風(fēng)蝕過(guò)程中翻耕農(nóng)田土壤抗剪強(qiáng)度變化

劉瑞娟，李繼峰,2，馮 哲，楊美妞，常春平,3，郭中領(lǐng),3，王仁德

(1.河北師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，石家莊 050024；2.河北省環(huán)境變化遙感識(shí)別技術(shù)創(chuàng)新中心，石家莊 050024；3.河北省環(huán)境演變與生態(tài)建設(shè)實(shí)驗(yàn)室，石家莊 050024；4.河北省科學(xué)院地理科學(xué)研究所，石家莊 050021)

土壤風(fēng)蝕是風(fēng)力作用下土壤表層細(xì)顆粒和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)被吹蝕、搬運(yùn)與堆積的過(guò)程，可導(dǎo)致風(fēng)蝕發(fā)生地區(qū)土壤沙化、粗化、肥力下降以及結(jié)構(gòu)性變差，是干旱半干旱地區(qū)土壤退化的主要原因之一。土壤風(fēng)蝕是氣流—土壤界面相互作用機(jī)制的連續(xù)動(dòng)力過(guò)程，影響土壤風(fēng)蝕的各要素可以分類歸納為風(fēng)力侵蝕力、地表粗糙干擾力、土壤抗侵蝕力3類影響因子。相比用土壤沙粒、粉粒和黏粒含量以及CaCO、有機(jī)質(zhì)含量等土壤理化指標(biāo)表達(dá)的土壤可蝕性，土壤抗蝕性可以從表土對(duì)風(fēng)的抵抗力角度描述土壤抗蝕因子產(chǎn)生的土壤抗蝕力。土壤抗蝕力是表土本身具有的抵抗風(fēng)剪切力的能力，對(duì)于土壤抗蝕力的表達(dá)，必須是力學(xué)意義明確且易于測(cè)量的土壤力學(xué)指標(biāo)。土壤抗剪強(qiáng)度表征土壤在外力剪切作用下土體剪切破壞產(chǎn)生的抵抗力，在土壤水力侵蝕過(guò)程中，抗剪強(qiáng)度作為水蝕的關(guān)鍵性指標(biāo)，是影響土壤水力侵蝕臨界摩阻速度和土壤水蝕的關(guān)鍵因素。土壤風(fēng)蝕與土壤水蝕在侵蝕動(dòng)力和侵蝕過(guò)程上均有相似性，土壤水蝕研究的理論和方法為土壤風(fēng)蝕研究起到借鑒作用，因此土壤抗剪強(qiáng)度也可作為土壤風(fēng)蝕的指標(biāo)，表征土壤抗蝕性的大小。大量研究表明，土壤抗風(fēng)蝕能力與土壤抗剪強(qiáng)度密切相關(guān)，有學(xué)者研究含水率、地溫和植被覆蓋等因素與不同土地利用類型土壤抗剪強(qiáng)度的關(guān)系，描述了土壤抗風(fēng)蝕能力與土壤抗剪強(qiáng)度的關(guān)系。代軍等研究發(fā)現(xiàn)，遼西北風(fēng)沙地不同土地利用方式下的土壤綜合抗蝕性表現(xiàn)為花生地>樟子松林地>荒草地>大扁杏林地，土壤的力學(xué)指標(biāo)與土壤抗蝕性指標(biāo)存在正相關(guān)關(guān)系。由此可見，用土壤抗剪強(qiáng)度表示抗風(fēng)蝕能力是可行的。

土壤粒度、養(yǎng)分等土壤抗蝕性影響因素隨風(fēng)蝕過(guò)程在不斷變化，土壤抗風(fēng)蝕能力也隨著風(fēng)蝕事件的發(fā)生和發(fā)展產(chǎn)生相應(yīng)變化。張正偲等研究表明，風(fēng)蝕過(guò)程中造成土壤表層粗化，地表細(xì)顆粒物減少，細(xì)顆粒物的最小粒徑也逐漸增大；劉剛等的對(duì)照試驗(yàn)表明，土壤風(fēng)蝕造成無(wú)牧草覆蓋的土壤表層顆粒粗化，細(xì)粒物質(zhì)流失，種植牧草可提高土壤的抗蝕性；王仁德等的研究也發(fā)現(xiàn)，無(wú)論是風(fēng)蝕月、風(fēng)蝕季還是多年的時(shí)間尺度，特別是翻耕農(nóng)田表層土壤中粒徑<0.85 mm的土壤團(tuán)聚體含量均呈現(xiàn)降低趨勢(shì)，土壤的可蝕性均有所降低；李昂等研究發(fā)現(xiàn)，從整個(gè)風(fēng)蝕季來(lái)看，裸地的土壤有機(jī)質(zhì)流失嚴(yán)重，有牧草和小麥覆蓋的地表有機(jī)質(zhì)流失較小。前人研究結(jié)果皆從土壤理化性質(zhì)出發(fā)來(lái)研究土壤抗蝕性變化，但從力學(xué)角度描述的土壤抗風(fēng)蝕能力在風(fēng)蝕季的變化鮮有報(bào)道。

為進(jìn)一步明確土壤抗蝕性與土壤抗剪強(qiáng)度的關(guān)系，從力學(xué)角度厘清土壤抗蝕性在土壤風(fēng)蝕過(guò)程中的變化過(guò)程，本文以河北壩上典型翻耕地中未干擾破壞地表與干擾破壞地表2種類型的樣點(diǎn)為研究對(duì)象，采用野外原位試驗(yàn)和室內(nèi)分析相結(jié)合的方法，對(duì)比分析土壤抗剪強(qiáng)度在風(fēng)蝕事件前后及風(fēng)蝕季的變化，進(jìn)而探討土壤抗蝕性在風(fēng)蝕過(guò)程中的變化，為從土壤力學(xué)性質(zhì)方面揭示土壤風(fēng)蝕的機(jī)理提供試驗(yàn)探索，為構(gòu)建力學(xué)意義明確的土壤抗蝕性指標(biāo)提供理論和數(shù)據(jù)支撐。

1 試驗(yàn)區(qū)概況

研究區(qū)位于河北省壩上地區(qū)康?？h風(fēng)蝕綜合觀測(cè)場(chǎng)(41°25′—42°08′N，114°11′—114°56′E)，該區(qū)位于北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶的中部，是京津冀風(fēng)沙源治理工程的重點(diǎn)區(qū)域，屬于溫帶大陸性氣候，多年平均降水量338.50 mm，多年平均風(fēng)速2.99 m/s，其中3—5月風(fēng)力最大，月平均風(fēng)速達(dá)3.48 m/s，1—2月和12月次之，9—11月稍次，6—8月風(fēng)力最小，近30年的年平均大風(fēng)日數(shù)約為40天；土壤類型為栗鈣土，土壤有機(jī)質(zhì)含量較低；主要土地利用類型為耕地、草地、灌草地等。由于長(zhǎng)期過(guò)度放牧和不合理的土地利用方式，該地區(qū)土壤風(fēng)蝕嚴(yán)重。

2 材料與方法

2.1 樣地設(shè)置

本試驗(yàn)在河北省康保縣土壤風(fēng)蝕綜合觀測(cè)場(chǎng)進(jìn)行，綜合考慮當(dāng)?shù)氐匦螤顩r、土地利用方式及土地耕作方式等因素，選取地表較為平坦均一的典型翻耕農(nóng)田作為試驗(yàn)地塊。試驗(yàn)地塊分為2種類型：一類為農(nóng)田在經(jīng)過(guò)翻耕后無(wú)人為干擾，具備較完整土壤結(jié)皮的地表(稱作翻耕未干擾破壞地表)；另一類為翻耕農(nóng)田表層結(jié)皮經(jīng)人為粉碎破壞后的地表(稱作翻耕干擾破壞地表)。為研究翻耕農(nóng)田未干擾破壞地表抗剪強(qiáng)度在風(fēng)蝕季及風(fēng)蝕事件前后的變化，分別在風(fēng)蝕事件前后對(duì)樣地進(jìn)行抗剪強(qiáng)度測(cè)定，試驗(yàn)過(guò)程中為防止直剪試驗(yàn)對(duì)地表破壞影響試驗(yàn)結(jié)果，每次直剪試驗(yàn)均選擇在第1次測(cè)試樣點(diǎn)周圍地表未干擾破壞的區(qū)域進(jìn)行；為研究翻耕農(nóng)田遭受干擾破壞地表土壤抗剪強(qiáng)度在風(fēng)蝕季及風(fēng)蝕事件前后的變化，設(shè)置另1塊地表結(jié)皮被干擾破壞區(qū)域進(jìn)行土壤抗剪強(qiáng)度直剪試驗(yàn)，每次試驗(yàn)前均對(duì)翻耕農(nóng)田地表進(jìn)行充分干擾破壞。通過(guò)上述試驗(yàn)對(duì)比研究翻耕農(nóng)田未干擾破壞地表與干擾破壞地表抗剪強(qiáng)度在整個(gè)風(fēng)蝕季的變化程度。

2.2 土壤直剪試驗(yàn)

河北壩上地區(qū)的土壤風(fēng)蝕現(xiàn)象主要發(fā)生在每年的4—5月，本研究于2021年4—5月在試驗(yàn)樣地開展翻耕農(nóng)田表層土壤抗剪強(qiáng)度原位測(cè)試。在觀測(cè)期間，研究區(qū)共發(fā)生3次典型風(fēng)蝕事件，分別發(fā)生于2021年4月15日、4月27—28日和5月4日。4月15日風(fēng)蝕事件發(fā)生過(guò)程中平均風(fēng)速為12.65 m/s，最大風(fēng)速為17.63 m/s，該風(fēng)蝕事件起沙持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，風(fēng)蝕劇烈，為1場(chǎng)強(qiáng)風(fēng)蝕事件；4月27—28日風(fēng)蝕事件為1場(chǎng)弱風(fēng)蝕事件，該風(fēng)蝕事件發(fā)生過(guò)程中平均風(fēng)速為9.96 m/s，最大風(fēng)速為14.24 m/s；5月4日風(fēng)蝕事件為1場(chǎng)中等強(qiáng)風(fēng)蝕事件，風(fēng)蝕事件發(fā)生過(guò)程中平均風(fēng)速為10.67 m/s，最大風(fēng)速為14.98 m/s。

為研究翻耕農(nóng)田表層土壤抗剪強(qiáng)度在風(fēng)蝕事件前后及風(fēng)蝕季的變化，分別在風(fēng)蝕事件發(fā)生前、風(fēng)蝕事件發(fā)生后(同為下一風(fēng)蝕事件發(fā)生前)對(duì)未經(jīng)干擾破壞及經(jīng)干擾破壞的翻耕農(nóng)田地表進(jìn)行土壤抗剪強(qiáng)度野外原位測(cè)定。根據(jù)觀測(cè)期間典型風(fēng)蝕事件的發(fā)生時(shí)間分別在2021年4月14日、4月16日、4月21日、4月24日、4月30日、5月5日，這6天進(jìn)行翻耕農(nóng)田2類地表土壤抗剪強(qiáng)度野外原位測(cè)定。本研究利用自主設(shè)計(jì)的便攜式土壤抗剪強(qiáng)度直剪儀對(duì)表層土壤抗剪強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)定，在抗剪強(qiáng)度原位測(cè)定過(guò)程中，通過(guò)在剪切盒上分別加載4個(gè)不同質(zhì)量砝碼(0.5，1，1.5，2 kg)以達(dá)到不同等級(jí)法向應(yīng)力要求，對(duì)應(yīng)4個(gè)等級(jí)法向應(yīng)力分別為5，10，15，20 N，剪切速率設(shè)置為2.5 mm/s，在每個(gè)法向應(yīng)力下，分別測(cè)試5個(gè)平行試驗(yàn)，以保證試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

2.3 樣品采集與處理

在每次抗剪強(qiáng)度原位測(cè)定試驗(yàn)后，采集對(duì)應(yīng)樣點(diǎn)表層0—5 cm土壤樣品進(jìn)行土壤理化性質(zhì)分析，同時(shí)利用鋁盒采集對(duì)應(yīng)表層土壤樣品，采樣后對(duì)鋁盒進(jìn)行密封，用于測(cè)定土壤樣品的含水率。對(duì)采集的土壤樣品使用南京土壤儀器廠生產(chǎn)SZS型三維振篩機(jī)進(jìn)行不同粒徑干團(tuán)聚體篩分，振篩試驗(yàn)樣品用量為500.00 g，篩分時(shí)間為5 min，振篩孔徑設(shè)置為5，2，0.85，0.425，0.35，0.25，0.106 mm，最后分析篩分后不同粒徑土壤干團(tuán)聚體樣品的質(zhì)量，計(jì)算土壤干團(tuán)聚體平均重量直徑(MWD)。計(jì)算公式為：

(1)

2.4 抗剪強(qiáng)度數(shù)據(jù)處理

Skidmore等的研究認(rèn)為，團(tuán)聚體穩(wěn)定性可以定義為團(tuán)聚體破碎暴露出新的表面積所需要的能量，該能量和力與位移圍成曲線下的面積有關(guān)；Hagen等在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一種垂直的土壤破碎能量計(jì)來(lái)計(jì)算土壤破碎時(shí)所需要的能量。土壤剪切過(guò)程也是土壤顆粒重新排列、較大的土壤顆粒或團(tuán)聚體破碎、土體變形的過(guò)程，直剪儀測(cè)得的表層土壤剪切破碎時(shí)需要的能量可表征表層土壤在遭受風(fēng)力剪切破壞時(shí)的能量，本文采用直剪儀測(cè)得的表層土壤剪切破壞過(guò)程中的能量來(lái)表示土壤的抗剪切強(qiáng)度，以表征土壤抵抗風(fēng)力侵蝕的能力。

基于上述抗剪強(qiáng)度數(shù)據(jù)，繪制剪切力與剪切位移關(guān)系曲線圖(圖1)，采用梯形法計(jì)算剪切位移在0～27 mm剪切變化曲線與橫坐標(biāo)軸(剪切位移)圍成的面積，用該面積表示表層土壤受剪切破壞時(shí)的能量大小，計(jì)算公式為：

圖1 土壤剪切力—剪切位移曲線

(2)

式中：為特定法向應(yīng)力下的土壤抗剪強(qiáng)度(J)；為位移(0<<27 mm)；為剪切力(N)。

3 結(jié)果與分析

3.1 風(fēng)蝕事件前后抗剪強(qiáng)度變化

根據(jù)試驗(yàn)方法，在風(fēng)蝕季對(duì)翻耕地未干擾破壞地表及干擾破壞地表2種類型樣點(diǎn)分別進(jìn)行6次抗剪強(qiáng)度原位測(cè)定試驗(yàn)，分別得到3次風(fēng)蝕事件前后的2類地表在5，10，15，20 N 4個(gè)不同等級(jí)法向應(yīng)力下的表層土壤抗剪強(qiáng)度(圖2)。在6次抗剪強(qiáng)度野外原位測(cè)定中，2種類型地表在不同法向應(yīng)力下對(duì)應(yīng)抗剪強(qiáng)度的變化趨勢(shì)一致，在5 N法向應(yīng)力下土壤的抗剪強(qiáng)度最小，隨法向應(yīng)力的增加，抗剪強(qiáng)度總體呈線性增大，20 N法向應(yīng)力下抗剪強(qiáng)度最大。不同類型地表土壤抗剪強(qiáng)度與作用在土壤表面的法向應(yīng)力呈正相關(guān)，通過(guò)對(duì)4個(gè)法向應(yīng)力與對(duì)應(yīng)的抗剪強(qiáng)度進(jìn)行線性擬合發(fā)現(xiàn)，除5月5日未干擾破壞的樣點(diǎn)外，各擬合關(guān)系式的均大于0.8，進(jìn)一步說(shuō)明法向應(yīng)力與抗剪強(qiáng)度有明顯的線性關(guān)系。對(duì)于5月5日20 N法向應(yīng)力下的抗剪強(qiáng)度異常情況，初步原因分析為野外試驗(yàn)地表情況不均一導(dǎo)致。

在整個(gè)風(fēng)蝕季研究區(qū)共觀測(cè)到3次較強(qiáng)的風(fēng)蝕事件，第1次風(fēng)蝕事件為4月15日強(qiáng)風(fēng)蝕事件，按照試驗(yàn)設(shè)計(jì)，于4月15日強(qiáng)風(fēng)蝕事件前的4月14日和風(fēng)蝕事件發(fā)生后的4月16日，分別在翻耕農(nóng)田未干擾破壞與干擾破壞2類地表進(jìn)行2次土壤抗剪強(qiáng)度原位測(cè)定試驗(yàn)，在4月15日強(qiáng)風(fēng)蝕事件之后，未干擾及干擾破壞翻耕農(nóng)田地表抗剪強(qiáng)度在4個(gè)法向應(yīng)力下都發(fā)生明顯增大(圖2a及圖2d)，其中，未干擾破壞地表在5，10，15，20 N法向應(yīng)力下對(duì)應(yīng)抗剪強(qiáng)度分別增長(zhǎng)165.01%，62.59%，31.33%，25.15%，受干擾破壞地表在4個(gè)法向應(yīng)力下抗剪強(qiáng)度分別增長(zhǎng)216.59%，105.32%，45.34%，44.22%。2類地表在5 N的法向應(yīng)力下抗剪強(qiáng)度的增長(zhǎng)率最大，在20 N法向應(yīng)力下增長(zhǎng)率最小，從整體來(lái)看，受干擾破壞地表抗剪強(qiáng)度的增長(zhǎng)幅度大于未受干擾破壞地表。

第2次風(fēng)蝕事件為4月27，28日弱風(fēng)蝕事件，2類翻耕農(nóng)田地表在經(jīng)過(guò)此次風(fēng)蝕事件之后抗剪強(qiáng)度在4個(gè)法向應(yīng)力下都有變小趨勢(shì)(圖2b，圖2e)，未干擾破壞農(nóng)田地表土壤在4個(gè)法向應(yīng)力下的抗剪強(qiáng)度分別減小9.58%，36.23%，20.19%，0.16%，干擾破壞農(nóng)田地表抗剪強(qiáng)度在5 N法向應(yīng)力下增大13.09%，在10，15，20 N法向應(yīng)力下抗剪強(qiáng)度分別減小36.19%，25.9%，36.97%。陳旭等和倪九派等研究表明，土壤結(jié)構(gòu)、土壤含水率和土壤孔隙度對(duì)抗剪強(qiáng)度均有顯著影響，尤其表層土壤含水率變化對(duì)土壤抗剪強(qiáng)度影響較大，土壤抗剪強(qiáng)度也隨著含水率的上升而增大，土壤抗風(fēng)蝕能力隨土壤水分的增加而增強(qiáng)。通過(guò)對(duì)試驗(yàn)樣地地表土壤含水率的測(cè)定發(fā)現(xiàn)，4月24日表層土壤含水率為1.6%，4月30日表層土壤含水率為0.7%，風(fēng)蝕事件前表層土壤含水率高于風(fēng)蝕事件后表層土壤含水率。另外，經(jīng)過(guò)4月15日的強(qiáng)風(fēng)蝕事件，翻耕農(nóng)田表面土壤顆粒粗化現(xiàn)象較為嚴(yán)重，本次風(fēng)蝕事件的風(fēng)速較小，只在27，28日下午部分時(shí)段發(fā)生不明顯風(fēng)蝕現(xiàn)象，風(fēng)蝕程度較弱，因此出現(xiàn)在風(fēng)蝕之后土壤抗剪強(qiáng)度減小的情況。

5月4日的第3次中等強(qiáng)度風(fēng)蝕事件前后2次抗剪強(qiáng)度原位測(cè)試分別在4月30日和5月5日進(jìn)行。由圖2可知，在本次風(fēng)蝕事件之后除翻耕未干擾破壞地表在20 N法向應(yīng)下抗剪強(qiáng)度異常外，其余抗剪強(qiáng)度在4個(gè)法向應(yīng)力下均呈增大趨勢(shì)(圖2c，圖2f)，未受干擾破壞地表在法向應(yīng)力5，10，15，20 N下抗剪強(qiáng)度分別增長(zhǎng)46.21%，25.03%，23.79%，-30.25%，受到干擾破壞的地表在4個(gè)法向應(yīng)力下抗剪強(qiáng)度分別增長(zhǎng)21.57%，24.92%，8.99%，0.24%，除受到干擾破壞樣點(diǎn)在5 N法向應(yīng)力下的抗剪強(qiáng)度外，2類地表在5，10，15，20 N 4個(gè)法向應(yīng)力下對(duì)應(yīng)的抗剪強(qiáng)度增長(zhǎng)率呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)，未受到干擾破壞的樣點(diǎn)抗剪強(qiáng)度增大的幅度大于受到干擾破壞的樣點(diǎn)。另外，此次風(fēng)蝕事件之后抗剪強(qiáng)度增強(qiáng)程度整體小于4月15日強(qiáng)風(fēng)蝕事件。

圖2 風(fēng)蝕事件前后2類地表抗剪強(qiáng)度對(duì)比

3.2 風(fēng)蝕季抗剪強(qiáng)度整體變化

根據(jù)翻耕農(nóng)田未干擾破壞地表及干擾破壞地表2種類型樣點(diǎn)分別進(jìn)行的6次抗剪強(qiáng)度原位測(cè)定試驗(yàn)，得到2種類型樣點(diǎn)表層土壤在4個(gè)不同等級(jí)法向應(yīng)力下的抗剪強(qiáng)度在整個(gè)風(fēng)蝕季的變化(圖3)。總體來(lái)看，除在野外進(jìn)行抗剪強(qiáng)度原位測(cè)定試驗(yàn)時(shí)，由于地表性質(zhì)不均一造成部分抗剪強(qiáng)度測(cè)定結(jié)果存在偏差外，2類樣點(diǎn)表層土壤在4個(gè)不同等級(jí)法向應(yīng)力下的抗剪強(qiáng)度在整個(gè)風(fēng)蝕季呈現(xiàn)出先增大后減小再略微增大的趨勢(shì)，其中有4次異常分別為翻耕未干擾破壞樣點(diǎn)在4月24日10 N法向應(yīng)力、4月30日20 N法向應(yīng)力、5月5日20 N法向應(yīng)力下的抗剪強(qiáng)度以及翻耕干擾破壞樣點(diǎn)在4月30日5 N法向應(yīng)力下的抗剪強(qiáng)度，這些異常情況的出現(xiàn)確定為野外原位試驗(yàn)地表性質(zhì)不均一所導(dǎo)致。

圖3 翻耕農(nóng)田未干擾及干擾破壞地表土壤抗剪強(qiáng)度在風(fēng)蝕季的變化趨勢(shì)

從整個(gè)風(fēng)蝕季來(lái)看，風(fēng)蝕季開始的一次強(qiáng)風(fēng)蝕事件之后，農(nóng)田表層土壤發(fā)生明顯粗化，表層土壤顆粒粒度增加使得抗剪強(qiáng)度明顯增大，當(dāng)風(fēng)力低于臨界起動(dòng)風(fēng)速時(shí)，已粗化的地表無(wú)明顯持續(xù)性風(fēng)蝕現(xiàn)象，但仍有外界細(xì)粒物質(zhì)在試驗(yàn)樣地部分區(qū)域沉積，農(nóng)田土壤表層的細(xì)粒物質(zhì)在一定程度增加，隨著細(xì)粒物質(zhì)的增加，表層土壤抗剪強(qiáng)度逐漸減小，直到下次風(fēng)蝕事件出現(xiàn)使土壤表層的細(xì)粒物質(zhì)繼續(xù)損失，使得抗剪強(qiáng)度再度增大。

3.3 風(fēng)蝕季2類地表抗剪強(qiáng)度變化

為了研究風(fēng)蝕季翻耕農(nóng)田未干擾破壞與干擾破壞2種類型地表抗剪強(qiáng)度的變化規(guī)律，對(duì)整個(gè)風(fēng)蝕季4個(gè)法向應(yīng)力下的抗剪強(qiáng)度進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，在風(fēng)蝕季期間隨著風(fēng)蝕事件的發(fā)生，翻耕農(nóng)田未干擾破壞與干擾破壞2種類型地表的抗剪強(qiáng)度差異在逐漸縮小，并且干擾破壞的樣點(diǎn)在整個(gè)風(fēng)蝕季抗剪強(qiáng)度變化程度較劇烈，除5 N法向應(yīng)力下對(duì)應(yīng)的抗剪強(qiáng)外，整個(gè)風(fēng)蝕季抗剪強(qiáng)度中最低值出現(xiàn)在風(fēng)蝕季的后半階段(圖4)。對(duì)比整個(gè)風(fēng)蝕季2類地表在不同法向應(yīng)力下抗剪強(qiáng)度變化幅度發(fā)現(xiàn)，未受干擾破壞地表在5，10，15，20 N法向應(yīng)力下抗剪強(qiáng)度最大與最小的差值分別為16.772，17.222，14.718，27.032 J，受干擾破壞地表在5，10，15，20 N法向應(yīng)力下抗剪強(qiáng)度最大與最小的差值分別為22.487，22.444，20.836，38.685 J。在20 N法向應(yīng)力下，2類地表抗剪強(qiáng)度的變化幅度最大；在15 N法向應(yīng)力下，抗剪強(qiáng)度變化幅度最小，受干擾破壞地表在4個(gè)法向應(yīng)力下的抗剪強(qiáng)度變化幅度均大于未受干擾破壞地表抗剪強(qiáng)度的變化幅度。

圖4 2類地表抗剪強(qiáng)度在風(fēng)蝕季變化趨勢(shì)對(duì)比

4 討 論

4.1 風(fēng)蝕季抗剪強(qiáng)度與風(fēng)蝕抗蝕性

在當(dāng)前相關(guān)研究中，關(guān)于土壤抗剪強(qiáng)度的測(cè)定大多基于室內(nèi)控制試驗(yàn)和野外短期試驗(yàn)，針對(duì)土壤風(fēng)蝕角度的土壤抗剪強(qiáng)度野外長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)研究較為匱乏，本研究選取壩上典型翻耕農(nóng)田未經(jīng)干擾破壞及經(jīng)過(guò)干擾破壞2種類型地表，在1個(gè)風(fēng)蝕季內(nèi)對(duì)2類地表進(jìn)行較長(zhǎng)時(shí)間的觀測(cè)，測(cè)定風(fēng)蝕過(guò)程中土壤抗剪強(qiáng)度的動(dòng)態(tài)變化，分析風(fēng)蝕過(guò)程中土壤抗蝕性的變化，對(duì)比未干擾與干擾破壞2種翻耕農(nóng)田地表在整個(gè)風(fēng)蝕季抗剪強(qiáng)度的變化發(fā)現(xiàn)，整個(gè)風(fēng)蝕季土壤抗剪強(qiáng)度變化與風(fēng)蝕事件的發(fā)生密切相關(guān)，土壤抗蝕性在風(fēng)蝕事件之后發(fā)生顯著增強(qiáng)；在風(fēng)蝕季，未受干擾破壞地表在表層土壤結(jié)皮的保護(hù)下抗剪強(qiáng)度整體變化較小，而失去表層土壤結(jié)皮保護(hù)受到干擾破壞的地表在整個(gè)風(fēng)蝕季抗剪強(qiáng)度變化劇烈。地表結(jié)皮被干擾破壞后，地表土壤對(duì)于風(fēng)蝕過(guò)程的響應(yīng)更為敏感，由土壤風(fēng)蝕造成的地表粗化現(xiàn)象增加土壤抗剪強(qiáng)度，風(fēng)蝕過(guò)程中，未受干擾破壞地表的結(jié)皮在一定程度上保護(hù)地表土壤，阻礙土壤顆粒在風(fēng)蝕過(guò)程中的侵蝕與搬運(yùn)，使得風(fēng)蝕季后地表仍具備相對(duì)較強(qiáng)的抗剪強(qiáng)度。在風(fēng)蝕季減少對(duì)翻耕地表層土壤的破壞和擾動(dòng)能夠使表層土壤抗剪強(qiáng)度趨于穩(wěn)定，從而減少土壤風(fēng)蝕的危害。王仁德等研究表明，在風(fēng)力條件相同的情況下，翻耕土壤是免耕土壤風(fēng)蝕量的3倍左右，并且風(fēng)蝕量隨著免耕年限的增加而減少，也表明較少對(duì)土壤的擾動(dòng)有利于減緩?fù)寥里L(fēng)蝕的程度；郭慧慧等在探討農(nóng)牧交錯(cuò)帶不同土地利用方式對(duì)土壤風(fēng)蝕的研究中也發(fā)現(xiàn)，采用免耕或者留茬的耕種方式，減少迎風(fēng)坡土地的開墾和利用，降低地表土粒移動(dòng)可以提高土壤的抗風(fēng)蝕能力；李勝龍等的研究表明，在不同的耕作方式中壟作的輸沙量明顯高于免耕，因此可以通過(guò)免耕及地表留茬或秸稈覆蓋等保護(hù)性耕作措施來(lái)減緩對(duì)土壤表層的擾動(dòng)和破壞，增強(qiáng)表層土壤的抗剪強(qiáng)度與抗蝕性。

在前人的研究中，利用風(fēng)蝕風(fēng)洞模擬試驗(yàn)獲得不同土壤在不同風(fēng)速下的風(fēng)蝕速率，構(gòu)建土壤抗剪切力與土壤抗風(fēng)蝕力的關(guān)系，將風(fēng)蝕速率表達(dá)為與抗剪切力、風(fēng)力剪切力的相關(guān)函數(shù)，建立三者之間的聯(lián)系。在野外試驗(yàn)中，土壤抗剪強(qiáng)度可以用來(lái)定量描述土壤風(fēng)蝕程度的強(qiáng)弱，也可以作為具有明確力學(xué)意義的土壤抗蝕性指標(biāo)，但是二者定量關(guān)系仍需進(jìn)一步通過(guò)理論及試驗(yàn)方法來(lái)確定。

4.2 土壤干團(tuán)聚體對(duì)抗剪強(qiáng)度的影響

4.2.1 干團(tuán)聚體粒徑分布對(duì)抗剪強(qiáng)度的影響 土壤干團(tuán)聚體粒徑大小是影響土壤抗剪強(qiáng)度的重要因素，粗細(xì)顆粒的含量是影響土體功能的主要因素。在土壤可蝕性變化研究中，通常認(rèn)為干團(tuán)聚體粒徑<0.85 mm為可蝕性顆粒，可蝕性顆粒含量>50%的土壤具有高度的可蝕性，在風(fēng)蝕事件發(fā)生過(guò)程中地表土壤顆粒粒徑<0.85 mm的顆粒明顯減少，土壤的可蝕性顯著增強(qiáng)。

對(duì)在土壤抗剪強(qiáng)度原位測(cè)定試驗(yàn)后采集的表層土壤樣品利用三維振篩進(jìn)行不同粒徑土壤干團(tuán)聚體篩分，不同粒徑組土壤干團(tuán)聚體質(zhì)量累積百分比(圖5)表明，在4月15日強(qiáng)風(fēng)蝕事件之后，除粒徑>5 mm的土壤干團(tuán)聚體質(zhì)量變多外，其余粒徑組土壤干團(tuán)聚體累積質(zhì)量均有明顯減少，但是在4月27，28日弱風(fēng)蝕事件和5月4日中等強(qiáng)度風(fēng)蝕事件之后只有粒徑<0.425 mm的土壤干團(tuán)聚體質(zhì)量發(fā)生了明顯減少，經(jīng)過(guò)對(duì)比篩分結(jié)果(圖6)發(fā)現(xiàn)，以0.425 mm為界限，粒徑>0.425 mm及粒徑<0.425 mm部分土壤干團(tuán)聚體質(zhì)量變化規(guī)律顯著。除未干擾破壞樣點(diǎn)5月4日風(fēng)蝕事件和干擾破壞樣點(diǎn)4月27，28日風(fēng)蝕事件外，2類地表在3次風(fēng)蝕事件之后粒徑<0.425 mm土壤干團(tuán)聚體質(zhì)量均明顯減少，而粒徑>0.425 mm土壤團(tuán)聚體質(zhì)量顯著增加，并且在4月15日和5月4日風(fēng)蝕事件后抗剪強(qiáng)度均有明顯增大，土壤抗蝕性顯著增強(qiáng)，翻耕農(nóng)田2類地表經(jīng)過(guò)3次風(fēng)蝕事件后均呈現(xiàn)明顯粗化規(guī)律，土壤干團(tuán)聚體粒徑以0.425 mm為界限，粒徑<0.425 mm部分及粒徑>0.425 mm部分對(duì)土壤風(fēng)蝕過(guò)程的響應(yīng)均較為明顯。

圖5 2類地表不同粒徑團(tuán)聚體累積百分比

圖6 風(fēng)蝕事件前后粒徑<0.425 mm及粒徑>0.425 mm部分土壤干團(tuán)聚體質(zhì)量對(duì)比

4.2.2 土壤干團(tuán)聚體平均重量直徑對(duì)抗剪強(qiáng)度的影響 在土壤內(nèi)部不同粒徑組的團(tuán)聚體中，粒徑較大的團(tuán)聚體在土壤力學(xué)結(jié)構(gòu)中起到“骨架”作用，土壤團(tuán)聚體平均重量直徑越大，表明土壤團(tuán)聚體的團(tuán)聚度高，穩(wěn)定性強(qiáng)，土壤結(jié)構(gòu)越好。通過(guò)計(jì)算土壤干團(tuán)聚體平均重量直徑(圖7)發(fā)現(xiàn)，翻耕未受干擾破壞與受到干擾破壞農(nóng)田在3次風(fēng)蝕事件之后，土壤干團(tuán)聚體平均重量直徑與抗剪強(qiáng)度的變化趨勢(shì)一致，在4月15日和5月4日風(fēng)蝕事件之后平均重量直徑均發(fā)生增大，在4月27，28日風(fēng)蝕事件之后發(fā)生減小，這與抗剪強(qiáng)度在3次風(fēng)蝕事件后的變化規(guī)律一致；在整個(gè)風(fēng)蝕季中，翻耕未受干擾破壞地表的變化趨勢(shì)與抗剪強(qiáng)度在風(fēng)蝕季的變化趨勢(shì)一致，土壤干團(tuán)聚體平均重量直徑呈現(xiàn)出先增大再減小最后增大的趨勢(shì)，其變化與每次風(fēng)蝕事件密切相關(guān)，翻耕受到干擾破壞地表在整個(gè)風(fēng)蝕季呈現(xiàn)出波動(dòng)變化的規(guī)律，受干擾破壞地表與未受干擾破壞地表的差異出現(xiàn)在4月21—24日未發(fā)生風(fēng)蝕的這段時(shí)間，這也說(shuō)明受干擾破壞地表的穩(wěn)定性較差。將整個(gè)風(fēng)蝕季2類地表土壤干團(tuán)聚體平均重量直徑與抗剪強(qiáng)度進(jìn)行擬合發(fā)現(xiàn)，土壤干團(tuán)聚體平均重量直徑與抗剪強(qiáng)度呈正相關(guān)關(guān)系，擬合結(jié)果見圖8，除翻耕未破壞20 N樣點(diǎn)和翻耕破壞15 N樣點(diǎn)擬合關(guān)系式的值小于0.5外，其余樣點(diǎn)擬合關(guān)系式的值均大于0.5。

圖7 MWD在風(fēng)蝕季變化趨勢(shì)

圖8 抗剪強(qiáng)度與土壤干團(tuán)聚體平均重量直徑關(guān)系

5 結(jié) 論

(1)通過(guò)剪切力野外原位試驗(yàn)，對(duì)比分析不同法向應(yīng)力的土壤抗剪強(qiáng)度，由小到大依次為5，10，15，20 N。從單次風(fēng)蝕事件來(lái)看，翻耕未受干擾破壞農(nóng)田及翻耕受到干擾破壞農(nóng)田在3次風(fēng)蝕事件中規(guī)律一致，2類地表在4月15日風(fēng)蝕事件及5月4日風(fēng)蝕事件之后抗剪強(qiáng)度均發(fā)生明顯增大。

(2)從整個(gè)風(fēng)蝕季來(lái)看，翻耕未受到干擾破壞農(nóng)田及翻耕受到干擾破壞農(nóng)田抗剪強(qiáng)度變化趨勢(shì)一致，抗剪強(qiáng)度變化呈現(xiàn)出先增大再減小最后略微增大的趨勢(shì)。

(3)對(duì)比未干擾及受到干擾破壞的地表，受到干擾破壞的農(nóng)田地表抗剪強(qiáng)度對(duì)于土壤風(fēng)蝕過(guò)程響應(yīng)較為顯著，因此，在風(fēng)蝕季應(yīng)采取免耕等保護(hù)性耕作措施來(lái)減少對(duì)翻耕農(nóng)田地表的破壞，以增強(qiáng)農(nóng)田表層土壤的抗蝕性，減輕土壤風(fēng)蝕程度。

(4)土壤風(fēng)蝕導(dǎo)致表層土壤細(xì)粒物質(zhì)損失，表層土壤粗化，土壤風(fēng)蝕后土壤抗蝕性明顯增強(qiáng)。在每次風(fēng)蝕事件后粒徑>0.425 mm土壤干團(tuán)聚體質(zhì)量及土壤干團(tuán)聚體平均重量直徑均增大，土壤抗剪強(qiáng)度隨之增強(qiáng)。土壤抗剪強(qiáng)度可以作為具有明確力學(xué)意義的土壤抗蝕性指標(biāo)，定量描述土壤抵抗風(fēng)蝕能力的強(qiáng)弱，但二者定量關(guān)系仍需進(jìn)一步通過(guò)理論及試驗(yàn)方法來(lái)確定。