郁耀闖，王長燕

(1.寶雞文理學(xué)院地理與環(huán)境學(xué)院，陜西 寶雞 721013；2.陜西省災(zāi)害監(jiān)測與機(jī)理模擬重點實驗室，陜西 寶雞 721013)

黃土高原丘陵區(qū)冰草和柳枝稷土壤細(xì)溝可蝕性季節(jié)動態(tài)

郁耀闖1,2，王長燕1,2

(1.寶雞文理學(xué)院地理與環(huán)境學(xué)院，陜西 寶雞 721013；2.陜西省災(zāi)害監(jiān)測與機(jī)理模擬重點實驗室，陜西 寶雞 721013)

為了評價黃土高原丘陵區(qū)退耕還草水土保持效應(yīng)，本研究以黃土丘陵區(qū)冰草(Agropyroncristatum)和柳枝稷(Panicumvirgatum)為研究對象，在不同坡度(S=17.36%～42.26%)和流量(Q=1.0～2.5 L·s-1)條件下，采用變坡試驗水槽測定土壤的分離能力，利用線性回歸方法，結(jié)合土壤侵蝕過程，運用WEPP模型推求土壤細(xì)溝可蝕性(Kr),分析了冰草和柳枝稷生育期內(nèi)土壤Kr的季節(jié)變化規(guī)律。結(jié)果表明，黃土丘陵區(qū)冰草生育期內(nèi)土壤Kr具有顯著的季節(jié)變化(P<0.05)，總體呈下降趨勢；柳枝稷生育期內(nèi)土壤Kr無顯著季節(jié)變化(P>0.05)。冰草土壤Kr表現(xiàn)為下降的季節(jié)變化，變化范圍為0.002 1～0.022 4 s·m-1；柳枝稷土壤Kr表現(xiàn)為先升高后降低的季節(jié)變化，變化范圍為0.003 2～0.021 9 s·m-1。土壤黏結(jié)力、水穩(wěn)性團(tuán)聚體和根重密度是影響冰草和柳枝稷生育期內(nèi)土壤Kr季節(jié)變化的主要因素。土壤細(xì)溝可蝕性與土壤黏結(jié)力、水穩(wěn)性團(tuán)聚體及根重密度間呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。此外，用土壤黏結(jié)力和根重密度能夠較好地模擬黃土丘陵區(qū)冰草和柳枝稷生育期內(nèi)土壤細(xì)溝可蝕性的季節(jié)變化。冰草和柳枝稷土壤細(xì)溝可蝕性季節(jié)變化主要由根系生長和土壤黏結(jié)力變化所致。土壤細(xì)溝可蝕性與土壤黏結(jié)力、水穩(wěn)性團(tuán)聚體和根重密度間呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。用土壤黏結(jié)力和根重密度等參數(shù)能夠較好地模擬冰草和柳枝稷土壤細(xì)溝可蝕性的季節(jié)變化規(guī)律。

黃土丘陵區(qū)；土壤細(xì)溝可蝕性；季節(jié)動態(tài)；根重密度

黃土高原地區(qū)土質(zhì)疏松、坡陡、暴雨集中、土地利用不合理和植被覆蓋率低[1-2]，年土壤侵蝕模數(shù)為5 000到10 000 t·(km2·a)-1[2-3]，是世界上土壤侵蝕最嚴(yán)重的區(qū)域之一，也是我國生態(tài)環(huán)境建設(shè)工程實施的重點區(qū)域。為控制該區(qū)土壤侵蝕，自1999年以來，開展了以退耕還林、還草為主要手段的自然和人工植被恢復(fù)工程。截止到2008年，該區(qū)退耕面積已達(dá)4.83×106hm-2[4]，地上植被的變化不但引起了地表層土壤屬性[5-7]和土壤侵蝕過程的變化，而且可能會導(dǎo)致近地表層土壤細(xì)溝可蝕性的變化。但目前兩者的定量關(guān)系還缺乏深入系統(tǒng)的研究。因此，探討黃土高原丘陵區(qū)冰草和柳枝稷土壤細(xì)溝可蝕性季節(jié)動態(tài)變化問題，對該區(qū)退耕草地的水土保持效益評價具有重要意義。

土壤細(xì)溝可蝕性(Kr)是土壤侵蝕過程模型中的重要參數(shù)[8-10]。在WEPP模型中，它與土壤臨界剪切力(τc)是反映土壤抵抗徑流沖刷的阻力參數(shù)[11]，且在應(yīng)用中能夠用侵蝕率、水穩(wěn)性團(tuán)粒含量和土壤滲透性能等土壤屬性來表征[12]。以往的研究表明，土壤可蝕性值與土壤屬性密切相關(guān)[13]，且具有時空分布規(guī)律[14-16]。但目前相關(guān)研究多集中于Kr的計算與分布[17-20]，對植被生育期Kr變化規(guī)律的研究相對薄弱。準(zhǔn)確定量Kr生育期變化規(guī)律可以為土壤侵蝕過程模型建立提供數(shù)據(jù)支撐。

冰草(Agropyroncristatum)是禾本科冰草屬植物，根系發(fā)達(dá)，具有較強(qiáng)的抗旱性和抗寒性，是黃土高原地區(qū)重要的優(yōu)勢種禾草，也是該區(qū)的優(yōu)良牧草和重要的水土保持植物。柳枝稷(Panicumvirgatum)為禾本科草本植物，20世紀(jì)90年代被引種到我國黃土高原地區(qū)，是一種需水量較少的禾本科牧草，具有優(yōu)良的水土保持性能。以黃土高原丘陵區(qū)植被恢復(fù)過程中冰草和柳枝稷為對象，研究兩種禾草生育期內(nèi)土壤Kr的季節(jié)動態(tài)變化規(guī)律及其與土壤屬性的定量關(guān)系，有助于黃土高原土壤侵蝕過程模型地建立。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗在陜西安塞水土保持綜合試驗站進(jìn)行,地理位置為109°19′23″ E，36°51′30″ N，海拔1 068～1 309 m，溫帶半干旱氣候是該區(qū)主要氣候類型，年均溫8.8 ℃，年平均降水量505.3 mm。峁?fàn)?、梁狀丘陵是該區(qū)的主要地貌類型，粉砂壤土是該區(qū)的主要土壤類型，溝蝕和面蝕是該區(qū)的主要土壤侵蝕類型。達(dá)烏里胡枝子(Lespedezadavurica)、茵陳蒿(Artemisiacapillaris)、白羊草(Bothriochloaischaemun)、長芒草(Stipabungeana)、冰草等是該區(qū)的主要草本植被類型，柳枝稷為該區(qū)主要的人工引種禾草之一。谷子(Setariaitalica)為該區(qū)一年生禾本科作物。

1.2 樣地選擇

試驗選取黃土高原丘陵區(qū)冰草和柳枝稷為研究對象，以谷子為對照。3個樣地均位于站內(nèi)川地，海拔1 070 m。冰草為退耕后人工恢復(fù)3年草地，柳枝稷為退耕后人工恢復(fù)17年草地，谷子為一年生作物。需要說明的是，農(nóng)耕地是該區(qū)土壤侵蝕泥沙的主要來源，谷子是該區(qū)農(nóng)耕地種植的主要作物之一，與冰草和柳枝稷同屬禾本科植物。因此，選取谷子作為對照。冰草和柳枝稷播種時采用旱作，條播(行距均為70 cm)，無灌溉和地表來水。種植后，每年成熟期，取地上部分生物量，留茬3 cm。谷子的行距為50 cm。從2012年4月18日至9月30日，每3 d 觀測冰草、柳枝稷和谷子的生長狀況，詳細(xì)記錄3種禾本科植物的生長過程(表1)。Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ和Ⅵ分別代表冰草和柳枝稷生育期內(nèi)的6個關(guān)鍵生長階段。

表1 冰草和柳枝稷生育期基本特征

1.3 樣品采集

試驗開始于2012年4月上旬，9月底結(jié)束。土壤分離能力試驗分別選取冰草、柳枝稷和谷子的6個關(guān)鍵生長階段進(jìn)行。在生育期內(nèi)的每個生長階段，分別在冰草地、柳枝稷地和谷子地靠近植株根部用內(nèi)徑9.8 cm、高5 cm 的環(huán)刀取原狀土[21]，利用變坡試驗水槽測定土壤的分離能力，每個關(guān)鍵生長階段每個樣地均采集30個土壤分離樣品，共采集90個環(huán)刀樣品，6個生長階段共采集土壤分離樣品540個，每次取樣設(shè)5個重復(fù)。

1.4 試驗方法

土壤分離能力用變坡試驗水槽系統(tǒng)測定(水槽長4 m、寬0.35 m、深0.6 m)。試驗設(shè)計如表2所示，采用6組坡度和流量組合。用染色法測定坡面流表面最大流速，修正系數(shù)為0.8[21-22]，土壤分離能力計算公式[21-22]：

(1)

式中：Dc為土壤分離能力[kg·(m2·s)-1]；Wa為沖刷前環(huán)刀內(nèi)土壤樣品干重(g)；Wb為沖刷后環(huán)刀內(nèi)土壤樣品干重(g)；t為沖刷時間(s)；A為環(huán)刀面積(m2)。

土壤細(xì)溝可蝕性(Kr)用土壤侵蝕過程WEPP模型計算[12]：

Dc=Kr(τ-τc)

(2)

式中：Dc為土壤分離能力[kg·(m2·s)-1]；Kr為土壤細(xì)溝可蝕性(s·m-1)；τ為水流剪切力(Pa)；τc為土壤臨界剪切力(Pa)。

表2 試驗中坡面流水力學(xué)參數(shù)

用微型黏結(jié)力儀測定土壤黏結(jié)力。用環(huán)刀法、干濕篩法和烘干法容重分別測定0-5 cm土層的土壤容重、水穩(wěn)性團(tuán)聚體和初始含水量。選取長勢大致相同的植株，用土壤采樣器在靠近植株根部0-5 cm土層取原狀土。根系樣品水洗后用烘干法測定根重密度。以上取樣重復(fù)次數(shù)均大于3次。

1.5 統(tǒng)計方法

利用SPSS 20.0軟件中的Pearson法分析土壤細(xì)溝可蝕性與土壤黏結(jié)力、容重、水穩(wěn)性團(tuán)聚體及根重密度的相關(guān)性，土壤細(xì)溝可蝕性季節(jié)動態(tài)顯著性檢驗采用ANOVA法(P<0.05)，多重比較采用LSD法，土壤細(xì)溝可蝕性季節(jié)動態(tài)模擬方程采用SPSS 20.0中的Nonlinear Regression 模塊構(gòu)建。

2 結(jié)果

2.1 土壤黏結(jié)力、容重和水穩(wěn)性團(tuán)聚體季節(jié)動態(tài)

在冰草生育期內(nèi)，土壤黏結(jié)力表現(xiàn)出明顯的季節(jié)動態(tài)(圖1)，變化范圍介于10.25～14.72 kPa，平均值為12.82 kPa，最大值出現(xiàn)在孕穗期(7月中旬)，最小值出現(xiàn)在返青期(4月中旬)。柳枝稷幾乎表現(xiàn)為持續(xù)升高的季節(jié)動態(tài)模式，變化范圍介于12.21～14.54 kPa，平均值為13.46 kPa，最大值出現(xiàn)在開花結(jié)果期(8月上旬)，最小值也出現(xiàn)在返青期。谷子土壤黏結(jié)力在整個生育期內(nèi)表現(xiàn)為升高-降低的季節(jié)變化，變化范圍介于1.08～12.62 kPa，平均值為8.79 kPa，最大值出現(xiàn)在籽粒形成期，最小值出現(xiàn)在播種期。

冰草土壤容重在整個生育期內(nèi)表現(xiàn)為先升高后降低的季節(jié)動態(tài)(圖1)，變化范圍介于1.04～1.19 g·cm-3，平均值為1.11 g·cm-3，最大值出現(xiàn)在8月上旬開花期，最小值出現(xiàn)在4月中旬返青期。柳枝稷土壤容重表現(xiàn)為先升高后降低再升高的季節(jié)動態(tài)，變化范圍介于1.12～1.17 g·cm-3，平均值為1.15 g·cm-3，最大值出現(xiàn)在種子成熟期(9月底)，最小值出現(xiàn)在返青期(4月中旬)。在谷子生育期內(nèi)，土壤容重表現(xiàn)為先升高后降低再升高的季節(jié)變化，變化范圍介于1.02～1.16 g·cm-3，平均值為1.10 g·cm-3，最大值出現(xiàn)在抽穗灌漿期，最小值出現(xiàn)在播種期。

冰草和柳枝稷土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體的季節(jié)動態(tài)總體上均呈上升趨勢(圖1)，變化介于28.37%～35.57%和30.86%～39.82%，平均值分別為31.80%和36.20%。冰草和柳枝稷土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體的最大值均出現(xiàn)在種子成熟期，最小值均出現(xiàn)在返青期。谷子土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體的季節(jié)變化在整個生育期內(nèi)增加了56%，總體呈上升趨勢，變化范圍介于14.84%～23.01%，平均值為19.73%，最大值出現(xiàn)在成熟期，最小值出現(xiàn)在播種期。

2.2 土壤細(xì)溝可蝕性季節(jié)動態(tài)

在整個生育期內(nèi)，冰草土壤細(xì)溝可蝕性具有明顯的季節(jié)動態(tài)，柳枝稷土壤細(xì)溝可蝕性在整個生育期內(nèi)無明顯的季節(jié)動態(tài)變化(圖2)。在整個生育期內(nèi)，冰草土壤細(xì)溝可蝕性為0.002 1～0.022 4 s·m-1，是谷子土壤細(xì)溝可蝕性變化的4.27%～30.48%，平均值為0.011 8 s·m-1，該值為谷子均值的8.1%。柳枝稷土壤細(xì)溝可蝕性在整個生育期內(nèi)表現(xiàn)為先升高后降低的季節(jié)動態(tài)，為0.003 2～0.021 9 s·m-1，是谷子土壤細(xì)溝可蝕性的3.61%～44.1%，平均值為0.013 8 s·m-1，是谷子平均值的9.4%。在整個生育期內(nèi)，柳枝稷土壤Kr平均值是冰草土壤Kr平均值的1.17倍。在返青期，冰草土壤Kr值比柳枝稷土壤Kr值高18.5%，除此之外，在Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ生育階段，則分別低17.4%、30.8%、19.4%、24.9%和34.9%。冰草土壤細(xì)溝可蝕性總體呈下降趨勢，在種子成熟末期下降到最低值0.002 1 s·m-1，下降幅度為91.0%。在柳枝稷生育期內(nèi)，從返青期至分蘗期，柳枝稷土壤細(xì)溝可蝕性呈上升趨勢，上升幅度為15.6%；從分蘗期至種子成熟期，柳枝稷土壤細(xì)溝可蝕性呈下降趨勢，下降幅度為85.3%；在種子成熟期下降到最低值0.003 2 s·m-1。從播種期至成熟期，谷子土壤細(xì)溝可蝕性總體呈下降趨勢，在4月中旬出現(xiàn)最大值(0.525 1 s·m-1)，在6月中旬出現(xiàn)最小值(0.043 3 s·m-1)，平均值為0.147 0 s·m-1。

圖1 冰草和柳枝稷土壤屬性季節(jié)動態(tài)

圖2 冰草和柳枝稷土壤細(xì)溝可蝕性季節(jié)動態(tài)

2.3 土壤細(xì)溝可蝕性季節(jié)動態(tài)影響因素

Pearson相關(guān)分析表明(表3)，土壤黏結(jié)力、容重、水穩(wěn)性團(tuán)聚體及根重密度是影響土壤細(xì)溝可蝕性季節(jié)動態(tài)變化的主要因子。兩種草地的土壤細(xì)溝可蝕性與土壤黏結(jié)力、容重、水穩(wěn)性團(tuán)聚體及根重密度間呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.05)。

表3 土壤細(xì)溝可蝕性與影響因子的相關(guān)系數(shù)

注：“**”表示極顯著相關(guān)(P<0.01)，“*”表示顯著相關(guān)(P<0.05)。

Note: ** and * indicate significant correlation at 0.01 and 0.05 levels, respectively.

2.4 冰草和柳枝稷土壤細(xì)溝可蝕性季節(jié)動態(tài)模擬

在冰草和柳枝稷生育期內(nèi)，土壤黏結(jié)力和容重是反映土壤硬化過程的兩個重要指標(biāo)，但土壤黏結(jié)力在整個生育期內(nèi)具有顯著的季節(jié)動態(tài)(P<0.05)，柳枝稷土壤容重在整個生育期內(nèi)無顯著的季節(jié)動態(tài)(P>0.05)。因此，在模擬方程(3)中沒有考慮土壤容重對土壤細(xì)溝可蝕性的影響。水穩(wěn)性團(tuán)聚體也是影響土壤細(xì)溝可蝕性季節(jié)動態(tài)的重要因子，但整個生育期內(nèi)，兩種草地的土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體無顯著的季節(jié)動態(tài)變化。所以，也未考慮它對土壤細(xì)溝可蝕性的影響。本研究采用非線性回歸方法，利用土壤黏結(jié)力和根重密度建立了冰草和柳枝稷土壤細(xì)溝可蝕性季節(jié)動態(tài)模擬方程：

Kr=a×exp(b×∫SC+c×∫RD)

(3)

式中：Kr為土壤細(xì)溝可蝕性(s·m-1)；SC為土壤黏結(jié)力(kPa)；RD為根重密度(kg·m-3)；a、b、c分別為回歸參數(shù)。

在土壤細(xì)溝可蝕性模擬方程(3)中，土壤黏結(jié)力和根重密度分別能夠解釋自變量土壤細(xì)溝可蝕性99%和89%的變量(表4)，這說明土壤黏結(jié)力和根重密度是影響兩種草地土壤細(xì)溝可蝕性季節(jié)動態(tài)的主要因素。冰草和柳枝稷土壤細(xì)溝可蝕性模型的納什系數(shù)(Nash-Sutcliffe efficiency coefficient，NSE)分別為0.990和0.890，模擬效果較為理想(圖3)。

表4 土壤細(xì)溝可蝕性模擬方程參數(shù)值

3 討論

盡管土壤Kr能夠反映土壤侵蝕過程中的侵蝕阻力，但有關(guān)它隨時間變化的研究還很少。本研究中冰草土壤Kr具有顯著季節(jié)變化規(guī)律，這與冬小麥(Triticumaestivum)[23]、玉米(Zeamays)[24]和谷子[23]等作物的研究結(jié)果是一致的。其原因可能是土壤黏結(jié)力、容重、土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體具有較大的季節(jié)波動規(guī)律(圖1)。但本研究柳枝稷土壤Kr的季節(jié)變化規(guī)律與冰草不一致，這可能是由于種植年限的不同等所導(dǎo)致。

圖3 土壤細(xì)溝可蝕性實測值與模擬值的關(guān)系

土壤黏結(jié)力與土壤顆粒的緊實程度有著密切的關(guān)系，直接影響著土壤的抗沖刷能力的大小。通常，土壤容易被徑流沖刷時，土壤的分離能力較大，Kr較大；反之，土壤難于被徑流沖刷，土壤的分離能力較小，Kr較小。在植被生長期內(nèi)，土壤黏結(jié)力會隨著根系的生長而增加[25]，這會導(dǎo)致土壤可蝕性的降低[26]。本研究中，在整個生育期內(nèi)冰草和柳枝稷的土壤黏結(jié)力均呈增加趨勢(圖1)，增幅分別為40%和19%，這會導(dǎo)致土壤顆粒與根土基質(zhì)之間強(qiáng)度的增加[27]，從而使近地表層土壤變得更為緊實，難以被徑流沖刷，進(jìn)而導(dǎo)致土壤Kr下降。冰草和柳枝稷在整個生育期內(nèi)的平均土壤黏結(jié)力(12.82和13.46 kPa)分別是谷子生育期內(nèi)平均土壤黏結(jié)力(8.79 kPa)的1.46倍和1.53倍，這說明冰草和柳枝稷土壤抵抗徑流被沖刷的能力強(qiáng)于谷子。因此，冰草和柳枝稷的土壤Kr要小于谷子的土壤Kr。這一研究結(jié)果與冬小麥[23]和玉米[24]的研究結(jié)果相同。土壤容重與土壤黏結(jié)力對Kr的影響機(jī)理類似，因此不再重復(fù)分析。

土壤細(xì)溝可蝕性與土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體在整個生育期內(nèi)表現(xiàn)出了反相位變化，即隨著土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體的增加，土壤Kr呈降低趨勢。土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體在土壤侵蝕過程中往往通過崩解和分散等作用來改變土壤結(jié)構(gòu)，為土壤侵蝕的產(chǎn)生提供物質(zhì)基礎(chǔ)。在整個草地生育期內(nèi)，根系生長過程中對土壤顆粒的捆綁和黏結(jié)等作用，有利于土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體的形成[28]，這會導(dǎo)致土壤難以被徑流沖刷，從而會降低土壤Kr的值。冰草和柳枝稷在生育期內(nèi)的平均土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體(31.8%和36.2%)分別是谷子生育期內(nèi)平均土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體(19.73%)的1.61倍和1.83倍，這說明冰草和柳枝稷土壤中大顆粒土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體的數(shù)量可能要多于谷子，降低土壤Kr的作用要強(qiáng)于谷子，這一結(jié)果與Coote 等[29]的研究結(jié)果相似。

土壤細(xì)溝可蝕性與根重密度間呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.05)(表3)。這可能與冰草和柳枝稷根系生長過程中捆綁和粘結(jié)土壤顆粒，改變了土壤滲透性和黏結(jié)力等土壤屬性[30]，提高了土壤的抗沖刷能力有關(guān)[31]。在冰草和柳枝稷生育期內(nèi)，根系主要通過網(wǎng)絡(luò)串聯(lián)、加筋、粘結(jié)等作用來改變土壤的理化性狀，提高土壤中水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量[28]，增強(qiáng)土壤的抗侵蝕能力，使土壤變得更加緊實，抗侵蝕阻力增強(qiáng)，從而導(dǎo)致土壤Kr下降。冰草和柳枝稷在整個生育期內(nèi)的平均根重密度(1.59和1.38 kg·m-3)分別是谷子平均根重密度(0.05 kg·m-3)的31.8倍和27.6倍，這說明冰草和柳枝稷根系比谷子根系更能增加土壤的穩(wěn)定性和增強(qiáng)土壤的侵蝕阻力。另外，冰草平均根重密度是柳枝稷平均根重密度的1.15倍，這說明冰草根系的固土能力要強(qiáng)于柳枝稷，這可能是導(dǎo)致冰草和柳枝稷土壤細(xì)溝可蝕性差異的主要原因。黃土高原不同植被類型根系結(jié)構(gòu)減緩?fù)寥狼治g效應(yīng)的作用有待于進(jìn)一步研究。

4 結(jié)論

1)在黃土高原丘陵區(qū)冰草和柳枝稷生育期內(nèi)，土壤細(xì)溝可蝕性分別呈現(xiàn)出降低和升高-降低的季節(jié)變化模式。

2)冰草和柳枝稷土壤細(xì)溝可蝕性的季節(jié)動態(tài)變化主要由土壤黏結(jié)力、水穩(wěn)性團(tuán)聚體和根重密度等因素所致；兩種草地土壤細(xì)溝可蝕性與土壤黏結(jié)力、容重、水穩(wěn)性團(tuán)聚體和根重密度間呈顯著或極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。

3)用根重密度和土壤黏結(jié)力能夠較好地模擬冰草和柳枝稷土壤細(xì)溝可蝕性的季節(jié)變化規(guī)律。

4)在整個生育期內(nèi)冰草和柳枝稷土壤細(xì)溝可蝕性的平均值遠(yuǎn)低于谷子土壤細(xì)溝可蝕性的平均值，這說明退耕還草是黃土高原丘陵區(qū)進(jìn)行水土保持的有效措施。

References:

[1] Zheng F L.Effect of vegetation changes on soil erosion on the Loess Plateau.Pedosphere,2006,16(4):420-427.

[2] Fu B J,Liu Y,Lu Y H,He C S,Zeng Y,Wu B F.Assessing the soil erosion control service of ecosystems change in the Loess Plateau of China.Ecological Complexity,2011,8(4):284-293.

[3] Zhang X C,Liu W Z.Simulating potential response of hydrology,soil erosion,and crop productivity to climate change in Changwu tablel and region on the Loess Plateau of China.Agricultural & Forest Meteorology,2005,131(3-4):127-142.

[4] Chen Y P,Wang K B,Lin Y S,Shi W Y,Song Y,He X H.Balancing green and grain trade.Nature Geoscience,2015,8(10):739-741.

[5] Angers D A,Caron J.Plant-induced changes in soil structure:Processes and feedbacks.Biogeochemistry,1998,42(1-2):55-72.

[6] Li Y Y,Shao M A.Change of soil physical properties under long-term natural vegetation restoration in the Loess Plateau of China.Journal of Arid Environments,2006,64(1):77-96.

[7] Jiao F,Wen Z M,An S S.Changes in soil properties across a chronosequence of vegetation restoration on the Loess Plateau of China.Catena,2011,86(2):110-116.

[8] Hirschi M C,Barfield B J.KYERMO——A physically based research erosion model.Part Ⅰ.Model development.Transactions of the American Society of Agricultural Biological Engineers,1988,31(3):804-813.

[9] Nearing M A,Foster G R,Lane L J,Finkner S C.A process-based soil erosion model for USDA-water erosion prediction technology.Transactions of the American Society of Agricultural Engineers,1989,32(5):1587-1593.

[10] Flanagan D C,Nearing M A.Water erosion prediction project (WEEP) model.Landscape Erossion and Evolution Modeling,2001,53(5):1399-1411.

[11] Knapen A,Poesen J,Govers G,Gyssels G,Nachtergaele J.Resistance of soils to concentrated flow erosion:a review.Earth Science Reviews,2007,80(1):75-109.

[12] 楊玉盛.不同利用方式下紫色土可蝕性的研究.水土保持學(xué)報,1992,6(3):52-58. Yang Y S.A study on the erodibility of parplish soil under different land utilization forms.Journal of Soil and Sater Conservation,1992,6(3):52-58.(in Chinese)

[13] 鄧良基,侯大斌,王昌全,張世熔,夏建國.四川自然土壤和旱耕地土壤可蝕性特征研究.中國水土保持,2003(7):23-25. Deng L J,Hou D B,Wang C Q,Zhang S R,Xia J G.Study on soil erodibility of natural soil and dry farmland soil in Sichuan.Soil and Water Conservation in China,2003(7):23-25.(in Chinese)

[14] 梁音,劉憲春,曹龍熹,鄭粉莉,張平倉,史明昌,曹全意,袁久芹.中國水蝕區(qū)土壤可蝕性 K值計算與宏觀分布.中國水土保持,2013(10):35-40. Liang Y,Liu X C,Cao L X,Zheng F L,Zhang P C,Shi M C,Cao Q Y,Yuan J Q.The calculation and macroscopic distribution of soil erodibility K value in China’s water erosion area.Soil and Water Conservation in China,2013(10):35-40.(in Chinese)

[15] 張科利,蔡永明,劉寶元,彭文英.土壤可蝕性動態(tài)變化規(guī)律研究.地理學(xué)報,2001,56(6):673-681. Zhang K L,Cai Y M,Liu B Y,Peng W Y.Fluctuation of soil erodibility due to rainfall intensity.Acta Geographica Sinica,2001,56(6):673-681.(in Chinese)

[16] 王彬.土壤可蝕性動態(tài)變化機(jī)制與土壤可蝕性估算模型.楊凌:西北農(nóng)林科技大學(xué)博士學(xué)位論文,2013. Wang B.Dynamic mechanism of soil erodibility and soil erodibility calculation model.PhD Thesis.Yangling:Northwest Agriculture & Forest University,2013.(in Chinese)

[17] 劉寶元,史培軍.WEPP水蝕預(yù)報流域模型.水土保持通報,1998,18(5):6-12. Liu B Y,Shi P J.Water erosion prediction project (WEPP) model for watershed scale.Bulletin of Soil and Water Conservation,1998,18(5):6-12.(in Chinese)

[18] 吳昌廣,曾毅,周志翔,王鵬程,肖文發(fā),羅翀.三峽庫區(qū)土壤可蝕性K值研究.中國水土保持科學(xué),2010,8(3):8-12. Wu C G,Zeng Y,Zhou Z X,Wang P C,Xiao W F,Luo C.Soil erodibility K value in three gorges reservoir area.Science of Soil and Water Conservation,2010,8(3):8-12.(in Chinese)

[19] 周寧,李超,琚存勇,馬亞懷.黑龍江省土壤可蝕性K值特征分析.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2015,31(10):182-189. Zhou N,Li C,Ju C Y,Ma Y H.Analysis of characteristics of soil erodibility K value in Heilongjiang Province.Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering,2015,31(10):182-189.(in Chinese)

[20] 王莉娜，李文龍，王素芳，陳迪，許靜.基于遙感和USLE模型的2000-2010年甘肅省土壤侵蝕變化評價.草業(yè)科學(xué),2016,33(2):176-183. Wang L N,Li W L,Wang S F,Chen D,Xu J．Variation in soil erosion based on USLE model and remote sensing technology during 2000-2010 in Gansu Province．Pratacultural Science,2016,33(2):176-183.(in Chinese)

[21] Zhang G H,Tang K M,Zhang X C.Temporal variation in soil detachment under different land uses in the Loess Plateau of China.Earth Surface Processes and Landforms,2009,34(9):1302-1309.

[22] Nearing M A,Simanton J R,Norton L D,Bulygin S J,Stone J.Soil erosion by surface water flow on a stony,semiarid hillslope.Earth Surface Processes and Landforms,1999,24(8):677-686.

[23] Knapen A,Poesen J,De Baets S.Seasonal variations in soil erosion resistance during concentrated flow for a loess-derived soil under two contraxting tillage practices.Soil and Tillage Research,2007,94(2):425-440．

[24] Yu Y C,Zhang G H,Geng R,Li Z W.Temporal variation in soil rill erodibility to concentrated flow detachment under four typical croplands in the Loess Plateau of China.Journal of Soil and Water Conservation,2014,69(4):352-363．

[25] Norris J E.Root reinforcement by hawthorn and oak roots on a highway cut-slope in southern England.Plant & Soil,2005,278(1-2):43-53.

[26] Baets S de,Poesen J,Gyssels G,Knapen A.Effects of grass on the erodibility of topsoil during concentrated flow.Geomorphology,2006,76(1-2):54-67．

[27] Tengbeh G T.The effect of grass roots on shear strength variations with moisture content.Soil Technology,1993,6(3):287-295.

[28] Wang B,Zhang G H,Zhang X C,Li Z W,Su Z L,Yi T,Shi Y Y.Effects of near soil surface characteristics on soil detachment by overland flow in a natural succession grassland.Soil Science Society of America Journal,2014,78(59):589-597.

[29] Coote D R,Malcolmmcgovern M C A,Wall G J,Dickinson W T,Rudra R P.Seasonal variations of erodibility indices based on shear strength and aggregate stability in some Ontario soils.Canadian Journal of Soil Science,1988,68(2):405-416.

[30] 張曉艷,周正朝．黃土高原地區(qū)草地植被調(diào)控土壤水蝕機(jī)理的研究進(jìn)展.草業(yè)科學(xué),2015,32(1):64-70. Zhang X Y,Zhou Z C．Research progress on mechanism of grassland vegetation regulating soil erosion in Loess Plateau.Pratacultural Science,2015,32(1):64-70.(in Chinese)

[31] 李勇,吳欽孝,朱顯謨,田積瑩.黃土高原植物根系提高土壤抗沖性能的研究.Ⅰ.油松人工林根系對土壤抗沖性的增強(qiáng)效應(yīng).水土保持學(xué)報,1990,4(1):1-5． Li Y,Wu Q X,Zhu X M,Tian J Y.Studies on the intensification of soil anti-scourability by plant roots in the Loess Plateau Ⅰ.The increasing effect of soil anti-scourability by the roots of Chinese Pine.Journal of Soil and Water Conservation,1990,4(1):1-5.(in Chinese)

(責(zé)任編輯 茍燕妮)

Seasonal dynamics of soil rill erodibility under wheatgrass and switchgrass vegetation in the hilly-gully region of Loess Plateau

Yu Yao-chuang1,2, Wang Chang-yan1,2

(1.College of Geography and Environment, Baoji Arts and Sciences University, Baoji 721013, China；2.Key Laboratory of Disaster Monitoring and Mechanism Simulating of Shaanxi Province, Baoji 721013, China)

In order to evaluate soil and water conservation status in the restored grasslands in “Grain for Green” history in the hilly-gully region of Loess Plateau, wheatgrass and switchgrass plots were studied. The scouring experiments were carried out in a laboratory to simulate soil detachment by concentrated flow under six slopes (S=17.36%～42.26%) and discharges (Q=1.0～2.5 L·s-1). Soil rill erodibility (Kr) was estimated by WEPP model. The seasonal dynamics of soil rill erodibility under wheatgrass and switchgrass vegetation were studied during the growing season. Soil rill erodibility under wheatgrass in the hilly-gully region of Loess Plateau varied significantly with season (P<0.05), revealing a significant decline during the growing season. In contrast, soil rill erodibility under switchgrass cover had no clear seasonal dynamics during the growing season (P>0.05). Krvalues in wheatgrass plots varied from 0.002 1 to 0.022 4 s·m-1. Soil rill erodibility in switchgrass displayed a pattern of seasonal dynamics, including an initial increase, followed by decline. Krvalues in switchgrass plots varied from 0.003 2 to 0.021 9 s·m-1. The seasonal dynamics of soil rill erodibility of wheatgrass and switchgrass were affected by seasonal changes in soil cohesion, water-stable aggregate content, and grass root density. Significant negative correlation between soil rill erodibility and soil cohesion, water-stable aggregate content, and grass root density were found. In addition, the dynamics of change in soil rill erodibility of wheatgrass and switchgrass plots could be predicted based on with soil cohesion and grass root density. The growth of grass root system and the seasonal change in soil cohesion emerged as the main factors affecting the dynamics of soil rill erodibility of the restored grasslands in the hilly-gully region of Loess Plateau. Soil rill erodibility of the two types of grasslands showed significant negative correlation with soil cohesion and water-stable aggregate content, which are important parameters for simulating the dynamics of soil rill erodibility of the restored grasslands in this region.

hilly-gully region of Loess Plateau; soil rill erodibility; seasonal dynamics; grass root density

Wang Chang-yan E-mail:wcyxa_1979@163.com

10.11829/j.issn.1001-0629.2016-0346

郁耀闖,王長燕.黃土高原丘陵區(qū)冰草和柳枝稷土壤細(xì)溝可蝕性季節(jié)動態(tài).草業(yè)科學(xué),2017,34(5)：950-957.

Yu Y C,Wang C Y.Seasonal dynamics of soil rill erodibility under wheatgrass and switchgrass vegetation in the hilly-gully region of Loess Plateau.Pratacultural Science，2017,34(5)：950-957.

2016-06-27 接受日期：2017-01-03

國家自然科學(xué)基金項目(41371497、41171423、41601016)；陜西省教育廳重點實驗室項目(2010JS072、2009JS071)；寶雞文理學(xué)院重點科研項目(ZK2017039、ZK2017040)

郁耀闖(1980-)，男，河南南陽人，副教授，博士，研究方向為土壤侵蝕與環(huán)境效應(yīng)。E-mail:yuyaochuang@126.com

王長燕(1979-)，女，山東招遠(yuǎn)人，副教授，博士，研究方向為土壤侵蝕與植被關(guān)系。E-mail:wcyxa_1979@163.com

S812.2;S157.2

A

1001-0629(2017)05-0950-08