不同放牧強(qiáng)度影響下的土壤剪切力空間變化*

甘磊　彭揚(yáng)建　謝永雄　馬蕊　彭新華　莫春夢(mèng)

(1.桂林理工大學(xué)廣西環(huán)境污染控制理論與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室　廣西桂林 541004;2.桂林理工大學(xué)廣西巖溶地區(qū)水污染控制與用水安全保障協(xié)同創(chuàng)新中心　廣西桂林 541004；3.中國(guó)科學(xué)院南京土壤研究所土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室　南京 210008)

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不同放牧強(qiáng)度影響下的土壤剪切力空間變化*

甘磊1，2，3彭揚(yáng)建1謝永雄1馬蕊1彭新華3莫春夢(mèng)1

(1.桂林理工大學(xué)廣西環(huán)境污染控制理論與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室廣西桂林 541004;2.桂林理工大學(xué)廣西巖溶地區(qū)水污染控制與用水安全保障協(xié)同創(chuàng)新中心廣西桂林 541004；3.中國(guó)科學(xué)院南京土壤研究所土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室南京 210008)

摘要在內(nèi)蒙古錫林河流域建立典型羊草植被覆蓋下圍封、冬季放牧和過度放牧試驗(yàn)區(qū)以及典型大針茅植被覆蓋下圍封和持續(xù)放牧試驗(yàn)區(qū)。在長(zhǎng)135 m，寬105 m，共計(jì)100個(gè)測(cè)量點(diǎn)的空間區(qū)域測(cè)量土壤剪切力并研究其空間變化情況。結(jié)果表明，土壤含水量是引起區(qū)域土壤剪切力變化的主要因素，而放牧是引起土壤剪切力空間變異的關(guān)鍵因子，其途徑主要是通過改變土壤結(jié)構(gòu)、土壤含水量以及植被狀況。過度放牧嚴(yán)重破壞土壤結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的土壤剪切力最小。適度放牧因局部干擾，土壤剪切力的空間分布具有清晰的遞變性，但這種遞變性在干旱條件下減弱。而圍封僅在土壤含水量與植被根系的作用下并未形成類似前者的空間分布形式。這說明在適度放牧的干預(yù)下，土壤剪切力的空間分布具有相對(duì)穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞放牧強(qiáng)度土壤剪切力空間變化

0引言

內(nèi)蒙古草原的過度開發(fā)利用已經(jīng)造成了該地區(qū)土壤結(jié)構(gòu)的破壞，水土流失，環(huán)境問題日趨嚴(yán)重。土壤抗剪強(qiáng)度是區(qū)域水土流失評(píng)價(jià)中反映土壤力學(xué)特性的重要指標(biāo)之一[1]。在放牧條件下，土壤所產(chǎn)生的變形、阻力以及壓實(shí)等，都與土壤的抗剪強(qiáng)度有關(guān)，因此研究不同放牧強(qiáng)度下土壤剪切力的變化有著重要的理論與現(xiàn)實(shí)意義。土壤抗剪強(qiáng)度與土壤含水量密切相關(guān)，有研究表明土壤的黏聚力隨著土壤含水率的增加先增大后減小[2]。同時(shí)有研究表明在一定直壓力不變的條件下，隨著含水量的增大，抗剪強(qiáng)度卻非線性減小，它們之間的關(guān)系呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系[3]。由此可見土壤含水量對(duì)土壤剪切力的影響隨著含水量的不同表現(xiàn)出不同的形式。而植被可通過改變土壤水分情況及發(fā)揮根系加筋作用和根系錨固作用，提高土壤的抗剪強(qiáng)度，起到固土護(hù)坡的作用[4]。在對(duì)含根土壤與無根土壤的抗剪強(qiáng)度做比較和分析，發(fā)現(xiàn)在相同正應(yīng)力作用下，含根土壤的抗剪強(qiáng)度比無根土壤的大[5]。而放牧是草地利用的主要方式之一。一般而言，隨放牧強(qiáng)度的增大，植被減少，土壤的總孔隙減少，使土壤容重增加導(dǎo)致土壤的保水和持水能力下降。但當(dāng)適度放牧?xí)r，土壤顆粒間隙變小，水分交換與補(bǔ)給減弱，有助于土壤毛細(xì)管水分的保持，增加土壤含水量。因此研究放牧對(duì)土壤剪切力的影響是尤為重要的。

放牧相當(dāng)于是在土壤表面施加壓力。這種動(dòng)物踩踏行為的壓力是不均勻和隨機(jī)的，因而對(duì)土壤剪切力的影響在空間分布上也會(huì)表現(xiàn)出不均勻性和隨機(jī)性。本研究選取不同的放牧強(qiáng)度，假定不同放牧強(qiáng)度對(duì)土壤剪切力的空間產(chǎn)生不同的影響，研究在不同水分條件下羊草和大針茅植被覆蓋的土壤剪切力變化。1試驗(yàn)區(qū)采樣與分析

1.1試驗(yàn)區(qū)介紹

該試驗(yàn)區(qū)位于內(nèi)蒙古錫林河盆地(43°38’N，116°42’E)，多年平均氣溫為0.7 ℃，年降水量在340 mm左右，其中60%～80%的降水發(fā)生在每年的6～8月。草類生長(zhǎng)季為每年5～9月。試驗(yàn)選取5個(gè)樣研究區(qū)：羊草區(qū)為自1979年開始禁牧的圍封LCUG79、只在冬季放牧的LCWG，放牧強(qiáng)度為0.5羊/(a·hm2)(1羊單位相當(dāng)于一只成年羊加一只羔羊[6]，下同)和過度放牧區(qū)LCHG，放牧強(qiáng)度為2.0羊/(a·hm2)；大針茅區(qū)為自1979年開始禁牧的SGUG79和持續(xù)放牧區(qū)SGCG，放牧強(qiáng)度為1.2羊/(a·hm2)。在每一個(gè)研究區(qū)域，利用GPS定位長(zhǎng)135 m，寬105 m的空間區(qū)域，每隔15 m建立一個(gè)測(cè)量點(diǎn)，并在其中再建立20個(gè)次級(jí)測(cè)量點(diǎn)，共計(jì)100個(gè)測(cè)量點(diǎn)，詳見圖1。1.2采樣與分析

每個(gè)試驗(yàn)區(qū)隨機(jī)選取3個(gè)土壤剖面采集環(huán)刀土樣(0～6 cm)，測(cè)定土壤質(zhì)地、容重、總孔隙度、以及

有機(jī)質(zhì)。土壤剪切力采用Hand-held vane tester測(cè)量；土壤含水量采用HH2 Moisture Meter。表層0～6 cm的土壤剪切力和土壤含水量均每周同步測(cè)量1次。選取3種不同土壤濕度狀態(tài)進(jìn)行土壤剪切力的空間分析：干旱條件(測(cè)量日前1周內(nèi)無降水發(fā)生)，中等條件(單日降水2日后無降水發(fā)生)以及濕潤(rùn)條件(連續(xù)3日降水后)。數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析使用SPSS13.0軟件；土壤剪切力空間分布成圖使用surface 8.0軟件(Golden Software，Inc)。

圖1　100個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置圖

2結(jié)果與討論

2.1土壤基本性質(zhì)

5個(gè)試驗(yàn)區(qū)的土壤質(zhì)地、容重、總孔隙度和有機(jī)質(zhì)含量結(jié)果如表1所示。在羊草區(qū)域LCHG的土壤質(zhì)地最粗且有機(jī)質(zhì)含量都是最小的。在過度的碾壓下，土壤孔隙不斷減少，容重增加，同時(shí)由于過度放牧導(dǎo)致土壤結(jié)構(gòu)被完全破壞，不利于植被生長(zhǎng)，地表有機(jī)物也相應(yīng)減少。而在大針茅區(qū)域SGCG與SGUG79質(zhì)地差異不明顯，但SGCG的總孔隙度和有機(jī)質(zhì)要低于SGUG79，但容重高于SGUG79，這與羊草區(qū)域放牧對(duì)土壤基本性質(zhì)的影響是一致的。

表1　5個(gè)試驗(yàn)區(qū)土壤性質(zhì)

注：同列不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)，n=7。

2.2土壤剪切力與土壤含水量

在羊草地區(qū)，LCHG區(qū)土壤含水量在濕潤(rùn)、中等與干旱三種水分條件下都是最小的，而冬季放牧夏季休牧的輪牧區(qū)(LCWG)土壤含水量在濕潤(rùn)條件下比圍封的LCUG79區(qū)要大，但在中等和干旱條件下兩者的差別不大(見表2)。因?yàn)檫^度放牧使得土壤結(jié)構(gòu)破壞嚴(yán)重，其保水能力非常弱，因而在LCHG區(qū)其土壤含水量最小。而輪牧區(qū)的放牧強(qiáng)度不大，盡管對(duì)土壤有一定的壓實(shí)作用，阻礙了部分水分的入滲，但羊群的踩踏使土壤中的大孔隙破碎，土壤間隙減小，因此在水分的保持上有一定優(yōu)勢(shì)。加之與圍封的LCUG79相比上一生長(zhǎng)季圍封所留下的枯草基本被羊群所食，土壤斥水性減小[6]，有利于水分的下滲，最終導(dǎo)致LCWG的土壤含水量在濕潤(rùn)條件下要高于圍封區(qū)。在大針茅地區(qū)，濕潤(rùn)和中等條件下LCUG79和SGCG區(qū)的土壤含水量基本一致，僅在干旱條件下出現(xiàn)差異。其原因主要在于LGCG區(qū)設(shè)定的適度放牧強(qiáng)度使得連續(xù)性的土壤孔隙減少，延遲或者減少了土壤水分的補(bǔ)給，進(jìn)而增強(qiáng)了土壤的保水能力。本研究結(jié)果與GAN等[7]模擬內(nèi)蒙古草原放牧對(duì)土壤水量平衡影響的結(jié)果是一致的。而對(duì)于圍封區(qū)而言，SGUG79的土壤含水量要略高于LCUG79。RESZKOWSKA等[6]的研究表明在該試驗(yàn)區(qū)，羊草土壤斥水性要高于大針茅，進(jìn)而導(dǎo)致其土壤水分的入滲減少。這也是圍封區(qū)大針茅土壤含水量要高于羊草的主要原因。

表2　3種土壤水分條件下5個(gè)試驗(yàn)區(qū)土壤含

放牧強(qiáng)度對(duì)土壤剪切力的影響也表現(xiàn)出一定的規(guī)律性。在羊草地區(qū)，過度放牧的LCHG的土壤剪切力基本較小。由于過度放牧，土壤結(jié)構(gòu)被嚴(yán)重破壞，土壤顆粒之間的黏結(jié)力明顯降低，從而導(dǎo)致LCHG區(qū)土壤剪切力最小。而輪牧區(qū)LCWG的土壤剪切力只在濕潤(rùn)條件下明顯高于LCUG79，在中等條件下明顯低于圍封區(qū)。在大針茅地區(qū)，SGCG的土壤剪切力只在濕潤(rùn)條件下明顯高于SGUG79，而其它條件下均明顯小于圍封區(qū)。就2個(gè)圍封區(qū)而言，在干旱條件下SGUG79的土壤剪切力要明顯高于LCUG79。有研究表明在一定條件下土壤剪切力隨土壤含水量的降低而減弱[3]，因而在濕潤(rùn)狀態(tài)下，含水量較大的LCWG區(qū)的土壤剪切力要高于LCUG79。隨著時(shí)間推移，土壤中水分被逐漸消耗，那么含水量對(duì)土壤剪切力的作用也逐漸減小[3]，植物根系對(duì)土壤剪切力的作用就不能被忽視，根系越多越復(fù)雜，其土壤抗剪強(qiáng)度就越大[4-5]。根據(jù)GAN等[7]對(duì)試驗(yàn)區(qū)植被情況的調(diào)查，圍封區(qū)的根系要多于放牧區(qū)，羊草區(qū)要高于大針茅區(qū)。因此可以解釋在中等條件下LCWG的土壤剪切力要低于LCUG79，以及干旱條件下SGUG79的土壤剪切力要明顯低于LCUG79。持續(xù)放牧對(duì)土壤的壓實(shí)作用也比輪牧的LCWG要強(qiáng)，這個(gè)也可從表1密度數(shù)據(jù)得到。就濕潤(rùn)條件下大針茅區(qū)土壤剪切力而言，除了受到土壤含水量和根系的影響外，由于SGCG土壤被壓實(shí)增強(qiáng)了土壤的抗剪切能力，最終導(dǎo)致在含水量相差不大的情況下其土壤剪切力要大于SGUG79。由此可以看出，土壤剪切力的大小除了與土壤含水量的大小有關(guān)以外，它還受到植被根系、放牧等外界條件干擾等因素的共同制約。

2.3土壤剪切力空間分布

利用地統(tǒng)計(jì)分析可形成土壤剪切力的空間分布圖，現(xiàn)以LCUG79和SGCG的土壤剪切力空間分布圖為例加以分析，如圖2所示。在LCUG79區(qū)，濕潤(rùn)條件下，土壤剪切力的的高閾值分布在試驗(yàn)區(qū)的中心部位，從中心向四周逐漸降低。而在中等條件下，這種分布格局被改變，土壤剪切力的大小除了保持由中心向東西向遞減外，還表現(xiàn)為從中心向南北方向的遞增。當(dāng)達(dá)到干旱條件時(shí)，土壤剪切力的空間分布格局被完全改變，其高閾值分布在圖中的東北角，其它區(qū)域土壤剪切力的分布都較為一致。因此土壤剪切力的空間分布在圍封區(qū)并不穩(wěn)定。在圍封區(qū)出現(xiàn)空間分布的這種變化主要是歸咎于土壤水分與根系的分布情況。在圍封區(qū)域，地表有機(jī)質(zhì)等覆蓋物的分布是不均勻的，因而有機(jī)質(zhì)多的地方其保水能力也就較大，因此水分含量決定了部分土壤剪切力的空間分布，而隨著水分的減少，含水量對(duì)剪切力的影響減小[2-3]，控制土壤剪切力的主要因素就是植被根系。這也就解釋了在干旱條件下圍封區(qū)土壤剪切力的空間分布變得較為均一。

圖2　3種土壤水分條件下5個(gè)試驗(yàn)區(qū)的土壤剪切力空間分布

在SGCG區(qū)，濕潤(rùn)條件下，土壤剪切力的高閾值分布在試驗(yàn)區(qū)的中部?jī)蓚?cè)并向南北方向逐漸降低。而在中等條件下，這種分布格局被輕微破壞，但仍然保持濕潤(rùn)條件下的分布情況。當(dāng)達(dá)到干旱條件時(shí)，土壤剪切力的空間分布格局也被完全改變，其高閾值分布在圖中的四個(gè)邊角和中心處，并由此向其它方向遞減。與圍封區(qū)域相比較，在放牧區(qū)其土壤剪切力的空間分布的遞變性更為明顯和穩(wěn)定，這說明除了土壤含水量與植被作用外，放牧強(qiáng)度對(duì)土壤剪切力的空間分布也起到了一定作用。目前牧民的放牧形式由以往的游牧形式轉(zhuǎn)變?yōu)槎列问?，羊群采食的區(qū)域也相對(duì)集中，這暗含著放牧對(duì)土壤結(jié)構(gòu)，特別是土壤含水量的改變程度就存在一定的遞變過程。這就解釋了放牧條件下土壤剪切力空間分布明顯的遞變性。但隨著土壤含水量的減少，其對(duì)土壤剪切力的影響減弱，進(jìn)而降低了放牧強(qiáng)度對(duì)土壤剪切力空間遞變的影響。

由此可以看出，土壤含水量是影響土壤剪切力的關(guān)鍵因素，而放牧強(qiáng)度可以改變土壤含水量的分布，進(jìn)而改變土壤剪切力的空間分布。在一定含水量的條件下，不同植被對(duì)土壤剪切力的影響主要體現(xiàn)在根系情況。

3結(jié)語

本文通過研究不同放牧強(qiáng)度下內(nèi)蒙古草原土壤剪切力的變化，證明了不同放牧強(qiáng)度形成的土壤剪切力的空間分布不同，并得出如下結(jié)論：過度放牧嚴(yán)重破壞了土壤結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致最小的土壤剪切力；放牧強(qiáng)度與植被對(duì)土壤剪切力大小及空間分布的改變受到土壤含水量制約；在含水量較大的條件下放牧強(qiáng)度對(duì)土壤剪切力大小和空間分布的改變有決定性，在含水量較小的情況下，土壤剪切力的大小及空間分布則主要受植被根系分布的影響；另外，適度的持續(xù)放牧可以增強(qiáng)土壤含水量。

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彭揚(yáng)建，男，1990年生，湖北黃岡人，碩士，研究方向?yàn)檗r(nóng)田土壤水熱運(yùn)動(dòng)模擬。

Spatial Distribution of Soil Shear Strength under Different Grazing Intensities

GAN Lei1,2,3PENG Yangjian1XIE Yongxiong1MA Rui1PENG Xinhua3MO Chunmeng1

(1.GuangxiKeyLaboratoryofEnvironmentalPollutionControlTheoryand

Technology,GuilinUniversityofTechnologyGuilin,Guangxi541004)

AbstractTo understand the change of soil shear strength and its’ spatial distribution, un-grazed, winter grazing and heavy grazing under Leymus chinensis, and un-grazed and continuous grazing under Stipa grandis, were respectively investigated in each plot which covered an area of 105 m×135 m and positioned 100 points. The results showed that soil water content was the key factor to change the magnitude of soil shear strength. However grazing played an important role in the spatial variability and distribution of soil shear strength through the shift of soil structure, soil water content and vegetation coverage. Due to mero-effect of appropriate grazing intensities the spatial distribution of soil shear strength showed a hierarchy change but heavy grazing failed within the destructive soil structure caused by inappropriate heavy grazing. However such spatial distribution was not obvious in dry condition in these grazing plots. Un-grazed also did not shape such stable spatial distribution which was controlled by the combination effect of soil water content and vegetation coverage. In a conclusion, the appropriate grazing intensities could induce the relatively stable spatial distribution of soil shear strength.

Key Wordsgrazing intensitysoil shear strengthspatial distribution

(收稿日期：2015-09-16)

作者簡(jiǎn)介甘磊，男，1983年生，湖南岳陽人，博士，研究方向?yàn)椴菰寥牢锢硇再|(zhì)及土壤水熱運(yùn)動(dòng)模擬。

*基金項(xiàng)目：德國(guó)科學(xué)基金會(huì)(Forschergruppe 536)，國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(2013CB429902)，桂林理工大學(xué)博士啟動(dòng)項(xiàng)目(2012027)，廣西礦冶與環(huán)境科學(xué)實(shí)驗(yàn)中心和廣西高等學(xué)校高水平創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)及卓越學(xué)者計(jì)劃項(xiàng)目資助。