唐科明,張光輝,孫珍玲

(1.四川農(nóng)業(yè)大學(xué)水利水電學(xué)院,625014,四川雅安;2.北京師范大學(xué)地理學(xué)與遙感科學(xué)學(xué)院,100875,北京)

草地土壤分離能力季節(jié)變化特征及其影響因素

唐科明1,張光輝2?,孫珍玲2

(1.四川農(nóng)業(yè)大學(xué)水利水電學(xué)院,625014,四川雅安;2.北京師范大學(xué)地理學(xué)與遙感科學(xué)學(xué)院,100875,北京)

土壤分離能力是土壤侵蝕機(jī)理模型的重要參數(shù)。受土壤性質(zhì)、植被根系等因素影響,土壤分離能力呈現(xiàn)顯著的季節(jié)變化。為研究草地土壤分離能力季節(jié)變化特征及其影響機(jī)制,以建植一年的柳枝稷、無芒雀麥草地及對照裸地為研究對象,以20 d為周期,測定土壤密度、黏結(jié)力和根系密度,并采集原狀土樣進(jìn)行水槽實(shí)驗(yàn)(τ=6.5-23.4 Pa),測量土壤分離能力,并運(yùn)用相關(guān)分析、回歸分析等方法,研究土壤性質(zhì)及植被根系對土壤分離能力季節(jié)變化的影響。結(jié)果顯示:柳枝稷和無芒雀麥草地具有類似的季節(jié)變化特征,而裸地與二者差異明顯。4月中旬至6月下旬,草地土壤分離能力較大,此后土壤分離能力迅速下降;7月中旬直至10月上旬,草地土壤分離能力較低;10月下旬,土壤分離能力小幅回升;裸地土壤分離能力7、8月份較低,其余時(shí)間較高。裸地土壤分離能力試驗(yàn)期均值為柳枝稷草地的10.6倍,無芒雀麥草地的23.7倍。草地土壤分離能力的季節(jié)變化受根系密度和土壤黏結(jié)力的影響,隨著根系密度與土壤黏結(jié)力增大,土壤分離能力呈指數(shù)形式降低,而土壤密度對土壤分離能力季節(jié)變化的影響并不顯著。試驗(yàn)區(qū)內(nèi)草地土壤分離能力可用水流剪切力、根系密度、根徑和土壤黏結(jié)力等參數(shù)進(jìn)行模擬(R2= 0.636)。研究結(jié)果可為土壤侵蝕機(jī)理模型的推廣應(yīng)用,以及小流域水土保持措施配置等工作提供科學(xué)依據(jù)。

土壤分離能力;季節(jié)變化;根系密度;土壤黏結(jié)力

土壤侵蝕是危害巨大、分布廣泛的全球性環(huán)境問題,受到各界的廣泛關(guān)注。土壤侵蝕分為土壤分離、泥沙輸移和泥沙沉積3個(gè)過程。土壤分離是土壤侵蝕的起始階段,準(zhǔn)確預(yù)報(bào)土壤分離是建立土壤侵蝕機(jī)理模型首先要解決的問題。

土壤分離能力是土壤侵蝕機(jī)理模型的重要參數(shù),研究土壤分離能力影響因素及其機(jī)理,可準(zhǔn)確模擬土壤分離能力,有效提高機(jī)理模型預(yù)報(bào)精度。有研究表明,土壤分離能力受水動力條件[12]、土壤性質(zhì)[36]、植被根系[7]等因素影響。M.A.Nearing等[2]采用水流剪切力,模擬土壤分離能力,隨著水流剪切力增加,土壤分離能力線性增大。土壤性質(zhì)也是影響土壤分離能力的重要因素,隨著土壤黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)、有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)、土壤黏結(jié)力和水穩(wěn)性團(tuán)粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大,土壤分離能力逐漸降低[811]。土壤分離能力還會受到植被根系的顯著影響,植被根系通過纏繞、穿插、固結(jié)土體,阻止土粒分散,有效降低土壤分離能力[1213]。植被根系對土壤分離能力的影響,還與根系類型、根徑等因素密切相關(guān),相對于直根系,須根系減少土壤分離更為有效[14]。

上述因素中,土壤密度、黏結(jié)力等性質(zhì)存在季節(jié)波動[5,15],根系生長也存在明顯的季節(jié)變化,并受氣候、土壤和植物種類等因素的影響,具有地域性。由于土壤性質(zhì)和植被根系的綜合影響,土壤分離能力具有顯著的季節(jié)變化。在開展土壤侵蝕預(yù)報(bào)工作時(shí),要考慮土壤性質(zhì)及植被根系季節(jié)變化對土壤分離能力的影響,從而提高預(yù)報(bào)精度。當(dāng)前,土壤分離能力季節(jié)變化研究在國際上已經(jīng)展開,但大都以農(nóng)地作為研究對象[6,1516],而對于與農(nóng)地在土壤性質(zhì)、植物根系類型等方面差異較大的草地,現(xiàn)有研究關(guān)注較少。在國家加強(qiáng)生態(tài)環(huán)境建設(shè),實(shí)行退耕還林還草措施的背景下,應(yīng)加大草地土壤分離能力季節(jié)變化的研究力度;因此,筆者以柳枝稷(Panicum virgatum)、無芒雀麥(Bromus inermis Leyss)草地為對象,研究草地土壤分離能力的季節(jié)變化及其影響機(jī)制,從而為土壤侵蝕機(jī)理模型的推廣應(yīng)用,以及小流域水土保持措施配置等工作提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)地點(diǎn)位于北京師范大學(xué)地表過程與資源生態(tài)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室房山實(shí)驗(yàn)基地(E 115°25′,N 39° 35′)。該地地處溫帶季風(fēng)氣候區(qū),多年平均降水量為600 mm,集中于夏季。地帶性土壤為褐土,黏粒、粉粒及砂粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為16.3%、47.0%和36.7%,有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.07%,土壤密度為1.21 g/cm3。

試驗(yàn)地草種選擇柳枝稷和無芒雀麥。柳枝稷植株高大,根系深,具有良好的固土、固碳等生態(tài)價(jià)值,既可作為再生能源的原料,同時(shí)還具有水土保持功能[17]。無芒雀麥適口性好,有較強(qiáng)的耐旱、抗旱性能,是優(yōu)良的防風(fēng)固沙植物和優(yōu)質(zhì)飼草[18]。草地播種時(shí)間為2010年4月下旬。柳枝稷、無芒雀麥播種密度分別為200和300粒/m2。播種后,根據(jù)植物生長需要不定時(shí)澆水,以保證草地生長狀況良好。柳枝稷和無芒雀麥皆為多年生草本植物,在試驗(yàn)地于每年4月中旬返青。柳枝稷至10月初結(jié)束生長,地上部分逐漸死亡,無芒雀麥可生長至10月底。草地播種時(shí),預(yù)留裸地作為對照,之后根據(jù)需要施用除草劑,保證裸地?zé)o雜草生長。柳枝稷草地、無芒雀麥草地樣地面積分別為150 m2,裸地樣地面積為40 m2。

2 材料與方法

2.1 樣品采集與處理

試驗(yàn)時(shí)間為2011年4—10月。4月中旬,在草地還未返青前開始第1次試驗(yàn),此后以約20d為周期進(jìn)行試驗(yàn),直至10月下旬,草地生長期結(jié)束時(shí)截止。試驗(yàn)共進(jìn)行10期,每次試驗(yàn)時(shí),分別在柳枝稷、無芒雀麥草地和裸地采集原狀土樣。采樣時(shí)貼地表剪去植被地上部分,選擇平整地表,用直徑10.8 cm、高5 cm的鋼環(huán)垂直下壓采集土樣。每期采樣同時(shí),在各個(gè)樣地里均勻布設(shè)10個(gè)測點(diǎn),用微型黏結(jié)力儀測量土壤黏結(jié)力,用環(huán)刀法測量土壤密度,分別取均值作為本期各樣地實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。每周期每個(gè)樣地采集30個(gè)原狀土樣。土樣采集完成后,將所有土樣靜置于水中,維持水面在土壤表面以下1 cm處,8 h后取出土樣,于陰涼處放置12 h后用于沖刷試驗(yàn)。

2.2 水槽試驗(yàn)

土壤分離能力測定在室內(nèi)變坡水槽內(nèi)進(jìn)行[19]。土壤分離能力是指清水水流沖刷條件下,單位時(shí)間單位面積上流失的土壤干質(zhì)量[1]。WEPP模型中,土壤分離能力被用來模擬土壤細(xì)溝剝蝕率[2]:

式中:Dr為細(xì)溝土壤剝蝕率,kg/(m2·s);Dc為土壤分離能力,kg/(m2·s);G為水流輸沙量,kg/(m·s);Tc為水流輸沙能力,kg/(m·s)。

坡度和流量分別采用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個(gè)組合。調(diào)節(jié)坡度和流量至設(shè)計(jì)值,水流穩(wěn)定后,測量水槽出口上方2 m處的水深。測量時(shí)沿?cái)嗝婢鶆虿荚O(shè)10個(gè)測點(diǎn),用精度為0.01 mm的數(shù)顯測針,分別測定各點(diǎn)水深,取均值作為本水動力條件下的水深。利用坡度、水深,計(jì)算各水動力條件下的水流剪切力,公式如下:

式中:τ為水流剪切力,Pa;ρ為水密度,kg/m3;g為重力加速度,m/s2;H為水深,m;S為坡度正弦值。6個(gè)組合下水流剪切力分別為6.5、9.6、14.4、16.3、19.3和23.4 Pa。

進(jìn)行沖刷試驗(yàn),記錄沖刷時(shí)間用于計(jì)算土壤分離能力。沖刷完成后,挑出每個(gè)土樣中的根系,洗凈、烘干、稱重,計(jì)算每個(gè)土樣的根系密度。每一水動力條件下,試驗(yàn)重復(fù)5次,取均值作為相應(yīng)水動力條件下的土壤分離能力。土壤分離能力用下式計(jì)算:

式中:Dc為土壤分離能力,kg/(s·m2);Wa為沖刷前土壤干質(zhì)量,g;Wb為沖刷后土壤干質(zhì)量,g;t為沖刷時(shí)間,s;A為環(huán)刀截面積,m2。

2.3 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)采用SPSS軟件分析處理。采用配對樣本T檢驗(yàn)方法,分析柳枝稷、無芒雀麥草地及裸地土壤分離能力季節(jié)變化的差異性;采用相關(guān)分析、多元非線性回歸分析等方法,分析土壤密度、土壤黏結(jié)力、根系密度對土壤分離能力季節(jié)變化的影響。

3 結(jié)果與分析

3.1 土壤分離能力季節(jié)變化特征

每期試驗(yàn)采用6個(gè)水流剪切力,用于土壤分離能力的測定。由于不同水流剪切力下,土壤分離能力存在較大差異,取每期試驗(yàn)6個(gè)水流剪切力下所有試樣均值,作為該時(shí)段該樣地土壤分離能力。結(jié)果發(fā)現(xiàn),各樣地土壤分離能力具有明顯的季節(jié)變化(圖1)。

柳枝稷草地土壤分離能力試驗(yàn)前期比較穩(wěn)定,在6月下旬有小幅上揚(yáng);6月下旬—7月中旬,土壤分離速率急劇下降;此后一直呈緩慢的下降趨勢,直至10月上旬達(dá)全年最低值,試驗(yàn)?zāi)┢?土壤分離能力有小幅回升。試驗(yàn)期內(nèi),其土壤分離能力最大值及最小值,分別出現(xiàn)在6月下旬及10月上旬,為0.088和0.015 kg/(s·m2),試驗(yàn)期均值為0.047 kg/ (s·m2),變異系數(shù)為0.652(表1)。

圖1 土壤分離能力季節(jié)變化Fig.1 Seasonal variation in soil detachment capacity

表1 土壤分離能力季節(jié)變化統(tǒng)計(jì)Tab.1 Statistical properties of seasonal variations in soil detachment capacity

無芒雀麥草地試驗(yàn)初期土壤分離能力較大,此后逐漸降低;6月下旬土壤分離能力有一定幅度的回升,此后至7月中旬快速下降;8月初直至試驗(yàn)結(jié)束,各期土壤分離能力均值都較小,且在此時(shí)段,當(dāng)水流剪切力較小時(shí),土壤分離能力為0。試驗(yàn)期內(nèi),其土壤分離能力最大值及最小值,分別出現(xiàn)在4月中旬及9月中旬,為0.063和0.006 kg/(s·m2),實(shí)驗(yàn)期均值為0.023 kg/(s·m2),變異系數(shù)為0.909 (表1)。

Wang Bin等[20]采用與本研究接近的水動力條件(5.8～18 Pa),其結(jié)果發(fā)現(xiàn),恢復(fù)年限為28年的退耕地土壤分離能力最小,為0.035 kg/(s·m2),大于本研究相同實(shí)驗(yàn)時(shí)間(8月)的草地土壤分離能力。在恢復(fù)年限足夠長,植被群落已經(jīng)穩(wěn)定的情況下,退耕地的土壤分離能力還大于草地,這也充分說明草地減少土壤侵蝕的重要作用。Yu Yaochuang等[16]研究黃土高原典型農(nóng)地土壤分離能力的季節(jié)變化特點(diǎn),土壤分離能力在5月份增長極大,比前一期增大4倍左右,這種增長主要來自于農(nóng)地播種時(shí)的翻耕;而筆者研究中無耕作措施,相應(yīng)時(shí)段不存在土壤分離能力激增的現(xiàn)象。其余時(shí)段,草地土壤分離能力季節(jié)變化趨勢與Yu Yaochuang等研究結(jié)果較為一致。試驗(yàn)初期,裸地土壤分離能力較大,隨后逐漸下降;6月下旬有小幅上揚(yáng);7、8月份,土壤分離能力較低;此后土壤分離能力快速回升至試驗(yàn)結(jié)束。試驗(yàn)期內(nèi),裸地土壤分離能力最大值及最小值,分別出現(xiàn)在4月中旬及8月上旬,為0.887和0.183 kg/ (s·m2),實(shí)驗(yàn)期均值為0.498 kg/(s·m2),變異系數(shù)為0.433(表1)。

各樣地土壤分離能力配對樣本t檢驗(yàn)結(jié)果顯示(表2):裸地土壤分離能力顯著大于柳枝稷草地(P=0.000),柳枝稷草地也顯著大于無芒雀麥草地(P=0.001)。裸地土壤分離能力試驗(yàn)期均值為柳枝稷草地的10.6倍,而柳枝稷草地土壤分離能力試驗(yàn)期均值為無芒雀麥草地的2.24倍。柳枝稷草地與無芒雀麥草地土壤分離能力具有類似的季節(jié)變化特征,而裸地與2種草地存在較大差異(圖1)。

表2 土壤分離能力配對樣本T檢驗(yàn)顯著性分析結(jié)果Tab.2 Significance of the paired-sample t-tests of soil detachment capacity(n=10)

3.2 土壤分離能力季節(jié)變化影響因素

土壤分離受侵蝕動力、土壤性狀、植被根系等因素影響,各因素的季節(jié)波動,可能導(dǎo)致土壤分離能力的動態(tài)變化。本研究土壤分離能力用變坡水槽測定,不同試驗(yàn)期選用相同的水流剪切力;因此,不涉及侵蝕動力對土壤分離能力受季節(jié)變化的影響,重點(diǎn)關(guān)注土壤性質(zhì)與根系密度受季節(jié)變化而引起的土壤分離能力波動。

表3給出草地和裸地土壤分離能力(Dc)與土壤黏結(jié)力(Sc)、土壤密度(Bd)、根系密度(Rd)的相關(guān)性統(tǒng)計(jì)結(jié)果。如表3所示,土壤分離能力與土壤黏結(jié)力、根系密度均呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P＜0.01),與土壤密度無顯著相關(guān)關(guān)系(P＞0.05)。土壤分離能力與土壤黏結(jié)力、根系密度相關(guān)性分析結(jié)果與很多研究一致[6,9,11,16];而土壤密度對土壤分離能力的影響,目前的研究結(jié)論并不統(tǒng)一。A. Knapen等[6]研究指出,播種、除草等措施,使得土壤變得松散,密度減小,土壤分離能力增大,之后在雨滴打擊及重力作用的影響下,土壤固化,密度增大,土壤分離能力減小,土壤分離能力與土壤密度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系;而Wang Bin等[20]研究則顯示,土壤分離能力與土壤密度無顯著相關(guān)關(guān)系,這與本研究結(jié)果一致。原因在于,A.Knapen等[6]研究對象為農(nóng)地,土壤密度的變化幅度較大;而本研究對象為草地,土壤不會受到農(nóng)事活動的擾動,土壤密度波動幅度較小,其對土壤分離能力的影響比根系、土壤黏結(jié)力等因素小,從而出現(xiàn)土壤分離能力與密度無顯著相關(guān)性的結(jié)果。因此,農(nóng)地土壤分離能力模擬時(shí),應(yīng)充分考慮土壤密度的影響,而在模擬草地土壤分離能力時(shí),土壤密度可不作為必備參數(shù)。

表3 土壤分離能力與土壤性質(zhì)的相關(guān)系數(shù)表Tab.3 Correlation coefficient between soil properties and soil detachment capacity

3.2.1 土壤黏結(jié)力對土壤分離能力季節(jié)變化的影響 土壤黏結(jié)力是指土壤充分濕潤的條件下,單位體積土壤抵抗外力扭剪的能力,該指標(biāo)的大小直接影響土壤侵蝕強(qiáng)度[21]。土壤黏結(jié)力越大,水流越難分離土壤,分離能力就越小;反之,土壤黏結(jié)力越小,土壤分離能力越大。

圖2 土壤黏結(jié)力季節(jié)變化Fig.2 Seasonal variation in soil cohesion

受氣象、植被等因素影響,土壤黏結(jié)力具有明顯的季節(jié)變化(圖2)。4—6月,試驗(yàn)區(qū)域有少量低強(qiáng)度降水,雨水浸潤地表后,在日照、風(fēng)及不斷增高的氣溫影響下,土壤水分快速蒸發(fā)。表土層次的快速干濕交替及光照、風(fēng)等因素共同作用,土壤表面出現(xiàn)裂隙,土壤黏結(jié)力較低。7、8月份,試驗(yàn)區(qū)域降雨次數(shù)多、強(qiáng)度大,由于雨滴的打擊,土壤變得密實(shí),表土形成結(jié)皮層,土壤黏結(jié)力增大。此外,草地的莖稈、葉片、凋落物等部分共同作用,在地表營造了一個(gè)相對陰濕的地表環(huán)境,部分地面甚至滋生了苔蘚,也極大地增大了土壤黏結(jié)力。9、10月份降雨減少,裸地土壤表層變干后出現(xiàn)裂隙,土壤黏結(jié)力減小。9月底,柳枝稷進(jìn)入成熟期,葉片黃化卷曲后覆蓋面積減小,地表透光性、透風(fēng)性變好,土壤表層變干后產(chǎn)生裂隙,土壤黏結(jié)力減小;而無芒雀麥葉片密集,葉片生長及更新速度快,6月底至10月下旬,植株底部都觀察到葉片黃化凋落現(xiàn)象。這些凋落葉片能有效增加地表糙度,減小地表徑流流速,增加入滲,有助于維持表土的陰濕環(huán)境。陰濕環(huán)境中,凋落葉片腐爛產(chǎn)生的分泌物又能引起土壤膠結(jié),從而增大土壤黏結(jié)力,這也是無芒雀麥草地在實(shí)驗(yàn)后期,其土壤黏結(jié)力持續(xù)增大的原因。

土壤黏結(jié)力的這種變化將引起土壤分離能力的波動。對照圖1與圖2發(fā)現(xiàn),黏結(jié)力與土壤分離能力具有良好的對應(yīng)關(guān)系。4月中旬—6月下旬,各樣地土壤黏結(jié)力較小,相應(yīng)的土壤分離能力較大,各樣地試驗(yàn)期間土樣分離能力最大值都處于本時(shí)段。6月下旬至試驗(yàn)結(jié)束,草地土壤黏結(jié)力一直較大,土壤分離能力較低。由于土壤黏結(jié)力過大,9月中旬至試驗(yàn)結(jié)束,無芒雀麥草地在較小的水流剪切力下,甚至觀測不到土壤分離。裸地土壤黏結(jié)力7、8月份較大,相應(yīng)地土壤分離能力較小,試驗(yàn)期間土壤分離最小值出現(xiàn)于8月上旬。9月中旬至試驗(yàn)結(jié)束,裸地土壤黏結(jié)力減小,土壤分離能力增大。土壤黏結(jié)力對土壤分離能力的影響還表現(xiàn)為,無芒雀麥草地土壤黏結(jié)力大于柳枝稷草地,也大于裸地,相應(yīng)地各期土壤分離能力為無芒雀麥草地＜柳枝稷草地＜裸地。數(shù)據(jù)分析顯示,隨著土壤黏結(jié)力增大,土壤分離能力呈指數(shù)形式下降(圖3)。

圖3 土壤分離能力與土壤黏結(jié)力的關(guān)系Fig.3 Relationship between soil detachment capacity and soil cohesion

3.2.2 根系對土壤分離能力季節(jié)變化的影響 豐富的植被根系能增加土壤中有機(jī)質(zhì)、水穩(wěn)性團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的數(shù)量,改善土壤物理性質(zhì),增加入滲,減小徑流,從而提高土壤抗蝕能力[22],并通過根系網(wǎng)絡(luò)串聯(lián)、根系黏結(jié)及根系生物化學(xué)等作用,能有效固結(jié)土壤[12],減小土壤分離能力。試驗(yàn)初期,植被根系密度較小,主要來自上一年地下生物量積累。6月開始,氣溫升高,降雨量增大,植被快速生長,根系密度也迅速增大。經(jīng)過6—8月的大量積累,柳枝稷草地根系密度在9月份達(dá)到全年峰值,無芒雀麥草地在10月初達(dá)到峰值(圖4)。隨著根系密度增大,根系固結(jié)土壤的作用不斷增強(qiáng),土壤分離能力總體呈降低的趨勢(圖5)。

圖4 根系密度的季節(jié)變化Fig.4 Seasonal variation in root mass density

圖5 土壤分離能力與根系密度的關(guān)系Fig.5 Relationship between soil detachment capacity and root mass density

圖5顯示,相同的根系密度,無芒雀麥草地土壤分離能力小于柳枝稷草地,這種差異除因?yàn)闊o芒雀麥草地土壤黏結(jié)力顯著大于柳枝稷草地外,還由二者根徑差異引起。S.D.Baets等[23]研究表明:植被根徑尺寸會影響根系減少土壤侵蝕的效果,隨著根徑增加,根系減少土壤侵蝕的效果將變?nèi)?。本研究?柳枝稷平均根徑為0.482 mm,無芒雀麥根徑為0.103 mm,無芒雀麥根徑小于柳枝稷。相同的根系質(zhì)量,無芒雀麥根系表面積更大,能更有效地發(fā)揮網(wǎng)絡(luò)串聯(lián)、根系黏結(jié)等作用;因此,無芒雀麥草地土壤分離能力較柳枝稷小。

3.3 土壤分離能力季節(jié)變化模擬

土壤黏結(jié)力、根系密度的季節(jié)變化,將引起土壤分離能力的季節(jié)波動。試驗(yàn)區(qū)內(nèi)草地土壤分離能力與水流剪切力、根系密度、根徑和土壤黏結(jié)力的關(guān)系如下:

式中:Dc為土壤分離能力,kg/(s·m2);τ為水流剪切力,Pa;Rd為根系密度,kg/m3;D為根徑,mm;Sc為土壤黏結(jié)力,kPa。由式(4)看出,土壤分離能力可用水流剪切力、根系密度、根徑和土壤黏結(jié)力較好地進(jìn)行模擬,決定系數(shù)達(dá)0.636,納什效率系數(shù)達(dá)0.614。

筆者研究的土壤分離能力預(yù)報(bào)模型與Yu Yaochuang等[16]類似,二者主要差別在于:Yu Yaochuang等研究對象為農(nóng)地,引起土壤分離的臨界剪切力為4.88 Pa;而本研究對象為草地,臨界剪切力為6.13 Pa。這是因?yàn)?項(xiàng)研究的土地利用類型不同,草地土壤黏結(jié)力、根系密度都較大,且沒有耕作措施擾動,土壤分離較難;因此,臨界剪切力較大。

4 結(jié)論

1)3種土地利用類型下,土壤分離能力試驗(yàn)期內(nèi)均有明顯的季節(jié)變化。柳枝稷、無芒雀麥草地土壤分離能力具有相似的季節(jié)變化特征,裸地土壤分離能力季節(jié)變化特點(diǎn)與草地差異明顯。

2)試驗(yàn)區(qū)內(nèi),土壤分離能力的季節(jié)變化主要受土壤黏結(jié)力和根系密度的影響,與土壤密度相關(guān)性不顯著。隨著土壤黏結(jié)力和根系密度的增大,草地土壤分離能力呈指數(shù)形式下降。試驗(yàn)區(qū)內(nèi)草地土壤分離能力可用水流剪切力、土壤黏結(jié)力、根系密度和根徑等參數(shù)進(jìn)行模擬。

3)裸地土壤分離能力最大,柳枝稷草地次之,無芒雀麥地最小。試驗(yàn)期內(nèi),裸地土壤分離能力均值為柳枝稷草地的10.6倍,無芒雀麥草地的23.7倍。與柳枝稷相比,無芒雀麥由于自身的生物特性,能夠長時(shí)間維持表土的陰濕環(huán)境,并導(dǎo)致土壤黏結(jié)力增大,且無芒雀麥根徑更小,與土壤接觸面積更大,網(wǎng)絡(luò)串聯(lián)、根系黏結(jié)等作用更強(qiáng),這些因素的綜合作用使得無芒雀麥減少土壤分離效果比柳枝稷更好。

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Seasonal variation in soil detachment capacity of grasslands and its influencing factors

Tang Keming1,Zhang Guanghui2,Sun Zhenling2

(1.College of Water Conservancy and Hydropower Engineering,Sichuan Agricultural University,625014,Ya′an,Sichuang,China; 2.School of Geography,Beijing Normal University,100875,Beijing,China)

[Background]Soil detachment capacity by concentrated flow is an important parameter in many physically-based soil erosion models.The seasonal variations in soil detachment capacity and its influencing factors are crucial for accurate prediction of soil loss but not fully quantified in grasslands[Methods]This study was conducted to investigate the seasonal variation and quantify the potential factors causing changes in soil detachment capacity.The temporal variations in soil detachment capacity for two grasslands and one bare soil were monitored at 20-day intervals from April to October 2011. Undisturbed topsoil samples were taken and subjected to 6 different flow shear stresses(τ=6.5-23.4 Pa)in a laboratory flume with the fixed bed to measure soil detachment capacity by concentrated flow. Soil bulk density,soil cohesion,and root mass density were measured at the time of sampling to revealthe observed variations in soil detachment capacity.[Results]Distinctive seasonal variation patterns were found throughout the growing season.The seasonal variability in soil detachment capacity under grasslands differed significantly from that of bare soil.Soil detachment capacity in grasslands was relatively high from mid-April to last-June,then declined quickly with grass growth,and maintained at a very low level from mid-July to early-October.In the end of growing season,soil detachment capacity in grasslands increased slightly.For the bare soil,soil detachment capacity was relatively high in the mid-April and declined gradually in May,June,and July.It reached the minimum at early-August,then increased again and continued to the end of the measurement period.The mean soil detachment capacity of bare soil was 10.6 and 23.7 times greater than of switchgrass(Panicum virgatum)and smooth bromegrass(Bromus inermis Leyss)soils,implying that the bare soil was much more erodible than grasslands.Seasonal variation in soil detachment capacity of grasslands could be mainly explained by variations in soil cohesion and root mass density.Soil detachment capacity declined exponentially as root mass density and soil cohesion increased.No statistical significant relationship was found between soil detachment capacity and soil bulk density.[Conclusions]The experimental results showed that soil cohesion and root mass density affected largely on seasonal variation in grasslands,and the soil detachment capacity of grasslands could be well estimated using shear stress,root mass density,root diameter,and soil cohesion.The results of this study aid understanding of soil erosion mechanisms and development of process-based erosion models to simulate the seasonal variation in soil detachment,and provide scientific evidences for the configuration of soil and water conservation measures in small watershed.

soil detachment capacity;seasonal variation;root mass density;soil cohesion

S157.1

A

1672-3007(2016)06-0018-08

10.16843/j.sswc.2016.06.003

2016 01 03

2016 07 09

項(xiàng)目名稱:國家自然科學(xué)基金青年項(xiàng)目“長江上游地區(qū)坡耕地土壤理化性質(zhì)對土壤侵蝕阻力的影響機(jī)理”(41601288);國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目“退耕驅(qū)動近地表特性變化對侵蝕過程的影響及其動力機(jī)制”(41530858);四川省教育廳項(xiàng)目“農(nóng)、草地土壤侵蝕季節(jié)變化及其影響機(jī)制研究”(13ZA0254)

唐科明(1981—),男,博士,講師。主要研究方向:土壤侵蝕與水土保持。E-mail:tangkeming1981@126.com

?通信作者簡介:張光輝(1969—),男,博士,教授。主要研究方向:土壤侵蝕與水土保持。E-mail:ghzhang@bnu.edu.cn