东北黑土坡面降雨和汇流对土...团聚体流失和颗粒迁移的影响_秦琪珊.pdf

第 卷 第 期 年 月中 国 水 土 保 持 科 学 东北黑土坡面降雨和汇流对土壤团聚体流失和颗粒迁移的影响秦琪珊，郑粉莉，师宏强，王雪松，王 彬，李 志，张加琼（西北农林科技大学水土保持研究所，黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室，陕西杨凌；北京林业大学水土保持学院，北京；西北农林科技大学资源环境学院，陕西杨凌）摘要：分析降雨和汇流对坡面土壤团聚体流失和颗粒迁移的影响，可加深对土壤侵蚀退化过程的认识，也为土壤资源可持续利用提供科学依据。采用室内模拟降雨和汇流试验，通过设计 个降雨强度（和 ，即 和）、个汇流强度（，即）以及降雨与汇流组合（降雨强度 汇流强度（）、降雨强度 汇流强度（）、降雨强度 汇流强度（）试验，分析降雨和汇流对黑土坡面土壤团聚体流失和颗粒迁移的影响。结果表明：）在试验供水量相同时，试验处理的坡面土壤侵蚀速率分别是 的.倍和 的.倍，试验处理 的土壤侵蚀速率是 的.倍，表明降雨对坡面水蚀的作用大于汇流；）在降雨主导的坡面水蚀过程中，、和 试验处理下的.微团聚体流失量比例较试验土壤分别增加.、.、.和.，而在汇流主导的坡面水蚀过程中，和试验处理下的.团聚体流失量比例分别为.和.，表明坡面汇流对黑土团聚体的分散作用小于降雨；且平均质量直径能更好地反映土壤团聚体流失特征；）、和 试验处理下砂粒和黏粒流失量比例较 增加.，和 试验处理下砂粒流失量比例较、和 试验处理增加.，其较 增加.，但粉粒和黏粒比例相应减少，表明粗颗粒流失随坡面汇流量的增加而增加。总之，降雨对黑土团聚体的破碎作用大于坡面汇流作用，坡面水蚀过程中泥沙颗粒的分选取决于降雨和汇流对坡面水蚀的作用程度。关键词：降雨；汇流；团聚体流失；颗粒迁移；黑土区中图分类号：.文献标志码：文章编号：（）：收稿日期：修回日期：项目名称：国家“十四五”重点研发计划项目“黑土地农用土壤质量退化过程与阻控途径”（）；中国科学院战略性先导科技项目（类）黑土地保护与利用科技创新工程专项“典型黑土区风力水力冻融驱动的复合侵浊过程与阻控关键技术”（）第一作者简介：秦琪珊（），女，硕士研究生。主要研究方向：土壤侵蚀过程与机理。：通信作者简介：郑粉莉（），女，教授，博士生导师。主要研究方向：土壤侵蚀过程与环境效应评价。：，（，；，；，）：，.中国水土保持科学 年 ，（），（），（），（），（），.，；.，），.，.，.，.，（），.，；.，；.；，：；坡面水蚀过程中土壤团聚体破坏和土壤颗粒流失是导致土壤结构变差、土壤有机质下降和土壤肥力降低的主要原因，而降雨和坡面汇流是坡面水蚀过程中土壤颗粒分散与搬运、团聚体破碎与迁移的关键驱动力，降雨对土壤团聚体破碎、流失以及颗粒迁移过程有重要影响，而坡面汇流则会增加坡面径流侵蚀力，进而加剧土壤团聚体破碎、流失以及颗粒迁移；因此，研究坡面水蚀过程中降雨和汇流对土壤团聚体流失和颗粒迁移的影响将加深对土壤侵蚀退化过程机理的认识。当前有关坡面水蚀过程对土壤团聚体流失和颗粒迁移的影响研究，大多孤立地剖析降雨或坡面汇流的影响作用，很少分析二者相互影响和相互作用。姜义亮等的研究表明，随降雨强度的增大，雨滴打击作用和水流紊动作用增强，导致径流分散作用和输移作用增强，进而使土壤团聚体流失量增加；杨帆等的研究表明，径流冲刷作用使小粒径颗粒泥沙输移量增加；钱婧等的研究发现，在红壤坡面水蚀过程中径流优先搬运细小泥沙颗粒，且随径流强度的增大，土壤粗颗粒的流失量增加。众所周知，在坡面水蚀过程中降雨和坡面汇流对土壤团聚体流失和颗粒迁移的影响相互促进相互制约，因此亟需开展降雨和坡面汇流对坡面土壤团聚体流失和土壤颗粒迁移的影响研究。东北黑土区严重土壤侵蚀导致土壤细颗粒流失、土壤结构变差、土壤肥力下降，进而影响土壤质量和区域粮食产能。因此，揭示黑土区坡面水蚀过程对土壤团聚体流失和颗粒迁移的影响，可为黑土侵蚀退化防治和土壤质量提升提供科学依据。当前有关黑土区降雨和坡面汇流对土壤团聚体流失和土壤颗粒迁移的研究较少，也不清楚降雨和汇流对土壤团聚体流失和颗粒迁移的作用。沈海鸥 第 期秦琪珊等：东北黑土坡面降雨和汇流对土壤团聚体流失和颗粒迁移的影响等基 于 径 流 冲 刷 试 验 发 现，水 蚀 过 程 中.泥沙颗粒流失的比例较高；申艳等研究表明，坡面水蚀过程倾向于破坏水稳性大团聚体，径流优先迁移微团聚体；本研究针对现有研究孤立地分析降雨或汇流对土壤团聚体破坏、流失以及土壤颗粒迁移影响的不足，通过设计降雨和坡面汇流组合试验，分析降雨和汇流对黑土坡面土壤团聚体流失和颗粒迁移的影响，加深对黑土侵蚀退化过程机理的认识，旨在为黑土侵蚀防治保护提供科学依据。材料与方法.供试土壤供试验土壤采自吉林省榆树市刘家镇 耕层土壤（，），其有机质质量分数约为.（重铬酸钾氧化外加热法），采用 吸 管 法 测 得 土 壤 颗 粒 组 成 为 砂 粒（）占.，粉粒（）占.和黏粒（）占.，土壤质地为粉壤土（质地分类），采用环刀法测得耕层土壤密度为.，采用水浸提法（水土比.）测得 值为.。.试验设备与试验设计模拟试验在黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室人工模拟降雨大厅进行。采用侧喷式模拟降雨装置进行降雨，其降雨高度为 ，保证所有雨滴达到终点速度。模拟降雨试验时由 组单喷头降雨机对喷，形成 降雨区，其降雨强度变化范围为 。试验土槽规格（长 宽 深）为 .，坡度范围 ，试验小区下端设集流装置用于收集径流泥沙样，上端安装汇流试验装置，可将所设计的汇水流量通过阀门调节汇入稳流槽，并使水流从稳流槽均匀流向试验坡面，汇流装置可调节的供水流量范围为 。相关研究表明，黑土区 坡度的农地占农地总面积的.，且引起土壤流失的降雨类型为短历时高强度降雨（降雨时间 左右，瞬时降雨强度.），造成东北黑土区严重 土 壤 侵 蚀 的 降 雨 强 度 变 化 为.，故本试验设计的试验坡度为，设计的 个降雨强度分别为 和 （即.和.）。为了分析降雨和汇流对土壤团聚体流失和土壤颗粒迁移的影响，设计坡面汇流强度 ，并设计 组降雨与汇流组合试验（包括 降雨强度 汇流强度、降雨强度 汇流强度、降雨强度 汇流强度），分析降雨和汇流对土壤团聚体流失和颗粒迁移的影响（表），所有试验设计 次重复。表 试验设计 试验处理降雨强度（）汇流强度（）骤雨历时重复 注：汇流强度为单位时间汇流量；和 分别表示降雨强度为 和 的试验处理；表示汇流强度 的试验处理；为 降雨强度与 汇流强度组合的试验处理；为 降雨强度与 汇流强度组合的试验试验；为 降雨强度与 汇流强度组合的试验处理。下同。：，.试验步骤试验步骤包括装填试验土槽、预降雨、正式降雨和径流泥沙样品处理等。）试验土槽装填土壤采用姜义亮等方法，即将试验土槽分成耕层和犁底层，然后按.和.土壤密度分层装填。）试验土槽装填土壤后静置 ，采用 降雨强度进行预降雨，直至坡面产流，以保证每次试验的前期土壤含水量基本保持一致；然后用塑料布遮盖试验土槽防止土壤水分损失并静置。）正式降雨前，对设计的目标降雨强度和汇流强度进行率定，使其误差控制在 以内，以确保试验过程中降雨强度和汇流强度的准确性；试验过程中当坡面开始产流后，记录产流时间，并用 塑料桶每隔 收集径流泥沙样。）试验结束后将收集的径流泥沙样品分成 组，一组样品通过筛孔直径为.、.、.、中国水土保持科学 年.和.的套筛进行湿筛试验，烘干后称量，分析土壤团聚体流失；另一组样品风干后过筛，用过氧化氢去除有机质后用吸管法分析土壤矿质颗粒组成。.数据处理采用 平 均 质 量 直 径（，）和几何平均直径（，）指标表示土壤团聚体稳定性，其值越大则表明土壤团聚体的稳定性越强，二者计算公式为：（）()（）式中：和 分别为平均质量直径和几何平均直径，；为筛分的任一粒级团聚体（）的平均直径，；为对应粒级的团聚体质量占样品质量的比例，；是平均直径为 的团聚体质量，。利用 进行数据处理，并采用 进行图表制作，运用 .进行单因素（）方差分析和 多重比较（.）。图表中数据为平均值 标准差。结果与分析.降雨和汇流对坡面径流和侵蚀的影响由表 可知，试验处理 与 相比，即降雨强度由 增加到 时，黑土坡面径流量和侵蚀量分别显著增加.倍和.倍。试验处理与 相比，即 降雨强度 汇流强度组合试验与仅 降雨强度相比，坡面径流量和侵蚀量分别显著增加.倍和.倍。同 样，试 验 处 理（降 雨 强 度 汇流强度组合试验）下的坡面径流量和侵蚀量分别较 显著增加.倍和.倍。与试验处理 相比，试验处理（降雨强度 汇流强度组合试验）下的坡面径流量和侵蚀量分别显著增加.和.倍。表 还显示，在试验供水总量相同时，试验处理 下的坡面径流量和侵蚀量较试验处理 分别显著增加.倍和.倍，较 试验处理分别增加.倍和.倍，说明降雨对黑土坡面径流量和侵蚀量的影响大于坡面汇流。试验处理的坡面径流量和侵蚀量是 试验处理的.倍和.倍，同样证明降雨对黑土坡面径流量和侵蚀量的影响大于坡面汇流。此外，对于坡面汇流量为 试验处理，当降雨强度由 增加到 时（试 验 处 理 和），试验处理的坡面径流量和侵蚀量较 试验处理分别增加.倍和.倍。对于降雨强度为 试验处理，当上方汇流由 增加到 时（试验处理 和），试验处理的坡面径流量和侵蚀量较 试验处理仅分别增加.倍和.倍，此结果更加验证了降雨强度对黑土坡面径流量和侵蚀量的影响显著大于坡面汇流。这与姜义亮等和 等研究结果一致。姜义亮等研究发现降雨对坡面侵蚀的贡献达.，等研究结果表明，降雨侵蚀作用对坡面水蚀的贡献可达.。表 不同试验处理下黑土坡面径流量和侵蚀量的对比 试验处理 径流量 侵蚀量 .注：同一列中不同字母表示差异显著（.）。：.降雨和汇流对黑土坡面侵蚀过程中土壤团聚体流失的影响.降雨和汇流对土壤团聚体各粒级分布的影响 图 显示不同试验处理下各粒级团聚体流失量所占的比例。与试验土壤相比，.和.组粒级团聚体的流失量比例总体大致呈现出减小趋势，表明降雨和汇流使大粒径团聚体破碎为更小粒径的团聚体，进而发挥其分选和输移作 用。试 验 处 理 下，土 壤 团 聚 体 流 失 以.的微团聚体流失为主，其比例达.；在.大团聚体流失中，.和.组粒级团聚体的流失量比例较高，二者比例分别为.和.。试验处理下，土壤团聚体流失仍以.的微团聚体流失为主，其比例为.；.大团聚体流失仅较之 试验处理增加.，且.和.组粒级大团聚体流失量较之 分别增加.和.。对于 与 第 期秦琪珊等：东北黑土坡面降雨和汇流对土壤团聚体流失和颗粒迁移的影响试验处理，土壤团聚体流失以.的大团聚体流失为主，其比例分别为.和.，两者均表现为.和.组粒级的流失量比例较高，其比例分别为.和.，.和.。对于 和 试验处理，土壤团聚体流失也以 .的微团聚流失为主，其比例分别为.和.；在.的大团聚体流失中，这 个试验处理均以.和.组粒级的团聚体流失为主，其 比 例 分 别 为.和.，.和.。图 表明，与试验处理 的土壤团聚体流失以.微团聚体流失为主相比，试验处理的.土壤微团聚体流失比例减少，反映坡面汇流对黑土团聚体的分散作用小于降雨作用。同样，与试验处理 的土壤团聚体流失以.微团聚体流失为主相比，试验处理的土壤团聚体流失以.大团聚体流失为主，再次反映了坡面汇流对黑土团聚体的分散作用小于降雨作用。此外，在 降雨强度下，当汇流强度由 增加到 时（和 试验处理），土壤团聚体流失由微团聚体流失为主转变到以大团聚体流失为主，也进一步证明坡面汇流对黑土团聚体的分散作用小于降雨作用。图 不同试验处理下泥沙中各粒级团聚体累积比例 .降雨和汇流对土壤团聚体流失量的影响不同试验处理下黑土坡面土壤团聚体流失量及其比例如表 所示。从表中可以看出，与试验土壤相比，除 试验处理外，其余试验处理下.大团聚体流失量比例均有不同程度减小。表 还表明，当降雨在坡面土壤流失过程中占主导作用时（试验处理、和），土壤大团聚体以破碎转化为主，表现为 .微团聚体流失 表 不同试验处理下土壤团聚体流失量及其比例 试验处理.团聚体流失量.比例.团聚体流失量.比例.试验土壤 .注：“比例”为.团聚体流失量或.团聚体流失量占团聚体流失总量的比例。：.量占总团聚体流失量.以上；且与试验土壤相比，.大团聚体流失量比例减少.以上。当汇流在坡面水蚀过程中占主导作用时（试验处理 和），土壤团聚体流失倾向于以整体搬运为主，表现为.大团聚体流失量比例和.微团聚体流失量比例与试验土壤基本类同。此结果表明降雨对土壤团聚体破碎作用明显大于坡面汇流作用。从表 可知，当试验供水总量相同时，试验处理下的.大团聚体流失量和 .微团聚体流失量较试验处理 分别增加.倍和.倍，其较 处理分别增加.倍和.倍；中国水土保持科学 年且在 种试验处理之间，试验处理 以大团聚体流失为主，其比例为.。此外，相较 大团聚体流失量比例下降.。试验处理以微团聚体流失为主，则以大团聚体流失为主。对于试验处理 和，土壤团聚体流失均以微团聚体流失为主；在降雨强度为 时，当上方 汇 流 由 增 加 到 时（试 验 处理 和），土壤团聚体流失量比例从以微团聚体为主转变为以大团聚体为主。.降雨和汇流对黑土坡面侵蚀过程中土壤颗粒迁移的影响表 表明，与试验土壤相比，各试验处理下粉粒流失量比例均减小，而黏粒流失量比例与砂粒流失量比例均有不同程度的增加；且不同试验处理下土壤颗粒流失量比例均表现为粉粒 黏粒 砂粒，这与供试土壤本身的颗粒组成相关，表明侵蚀泥沙颗粒与供试土壤颗粒有相匹配的特征，其中粉粒流失量比例变化为.；黏粒流失量比例变化幅度为.，砂粒流失量比例介于.。试验处理 和 相比，粉粒流失量比例仅减 少.，而 砂 粒 流 失 量 比 例 增 加.，黏粒流失量比例基本不变。与 试验处理相比，试验处理 下的粉粒流失量比例减少.，砂粒和黏粒流失量比例分别增加.和.；试验处理 下的粉粒流失量比例减少.，黏粒流失量比例减少.，而砂粒流失量比例增加.。与 试验处理相比，试验处理下的粉粒流失量比例减少.，黏粒流失量比例增加.，砂粒流失量比例增加.。在 降雨强度下，当汇流强度由 增加到 （试验处理 和）时，砂粒、粉粒、黏粒流失量分别增加.、.和.倍，其中砂粒和粉粒流失量比例分别增加.和.，而黏粒流失量比例减少.。在 汇流强度下，当降雨强度由 增加到 （试验处理和）时，砂粒、粉粒和黏粒流失量分别增加.、.和.倍，其中粉粒流失量比例增加.，砂粒流失量比例增加.，而黏粒流失量比例减少.。在总供水量为 （试验处理、和）试验处理下，砂粒流失量比例变化较小，粉粒流失量比例以试验处理 最大，而黏粒流失量比例在试验处理 和 之间基本接近。在总供水量为 （和）试验处理下，试验处理 的砂粒流失量比例较之试验处理 增加.，粉粒流失量比例增加.，而试验处理黏粒流失量比例较之试验处理 增加.。表 不同试验处理下土壤颗粒流失量及其比例 试验处理 砂粒流失量 比例 粉粒流失量 比例 黏粒流失量 比例.试验土壤 .注：“比例”为砂粒流失量或粉粒流失量或黏粒流失量占土壤颗粒流失总量的比例。：讨论.降雨和汇流对土壤团聚体分选特征的影响降雨和汇流对土壤团聚体的分选特征是雨滴打击、径流搬运以及团聚体稳定性三者相互作用的结果。降雨强度与坡面汇流侵蚀作用机制的差异以及两者之间的相互影响，导致雨滴打击和径流搬运能力不同，也是造成黑土坡面土壤团聚体流失规律存在差异性的主要原因。与 是评价土壤团聚体稳定性的重要指标。图 表明，不同试验处理下的 值与 值均小于试验土壤，表明土壤团聚体发生了不同程度的破碎。第 期秦琪珊等：东北黑土坡面降雨和汇流对土壤团聚体流失和颗粒迁移的影响试验处理 下的 值和 值大于试验处理，且.和.组粒级团聚体流失量比例较 试验处理明显增加（图）。造成这种现象的原因在于随降雨强度的增大，雨滴击溅作用增强，使土壤表面形成“结皮”，削弱了雨滴对土壤的分散作用，但结皮的形成增强了径流对土壤的剥蚀能力，进而使土壤团聚体倾向于整体搬运。图 还表明，试验处理 的 值和 值较 减小，但试验处理 和 的 值和 值均大于试验处理。出现此现象的原因可能是降雨过程中供入小于降雨强度的坡面汇流，使雨滴对土壤的分散能力增强，进而增强了土壤团聚体分散能力，其结果导致试验处理下.的微团聚体流失量比例较 增加。等研究结果表明，在低汇流条件下坡面流深较浅，其径流动能低，雨滴打击会破坏坡面薄层径流垂直分布剖面，从而增加流动阻力，减缓坡面流速，进而增加雨滴对团聚体的破碎能力。相反，降雨过程中供入相同或大于降雨强度的坡面汇流，会削弱一部分雨滴对土壤的分散作用，导致雨滴打击对土壤团聚体的破碎能力减弱，且这种现象随汇流强度的增加表现更明显，其结果导致 试验处理下.的微团聚体流失量比例较 减少，而 试验处理则以.大团聚体流失为主。试验过程观测也同样表明，对于 和试验处理，当坡面侵蚀方式从片蚀变为细沟侵蚀后，随细沟侵蚀过程的进行坡面汇流迅速汇入细沟沟槽，导致坡面侵蚀以雨滴分散作用为主演变为以径流剥蚀作用为主，从而导致大粒径团聚体流失量增加。试验处理 和试验处理 均以.大团聚体流失为主，且表现为.和.组粒级的团聚体流失居多，在试验处理 下 组粒级团聚体流失量比例分别为.和.，而试验处理 分别为.和.。原因在于当在坡面汇流中叠加降雨时，坡面径流流速增加，导致坡面径流紊动性增加，进而导致径流对土壤团聚体的分离作用增强。试验结果表明，试验处理 的分离破碎能力更强，值表现为 小于，值表现为大于，更能反映土壤团聚体的流失特征。和 种试验处理下，.各粒级团聚体流失量比例均表现为后者大于前者。这表明降雨在坡面侵蚀过程中占据主导作用时，影响土壤团聚体的破碎程度主要是雨滴打击能力，当坡面径流能力较弱时，大粒径团聚体沉降速度较快，极易在坡面发生沉积，而小粒径团聚体对雨强变化下雨滴打击能力改变的响应更为敏感。因此，降雨和汇流相互作用对土壤团聚体流失的影响主要表现为雨滴打击对团聚体的破碎能力。在不同降雨和汇流组合试验处理下，坡面径流侵蚀能力的改变以及坡面侵蚀方式的演变均会改变雨滴对土壤团聚体的分散作用。图 数据还表明 试验处理对土壤团聚体的破碎程度更强，值表现为 小于，值表现为 大于，该结果更进一步证实本研究结论中 值能更好地反映土壤团聚体流失特征。图 不同试验处理下 和 的对比 .降雨和汇流对土壤颗粒迁移的影响相关研究结果表明，坡面水蚀过程实质上是雨滴和径流侵蚀力与土壤颗粒相互作用的过程，雨滴打击对土壤的分散作用为坡面径流搬运提供了物质。本研究中在不同试验处理下坡面径流优先搬运粉粒，与 等得出的结论一致。这是由于黏粒一般不以单粒的形式存在于土体中，而是通过粘结作用形成较大的黏粒团，进而不易搬运；砂粒由于自身质量较重也不易被搬运；而粉粒是以单粒的形式存在于土壤，因而最容易被搬运流失。汤珊珊等研究同样指出在坡面径流较小的情况下，水流作用并不足以搬运团聚体或粗砂粒，只能搬运粉粒，随着坡面径流输沙能力的增强，部分黏粒或砂粒才随径流被搬运流失。表 表明，试验处理 和 相比，砂粒流失量比例增加，表明降雨强度增加，径流动能增大，其径流冲刷作用和搬运能力增强，粗颗粒流失增多，与中国水土保持科学 年杨帆等的研究结果一致。供水量同为 的降雨强度与汇流强度 种试验处理下（试验处理和），泥沙颗粒流失量比例基本相近，表明相同强度下的仅降雨和仅汇流试验处理对泥沙颗粒的分选特征不明显。、种试验处理下的粉粒流失量比例较仅降雨或仅汇流试验处理均呈现不同程度的减少，原因是在、种试验处理下，土壤侵蚀由面蚀转变为细沟侵蚀，坡面汇流在细沟内汇集，沟壁坍塌后集中的股流携带走大粒径砂粒和黏粒团。此时坡面径流动能被细沟股流吸收，导致对坡面土体的作用力减弱，粉粒流失量降低。此结果进一步说明降雨和汇流交互作用对土壤颗粒迁移的影响受控于坡面侵蚀方式的演变。结论）对于供水总量相同的试验处理，和 试验处理的坡面土壤侵蚀量分别是 试验处理的.和.倍，试验处理的坡面土壤侵蚀量是试验处理的.倍，表明在相同供水条件下降雨对坡面水蚀的作用大于汇流。当降雨强度由 增加到 时，坡面土壤侵蚀量增加.倍；同样在坡面汇流量为 时，当降雨强度由 增加到 时（试验处理 和），坡面土壤侵蚀量增加.倍，表明降雨强度对黑土坡面侵蚀有重要影响。此外，对于 降雨强度，当增加汇流强度由 增加到 时，坡面侵蚀量增加.倍，反映坡面汇流强度对黑土坡面侵蚀也有重要影响。）降雨在坡面侵蚀过程中占主导作用时，土壤团聚体流失以 .微团聚体流失为主，而汇流在坡面侵蚀过程中占主导作用时，土壤团聚体流失以.大团聚体流失为主，表明降雨对团聚体破碎作用明显大于坡面汇流作用。）不同试验处理下颗粒流失均表现为粉粒 黏粒 砂粒，且随着坡面汇流量的增加，粗颗粒流失量增加。能更好地反映黑土坡面土壤团聚体流失特征，土壤颗粒流失特征与供试土壤颗粒组成相匹配。参考文献 ，（）：张兴昌，邵明安 侵蚀泥沙、有机质和全氮富集规律研究 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