自然降雨條件下結(jié)皮層團(tuán)聚體穩(wěn)定性變化特征研究

胡 波 王玉杰，2 王 彬，2 王云琦，2 劉春霞 王晨灃

(1.北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院， 北京 100083; 2.北京市水土保持工程技術(shù)研究中心， 北京 100083)

自然降雨條件下結(jié)皮層團(tuán)聚體穩(wěn)定性變化特征研究

胡 波1王玉杰1，2王 彬1，2王云琦1，2劉春霞1王晨灃1

(1.北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院， 北京 100083; 2.北京市水土保持工程技術(shù)研究中心， 北京 100083)

通過野外定位監(jiān)測和室內(nèi)分析相結(jié)合的方法，以三峽庫區(qū)典型黃壤為研究對象，結(jié)合Le Bissonnais(LB)法中快速濕潤(FW)、慢速濕潤(SW)和預(yù)濕潤振蕩(WS)3種處理方法定量分析結(jié)皮層與表土層團(tuán)聚體穩(wěn)定性的差異。研究結(jié)果表明：在降雨作用下土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性存在較大的動態(tài)變化，結(jié)皮層團(tuán)聚體穩(wěn)定性在自然降雨作用下呈現(xiàn)波動式上升的趨勢。FW、SW、WS處理下，結(jié)皮層土壤團(tuán)聚體平均質(zhì)量直徑變化范圍分別為0.73～2.13 mm、1.70～2.90 mm和2.27～3.16 mm，下層土壤在FW處理下團(tuán)聚體穩(wěn)定性呈波動式上升趨勢，平均質(zhì)量直徑變化范圍為0.70～1.27 mm，在SW和WS處理下呈略微下降趨勢，其變化范圍分別為1.69～2.83 mm和2.53～2.95 mm。在降雨影響下，土壤結(jié)皮與下層土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性存在較大的差異，隨著降雨場次的增加，結(jié)皮層團(tuán)聚體穩(wěn)定性逐漸高于下層土壤，且兩者差值逐漸增大。在土壤有機(jī)質(zhì)、陽離子交換量、pH值等理化性質(zhì)基本不變的情況下，土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性在自然降雨影響下也存在較大的動態(tài)變化。

團(tuán)聚體穩(wěn)定性； 動態(tài)變化； 土壤結(jié)皮； 影響因素； 三峽庫區(qū)

引言

土壤侵蝕不僅造成土地資源退化，更會引起土地生產(chǎn)力的下降，已成為威脅農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展和食品安全的全球性環(huán)境問題之一[1]。團(tuán)聚體作為土壤的基本結(jié)構(gòu)單元，對土壤侵蝕過程有重要影響，是土壤可蝕性的重要評價(jià)指標(biāo)[2]，有的研究甚至將團(tuán)聚體穩(wěn)定性作為土壤可蝕性的替代指標(biāo)[3]。團(tuán)聚體穩(wěn)定性并非定值，存在著較大的年際變化與年內(nèi)變化[4]，通常土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性在秋、冬季較低，春、夏季升高[5]。對團(tuán)聚體穩(wěn)定性動態(tài)變化的研究已成為土壤學(xué)、生態(tài)學(xué)及相關(guān)交叉學(xué)科領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)問題[6]。朱冰冰等[7]研究發(fā)現(xiàn)在土地退化和恢復(fù)過程中，土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性存在明顯的動態(tài)變化。謝錦升等[8]發(fā)現(xiàn)植被恢復(fù)過程中，團(tuán)聚體穩(wěn)定性顯著提高。目前，關(guān)于團(tuán)聚體穩(wěn)定性動態(tài)變化的研究已取得一定成果，但是以往研究多集中在長期施肥、植被恢復(fù)等土壤理化性質(zhì)改變所導(dǎo)致的長周期變化方面[9-11]。而關(guān)于自然降雨條件下團(tuán)聚體穩(wěn)定性在短期內(nèi)動態(tài)變化的研究較少。

土壤侵蝕主要取決于降雨侵蝕力與土壤可蝕性之間的作用關(guān)系。土壤侵蝕發(fā)生在土壤表層，受表層土壤性質(zhì)的影響強(qiáng)烈[12]。在降雨影響下，土壤表層極易出現(xiàn)結(jié)皮(物理結(jié)皮)現(xiàn)象[13]，土壤結(jié)皮一旦形成，其表層土壤性質(zhì)會在短期內(nèi)發(fā)生較大的變化[14]。對于農(nóng)業(yè)用地，土壤翻耕后的松散表層在降雨作用下極易形成土壤結(jié)皮[15]，從而改變結(jié)皮層的土壤性質(zhì)，進(jìn)而造成結(jié)皮層與耕作層土壤可蝕性的較大差異。然而以往土壤可蝕性的相關(guān)研究中，所用土壤樣品通常采自耕作層土壤[16]，忽略了土壤結(jié)皮對其產(chǎn)生的影響，這必然會導(dǎo)致研究結(jié)果與實(shí)際情況之間的較大誤差。因此，相比于耕作層土壤，研究結(jié)皮層的土壤可蝕性更具有實(shí)際意義。目前有關(guān)土壤物理結(jié)皮的研究多集中在對其發(fā)育過程與機(jī)理以及土壤入滲能力的影響方面[17]，關(guān)于土壤結(jié)皮對土壤可蝕性影響方面的研究較少，且存在較大爭議。吳發(fā)啟等[18]研究發(fā)現(xiàn)，土壤結(jié)皮的存在可以在一定程度上提高土壤抗蝕性，減少產(chǎn)沙量。BRADFORD等[19]通過對20種土壤的細(xì)溝間侵蝕研究發(fā)現(xiàn)，土壤結(jié)皮有助于減少土壤侵蝕量。然而，也有研究表明結(jié)皮的存在會使土壤侵蝕加劇[20]。這些研究主要建立在模擬降雨實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，土壤結(jié)皮在模擬降雨條件下快速形成，其研究結(jié)果只符合特定模擬降雨條件下的規(guī)律，具有一定的局限性。有關(guān)在自然降雨作用下結(jié)皮層團(tuán)聚體穩(wěn)定性動態(tài)變化的研究報(bào)道較少。

長江上游坡耕地是長江泥沙的主要策源地，占長江上游年侵蝕總量的60%[21]，其嚴(yán)峻的土壤侵蝕狀況嚴(yán)重威脅著三峽水庫的安全生態(tài)運(yùn)行。本文以三峽庫區(qū)(重慶段)侵蝕較為嚴(yán)重的黃壤為研究對象，通過野外監(jiān)測和室內(nèi)分析相結(jié)合的方法，定量分析自然降雨條件下土壤結(jié)皮與其下層土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的短期動態(tài)變化特征、差異性及其影響因素，以期為該地區(qū)土壤可蝕性的有效評估提供參考，為土壤侵蝕的有效治理提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于三峽庫區(qū)(重慶段)縉云山國家級自然保護(hù)區(qū)內(nèi)(106°17′～106°24′E、29°41′～29°52′N)，海拔高度350～951.5 m，總面積約76 km2。該區(qū)氣候溫和，年均氣溫13.6℃，年降水量1 611.8 mm，年均日照時(shí)數(shù)1 293.9 h，具有典型的亞熱帶季風(fēng)濕潤性氣候特征。縉云山地形平緩，土地利用類型多樣；土壤類型以黃壤為主，其次為棕黃壤，零星分布有水稻土。

1.2 樣地布設(shè)與樣品采集

于2016年5月份在三峽庫區(qū)重慶縉云山國家定位研究站內(nèi)選擇較為平整的黃壤撂荒地為研究對象，設(shè)立5 m×20 m的臨時(shí)實(shí)驗(yàn)小區(qū)，對0～20 cm土層進(jìn)行翻耕整平，清除雜草、石礫、大型植被根系等雜物。取0～10 cm土壤樣品進(jìn)行團(tuán)聚體穩(wěn)定性測定作為對照組(CK)，同時(shí)測定土壤基本理化性質(zhì)(表1)。為防止雜草、苔蘚等小型地被物生長對團(tuán)聚體穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，對樣地噴灑7 g/L的草甘膦。將實(shí)驗(yàn)小區(qū)用尼龍繩劃分1 m×1 m子區(qū)域作為取樣小區(qū)，各取樣小區(qū)只取樣一次。樣品采集在次降雨量大于5 mm的雨后12 h內(nèi)進(jìn)行。

采用隨機(jī)取樣的方法，按照結(jié)皮層和下層2個(gè)層次采集土壤樣品。取樣時(shí)，選擇土壤結(jié)皮較為明顯的區(qū)域，用美工刀片采集地表較薄的結(jié)皮層樣品，之后用刀片小心剝除較為松散土粒，采集過程中確保土壤結(jié)皮結(jié)構(gòu)不被破壞。經(jīng)實(shí)際測量得知，實(shí)驗(yàn)過程中土壤結(jié)皮厚度為3～5 mm，為便于敘述，本研究中將結(jié)皮層定義為地表0～5 mm土層。每次取樣隨機(jī)采集3個(gè)取樣小區(qū)的樣品作為重復(fù)。將樣品放入鋁盒帶回實(shí)驗(yàn)室以備測定。本研究共進(jìn)行18次取樣(包括CK)。

表1 實(shí)驗(yàn)土壤基本理化性質(zhì)

1.3 測定指標(biāo)

在樣地布設(shè)Decagon微型氣象監(jiān)測系統(tǒng)和與之配套的ECH2O土壤溫濕度傳感器，在實(shí)驗(yàn)期間監(jiān)測樣地的次降雨量(R)、雨強(qiáng)(I)。每次取樣后分別測定結(jié)皮層以及下層土壤的團(tuán)聚體穩(wěn)定性、pH值、陽離子交換量(CEC)、有機(jī)質(zhì)含量(SOM)以及取樣時(shí)土壤含水率(W)。SOM采用重鉻酸鉀外加熱法測定，CEC采用乙酸銨交換法測定[22]，土壤pH值采用pH計(jì)測定土壤的KCl浸提溶液(土與KCl溶液的質(zhì)量比為1∶2.5)(LY/T 1239—1999《森林土壤pH值的測定》)。土壤含水率采用干燥稱量法測定。團(tuán)聚體穩(wěn)定性采用LB法進(jìn)行測定，具體實(shí)驗(yàn)方法參照文獻(xiàn)[23]，該方法在系統(tǒng)分析團(tuán)聚體穩(wěn)定性物理學(xué)機(jī)制的基礎(chǔ)上，采用3種處理方式：快速濕潤處理(FW)、慢速濕潤處理(SW)和預(yù)濕潤振蕩(WS)，測定團(tuán)聚體在不同破壞力下的穩(wěn)定性。

團(tuán)聚體穩(wěn)定性采用平均質(zhì)量直徑(M)表示,即

(1)

式中Xi——篩分該粒級前后2個(gè)篩子孔徑的均值，mm

n——土壤篩數(shù)量，取6

Mi——第i個(gè)粒徑團(tuán)聚體質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%

FW、SW、WS處理下團(tuán)聚體穩(wěn)定性值分別表示為MFW、MSW和MWS。根據(jù)所測M值和團(tuán)聚體穩(wěn)定性分級標(biāo)準(zhǔn)[23]，將團(tuán)聚體劃分為5個(gè)級別(表2)。

表2 團(tuán)聚體穩(wěn)定性分級

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2016進(jìn)行數(shù)據(jù)整理和作圖，采用SPSS 20.0 對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。采用t檢驗(yàn)對結(jié)皮層與其下層團(tuán)聚體穩(wěn)定性的差異進(jìn)行顯著性分析。采用Pearson相關(guān)分析法對團(tuán)聚體穩(wěn)定性與土壤性質(zhì)的相關(guān)性進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 團(tuán)聚體穩(wěn)定性動態(tài)變化

對照組(CK)土壤土壤團(tuán)聚體平均質(zhì)量直徑在WS處理下最高為2.92 mm，其次在SW處理下為2.78 mm，根據(jù)團(tuán)聚體穩(wěn)定性分級兩者均屬于非常穩(wěn)定團(tuán)聚體；而在FW處理下團(tuán)聚體穩(wěn)定性最低為1.15 mm，屬于中度穩(wěn)定團(tuán)聚體。由此可知，F(xiàn)W處理是該土壤團(tuán)聚體的主要破碎機(jī)制。

由圖1可知，結(jié)皮層土壤團(tuán)聚體平均質(zhì)量直徑在自然降雨作用下總體呈現(xiàn)出相似的波動式上升變化趨勢，但是在不同處理下，其變化幅度有所差異。在前2場降雨作用下，MFW、MSW、MWS分別下降了37%、19%、11%。在此期間，0～5 mm土層開始出現(xiàn)結(jié)皮現(xiàn)象，但是土壤結(jié)皮并不明顯。團(tuán)聚體平均質(zhì)量直徑下降可能是由于在降雨作用下，結(jié)皮層團(tuán)聚體平均質(zhì)量直徑遭到破壞，但并未完全破碎[24]，從而導(dǎo)致團(tuán)聚體平均質(zhì)量直徑的降低。第3次降雨后，表層土壤出現(xiàn)較為明顯的結(jié)皮現(xiàn)象，團(tuán)聚體平均質(zhì)量直徑隨之上升，這是由于土壤結(jié)皮的形成改變了表層團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)所導(dǎo)致的。本研究中，土壤團(tuán)聚體平均質(zhì)量直徑的動態(tài)變化趨勢與蔡強(qiáng)國等[25]研究的結(jié)皮發(fā)育過程中“形成—破壞—再形成”的動態(tài)變化趨勢相吻合。陳正發(fā)等[26]的研究也得出相似的結(jié)論。由此可知，在累積降雨的作用下，土壤結(jié)皮逐步完善，提高了團(tuán)聚體平均質(zhì)量直徑。通過方差分析可知，實(shí)驗(yàn)期間結(jié)皮層土壤團(tuán)聚體平均質(zhì)量直徑動態(tài)變化顯著(P<0.05)。MFW的變異性最大，從不穩(wěn)定性團(tuán)聚體到非常穩(wěn)定性團(tuán)聚體，跨越4個(gè)團(tuán)聚體穩(wěn)定性級別，其變化范圍為0.73～2.13 mm，平均值為1.28 mm，變異系數(shù)(CV)為34%，最大值與最小值相差近3倍。該變化必然會對土壤可蝕性產(chǎn)生較大影響[6,27]。MSW的變異性次之，其變化范圍為1.79～2.90 mm，平均值為2.43 mm，變異系數(shù)(CV)為14%。MWS的變異性最小，其變化范圍為2.27～3.16 mm，平均值為2.73 mm，變異系數(shù)(CV)為7%。

圖1 結(jié)皮層團(tuán)聚體平均質(zhì)量直徑動態(tài)變化Fig.1 Variations of mean weight diameter for soil crust

由圖2可知，下層土壤MFW的變化趨勢與結(jié)皮層相似，但相對滯后。這是由于下層土壤在結(jié)皮的保護(hù)下基本不受降雨打擊作用，所以對降雨的響應(yīng)較緩慢。但是，結(jié)皮層團(tuán)聚體破碎所產(chǎn)生的細(xì)小顆粒被淋溶到下層土壤，堵塞下層團(tuán)聚體孔隙，從而對團(tuán)聚體崩解的消散機(jī)制產(chǎn)生影響。實(shí)驗(yàn)期間，下層土壤MFW變異性小于結(jié)皮層，其變化范圍為0.70～1.27 mm，平均值為0.97 mm，CV為16%。下層土壤MWS和MSW隨降雨場次增加均呈現(xiàn)略微下降的趨勢。實(shí)驗(yàn)期間，下層土壤MSW變化范圍為1.69～2.83 mm，平均值為2.28 mm，CV為14%；MSW的變化范圍為2.53～2.92 mm，平均值為2.78 mm，CV為4%。

圖2 下層土壤團(tuán)聚體平均質(zhì)量直徑動態(tài)變化Fig.2 Variations of mean weight diameter for subsurface soil

無論是結(jié)皮層還是下層土壤，在自然降雨影響下MFW變異性最大，MWS變異性最小。這是由團(tuán)聚體的不同破碎機(jī)制所導(dǎo)致的。FW處理主要模擬了團(tuán)聚體在暴雨、灌溉等快速濕潤的條件下，團(tuán)聚體內(nèi)部閉蓄空氣壓縮產(chǎn)生“氣爆”從而對團(tuán)聚體造成破壞，反映了團(tuán)聚體破碎的消散機(jī)制。此過程主要受團(tuán)聚體內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)、孔隙狀況影響[23]。而在結(jié)皮的動態(tài)發(fā)育過程中，團(tuán)聚體微結(jié)構(gòu)、孔隙狀況發(fā)生較大改變[23]，雨滴打擊夯實(shí)和細(xì)小顆粒對孔隙的填塞，使得孔隙度降低，團(tuán)聚體內(nèi)部閉蓄空氣減少，從而提高團(tuán)聚體在消散機(jī)制下的穩(wěn)定性。而SW處理和WS處理分別模擬土壤粘粒的非均勻膨脹和雨滴打擊對團(tuán)聚體的破壞作用，主要受土壤粘粒、有機(jī)質(zhì)含量等因素影響[23]，而這些因素不會因?yàn)橥寥澜Y(jié)皮的形成而發(fā)生明顯的變化[12]。因此，MSW和MWS在結(jié)皮發(fā)育過程中的變異性較小。

2.2 結(jié)皮層與下層土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的差異

土壤侵蝕通常發(fā)生在土壤表層，因此，結(jié)皮層對土壤可蝕性的影響至關(guān)重要。在以往的相關(guān)研究中，所試土壤樣品通常取自耕作層，因此會對土壤可蝕性的研究帶來較大誤導(dǎo)[12]。目前關(guān)于結(jié)皮層和耕作層土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性差異的相關(guān)研究十分匱乏。了解結(jié)皮層和耕作層團(tuán)聚體穩(wěn)定性的差異，對于精確評估土壤可蝕性和制定相關(guān)的土壤侵蝕治理措施具有十分重要的意義。

結(jié)皮層與下層土壤團(tuán)聚體平均質(zhì)量直徑的比值如圖3所示。比值大于1說明結(jié)皮層團(tuán)聚體穩(wěn)定性大于下層，比值越大表明兩者間差異性越大；比值小于1說明結(jié)皮層土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性小于下層，比值越小表明兩者間差異性越大。結(jié)皮層土壤與下層土壤團(tuán)聚體平均質(zhì)量直徑的差異隨降雨場次和測定方式的不同而有所差異。FW處理下，對于大多數(shù)所取土樣，結(jié)皮層MFW大于下層土壤，且隨著降雨場次的增加，兩者間差值逐漸增大。通過方差分析可知，第9次降雨后，兩者之間差異性顯著。這是因?yàn)樵诮涤甏驌艉粚?shí)作用下，土壤結(jié)皮的動態(tài)發(fā)育過程中改變了團(tuán)聚體微觀結(jié)構(gòu)，提高了團(tuán)聚體在FW處理下的平均質(zhì)量直徑。而下層土壤基本不受降雨打擊夯實(shí)作用，因此隨著降雨場次的增加，表土結(jié)皮發(fā)育更加完善，兩者之間差值逐漸擴(kuò)大。值得注意的是，對于第1次和第2次降雨后，下層土壤團(tuán)聚體平均質(zhì)量直徑高于結(jié)皮層。這與ALGAYER等[16]的研究結(jié)果不同，其原因可能是由于實(shí)驗(yàn)樣地和取樣時(shí)間差異造成的。ALGAYER等[16]的研究中實(shí)驗(yàn)樣地并未經(jīng)過翻耕，取樣時(shí)，結(jié)皮發(fā)育已然較為完善，因此在其所有樣品中，結(jié)皮層團(tuán)聚體平均質(zhì)量直徑均大于下層土壤。而本研究中，實(shí)驗(yàn)樣地經(jīng)過翻耕，土壤結(jié)皮是在實(shí)驗(yàn)期間逐漸形成的，第3次降雨之后，樣地表面才能觀測到明顯結(jié)皮。SW處理下，第12次降雨之后結(jié)皮層團(tuán)聚體平均質(zhì)量直徑開始顯著高于下層土壤，且兩者之間的差值有增大趨勢。WS處理下，第15次降雨后結(jié)皮層團(tuán)聚體平均質(zhì)量直徑開始顯著高于下層土壤，但是沒有明顯變化趨勢。

由以上分析可知，在降雨打擊夯實(shí)作用下，結(jié)皮層團(tuán)聚體平均質(zhì)量直徑與下層土壤之間存在明顯的差異，且隨著降雨場次的增加，差異性逐漸增大。DARBOUX等[12]基于模擬降雨實(shí)驗(yàn)研究了土壤結(jié)皮與苗床(松散團(tuán)聚體)的團(tuán)聚體平均質(zhì)量直徑，發(fā)現(xiàn)兩者之間基本無差異。這2種不同的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可能是由不同的實(shí)驗(yàn)條件引起的。DARBOUX等[12]的研究中，土壤結(jié)皮是在模擬降雨6 min后取得的，其結(jié)皮的平均質(zhì)量直徑較小。此外，研究表明，干濕交替是團(tuán)聚體平均質(zhì)量直徑的重要影響因素[28]。本研究中，土壤結(jié)皮是在自然降雨條件下逐漸形成的，次降雨間的干濕交替過程可能加大了結(jié)皮層和下層土壤團(tuán)聚體平均質(zhì)量直徑的差異。

圖3 結(jié)皮層與下層團(tuán)聚體平均質(zhì)量直徑比值Fig.3 Ratio of mean weight diameter of soil crust to subsurface soil

2.3 團(tuán)聚體動態(tài)變化的影響因素

由相關(guān)性分析可知(表3)，取樣時(shí)含水率(W)與團(tuán)聚體平均質(zhì)量直徑呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。這與CARON等[29]的研究結(jié)果一致，即使團(tuán)聚體平均質(zhì)量直徑是在風(fēng)干情況下測定的，其取樣時(shí)含水率也會對測定結(jié)果有影響。CEC、pH值與結(jié)皮層MFW呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，但是由于結(jié)皮層CEC、pH值的降低可能是因?yàn)樗嵊炅苋軐?dǎo)致的，因此并不能說明CEC、pH值對團(tuán)聚體平均質(zhì)量直徑的動態(tài)變化有顯著影響。本研究中SOM與團(tuán)聚體平均質(zhì)量直徑相關(guān)性未達(dá)到顯著水平，這與ALGAYER等的[16]研究結(jié)果相同，而與ZHAO等[30]的研究結(jié)果不同。其原因可能是實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)所造成的。ZHAO等[30]的實(shí)驗(yàn)中，土壤樣品取自不同土地利用類型，不同樣品之間有機(jī)質(zhì)含量和團(tuán)聚體平均質(zhì)量直徑差異較大，而本研究中所有樣品取自同一樣地，且實(shí)驗(yàn)期間結(jié)皮層和下層土壤有機(jī)質(zhì)含量的變異系數(shù)(結(jié)皮層和下層分別為3%和4%)均小于團(tuán)聚體平均質(zhì)量直徑的變異系數(shù)，未能體現(xiàn)出SOM與團(tuán)聚體平均質(zhì)量直徑之間的關(guān)系。因此SOM與團(tuán)聚體平均質(zhì)量直徑相關(guān)性不顯著，并不能說明SOM對團(tuán)聚體平均質(zhì)量直徑?jīng)]有影響，只能說明實(shí)驗(yàn)期間團(tuán)聚體平均質(zhì)量直徑的動態(tài)變化不是SOM的變化所導(dǎo)致。

本研究中，累積降雨量和結(jié)皮層團(tuán)聚體平均質(zhì)量直徑均呈顯著正相關(guān)。這可能是在降雨的不斷打擊夯實(shí)作用下，結(jié)皮層動態(tài)發(fā)育過程中團(tuán)聚體微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生極大改變所導(dǎo)致的。而下層土壤僅MFW與累積降雨量相關(guān)性達(dá)到顯著水平，這可能是因?yàn)橄聦油寥缊F(tuán)聚體結(jié)構(gòu)改變較小，且SW、WS處理下團(tuán)聚體平均質(zhì)量直徑受土壤結(jié)構(gòu)影響較小。R、I與團(tuán)聚體平均質(zhì)量直徑相關(guān)性不顯著，可能是由自然條件下復(fù)雜的降雨過程導(dǎo)致。土壤結(jié)皮的發(fā)育是“形成—破壞—再形成”的動態(tài)過程，蔡強(qiáng)國等[25]研究表明，土壤結(jié)皮在72 mm/h降雨條件下，30 min內(nèi)即可經(jīng)歷2個(gè)完整的發(fā)育過程。研究區(qū)內(nèi)的自然降雨大多歷時(shí)較長，降雨期間的雨強(qiáng)變化較為復(fù)雜頻繁，因此，本研究未能很好地確定導(dǎo)致土壤結(jié)皮破壞和形成的臨界降雨情況。

表3 團(tuán)聚體平均質(zhì)量直徑與各參數(shù)的相關(guān)系數(shù)

注：*表示在P<0.05水平顯著相關(guān)；** 表示在P<0.01水平顯著相關(guān)。

3 結(jié)論

(1)結(jié)皮層團(tuán)聚體穩(wěn)定性在次降雨作用下動態(tài)變化顯著。隨著累積降雨量的增加，MFW呈現(xiàn)出明顯的上升趨勢，而MSW、MWS上升幅度較小。

(2)在自然降雨的影響下，結(jié)皮層和下層土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性存在較大差異，一般表現(xiàn)為結(jié)皮層團(tuán)聚體穩(wěn)定性高于下層土壤，且隨著降雨場次的增加，兩者之間差異逐漸增大。因此，在利用團(tuán)聚體穩(wěn)定性做土壤可蝕性評價(jià)等研究或者制定相關(guān)土壤侵蝕治理措施時(shí)應(yīng)充分考慮表土結(jié)皮的影響。

(3)取樣時(shí)土壤含水率、累積降雨量對結(jié)皮層團(tuán)聚體穩(wěn)定性有較顯著的影響。而有機(jī)質(zhì)含量、陽離子交換量等土壤理化性質(zhì)對團(tuán)聚體動態(tài)變化的影響較小。因此，即使在土壤理化性質(zhì)基本變的情況下，土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性在自然降雨影響下也存在較大的變化，進(jìn)而對土壤可蝕性產(chǎn)生較大影響。

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Dynamics of Stability of Soil Crust under Natural Rainfall Event

HU Bo1WANG Yujie1，2WANG Bin1，2WANG Yunqi1，2LIU Chunxia1WANG Chenfeng1

(1.SchoolofSoilandWaterConservation,BeijingForestryUniversity,Beijing100083,China2.BeijingEngineeringResearchCenterofSoilandWaterConservation,Beijing100083,China)

Soil aggregate stability is a key parameter influencing soil fertility, environmental problems, and soil sensitivity to erosion. It is well established that aggregate stability changes over time. However, there is a lack of information considering the dynamics of aggregate at a short-term step in the field. In addition, aggregate stability is usually determined by using soil samples collected from the plough layer, while soil erosion occurs in the surface soil. The difference between the soil crust and plough layer is usually ignored. The objectives were to investigate the variations in aggregate stability under rainfall event, identify the factors controlling these variations of stability, and compare the difference of aggregate stability between soil crust and subsurface soil. A field experiment was conducted on a cropland with typical yellow soil in Three Gorges Reservoir area. Sampling was performed after rainfall events. Aggregate stability was measured for both crust soil and subsurface soil by the Le Bissonnais (LB) method. Rainfall amount, rainfall intensity, air temperature, soil temperature and soil water content at the time of sampling were measured as potential explanatory factors. The results showed that aggregate stability varied significantly (P<0.05) under rainfall event for both the soil crust and subsurface soil. During the experiment, the mean weight diameter (MWD) obtained under fast wetting, slow wetting, and pre-wetting shaking treatments was varied between 0.73 mm and 2.13 mm, 1.70 mm and 2.90 mm, and 2.27 mm and 3.16 mm, respectively, for the soil crust. While MWD of subsurface soil was varied between 0.70 mm and 1.27 mm, 1.69 mm and 2.83 mm, and 2.53 mm and 2.95 mm, respectively. Great differences between the aggregate stability of soil crust and subsurface soil were found. And the aggregate stability of soil crust was significantly higher than that of surface soil. For the soil crust, accumulative rainfall amount, rainfall intensity, air temperature, soil temperature and soil water content at the time of sampling greatly controlled the variations of aggregate stability in fast wetting and slow wetting treatments. The large differences in aggregate stability between soil crust and the plough layer implied large differences in soil erodibility. And the soil erodibility was varied greatly in the field over several rainfall events.

aggregate stability; dynamics; soil crust; influencing factors; Three Gorges Reservoir area

10.6041/j.issn.1000-1298.2017.06.029

2017-02-27

2017-04-10

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41401299)

胡波(1988—)，男，博士生，主要從事土壤可蝕性研究，E-mail: hubo8518@163.com

王玉杰(1960—)，男，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事流域治理和土壤侵蝕研究，E-mail: wyujie@bjfu.edu.cn

S152.4

A

1000-1298(2017)06-0225-07