草地土壤分离能力季节变化特征及其影响因素

唐科明,张光辉,孙珍玲

(1.四川农业大学水利水电学院,625014,四川雅安;2.北京师范大学地理学与遥感科学学院,100875,北京)

草地土壤分离能力季节变化特征及其影响因素

唐科明1,张光辉2†,孙珍玲2

(1.四川农业大学水利水电学院,625014,四川雅安;2.北京师范大学地理学与遥感科学学院,100875,北京)

土壤分离能力是土壤侵蚀机理模型的重要参数。受土壤性质、植被根系等因素影响,土壤分离能力呈现显著的季节变化。为研究草地土壤分离能力季节变化特征及其影响机制,以建植一年的柳枝稷、无芒雀麦草地及对照裸地为研究对象,以20 d为周期,测定土壤密度、黏结力和根系密度,并采集原状土样进行水槽实验(τ=6.5-23.4 Pa),测量土壤分离能力,并运用相关分析、回归分析等方法,研究土壤性质及植被根系对土壤分离能力季节变化的影响。结果显示:柳枝稷和无芒雀麦草地具有类似的季节变化特征,而裸地与二者差异明显。4月中旬至6月下旬,草地土壤分离能力较大,此后土壤分离能力迅速下降;7月中旬直至10月上旬,草地土壤分离能力较低;10月下旬,土壤分离能力小幅回升;裸地土壤分离能力7、8月份较低,其余时间较高。裸地土壤分离能力试验期均值为柳枝稷草地的10.6倍,无芒雀麦草地的23.7倍。草地土壤分离能力的季节变化受根系密度和土壤黏结力的影响,随着根系密度与土壤黏结力增大,土壤分离能力呈指数形式降低,而土壤密度对土壤分离能力季节变化的影响并不显著。试验区内草地土壤分离能力可用水流剪切力、根系密度、根径和土壤黏结力等参数进行模拟(R2= 0.636)。研究结果可为土壤侵蚀机理模型的推广应用,以及小流域水土保持措施配置等工作提供科学依据。

土壤分离能力;季节变化;根系密度;土壤黏结力

土壤侵蚀是危害巨大、分布广泛的全球性环境问题,受到各界的广泛关注。土壤侵蚀分为土壤分离、泥沙输移和泥沙沉积3个过程。土壤分离是土壤侵蚀的起始阶段,准确预报土壤分离是建立土壤侵蚀机理模型首先要解决的问题。

土壤分离能力是土壤侵蚀机理模型的重要参数,研究土壤分离能力影响因素及其机理,可准确模拟土壤分离能力,有效提高机理模型预报精度。有研究表明,土壤分离能力受水动力条件[12]、土壤性质[36]、植被根系[7]等因素影响。M.A.Nearing等[2]采用水流剪切力,模拟土壤分离能力,随着水流剪切力增加,土壤分离能力线性增大。土壤性质也是影响土壤分离能力的重要因素,随着土壤黏粒质量分数、有机质质量分数、土壤黏结力和水稳性团粒质量分数的增大,土壤分离能力逐渐降低[811]。土壤分离能力还会受到植被根系的显著影响,植被根系通过缠绕、穿插、固结土体,阻止土粒分散,有效降低土壤分离能力[1213]。植被根系对土壤分离能力的影响,还与根系类型、根径等因素密切相关,相对于直根系,须根系减少土壤分离更为有效[14]。

上述因素中,土壤密度、黏结力等性质存在季节波动[5,15],根系生长也存在明显的季节变化,并受气候、土壤和植物种类等因素的影响,具有地域性。由于土壤性质和植被根系的综合影响,土壤分离能力具有显著的季节变化。在开展土壤侵蚀预报工作时,要考虑土壤性质及植被根系季节变化对土壤分离能力的影响,从而提高预报精度。当前,土壤分离能力季节变化研究在国际上已经展开,但大都以农地作为研究对象[6,1516],而对于与农地在土壤性质、植物根系类型等方面差异较大的草地,现有研究关注较少。在国家加强生态环境建设,实行退耕还林还草措施的背景下,应加大草地土壤分离能力季节变化的研究力度;因此,笔者以柳枝稷(Panicum virgatum)、无芒雀麦(Bromus inermis Leyss)草地为对象,研究草地土壤分离能力的季节变化及其影响机制,从而为土壤侵蚀机理模型的推广应用,以及小流域水土保持措施配置等工作提供科学依据。

1 研究区概况

试验地点位于北京师范大学地表过程与资源生态国家重点实验室房山实验基地(E 115°25′,N 39° 35′)。该地地处温带季风气候区,多年平均降水量为600 mm,集中于夏季。地带性土壤为褐土,黏粒、粉粒及砂粒质量分数分别为16.3%、47.0%和36.7%,有机质质量分数为1.07%,土壤密度为1.21 g/cm3。

试验地草种选择柳枝稷和无芒雀麦。柳枝稷植株高大,根系深,具有良好的固土、固碳等生态价值,既可作为再生能源的原料,同时还具有水土保持功能[17]。无芒雀麦适口性好,有较强的耐旱、抗旱性能,是优良的防风固沙植物和优质饲草[18]。草地播种时间为2010年4月下旬。柳枝稷、无芒雀麦播种密度分别为200和300粒/m2。播种后,根据植物生长需要不定时浇水,以保证草地生长状况良好。柳枝稷和无芒雀麦皆为多年生草本植物,在试验地于每年4月中旬返青。柳枝稷至10月初结束生长,地上部分逐渐死亡,无芒雀麦可生长至10月底。草地播种时,预留裸地作为对照,之后根据需要施用除草剂,保证裸地无杂草生长。柳枝稷草地、无芒雀麦草地样地面积分别为150 m2,裸地样地面积为40 m2。

2 材料与方法

2.1 样品采集与处理

试验时间为2011年4—10月。4月中旬,在草地还未返青前开始第1次试验,此后以约20d为周期进行试验,直至10月下旬,草地生长期结束时截止。试验共进行10期,每次试验时,分别在柳枝稷、无芒雀麦草地和裸地采集原状土样。采样时贴地表剪去植被地上部分,选择平整地表,用直径10.8 cm、高5 cm的钢环垂直下压采集土样。每期采样同时,在各个样地里均匀布设10个测点,用微型黏结力仪测量土壤黏结力,用环刀法测量土壤密度,分别取均值作为本期各样地实验数据。每周期每个样地采集30个原状土样。土样采集完成后,将所有土样静置于水中,维持水面在土壤表面以下1 cm处,8 h后取出土样,于阴凉处放置12 h后用于冲刷试验。

2.2 水槽试验

土壤分离能力测定在室内变坡水槽内进行[19]。土壤分离能力是指清水水流冲刷条件下,单位时间单位面积上流失的土壤干质量[1]。WEPP模型中,土壤分离能力被用来模拟土壤细沟剥蚀率[2]:

式中:Dr为细沟土壤剥蚀率,kg/(m2·s);Dc为土壤分离能力,kg/(m2·s);G为水流输沙量,kg/(m·s);Tc为水流输沙能力,kg/(m·s)。

坡度和流量分别采用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个组合。调节坡度和流量至设计值,水流稳定后,测量水槽出口上方2 m处的水深。测量时沿断面均匀布设10个测点,用精度为0.01 mm的数显测针,分别测定各点水深,取均值作为本水动力条件下的水深。利用坡度、水深,计算各水动力条件下的水流剪切力,公式如下:

式中:τ为水流剪切力,Pa;ρ为水密度,kg/m3;g为重力加速度,m/s2;H为水深,m;S为坡度正弦值。6个组合下水流剪切力分别为6.5、9.6、14.4、16.3、19.3和23.4 Pa。

进行冲刷试验,记录冲刷时间用于计算土壤分离能力。冲刷完成后,挑出每个土样中的根系,洗净、烘干、称重,计算每个土样的根系密度。每一水动力条件下,试验重复5次,取均值作为相应水动力条件下的土壤分离能力。土壤分离能力用下式计算:

式中:Dc为土壤分离能力,kg/(s·m2);Wa为冲刷前土壤干质量,g;Wb为冲刷后土壤干质量,g;t为冲刷时间,s;A为环刀截面积,m2。

2.3 数据处理

数据采用SPSS软件分析处理。采用配对样本T检验方法,分析柳枝稷、无芒雀麦草地及裸地土壤分离能力季节变化的差异性;采用相关分析、多元非线性回归分析等方法,分析土壤密度、土壤黏结力、根系密度对土壤分离能力季节变化的影响。

3 结果与分析

3.1 土壤分离能力季节变化特征

每期试验采用6个水流剪切力,用于土壤分离能力的测定。由于不同水流剪切力下,土壤分离能力存在较大差异,取每期试验6个水流剪切力下所有试样均值,作为该时段该样地土壤分离能力。结果发现,各样地土壤分离能力具有明显的季节变化(图1)。

柳枝稷草地土壤分离能力试验前期比较稳定,在6月下旬有小幅上扬;6月下旬—7月中旬,土壤分离速率急剧下降;此后一直呈缓慢的下降趋势,直至10月上旬达全年最低值,试验末期,土壤分离能力有小幅回升。试验期内,其土壤分离能力最大值及最小值,分别出现在6月下旬及10月上旬,为0.088和0.015 kg/(s·m2),试验期均值为0.047 kg/ (s·m2),变异系数为0.652(表1)。

图1 土壤分离能力季节变化Fig.1 Seasonal variation in soil detachment capacity

表1 土壤分离能力季节变化统计Tab.1 Statistical properties of seasonal variations in soil detachment capacity

无芒雀麦草地试验初期土壤分离能力较大,此后逐渐降低;6月下旬土壤分离能力有一定幅度的回升,此后至7月中旬快速下降;8月初直至试验结束,各期土壤分离能力均值都较小,且在此时段,当水流剪切力较小时,土壤分离能力为0。试验期内,其土壤分离能力最大值及最小值,分别出现在4月中旬及9月中旬,为0.063和0.006 kg/(s·m2),实验期均值为0.023 kg/(s·m2),变异系数为0.909 (表1)。

Wang Bin等[20]采用与本研究接近的水动力条件(5.8～18 Pa),其结果发现,恢复年限为28年的退耕地土壤分离能力最小,为0.035 kg/(s·m2),大于本研究相同实验时间(8月)的草地土壤分离能力。在恢复年限足够长,植被群落已经稳定的情况下,退耕地的土壤分离能力还大于草地,这也充分说明草地减少土壤侵蚀的重要作用。Yu Yaochuang等[16]研究黄土高原典型农地土壤分离能力的季节变化特点,土壤分离能力在5月份增长极大,比前一期增大4倍左右,这种增长主要来自于农地播种时的翻耕;而笔者研究中无耕作措施,相应时段不存在土壤分离能力激增的现象。其余时段,草地土壤分离能力季节变化趋势与Yu Yaochuang等研究结果较为一致。试验初期,裸地土壤分离能力较大,随后逐渐下降;6月下旬有小幅上扬;7、8月份,土壤分离能力较低;此后土壤分离能力快速回升至试验结束。试验期内,裸地土壤分离能力最大值及最小值,分别出现在4月中旬及8月上旬,为0.887和0.183 kg/ (s·m2),实验期均值为0.498 kg/(s·m2),变异系数为0.433(表1)。

各样地土壤分离能力配对样本t检验结果显示(表2):裸地土壤分离能力显著大于柳枝稷草地(P=0.000),柳枝稷草地也显著大于无芒雀麦草地(P=0.001)。裸地土壤分离能力试验期均值为柳枝稷草地的10.6倍,而柳枝稷草地土壤分离能力试验期均值为无芒雀麦草地的2.24倍。柳枝稷草地与无芒雀麦草地土壤分离能力具有类似的季节变化特征,而裸地与2种草地存在较大差异(图1)。

表2 土壤分离能力配对样本T检验显著性分析结果Tab.2 Significance of the paired-sample t-tests of soil detachment capacity(n=10)

3.2 土壤分离能力季节变化影响因素

土壤分离受侵蚀动力、土壤性状、植被根系等因素影响,各因素的季节波动,可能导致土壤分离能力的动态变化。本研究土壤分离能力用变坡水槽测定,不同试验期选用相同的水流剪切力;因此,不涉及侵蚀动力对土壤分离能力受季节变化的影响,重点关注土壤性质与根系密度受季节变化而引起的土壤分离能力波动。

表3给出草地和裸地土壤分离能力(Dc)与土壤黏结力(Sc)、土壤密度(Bd)、根系密度(Rd)的相关性统计结果。如表3所示,土壤分离能力与土壤黏结力、根系密度均呈极显著负相关关系(P＜0.01),与土壤密度无显著相关关系(P＞0.05)。土壤分离能力与土壤黏结力、根系密度相关性分析结果与很多研究一致[6,9,11,16];而土壤密度对土壤分离能力的影响,目前的研究结论并不统一。A. Knapen等[6]研究指出,播种、除草等措施,使得土壤变得松散,密度减小,土壤分离能力增大,之后在雨滴打击及重力作用的影响下,土壤固化,密度增大,土壤分离能力减小,土壤分离能力与土壤密度呈负相关关系;而Wang Bin等[20]研究则显示,土壤分离能力与土壤密度无显著相关关系,这与本研究结果一致。原因在于,A.Knapen等[6]研究对象为农地,土壤密度的变化幅度较大;而本研究对象为草地,土壤不会受到农事活动的扰动,土壤密度波动幅度较小,其对土壤分离能力的影响比根系、土壤黏结力等因素小,从而出现土壤分离能力与密度无显著相关性的结果。因此,农地土壤分离能力模拟时,应充分考虑土壤密度的影响,而在模拟草地土壤分离能力时,土壤密度可不作为必备参数。

表3 土壤分离能力与土壤性质的相关系数表Tab.3 Correlation coefficient between soil properties and soil detachment capacity

3.2.1 土壤黏结力对土壤分离能力季节变化的影响 土壤黏结力是指土壤充分湿润的条件下,单位体积土壤抵抗外力扭剪的能力,该指标的大小直接影响土壤侵蚀强度[21]。土壤黏结力越大,水流越难分离土壤,分离能力就越小;反之,土壤黏结力越小,土壤分离能力越大。

图2 土壤黏结力季节变化Fig.2 Seasonal variation in soil cohesion

受气象、植被等因素影响,土壤黏结力具有明显的季节变化(图2)。4—6月,试验区域有少量低强度降水,雨水浸润地表后,在日照、风及不断增高的气温影响下,土壤水分快速蒸发。表土层次的快速干湿交替及光照、风等因素共同作用,土壤表面出现裂隙,土壤黏结力较低。7、8月份,试验区域降雨次数多、强度大,由于雨滴的打击,土壤变得密实,表土形成结皮层,土壤黏结力增大。此外,草地的茎秆、叶片、凋落物等部分共同作用,在地表营造了一个相对阴湿的地表环境,部分地面甚至滋生了苔藓,也极大地增大了土壤黏结力。9、10月份降雨减少,裸地土壤表层变干后出现裂隙,土壤黏结力减小。9月底,柳枝稷进入成熟期,叶片黄化卷曲后覆盖面积减小,地表透光性、透风性变好,土壤表层变干后产生裂隙,土壤黏结力减小;而无芒雀麦叶片密集,叶片生长及更新速度快,6月底至10月下旬,植株底部都观察到叶片黄化凋落现象。这些凋落叶片能有效增加地表糙度,减小地表径流流速,增加入渗,有助于维持表土的阴湿环境。阴湿环境中,凋落叶片腐烂产生的分泌物又能引起土壤胶结,从而增大土壤黏结力,这也是无芒雀麦草地在实验后期,其土壤黏结力持续增大的原因。

土壤黏结力的这种变化将引起土壤分离能力的波动。对照图1与图2发现,黏结力与土壤分离能力具有良好的对应关系。4月中旬—6月下旬,各样地土壤黏结力较小,相应的土壤分离能力较大,各样地试验期间土样分离能力最大值都处于本时段。6月下旬至试验结束,草地土壤黏结力一直较大,土壤分离能力较低。由于土壤黏结力过大,9月中旬至试验结束,无芒雀麦草地在较小的水流剪切力下,甚至观测不到土壤分离。裸地土壤黏结力7、8月份较大,相应地土壤分离能力较小,试验期间土壤分离最小值出现于8月上旬。9月中旬至试验结束,裸地土壤黏结力减小,土壤分离能力增大。土壤黏结力对土壤分离能力的影响还表现为,无芒雀麦草地土壤黏结力大于柳枝稷草地,也大于裸地,相应地各期土壤分离能力为无芒雀麦草地＜柳枝稷草地＜裸地。数据分析显示,随着土壤黏结力增大,土壤分离能力呈指数形式下降(图3)。

图3 土壤分离能力与土壤黏结力的关系Fig.3 Relationship between soil detachment capacity and soil cohesion

3.2.2 根系对土壤分离能力季节变化的影响 丰富的植被根系能增加土壤中有机质、水稳性团粒结构的数量,改善土壤物理性质,增加入渗,减小径流,从而提高土壤抗蚀能力[22],并通过根系网络串联、根系黏结及根系生物化学等作用,能有效固结土壤[12],减小土壤分离能力。试验初期,植被根系密度较小,主要来自上一年地下生物量积累。6月开始,气温升高,降雨量增大,植被快速生长,根系密度也迅速增大。经过6—8月的大量积累,柳枝稷草地根系密度在9月份达到全年峰值,无芒雀麦草地在10月初达到峰值(图4)。随着根系密度增大,根系固结土壤的作用不断增强,土壤分离能力总体呈降低的趋势(图5)。

图4 根系密度的季节变化Fig.4 Seasonal variation in root mass density

图5 土壤分离能力与根系密度的关系Fig.5 Relationship between soil detachment capacity and root mass density

图5显示,相同的根系密度,无芒雀麦草地土壤分离能力小于柳枝稷草地,这种差异除因为无芒雀麦草地土壤黏结力显著大于柳枝稷草地外,还由二者根径差异引起。S.D.Baets等[23]研究表明:植被根径尺寸会影响根系减少土壤侵蚀的效果,随着根径增加,根系减少土壤侵蚀的效果将变弱。本研究中,柳枝稷平均根径为0.482 mm,无芒雀麦根径为0.103 mm,无芒雀麦根径小于柳枝稷。相同的根系质量,无芒雀麦根系表面积更大,能更有效地发挥网络串联、根系黏结等作用;因此,无芒雀麦草地土壤分离能力较柳枝稷小。

3.3 土壤分离能力季节变化模拟

土壤黏结力、根系密度的季节变化,将引起土壤分离能力的季节波动。试验区内草地土壤分离能力与水流剪切力、根系密度、根径和土壤黏结力的关系如下:

式中:Dc为土壤分离能力,kg/(s·m2);τ为水流剪切力,Pa;Rd为根系密度,kg/m3;D为根径,mm;Sc为土壤黏结力,kPa。由式(4)看出,土壤分离能力可用水流剪切力、根系密度、根径和土壤黏结力较好地进行模拟,决定系数达0.636,纳什效率系数达0.614。

笔者研究的土壤分离能力预报模型与Yu Yaochuang等[16]类似,二者主要差别在于:Yu Yaochuang等研究对象为农地,引起土壤分离的临界剪切力为4.88 Pa;而本研究对象为草地,临界剪切力为6.13 Pa。这是因为2项研究的土地利用类型不同,草地土壤黏结力、根系密度都较大,且没有耕作措施扰动,土壤分离较难;因此,临界剪切力较大。

4 结论

1)3种土地利用类型下,土壤分离能力试验期内均有明显的季节变化。柳枝稷、无芒雀麦草地土壤分离能力具有相似的季节变化特征,裸地土壤分离能力季节变化特点与草地差异明显。

2)试验区内,土壤分离能力的季节变化主要受土壤黏结力和根系密度的影响,与土壤密度相关性不显著。随着土壤黏结力和根系密度的增大,草地土壤分离能力呈指数形式下降。试验区内草地土壤分离能力可用水流剪切力、土壤黏结力、根系密度和根径等参数进行模拟。

3)裸地土壤分离能力最大,柳枝稷草地次之,无芒雀麦地最小。试验期内,裸地土壤分离能力均值为柳枝稷草地的10.6倍,无芒雀麦草地的23.7倍。与柳枝稷相比,无芒雀麦由于自身的生物特性,能够长时间维持表土的阴湿环境,并导致土壤黏结力增大,且无芒雀麦根径更小,与土壤接触面积更大,网络串联、根系黏结等作用更强,这些因素的综合作用使得无芒雀麦减少土壤分离效果比柳枝稷更好。

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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

项目名称:国家自然科学基金青年项目“长江上游地区坡耕地土壤理化性质对土壤侵蚀阻力的影响机理”(41601288);国家自然科学基金重点项目“退耕驱动近地表特性变化对侵蚀过程的影响及其动力机制”(41530858);四川省教育厅项目“农、草地土壤侵蚀季节变化及其影响机制研究”(13ZA0254)

唐科明(1981—),男,博士,讲师。主要研究方向:土壤侵蚀与水土保持。E-mail:tangkeming1981@126.com

†通信作者简介:张光辉(1969—),男,博士,教授。主要研究方向:土壤侵蚀与水土保持。E-mail:ghzhang@bnu.edu.cn