侵蝕強度對淮北土石山區土壤團聚體組成及穩定性的影響

李 肖, 陳 晨, 林 杰, 朱 茜, 董 波, 丁鳴鳴

(1.南京林業大學，江蘇省南方現代林業協同創新中心,江蘇省水土保持與生態修復重點實驗室， 南京 210037； 2.南京水務局， 南京 210036)

土壤團聚體是土壤結構的基本組成部分，一定程度上影響著土壤的各種理化性質，進而影響土壤肥力和土壤抗蝕性[1]。土壤侵蝕與土壤團聚體密切相關[2-3]。一方面，土壤團聚體通過有機物質或鐵鋁氧化物相互膠結，微團聚體黏合成大團聚體，形成穩定的空間結構抵抗降雨的剝蝕和徑流的沖刷[4-5]。許多學者認為通過提高水穩性團聚體的百分含量以及水穩性可以提高土壤抗侵蝕能力[6-7]。另一方面，土壤侵蝕的強度和類型在一定程度上影響著大團聚體的數量組成與穩定，土壤團聚體的破壞以及解體會加劇土壤侵蝕過程[8]。眾多研究[9-11]結果都表明土壤結構性的問題例如土壤硬化板結、低孔隙率、低入滲率甚至溝蝕、片蝕等水土侵蝕現象等都與土壤團聚體的穩定性下降具有一定的相關性。此外，團聚體粒徑組成可作為衡量土壤可蝕性指標[12]，團聚體穩定性影響著土壤的入滲、結皮、產沙等土壤侵蝕的各個過程[13-14]。因此，通過對不同侵蝕強度下土壤團聚體的粒徑組成及穩定性研究，對了解土壤侵蝕與團聚體之間的相互關系有重要意義，同時為水土流失防治提供理論依據。

近年來，國內外關于土壤侵蝕強度對團聚體穩定性的研究有很多，主要集中在不同侵蝕方式[15-16]、不同地形因子[17-18]以及不同降雨強度[19-20]對團聚體組成及穩定的影響。李桂芳等[21]研究指出降雨強度、坡度和坡長三因子交互作用對坡面侵蝕量影響最大；姜義亮等[22]通過研究不同侵蝕方式對團聚體流失的影響證明兩種降雨強度下片蝕試驗流失的團聚體小于溝蝕試驗；曾全超等[23]應用Le Bissonnais法模擬3種雨強(暴雨、小雨、擾動)對團聚體的破壞表明FW處理(暴雨)對團聚體結構的破壞程度最大，處理后土壤團聚體主要以<0.2 mm為主。但此類研究大多基于室內模擬降雨試驗，不利于反映野外真值，而且研究區域多集中于黃土高原區或東北黑土區，關于淮北土石山區的研究還鮮見報道[24-26]。作為我國水土流失重點治理區，近年來，隨著人為干擾強度加大，復雜的地形以及瘠薄的土層更加劇了水土流失，土壤侵蝕嚴重制約著該區的經濟發展[27]。因此，本文選取淮北土石山區典型低山漫崗地——贛榆區大吳山小流域為研究區，結合定量侵蝕數據研究不同侵蝕強度各土地利用方式下土壤團聚體粒徑組成及穩定性特征，以期為淮北土石山區水土流失防治及合理調整土地利用結構提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗布設在江蘇省連云港市贛榆區大吳山小流域內，贛榆區位于江蘇省東北部，地理坐標為34°41′—35°07′N，118°45′—119°18′E。研究區屬于低山丘陵區，地形起伏度大，坡度介于5°～20°。氣候類型屬于暖溫帶海洋性季風氣候，年降雨量976.4 mm，主要集中在夏季，多以暴雨出現。試驗區的土壤主要包括棕壤、黑土、潮土、鹽土4個大種，并存在9個亞類。土壤侵蝕以水蝕為主，輕度侵蝕面積占全區的10.17%，小流域年平均土壤侵蝕模數為859.2 t/(km2·a)。

1.2 資料收集

通過查閱文獻及歷史資料，得到該區土壤侵蝕分級圖，并以此為基礎，利用ArcGIS空間插值方法獲取樣點分布圖，由于本試驗樣點較少，為增加研究的科學性和合理性，以侵蝕模數大小為分級依據，將國標中6個侵蝕等級合并為輕度(A<2 500)、中度(2 500≤A≤5 000)、嚴重(A>5 000)3個侵蝕等級，A代表土壤侵蝕模數，單位t/(km2·a)。

1.3 試驗設計

2017年7月，在研究區內以500 m×500 m的網格布設采樣點，按不同土地利用類型(林地、草地、耕地、園地)進行土壤樣品采集，研究小流域內土壤團聚體的組成及穩定性。土壤樣品采集時以網格的交點為中心，按S形取樣，在半徑20 m范圍隨機采集3～5個土壤樣品(0—20 cm土層)，將其等量均勻混合作為一個土壤樣品。用自封袋采集土壤樣品，共采集土壤樣品40個(其中輕度侵蝕16個、中度侵蝕12個、嚴重侵蝕12個)，為避免擠壓，用鋁盒重新轉移，并在每個樣點用100 cm3環刀采集原狀土，用GPSmap76記錄下網格交點位置，樣地情況見表1。將樣品帶回實驗室內，自然風干，磨碎，過2 mm及0.25 mm篩后備用。

1.4 指標計算

本試驗采取濕篩法[28]測定團聚體粒級分布，其中粒級分級為：>2，2～1，1～0.5,0.5～0.25,0.25～0.106,<0.106 mm共6個粒級團聚體。

土壤團聚體平均重量直徑MWD計算公式[29]為:

(1)

式中：Xi為土壤各粒徑的平均直徑(mm)；Wi為土壤各粒徑的質量百分比(%)。

分形維數的計算公式采用楊培嶺等[30]的土壤顆粒分形模型：

(2)

式中：dmax為最大粒級土粒的平均直徑；w(δ

2 結果與分析

2.1 團聚體分布特征

有研究[31-32]表明粒徑分布是影響土壤孔隙特征、形態結構及團聚體穩定性的重要因素，濕篩法獲得的團聚體各粒級百分含量見圖1。從圖中可以看出研究區土壤團聚體主要以大團聚體(>0.25 mm)為主，其中>2 mm團聚體百分含量與侵蝕強度呈負相關關系，<0.106 mm則剛好相反，說明侵蝕過程傾向于破壞大團聚體，增加微團聚體(<0.25 mm)百分含量。陳佩巖等[33]研究也指出土壤中粒徑較小的團聚體由于有機質含量較少，相比于大團聚體受外界影響較小，較大團聚體更易受外界條件影響而破碎。3種侵蝕強度下，>0.25 mm粒級大團聚體比例均>70%，這與同類研究相比偏低，主要是由于土壤侵蝕對表層土擾動最為明顯，而淮北土石山區多以低山漫崗地為主，土層較薄，徑流的沖刷會帶走大部分的土壤細粒，造成團聚體的流失。該結果表明，研究區土壤流失嚴重，水土流失治理需進一步加強。1～0.106 mm粒級團聚體受侵蝕強度影響顯著(p<0.05)，草地、耕地和園地均表現為輕度<中度<嚴重。林地條件下，輕度轉為中度侵蝕條件下，0.5～0.25 mm團聚體百分含量降幅達50%。草地1～0.5 mm團聚體百分含量隨侵蝕強度的增加呈現先降低后增加的趨勢，且差異顯著(p<0.05)。耕地條件下，0.5～0.25 mm粒級百分含量在中度侵蝕下表現最高，約為26.32%。3種侵蝕強度下，各土地利用方式0.5～0.25 mm和1～0.5 mm團聚體含量明顯變化，0.5 mm粒級團聚體對侵蝕強度轉變響應敏感；嚴重侵蝕條件下，土壤各級團聚體含量之間已經趨于平衡，微團聚體(<0.25 mm)百分含量普遍上升，其中耕地(33.78%)最高，園地(33.03%)和草地(28.43%)次之，林地(27.48%)最低。

注：不同小寫字母表示同種土地利用方式不同侵蝕強度間差異顯著(p<0.05)。

圖1 土壤團聚體各粒級百分含量

2.2 團聚體穩定性特征

2.2.1 大團聚體含量 >0.25 mm團聚體被認為是土壤中最好的結構體[34]，R0.25值越大表示土壤主要是由大團聚體組成，土壤結構較好，穩定性越強。如圖2A所示，輕度侵蝕條件下，各土地利用方式八成以上為大團體，表明水蝕過程初期作物覆蓋能夠有效地減少地表徑流，減少土壤大團聚體的損失。相比于輕度侵蝕，中度侵蝕下草地，園地和耕地的大團聚體百分含量值略有下降，但不顯著(p<0.05)。嚴重侵蝕條件下，各土地利用方式之間的大團聚體都有不同程度的降低，但各土地利用方式R0.25值表現為：林地>草地>園地>耕地，說明林地受侵蝕強度影響較小，有利于大團聚體的積累。

2.2.2 平均質量直徑 土壤團聚體直徑分析通常采用平均質量直徑(MWD)，其值越高，土壤粒徑團聚度越高，土壤越穩定。從圖2B可以看出，團聚體平均質量直徑整體上隨侵蝕強度增加而降低。林地條件下，MWD表現為中度>輕度>嚴重，其他3種土地利用方式均表現為嚴重<中度<輕度，這主要是由于輕度侵蝕的林地樣本大部分都位于沉積點，導致微團聚體的含量普遍較高，導致MWD值偏低；草地與林地的平均質量直徑相比于耕地和園地偏高，但差異不顯著(p>0.05)，且隨侵蝕強度MWD值均勻降低；耕地和園地的粒徑分布相近，輕度侵蝕與嚴重侵蝕條件下的MWD值差異顯著(p<0.05)，其中嚴重侵蝕園地的平均質量直徑最小，約為0.72 mm。

2.2.3 分形維數 土壤分形維數是反映土壤結構幾何形狀的參數，其值越小，土壤顆粒分布越均勻且結構越好。本文在獲得lg[w(0.05)。因土壤分形維數拓撲值[35]為2，同種侵蝕強度下，相較于其他土地利用方式，林地的分形維數都是最低的，表明林地顆粒分布較為均勻，穩定性高。

綜上所述，隨著侵蝕強度的增加，土壤團聚體R0.25，MWD呈現下降的趨勢，D值則表現為上升的趨勢。嚴重侵蝕條件下，MWD和R0.25均為最小值，D值達到最大，說明劇烈的侵蝕破壞土壤內部團聚結構，對團聚體搬運選擇性降低，從而降低土壤團聚體穩定性。而同種侵蝕強度下，林地的R0.25和MWD值較高，D值較小，說明4種土地利用方式下，林地的結構較優，有利于團聚體的形成與積累。

2.3 侵蝕強度對土壤團聚體穩定的影響

為更好地揭示侵蝕強度對土壤團聚體穩定性的組成及穩定性的影響，本文采用主成分分析(PCA)方法，軸一和軸二的解釋量分別為61.75%和19.67%。由圖3所示，輕度侵蝕和嚴重侵蝕之間的差異主要體現在軸一上，中度侵蝕無顯著規律。輕度侵蝕條件下，林地和園地分布在第三象限，耕地和草地分布在第二象限，兩組土地利用類型之間的差異主要體現在軸二上，差異性指標主要包括R0.25，MWD和1～0.5,2～1，>2 mm的團聚體；嚴重侵蝕條件下，4種土地利用方式的微團聚體百分含量都有不同程度的增加，但草地和耕地上升幅度要明顯高于林地和園地，從土地利用來看，林地和園地受侵蝕強度的影響不如耕地和草地，其土壤結構較好。差異性指標主要體現在分形維數與<0.106,0.25～0.106，0.5～0.25 mm團聚體，其中分形維數與微團聚體呈明顯正相關關系，微團聚體百分含量越高，分形維數D值越大，土壤顆粒分布不均勻，土壤團聚體穩定性差。此外，從團聚體粒徑來看，>0.5 mm粒級主要分布在第二、三象限，<0.5 mm分布在第一、四象限，0.5 mm成為侵蝕強度影響團聚體轉化的關鍵臨界點。總的來說，侵蝕強度對團聚體影響主要體現在嚴重侵蝕條件，林地相較于其他3種土地利用能降低土壤侵蝕對團聚體的影響。

注：不同小寫字母表示同種土地利用方式不同侵蝕強度間差異顯著(p<0.05)。

圖2 土壤團聚體穩定性

注：白色、灰色和黑色代表輕度、中度和嚴重侵蝕，正方形、三角形、菱形、圓形代表林地、草地、耕地和園地。

圖3 土壤團聚體指標主成分分析

3 討 論

前人研究[36]表明，水蝕過程往往會造成土壤團聚體的分散和土壤表層土的損失。本文中侵蝕強度對中間團聚體(1～0.106 mm)影響顯著(p<0.05)，這與同類研究結果一致[16]，但>2 mm和<0.106 mm粒級受侵蝕影響不顯著(p>0.05)，造成這種現象的原因可能是整個產流過程，流失的團聚體基本以細粒為主，流失量大，溫磊磊等[37]通過野外原位模擬降雨試驗指出在30 mm/h降雨強度下，<0.25 mm團聚體流失量占團聚體總流失量的90.0%；而大團聚體的遷移取決于復雜的動力學因素，只有當侵蝕強度到達臨界值時，>2 mm團聚體才發生遷移。土壤侵蝕與土壤團聚體關系密切，本文采用PCA分析發現0.5 mm粒級團聚體對侵蝕強度變化響應最為敏感。馮強等[38]研究指出0.5～0.25 mm和1～0.5 mm團聚體含量與徑流深及侵蝕模數呈負相關，但不顯著(p>0.05)，與本文結論稍有出入。這主要是由于本文研究區的多年平均降雨量遠高于黃土高原地區，即使是輕度侵蝕條件下，徑流優先搬運雨滴所分散的表層細粒，但由于淮北土石山區土層較薄，隨著降雨過程的進行，土壤表層可搬運的松散物質來源減少，稍大粒徑的團聚體(1～0.25 mm)開始破碎；而當侵蝕強度轉變為中度侵蝕時，雨滴的動能和徑流的剪切力增大，對大團聚體的拆分和搬運能力增強，此時松散物質的來源不僅來自雨滴分散的土壤表層微團聚體，還有部分來自破碎崩解尚不完全的大團聚體，0.5 mm粒級成為大團聚體向微團聚體過渡的中間粒級，所以對侵蝕強度的轉變響應明顯，可作為反映侵蝕強度變化敏感性的指標。另一方面，本文輕度與中度侵蝕之間的劃分標準為2 500 t/(km2·a)，侵蝕閾值相比于同類研究[39]屬較高水平，降雨初期的降雨動能和徑流能量足以使0.25～1 mm粒級的團聚體發生破碎和遷移。

從圖1和圖2中可以看出，嚴重侵蝕下，團聚體的各粒級百分含量相對接近，團聚體MWD和R0.25值較低，D值較高，說明嚴重侵蝕破壞了土壤團聚體的結構，降低了穩定性。這主要和侵蝕發生的形式有關，輕度侵蝕和中度侵蝕條件下，土壤侵蝕形式多以面蝕為主(雨滴擊濺、片蝕、細溝侵蝕)，薄層水流沖刷土壤表層，土壤細小顆粒發生遷移；而嚴重侵蝕條件下，降雨多為短而急的暴雨，面蝕進一步發展為溝蝕，即隨侵蝕強度的增加，細溝侵蝕逐漸發展，水流流速也隨之增加，此時侵蝕溝內的水深遠大于雨滴直徑，雨滴濺蝕作用減弱，泥沙裹挾的大粒徑的團聚體含量明顯增加，與此同時溝頭下切和溝岸坍塌產生大量破碎不完全的大粒級團聚體，溝頭跌水此時整體運移土壤團聚體，而經嚴重侵蝕后原位的團聚體多為質地粗糙或崩解不完全的大顆粒組成，土壤養分或內部膠結物質隨細粒流失嚴重，加之該區土壤多屬褐土和棕色森林土類，粗骨性比較突出，團聚體穩定性顯著降低。姜義亮等[22]通過研究片蝕和溝蝕對土壤團聚體流失的影響也得出類似的結論，更指出MWD指標能較好地反映雨強變化下土壤團聚體的流失特征。在同種侵蝕強度下，林地的平均質量直徑和大團聚體百分含量均較高，分形維數接近2，說明林地土壤結構較好，有利于大團聚體的積累，穩定性高。眾多研究[40-42]表明，天然林或人工林的團聚體平均質量直徑是大于人為干擾的農耕地，這與本文的結論一致。而在輕度侵蝕條件下，MWD的值草地>林地，這主要是因為天然草地植被覆蓋度高，水分入滲能力強，降低了徑流對團聚體的沖刷，團聚度較高。單因素分析表明園地團聚體組成對侵蝕強度的響應并不顯著(p>0.05)，造成這種現象的原因是園地栽植經濟樹種，人為投入較好地彌補了侵蝕強度對土壤團聚體的影響。

4 結 論

(1) 研究區土壤團聚體主要以大團聚體(>0.25 mm)為主，其比例均>70%，與同類研究比偏低，說明研究區土壤流失嚴重，水土流失治理需進一步加強。

(2) 隨侵蝕強度增加，>2 mm團聚體含量有降低的趨勢，<0.106 mm則剛好相反，0.5～0.25 mm和1～0.5 mm團聚體含量明顯變化。說明侵蝕過程傾向于破壞大團聚體，增加微團聚體百分含量，其中0.5 mm對侵蝕強度轉變響應敏感。

(3) 土壤團聚體穩定性指標R0.25，MWD與侵蝕強度呈負相關，D值呈正相關，且嚴重侵蝕條件下，MWD和R0.25均為最小值，D值達到最大，說明嚴重侵蝕會降低土壤團聚體穩定性。

(4) 同種侵蝕強度下，相較與其他3種土地利用方式，林地的R0.25和MWD值較高，D值較小，說明林地土壤結構較好，有利于大團聚體的積累，穩定性高。