利用土壤顆粒的沉降粒級研究泥沙的遷移與分布規律*

胡亞鮮 Nikolaus J. Kuhn

（1 西北農林科技大學水土保持研究所，陜西楊凌 712100）

（2 中國科學院水利部水土保持研究所黃土高原土壤侵蝕與旱地農業國家重點實驗室，陜西楊凌 712100）

（3 瑞士巴塞爾大學環境科學系，巴塞爾 4056 瑞士）

利用土壤顆粒的沉降粒級研究泥沙的遷移與分布規律*

胡亞鮮1，2Nikolaus J. Kuhn3

（1 西北農林科技大學水土保持研究所，陜西楊凌 712100）

（2 中國科學院水利部水土保持研究所黃土高原土壤侵蝕與旱地農業國家重點實驗室，陜西楊凌 712100）

（3 瑞士巴塞爾大學環境科學系，巴塞爾 4056 瑞士）

了解不同粒徑泥沙遷移運動規律，有助于深入理解侵蝕條件下碳、氮、磷等元素的生物地球化學過程。土壤營養元素的遷移轉化與泥沙顆粒的運動規律密切相關，而泥沙的運動規律由顆粒大小、性狀、孔隙度和密度等因素共同決定。依據泥沙顆粒沉降速度分選的原理，針對中國兩種典型侵蝕土壤（紅壤和黃綿土），分別進行了土壤機械組成（礦質土粒分選）和沉降速度分選測定。結果表明，土壤顆粒的沉降粒級可有效區分紅壤和黃綿土中不同粒徑團聚體的沉降速度，能夠更加準確地反映出同一粒徑顆粒因性狀、密度和孔隙度的差異而形成的不同沉降速度。相對于質地疏松的黃綿土，紅壤的機械組成顯示，有86.9%的有機碳與≤32 μm的礦物顆粒相結合，很有可能隨懸移過程匯入下游水體。但土壤顆粒沉降速度分布表明，約有90.5%的紅壤有機碳與等效石英粒徑≥63 μm的團聚體相結合，易在經歷較短的遷移過程后，快速沉積于下坡面。這表明，現有的土壤侵蝕模型大多利用土壤機械組成（即礦質粒徑大小）在反映泥沙運動或元素遷移規律方面存在片面性。土壤的團聚過程可有效縮減有機碳和無機碳的遷移距離，從而使其更易沉積于陸生環境。土壤顆粒的沉降速度分級對認識泥沙顆粒和養分元素在侵蝕—遷移—沉積過程中的生物地球化學過程提供了新的途徑和視角。

沉降管法；沉降速度；團聚體；遷移距離；有機碳；無機碳

土壤的侵蝕和遷移過程決定泥沙中元素的空間分布，而沉積區的微環境影響了泥沙中有機碳的生物地球化學轉化過程，從而對土壤有機碳總儲量、大氣中CO2的循環以及下游河流系統中元素的富集產生深遠的影響［1-3］。了解泥沙顆粒的運動規律是研究泥沙中養分元素（如有機碳或磷）在流域內的空間分布及生物地球化學特征的基礎［4-6］。泥沙的運動規律由顆粒大小、性狀、孔隙度和密度等因素共同決定［7-9］。然而，現今土壤侵蝕模型中，泥沙的沉降速度主要依賴于土壤礦質土粒或機械組成，即通過粒徑大小來估算，在反映泥沙運動規律方面存在片面性［10-13］。事實上，泥沙在侵蝕和遷移的過程中主要是以團聚體形式運動，而非礦質單粒形式［14-16］。團聚過程可將沉降速度慢的細小顆粒團聚成沉降速度較快的大顆粒，從而縮減其遷移距離。因此，相對于礦質土粒或機械組成，土壤團聚體的沉降速度能夠更加準確地反映泥沙的侵蝕和遷移過程［17］。然而，傳統的土壤團聚體分選方法，如濕篩和干篩［18-19］，除了依賴粒徑分級的片面性之外，在篩選過程中，團聚體也易因摩擦而破裂，造成大顆粒團聚體含量的減損，無法充分反映土壤團聚體的顆粒組成［20］。因此，水土流失過程中泥沙顆粒的理想分選方法，不僅需實現團聚體沉降速度分選，還應保持不同粒級團聚體的完整性。

1 材料與方法

1.1 供試土壤

本研究選用兩種典型侵蝕土壤，紅壤（簡育濕潤富鐵土，Hapli-Udic Ferrosols）和黃綿土（黃土正常新成土，Loessi-OrthicPrimosols），分別采集于江西南昌典型旱作坡耕地和黃土高原陜西省長武縣王東溝典型坡地。此兩種供試土壤質地相似，但其有機碳含量與團聚體結構差異甚大，可對比反映不同團聚結構對土壤顆粒運動規律的影響。相關土壤性狀見表1。本研究將兩種土壤分別進行兩種不同方法的分級——傳統機械（礦質土粒）組成法和沉降管法，對比分析兩種方法下土壤顆粒的差異性分布。

表1 供試土壤基本理化性質Table 1 Physio-chemical properties of the red soil and loess soil

1.2 土壤顆粒的礦質粒徑分選

稱取25 g風干土，浸入水中，配成總體積為100 ml的懸濁液。用超聲震蕩儀（Sonifer 250，Branson，美國）將此懸浮液以總能量為60 J ml-1的強度進行充分震蕩（總能量 = 震蕩儀輸出功率70 W ×震蕩時長85 s / 懸濁液總體積100 ml）。在震蕩過程中，注意通過水浴或者冰浴控制懸濁液的溫度變動小于5℃，防止震蕩能量因溫度變化而帶來的誤差。隨后，將震蕩后的懸濁液進行濕篩，并將其分選為六個礦質粒徑級別：≥500 μm、250～500 μm、125～250 μm、63～125 μm、32～63 μm、≤32 μm。分選后，晾干，稱重，并用總碳分析儀（Leco RC 612，St. Joseph，美國）測定各級別的有機碳和無機碳含量。試驗重復三次。

1.3 土壤顆粒的沉降速度分選

稱取25 g風干土，浸泡于50 ml水中，靜置15 min。土壤遇水后發生一定程度的團聚體破裂現象，此靜置過程可有效保證團聚體破裂程度的統一性，降低重復樣本之間的誤差。隨后，將該懸浮液樣品從沉降管頂部注入，根據不同團聚體顆粒的沉降速度，按特定時間間隔，進行分選。進行沉降速度分級實驗時，先使用投放器，將土壤樣品由沉降管頂部投放至沉降管水體中，旋轉水槽，依據斯托克斯定率（Stokes’Law）所計算出的不同顆粒的沉降時間，將收集器對準沉降管底端，實現對土壤樣品按照沉降速度進行分選收集。該方法不僅避免干篩或濕篩方法帶來的團聚體破壞，而且可最大限度地反映團聚過程對細小顆粒沉降時間的加速現象，從而更真實地推算團聚體的最大遷移距離，有效減小了單一依據礦質土粒分析而帶來的輸沙量估算方面的誤差。

具體而言，沉降管法主要通過速度沉降管設備實現，其主要由三部分組成（圖1）：（1）沉降管，用于土壤樣品自上而下沉降運動；（2）樣品投放器，用于將土壤樣品從沉降管頂端投入管內；（3）旋轉水槽，按照特定時間間隔旋轉，分級收集從沉降管底部沉降出的土壤顆粒。

沉降管：本實驗所用沉降管根據圖1所示設計，由透明聚氯乙烯（PVC）管所制，高80 cm，內徑5 cm，總容積約為1.57 L（圖1a）。進行土壤沉降速度分級的過程中，沉降管應始終充滿水，形成直立水柱用于土壤顆粒自上而下進行沉降。多數情況下，土壤顆粒小于2 mm，因此，沉降管內徑（50 mm）與土壤顆粒（2 mm）的比值大于25∶1，可有效避免邊界效應（＜ 10%）［17］。與吸管法相比，此沉降管主要有三點不同：（1）沉降管長度較長，可保證快速沉降的大顆粒團聚體能夠充分沉降，并在沉降管內實現有效分選；（2）沉降管直徑較大，可承載較大容積的混合液，有效避免各個顆粒之間的推擠或抱團現象，保證不規則形狀團聚體的順利沉降；（3）沉降管底端開口開闊，土壤顆粒可無阻礙排出，有效避免因細小出口所帶來的土壤顆粒堆積或者團聚體破裂現象。因此，與吸管法相比，沉降管法以更長沉降距離，更寬裕的管內徑，以及更開闊平順的底端開口，更適用于研究田間尺度泥沙的運動規律。

樣品投放器：用于將土壤樣品從頂端投至沉降管中，它主要有兩種樣式：推桿型（如Hu等［21］中所述）和閥門型（圖1a）。推桿型投放器是由一個約30 cm長的推桿穿過一個中空的容器，上下推送，實現樣品投放。該推送桿兩端分別配有可拆卸橡皮塞，用于密閉，實現沉降管內水柱直立不掉落。閥門型投放器是由兩個球形閥門與一個中空短管組成，通過先后控制球形閥門的開合，實現空間密閉和樣品投放。在投放土壤樣品之前，投放器容積約為80 cm3，約可容納土壤樣品25 g（干重），懸浮液濃度約為6 g L-1。根據Loch［17］的報告，此懸浮液濃度并不會對土壤顆粒的沉降運動造成干擾。若所需沉降分選樣品為徑流場或者流域內收集的泥沙，也可直接將泥沙鮮樣從沉降管頂部注入，實現泥沙鮮樣的實時沉降與分選，用于反映泥沙不同顆粒在徑流條件下的沉降速度，并推測其遷移距離分布。

旋轉水槽：放置于沉降管下端（圖1b），用于收集從沉降管底部沉降出的土壤顆粒。旋轉水槽主要由圓形水槽和收集器組成。旋轉水槽直徑約50 cm、深20 cm，容積約為40 L；水槽內放置小型樣品收集器若干，每個收集器容積約為290 cm3，并使初始收集器對準沉降管底部。土壤顆粒抵達沉降管底部之后，便可進入樣品收集器。經過指定時間后，便可轉動水槽，使下一個收集器對準沉降管底部，繼續收集下個速度級別的土壤顆粒。在土壤樣品沉降過程中，水槽內的水深必須沒過沉降管底部，與沉降管內的水柱形成一體，從而防止沉降管中的水柱掉落。若有條件，可在旋轉水槽底部設置電動馬達，與延時繼電器相連，準確控制水槽旋轉的時間點和間隔，實現土壤顆粒按照不同沉降速度進行分選（圖1c）。若條件有限，也可手動旋轉水槽，但必須均勻輕柔，防止因過快旋轉造成水槽內水體波動所帶來的土壤顆粒漂移。

圖1 沉降速度管設備（a.設備整體構造，b.樣品分選過程，c.分選后顆粒）Fig. 1 The settling tube apparatus（a. the complete apparatus setting，b. settling fractionation，c. soil particles after fractionation）

1.4 顆粒沉降時間間隔計算

根據斯托克斯定律，土壤顆粒在水體中的沉降速度可由以下公式計算：

式中，V為沉降速度，m s-1；h為沉降距離（即沉降管長度+投放器內懸浮液高度），m，；t為沉降時間，s；d為土壤粒徑，mm；g為重力加速度，約為9.81 N kg-1；η為20℃時的水體黏度，約為1×10-3Ns m-2；Ds為土壤顆粒平均密度，約為2.65 ×103kg m-3；Df為水體密度，約為1.0 × 103kg m-3。理論上，斯托克斯定律多用于計算粒徑小于0.07 mm顆粒的運動規律［22］，因此，對于與本實驗供試土壤質地差異較大的其他土壤，可視具體情況，選取相應計算公式［22-23］。

為與傳統機械（礦質土粒）組成法進行對比，并方便與現有土壤侵蝕模型中的沉降速度參數結合，本文特利用“等效石英粒徑”這一概念，表達與某一石英粒徑具有相同沉降速度的土壤團聚體的粒徑［17，21］。具體而言，依據斯托克斯定律，將土壤團聚體的以下6組“等效石英粒徑”：≥ 500 μm、250～500 μm、125～250 μm、63～125 μm、32～63 μm、≤32 μm，轉化為不同沉降時間（表2）。經過868 s沉降后，最細小顆粒，即等效石英粒徑≤32 μm的顆粒，仍以懸浮液狀態滯留于沉降管中。可將其放出，靜置，晾曬，收集，計為等效石英粒徑≤32 μm顆粒。利用總碳分析儀（Leco RC 612，St. Joseph，美國）測定不同粒徑中有機碳、無機碳以及總碳含量。試驗重復三次。若土壤樣品的團聚結構與本實驗中所選土壤差異較大，可根據需要調整時間間隔（二次分割，或者合并），充分反應目標樣品的團聚體沉降速度特征。

表2 土壤顆粒沉降速度、沉降時間和泥沙空間分布Table 2 Settling velocities，times，and likely spatial distribution of soil particles based on equivalent quartz size classes

1.5 數據處理

本文所有數據分析由Microsoft Office Excel 2010完成，文中顯著性差異分析由SPSS 21完成，用最小顯著差異法（LSD）進行均值間顯著性檢驗，顯著性水平取0.05。

2 結果與討論

2.1 土壤顆粒的沉降速度分布與機械組成分布的差異

通過兩種不同的分選方法所得土壤顆粒的分布狀況如圖2。結果表明，機械（礦質土粒）組成法所得顆粒分布中細顆粒偏多（如，紅壤中≤32μm的細顆粒占87.8%），而利用沉降管所得大顆粒較多（如，紅壤中≥63 μm的大顆粒占94.5%）。這主要是因為，傳統的機械（礦質土粒）組成法破壞了土壤中的團聚體，而沉降管法最大限度地保存了土壤團聚體的原有結構。若按照傳統侵蝕模型，利用土壤機械組成對泥沙的空間分布進行預測，那么，紅壤中粒徑≤32 μm的細顆粒（87.8%）將很有可能隨懸移經歷較久的遷移過程，甚至很有可能匯入下游水體。然而，實際上，紅壤通過團聚過程將細小黏粒或沙粒形成較大團聚體，加速其沉降速度，從而縮短遷移距離。若根據團聚體沉降速度分布，該紅壤中94.5%的土壤顆粒實際為等效石英粒徑≥63 μm的團聚體，很有可能最終將隨團聚體沉積于陸地表面。此種現象，在團聚體結構較弱的黃綿土中也有體現，僅是程度較弱：75.8%的黃綿土為機械組分≤32 μm的細小顆粒，依傳統侵蝕模型預測，將很有可能匯入下游水體；但根據團聚體實際沉降速度分布，其71.6%的土壤顆粒實際為等效石英粒徑≥63 μm的團聚體，很有可能在經歷較近的遷移距離后沉積。這一結果表明，現有土壤侵蝕模型中，依據土壤機械組成（即礦質粒徑大小）而推算的泥沙空間假設是不正確的。

圖2 紅壤與黃綿土沉降速度分選與機械（礦質土粒）組成法的粒級分布Fig. 2 Comparison of weight distribution in red soil and loess soil fractionated by settling and dispersion

2.2 有機碳隨團聚體沉降速度的差異性分布

有機碳單位含量（圖3）在紅壤的各機械粒級和各沉降粒級之間盡管存在顯著性差異，但其均值在數量級上差異不大（≤32 μm組除外）。然而，將有機碳單位含量（圖3）與各自粒徑的重量（圖2）相乘之后，有機碳總量分布在兩種不同分選方法間則存在明顯差異（圖4）。盡管，其機械（礦質土粒）組成法所得有機碳分布情況表明，86.9%的有機碳是與紅壤中≤32 μm的細小顆粒相結合，很有可能隨懸移過程匯入下游水體，從而被掩埋保護，減緩礦化分解過程［26-27］。但土壤顆粒沉降速度分布卻顯示，約有90.5%的紅壤有機碳與等效石英粒徑≥63 μm的團聚體相結合（圖4），在經歷較短的遷移過程后，快速沉積于下坡面。此部分團聚體，快速沉積后，將在后續的降雨和侵蝕事件中，反復經歷侵蝕—遷移—沉積過程，并伴隨著團聚體破裂和礦化過程［28-29］。此結果與Hu等［21］觀察到的規律相似。黃綿土有機碳單位含量在不同礦質顆粒中分布明顯高于團聚體沉降顆粒（圖3），這主要是因為黃綿土的結構差，超生震蕩后破裂程度比紅壤更徹底，其有機碳在測定過程中的氧化程度更高。

2.3 無機碳隨團聚體沉降速度的差異性分布

圖3 有機碳單位含量在紅壤和黃綿土不同沉降速度和礦質粒級中的分布Fig. 3 Comparison of the organic carbon content per unit in red soil and the loess soil fractionated by settling and dispersion

圖4 有機碳總量在紅壤和黃綿土不同沉降速度和礦質粒級中的分布Fig. 4 Comparison of total organic carbon in red soil and the loess soil fractionated by settling and dispersion

圖5 無機碳單位含量在紅壤和黃綿土不同沉降速度和礦質粒級中的分布Fig. 5 Comparison of the inorganic carbon content per unit of soil in red soil and the loess soil fractionated by settling and dispersion

圖6 無機碳總量在紅壤和黃綿土不同沉降速度和礦質粒級中的分布Fig. 6 Comparison of the total inorganic carbon in red soil and the loess soil fractionated by settling and dispersion

紅壤中無機碳單位含量普遍較小（圖5），盡管在不同粒級間存在顯著性差異，但其均值在數量級上差值不大。此外，黃綿土中的無機碳單位含量明顯高于紅壤，且在團聚體沉降速度粒級與機械組成粒級之間也存在較大差異。在將無機碳單位含量（圖5）與各自粒徑的重量（圖2）相乘之后，無機碳總量分布的差異性表現則較為明顯（圖6）：盡管其機械組份表明，77.9%的無機碳是與黃綿土中≤32 μm的細小顆粒相結合，但其實約有59.1%的黃綿土無機碳存在于等效石英粒徑≥63 μm的團聚體中。這也表明，黃綿土中無機碳與不同團聚體粒徑的結合，也直接影響了其在黃土高原不同流域的空間分布。特別是在土壤pH適宜的條件下，土壤無機碳含量與水熱之間的關系，也將會影響土壤中有機碳的固存和礦化過程［30］。這就意味著，隨著不同顆粒在不同地點的富集或減損，與其結合的有機碳和無機碳所處的微環境也隨之改變，從而影響整個流域內有機碳和無機碳的生物地球化學變化［31-33］。

3 結 論

相較于傳統方法僅依賴于土壤機械組成（礦質粒徑大小）所進行的測算，此沉降管法用團聚體沉降速度進行分級，能更加全面地反映泥沙運動規律，明確泥沙顆粒的遷移距離和空間分布特征，從而準確了解營養物質的遷移轉化過程，為深入理解土壤侵蝕—遷移—沉積全過程對有機碳循環的影響提供理論依據。本研究還證實了團聚過程可將沉降速度較慢的細小黏粒或沙粒匯聚成沉降速度較快的較大團聚體，從而加速了細小顆粒的沉降速度，縮短其遷移距離。這也就意味著，那些原本經懸移運動至下游水體的細小顆粒，由于團聚過程的加速效應，將隨較大的團聚體沉積于坡腳附近，從而改變了現有侵蝕模型中對于泥沙空間分布的假定。由于沉降管法是利用泥沙顆粒的沉降速度來反映其運動規律，無其他限制條件，因此，可適用于分析不同類型土壤在不同侵蝕程度下的泥沙運動規律，對重新認識養分元素在侵蝕—遷移—沉積過程中的生物地球化學過程提供了新的視角。

致 謝感謝瑞士巴塞爾大學實驗員Ruth Strunk在實驗操作方面給予的指導與幫助，感謝中國科學院水土保持研究所郭勝利研究員和西北農林科技大學資環學院博士研究生王蕊在論文整理與修改期間的幫助與支持。

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Using Settling Velocity to Investigate the Patterns of Sediment Transport and Deposition

HU Yaxian1，2Nikolaus J. Kuhn3
（1Institute of Soil and Water Conservation，Northwest A&F University，Yangling，Shaanxi712100，China）
（2State key Laboratory of Soil Erosion and Dryland Farming on the Loess Plateau Institute of Soil and Water Conservation，Chinese Academy of Sciences and Ministry of Water Resources，Yangling，Shaanxi712100，China）
（3Physical Geography and Environmental Change，Department of Environmental Sciences，University of Basel，4056，Switzerland）

【Objective】Knowledge about thet ransport patterns of sediment helps to understand the erosion-induced biogeochemical processes of C，N and P. The sediment transport distance is closely associated with its settling velocity distribution，which is dependent on the size，shape，density and porosity of sediment particles. In fact，aggregation processes turn fine particles into large aggregates，speeding up the settling velocity of individual particles and shortening their transport distances. However，most of the soil erosion models currently available are using soil texture or mineral particle distribution，therefore cannot fully reflect the transport behavior of sediment particles.【Method】Two typical types of soils in China，red soil（Hapli-Udic Ferrosols）and loess soil（Loessi-OrthicPrimosols），were investigated in this study.The two soils had similar texture，but were distinctive in aggregate stability and soil organic carbon content.They were，therefore，considered as suitable objects in this study to explore the potential differences between settling velocity distribution and mineral size distribution. The two soils were fractionated by two methods：conventional wet-sieving into mineral size distribution；and settling tube fractionation into settling velocity distribution. The weight distribution，total organic carbon concentration and total inorganic carbon concentration of individual classes were measured and compared. 【Result】Results show that，compared with the conventional soil mineral size distribution，fractionation using settling tube is more effective in distinguishing the settling velocity distributions of red soiland loess soil. This is because clay-sized particles are more likely to be cooperated into aggregates，which facilitate the settling velocity of individual mineral particles，and thus largely shorten their potential transport distance. In particular in the better aggregated red soil，about 86.9% of the soil organic carbon was associated with fine particles ≤32 μm，which is very likely to stay as suspension and thus transported downstream once erosion occurs. However，as a matter of fact，about 90.5% of the soil organic carbon was combined with coarse aggregates of equivalent quartz size ≥63 μm，which would probably be deposited at the footslope immediately after short transport distance. Similar patterns of soil inorganic carbon distributions were observed in the loess soil. All the findings demonstrate that aggregation effects can effectively shorten the transport distance of soil organic and inorganic carbon and skew their distributions towards the terrestrial system than if otherwise predicted by mineral size distributions.【Conclusion】Settling velocity specific redistribution of sediment particles casts new light on our current understanding of C，N and P biogeochemical processes during soil erosion and sediment transport and deposition. Therefore，settling velocity specific distribution of sediment particle should be considered as a soil erodibility parameter to be applied to soil erosion models.

Settling tube；Settling velocity；Aggregates；Transport distance；Organic carbon；Inorganic carbon

K903

A

10.11766/trxb201703100056

* 國家自然科學基金項目（41371279）和西北農林科技大學基本科研業務費專項基金項目（2452017191）資助 Supported by the National Natural Science Foundation of China（No. 41371279）and the Fundamental Research Funds of Northwest A&F University（No. 2452017191）

胡亞鮮（1986—），女，河南鄭州人，博士，副研究員，主要從事土壤侵蝕研究。E-mail：huyaxian@nwafu.edu.cn

2017-03-10；

2017-05-18；優先數字出版日期（www.cnki.net）：2017-06-02

（責任編輯：陳榮府）