我國土壤物理結(jié)皮侵蝕效應(yīng)研究進(jìn)展

徐 蝶，王 濟(jì)，蔡雄飛，郁鑫杰，趙 帥，趙士杰

（1.貴州師范大學(xué)地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，貴州 貴陽 550025；2.貴州省喀斯特山地生態(tài)環(huán)境國家重點實驗室培育基地，貴州 貴陽 550025）

根據(jù)是否有生物存在，土壤結(jié)皮被分為兩大類：一是生物結(jié)皮，二是土壤物理結(jié)皮[1]。土壤物理結(jié)皮是指在雨滴擊濺和土壤黏粒理化分散的作用下，土壤孔隙被堵塞后形成的，或挾沙水流流經(jīng)土表時細(xì)小顆粒沉積而形成的一層很薄的土表致密層[2?3]，厚1～3 mm，是雨滴濺蝕的一個重要階段[4]。土壤侵蝕是復(fù)雜的自然現(xiàn)象，土壤物理結(jié)皮對土壤侵蝕的影響已得到廣泛關(guān)注。

我國對土壤結(jié)皮研究開展較早，1983 年黃秉維院士提出結(jié)皮的形成會影響土壤的透水性和透氣性[5]。20 世紀(jì)80 年代開始對黃土高原地區(qū)的土壤物理結(jié)皮進(jìn)行研究。土壤物理結(jié)皮的存在阻止水分入滲，增加地表徑流，從而增加土壤侵蝕發(fā)生的可能性[6]。也有研究者認(rèn)為，土壤結(jié)皮的形成能增強(qiáng)土壤切變強(qiáng)度、避免土壤分離、減少產(chǎn)流、抑制產(chǎn)沙，從而抑制土壤侵蝕的發(fā)生[7?9]。土壤結(jié)皮在坡面侵蝕過程中占據(jù)重要地位，不同的學(xué)者得出的研究結(jié)論不同，這其中的原因值得探索。

盡管近幾年來土壤物理結(jié)皮研究熱度有所下降，多數(shù)學(xué)者聚焦于生物結(jié)皮研究[10]，但兩者之間仍然存在一定聯(lián)系。梳理概括土壤物理結(jié)皮侵蝕效應(yīng)研究不僅能夠完善土壤物理結(jié)皮研究體系，還能夠促進(jìn)土壤結(jié)皮（土壤物理結(jié)皮和生物結(jié)皮）研究的發(fā)展。因此，擬綜述國內(nèi)近幾十年土壤物理結(jié)皮侵蝕效應(yīng)研究成果，重點總結(jié)土壤物理結(jié)皮侵蝕效應(yīng)表現(xiàn)出的不同現(xiàn)狀，對影響土壤物理結(jié)皮侵蝕效應(yīng)的因素進(jìn)行系統(tǒng)分析，最后對土壤物理結(jié)皮侵蝕效應(yīng)的研究進(jìn)展和發(fā)展方向進(jìn)行總結(jié)和展望，以期為土壤物理結(jié)皮侵蝕效應(yīng)的研究提供參考。

1 土壤物理結(jié)皮侵蝕效應(yīng)研究歷史

國內(nèi)土壤物理結(jié)皮侵蝕效應(yīng)的研究開展較早，幾十年前學(xué)者們就針對降雨條件下表土物理結(jié)皮的形成機(jī)制、入滲過程和水土流失特征等進(jìn)行了大量研究[11?15]。土壤物理結(jié)皮影響土壤侵蝕、地面徑流和降雨入滲的作用極為顯著。早在1988 年就有學(xué)者通過野外定位觀測試驗發(fā)現(xiàn)，形成土壤物理結(jié)皮的主要原因是雨滴打擊，從而深入研究了土壤因子在土壤侵蝕過程的作用[16]。在1999 年，袁建平等[17]學(xué)者通過運(yùn)用小型野外便攜式人工模擬降雨裝置初步探討了土壤物理結(jié)皮對不同土地利用類型（林地、農(nóng)地和裸地）產(chǎn)流歷時的影響。通過單雨滴和次降雨濺蝕試驗發(fā)現(xiàn)，土壤物理結(jié)皮可降低降雨侵蝕量[13]。在野外天然降雨條件下，研究者通過研究土壤物理結(jié)皮對夏閑坡耕地土壤水分的影響，從而探究土壤物理結(jié)皮對土壤侵蝕的影響[18]。隨著研究的深入，研究者開始關(guān)注土壤物理結(jié)皮在土壤侵蝕中的重要作用，并進(jìn)行了初步探討。土壤理化性質(zhì)是形成土壤物理結(jié)皮的關(guān)鍵，其往往會通過影響土壤物理結(jié)皮從而影響土壤侵蝕，比如土壤顆粒組成是土壤結(jié)皮形成的主導(dǎo)因素，因此，土壤理化性質(zhì)在土壤侵蝕過程中發(fā)揮著重要作用[11]。研究者也意識到土壤團(tuán)聚體對土壤物理結(jié)皮形成的意義，團(tuán)聚體作為土壤的基本結(jié)構(gòu)單元，對土壤侵蝕有重要影響。胡霞等[12]、HU 等[19]通過采樣制作土壤切片，研究聚丙烯酰胺（PAM）對黃土結(jié)皮形成的影響，發(fā)現(xiàn)PAM 能改善土壤結(jié)構(gòu)狀況，從而明顯提高了土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性，且土壤結(jié)構(gòu)越穩(wěn)定其抗蝕能力越強(qiáng)，反之則抗蝕能力越弱；范云濤等[20]、HAN 等[21]得到類似結(jié)論的同時還發(fā)現(xiàn)，土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性受不同因素的影響，在不同濕潤速度下紅壤的團(tuán)聚體穩(wěn)定性最好，抗蝕能力最強(qiáng)。

對土壤物理結(jié)皮與土壤侵蝕關(guān)系進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，多數(shù)學(xué)者均從土壤物理結(jié)皮的形成及發(fā)育過程探討土壤物理結(jié)皮與土壤侵蝕間的關(guān)系。研究者采用模擬降雨試驗揭示了土壤物理結(jié)皮自身形成和發(fā)育機(jī)制影響土壤入滲的過程，結(jié)果表明，產(chǎn)生土壤物理結(jié)皮后土壤的次降雨侵蝕效應(yīng)更明顯[22]。也有研究者發(fā)現(xiàn)，隨著土壤物理結(jié)皮的發(fā)育，土壤入滲能力下降。土壤物理結(jié)皮形成程度不同，對土壤侵蝕影響效果具有差異性[23]。胡霞等[24]通過對黃棕壤、黃土及紅壤進(jìn)行人工模擬降雨濺蝕試驗發(fā)現(xiàn)，土壤物理結(jié)皮發(fā)育完善的過程，也是土表抗濺蝕能力逐漸增強(qiáng)的過程；另外，研究者通過分析不同粒徑土樣所形成的土壤物理結(jié)皮發(fā)現(xiàn)，粒徑在0.15 mm 附近的土壤顆粒最易被濺蝕[25]。隨后研究者通過探究前期含水率對土壤物理結(jié)皮發(fā)育過程的影響發(fā)現(xiàn)，前期中等含水率的土壤物理結(jié)皮的抗濺蝕能力弱于前期風(fēng)干和飽和的土壤物理結(jié)皮的抗濺蝕能力[26]。不同發(fā)育程度下的土壤物理結(jié)皮對土壤侵蝕效果也有顯著的影響，王輝等[7]通過模擬無結(jié)皮、輕微結(jié)皮和嚴(yán)重結(jié)皮3 種土壤物理結(jié)皮試驗得出，地表嚴(yán)重結(jié)皮具有降低徑流和抑制產(chǎn)沙作用；蔣芳市等[27]通過人工模擬降雨試驗得出，土壤物理結(jié)皮只在一定程度上起到抗侵蝕的效果，且結(jié)皮程度越高侵蝕效應(yīng)越明顯。通過室內(nèi)與野外小區(qū)試驗方法，吳發(fā)啟等[13]對黃墡土進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，土壤物理結(jié)皮腐殖質(zhì)含量幾乎與土壤相同，但碳酸鈣含量略低，且隨坡度增大腐殖質(zhì)含量減小、碳酸鈣含量增加，全坡面上坡腳處碳酸鈣含量高，而靠近分水嶺段含量低。除了關(guān)注土壤物理結(jié)皮形成及發(fā)育過程對土壤侵蝕的影響，研究者還開展了土壤物理結(jié)皮結(jié)構(gòu)對土壤侵蝕影響的相關(guān)研究，普遍認(rèn)為土壤物理結(jié)皮分為沉積結(jié)皮和結(jié)構(gòu)結(jié)皮2 種[28]。在黃土高原地區(qū)研究2 種類型結(jié)皮發(fā)現(xiàn)，沉積結(jié)皮相對于結(jié)構(gòu)結(jié)皮密度高且孔隙度低，并且2 種類型結(jié)皮對坡面土壤水分入滲的影響存在差異[29]。土壤侵蝕涉及2 個過程：一是土壤顆粒從大塊土壤中分離解體，二是主要通過地表徑流分離沉積物的運(yùn)輸。研究者通過研究量化結(jié)構(gòu)結(jié)皮和沉積結(jié)皮對土壤顆粒分離能力的影響來探究2種類型結(jié)皮與土壤侵蝕間的響應(yīng)關(guān)系發(fā)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)結(jié)皮的剝離能力大于沉積結(jié)皮[30]。通過研究還發(fā)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)結(jié)皮對土壤侵蝕的影響大于沉積結(jié)皮[31?32]。對黃土高原典型農(nóng)田土壤進(jìn)行模擬降雨試驗研究也得到類似結(jié)論[33]，即結(jié)構(gòu)結(jié)皮具有較低的抗侵蝕性。

綜上所述，土壤物理結(jié)皮侵蝕效應(yīng)研究起步較早，并且多數(shù)都是從土壤物理結(jié)皮形成、發(fā)育過程開始著手研究，其中像土壤因子和降雨因子等會影響土壤物理結(jié)皮形成、發(fā)育的因素均在這些研究中有所體現(xiàn)。大部分研究者通過選擇觀察土壤物理結(jié)皮形成過程對地表徑流、入滲影響的角度來深入研究土壤物理結(jié)皮存在對土壤侵蝕的作用，研究方法雖然多樣，包括野外定位觀測試驗、野外小區(qū)試驗方法、室內(nèi)與室外野外小區(qū)試驗結(jié)合方法以及室內(nèi)人工模擬降雨試驗方法，但室內(nèi)人工模擬降雨方法是研究者們最常使用的研究方法。研究最終落腳于土壤侵蝕方面，研究者們從土壤物理結(jié)皮構(gòu)成研究發(fā)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)結(jié)皮的抗侵蝕性往往小于沉積結(jié)皮的抗侵蝕性。

2 土壤物理結(jié)皮侵蝕效應(yīng)研究現(xiàn)狀

土壤物理結(jié)皮對土壤侵蝕具有重要影響，但鑒于土壤結(jié)皮形成過程的復(fù)雜性，土壤物理結(jié)皮對土壤侵蝕的影響至今還沒有統(tǒng)一的認(rèn)識。一般認(rèn)為土壤結(jié)皮以2 種方式影響土壤侵蝕，一種觀點是土壤結(jié)皮促進(jìn)了土壤侵蝕的發(fā)生，另一種觀點則是土壤結(jié)皮抑制了坡面侵蝕[34]。

2.1 土壤物理結(jié)皮對土壤侵蝕的促進(jìn)作用

關(guān)于土壤結(jié)皮對侵蝕的促進(jìn)作用，早在1983年黃秉維院士就提出，土壤結(jié)皮的形成是增加坡耕地產(chǎn)流和產(chǎn)沙的一個重要原因[35?37]；陳正發(fā)等[38]通過模擬降雨試驗也得出相似的研究結(jié)果，指出前期降雨后表土結(jié)皮對坡面侵蝕具有一定的促進(jìn)作用。程琴娟等[39]通過探究土壤表面特性與坡度對產(chǎn)流產(chǎn)沙的影響發(fā)現(xiàn)，在坡度的影響下，土壤物理結(jié)皮的形成不僅增加產(chǎn)流量還增加產(chǎn)沙量，且產(chǎn)生土壤結(jié)皮后，對侵蝕力的提升效果遠(yuǎn)高于抗蝕力，這一結(jié)論與謝亞茹等[40?41]的研究結(jié)果一致。另外，程琴娟等[3]通過室內(nèi)模擬降雨試驗對比分析有無結(jié)皮的侵蝕效應(yīng)發(fā)現(xiàn)，有表土結(jié)皮表面的產(chǎn)流時間提早，產(chǎn)流量快速增加，產(chǎn)沙量遞增，易于發(fā)生細(xì)溝侵蝕。李桂芳[42]通過探究坡面土壤侵蝕影響因素與動力學(xué)機(jī)制得出，土壤物理結(jié)皮作為一種地表條件，對土壤侵蝕的作用表現(xiàn)為可以顯著增加黑土坡面土壤的徑流量和侵蝕量。研究者對黃土高原地區(qū)土壤物理結(jié)皮研究發(fā)現(xiàn)，盡管土壤物理結(jié)皮首先會抑制坡面產(chǎn)沙，但隨著降雨歷時的增加，土壤物理結(jié)皮會促進(jìn)坡面產(chǎn)沙[40]，土壤物理結(jié)皮仍具有增加坡面產(chǎn)流量和產(chǎn)沙量的作用[42]。

2.2 土壤物理結(jié)皮對土壤侵蝕的抑制作用

不少學(xué)者的研究結(jié)果顯示，土壤物理結(jié)皮對土壤坡面侵蝕的作用表現(xiàn)為抑制作用[43?45]。吳發(fā)啟等[13]認(rèn)為土壤結(jié)皮的存在增加土壤抗剪強(qiáng)度，明顯提高了表土抗濺蝕能力，從而減少侵蝕的發(fā)生。王輝等[7]通過人工降雨的方法模擬不同程度的結(jié)皮（無結(jié)皮、輕微結(jié)皮和嚴(yán)重結(jié)皮）得出，嚴(yán)重結(jié)皮具有降低產(chǎn)流、減少產(chǎn)沙的作用。這一結(jié)論與吳秋菊等[34]通過室內(nèi)沖刷試驗得出的土壤物理結(jié)皮坡面的土壤侵蝕量明顯低于無土壤物理結(jié)皮坡面的土壤侵蝕量的研究結(jié)果相一致。另外，陳正發(fā)等[38]研究者也得出相似結(jié)果，其研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)歷4場降雨后表土結(jié)皮強(qiáng)度與侵蝕產(chǎn)沙量存在負(fù)相關(guān)關(guān)系，土壤結(jié)皮對坡面侵蝕的作用表現(xiàn)為抑制作用，并且不同降雨場次對土壤表土結(jié)皮的侵蝕效應(yīng)存在差異。蔣芳市等[27]通過探究不同土壤物理結(jié)皮條件對崩崗崩積體坡面侵蝕的影響得出，土壤物理結(jié)皮的存在具有減緩?fù)寥狼治g的作用，在一定程度上具有抗侵蝕的效果。隨后，吳秋菊[46]利用室內(nèi)放水沖刷試驗和人工降雨模擬試驗，通過坡面水動力參數(shù)的變化情況證明土壤物理結(jié)皮減小了坡面土壤侵蝕量。路培等[47]通過探究不同降雨強(qiáng)度下土壤結(jié)皮強(qiáng)度對侵蝕的影響，得出土壤物理結(jié)皮強(qiáng)度增大，坡面侵蝕量將大幅度減少的結(jié)論，這說明土壤物理結(jié)皮使得坡面土壤抗蝕性增強(qiáng)。這一結(jié)論與吳秋菊等[34]對黃土高原農(nóng)田土壤研究所得到的結(jié)論一致。另外，學(xué)者還研究了作物生長覆蓋條件下土壤物理結(jié)皮對土壤侵蝕的影響，利用人工模擬降雨方法發(fā)現(xiàn)，大豆的存在加大了土壤物理結(jié)皮與非土壤物理結(jié)皮坡面之間徑流量的差距，縮小了二者間產(chǎn)沙量的差異，起到抑制產(chǎn)流產(chǎn)沙的效果[48?50]。

綜上所述，土壤物理結(jié)皮對土壤侵蝕的促進(jìn)作用機(jī)制表現(xiàn)為土壤結(jié)皮形成的同時減少了入滲[51?52]，從而導(dǎo)致徑流中的一部分懸浮顆粒物無法隨徑流下滲，只能沉積在地表，地表徑流量增加[53]，最終通過增加徑流的剪應(yīng)力和輸沙能力增強(qiáng)了土壤侵蝕[54]，對土壤侵蝕產(chǎn)生促進(jìn)作用。土壤物理結(jié)皮對土壤侵蝕的抑制作用表現(xiàn)為土壤物理結(jié)皮的致密層可以增強(qiáng)表土強(qiáng)度，并且通過對雨滴濺蝕的抑制和表土抗徑流剪應(yīng)力的增強(qiáng)以及降低水流剪切力[34]來減少坡面的土壤侵蝕，從而抑制土壤侵蝕的發(fā)生。作物覆蓋下土壤物理結(jié)皮對土壤侵蝕的作用表現(xiàn)為作物增強(qiáng)了有無土壤物理結(jié)皮坡面之間的徑流和泥沙產(chǎn)量差異。

3 土壤物理結(jié)皮侵蝕效應(yīng)影響因素

土壤物理結(jié)皮對土壤侵蝕的影響存在2種不同的觀點：一種認(rèn)為結(jié)皮的存在促進(jìn)了侵蝕，另一種則認(rèn)為結(jié)皮抑制侵蝕的發(fā)生。土壤物理結(jié)皮的形成是降雨徑流與土壤相互作用的復(fù)雜的物理化學(xué)過程，而且其影響因素錯綜復(fù)雜。因此，將影響土壤物理結(jié)皮侵蝕效應(yīng)的因素分為外部因素、內(nèi)部因素以及其他因素，并對涉及這3 個方面的各種因素進(jìn)行系統(tǒng)分析。

3.1 外部因素

3.1.1 降雨特性 土壤物理結(jié)皮侵蝕效應(yīng)和降雨特性有很大的關(guān)系。研究表明，不同降雨條件會影響其對土壤的侵蝕效應(yīng)，因為降雨強(qiáng)度和時長會影響土壤結(jié)皮的形成、發(fā)育過程和土壤結(jié)皮程度，進(jìn)而對土壤侵蝕產(chǎn)生影響。不同降雨強(qiáng)度下（60、90、120 mm/h），土壤物理結(jié)皮強(qiáng)度是隨降雨強(qiáng)度增大而增強(qiáng)的，土壤結(jié)皮的存在有利于減小坡面土壤侵蝕量，且降雨強(qiáng)度越大，減蝕效應(yīng)越強(qiáng)。程琴娟等[39]發(fā)現(xiàn)在降雨強(qiáng)度為72 mm/h時，土壤結(jié)皮產(chǎn)生后，侵蝕力提升效果顯著。降雨歷時嚴(yán)重影響土壤結(jié)皮的發(fā)育情況，從而對土壤侵蝕產(chǎn)生影響[54]。當(dāng)降雨歷時為5 min 時，土壤結(jié)皮發(fā)育不明顯，表面較粗糙；降雨歷時為10 min 時，土壤表面開始有不完整的結(jié)皮形成，慢慢形成一層薄薄的致密層；降雨歷時為15 min 時，土壤結(jié)皮形成趨向完整，土壤表面光滑度增加。程琴娟等[6]通過模擬降雨試驗得出，當(dāng)降雨歷時<20 min 時，土壤物理結(jié)皮促進(jìn)土壤濺蝕的發(fā)生；當(dāng)降雨歷時>20 min 時，土壤物理結(jié)皮的濺蝕量明顯大于無土壤物理結(jié)皮的濺蝕量。降雨強(qiáng)度和歷時差異會直接影響土壤物理結(jié)皮的形成、發(fā)育，從而產(chǎn)生不同的土壤侵蝕效應(yīng)。

3.1.2 坡度 坡度對土壤物理結(jié)皮侵蝕效應(yīng)的影響主要體現(xiàn)在影響產(chǎn)流歷時，從而影響入滲量的大小[17]。蔣定生等[55]通過室內(nèi)模擬降雨試驗設(shè)置5°、10°、15°、20°、25°、30°、35°發(fā)現(xiàn)，坡度與產(chǎn)流開始時間存在指數(shù)關(guān)系，表明隨著坡度的增大導(dǎo)致徑流提早發(fā)生，從而入滲量減小。吳發(fā)啟等[13]通過探究土壤物理結(jié)皮與濺蝕之間的關(guān)系發(fā)現(xiàn)，在30°坡度以內(nèi)，坡度與土壤濺蝕量呈反比關(guān)系，即坡度越大，濺蝕量越小。另外，吳發(fā)啟等[15]通過在坡度、降雨強(qiáng)度以及徑流深度共同作用下發(fā)現(xiàn)，坡度越陡，土壤物理結(jié)皮發(fā)育完善程度就越低。坡度的陡緩程度雖能明顯影響徑流產(chǎn)流時間，但仍然存在著臨界值。程琴娟等[39]通過設(shè)置5種坡度（8.7%、17.6%、26.8%、36.4%、46.7%）探究土壤物理結(jié)皮對產(chǎn)流產(chǎn)沙的影響發(fā)現(xiàn)，當(dāng)坡度大于36.4%時，坡度是影響產(chǎn)流的主導(dǎo)因素。林青濤[56]通過較緩的坡度設(shè)置（3°、5°、10°、15°、20°）細(xì)致探討坡度對土壤物理結(jié)皮侵蝕效應(yīng)的影響，結(jié)果表明，隨著坡度增加，坡面開始產(chǎn)流時間呈下降趨勢，且坡度在3°、10°、20°時，其坡面開始產(chǎn)流時間差異達(dá)顯著水平。

3.1.3 地表粗糙度 地表粗糙度一直是影響土壤侵蝕的重要因素之一。同土壤物理結(jié)皮一樣，地表粗糙度對土壤侵蝕的影響也表現(xiàn)為2 個方面：一方面，地表粗糙能夠增加徑流阻力和地表填洼量，減少徑流流速并降低徑流攜沙能力，從而減少坡面產(chǎn)流量和產(chǎn)沙量；另一方面，地表粗糙能夠促進(jìn)坡面徑流匯集，提高徑流的沖刷能力，從而加劇土壤侵蝕[56]。土壤物理結(jié)皮和地表粗糙度之間是一種相互作用的關(guān)系。比如，地表粗糙度會影響土壤物理結(jié)皮的分布及類型，結(jié)皮的發(fā)育程度會影響地表粗糙度。王國鵬等[57]通過系統(tǒng)分析土壤結(jié)皮與地表粗糙度之間的關(guān)系發(fā)現(xiàn)，隨著土壤物理結(jié)皮的發(fā)育，地表粗糙度會持續(xù)增大，由0.67 增加至16.76。研究者探究坡面土壤侵蝕影響因素時，引入土壤物理結(jié)皮并將地表粗糙度與降雨強(qiáng)度和坡長共同考慮，結(jié)果表明，當(dāng)降雨強(qiáng)度和坡長增大時，地表粗糙度呈逐漸降低趨勢[42]，表明土壤表面變得光滑，入滲量和產(chǎn)流時間均會發(fā)生變化，從而影響土壤侵蝕效果。林青濤[56]在探究地表狀況對土壤侵蝕的影響時，分別設(shè)計裸地、結(jié)皮、有結(jié)皮處理、有糙度處理以及結(jié)皮+糙度處理5 種地表條件，結(jié)果表明，有糙度處理和結(jié)皮+糙度處理的開始產(chǎn)流時間均大于2 種地表狀況處理（裸地和有結(jié)皮處理）。表明地表粗糙度同坡度一樣會通過影響坡面開始產(chǎn)流的時間引起入滲量的改變，導(dǎo)致產(chǎn)流產(chǎn)沙過程發(fā)生變化最終影響土壤侵蝕。結(jié)皮的形成能夠提高防風(fēng)固沙能力，馬全林等[58]通過研究退化人工梭梭林的恢復(fù)技術(shù)發(fā)現(xiàn)，采取機(jī)械沙障恢復(fù)技術(shù)措施之后的退化梭梭林地粗糙度是未采取該措施退化梭梭林地的70～80倍，表明林地粗糙度使林內(nèi)近地面層風(fēng)速、輸沙量顯著下降，抗侵蝕能力增強(qiáng)。

3.1.4 植被覆蓋 植被覆蓋也是影響土壤侵蝕的重要因素之一，同時植被覆蓋也能引起結(jié)皮厚度的變化。結(jié)皮厚度是衡量固沙程度的一個重要指標(biāo)。劉玉平[59]以榆林縣紅石峽為研究區(qū)，探究羊柴、油蒿、沙竹、綿蓬及冰草5 種植被的飛播固沙成效，結(jié)果表明，結(jié)皮厚度與植被蓋度、種類均有一定聯(lián)系，并且在相關(guān)系數(shù)為0.87 時，結(jié)皮厚度與植被覆蓋度呈正相關(guān)關(guān)系。

吳發(fā)啟等[60]通過采用盆栽和小區(qū)試驗的方法，以小麥和玉米2種作物為研究對象研究結(jié)皮與作物之間的關(guān)系，結(jié)果表明，實施地面作物覆蓋既可消除結(jié)皮，又可達(dá)到蓄水保土效果。植被覆蓋能影響結(jié)皮形成、發(fā)育和下層表土成土過程。趙哈林等[61]以科爾沁沙地為研究區(qū)域，探討人工建設(shè)林地對結(jié)皮的影響發(fā)現(xiàn)，人工建設(shè)林地之所以會通過影響結(jié)皮發(fā)育導(dǎo)致土壤侵蝕結(jié)果發(fā)生變化，原因主要在于一方面人工植被具有降風(fēng)滯塵、維護(hù)沙面穩(wěn)定、增加地表黏粉粒含量的作用；另一方面植被林存在大量凋落物的沉降使得結(jié)皮和表土有機(jī)質(zhì)等養(yǎng)分增加，從而引起表土結(jié)皮形成、發(fā)育最終影響土壤侵蝕結(jié)果。

3.2 內(nèi)部因素

3.2.1 土壤顆粒組成 由降雨引發(fā)的土壤侵蝕過程中，土壤顆粒會隨雨滴打擊分散、徑流沖刷轉(zhuǎn)移，從而導(dǎo)致土壤顆粒組成發(fā)生變化[62]。土壤顆粒組成作為表征土壤物理性質(zhì)的指標(biāo)之一，可用于反映土壤質(zhì)地情況。因此，在分析土壤顆粒組成這個因素時往往與土壤質(zhì)地是不可分割的。研究發(fā)現(xiàn)，土壤中粉砂顆粒含量占比高于粗顆粒含量占比時易形成表面結(jié)皮，影響降雨入滲，從而影響侵蝕效果[11]，這主要是由于降雨過程中粉砂顆粒主要堆積于土壤表面且經(jīng)過一定時長形成表面結(jié)皮，阻止降雨入滲，減弱土壤侵蝕效果。土壤顆粒組成是形成土壤結(jié)皮的主導(dǎo)因素，而且除砂土外幾乎所有土壤都能形成土壤結(jié)皮，其中粉砂和黏粒含量高的土壤更易于形成結(jié)皮[11]。郭軼瑞等[63]的研究結(jié)果表明，土壤的極細(xì)砂和黏粉粒呈富集狀態(tài)，固定沙地生物結(jié)皮中的極細(xì)砂和黏粉粒含量分別是半流動沙地土壤物理結(jié)皮中的4.11、7.42 倍。土壤結(jié)皮與土壤顆粒之間是一種相輔相成的關(guān)系。郭軼瑞等[64]通過對比3 種結(jié)皮類型發(fā)現(xiàn)，結(jié)皮土壤顆粒組成中的極細(xì)沙和黏粉粒含量由于結(jié)皮的存在得到增加，其中土壤物理結(jié)皮增加效果次于其他2種結(jié)皮。土壤顆粒組成不僅影響結(jié)皮形成，還與形成結(jié)皮的穩(wěn)定程度密切相關(guān)。李曉麗等[65]指出，粗沙和細(xì)沙含量占比大時，土壤結(jié)皮穩(wěn)定性明顯增強(qiáng)，原因在于粗沙和細(xì)沙大顆粒含量少，被破壞的可能性小，使得結(jié)皮形成的穩(wěn)定性增大。胡霞等[24]在探索表土結(jié)皮與濺蝕之間的關(guān)系研究時明確指出，可依據(jù)顆粒組成將形成的0.2、2.0 mm 厚度的表土結(jié)皮分別歸為結(jié)構(gòu)結(jié)皮和沉積結(jié)皮。研究者大多認(rèn)為前者抗蝕性弱于后者[30，33]，這可能不僅與結(jié)皮厚度有關(guān)，還可能與土壤顆粒組成等有關(guān)。

3.2.2 土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性 土壤團(tuán)聚體是土壤物理結(jié)皮形成機(jī)制過程中關(guān)鍵因子，這是因為形成結(jié)皮的過程中表層土壤受到雨滴打擊夯實會使團(tuán)聚體發(fā)生變化[66]。土壤團(tuán)聚體大小與土壤結(jié)皮形成密切相關(guān)，胡霞等[24]通過人工模擬降雨試驗指出，土壤結(jié)皮的形成是伴隨土壤中大團(tuán)聚體或小團(tuán)聚體開始的。研究發(fā)現(xiàn)，土壤團(tuán)聚體越小越容易形成結(jié)皮，這是因為團(tuán)聚體愈小，其內(nèi)聚力愈小，愈容易被分散而形成結(jié)皮[67]。胡霞等[12]研究了PAM 對黃土結(jié)皮形成的影響發(fā)現(xiàn)，PAM 具有很強(qiáng)的聚合作用，噴灑PAM 于黃土表面后部分細(xì)顆粒聚合成大團(tuán)聚體不易被打散，從而減弱雨滴打擊作用，增強(qiáng)其抗蝕性。程琴娟等[68]得出的結(jié)論與胡霞等[12]相一致。李誠志[69]認(rèn)為，由鹽晶體膠結(jié)土壤顆粒形成于土壤上層的鹽結(jié)皮能夠顯著提高土壤抗風(fēng)蝕能力，這是由于鹽晶體膠結(jié)土壤顆粒形成的團(tuán)聚體大，減少疏松地表粉塵釋放量。以我國水土流失典型區(qū)為研究區(qū)域，在各個區(qū)域采集有代表性的土壤進(jìn)行降雨濺蝕試驗表明，土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性與土壤物理結(jié)皮侵蝕效應(yīng)有關(guān)，具體表現(xiàn)為土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性越高，導(dǎo)致累積的濺蝕量越小，其中黑土土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性最高，導(dǎo)致黑土土壤物理結(jié)皮產(chǎn)生的累積濺蝕量最低[70]。作為土壤結(jié)構(gòu)的基本單元，土壤團(tuán)聚體的變化能使土壤結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。研究發(fā)現(xiàn)，土壤結(jié)構(gòu)越穩(wěn)定，土壤抗蝕能力越強(qiáng)，反之，則越弱[71]。

3.2.3 土壤含水量 土壤結(jié)皮強(qiáng)度作為主要抗蝕性指標(biāo)，可用于反映土壤結(jié)皮侵蝕效應(yīng)。范云濤等[20]的研究結(jié)果表明，土壤表面強(qiáng)度與土壤含水量有較強(qiáng)關(guān)系，表現(xiàn)為隨著含水量的增加，土壤黏聚力和內(nèi)摩擦力減小，從而致使土壤表面強(qiáng)度變化，影響土壤侵蝕效果。趙曉光等[72]認(rèn)為，土壤抗剪強(qiáng)度隨含水量呈逐漸增長趨勢并于含水量12%～14%時達(dá)最大。引入土壤物理結(jié)皮這個因素后，其他研究者得到不太一致的研究結(jié)果。卜崇峰等[73]引入錐體貫入法定量研究土壤物理結(jié)皮與土壤含水量的關(guān)系發(fā)現(xiàn)，當(dāng)含水量<20%時，不易形成結(jié)皮，土壤黏性差、土壤顆粒分散導(dǎo)致貫入深度極易突增，抗剪強(qiáng)度突減，表明土壤含水量在土壤物理結(jié)皮侵蝕效應(yīng)中具有重要作用。土壤含水量對侵蝕的作用不僅體現(xiàn)于此，研究指出，若土壤初始含水量較高時會導(dǎo)致降雨產(chǎn)流時間提前，坡面上很快就有水層存在，阻礙濺蝕的發(fā)生[74]。李建德[66]采用人工模擬降雨試驗，設(shè)計降雨強(qiáng)度為60 mm/h，降雨歷時30 min，研究了土壤結(jié)皮發(fā)育特征及其對入滲的影響，結(jié)果表明，土壤結(jié)皮強(qiáng)度與土壤含水量間存在良好的指數(shù)函數(shù)關(guān)系，并且在含水量為20%時，隨降雨歷時延長，結(jié)皮強(qiáng)度逐漸增大，土壤抗蝕性增強(qiáng)。

3.2.4 土壤類型 土壤物理結(jié)皮是指土壤表面在降雨作用下的產(chǎn)物，因此，除降雨條件外，土壤類型也是影響土壤物理結(jié)皮侵蝕效應(yīng)的關(guān)鍵因素之一[1]。土壤是侵蝕發(fā)生的主體，不同的土壤類型代表不同土壤特性，如土壤質(zhì)地、土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)及土壤有機(jī)質(zhì)等，這些特性會通過影響土壤物理結(jié)皮強(qiáng)度而最終影響結(jié)皮的侵蝕效應(yīng)。李朝霞等[75]在對泥質(zhì)頁巖紅壤、第四紀(jì)紅色黏土和花崗巖紅壤的研究中發(fā)現(xiàn)，泥質(zhì)頁巖紅壤結(jié)構(gòu)極不穩(wěn)定，在雨滴打擊下能很快形成致密堅固的土壤結(jié)皮；第四紀(jì)紅色黏土土壤團(tuán)聚體較為穩(wěn)定，開始形成土壤物理結(jié)皮的時間較晚，且土壤結(jié)皮易被破壞；花崗巖紅壤結(jié)構(gòu)松散，基本上不形成土壤結(jié)皮。卜崇峰等[76]通過研究黑土發(fā)育過程發(fā)現(xiàn)，黑土水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量高，不利于土壤物理結(jié)皮的形成。此外，路培[77]在模擬降雨試驗下分析不同土壤類型的土壤物理結(jié)皮強(qiáng)度發(fā)現(xiàn)，土壤物理結(jié)皮強(qiáng)度在不同類型土壤中的大小次序為黑壚土>黃墡土>黃綿土>紅土>塿土，且土壤物理結(jié)皮強(qiáng)度越大，減蝕效應(yīng)越大。以上表明，不同類型的土壤形成的土壤結(jié)皮的效果不同，表示土壤物理結(jié)皮發(fā)育完善的過程也不同，而且對土表抗濺蝕能力也具有不同的影響[21]。

3.3 其他因素

除降雨和土壤兩大因素外，侵蝕類型對土壤物理結(jié)皮侵蝕效應(yīng)也有重要影響。降雨侵蝕過程是降雨能量對地面做功的表現(xiàn)，做功的最初表現(xiàn)形式是雨滴的擊濺侵蝕。雨滴濺蝕是以雨滴打擊為主要動力，是雨滴打擊地表引起土壤顆粒分散、躍移而產(chǎn)生的一種侵蝕方式，它是土壤侵蝕中一種極為普遍的侵蝕方式[24]。吳發(fā)啟等[13]通過有無土壤物理結(jié)皮對比分析發(fā)現(xiàn)，土壤物理結(jié)皮的存在減小了土壤濺蝕總量。胡霞等[24]在人工模擬降雨濺蝕試驗的條件下，也得出一致的結(jié)論，認(rèn)為土壤物理結(jié)皮的形成導(dǎo)致土壤表面抗濺蝕能力增大，從而產(chǎn)生抑制土壤侵蝕的作用。片蝕是黃土地區(qū)坡面最重要的侵蝕類型之一，嚴(yán)重的片蝕發(fā)生發(fā)展與相伴的強(qiáng)烈土壤結(jié)皮發(fā)育演變，必然導(dǎo)致對細(xì)溝、淺溝侵蝕及坡面總侵蝕的加劇。李浩宏[78]采用人工模擬降雨試驗發(fā)現(xiàn)，土壤物理結(jié)皮片蝕率呈現(xiàn)隨降雨時間延長而增大后趨于穩(wěn)定的趨勢，總體表現(xiàn)為促進(jìn)侵蝕的發(fā)生。崩崗是我國南方紅壤區(qū)特有的侵蝕現(xiàn)象[79]，崩積體是由崩壁、原山體坡面的物質(zhì)經(jīng)水力和重力的作用下被侵蝕，是崩崗侵蝕的重要組成部分[80?81]。研究發(fā)現(xiàn)，崩積體坡面也會形成土壤物理結(jié)皮。蔣芳市等[27]通過對福建省崩崗崩積體土壤侵蝕研究發(fā)現(xiàn)，土壤物理結(jié)皮的存在具有減緩?fù)寥狼治g的作用。土壤風(fēng)蝕過程主要是指在風(fēng)力作用下松散的土壤物質(zhì)被吹起、搬運(yùn)和堆積的過程[82]。對內(nèi)蒙古典型草原土壤物理結(jié)皮的形成和抗風(fēng)蝕性研究結(jié)果表明，降雨超過一定量時，土壤物理結(jié)皮具有防止土壤風(fēng)蝕的作用[83]。通過風(fēng)洞模擬研究發(fā)現(xiàn)，土壤物理結(jié)皮率增加，風(fēng)蝕量顯著下降，結(jié)皮的存在抑制了土壤風(fēng)蝕的發(fā)生[84?85]。

4 展望

土壤物理結(jié)皮是降雨和土壤共同作用下形成的致密結(jié)構(gòu)層，在土壤侵蝕和水土保持方面發(fā)揮重要作用。國內(nèi)學(xué)者系統(tǒng)對土壤物理結(jié)皮形成機(jī)制、土壤物理結(jié)皮對土壤侵蝕的作用表現(xiàn)、土壤結(jié)皮形成因素展開了詳細(xì)的研究。然而近幾年來，有關(guān)土壤物理結(jié)皮研究熱度有所下降，且針對土壤物理結(jié)皮對侵蝕作用表現(xiàn)不一結(jié)論進(jìn)行詳細(xì)分析的研究甚少。通過對國內(nèi)土壤物理結(jié)皮侵蝕效應(yīng)研究梳理后認(rèn)為，未來對于土壤物理結(jié)皮侵蝕效應(yīng)的研究可以從以下方面開展。

目前，大部分研究均在人工模擬降雨試驗條件下進(jìn)行，關(guān)于野外自然條件下土壤物理結(jié)皮侵蝕效應(yīng)的研究很少。但模擬降雨條件與野外自然降雨條件環(huán)境差異較大，且2 種環(huán)境下降雨特性會有所差異，從而可能對土壤物理結(jié)皮侵蝕效應(yīng)產(chǎn)生不同影響，未來應(yīng)多在野外自然條件下進(jìn)行研究。

目前，關(guān)于土壤物理結(jié)皮侵蝕效應(yīng)的研究多集中于黃土高原地區(qū)，缺乏對其他區(qū)域的關(guān)注研究。如西南紫色土區(qū)、南方紅壤區(qū)、東北黑土區(qū)均屬于我國水土流失嚴(yán)重的地區(qū)，這些地區(qū)土壤物理結(jié)皮的形成勢必會影響該地區(qū)土壤侵蝕情況。同一區(qū)域內(nèi)不同類型土壤及我國其他區(qū)域土壤物理結(jié)皮侵蝕效應(yīng)也需要考慮在內(nèi)。

要深入分析影響土壤物理結(jié)皮侵蝕效應(yīng)的因素，在此過程中不僅要考慮降雨和土壤這2 個直接因素，而且還要針對這2個直接因素進(jìn)行詳細(xì)分析?，F(xiàn)階段的研究多集中于土壤的物理性質(zhì)，如土壤質(zhì)地、土壤含水量對結(jié)皮的影響，但關(guān)于土壤陰、陽離子濃度或電解質(zhì)濃度等對土壤結(jié)皮影響的研究甚少。有研究表明，土壤中交換性鈉離子的濃度影響土壤結(jié)皮的形成。因此，土壤化學(xué)性質(zhì)對土壤物理結(jié)皮侵蝕效應(yīng)的影響也值得關(guān)注。另外，考慮到土壤物理結(jié)皮影響土壤侵蝕過程的動態(tài)性和復(fù)雜性，探究多因子綜合作用對土壤物理結(jié)皮侵蝕效應(yīng)的影響以及各因子對土壤侵蝕具體貢獻(xiàn)很有必要。

土壤侵蝕類型在土壤物理結(jié)皮侵蝕效應(yīng)中有顯著作用。目前，多數(shù)關(guān)于土壤侵蝕類型對土壤物理結(jié)皮侵蝕效應(yīng)影響的研究集中于土壤濺蝕方面，針對不同的研究區(qū)域，還應(yīng)探究不同土壤侵蝕類型下土壤物理結(jié)皮的侵蝕效應(yīng)。

應(yīng)加強(qiáng)對土壤物理與生物結(jié)皮之間關(guān)系的研究。有研究表明，土壤表層會經(jīng)歷從無土壤結(jié)皮→土壤物理結(jié)皮→土壤生物結(jié)皮的發(fā)育過程[86]，說明土壤物理結(jié)皮與生物結(jié)皮間存在一定聯(lián)系。近幾年土壤物理結(jié)皮研究熱度雖有所下降，但若加強(qiáng)關(guān)于土壤物理結(jié)皮與生物結(jié)皮之間關(guān)系的研究，不僅能夠促進(jìn)多學(xué)科交叉發(fā)展，而且能夠推動土壤結(jié)皮研究取得突破性進(jìn)展。