土壤理化性质与土壤溅蚀速率的相关性研究

孙贞婷, 胡 霞, 李宗超, 刘 勇

(1.北京师范大学 环境演变与自然灾害教育部重点实验室, 北京100875; 2.北京师范大学 减灾与应急管理研究院, 北京 100875)

土壤理化性质与土壤溅蚀速率的相关性研究

孙贞婷1,2, 胡 霞1,2, 李宗超1,2, 刘 勇1,2

(1.北京师范大学 环境演变与自然灾害教育部重点实验室, 北京100875; 2.北京师范大学 减灾与应急管理研究院, 北京 100875)

土壤溅蚀是土壤侵蚀的初始阶段，是降雨雨滴直接打击土壤表层引起的土壤颗粒分散和位移发生的过程。为研究土壤理化性质与土壤溅蚀速率的相关性，研究通过人工模拟降雨溅蚀试验测定土壤溅蚀速率，运用SPSS 20.0软件，对土壤理化性质与土壤溅蚀速率进行了Pearson相关系数分析。结果表明：土壤渗透性、分散率、团聚度和土壤粒级与土壤溅蚀速率相关性最大。土壤的渗透系数在整个降雨历时阶段对土壤的溅蚀速率一直呈现负影响。分散率在降雨历时为15 min时对土壤溅蚀速率呈显著负影响。团聚度对土壤溅蚀速率的影响由T=15 min时的显著正相关变成T=20 min时的极显著正相关。土壤粒级和土壤溅蚀速率相关性很大，且关系较为复杂。相较于其他4种粒级中，粒级范围在D<0.002 mm的土壤颗粒对土壤溅蚀速率影响最大，且在降雨历时为15～20 min时，对土壤溅蚀速率皆有显著正相关性。另外，粒级范围在0.2≤D<2 mm和0.02≤D<0.2 mm的土壤颗粒分别在T=15 min和T=20 min时对土壤溅蚀速率有显著负相关性。土壤粒级对土壤溅蚀速率的相关性随降雨历时的变化可能与土壤结皮有关。

土壤溅蚀; 土壤理化性质; 渗透系数; 团聚度; 土壤颗粒组成

土壤溅蚀是指地表土壤在雨滴动能作用下，导致土壤结构破坏，使表层土壤孔隙减少或者堵塞，土壤团粒被分散、剥离，并使部分土粒沿抛物线的运动轨迹向四周飞溅的过程[1]，是土壤侵蚀中极为普遍的一种侵蚀方式。Ellison将土壤侵蚀分为四个阶段[2]，即雨滴对土壤的溅蚀、径流的溅蚀、雨滴对溅蚀产生的土粒的搬运、径流对土粒搬运。Ellison认为溅蚀是土壤侵蚀的第一步。溅蚀还会填塞土壤孔隙，降低土壤渗透性，阻止雨水入渗，增加地表径流，增强径流的侵蚀和搬运能力[3]，从而加剧水土流失，使土体板结，土地适耕性大大降低。因此，研究土壤溅蚀不仅可为理解土壤侵蚀机理提供理论依据，还对农业生产具有重要意义。郭耀文[4]将土壤溅蚀过程分为三个阶段：(1) 干土溅散阶段：降雨初期，雨滴降落到相对较干燥的土表，因土壤颗粒间隙有空气充填，土粒还来不及吸取雨水，细小土粒只随雨滴溅散开，但仍保持原来的结构；(2) 泥浆溅散降段：随降雨时间延长，表层土壤孔隙充填的水分逐渐增多，并继续受雨滴的冲击、震荡，引起土壤结构破坏。当其土壤表层水分增加到过于饱和状态后，土壤即成为稀泥状态，泥浆受雨滴冲击，以稀泥状态溅散；(3) 层状侵蚀阶段：随降雨过程继续延长，土表的泥浆将阻塞土壤孔隙，妨碍水分继续下渗，形成泥浆状的地表浑浊径流，造成地表土粒均匀地流失。土壤溅蚀的影响因素可归结为土壤性质(土壤颗粒、土壤结皮、渗透率等)、降雨特性(雨强、降雨历时、降雨能量等)及其他因素(坡度等)[5-6]。很多研究表明，土壤理化性质对土壤溅蚀有很大影响，胡霞等[7]研究结果表明，土壤结皮的存在会降低土壤的溅蚀速率；尹武君等[8]研究结果表明土壤密实度越大，土壤溅蚀量越小；Wuddivira等[9]研究结果表明在湿润速率较小的情况下，提高土壤含水量可有效降低土壤溅蚀率。但是，土壤理化性质中哪种性质对土壤溅蚀影响较大，对土壤溅蚀的作用是促进还是抑制，尚不明确。

本研究通过人工模拟降雨溅蚀试验，利用溅蚀盘[10-11]得到土壤的溅蚀速率，然后运用SPSS 20.0软件，分析土壤粒级、团聚度、渗透系数、水稳性团聚体平均重量直径等土壤理化性质与土壤溅蚀速率的Peason相关系数，分析土壤理化性质与土壤溅蚀速率的相关性。

1 材料与方法

1.1 试验装置

试验在中国科学院地理科学与资源研究所坡地室人工模拟降雨大厅中进行。模拟降雨装置是由一套直立管道、调压器、压力表、向下的喷嘴装置构成，直立管道高4.75 m，水平延伸管长0.9 m，向下的喷头连结于水平延伸管上，喷嘴型号是美国Spraco，其离地高度4.75 m。

试验用溅蚀盘为直径30 cm、高10 cm的圆型盘，盘中心是一直径10 cm、高3 cm的圆型活动装土盘，盘底部打上小孔。外环是用来收集表面水流冲刷的泥沙，使之不与溅蚀土粒混杂。此装置是在Morgan溅蚀盘的基础上，对盛试验用土的内圆盘外加宽1 cm改进而成。

1.2 试验样品与试验设计

供试土壤采自湖北省，试验材料取自不同的地点，采样深度0—10 cm，在野外直接挖取、装袋。取样地点、母质类型、土壤利用状况及土壤类型列于表1中。

表1 供试土样来源、成土条件以及土地利用状况

试验前将土壤样品风干并过土壤分析筛，利用干筛法对供试土壤进行处理，得到10种土壤的粒级百分含量，见表2。

试验前通过常规土壤理化分析方法测定土壤的基本理化性质，见表3。溅蚀盘中土壤样品容重控制在1.30 g/cm3。雨强控制为1.20 mm/min，降雨时间分别为5，10，15，20 min。降雨后收集溅蚀盘中的土样分析溅蚀速率，得到表4。每个处理采用3个重复。

式中：a是土壤微团聚体>0.02mm稳定性微团聚体含量；b是土壤颗粒分析时>0.02mm粒级的颗粒含量。

1.3 数据分析方法

利用软件Spss20.0分析土壤团粒结构、土壤结构特征与土壤溅蚀速率的Pearson相关系数，置信水平p=0.05，即p<0.05为显著相关，p<0.01为极显著相关。

表2 10种土壤的粒级百分含量 %

表3 10种土壤的结构特征

表4 10种土壤不同降雨历时溅蚀速率 g/(m2·min)

2 结果与分析

2.1 土壤的溅蚀速率特征

图1是10种土壤在不同降雨历时条件下的溅蚀速率变化曲线。在降雨过程中，雨滴击打土壤表面，使其表面条件不断发生变化，溅蚀速率不断改变。

在5～10 min 内，除了3号和9号土壤的溅蚀速率缓慢减小外，其余8种土壤的溅蚀速率随降雨历时的延长而增大；在10～15 min内，2号、6号和7号土壤溅蚀速率随降雨历时而减小，8号土壤溅蚀速率较为稳定，其余土壤的溅蚀速率随降雨历时的延长而增大。在15～20 min内，2号和7号土壤溅蚀速率稍有回升，其余土壤的溅蚀速率随降雨历时的延长而减小。在5～20 min内，10种土壤的溅蚀速率随降雨历时延长而发生升降波动，是由于表土结皮发育不完善，且形成与破坏交替进行[12](表土结皮发育过程见图2—6)。雨滴的下落过程是重力势能转化为动能的过程。当雨滴降落到地表时，雨滴击打表土，其动能损耗在击溅土壤颗粒。当雨滴动能克服土粒间的黏结作用及土粒的重力势能时，就会使土粒发生分散和位移。土壤被溅蚀的量取决于土壤的抗蚀能力[13]，而表土结皮愈厚抗溅蚀力愈强[14]。未降雨前土壤表面基本上都为大团聚体，不易被雨滴击溅而发生位移。随降雨历时的延长，雨滴打击破坏表层土壤的结构，使得团聚体被破坏为细小颗粒或微团聚体，土壤颗粒分散并堵塞土壤孔隙，同时雨滴对于表土的打击和压实作用，还会导致某些土壤上形成薄的致密层，即表土结皮[15]。当土壤结皮发育不断完善时，土壤表面抗溅蚀能力也不断增强，且结皮愈厚抗溅蚀力愈强，从而土壤溅蚀速率减小[14,16-17]。

2.2 土壤理化性质对土壤溅蚀速率的影响

对10种土壤不同降雨历时下的溅蚀速率与相应的水稳性团聚体平均重量直径、>0.25 mm水稳性团聚体、>0.5 mm水稳性团聚体、团聚体分散度、分散率、团聚度、渗透系数等结构特征和粒级百分含量进行皮尔森(Pearson)相关分析，得到土壤溅蚀速率和土壤主要理化指标之间的相关性见表5。

图110种土壤在不同降雨历时条件下的溅蚀速率变化曲线

当降雨历时为5 min时，土壤的渗透系数和土壤的溅蚀速率相关性较大，且呈负相关关系。在降雨初期，土壤溅蚀处于干土溅散阶段，土壤表面较干燥，雨滴动能主要用来湿润土壤，细小土粒随雨滴溅散开，溅蚀量较少。因此，土壤的渗透系数越大，雨滴溅散干土量越少，土壤溅蚀速率越小。

随着降雨历时的延长，当T=10 min时，土壤溅蚀速率与土壤中0.02≤D<0.2 mm的颗粒含量的相关性最大，且为正相关性；其次是土壤的团聚度与土壤溅蚀速率的相关性相对较大，且为负相关。在降雨初期，土壤表面的细颗粒在雨滴的动能打击作用下大部分被溅蚀，随着雨滴的继续打击，雨滴的动能一部分被土壤吸收，另外未被吸收的“剩余能量”中，一部分被用来溅散较大颗粒[18]。因此，土壤中0.02≤D<0.2 mm的颗粒含量越多，溅蚀速率越大。在降雨历时10 min时，雨滴动能不断耗散在分散大的团聚体上，从而为表土结皮的发育提供物质，此时用来溅蚀土壤

颗粒的雨滴动能很少[18]。土壤团聚度是土壤中0.02 mm稳定性微团聚体含量，因此土壤团聚度越大，土壤溅蚀速率越小。

当降雨历时为15 min时，土壤的溅蚀速率与土壤的0.2≤D<2 mm的颗粒含量、分散率呈显著负相关，与土壤中D<0.002 mm的颗粒含量、团聚度呈显著正相关。降雨初期由于细颗粒被雨滴溅散，随降雨历时的延长，表土大颗粒相对含量增大，而大的土壤颗粒(D>0.2 mm)不易被溅蚀。故而，当降雨历时为15 min时，溅蚀速率减小，即土壤溅蚀速率与0.2≤D<2 mm的土壤颗粒含量呈显著负相关。分散率是表示土壤可蚀性的指标，分散率愈大，土壤抗冲性越小，土粒越容易被分散冲刷，其大小取决于土粒与水的亲和力和胶结力[19]。从图2—6中土壤结皮发育过程可以看出，当降雨历时为15 min时，表土结皮的发育趋向完整[15]，表土上层颗粒逐渐变得越来越紧实，土壤的抗溅蚀能力增强，因此溅蚀速率越小。团聚度越大的土壤，其稳定性团聚体含量越多，越不容易形成表土结皮[19]，所以其土壤的抗溅蚀能力越小。此外，分散率与团聚度呈负相关(表5)，所以团聚度越大，分散率越小，抗溅蚀能力越小，故而土壤溅蚀速率越大。

随着降雨历时的继续延长，当T=20 min时，土壤中团聚度与土壤的溅蚀速率呈极显著正相关，团聚度是影响溅蚀速率的最大因素。团聚度越大的土壤，越不容易形成表土结皮[20]，土壤的抗溅蚀能力越小，溅蚀速率越大。而此时土壤中0.02≤D<0.2 mm的大颗粒和D<0.002 mm的小颗粒不易被溅蚀[21]，所以与土壤的溅蚀速率呈显著负相关。

在T=0～20 min整个降雨历时过程中，土壤溅蚀速率与渗透系数都呈负相关，即在不同降雨历时过程中，都有渗透系数越大，土壤溅蚀速率越小的规律。

图23号土壤，T=5，10，15min(单偏光，4×3.3)

图36号土壤，T=5，10，15min(单偏光，4×3.3)

图47号土壤，T=5，10，15min(单偏光，4×3.3)

图58号土壤，T=15min(单偏光，10×3.3)、T=20分钟(单偏光，4×3.3)

图6 10号土壤，T=5，15，20 min(单偏光，4×3.3)表5 土壤理化性质与土壤溅蚀速率的Pearson相关系数

注：d表示水稳性团聚体平均重量直径，d1>0.25 mm,d2>0.5 mm；D1，D2，D3，D4和D5分别表示土壤粒级为D>2 mm，0.2≤D<2 mm，0.02≤D<0.2 mm，0.002≤D<0.02 mm和D<0.002 mm；*表示在p<0.05水平上显著；**在p<0.01水平上极显著。

3 结 论

本文运用SPSS 20.0软件对10种不同土壤在不同降雨历时条件下的溅蚀速率和土壤理化性质进行Pearson相关系数分析，结果得出分散率、团聚度和土壤粒级与土壤溅蚀速率相关性最大。在降雨初期，土壤的渗透系数对土壤的溅蚀速率影响较大，且渗透系数越大，土壤的溅蚀速率越小；随着降雨历时的延长(T=10 min)，溅蚀速率与团聚度呈负相关，即团聚度越大，土壤的溅蚀速率越小；之后，随着降雨历时的继续延长(T=15～20 min)，溅蚀速率与团聚度由显著正相关变化到极显著正相关，两者之间相关性的动态变化可能是与表土结皮的发育有关。在降雨后期(T=15～20 min)，土壤的颗粒组成对土壤的溅蚀速率影响也较大，当T=10 min时，土壤颗粒粒级在0.02≤D<0.2 mm范围内的颗粒与土壤溅蚀速率相关性最大；随降雨历时延长(T=15 min)时，土壤的溅蚀速率与土壤的0.2≤D<2 mm的颗粒含量呈显著负相关，与D<0.002 mm的颗粒含量呈显著正相关；当降雨历时继续延长(T=20 min)，土壤中0.02≤D<0.2 mm的大颗粒和D<0.002 mm的小颗粒与土壤的溅蚀速率呈显著负相关。

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CorrelationsBetweenSoilPhysical-ChemicalProprietiesandSoilSplashErosionRate

SUN Zhenting1,2, HU Xia1,2, LI Zongchao1,2, LIU Yong1,2

(1.KeyLaboratoryofEnvironmentalChangeandNaturalDisaster,BeijingNormalUniversity,Beijing100875,China;2.AcademyofDisasterReductionandEmergencyManagement,BeijingNormalUniversity,Beijing100875,China)

Soil splash erosion is the beginning of soil erosion process, and results in soil particle dispersion and migration when the raindrop directly blows topsoil. To study the correlations between soil physical-chemical proprieties and soil splash erosion rate, we measured soil splash erosion rate based on artificial simulated rainfall splash erosion experiment, and used SPSS 20.0 software to analyze the Pearson correlation coefficient between the soil physical-chemical properties and soil splash erosion rates. The results show that soil permeability, dispersion rate, aggregation and soil particle have a great influence during the rainfall; soil permeability has negative effects on erosion rate in the whole duration of rainfall; the dispersion rate has a significant negative impact on the soil erosion rate when rainfall duration is 15 minitues; the correlation between aggregation and soil splash erosion rate changes from positive correlation whenT=15 min to significantly positive correlation whenT=20 min; soil particles are strongly correlated with soil splash erosion rate, and the relationship is more complex. Compared to the other four kinds of grain size, <0.002 mm soil particle has the greatest impact on soil erosion rate, and has a significant positive effect during the latest two rainfall events. 0.2≤D<2 mm or 0.02≤D<0.2 mm soil particle has a significant negative correlation on soil erosion rate whenT=15 min andT=20 min, respectively. The correlation of soil erosion rate with soil particle sizes may be related to the soil crust.

soil splash erosion; soil physical-chemical proprieties; soil permeability; aggregation; soil particle

2016-05-04

：2016-06-22

国家自然科学基金“根系对灌丛化草地土壤大孔隙形成及水分运移的影响”(41471018)

孙贞婷(1992—),女,湖北嘉鱼人,硕士,研究方向:土壤结构。E-mail:201521480030@bun.edu.cn

胡霞(1978—),女,江苏怀安人,副教授,博士,主要从事土壤物理研究。E-mail:huxia@bnu.edu.cn

S157.1

：A

：1005-3409(2017)03-0053-06