土壤理化性質與土壤濺蝕速率的相關性研究

孫貞婷, 胡 霞, 李宗超, 劉 勇

(1.北京師范大學 環境演變與自然災害教育部重點實驗室, 北京100875; 2.北京師范大學 減災與應急管理研究院, 北京 100875)

土壤理化性質與土壤濺蝕速率的相關性研究

孫貞婷1,2, 胡 霞1,2, 李宗超1,2, 劉 勇1,2

(1.北京師范大學 環境演變與自然災害教育部重點實驗室, 北京100875; 2.北京師范大學 減災與應急管理研究院, 北京 100875)

土壤濺蝕是土壤侵蝕的初始階段，是降雨雨滴直接打擊土壤表層引起的土壤顆粒分散和位移發生的過程。為研究土壤理化性質與土壤濺蝕速率的相關性，研究通過人工模擬降雨濺蝕試驗測定土壤濺蝕速率，運用SPSS 20.0軟件，對土壤理化性質與土壤濺蝕速率進行了Pearson相關系數分析。結果表明：土壤滲透性、分散率、團聚度和土壤粒級與土壤濺蝕速率相關性最大。土壤的滲透系數在整個降雨歷時階段對土壤的濺蝕速率一直呈現負影響。分散率在降雨歷時為15 min時對土壤濺蝕速率呈顯著負影響。團聚度對土壤濺蝕速率的影響由T=15 min時的顯著正相關變成T=20 min時的極顯著正相關。土壤粒級和土壤濺蝕速率相關性很大，且關系較為復雜。相較于其他4種粒級中，粒級范圍在D<0.002 mm的土壤顆粒對土壤濺蝕速率影響最大，且在降雨歷時為15～20 min時，對土壤濺蝕速率皆有顯著正相關性。另外，粒級范圍在0.2≤D<2 mm和0.02≤D<0.2 mm的土壤顆粒分別在T=15 min和T=20 min時對土壤濺蝕速率有顯著負相關性。土壤粒級對土壤濺蝕速率的相關性隨降雨歷時的變化可能與土壤結皮有關。

土壤濺蝕; 土壤理化性質; 滲透系數; 團聚度; 土壤顆粒組成

土壤濺蝕是指地表土壤在雨滴動能作用下，導致土壤結構破壞，使表層土壤孔隙減少或者堵塞，土壤團粒被分散、剝離，并使部分土粒沿拋物線的運動軌跡向四周飛濺的過程[1]，是土壤侵蝕中極為普遍的一種侵蝕方式。Ellison將土壤侵蝕分為四個階段[2]，即雨滴對土壤的濺蝕、徑流的濺蝕、雨滴對濺蝕產生的土粒的搬運、徑流對土粒搬運。Ellison認為濺蝕是土壤侵蝕的第一步。濺蝕還會填塞土壤孔隙，降低土壤滲透性，阻止雨水入滲，增加地表徑流，增強徑流的侵蝕和搬運能力[3]，從而加劇水土流失，使土體板結，土地適耕性大大降低。因此，研究土壤濺蝕不僅可為理解土壤侵蝕機理提供理論依據，還對農業生產具有重要意義。郭耀文[4]將土壤濺蝕過程分為三個階段：(1) 干土濺散階段：降雨初期，雨滴降落到相對較干燥的土表，因土壤顆粒間隙有空氣充填，土粒還來不及吸取雨水，細小土粒只隨雨滴濺散開，但仍保持原來的結構；(2) 泥漿濺散降段：隨降雨時間延長，表層土壤孔隙充填的水分逐漸增多，并繼續受雨滴的沖擊、震蕩，引起土壤結構破壞。當其土壤表層水分增加到過于飽和狀態后，土壤即成為稀泥狀態，泥漿受雨滴沖擊，以稀泥狀態濺散；(3) 層狀侵蝕階段：隨降雨過程繼續延長，土表的泥漿將阻塞土壤孔隙，妨礙水分繼續下滲，形成泥漿狀的地表渾濁徑流，造成地表土粒均勻地流失。土壤濺蝕的影響因素可歸結為土壤性質(土壤顆粒、土壤結皮、滲透率等)、降雨特性(雨強、降雨歷時、降雨能量等)及其他因素(坡度等)[5-6]。很多研究表明，土壤理化性質對土壤濺蝕有很大影響，胡霞等[7]研究結果表明，土壤結皮的存在會降低土壤的濺蝕速率；尹武君等[8]研究結果表明土壤密實度越大，土壤濺蝕量越小；Wuddivira等[9]研究結果表明在濕潤速率較小的情況下，提高土壤含水量可有效降低土壤濺蝕率。但是，土壤理化性質中哪種性質對土壤濺蝕影響較大，對土壤濺蝕的作用是促進還是抑制，尚不明確。

本研究通過人工模擬降雨濺蝕試驗，利用濺蝕盤[10-11]得到土壤的濺蝕速率，然后運用SPSS 20.0軟件，分析土壤粒級、團聚度、滲透系數、水穩性團聚體平均重量直徑等土壤理化性質與土壤濺蝕速率的Peason相關系數，分析土壤理化性質與土壤濺蝕速率的相關性。

1 材料與方法

1.1 試驗裝置

試驗在中國科學院地理科學與資源研究所坡地室人工模擬降雨大廳中進行。模擬降雨裝置是由一套直立管道、調壓器、壓力表、向下的噴嘴裝置構成，直立管道高4.75 m，水平延伸管長0.9 m，向下的噴頭連結于水平延伸管上，噴嘴型號是美國Spraco，其離地高度4.75 m。

試驗用濺蝕盤為直徑30 cm、高10 cm的圓型盤，盤中心是一直徑10 cm、高3 cm的圓型活動裝土盤，盤底部打上小孔。外環是用來收集表面水流沖刷的泥沙，使之不與濺蝕土粒混雜。此裝置是在Morgan濺蝕盤的基礎上，對盛試驗用土的內圓盤外加寬1 cm改進而成。

1.2 試驗樣品與試驗設計

供試土壤采自湖北省，試驗材料取自不同的地點，采樣深度0—10 cm，在野外直接挖取、裝袋。取樣地點、母質類型、土壤利用狀況及土壤類型列于表1中。

表1 供試土樣來源、成土條件以及土地利用狀況

試驗前將土壤樣品風干并過土壤分析篩，利用干篩法對供試土壤進行處理，得到10種土壤的粒級百分含量，見表2。

試驗前通過常規土壤理化分析方法測定土壤的基本理化性質，見表3。濺蝕盤中土壤樣品容重控制在1.30 g/cm3。雨強控制為1.20 mm/min，降雨時間分別為5，10，15，20 min。降雨后收集濺蝕盤中的土樣分析濺蝕速率，得到表4。每個處理采用3個重復。

式中：a是土壤微團聚體>0.02mm穩定性微團聚體含量；b是土壤顆粒分析時>0.02mm粒級的顆粒含量。

1.3 數據分析方法

利用軟件Spss20.0分析土壤團粒結構、土壤結構特征與土壤濺蝕速率的Pearson相關系數，置信水平p=0.05，即p<0.05為顯著相關，p<0.01為極顯著相關。

表2 10種土壤的粒級百分含量 %

表3 10種土壤的結構特征

表4 10種土壤不同降雨歷時濺蝕速率 g/(m2·min)

2 結果與分析

2.1 土壤的濺蝕速率特征

圖1是10種土壤在不同降雨歷時條件下的濺蝕速率變化曲線。在降雨過程中，雨滴擊打土壤表面，使其表面條件不斷發生變化，濺蝕速率不斷改變。

在5～10 min 內，除了3號和9號土壤的濺蝕速率緩慢減小外，其余8種土壤的濺蝕速率隨降雨歷時的延長而增大；在10～15 min內，2號、6號和7號土壤濺蝕速率隨降雨歷時而減小，8號土壤濺蝕速率較為穩定，其余土壤的濺蝕速率隨降雨歷時的延長而增大。在15～20 min內，2號和7號土壤濺蝕速率稍有回升，其余土壤的濺蝕速率隨降雨歷時的延長而減小。在5～20 min內，10種土壤的濺蝕速率隨降雨歷時延長而發生升降波動，是由于表土結皮發育不完善，且形成與破壞交替進行[12](表土結皮發育過程見圖2—6)。雨滴的下落過程是重力勢能轉化為動能的過程。當雨滴降落到地表時，雨滴擊打表土，其動能損耗在擊濺土壤顆粒。當雨滴動能克服土粒間的黏結作用及土粒的重力勢能時，就會使土粒發生分散和位移。土壤被濺蝕的量取決于土壤的抗蝕能力[13]，而表土結皮愈厚抗濺蝕力愈強[14]。未降雨前土壤表面基本上都為大團聚體，不易被雨滴擊濺而發生位移。隨降雨歷時的延長，雨滴打擊破壞表層土壤的結構，使得團聚體被破壞為細小顆粒或微團聚體，土壤顆粒分散并堵塞土壤孔隙，同時雨滴對于表土的打擊和壓實作用，還會導致某些土壤上形成薄的致密層，即表土結皮[15]。當土壤結皮發育不斷完善時，土壤表面抗濺蝕能力也不斷增強，且結皮愈厚抗濺蝕力愈強，從而土壤濺蝕速率減小[14,16-17]。

2.2 土壤理化性質對土壤濺蝕速率的影響

對10種土壤不同降雨歷時下的濺蝕速率與相應的水穩性團聚體平均重量直徑、>0.25 mm水穩性團聚體、>0.5 mm水穩性團聚體、團聚體分散度、分散率、團聚度、滲透系數等結構特征和粒級百分含量進行皮爾森(Pearson)相關分析，得到土壤濺蝕速率和土壤主要理化指標之間的相關性見表5。

圖110種土壤在不同降雨歷時條件下的濺蝕速率變化曲線

當降雨歷時為5 min時，土壤的滲透系數和土壤的濺蝕速率相關性較大，且呈負相關關系。在降雨初期，土壤濺蝕處于干土濺散階段，土壤表面較干燥，雨滴動能主要用來濕潤土壤，細小土粒隨雨滴濺散開，濺蝕量較少。因此，土壤的滲透系數越大，雨滴濺散干土量越少，土壤濺蝕速率越小。

隨著降雨歷時的延長，當T=10 min時，土壤濺蝕速率與土壤中0.02≤D<0.2 mm的顆粒含量的相關性最大，且為正相關性；其次是土壤的團聚度與土壤濺蝕速率的相關性相對較大，且為負相關。在降雨初期，土壤表面的細顆粒在雨滴的動能打擊作用下大部分被濺蝕，隨著雨滴的繼續打擊，雨滴的動能一部分被土壤吸收，另外未被吸收的“剩余能量”中，一部分被用來濺散較大顆粒[18]。因此，土壤中0.02≤D<0.2 mm的顆粒含量越多，濺蝕速率越大。在降雨歷時10 min時，雨滴動能不斷耗散在分散大的團聚體上，從而為表土結皮的發育提供物質，此時用來濺蝕土壤

顆粒的雨滴動能很少[18]。土壤團聚度是土壤中0.02 mm穩定性微團聚體含量，因此土壤團聚度越大，土壤濺蝕速率越小。

當降雨歷時為15 min時，土壤的濺蝕速率與土壤的0.2≤D<2 mm的顆粒含量、分散率呈顯著負相關，與土壤中D<0.002 mm的顆粒含量、團聚度呈顯著正相關。降雨初期由于細顆粒被雨滴濺散，隨降雨歷時的延長，表土大顆粒相對含量增大，而大的土壤顆粒(D>0.2 mm)不易被濺蝕。故而，當降雨歷時為15 min時，濺蝕速率減小，即土壤濺蝕速率與0.2≤D<2 mm的土壤顆粒含量呈顯著負相關。分散率是表示土壤可蝕性的指標，分散率愈大，土壤抗沖性越小，土粒越容易被分散沖刷，其大小取決于土粒與水的親和力和膠結力[19]。從圖2—6中土壤結皮發育過程可以看出，當降雨歷時為15 min時，表土結皮的發育趨向完整[15]，表土上層顆粒逐漸變得越來越緊實，土壤的抗濺蝕能力增強，因此濺蝕速率越小。團聚度越大的土壤，其穩定性團聚體含量越多，越不容易形成表土結皮[19]，所以其土壤的抗濺蝕能力越小。此外，分散率與團聚度呈負相關(表5)，所以團聚度越大，分散率越小，抗濺蝕能力越小，故而土壤濺蝕速率越大。

隨著降雨歷時的繼續延長，當T=20 min時，土壤中團聚度與土壤的濺蝕速率呈極顯著正相關，團聚度是影響濺蝕速率的最大因素。團聚度越大的土壤，越不容易形成表土結皮[20]，土壤的抗濺蝕能力越小，濺蝕速率越大。而此時土壤中0.02≤D<0.2 mm的大顆粒和D<0.002 mm的小顆粒不易被濺蝕[21]，所以與土壤的濺蝕速率呈顯著負相關。

在T=0～20 min整個降雨歷時過程中，土壤濺蝕速率與滲透系數都呈負相關，即在不同降雨歷時過程中，都有滲透系數越大，土壤濺蝕速率越小的規律。

圖23號土壤，T=5，10，15min(單偏光，4×3.3)

圖36號土壤，T=5，10，15min(單偏光，4×3.3)

圖47號土壤，T=5，10，15min(單偏光，4×3.3)

圖58號土壤，T=15min(單偏光，10×3.3)、T=20分鐘(單偏光，4×3.3)

圖6 10號土壤，T=5，15，20 min(單偏光，4×3.3)表5 土壤理化性質與土壤濺蝕速率的Pearson相關系數

注：d表示水穩性團聚體平均重量直徑，d1>0.25 mm,d2>0.5 mm；D1，D2，D3，D4和D5分別表示土壤粒級為D>2 mm，0.2≤D<2 mm，0.02≤D<0.2 mm，0.002≤D<0.02 mm和D<0.002 mm；*表示在p<0.05水平上顯著；**在p<0.01水平上極顯著。

3 結 論

本文運用SPSS 20.0軟件對10種不同土壤在不同降雨歷時條件下的濺蝕速率和土壤理化性質進行Pearson相關系數分析，結果得出分散率、團聚度和土壤粒級與土壤濺蝕速率相關性最大。在降雨初期，土壤的滲透系數對土壤的濺蝕速率影響較大，且滲透系數越大，土壤的濺蝕速率越小；隨著降雨歷時的延長(T=10 min)，濺蝕速率與團聚度呈負相關，即團聚度越大，土壤的濺蝕速率越小；之后，隨著降雨歷時的繼續延長(T=15～20 min)，濺蝕速率與團聚度由顯著正相關變化到極顯著正相關，兩者之間相關性的動態變化可能是與表土結皮的發育有關。在降雨后期(T=15～20 min)，土壤的顆粒組成對土壤的濺蝕速率影響也較大，當T=10 min時，土壤顆粒粒級在0.02≤D<0.2 mm范圍內的顆粒與土壤濺蝕速率相關性最大；隨降雨歷時延長(T=15 min)時，土壤的濺蝕速率與土壤的0.2≤D<2 mm的顆粒含量呈顯著負相關，與D<0.002 mm的顆粒含量呈顯著正相關；當降雨歷時繼續延長(T=20 min)，土壤中0.02≤D<0.2 mm的大顆粒和D<0.002 mm的小顆粒與土壤的濺蝕速率呈顯著負相關。

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CorrelationsBetweenSoilPhysical-ChemicalProprietiesandSoilSplashErosionRate

SUN Zhenting1,2, HU Xia1,2, LI Zongchao1,2, LIU Yong1,2

(1.KeyLaboratoryofEnvironmentalChangeandNaturalDisaster,BeijingNormalUniversity,Beijing100875,China;2.AcademyofDisasterReductionandEmergencyManagement,BeijingNormalUniversity,Beijing100875,China)

Soil splash erosion is the beginning of soil erosion process, and results in soil particle dispersion and migration when the raindrop directly blows topsoil. To study the correlations between soil physical-chemical proprieties and soil splash erosion rate, we measured soil splash erosion rate based on artificial simulated rainfall splash erosion experiment, and used SPSS 20.0 software to analyze the Pearson correlation coefficient between the soil physical-chemical properties and soil splash erosion rates. The results show that soil permeability, dispersion rate, aggregation and soil particle have a great influence during the rainfall; soil permeability has negative effects on erosion rate in the whole duration of rainfall; the dispersion rate has a significant negative impact on the soil erosion rate when rainfall duration is 15 minitues; the correlation between aggregation and soil splash erosion rate changes from positive correlation whenT=15 min to significantly positive correlation whenT=20 min; soil particles are strongly correlated with soil splash erosion rate, and the relationship is more complex. Compared to the other four kinds of grain size, <0.002 mm soil particle has the greatest impact on soil erosion rate, and has a significant positive effect during the latest two rainfall events. 0.2≤D<2 mm or 0.02≤D<0.2 mm soil particle has a significant negative correlation on soil erosion rate whenT=15 min andT=20 min, respectively. The correlation of soil erosion rate with soil particle sizes may be related to the soil crust.

soil splash erosion; soil physical-chemical proprieties; soil permeability; aggregation; soil particle

2016-05-04

：2016-06-22

國家自然科學基金“根系對灌叢化草地土壤大孔隙形成及水分運移的影響”(41471018)

孫貞婷(1992—),女,湖北嘉魚人,碩士,研究方向:土壤結構。E-mail:201521480030@bun.edu.cn

胡霞(1978—),女,江蘇懷安人,副教授,博士,主要從事土壤物理研究。E-mail:huxia@bnu.edu.cn

S157.1

：A

：1005-3409(2017)03-0053-06