基于濕篩法與水滴沖擊法的土壤團聚體指標與土壤侵蝕關系

馮 強，張 驍，段寶玲

（1.山西農業大學林學院，山西太谷030801；2.北京師范大學資源學院，北京100875）

基于濕篩法與水滴沖擊法的土壤團聚體指標與土壤侵蝕關系

馮 強1，2，張 驍2，段寶玲1

（1.山西農業大學林學院，山西太谷030801；2.北京師范大學資源學院，北京100875）

土壤侵蝕受徑流沖刷與雨滴打擊共同影響，濕篩法與水滴沖擊法模擬了這2種過程對土壤團聚體的消散作用。研究設計了4種土地利用方式的徑流小區，于2012—2014年測定徑流深、侵蝕模數及2類土壤團聚體指標，比較2類土壤團聚體指標的差異，并分析其與土壤侵蝕的關系。結果表明，不同土地利用方式2類團聚體指標均表現為沙棘地＞柳枝稷地＞撂荒地＞耕地的總體趨勢，坡度之間的趨勢為5°＞15°＞25°；濕篩法結果發現，柳枝稷地團聚體數量稍高于撂荒地，但穩定性稍差于撂荒地；而水滴沖擊法結果表明，柳枝稷地土壤團聚體（7～10，5～7，4～5mm粒級）抗雨滴打擊能力強于撂荒地。可見，對于徑流沖刷與雨滴打擊2種土壤團聚體破壞方式，柳枝稷地與撂荒地土壤團聚體抗破壞方式存在差異。多數團聚體指標與徑流深及侵蝕模數顯著相關，說明各團聚體指標共同反映了土壤抗蝕性能。2類團聚體指標與侵蝕模數之間以冪函數關系為主，說明這2類團聚體指標在影響土壤侵蝕方面存在相似的功能。不同粒級團聚體指標與徑流深之間的函數關系并不一致，以對數函數關系為主，也出現了線性與指數關系，可見，土壤團聚體對調控徑流與控制土壤侵蝕存在不同的作用方式。

土壤團聚體；濕篩法；水滴沖擊法；土壤侵蝕

土壤團聚體作為良好的土壤結構體，影響著土壤肥力高低、通透程度與抗蝕性能[1-3]。土壤團聚體對水、機械操作等破壞作用的抵抗力表征了土壤結構穩定性，這種穩定性與土壤侵蝕密切相關。不穩定的團聚體結構容易被水消散成細小顆粒，作為侵蝕泥沙被流失掉，或是形成土壤物理結皮，影響土壤的通透性。因此，在土壤侵蝕相關研究中，土壤團聚體是經常被測定的指標。

目前國內外使用最多的團聚體穩定性測定方法是濕篩法[1-7]。濕篩法易于操作，所測數據還能計算平均質量直徑（MWD）、幾何平均直徑（GMD）、分形維數等多個指標，有利于土壤團聚體研究的深化。然而，濕篩法模擬的是水流對土壤團聚體的消散，無法反映雨滴對團聚體的消散作用[8-9]。實際的土壤侵蝕過程受徑流沖刷與雨滴打擊的共同作用，通過水滴沖擊法研究團聚體穩定性能夠補充濕篩法的不足。

水滴沖擊法由Mccalla在1944年發明，通過記錄團聚體被水滴打擊至完全消散所需水滴的個數來反映團聚體穩定性[10]。由于該方法操作簡單、數據再現性好，被廣泛采用并加以改進[11-14]，Jimba等[8]還研制了該方法的自動監測儀器。

為全面分析土壤團聚體穩定性，國際上往往同時采用濕篩法與水滴沖擊法進行研究[15-16]。國內相關研究對水滴沖擊法的使用較少，濕篩法與水滴沖擊法同時使用更是很少。本研究試圖通過這2種方法的使用，在分析不同土地利用方式兩類團聚體指標差異的基礎上，揭示兩類團聚體指標與土壤侵蝕的關系，旨在為通過土壤團聚體指標評價土壤可蝕性提供理論基礎。

1 材料和方法

1.1 徑流小區設計

本研究徑流小區位于安塞水土保持綜合試驗站（109°19′23″E，36°51′30″N），地處黃土高原中部典型黃土丘陵溝壑區，土層深厚，以黃綿土為主。該地區多年平均氣溫為8.8℃，多年平均年降水量為505.3mm，其中，6—9月降水一般占年降水總量的60%以上[17-18]。

徑流小區的土地利用方式包括耕地（谷子與糜子輪作，C）、柳枝稷地（S）、撂荒地（W）與沙棘地（L）。前3種土地利用方式的徑流小區包括3個坡度（5°，15°，25°），投影面積為4m×10m。沙棘地僅有1個坡度（24°），小區投影面積為5 m×20 m，本研究24°沙棘地按25°處理。研究共計10個徑流小區，小區周圍用水泥板圍埂，小區的出口連通2個直徑60 cm的鐵皮桶，用來監測小區的徑流深（mm）和侵蝕模數（t/（km2·a））。

1.2 指標測定

1.2.1 徑流深和侵蝕模數 2012—2014年，每次降雨后測算徑流桶內的水量與泥沙含量，然后計算徑流深（mm）與侵蝕模數（t/（km2·a）），具體監測流程參照靳婷等[17-18]方法進行。3 a共計監測到24次降雨產流事件。

學生操作完畢，到另外一間教室觀看自己操作的錄像，其他負責各個要素點評價的學生按自己負責的點評環節提出點評意見（包括優、缺點），指導教師針對所有環節提出自己的意見，最后由一名負責點評某一要素的學生記錄和匯總大家的意見。

1.2.2 基于濕篩法的土壤團聚體測定 2013年9月底，用方鋁盒（長、寬、高分別為20，12，5 cm）從每個小區的上、中、下部各取一個原裝土樣（將鋁盒垂直壓入土壤，用鐵鏟將鋁盒連土挖出，注意減少震動），風干備用。使用濕篩法測定0.25～0.5，0.5～1，1～2，2～5，＞5 mm粒級（0.25～0.5 mm所指粒徑范圍為：0.25 mm＜粒徑≤0.5 mm。其他粒徑類同）水穩性團聚體含量（%），計算＞0.25 mm團聚體總含量、平均質量直徑（MWD）與幾何平均直徑（GMD）[19-20]。基于濕篩法測定的土壤團聚體指標在本研究中分別稱為團聚體含量、MWD與GMD。

1.2.3 基于水滴沖擊法的土壤團聚體測定 將塑料桶底部打孔，在其中裝一半土壤，土壤表面壓平，上面鋪一層濾紙。將水桶置于裝有水的水盆中（土壤表面比水面高15 cm），目的是使桶中土壤與濾紙一直保持濕潤狀態。采集的土樣（采樣位置與濕篩法相同）風干后過篩，獲得1～2，2～3，3～4，4～5，5～7，7～10mm粒級的干土粒。每個粒級挑選30個干土粒置于濾紙上，使土粒緩慢吸水24 h達到完全浸潤。用塑料勺取浸潤后的土粒于1mm篩網中，用1 m高處落下的水滴（60次/min）沖擊土粒直到完全消散，記錄所需的水滴數，重復30次取平均值。水滴數反映土壤團聚體的抗打擊能力，稱為團聚體穩定性，本研究統一簡稱為團穩性[14]。

1.3 數據分析

使用SPSS19.0數據統計軟件，用一般線性模型（GLM）對土地利用方式與坡度進行雙因素方差分析（ANOVA），差異顯著后再進行多重比較（LSD法）；對團聚體指標與徑流深及侵蝕模數進行相關分析與回歸分析，徑流深與侵蝕模數為3 a均值數據，土地利用方式與坡度共組合為10個處理，即相關與回歸分析的N＝10；應用SigmaPlot10.0軟件制作柱形圖。

2 結果與分析

2.1 基于濕篩法的土壤團聚體指標比較

從圖1可以看出，對于＞5，2～5，1～2 mm粒級團聚體含量，同一坡度下不同的土地利用方式表現為沙棘地＞柳枝稷地＞撂荒地＞耕地的總體趨勢，說明灌木林與草地土壤顆粒膠結作用強，有利于土壤團聚作用，因此，大粒級團聚體增多。2種草地（柳枝稷與撂荒地）團聚體含量的差異多數情況下并不顯著，但是在15°與25°坡面上，柳枝稷地2～5 mm粒級團聚體含量顯著大于撂荒地，可能是由于柳枝稷的橫坡種植降低了徑流沖刷對2～5 mm粒級團聚體的破壞，這種消能作用隨著坡度增加而增強。除15°與25°坡面上耕地與撂荒地1～2 mm粒級團聚體含量差異不顯著外，耕地的團聚體含量均顯著低于其他3種土地利用方式，可見耕作活動以及耕地較大的徑流對各級團聚體的破壞作用。對于大團聚體總量（＞0.25mm各粒級之和）的分布規律，不同土地利用方式之間的差異與上述3個粒級相似。

0.5～1.0 mm粒級團聚體含量的分布規律與1～2mm粒級相似。不同土地利用方式0.25～0.50mm粒級團聚體含量差異均不顯著。

相同土地利用方式不同坡度之間各粒級團聚體含量的總體趨勢為：5°＞15°＞25°。對于耕地來說，坡度之間團聚體差異較為明顯，這與不同坡度下徑流的沖刷能力差異有關。對于撂荒地與柳枝稷地，一些粒級（＞5，2～5，1～2，0.25～0.5 mm）的團聚體含量在坡度之間并無顯著差異，可能是草地植被覆蓋度高，水分入滲能力強，降低了徑流對土壤團聚體的沖擊。

平均質量直徑（MWD）與幾何平均直徑（GMD）數值越大，土壤團聚度越高，團聚體的穩定性也就越強[2]。從圖2可以看出，耕地的MWD與GMD顯著低于其他3種土地利用方式，其他3種土地利用方式一般差異不顯著。但是，15°坡面下撂荒地MWD與GMD均顯著高于柳枝稷地，這與團聚體含量的規律不同。說明2種草地土壤團聚體特征相似，但柳枝稷地側重于增加團聚體的數量，而撂荒地側重于增強團聚體的穩定性。

2.2 基于水滴沖擊法的土壤團聚體指標比較

由圖3可知，團聚體粒級越大，對其破壞所需能量（雨滴數）越多。針對7～10，5～7，4～5 mm粒級的團聚體，不同土地利用方式團穩性差異顯著，表現為沙棘地＞柳枝稷地＞撂荒地＞耕地。3～4，2～3 mm粒級團穩性的整體趨勢與上述3個粒級相同，但是柳枝稷地與撂荒地差異不顯著。沙棘地1～2 mm粒級團穩性顯著大于其他3種土地利用方式。

對不同坡度來說，相同土地利用方式土壤團穩性整體趨勢為5°＞15°＞25°，可能是坡度越大，徑流沖刷越強烈，導致團聚體穩定性變差，不耐雨滴打擊。

水滴沖擊法的結果與濕篩法相似但不盡相同。濕篩法表明，柳枝稷地團聚體含量稍高于撂荒地，MWD與GMD稍低于撂荒地；而水滴沖擊法表明，柳枝稷地7～10，5～7，4～5mm粒級的團聚體抗雨滴打擊能力（團穩性）強于撂荒地。

2.3 各團聚體指標與徑流泥沙相關分析

由表1可知，除0.25～0.5 mm與0.5～1 mm團聚體含量、1～2 mm團穩性外，各團聚體指標與徑流深及侵蝕模數均顯著相關。濕篩法＞5 mm團聚體含量與徑流深及侵蝕模數相關系數最大，水滴沖擊法2～3 mm粒級團穩性與徑流深及侵蝕模數相關性最大。濕篩法測定的團聚體含量反映土壤抵抗徑流沖刷的能力，水滴沖擊法測定的團穩性反映土壤抵抗雨滴打擊的能力，各團聚體指標共同反映了土壤的抗蝕性能。

表1 各團聚體指標與徑流泥沙皮爾遜相關系數

2.4 不同粒級團聚體穩定性與徑流泥沙關系擬合

從表2可以看出，除0.5～1 mm粒級與0.25～0.5 mm粒級團聚體含量與侵蝕模數回歸關系不顯著外，其他粒級團聚體指標與侵蝕模數的回歸關系均達到顯著水平。＞5mm粒級團聚體含量對侵蝕模數的解釋能力最強，達到85.3%，其次為＞0.25 mm粒級團聚體含量，達到85.1%，再次為水滴沖擊法2～3 mm粒級團穩性，達到83.2%。說明2類團聚體指標與土壤侵蝕均存在密切關系。除2～5mm粒級團聚體含量與侵蝕模數為對數關系外，基于濕篩法與水滴沖擊法的團聚體指標與侵蝕模數均為冪函數關系，可見，2類團聚體指標在影響土壤侵蝕方面存在相似的功能。

表2 不同粒級團聚體指標與徑流泥沙關系擬合

對徑流深解釋能力超過80%的團聚體粒級包括：濕篩法＞0.25 mm粒級、＞5 mm粒級、2～5 mm粒級、水滴沖擊法3～4mm與2～3mm粒級。不同粒級團聚體指標與徑流深之間的函數關系并不一致，MWD，GMD與徑流深之間為線性關系，水滴沖擊法7～10，5～7 mm粒級團穩性與徑流深之間為指數關系，其他團聚體指標與徑流深之間為對數函數關系。可見土壤團聚體對調控徑流與控制土壤侵蝕存在不同的作用方式。

3 結論與討論

土壤團聚體對水、機械操作等所產生分散作用的抵抗力表征了土壤結構穩定性，因此，土壤團聚體含量及其穩定性經常作為土壤抗蝕性指標[3]。促進土壤團聚體形成的膠結物質（有機質、黏粒與Fe2O3等氧化物）是影響團聚體數量與穩定性的內在因素，因此，影響膠結物質含量的土地利用方式與坡度等因素會影響土壤團聚體穩定性[1，21]。本研究團聚體指標均表現為沙棘地最高、柳枝稷與撂荒地次之、耕地最低的總體趨勢，并且團聚體指標隨著坡度增加而降低。可見灌木林地與草地有利于膠結物質的形成，而坡度會影響徑流對膠結物質的沖刷，本研究與前人[1，12，22]的研究結論相同。采用水滴沖擊法與濕篩法測定的團聚體指標總體趨勢相似，但在2種草地上不完全一致，柳枝稷地MWD與GMD稍差于撂荒地，但團穩性強于撂荒地。

土壤團聚體與土壤侵蝕關系密切[23-24]，基于濕篩法與水滴沖擊法的多數團聚體指標與徑流深及侵蝕模數呈顯著負相關，說明各個團聚體指標綜合反映了土壤抗蝕能力。兩類團聚體指標主要通過冪函數形式影響土壤侵蝕，而團聚體指標與徑流深的作用關系以對數函數為主，其次為線性與指數函數。說明土壤團聚體對徑流與土壤侵蝕的控制方式不同。Collins等[25]的研究發現，團聚體與徑流系數之間為線性關系，與侵蝕模數之間為指數函數關系，而本研究與之不完全相同。

本研究對兩類土壤團聚體指標與徑流及土壤侵蝕關系進行了初步探索，未來應加強不同土壤團聚體指標與有機質、根系以及其他土壤物理性質之間關系的研究，揭示不同團聚體指標差異的內在原因，為依據土壤團聚體指標評價土壤可蝕性提供理論基礎。

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Relation between Soil Erosion and Two K inds of Soil Aggregate Stability Indices Based on W et Sieving and W ater-drop M ethod

FENG Qiang1，2，ZHANG Xiao2，DUAN Baoling1
（1.Collegeof Forestry，Shanxi Agricultural University，Taigu 030801，China；2.College ofResourcesScience&Technology，Beijing Normal University，Beijing 100875，China）

The most common way of characterizing soils for their vulnerability to erosive forces is by assessing their aggregate stability.Wet sieving method is used most commonly,which only simulates the dissolution of soil aggregates in water rather than their dispersion under raindrop impact.The soil erosion is effected by runoff and raindrop collectively.Based on this conception,the runoff depth,soil erosion modulus and two kinds of soil aggregate stability indices were monitored by wet sieving method and water-drop method.The aim of this study was to analyze the relation between two kinds of soil aggregate stability indices and soil erosion,by which the soil and water conservation ability could be evaluated.The runoff plots of four land-use types（sea-buckthorn land,witchgrass land, abandoned land,cultivated land）were designed,and runoff depth,soil erosion modulus and two soil aggregate indices were monitored from 2012 to 2014.General linearmodel（GLM）fora two-way analysisofvariance（two-way ANOVA）and a least-significantdifference（LSD）method,pearson correlation analysis,nonlinear regression analysis were used.The results showed that the general trend for two kindsofsoil aggregate stability indiceswassea-buckthorn land＞witchgrass land＞abandoned land＞cultivated land,and slopewas5°＞15°＞25°.The aggregate stability indices measured by wet sieving denoted that the amount of soil aggregate in witchgrass land was slightly higher than that in abandoned land,but aggregate stability revealed by mean weight diameter（MWD）and geometric mean diameter（GMD）in witchgrass land was slightly lower than thatin abandoned land.However,based onwater-dropmethod,the resistance capability of the aggregate（particle size for 7-10，5-7,4-5 mm）to raindrop impact in witchgrass land was higher than that in abandoned land.Therefore,regards to the soil aggregate dispersion caused by runoff and raindrop,the ways to deal with the dispersion effects were different between witchgrass land and abandoned land.Most of soil aggregate stability indices were significantly correlated with the runoff depth and soil erosion modulus,which revealed that the soil aggregate stability indices reflected the susceptibility of soil to runoff and erosion synthetically.The main functional relation between two kinds of soil aggregate stability indices and soil erosion modulus were power function,which denoted that the effects of two kinds of soil aggregate stability on soil erosion modulus were similar.The functional relation between soil aggregate stability indices of various particle sizes and runoff depth were different,the mainfunctional relation was logarithmic function,exponential function and linear function also occurred.Therefore,theways for soil aggregate to regulate runoff and soil erosion modulus were different.This study provided a simple way to evaluate soil erodibility by soil aggregate stability indices.

soil aggregate;wetsievingmethod;water-dropmethod;soil erosion

S157.1

A

1002-2481（2016）07-0965-07

10.3969/j.issn.1002-2481.2016.07.18

2016-04-22

國家自然科學基金項目（41501201）

馮 強（1981-），男，遼寧錦州人，講師，主要從事土地利用與生態過程研究工作。