陳琳，王健*，宋鵬帥，趙宇，馬玉紅

降雨對坡耕地地表結皮土壤水穩(wěn)性團聚體變化研究

陳琳1，王健1*，宋鵬帥1，趙宇1，馬玉紅2

（1.西北農林科技大學，陜西 楊凌 712100；2.西安市水利水土保持工作總站，西安 710000）

【】探討降雨打擊下產(chǎn)生的不同坡面結皮土壤水穩(wěn)性團聚體分布。采用人工模擬降雨，研究在降雨打擊作用下，地表結皮土壤水穩(wěn)性團聚體的變化情況。受微地形影響，地表結皮性質呈現(xiàn)差異，以坡面不同位置的地表結皮土壤水穩(wěn)性團聚體為研究對象，以底部無結皮土壤樣品為對照，采用Yoder濕篩法探究不同類型結皮土壤團聚體的變化。在降雨打擊作用下，以降雨時間5 min為例：①土壤水穩(wěn)性團聚體都呈現(xiàn)大團聚體比例較大的特點，表現(xiàn)為結構性結皮大團聚體占比最大，其次為過渡帶、原狀土，沉積性結皮最小。原狀土、結構性結皮、過渡帶、沉積性結皮土壤大團聚體所占比例分別為37.69%、41.95%、37.05%、28.93%。隨降雨延續(xù)，結構性結皮和過渡帶土壤大團聚體明顯增加，沉積性結皮土壤大團聚體略有減少。②土壤水穩(wěn)性團聚體的平均當量直徑和幾何平均直徑差異很大。原狀土、結構性結皮、過渡帶、沉積性結皮的平均當量直徑分別為：0.15、0.19、0.17、0.12 mm；幾何平均直徑分別為0.16、0.21、0.19、0.14 mm。結構性結皮土壤水穩(wěn)性團聚體的平均當量直徑和幾何平均直徑最大，其次為過渡帶、原狀土，沉積性結皮最小。③土壤水穩(wěn)性團聚體分形維數(shù)不同但差異不顯著。原狀土、結構性結皮、過渡帶、沉積性結皮土壤水穩(wěn)性團聚體分形維數(shù)的大小分別為：2.725、2.705、2.725、2.737。沉積性結皮水穩(wěn)性團聚體分形維數(shù)最大，其次為過渡帶、原狀土，結構性結皮最小。降雨打擊作用使得土壤表層大團聚體被分散，小團聚體富集；大團聚體量越高，土壤結構越穩(wěn)定，抗蝕能力越強；反之，抗蝕能力越弱。

土壤團聚體；濕篩法；結皮；降雨歷時

0 引言

土壤結皮是在降雨雨滴擊濺、徑流沖刷壓實以及灌溉條件下，干旱半干旱地區(qū)形成的1種常見的特殊地面表層結構[1-2]。Chen等[3]研究發(fā)現(xiàn)：土壤結皮具有2種不同形態(tài)，為結構性結皮和沉積性結皮。結構性結皮是雨滴擊打作用下土壤表面團聚體分散，產(chǎn)生的細小松散顆粒經(jīng)過重新排列組合后形成的一層具有低透水性的土層[4-6]。沉積性結皮是攜帶泥沙顆粒的徑流由于微地形或植物攔截作用，流速減慢，輸沙能力變小，在地勢較低的土壤表面發(fā)生泥沙顆粒堆積而形成的土層[7-8]。Bodnár[9]研究發(fā)現(xiàn)：田間微地形位置不同時形成的結皮類型不同，地勢較高時形成的結皮為結構性結皮，地勢較低的洼地形成的結皮為沉積性結皮。Shainberg[10]研究發(fā)現(xiàn)：結構性結皮的滲透系數(shù)高于沉積性結皮，其滲透能力比沉積性結皮要強。降雨條件下，2種類型的結皮對坡面土壤水分入滲量的影響因素主要是土壤水穩(wěn)性團聚體組成的不同。

土壤水穩(wěn)性團聚體是一種多孔結構，是礦物顆粒和有機物在凝聚、黏結和膠結作用下以及有機-礦質膠體的復合作用下，并伴有生物參與下形成的多孔結構[11]。土壤水穩(wěn)性團聚體作為土壤結構的基本單元，是調節(jié)土壤物理、化學和生物特性的重要因素[12-15]。土壤水穩(wěn)性團聚體的不同粒級及所占比例不但影響土壤自身穩(wěn)定性還對土壤水的入滲、徑流、土壤肥力、碳儲存能力、土壤孔隙度、微生物活性等有一定影響[16-20]。

雨滴擊濺是降雨和土壤特性相互作用下產(chǎn)生的一種侵蝕作用[21]。降雨過程中，由于雨滴的擊濺作用，土壤表層水穩(wěn)性團聚體被分散破壞，這是土壤侵蝕發(fā)生的初級階段[22-23]。隨著雨滴打擊過程的延長，產(chǎn)生的細小松散顆粒在沖刷作用下發(fā)生運移，堵塞土壤表層孔隙，減少土壤表層孔隙數(shù)量，土壤的滲透能力變差，形成“板結”[24-25]。Woodbarn[26]研究發(fā)現(xiàn)隨著降雨歷時的增加，單位時間濺蝕量減小。Epstein[27]等研究發(fā)現(xiàn)當降雨條件相同時，砂土因為黏粒量最低而濺蝕量最多。團粒黏結結構越多，雨滴擊濺下土粒分散破壞程度越低。

黃土高原地區(qū)土壤有機質量較低、粉砂量較高，水穩(wěn)性團聚體穩(wěn)定性較差[28]，存在大量土壤侵蝕，實踐中常采用地面耕作方式減少土壤侵蝕。地面耕作使得黃土高原地區(qū)產(chǎn)生微地形，受地面微地形影響，降雨條件下地表會形成結構性結皮和沉積性結皮，伴隨著雨滴打擊作用，結皮厚度呈現(xiàn)線性遞增[29-31]，直接影響結皮內水穩(wěn)性團聚體的分布，而針對土壤結皮內團聚體分布研究不多。因此，茲模擬耕作方式，將地表形成起伏變化的壟溝，降雨條件下，壟溝處形成結皮類型不同，所含土壤水穩(wěn)性團聚體不同。系統(tǒng)測定不同類型結皮土壤水穩(wěn)性團聚體的分布規(guī)律，分析降雨對結皮中水穩(wěn)性團聚體的影響，以期探究結皮發(fā)育對于土壤抗侵蝕能力的影響及降雨-土壤互作過程中結皮和土壤的抗蝕性之間的關系。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗于2018年6—9月在西北農林科技大學水土保持與荒漠化防治教學實驗基地徑流小區(qū)進行。該區(qū)位于陜西關中平原中部，地理坐標東經(jīng)107°59′—108°08′，北緯34°14′—34°20′，氣候類型為東亞暖溫帶半濕潤半干旱氣候。年均降水量635.1 mm，年均氣溫12.9 ℃，無霜期211 d。年均日照時間2 163.8 h，無霜期為211 d。試驗土壤為楊凌0~20 cm耕層塿土。土壤顆粒的組成為：砂粒質量分數(shù)（>0.05 mm）3.97%，粉粒質量分數(shù)（0.005~0.05 mm）65.74%，黏粒質量分數(shù)（<0.005 mm）30.29%。中值粒徑13.31 μm，質地為粉質壤土，土壤比表面積1.17 m2/g。有機質量較低，質量分數(shù)9.78 g/kg。

1.2 試驗方法

黃土高原地區(qū)常采用地面等高耕作，因此所設徑流小區(qū)耕作方式為等高耕作。將供試土壤填充于徑流小區(qū)，在徑流小區(qū)內垂直于坡面走向進行橫向耕作，形成壟和溝，壟高20 cm，壟間距為30 cm。

人工降雨模擬降雨設備采用中國科學院水土保持研究所水保實驗設備工廠設計制造的側噴式降雨機，降雨供水壓強由閥門控制。降雨噴頭距地面6 m，有效降雨面積3 m×6 m，降雨均勻度達90%以上。設計降雨強度100 mm/h，降雨歷時分別采用5、10、15、20和30 min。降雨時，在小區(qū)的4個邊角放置自記雨量計，測定實際降雨強度和降雨量。降雨后，分別在壟上、壟溝邊壁和洼地表面3處取土壤結皮，分別為結構性結皮、過渡帶結皮和沉積性結皮。由于降雨打擊作用，土壤表層形成一層致密土壤層，可以明顯看出與下部未受雨滴打擊土壤的緊實程度差異，因此取樣時將表皮剝離后，用毛刷刷掉底部土壤，將土壤樣品進行風干作為實驗樣品，并以底部5 cm以下土壤為對照，如圖1所示。試驗設置3個重復。采用Yoder[32]濕篩法對土壤水穩(wěn)性團聚體量進行測定，套篩孔徑依次為2、1、0.5、0.25、0.106和0.053 mm。分別取30 g土壤結皮放到鋁盒中浸潤進行震蕩分析，每組樣品測定的震蕩時間為30 min，震蕩結束后將留在篩子上的各級團聚體用去離子水沖入燒杯中，用濾紙過濾團聚體，然后把濾紙和團聚體一起放入烘箱55 ℃風干，在空氣中平衡2 h，最后對不同粒級團聚體的土樣分別進行稱質量。

圖1 結皮土壤樣品采集部位示意圖

1.3 項目測定及分析方法

1.3.1 質量百分比

不同粒級水穩(wěn)性團聚體的質量百分比[33]計算式為：

1.3.2 大團聚體質量百分比

水穩(wěn)性大團聚體的質量百分比[19]計算式為：

1.3.3 平均當量直徑（）

水穩(wěn)性團聚體的土壤平均當量直徑（）[34]計算式為：

1.3.4 幾何平均直徑（）

水穩(wěn)性團聚體的土壤幾何平均直徑（）[35]計算式為：

1.3.5 分形維數(shù)

土壤水穩(wěn)性團聚體的質量分形維數(shù)（）[36]，是基于假設不同粒級的土壤密度相同提出來的。水穩(wěn)性團聚體的質量分形維數(shù)（）計算式為：

取以10 為底的對數(shù)：

數(shù)據(jù)通過Excel 2010和SPSS 23軟件進行處理。

2 結果與分析

2.1 不同位置結皮土壤水穩(wěn)性團聚體的粒徑分布特征

土壤團聚體具有調節(jié)土壤養(yǎng)分、改善土壤孔隙組成、改良土壤結構功能、改善土壤水力學性質等作用，不同粒徑的團聚體具備的作用不同。粒徑>0.25 mm的土壤大團聚體主要表征土壤結構穩(wěn)定性，反應土壤結構的變化趨勢。粒徑>1 mm的團聚體對調節(jié)土壤通氣與持水以及營養(yǎng)平衡釋放有著重要意義，是植物良好生長的結構基礎，其量與土壤肥力水平相關。半徑<0.053 mm為土壤水穩(wěn)性微團聚體。因此以1、0.25、0.053 mm水穩(wěn)性團聚體占比作為粒徑分布分析指標。

試驗測得不同位置土壤水穩(wěn)性團聚體分布見表1。表中數(shù)據(jù)為降雨5 min時結構性結皮、過渡帶結皮、沉積性結皮土壤團聚體粒徑分布。由表1可知，不同位置結皮土壤水穩(wěn)性團聚體粒徑分布不同，以原狀土為對照，隨著粒級減小，水穩(wěn)性團聚體所占的百分比逐漸增大；結構性結皮的增長幅度略小于原狀土，而沉積性結皮的增長幅度略大于原狀土。原狀土，>1 mm粒級的水穩(wěn)性團聚體量最小，占6.72%，>0.25 mm粒級的水穩(wěn)性團聚體量占37.69%，<0.053 mm粒級的水穩(wěn)性團聚體量22.5%；結構性結皮，>1 mm粒級的水穩(wěn)性團聚體量占9.01%，>0.25 mm粒級的水穩(wěn)性團聚體量占41.95%，<0.053 mm粒級的水穩(wěn)性團聚體量占19.8%；沉積性結皮，>1 mm粒級的水穩(wěn)性團聚體量占5.35%，>0.25 mm粒級的水穩(wěn)性團聚體量占28.93%，<0.053 mm粒級的水穩(wěn)性團聚體量占23.15%；過渡帶，>1 mm粒級的水穩(wěn)性團聚體量占7.53%，>0.25 mm粒級的水穩(wěn)性團聚體量占37.05%，<0.053 mm粒級的水穩(wěn)性團聚體量最大，占22.2%。

表1 不同位置結皮土壤水穩(wěn)性團聚體粒徑分布及其百分比

注 表中同列不同小寫字母分別表示同一粒徑不同位置的試驗數(shù)據(jù)間差異顯著（<0.05）。

Note different small letters in the same column indicate significant differences between test data of the same particle size under the different crust position (<0.05).

2.2 降水歷時對結皮土壤水穩(wěn)性團聚體分布影響

2.2.1 降水歷時對結皮土壤大團聚體的影響

大團聚體量的多少是土壤結構的基本單元和肥力調節(jié)器，有著維持土壤水肥氣熱和疏松熟化層的功能，一定程度上反映著土壤的通氣性和抗侵蝕性。圖2為不同降雨歷時下土壤水穩(wěn)性團聚體中大團聚體量情況。以原狀土降雨時間0 min時所含有的大團聚體量作為對照，可以看出結構性結皮、過渡帶土壤水穩(wěn)性團聚體中大團聚體的量隨降雨時間的延長呈現(xiàn)增多的趨勢。30 min降雨作用下，結構性結皮大團聚體由原狀土的37.69%增加到55.96%，過渡帶增加到50.00%；而沉積性結皮大團聚體隨降雨時間的延長略有降低，30 min降雨后大團聚體降低到28.22%。3個位置處結皮大團聚體量的大小變化為：結構性結皮>過渡帶>沉積性結皮。

由于大團聚體量影響土壤的抗侵蝕能力，土壤水穩(wěn)性團聚體中大團聚體量越高，土壤抗侵蝕能力越強，顯然結構性結皮的抗侵蝕能力大于原狀土，而沉積性結皮的抗侵蝕能力小于原狀土，因此結構性結皮一定程度上提高了土壤的抗侵蝕能力。

圖2 不同降雨時間的土壤大團聚體百分數(shù)

圖3 不同降雨時間下土壤水穩(wěn)性團聚體平均當量直徑

2.2.2降雨歷時對結皮土壤水穩(wěn)性團聚體平均當量直徑的影響

土壤水穩(wěn)性團聚體的平均當量直徑可以反映土壤穩(wěn)定性，土壤水穩(wěn)性團聚體平均當量直徑越大土壤越穩(wěn)定，土壤抗侵蝕性越強[37-38]。圖3為土壤水穩(wěn)性團聚體平均當量直徑隨降雨歷時的變化趨勢。原狀土平均當量直徑為0.151 9 mm，結構性結皮、過渡帶土壤水穩(wěn)性團聚體平均當量直徑隨降雨時間的延長呈現(xiàn)增大的趨勢；而沉積性結皮則隨降雨時間的延長平均當量直徑略有降低。30 min雨滴打擊作用下，結構性結皮的平均當量直徑為0.240 9 mm，過渡帶為0.223 0 mm，沉積性結皮為0.126 9 mm。土壤水穩(wěn)性團聚體的平均當量直徑大小變化為：結構性結皮土壤水穩(wěn)性團聚體的平均當量直徑最大，其次為過渡帶、原狀土，沉積性結皮最小。

2.2.3降雨歷時對結皮土壤水穩(wěn)性團聚體幾何平均直徑的影響

土壤水穩(wěn)性團聚體幾何平均直徑越大土壤越穩(wěn)定，土壤抗侵蝕性越強[39]。圖4為土壤水穩(wěn)性團聚體幾何平均直徑隨降雨歷時的變化趨勢。由圖4可知，原狀土團聚體幾何平均直徑為0.16 mm，結構性結皮、過渡帶土壤水穩(wěn)性團聚體幾何平均直徑隨降雨時間的延長而呈現(xiàn)出增大的趨勢，在30 min降雨打擊下，結構性結皮、過渡帶土壤水穩(wěn)性團聚體幾何平均直徑分別增長為0.31 mm和0.30 mm；而沉積性結皮土壤水穩(wěn)性團聚體幾何平均直徑隨降雨時間的延長略有減少，30 min降雨后降低為0.14 mm。土壤水穩(wěn)性團聚體的幾何平均直徑的大小變化為：結構性結皮最大，其次為過渡帶、原狀土，沉積性結皮最小。

圖4 不同降雨時間下土壤水穩(wěn)性團聚體幾何平均直徑

圖5 不同降雨時間下土壤水穩(wěn)性團聚體分形維數(shù)

2.2.4降雨歷時對結皮土壤水穩(wěn)性團聚體分形維數(shù)（）的影響

土壤水穩(wěn)性團聚體的分形維數(shù)越小，土壤的穩(wěn)定性越好[40]。圖5為土壤水穩(wěn)性團聚體分形維數(shù)隨降雨歷時的變化趨勢。由圖5可知，所測原狀土分形維數(shù)為降雨歷時0 min的數(shù)據(jù)，原狀土的分形維數(shù)為2.725，結構性結皮、過渡帶土壤的分形維數(shù)隨降雨歷時的增加而呈現(xiàn)減少的趨勢，在30 min降雨作用下，分別降到2.52和2.54；而沉積性結皮的分形維數(shù)略有增加，在30 min降雨作用下，增長到2.75。土壤水穩(wěn)性團聚體分形維數(shù)的大小變化為：沉積性結皮水穩(wěn)性團聚體分形維數(shù)最大，其次為過渡帶、原狀土，結構性結皮最小。

3 討論

1）受微地形影響，降雨打擊搬運能力的差異使得土壤結皮性質呈現(xiàn)不同，一般而言隆起位置的細小顆粒被帶走，使得結構性結皮土壤水穩(wěn)性團聚體中細顆粒偏少；而在低洼部位細小顆粒的堆積則使沉積性結皮土壤水穩(wěn)性團聚體中細顆粒偏多。

2）雨滴打擊作用下，土壤水穩(wěn)性團聚體中，大團聚體部分遭到破壞，小團聚體富集，這些研究結果與付玉等[11]的研究結果相同，在坡面微地形條件下，降雨作用除了打擊搬運作用之外，還受到沉積作用的影響，使得土壤水穩(wěn)性團聚體分布在空間上表現(xiàn)出了較大差異。

3）土壤水穩(wěn)性團聚體的分形維數(shù)值越大，團聚體的分散度越大，土壤結構穩(wěn)定性越差。沉積性結皮的分形維數(shù)最大，說明在沉積過程中有細顆粒的帶入。吳承禎等[41]研究得出的團粒結構越好、結構越穩(wěn)定，則土壤分形維數(shù)值越小，結構性結皮的土壤分形維數(shù)值小于原狀土，說明其穩(wěn)定性逐漸增強，抗侵蝕能力有了一定提高；沉積性結皮穩(wěn)定性減弱，抗侵蝕能力降低。

4）影響土壤水穩(wěn)性團聚體的因素較多，除了本文研究的結皮影響之外，還受土壤有機質、植被覆蓋、土地利用方式、管理措施、氣候條件等的影響[42]，本研究僅限于對楊凌塿土的研究，所以試驗結果不可應用到其他土壤中；試驗采用的雨強只有100 mm/h，還有待于對其他雨強做進一步的對比分析；研究土壤初始處于干燥狀態(tài)，土壤初始含水量的大小是否對結論有影響還需進一步試驗分析。

4 結論

1）雨滴擊打和徑流搬運作用下，土壤表層顆粒被分散沖刷，結構性結皮中與土壤穩(wěn)定性相關的>0.25 mm粒級的水穩(wěn)性大團聚體占全部粒徑團聚體的41.95%，高于沉積結皮、過渡帶和原狀土，<0.053 mm粒級的微團聚體占比為19.8%，低于沉積結皮、過渡帶和原狀土。

2）結構性結皮、過渡帶土壤水穩(wěn)性大團聚體隨降雨歷時呈現(xiàn)出增多的趨勢，30 min降雨作用下，結構性結皮水穩(wěn)性大團聚體由原狀土的37.69%增加到55.96%，而沉積性結皮土壤水穩(wěn)性大團聚體則隨降雨時間的延長略有降低。

3）降雨打擊作用使大團聚體分散并發(fā)生運移，在微地形低洼處沉積聚集，從而使微地形不同位置的結皮類型有所差異，因此土壤水穩(wěn)性團聚體組成也存在一定的差異性。此現(xiàn)象造成結皮土壤水穩(wěn)性團聚體的平均當量直徑、幾何平均直徑以及分形維數(shù)的變化。在地勢低洼處的沉積性結皮土壤水穩(wěn)性團聚體的平均當量直徑與幾何平均直徑明顯小于結構性結皮以及過渡帶結皮，而分形維數(shù)要大于二者。

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Effect of Rainfall on Water Stability Aggregates of Crust Soil on Slope Surface

CHEN Lin1, WANG Jian1*, SONG Pengshuai1, ZHAO Yu1, MA Yuhong2

(1.Institute of Soil and Water Conservation, Northwest A&F University, Yangling 712100, China; 2.Xi’an Water Conservancy and Soil Conservation General Station, Xi’an 710000, China)

【】The purpose of this paper is to explore the difference of aggregate distribution and soil erosion resistance in the surficial soil crusts under micro-terrain.【】Some experiments were conducted. Artificial rainfall simulation was used to study the change of water-stable aggregates in crust soil under the impact of rainfall.Influenced by micro-topography, surface crust properties show differences.The water-stable aggregates of surface crust soils at different locations on slopes were studied, and the soil samples without crust at the bottom were taken as controls.Study on the Change of Soil Aggregates in Different Crust Types by Yoder Wet Screening Method. 【】Under the impact of rainfall, taking 5 minutes of rainfall as an example, crusts at different locations ①Soil water-stable aggregates are characterized by large aggregates proportion.Structural crust contains the largest aggregates, followed by transitional zone and undisturbed soil, and sedimentary crust is the smallest.The proportion of macroaggregates in undisturbed soil, structural crust, transitional zone and sedimentary crust were 37.69%, 41.95%, 37.05% and 28.93% respectively.With the continuation of rainfall, soil macroaggregates in structural crusts and transitional zones increased significantly, while those in sedimentary crusts decreased slightly. ②Average equivalent diameter and geometric average diameter of soil water-stable aggregates vary greatly.The average equivalent diameters of undisturbed soil, structural crust, transitional zone and sedimentary crust are 0.15, 0.19, 0.17 and 0.12 mm, respectively.The geometric average diameters are 0.16, 0.21, 0.19 and 0.14 mm, respectively.The average equivalent diameter and geometric average diameter of water-stable aggregates in structured crust soil are the largest, followed by transition zone and undisturbed soil, and sedimentary crust is the smallest. ③The fractal dimensionof soil water-stable aggregates is different, but the difference is not significant.The fractal dimensionsof water-stable aggregates in undisturbed soil, structural crust, transitional zone and sedimentary crust are 2.725, 2.705, 2.725 and 2.737, respectively.The fractal dimension of water-stable aggregates in sedimentary crusts is the largest, followed by transitional zone and undisturbed soil, and structural crusts are the smallest.【】Rainfall strikes disperse large aggregates and enrich small aggregates in the soil surface.The higher the content of macroaggregates, the more stable the soil structure, the stronger the anti-erosion ability; on the contrary, the weaker the anti-erosion ability.

soil aggregates; wet screening method; crust; rainfall duration

A

10.13522/j.cnki.ggps.2019028

1672 - 3317（2020）01 - 0098 - 08

2019-04-22

國家自然科學基金項目（41771308，41371273）

陳琳（1996-），女。碩士研究生，主要從事土壤侵蝕方面研究。E-mail：ccchen_lin@163.com

王?。?973-），男。教授，博士生導師，主要從事土壤侵蝕與流域管理方面研究。E-mail：wangjian@nwsuaf.edu.cn

陳琳, 王健, 宋鵬帥, 等. 降雨對坡耕地地表結皮土壤水穩(wěn)性團聚體變化研究[J]. 灌溉排水學報, 2020, 39(1):98-105.

CHEN Lin,WANG Jian,SONG Pengshuai, et al. Effect of rainfall on water stability aggregates of crust soil on slope surface [J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2020, 39(1): 98-105.

責任編輯：趙宇龍