试验在陕西安塞水土保持综合试验站进行, 地理位置为109° 19'23″ E, 36° 51'30″ N, 海拔1 068~1 309 m, 温带半干旱气候是该区主要气候类型, 年均温8.8 ℃, 年平均降水量505.3 mm。峁状、梁状丘陵是该区的主要地貌类型, 粉砂壤土是该区的主要土壤类型, 沟蚀和面蚀是该区的主要土壤侵蚀类型。达乌里胡枝子(Lespedeza davurica)、茵陈蒿(Artemisia capillaris)、白羊草(Bothriochloa ischaemun)、长芒草(Stipa bungeana)、冰草等是该区的主要草本植被类型, 柳枝稷为该区主要的人工引种禾草之一。谷子(Setaria italica)为该区一年生禾本科作物。

试验选取黄土高原丘陵区冰草和柳枝稷为研究对象, 以谷子为对照。3个样地均位于站内川地, 海拔1 070 m。冰草为退耕后人工恢复3年草地, 柳枝稷为退耕后人工恢复17年草地, 谷子为一年生作物。需要说明的是, 农耕地是该区土壤侵蚀泥沙的主要来源, 谷子是该区农耕地种植的主要作物之一, 与冰草和柳枝稷同属禾本科植物。因此, 选取谷子作为对照。冰草和柳枝稷播种时采用旱作, 条播(行距均为70 cm), 无灌溉和地表来水。种植后, 每年成熟期, 取地上部分生物量, 留茬3 cm。谷子的行距为50 cm。从2012年4月18日至9月30日, 每3 d 观测冰草、柳枝稷和谷子的生长状况, 详细记录3种禾本科植物的生长过程(表1)。Ⅰ 、Ⅱ 、Ⅲ 、Ⅳ 、Ⅴ 和Ⅵ 分别代表冰草和柳枝稷生育期内的6个关键生长阶段。

表1

Table 1

表1(Table 1)

表1 冰草和柳枝稷生育期基本特征 Table 1 Basic characteristics of wheatgrass and switchgrass during the growing season 序号 Code 生育时间 Growth time/ MM-DD 草地类型Grass type 冰草Wheatgrass 柳枝稷Switchgrass 谷子 Millet Ⅰ 04-18 返青Regreening 返青Regreening 播种期Sowing Ⅱ 05-20 分蘖Tillering 分蘖Tillering 幼苗期Seedling Ⅲ 06-18 拔节Jointing 拔节孕穗Jointing and booting 拔节孕穗Jointing Ⅳ 07-20 孕穗Booting 抽穗Heading 抽穗灌浆期Heading and filling Ⅴ 08-10 开花Flowering 开花结果Blooming and fruit-bearing 籽粒形成期Grain forming Ⅵ 09-30 种子成熟Seed maturing 种子成熟Seed maturing 成熟期Maturing

表1 冰草和柳枝稷生育期基本特征 Table 1 Basic characteristics of wheatgrass and switchgrass during the growing season

试验开始于2012年4月上旬, 9月底结束。土壤分离能力试验分别选取冰草、柳枝稷和谷子的6个关键生长阶段进行。在生育期内的每个生长阶段, 分别在冰草地、柳枝稷地和谷子地靠近植株根部用内径9.8 cm、高5 cm 的环刀取原状土^[21], 利用变坡试验水槽测定土壤的分离能力, 每个关键生长阶段每个样地均采集30个土壤分离样品, 共采集90个环刀样品, 6个生长阶段共采集土壤分离样品540个, 每次取样设5个重复。

土壤分离能力用变坡试验水槽系统测定(水槽长4 m、宽0.35 m、深0.6 m)。试验设计如表2所示, 采用6组坡度和流量组合。用染色法测定坡面流表面最大流速, 修正系数为0.8^{[21, 22]}, 土壤分离能力计算公式^{[21, 22]}:

D_c= Wa-Wb1000×t×A(1)

式中:D_c为土壤分离能力[kg· (m²· s)^-1]; W_a为冲刷前环刀内土壤样品干重(g); W_b为冲刷后环刀内土壤样品干重(g); t为冲刷时间(s); A为环刀面积(m²)。

土壤细沟可蚀性(K_r)用土壤侵蚀过程WEPP模型计算^[12]:

D_c=K_r(τ -τ _c) (2)

式中:D_c为土壤分离能力[kg· (m²· s)^-1]; K_r为土壤细沟可蚀性(s· m^-1); τ 为水流剪切力(Pa); τ _c为土壤临界剪切力(Pa)。

表2

Table 2

表2(Table 2)

表2 试验中坡面流水力学参数 Table 2 The hydraulic parameters of overland flow used in the scouring experiment 流量 Flow/l· s-1 坡度 Slope/% 水流剪切力 Flow shear stress/Pa 1.0 17.4 5.71 2.0 17.4 8.60 2.0 25.9 10.75 1.5 42.3 13.06 2.0 42.3 15.36 2.5 42.3 17.18

表2 试验中坡面流水力学参数 Table 2 The hydraulic parameters of overland flow used in the scouring experiment

用微型黏结力仪测定土壤黏结力。用环刀法、干湿筛法和烘干法容重分别测定0-5 cm土层的土壤容重、水稳性团聚体和初始含水量。选取长势大致相同的植株, 用土壤采样器在靠近植株根部0-5 cm土层取原状土。根系样品水洗后用烘干法测定根重密度。以上取样重复次数均大于3次。

利用SPSS 20.0软件中的Pearson法分析土壤细沟可蚀性与土壤黏结力、容重、水稳性团聚体及根重密度的相关性, 土壤细沟可蚀性季节动态显著性检验采用ANOVA法(P< 0.05), 多重比较采用LSD法, 土壤细沟可蚀性季节动态模拟方程采用SPSS 20.0中的Nonlinear Regression 模块构建。

在冰草生育期内, 土壤黏结力表现出明显的季节动态(图1), 变化范围介于10.25~14.72 kPa, 平均值为12.82 kPa, 最大值出现在孕穗期(7月中旬), 最小值出现在返青期(4月中旬)。柳枝稷几乎表现为持续升高的季节动态模式, 变化范围介于12.21~14.54 kPa, 平均值为13.46 kPa, 最大值出现在开花结果期(8月上旬), 最小值也出现在返青期。谷子土壤黏结力在整个生育期内表现为升高-降低的季节变化, 变化范围介于1.08~12.62 kPa, 平均值为8.79 kPa, 最大值出现在籽粒形成期, 最小值出现在播种期。

图1

Fig. 1

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图1 冰草和柳枝稷土壤属性季节动态 注:不同小写字母表示不同物种同一生长阶段间差异显著(P< 0.05), 不同大写字母表示同一物种不同生长阶段间差异显著(P< 0.05), Ⅰ , Ⅱ , …, Ⅵ 同表1。下同。Fig. 1 Seasonal dynamics of soil properties of under wheatgrass and switchgrass vegetation Note: Different lowercase letters indicate significant difference among the different treatments in the same growth stage at the 0.05 level, and different capital letters for the same plot indicate significant difference with the same treatment among different growth stages at the 0.05 level; Ⅰ , Ⅱ , …, Ⅵ same as Table 1; similary for the following figures.

冰草土壤容重在整个生育期内表现为先升高后降低的季节动态(图1), 变化范围介于1.04~1.19 g· cm^-3, 平均值为1.11 g· cm^-3, 最大值出现在8月上旬开花期, 最小值出现在4月中旬返青期。柳枝稷土壤容重表现为先升高后降低再升高的季节动态, 变化范围介于1.12~1.17 g· cm^-3, 平均值为1.15 g· cm^-3, 最大值出现在种子成熟期(9月底), 最小值出现在返青期(4月中旬)。在谷子生育期内, 土壤容重表现为先升高后降低再升高的季节变化, 变化范围介于1.02~1.16 g· cm^-3, 平均值为1.10 g· cm^-3, 最大值出现在抽穗灌浆期, 最小值出现在播种期。

冰草和柳枝稷土壤水稳性团聚体的季节动态总体上均呈上升趋势(图1), 变化介于28.37%~35.57%和30.86%~39.82%, 平均值分别为31.80%和36.20%。冰草和柳枝稷土壤水稳性团聚体的最大值均出现在种子成熟期, 最小值均出现在返青期。谷子土壤水稳性团聚体的季节变化在整个生育期内增加了56%, 总体呈上升趋势, 变化范围介于14.84%~23.01%, 平均值为19.73%, 最大值出现在成熟期, 最小值出现在播种期。

在整个生育期内, 冰草土壤细沟可蚀性具有明显的季节动态, 柳枝稷土壤细沟可蚀性在整个生育期内无明显的季节动态变化(图2)。在整个生育期内, 冰草土壤细沟可蚀性为0.002 1~0.022 4 s· m^-1, 是谷子土壤细沟可蚀性变化的4.27%~30.48%, 平均值为0.011 8 s· m^-1, 该值为谷子均值的8.1%。柳枝稷土壤细沟可蚀性在整个生育期内表现为先升高后降低的季节动态, 为0.003 2~0.021 9 s· m^-1, 是谷子土壤细沟可蚀性的3.61%~44.1%, 平均值为0.013 8 s· m^-1, 是谷子平均值的9.4%。在整个生育期内, 柳枝稷土壤K_r平均值是冰草土壤K_r平均值的1.17倍。在返青期, 冰草土壤K_r值比柳枝稷土壤K_r值高18.5%, 除此之外, 在Ⅱ 、Ⅲ 、Ⅳ 、Ⅴ 、Ⅵ 生育阶段, 则分别低17.4%、30.8%、19.4%、24.9%和34.9%。冰草土壤细沟可蚀性总体呈下降趋势, 在种子成熟末期下降到最低值0.002 1 s· m^-1, 下降幅度为91.0%。在柳枝稷生育期内, 从返青期至分蘖期, 柳枝稷土壤细沟可蚀性呈上升趋势, 上升幅度为15.6%; 从分蘖期至种子成熟期, 柳枝稷土壤细沟可蚀性呈下降趋势, 下降幅度为85.3%; 在种子成熟期下降到最低值0.003 2 s· m^-1。从播种期至成熟期, 谷子土壤细沟可蚀性总体呈下降趋势, 在4月中旬出现最大值(0.525 1 s· m^-1), 在6月中旬出现最小值(0.043 3 s· m^-1), 平均值为0.147 0 s· m^-1。

图2

Fig. 2

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	图2 冰草和柳枝稷土壤细沟可蚀性季节动态Fig. 2 Seasonal dynamics of soil rill erodibility in wheatgrass and switchgrass covered plots

Pearson相关分析表明(表3), 土壤黏结力、容重、水稳性团聚体及根重密度是影响土壤细沟可蚀性季节动态变化的主要因子。两种草地的土壤细沟可蚀性与土壤黏结力、容重、水稳性团聚体及根重密度间呈显著负相关关系(P< 0.05)。

表3

Table 3

表3(Table 3)

表3 土壤细沟可蚀性与影响因子的相关系数 Table 3 Correlation between soil rill erodibility and soil properties 类型 Type Kr冰草 Wheatgrass Kr柳枝稷 Switchgrass 土壤黏结力Soil cohesion -0.886* -0.859* 土壤容重Soil bulk density -0.939* * -0.874* 土壤水稳性团聚体 Soil water-stable aggregates -0.908* -0.847* 根重密度Root density -0.870* -0.905* 注:“ * * ” 表示极显著相关(P< 0.01), “ * ” 表示显著相关(P< 0.05)。 Note: * * and * indicate significant correlation at 0.01 and 0.05 levels, respectively.

表3 土壤细沟可蚀性与影响因子的相关系数 Table 3 Correlation between soil rill erodibility and soil properties

在冰草和柳枝稷生育期内, 土壤黏结力和容重是反映土壤硬化过程的两个重要指标, 但土壤黏结力在整个生育期内具有显著的季节动态(P< 0.05), 柳枝稷土壤容重在整个生育期内无显著的季节动态(P> 0.05)。因此, 在模拟方程(3)中没有考虑土壤容重对土壤细沟可蚀性的影响。水稳性团聚体也是影响土壤细沟可蚀性季节动态的重要因子, 但整个生育期内, 两种草地的土壤水稳性团聚体无显著的季节动态变化。所以, 也未考虑它对土壤细沟可蚀性的影响。本研究采用非线性回归方法, 利用土壤黏结力和根重密度建立了冰草和柳枝稷土壤细沟可蚀性季节动态模拟方程:

K_r=a× exp(b× ∫ SC+c× ∫ RD) (3)

式中:K_r为土壤细沟可蚀性(s· m^-1); SC为土壤黏结力(kPa); RD为根重密度(kg· m^-3); a、b、c分别为回归参数。

在土壤细沟可蚀性模拟方程(3)中, 土壤黏结力和根重密度分别能够解释自变量土壤细沟可蚀性99%和89%的变量(表4), 这说明土壤黏结力和根重密度是影响两种草地土壤细沟可蚀性季节动态的主要因素。冰草和柳枝稷土壤细沟可蚀性模型的纳什系数(Nash-Sutcliffe efficiency coefficient, NSE)分别为0.990和0.890, 模拟效果较为理想(图3)。

图3

Fig. 3

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	图3 土壤细沟可蚀性实测值与模拟值的关系Fig. 3 Relationship between the simulated and observed soil rill erodibility

表4

Table 4

表4(Table 4)

表4 土壤细沟可蚀性模拟方程参数值 Table 4 Parameters of the simulated equation of soil rill erodibility 参数 Parameter 冰草 Wheatgrass 柳枝稷 Switchgrass a 0.349 0.358 b -0.090 -0.059 c -1.592 -1.895 R2 0.990 0.890 NSE 0.990 0.890

表4 土壤细沟可蚀性模拟方程参数值 Table 4 Parameters of the simulated equation of soil rill erodibility