陜北典型農地表層土壤物理性質季節(jié)變化

耿 韌，張光輝，，郁耀闖，王 浩

（1.北京師范大學 地理學與遙感科學學院，北京100875；2.中國科學院 水利部水土保持研究所，陜西 楊凌712100）

土壤侵蝕是黃土高原面臨的主要環(huán)境問題之一，它包括土壤分離、泥沙輸移和泥沙沉積三大過程［1］。在降雨擊濺和徑流沖刷作用下土壤顆粒脫離母質的過程為土壤分離過程［2］，它為泥沙輸移和泥沙沉積提供了物質準備，是土壤侵蝕過程的起始階段。土壤分離過程是降雨特性、地形條件、坡面流水動力條件、土壤性質、植被覆蓋的函數［3］。土壤分離速率隨著坡面流流量、水深、流速的增大而增大，在特定降雨和下墊面條件下，坡面流流量、水深、流速等水動力學特征又與坡面水文過程密切相關，無論是結皮的發(fā)育、地表積水、產流歷時、入滲及產流過程均受控于土壤物理性質（土壤含水量、容重、粘結力、水穩(wěn)團聚體）及其時空變化特征［4－6］。

土地利用方式顯著影響土壤分離過程。黃土高原5種典型土地利用方式對土壤分離速率的影響，發(fā)現農地最容易分離，其分離速率分別是草地、灌木、荒地和林地分離速率的2.05，2.76，3.23，13.31倍，土壤細溝可蝕性和臨界剪切力均受到土地利用方式的顯著影響［7］。黃土高原典型土地利用條件下土壤分離速率的季節(jié)變化特征，結果發(fā)現無論是農地還是非農地，土壤分離速率均呈現顯著的季節(jié)波動，主要驅動力為農事活動、土壤硬化和植被根系生長［8］。耕作、播種、鋤草、收獲等農事活動，擾動地表從而增大土壤分離速率，影響的大小取決于農事活動對地表的擾動程度；在降雨打擊及重力的作用下，耕作后疏松的土壤逐漸沉降，土壤容重和粘結力逐漸增大，導致土壤分離速率逐漸減??；植被根系具有很強的抗蝕能力，隨著根系密度的增大，土壤分離速率呈指數函數下降［9］。但目前關于土壤物理性質季節(jié)變化的定量化研究較少，特別是對于土壤物理性質變化顯著的農地更是如此［10］，尚無法從機理上理解、模擬、預測土壤分離過程的季節(jié)變化，因此亟待展開不同氣候、作物、田間管理條件下土壤物理性質的季節(jié)變化特征的研究，為解釋、分析土壤分離過程的動態(tài)變化，檢驗或建立土壤分離季節(jié)變化預報方程或算法提供數據或理論支持。

1 試驗區(qū)概況

試驗在中國科學院水利部水土保持研究所安塞水土保持綜合試驗站進行。該站位于黃土高原丘陵溝壑區(qū)第二副區(qū)（109°19′24.4″E，36°51′29.9″N），海拔1 068～1 309m。屬暖溫帶半干旱氣候，年均氣溫8.8℃，年均降雨量500mm，60%的降水集中于6—9月，年際變化幅度較大。研究區(qū)土壤類型為黃綿土，黏粒含量為5.5%，粉粒含量為67.0%，沙粒含量為26.3%，有機質含量為0.9% 。受強烈的水土流失影響，地形千溝萬壑，支離破碎。研究區(qū)主要農作物為玉米、谷子、大豆和土豆。

2 研究方法

在安塞水土保持綜合試驗站選取玉米、谷子、大豆和土豆4種典型農地，分別進行土壤含水量、土壤容重、土壤水穩(wěn)性團聚體和土壤粘結力的測定。4種農地按照當地大田作物進行施肥和管理，表1給出了4種農地主要的農事活動及日期。試驗從2012年4月8日開始，持續(xù)到9月29日，時間間隔大約20d。

表1 4種農地的農事活動

土壤含水量：用烘干稱重法測定，試驗時用小鋁盒從上到下均勻采集0—5cm表層土壤，用烘干法測定土壤含水量，每種農地每次重復測定5次，取其平均值作為本次測定的土壤含水量。

土壤容重：用體積為100cm3的不銹鋼環(huán)刀（高5.1cm，直徑5cm）取0—5cm表層土壤，使土充滿環(huán)刀，稱濕重后放置于烘箱中在105℃下烘干24h，每次每種農地重復測定3次，取其平均值。

水穩(wěn)性團聚體的測量步驟如下：

（1）采樣：用鐵鏟取耕層土壤。土壤濕度要求最好不沾鐵鏟。用鐵質飯盒采集3個有代表性的原狀土樣，運回實驗室，輕輕的掰成10～12mm的土塊，攤平，使其自然風干。

（2）干篩：取混合均勻的風干土樣，過孔徑分別為10，7，5，3，2，1，0.5，0.25mm 篩子。分別稱重各孔徑對應的團聚體，計算各孔徑所占的質量百分比。并依據各級孔徑所占百分比把各孔徑上團聚體配成2份50g的土樣。

（3）濕篩：本文使用的濕篩分析儀為FT-3型電動團聚體分析儀，濕篩的孔徑為5，3，2，1，0.5，0.25 mm。先將濕篩組用鐵架夾住放入水桶，把濕篩組升到最高處，向桶內緩慢注水，直到水面高于篩面1cm為止。將配好的50g土放入水中，震蕩30次，把濕篩組取出，用清水洗出各孔徑上的團聚體，烘干后，稱重每個孔徑濕篩的團聚體［11］，再把每個孔徑濕篩的團聚體相加，然后取兩個重復的平均值。

粘結力：采用由荷蘭生產的微型粘結力儀（Durham Geo-enterprises，Inc.，UK），選取有代表性的平地，用噴壺噴濕地表，將粘結力儀的葉輪垂直插入土壤，順時針轉動粘結力儀，當扭力大于土壤最大抗剪強度時，粘結力儀葉輪開始轉動，此時指針所指的數值即為此次測定的粘結力，每種農地重復10次，取平均值。

本文用變異系數來描述農地土壤物理性質隨季節(jié)的波動情況，它反映了數據的離散程度。用峰度和偏度描述數據的正態(tài)分布情況，峰度反映了數據在均值附近集中情況，偏度反映了數據偏離以平均值為中心的程度，它們由下式計算：比標準正態(tài)分布低，但γkurtosis＞0時是數據集中程度比標準正態(tài)分布高。當γskewness＝0時是對稱分布，當γskewness＜0時是數據的均值在峰值的左邊，當γskewness＞0時是數據的均值在峰值的右邊。

數據處理使用IBM SPSS Statistics 19.0，并對數據進行配對樣本T檢驗分析不同農地土壤物理性質變化趨勢的差異性，Pearson相關分析檢驗容重和粘結力的相關性。

3 結果與分析

式中：Cv——變異系數；γkurtosis——峰度；γskewness——偏度；SD——標準差；ˉX——樣本平均值；Xi——第i個樣本值；n——樣本個數。

根據Nielsen和Bouma提出的分類體系［12］，當Cv≤0.1時是弱變異性，當0.1＜Cv＜1時是中等變異性，當Cv≥1是強變異性。當γkurtosis＝0是標準正態(tài)分布的峰度系數，當γkurtosis＜0時是數據集中程度

3.1 土壤含水量

圖1給出了4種農地土壤含水量的季節(jié)變化，從圖中可以明顯的看出，4種農地土壤含水量具有大致相同的變化趨勢，從4月初到9月下旬，土壤含水量出現了3個高峰和2個低谷，3個高峰均出現降雨之后，而土壤含水量的低谷則對應著一段時間的干旱期。這表明該地區(qū)農地表層土壤含水量的季節(jié)變化受降雨的影響強烈，土壤含水量變化趨勢基本上與降雨變化趨勢一致，這與蘇敏［13］和 Coronato［14］等的研究結果一致。土壤含水量的干濕交替，可能引起土壤表層出現較大縫隙，從而影響土壤抗蝕能力，導致土壤分離速率增大［15］。

表2給出了4種作物土壤物理性質的統(tǒng)計特征值。就土壤含水量平均值而言，玉米地＞大豆地＞土豆地＞谷子地。4種農地土壤含水量變異系數介于0.43～0.49之間，大于0.1小于1，屬于中等變異性。

表2 土壤物理性質的統(tǒng)計特征值

從表2土壤含水量的峰度值、偏度值和單樣本的Kolmogorov-Smirnov檢驗來看，各農地土壤含水量呈正態(tài)分布的，可以進行統(tǒng)計學分析。表3給出了4種農地配對樣本T檢驗的P值，從表中可以看出玉米和谷子之間的P值為0.04，表明在0.05的顯著性水平下，兩者之間變化趨勢存在顯著差異，而其他作物配對的P值遠大于0.05，表明這些作物的土壤水分隨季節(jié)變化趨勢之間無顯著差異。各農地表層土壤水分總體上隨季節(jié)變化趨勢大體相同，但無論在均值和變異系數還是配對樣本T檢驗結果都表現出一定差異性，其中玉米和谷子季節(jié)變化趨勢有顯著差異，就土壤含水量平均值而言，玉米地是谷子地的1.12倍。這可能是因為它們之間有著不同的植被蓋度、不同的根系密度和不同的蒸散強度［16］所致。

圖1 土壤含水量季節(jié)變化

表3 不同農地物理性質的配對樣本T檢驗

3.2 土壤容重

圖2給出了不同農地土壤容重的季節(jié)變化，從圖中可以看出4種農地土壤容重隨時間的變化趨勢大體相同。4月8日到4月10日，受播種的影響各農地的容重迅速下降，達到最小值。隨后受降雨擊濺及土體自重的綜合影響，各農地土壤均表現出一定程度的硬化過程，各農地的容重均呈上升趨勢（5月23日之前），但上升的程度各不相同，玉米、谷子、大豆和土豆分別上升了6.0%，14.2%，3.6%，1.8%。到6月1日左右，受鋤草的影響各農地土壤容重都呈下降趨勢，之后各農地土壤容重出現再次上升趨勢，上升的幅度也隨作物類型的不同而有所差異。在7月22日之后，各農地之間的變化趨勢較為混亂，但整體呈現上升趨勢，這一方面是由硬化過程引起，另一方面與土壤結皮的發(fā)育密切相關。結皮的發(fā)育直接受控于降雨對地表的打擊作用，而各種作物的蓋度存在一定差異，從而導致各農地結皮發(fā)育的差異，從而造成土壤容重較為復雜的變化趨勢。9月22日之后，各農地土壤容重迅速減小，其原因在于作物收獲對地表引起的擾動，其擾動程度取決于收獲方式，土豆的收獲過程對地表擾動最大，其容重下降幅度也最大，為15.2%?？傮w而言，生長季4種農地的土壤容重整體呈增加趨勢，這與Alletto等人的研究結果一致［17］。土壤容重的增大，提高了土壤抗蝕能力，從而導致土壤分離速率下降［18］。

從表2土壤容重的平均值來看，4種農地中谷子地的容重最大，土豆地的容重最小，玉米地和大豆地居中，這可能與作物種植的密度有關。從變異系數來看，玉米地、谷子地、大豆地和土豆地變異系數依次為0.07，0.05，0.05，0.07，都小于0.1，為弱變異性。表3給出了4種農地的容重配對樣本T檢驗結果。除了谷子和大豆外，其他配對組合的顯著性水平P值均大于0.05，表明這些農作物在0.05顯著性水平下沒有顯著差異。谷子和大豆間的P值為0.03，小于0.05，表明谷子和大豆地的土壤容重隨時間變化的趨勢之間存在顯著差異。這可能與不同農地的施肥水平、播種密度、農事活動的強度等因素有關［19］。

圖2 土壤容重季節(jié)變化

3.3 土壤水穩(wěn)性團聚體

從圖3中可以看出，播種初期各農地的土壤水穩(wěn)性團聚體幾乎相同，隨時間的變化都是單調遞增趨勢，這一結果與 Mulla等人的研究成果一致［20］。團聚體通過其物理、化學及生物的膠結作用提高土壤抗蝕能力，農地團聚體隨作物生長呈上升趨勢表明，隨著作物的生長，農地的抗蝕能力呈逐漸增強的趨勢。然而，水穩(wěn)性團聚體隨時間的增大幅度隨著作物類型的不同而存在差異，這可從表2中的極差得到驗證，農作物的水穩(wěn)性團聚體最小值差別不大，極差值（最大值減去最小值）最小的土豆地為1.32，而極差值最大的玉米地為16.51，玉米地的極差值是土豆地的極差值得12.5倍。玉米地、谷子地和大豆地的變異系數分別為0.27，0.19，0.17，介于0.1和1之間，為中等變異性。而土豆地的變異系數只有0.03，為弱變異性。4種農地水穩(wěn)性團聚體的平均值從大到小依次為玉米、大豆、谷子和土豆，其值分別為21.9，19.8，19.8，15.4。

圖3 水穩(wěn)性團聚體季節(jié)變化

由表3可知，玉米地和谷子地、玉米地和大豆地、谷子地和大豆地的顯著性水平P值都大于0.05，表明它們的水穩(wěn)性團聚體季節(jié)變化趨勢無顯著性差異。而土豆和玉米、土豆和谷子、土豆和大豆的顯著性水平P值小于0.05，表明它們的水穩(wěn)性團聚體隨季節(jié)的變化趨勢存在顯著差異?？傮w而言，玉米地、谷子地和大豆地水穩(wěn)性團聚體季節(jié)變化差異不大，而土豆地和玉米地差異明顯。這可能是因為土豆較為稀疏，在單位面積上積累的有機物較少，因此團聚體含量少［21］。此外原本水穩(wěn)性團聚體含量低的土豆地，由于植被蓋度低，裸露的地表受到更多的雨滴打擊作用，團聚體容易遭到破壞［22］。

3.4 土壤粘結力

圖4給出了各農地土壤粘結力隨時間變化趨勢。由圖中可以看出4種農地的粘結力隨時間的變化具有相同的趨勢，土壤粘結力存在兩個高峰和三個低谷。三個低谷分別對應著4月10日的農地翻耕、6月4日的鋤草和9月28日的作物收獲，粘結力的減少顯然與農事活動的擾動密切相關［23］。從表2可以看出無論是極差和平均值，還是變異系數，4種農地粘結力之間差異不大。4種農地的變異系數介于0.44和0.54之間，為中度變異性。

表3給出了4種農地粘結力配對樣本T檢驗結果，從表中可以看出P值介于0.16和0.53之間，都遠大于0.05，表明各農地粘結隨時間變化在0.05的顯著性水平下沒有顯著性差異，這在一定程度上說明了各農地抗蝕能力的相似性。比較圖4和圖2可以看出，四種農地粘結力和容重的變化趨勢具有一定的相似性，土壤容重的減少，則對應著粘結力的減少，反之亦然。對4種農地的粘結力與土壤容重進行Pearson相關分析，相關系數為0.68，顯著性水平P值小于0.01，兩者相關關系顯著。這可理解為土壤容重是土壤緊實度的指標之一，土壤緊實度低則粘結力小，土壤緊實度高則粘結力大［23］。

圖4 粘結力季節(jié)分布

4 結論

本文研究了黃土高原4種典型農地（玉米、谷子、大豆和土豆）的表層土壤物理性質——土壤含水量、土壤容重、土壤水穩(wěn)性團聚體和土壤粘結力的季節(jié)變化規(guī)律。得出以下結論：（1）土壤含水量季節(jié)變化受降水影響顯著，生長季存在多個峰值和低谷，呈中等變異。（2）受土壤硬化的影響，土壤容重總體呈增大趨勢，但農事活動可引起土壤容重的顯著減小，影響程度取決于農事活動對地表的擾動程度，4種農地的土壤容重均屬弱變異。（3）土壤團聚體隨著作物的生長呈上升趨勢，土豆地團聚體顯著低于其他3種農地，除土豆地屬弱變異外，其他3種農地的水穩(wěn)性團聚體均屬于中等變異。（4）作物生長季，土壤粘結力呈上升趨勢，但受農事活動的影響顯著，農事活動的擾動會導致土壤粘結力顯著減小?？傮w而言，黃土高原典型農地的土壤物理性質具有較為相似的季節(jié)變化特征，主要影響因素包括農事活動、土壤硬化及根系生長引起的有機質積累，在生長季農地抗蝕能力呈增強趨勢。

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