0 引言
【研究意义】土壤侵蚀是指土壤在外营力作用下发生的土壤分离、泥沙输移和泥沙沉积过程,这是导致黄土高原地区大规模的土地退化和土地生产力下降的原因[1],并潜在威胁着该区的粮食安全和人地系统的可持续发展[1-2],也是黄土高原面临的主要环境问题之一。土质疏松,地形破碎,气候干旱,降水集中于6—9 月,土地利用强度大等因素是造成黄土高原土壤侵蚀严重的主要原因。该区土壤侵蚀较为严重,年土壤侵蚀模数约为5 000—10 000 t·km-2·a-1[3-4]。农耕地是黄土高原土壤侵蚀泥沙的主要来源[5-6],该区现有农耕地1.46×105 km2,分别为黄土高原总面积和水土流失面积的22.5%和30.9%[7-8]。土壤临界剪切力是土壤侵蚀过程模型中的重要参数[9-10],它的时（空）间变化对于精确预测细沟或冲沟所导致的水土流失有重要作用。因此,研究黄土高原典型农耕地土壤临界剪切力的季节变化问题,对于控制该区土壤侵蚀的泥沙来源和保障粮食安全生产具有重要意义。【前人研究进展】土壤临界剪切力反映了土体抵抗细沟股流作用而发生剪切形变破坏的能力[11],是定量分析细沟侵蚀发生的重要指标之一,通常由土壤自身性质决定,与土壤理化性状关系密切[12]。在著名的土壤侵蚀过程WEPP模型中,土壤临界剪切力（τc）是表征土壤侵蚀阻力的重要参数之一,它和土壤细沟可蚀性（Kr）共同反映了土壤抵抗细沟股流作用的能力,其值通常是通过经验关系获得的经验值或是源于参考表的参考值[10]。刘纪根等[13]研究认为,施加土壤改良剂可增加土壤临界剪切力。李云鹏等[14]研究了三峡库区土壤临界剪切力随土层深度的变化,发现土壤临界剪切力分别受土壤孔隙度、含水率和结构指标等因素影响。张乐涛等[15]研究表明,工程堆积体陡坡坡面发生细沟侵蚀时,土壤临界剪切力的值为12.8 Pa。SINGH等[16]研究了美国威斯康星州西南部农耕地土壤初始含水量对土壤临界剪切力的影响,认为土壤中的初始含水量在达到临界值（31%）之前与土壤临界剪切力间呈指数正相关关系。目前的研究多集中于τc参数的确定方法及误差[17-18]、不同土壤类型τc值的确定[19-21]、土壤剥蚀率与τc的关系[22]、改良剂[23]及单一土壤属性[16, 24-25]对τc的影响等几个方面,对τc季节变化规律的研究较少。准确评估τc的季节变化规律是建立土壤侵蚀过程模型的基础。【本研究切入点】在黄土丘陵区玉米和谷子生育期内,受降水、农事活动、作物生长等因素的影响,地表土壤理化性状发生了明显变化,导致了土壤分离过程的变化[6, 26],可能会影响土壤临界剪切力的季节变化,目前它们之间的定量关系尚不明确。【拟解决的关键问题】以黄土丘陵区玉米地和谷子地为研究对象,定量分析作物生育期内土壤临界剪切力季节变化与土壤属性季节变化的关系,揭示土壤临界剪切力的季节变化规律,为该区的粮食安全生产和土壤侵蚀过程模型建立提供理论依据和数据支撑。1 材料与方法
1.1 研究区概况
研究区位于中国科学院安塞水土保持综合试验站墩山,地处北纬36°51′,东经109°19′,属于典型的黄土丘陵区,气候属于暖温带半湿润向半干旱气候过渡区,年平均气温为8.8℃,年平均降雨量为505.3 mm,全年70%以上降雨集中于6—9月。峁状、梁状丘陵是该区的主要地貌类型,结构松散和抗侵蚀能力较差的黄绵土和沙黄土是该区的主要土壤类型,该区土壤侵蚀以沟蚀和面蚀为主。玉米、谷子、大豆、土豆和荞麦等是该区典型的农作物。1.2 试验样地
试验时间为2012年4月至2012年10月。选取黄土高原典型农耕地（玉米地和谷子地）为研究对象,玉米和谷子植株行距均为50 cm,株距分别为35 cm和8 cm。整个生育期内,每隔3 d 观测玉米和谷子的生长状况,详细记录两种作物生育期内7个关键生长阶段的生长过程（表1）。需要说明的是,本研究的季节指的是玉米和谷子的一个生长季。Table 1
表1
表1玉米和谷子生育期基本特征
Table 1Basic characteristics of maize and millet during the plant growing period
| 试验时间 Test time（MM-DD） | 生 育期 Growth period | 生长阶段 Growth stages | |
|---|---|---|---|
| 玉米Maize | 谷子Millet | ||
| 04-29 | 播种期 Sowing date | 播种期 Sowing date | Ⅰ |
| 05-20 | 幼苗期 Seedling stage | 幼苗期 Seedling stage | Ⅱ |
| 06-03 | 五叶期 Five-leaf stage | – | Ⅲ |
| 06-28 | 拔节期 Jointing stage | 拔节孕穗 Jointing-booting stage | Ⅳ |
| 07-20 | 抽雄吐丝期 Tasseling-spinning stage | 抽穗灌浆期 Heading-filling stage | Ⅴ |
| 09-04 | 成熟期 Maturing stage | 籽粒形成期 Grain forming stage | Ⅵ |
| 09-28 | 收获期 Harvesting stage | 成熟期 Maturing stage | Ⅶ |
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1.3 土壤分离样品采集及测定
土壤分离样品利用内径9.8 cm、高5 cm环刀采集。采样时间为玉米和谷子生育期内的7个关键生长阶段。每次采样时,用环刀靠近玉米和谷子植株根部取原状土[6, 26],每次取样设5个重复,每个生长阶段每个样地采集30个原状土样品,两种作物地每个生长阶段共采集60个原状土样品,7个生长阶段共采集420个原状土样品。土壤分离能力指标采用长4 m、宽0.35 m、深0.6 m的变坡试验水槽系统测定（图1）。试验设计6组坡度（S=17.36%—42.26%）和流量（Q=1.0—2.5 L·s-1）组合[26-29],他们所对应的水流剪切力分别为5.71、8.60、10.75、13.06、15.36和17.18 Pa。每次进行土壤分离能力试验时,原状土样放置在水槽下端距出水口0.5 m处,每组坡度和流量组合做5次重复,分别对应于每个采样点的5个重复样品。坡面流表面最大流速用染色法测定,乘以修正系数0.8得到坡面流平均流速,用流量、流速和水槽宽度计算坡面流水深[5-6, 30],水流剪切力计算公式为[5-6]：
τ=ρgHS （1）
式中,τ为水流剪切力（Pa）;ρ为水的密度（kg·m-3）;g为重力加速度（m·s-2）;H为水深（m）;S为水槽坡度（m·m-1）。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图1试验水槽设计
-->Fig. 1Design of the flumes in the experiment
-->
土壤分离能力计算公式[3-4]：
${{D}_{c}}=\frac{{{M}_{s}}}{t\cdot A}$ （2）
式中,Dc为土壤分离能力（kg·m-2· s-1）;Ms为时间t内被分离的土壤干重（kg）;t为坡面径流冲刷时间（s）;A为采样器面积（m2）。
1.4 土壤临界剪切力计算
利用上述土壤分离能力试验方法,分别获取了玉米和谷子7个生长阶段的土壤分离能力指标,结合土壤侵蚀过程WEPP模型,计算获得两种作物地7个生长阶段的土壤临界剪切力（τc） [10]：
式中,Dc为土壤分离能力（kg·m-2·s-1）;Kr为土壤细沟可蚀性（s·m-1）;τ为水流剪切力（Pa）;τc为土壤临界剪切力（Pa）。
1.5 土壤理化性状样品采集与测定
在玉米和谷子生育期内的每个生长阶段,土壤黏结力、容重和水稳性团聚体样品采集时间与土壤分离试验原状土样品采集时间相同。1.5.1 土壤初始含水量样品采集与测定 土壤初始含水量样品用轻型人力钻采取。每次取样时,每个采样点打5个钻孔,钻孔深度为土壤表层5 cm。土壤初始含水量的测定采用烘干称重法。利用电子天平在现场进行土壤样品烘干前的称量。样品运回实验室后,置于烘箱内,在105 ℃下烘干24 h以上,样品达到恒重时、称量,计算土壤初始含水量[31]。
1.5.2 土壤黏结力测定 土壤黏结力采用荷兰微型黏结力仪（Durham Geo-enterprises,Inc.,UK）测定。每次重复测定12次。
1.5.3 土壤容重样品采集与测定 土壤容重采用环刀法测定。每次取样时,随机选取3个长势相近的植株,靠近植株根部用环刀（100 cm2）取土壤表层0—5 cm原状土,在现场利用电子天平进行土壤样品烘干前的称量。样品运回实验室后,置于烘箱内,在105℃下烘干24 h以上,样品达到恒重时、称量,计算土壤容重[32]。
1.5.4 土壤水稳性团聚体样品采集与测定 土壤水稳性团聚体用铝制盒采集。采样在土不沾铲,接触不变形时进行。每次采样时,用铝制盒在玉米地和谷子地土壤表层0—5 cm采集3个有代表性的原状土,尽量保持原来土壤的结构不被破坏。运回实验室后,采用干湿筛法测定[33]。
1.6 根系样品采集与测定
作物根系样品在土壤分离样品采集后进行。采集时,选取长势大致相同的5个作物植株,靠近植株根部采用土壤分离样品采样器取原状土。作物根系样品带回试验站后,用水洗法在筛网上洗出鲜根,置于烘箱内,在70℃下烘干24 h以上,取出称量,计算相应实验周期的根重密度（kg·m-3） [34]。1.7 数据处理
采用SPSS 18.0统计软件进行数据分析,季节变化显著性采用Kendall's W检验（P<0.05）,均值比较采用LSD 法,作图采用Excel 软件。2 结果
2.1 土壤黏结力和容重季节变化
由图2-a可以看出,玉米和谷子的土壤黏结力在整个作物生育期内具有相似地明显的季节变化模式（P<0.05）,具体表现为先升高后降低再升高总体上升的季节变化。变化范围分别介于1.08—12.78 kPa和1.08—12.62 kPa之间,平均值分别为8.15 kPa 和8.48 kPa,玉米地和谷子地土壤黏结力的最大值分别出现在收获期和籽粒形成期,最小值均出现在播种期（4月底）。LSD分析表明,玉米地成熟期与收获期的土壤黏结力和谷子地籽粒形成期与成熟期的土壤黏结力显著高于其他生长阶段的土壤黏结力（P<0.01）。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图2玉米地和谷子地土壤属性季节变化
-->Fig. 2Seasonal variations of soil properties of maize and millet croplands
-->
玉米地容重的季节变化模式与黏结力的季节变化模式相似,即先升高后降低再升高总体上升的季节变化模式（图2-b）。谷子地土壤容重在生育期内表现为先升高后降低再升高又降低的季节变化模式。玉米地和谷子地土壤容重的最大值分别出现在成熟期和抽穗灌浆期,最小值均出现在播种期。统计分析表明,两种作物地土壤容重的季节变化均具有统计学显著性差异（P<0.05）。
2.2 土壤初始含水量季节变化
从图2-c可以看出,玉米地的土壤初始含水量在整个生育期内大致呈“M”型变化,变化范围介于7.15%—21.37%,平均值为13.7%,最大值出现在成熟期（9月上旬）,最小值出现在五叶期（6月初）。谷子从播种期至成熟期,土壤初始含水量呈现出先升高后降低再升高又降低的季节变化,变化范围介于5.43%—19.35%,平均值为13.5%,最大值出现在抽穗灌浆期（7月下旬）,最小值出现在幼苗期。统计分析表明,两种作物地的土壤初始含水量具有明显的季节变化（P<0.05）。2.3 土壤水稳性团聚体季节变化
玉米地和谷子地土壤水稳性团聚体的季节变化总体呈上升趋势（图2-d）。在整个生育期内两种作物的土壤水稳性团聚体分别增加了111%和56%。统计分析表明,两种作物地的土壤水稳性团聚体无明显的季节变化（P>0.05）。2.4 土壤临界剪切力季节变化
玉米地和谷子地的土壤临界剪切力在整个作物生育期内均呈现出明显上升的季节变化模式（P<0.05）（图3）。玉米地土壤临界剪切力表现为先降低后升高再降低又升高的波动上升的季节变化模式,土壤临界剪切力值的变化范围为1.51—4.89 Pa,平均值为3.0 Pa。谷子地土壤临界剪切力表现为先降低再升高的季节变化模式,土壤临界剪切力值的变化范围为1.06—6.53 Pa,平均值为2.93 Pa。具体来讲,在4月底,玉米和谷子均处于播种期,受农事活动翻耕影响,两种作物地土壤较为疏松,抵抗坡面径流冲刷的能力较弱,容易被坡面径流分离,土壤临界剪切力值相对较小。玉米地的土壤临界剪切力从播种期至五叶期,呈下降趋势,下降幅度为31%;在五叶期至抽雄吐丝期,土壤临界剪切力呈上升趋势,上升幅度为212%;从抽雄吐丝期至成熟期,玉米地土壤临界剪切力呈下降趋势,下降幅度为25%;此后,玉米地土壤临界剪切力又有所上升,在收获期达到最大值4.89 Pa。谷子地的土壤临界剪切力从播种期至幼苗期呈下降趋势,下降幅度为52%;从幼苗期至拔节孕穗期,呈上升趋势,上升幅度为80%;在拔节孕穗期至抽穗灌浆期,谷子地的土壤临界剪切力略有下降,下降幅度为12%;从抽穗灌浆期至成熟期,呈上升趋势,上升幅度为289%;谷子地土壤临界剪切力在成熟期达到最大值6.53 Pa。总体来看,黄土丘陵区典型农耕地在整个作物生育期内土壤临界剪切力季节变化明显。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图3玉米地和谷子地土壤临界剪切力季节变化
-->Fig. 3Seasonal variations of soil critical shear stress in maize and millet croplands
-->
2.5 土壤临界剪切力季节变化影响因素
Pearson相关分析表明,土壤黏结力、初始含水量、水稳性团聚体及作物根系是影响土壤临界剪切力季节变化的重要因子。由表2 可以看出,在玉米地内,土壤容重、水稳性团聚体及根重密度与土壤临界剪切力间呈显著正相关关系。在谷子地内,只有根重密度与土壤临界剪切力间呈极显著正相关关系。Table 2
表2
表2土壤临界剪切力与影响因子的相关系数
Table 2Correlation coefficients between soil critical shear stress and impact factors
| 类型 Type | 土壤黏结力 Soil cohesion (kPa) | 土壤容重 Soil bulk density (g·cm-3) | 土壤初始含水量 Soil initial moisture content (%) | 土壤水稳性团聚体 Soil water-stable aggregates (%) | 根重密度 Root weight density (kg·m-3) |
|---|---|---|---|---|---|
| τc(maize) | 0.704 | 0.788* | 0.406 | 0.80* | 0.915* |
| τc(millet) | 0.582 | 0.092 | 0.355 | 0.687 | 0.984** |
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2.6 土壤临界剪切力季节变化模拟
土壤临界剪切力和土壤细沟可蚀性是土壤侵蚀过程WEPP模型中的一个综合性因子。只能在控制条件下通过测定影响土壤临界剪切力的某些土壤属性或土壤的分离能力来预测或推求。因此,在野外条件下,用一种或多种土壤属性的季节变化来预测土壤临界剪切力的季节变化是必要的。在黄土高原地区,土壤临界剪切力随时间变化的野外数据较为缺乏。但是,该数据对于预测黄土高原地区由细沟侵蚀所导致的水土流失是非常关键的。在黄土高原玉米和谷子生育期内,土壤临界剪切力的季节变化受各种因素交互作用影响,过程较为复杂。土壤黏结力和容重是反映作物生育期内土壤硬化过程的两个重要指标。谷子地土壤临界剪切力与容重没有明显函数关系。因此,在模拟方程（4）中,只考虑了土壤黏结力对土壤临界剪切力的影响。水稳性团聚体也是影响土壤临界剪切力季节变化的一个重要因子,但本研究中土壤水稳性团聚体在α = 0.05水平上没有明显的季节变化。因此,在模拟方程（4）中未考虑它对土壤临界剪切力的影响。基于土壤临界剪切力与其影响因素关系较为密切的各影响因子,利用非线性回归方法,建立了黄土丘陵区典型农耕地作物生育期内土壤临界剪切力季节变化模拟方程：
式中,τc为土壤临界剪切力（Pa）;SC为土壤黏结力（kPa）;IMSC为土壤初始含水量（%）;RD为根重密度（kg·m-3）;a、b、c和d分别为回归参数。
在模拟方程（4）中,自变量土壤临界剪切力74%和88%的变量能够被土壤黏结力、初始含水量和根重密度解释（表3）,这说明土壤黏结力、初始含水量和根重密度是影响土壤临界剪切力季节变化的主要因素。玉米地和谷子地的模型有效系数分别为0.72和0.85,模拟结果较为理想,模测值和实测值较为接近（图4）。
Table 3
表3
表3土壤临界剪切力模拟方程参数
Table 3Parameter values of the soil critical shear stress of simulation equation
| 作物类型 Crop type | 模拟方程 Simulated equation | |||||
|---|---|---|---|---|---|---|
 | ||||||
| a | b | c | d | R2 | NSE | |
| 玉米 Maize | 1.109 | 0.055 | 0.01 | 0.681 | 0.74 | 0.72 |
| 谷子 Millet | 0.354 | 0.152 | 0.005 | 6.307 | 0.88 | 0.85 |
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显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图4土壤临界剪切力实测值与模拟值的关系
-->Fig. 4Relationship between the observed and simulated soil critical shear stresses
-->
3 讨论
在土壤侵蚀过程WEPP模型中,土壤临界剪切力是表征土壤侵蚀阻力的重要参数,前人关于它随时间的变化未能很好地定量研究。KNAPEN等[35]认为在欧洲比利时黄土地带冬小麦地的土壤临界剪切力没有明显的季节变化（P= 0.75）。但本研究发现我国黄土丘陵区典型农作物玉米和谷子生育期内土壤临界剪切力具有明显的季节变化规律（P<0.05）。本研究中,玉米地和谷子地在整个作物生育期内土壤临界剪切力的平均值（3 Pa,2.93 Pa）分别是王军光等[36]研究的亚热带红壤土壤临界剪切力均值（5.2 Pa）的58%和56%,分别是WANG等[37]报道的黄土高原退耕草地黄绵土土壤临界剪切力值（4.38 Pa）的62%和61%,与WEPP模型[38]中土壤临界剪切力的基准值（3.5 Pa）和KNAPEN等[35]报道的冬小麦地土壤临界剪切力的最小值（3 Pa）比较接近,这可能是由于测量方法和土壤属性等不同所致。例如,本研究中的单宽流量与前人的不同,分别是王军光等[36],WANG等[37]和KNAPEN等[35]研究中单宽流量的1.4—1.42倍,1.05—1.67倍和0.46—0.93倍。本研究中所使用的水流剪切力变化范围为5.71—17.18 Pa,与王军光等[36]、WANG等[37]和KNAPEN等[35]研究中的水流剪切力变化范围4.54—22.54 Pa、6.08—13.25 Pa和4—45 Pa有一定差别。此外,王军光等[36]试验中所使用的土壤黏粒含量比本试验中的土壤黏粒含量高出4.46—5.14倍。因此,本试验的土壤比王军光等[36]试验的土壤更容易被分离,所获得的土壤临界剪切力值相对较小。在中国黄土丘陵区典型农耕地作物生育期内,受降水、农事活动和作物根系生长等影响,土壤黏结力、容重和初始含水量等土壤属性表现出明显的季节变化（P<0.05）,导致了土壤分离过程的变化[6, 26],可能会影响土壤临界剪切力的季节变化。
相关分析表明,土壤临界剪切力与土壤黏结力间呈正相关关系（表2）。土壤黏结力的大小往往直接影响土壤侵蚀强度的大小。土壤黏结力越大,表明土体抵抗外界扭剪时的能力就越大,土壤越不容易被分离,土壤的分离能力就越小;反之,土壤的分离能力就越大。NORRIS[39]和POLLEN等[40]研究表明,植被根系的生长增加了土壤黏结力的大小,降低了土壤可蚀性[41-43]。本研究中,玉米地和谷子地土壤黏结力在整个作物生育期内总体呈上升的季节变化（图2-a）,增加幅度分别为1083%和1069%。土壤黏结力在整个生育期的增加会引起土壤颗粒与土壤表面的黏结程度和根土基质之间的强度增加[44],这会导致近地表层土壤变得较为紧实,抵抗径流冲刷的能力增强,土壤变得不容易被分离,进而导致土壤临界剪切力在整个生育期的增加。这一研究结果与NORRIS[39]和POLLEN等[40]研究结果较为一致。土壤容重对土壤临界剪切力的影响与土壤黏结力对土壤临界剪切力的影响类似,这里不再重复。
Pearson相关分析表明,土壤临界剪切力与土壤初始含水量间呈正相关关系,这一结果与SINGH等[16]的研究结果较为一致。土壤初始含水量是影响坡面径流和侵蚀产沙的重要因素[45-48],它对土壤侵蚀预报模型的精度具有重要影响。COMINO等[49]认为,土壤含水量对土壤可蚀性影响的机理较为复杂,土壤在由干燥变湿润的过程中可能存在崩解和微观裂隙发育两种过程的交互作用,这两种交互作用会降低土壤的切变强度[50]。土壤初始含水量在作物生育期内干湿交替的变化,可能会影响近地表层土壤崩解和微裂隙的发育过程,导致土壤颗粒内部的破坏,从而影响土壤临界剪切力的季节变化。
土壤临界剪切力与土壤水稳性团聚体间呈正相关关系,即随着土壤水稳性团聚体的增加而增加。土壤水稳性团聚体是土壤中具有较强黏结作用的基本土壤颗粒,是土壤的重要组成部分。在土壤侵蚀过程中,近地表层土壤水稳性团聚体的崩解和分散等水土交互作用,会改变土壤的表面结构,为土壤侵蚀的产生提供物质条件。由于影响土壤团聚体稳定性的属性和影响土壤抗蚀性的主要土壤属性均依赖于土壤表面的张力[51],所以土壤水稳性团聚体通常是土壤抗蚀性研究中首先要考虑的指标[51]。AMEZKETA[52]认为植被根系通过物理、化学及生物等作用,能够增加土壤中团聚体数量。COOTE等[53]研究认为,土壤可蚀性的时间变化可以用土壤团聚体的稳定性来解释。在植被生育期内,根系在土壤中通过捆绑土壤颗粒和分泌黏结性物质粘结土壤等作用来促进大颗粒土壤水稳性团聚体的形成[37],这有助于增加土壤抵抗坡面径流冲刷的能力,土壤会变得难于被分离,从而导致土壤临界剪切力的增加,本研究结果也证明了这一观点。
Pearson相关分析表明,土壤临界剪切力与根重密度间呈显著正相关关系（表2）,这可能与作物根系捆绑和黏结土壤颗粒,改变了土壤的容重、渗透性等土壤属性,提高了土壤抵抗径流冲刷的能力有关[54-55]。在植被生育期内,根系的生长形成了土、水运移的机械屏障,增强了土壤的机械加固作用[56-57],提高了土壤中水稳性团聚体和有机质等土壤属性的含量[37],使土壤变得更加稳定,土壤侵蚀阻力增强,从而导致土壤临界剪切力的增加。
4 结论
4.1 在黄土丘陵区玉米和谷子生育期内,土壤临界剪切力分别呈现出明显的降低-升高-降低-升高和降低-升高总体上升的季节变化规律（P<0.05）。4.2 土壤黏结力、初始含水量和根重密度是影响黄土丘陵区农耕地土壤临界剪切力季节变化的重要因子。土壤临界剪切力与土壤黏结力、初始含水量和根重密度间呈正相关关系。
4.3 用土壤黏结力、初始含水量和根重密度等参数能较好地模拟黄土丘陵区典型农耕地土壤临界剪切力的季节变化。
The authors have declared that no competing interests exist.
