil Use & Management, 1989,5(2):76-82.

[7] Hirschi M C, Barfield B J. KYERMO—A physically based research erosion model. Part I. Model development[J]. Transactions of the American Society of Agricultural Biological Engineers, 1988,31(3):804-813.

[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]. Transactions of the American Society of Agricultural Engineers, 1989,32(5):1587-1593.

[9] Govers G, Everaert W, Poesen J, et al. A long flume study of the dynamic factors affecting the resistance of loamy soil to concentrated flow erosion[J]. Earth Surface Processes & Landforms, 1990,15(4):313-328.

[10] Flanagan D. Erosion Encyclopedia of Soil Science[M]. New York: Marcel Dekker, 2002：395-398.

[11] Toy J T, Foster G R, Renard K G. Soil Erosion: Processes, Prediction, Measurement and Control[M]. New York: John Wiley & Sons, Inc., 2002.

[12] Gilley J E, Elliot W J, Laflen J M, et al. Critical shear stress and critical flow rates for initiation of rilling[J]. Journal of Hydrology, 1993,142(1-4):251-271.

[13] Smerdon E T, Beasley R P. Critical tractive forces in cohesive soils[J]. Agriculture Engineer, 1961,42(1):26-29.

[14] Neill C R. Guide to Bridge Hydraulics[M]. Toronto, Canada: University of Toronto Press, 1973.

[15] Elliott W, Liebenow A, Laflen J, et al. A compendium of soil erodibility data from WEPP cropland soil field erodibility experiments 1987 and 1988[R]. Lafayette, Indiana: Ohio State University and USDA Agricultural Research Service National Soil Erosion Research Laboratory Report, 1989.

[16] 李云鹏,王云琦,王玉杰,等.重庆缙云山不同林地土壤剪切破坏特性及影响因素研究[J].土壤通报,2013,44(5):1074-1080.

[17] Singh H V, Thompson A M. Effect of antecedent soil moisture content on soil critical shear stress in agricultural watersheds[J]. Geoderma, 2016,(262):165-173.

[18] Mamo M, Bubenzer G D. Detachment rate, soil erodibility and soil strength as influenced by living plant roots part Ⅰ: Laboratory study[J]. Transactions of the ASAE, 2001，44(5):1167-1174.

[19] Mamo M, Bubenzer G D. Detachment rate, soil erodibility and soil strength as influenced by living plant roots part Ⅱ: Field study[J]. Transactions of the ASAE, 2001，44(5):1175-1181.

[20] Van Klaveren R W, McCool D K. Erodibility and critical shear of a previously frozen soil[J]. Transactions of the ASABE, 1998,41(5):1315-1321.

[21] Brown L C, Foster G R, Beasley D B. Rill erosion as affected by incorporated crop residue and seasonal consolidation[J]. Transactions of the ASABE 1989，32(6):1967-1978.

[22] Brown L C, West L T, Beasley D B, et al. Rill erosion one year after incorporation of crop residue[J]. Transactions of the ASABE, 1990,33(5):1531-1540.

[23] 雷俊山,杨勤科,郑粉莉.黄土坡面细沟侵蚀试验研究及土壤抗冲性评价[J].水土保持通报,2004,24(2):1-4.

[24] 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.

[25] 丁文峰.紫色土和红壤坡面径流分离速度与水动力学参数关系研究[J].泥沙研究，2010,(6):16-22.

[26] Léonard J, Richard G. Estimation of runoff critical shear stress for soil erosion from soil shear strength[J]. Catena, 2004,57(3):233-249.

[27] Yu Y C, Zhang G H, Geng R, et al. Temporal variation in soil detachment capacity by overland flow under four typical crops in the Loess Plateau of China[J]. Biosystems Engineering, 2014,122(3):139-148.

[28] 杨文治,邵明安.黄土高原土壤水分研究[M].北京:科学出版社,2002.

[29] 鲁如坤.土壤农业化学分析方法[M].北京:中国农业科技出版社,2000.

[30] Otu Onofiok, Michael J. Singer. Scanning electron microscope studies of surface crusts formed by simulated rainfall[J]. Soil Science Society of America Journal, 1984,48(5):1137-1143.

[31] Zhou Z C, Shangguan Z P. The effects of ryegrass roots and shoots on loess erosion under simulated rainfall[J]. Catena, 2007,70(3):350-355.

[32] Knapen A, Poesen J, Baets S D. Seasonal variations in soil erosion resistance during concentrated flow for a loess-derived soil under two contrasting tillage practices[J]. Soil & Tillage Research, 2007,94(2):425-440.

[33] 唐科明.草地土壤侵蚀季节变化及其影响机制[D].北京：北京师范大学,2012.

[34] Norris J E. Root reinforcement by hawthorn and oak roots on a highway cut-slope in southern England[J]. Plant & Soil, 2005,278(1-2):43-53.

[35] Gyssels G, Poesen J, Liu G, et al. Effects of cereal roots on detachment rates of single-and double-drilled topsoils during concentrated flow[J]. European Journal of Soil Science, 2006,57(3):381-391.

[36] Wynn T, Mostaghimi S. The effects of vegetation and soil type on streambank erosion, southwestern Virginia, USA[J]. Journal of American Water Resources Association, 2006,42(1):69-82.

[37] Tengbeh G T. The effect of grass roots on shear strength variations with moisture content[J]. Soil Technology, 1993,6(3):287-295.

[38] Amezketa E. Soil aggregate stability: a review[J]. Journal of Sustainable Agriculture, 1999,14(2):83-151.

[39] Wang B, Zhang G H, Zhang X C, et al. Effects of near soil surface characteristics on soil detachment by overland flow in a natural succession grassland[J]. Soil Science Society of America Journal, 2014,78(59):589-597.

[40] Radatz T F, Thompson A M, Madison F W. Soil moisture and rainfall intensity thresholds for runoff generation in southwestern Wisconsin agricultural watersheds[J]. Hydrological Processes, 2013,27(27):3521-3534.

[41] Comino E, Druetta A. The effect of Poaceae, roots on the shear strength of soils in the Italian alpine environment[J]. Soil & Tillage Research, 2010,106(2):194-201.

[42] Greenway D R. Vegetation and slope stability[C]//Anderson M G, Richards K S. Slope Stability: Geotechnical Engineering and Geomorphology. Wiley: Chichester, 1987：187-230.

[43] Waldron L J, Dakessian S. Soil reinforcement by roots: calculation of increased soil shear resistance from root properties[J]. Soil Science, 1981,132(6):427-435.