草地土壤細(xì)溝可蝕性季節(jié)變化研究

唐科明

(四川農(nóng)業(yè)大學(xué)水利水電學(xué)院，四川雅安 625014)

土壤侵蝕作為一個(gè)危害巨大、分布廣泛的環(huán)境問題，受到全球范圍的廣泛關(guān)注。隨著土壤侵蝕機(jī)理研究的不斷深入，許多土壤侵蝕預(yù)報(bào)模型得以建立。細(xì)溝可蝕性作為衡量土壤抗侵蝕能力的關(guān)鍵指標(biāo)，是土壤侵蝕預(yù)報(bào)機(jī)理模型的重要參數(shù)［1］。土壤細(xì)溝可蝕性與土壤性質(zhì)密切相關(guān)［1－2］，而土壤容重、水分、黏結(jié)力等存在季節(jié)變化［3］。此外，植被根系通過網(wǎng)絡(luò)串聯(lián)、根土黏結(jié)及根系生物化學(xué)作用影響土壤侵蝕［4］，而根系生長(zhǎng)存在季節(jié)波動(dòng)，并受氣候和土壤等因素的影響，具有地域性。在土壤性質(zhì)和根系的共同作用下，土壤細(xì)溝可蝕性呈現(xiàn)顯著的時(shí)空變化。當(dāng)前，土壤可蝕性季節(jié)變化的研究在國際國內(nèi)已經(jīng)展開［3，5］，但往往針對(duì)特定地域和植被，所以應(yīng)在國內(nèi)開展不同地域、不同植被類型下土壤細(xì)溝可蝕性季節(jié)變化研究，為土壤侵蝕預(yù)報(bào)模型的校驗(yàn)及中國土壤侵蝕預(yù)報(bào)機(jī)理模型的開發(fā)等工作提供科學(xué)依據(jù)和數(shù)據(jù)支持。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)域概況 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(115°25'E，39°35'N)，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、粉粒及砂粒含量分別為16.3%、47.0%、36.7%，有機(jī)質(zhì)含量為 1%，土壤容重為1.21 g/cm3。

試驗(yàn)草種為柳枝稷(Panicum virgatum)。柳枝稷是一種多年生C4暖季型禾草植物，根系發(fā)達(dá)，對(duì)水分、養(yǎng)分及光照的利用效率高。植株高大，根系深，具有良好的固土、固碳的生態(tài)價(jià)值。因此，柳枝稷可作為再生能源的原料，還具有水土保持功能［6］。

1.2 樣品采集與處理 試驗(yàn)時(shí)間為2011年4～10月。在4月中旬，以約20 d為周期，分別在柳枝稷草地和裸地采集原狀土樣，共進(jìn)行10期試驗(yàn)，2011年10月底截止。采樣時(shí)貼地表剪去柳枝稷地上部分，選擇平整地表，用直徑10.8 cm、高5.0 cm的鋼環(huán)垂直下壓采集土樣。在采樣的同時(shí)，用微型黏結(jié)力儀測(cè)定草地和裸地的土壤黏結(jié)力。在每個(gè)周期采集每個(gè)小區(qū)30個(gè)原狀土樣。在土樣采集完成后，將所有土樣靜置于水中，維持水面在土壤表面1 cm以下，8 h后取出土樣，于陰涼處放置12 h后用于沖刷試驗(yàn)。

1.3 水槽試驗(yàn) 土壤分離能力測(cè)定在室內(nèi)變坡水槽內(nèi)進(jìn)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個(gè)組合。調(diào)節(jié)坡度和流量至預(yù)設(shè)值，水流穩(wěn)定后用精度為0.01 mm的測(cè)針測(cè)定水深，測(cè)定區(qū)為水槽出口上方2 m處。6個(gè)組合下水流剪切力(τ=γHS)［8］的計(jì)算值分別為6.5、9.6、14.4、16.3、19.3、23.4 Pa。

隨后，進(jìn)行沖刷試驗(yàn)。沖刷時(shí)，記錄沖刷時(shí)間用于計(jì)算土壤分離能力。土壤分離能力定義為單位時(shí)間、單位面積上流失的土壤干重。在沖刷完成后，挑出每個(gè)土樣中的根系，洗凈，烘干，測(cè)重。在每個(gè)水動(dòng)力下，試驗(yàn)重復(fù)5次。

1.4 數(shù)據(jù)分析與處理 按WEPP模型，將每個(gè)周期測(cè)得的土壤分離能力(Dc)與相應(yīng)水流剪切力(τ)擬合成下列形式，即得到各周期草地和裸地的土壤細(xì)溝可蝕性值。

式中，Kr為土壤細(xì)溝可蝕性值;τc為土壤分離所需的臨界剪切力。

2 結(jié)果與分析

2.1 細(xì)溝可蝕性季節(jié)變化特征 由圖1可知，草地Kr值在試驗(yàn)期內(nèi)波動(dòng)下降，春季＞夏季＞秋季。在4月中旬至5月上旬，Kr值波動(dòng)較小，5月底、6月中旬有少許增大，6月中旬至7月上旬迅速下降，7月上旬至9月中旬Kr值下降趨勢(shì)變緩，9月中旬至試驗(yàn)結(jié)束Kr值緩慢回升。在試驗(yàn)期內(nèi)，Kr最大值與最小值分別出現(xiàn)在5月下旬、9月中旬，分別為0.012 0、0.001 4 s/m，最大值為最小值的 8.43 倍，試驗(yàn)期均值為0.005 s/m。裸地Kr值試驗(yàn)期間大致呈“V”型分布，春季和秋季較大，夏季較小。4月中旬Kr值較高，4月中旬至5月上旬下降。此后，直至5月下旬，Kr值變化較小，6月中旬有小幅上揚(yáng)。在6月中旬至8月上旬，裸地Kr值快速下降。在8月下旬直至試驗(yàn)結(jié)束，Kr值持續(xù)回升。試驗(yàn)?zāi)┢贙r值稍小于試驗(yàn)初期。裸地Kr值最大值與最小值分別出現(xiàn)在 4月中旬、8月上旬，分別為 0.117、0.016 s/m，最大值為最小值的7.51倍，試驗(yàn)期Kr均值為0.069 s/m。在試驗(yàn)期間，草地土壤細(xì)溝Kr值皆顯著低于裸地，其均值僅為裸地的7.24%。

Knapen等［3］研究了比利時(shí)中部黃土區(qū)冬小麥地塊細(xì)溝可蝕性的季節(jié)變化。在免耕措施下，冬小麥地塊Kr值最大值約為0.028 s/m，最小值約為 0.001 s/m，試驗(yàn)期均值為0.006 s/m，而該研究中柳枝稷草地的 Kr相應(yīng)值分別為0.012、0.001、0.005 s/m。在這兩項(xiàng)研究中，細(xì)溝可蝕性最小值與試驗(yàn)期均值較接近，而最大值差別較大。這是由于Knapen等研究中細(xì)溝可蝕性最大值于播種后測(cè)得。由于播種機(jī)對(duì)表土的破壞，土壤細(xì)溝可蝕性急劇增大。

草地、裸地土壤細(xì)溝可蝕性季節(jié)波動(dòng)顯著，且具有不同的變化趨勢(shì)。因此，在土壤侵蝕預(yù)報(bào)時(shí)，不能簡(jiǎn)單采用均值，而應(yīng)考慮各因素對(duì)土壤細(xì)溝可蝕性的影響，準(zhǔn)確模擬Kr值的動(dòng)態(tài)變化。

2.2 細(xì)溝可蝕性季節(jié)變化影響因素

2.2.1 土壤黏結(jié)力對(duì)細(xì)溝可蝕性季節(jié)變化的影響。土壤黏結(jié)力是指在土壤充分濕潤(rùn)的情況下，單位體積土壤抵抗外力扭剪的能力。該指標(biāo)直接關(guān)系到徑流沖刷，進(jìn)一步影響侵蝕強(qiáng)度［9］。土壤黏結(jié)力越大，水流越難克服黏結(jié)力的影響，細(xì)溝可蝕性就越小;反之，土壤黏結(jié)力越小，水流帶走土粒越容易，細(xì)溝可蝕性越大。

受諸多因素的影響，土壤黏結(jié)力具有明顯的季節(jié)變化。在4～6月，試驗(yàn)區(qū)域有少量低強(qiáng)度降水，在日照、風(fēng)及不斷增高的氣溫影響下雨水浸潤(rùn)地表后土壤水分快速蒸發(fā)。在表土層次的快速干濕交替及光照、風(fēng)等因素的共同作用，土壤表面出現(xiàn)裂隙，土壤黏結(jié)力較低。在7、8月份，試驗(yàn)區(qū)域降雨次數(shù)多，強(qiáng)度大，由于受雨滴的打擊，土壤變得密實(shí)，表土形成結(jié)皮層，土壤黏結(jié)力增大。9、10月份降雨減少，土壤表層變干后出現(xiàn)裂隙，土壤黏結(jié)力減小。土壤黏結(jié)力的這種變化將引起細(xì)溝可蝕性的波動(dòng)。由圖1與表1可知，黏結(jié)力與細(xì)溝可蝕性具有良好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。在4月中旬至6月上旬，草地土壤黏結(jié)力較小，此時(shí)段均值為0.826 kg/cm2，相應(yīng)地細(xì)溝可蝕性較大，時(shí)段均值為0.009 s/m;在6月下旬至9月中旬，土壤黏結(jié)力增大，細(xì)溝可蝕性呈降低的趨勢(shì)，此時(shí)段土壤黏結(jié)力均值為0.977 kg/cm2，細(xì)溝可蝕性均值為0.002 s/m;在10月上旬至試驗(yàn)結(jié)束，土壤黏結(jié)力下降，細(xì)溝可蝕性小幅回升至0.002 5 s/m。由圖2可知，隨著土壤黏結(jié)力的增大，細(xì)溝可蝕性呈指數(shù)形式下降。

表1 根系密度與土壤黏結(jié)力季節(jié)變化

2.2.2 根系對(duì)細(xì)溝可蝕性季節(jié)變化的影響。植被根系通過根系網(wǎng)絡(luò)串聯(lián)、根系黏結(jié)及根系生物化學(xué)等作用，有效地固結(jié)土壤，減少土壤侵蝕，使得細(xì)溝可蝕性降低。在試驗(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。從6月開始，氣溫升高，降雨量增大，植被快速生長(zhǎng)，根系密度也迅速增大。經(jīng)過6～8月的大量積累，根系密度在9月份達(dá)到全年峰值。由圖3可知，隨著根系密度的增大，根系固結(jié)土壤的作用不斷增強(qiáng)，土壤細(xì)溝可蝕性總體呈降低的趨勢(shì)。

由于地域、土壤類型等條件不同，不同研究計(jì)算的細(xì)溝可蝕性往往具有地域性。為去除由于地域因素導(dǎo)致的不同研究結(jié)果可比性較差的問題，可將草地土壤細(xì)溝可蝕性用對(duì)應(yīng)時(shí)段裸地細(xì)溝可蝕性進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，即用前者除以后者，得到細(xì)溝可蝕性修正值(CK)。

圖4呈現(xiàn)了該研究柳枝稷草地CK值與根系密度的關(guān)系。隨著根系密度增大，CK值呈降低趨勢(shì)。CK值與根系密度的關(guān)系如下:

式中，CK為細(xì)溝可蝕性修正值，0～1;RD為根系密度，kg/m3。

圖4還給出Knapen等［3］研究中CK值隨根系密度的變化趨勢(shì)。在相同的根系密度下，Knapen等［3］研究中的CK值要小于該研究。在Knapen等［3］的研究中，以農(nóng)地剛翻耕后測(cè)算的細(xì)溝可蝕性值作為區(qū)域背景值，并用其標(biāo)準(zhǔn)化其余時(shí)段的細(xì)溝可蝕性;而該研究中以每個(gè)周期裸地細(xì)溝可蝕性作為背景值去標(biāo)準(zhǔn)化同時(shí)段的草地小區(qū)細(xì)溝可蝕性。按照Knapen等［3］的研究中CK值的計(jì)算方法，隨著時(shí)間的延續(xù)，土壤由于表土固化等因素導(dǎo)致的細(xì)溝可蝕性降低，在CK值計(jì)算中當(dāng)成根系的影響，因而CK計(jì)算結(jié)果較該研究偏小。

2.3 細(xì)溝可蝕性季節(jié)變化模擬 土壤黏結(jié)力、根系密度的季節(jié)變化將引起細(xì)溝可蝕性的季節(jié)波動(dòng)。在試驗(yàn)區(qū)內(nèi)土壤細(xì)溝可蝕性與土壤黏結(jié)力、根系密度的關(guān)系如下:

式中，Kr為土壤可蝕性，s/m;RD為根系密度，kg/m3;CH為土壤黏結(jié)力，kg/cm2。

細(xì)溝可蝕性是土壤侵蝕預(yù)報(bào)中的重要參數(shù)。土壤侵蝕預(yù)報(bào)模型中也給出其計(jì)算公式。在WEPP模型中，草地細(xì)溝可蝕性計(jì)算公式［1］如下:

式中，clay為土壤黏粒含量，0～1;OM為土壤有機(jī)質(zhì)含量，0～1;BD為土壤容重，kg/m3;root為表土10 cm內(nèi)根系量，kg/m2。

將該研究各時(shí)段的土壤性質(zhì)指標(biāo)與根系指標(biāo)換算成為WEPP公式所要求的形式，并且計(jì)算得出對(duì)應(yīng)條件下WEPP模型的細(xì)溝可蝕性模擬值。結(jié)果表明，該研究各試驗(yàn)時(shí)段的土壤細(xì)溝可蝕性模擬值均大于WEPP模型模擬值。原因如下，與典型牧草相比，柳枝稷根徑較大，研究中柳枝稷根徑均值達(dá)0.48 mm，而 Baets等［10］研究指出，隨著根徑的增加，根系減緩?fù)寥狼治g的效果變?nèi)酰沟迷撗芯考?xì)溝可蝕性模擬值大于WEPP模型。該研究考慮了土壤黏結(jié)力季節(jié)變化對(duì)細(xì)溝可蝕性的影響，4～6月土壤黏結(jié)力較小，模擬值約為WEPP模型模擬值的10.7倍，而在7～10月，土壤黏結(jié)力較大，該研究模擬值約為WEPP模型模擬值的3.2倍。

3 結(jié)論

(1)試驗(yàn)期內(nèi)，草地土壤細(xì)溝可蝕性具有明顯的季節(jié)變化。在4月中旬至6月中旬，細(xì)溝可蝕性較大;在6月中旬至7月上旬，細(xì)溝可蝕性迅速下降，之后至9月中旬一直維持在較低的水平;在9月中旬至10月上旬，細(xì)溝可蝕性值緩慢回升。試驗(yàn)期內(nèi)細(xì)溝可蝕性最大值與最小值分別出現(xiàn)在5月下旬、9 月中旬，分別為0.012、0.001 4 s/m。

(2)試驗(yàn)區(qū)內(nèi)土壤細(xì)溝可蝕性的季節(jié)變化受土壤黏結(jié)力和根系密度的影響。土壤黏結(jié)力在4～6月較低，在7、8月份較高，在9、10月小幅回落。根系密度在試驗(yàn)期間大致呈增長(zhǎng)趨勢(shì)。隨著土壤黏結(jié)力和根系密度的增大，細(xì)溝可蝕性呈指數(shù)形式下降。試驗(yàn)區(qū)內(nèi)草地土壤細(xì)溝可蝕性可用土壤黏結(jié)力和根系密度模擬。

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