紅壤坡面土壤團(tuán)聚體特性與侵蝕泥沙的相關(guān)性

錢(qián) 婧,張麗萍,王文艷

浙江大學(xué)浙江省農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,環(huán)境與資源學(xué)院, 杭州 310058

由土壤侵蝕所引起的土壤退化問(wèn)題,一直以來(lái)都是國(guó)內(nèi)外研究者極為關(guān)切的環(huán)境問(wèn)題[1- 3]。土壤侵蝕主要導(dǎo)致土壤顆粒的粗化,土層變薄及土壤養(yǎng)分的流失,并最終降低土壤質(zhì)量、土地生產(chǎn)力及土壤對(duì)環(huán)境變化的緩沖能力。特別是土壤顆粒粗化及土層變薄,它們對(duì)土壤造成的危害是通過(guò)人工措施難以得到修復(fù)的,因此在大力開(kāi)展土壤退化治理,提高土壤肥力,控制土壤養(yǎng)分流失引起的水體富營(yíng)養(yǎng)化方面,首先應(yīng)有效的控制因土壤侵蝕所導(dǎo)致的土壤顆粒粗化[4]。坡面土壤粗化是指在雨滴打擊作用下,土壤表面因細(xì)顆粒被濺蝕、淋濾及土壤細(xì)顆粒隨徑流遷移損失,而砂?；虻[石等大粒徑的土壤顆粒在坡面上沉積、含量增高的現(xiàn)象,最終使坡面表層土壤和侵蝕泥沙顆粒的機(jī)械組成發(fā)生相應(yīng)的改變[5]。

由于土壤團(tuán)聚體是土壤結(jié)構(gòu)的基本結(jié)構(gòu)單元[6- 7],其粒徑大小分布及穩(wěn)定性影響降雨時(shí)雨滴的入滲、徑流的運(yùn)移及土壤可蝕性,最終改變侵蝕泥沙的顆粒組成[8- 9],因此認(rèn)為土壤或侵蝕泥沙顆粒組成的變化可作為衡量土壤粗化程度及土壤團(tuán)聚體穩(wěn)性的重要指標(biāo)之一[10- 12]。如：陳正發(fā)[13]等在研究紫色土旱地土壤侵蝕過(guò)程中,指出土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性越差,侵蝕產(chǎn)沙量和徑流量越大。李朝霞等[14]研究降雨過(guò)程中紅壤表土結(jié)構(gòu)變化與侵蝕產(chǎn)沙的關(guān)系中發(fā)現(xiàn),一方面,由于土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較差,容易破碎,另一方面,坡面徑流攜帶泥沙的搬運(yùn)過(guò)程具有明顯的選擇性,是隨著徑流量和流速的變化而變化,坡面徑流量大、流速快,則所搬運(yùn)的泥沙的粒徑大,反之,則搬運(yùn)的泥沙粒徑較小(粘粒或粉粒)。因此,在土壤團(tuán)聚體特征和徑流特征的共同作用下,侵蝕泥沙中細(xì)顆粒物(<0.02mm)含量遠(yuǎn)高于土壤中該粒徑顆粒含量。郭偉等[15]在研究南方紅壤丘陵區(qū)不同破碎機(jī)制對(duì)團(tuán)聚體穩(wěn)定性與坡面侵蝕過(guò)程的影響中,得出隨著土壤團(tuán)聚體粒徑的減小,侵蝕泥沙的平均直徑逐漸增大的結(jié)論。閆峰陵等[16]在野外的模擬降雨試驗(yàn)中,認(rèn)為泥沙粒徑與濕篩MWD團(tuán)聚體和WSA0.25之間呈顯著正相關(guān)。姜義亮等[17]等在研究東北黑土區(qū)片蝕和溝蝕對(duì)土壤團(tuán)聚體流失的影響中指出,表征團(tuán)聚體流失的兩個(gè)特征平均重量直徑(MWD)和幾何平均直徑(GMD)均能反映黑土農(nóng)耕地坡面片蝕和和溝蝕方式下的團(tuán)聚體流失特征,其中MWD能夠更好的反映出雨強(qiáng)變化時(shí)兩種侵蝕方式下土壤團(tuán)聚體的流失特征。盧嘉等[18]在降雨侵蝕過(guò)程中黑土團(tuán)聚體流失特征的研究中得出秸稈覆蓋試驗(yàn)處理下流失團(tuán)聚體的平均重量直徑(MWD)和幾何平均直徑(GMD)分別是裸露休閑處理的1.5—2.9和1.7—2.0倍;而秸稈覆蓋處理下的平均重量比表面積(MWSSA)和分形維數(shù)(D)較裸露休閑處理分別減少了26.2%—32.9%和5.1%—6.7%的結(jié)論。

在我國(guó),南方紅壤丘陵區(qū)總土地面積為118×104km2,約占國(guó)土總面積的12.3%。該地區(qū)因具有降雨充沛,暴雨強(qiáng)度大,地形起伏等獨(dú)特的自然環(huán)境,易導(dǎo)致土壤淋溶,抗蝕性弱[19]等問(wèn)題。特別是在浙江省,因社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅猛,各類(lèi)開(kāi)發(fā)項(xiàng)目增多[20],使得該地區(qū)平原河谷農(nóng)用地面積減少,無(wú)法滿(mǎn)足當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)事需求,農(nóng)民逐步開(kāi)始選擇在山地和丘陵區(qū)坡面種植蔬菜作物。因此,以坡面菜地特殊的管理方式和影響因素為背景,開(kāi)展強(qiáng)降雨對(duì)坡面菜地土壤及侵蝕泥沙特征變化的研究,具有十分重要的實(shí)際意義和理論價(jià)值。本研究就是在總結(jié)了以往研究成果及測(cè)試方法的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)以不同坡長(zhǎng)、不同植被覆蓋度為外部環(huán)境條件,以室內(nèi)人工模擬降雨為試驗(yàn)方法,通過(guò)分析相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù),確定強(qiáng)降雨過(guò)程對(duì)土壤及侵蝕泥沙顆粒組成的影響,探討坡面土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的變化特征,進(jìn)而揭示侵蝕泥沙顆粒組成與土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性之間的內(nèi)在聯(lián)系。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與過(guò)程

1.1 試驗(yàn)裝置和供試土壤

全部人工模擬降雨試驗(yàn)(采樣,試驗(yàn)和分析測(cè)定)均在2014年5月—2015年2月完成。該人工模擬降雨試驗(yàn)在浙江大學(xué)華家池校區(qū)玻璃溫室內(nèi)進(jìn)行,試驗(yàn)溫度保持在20—25℃之間。試驗(yàn)小區(qū)設(shè)計(jì)以3種不同坡長(zhǎng)的徑流槽(2,3,4m)為1組,坡度均為20°,0.5m寬,0.5m深,因此徑流槽的面積分別為2m×0.5m,3m×0.5m,4m×0.5m的3類(lèi)。人工模擬降雨的裝置及試驗(yàn)小區(qū)整體示意圖見(jiàn)圖1,圖2。

圖1 人工模擬降雨裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of simulation rainfall equipment

圖2 試驗(yàn)小區(qū)整體示意圖Fig.2 Schematic diagram of experimental plots

試驗(yàn)土壤是浙江省臨安市的典型紅壤,也是浙江省最為普遍的土壤類(lèi)型,其來(lái)源于火成巖緩坡地風(fēng)化殘積母質(zhì)發(fā)育的紅壤。供試土壤的基本理化性質(zhì)如表1[21]。

表1 試驗(yàn)小區(qū)的表層土壤(0—10cm)理化性質(zhì)

pH為土水比(1∶2.5)

植被的選擇為在浙江省廣泛種植的浙白6號(hào)白菜(BrassicacampestrisL)。隨著白菜的不斷生長(zhǎng),人為將試驗(yàn)小區(qū)的植被覆蓋度劃分為0,30%,60%,90%,植被覆蓋度的確定主要是通過(guò)高像素的數(shù)碼相機(jī)在空中垂直拍攝,將拍攝的影像掃描輸入電腦,處理為灰色調(diào)的圖片,根據(jù)灰度確定植被覆蓋度。并將實(shí)測(cè)的植被覆蓋度分為4個(gè)等級(jí)(0,30%,60%,90%),其某一級(jí)誤差范圍為±6%。

1.2 模擬降雨

浙江省屬亞熱帶季風(fēng)氣候。該氣候夏季炎熱多雨,冬季低溫少雨。全年降水充沛,平均雨強(qiáng)達(dá)到0.65—1.95mm/min。考慮到當(dāng)?shù)氐慕涤晏攸c(diǎn)及降雨時(shí)間,每場(chǎng)降雨的雨強(qiáng)設(shè)計(jì)為2.0mm/min,產(chǎn)流歷時(shí)為30min,每場(chǎng)降雨的時(shí)間間隔是由試驗(yàn)小區(qū)的初始條件所決定,特別是小區(qū)土壤的前期含水量,盡量保持每場(chǎng)次降雨的環(huán)境條件一致,因此設(shè)定14—20d為降雨間隔時(shí)間,即當(dāng)小區(qū)土壤的前期含水量恢復(fù)到第一次降雨時(shí)的水平,每次降雨都重復(fù)這一過(guò)程。試驗(yàn)設(shè)置為每場(chǎng)降雨試驗(yàn)3個(gè)坡長(zhǎng)為1組,可以同時(shí)覆蓋,即：植被覆蓋為0時(shí),3次重復(fù),植被覆蓋為30%時(shí),3次重復(fù),植被覆蓋為60%時(shí),3次重復(fù),植被覆蓋為90%時(shí),3次重復(fù),共進(jìn)行有效降雨場(chǎng)次12場(chǎng)。具體試驗(yàn)設(shè)計(jì)見(jiàn)表2。

表2 降雨試驗(yàn)設(shè)計(jì)

室內(nèi)人工模擬選擇的是中國(guó)科學(xué)院水土保持研究所研制生產(chǎn)的可移動(dòng)的側(cè)噴式小型人工模擬降雨裝置(圖1),通過(guò)調(diào)節(jié)水壓和噴頭孔徑大小,控制雨強(qiáng)的大小。本試驗(yàn)由4套降雨裝置組成,分別安置在徑流槽的兩側(cè)(一側(cè)兩套)。雨滴降落時(shí)的高度為6m。同時(shí)在小區(qū)的邊緣設(shè)計(jì)了20個(gè)集雨桶來(lái)監(jiān)測(cè)雨強(qiáng)及均勻度(a),計(jì)算公式如下：

(1)

(2)

(3)

表3 降雨試驗(yàn)的平均雨強(qiáng)和降雨均勻度

1.3 樣品收集

在降雨過(guò)程中記錄初始產(chǎn)流時(shí)間,徑流流入每個(gè)小區(qū)底部的矩形金屬槽,最后從出水口流出,徑流是以相同的時(shí)間間隔(120s)被收集到1000mL的聚乙烯瓶?jī)?nèi)。收集的徑流樣品帶回試驗(yàn)室,經(jīng)靜置4—5h后,記錄徑流量,然后倒出上清液,取底部的泥沙自然風(fēng)干,稱(chēng)重和收集。

1.4 樣品分析

徑流小區(qū)土壤和侵蝕泥沙樣品主要測(cè)定和計(jì)算分為以下10個(gè)指標(biāo)：徑流量(L)并計(jì)算得到徑流系數(shù)(徑流系數(shù)=徑流量/降雨量),侵蝕泥沙質(zhì)量(WS),泥沙的顆粒組成(吸管法),坡面土壤容重(環(huán)刀法)、坡面土壤含水量、坡面土壤干篩法團(tuán)聚體、濕篩法團(tuán)聚體和坡面土壤的機(jī)械組成(吸管法),坡面土壤團(tuán)聚體分散度(PAD0.25,PAD2),坡面土壤濕篩團(tuán)聚體平均重量直徑(MWD團(tuán)聚體)。

i. 土壤分散度計(jì)算公式如下(4),(5)：

(4)

(5)

在公式(4),(5)中PAD0.25代表>0.25mm粒徑團(tuán)聚體的分散度,PAD2為>2mm粒徑團(tuán)聚體的分散度,D0.25和D2為干篩法測(cè)得的粒徑分別為>0.25mm和>2mm土壤團(tuán)聚體所占的質(zhì)量百分比；W0.25和W2為濕篩法測(cè)得的粒徑分別為>0.25mm和>2mm土壤團(tuán)聚體所占的質(zhì)量百分比。

2 結(jié)果與討論

2.1 降雨侵蝕泥沙顆粒機(jī)械組成變化特征

在坡面土壤中,降雨侵蝕過(guò)程主要有以下幾部分：雨滴擊濺使土壤團(tuán)聚體破碎；雨水濕潤(rùn)表層土壤使團(tuán)聚體崩解；徑流遷移過(guò)程中攜帶土壤細(xì)顆粒和進(jìn)一步?jīng)_刷破壞表層土壤團(tuán)聚體[22- 23]；其中雨滴擊濺和雨水濕潤(rùn)對(duì)土壤團(tuán)聚體的破壞作用基本上是同時(shí)發(fā)生的,是土壤侵蝕的早期階段,對(duì)其后的徑流遷移及沖刷破壞土壤團(tuán)聚體存在極大影響。

本文從12場(chǎng)有效降雨中選擇了4個(gè)不同植被覆蓋度(0,30%,60%,90%)條件下,2、3、4m坡面中,土壤及泥沙顆粒的機(jī)械組成的測(cè)定結(jié)果(表4),對(duì)其進(jìn)行比較分析。按照中國(guó)制粒徑分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)將土壤顆粒粒徑劃分為4個(gè)區(qū)間：<2μm,2—20μm,20—50μm,>50μm,來(lái)指示坡面徑流侵蝕和泥沙輸移過(guò)程中不同粒徑顆粒的變化情況。

表4結(jié)果表明：在原土中,粘粒(0—2μm)和細(xì)粉粒(2—20μm)含量之和占總量的43.92%,在泥沙中粘粒和細(xì)粉粒之和占總量的約57.08%,均出現(xiàn)不同程度的增加,即：泥沙<20μm的顆粒含量均比原地表土壤含量高；粗粉粒和砂粒均比原地表土壤含量低(粗粉粒和砂粒分別較原土減少了約7.83%和5.58%)。

根據(jù)以上試驗(yàn)結(jié)果得出如下結(jié)論：侵蝕泥沙以粒徑較小的細(xì)顆粒物為主,且含量高于對(duì)應(yīng)的原土。該結(jié)論與Neibling等[24]所提出的坡面侵蝕泥沙均以<30μm顆粒為主的觀點(diǎn)一致；黃麗等[25]也認(rèn)為紫色土侵蝕泥沙中存在粘粒(<2μm)的大量富集；Palis等[26]則提出降雨剝離、泥沙沉積以及徑流的選擇性搬運(yùn)共同決定了侵蝕泥沙的粒徑分布特征。

在本研究中,強(qiáng)降雨條件下,雨滴動(dòng)能明顯大于土壤顆粒內(nèi)部的粘結(jié)力,這種粘結(jié)力在雨強(qiáng)較大時(shí)易被破壞[27],土壤團(tuán)聚體破碎崩解,同時(shí)降雨過(guò)程中形成的表面徑流不斷沖刷土壤中泥沙顆粒,粒徑較小的泥沙顆粒會(huì)隨徑流遷移出坡面,而大粒徑的顆粒較易在坡面上移動(dòng)一段距離后被沉積,使表土層顆粒粗化[28]。

目前,坡長(zhǎng)對(duì)侵蝕產(chǎn)沙的影響由于涉及降雨在坡面的再分配,即受到沿坡面上下部位發(fā)生的徑流量不相等的影響,因而使得這一問(wèn)題變得較為復(fù)雜[29]。坡長(zhǎng)是影響土壤侵蝕的重要因素之一,針對(duì)坡長(zhǎng)對(duì)坡面侵蝕的影響,各學(xué)者經(jīng)過(guò)深入的研究后,所取得的結(jié)論存在很大的不同[30]。在本研究中,砂粒自身的重力以及沿坡面所產(chǎn)生摩擦力很快抵消了增加的徑流剪切力,使得粗砂沿坡面移動(dòng)一段距離之后被沉積,致使坡長(zhǎng)對(duì)泥沙中各級(jí)粒徑顆粒比例的影響不明顯,在相同覆蓋度下,2m和4m坡面上各級(jí)粒徑泥沙顆粒含量變化差異不大,未達(dá)到顯著性水平(P>0.05)。

表4 整場(chǎng)降雨所收集的泥沙顆粒粒徑分布情況

不同植被覆蓋下,除(0—2μm)的粘粒含量隨著植被覆蓋的增加出現(xiàn)輕微的增大趨勢(shì)以外,其他各粒徑泥沙顆粒均在一定范圍內(nèi)波動(dòng),沒(méi)有表現(xiàn)出較為明顯的變化趨勢(shì)。原因可能是：覆蓋度較小時(shí),雨滴擊濺作用和徑流運(yùn)移的作用并沒(méi)有得到明顯的削弱,坡面大團(tuán)聚體被剝離和分散的同時(shí),降雨徑流優(yōu)先搬運(yùn)粗顆粒。當(dāng)植被覆蓋度增加,削減了部分雨滴對(duì)土壤表面的濺蝕力,增加了降雨向土壤深層滲透；其次由于植物截留降雨量以及攔截徑流能力的增強(qiáng),減慢徑流的流速,進(jìn)一步減少了大粒徑泥沙顆粒的遷移,使侵蝕泥沙中的細(xì)顆粒物比重增加。

2.2 在降雨過(guò)程中坡面土壤團(tuán)聚體破碎對(duì)侵蝕泥沙粒徑變化的影響2.2.1 降雨過(guò)程中土壤團(tuán)聚體破碎特征分析

在降雨擊濺和徑流沖刷等外力作用下,團(tuán)聚體破碎后,在短時(shí)間內(nèi)不會(huì)形成結(jié)皮,反而由于破碎后較小顆粒的吸水作用,在土壤水沒(méi)有達(dá)到飽和時(shí),增加了坡面土壤的滲透能力。同時(shí),由于本試驗(yàn)的降水歷時(shí)較短,表層土壤粘粒含量不高,推遲徑流發(fā)生的趨勢(shì)大于結(jié)皮的形成,結(jié)皮對(duì)坡面土壤侵蝕的影響比較微弱。因此,在本研究中,沒(méi)有考慮結(jié)皮對(duì)坡面土壤團(tuán)聚體破碎及侵蝕泥沙粒徑變化的影響。其次,根據(jù)相關(guān)研究結(jié)論指出[31- 32],60%—80%為坡面侵蝕臨界植被覆蓋度,當(dāng)植被覆蓋度>80%時(shí),覆蓋度的增加并不能引起產(chǎn)流、產(chǎn)沙量的大幅度下降,植被水沙調(diào)控作用趨于穩(wěn)定,因此在本研究分析不同坡長(zhǎng)和植被覆蓋度下,坡面表層土壤(0—10cm)降雨后土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的變化特征,選擇了2、3、4m的3種坡長(zhǎng)及0,30%,60%的3種植被覆蓋度條件下,共計(jì)9場(chǎng)有效降雨前和降雨后的坡面土壤樣品,通過(guò)干篩法和濕篩法得到的各級(jí)團(tuán)聚體的含量(降雨前和降雨后),并將結(jié)果列于表5。

通過(guò)比較降雨前、后土壤團(tuán)聚體的變化情況(表5)發(fā)現(xiàn),降雨后<0.25mm和>2mm干篩法團(tuán)聚體數(shù)量分別較降雨前增加了約1.22倍和1.03倍,其余各個(gè)粒徑團(tuán)聚體數(shù)量均減少；濕篩法團(tuán)聚體中,<0.25mm團(tuán)聚體則增加了約1.08倍,其余各粒級(jí)團(tuán)聚體含量均減少,隨著植被覆蓋度的增加,>2mm和<0.25mm粒徑干篩團(tuán)聚體增量逐漸減少,其中<0.25mm粒徑團(tuán)聚體變化最為明顯,如在坡長(zhǎng)為4m,植被覆蓋度為0,30%,60%時(shí),其數(shù)量分別增加了26.88%,20.77%和16.55%,植被覆蓋度變化對(duì)<0.25mm濕篩法團(tuán)聚體的增量作用也較為明顯。說(shuō)明植被覆蓋度對(duì)土壤團(tuán)聚體的變化特征有著較為顯著的影響,主要通過(guò)改變降雨時(shí)雨滴的濺蝕作用及徑流沖刷作用影響土壤中不同粒徑團(tuán)聚體的含量。

表5 降雨前與降雨后表土團(tuán)聚體組成特征分布/%

同時(shí),從表5可看出,在不同處理中,>1mm干篩法團(tuán)聚體含量明顯大于對(duì)應(yīng)的濕篩團(tuán)聚體(>1mm)的含量,可能原因是干篩團(tuán)聚體包括水穩(wěn)性與非水穩(wěn)性團(tuán)聚體,濕篩過(guò)程中非水穩(wěn)性大團(tuán)聚體破碎分解成粒徑小的團(tuán)聚體,因此水穩(wěn)性團(tuán)聚體(濕篩法團(tuán)聚體)的含量更能作為衡量土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性的指標(biāo)[33]。

2.2.2 坡長(zhǎng)和植被覆蓋度與坡面土壤團(tuán)聚體破碎特征的關(guān)系性分析

評(píng)價(jià)土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性主要采用WAS0.25(>0.25mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量),PAD2(>2mm團(tuán)聚體分散度)以及PAD0.25(>0.25mm團(tuán)聚體分散度)3個(gè)指標(biāo)來(lái)衡量。WAS0.25含量的高低體現(xiàn)了土壤抗徑流侵蝕能力的強(qiáng)弱,當(dāng)WAS0.25含量越高說(shuō)明土壤抗侵蝕能力越強(qiáng)；基于干篩和濕篩條件下團(tuán)聚體顆粒分散度PAD,主要描述土壤團(tuán)聚體在降雨過(guò)程中受雨水機(jī)械破壞而導(dǎo)致的分散程度的大小,分散度PAD越小,說(shuō)明團(tuán)聚體穩(wěn)定性越強(qiáng),土壤結(jié)構(gòu)越穩(wěn)定,越不易受雨滴和徑流分散的影響。

根據(jù)公式(4),(5)計(jì)算降雨后不同坡長(zhǎng)和植被覆蓋度下,表土(0—10cm)土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性指標(biāo),并將結(jié)果表現(xiàn)在表6。通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果分析看到：PAD0.25和PAD2在降雨后均出現(xiàn)了增大的趨勢(shì),其中PAD0.25比PAD2增大的趨勢(shì)更為明顯,WAS0.25在降雨后均減少,說(shuō)明降雨過(guò)程中雨滴的擊濺作用及徑流的沖刷作用均對(duì)坡面的大團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定程度的破壞,降低了坡面土壤的抗蝕性。

表6 降雨前和降雨后表土團(tuán)聚體穩(wěn)定性特征參數(shù)的比較

WAS0.25:>0.25mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量/>0.25mm soil water stable aggregate content;PAD2:>2mm粒徑團(tuán)聚體的分散度/the degree of >2mm aggregate dispersibility;PAD0.25:>0.25mm粒徑團(tuán)聚體的分散度/the degree of >0.25mm aggregate dispersibility

WAS0.25為濕篩法測(cè)得的粒徑>0.25mm土壤團(tuán)聚體所占的含量百分比,PAD2為>2mm粒徑團(tuán)聚體的分散度,PAD0.25為>0.25mm粒徑團(tuán)聚體的分散度。

同時(shí),為了進(jìn)一步了解坡長(zhǎng)和植被覆蓋度對(duì)坡面土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響,將在降雨前和降雨后WAS0.25,PAD2,PAD0.25的增量(或減量)與坡長(zhǎng)和植被覆蓋度之間的關(guān)系進(jìn)行相關(guān)性分析,并將結(jié)果呈現(xiàn)于表7。如表所述,植被覆蓋度對(duì)土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性影響明顯大于坡長(zhǎng),其中植被覆蓋度對(duì)WAS0.25及PAD0.25分別呈極顯著的正相關(guān)和負(fù)相關(guān)關(guān)系,因此可知,植被覆蓋度的變化主要通過(guò)影響>0.25mm團(tuán)聚體的含量來(lái)作用于表層土壤結(jié)構(gòu),坡長(zhǎng)對(duì)土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性影響均不顯著?？赡茉蚴侵脖桓采w度增加,一定程度上減緩雨水對(duì)土壤的擊打,降低徑流的流速,削弱徑流對(duì)表面土壤的剪切,再加之植物根系疏導(dǎo)作用可使雨水更易向土壤深層滲透,分流一部分水流。同時(shí),植物根系的擠壓和纏繞,提高了土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性,使得土壤抗侵蝕能力逐步增強(qiáng)[34]。

表7 降雨過(guò)程中表土團(tuán)聚體穩(wěn)定性變化與坡長(zhǎng)及植被覆蓋度的相關(guān)分析

*為P<0.05(顯著),**為P<0.01(極顯著)

2.3 土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性與土壤、侵蝕泥沙顆粒組成之間的關(guān)系

在降雨徑流所引起的土壤侵蝕中,徑流動(dòng)能的選擇性侵蝕和搬運(yùn),使得粒徑較小的泥沙顆粒先起動(dòng)進(jìn)入徑流,且隨徑流搬運(yùn)距離較遠(yuǎn),而粗顆粒在坡面沉積,引起了坡面土壤的粗化。在坡面侵蝕過(guò)程中,徑流強(qiáng)度大時(shí),可攜帶泥沙量多,被搬運(yùn)的泥沙粒徑也大；反之徑流強(qiáng)度較小時(shí),可攜帶泥沙量少,侵蝕泥沙粒徑較小。之前曾有學(xué)者就土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性與土壤侵蝕之間的關(guān)系進(jìn)行相關(guān)的研究,如：閆峰陵等[35]曾指出了在野外尺度上,紅壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性是影響坡面侵蝕的重要因素；土壤可蝕性的團(tuán)聚體特征參數(shù)Ka,與徑流強(qiáng)度、產(chǎn)沙強(qiáng)度等侵蝕參數(shù)顯著相關(guān)。坡面土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性和坡面徑流強(qiáng)度大小共同決定了坡面土壤和侵蝕泥沙機(jī)械組成,因此本文將團(tuán)聚體穩(wěn)定性、徑流系數(shù)對(duì)坡面土壤和侵蝕泥沙平均直徑之間進(jìn)行相關(guān)分析,并將結(jié)果呈現(xiàn)于表8。

如表8所示,MWD團(tuán)聚體、WAS0.25,徑流系數(shù)與泥沙平均重量直徑存在極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系；同時(shí),泥沙平均重量直徑與PAD0.25呈極顯著的正相關(guān),而PAD2和泥沙粒徑之間不相關(guān),由此可知,>0.25mm水穩(wěn)定性團(tuán)聚體含量是影響侵蝕泥沙的顆粒粒徑分布的主要因素,隨著坡面土壤中>0.25mm水穩(wěn)定性團(tuán)聚體含量的增加,侵蝕泥沙中平均重量直徑逐漸降低。土壤顆粒平均直徑與MWD團(tuán)聚體呈極顯著負(fù)相關(guān),可知坡面大團(tuán)聚體越穩(wěn)定,粗化過(guò)程不易形成。

表8 土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性參數(shù)與土壤、泥沙顆粒平均粒徑之間的關(guān)系

*為P<0.05(顯著),**為P<0.01(極顯著);MWD團(tuán)聚體:土壤團(tuán)聚體平均重量直徑/Mean weight diameter of soil aggregate

3 結(jié)論

本文在不同坡長(zhǎng)和植被覆蓋度的試驗(yàn)條件下,研究強(qiáng)降雨過(guò)程中坡面土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性及坡面侵蝕泥沙顆粒組成的變化特征,同時(shí),進(jìn)一步分析坡面土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性與侵蝕泥沙顆粒組成之間的相互聯(lián)系。得出如下結(jié)論：

1)試驗(yàn)結(jié)果表明粘粒(0—2μm)和細(xì)粉粒(2—20μm)總含量均出現(xiàn)不同程度的增加(約占侵蝕泥沙總量的57.08%),因此可認(rèn)為侵蝕泥沙以粒徑<20μm的細(xì)顆粒物為主,該結(jié)論與其他相關(guān)的研究結(jié)果一致。同時(shí),本研究結(jié)果表明坡長(zhǎng)對(duì)泥沙顆粒組成的影響不明顯(P>0.05)；不同植被覆蓋下,僅粘粒(0—2μm)含量隨著植被覆蓋度的增加而增大,其他各粒徑泥沙顆粒均無(wú)明顯變化趨勢(shì)。

2)通過(guò)對(duì)降雨前、后土壤團(tuán)聚體的變化情況進(jìn)行比較后發(fā)現(xiàn),<0.25mm干篩法和濕篩法團(tuán)聚體的含量均出現(xiàn)不同程度的增加。其中,植被覆蓋度對(duì)土壤團(tuán)聚體的變化特征影響較為明顯。在土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性參數(shù)(WAS0.25,PAD2,PAD0.25)與試驗(yàn)變量(坡長(zhǎng)和植被覆蓋度)之間的相關(guān)性分析結(jié)果指出,植被覆蓋度對(duì)土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性影響明顯大于坡長(zhǎng)。

3)在土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性與土壤、侵蝕泥沙顆粒組成之間的分析中,得出結(jié)論植被覆蓋度是通過(guò)影響WAS0.25的含量而作用于表土結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。同時(shí),試驗(yàn)結(jié)果也表明,WAS0.25含量是影響侵蝕泥沙的顆粒粒徑分布的主要因素,坡面土壤大團(tuán)聚體越穩(wěn)定,坡面土壤粗化過(guò)程越不易形成。

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