雨滴直徑對表土結構和入滲特征的影響

馬敢敢, 李光錄,2, 穆旭東, 侯衛亮

(1.西北農林科技大學 資源環境學院, 陜西 楊凌 712100; 2.西北農林科技大學 水土保持研究所, 陜西 楊凌 712100)

水蝕是指在水的作用下，表層土壤被破壞、推移、沉積的過程[1]。降雨雨滴打擊表層土壤，導致土壤團聚體破碎[2]，在地表薄層徑流的作用下進一步運輸與遷移，形成致密的土壤結皮[3-4]。分散的土壤細小顆粒堵塞孔隙，減小孔隙率，改變表層土壤微結構，繼而導致土壤的導水透氣性變差，入滲率減小，地表徑流增大，加劇水蝕過程[5]。土壤入滲是指水分透過表土進入深層土壤的過程[6]，是降水、地面水、土壤水和地下水相互轉化的重要環節，對土壤中的水分含量、物質循環、地表徑流和侵蝕過程都有重要影響[7-8]。

土壤結構包括土壤團聚體結構和孔隙結構兩方面，均具有不同的大小、形狀和空間排列[9]。土壤團聚體是土壤結構的基本單元，其穩定性是影響土壤侵蝕和地表徑流的重要因素之一，已被廣泛用于評價土壤結構穩定性和土壤質量的指標。在土壤侵蝕領域，研究顯示，土壤粒徑分布[10]，土壤有機質含量[11]，前期含水率[12]等因素對土壤團聚體的穩定性有著重要的影響。在降雨侵蝕過程中，團聚體的破碎和分離主要是大直徑雨滴造成的，雨滴直徑越大，團聚體的破碎和分散程度越高，破碎的土壤細顆粒為土壤結皮的形成提供了基礎物質[1-2]。在土壤孔隙的研究方面，近年來學者們多使用X射線計算機斷層掃描技術對土壤孔隙成像處理[13-14]，與傳統土壤切片電鏡成像方式相比，其具有快速、無損等許多優勢，可以對土壤團聚體或孔隙進行可視化觀察與定量分析研究。孔隙特征越來越多地用于描述土壤結構，孔徑分布、孔隙率和孔隙連通性對土壤入滲率有重要影響[13-15]。

降雨的滲透，地下水的補給和蒸散作用影響土壤水分的垂直變化和分布，土壤入滲還與土壤結構、土壤物理性質、地表覆蓋率和地形等因素密切相關[16]。研究發現累積入滲量和濕潤鋒推進速度隨土壤團聚體粒徑的增大而減小[17]，土壤孔隙度和土壤有機質含量的增加會促進土壤入滲[18]。吳發啟等[19]認為降雨后的土壤表層形成封閉的結皮限制了土壤水分的滲透，較高的降雨強度會增加土壤含水量并且減小入滲率。盡管最近有很多關于降雨條件下土壤入滲特征的研究，但很少從土壤結構變化的角度揭示土壤入滲特征變化的根本原因。

黃土高原是世界上水土流失最嚴重的地區之一，其生態環境脆弱，水資源匱乏。因全球氣候變暖的影響，該區域年降雨量和降雨天數逐漸減少，但降雨強度反而呈上升趨勢[7,17]，短時強降雨造成了黃土高原嚴重的水蝕現象。雨滴擊濺侵蝕是造成水土流失的重要原因之一，土壤團聚體經過雨滴濺蝕破碎成細小的顆粒，堵塞孔隙，改變孔隙率，進而影響土壤入滲特征。土壤入滲特征的變化可能導致土壤水分供應條件的變化，這將嚴重影響生態系統的結構和功能，影響農業生產活動[8]。研究以黃土高原典型耕作層土壤土為研究對象，量化分析不同雨滴擊濺下土壤團聚體和孔隙的結構特征以及土壤入滲特征，分析雨滴擊濺與土壤結構和入滲特征的關系，揭示降雨侵蝕與入滲機理，為土壤侵蝕研究提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 土壤樣品采集與理化分析

土壤樣品采集于陜西省楊凌區(108°03′30.03″E，34°18′25.95″N)。該地區屬于暖溫帶半濕潤大陸性氣候，年平均氣溫13℃，年平均降水量550～650 mm，主要集中在7月、8月、9月。研究區的土壤類型為土，主要表現為壤質或粉壤質地。研究在去除土壤表層的枯枝落葉后，通過五點采樣法，用環刀(直徑10 cm，高5 cm)獲取表層(0—20 cm)原狀土，共采集環刀樣品75個，其中3個環刀樣品用來測量土壤容重，其余樣品用于模擬降雨和后續試驗。另收集1 000 g散土樣品用于土壤理化性質分析。使用傳統方法測得土樣容重1.36 g/cm3，含水率22.44%,有機質1.30%,CaCO3含量74.54 g/kg;機械組成：砂粒(2～0.02 mm)、粉粒(0.02～0.002 mm)和黏粒(<0.002 mm)分別為29.96%，43.68%，26.36%。

1.2 試驗設計與分析

試驗于2020年在西北農林科技大學水土保持工程實驗室進行。對采集后的環刀土樣進行模擬降雨試驗，試驗采用自制降雨裝置，見圖1A，雨滴發生裝置為針頭下滴式，由頂部開口的圓柱體(直徑為10 cm，高10 cm)組成，在其底部每隔2 cm等間距布設醫用針頭21個。降雨試驗前，將土樣置于低于環刀高度的裝水箱體內飽和8 h，然后取出靜置12 h，使環刀內水重力流出，保持樣品具有相同含水率。模擬降雨期間向圓柱體內供應保持2 cm高的恒定水頭，通過控制針頭型號得到不同的雨滴直徑。試驗過程中使用3種型號的針頭(7，12，16)，每個型號針頭的降雨持續時間為10 min。測得3種針頭產生的雨滴直徑分別為2.67，3.39，4.05 mm，降雨強度分別為5.76，68.61，217.26 mm/h，雨滴能量分別為2.41×10-5，5.15×10-5，8.97×10-5J/(m2·s)，降雨參數符合黃土高原降雨特征。同時設置未擊濺(CK)、第1次擊濺(R1)、第2次擊濺(R2)和第3次擊濺(R3)等不同擊濺次數處理，用擊濺次數-雨滴直徑表示每組處理，如R1-2.67，以下表示相同意義。擊濺完成后將樣品置于室內自然風干，擊濺間隔時間為7 d。模擬降雨試驗共10組不同處理，其中1組為對照處理(未擊濺)，9組為不同雨滴直徑和擊濺次數擊濺處理。其中對照處理和第1次擊濺下不同雨滴直徑處理各重復9次，擊濺后分別進行同步輻射CT掃描、入滲、結皮強度等試驗，每項試驗各重復3次；第2次、第3次擊濺下不同雨滴直徑處理各重復6次，擊濺后分別進行入滲、結皮強度試驗，每項試驗各重復3次。

用小刀從未擊濺土壤樣品與第1次不同直徑雨滴擊濺風干后的樣品表層獲取干土塊，長度、寬度和高度均為2 cm，保存在海綿容器中。對選取的12個土塊(表層0.5 cm)進行同步輻射CT掃描。圖像掃描采用的是上海同步輻射裝置中的X射線成像及生物醫學應用線站(BL13W1)的同步輻射CT裝置，使用裝置配套軟件(PITRE)進行圖像轉換和切片重構。土壤掃描圖像的處理、可視化和量化分析均在ImagePyv0.2軟件中進行，具體掃描參數與圖像處理操作步驟方法詳見參考文獻[14]。

土壤結皮強度使用數顯推拉力計法測定，每組降雨擊濺試驗結束后將樣品置于室內自然風干7 d，使用數顯推拉力計測定土壤結皮強度，同時測量相應土壤含水率，將測得的土壤結皮強度與相應含水率數據進行擬合，取平均含水率下對應的數據作為每組處理的土壤結皮強度。土壤飽和入滲特征用環刀法測定，裝置見圖1B，將空環刀倒放在樣品環刀上，用凡士林和防水膠帶密封連接。將薄海綿片放置在空環刀內，防止供應的水流對土樣的破壞。通過馬氏瓶向環刀內供水，并保持環刀內水頭高度5 cm不變。通過電子天平記錄讀數，試驗時間共持續60 min。

圖1 試驗裝置示意圖

1.3 數據分析

提取團聚體和孔隙的三維結構參數來描述表土結構特征，根據土壤團聚體的粒徑大小將團聚體劃分為5個等級：≥500，250～500，106～250，53～106，<53 μm。將粒徑≥250 μm的團聚體定義為大團聚體，<250 μm的團聚體定義為微團聚體[2]。根據孔隙的當量直徑將孔隙劃分為6個等級：≥1 000，100～1 000，75～100，50～75，25～50，<25 μm。將孔徑≥100 μm的孔隙定義為大孔隙，<100 μm則為小孔隙[14]。

土壤團聚體幾何平均直徑(GMD)通過修改Katz等[20]提出的方法計算，假設土壤各粒級團聚體密度相同，將式中各粒徑的質量分數轉化為體積分數，通過圖像處理提取的團聚體體積數據進行計算，如下：

(1)

式中:xi為任一粒徑范圍團聚體的平均直徑(μm);pi為任一粒徑范圍團聚體的體積占總體積的分數(%)。

利用ImagePy v0.2軟件的Kit3D工具計算土壤團聚體數量(A)、團聚體三維分形維數(FD)、孔隙體積(VP)。土壤孔隙比表面積(SSP)可用孔隙內壁表面積與孔隙體積的比值來定量描述，可反映單位體積上內孔壁對水分和溶質運動的阻擋能力。土壤大孔隙率(PL)通過圖像處理時孔徑≥100 μm的孔隙體積與研究區域體積的比值進行計算。土壤孔隙堵塞率(CR)通過雨滴擊濺前后土壤孔隙率的變化計算[14]。

(2)

式中:P0為未擊濺土壤孔隙率(%);Pi為不同雨滴擊濺后土壤孔隙率(%)。

入滲特征的滲透參數和減滲效應(IR)的計算方法如下[21]：

(3)

(4)

(5)

式中：v為滲透速率(mm/min)；Qn為單位時間滲出水量(ml)，試驗時根據天平讀數即滲出水質量換算成體積；S為環刀橫截面積(cm2)；tn為單位入滲間隔時間(min)，取試驗末4次單位間隔時間入滲速率均值為穩滲速率；K10為溫度為10℃時的飽和導水率(mm/min)；h為環刀內水頭高度(cm)；L為土層厚度(cm)；t為測定時水的溫度(℃)；IR為減滲效應(%)；v0為未擊濺土滲透參數；vi為不同雨滴擊濺后土壤滲透參數。

試驗中使用Microsoft Office Excel 2019，Origin Pro 2021和SPSS 16.0進行數據處理、圖表繪制和統計分析。數據分析采用方差分析(ANOVA)和最小顯著差異法(LSD)，均在p<0.05的顯著性水平下進行差異顯著性檢驗，表格中的誤差使用標準偏差表示。

2 結果與分析

2.1 雨滴擊濺與表土結構微觀變化

對第1次不同直徑雨滴擊濺后的表層土塊進行同步輻射CT掃描和圖像處理后，得到表層土壤結構的二維和三維圖像(圖2)。在二維灰度圖和二值圖中，白色區域表示土壤團聚體，黑色區域表示土壤孔隙，在三維圖中顯示的是孔隙結構(灰色框內)。從圖中可以看出擊濺后土壤團聚體粒徑小與未擊濺土，并且隨著雨滴直徑的增大，團聚體破碎程度越明顯，大團聚體破碎成微團聚體，在各種力的相互作用下進一步聚集形成封閉區域。擊濺土壤孔隙被破碎的團聚體堵塞，大孔隙體積減小，連通性降低，微孔隙數量增加，孔隙變得更加孤立。隨著雨滴直徑的增大，其動能相應增加，對土壤結構的影響也就越大。

注：灰度圖與二值圖邊長均為1.664 mm×1.664 mm，三維圖中立方體邊長均為1.664 mm×1.664 mm×1.664 mm。CK表示對照組(未擊濺)；用擊濺次數—雨滴直徑表示各擊濺處理，例R1-2.67表示第1次2.67 mm直徑雨滴擊濺處理，以下表示相同意義。圖2 雨滴擊濺下土壤微觀結構變化

2.2 雨滴擊濺下土壤團聚體與孔隙結構特征

對表土團聚體三維結構進行分析和提取，得到土壤團聚體的結構特征參數和分布特征，見表1和圖3。從表1可以發現，雨滴擊濺后土壤A和FD大于未擊濺土，且隨雨滴直徑的增加逐漸增加，4.05 mm直徑雨滴擊濺后A和FD顯著增加(p<0.05)。FD是土壤破碎度的度量，值越大，則團聚體的破碎或分散程度越大，細粒物質(黏粒，粉粒)含量越高，對空間的填充能力越強[11]。雨滴擊濺后土壤GMD小于未擊濺土，且隨雨滴直徑的增加逐漸減小，不同雨滴直徑間無顯著差異(p>0.05)。GMD反映團聚體大小及穩定性，值越小，微團聚體越多，土壤結構越不穩定[22]。從圖2中可以發現，表層土壤主要由微團聚體(<250 μm)構成，其中占比最大的是106～250 μm粒徑的團聚體，占總團聚體數量的36.90%～68.86%。擊濺土壤大團聚體(>250 μm)數量小于未擊濺土，且隨雨滴直徑的增加而減少。擊濺土壤微團聚體數量大于未擊濺土，且隨著雨滴直徑的增加逐漸增加。但4.05 mm直徑雨滴因較大的雨滴能量使106～250 μm粒徑團聚體繼續破碎，所以數量小于未擊濺土。

表1 雨滴擊濺下土壤團聚體和孔隙特征參數

圖3 雨滴擊濺下土壤團聚體與孔隙分布特征

表土孔隙三維結構進行分析和提取，得到表土孔隙的結構特征參數和分布特征，見表1和圖3。從表1可以發現，雨滴擊濺后的VP和PL小于未擊濺土，且隨雨滴直徑的增加逐漸減小。SSP反映孔隙的連通性，值越大連通性越低，雨滴擊濺后的SSP大于未擊濺土，且隨雨滴直徑的增加而增加。從圖2中可以發現大孔隙(>100 μm)是土壤孔隙的主要組成部分，占土壤孔隙總體積的89.52%～98.86%。擊濺土壤中孔徑≥1 000 μm的孔隙體積隨雨滴直徑的增加逐漸減小，4.05 mm直徑雨滴擊濺后100～1 000 μm孔徑的孔隙體積顯著增加(p<0.05)。微孔隙(≤100 μm)體積占土壤孔隙總體積的3.46%～8.02%，對土壤入滲的影響效果微弱。擊濺土壤孔隙堵塞率均大于0，且隨雨滴直徑的增加而增加，2.67，3.39，4.05 mm直徑雨滴擊濺后CR分別為1.29%，23.99%，46.40%，不同直徑雨滴擊濺土壤孔隙堵塞率間差異顯著(p<0.05)。

團聚體破碎的機制主要是通過快速潤濕和雨滴擊濺作用引起的機械破壞導致團聚體的崩解[4,6]。雨滴擊濺作用導致土壤穩定性降低，>0.25 mm團聚體破碎成<0.25 mm的微團聚體[1-2]，改變表土團聚體結構特征。雨滴直徑對表土結構的改變有著顯著的影響，隨著雨滴直徑的增大，其降雨強度和降雨能量也增大，團聚體破碎程度加重，微團聚體分布更加密集，土壤結構穩定性越差。同時雨滴擊濺改變了表土孔隙的結構和分布，擊濺土壤孔隙被破碎的團聚體堵塞，大孔隙率減小，孔隙連通性降低，孔隙結構更加復雜。Yang等[14]認為土壤孔隙的孔徑分布與孔隙形狀受雨滴擊濺的影響，雨滴擊濺后，總孔隙體積、細長孔隙率和平均孔徑減小，減小孔隙連通性。土壤孔隙率的下降是由大孔隙的減少引起的，土壤中幾乎所有入滲的水分都是由大、中孔隙傳輸的[23-24]。隨著雨滴直徑的增加，大孔隙連通性逐漸降低，微孔隙多為孤立孔隙，且其數量逐漸增加，土壤孔隙堵塞程度更嚴重。

2.3 雨滴擊濺下土壤結皮強度與飽和入滲特征

多次雨滴擊濺處理后，土壤結皮強度隨雨滴直徑的增加逐漸增加，且擊濺次數越多，土壤結皮強度越大(表2)。R3處理下3種直徑雨滴擊濺土壤的結皮強度分別為8.49，10.33，15.84 kPa，與未擊濺土相比，分別增加了47.61%，51.39%，65.97%。雨滴擊濺后形成的土壤結皮影響土壤入滲特征，通過方差分析發現擊濺次數和雨滴直徑對土壤穩滲速率有著顯著影響(p<0.05)，F值分別為50.99，5.88，表明擊濺次數的影響更大。

表2 雨滴擊濺下土壤結皮強度變化

圖4顯示了雨滴擊濺后土壤的入滲過程，未擊濺土入滲曲線隨時間的變化呈增加—平穩—下降的趨勢，達到穩滲后，較大的入滲速度將土壤孔隙中的細顆粒淋洗到下層，堵塞入滲通道，造成入滲速率的減小。擊濺土壤入滲速率呈增加—平穩的趨勢。隨著雨滴直徑的增加，入滲能力越小；隨著擊濺次數的增加，土壤達到穩滲狀態的時間逐漸提前，雨滴直徑對入滲的影響減弱。表3顯示了不同雨滴擊濺下土壤各滲透參數和相應的減滲效應，累積入滲量、穩滲速度和K10隨雨滴直徑和擊濺次數的增加呈現相同的變化趨勢。雨滴擊濺后土壤入滲能力小于未擊濺土，且雨滴直徑越大、擊濺次數越多，入滲能力越小。R1處理下，4.05 mm直徑雨滴對土壤入滲能力的影響最大，累積入滲量的減滲效應為65.13%。R2處理下，3.39 mm直徑雨滴對土壤入滲能力的影響最大，累積入滲量的減滲效應為81.83%。R3處理下，2.67 mm直徑雨滴對土壤入滲能力的影響最大，累積入滲量的減滲效應為91.81%。相同直徑雨滴不同擊濺次數處理間的IR有顯著差異(p<0.05)，相同擊濺次數不同直徑雨滴處理下的IR有顯著差異(p<0.05)，但隨著擊濺次數的增加，差異漸無。

圖4 雨滴擊濺下土壤入滲速率與時間關系

表3 雨滴擊濺下土壤滲透參數與減滲效應

土壤結皮的形成與發育依賴于土壤本身的理化性質，降雨特征，地表微地形等因素[25-27]。路培等[12]認為影響土壤結皮強度的3個主要因子中，降雨強度的直接作用最大。降雨特征中的雨滴直徑和擊濺次數對土壤結皮的發育有促進作用，雨滴直徑越大，擊濺次數越多，形成的土壤結皮強度越大，對土壤孔隙的堵塞更嚴重。表3顯示的減滲效應均為正值，說明雨滴擊濺會減少土壤入滲率，且隨著雨滴直徑和擊濺次數的增加，土壤入滲率逐漸減小。吳發啟等[19]發現在較高的降雨強度下會增加土壤含水量并且減小土壤入滲率。Carmi等[28]通過模擬降雨試驗發現雨滴能量影響土壤入滲速率，未受保護地塊的入滲速率小于受保護地塊，并且雨滴能量越大，未受保護地塊的入滲速率下降速度更快。我們的研究與這些結果類似，雨滴打擊地表，在雨滴動能的壓實和土壤團聚體的運輸作用下形成密閉的土壤結皮，減小土壤入滲速率，雨滴直徑越大，擊濺次數越多，土壤滲透能力越弱。

2.4 雨滴擊濺下土壤結構與入滲特征的關系

選取雨滴直徑(Rd)和土壤結構特征參數等7個因子與土壤穩滲速率進行相關性分析(表4)，發現除GMD外，其余因子與土壤穩滲速率呈極顯著相關關系(p<0.01)。其中，Rd，A，FD和SSP等因子與土壤穩滲速率呈極顯著負相關關系(p<0.01)，VP和PL與土壤穩滲速率呈極顯著正相關關系(p<0.01)，VP與土壤穩滲速率相關性最大。除GMD外，雨滴直徑和各土壤結構特征參數與土壤穩滲速率間存在顯著的指數關系，土壤穩滲速率隨Rd，A，FD和SSP的增加呈減逐漸小的指數函數關系，R2=0.597～0.732(p<0.05)。土壤穩滲速率隨VP和PL的增加呈逐漸增大的指數函數關系，R2=0.678～0.697(p<0.05)。

表4 各因素與穩滲速率的相關性和擬合方程

雨滴擊濺能夠顯著影響土壤飽和入滲特征，雨滴擊濺對入滲特征的影響主要取決于雨滴對土壤表層的機械作用[5-6,8]，而不是土壤顆粒間的化學分散作用[28]，土壤團聚體和孔隙的結構特征對研究土壤入滲能力具有重要作用，土壤結構參數可以用來預測土壤飽和導水率的協變量，使預測結果更有效和準確[9]。Giménez等[29]發現可以用孔隙體積和孔隙表面粗糙度的分形維數來預測土壤飽和導水率。通過土壤降雨和入滲試驗，結果表明孔隙體積對入滲率的影響最大，這與Lipiec等[30]的結論一致，他們發現耕作方式通過改變孔隙結構和孔隙率來影響土壤入滲率，免耕地的孔隙率和土壤入滲率小于常規耕作地。研究表明，雨滴擊濺作用下的土壤結構特征與土壤入滲能力顯著相關，雨滴擊濺作用導致土壤結構特征發生變化，并造成了土壤入滲能力的差異。

3 結 論

(1) 與未擊濺土相比，擊濺土壤結構和分布特征發生變化，土壤團聚體數量和三維分形維數顯著增加(p<0.05)，>250 μm粒徑團聚體減少，土壤結構更加破碎與松散；土壤孔隙體積和大孔隙率顯著減小(p<0.05)，孔隙比表面積和孔隙堵塞率顯著增加(p<0.05)。大直徑雨滴擊濺造成的團聚體破碎程度更嚴重，孔隙被破碎的團聚體堵塞，連通性降低。

(2) 雨滴擊濺產生的破碎團聚體在土壤表層形成致密的結皮，且結皮強度隨雨滴直徑和擊濺次數的增加逐漸增大。雨滴擊濺會顯著減小土壤入滲速率，且隨擊濺次數和雨滴直徑的增加，累積入滲量、穩滲速率、飽和導水率等入滲特征參數均呈減小的趨勢。大直徑雨滴擊濺土壤的減滲效應更顯著，經過3次雨滴擊濺后，土壤減滲效應最高可達91.81%。

(3) 土壤穩滲速率與土壤團聚體數量、三維分形維數、孔隙體積、孔隙比表面積、大孔隙率等表土結構特征參數呈極顯著相關關系(p<0.01)，且隨表土結構特征參數的變化呈指數關系變化(p<0.05)。研究為揭示雨滴擊濺作用下土壤入滲特征變化的原因與機理提供了理論依據。