高 燕，鄭粉莉，，王 彬，李桂芳，張 姣，姜義亮

（1.西北農林科技大學 資源環(huán)境學院，黃土高原土壤侵蝕與旱地農業(yè)國家重點實驗室，陜西 楊凌712100；2.中國科學院 水利部 水土保持研究所，陜西 楊凌712100）

土壤結皮通常指物理性結皮，即在雨滴擊濺和土壤黏粒的物理化學分散作用下，土壤表面孔隙不斷堵塞或攜沙水流經過地表時細小顆粒沉積而形成的一層很薄的土表硬殼［1］。相關研究表明，土壤結皮層表面相對光滑，強度大，導水性和穩(wěn)定性較差，能減緩水分入滲，降低土壤入滲率，減小地表粗糙度［2－3］。國外對土壤結皮的研究比較早，不同學者就土壤結皮對土壤侵蝕的影響得到了不同的結論。如Daniel和Moore認為在侵蝕條件穩(wěn)定的情況下土壤結皮的形成會促使土壤發(fā)生侵蝕［4］；Levy等認為土壤結皮以兩種相反的方式影響土壤侵蝕：土壤結皮的存在增加了土壤表面的切變強度，從而降低土壤分離，但同時結皮增加徑流并提高了徑流剝蝕搬運能力，因而又增加了土壤分離［5］。目前國內關于土壤結皮與侵蝕關系的研究主要集中在侵蝕較為嚴重的黃土高原，但其研究有不同的結論：一種認為，土壤結皮的存在可增加地表產流產沙量，誘導細溝侵蝕發(fā)生［6－7］；第二種認為，土壤結皮具有增大徑流、抑制產沙的作用［8］；還有一種認為，土壤結皮對侵蝕產沙的作用可能增強也可能削弱［9］。東北黑土區(qū)是我國水土流失較為嚴重的區(qū)域之一，部分地方黑土已經完全流失，出現“破皮黃”現象；而當前關于黑土區(qū)土壤結皮對坡面侵蝕影響的研究又非常薄弱，對此，本文采用人工模擬降雨的方法，研究不同坡度條件下土壤結皮對黑土區(qū)坡面產流產沙的影響，以期為東北黑土區(qū)土壤侵蝕防治提供相應的科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗土壤取自吉林省榆樹市劉家鎮(zhèn)合心村南城子屯（北緯44°43′28″，東經126°11′47″）。供試土樣為典型黑土耕層（表層0—20cm）土壤，pH值為5.92，黏粒、粉粒和砂粒含量分別為20.3%、76.4%和3.3%，有機質含量23.8g／kg。

1.2 試驗裝置

模擬降雨試驗在黃土高原土壤侵蝕與旱地農業(yè)國家重點實驗室人工模擬降雨大廳進行。采用側噴式人工降雨裝置，該裝置由2組單噴頭對噴，降雨高度16m，雨滴直徑和雨滴分布與天然降雨相似，降雨均勻度大于80%［10］。試驗所用土槽尺寸規(guī)格為1m（長）×0.5m（寬）×0.45m（深），下端設集流裝置采集徑流泥沙樣。

1.3 試驗設計

試驗處理包括坡面有土壤結皮和無土壤結皮（對照）兩種處理。結皮處理是通過前期降雨使土壤表面形成結皮；對照處理是前期降雨24h后對土壤表面形成的結皮進行破壞，破壞深度1～2cm，以模擬無土壤結皮的自然表面。根據東北典型黑土區(qū)坡地小坡度的特點，設計5°和10°兩個試驗坡度。詹敏［11］和張憲奎［12］等研究表明，導致黑土區(qū)土壤流失的主要降雨類型為短歷時、高強度降雨，降雨時間多在1h左右，且中度侵蝕的瞬時雨強標準為0.71mm／min。因此試驗設計降雨強度為60mm／h（即1.0mm／min），歷時1h。試驗重復2次。

1.4 試驗步驟

裝試驗土槽前，為了保證良好的透水性，在試驗土槽底部鋪10cm厚的細沙。細沙上部按照1.30 g／cm3的容重每5cm為一層填裝黑土，裝土厚度為30cm。裝完土槽后，利用30mm／h降雨強度進行前期降雨，降雨直至坡面即將發(fā)生產流為止，以形成土壤結皮并確保每次試驗前土壤含水量一致。前期降雨24h后進行降雨強度為60mm／h的正式降雨。坡面產流后，記錄各試驗處理土槽的初始產流時間，并用5L的塑料桶接取徑流泥沙全樣，取樣間隔時間為3min。降雨結束后，測量所有樣品的徑流體積，待泥沙沉淀后倒掉上清液，將泥沙樣烘干并稱重。

2 結果與分析

2.1 土壤結皮對坡面產流時間的影響

表1列出了不同試驗處理條件下的坡面徑流量與侵蝕產沙量。從表中可看出，有土壤結皮的坡面產流早于無土壤結皮坡面。5°和10°坡面上有結皮處理下的產流時間較無結皮處理的對照分別提前了41s和12s。這與有關研究的結論相一致［8，13－14］。這是因為受雨滴打擊和顆粒重新排列的影響，土壤結皮成為土壤表面一層致密的保護層，它具有相對緊密、透水性差等特性，可通過降低土壤水分的傳導性以減小土壤滲透率。當降雨發(fā)生時，有土壤結皮的坡面受到結皮層的影響，通過阻礙水分入滲，降低土壤入滲率而加速坡面產流的發(fā)生。因此會呈現有土壤結皮處理的坡面產流早于無土壤結皮坡面的現象。同時，這種時間差會隨坡度的增加而減小［7］。

表1 不同試驗處理下坡面徑流量與侵蝕產沙量

2.2 土壤結皮對坡面產流的影響

由表1可知，有土壤結皮和無土壤結皮對照處理下的坡面徑流總量相近；對比分析圖1發(fā)現，在5°和10°條件下有、無土壤結皮的坡面產流過程在整個降雨過程中變化均很穩(wěn)定，徑流量差異不大。說明土壤結皮對坡面徑流量的影響不明顯。這與土壤結皮會增加徑流的傳統(tǒng)研究結果不同［8］。造成該部分結論與其他學者不同的原因應該是各研究試驗條件的不一致所致。

關于土壤結皮對坡面產流的影響目前尚無定論。一些研究表明，土壤結皮通過降低土壤入滲率來增加地表徑流量［8，15］；而程琴娟等［16］對比了有結皮和打破結皮兩種地表處理對坡面侵蝕的影響時發(fā)現，有結皮和打破結皮的累積徑流量比值略大于1；王輝等［17］對比分析了無結皮、輕微結皮和嚴重結皮三種不同發(fā)育程度的土壤結皮對坡面侵蝕的影響，發(fā)現嚴重結皮坡面較無結皮坡面的徑流量降低28%。出現這些差異的原因均有可能是各研究的試驗條件不同，尤其是試驗土壤不同所導致的。這表明單純地定論結皮對坡面產流起到抑制或促進作用的結果是不可取的，應須考慮具體的試驗條件。

圖1 有土壤結皮與無土壤結皮對照處理的坡面產流過程

2.3 土壤結皮對坡面侵蝕產沙的影響

通過對比有土壤結皮與無土壤結皮對照處理的坡面產沙過程發(fā)現（圖2），5°坡面在整個降雨過程中，有土壤結皮處理的坡面侵蝕產沙量小于無土壤結皮處理的坡面侵蝕產沙量；有土壤結皮處理的坡面總侵蝕產沙量較無結皮處理的對照減少了54%。說明在此試驗條件下土壤結皮有抑制坡面侵蝕產沙的作用。這是由于結皮的存在減弱了雨滴的擊濺作用，導致地表松散顆粒以及徑流搬運的泥沙量較少，從而坡面侵蝕產沙量減少。

圖2 有土壤結皮與無土壤結皮對照處理的坡面侵蝕產沙過程

在10°坡面上，當降雨開始至23min內，有土壤結皮處理的坡面侵蝕產沙量低于無土壤結皮處理的對照坡面，說明土壤結皮的存在仍具有抑制產沙的作用，此時有土壤結皮處理的坡面侵蝕產沙量較無土壤結皮處理的對照減少了40%。因此，對于10°坡面，當土壤結皮存在時，結皮仍然可以降低坡面侵蝕產沙量；而一旦土壤結皮在降雨過程中遭到破壞，坡面侵蝕產沙量反而會增加，其值較無結皮處理的對照增加了46%。從60min整個降雨過程看，10°坡面有土壤結皮處理的總侵蝕產沙量較無結皮處理的對照增加了16%。這一研究結果說明，在該試驗條件下，對于10°坡面，一旦降雨過程中土壤結皮遭到破壞，坡面侵蝕產沙量有增大的趨勢，同時坡面總侵蝕產沙量在整個降雨過程中對土壤結皮的響應表現為侵蝕量增大。這是因為雖然前期土壤結皮具有抑制侵蝕的作用，但受到降雨和徑流的影響，土壤結皮在降雨過程中發(fā)生局部破壞并不斷形成新的土壤結皮；結皮坡面的土壤結皮在動態(tài)變化過程中造成松散物質隨徑流流失，但隨著降雨歷時的延長，土壤結皮逐漸趨于完善，侵蝕產沙量也逐漸趨于穩(wěn)定。有的研究結果也表明，坡度對土壤侵蝕的發(fā)生有重要的作用［7，18］。Poesen［19］的研究也發(fā)現，坡度越陡，土壤結皮越難于形成，且在降雨過程中越容易遭到破壞。

3 結論

（1）土壤結皮促使坡面產流提前發(fā)生。在5°和10°坡度條件下，有土壤結皮坡面的產流時間均早于無土壤結皮坡面。

（2）土壤結皮對坡面產流量的影響不甚明顯，而對侵蝕產沙量的影響非常明顯，且影響的作用與坡度有關。在5°坡面上，有土壤結皮的坡面侵蝕產沙量較無土壤結皮的坡面減少了54%；在10°坡面上，在土壤結皮未發(fā)生破壞前，土壤結皮仍具有抑制侵蝕產沙的作用，有土壤結皮處理的坡面侵蝕產沙量較無土壤結皮處理的對照減少了40%；而一旦土壤結皮在降雨過程中遭到破壞，坡面侵蝕產沙量反而會增加，其值較無土壤結皮處理的對照增加了46%。在整個降雨過程中，10°坡面有土壤結皮處理的總侵蝕產沙量較無土壤結皮處理的對照增加了16%。這說明土壤結皮對坡面侵蝕的影響與坡度有密切的關系。

土壤結皮對黑土區(qū)坡面侵蝕的影響較為復雜，這里僅僅分析了兩個坡度條件下土壤結皮對坡面產流產沙的影響，是否存在閾值坡度導致土壤結皮以兩種相反的方式影響土壤侵蝕還有待于進一步研究。

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