降雨对坡耕地地表结皮土壤水稳性团聚体变化研究

陈琳，王健*，宋鹏帅，赵宇，马玉红

降雨对坡耕地地表结皮土壤水稳性团聚体变化研究

陈琳1，王健1*，宋鹏帅1，赵宇1，马玉红2

（1.西北农林科技大学，陕西 杨凌 712100；2.西安市水利水土保持工作总站，西安 710000）

【】探讨降雨打击下产生的不同坡面结皮土壤水稳性团聚体分布。采用人工模拟降雨，研究在降雨打击作用下，地表结皮土壤水稳性团聚体的变化情况。受微地形影响，地表结皮性质呈现差异，以坡面不同位置的地表结皮土壤水稳性团聚体为研究对象，以底部无结皮土壤样品为对照，采用Yoder湿筛法探究不同类型结皮土壤团聚体的变化。在降雨打击作用下，以降雨时间5 min为例：①土壤水稳性团聚体都呈现大团聚体比例较大的特点，表现为结构性结皮大团聚体占比最大，其次为过渡带、原状土，沉积性结皮最小。原状土、结构性结皮、过渡带、沉积性结皮土壤大团聚体所占比例分别为37.69%、41.95%、37.05%、28.93%。随降雨延续，结构性结皮和过渡带土壤大团聚体明显增加，沉积性结皮土壤大团聚体略有减少。②土壤水稳性团聚体的平均当量直径和几何平均直径差异很大。原状土、结构性结皮、过渡带、沉积性结皮的平均当量直径分别为：0.15、0.19、0.17、0.12 mm；几何平均直径分别为0.16、0.21、0.19、0.14 mm。结构性结皮土壤水稳性团聚体的平均当量直径和几何平均直径最大，其次为过渡带、原状土，沉积性结皮最小。③土壤水稳性团聚体分形维数不同但差异不显著。原状土、结构性结皮、过渡带、沉积性结皮土壤水稳性团聚体分形维数的大小分别为：2.725、2.705、2.725、2.737。沉积性结皮水稳性团聚体分形维数最大，其次为过渡带、原状土，结构性结皮最小。降雨打击作用使得土壤表层大团聚体被分散，小团聚体富集；大团聚体量越高，土壤结构越稳定，抗蚀能力越强；反之，抗蚀能力越弱。

土壤团聚体；湿筛法；结皮；降雨历时

0 引言

土壤结皮是在降雨雨滴击溅、径流冲刷压实以及灌溉条件下，干旱半干旱地区形成的1种常见的特殊地面表层结构[1-2]。Chen等[3]研究发现：土壤结皮具有2种不同形态，为结构性结皮和沉积性结皮。结构性结皮是雨滴击打作用下土壤表面团聚体分散，产生的细小松散颗粒经过重新排列组合后形成的一层具有低透水性的土层[4-6]。沉积性结皮是携带泥沙颗粒的径流由于微地形或植物拦截作用，流速减慢，输沙能力变小，在地势较低的土壤表面发生泥沙颗粒堆积而形成的土层[7-8]。Bodnár[9]研究发现：田间微地形位置不同时形成的结皮类型不同，地势较高时形成的结皮为结构性结皮，地势较低的洼地形成的结皮为沉积性结皮。Shainberg[10]研究发现：结构性结皮的渗透系数高于沉积性结皮，其渗透能力比沉积性结皮要强。降雨条件下，2种类型的结皮对坡面土壤水分入渗量的影响因素主要是土壤水稳性团聚体组成的不同。

土壤水稳性团聚体是一种多孔结构，是矿物颗粒和有机物在凝聚、黏结和胶结作用下以及有机-矿质胶体的复合作用下，并伴有生物参与下形成的多孔结构[11]。土壤水稳性团聚体作为土壤结构的基本单元，是调节土壤物理、化学和生物特性的重要因素[12-15]。土壤水稳性团聚体的不同粒级及所占比例不但影响土壤自身稳定性还对土壤水的入渗、径流、土壤肥力、碳储存能力、土壤孔隙度、微生物活性等有一定影响[16-20]。

雨滴击溅是降雨和土壤特性相互作用下产生的一种侵蚀作用[21]。降雨过程中，由于雨滴的击溅作用，土壤表层水稳性团聚体被分散破坏，这是土壤侵蚀发生的初级阶段[22-23]。随着雨滴打击过程的延长，产生的细小松散颗粒在冲刷作用下发生运移，堵塞土壤表层孔隙，减少土壤表层孔隙数量，土壤的渗透能力变差，形成“板结”[24-25]。Woodbarn[26]研究发现随着降雨历时的增加，单位时间溅蚀量减小。Epstein[27]等研究发现当降雨条件相同时，砂土因为黏粒量最低而溅蚀量最多。团粒黏结结构越多，雨滴击溅下土粒分散破坏程度越低。

黄土高原地区土壤有机质量较低、粉砂量较高，水稳性团聚体稳定性较差[28]，存在大量土壤侵蚀，实践中常采用地面耕作方式减少土壤侵蚀。地面耕作使得黄土高原地区产生微地形，受地面微地形影响，降雨条件下地表会形成结构性结皮和沉积性结皮，伴随着雨滴打击作用，结皮厚度呈现线性递增[29-31]，直接影响结皮内水稳性团聚体的分布，而针对土壤结皮内团聚体分布研究不多。因此，兹模拟耕作方式，将地表形成起伏变化的垄沟，降雨条件下，垄沟处形成结皮类型不同，所含土壤水稳性团聚体不同。系统测定不同类型结皮土壤水稳性团聚体的分布规律，分析降雨对结皮中水稳性团聚体的影响，以期探究结皮发育对于土壤抗侵蚀能力的影响及降雨-土壤互作过程中结皮和土壤的抗蚀性之间的关系。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2018年6—9月在西北农林科技大学水土保持与荒漠化防治教学实验基地径流小区进行。该区位于陕西关中平原中部，地理坐标东经107°59′—108°08′，北纬34°14′—34°20′，气候类型为东亚暖温带半湿润半干旱气候。年均降水量635.1 mm，年均气温12.9 ℃，无霜期211 d。年均日照时间2 163.8 h，无霜期为211 d。试验土壤为杨凌0~20 cm耕层塿土。土壤颗粒的组成为：砂粒质量分数（>0.05 mm）3.97%，粉粒质量分数（0.005~0.05 mm）65.74%，黏粒质量分数（<0.005 mm）30.29%。中值粒径13.31 μm，质地为粉质壤土，土壤比表面积1.17 m2/g。有机质量较低，质量分数9.78 g/kg。

1.2 试验方法

黄土高原地区常采用地面等高耕作，因此所设径流小区耕作方式为等高耕作。将供试土壤填充于径流小区，在径流小区内垂直于坡面走向进行横向耕作，形成垄和沟，垄高20 cm，垄间距为30 cm。

人工降雨模拟降雨设备采用中国科学院水土保持研究所水保实验设备工厂设计制造的侧喷式降雨机，降雨供水压强由阀门控制。降雨喷头距地面6 m，有效降雨面积3 m×6 m，降雨均匀度达90%以上。设计降雨强度100 mm/h，降雨历时分别采用5、10、15、20和30 min。降雨时，在小区的4个边角放置自记雨量计，测定实际降雨强度和降雨量。降雨后，分别在垄上、垄沟边壁和洼地表面3处取土壤结皮，分别为结构性结皮、过渡带结皮和沉积性结皮。由于降雨打击作用，土壤表层形成一层致密土壤层，可以明显看出与下部未受雨滴打击土壤的紧实程度差异，因此取样时将表皮剥离后，用毛刷刷掉底部土壤，将土壤样品进行风干作为实验样品，并以底部5 cm以下土壤为对照，如图1所示。试验设置3个重复。采用Yoder[32]湿筛法对土壤水稳性团聚体量进行测定，套筛孔径依次为2、1、0.5、0.25、0.106和0.053 mm。分别取30 g土壤结皮放到铝盒中浸润进行震荡分析，每组样品测定的震荡时间为30 min，震荡结束后将留在筛子上的各级团聚体用去离子水冲入烧杯中，用滤纸过滤团聚体，然后把滤纸和团聚体一起放入烘箱55 ℃风干，在空气中平衡2 h，最后对不同粒级团聚体的土样分别进行称质量。

图1 结皮土壤样品采集部位示意图

1.3 项目测定及分析方法

1.3.1 质量百分比

不同粒级水稳性团聚体的质量百分比[33]计算式为：

1.3.2 大团聚体质量百分比

水稳性大团聚体的质量百分比[19]计算式为：

1.3.3 平均当量直径（）

水稳性团聚体的土壤平均当量直径（）[34]计算式为：

1.3.4 几何平均直径（）

水稳性团聚体的土壤几何平均直径（）[35]计算式为：

1.3.5 分形维数

土壤水稳性团聚体的质量分形维数（）[36]，是基于假设不同粒级的土壤密度相同提出来的。水稳性团聚体的质量分形维数（）计算式为：

取以10 为底的对数：

数据通过Excel 2010和SPSS 23软件进行处理。

2 结果与分析

2.1 不同位置结皮土壤水稳性团聚体的粒径分布特征

土壤团聚体具有调节土壤养分、改善土壤孔隙组成、改良土壤结构功能、改善土壤水力学性质等作用，不同粒径的团聚体具备的作用不同。粒径>0.25 mm的土壤大团聚体主要表征土壤结构稳定性，反应土壤结构的变化趋势。粒径>1 mm的团聚体对调节土壤通气与持水以及营养平衡释放有着重要意义，是植物良好生长的结构基础，其量与土壤肥力水平相关。半径<0.053 mm为土壤水稳性微团聚体。因此以1、0.25、0.053 mm水稳性团聚体占比作为粒径分布分析指标。

试验测得不同位置土壤水稳性团聚体分布见表1。表中数据为降雨5 min时结构性结皮、过渡带结皮、沉积性结皮土壤团聚体粒径分布。由表1可知，不同位置结皮土壤水稳性团聚体粒径分布不同，以原状土为对照，随着粒级减小，水稳性团聚体所占的百分比逐渐增大；结构性结皮的增长幅度略小于原状土，而沉积性结皮的增长幅度略大于原状土。原状土，>1 mm粒级的水稳性团聚体量最小，占6.72%，>0.25 mm粒级的水稳性团聚体量占37.69%，<0.053 mm粒级的水稳性团聚体量22.5%；结构性结皮，>1 mm粒级的水稳性团聚体量占9.01%，>0.25 mm粒级的水稳性团聚体量占41.95%，<0.053 mm粒级的水稳性团聚体量占19.8%；沉积性结皮，>1 mm粒级的水稳性团聚体量占5.35%，>0.25 mm粒级的水稳性团聚体量占28.93%，<0.053 mm粒级的水稳性团聚体量占23.15%；过渡带，>1 mm粒级的水稳性团聚体量占7.53%，>0.25 mm粒级的水稳性团聚体量占37.05%，<0.053 mm粒级的水稳性团聚体量最大，占22.2%。

表1 不同位置结皮土壤水稳性团聚体粒径分布及其百分比

注 表中同列不同小写字母分别表示同一粒径不同位置的试验数据间差异显著（<0.05）。

Note different small letters in the same column indicate significant differences between test data of the same particle size under the different crust position (<0.05).

2.2 降水历时对结皮土壤水稳性团聚体分布影响

2.2.1 降水历时对结皮土壤大团聚体的影响

大团聚体量的多少是土壤结构的基本单元和肥力调节器，有着维持土壤水肥气热和疏松熟化层的功能，一定程度上反映着土壤的通气性和抗侵蚀性。图2为不同降雨历时下土壤水稳性团聚体中大团聚体量情况。以原状土降雨时间0 min时所含有的大团聚体量作为对照，可以看出结构性结皮、过渡带土壤水稳性团聚体中大团聚体的量随降雨时间的延长呈现增多的趋势。30 min降雨作用下，结构性结皮大团聚体由原状土的37.69%增加到55.96%，过渡带增加到50.00%；而沉积性结皮大团聚体随降雨时间的延长略有降低，30 min降雨后大团聚体降低到28.22%。3个位置处结皮大团聚体量的大小变化为：结构性结皮>过渡带>沉积性结皮。

由于大团聚体量影响土壤的抗侵蚀能力，土壤水稳性团聚体中大团聚体量越高，土壤抗侵蚀能力越强，显然结构性结皮的抗侵蚀能力大于原状土，而沉积性结皮的抗侵蚀能力小于原状土，因此结构性结皮一定程度上提高了土壤的抗侵蚀能力。

图2 不同降雨时间的土壤大团聚体百分数

图3 不同降雨时间下土壤水稳性团聚体平均当量直径

2.2.2降雨历时对结皮土壤水稳性团聚体平均当量直径的影响

土壤水稳性团聚体的平均当量直径可以反映土壤稳定性，土壤水稳性团聚体平均当量直径越大土壤越稳定，土壤抗侵蚀性越强[37-38]。图3为土壤水稳性团聚体平均当量直径随降雨历时的变化趋势。原状土平均当量直径为0.151 9 mm，结构性结皮、过渡带土壤水稳性团聚体平均当量直径随降雨时间的延长呈现增大的趋势；而沉积性结皮则随降雨时间的延长平均当量直径略有降低。30 min雨滴打击作用下，结构性结皮的平均当量直径为0.240 9 mm，过渡带为0.223 0 mm，沉积性结皮为0.126 9 mm。土壤水稳性团聚体的平均当量直径大小变化为：结构性结皮土壤水稳性团聚体的平均当量直径最大，其次为过渡带、原状土，沉积性结皮最小。

2.2.3降雨历时对结皮土壤水稳性团聚体几何平均直径的影响

土壤水稳性团聚体几何平均直径越大土壤越稳定，土壤抗侵蚀性越强[39]。图4为土壤水稳性团聚体几何平均直径随降雨历时的变化趋势。由图4可知，原状土团聚体几何平均直径为0.16 mm，结构性结皮、过渡带土壤水稳性团聚体几何平均直径随降雨时间的延长而呈现出增大的趋势，在30 min降雨打击下，结构性结皮、过渡带土壤水稳性团聚体几何平均直径分别增长为0.31 mm和0.30 mm；而沉积性结皮土壤水稳性团聚体几何平均直径随降雨时间的延长略有减少，30 min降雨后降低为0.14 mm。土壤水稳性团聚体的几何平均直径的大小变化为：结构性结皮最大，其次为过渡带、原状土，沉积性结皮最小。

图4 不同降雨时间下土壤水稳性团聚体几何平均直径

图5 不同降雨时间下土壤水稳性团聚体分形维数

2.2.4降雨历时对结皮土壤水稳性团聚体分形维数（）的影响

土壤水稳性团聚体的分形维数越小，土壤的稳定性越好[40]。图5为土壤水稳性团聚体分形维数随降雨历时的变化趋势。由图5可知，所测原状土分形维数为降雨历时0 min的数据，原状土的分形维数为2.725，结构性结皮、过渡带土壤的分形维数随降雨历时的增加而呈现减少的趋势，在30 min降雨作用下，分别降到2.52和2.54；而沉积性结皮的分形维数略有增加，在30 min降雨作用下，增长到2.75。土壤水稳性团聚体分形维数的大小变化为：沉积性结皮水稳性团聚体分形维数最大，其次为过渡带、原状土，结构性结皮最小。

3 讨论

1）受微地形影响，降雨打击搬运能力的差异使得土壤结皮性质呈现不同，一般而言隆起位置的细小颗粒被带走，使得结构性结皮土壤水稳性团聚体中细颗粒偏少；而在低洼部位细小颗粒的堆积则使沉积性结皮土壤水稳性团聚体中细颗粒偏多。

2）雨滴打击作用下，土壤水稳性团聚体中，大团聚体部分遭到破坏，小团聚体富集，这些研究结果与付玉等[11]的研究结果相同，在坡面微地形条件下，降雨作用除了打击搬运作用之外，还受到沉积作用的影响，使得土壤水稳性团聚体分布在空间上表现出了较大差异。

3）土壤水稳性团聚体的分形维数值越大，团聚体的分散度越大，土壤结构稳定性越差。沉积性结皮的分形维数最大，说明在沉积过程中有细颗粒的带入。吴承祯等[41]研究得出的团粒结构越好、结构越稳定，则土壤分形维数值越小，结构性结皮的土壤分形维数值小于原状土，说明其稳定性逐渐增强，抗侵蚀能力有了一定提高；沉积性结皮稳定性减弱，抗侵蚀能力降低。

4）影响土壤水稳性团聚体的因素较多，除了本文研究的结皮影响之外，还受土壤有机质、植被覆盖、土地利用方式、管理措施、气候条件等的影响[42]，本研究仅限于对杨凌塿土的研究，所以试验结果不可应用到其他土壤中；试验采用的雨强只有100 mm/h，还有待于对其他雨强做进一步的对比分析；研究土壤初始处于干燥状态，土壤初始含水量的大小是否对结论有影响还需进一步试验分析。

4 结论

1）雨滴击打和径流搬运作用下，土壤表层颗粒被分散冲刷，结构性结皮中与土壤稳定性相关的>0.25 mm粒级的水稳性大团聚体占全部粒径团聚体的41.95%，高于沉积结皮、过渡带和原状土，<0.053 mm粒级的微团聚体占比为19.8%，低于沉积结皮、过渡带和原状土。

2）结构性结皮、过渡带土壤水稳性大团聚体随降雨历时呈现出增多的趋势，30 min降雨作用下，结构性结皮水稳性大团聚体由原状土的37.69%增加到55.96%，而沉积性结皮土壤水稳性大团聚体则随降雨时间的延长略有降低。

3）降雨打击作用使大团聚体分散并发生运移，在微地形低洼处沉积聚集，从而使微地形不同位置的结皮类型有所差异，因此土壤水稳性团聚体组成也存在一定的差异性。此现象造成结皮土壤水稳性团聚体的平均当量直径、几何平均直径以及分形维数的变化。在地势低洼处的沉积性结皮土壤水稳性团聚体的平均当量直径与几何平均直径明显小于结构性结皮以及过渡带结皮，而分形维数要大于二者。

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Effect of Rainfall on Water Stability Aggregates of Crust Soil on Slope Surface

CHEN Lin1, WANG Jian1*, SONG Pengshuai1, ZHAO Yu1, MA Yuhong2

(1.Institute of Soil and Water Conservation, Northwest A&F University, Yangling 712100, China; 2.Xi’an Water Conservancy and Soil Conservation General Station, Xi’an 710000, China)

【】The purpose of this paper is to explore the difference of aggregate distribution and soil erosion resistance in the surficial soil crusts under micro-terrain.【】Some experiments were conducted. Artificial rainfall simulation was used to study the change of water-stable aggregates in crust soil under the impact of rainfall.Influenced by micro-topography, surface crust properties show differences.The water-stable aggregates of surface crust soils at different locations on slopes were studied, and the soil samples without crust at the bottom were taken as controls.Study on the Change of Soil Aggregates in Different Crust Types by Yoder Wet Screening Method. 【】Under the impact of rainfall, taking 5 minutes of rainfall as an example, crusts at different locations ①Soil water-stable aggregates are characterized by large aggregates proportion.Structural crust contains the largest aggregates, followed by transitional zone and undisturbed soil, and sedimentary crust is the smallest.The proportion of macroaggregates in undisturbed soil, structural crust, transitional zone and sedimentary crust were 37.69%, 41.95%, 37.05% and 28.93% respectively.With the continuation of rainfall, soil macroaggregates in structural crusts and transitional zones increased significantly, while those in sedimentary crusts decreased slightly. ②Average equivalent diameter and geometric average diameter of soil water-stable aggregates vary greatly.The average equivalent diameters of undisturbed soil, structural crust, transitional zone and sedimentary crust are 0.15, 0.19, 0.17 and 0.12 mm, respectively.The geometric average diameters are 0.16, 0.21, 0.19 and 0.14 mm, respectively.The average equivalent diameter and geometric average diameter of water-stable aggregates in structured crust soil are the largest, followed by transition zone and undisturbed soil, and sedimentary crust is the smallest. ③The fractal dimensionof soil water-stable aggregates is different, but the difference is not significant.The fractal dimensionsof water-stable aggregates in undisturbed soil, structural crust, transitional zone and sedimentary crust are 2.725, 2.705, 2.725 and 2.737, respectively.The fractal dimension of water-stable aggregates in sedimentary crusts is the largest, followed by transitional zone and undisturbed soil, and structural crusts are the smallest.【】Rainfall strikes disperse large aggregates and enrich small aggregates in the soil surface.The higher the content of macroaggregates, the more stable the soil structure, the stronger the anti-erosion ability; on the contrary, the weaker the anti-erosion ability.

soil aggregates; wet screening method; crust; rainfall duration

A

10.13522/j.cnki.ggps.2019028

1672 - 3317（2020）01 - 0098 - 08

2019-04-22

国家自然科学基金项目（41771308，41371273）

陈琳（1996-），女。硕士研究生，主要从事土壤侵蚀方面研究。E-mail：ccchen_lin@163.com

王健（1973-），男。教授，博士生导师，主要从事土壤侵蚀与流域管理方面研究。E-mail：wangjian@nwsuaf.edu.cn

陈琳, 王健, 宋鹏帅, 等. 降雨对坡耕地地表结皮土壤水稳性团聚体变化研究[J]. 灌溉排水学报, 2020, 39(1):98-105.

CHEN Lin,WANG Jian,SONG Pengshuai, et al. Effect of rainfall on water stability aggregates of crust soil on slope surface [J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2020, 39(1): 98-105.

责任编辑：赵宇龙