陳鳳 潘政 翟亞明 張帥

［關(guān)鍵詞］ 土壤侵蝕；侵蝕性降水；坡度；徑流小區(qū)；土壤理化性質(zhì)

［摘 要］ 土壤侵蝕是全球性環(huán)境災(zāi)害之一，嚴(yán)重影響土地利用效率。基于野外徑流小區(qū)觀測(cè)和室內(nèi)試驗(yàn)分析，研究不同坡度條件下土壤侵蝕對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響。結(jié)果表明：①侵蝕性降水占所有降水比例較低，但貢獻(xiàn)了大部分降水量，約32.84%的侵蝕性降水貢獻(xiàn)了76.52%的降水量；侵蝕性降水場(chǎng)數(shù)和降水量呈季節(jié)性波動(dòng)，高峰期集中在1月和6—9月。②坡度是影響土壤侵蝕的關(guān)鍵因素之一，土壤侵蝕模數(shù)與坡度呈正相關(guān)，坡度較大的小區(qū)出現(xiàn)土體崩塌，底部土壤流失量明顯大于頂部，其中E、F、G小區(qū)為輕度侵蝕區(qū)，A、B、C小區(qū)為劇烈侵蝕區(qū)。③坡度對(duì)土壤理化性質(zhì)有不同程度的影響，土壤機(jī)械組成表現(xiàn)為黏粒占比變化較小，坡度較大小區(qū)易被沖刷；坡度較大時(shí)，粉粒受水力侵蝕影響更大，更容易發(fā)生水土流失；土壤體積含水率波動(dòng)幅度與坡度呈正相關(guān)，土壤保水性能與坡度呈負(fù)相關(guān)，坡面土壤含水率大小基本符合底部＞中部＞頂部的規(guī)律；土壤含鹽量的變化較為復(fù)雜，需進(jìn)一步研究。

［中圖分類號(hào)］ S157[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] ADOI：10.3969/j.issn.1000-0941.2024.03.014

［引用格式］ 陳鳳，潘政，翟亞明，等.不同坡度下侵蝕性降水對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響[J].中國(guó)水土保持，2024（3）：55-60.

土壤侵蝕是全球性的環(huán)境災(zāi)害之一，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者和專家對(duì)土壤侵蝕及其影響因子進(jìn)行了大量、廣泛而較深入的觀測(cè)和研究^[1-5]。土壤侵蝕是導(dǎo)致土壤理化性質(zhì)退化的主要驅(qū)動(dòng)力之一，在短期內(nèi)會(huì)造成土壤水分的損失，長(zhǎng)期會(huì)造成土壤水分有效性的降低，進(jìn)而增加農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的土壤干旱程度^[6-8]。土壤侵蝕還會(huì)改變其他土壤理化性質(zhì)，例如土壤顆粒組成、密度、團(tuán)聚體分布和飽和導(dǎo)水率等^[9-11]。土壤侵蝕是多種自然因素與社會(huì)因素共同作用的結(jié)果，降水則是自然因素中導(dǎo)致土壤侵蝕的主要?jiǎng)恿?。游微?sup>[12]認(rèn)為粗質(zhì)地土壤前期含水量和坡度顯著影響坡地土壤侵蝕過(guò)程和總量。蔣芳市等^[13]認(rèn)為隨著雨強(qiáng)和坡度的增大，泥沙粗顆粒含量及粗顆粒的富集率均增加。張華等^[14]認(rèn)為土壤侵蝕強(qiáng)度與坡度、降水量和雨強(qiáng)均呈正相關(guān)。這些研究從不同角度探究了土壤理化性質(zhì)、土壤侵蝕和降水之間的關(guān)系，但涉及坡度的研究并不多。本研究利用野外徑流小區(qū)試驗(yàn)，分析不同坡度下侵蝕性降水對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響，探究徑流小區(qū)坡面侵蝕過(guò)程中土壤理化性質(zhì)的變化過(guò)程，以期為揭示不同坡面土壤侵蝕機(jī)理提供參考。

1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)位于江蘇省鹽城市東臺(tái)市沿海新圍墾區(qū)。東臺(tái)市位于江蘇省中部沿海地區(qū)、鹽城市南部，地理位置為120°07′～120°53′E、32°33′～32°57′N，境內(nèi)主要地區(qū)的海拔為2.6～4.6 m。該地區(qū)地處北亞熱帶，氣候特點(diǎn)為雨熱同期，年降水量充沛，但年內(nèi)分布不均，主要集中在5—9月。東臺(tái)市的海岸帶屬于粉沙淤泥質(zhì)海岸，擁有悠久的圍墾歷史。海岸線全長(zhǎng)85 km，擁有豐富的泥沙來(lái)源，沿海灘涂面積為1 040 km²，占江蘇省灘涂資源總面積的22%。該地區(qū)的灘涂資源仍以每年4.0～6.7 km²的速度向海域淤積擴(kuò)展^[15]。

2 研究方法

2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在試驗(yàn)區(qū)共設(shè)置7個(gè)徑流小區(qū)，包括3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)小區(qū)和4個(gè)微型小區(qū)。根據(jù)《水土保持試驗(yàn)規(guī)程》（SL 419—2007）及徑流小區(qū)試驗(yàn)研究^[16-22]，坡度分別設(shè)置為45.0°、35.0°、26.5°、15.0°、5.0°、2.0°、1.0°，均為撂荒地^[23-24]。為方便記錄，依次記錄為A、B、C、D、E、F、G區(qū)。同時(shí)，在各徑流小區(qū)四周砌筑楔形保護(hù)墻，防止客水對(duì)試驗(yàn)產(chǎn)生影響；在各徑流小區(qū)底部設(shè)置集流槽，通向采集槽，方便在集水池中收集徑流及泥沙。其中A、B、C、D區(qū)的采集槽體積均為0.7 m³（1.0 m×1.0 m×0.7 m），E、F、G區(qū)采集槽體積為7.2 m³（2.0 m×2.0 m×1.8 m）。集水池下端設(shè)有排水閥，便于測(cè)后排水。徑流小區(qū)布置見(jiàn)圖1。

2.2 試驗(yàn)方法

1）次降水的劃分依據(jù)。降水間隔時(shí)間超過(guò)6 h或連續(xù)6 h降水量不足1.2 mm的降水情況，視為兩次降水事件，否則看作一次降水事件。在所有次降水中，只有部分降水會(huì)導(dǎo)致地表徑流的產(chǎn)生，進(jìn)而引起土壤流失，這部分降水稱為侵蝕性降水。通常將發(fā)生土壤侵蝕和不發(fā)生土壤侵蝕現(xiàn)象的臨界雨強(qiáng)稱為侵蝕性降水標(biāo)準(zhǔn)。本研究采用次降水量達(dá)到10.8 mm或者最大30 min雨強(qiáng)達(dá)到7.6 mm/h作為試驗(yàn)區(qū)發(fā)生土壤侵蝕的臨界雨強(qiáng)^[25-28]。

2）土壤含水率的測(cè)定。使用TDR土壤水分測(cè)定儀，在一個(gè)徑流小區(qū)內(nèi)共測(cè)定9個(gè)土壤含水率數(shù)據(jù)，取其平均值作為該徑流小區(qū)的土壤含水率測(cè)定結(jié)果。每周至少測(cè)定1次，降水事件后進(jìn)行加測(cè)。

3）土壤含鹽量測(cè)定。使用Procheck含鹽量測(cè)定儀現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定土壤含鹽量，每個(gè)徑流小區(qū)測(cè)定9個(gè)土壤含鹽量數(shù)據(jù)，取其平均值作為該徑流小區(qū)的土壤含鹽量測(cè)定結(jié)果。每周測(cè)定1次，降水事件后加測(cè)。

4）土壤顆粒級(jí)配分析。使用馬爾文MS3000型激光粒度儀測(cè)定，隨機(jī)在小區(qū)頂部、中部和底部各選擇1個(gè)位置采集土樣，充分混合土樣后，在試驗(yàn)室測(cè)定3次該土樣的顆粒級(jí)配，取其平均值作為測(cè)定結(jié)果。試驗(yàn)初期、末期各測(cè)1次。

5）泥沙流失量測(cè)定。在各小區(qū)集水池內(nèi)水流即將滿溢時(shí)，取出集水池內(nèi)的泥沙，自然風(fēng)干并稱量。

3 結(jié)果與分析

3.1 研究區(qū)侵蝕性降水特征分析

對(duì)2019年?yáng)|臺(tái)市降水量資料進(jìn)行篩選，結(jié)果見(jiàn)表1。由表1可知，2019年共計(jì)67場(chǎng)降水，其中侵蝕性降水22場(chǎng)，占比32.84%，侵蝕性降水量為440.2 mm，占全年降水量的76.52%，說(shuō)明侵蝕性降水場(chǎng)數(shù)占比較小，但對(duì)降水量貢獻(xiàn)極大。侵蝕性降水年內(nèi)分布特征見(jiàn)圖2。侵蝕性降水場(chǎng)數(shù)在不同月份之間存在差異，月均侵蝕性降水場(chǎng)數(shù)為1.8場(chǎng)，總體上呈現(xiàn)出一定的季節(jié)性波動(dòng)。侵蝕性降水量也在不同月份之間呈現(xiàn)波動(dòng)變化，月平均侵蝕性降水量為36.7 mm。其中：1月為60.5 mm；2—5月侵蝕性降水量較小，范圍為0～14.5 mm；6—9月侵蝕性降水量增大，其中8月的侵蝕性降水量最大，為150.0 mm；10—11月侵蝕性降水量減小，12月略微上升至26.0 mm。

總體上，侵蝕性降水量呈現(xiàn)季節(jié)性波動(dòng)，高峰期集中在1月和6—9月。

3.2 不同坡度小區(qū)土壤侵蝕情況分析

通過(guò)計(jì)算，各個(gè)徑流小區(qū)的土壤侵蝕模數(shù)見(jiàn)表2。由表2可知，坡度較大的小區(qū)（A、B、C區(qū)）的土壤侵蝕模數(shù)明顯大于坡度較小的小區(qū)（D、E、F、G區(qū)），且土壤侵蝕模數(shù)與坡度呈正相關(guān)，說(shuō)明較大的坡度會(huì)導(dǎo)致更嚴(yán)重的土壤侵蝕。由前人研究可知^[29-30]，通常使用坡面徑流流速來(lái)表示徑流的挾沙能力。不同坡度下徑流流速不同，較大的坡度會(huì)增加徑流速度，水流對(duì)土壤的沖刷力更強(qiáng)，土壤更易被侵蝕和剝離。不同坡度徑流小區(qū)土壤侵蝕情況見(jiàn)圖3。

觀察不同小區(qū)侵蝕情況，A區(qū)和B區(qū)的坡腳出現(xiàn)土體崩塌現(xiàn)象，在同一水平高度的土壤流失量分布并不均勻；C、D、E、F、G區(qū)的土坡坡腳未出現(xiàn)崩塌現(xiàn)象，土體坡面仍大致是一個(gè)平面，但坡腳位置明顯向內(nèi)收，底部的土壤流失量明顯大于頂部，其中C區(qū)因徑流而形成侵蝕水道，在各個(gè)徑流小區(qū)中，僅C區(qū)出現(xiàn)了因徑流沖刷形成的侵蝕水道，其坡腳位置較其他小區(qū)的坡腳位置更加靠后，具體形成原因需作進(jìn)一步研究。

對(duì)照土壤侵蝕強(qiáng)度劃分標(biāo)準(zhǔn)，E、F、G區(qū)試驗(yàn)期內(nèi)土壤侵蝕模數(shù)小于2.50 kg/m²，為輕度侵蝕區(qū)；D區(qū)試驗(yàn)期內(nèi)土壤侵蝕模數(shù)大于8 kg/m²且小于15 kg/m²，為極強(qiáng)烈侵蝕區(qū)；A、B、C區(qū)試驗(yàn)期內(nèi)土壤侵蝕模數(shù)大于15 kg/m²，為劇烈侵蝕區(qū)。

3.3 坡度對(duì)土壤機(jī)械組成的影響

不同坡度下坡面降水、徑流強(qiáng)度不同，因此試驗(yàn)?zāi)┢谙啾瘸跗谕寥罊C(jī)械組成在不同坡度下的分布特征不同，見(jiàn)表3和圖4。在A區(qū)和B區(qū)，土壤中的黏粒占比呈現(xiàn)明顯減小趨勢(shì)；相比之下，C、D、E、F、G區(qū)的黏粒占比略有增大或基本保持穩(wěn)定。A區(qū)粉粒的占比減小，其余小區(qū)均呈增大趨勢(shì)。A區(qū)砂粒占比呈增大趨勢(shì)，而其余小區(qū)均呈減小趨勢(shì)。這表明坡度較小時(shí)，由于黏粒的比表面積較大，有很強(qiáng)的黏著性，因此侵蝕過(guò)程對(duì)黏粒起的分選作用很小，而砂粒因自身質(zhì)量較大，更容易在重力作用下沿坡面發(fā)生較長(zhǎng)距離的遷移，導(dǎo)致土壤中砂粒含量減少；但在較大的坡度下，徑流量和流速增大，對(duì)較小的顆粒影響更大，使得黏粒和粉粒更容易被沖刷，從而導(dǎo)致黏粒和粉粒的占比減少，而較大、較重的砂粒在坡面上留存的可能性更大。盡管砂粒也會(huì)沿坡面發(fā)生一定程度的遷移，但相對(duì)于更輕的顆粒在沖刷過(guò)程中更可能留存，導(dǎo)致A區(qū)的黏粒和粉粒占比減小，砂粒占比相對(duì)增加，而相較于黏粒，粉粒的粒徑更小，所以比例減小更為明顯，說(shuō)明大坡度下粉粒受水力侵蝕影響更大，更容易發(fā)生流失。

3.4 坡度與降水量對(duì)土壤含水率的影響

選擇汛期（5—10月）共17場(chǎng)降水事件進(jìn)行降水對(duì)土壤含水率和含鹽量影響的研究，小區(qū)土壤體積含水率變化見(jiàn)圖5。觀察降水事件和土壤體積含水率之間的關(guān)系，當(dāng)降水量較大時(shí)，各個(gè)徑流小區(qū)的土壤體積含水率普遍增大，降水量較大的日期（如6月7日、6月27日、7月7日、8月13日和8月31日）通常伴隨著土壤體積含水率增大。觀察坡度和土壤體積含水率之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)坡度較大的小區(qū)（如A區(qū)和B區(qū)）土壤體積含水率波動(dòng)幅度較大，而坡度較小的小區(qū)（如F區(qū)和G區(qū)）土壤體積含水率變化相對(duì)平緩。這表明坡度較大的區(qū)域容易發(fā)生徑流和土壤侵蝕，水分較快地流失或排泄，導(dǎo)致土壤體積含水率的變化更加劇烈。坡度為1.0°的G區(qū)中土壤含水率普遍大于其余各區(qū)，而坡度為45.0°的A區(qū)中土壤含水率普遍小于其余各區(qū)。說(shuō)明在相同的土壤和氣候條件下，G區(qū)能留存更多的水分，其土壤保水性最好，而A區(qū)土壤保水性最差。

具體分析各小區(qū)不同位置的含水率關(guān)系，以F區(qū)為例。將F區(qū)土壤含水率測(cè)定結(jié)果按測(cè)點(diǎn)所在高度進(jìn)行分類，比較頂部、中部、底部的含水率情況（見(jiàn)圖6）。

由圖6可知，在試驗(yàn)期間，F(xiàn)區(qū)的土壤含水率整體呈現(xiàn)波動(dòng)變化趨勢(shì)，受降水量的影響較大。在降水量較大的日期，如6月7日、6月27日和8月13日，底部的土壤含水率和中部、頂部大致相同，隨著觀測(cè)時(shí)間的推移，土壤含水率的大小基本符合底部＞中部＞頂部的規(guī)律。說(shuō)明在降水情況下，土壤各部分的土壤含水量趨于飽和，含水率大致相同，但在連續(xù)的干燥天氣下，水分受重力作用自然下滲，導(dǎo)致中部和底部含水率偏高。

3.5 坡度與降水量對(duì)土壤含鹽量的影響

各徑流小區(qū)土壤含鹽量變化見(jiàn)圖7。通過(guò)對(duì)比土壤含鹽量和降水量數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，降水量較大的日期往往伴隨著土壤含鹽量的減小，尤其是大雨事件后。原因是降水可以沖刷土壤表層的鹽分，使其被稀釋或進(jìn)入地下，產(chǎn)生淋鹽現(xiàn)象。6月7—27日降水量較少且處于夏季，土壤中水分大量蒸發(fā)，土壤深層的鹽分溶于水后因毛細(xì)管作用聚集在地表，產(chǎn)生返鹽現(xiàn)象，導(dǎo)致土壤含鹽量增大，而其對(duì)坡度變化的敏感性較弱，具體變化特征需作進(jìn)一步研究。

4 結(jié)論

1）侵蝕性降水場(chǎng)數(shù)在所有降水中占比較低，但對(duì)降水量貢獻(xiàn)極大。占比32.84%的侵蝕性降水貢獻(xiàn)了76.52%的降水量。侵蝕性降水場(chǎng)數(shù)與侵蝕性降水量均呈現(xiàn)出季節(jié)性波動(dòng)，高峰期集中在1月和6—9月。

2）坡度是影響土壤侵蝕的關(guān)鍵因素之一，土壤侵蝕模數(shù)與坡度呈正相關(guān)，說(shuō)明較大的坡度會(huì)導(dǎo)致更嚴(yán)重的土壤侵蝕情況，增加水土流失的風(fēng)險(xiǎn)。坡度較高時(shí)（A區(qū)和B區(qū)），坡腳出現(xiàn)土體崩塌現(xiàn)象，且底部的土壤流失量明顯大于頂部。在各個(gè)徑流小區(qū)中，僅C區(qū)出現(xiàn)了因徑流沖刷形成的侵蝕水道，其坡腳位置較其他小區(qū)的坡腳位置更加靠后。對(duì)照土壤侵蝕強(qiáng)度劃分標(biāo)準(zhǔn)，E、F、G區(qū)為輕度侵蝕區(qū)，D區(qū)為極強(qiáng)烈侵蝕區(qū)，A、B、C區(qū)為劇烈侵蝕區(qū)。

3）坡度對(duì)土壤理化性質(zhì)均有不同程度的影響。土壤機(jī)械組成的變化特征主要表現(xiàn)為：黏粒的占比變化較小，坡度較小時(shí)其占比略微增大，坡度較大時(shí)黏粒更容易被沖刷；在大坡度下，粉粒受水力侵蝕影響大，更容易發(fā)生流失。土壤體積含水率和土壤保水性的變化特征主要表現(xiàn)為：土壤體積含水率波動(dòng)幅度與坡度呈正相關(guān)，土壤保水性與坡度呈負(fù)相關(guān)，坡度越大，體積含水率波動(dòng)幅度越大，土壤保水性則較差；同一坡度下，土壤含水率的大小基本符合底部＞中部＞頂部的規(guī)律。土壤含鹽量的變化特征主要表現(xiàn)為：在降水量較大的日期往往伴隨著土壤含鹽量的下降。土壤含鹽量在不同坡度下的變化特征更加復(fù)雜，需進(jìn)一步進(jìn)行研究。

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收稿日期： 2023-11-22

基金項(xiàng)目： 江蘇省水利科學(xué)研究院自主科研經(jīng)費(fèi)專項(xiàng)資金項(xiàng)目（2022z019）;江蘇省水利科技項(xiàng)目（2018048）；國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（31400617，52309044）

第一作者： 陳鳳（1980—），女，江蘇南京人，高級(jí)工程師，碩士，主要從事水土資源高效利用與保護(hù)方面研究工作。

通信作者： 翟亞明（1982—），男，江蘇南京人，副教授，博士，主要從事水土資源規(guī)劃、高效灌排理論與技術(shù)研究工作。

E-mail： hearoalt@163.com

（責(zé)任編輯 楊傲秋）