有機質影響濺蝕破壞土壤團聚體的主要作用機制*

李海茹 ，廣彗冰 ，劉 剛，?，谷 舉，師宏強 ，陳 鴻，雷宇宏

（1. 西北農林科技大學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；2. 中國科學院水利部水土保持研究所，陜西楊凌 712100）

土壤侵蝕作為我國頭號環境問題，已經嚴重制約了我國國民經濟的可持續發展。嚴重的土壤侵蝕更是導致了耕地資源減少、土壤質量和肥力下降、河道泥沙淤積、農業非點源污染等綜合性問題。濺蝕作為土壤侵蝕的初始階段，為徑流輸移提供了物質基礎[1]。由雨滴的打擊作用引起的團聚體破碎和土壤顆粒的遷移是濺蝕中的第一個關鍵進程[2-3]。研究表明，雨滴打擊作用可以破壞土壤結構，分散和搬運土壤顆粒，從而引起土壤滲透性降低，增加徑流的搬運能力，雨滴撞擊土壤表面的速度越大，濺起的土壤顆粒就越多，土壤濺蝕量也就越大[4]。Fu等[5]采用褐土和塿土進行雨滴擊濺試驗，結果表明二者的濺蝕量均與雨滴大小呈線性增加關系，且其濺蝕距離和雨滴大小之間呈現出極顯著的指數關系。馬仁明等[6]通過控制土壤前期含水量來研究紅壤團聚體穩定性，結果表明消散作用是團聚體破壞的最主要機制。Xiao 等[7-8]利用不同雨滴形成材料（超純水和酒精）對濺蝕過程中團聚體的破壞機制進行了研究，證明了濺蝕率與降雨動能呈顯著正相關，且雨滴的消散作用對濺蝕的貢獻隨降雨動能的增加逐漸減小，而機械破壞作用則相反。

退耕還林（草）工程是黃土高原生態環境治理中的一項重要措施，坡耕地退耕還林后土壤的腐質化作用增強，能夠促進有機質的形成和發育，土壤有機質含量水平得到了大幅度提高[9]。研究表明，土壤有機質含量隨植被恢復年限的增長有增加趨勢，恢復10 年平均可達1.5%以上，且有機質的積累速度與植被恢復地區的水熱狀況有關[10]。在廣東省肇慶地區檸條林的演替過程中，有機質含量隨演替年限的增加而增加，演替年限達10～22 a 時，有機質積累速度最快[11]。有機質是土壤團聚體的重要組成部分，土壤顆粒需要經過有機質的膠結作用才能形成團聚體。而表層土壤中90%的有機質均存在于團聚體中[12]，且主要分布于較大粒徑的水穩性團聚體中[13]。由此可見，在團聚體的形成過程中，土壤有機質起到了促進作用[14]。而有機質含量對團聚體破壞機制的影響尚未明晰，對濺蝕過程中團聚體破壞的雨滴機械打擊和消散作用的影響也有待深入研究。

本研究以不同退耕還林年限的土壤作為研究對象，分別利用超純水和95%酒精作為降雨液體，模擬雨滴機械打擊作用及其與消散二者的共同作用，分析有機質含量對雨滴機械打擊與消散作用貢獻率的影響，從微觀的角度揭示團聚體在濺蝕過程中的破壞機理，其結果為研究團聚體在水力侵蝕過程中的失穩機制提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于陜西省富縣任家臺林場，采樣點位置為36°04′10″N～36°05′23″N，109°08′55″E～109°11′53″E，地貌屬黃土丘陵溝壑區，土壤類型主要以黃綿土為主，土地利用類型為林地和撂荒地，海拔920～1 683 m，年均降雨量576.7 mm，多集中在7、8、9 三個月，占全年降雨的60%以上。林內郁閉度大于0.7，主要植被包括榆樹、山楊、白樺、遼東櫟等。采集表層0～20 cm 土壤樣品。

1.2 土壤基本性質

土壤顆粒質量百分數（國際制）和有機質含量分別采用吸管法和重鉻酸鉀氧化外加熱法分別測定，其基本理化性質見表1。

表1 供試土壤理化性質Table 1 Basic physical-chemical properties of the soils

1.3 試驗設計

本試驗所采用的降雨器由支撐裝置、雨滴生成裝置和降雨材料供應裝置三個部分組成（圖1）。降雨材料供應裝置的底部連有一根塑料管和閥門開關，對雨滴生成裝置提供降雨液體，用于控制雨滴生成裝置內部的水壓，穩定降雨強度。降雨高度可通過升降支撐裝置來調節。試驗所采用的濺蝕裝置是一高為30 cm 的倒圓臺，由直徑為15 cm 和30 cm的內環和外環組成，外環中間底部有一直徑和高均為10 cm 的內環為濺蝕盤，濺蝕盤底部設有數個小圓孔，用以保證入滲水分及時排出，將外環與內環用鐵皮焊接成一個光滑的斜面，斜面的底端留置一個排液孔，用于接取降雨過程中的濺蝕土樣。此裝置與Xiao 等[7]研究所用類似。

由于本試驗所選用的黃土母質土壤礦物的膨脹性差，并且土壤礦物濕潤后的非均勻膨脹作用對團聚體破壞非常有限，在短歷時條件下可被忽略，故將團聚體在濺蝕過程中的破壞視為由雨滴機械打擊與消散作用共同導致[15]。酒精能夠大大減小水分消散作用對團聚體的破壞，因此濺蝕試驗中酒精雨滴對土壤表面破壞以機械打擊作用為主[16]。本研究采用兩種降雨液體（超純水和95%酒精），4 個降雨高度（0.5、1.0、1.5、2.0 m）與5 種不同退耕還林年限的土壤進行濺蝕試驗，降雨強度設定在60 mm·h-1。試驗開始前，先在濺蝕盤內環底部填裝直徑為1～2 cm 的碎石，在碎石子上平鋪一張濾紙，將風干土按照設計容重裝填在濾紙上（容重根據野外耕層容重設計為1.20 g·cm-3），填裝厚度為1.5 cm。土壤裝填結束后將濺蝕盤用擋板蓋住，待降雨強度率定好并穩定后撤開擋板開始計時，濺蝕盤的出水口用標記好的燒杯接取全部濺蝕泥沙樣品，待土壤表面結皮時試驗結束，將濺蝕盤外環壁上的泥沙樣沖洗進燒杯，土壤顆粒沉降完全后去除上清液，烘干后稱重。每種試驗重復兩次。

1.4 測定指標與數據處理

采集每一場試驗結束后土壤表層0.5 cm 土樣，自然風干后，用濕篩法[17]測量降雨后表層土壤的水穩性團聚體。

用LB 法[16]測得團聚體在快速濕潤、慢速濕潤與預濕潤震蕩 3 種不同處理下的穩定性分別用MWDFW、MWDSW、MWDWS表示。MWD 的計算公式為：

式中，iw為第i個篩子的團聚體質量占比，%；ix為第i個篩子與上一個篩子的平均直徑，mm。

用RSI 與RMI 分別表示團聚體對消散和機械打擊作用的敏感程度，二者的值越小，說明團聚體對兩種作用的敏感性越弱[18]。團聚體綜合穩定性特征用Ka 表示，其值越大，表示團聚體越不穩定[19]。

土壤濺蝕率（D）指的是雨滴在單位時間單位面積上從濺蝕盤中被擊濺出來的土壤質量，g·m-2·min-1。

式中，S為濺蝕量，g；A為濺蝕盤的面積，本研究濺蝕盤面積為0.007 854 m2；t為濺蝕時間，min。

消散作用貢獻率計算公式如下：

式中，CS為消散作用貢獻率，%；Dw為超純水條件下的濺蝕率，g·m-2·min-1；De為95%酒精條件下的濺蝕率，g·m-2·min-1。

降雨動能參考Xiao 等[8]文中的公式進行計算。

統計數據采用EXCEL 2010 和SPSS 19.0 進行分析。

2 結果與討論

2.1 有機質對土壤團聚體穩定性指標的影響

LB 法所測的三種土壤團聚體穩定性指標如表2所示，5 種土壤在快速濕潤、慢速濕潤與預濕潤震蕩下的MWD 分別隨有機質含量的增加而增大，其大小依次為MWDSW>MWDWS>MWDFW，慢速濕潤與預濕潤震蕩處理后的MWD 要明顯大于快速濕潤處理下的MWD，說明在快速濕潤條件下，團聚體內部空氣的爆破力產生的消散作用對其具有最強的破壞能力；而預濕潤后震蕩模擬的機械破壞作用次之；慢速濕潤所產生的非均勻膨脹作用對團聚體的破壞最弱[19]，這主要是由于黃土的黏粒礦物組成主要是由水云母和高嶺石組成，膨脹性較差造成[20]。5種土壤的相對消散指數與機械破壞指數均隨著有機質含量的增加而減小，且RSI 均明顯大于RMI，說明試驗土壤對于消散作用的敏感程度均大于機械破壞作用。團聚體不穩定系數隨著有機質的增加從0.259 減小為0.010，說明土壤團聚體穩定性隨有機質含量增加而增加。

表2 土壤團聚體穩定性指標Table 2 Aggregate stabilities index in the test soils

土壤中黏粒含量是影響團聚體穩定性的主要因素之一[21]，而從表3 中可以看出其對土壤團聚體穩定性指標的影響不顯著，故說明本研究中不同土壤樣品間的團聚體穩定性差異主要是由有機質含量不同所致。土壤有機質含量分別與MWDSW、MWDWS、MWDFW顯著正相關（表3），與RSI、RMI、Ka 顯著負相關，說明隨著有機質含量的增加，土壤團聚體穩定性越來越好，而土壤對于消散作用敏感程度越來越低，其原因可能是在團聚體的形成過程中，有機質起到了重要作用，土壤有機質含量越高，形成的團聚體數量就越多，其穩定性就越強，這與安韶山等[21]的研究結果一致。

表3 有機質和黏粒含量與團聚體穩定性指標的相關性Table 3 Pearson correlations of organic matter content and clay content with aggregate stability index

2.2 雨滴對大團聚體（＞0.25 mm）的破壞作用

大于0.25 mm 水穩性團聚體的數量能判別土壤結構的好壞，是表征團聚體穩定性能的重要指標之一[13]。在超純水條件下，隨著降雨高度即降雨動能的增加，濺蝕盤剩余表土中>0.25 mm 的大團聚體含量主要呈下降趨勢（圖2），說明降雨動能越大，其對團聚體的破壞程度也越大，即侵蝕程度與水穩定性大團聚體含量呈負相關，這一點驗證了Bernard和Eric[22]的土壤團聚體穩定性與易蝕性存在極顯著負相關的結論。而降雨前與降雨后的大團聚體的粒徑也發生了顯著變化，降雨后剩余土壤中的大團聚體幾乎均低于降雨前的量。隨著土壤中有機質的增加，被破壞的土壤中大團聚體的數量慢慢趨近于原始土壤，這主要是由于隨著有機質含量的增加，土壤水穩性團聚體之間有機膠結物質增多，導致雨滴的機械打擊和消散作用逐漸減弱[23]。

在酒精條件下，其大團聚體數量要多于超純水作用下的數量（圖2）。其主要原因可能是，一方面相同高度下酒精的降雨動能小于超純水的降雨動能（表4），因此以酒精作為降雨液體其打擊作用要小于超純水的機械打擊作用力；另一方面，酒精使消散作用大大減少，超純水雨滴存在機械打擊與消散兩種作用力，對于大團聚體的破壞能力要大于酒精雨滴[7-8]。酒精雨滴降雨后，濺蝕盤中5 種土壤在各降雨高度下的大團聚體含量均相差不大（圖2），這同樣可能是由于酒精對于消散存在屏蔽作用，而機械打擊作用對團聚體破壞程度有限所造成的。此外，隨著土壤有機質含量的增加，降雨后大團聚體含量越來越趨近于降雨前土壤的大團聚體含量，說明有機質明顯增加了大團聚體的穩定性。

表4 不同高度下雨滴降雨動能Table 4 Kinetic energy of rainfall relative to height of nozzles

2.3 有機質含量對濺蝕率的影響

5 種土壤在兩種雨滴作用下的濺蝕率均隨降雨動能的增加而增加（圖3），因為降雨動能增大，土壤顆粒所獲得的動能與勢能也增加，同時雨滴撞擊土壤表面的下落速度增大，分離和搬運的土壤顆粒就越多[4]。土壤濺蝕率與降雨動能呈冪函數增加趨勢，相關系數均大于0.96（表5），說明冪函數能夠很好地描述濺蝕率與降雨動能的關系，這與肖海等[15]的研究結果一致。

有機質含量與濺蝕率之間的相關性不顯著（表6），這可能是由于濺蝕過程是一個較為復雜的動力遷移過程，是土壤因子和降雨因子共同作用的結果[24]。濺蝕有團聚體破碎、土表形成濺蝕坑、雨滴擊濺、擊濺后的躍遷和飛濺蠕動五個過程[25]，本文有機質含量主要影響團聚體的穩定性，其主要是影響濺蝕過程中的第一個階段，而有機質含量對濺蝕其他階段的影響尚不明確，因此很難清晰地得出有機質含量與濺蝕率之間的相關關系。

表5 五種團聚體破壞情況下濺蝕率與降雨動能的關系Table 5 Relationship between splash erosion rate and rainfall kinetic energy relative to breakdown condition of aggregates

表6 有機質與不同降雨強度下濺蝕率的相關性Table 6 Pearson correlation between organic matter and splash erosion rate relative to rainfall intensity

2.4 有機質對雨滴機械打擊和消散作用的影響

為得到相同降雨動能下的兩種液體擊濺造成的濺蝕率，利用表5 中濺蝕率與降雨動能的關系式，分別計算得到降雨動能介于50～400 J·m-2·h-1下的濺蝕率，進而計算機械打擊和消散作用相對應的貢獻率（圖4）。

結果表明隨著降雨動能增大，機械打擊作用對團聚體的破壞占主導地位。同一降雨動能下，隨著有機質的增加，消散作用的貢獻率呈現減小的趨勢，這是由于試驗土壤對消散作用的敏感程度不同，RSI隨有機質含量的增加從0.684 逐漸減小至0.292（表2），說明土壤對消散作用的敏感程度越小，消散作用的貢獻率就越小。有機質與消散作用貢獻率的相關關系隨著降雨動能的增大越來越弱（表7），當降雨動能增大至200 J·m-2·h-1及以上時二者的相關性不顯著。因此，有機質對消散作用的影響在降雨動能較小時比較顯著。

3 結 論

在本研究中，LB 法對團聚體三種不同處理條件下，快速濕潤時，團聚體內部空氣的爆破力產生的消散作用對其破壞能力最強，預濕潤后震蕩模擬的機械破壞作用次之，慢速濕潤所產生的非均勻膨脹對團聚體的破壞作用最弱。隨著有機質含量的增加，團聚體穩定性越來越好，土壤對機械打擊與消散作用的敏感性越來越弱。降雨前后的大團聚體數量在超純水條件下隨降雨動能的增加逐漸下降，且酒精雨滴作用下的大團聚體含量明顯大于超純水雨滴作用下的含量，并隨著土壤有機質含量的增加，雨滴的破壞作用逐漸減弱。冪函數能夠很好地描述濺蝕率與降雨動能的關系。消散作用和機械打擊作用的貢獻率分別隨著降雨動能的增大而減小和增大。降雨動能相同時，有機質增加使消散作用的貢獻率慢慢減小，且有機質對消散作用的影響僅在降雨動能較小時比較顯著。本研究結果對認識和理解團聚體在降雨過程中的破壞機制有重要的指導意義，但研究僅考慮有機質含量對團聚體破壞的影響，區分有機質不同組分對濺蝕過程中團聚體破壞的影響應該予以深入研究。

表7 有機質與不同降雨動能下消散作用貢獻率的相關性Table 7 Pearson correlation between organic matter and contribution rate of slaking to rainfall kinetic energy