盧　嘉，鄭粉莉,2,*，安　娟，李桂芳

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)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，楊凌　712100 2 中國科學(xué)院水利部水土保持研究所，楊凌　712100 3 臨沂大學(xué)水土保持與環(huán)境保育研究所，臨沂　276005 4 中國科學(xué)院大學(xué)，北京　100049

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降雨侵蝕過程中黑土團(tuán)聚體流失特征

盧嘉1，鄭粉莉1,2,*，安娟3，李桂芳2,4

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)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，楊凌712100 2 中國科學(xué)院水利部水土保持研究所，楊凌712100 3 臨沂大學(xué)水土保持與環(huán)境保育研究所，臨沂276005 4 中國科學(xué)院大學(xué)，北京100049

摘要:坡面侵蝕過程中土壤團(tuán)聚體流失可直接反映土壤團(tuán)聚體的破碎程度以及雨滴打擊和徑流搬運(yùn)之間的相互作用?；谀M降雨試驗(yàn)，研究降雨侵蝕過程中黑土坡面土壤團(tuán)聚體流失特征。試驗(yàn)處理包括黑土區(qū)常見的2個(gè)侵蝕性降雨(50、100mm/h降雨強(qiáng)度)和2個(gè)坡度(5°和7.5°)以及2種地面處理(裸露休閑和秸稈覆蓋)。結(jié)果表明：裸露休閑處理下徑流含沙量是秸稈覆蓋處理的27.5—141.3倍，且不同處理下含沙量最大值均出現(xiàn)在降雨初期。覆蓋秸稈與無覆蓋試驗(yàn)處理下土壤團(tuán)聚體流失均以<0.25 mm 微團(tuán)聚體為主。秸稈覆蓋試驗(yàn)處理下泥沙中<0.25 mm微團(tuán)聚體流失量占團(tuán)聚體流失總量的34.5%—56.8%，而在裸露休閑處理下其值達(dá)到82%以上。秸稈覆蓋處理下的各粒級團(tuán)聚體流失量較裸露休閑試驗(yàn)處理減少了33.3%以上，其中差異最明顯的是≥1 mm粒級團(tuán)聚體與<0.25 mm微團(tuán)聚體，二者分別較裸露休閑處理減少了43.1%—96.4%和99.0%以上。秸稈覆蓋處理下的0.25—2 mm粒級團(tuán)聚體流失比例較裸露休閑處理明顯增加。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%。

關(guān)鍵詞：模擬降雨；降雨侵蝕過程；團(tuán)聚體流失；黑土區(qū)

坡面土壤侵蝕主要來源于土壤團(tuán)聚體的破壞，而雨滴打擊和坡面薄層水流為破碎團(tuán)聚體的流失提供了動(dòng)力條件[1- 3]。降雨條件下土壤團(tuán)聚體破碎機(jī)制主要包括消散作用(快速濕潤條件下土壤團(tuán)聚體中空氣壓縮產(chǎn)生的應(yīng)力而引起的破碎)、機(jī)械作用(雨滴打擊和徑流搬運(yùn)等)、黏粒膨脹作用(土壤礦物濕潤后非均勻膨脹引起的破碎)和土壤物理-化學(xué)分散破壞作用[1, 4]。有關(guān)研究結(jié)果表明，降雨條件下土壤團(tuán)聚體破碎機(jī)制主要為消散作用和機(jī)械作用[4- 5]。消散作用主要發(fā)生在降雨初期，而降雨過程中土壤團(tuán)聚體的破碎主要受雨滴打擊作用，即雨滴對大團(tuán)聚體的拆分和徑流搬運(yùn)過程對團(tuán)聚體的破壞作用[6- 8]。陳曉燕等[9]研究表明，降雨強(qiáng)度越大土壤團(tuán)聚體分散作用越明顯。周一楊等[10]基于濺蝕試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，>1 mm粒級團(tuán)聚體不易發(fā)生遷移，雨滴擊濺作用主要體現(xiàn)為對>1 mm粒級團(tuán)聚體進(jìn)行拆分。郭進(jìn)[11]等通過模擬降雨發(fā)現(xiàn)降雨初期侵蝕泥沙中微團(tuán)聚體含量在65%以上，隨降雨進(jìn)行團(tuán)聚體的破壞方式由最初的雨滴分離濺散轉(zhuǎn)變?yōu)樗骷羟?、搬運(yùn)。因此，降雨條件下增加地表覆蓋可降低消散和機(jī)械作用對土壤團(tuán)聚體的破壞，減少土壤團(tuán)聚體流失。秸稈覆蓋作為水土保持耕作措施之一，不僅可改善土壤結(jié)構(gòu)[12- 13]，抑蒸保墑、培肥地力，同時(shí)還可增加土壤入滲和土壤含水量，減少地表徑流、土壤團(tuán)聚體流失和土壤侵蝕的發(fā)生[14- 15]。

黑土具有良好的團(tuán)粒結(jié)構(gòu)和較高的有機(jī)質(zhì)含量，黑土區(qū)是我國主要的商品糧產(chǎn)區(qū)。但近幾十年來由于過度墾殖和開發(fā)，致使該區(qū)域土壤侵蝕加劇，水土流失日趨劇烈，黑土功能嚴(yán)重退化。土壤團(tuán)聚體作為土壤結(jié)構(gòu)的基本組成單位，對土壤侵蝕有重要的影響作用。因此開展降雨侵蝕過程中黑土團(tuán)聚體流失特征及其破碎機(jī)制的研究十分必要?，F(xiàn)有研究結(jié)果表明，黑土團(tuán)聚體的破碎機(jī)制主要是消散作用和粘粒膨脹作用[16- 17]，而對于降雨侵蝕過程中團(tuán)聚體破碎機(jī)制及其流失特征的研究鮮見報(bào)道。據(jù)此，本研究采用模擬降雨試驗(yàn)，對比分析不同降雨強(qiáng)度和坡度條件下，秸稈覆蓋對黑土區(qū)土壤團(tuán)聚體流失的影響，探討降雨侵蝕過程中土壤團(tuán)聚體的破碎機(jī)制，以期為黑土寶貴資源的保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。

1材料與方法

1.1試驗(yàn)裝置與材料

降雨試驗(yàn)在黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室人工模擬降雨大廳進(jìn)行。降雨設(shè)備為側(cè)噴式人工降雨裝置，采用2組單噴頭對噴，降雨高度為16 m，所有雨滴均可達(dá)到終點(diǎn)速度，降雨特性與天然降雨特性相似[18]，降雨均勻度大于85%。試驗(yàn)所用土槽為8.0 m(長)×1.5 m(寬)×0.6 m(深)的坡度可調(diào)式鋼槽，坡度調(diào)節(jié)范圍為0—35°。在試驗(yàn)土槽下端設(shè)徑流收集裝置，用于采集試驗(yàn)過程中的徑流泥沙樣。

供試土壤取自吉林省榆樹市劉家鎮(zhèn)(北緯44°43′28″，東經(jīng)126°11′47″)的0—20 cm的耕作層土壤。土壤質(zhì)地為粉壤土，其顆粒組成(美國農(nóng)業(yè)部土壤質(zhì)地分級制)為：砂粒(2000—50 μm)含量3.3%，粉粒(50—2 μm)含量76.4%，粘粒(< 2 μm)含量20.3%；耕作層土壤容重為1.20 g/cm3，有機(jī)質(zhì)(重鉻酸鉀氧化-外加熱法)含量為23.81 g/kg，pH值(水浸提法，水土比2.5∶1)為5.92。

1.2試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)地表處理包括：裸露休閑和秸稈覆蓋。秸稈覆蓋是在土槽表面均勻鋪設(shè)長約5 cm的玉米秸稈，覆蓋密度為1 kg/m2。試驗(yàn)設(shè)計(jì)的降雨強(qiáng)度和坡度根據(jù)當(dāng)?shù)貙?shí)際情況。詹敏等[19]和張憲奎等[20]研究表明，導(dǎo)致黑土區(qū)土壤流失的主要降雨類型為短歷時(shí)、高強(qiáng)度降雨，持續(xù)時(shí)間多在1 h左右，且該區(qū)中度侵蝕的瞬時(shí)雨強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)為I10≥0.71 mm/min。所以結(jié)合此標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)2個(gè)降雨強(qiáng)度(50、100 mm/h，即0.83、1.67 mm/min)，降雨歷時(shí)為60 min。東北黑土區(qū)的坡度為1—8°，很少達(dá)到10°[21]。因此本試驗(yàn)設(shè)計(jì)5°和7.5°，2個(gè)坡度。每個(gè)試驗(yàn)處理重復(fù)2次。

表1　試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.3試驗(yàn)步驟

為保證模擬降雨過程試驗(yàn)土槽有良好的透水性，試驗(yàn)土槽底部均勻打孔，并在底部裝10 cm細(xì)沙，沙層之上分為犁底層和耕作層。根據(jù)課題組2007—2013年野外調(diào)查發(fā)現(xiàn)，東北典型黑土區(qū)農(nóng)耕地耕作層深度大多為20 cm左右，黑土層以下為亞粘狀的黃土層。因此根據(jù)試驗(yàn)土槽的實(shí)際情況，設(shè)計(jì)20 cm的粘黃土，以模擬犁底層；在其上填充20 cm的黑土，以模擬耕作層。黑土耕作層土壤容重變化范圍為1.15—1.25 g/cm3，犁底層土壤容重變化范圍為1.28—1.48 g/cm3[22]。結(jié)合野外實(shí)際調(diào)查資料，本研究中耕層土壤容重設(shè)計(jì)為1.20 g/cm3，犁底層土壤容重為1.35 g/cm3。為了保證填土的均勻性，采用分層填土法，每5 cm為一層。填裝上層土之前，打毛土壤表面防止發(fā)生分層現(xiàn)象。試驗(yàn)土槽準(zhǔn)備好后，利用25 mm/h降雨強(qiáng)度對坡面進(jìn)行預(yù)降雨至坡面產(chǎn)流為止。預(yù)降雨24 h后進(jìn)行正式降雨。

每次正式降雨前對降雨強(qiáng)度進(jìn)行率定，以保證降雨的均勻度達(dá)到試驗(yàn)要求。降雨試驗(yàn)過程中當(dāng)坡面產(chǎn)流后，記錄產(chǎn)流時(shí)間，同時(shí)接取第一個(gè)徑流泥沙樣，隨后每隔6 min連續(xù)采集兩次徑流泥沙樣，將接取的徑流泥沙樣先稱重，一部分用于分析坡面侵蝕過程，一部分進(jìn)行濕篩分析，將徑流泥沙樣依次通過孔徑為5、2、1、0.5、0.25 mm的套篩，按濕篩法測定團(tuán)聚體粒級分布和流失狀況。降雨結(jié)束后，將侵蝕泥沙樣和篩分后的各粒級團(tuán)聚體(≥5、2—5、1—2、0.5—1、0.25—0.5、<0.25 mm，6個(gè)粒級)風(fēng)干稱重，編號裝入自封袋中。

1.4土壤團(tuán)聚體特征指標(biāo)

采用團(tuán)聚體平均重量直徑(MWD)、幾何平均直徑(GMD)、團(tuán)聚體平均重量比表面積(MWSSA)和分形維數(shù)(D)4個(gè)指標(biāo)來評價(jià)不同地表?xiàng)l件下降雨侵蝕過程中土壤團(tuán)聚體流失特征。其計(jì)算式為：

(1)

(2)

(3)

式中，xi為土壤粒級的平均直徑(mm)；wi為不同粒級土壤團(tuán)聚體占總土壤團(tuán)聚體流失量的比例；ρ1=……ρn=2.65 g/cm3；i為所分級團(tuán)聚體組別；n為所分級團(tuán)聚體粒級總組數(shù)。

D計(jì)算公式(楊培嶺[23])如下：

(4)

式中，W為直徑小于Ri累計(jì)質(zhì)量；Wt為總質(zhì)量；Ri為相鄰兩粒級土壤團(tuán)聚體平均直徑；Rmax為最大粒級土壤團(tuán)聚體平均直徑。

2結(jié)果與分析

2.1秸稈覆蓋對坡面侵蝕的影響

2.1.1坡面徑流量和侵蝕量

在50和100 mm/h降雨強(qiáng)度處理下，秸稈覆蓋可明顯減少地表徑流16.1%—37.1%(表2)。這是因?yàn)榻斩捀采w有保護(hù)地表的作用，減弱了雨滴動(dòng)能，同時(shí)又有對雨水的吸收和對徑流的分散作用，增大了土壤入滲。坡面侵蝕方面，覆蓋秸稈后坡面侵蝕量較裸露休閑對照處理下減少了97.7%以上?？梢?，秸稈覆蓋能有效的減少徑流量和侵蝕泥沙量，且與削減徑流作用相比，秸稈覆蓋的減沙效應(yīng)更為明顯。覆蓋秸稈后地表糙率增加，同時(shí)削減雨滴打擊，消耗徑流沖刷力，從而削弱了徑流搬運(yùn)泥沙的能力。Rajan和Khera[24]研究表明，0.6 kg/m2的秸稈覆蓋程度同裸露休閑處理相比徑流量和產(chǎn)沙量分別減少66%和87%。這與本研究中坡面徑流和侵蝕量的減少率有所差異。這是因?yàn)閮山M試驗(yàn)土壤質(zhì)地不同，Rajan和Khera所研究的土壤為砂壤土，孔隙度較大，入滲量要大于黑土；其次，本試驗(yàn)為了保證試驗(yàn)前期土壤條件基本一致，在正式降雨試驗(yàn)前進(jìn)行了前期預(yù)降雨，使得前期土壤含水量較高(土壤含水量為(21.11±0.89)%)，導(dǎo)致土壤入滲作用較少，坡面徑流量增加，進(jìn)而導(dǎo)致秸稈覆蓋下徑流量的減少率較小；而兩組試驗(yàn)秸稈覆蓋量的不同的是造成坡面侵蝕量減少率有所差異的主要原因。由此可見不同質(zhì)地土壤在覆蓋秸稈后均可減少地表徑流和坡面土壤流失。因此在黑土區(qū)采取秸稈還田能有效保護(hù)耕地質(zhì)量。

2.1.2坡面侵蝕過程與團(tuán)聚體破碎

坡面侵蝕是降雨與土壤界面之間的響應(yīng)過程，受降雨過程和下墊面變化的影響。在持續(xù)降雨條件下，由于土壤團(tuán)聚體破碎方式的不同，其侵蝕過程也有所差異。對比秸稈覆蓋和裸露休閑處理下含沙量變化發(fā)現(xiàn)，秸稈覆蓋可以延緩產(chǎn)流時(shí)間6—10 min(圖1)。覆蓋秸稈消除雨滴動(dòng)能后，土壤團(tuán)聚體免遭雨滴打擊破壞，土壤空隙破壞程度降低，有利于入滲，從而減緩坡面徑流和侵蝕的發(fā)生。坡面產(chǎn)流時(shí)間隨降雨強(qiáng)度的增加也相應(yīng)提前。50 mm/h降雨強(qiáng)度下裸露休閑處理的含沙量表現(xiàn)為降雨初期最大，隨降雨歷時(shí)的增加呈快速下降后又趨于穩(wěn)定的變化趨勢。而100 mm/h降雨強(qiáng)度下裸露休閑處理的含沙量隨降雨歷時(shí)的增加表現(xiàn)為在從坡面產(chǎn)流到降雨歷時(shí)10 min期間呈快速增加的趨勢，而后坡面徑流含沙量隨降雨歷時(shí)的增加呈急速下降后又趨于穩(wěn)定的變化趨勢。裸露休閑處理下含沙量均表現(xiàn)為降雨初期出現(xiàn)最大值，這是因?yàn)閷?dǎo)致黑土團(tuán)聚體破碎的主要原因?yàn)榭焖贊駶櫶幚硐碌南⒆饔肹17]。降雨過程的初始階段就是一個(gè)模擬土壤快速濕潤的過程，土壤團(tuán)聚體發(fā)生孔隙內(nèi)部封閉的空氣壓力破碎，地表徑流將破碎團(tuán)聚體沖走，使徑流含沙量在降雨初期達(dá)到最大，可以認(rèn)為孔隙內(nèi)部封閉的空氣壓力破碎團(tuán)聚體(即消散作用)是產(chǎn)流前期主要的泥沙來源[25]。降雨初期不同降雨強(qiáng)度下含沙量變化有所差異的原因是，100 mm/h降雨強(qiáng)度下雨滴打擊力較大，可進(jìn)一步引起表層土壤團(tuán)聚體的破碎，增大了泥沙量；而50 mm/h降雨強(qiáng)度下的雨滴打擊力相對較弱，徑流以搬運(yùn)地表松散物質(zhì)為主。隨著降雨歷時(shí)的增加，侵蝕物質(zhì)來源減少，含沙量呈下降趨勢；最后坡面徑流量與泥沙來源趨于穩(wěn)定，徑流含沙量也趨于穩(wěn)定。

表2　裸露休閑和秸稈覆蓋試驗(yàn)處理下坡面徑流量和侵蝕量

*減少率(%)=(秸稈覆蓋-裸露休閑)/裸露休閑×100%; **大寫字母表示同一行不同處理下，在P<0.05水平上差異顯著；小寫字母表示同一列不同處理下，在P<0.05水平上差異顯著

不同降雨強(qiáng)度和坡度下秸稈覆蓋處理下含沙量遠(yuǎn)小于裸露休閑處理。秸稈覆蓋處理下的含沙量均小于0.3 g/L(圖1)。裸露休閑處理下的含沙量是秸稈覆蓋處理的27.5—141.3倍。秸稈覆蓋處理下的含沙量均表現(xiàn)為在降雨初期較高，隨著降雨的進(jìn)行呈下降趨勢，最后呈現(xiàn)平緩趨勢。分析原因是因?yàn)槌焖贊駶欁饔靡鸬耐寥缊F(tuán)聚體破碎以外，覆蓋秸稈后消除雨滴動(dòng)能，從而削弱了由雨滴打擊土壤團(tuán)聚體所造成的團(tuán)聚體破碎，導(dǎo)致侵蝕泥沙來源的減少，含沙量呈下降趨勢?？梢娊涤赀^程中，除氣爆所引起的消散作用，機(jī)械破壞作用對土壤團(tuán)聚體破碎的影響也較大。進(jìn)一步說明雨滴打擊是致使黑土團(tuán)聚體分散的主要?jiǎng)恿χ?，土壤團(tuán)聚體的破碎為坡面侵蝕提供物質(zhì)來源。

圖1　裸露休閑與秸稈覆蓋試驗(yàn)處理的含沙量隨降雨歷時(shí)的變化Fig.1　Sediment concentration versus rainfall duration in bare land treatment and straw mulch cover treatment

2.2坡面土壤團(tuán)聚體流失2.2.1侵蝕泥沙團(tuán)聚體粒級分布

土壤團(tuán)聚體可劃分為大團(tuán)聚體(≥0.25 mm)和微團(tuán)聚體(<0.25 mm)[26]。土壤團(tuán)聚體破碎機(jī)制的不同，必然導(dǎo)致土壤團(tuán)聚體流失的差異。表3描述了裸露休閑和秸稈覆蓋處理下侵蝕泥沙中各粒級團(tuán)聚體流失量，圖2為流失團(tuán)聚體各粒級的分布狀況。土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體數(shù)量和組成對土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性具有重要作用，影響土壤通透性、抗蝕性，是土壤肥力的主要指標(biāo)之一。從圖2可以看出，供試黑土≥0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量達(dá)53.8%，可見供試土壤具有較好的團(tuán)聚結(jié)構(gòu)。不同處理?xiàng)l件下各粒級土壤團(tuán)聚體流失量均表現(xiàn)為秸稈覆蓋<裸露休閑(圖2)。不同處理下侵蝕泥沙中≥0.25 mm (≥2 mm、1—2、0.5—1 和0.25—0.5 mm)各粒級團(tuán)聚體流失量與<0.25 mm粒級團(tuán)聚體之間存在顯著性差異，侵蝕泥沙中團(tuán)聚體的流失以<0.25 mm微團(tuán)聚體為主。秸稈覆蓋處理下，泥沙中<0.25 mm微團(tuán)聚體流失量占團(tuán)聚體流失總量的34.5%—56.8%，裸露休閑處理下達(dá)到82%以上。不同處理下侵蝕泥沙團(tuán)聚體的流失以<0.25 mm微團(tuán)聚體為主，這與申艷等[27]和黃滿湘等[28]研究結(jié)果一致，說明侵蝕過程中，細(xì)顆粒泥沙容易被選擇搬運(yùn)，且搬運(yùn)距離較遠(yuǎn)。對于本研究設(shè)計(jì)的5°坡面和50 mm/h降雨強(qiáng)度試驗(yàn)處理，在有秸稈覆蓋條件下，流失團(tuán)聚體的粒級均為<0.25 mm微團(tuán)聚體，這是因?yàn)檫@個(gè)處理下雨強(qiáng)和坡度較小，加之覆蓋秸稈后，雨滴對土壤表面的打擊作用減弱，同時(shí)削弱了坡面徑流的搬運(yùn)能力。此處理下坡面徑流量侵蝕量均較小，侵蝕量僅為0.9 g/m2。秸稈覆蓋處理下各個(gè)粒級團(tuán)聚體流失量較裸露休閑下減少了33.3%以上，其中差異最明顯的是≥1 mm粒級團(tuán)聚體與<0.25 mm微團(tuán)聚體。秸稈覆蓋處理下≥1 mm粒級團(tuán)聚體較裸露休閑處理下的減少率達(dá)到43.1%—96.4%，<0.25 mm微團(tuán)聚體流失量減少率更是達(dá)到99%以上。裸露休閑與秸稈覆蓋之間各粒級的流失比例及流失量的差異表明，秸稈覆蓋在消除雨滴打擊對團(tuán)聚體的破壞作用的同時(shí)，也削弱了徑流搬運(yùn)破壞團(tuán)聚體的能力。可見，裸露休閑處理下黑土團(tuán)聚體的破碎主要來自于雨滴打擊對團(tuán)聚體的破壞，雨水濕潤和徑流攜帶搬運(yùn)過程也可引起其團(tuán)聚體的破碎。而覆蓋秸稈后消除了雨滴打擊對土壤團(tuán)聚體的破壞作用，坡面徑流減小，團(tuán)聚體的破碎主要來自于雨水的濕潤作用。

表3　裸露休閑和秸稈覆蓋試驗(yàn)處理下不同粒級土壤團(tuán)聚體的流失量

*裸露休閑The bare land；秸稈覆蓋：The straw mulch cover; **同一行不同小寫字母表示不同粒徑團(tuán)聚體在P<0.05水平上差異顯著

圖2　裸露休閑和秸稈覆蓋試驗(yàn)處理下流失團(tuán)聚體各粒級流失量占流失總量比例Fig.2　Soil aggregate size distribution in bare land and straw mulch cover treatment

不同試驗(yàn)處理下侵蝕泥沙中流失團(tuán)聚體粒級分布存在差異(圖2)。除5°坡面和50 mm/h降雨強(qiáng)度試驗(yàn)處理外，其它幾種試驗(yàn)處理下覆蓋秸稈0.25—2 mm (1—2、0.5—1 和0.25—0.5 mm)各粒級團(tuán)聚體流失比例與裸露休閑處理相比明顯增加，分別增加了0.8—28.7、2.4—28.2、4.3—27.7倍。與供試土壤相比，侵蝕泥沙中≥0.25 mm粒級團(tuán)聚體的含量則均有所減小，其中裸露休閑處理下≥0.25 mm粒級團(tuán)聚體含量較供試土壤中減少了67.8%—94.4%。這是因?yàn)樵诮涤昵治g過程中，大團(tuán)聚體在雨滴打擊和雨水濕潤的破壞作用下分散成小團(tuán)聚體，團(tuán)聚體穩(wěn)定性下降(表4)，從而使得團(tuán)聚體組成結(jié)構(gòu)也變?yōu)橐孕×綀F(tuán)聚體(<0.25 mm 微團(tuán)聚體)為主。而秸稈覆蓋消除了雨滴對地表團(tuán)聚體的打擊作用，使得大團(tuán)聚破碎程度降低，由大團(tuán)聚體破碎所供給的微團(tuán)聚體流失量減少，從而導(dǎo)致泥沙中大團(tuán)聚體流失比例增大，也說明雨滴打擊對大團(tuán)聚體的破壞作用很大。王春燕等[29]研究表明，紅壤侵蝕程度越高，>0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體的含量越低，團(tuán)聚體的分散度越大，團(tuán)聚體越容易遭到破壞，穩(wěn)定性減小。Bernard和Eric[30]認(rèn)為>0.25 mm水穩(wěn)性大團(tuán)聚體含量與土壤侵蝕程度和土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性二者之間均呈負(fù)相關(guān)。本研究中>1 mm粒級團(tuán)聚體流失比例低于17%。可見大團(tuán)聚體不易發(fā)生遷移，雨滴打擊主要對其進(jìn)行拆分[10]。在100 mm/h降雨強(qiáng)度下，≥0.25 mm各粒級團(tuán)聚體流失比例均隨著坡度的增加而增大，增加幅度為0.7—6.8倍。說明坡度的增加使得坡面徑流侵蝕力增強(qiáng)，從而有利于大團(tuán)聚體的流失。侵蝕泥沙中團(tuán)聚體粒級的分布受到雨滴打擊、徑流搬運(yùn)和團(tuán)聚體穩(wěn)定性共同作用。大粒級團(tuán)聚體由微團(tuán)聚體或土壤單粒通過膠結(jié)物質(zhì)膠結(jié)而成，內(nèi)聚力相對較小[31]，在較強(qiáng)雨滴擊濺分散下易破碎為較小粒級團(tuán)聚體，該結(jié)果通過對比供試土壤與各不同處理下的團(tuán)聚體粒級分布及穩(wěn)定性特征可以證實(shí)(圖2和表4)；而<0.25 mm微團(tuán)聚體的形成主要取決于粘粒和三二氧化物的粘結(jié)作用，微團(tuán)聚體孔隙小，彎曲程度大，其內(nèi)聚力也較大，在侵蝕過程中不易破碎，團(tuán)聚體較為穩(wěn)定[32]，這與閆峰陵[33]等研究結(jié)果相同。綜上可見，降雨擊濺分散和徑流搬運(yùn)能力對黑土區(qū)土壤不同粒級團(tuán)聚體流失均有所影響。

2.2.2侵蝕泥沙中微團(tuán)聚體流失過程

以上分析了侵蝕過程中團(tuán)聚體流失特征，發(fā)現(xiàn)降雨侵蝕過程中黑土團(tuán)聚體的流失以<0.25 mm微團(tuán)聚體為主。因此，這里著重分析這部分微團(tuán)聚體在降雨過程中的流失狀況(圖3)。

裸露休閑處理下<0.25 mm微團(tuán)聚體流失量明顯大于秸稈覆蓋處理下的。裸露休閑處理下坡面<0.25 mm微團(tuán)聚體流失量隨降雨過程呈先快速增加后緩慢上升趨勢，其中降雨初期100 mm/h降雨強(qiáng)度下微團(tuán)聚體流失量的增漲趨勢明顯大于50 mm/h降雨強(qiáng)度下。秸稈覆蓋處理下坡面<0.25 mm微團(tuán)聚體流失變化過程可分為3個(gè)階段。第1階段從坡面產(chǎn)流到產(chǎn)流后5 min內(nèi)，此時(shí)坡面微團(tuán)聚體流失量隨降雨歷時(shí)的增加呈快速增加的趨勢，這與裸露休閑處理的第一階段趨勢一致。這一方面主要是因?yàn)榻涤瓿跗趶搅靼徇\(yùn)能力較弱，因此優(yōu)先遷移微團(tuán)聚體；另一方面造成裸露休閑處理下微團(tuán)聚體流失量遠(yuǎn)大于秸稈覆蓋處理下的原因?yàn)椋甑未驌粢饒F(tuán)聚體的破碎一般發(fā)生在降雨初期的幾分鐘，而覆蓋秸稈后消除了雨滴對地表團(tuán)聚體的打擊作用。第2階段秸稈覆蓋處理下微團(tuán)聚體流失量急劇下降，而裸露休閑處理下此階段微團(tuán)聚體流失量隨降雨歷時(shí)的增加呈緩慢增加的趨勢。這是因?yàn)槁懵缎蓍e處理下侵蝕物質(zhì)的來源不僅來自于松散物質(zhì)，還有來自破碎的大團(tuán)聚體；在降雨過程中，隨著雨滴對團(tuán)聚體連續(xù)的打擊作用，機(jī)械外力累積能量逐漸克服團(tuán)聚體中膠結(jié)物質(zhì)膠結(jié)力的影響，大團(tuán)聚體逐漸破碎為較小的團(tuán)聚體，為微團(tuán)聚體的流失提供了物質(zhì)來源，從而增加了坡面微團(tuán)聚體的流失量，導(dǎo)致裸露處理下微團(tuán)聚體流失量隨降雨歷時(shí)的增加而呈現(xiàn)增加的趨勢，表現(xiàn)出雨滴對大團(tuán)聚體的拆分能力。但是覆蓋秸稈后，消除了雨滴打擊力，減小了雨滴對大團(tuán)聚體的破碎供給微團(tuán)聚體，導(dǎo)致微團(tuán)聚體流失量減少。第3階段為降雨后期，秸稈覆蓋處理下微團(tuán)聚體流失量呈緩慢下降趨勢，這是因?yàn)橛甑未驌魧Υ髨F(tuán)聚體破碎作用較弱，加上侵蝕物質(zhì)來源的減少，徑流對土壤搬運(yùn)能力也較弱，因此微團(tuán)聚體流失量減小。

圖3　裸露休閑和秸稈覆蓋試驗(yàn)處理下微團(tuán)聚體流失量隨降雨歷時(shí)變化Fig.3　Micro-aggregate loss versus rainfall duration in bare land treatment and straw mulch cover treatment

2.3表征土壤團(tuán)聚體流失指標(biāo)的分析

土壤團(tuán)聚體平均重量直徑(MWD)和幾何平均直徑(GMD)常作為評價(jià)土壤團(tuán)聚體狀況的指標(biāo)，其值越大表示土壤的團(tuán)聚度越高，團(tuán)聚體穩(wěn)定性就越強(qiáng)。土壤團(tuán)聚體分形維數(shù)(D )反映了土壤水穩(wěn)定性團(tuán)聚體及水穩(wěn)性大團(tuán)聚體含量對土壤結(jié)構(gòu)與穩(wěn)定性的影響趨勢，其值越大，則團(tuán)聚體的分散度越大[34]。本文選取平均重量直徑(MWD)、幾何平均直徑(GMD)、團(tuán)聚體平均重量比表面積(MWSSA)和分形維數(shù)(D)4個(gè)指標(biāo)進(jìn)一步分析裸露休閑處理和秸稈覆蓋處理下黑土團(tuán)聚體流失特征。

表4　裸露休閑和秸稈覆蓋試驗(yàn)處理下流失團(tuán)聚體特征指標(biāo)

*裸露休閑The bare land；秸稈覆蓋The straw mulch cover；供試土壤The tested soil; **MWD：平均重量直徑 Mean Weight Diameter；GMD：幾何平均直徑 Geometric Mean Diameter；MWSSA：平均重量比表面積 Mean Weight Soil Specific；D：分形維數(shù) Fraction Dimension

從表4中看出，除5°坡面和50 mm/h降雨強(qiáng)度試驗(yàn)處理外，各團(tuán)聚體特征指標(biāo)在裸露休閑和秸稈覆蓋處理下表現(xiàn)出顯著性差異。秸稈覆蓋處理下流失團(tuán)聚體的MWD和GMD表現(xiàn)為最大。秸稈覆蓋處理下流失團(tuán)聚體的MWD和GMD分別是裸露休閑處理下的1.5—4.3和1.7—2.0倍。造成這種現(xiàn)象的主要原因是覆蓋秸稈后雨滴打擊拆分土壤團(tuán)聚體的作用減弱，雨滴打擊和徑流搬運(yùn)破壞的能量不能破碎這些穩(wěn)定的團(tuán)聚體，從而使大粒徑團(tuán)聚體含量明顯增加，泥沙中大粒級團(tuán)聚體含量較高，從而導(dǎo)致流失團(tuán)聚體的MWD和GMD有所增加。同時(shí)MWD和GMD兩個(gè)指標(biāo)隨著坡度的增加而增大，進(jìn)一步說明坡度有利于大團(tuán)聚體的流失。而秸稈覆蓋處理下MWSSA和D較裸露休閑處理下分別減少了26.2%—32.9%和5.1%—6.9%。流失團(tuán)聚體的MWSSA和D值越大，說明侵蝕泥沙中小粒級團(tuán)聚體含量增多，團(tuán)聚體破壞性變大，相應(yīng)的穩(wěn)定性變差。Castrignano等[34]發(fā)現(xiàn)，當(dāng) D 值接近2時(shí)，團(tuán)聚體主要由數(shù)量很少的大團(tuán)聚體組成，而隨著 D值的增大，土壤中小粒級團(tuán)聚體的數(shù)量隨之增加。吳承禎等[35]研究指出，>0.25 mm粒級團(tuán)聚體含量越低，其團(tuán)聚體粒徑分布的分形維數(shù)越高。本研究秸稈覆蓋處理下≥0.25 mm粒級團(tuán)聚體流失比例遠(yuǎn)大于裸露休閑處理下(圖2)，這也是秸稈覆蓋處理下D值小于裸露休閑處理下的原因?？梢娂词乖趫F(tuán)聚體含量較高的黑土，雨滴打擊對土壤團(tuán)聚體的分散作用仍較為明顯，秸稈覆蓋可有效防止土壤團(tuán)聚體的破碎和流失。

3結(jié)論

本研究基于模擬降雨試驗(yàn)和試驗(yàn)現(xiàn)場篩分泥沙中的團(tuán)聚體，研究了降雨侵蝕過程中的東北黑土區(qū)坡面土壤團(tuán)聚體流失特征和破碎機(jī)制，得到如下研究結(jié)論：

(1)秸稈覆蓋試驗(yàn)處理下的坡面徑流量和侵蝕量分別較裸露休閑試驗(yàn)處理減少了16.3%—37.1%和97.7%—99.5%。可見與削減徑流作用相比，秸稈覆蓋的減沙效應(yīng)更為明顯。

(2)不同降雨強(qiáng)度和坡度下裸露休閑處理的徑流含沙量是秸稈覆蓋處理的27.5—141.3倍。含沙量最大值出現(xiàn)在降雨初期。說明降雨過程中黑土團(tuán)聚體破碎機(jī)制主要為消散作用和機(jī)械作用，且降雨初期以消散作用為主。

(3)秸稈覆蓋試驗(yàn)處理各粒級團(tuán)聚體流失量較裸露休閑試驗(yàn)處理減少了33.3%以上，其中差異最明顯的是≥1 mm粒級團(tuán)聚體與<0.25 mm微團(tuán)聚體，分別較裸露休閑處理下減少了43.1%—96.4%和99.0%以上。覆蓋與無覆蓋秸稈試驗(yàn)處理下土壤團(tuán)聚體流失均以<0.25 mm 微團(tuán)聚體為主。覆蓋秸稈后0.25—2 mm各粒級團(tuán)聚體流失比例較裸露休閑條件下明顯增加。可見，秸稈覆蓋消除了雨滴對坡面團(tuán)聚體的打擊作用和徑流搬運(yùn)破壞團(tuán)聚體的能力。秸稈覆蓋處理下土壤團(tuán)聚體的破碎方式以消散作用和雨水濕潤作用為主。

(4)秸稈覆蓋處理下，<0.25 mm微團(tuán)聚體流失量隨降雨歷時(shí)的增加呈快速增加—急劇遞減—緩慢下降的趨勢;而裸露休閑處理下，其變化表現(xiàn)為快速增加—緩慢上升趨勢，表明雨滴打擊能夠影響土壤團(tuán)聚體的破碎。

(5)秸稈覆蓋試驗(yàn)處理下流失團(tuán)聚體的MWD和GMD最大，分別是裸露休閑處理下的1.5—4.3和1.7—2.0倍，而MWSSA和D與裸露休閑試驗(yàn)處理相比分別減少了26.2%—32.9%和5.1%—6.9%。說明秸稈覆蓋可有效防治土壤團(tuán)聚體的破碎和流失。

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An experimental study of Mollisol aggregate loss characteristics during rainfall erosion processes

LU Jia1, ZHENG Fenli1,2,*, AN Juan3, LI Guifang2,4

1InstituteofSoilandWaterConservation,StateKeyLaboratoryofSoilErosionandDrylandFarmingonLoessPlateau,NorthwestA&FUniversity,Yangling712100,China2InstituteofSoilandWaterConservation,ChineseAcademyofSciencesandMinistryofWaterResources,Yangling712100,China3InstituteofWaterandSoilConservationandEnvironmentalProtection,LinyiUniversity,Linyi276005,China4UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China

Abstract：Soil aggregate loss during hillslope erosion processes directly reflects the interaction among the degree of soil aggregate breakdown, raindrop impact and runoff transportation. Different soil aggregate breakdown mechanisms result in the size distribution of soil aggregate is different. Furthermore, soil aggregate loss has an important influence on hillslope soil loss. However, existing studies have mostly focused on aggregate stability. Rainfall simulation experiments were conducted to investigate Mollisol aggregate loss during rainfall erosion processes. The experimental treatments included two rainfall intensities (50 mm/h and 100 mm/h), representative of erosive rainfalls in the black soil region of northeast China; two common slope gradients (5° and 7.5°); and two surface conditions (bare land and straw mulch cover). Each experimental treatment had two replications. The tested soil was the Mollisol, which was collected from the upper 20 cm of the plow layer in a maize field in Yushu City, Jilin Province, which is typical of the black soil of the region of northeast China. This study was conducted in the rainfall simulation laboratory of the State Key Laboratory of Soil Erosion and Dryland Farming on the Loess Plateau, Yangling City, China. A rainfall simulator system with a side-sprinkler was used to apply rainfall. The soil pan was 8 m long, 1.5 m wide and 0.6 m deep. During the rainfall simulations, runoff samples were collected in 15-L buckets. Half of each runoff sample was immediately processed through a set of sieves with apertures of 5 mm, 2 mm, 1 mm, 0.5 mm, and 0.25 mm. After sieving, the lost aggregate samples and the remaining half of each runoff samples were oven-dried to calculate the soil and aggregate losses. The results showed that sediment concentration in the bare land treatments was 27.5—141.3 times greater than that in the straw mulch cover treatments. The maximum values for sediment concentration were observed at the beginning of the rainfall simulation, in all treatments. This indicated that the dominant Mollisol aggregate breakdown mechanisms were slaking and mechanical breakdown, and that the effect of slaking was mainly exerted in the initial stages of rainfall. The <0.25 mm micro-aggregates were the main aggregate size fraction lost in both the bare land and the straw mulch cover treatments. The <0.25 mm micro-aggregate loss comprised 34.5—56.8% of the total aggregate loss in the straw mulch cover treatments, whereas the loss was >82% in the bare land treatments. Compared with the bare land treatments, the loss of every size aggregate decreased >33.3% in the straw mulch cover treatments; thus, the most significant differences in soil aggregate loss were observed in the ≥1 mm and <0.25 mm size fractions between the bare land and the straw mulch cover treatments. Compared with the bare land treatments, the loss of the ≥1 mm size fraction and the <0.25 mm micro-aggregates decreased 43.1%—96.4% and 99.0%, respectively, in the straw mulch cover treatments. The proportion of 0.25—2 mm aggregates in the sediment from the straw mulch cover treatments increased and was greater than that of the bare land treatments. These results indicated that raindrop impact was the main driving force for aggregate breakdown. The straw mulch cover eliminated the effect of raindrop impact on soil aggregate breakdown, and also decreased runoff transport capacity. The mean weight diameter (MWD) and geometric mean diameter (GMD) of aggregates in the sediments for the straw mulch cover treatments were 1.5—2.9 and 1.7—2.0 times greater than those for the bare land treatments. Compared with the bare land treatments, the mean weight soil specific (MWSSA) and fraction dimension (D) decreased 26.2%—32.9% and 5.1%—6.7%, respectively. The above four indicators reflect the aggregate loss characteristics of Mollisols.

Key Words:rainfall simulation; rainfall soil erosion process; aggregates loss; black soil region

基金項(xiàng)目:國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41271299)

收稿日期:2014- 10- 28; 網(wǎng)絡(luò)出版日期:2015- 08- 21

*通訊作者

Corresponding author.E-mail: flzh@ms.iswc.ac.cn

DOI:10.5846/stxb201410282108

盧嘉，鄭粉莉，安娟，李桂芳.降雨侵蝕過程中黑土團(tuán)聚體流失特征.生態(tài)學(xué)報(bào),2016,36(8):2264- 2273.

Lu J, Zheng F L, An J, Li G F.An experimental study of Mollisol aggregate loss characteristics during rainfall erosion processes.Acta Ecologica Sinica,2016,36(8):2264- 2273.