土壤理化性質(zhì)與土壤濺蝕速率的相關(guān)性研究

孫貞婷, 胡 霞, 李宗超, 劉 勇

(1.北京師范大學(xué) 環(huán)境演變與自然災(zāi)害教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京100875; 2.北京師范大學(xué) 減災(zāi)與應(yīng)急管理研究院, 北京 100875)

土壤理化性質(zhì)與土壤濺蝕速率的相關(guān)性研究

孫貞婷1,2, 胡 霞1,2, 李宗超1,2, 劉 勇1,2

(1.北京師范大學(xué) 環(huán)境演變與自然災(zāi)害教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京100875; 2.北京師范大學(xué) 減災(zāi)與應(yīng)急管理研究院, 北京 100875)

土壤濺蝕是土壤侵蝕的初始階段，是降雨雨滴直接打擊土壤表層引起的土壤顆粒分散和位移發(fā)生的過程。為研究土壤理化性質(zhì)與土壤濺蝕速率的相關(guān)性，研究通過人工模擬降雨濺蝕試驗(yàn)測(cè)定土壤濺蝕速率，運(yùn)用SPSS 20.0軟件，對(duì)土壤理化性質(zhì)與土壤濺蝕速率進(jìn)行了Pearson相關(guān)系數(shù)分析。結(jié)果表明：土壤滲透性、分散率、團(tuán)聚度和土壤粒級(jí)與土壤濺蝕速率相關(guān)性最大。土壤的滲透系數(shù)在整個(gè)降雨歷時(shí)階段對(duì)土壤的濺蝕速率一直呈現(xiàn)負(fù)影響。分散率在降雨歷時(shí)為15 min時(shí)對(duì)土壤濺蝕速率呈顯著負(fù)影響。團(tuán)聚度對(duì)土壤濺蝕速率的影響由T=15 min時(shí)的顯著正相關(guān)變成T=20 min時(shí)的極顯著正相關(guān)。土壤粒級(jí)和土壤濺蝕速率相關(guān)性很大，且關(guān)系較為復(fù)雜。相較于其他4種粒級(jí)中，粒級(jí)范圍在D<0.002 mm的土壤顆粒對(duì)土壤濺蝕速率影響最大，且在降雨歷時(shí)為15～20 min時(shí)，對(duì)土壤濺蝕速率皆有顯著正相關(guān)性。另外，粒級(jí)范圍在0.2≤D<2 mm和0.02≤D<0.2 mm的土壤顆粒分別在T=15 min和T=20 min時(shí)對(duì)土壤濺蝕速率有顯著負(fù)相關(guān)性。土壤粒級(jí)對(duì)土壤濺蝕速率的相關(guān)性隨降雨歷時(shí)的變化可能與土壤結(jié)皮有關(guān)。

土壤濺蝕; 土壤理化性質(zhì); 滲透系數(shù); 團(tuán)聚度; 土壤顆粒組成

土壤濺蝕是指地表土壤在雨滴動(dòng)能作用下，導(dǎo)致土壤結(jié)構(gòu)破壞，使表層土壤孔隙減少或者堵塞，土壤團(tuán)粒被分散、剝離，并使部分土粒沿拋物線的運(yùn)動(dòng)軌跡向四周飛濺的過程[1]，是土壤侵蝕中極為普遍的一種侵蝕方式。Ellison將土壤侵蝕分為四個(gè)階段[2]，即雨滴對(duì)土壤的濺蝕、徑流的濺蝕、雨滴對(duì)濺蝕產(chǎn)生的土粒的搬運(yùn)、徑流對(duì)土粒搬運(yùn)。Ellison認(rèn)為濺蝕是土壤侵蝕的第一步。濺蝕還會(huì)填塞土壤孔隙，降低土壤滲透性，阻止雨水入滲，增加地表徑流，增強(qiáng)徑流的侵蝕和搬運(yùn)能力[3]，從而加劇水土流失，使土體板結(jié)，土地適耕性大大降低。因此，研究土壤濺蝕不僅可為理解土壤侵蝕機(jī)理提供理論依據(jù)，還對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有重要意義。郭耀文[4]將土壤濺蝕過程分為三個(gè)階段：(1) 干土濺散階段：降雨初期，雨滴降落到相對(duì)較干燥的土表，因土壤顆粒間隙有空氣充填，土粒還來不及吸取雨水，細(xì)小土粒只隨雨滴濺散開，但仍保持原來的結(jié)構(gòu)；(2) 泥漿濺散降段：隨降雨時(shí)間延長(zhǎng)，表層土壤孔隙充填的水分逐漸增多，并繼續(xù)受雨滴的沖擊、震蕩，引起土壤結(jié)構(gòu)破壞。當(dāng)其土壤表層水分增加到過于飽和狀態(tài)后，土壤即成為稀泥狀態(tài)，泥漿受雨滴沖擊，以稀泥狀態(tài)濺散；(3) 層狀侵蝕階段：隨降雨過程繼續(xù)延長(zhǎng)，土表的泥漿將阻塞土壤孔隙，妨礙水分繼續(xù)下滲，形成泥漿狀的地表渾濁徑流，造成地表土粒均勻地流失。土壤濺蝕的影響因素可歸結(jié)為土壤性質(zhì)(土壤顆粒、土壤結(jié)皮、滲透率等)、降雨特性(雨強(qiáng)、降雨歷時(shí)、降雨能量等)及其他因素(坡度等)[5-6]。很多研究表明，土壤理化性質(zhì)對(duì)土壤濺蝕有很大影響，胡霞等[7]研究結(jié)果表明，土壤結(jié)皮的存在會(huì)降低土壤的濺蝕速率；尹武君等[8]研究結(jié)果表明土壤密實(shí)度越大，土壤濺蝕量越小；Wuddivira等[9]研究結(jié)果表明在濕潤(rùn)速率較小的情況下，提高土壤含水量可有效降低土壤濺蝕率。但是，土壤理化性質(zhì)中哪種性質(zhì)對(duì)土壤濺蝕影響較大，對(duì)土壤濺蝕的作用是促進(jìn)還是抑制，尚不明確。

本研究通過人工模擬降雨濺蝕試驗(yàn)，利用濺蝕盤[10-11]得到土壤的濺蝕速率，然后運(yùn)用SPSS 20.0軟件，分析土壤粒級(jí)、團(tuán)聚度、滲透系數(shù)、水穩(wěn)性團(tuán)聚體平均重量直徑等土壤理化性質(zhì)與土壤濺蝕速率的Peason相關(guān)系數(shù)，分析土壤理化性質(zhì)與土壤濺蝕速率的相關(guān)性。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)在中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所坡地室人工模擬降雨大廳中進(jìn)行。模擬降雨裝置是由一套直立管道、調(diào)壓器、壓力表、向下的噴嘴裝置構(gòu)成，直立管道高4.75 m，水平延伸管長(zhǎng)0.9 m，向下的噴頭連結(jié)于水平延伸管上，噴嘴型號(hào)是美國(guó)Spraco，其離地高度4.75 m。

試驗(yàn)用濺蝕盤為直徑30 cm、高10 cm的圓型盤，盤中心是一直徑10 cm、高3 cm的圓型活動(dòng)裝土盤，盤底部打上小孔。外環(huán)是用來收集表面水流沖刷的泥沙，使之不與濺蝕土?；祀s。此裝置是在Morgan濺蝕盤的基礎(chǔ)上，對(duì)盛試驗(yàn)用土的內(nèi)圓盤外加寬1 cm改進(jìn)而成。

1.2 試驗(yàn)樣品與試驗(yàn)設(shè)計(jì)

供試土壤采自湖北省，試驗(yàn)材料取自不同的地點(diǎn)，采樣深度0—10 cm，在野外直接挖取、裝袋。取樣地點(diǎn)、母質(zhì)類型、土壤利用狀況及土壤類型列于表1中。

表1 供試土樣來源、成土條件以及土地利用狀況

試驗(yàn)前將土壤樣品風(fēng)干并過土壤分析篩，利用干篩法對(duì)供試土壤進(jìn)行處理，得到10種土壤的粒級(jí)百分含量，見表2。

試驗(yàn)前通過常規(guī)土壤理化分析方法測(cè)定土壤的基本理化性質(zhì)，見表3。濺蝕盤中土壤樣品容重控制在1.30 g/cm3。雨強(qiáng)控制為1.20 mm/min，降雨時(shí)間分別為5，10，15，20 min。降雨后收集濺蝕盤中的土樣分析濺蝕速率，得到表4。每個(gè)處理采用3個(gè)重復(fù)。

式中：a是土壤微團(tuán)聚體>0.02mm穩(wěn)定性微團(tuán)聚體含量；b是土壤顆粒分析時(shí)>0.02mm粒級(jí)的顆粒含量。

1.3 數(shù)據(jù)分析方法

利用軟件Spss20.0分析土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)、土壤結(jié)構(gòu)特征與土壤濺蝕速率的Pearson相關(guān)系數(shù)，置信水平p=0.05，即p<0.05為顯著相關(guān)，p<0.01為極顯著相關(guān)。

表2 10種土壤的粒級(jí)百分含量 %

表3 10種土壤的結(jié)構(gòu)特征

表4 10種土壤不同降雨歷時(shí)濺蝕速率 g/(m2·min)

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤的濺蝕速率特征

圖1是10種土壤在不同降雨歷時(shí)條件下的濺蝕速率變化曲線。在降雨過程中，雨滴擊打土壤表面，使其表面條件不斷發(fā)生變化，濺蝕速率不斷改變。

在5～10 min 內(nèi)，除了3號(hào)和9號(hào)土壤的濺蝕速率緩慢減小外，其余8種土壤的濺蝕速率隨降雨歷時(shí)的延長(zhǎng)而增大；在10～15 min內(nèi)，2號(hào)、6號(hào)和7號(hào)土壤濺蝕速率隨降雨歷時(shí)而減小，8號(hào)土壤濺蝕速率較為穩(wěn)定，其余土壤的濺蝕速率隨降雨歷時(shí)的延長(zhǎng)而增大。在15～20 min內(nèi)，2號(hào)和7號(hào)土壤濺蝕速率稍有回升，其余土壤的濺蝕速率隨降雨歷時(shí)的延長(zhǎng)而減小。在5～20 min內(nèi)，10種土壤的濺蝕速率隨降雨歷時(shí)延長(zhǎng)而發(fā)生升降波動(dòng)，是由于表土結(jié)皮發(fā)育不完善，且形成與破壞交替進(jìn)行[12](表土結(jié)皮發(fā)育過程見圖2—6)。雨滴的下落過程是重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能的過程。當(dāng)雨滴降落到地表時(shí)，雨滴擊打表土，其動(dòng)能損耗在擊濺土壤顆粒。當(dāng)雨滴動(dòng)能克服土粒間的黏結(jié)作用及土粒的重力勢(shì)能時(shí)，就會(huì)使土粒發(fā)生分散和位移。土壤被濺蝕的量取決于土壤的抗蝕能力[13]，而表土結(jié)皮愈厚抗濺蝕力愈強(qiáng)[14]。未降雨前土壤表面基本上都為大團(tuán)聚體，不易被雨滴擊濺而發(fā)生位移。隨降雨歷時(shí)的延長(zhǎng)，雨滴打擊破壞表層土壤的結(jié)構(gòu)，使得團(tuán)聚體被破壞為細(xì)小顆?；蛭F(tuán)聚體，土壤顆粒分散并堵塞土壤孔隙，同時(shí)雨滴對(duì)于表土的打擊和壓實(shí)作用，還會(huì)導(dǎo)致某些土壤上形成薄的致密層，即表土結(jié)皮[15]。當(dāng)土壤結(jié)皮發(fā)育不斷完善時(shí)，土壤表面抗濺蝕能力也不斷增強(qiáng)，且結(jié)皮愈厚抗濺蝕力愈強(qiáng)，從而土壤濺蝕速率減小[14,16-17]。

2.2 土壤理化性質(zhì)對(duì)土壤濺蝕速率的影響

對(duì)10種土壤不同降雨歷時(shí)下的濺蝕速率與相應(yīng)的水穩(wěn)性團(tuán)聚體平均重量直徑、>0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體、>0.5 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體、團(tuán)聚體分散度、分散率、團(tuán)聚度、滲透系數(shù)等結(jié)構(gòu)特征和粒級(jí)百分含量進(jìn)行皮爾森(Pearson)相關(guān)分析，得到土壤濺蝕速率和土壤主要理化指標(biāo)之間的相關(guān)性見表5。

圖110種土壤在不同降雨歷時(shí)條件下的濺蝕速率變化曲線

當(dāng)降雨歷時(shí)為5 min時(shí)，土壤的滲透系數(shù)和土壤的濺蝕速率相關(guān)性較大，且呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。在降雨初期，土壤濺蝕處于干土濺散階段，土壤表面較干燥，雨滴動(dòng)能主要用來濕潤(rùn)土壤，細(xì)小土粒隨雨滴濺散開，濺蝕量較少。因此，土壤的滲透系數(shù)越大，雨滴濺散干土量越少，土壤濺蝕速率越小。

隨著降雨歷時(shí)的延長(zhǎng)，當(dāng)T=10 min時(shí)，土壤濺蝕速率與土壤中0.02≤D<0.2 mm的顆粒含量的相關(guān)性最大，且為正相關(guān)性；其次是土壤的團(tuán)聚度與土壤濺蝕速率的相關(guān)性相對(duì)較大，且為負(fù)相關(guān)。在降雨初期，土壤表面的細(xì)顆粒在雨滴的動(dòng)能打擊作用下大部分被濺蝕，隨著雨滴的繼續(xù)打擊，雨滴的動(dòng)能一部分被土壤吸收，另外未被吸收的“剩余能量”中，一部分被用來濺散較大顆粒[18]。因此，土壤中0.02≤D<0.2 mm的顆粒含量越多，濺蝕速率越大。在降雨歷時(shí)10 min時(shí)，雨滴動(dòng)能不斷耗散在分散大的團(tuán)聚體上，從而為表土結(jié)皮的發(fā)育提供物質(zhì)，此時(shí)用來濺蝕土壤

顆粒的雨滴動(dòng)能很少[18]。土壤團(tuán)聚度是土壤中0.02 mm穩(wěn)定性微團(tuán)聚體含量，因此土壤團(tuán)聚度越大，土壤濺蝕速率越小。

當(dāng)降雨歷時(shí)為15 min時(shí)，土壤的濺蝕速率與土壤的0.2≤D<2 mm的顆粒含量、分散率呈顯著負(fù)相關(guān)，與土壤中D<0.002 mm的顆粒含量、團(tuán)聚度呈顯著正相關(guān)。降雨初期由于細(xì)顆粒被雨滴濺散，隨降雨歷時(shí)的延長(zhǎng)，表土大顆粒相對(duì)含量增大，而大的土壤顆粒(D>0.2 mm)不易被濺蝕。故而，當(dāng)降雨歷時(shí)為15 min時(shí)，濺蝕速率減小，即土壤濺蝕速率與0.2≤D<2 mm的土壤顆粒含量呈顯著負(fù)相關(guān)。分散率是表示土壤可蝕性的指標(biāo)，分散率愈大，土壤抗沖性越小，土粒越容易被分散沖刷，其大小取決于土粒與水的親和力和膠結(jié)力[19]。從圖2—6中土壤結(jié)皮發(fā)育過程可以看出，當(dāng)降雨歷時(shí)為15 min時(shí)，表土結(jié)皮的發(fā)育趨向完整[15]，表土上層顆粒逐漸變得越來越緊實(shí)，土壤的抗濺蝕能力增強(qiáng)，因此濺蝕速率越小。團(tuán)聚度越大的土壤，其穩(wěn)定性團(tuán)聚體含量越多，越不容易形成表土結(jié)皮[19]，所以其土壤的抗濺蝕能力越小。此外，分散率與團(tuán)聚度呈負(fù)相關(guān)(表5)，所以團(tuán)聚度越大，分散率越小，抗濺蝕能力越小，故而土壤濺蝕速率越大。

隨著降雨歷時(shí)的繼續(xù)延長(zhǎng)，當(dāng)T=20 min時(shí)，土壤中團(tuán)聚度與土壤的濺蝕速率呈極顯著正相關(guān)，團(tuán)聚度是影響濺蝕速率的最大因素。團(tuán)聚度越大的土壤，越不容易形成表土結(jié)皮[20]，土壤的抗濺蝕能力越小，濺蝕速率越大。而此時(shí)土壤中0.02≤D<0.2 mm的大顆粒和D<0.002 mm的小顆粒不易被濺蝕[21]，所以與土壤的濺蝕速率呈顯著負(fù)相關(guān)。

在T=0～20 min整個(gè)降雨歷時(shí)過程中，土壤濺蝕速率與滲透系數(shù)都呈負(fù)相關(guān)，即在不同降雨歷時(shí)過程中，都有滲透系數(shù)越大，土壤濺蝕速率越小的規(guī)律。

圖23號(hào)土壤，T=5，10，15min(單偏光，4×3.3)

圖36號(hào)土壤，T=5，10，15min(單偏光，4×3.3)

圖47號(hào)土壤，T=5，10，15min(單偏光，4×3.3)

圖58號(hào)土壤，T=15min(單偏光，10×3.3)、T=20分鐘(單偏光，4×3.3)

圖6 10號(hào)土壤，T=5，15，20 min(單偏光，4×3.3)表5 土壤理化性質(zhì)與土壤濺蝕速率的Pearson相關(guān)系數(shù)

注：d表示水穩(wěn)性團(tuán)聚體平均重量直徑，d1>0.25 mm,d2>0.5 mm；D1，D2，D3，D4和D5分別表示土壤粒級(jí)為D>2 mm，0.2≤D<2 mm，0.02≤D<0.2 mm，0.002≤D<0.02 mm和D<0.002 mm；*表示在p<0.05水平上顯著；**在p<0.01水平上極顯著。

3 結(jié) 論

本文運(yùn)用SPSS 20.0軟件對(duì)10種不同土壤在不同降雨歷時(shí)條件下的濺蝕速率和土壤理化性質(zhì)進(jìn)行Pearson相關(guān)系數(shù)分析，結(jié)果得出分散率、團(tuán)聚度和土壤粒級(jí)與土壤濺蝕速率相關(guān)性最大。在降雨初期，土壤的滲透系數(shù)對(duì)土壤的濺蝕速率影響較大，且滲透系數(shù)越大，土壤的濺蝕速率越?。浑S著降雨歷時(shí)的延長(zhǎng)(T=10 min)，濺蝕速率與團(tuán)聚度呈負(fù)相關(guān)，即團(tuán)聚度越大，土壤的濺蝕速率越小；之后，隨著降雨歷時(shí)的繼續(xù)延長(zhǎng)(T=15～20 min)，濺蝕速率與團(tuán)聚度由顯著正相關(guān)變化到極顯著正相關(guān)，兩者之間相關(guān)性的動(dòng)態(tài)變化可能是與表土結(jié)皮的發(fā)育有關(guān)。在降雨后期(T=15～20 min)，土壤的顆粒組成對(duì)土壤的濺蝕速率影響也較大，當(dāng)T=10 min時(shí)，土壤顆粒粒級(jí)在0.02≤D<0.2 mm范圍內(nèi)的顆粒與土壤濺蝕速率相關(guān)性最大；隨降雨歷時(shí)延長(zhǎng)(T=15 min)時(shí)，土壤的濺蝕速率與土壤的0.2≤D<2 mm的顆粒含量呈顯著負(fù)相關(guān)，與D<0.002 mm的顆粒含量呈顯著正相關(guān)；當(dāng)降雨歷時(shí)繼續(xù)延長(zhǎng)(T=20 min)，土壤中0.02≤D<0.2 mm的大顆粒和D<0.002 mm的小顆粒與土壤的濺蝕速率呈顯著負(fù)相關(guān)。

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CorrelationsBetweenSoilPhysical-ChemicalProprietiesandSoilSplashErosionRate

SUN Zhenting1,2, HU Xia1,2, LI Zongchao1,2, LIU Yong1,2

(1.KeyLaboratoryofEnvironmentalChangeandNaturalDisaster,BeijingNormalUniversity,Beijing100875,China;2.AcademyofDisasterReductionandEmergencyManagement,BeijingNormalUniversity,Beijing100875,China)

Soil splash erosion is the beginning of soil erosion process, and results in soil particle dispersion and migration when the raindrop directly blows topsoil. To study the correlations between soil physical-chemical proprieties and soil splash erosion rate, we measured soil splash erosion rate based on artificial simulated rainfall splash erosion experiment, and used SPSS 20.0 software to analyze the Pearson correlation coefficient between the soil physical-chemical properties and soil splash erosion rates. The results show that soil permeability, dispersion rate, aggregation and soil particle have a great influence during the rainfall; soil permeability has negative effects on erosion rate in the whole duration of rainfall; the dispersion rate has a significant negative impact on the soil erosion rate when rainfall duration is 15 minitues; the correlation between aggregation and soil splash erosion rate changes from positive correlation whenT=15 min to significantly positive correlation whenT=20 min; soil particles are strongly correlated with soil splash erosion rate, and the relationship is more complex. Compared to the other four kinds of grain size, <0.002 mm soil particle has the greatest impact on soil erosion rate, and has a significant positive effect during the latest two rainfall events. 0.2≤D<2 mm or 0.02≤D<0.2 mm soil particle has a significant negative correlation on soil erosion rate whenT=15 min andT=20 min, respectively. The correlation of soil erosion rate with soil particle sizes may be related to the soil crust.

soil splash erosion; soil physical-chemical proprieties; soil permeability; aggregation; soil particle

2016-05-04

：2016-06-22

國(guó)家自然科學(xué)基金“根系對(duì)灌叢化草地土壤大孔隙形成及水分運(yùn)移的影響”(41471018)

孫貞婷(1992—),女,湖北嘉魚人,碩士,研究方向:土壤結(jié)構(gòu)。E-mail:201521480030@bun.edu.cn

胡霞(1978—),女,江蘇懷安人,副教授,博士,主要從事土壤物理研究。E-mail:huxia@bnu.edu.cn

S157.1

：A

：1005-3409(2017)03-0053-06