降雨強度和坡度對黑土坡耕地團聚體流失特征的影響

王 涵, 趙怡凱, 陳祥偉, 付 玉

(東北林業大學 林學院, 哈爾濱 150040)

土壤團聚體是土壤結構的基本單元，在土壤養分的儲存和轉化過程中具有至關重要的作用[1-2]。土壤侵蝕過程中團聚體的破碎和遷移是侵蝕物質的主要來源。在降雨驅動下，團聚體受雨滴打擊破碎并被徑流搬運發生遷移[3]，其破碎遷移過程對土壤侵蝕的強度有重要的影響[4]。研究[5-7]指出坡面侵蝕過程對團聚體具有分選作用，大團聚體破碎為小團聚體后被徑流搬運。Jia等[8]研究表明降雨強度和坡度對團聚體的分選作用有顯著影響，粒徑<0.25 mm團聚體是土壤團聚體損失的主要粒級。盧嘉等[9]研究發現，隨雨強增加，粒徑>0.25 mm團聚體流失量呈增加趨勢，粒徑<0.25 mm團聚體流失量呈減少趨勢；但也有研究發現[10]，在坡面徑流搬運能力較弱的條件下，粒徑>0.25 mm團聚體流失量隨雨強的提高呈增加趨勢。Shi等[11]研究指出，坡度的增加會提高徑流對大團聚體的輸移能力，大團聚體的流失比例明顯提高。張怡等[12]研究則表明，隨著坡度的增加徑流泥沙中粒徑>0.25 mm團聚體含量無明顯變化，而粒徑<0.25 mm團聚體含量明顯增加。綜上，目前關于不同雨強和坡度下團聚體流失特征的變化還存在爭議，有必要明確雨強和坡度對土壤團聚體流失特征的影響，這對于揭示黑土坡耕地土壤侵蝕機理具有重要的科學價值[13]。

東北黑土區作為我國重要的商品糧生產基地，由于不合理的耕作及過度開墾，土壤侵蝕日益加劇[14]，其中坡耕地水力侵蝕尤為嚴重，其水土流失面積已經達到黑土區水土流失總面積的46.39%[15]，嚴重威脅黑土區水土資源質量安全以及農業經濟發展[16]。為揭示黑土坡耕地土壤侵蝕的內在規律，目前已經開展大量關于黑土坡耕地侵蝕過程中團聚體流失特征的研究，但多數研究僅表明雨強和坡度對團聚體流失量影響的一般定性規律，缺乏對于雨強和坡度以及兩者之間交互作用貢獻率的進一步探討。因此本文以黑土坡耕地表層土壤(0—10 cm)為研究對象，采用室內模擬降雨的研究方法，分析比較不同雨強和坡度之間團聚體流失量的差異，計算雨強和坡度以及兩者之間交互作用的貢獻率，以期綜合評價雨強和坡度對團聚體流失量的影響，揭示黑土坡耕地團聚體流失特征，為進一步研究黑土水力侵蝕過程中坡耕地質量的演變規律提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

土壤樣品于2020年9月采自黑龍江省哈爾濱市賓縣地區耕地表層土壤，采樣前清除土壤表層枯落物等雜物并將土壤表層修整平整，將自制土槽(長40 cm×寬10 cm×高10 cm)放在修平整的土壤表層，用土壤刀修整土槽底部周圍的土壤并把土槽緩慢按壓直至完全沒入土壤中；從土中取出土槽后，將裝滿原狀土后用紗布和海綿包裹取樣器后蓋上下底蓋，以保證取樣器中的土壤不變形，并且減少樣品運輸過程中土壤樣品的擾動，共取18個土槽用于模擬降雨試驗。采樣地表層土壤容重(1.15±0.07)g/cm3，含水率為(27.02±0.31)%，pH值為(5.50±0.12)，有機質(33.70±3.82)g/kg，土壤機械組成為砂粒(27.20±3.95)%、粉粒(41.53±3.61)%、黏粒(31.26±3.42)%。

1.2 試驗設計與方法

模擬降雨試驗于2020年10月在東北林業大學帽兒山實習基地降雨實驗室開展，采用自制針頭式模擬降雨裝置，由水泵、降雨器、徑流沖刷槽、坡度調節支架和徑流泥沙收集器組成。降雨器為針頭下滴式，其形狀為上部開口的長方體，規格長40 cm×寬10 cm×高20 cm，其中等間距垂直插入50個針頭，通過不同的水頭高度和針頭型號來調節降雨強度；坡度可調節范圍0～12°；試驗土槽規格長40 cm×寬10 cm×高10 cm。

在我國東北黑土區，主要降雨類型為短歷時高強度降雨，降雨歷時大多小于1 h[17]，所以將降雨歷時設定為30 min。由于黑土區降雨較為集中在6月、7月、8月份，因此分別選擇降雨最為豐富的7月(120～150 mm)及降雨量次之的6月、8月(60～120 mm)的平均值為降雨強度選擇依據[18]，結合降雨器可以穩定的降雨強度并進行多次率定，確定本試驗雨強為78，127 mm/h。由于黑土區地形多為漫川漫崗，地形起伏變化較小，坡度范圍主要在1°～8°[9]，因此設計2°，4°，6°共3個坡度。每種降雨強度和坡度的組合試驗設計3個重復。

每次試驗前將土槽內土壤水分達到飽和。降雨開始前用擋板蓋住土槽，并對雨強進行多次率定，確定雨強達到試驗標準后，撤掉擋板，開始降雨并計時。降雨過程中待坡面產流時記錄產流時間，并以每5 min收集一次的頻率接取徑流泥沙，降雨結束后將接取的徑流泥沙通過濕篩法得到到粒徑>5，5～1，1～0.25，0.25～0.053 mm這5個粒級，并轉移至鋁盒中在40℃下烘干24 h后稱重，得到各粒徑團聚體流失質量mi。

1.3 指標計算

(1) 各粒徑團聚體流失量的計算方法如下：

(1)

式中:Mi為i粒徑團聚體流失量(g/m2);mi為徑流泥沙中i粒徑團聚體質量(g);A為土槽面積(A=0.04 m2);團聚體流失總量為各粒徑團聚體流失量之和。

(2) 團聚體平均重量直徑(MWD)是評價團聚體特征的指標，其值越大則團聚體穩定性越高，計算公式為：

(2)

式中:ri為每個網篩的孔隙大小(mm),r0=r1以及rn=rn+1;mi為i級網篩中團聚體的質量百分數;n為網篩編號。

(3) 團聚體分形維數(D)是反映團聚體分散程度的指標，其值越大則團聚體分散程度越高[19]，計算公式為：

(3)

式中:M(r

(4) 根據曹曉娟等[20]采用的各因子貢獻率計算方法，利用SPSS軟件進行方差分析，通過下式計算得到各因子的貢獻率(PF)：

(4)

式中:PF為因子貢獻率(%);SSF為因子的Ⅲ型平方和;DOFF為因子的自由度;VEr為誤差平方和;SST為總離差平方和。

1.4 數據分析方法

數據通過Excel 2016進行整理；采用 SPSS 19.0進行單因素方差分析(One-way ANOVA)和最小顯著差異法(LSD)進行顯著性分析(p<0.05)。

2 結果與分析

2.1 不同雨強和坡度下團聚體流失總量

測定結果表明(圖1)，不同雨強及坡度下團聚體流失量在降雨產流后0～5 min內有最大值，隨后在5～10 min內迅速減少，并在10～30 min內趨于平穩。相同雨強條件下，隨坡度的增加，在0～5 min內團聚體流失量的最大值顯著增加1.08～1.79倍(p<0.05)；團聚體流失量在10～30 min內趨于的穩定值顯著增加0.88～2.39倍(p<0.05)。相同坡度條件下，當雨強由78提高至127 mm/h時，在0～5 min內團聚體流失量的最大值顯著增加1.28～1.88倍(p<0.05)；團聚體流失量在10～30 min內趨于的穩定值在坡度2°條件下隨雨強的增加無顯著差異(p>0.05)，在坡度4°和6°條件下分別顯著增加1.58倍和3.74倍(p<0.05)。

圖1 不同雨強及坡度下團聚體流失過程

此外，由圖2可知，對于雨強78 mm/h條件下，當坡度由2°增加至6°時團聚體流失總量顯著提高0.70倍(p<0.05)，團聚體流失總量在坡度4°時與坡度2°和6°時無顯差異(p>0.05)，但從整體來看，隨坡度的增加團聚體流失總量呈增加的趨勢；對于雨強127 mm/h條件下，當坡度由2°提高至4°時團聚體流失總量顯著增加1.42倍(p<0.05)，當坡度由4°提高至6°時團聚體流失總量顯著增加0.40倍(p<0.05)。相同坡度條件下，當雨強由78增加至127 mm/h時，在坡度2°條件下團聚體流失總量無顯著變化(p>0.05)，但從整體來看團聚體流失總量增加0.71倍；在坡度4°和6°條件下團聚體流失總量分別顯著增加1.94，2.41倍(p<0.05)，這表明坡度越大，團聚體流失總量隨雨強的增加幅度越大。

2.2 不同雨強和坡度下各粒徑團聚體流失量

測定結果表明(表1)，該試驗條件下粒徑>5 mm團聚體流失量為0，各粒徑團聚體中<0.053 mm團聚體流失量最大，流失比例達到68.27%～92.08%(見表2)。相同雨強條件下，不同坡度之間粒徑5～1，0.25～0.053，<0.053 mm團聚體流失量有顯著差異(p<0.05)。對于雨強78 mm/h條件下，當坡度由2°增加至4°時粒徑5～1 mm團聚體流失量減少23.21%，而0.25～0.053，<0.053 mm團聚體流失量分別增加0.28倍和0.57倍；當坡度由4°增加至6°時粒徑5～1，0.25～0.053 mm團聚體流失量分別減少79.07%，41.60%，而粒徑<0.053 mm團聚體流失量增加0.37倍。對于雨強127 mm/h條件下，當坡度由2°增加至4°時粒徑5～1，0.25～0.053，<0.053 mm團聚體流失量分別增加0.94倍、5.32倍和1.28倍；當坡度由4°增加至6°時粒徑5～1，0.25～0.053 mm團聚體流失量分別減少89.47%，48.57%，而粒徑<0.053 mm團聚體流失量增加0.65倍。

對于坡度2°條件下，當雨強由78提高至127 mm/h時各粒徑團聚體流失量無明顯變化(p>0.05)，但從整體來看，粒徑<0.053 mm團聚體流失量增加0.99倍；對于坡度4°條件下，隨雨強的增加粒徑0.25～0.053，<0.053 mm團聚體流失量分別顯著增加4.12倍和1.87倍(p<0.05)，粒徑5～1，1～0.25 mm團聚體流失量無顯著差異(p>0.05)；對于坡度6°條件下，隨雨強的增加粒徑1～0.25，0.25～0.053，<0.053 mm團聚體流失量分別顯著增加0.94倍、3.51倍和3.48倍(p<0.05)，粒徑5～1 mm團聚體流失量無顯著差異(p>0.05)。以上研究表明團聚體的分選受雨強和坡度的綜合影響，且不同雨強和坡度組合對團聚體分選的影響差異顯著。

注：不同大寫字母(A，B)表示相同坡度條件下不同雨強之間差異顯著(p<0.05)；不同小寫字母(a，b)表示相同雨強條件下不同坡度之間差異顯著(p<0.05)，下同。

表1 不同雨強和坡度下各粒徑團聚體流失量的測定結果

2.3 不同雨強和坡度下流失團聚體特征參數

由圖3可知，相同雨強條件下，當坡度由2°增加至6°時兩組雨強下流失團聚體MWD分別顯著降低81.44%和79.68%(p<0.05)，從整體來看，隨坡度的增加流失團聚體MWD呈減少的趨勢。相同坡度條件下，兩組雨強之間流失團聚體MWD無顯著差異(p<0.05)，但從整體來看，隨雨強的增加流失團聚體MWD呈減小的趨勢。

在雨強78 mm/h條件下，當坡度由2°增加至6°時流失團聚體D值顯著增加0.03倍(p<0.05)，在坡度4°時流失團聚體D值與坡度2°和6°時無顯著差異(p>0.05)，但從整體來看，隨坡度的增加流失團聚體D值呈增大的趨勢；在雨強127 mm/h條件下，不同坡度之間流失團聚體D值無顯著差異(p>0.05)。相同坡度條件下，兩組雨強之間流失團聚體D值無顯著差異(p>0.05)。

這表明隨坡度的增加，流失團聚體的穩定性顯著降低；隨雨強的增加，流失團聚體的穩定性呈降低趨勢但并不明顯。

2.4 雨強和坡度對團聚體流失量的貢獻率

本研究發現(表2)降雨強度、坡度和降雨強度與坡度的交互作用對團聚體流失總量皆有極顯著影響(p<0.01)，貢獻率分別為52.44%，29.77%和14.73%，其他影響因素的貢獻率較小，這表明雨強是團聚體流失總量的主要影響因素。

雨強對各粒徑團聚體流失量均有顯著影響(p<0.05)，對粒徑5～1，1～0.25，0.25～0.053，<0.053 mm團聚體流失量變化的貢獻率分別為9.79%，27.42%，28.09%和47.09%。坡度對粒徑5～1，0.25～0.053，<0.053 mm團聚體流失量有顯著影響(p<0.05)，貢獻率分別為45.59%，21.89，33.46%。降雨強度與坡度的交互作用對粒徑0.25～0.053，<0.053 mm團聚體流失量有顯著影響(p<0.05)，貢獻率分別為16.26%和13.90%。雨強是粒徑1～0.25，0.25～0.053，<0.053 mm團聚體流失的主要影響因素，且貢獻率隨團聚體粒徑減小而提高；而坡度是粒徑5～1 mm團聚體流失的主要影響因素。

圖3 不同雨強及坡度下團聚體特征參數

表2 各影響因子對團聚體流失量影響的顯著性及貢獻率

3 討 論

3.1 雨強和坡度對團聚體流失總量及特征參數的影響

在降雨初期由于雨滴的擊濺分散作用將地表存在大量被剝蝕的團聚體供給于徑流搬運，團聚體流失量在降雨初期達到最大值；隨后由于土壤表層微小團聚體受水流影響進入土壤孔隙，臨時形成結皮，減弱徑流對土壤的沖刷、剝離作用[21]，同時坡面薄層徑流的形成減弱了雨滴的擊濺作用，導致地表松散沉積物減少，侵蝕物質補給能力減弱，團聚體流失量降低；隨著降雨歷時的延長，在雨滴擾動下徑流的剝蝕能力與坡面抗蝕能力達到平衡，因此團聚體流失量變化趨于平穩[22]。

研究結果表明(見圖2)隨坡度的提高，團聚體流失總量顯著增加，與郝好鑫的研究結果相符[23]；隨雨強的增加，在4°和6°時團聚體流失總量顯著增加1.94，2.41倍，這表明坡度越大，團聚體流失總量隨雨強的增加幅度越大[24]。但是在坡度2°時，團聚體流失總量隨雨強的增加變化并不顯著，這是因為本試驗為蓄滿產流，坡面產流過程中有降雨填洼這一階段[25]，同時由于低坡度時徑流搬運能力較弱，部分團聚體在坡面低洼處沉積，導致在坡度2°條件下團聚體流失總量隨雨強增加并不顯著。此外，雨強和坡度以及兩者之間的交互作用對團聚體流失總量均有極顯著影響(p<0.01)，其中雨強對團聚體流失總量的影響程度最大，與周春紅等[26]的研究結果相符。

本研究中(圖3)，流失團聚體的穩定性隨坡度的提高而降低，隨雨強的提高呈降低趨勢但并不明顯，與盧嘉等[9]研究結果有所不同。這是由于在降雨產流過程中，坡面始終存在積水層[25]，削弱了雨滴對水層下團聚體的打擊分散作用[27]，導致雨強對流失團聚體穩定性的影響并不明顯。

3.2 雨強和坡度對各粒徑團聚體流失量的影響

雨強和坡度對各粒徑團聚體流失量的影響有所不同(表1)。本研究中，隨坡度的增加，粒徑5～1 mm團聚體在雨強78 mm/h時流失量顯著減少，在雨強127 mm/h時流失量呈先增加后減少的趨勢；粒徑0.25～0.053 mm團聚體流失量在兩組雨強下均隨坡度的增加呈先增加后減少的趨勢，但Jia等[8]指出各粒徑團聚體流失量皆隨雨強的提高而增加，與本文的研究結果有所不同。這是由于在雨強127 mm/h條件下，當坡度由2°提高至4°時徑流搬運能力增強，粒徑5～1，0.25～0.053 mm團聚體尚未被完全破碎就隨徑流流失，導致其流失量增加，而當坡度由4°提高至6°時，徑流流速大幅提高的同時徑流受雨滴的擾動作用，徑流紊動性增加[28]，此時徑流對團聚體的分離作用增強，粒徑5～1，0.25～0.053 mm團聚體破碎為更小的粒徑并隨徑流流失；而在雨強78 mm/h時徑流量相對較小，徑流層厚度較薄，對于大粒徑團聚體搬運能力較弱[29]，部分粒徑5～1 mm團聚體在坡面沉積；同時隨著坡度的增加，在雨滴打擊和徑流分離的耦合作用下，粒徑5～1 mm團聚體破碎程度提高，導致以該粒徑流失的團聚體減少。

隨雨強的增加，各坡度條件下小粒徑團聚體流失量皆明顯增加，安娟等[30]對于褐土坡耕地的研究也得出類似結論，但本研究發現大粒徑團聚體流失量僅在高坡度條件下明顯增加，這與已有研究有所不同。這是由于在斜坡方向重力分力以及慣性的作用，大粒徑團聚體在坡度較大的條件下更容易以滾動的形式被徑流搬運[31]，此時雨強對大團聚體流失量的影響更為明顯。

基于對不同雨強及坡度下各粒徑團聚體流失量的方差分析可知(見表2)，大粒徑團聚體流失量對坡度變化的響應較為敏感，小粒徑團聚體流失量對雨強變化的響應較為敏感。這是由于各粒徑團聚體的輸移方式不同導致的。張相等[32]指出較小粒徑的團聚體以懸浮/躍移的形式搬運，而較大粒徑的團聚體以滾動的形式搬運，團聚體的流失受控于水流剪切力、水流功率、徑流層厚度、團聚體粒徑等多種因素的影響。流失的小粒徑團聚體主要來源于雨滴對坡面土壤團聚體的破碎分散，徑流優先搬運破碎的小粒徑團聚體，雨強可以通過改變雨滴打擊能力影響團聚體的破碎程度，從而進一步影響小團聚體的流失量。大粒徑團聚體由于沉降速度較快，當徑流搬運能力較弱時易在坡面沉積[33]，坡度可以改變坡面薄層水流拖曳力，顯著影響徑流的搬運能力[28]，因此小粒徑團聚體流失量對雨強變化的響應更為敏感，而大粒徑團聚體流失量對坡度的變化響應更為敏感。

4 結 論

(1) 相同雨強條件下，團聚體流失總量隨坡度增加顯著增加0.70～1.42倍(p<0.05)；相同坡度條件下，團聚體流失總量隨雨強增加在坡度2°時無顯著變化，在坡度4°和6°條件下分別顯著增加1.94，2.41倍(p<0.05)，這表明坡度越大，團聚體流失總量隨雨強的增加幅度越大。雨強是團聚體流失總量的主要影響因子，貢獻率為52.44%。

(2) 相同坡度條件下，流失團聚體MWD隨坡度增加顯著減少(p<0.05)，D值在僅雨強78 mm/h時隨坡度增加顯著增加(p<0.05)；相同坡度條件下兩組雨強之間流失團聚體MWD，D值無顯著差異(p>0.05)；這表明坡度的增加會降低流失團聚體穩定性，雨強對流失團聚體穩定性沒有顯著的影響。

(3) 粒徑5～1 mm團聚體流失量在雨強78 mm/h時隨坡度增加顯著減少，在雨強127 mm/h時隨坡度增加呈先增加后減少的趨勢；粒徑0.25～0.053 mm團聚體流失量在兩組雨強下隨坡度的增加呈先增加后減少的趨勢。各坡度條件下小粒徑團聚體流失量皆隨雨強明顯增加，大粒徑團聚體流失量僅在高坡度條件下隨雨強明顯增加。

(4) 雨強是粒徑1～0.25，0.25～0.053，<0.053 mm團聚體流失的主要影響因素，貢獻率分別為27.42%，28.09%和47.09%；坡度是粒徑5～1 mm團聚體流失的主要影響因子，貢獻率為45.59%。這表明小粒徑團聚體流失量對雨強變化的響應更為敏感，而大粒徑團聚體流失量對坡度變化的響應更為敏感。

綜上，本文研究結果在前人基礎上進一步探討雨強和坡度對黑土坡耕地團聚體流失特征的影響及影響程度，可為今后進一步研究黑土侵蝕退化和質量演變規律提供依據。