有機(jī)質(zhì)影響濺蝕破壞土壤團(tuán)聚體的主要作用機(jī)制*

李海茹 ，廣彗冰 ，劉 剛，?，谷 舉，師宏強(qiáng) ，陳 鴻，雷宇宏

（1. 西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西楊凌 712100；2. 中國(guó)科學(xué)院水利部水土保持研究所，陜西楊凌 712100）

土壤侵蝕作為我國(guó)頭號(hào)環(huán)境問(wèn)題，已經(jīng)嚴(yán)重制約了我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。嚴(yán)重的土壤侵蝕更是導(dǎo)致了耕地資源減少、土壤質(zhì)量和肥力下降、河道泥沙淤積、農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染等綜合性問(wèn)題。濺蝕作為土壤侵蝕的初始階段，為徑流輸移提供了物質(zhì)基礎(chǔ)[1]。由雨滴的打擊作用引起的團(tuán)聚體破碎和土壤顆粒的遷移是濺蝕中的第一個(gè)關(guān)鍵進(jìn)程[2-3]。研究表明，雨滴打擊作用可以破壞土壤結(jié)構(gòu)，分散和搬運(yùn)土壤顆粒，從而引起土壤滲透性降低，增加徑流的搬運(yùn)能力，雨滴撞擊土壤表面的速度越大，濺起的土壤顆粒就越多，土壤濺蝕量也就越大[4]。Fu等[5]采用褐土和塿土進(jìn)行雨滴擊濺試驗(yàn)，結(jié)果表明二者的濺蝕量均與雨滴大小呈線性增加關(guān)系，且其濺蝕距離和雨滴大小之間呈現(xiàn)出極顯著的指數(shù)關(guān)系。馬仁明等[6]通過(guò)控制土壤前期含水量來(lái)研究紅壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性，結(jié)果表明消散作用是團(tuán)聚體破壞的最主要機(jī)制。Xiao 等[7-8]利用不同雨滴形成材料（超純水和酒精）對(duì)濺蝕過(guò)程中團(tuán)聚體的破壞機(jī)制進(jìn)行了研究，證明了濺蝕率與降雨動(dòng)能呈顯著正相關(guān)，且雨滴的消散作用對(duì)濺蝕的貢獻(xiàn)隨降雨動(dòng)能的增加逐漸減小，而機(jī)械破壞作用則相反。

退耕還林（草）工程是黃土高原生態(tài)環(huán)境治理中的一項(xiàng)重要措施，坡耕地退耕還林后土壤的腐質(zhì)化作用增強(qiáng)，能夠促進(jìn)有機(jī)質(zhì)的形成和發(fā)育，土壤有機(jī)質(zhì)含量水平得到了大幅度提高[9]。研究表明，土壤有機(jī)質(zhì)含量隨植被恢復(fù)年限的增長(zhǎng)有增加趨勢(shì)，恢復(fù)10 年平均可達(dá)1.5%以上，且有機(jī)質(zhì)的積累速度與植被恢復(fù)地區(qū)的水熱狀況有關(guān)[10]。在廣東省肇慶地區(qū)檸條林的演替過(guò)程中，有機(jī)質(zhì)含量隨演替年限的增加而增加，演替年限達(dá)10～22 a 時(shí)，有機(jī)質(zhì)積累速度最快[11]。有機(jī)質(zhì)是土壤團(tuán)聚體的重要組成部分，土壤顆粒需要經(jīng)過(guò)有機(jī)質(zhì)的膠結(jié)作用才能形成團(tuán)聚體。而表層土壤中90%的有機(jī)質(zhì)均存在于團(tuán)聚體中[12]，且主要分布于較大粒徑的水穩(wěn)性團(tuán)聚體中[13]。由此可見(jiàn)，在團(tuán)聚體的形成過(guò)程中，土壤有機(jī)質(zhì)起到了促進(jìn)作用[14]。而有機(jī)質(zhì)含量對(duì)團(tuán)聚體破壞機(jī)制的影響尚未明晰，對(duì)濺蝕過(guò)程中團(tuán)聚體破壞的雨滴機(jī)械打擊和消散作用的影響也有待深入研究。

本研究以不同退耕還林年限的土壤作為研究對(duì)象，分別利用超純水和95%酒精作為降雨液體，模擬雨滴機(jī)械打擊作用及其與消散二者的共同作用，分析有機(jī)質(zhì)含量對(duì)雨滴機(jī)械打擊與消散作用貢獻(xiàn)率的影響，從微觀的角度揭示團(tuán)聚體在濺蝕過(guò)程中的破壞機(jī)理，其結(jié)果為研究團(tuán)聚體在水力侵蝕過(guò)程中的失穩(wěn)機(jī)制提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于陜西省富縣任家臺(tái)林場(chǎng)，采樣點(diǎn)位置為36°04′10″N～36°05′23″N，109°08′55″E～109°11′53″E，地貌屬黃土丘陵溝壑區(qū)，土壤類(lèi)型主要以黃綿土為主，土地利用類(lèi)型為林地和撂荒地，海拔920～1 683 m，年均降雨量576.7 mm，多集中在7、8、9 三個(gè)月，占全年降雨的60%以上。林內(nèi)郁閉度大于0.7，主要植被包括榆樹(shù)、山楊、白樺、遼東櫟等。采集表層0～20 cm 土壤樣品。

1.2 土壤基本性質(zhì)

土壤顆粒質(zhì)量百分?jǐn)?shù)（國(guó)際制）和有機(jī)質(zhì)含量分別采用吸管法和重鉻酸鉀氧化外加熱法分別測(cè)定，其基本理化性質(zhì)見(jiàn)表1。

表1 供試土壤理化性質(zhì)Table 1 Basic physical-chemical properties of the soils

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)所采用的降雨器由支撐裝置、雨滴生成裝置和降雨材料供應(yīng)裝置三個(gè)部分組成（圖1）。降雨材料供應(yīng)裝置的底部連有一根塑料管和閥門(mén)開(kāi)關(guān)，對(duì)雨滴生成裝置提供降雨液體，用于控制雨滴生成裝置內(nèi)部的水壓，穩(wěn)定降雨強(qiáng)度。降雨高度可通過(guò)升降支撐裝置來(lái)調(diào)節(jié)。試驗(yàn)所采用的濺蝕裝置是一高為30 cm 的倒圓臺(tái)，由直徑為15 cm 和30 cm的內(nèi)環(huán)和外環(huán)組成，外環(huán)中間底部有一直徑和高均為10 cm 的內(nèi)環(huán)為濺蝕盤(pán)，濺蝕盤(pán)底部設(shè)有數(shù)個(gè)小圓孔，用以保證入滲水分及時(shí)排出，將外環(huán)與內(nèi)環(huán)用鐵皮焊接成一個(gè)光滑的斜面，斜面的底端留置一個(gè)排液孔，用于接取降雨過(guò)程中的濺蝕土樣。此裝置與Xiao 等[7]研究所用類(lèi)似。

由于本試驗(yàn)所選用的黃土母質(zhì)土壤礦物的膨脹性差，并且土壤礦物濕潤(rùn)后的非均勻膨脹作用對(duì)團(tuán)聚體破壞非常有限，在短歷時(shí)條件下可被忽略，故將團(tuán)聚體在濺蝕過(guò)程中的破壞視為由雨滴機(jī)械打擊與消散作用共同導(dǎo)致[15]。酒精能夠大大減小水分消散作用對(duì)團(tuán)聚體的破壞，因此濺蝕試驗(yàn)中酒精雨滴對(duì)土壤表面破壞以機(jī)械打擊作用為主[16]。本研究采用兩種降雨液體（超純水和95%酒精），4 個(gè)降雨高度（0.5、1.0、1.5、2.0 m）與5 種不同退耕還林年限的土壤進(jìn)行濺蝕試驗(yàn)，降雨強(qiáng)度設(shè)定在60 mm·h-1。試驗(yàn)開(kāi)始前，先在濺蝕盤(pán)內(nèi)環(huán)底部填裝直徑為1～2 cm 的碎石，在碎石子上平鋪一張濾紙，將風(fēng)干土按照設(shè)計(jì)容重裝填在濾紙上（容重根據(jù)野外耕層容重設(shè)計(jì)為1.20 g·cm-3），填裝厚度為1.5 cm。土壤裝填結(jié)束后將濺蝕盤(pán)用擋板蓋住，待降雨強(qiáng)度率定好并穩(wěn)定后撤開(kāi)擋板開(kāi)始計(jì)時(shí)，濺蝕盤(pán)的出水口用標(biāo)記好的燒杯接取全部濺蝕泥沙樣品，待土壤表面結(jié)皮時(shí)試驗(yàn)結(jié)束，將濺蝕盤(pán)外環(huán)壁上的泥沙樣沖洗進(jìn)燒杯，土壤顆粒沉降完全后去除上清液，烘干后稱(chēng)重。每種試驗(yàn)重復(fù)兩次。

1.4 測(cè)定指標(biāo)與數(shù)據(jù)處理

采集每一場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)束后土壤表層0.5 cm 土樣，自然風(fēng)干后，用濕篩法[17]測(cè)量降雨后表層土壤的水穩(wěn)性團(tuán)聚體。

用LB 法[16]測(cè)得團(tuán)聚體在快速濕潤(rùn)、慢速濕潤(rùn)與預(yù)濕潤(rùn)震蕩 3 種不同處理下的穩(wěn)定性分別用MWDFW、MWDSW、MWDWS表示。MWD 的計(jì)算公式為：

式中，iw為第i個(gè)篩子的團(tuán)聚體質(zhì)量占比，%；ix為第i個(gè)篩子與上一個(gè)篩子的平均直徑，mm。

用RSI 與RMI 分別表示團(tuán)聚體對(duì)消散和機(jī)械打擊作用的敏感程度，二者的值越小，說(shuō)明團(tuán)聚體對(duì)兩種作用的敏感性越弱[18]。團(tuán)聚體綜合穩(wěn)定性特征用Ka 表示，其值越大，表示團(tuán)聚體越不穩(wěn)定[19]。

土壤濺蝕率（D）指的是雨滴在單位時(shí)間單位面積上從濺蝕盤(pán)中被擊濺出來(lái)的土壤質(zhì)量，g·m-2·min-1。

式中，S為濺蝕量，g；A為濺蝕盤(pán)的面積，本研究濺蝕盤(pán)面積為0.007 854 m2；t為濺蝕時(shí)間，min。

消散作用貢獻(xiàn)率計(jì)算公式如下：

式中，CS為消散作用貢獻(xiàn)率，%；Dw為超純水條件下的濺蝕率，g·m-2·min-1；De為95%酒精條件下的濺蝕率，g·m-2·min-1。

降雨動(dòng)能參考Xiao 等[8]文中的公式進(jìn)行計(jì)算。

統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)采用EXCEL 2010 和SPSS 19.0 進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 有機(jī)質(zhì)對(duì)土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性指標(biāo)的影響

LB 法所測(cè)的三種土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性指標(biāo)如表2所示，5 種土壤在快速濕潤(rùn)、慢速濕潤(rùn)與預(yù)濕潤(rùn)震蕩下的MWD 分別隨有機(jī)質(zhì)含量的增加而增大，其大小依次為MWDSW>MWDWS>MWDFW，慢速濕潤(rùn)與預(yù)濕潤(rùn)震蕩處理后的MWD 要明顯大于快速濕潤(rùn)處理下的MWD，說(shuō)明在快速濕潤(rùn)條件下，團(tuán)聚體內(nèi)部空氣的爆破力產(chǎn)生的消散作用對(duì)其具有最強(qiáng)的破壞能力；而預(yù)濕潤(rùn)后震蕩模擬的機(jī)械破壞作用次之；慢速濕潤(rùn)所產(chǎn)生的非均勻膨脹作用對(duì)團(tuán)聚體的破壞最弱[19]，這主要是由于黃土的黏粒礦物組成主要是由水云母和高嶺石組成，膨脹性較差造成[20]。5種土壤的相對(duì)消散指數(shù)與機(jī)械破壞指數(shù)均隨著有機(jī)質(zhì)含量的增加而減小，且RSI 均明顯大于RMI，說(shuō)明試驗(yàn)土壤對(duì)于消散作用的敏感程度均大于機(jī)械破壞作用。團(tuán)聚體不穩(wěn)定系數(shù)隨著有機(jī)質(zhì)的增加從0.259 減小為0.010，說(shuō)明土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性隨有機(jī)質(zhì)含量增加而增加。

表2 土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性指標(biāo)Table 2 Aggregate stabilities index in the test soils

土壤中黏粒含量是影響團(tuán)聚體穩(wěn)定性的主要因素之一[21]，而從表3 中可以看出其對(duì)土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性指標(biāo)的影響不顯著，故說(shuō)明本研究中不同土壤樣品間的團(tuán)聚體穩(wěn)定性差異主要是由有機(jī)質(zhì)含量不同所致。土壤有機(jī)質(zhì)含量分別與MWDSW、MWDWS、MWDFW顯著正相關(guān)（表3），與RSI、RMI、Ka 顯著負(fù)相關(guān)，說(shuō)明隨著有機(jī)質(zhì)含量的增加，土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性越來(lái)越好，而土壤對(duì)于消散作用敏感程度越來(lái)越低，其原因可能是在團(tuán)聚體的形成過(guò)程中，有機(jī)質(zhì)起到了重要作用，土壤有機(jī)質(zhì)含量越高，形成的團(tuán)聚體數(shù)量就越多，其穩(wěn)定性就越強(qiáng)，這與安韶山等[21]的研究結(jié)果一致。

表3 有機(jī)質(zhì)和黏粒含量與團(tuán)聚體穩(wěn)定性指標(biāo)的相關(guān)性Table 3 Pearson correlations of organic matter content and clay content with aggregate stability index

2.2 雨滴對(duì)大團(tuán)聚體（＞0.25 mm）的破壞作用

大于0.25 mm 水穩(wěn)性團(tuán)聚體的數(shù)量能判別土壤結(jié)構(gòu)的好壞，是表征團(tuán)聚體穩(wěn)定性能的重要指標(biāo)之一[13]。在超純水條件下，隨著降雨高度即降雨動(dòng)能的增加，濺蝕盤(pán)剩余表土中>0.25 mm 的大團(tuán)聚體含量主要呈下降趨勢(shì)（圖2），說(shuō)明降雨動(dòng)能越大，其對(duì)團(tuán)聚體的破壞程度也越大，即侵蝕程度與水穩(wěn)定性大團(tuán)聚體含量呈負(fù)相關(guān)，這一點(diǎn)驗(yàn)證了Bernard和Eric[22]的土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性與易蝕性存在極顯著負(fù)相關(guān)的結(jié)論。而降雨前與降雨后的大團(tuán)聚體的粒徑也發(fā)生了顯著變化，降雨后剩余土壤中的大團(tuán)聚體幾乎均低于降雨前的量。隨著土壤中有機(jī)質(zhì)的增加，被破壞的土壤中大團(tuán)聚體的數(shù)量慢慢趨近于原始土壤，這主要是由于隨著有機(jī)質(zhì)含量的增加，土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體之間有機(jī)膠結(jié)物質(zhì)增多，導(dǎo)致雨滴的機(jī)械打擊和消散作用逐漸減弱[23]。

在酒精條件下，其大團(tuán)聚體數(shù)量要多于超純水作用下的數(shù)量（圖2）。其主要原因可能是，一方面相同高度下酒精的降雨動(dòng)能小于超純水的降雨動(dòng)能（表4），因此以酒精作為降雨液體其打擊作用要小于超純水的機(jī)械打擊作用力；另一方面，酒精使消散作用大大減少，超純水雨滴存在機(jī)械打擊與消散兩種作用力，對(duì)于大團(tuán)聚體的破壞能力要大于酒精雨滴[7-8]。酒精雨滴降雨后，濺蝕盤(pán)中5 種土壤在各降雨高度下的大團(tuán)聚體含量均相差不大（圖2），這同樣可能是由于酒精對(duì)于消散存在屏蔽作用，而機(jī)械打擊作用對(duì)團(tuán)聚體破壞程度有限所造成的。此外，隨著土壤有機(jī)質(zhì)含量的增加，降雨后大團(tuán)聚體含量越來(lái)越趨近于降雨前土壤的大團(tuán)聚體含量，說(shuō)明有機(jī)質(zhì)明顯增加了大團(tuán)聚體的穩(wěn)定性。

表4 不同高度下雨滴降雨動(dòng)能Table 4 Kinetic energy of rainfall relative to height of nozzles

2.3 有機(jī)質(zhì)含量對(duì)濺蝕率的影響

5 種土壤在兩種雨滴作用下的濺蝕率均隨降雨動(dòng)能的增加而增加（圖3），因?yàn)榻涤陝?dòng)能增大，土壤顆粒所獲得的動(dòng)能與勢(shì)能也增加，同時(shí)雨滴撞擊土壤表面的下落速度增大，分離和搬運(yùn)的土壤顆粒就越多[4]。土壤濺蝕率與降雨動(dòng)能呈冪函數(shù)增加趨勢(shì)，相關(guān)系數(shù)均大于0.96（表5），說(shuō)明冪函數(shù)能夠很好地描述濺蝕率與降雨動(dòng)能的關(guān)系，這與肖海等[15]的研究結(jié)果一致。

有機(jī)質(zhì)含量與濺蝕率之間的相關(guān)性不顯著（表6），這可能是由于濺蝕過(guò)程是一個(gè)較為復(fù)雜的動(dòng)力遷移過(guò)程，是土壤因子和降雨因子共同作用的結(jié)果[24]。濺蝕有團(tuán)聚體破碎、土表形成濺蝕坑、雨滴擊濺、擊濺后的躍遷和飛濺蠕動(dòng)五個(gè)過(guò)程[25]，本文有機(jī)質(zhì)含量主要影響團(tuán)聚體的穩(wěn)定性，其主要是影響濺蝕過(guò)程中的第一個(gè)階段，而有機(jī)質(zhì)含量對(duì)濺蝕其他階段的影響尚不明確，因此很難清晰地得出有機(jī)質(zhì)含量與濺蝕率之間的相關(guān)關(guān)系。

表5 五種團(tuán)聚體破壞情況下濺蝕率與降雨動(dòng)能的關(guān)系Table 5 Relationship between splash erosion rate and rainfall kinetic energy relative to breakdown condition of aggregates

表6 有機(jī)質(zhì)與不同降雨強(qiáng)度下濺蝕率的相關(guān)性Table 6 Pearson correlation between organic matter and splash erosion rate relative to rainfall intensity

2.4 有機(jī)質(zhì)對(duì)雨滴機(jī)械打擊和消散作用的影響

為得到相同降雨動(dòng)能下的兩種液體擊濺造成的濺蝕率，利用表5 中濺蝕率與降雨動(dòng)能的關(guān)系式，分別計(jì)算得到降雨動(dòng)能介于50～400 J·m-2·h-1下的濺蝕率，進(jìn)而計(jì)算機(jī)械打擊和消散作用相對(duì)應(yīng)的貢獻(xiàn)率（圖4）。

結(jié)果表明隨著降雨動(dòng)能增大，機(jī)械打擊作用對(duì)團(tuán)聚體的破壞占主導(dǎo)地位。同一降雨動(dòng)能下，隨著有機(jī)質(zhì)的增加，消散作用的貢獻(xiàn)率呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)，這是由于試驗(yàn)土壤對(duì)消散作用的敏感程度不同，RSI隨有機(jī)質(zhì)含量的增加從0.684 逐漸減小至0.292（表2），說(shuō)明土壤對(duì)消散作用的敏感程度越小，消散作用的貢獻(xiàn)率就越小。有機(jī)質(zhì)與消散作用貢獻(xiàn)率的相關(guān)關(guān)系隨著降雨動(dòng)能的增大越來(lái)越弱（表7），當(dāng)降雨動(dòng)能增大至200 J·m-2·h-1及以上時(shí)二者的相關(guān)性不顯著。因此，有機(jī)質(zhì)對(duì)消散作用的影響在降雨動(dòng)能較小時(shí)比較顯著。

3 結(jié) 論

在本研究中，LB 法對(duì)團(tuán)聚體三種不同處理?xiàng)l件下，快速濕潤(rùn)時(shí)，團(tuán)聚體內(nèi)部空氣的爆破力產(chǎn)生的消散作用對(duì)其破壞能力最強(qiáng)，預(yù)濕潤(rùn)后震蕩模擬的機(jī)械破壞作用次之，慢速濕潤(rùn)所產(chǎn)生的非均勻膨脹對(duì)團(tuán)聚體的破壞作用最弱。隨著有機(jī)質(zhì)含量的增加，團(tuán)聚體穩(wěn)定性越來(lái)越好，土壤對(duì)機(jī)械打擊與消散作用的敏感性越來(lái)越弱。降雨前后的大團(tuán)聚體數(shù)量在超純水條件下隨降雨動(dòng)能的增加逐漸下降，且酒精雨滴作用下的大團(tuán)聚體含量明顯大于超純水雨滴作用下的含量，并隨著土壤有機(jī)質(zhì)含量的增加，雨滴的破壞作用逐漸減弱。冪函數(shù)能夠很好地描述濺蝕率與降雨動(dòng)能的關(guān)系。消散作用和機(jī)械打擊作用的貢獻(xiàn)率分別隨著降雨動(dòng)能的增大而減小和增大。降雨動(dòng)能相同時(shí)，有機(jī)質(zhì)增加使消散作用的貢獻(xiàn)率慢慢減小，且有機(jī)質(zhì)對(duì)消散作用的影響僅在降雨動(dòng)能較小時(shí)比較顯著。本研究結(jié)果對(duì)認(rèn)識(shí)和理解團(tuán)聚體在降雨過(guò)程中的破壞機(jī)制有重要的指導(dǎo)意義，但研究?jī)H考慮有機(jī)質(zhì)含量對(duì)團(tuán)聚體破壞的影響，區(qū)分有機(jī)質(zhì)不同組分對(duì)濺蝕過(guò)程中團(tuán)聚體破壞的影響應(yīng)該予以深入研究。

表7 有機(jī)質(zhì)與不同降雨動(dòng)能下消散作用貢獻(xiàn)率的相關(guān)性Table 7 Pearson correlation between organic matter and contribution rate of slaking to rainfall kinetic energy