東北黑土區(qū)片蝕和溝蝕對土壤團聚體流失的影響

姜義亮，鄭粉莉，2，* ，王 彬，溫磊磊，沈海鷗，易 祎

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

據(jù)《中國水土流失防治與生態(tài)安全》調(diào)查顯示［1］，近年來黑土區(qū)坡耕地土壤侵蝕嚴重，水土流失嚴重區(qū)表層黑土每年以0.3—1 cm的速度遞減，平均土層厚度已由20世紀50年代的60—70 cm下降至目前的20—30 cm。再者溝蝕也是黑土區(qū)主要侵蝕方式之一，據(jù)典型區(qū)侵蝕溝調(diào)查的結(jié)果，東北黑土區(qū)有侵蝕溝25萬余條，吞沒耕地面積達48.3萬 hm2［2－3］。劉興土和閻百興［4］的研究結(jié)果表明，黑土區(qū)坡耕地水土流失導致的糧食減產(chǎn)和侵蝕溝導致的糧食損失總量達108億kg/a左右。因此，黑土區(qū)土壤侵蝕對耕地資源和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要影響。

已有研究表明地表徑流及侵蝕過程與土壤團聚體的破壞和流失之間存在密切關(guān)系［5－8］。Ellison［9］研究認為結(jié)皮形成后，土壤團聚體分裂成許多小顆粒并在土表遷移，從而造成土壤侵蝕。Larionov等［10］發(fā)現(xiàn)粟鈣土團聚體在薄層水流中的變化可分為大團聚體破壞為微團聚體和團聚體完全剝蝕兩個階段。周一楊等［11］在研究黑土濺蝕過程中發(fā)現(xiàn)降雨對流失團聚體分布范圍具有選擇性，并提出大粒級團聚體流失存在滯后性。與國內(nèi)外已有的研究成果相比，目前有關(guān)黑土區(qū)土壤侵蝕機理研究，尤其是溝蝕機理研究還相對薄弱，有關(guān)片蝕和溝蝕對土壤團聚體破碎和流失的對比研究鮮見報道。為此，本研究采用人工模擬降雨的方法，通過設(shè)計相同試驗條件(降雨、坡度、地表處理等)，分析片蝕和溝蝕的特征差異，對比研究黑土區(qū)坡耕地片蝕和溝蝕對土壤團聚體破碎和流失的影響，以期為我國寶貴黑土資源的可持續(xù)利用提供重要科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗裝置與材料

試驗于2011年8月在黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點實驗室人工模擬降雨大廳進行。降雨設(shè)備為側(cè)噴式人工降雨裝置，降雨高度16 m，雨滴直徑和雨滴分布與天然降雨相似。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(jīng)126°11'47″)的0—20 cm耕層土。該區(qū)地貌類型以剝蝕堆積地貌為主，地面坡度變化于3°—10°，其中3°—7°的坡地面積占研究區(qū)總面積的92%;土壤類型為黑土，其母質(zhì)為亞粘狀黃土，土壤基本理化性質(zhì)見表1。

1.2 試驗設(shè)計

試驗土槽規(guī)格為8 m(長)×3 m(寬)×0.6 m(深)，中間用PVC板分隔為兩個8 m×1.5 m的徑流小區(qū)，試驗土槽底部每隔0.2 m(長)和0.5 m(寬)處設(shè)計直徑為5 cm的排水口以保證試驗土槽在試驗過程排水良好。試驗土槽填土時，用紗布填充排水口后，在土槽底部鋪設(shè)2 cm的細沙保證試驗土槽良好的透水性。為了模擬農(nóng)耕地田間條件(耕層和犁底層)和保證填土的均勻性，在試驗土槽填土時，細沙之上采用分層(每層5 cm)填土填充試驗土槽，其中，細沙層以上按容重為1.30 g/cm3填充10 cm的粘黃土和10 cm的黑土模擬犁底層，其上按容重為1.20 g/cm3填充20 cm的黑土模擬耕層。另外，每層土填充結(jié)束后，用2 cm深的土耙將表面耙磨形成一定的粗糙度使上層和下層形成很好的粘接。

表1 供試土壤基本性質(zhì)Table 1 Soil properties of the test soil

試驗設(shè)計包括無雛型溝(片蝕)和有雛型溝(溝蝕)兩種處理。片蝕試驗的土槽處理是每次試驗前翻耕表層20 cm土層(相當于當?shù)剞r(nóng)耕地耕作深度)，翻耕完畢后自然沉降2 d，后將黑土表面耙平，以此模擬當?shù)剞r(nóng)耕地狀況(圖1)。經(jīng)實地測定并參引相關(guān)文獻［1，12］，以南城子屯典型坡耕地的大型切溝為例，按照切溝體積1∶100的比例，在試驗土槽中部，坡長5—7 m處，制作溝深和溝寬各為0.1 m的侵蝕溝雛型(圖2)作為溝蝕試驗土槽。

圖1 片蝕試驗處理(無雛型溝)Fig.1 Sheet erosion experimental treatment

圖2 溝蝕試驗處理(有雛型溝)Fig.2 Gully erosion experimental treatment

引起我國東北黑土區(qū)土壤流失的主要降雨類型為短歷時高強度降雨(降雨歷時1 h左右)，其中，頻次較高的瞬時雨強標準為0.71 mm/min［13－14］。結(jié)合此標準及試驗實際情況，本試驗設(shè)計50 mm/h和100 mm/h(分別為0.83 mm/min和1.67 mm/min)兩個降雨強度，一個坡度(10°)，試驗重復2次。試驗設(shè)計見表2。

表2 試驗設(shè)計Table 2 Design of experimental treatments

1.3 試驗步驟

試驗開始前，為保持下墊面前期土壤含水量一致，采用25 mm/h降雨強度進行預降雨，直至坡面出現(xiàn)徑流流路且集流口有連續(xù)水流出現(xiàn)。預降雨結(jié)束后，用塑料布將試驗土槽遮蓋好，靜置24 h，使水分自由下滲接近自然狀態(tài)的土壤水分分布狀況，以保證每次降雨試驗時試驗土槽的土壤水分狀況一致;測定資料也表明，各次試驗前土槽0—20 cm表層的土壤含水量基本一致，其變化在28.6%—29.7%。為確保降雨強度的準確度，每次正式試驗前對設(shè)計的雨強進行測定，當實測強度與目標強度的差值小于5.0%時，方可進行試驗。

在降雨試驗過程中，當坡面產(chǎn)流后，用5 L塑料桶每隔5 min采集徑流泥沙樣，采樣時間在50 mm/h降雨強度下為30 s，在100 mm/h降雨強度下為20 s。團聚體樣品的采集是將實驗過程中獲取的徑流泥沙樣直接通過5、2、1、0.5和0.25 mm的套篩進行篩分獲得，篩分的各粒級泥沙轉(zhuǎn)移到鋁盒中，室溫風干并稱重。

1.4 數(shù)據(jù)處理

應用Excel 2003、DPS和SPSS13.0進行數(shù)據(jù)處理與分析，并繪制圖表。用Duncan法進行多重比較。

團聚體穩(wěn)定性一般采用平均重量直徑(MWD)［15］和幾何平均直徑(GMD)［16］表示，MWD和GMD值越大，說明土壤團聚體的穩(wěn)定性越強，即土壤抗侵蝕能力越強，其計算式為:

式中，xi為篩分的任一粒級團聚體平均直徑(mm);yi為對應粒級的團聚體重量占樣品重量的比率(%);wi是平均直徑為xi的團聚體重量(g)。

2 結(jié)果與分析

2.1 片蝕和溝蝕下徑流量和侵蝕量的對比

由表3可知，在前期試驗條件和相同降雨強度下，片蝕和溝蝕兩種試驗處理的總徑流量差異不顯著。溝蝕為主試驗處理下的總侵蝕量顯著大于片蝕。其中，在50 mm/h降雨強度下，溝蝕為主試驗處理下的侵蝕量約為片蝕的1.42倍;在100 mm/h降雨強度下，溝蝕為主試驗處理下的侵蝕量約為片蝕的3.51倍。這是因為片蝕的侵蝕動力來自雨滴和薄層水流對土壤的分散和輸移作用［17］，而當坡面發(fā)生溝蝕時，除了侵蝕溝兩側(cè)發(fā)生片蝕外，還有侵蝕溝內(nèi)形成的股流對溝壁、溝底、溝頭的土壤產(chǎn)生分散、沖刷和搬運的作用，因而溝蝕試驗處理下的侵蝕量明顯大于片蝕試驗處理下的侵蝕量。

表3 片蝕和溝蝕試驗處理下的總徑流量和總侵蝕量Table 3 The runoff and soil loss from two treatments of sheet erosion and gully erosion

當降雨強度由50 mm/h增加到100 mm/h時，片蝕和溝蝕兩種侵蝕方式處理下的總徑流量均增加1.40倍左右，而片蝕試驗處理下的總侵蝕量增加了6.08倍左右，以溝蝕為主試驗處理下的總侵蝕量增加了16.57倍左右。由上述結(jié)果可知，隨著降雨強度的增加，雖然兩種侵蝕方式下的總徑流量的增加量大致相等，但溝蝕為主試驗處理下的侵蝕量增加值顯著大于片蝕。說明隨著降雨強度的增大，雨滴打擊作用增加，水流紊動作用加強，使徑流分散作用和輸移作用增強。而坡面有溝蝕存在時，隨著降雨強度的增加，侵蝕溝內(nèi)股流的流速增加，致使股流的剝蝕作用和搬運能力增強，進而導致坡央侵蝕量急劇增加。此外，對于富含有機質(zhì)的黑土，其土壤團聚含量較高，在較小降雨強度時，雨滴打擊對土壤濺蝕作用較小，其徑流對團粒結(jié)構(gòu)的搬運及破壞作用也較小;而隨著降雨強度的增加，雨滴打擊拆分土壤團聚體的作用增強，從而使這些分散的土壤顆粒更容易被徑流沖刷和搬運，導致坡面侵蝕量增加。

2.2 片蝕和溝蝕下土壤團聚體的流失特征

這里將土壤團聚體劃分為大團聚體(≥0.25 mm)和微團聚體(＜0.25 mm)［18］，比較片蝕和溝蝕兩種不同侵蝕方式下，侵蝕泥沙中團聚體流失的差異性。由表4可見，在50 mm/h降雨強度下，片蝕試驗處理下的大團聚體和微團聚體流失比例分別占團聚體總量的55.3%和45.7%左右，而在溝蝕為主試驗處理下，土壤流失以大團聚體為主，其百分比約占67.3%。當降雨強度為100 mm/h時，片蝕試驗處理下流失的團聚體則主要以微團聚體為主，其約占全部流失團聚體的74.2%，而在溝蝕為主試驗處理下，流失的團聚體仍以大團聚體為主，其百分比約占64.4%。這表明在坡面發(fā)生溝蝕時，由于溝頭下切，溝底沖刷和溝壁坍塌的作用，團聚體表現(xiàn)為整體遷移;同時，由于侵蝕溝內(nèi)的徑流深遠大于雨滴直徑的3—4倍左右，一方面降低了雨滴濺蝕作用，另一方面也使雨滴對侵蝕溝內(nèi)水流的擾動作用減弱，以致減弱或消除對團聚體的破碎作用［19－21］，故徑流搬運作用和大團聚體之間摩擦與擾動作用是溝蝕試驗下土壤團聚體破碎和遷移的主要原因。在片蝕試驗處理下，當降雨強度由50 mm/h增加至100 mm/h時，大團聚體流失的百分比由55.3%減少至26.8%;這表明在坡面片蝕試驗處理下，隨著降雨強度的增大，雨滴打擊的能量增大了降雨對土壤大團聚體的拆分和破碎作用，從而增加了微團聚體流失的含量，說明降雨對團聚體有明顯的破碎作用［22－23］。

表4 片蝕和溝蝕試驗處理下大團聚體和微團聚體流失的對比Table 4 Comparison of macro-aggregate and micro-aggregate losses at two treatments of sheet erosion and gully erosion

2.3 片蝕和溝蝕下流失團聚體的分布特征

將侵蝕泥沙中的土壤團聚體通過套篩篩分為:＞5、2—5、1—2、0.5—1、0.25—0.5 和＜0.25 mm 6 個粒級，對比片蝕和溝蝕下流失土壤團聚體的分布特征。由圖3可見，降雨強度為50 mm/h時，片蝕試驗處理下，侵蝕泥沙中＞5和2—5 mm 粒級的團聚體含量均小于溝蝕，而其它4個粒級(1—2、0.5—1、0.25—0.5和＜0.25 mm)的團聚體含量卻均大于溝蝕，與安娟等［24］的研究結(jié)果類似;其中，兩種侵蝕方式下團聚體含量差異最大的粒級是＜0.25 mm的團聚體，其含量相差43.2%。這說明在較小雨強條件下，片蝕試驗處理下雨滴打擊作用主要是對土壤團聚體進行拆分，薄層水流則主要對分散團聚體進行搬運。對于溝蝕試驗處理，由于侵蝕溝內(nèi)的徑流深度遠大于雨滴直徑的3—4倍左右，雨滴打擊對土壤團聚體拆分顯著減弱，而侵蝕溝內(nèi)的股流通過溝頭下切、溝壁崩塌等作用對土壤進行剝蝕和搬運，從而使大團聚體流失程度大于片蝕。

對于100 mm/h降雨強度(圖3)，在溝蝕為主的試驗處理下，各粒級土壤團聚體的含量均大于片蝕，其中，片蝕試驗處理下，團聚體粒級范圍在＜0.25 mm時的含量均明顯大于其余5個粒級。兩種侵蝕方式下團聚體含量差異最大的粒級為＞5 mm的團聚體，其含量相差93.9%。這說明在較大雨強條件下，對于片蝕試驗，雨滴打擊對土壤團聚體的拆分作用增強，片蝕作用流失的團聚體以微團聚體為主;對于溝蝕試驗，隨著降雨強度的增加，侵蝕溝內(nèi)由于股流流速的增加，加劇了溝頭的下切和溝壁的坍塌，也使股流搬運作用增強，從而會產(chǎn)生大量未經(jīng)分選的土壤團聚體，使大粒徑團聚體含量明顯增加。

2.4 表征土壤團聚體流失特征指標的對比

團聚體的平均重量直徑(MWD)和幾何平均直徑(GMD)均是評價土壤團聚體穩(wěn)定性的重要指標。這里采用MWD和GMD兩個特征指標進一步分析兩種侵蝕方式下團聚體流失特征，并進而分析哪種指標最適用表征試驗條件下的團聚體流失。由表5可見，在片蝕和溝蝕兩種侵蝕方式下，侵蝕泥沙中團聚體MWD和GMD均明顯小于試驗土壤，其中，片蝕試驗處理下，MWD平均減小64.4%，GMD平均減小66.3%;在溝蝕為主的試驗處理下，MWD平均減小34.2%，GMD平均減小為39.0%。在坡面片蝕試驗處理下，當降雨強度由50 mm/h增加到100 mm/h時，MWD和GMD均有所減小，說明在土壤團聚體含量較高的黑土，隨著降雨強度的增大，雨滴打擊對土壤團聚體的拆分作用增強;而在溝蝕為主的試驗處理下，當降雨強度由50 mm/h增加到100 mm/h時，MWD和GMD均有所增加。其主要原因與之前的討論相一致，即隨著降雨強度的增加，侵蝕溝內(nèi)股流的流速也隨之增加，加劇了溝頭的下切和溝壁的坍塌，也使股流搬運作用增強，從而會產(chǎn)生大量未經(jīng)分選破碎的土壤團聚體;同時，由于侵蝕溝內(nèi)股流水深遠大于雨滴直徑的3—4倍，雨滴拆分土壤團聚體的作用減弱，從而使大粒徑團聚體含量明顯增加，導致MWD和GMD有所增加。此研究結(jié)果也表明，MWD和GMD兩種團聚體表征指標均能反映片蝕和溝蝕方式下土壤團聚體的流失特征。

表5還表明，當降雨強度由50 mm/h增加到100 mm/h時，兩種侵蝕方式下MWD的變化差值均大于GMD，即隨著降雨強度的增大，不同粒徑土壤團聚體的分布產(chǎn)生明顯差異。這是因為平均重量直徑(MWD)和幾何平均直徑(GMD)均是反映團聚體大小分布的指標［15－16］，而幾何平均直徑(GMD)是通過對團聚體直徑取對數(shù)后加權(quán)求和，其結(jié)果弱化了團聚體大小的影響作用。因此，本研究結(jié)果表明，MWD指標能較好的反映出雨強變化時片蝕和溝蝕方式下土壤團聚體的流失特征。

表5 片蝕和溝蝕試驗處理下土壤團聚體流失特征指標Table 5 Indicators of soil aggregate loss under two treatments of sheet erosion and gully erosion

3 討論與結(jié)論

東北黑土是我國少有的土壤團聚含量高的土壤，黑土區(qū)又是我國重要的水蝕區(qū)之一，嚴重的土壤侵蝕造成了的土壤結(jié)構(gòu)破壞。盡管目前該區(qū)土壤侵蝕的研究取得了一定的進展［1－4，11，25］，但針對片蝕和溝蝕如何影響土壤團聚體流失鮮見報道。本研究采用室內(nèi)模擬降雨試驗的方法，評價了片蝕和溝蝕對土壤團聚體流失的影響。

3.1 侵蝕方式對坡面土壤流失的影響

片蝕和溝蝕是東北黑土區(qū)土壤侵蝕的兩種主要方式［26］。本試驗研究中，通過前期預降雨保持試驗土槽前期土壤含水量相同，又設(shè)計了相同坡度(10°)對比降雨強度變化(50 mm/h和100 mm/h)對片蝕和溝蝕的影響。研究發(fā)現(xiàn)，在50和100 mm/h降雨強度下，溝蝕為主試驗處理下的侵蝕量分別是片蝕量的1.42倍和3.51倍。當降雨強度由50 mm/h增加至100 mm/h時，溝蝕為主試驗處理下的侵蝕量增加了16.57倍，其顯著大于片蝕試驗處理的侵蝕量增加的6.08倍。說明片蝕過程中，坡面土壤流失首先是雨滴打擊對土壤團聚體的拆分和分散作用，然后通過坡面薄層水流對這些分散土粒的搬運;而發(fā)生溝蝕時，坡面除了發(fā)生片蝕外，侵蝕溝內(nèi)形成的股流還會對溝壁、溝底、溝頭的土壤進行分散、沖刷和搬運，從而造成土壤流失量的顯著增加。

3.2 侵蝕方式對土壤團聚體流失的影響

以往對土壤團聚體的研究主要集中在土壤團聚體動態(tài)變化方面，很少涉及土壤團聚體的流失。本試驗不僅研究了坡面片蝕條件下的土壤團聚體流失，而且分析了片蝕和溝蝕兩種侵蝕方式下侵蝕泥沙中大團聚體和微團聚體流失的差異性。

在片蝕試驗處理下，當降雨強度由50 mm/h增加至100 mm/h時，侵蝕泥沙中流失的大團聚體由55%減少至26%，土壤團聚體流失以微團聚體為主。而在溝蝕為主的試驗處理下，50和100 mm/h兩種降雨強度下團聚體流失均以大團聚體為主，其約占團聚體流失量的65.5%。在降雨強度為50 mm/h時，兩種侵蝕方式下侵蝕泥沙中流失團聚體含量差異最大的粒級為＜0.25 mm的團聚體;而在降雨強度為100 mm/h時，兩種侵蝕方式下流失團聚體含量差異最大的粒級為＞5 mm的團聚體。因此，片蝕對團聚體流失影響的特點主要有(1)在較小雨強時，雨滴打擊作用主要是對土壤團聚體進行拆分，薄層水流則主要對分散的土壤團聚體進行搬運，但其搬運能力不足以搬運粒徑較大的團聚體;(2)在較大雨強時，雨滴打擊對土壤團聚體的拆分作用進一步增加，導致流失的團聚體以微團聚體為主。溝蝕對團聚體流失影響的特點主要有:(1)由于侵蝕溝內(nèi)形成股流的水深遠大于雨滴直徑的3—4倍左右，導致雨滴打擊對土壤團聚體拆分作用大大減弱，而股流作用使溝頭下切和溝壁崩塌增加，從而使土壤團聚體整體進行運移，導致團聚體流失以大粒級團聚體為主;(2)徑流分散和搬運作用，以及大團聚體之間摩擦與擾動作用成為團聚體破碎的主要機制［25］。

與試驗土壤相比，侵蝕泥沙中的土壤團聚體MWD和GMD均明顯減少，其中，片蝕試驗處理下MWD和GMD的減少幅度均大于溝蝕為主的試驗處理。當降雨強度由50 mm/h增加到100 mm/h時，坡面片蝕試驗處理下的MWD和GMD均有所減小，而在溝蝕為主的試驗處理下，MWD和GMD均有所增加，進一步證明了片蝕試驗下雨滴打擊對團聚體的拆分是團聚體破碎的主要原因，而溝蝕試驗下股流對團聚體分散和搬運作用是團聚體破碎的主要原因。通過對試驗條件下表征土壤團聚指標的分析，提出了MWD和GMD兩種指標均能反映片蝕和溝蝕方式下團聚體的流失特征，MWD指標能較好的反映出雨強變化時片蝕和溝蝕方式下土壤團聚體的流失特征。

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