雨滴直徑對(duì)表土結(jié)構(gòu)和入滲特征的影響

馬敢敢, 李光錄,2, 穆旭東, 侯衛(wèi)亮

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院, 陜西 楊凌 712100; 2.西北農(nóng)林科技大學(xué) 水土保持研究所, 陜西 楊凌 712100)

水蝕是指在水的作用下，表層土壤被破壞、推移、沉積的過(guò)程[1]。降雨雨滴打擊表層土壤，導(dǎo)致土壤團(tuán)聚體破碎[2]，在地表薄層徑流的作用下進(jìn)一步運(yùn)輸與遷移，形成致密的土壤結(jié)皮[3-4]。分散的土壤細(xì)小顆粒堵塞孔隙，減小孔隙率，改變表層土壤微結(jié)構(gòu)，繼而導(dǎo)致土壤的導(dǎo)水透氣性變差，入滲率減小，地表徑流增大，加劇水蝕過(guò)程[5]。土壤入滲是指水分透過(guò)表土進(jìn)入深層土壤的過(guò)程[6]，是降水、地面水、土壤水和地下水相互轉(zhuǎn)化的重要環(huán)節(jié)，對(duì)土壤中的水分含量、物質(zhì)循環(huán)、地表徑流和侵蝕過(guò)程都有重要影響[7-8]。

土壤結(jié)構(gòu)包括土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)和孔隙結(jié)構(gòu)兩方面，均具有不同的大小、形狀和空間排列[9]。土壤團(tuán)聚體是土壤結(jié)構(gòu)的基本單元，其穩(wěn)定性是影響土壤侵蝕和地表徑流的重要因素之一，已被廣泛用于評(píng)價(jià)土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和土壤質(zhì)量的指標(biāo)。在土壤侵蝕領(lǐng)域，研究顯示，土壤粒徑分布[10]，土壤有機(jī)質(zhì)含量[11]，前期含水率[12]等因素對(duì)土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性有著重要的影響。在降雨侵蝕過(guò)程中，團(tuán)聚體的破碎和分離主要是大直徑雨滴造成的，雨滴直徑越大，團(tuán)聚體的破碎和分散程度越高，破碎的土壤細(xì)顆粒為土壤結(jié)皮的形成提供了基礎(chǔ)物質(zhì)[1-2]。在土壤孔隙的研究方面，近年來(lái)學(xué)者們多使用X射線(xiàn)計(jì)算機(jī)斷層掃描技術(shù)對(duì)土壤孔隙成像處理[13-14]，與傳統(tǒng)土壤切片電鏡成像方式相比，其具有快速、無(wú)損等許多優(yōu)勢(shì)，可以對(duì)土壤團(tuán)聚體或孔隙進(jìn)行可視化觀(guān)察與定量分析研究。孔隙特征越來(lái)越多地用于描述土壤結(jié)構(gòu)，孔徑分布、孔隙率和孔隙連通性對(duì)土壤入滲率有重要影響[13-15]。

降雨的滲透，地下水的補(bǔ)給和蒸散作用影響土壤水分的垂直變化和分布，土壤入滲還與土壤結(jié)構(gòu)、土壤物理性質(zhì)、地表覆蓋率和地形等因素密切相關(guān)[16]。研究發(fā)現(xiàn)累積入滲量和濕潤(rùn)鋒推進(jìn)速度隨土壤團(tuán)聚體粒徑的增大而減小[17]，土壤孔隙度和土壤有機(jī)質(zhì)含量的增加會(huì)促進(jìn)土壤入滲[18]。吳發(fā)啟等[19]認(rèn)為降雨后的土壤表層形成封閉的結(jié)皮限制了土壤水分的滲透，較高的降雨強(qiáng)度會(huì)增加土壤含水量并且減小入滲率。盡管最近有很多關(guān)于降雨條件下土壤入滲特征的研究，但很少?gòu)耐寥澜Y(jié)構(gòu)變化的角度揭示土壤入滲特征變化的根本原因。

黃土高原是世界上水土流失最嚴(yán)重的地區(qū)之一，其生態(tài)環(huán)境脆弱，水資源匱乏。因全球氣候變暖的影響，該區(qū)域年降雨量和降雨天數(shù)逐漸減少，但降雨強(qiáng)度反而呈上升趨勢(shì)[7,17]，短時(shí)強(qiáng)降雨造成了黃土高原嚴(yán)重的水蝕現(xiàn)象。雨滴擊濺侵蝕是造成水土流失的重要原因之一，土壤團(tuán)聚體經(jīng)過(guò)雨滴濺蝕破碎成細(xì)小的顆粒，堵塞孔隙，改變孔隙率，進(jìn)而影響土壤入滲特征。土壤入滲特征的變化可能導(dǎo)致土壤水分供應(yīng)條件的變化，這將嚴(yán)重影響生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能，影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)[8]。研究以黃土高原典型耕作層土壤土為研究對(duì)象，量化分析不同雨滴擊濺下土壤團(tuán)聚體和孔隙的結(jié)構(gòu)特征以及土壤入滲特征，分析雨滴擊濺與土壤結(jié)構(gòu)和入滲特征的關(guān)系，揭示降雨侵蝕與入滲機(jī)理，為土壤侵蝕研究提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 土壤樣品采集與理化分析

土壤樣品采集于陜西省楊凌區(qū)(108°03′30.03″E，34°18′25.95″N)。該地區(qū)屬于暖溫帶半濕潤(rùn)大陸性氣候，年平均氣溫13℃，年平均降水量550～650 mm，主要集中在7月、8月、9月。研究區(qū)的土壤類(lèi)型為土，主要表現(xiàn)為壤質(zhì)或粉壤質(zhì)地。研究在去除土壤表層的枯枝落葉后，通過(guò)五點(diǎn)采樣法，用環(huán)刀(直徑10 cm，高5 cm)獲取表層(0—20 cm)原狀土，共采集環(huán)刀樣品75個(gè)，其中3個(gè)環(huán)刀樣品用來(lái)測(cè)量土壤容重，其余樣品用于模擬降雨和后續(xù)試驗(yàn)。另收集1 000 g散土樣品用于土壤理化性質(zhì)分析。使用傳統(tǒng)方法測(cè)得土樣容重1.36 g/cm3，含水率22.44%,有機(jī)質(zhì)1.30%,CaCO3含量74.54 g/kg;機(jī)械組成：砂粒(2～0.02 mm)、粉粒(0.02～0.002 mm)和黏粒(<0.002 mm)分別為29.96%，43.68%，26.36%。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與分析

試驗(yàn)于2020年在西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持工程實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。對(duì)采集后的環(huán)刀土樣進(jìn)行模擬降雨試驗(yàn)，試驗(yàn)采用自制降雨裝置，見(jiàn)圖1A，雨滴發(fā)生裝置為針頭下滴式，由頂部開(kāi)口的圓柱體(直徑為10 cm，高10 cm)組成，在其底部每隔2 cm等間距布設(shè)醫(yī)用針頭21個(gè)。降雨試驗(yàn)前，將土樣置于低于環(huán)刀高度的裝水箱體內(nèi)飽和8 h，然后取出靜置12 h，使環(huán)刀內(nèi)水重力流出，保持樣品具有相同含水率。模擬降雨期間向圓柱體內(nèi)供應(yīng)保持2 cm高的恒定水頭，通過(guò)控制針頭型號(hào)得到不同的雨滴直徑。試驗(yàn)過(guò)程中使用3種型號(hào)的針頭(7，12，16)，每個(gè)型號(hào)針頭的降雨持續(xù)時(shí)間為10 min。測(cè)得3種針頭產(chǎn)生的雨滴直徑分別為2.67，3.39，4.05 mm，降雨強(qiáng)度分別為5.76，68.61，217.26 mm/h，雨滴能量分別為2.41×10-5，5.15×10-5，8.97×10-5J/(m2·s)，降雨參數(shù)符合黃土高原降雨特征。同時(shí)設(shè)置未擊濺(CK)、第1次擊濺(R1)、第2次擊濺(R2)和第3次擊濺(R3)等不同擊濺次數(shù)處理，用擊濺次數(shù)-雨滴直徑表示每組處理，如R1-2.67，以下表示相同意義。擊濺完成后將樣品置于室內(nèi)自然風(fēng)干，擊濺間隔時(shí)間為7 d。模擬降雨試驗(yàn)共10組不同處理，其中1組為對(duì)照處理(未擊濺)，9組為不同雨滴直徑和擊濺次數(shù)擊濺處理。其中對(duì)照處理和第1次擊濺下不同雨滴直徑處理各重復(fù)9次，擊濺后分別進(jìn)行同步輻射CT掃描、入滲、結(jié)皮強(qiáng)度等試驗(yàn)，每項(xiàng)試驗(yàn)各重復(fù)3次；第2次、第3次擊濺下不同雨滴直徑處理各重復(fù)6次，擊濺后分別進(jìn)行入滲、結(jié)皮強(qiáng)度試驗(yàn)，每項(xiàng)試驗(yàn)各重復(fù)3次。

用小刀從未擊濺土壤樣品與第1次不同直徑雨滴擊濺風(fēng)干后的樣品表層獲取干土塊，長(zhǎng)度、寬度和高度均為2 cm，保存在海綿容器中。對(duì)選取的12個(gè)土塊(表層0.5 cm)進(jìn)行同步輻射CT掃描。圖像掃描采用的是上海同步輻射裝置中的X射線(xiàn)成像及生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用線(xiàn)站(BL13W1)的同步輻射CT裝置，使用裝置配套軟件(PITRE)進(jìn)行圖像轉(zhuǎn)換和切片重構(gòu)。土壤掃描圖像的處理、可視化和量化分析均在ImagePyv0.2軟件中進(jìn)行，具體掃描參數(shù)與圖像處理操作步驟方法詳見(jiàn)參考文獻(xiàn)[14]。

土壤結(jié)皮強(qiáng)度使用數(shù)顯推拉力計(jì)法測(cè)定，每組降雨擊濺試驗(yàn)結(jié)束后將樣品置于室內(nèi)自然風(fēng)干7 d，使用數(shù)顯推拉力計(jì)測(cè)定土壤結(jié)皮強(qiáng)度，同時(shí)測(cè)量相應(yīng)土壤含水率，將測(cè)得的土壤結(jié)皮強(qiáng)度與相應(yīng)含水率數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，取平均含水率下對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)作為每組處理的土壤結(jié)皮強(qiáng)度。土壤飽和入滲特征用環(huán)刀法測(cè)定，裝置見(jiàn)圖1B，將空環(huán)刀倒放在樣品環(huán)刀上，用凡士林和防水膠帶密封連接。將薄海綿片放置在空環(huán)刀內(nèi)，防止供應(yīng)的水流對(duì)土樣的破壞。通過(guò)馬氏瓶向環(huán)刀內(nèi)供水，并保持環(huán)刀內(nèi)水頭高度5 cm不變。通過(guò)電子天平記錄讀數(shù)，試驗(yàn)時(shí)間共持續(xù)60 min。

圖1 試驗(yàn)裝置示意圖

1.3 數(shù)據(jù)分析

提取團(tuán)聚體和孔隙的三維結(jié)構(gòu)參數(shù)來(lái)描述表土結(jié)構(gòu)特征，根據(jù)土壤團(tuán)聚體的粒徑大小將團(tuán)聚體劃分為5個(gè)等級(jí)：≥500，250～500，106～250，53～106，<53 μm。將粒徑≥250 μm的團(tuán)聚體定義為大團(tuán)聚體，<250 μm的團(tuán)聚體定義為微團(tuán)聚體[2]。根據(jù)孔隙的當(dāng)量直徑將孔隙劃分為6個(gè)等級(jí)：≥1 000，100～1 000，75～100，50～75，25～50，<25 μm。將孔徑≥100 μm的孔隙定義為大孔隙，<100 μm則為小孔隙[14]。

土壤團(tuán)聚體幾何平均直徑(GMD)通過(guò)修改Katz等[20]提出的方法計(jì)算，假設(shè)土壤各粒級(jí)團(tuán)聚體密度相同，將式中各粒徑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)轉(zhuǎn)化為體積分?jǐn)?shù)，通過(guò)圖像處理提取的團(tuán)聚體體積數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，如下：

(1)

式中:xi為任一粒徑范圍團(tuán)聚體的平均直徑(μm);pi為任一粒徑范圍團(tuán)聚體的體積占總體積的分?jǐn)?shù)(%)。

利用ImagePy v0.2軟件的Kit3D工具計(jì)算土壤團(tuán)聚體數(shù)量(A)、團(tuán)聚體三維分形維數(shù)(FD)、孔隙體積(VP)。土壤孔隙比表面積(SSP)可用孔隙內(nèi)壁表面積與孔隙體積的比值來(lái)定量描述，可反映單位體積上內(nèi)孔壁對(duì)水分和溶質(zhì)運(yùn)動(dòng)的阻擋能力。土壤大孔隙率(PL)通過(guò)圖像處理時(shí)孔徑≥100 μm的孔隙體積與研究區(qū)域體積的比值進(jìn)行計(jì)算。土壤孔隙堵塞率(CR)通過(guò)雨滴擊濺前后土壤孔隙率的變化計(jì)算[14]。

(2)

式中:P0為未擊濺土壤孔隙率(%);Pi為不同雨滴擊濺后土壤孔隙率(%)。

入滲特征的滲透參數(shù)和減滲效應(yīng)(IR)的計(jì)算方法如下[21]：

(3)

(4)

(5)

式中：v為滲透速率(mm/min)；Qn為單位時(shí)間滲出水量(ml)，試驗(yàn)時(shí)根據(jù)天平讀數(shù)即滲出水質(zhì)量換算成體積；S為環(huán)刀橫截面積(cm2)；tn為單位入滲間隔時(shí)間(min)，取試驗(yàn)?zāi)?次單位間隔時(shí)間入滲速率均值為穩(wěn)滲速率；K10為溫度為10℃時(shí)的飽和導(dǎo)水率(mm/min)；h為環(huán)刀內(nèi)水頭高度(cm)；L為土層厚度(cm)；t為測(cè)定時(shí)水的溫度(℃)；IR為減滲效應(yīng)(%)；v0為未擊濺土滲透參數(shù)；vi為不同雨滴擊濺后土壤滲透參數(shù)。

試驗(yàn)中使用Microsoft Office Excel 2019，Origin Pro 2021和SPSS 16.0進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、圖表繪制和統(tǒng)計(jì)分析。數(shù)據(jù)分析采用方差分析(ANOVA)和最小顯著差異法(LSD)，均在p<0.05的顯著性水平下進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)，表格中的誤差使用標(biāo)準(zhǔn)偏差表示。

2 結(jié)果與分析

2.1 雨滴擊濺與表土結(jié)構(gòu)微觀(guān)變化

對(duì)第1次不同直徑雨滴擊濺后的表層土塊進(jìn)行同步輻射CT掃描和圖像處理后，得到表層土壤結(jié)構(gòu)的二維和三維圖像(圖2)。在二維灰度圖和二值圖中，白色區(qū)域表示土壤團(tuán)聚體，黑色區(qū)域表示土壤孔隙，在三維圖中顯示的是孔隙結(jié)構(gòu)(灰色框內(nèi))。從圖中可以看出擊濺后土壤團(tuán)聚體粒徑小與未擊濺土，并且隨著雨滴直徑的增大，團(tuán)聚體破碎程度越明顯，大團(tuán)聚體破碎成微團(tuán)聚體，在各種力的相互作用下進(jìn)一步聚集形成封閉區(qū)域。擊濺土壤孔隙被破碎的團(tuán)聚體堵塞，大孔隙體積減小，連通性降低，微孔隙數(shù)量增加，孔隙變得更加孤立。隨著雨滴直徑的增大，其動(dòng)能相應(yīng)增加，對(duì)土壤結(jié)構(gòu)的影響也就越大。

注：灰度圖與二值圖邊長(zhǎng)均為1.664 mm×1.664 mm，三維圖中立方體邊長(zhǎng)均為1.664 mm×1.664 mm×1.664 mm。CK表示對(duì)照組(未擊濺)；用擊濺次數(shù)—雨滴直徑表示各擊濺處理，例R1-2.67表示第1次2.67 mm直徑雨滴擊濺處理，以下表示相同意義。圖2 雨滴擊濺下土壤微觀(guān)結(jié)構(gòu)變化

2.2 雨滴擊濺下土壤團(tuán)聚體與孔隙結(jié)構(gòu)特征

對(duì)表土團(tuán)聚體三維結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析和提取，得到土壤團(tuán)聚體的結(jié)構(gòu)特征參數(shù)和分布特征，見(jiàn)表1和圖3。從表1可以發(fā)現(xiàn)，雨滴擊濺后土壤A和FD大于未擊濺土，且隨雨滴直徑的增加逐漸增加，4.05 mm直徑雨滴擊濺后A和FD顯著增加(p<0.05)。FD是土壤破碎度的度量，值越大，則團(tuán)聚體的破碎或分散程度越大，細(xì)粒物質(zhì)(黏粒，粉粒)含量越高，對(duì)空間的填充能力越強(qiáng)[11]。雨滴擊濺后土壤GMD小于未擊濺土，且隨雨滴直徑的增加逐漸減小，不同雨滴直徑間無(wú)顯著差異(p>0.05)。GMD反映團(tuán)聚體大小及穩(wěn)定性，值越小，微團(tuán)聚體越多，土壤結(jié)構(gòu)越不穩(wěn)定[22]。從圖2中可以發(fā)現(xiàn)，表層土壤主要由微團(tuán)聚體(<250 μm)構(gòu)成，其中占比最大的是106～250 μm粒徑的團(tuán)聚體，占總團(tuán)聚體數(shù)量的36.90%～68.86%。擊濺土壤大團(tuán)聚體(>250 μm)數(shù)量小于未擊濺土，且隨雨滴直徑的增加而減少。擊濺土壤微團(tuán)聚體數(shù)量大于未擊濺土，且隨著雨滴直徑的增加逐漸增加。但4.05 mm直徑雨滴因較大的雨滴能量使106～250 μm粒徑團(tuán)聚體繼續(xù)破碎，所以數(shù)量小于未擊濺土。

表1 雨滴擊濺下土壤團(tuán)聚體和孔隙特征參數(shù)

圖3 雨滴擊濺下土壤團(tuán)聚體與孔隙分布特征

表土孔隙三維結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析和提取，得到表土孔隙的結(jié)構(gòu)特征參數(shù)和分布特征，見(jiàn)表1和圖3。從表1可以發(fā)現(xiàn)，雨滴擊濺后的VP和PL小于未擊濺土，且隨雨滴直徑的增加逐漸減小。SSP反映孔隙的連通性，值越大連通性越低，雨滴擊濺后的SSP大于未擊濺土，且隨雨滴直徑的增加而增加。從圖2中可以發(fā)現(xiàn)大孔隙(>100 μm)是土壤孔隙的主要組成部分，占土壤孔隙總體積的89.52%～98.86%。擊濺土壤中孔徑≥1 000 μm的孔隙體積隨雨滴直徑的增加逐漸減小，4.05 mm直徑雨滴擊濺后100～1 000 μm孔徑的孔隙體積顯著增加(p<0.05)。微孔隙(≤100 μm)體積占土壤孔隙總體積的3.46%～8.02%，對(duì)土壤入滲的影響效果微弱。擊濺土壤孔隙堵塞率均大于0，且隨雨滴直徑的增加而增加，2.67，3.39，4.05 mm直徑雨滴擊濺后CR分別為1.29%，23.99%，46.40%，不同直徑雨滴擊濺土壤孔隙堵塞率間差異顯著(p<0.05)。

團(tuán)聚體破碎的機(jī)制主要是通過(guò)快速潤(rùn)濕和雨滴擊濺作用引起的機(jī)械破壞導(dǎo)致團(tuán)聚體的崩解[4,6]。雨滴擊濺作用導(dǎo)致土壤穩(wěn)定性降低，>0.25 mm團(tuán)聚體破碎成<0.25 mm的微團(tuán)聚體[1-2]，改變表土團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)特征。雨滴直徑對(duì)表土結(jié)構(gòu)的改變有著顯著的影響，隨著雨滴直徑的增大，其降雨強(qiáng)度和降雨能量也增大，團(tuán)聚體破碎程度加重，微團(tuán)聚體分布更加密集，土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性越差。同時(shí)雨滴擊濺改變了表土孔隙的結(jié)構(gòu)和分布，擊濺土壤孔隙被破碎的團(tuán)聚體堵塞，大孔隙率減小，孔隙連通性降低，孔隙結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜。Yang等[14]認(rèn)為土壤孔隙的孔徑分布與孔隙形狀受雨滴擊濺的影響，雨滴擊濺后，總孔隙體積、細(xì)長(zhǎng)孔隙率和平均孔徑減小，減小孔隙連通性。土壤孔隙率的下降是由大孔隙的減少引起的，土壤中幾乎所有入滲的水分都是由大、中孔隙傳輸?shù)腫23-24]。隨著雨滴直徑的增加，大孔隙連通性逐漸降低，微孔隙多為孤立孔隙，且其數(shù)量逐漸增加，土壤孔隙堵塞程度更嚴(yán)重。

2.3 雨滴擊濺下土壤結(jié)皮強(qiáng)度與飽和入滲特征

多次雨滴擊濺處理后，土壤結(jié)皮強(qiáng)度隨雨滴直徑的增加逐漸增加，且擊濺次數(shù)越多，土壤結(jié)皮強(qiáng)度越大(表2)。R3處理下3種直徑雨滴擊濺土壤的結(jié)皮強(qiáng)度分別為8.49，10.33，15.84 kPa，與未擊濺土相比，分別增加了47.61%，51.39%，65.97%。雨滴擊濺后形成的土壤結(jié)皮影響土壤入滲特征，通過(guò)方差分析發(fā)現(xiàn)擊濺次數(shù)和雨滴直徑對(duì)土壤穩(wěn)滲速率有著顯著影響(p<0.05)，F(xiàn)值分別為50.99，5.88，表明擊濺次數(shù)的影響更大。

表2 雨滴擊濺下土壤結(jié)皮強(qiáng)度變化

圖4顯示了雨滴擊濺后土壤的入滲過(guò)程，未擊濺土入滲曲線(xiàn)隨時(shí)間的變化呈增加—平穩(wěn)—下降的趨勢(shì)，達(dá)到穩(wěn)滲后，較大的入滲速度將土壤孔隙中的細(xì)顆粒淋洗到下層，堵塞入滲通道，造成入滲速率的減小。擊濺土壤入滲速率呈增加—平穩(wěn)的趨勢(shì)。隨著雨滴直徑的增加，入滲能力越小；隨著擊濺次數(shù)的增加，土壤達(dá)到穩(wěn)滲狀態(tài)的時(shí)間逐漸提前，雨滴直徑對(duì)入滲的影響減弱。表3顯示了不同雨滴擊濺下土壤各滲透參數(shù)和相應(yīng)的減滲效應(yīng)，累積入滲量、穩(wěn)滲速度和K10隨雨滴直徑和擊濺次數(shù)的增加呈現(xiàn)相同的變化趨勢(shì)。雨滴擊濺后土壤入滲能力小于未擊濺土，且雨滴直徑越大、擊濺次數(shù)越多，入滲能力越小。R1處理下，4.05 mm直徑雨滴對(duì)土壤入滲能力的影響最大，累積入滲量的減滲效應(yīng)為65.13%。R2處理下，3.39 mm直徑雨滴對(duì)土壤入滲能力的影響最大，累積入滲量的減滲效應(yīng)為81.83%。R3處理下，2.67 mm直徑雨滴對(duì)土壤入滲能力的影響最大，累積入滲量的減滲效應(yīng)為91.81%。相同直徑雨滴不同擊濺次數(shù)處理間的IR有顯著差異(p<0.05)，相同擊濺次數(shù)不同直徑雨滴處理下的IR有顯著差異(p<0.05)，但隨著擊濺次數(shù)的增加，差異漸無(wú)。

圖4 雨滴擊濺下土壤入滲速率與時(shí)間關(guān)系

表3 雨滴擊濺下土壤滲透參數(shù)與減滲效應(yīng)

土壤結(jié)皮的形成與發(fā)育依賴(lài)于土壤本身的理化性質(zhì)，降雨特征，地表微地形等因素[25-27]。路培等[12]認(rèn)為影響土壤結(jié)皮強(qiáng)度的3個(gè)主要因子中，降雨強(qiáng)度的直接作用最大。降雨特征中的雨滴直徑和擊濺次數(shù)對(duì)土壤結(jié)皮的發(fā)育有促進(jìn)作用，雨滴直徑越大，擊濺次數(shù)越多，形成的土壤結(jié)皮強(qiáng)度越大，對(duì)土壤孔隙的堵塞更嚴(yán)重。表3顯示的減滲效應(yīng)均為正值，說(shuō)明雨滴擊濺會(huì)減少土壤入滲率，且隨著雨滴直徑和擊濺次數(shù)的增加，土壤入滲率逐漸減小。吳發(fā)啟等[19]發(fā)現(xiàn)在較高的降雨強(qiáng)度下會(huì)增加土壤含水量并且減小土壤入滲率。Carmi等[28]通過(guò)模擬降雨試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)雨滴能量影響土壤入滲速率，未受保護(hù)地塊的入滲速率小于受保護(hù)地塊，并且雨滴能量越大，未受保護(hù)地塊的入滲速率下降速度更快。我們的研究與這些結(jié)果類(lèi)似，雨滴打擊地表，在雨滴動(dòng)能的壓實(shí)和土壤團(tuán)聚體的運(yùn)輸作用下形成密閉的土壤結(jié)皮，減小土壤入滲速率，雨滴直徑越大，擊濺次數(shù)越多，土壤滲透能力越弱。

2.4 雨滴擊濺下土壤結(jié)構(gòu)與入滲特征的關(guān)系

選取雨滴直徑(Rd)和土壤結(jié)構(gòu)特征參數(shù)等7個(gè)因子與土壤穩(wěn)滲速率進(jìn)行相關(guān)性分析(表4)，發(fā)現(xiàn)除GMD外，其余因子與土壤穩(wěn)滲速率呈極顯著相關(guān)關(guān)系(p<0.01)。其中，Rd，A，F(xiàn)D和SSP等因子與土壤穩(wěn)滲速率呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(p<0.01)，VP和PL與土壤穩(wěn)滲速率呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(p<0.01)，VP與土壤穩(wěn)滲速率相關(guān)性最大。除GMD外，雨滴直徑和各土壤結(jié)構(gòu)特征參數(shù)與土壤穩(wěn)滲速率間存在顯著的指數(shù)關(guān)系，土壤穩(wěn)滲速率隨Rd，A，F(xiàn)D和SSP的增加呈減逐漸小的指數(shù)函數(shù)關(guān)系，R2=0.597～0.732(p<0.05)。土壤穩(wěn)滲速率隨VP和PL的增加呈逐漸增大的指數(shù)函數(shù)關(guān)系，R2=0.678～0.697(p<0.05)。

表4 各因素與穩(wěn)滲速率的相關(guān)性和擬合方程

雨滴擊濺能夠顯著影響土壤飽和入滲特征，雨滴擊濺對(duì)入滲特征的影響主要取決于雨滴對(duì)土壤表層的機(jī)械作用[5-6,8]，而不是土壤顆粒間的化學(xué)分散作用[28]，土壤團(tuán)聚體和孔隙的結(jié)構(gòu)特征對(duì)研究土壤入滲能力具有重要作用，土壤結(jié)構(gòu)參數(shù)可以用來(lái)預(yù)測(cè)土壤飽和導(dǎo)水率的協(xié)變量，使預(yù)測(cè)結(jié)果更有效和準(zhǔn)確[9]。Giménez等[29]發(fā)現(xiàn)可以用孔隙體積和孔隙表面粗糙度的分形維數(shù)來(lái)預(yù)測(cè)土壤飽和導(dǎo)水率。通過(guò)土壤降雨和入滲試驗(yàn)，結(jié)果表明孔隙體積對(duì)入滲率的影響最大，這與Lipiec等[30]的結(jié)論一致，他們發(fā)現(xiàn)耕作方式通過(guò)改變孔隙結(jié)構(gòu)和孔隙率來(lái)影響土壤入滲率，免耕地的孔隙率和土壤入滲率小于常規(guī)耕作地。研究表明，雨滴擊濺作用下的土壤結(jié)構(gòu)特征與土壤入滲能力顯著相關(guān)，雨滴擊濺作用導(dǎo)致土壤結(jié)構(gòu)特征發(fā)生變化，并造成了土壤入滲能力的差異。

3 結(jié) 論

(1) 與未擊濺土相比，擊濺土壤結(jié)構(gòu)和分布特征發(fā)生變化，土壤團(tuán)聚體數(shù)量和三維分形維數(shù)顯著增加(p<0.05)，>250 μm粒徑團(tuán)聚體減少，土壤結(jié)構(gòu)更加破碎與松散；土壤孔隙體積和大孔隙率顯著減小(p<0.05)，孔隙比表面積和孔隙堵塞率顯著增加(p<0.05)。大直徑雨滴擊濺造成的團(tuán)聚體破碎程度更嚴(yán)重，孔隙被破碎的團(tuán)聚體堵塞，連通性降低。

(2) 雨滴擊濺產(chǎn)生的破碎團(tuán)聚體在土壤表層形成致密的結(jié)皮，且結(jié)皮強(qiáng)度隨雨滴直徑和擊濺次數(shù)的增加逐漸增大。雨滴擊濺會(huì)顯著減小土壤入滲速率，且隨擊濺次數(shù)和雨滴直徑的增加，累積入滲量、穩(wěn)滲速率、飽和導(dǎo)水率等入滲特征參數(shù)均呈減小的趨勢(shì)。大直徑雨滴擊濺土壤的減滲效應(yīng)更顯著，經(jīng)過(guò)3次雨滴擊濺后，土壤減滲效應(yīng)最高可達(dá)91.81%。

(3) 土壤穩(wěn)滲速率與土壤團(tuán)聚體數(shù)量、三維分形維數(shù)、孔隙體積、孔隙比表面積、大孔隙率等表土結(jié)構(gòu)特征參數(shù)呈極顯著相關(guān)關(guān)系(p<0.01)，且隨表土結(jié)構(gòu)特征參數(shù)的變化呈指數(shù)關(guān)系變化(p<0.05)。研究為揭示雨滴擊濺作用下土壤入滲特征變化的原因與機(jī)理提供了理論依據(jù)。