唐科明,張光輝,孫珍玲

(1.四川農業(yè)大學水利水電學院,625014,四川雅安;2.北京師范大學地理學與遙感科學學院,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

(1.四川農業(yè)大學水利水電學院,625014,四川雅安;2.北京師范大學地理學與遙感科學學院,100875,北京)

土壤分離能力是土壤侵蝕機理模型的重要參數。受土壤性質、植被根系等因素影響,土壤分離能力呈現顯著的季節(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、黏結力和根系密度,并采集原狀土樣進行水槽實驗(τ=6.5-23.4 Pa),測量土壤分離能力,并運用相關分析、回歸分析等方法,研究土壤性質及植被根系對土壤分離能力季節(jié)變化的影響。結果顯示: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,其余時間較高。裸地土壤分離能力試驗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力的影響,隨著根系密度與土壤黏結力增大,土壤分離能力呈指數形式降低,而土壤密度對土壤分離能力季節(jié)變化的影響并不顯著。試驗區(qū)內草地土壤分離能力可用水流剪切力、根系密度、根徑和土壤黏結力等參數進行模擬(R2= 0.636)。研究結果可為土壤侵蝕機理模型的推廣應用,以及小流域水土保持措施配置等工作提供科學依據。

土壤分離能力;季節(jié)變化;根系密度;土壤黏結力

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

土壤分離能力是土壤侵蝕機理模型的重要參數,研究土壤分離能力影響因素及其機理,可準確模擬土壤分離能力,有效提高機理模型預報精度。有研究表明,土壤分離能力受水動力條件[12]、土壤性質[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。土壤性質也是影響土壤分離能力的重要因素,隨著土壤黏粒質量分數、有機質質量分數、土壤黏結力和水穩(wěn)性團粒質量分數的增大,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,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、黏結力等性質存在季節(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。在開展土壤侵蝕預報工作時,要考慮土壤性質及植被根系季節(jié)變化對土壤分離能力的影響,從而提高預報精度。當前,土壤分離能力季節(jié)變化研究在國際上已經展開,但大都以農地作為研究對象[6,1516],而對于與農地在土壤性質、植物根系類型等方面差異較大的草地,現有研究關注較少。在國家加強生態(tài)環(huán)境建設,實行退耕還林還草措施的背景下,應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)變化及其影響機制,從而為土壤侵蝕機理模型的推廣應用,以及小流域水土保持措施配置等工作提供科學依據。

1 研究區(qū)概況

試驗地點位于北京師范大學地表過程與資源生態(tài)國家重點實驗室房山實驗基地(E 115°25′,N 39° 35′)。該地地處溫帶季風氣候區(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、粉粒及砂粒質量分數分別為16.3%、47.0%和36.7%,有機質質量分數為1.07%,土壤密度為1.21 g/cm3。

試驗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)價值,既可作為再生能源的原料,同時還具有水土保持功能[17]。無芒雀麥適口性好,有較強的耐旱、抗旱性能,是優(yōu)良的防風固沙植物和優(yōu)質飼草[18]。草地播種時間為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,根據植物生長需要不定時澆水,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,在試驗地于每年4月中旬返青。柳枝稷至10月初結束生長,地上部分逐漸死亡,無芒雀麥可生長至10月底。草地播種時,預留裸地作為對照,之后根據需要施用除草劑,保證裸地無雜草生長。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

試驗時間為2011年4—10月。4月中旬,在草地還未返青前開始第1次試驗,此后以約20d為周期進行試驗,直至10月下旬,草地生長期結束時截止。試驗共進行10期,每次試驗時,分別在柳枝稷、無芒雀麥草地和裸地采集原狀土樣。采樣時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,在各個樣地里均勻布設10個測點,用微型黏結力儀測量土壤黏結力,用環(huán)刀法測量土壤密度,分別取均值作為本期各樣地實驗數據。每周期每個樣地采集30個原狀土樣。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。

2.2 水槽試驗

土壤分離能力測定在室內變坡水槽內進行[19]。土壤分離能力是指清水水流沖刷條件下,單位時間單位面積上流失的土壤干質量[1]。WEPP模型中,土壤分離能力被用來模擬土壤細溝剝蝕率[2]:

式中:Dr為細溝土壤剝蝕率,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個組合。調節(jié)坡度和流量至設計值,水流穩(wěn)定后,測量水槽出口上方2 m處的水深。測量時沿斷面均勻布設10個測點,用精度為0.01 mm的數顯測針,分別測定各點水深,取均值作為本水動力條件下的水深。利用坡度、水深,計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。

進行沖刷試驗,記錄沖刷時間用于計算土壤分離能力。沖刷完成后,挑出每個土樣中的根系,洗凈、烘干、稱重,計算每個土樣的根系密度。每一水動力條件下,試驗重復5次,取均值作為相應水動力條件下的土壤分離能力。土壤分離能力用下式計算:

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

2.3 數據處理

數據采用SPSS軟件分析處理。采用配對樣本T檢驗方法,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;采用相關分析、多元非線性回歸分析等方法,分析土壤密度、土壤黏結力、根系密度對土壤分離能力季節(jié)變化的影響。

3 結果與分析

3.1 土壤分離能力季節(jié)變化特征

每期試驗采用6個水流剪切力,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6個水流剪切力下所有試樣均值,作為該時段該樣地土壤分離能力。結果發(fā)現,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前期比較穩(wěn)定,在6月下旬有小幅上揚;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月上旬達全年最低值,試驗末期,土壤分離能力有小幅回升。試驗期內,其土壤分離能力最大值及最小值,分別出現在6月下旬及10月上旬,為0.088和0.015 kg/(s·m2),試驗期均值為0.047 kg/ (s·m2),變異系數為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Tab.1 Statistical properties of seasonal variations in soil detachment capacity

無芒雀麥草地試驗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月初直至試驗結束,各期土壤分離能力均值都較小,且在此時段,當水流剪切力較小時,土壤分離能力為0。試驗期內,其土壤分離能力最大值及最小值,分別出現在4月中旬及9月中旬,為0.063和0.006 kg/(s·m2),實驗期均值為0.023 kg/(s·m2),變異系數為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),其結果發(fā)現,恢復年限為28年的退耕地土壤分離能力最小,為0.035 kg/(s·m2),大于本研究相同實驗時間(8月)的草地土壤分離能力。在恢復年限足夠長,植被群落已經穩(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地土壤分離能力的季節(jié)變化特點,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地播種時的翻耕;而筆者研究中無耕作措施,相應時段不存在土壤分離能力激增的現象。其余時段,草地土壤分離能力季節(jié)變化趨勢與Yu Yaochuang等研究結果較為一致。試驗初期,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;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結束。試驗期內,裸地土壤分離能力最大值及最小值,分別出現在4月中旬及8月上旬,為0.887和0.183 kg/ (s·m2),實驗期均值為0.498 kg/(s·m2),變異系數為0.433(表1)。

各樣地土壤分離能力配對樣本t檢驗結果顯示(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檢驗顯著性分析結果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,重點關注土壤性質與根系密度受季節(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)與土壤黏結力(Sc)、土壤密度(Bd)、根系密度(Rd)的相關性統(tǒng)計結果。如表3所示,土壤分離能力與土壤黏結力、根系密度均呈極顯著負相關關系(P＜0.01),與土壤密度無顯著相關關系(P＞0.05)。土壤分離能力與土壤黏結力、根系密度相關性分析結果與很多研究一致[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相關關系;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關系,這與本研究結果一致。原因在于,A.Knapen等[6]研究對象為農地,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、土壤黏結力等因素小,從而出現土壤分離能力與密度無顯著相關性的結果。因此,農地土壤分離能力模擬時,應充分考慮土壤密度的影響,而在模擬草地土壤分離能力時,土壤密度可不作為必備參數。

表3 土壤分離能力與土壤性質的相關系數表Tab.3 Correlation coefficient between soil properties and soil detachment capacity

3.2.1 土壤黏結力對土壤分離能力季節(jié)變化的影響 土壤黏結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,該指標的大小直接影響土壤侵蝕強度[21]。土壤黏結力越大,水流越難分離土壤,分離能力就越小;反之,土壤黏結力越小,土壤分離能力越大。

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

受氣象、植被等因素影響,土壤黏結力具有明顯的季節(jié)變化(圖2)。4—6月,試驗區(qū)域有少量低強度降水,雨水浸潤地表后,在日照、風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、風等因素共同作用,土壤表面出現裂隙,土壤黏結力較低。7、8月份,試驗區(qū)域降雨次數多、強度大,由于雨滴的打擊,土壤變得密實,表土形成結皮層,土壤黏結力增大。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力。9、10月份降雨減少,裸地土壤表層變干后出現裂隙,土壤黏結力減小。9月底,柳枝稷進入成熟期,葉片黃化卷曲后覆蓋面積減小,地表透光性、透風性變好,土壤表層變干后產生裂隙,土壤黏結力減小;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,凋落葉片腐爛產生的分泌物又能引起土壤膠結,從而增大土壤黏結力,這也是無芒雀麥草地在實驗后期,其土壤黏結力持續(xù)增大的原因。

土壤黏結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,黏結力與土壤分離能力具有良好的對應關系。4月中旬—6月下旬,各樣地土壤黏結力較小,相應的土壤分離能力較大,各樣地試驗期間土樣分離能力最大值都處于本時段。6月下旬至試驗結束,草地土壤黏結力一直較大,土壤分離能力較低。由于土壤黏結力過大,9月中旬至試驗結束,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。裸地土壤黏結力7、8月份較大,相應地土壤分離能力較小,試驗期間土壤分離最小值出現于8月上旬。9月中旬至試驗結束,裸地土壤黏結力減小,土壤分離能力增大。土壤黏結力對土壤分離能力的影響還表現為,無芒雀麥草地土壤黏結力大于柳枝稷草地,也大于裸地,相應地各期土壤分離能力為無芒雀麥草地＜柳枝稷草地＜裸地。數據分析顯示,隨著土壤黏結力增大,土壤分離能力呈指數形式下降(圖3)。

圖3 土壤分離能力與土壤黏結力的關系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質、水穩(wěn)性團粒結構的數量,改善土壤物理性質,增加入滲,減小徑流,從而提高土壤抗蝕能力[22],并通過根系網絡串聯(lián)、根系黏結及根系生物化學等作用,能有效固結土壤[12],減小土壤分離能力。試驗初期,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。經過6—8月的大量積累,柳枝稷草地根系密度在9月份達到全年峰值,無芒雀麥草地在10月初達到峰值(圖4)。隨著根系密度增大,根系固結土壤的作用不斷增強,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,這種差異除因為無芒雀麥草地土壤黏結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弱。本研究中,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。相同的根系質量,無芒雀麥根系表面積更大,能更有效地發(fā)揮網絡串聯(lián)、根系黏結等作用;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。試驗區(qū)內草地土壤分離能力與水流剪切力、根系密度、根徑和土壤黏結力的關系如下:

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、根徑和土壤黏結力較好地進行模擬,決定系數達0.636,納什效率系數達0.614。

筆者研究的土壤分離能力預報模型與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。這是因為2項研究的土地利用類型不同,草地土壤黏結力、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 結論

1)3種土地利用類型下,土壤分離能力試驗期內均有明顯的季節(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)變化特點與草地差異明顯。

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

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。試驗期內,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,能夠長時間維持表土的陰濕環(huán)境,并導致土壤黏結力增大,且無芒雀麥根徑更小,與土壤接觸面積更大,網絡串聯(lián)、根系黏結等作用更強,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。

[1] 張光輝,劉寶元,張科利.坡面徑流分離土壤的水動力學實驗研究[J].土壤學報,2002,39(6):883. Zhang Guanghui,Liu Baoyuan,Zhang Keli.Experimental simulation of hydraulic mechanism of soil detachment by surface runoff on slopeland[J].Acta Pedologica Sinica, 2002,39(6):883.(in Chinese)

[2] 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 ASAE,1989, 32(5):1588.

[3] Line D E,Meyer L D.Evaluating interrill and rill erodibilities for soils of different textures[J].Transactions of the ASAE,1989,32(6):1998.

[4] 傅瓦利,張治偉,張洪,等.巖溶區(qū)坡面土壤侵蝕特征研究[J].水土保持學報,2007,21(5):41. Fu Wali,Zhang Zhiwei,Zhang Hong,et al.Study on characteristics of soil erosion on karst hillslope[J].Journal of Soil and Water Conservation,2007,21(5):41.(in Chinese)

[5] Zhang Guanghui,Tang Keming,Zhang Xunchang.Temporal variation in soil detachment under different land uses in the Loess Plateau of China[J].Earth Surface Processes and Landforms,2009,34(9):1307.

[6] 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 and Tillage Research,2007,94(2):433.

[7] Mamo M,Bubenzer G D.Detachment rate,soil erodibility, and soil strength as influenced by living plant roots,PartⅡ:field study[J].Transactions of the ASAE,2001,44 (5):1178.

[8] Ciampalini R,Torri D.Detachment of soil particles by shallow flow:Sampling methodology and observations[J]. Catena,1998,32(1):94.

[9] Wang Bin,Zhang Guanghui,Shi Yangyang,et al.Soil detachment by overland flow under different vegetation restoration models in the Loess Plateau of China[J].Catena, 2014,116(5):57.

[10]Zhang Guanghui,Liu Guobin,Tang Keming,et al.Flow detachment of soils under different land uses in the Loess Plateau of China[J].Transactions of the ASAE,2008,51 (3):889.

[11]Li Zhenwei,Zhang Guanghui,Geng Ren,et al.Land use impacts on soil detachment capacity by overland flow in the Loess Plateau,China[J].Catena,2015,124(1):14.

[12]劉國彬.黃土高原草地土壤抗沖性及其機理研究[J].土壤侵蝕與水土保持學報,1998,4(1):94. Liu Guobin.Study on soil anti-scourability and its mechanism of grassland on Loess Plateau[J].Journal of Soil E-rosion and Soil and Water Conservation,1998,4(1):94. (in Chinese)

[13]李陽芳,宋維峰,彭永剛,等.元陽梯田不同土地利用類型表層土壤的抗沖性[J].中國水土保持科學, 2012,10(5):34. Li Yangfang,Song Weifeng,Peng Yonggang,et al.Antiscourability of surface soil of different land use types in area of Yuanyang terrace[J].Science of Soil and WaterConservation,2012,10(5):34.(in Chinese)

[14]Baets S D,Poesen J,Knapen A,et al.Impact of root architecture on the erosion-reducing potential of roots during concentrated flow[J].Earth Surface Processes and Landforms,2007,32(9):1340.

[15]Yu Yaochuang,Zhang Guanghui,Geng Ren,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.

[16]Yu Yaochuang,Zhang Guanghui,Geng Ren,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.

[17]劉吉利,朱萬斌,謝光輝,等.能源作物柳枝稷研究進展[J].草業(yè)學報,2009,18(3):232. Liu Jili,Zhu Wanbin,Xie Guanghui,et al.The development of Panicum virgatum as an energy crop[J].Acta Prataculturae Sinica,2009,18(3):232.(in Chinese)

[18]田秀民,尹瑞平,張欣,等.無芒雀麥栽培技術研究[J].種子,2008,27(10):68. Tian Xiumin,Yin Ruiping,Zhang Xin,et al.Study on cultivation technique of Bromus inermis[J].Seed,2008,27 (10):68.(in Chinese)

[19]張光輝,劉寶元,何小武.黃土區(qū)原狀土壤分離過程的水動力學機理研究[J].水土保持學報,2005,19(4): 50. Zhang Guanghui,Liu Baoyuan,He Xiaowu.Study on hydro-dynamic mechanism of natural soil detachment in loess region[J].Journal of Soil and Water Conservation, 2005,19(4):50.(in Chinese)

[20]Wang Bin,Zhang Guanghui,Shi Yangyang,et al.Effect of natural restoration time of abandoned farmland on soil detachment by overland flow in the Loess Plateau of China [J].Earth Surface Processes and Landforms,2013,38 (14):1730.

[21]張光輝,劉國彬.黃土丘陵區(qū)小流域土壤表面特性變化規(guī)律研究[J].地理科學,2001,21(2):118. Zhang Guanghui,Liu Guobin.Spatial and temporal variability of soil surface properties in Danangou catchment in loess hill and hilly region[J].Scientia Geographica Sinica,2001,21(2):118.(in Chinese)

[22]沈晶玉,周心澄,張偉華,等.祁連山南麓植物根系改善土壤抗沖性研究[J].中國水土保持科學,2004,2 (4):90. Shen Jingyu,Zhou Xincheng,Zhang Weihua,et al.Effects of plant root system on the anti-scourability of soil in the South of Qilian Mountain[J].Science of Soil and Water Conservation,2004,2(4):90.(in Chinese)

[23]Baets S D,Poesen J.Empirical models for predicting the erosion-reducing effects of plant roots during concentrated flow erosion[J].Geomorphology,2010,118(3):428.

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

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