土壤内外力共同作用下溅蚀团聚体粒径分布及迁移特征

宋松松，胡斐南，刘婧芳，郭威震，涂 坤，王金晓

(1.中国科学院 水利部 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，712100，陕西杨凌；2.中国科学院大学，100049，北京；3.西北农林科技大学资源环境学院，712100，陕西杨凌)

土壤侵蚀是威胁全球生态环境安全的重要问题之一，严重的土壤侵蚀会导致土壤质量和肥力下降，耕地资源减少，对农业可持续发展和生态环境安全带来威胁[1]。降雨溅蚀是土壤水力侵蚀的初始形式[2]，能够导致土粒分散、溅起和增强地表薄层径流紊动[3]。降雨溅蚀通过破坏表层土壤结构，使土壤颗粒发生分散和迁移，降低土壤水分入渗，同时也为坡面侵蚀提供大量可供搬运的物质[4]，从而加剧水土流失。

良好的土壤结构能够有效地减少土壤侵蚀[5]。土壤团聚体是土壤结构的基本单元，其稳定性是影响土壤侵蚀的重要因素。研究[6]表明，降雨时土壤团聚体被破坏可导致土壤侵蚀量增加约30%。程琴娟等[7]认为土壤理化性质对溅蚀量影响明显，其中影响程度最大的因素是土壤团聚体稳定性。马仁明等[8]认为水稳性土壤团聚体含量越高，对径流和击溅作用的抵抗能力越强，土壤的溅蚀量也越小。因此，提高土壤团聚体稳定性对减少土壤侵蚀具有重要的作用。目前，土壤团聚体的破碎机制主要包括雨滴打击、消散作用、非均匀膨胀以及理化分散作用[10]。前3种破碎机制主要使团聚体发生微裂并破碎释放微团聚体，理化分散作用主要强调土壤溶液化学性质变化对团聚体稳定性的影响[11]。徐爽等[12]发现本体溶液离子种类、化合价和浓度能影响土壤团聚体破碎程度。Kim等[13]发现本体溶液中离子浓度越高，团聚体破碎程度越小。根据经典胶体双电层理论，土壤本体溶液化学性质变化会影响颗粒双电层厚度，改变土壤颗粒周围电场强度，进而影响颗粒间静电斥力作用[14]。新近研究发现，介观尺度土壤内力作用包括静电斥力、水合斥力和范德华引力，这些内力作用强度可高达数百至上千个大气压，是导致团聚体破碎的主要内在作用力[15]。Hu等[16]以不同浓度的NaCl溶液作为降雨材料进行模拟降雨，发现当溶液浓度从1 mol/L降低到10-5mol/L时，土壤颗粒表面电场急剧增大，导致土壤内力增大，土壤团聚体破碎程度增加。郭威震等[14]通过在不同降雨高度进行模拟降雨试验，发现降雨高度越高雨滴动能越大，土壤流失量也越大。而秦越等[17]的研究指出，随雨滴动能增加溅蚀量呈线性增长，当雨滴动能较大时土壤颗粒迁移较远，且迁移量随击溅距离增大呈指数关系减小。由此可见，降雨溅蚀过程将会受到土壤内外力共同作用的影响[16]。

目前，关于土壤水蚀的研究主要集中在土壤外力或内力等单一作用上，而关于土壤内外力共同作用对土壤团聚体破碎及迁移的研究还相对匮乏。因此，加强土壤内外力共同作用对团聚体破碎及迁移特征方面的研究，对于深刻理解降雨溅蚀的作用机制具有重要意义。黄土高原地区水土流失严重，目前每年仍然超过3亿t土壤流失，对黄土高原生态环境和社会经济的健康可持续发展构成严重威胁[18]。因此，笔者以发育于黄土母质的褐土为研究对象，通过定量调控土壤内外力大小，研究土壤内外力共同作用下褐土团聚体破碎及迁移特征，为黄土高原水土流失治理提供一定的理论基础。

1 材料与方法

1.1 供试土样及基本性质

供试土样褐土采自陕西省周至县(E 108°03′10″, N 34°08′08″)代表性农田表层(0～20 cm)。将土壤样品带回实验室自然风干，去除大石块和植物根系等杂物后备用。采用常规分析方法测定土壤基本理化性质，采用重铬酸钾外加热法测定土壤有机质(soil organic matter，SOM)质量分数[19]。采用物质表面性质联合测定法测定阳离子交换量(cation exchange capacity，CEC)及比表面积(specific surface area，SSA)[20]，褐土基本理化性质见表1。

表1 褐土基本理化性质[21]Tab.1 Basic physical and chemical properties of cinnamon soil[21]

1.2 土壤样品制备

为了定量表征土壤内力对团聚体稳定性及溅蚀的影响，需将土壤样品制备为单一离子饱和样，该饱和样与自然土壤相比，结构发生重组且土粒表面被单一离子饱和。笔者将褐土制备为Na+饱和样[22]，具体步骤为：称取1.5 kg风干土样置于5 L容器中，加入0.5 mol/L的NaCl溶液4 L，将土壤悬液搅拌12 h后离心弃去上清液，重复上述操作3次，之后加去离子水4 L搅拌12 h，离心弃去上清液，重复3次洗去多余盐分，在60 ℃条件下烘干后过1～5 mm套筛备用。

1.3 土壤颗粒间内力的计算

介观尺度土壤内力作用包括静电斥力、水合斥力和范德华引力，颗粒间净作用力为三者加和。计算公式[23]如下：

Pnet=PE+Ph+Pvdw；

(1)

(2)

Ph=3.33×104e-5.76×109d；

(3)

(4)

式中：Pnet为土粒间净作用力，kPa；PE为静电斥力，kPa；Ph为水合排斥力，kPa；Pvdw为范德华引力，kPa；d为相邻颗粒间距离，dm；C0为本体溶液离子浓度，mol/L；R为气体常数，J/(mol·K)，R=8.314 J/(mol·K)；T为热力学温度，K，T=298 K；F为法拉第常数，F=96 485 C/mol；Z为阳离子化合价；φ(d/2)为相邻土壤颗粒扩散层重叠处的中点电位，V；A为土壤颗粒有效Hamaker常数，J，A=5×10-20J。

1.4 土壤团聚体稳定性测定

笔者借鉴Le Bissonnais的快速湿润法来测定土壤团聚体稳定性[10]。具体步骤如下：称取5 g 1～5 mm饱和土壤团聚体置于100 mL烧杯中，分别加入50 mL不同浓度NaCl溶液，静置10 min后吸出上清液；用酒精将团聚体洗入2、1、0.5、0.25、0.15、0.053 mm套筛中，以幅度2 cm在99%酒精中上下振荡10次，之后用酒精将筛上的团聚体分别洗入铝盒中，在105 ℃条件下烘干后称量，试验重复3次，计算平均质量直径(mean weight diameter，MWD)，MWD值越大表示团聚体稳定性越高。

1.5 模拟降雨试验

模拟降雨溅蚀试验装置如图1所示，主要由雨滴发生装置、供水装置和收集装置3部分组成。雨滴发生装置为一上部开口的圆柱体，其底部布设一定数量的针头。供水装置主要通过蠕动泵将溶液送入雨滴发生装置中，使其保持恒定压强，以达到控制降雨强度的目的。收集装置为直径110 cm的击溅盘，以盘心为圆心用铁丝围成6个同心圆收集区，半径依次为5、15、25、35、45和55 cm。圆盘中心放置半径5 cm，高1 cm的溅蚀盘，盘中盛放土样。

1.支架 Support frame，2.降雨发生装置 Rain generator，3.供液管 Liquid supply pipe，4.收集区 Collecting area，5.溅蚀盘 Splash pan，6.针头 Needles，7.雨滴 Rain drops，8.蠕动泵 Peristaltic pump，9.溶液 Solution. h:降雨高度 Rainfall height图1 模拟降雨装置Fig.1 Rain simulation device

试验过程中，土壤外力通过降雨高度控制，设置2个降雨高度，即1.2和1.5 m。土壤内力通过不同电解质浓度(10-5、10-3、10-2、10-1、1 mol/L)的NaCl溶液来控制。降雨强度设为60 mm/h，试验土样为1～5 mm粒径的饱和土壤团聚体，土壤密度为1.1 g/m3。1次降雨结束后，在5个不同收集区分别收集溅蚀物质。收集时用酒精将土壤团聚体冲洗到铝盒中，在105 ℃条件下烘干后称量，计算总溅蚀量、不同距离溅蚀量、不同距离处的团聚体含量等。

试验所获数据在SPSS 26.0中进行统计分析，应用Origin 9.0进行数据绘图。

2 结果与分析

2.1 土壤内力大小及分布

如图2a所示，不同电解质浓度下土壤净内力随颗粒间距离的增加先急剧下降后趋于稳定。图中正值代表排斥力，负值代表吸引力[24]。当颗粒间距离<2 nm时，随距离的增加内力急剧下降；当距离>4 nm时，内力随距离的变化趋于稳定。当颗粒间距离<1 nm时，任意电解质浓度下颗粒间内力均为排斥力，且均>1万132.5 kPa。为更加直观地分析电解质浓度对土壤内力的影响，图2b显示颗粒间距离为1.5 nm时，土壤内力随电解质浓度的降低先急剧增加后保持稳定，其中10-2mol/L是土壤颗粒间内力变化的临界浓度。

2.2 对团聚体稳定性的影响

平均质量直径(MWD)是评价土壤团聚体稳定性的重要指标，MWD越大土壤团聚体越稳定，土壤抗侵蚀能力越强[25]。褐土MWD值随电解质浓度的变化见图3。随电解质浓度的升高，MWD值增大，其中10-2mol/L是MWD值变化的临界浓度。例如，当电解质浓度从10-5mol/L上升到10-2mol/L时，MWD值仅增加0.03 mm；而当电解质浓度由10-2mol/L上升到1 mol/L时，MWD值增加0.12 mm，增幅急剧增加。

2.3 对总溅蚀量及溅蚀团聚体粒径分布的影响

如图4所示，2个降雨高度下随电解质浓度的增加土壤溅蚀量均逐渐减小。降雨高度为1.2 m时，当电解质浓度从10-5mol/L增加到10-2mol/L时，土壤溅蚀量减少0.1 g；当电解质浓度持续增加到1 mol/L时，溅蚀量减少0.26 g，降幅急剧增加。表明10-2mol/L是影响土壤溅蚀量变化的临界浓度。当降雨高度增加时，土壤所受外力作用增大，溅蚀量也相应增大。当降雨高度从1.2 m增加到1.5 m时，土壤溅蚀量显著增加。

如图5所示不同电解质浓度条件下褐土团聚体破碎后粒径分布情况。各电解质浓度下团聚体破碎后，≤0.053 mm的微团聚体含量最高，均>60%；破碎后>2 mm的团聚体含量最低，均<1%。在同一电解质浓度下，随粒径增大团聚体含量逐渐减小。对比2个降雨高度，1.5 m降雨高度下>0.053 mm的各级微团聚体含量均>1.2 m。对于同一降雨高度，随着电解质浓度的降低，≤0.053 mm的微团聚体含量呈增加趋势，>0.053 mm的团聚体含量呈降低趋势。

2.4 对溅蚀团聚体迁移特征的影响

如图6所示，同一电解质浓度下土壤溅蚀量随溅蚀距离的增加逐渐减小，其中0～10 cm内的土壤溅蚀量最大。相同溅蚀距离内随电解质浓度增大土壤溅蚀量呈逐渐减小的趋势。对比不同降雨高度下溅蚀量的差异，以0～10 cm为例，在10-5、10-3、10-2、10-1和1 mol/L的电解质浓度下，1.5 m高度下土壤溅蚀量分别是1.2 m的1.65、1.52、1.56、1.11、1.13倍，而其他溅蚀距离在2个降雨高度下的溅蚀量差异则较小。

如表2所示不同电解质浓度条件下，不同溅蚀距离处各粒径团聚体质量占总溅蚀量的比例。当降雨高度为1.2 m时，同一溅蚀距离内随电解质浓度增加，≤0.053 mm微团聚体含量呈逐渐减小的趋势，其他粒径团聚体含量呈逐渐增加的趋势。当降雨高度为1.5 m时，同一溅蚀距离内随电解质浓度增加，≤0.053 mm微团聚体含量呈先减小后增大的趋势，其他粒径团聚体含量呈现先增大后减小的趋势。任意溅蚀距离内主要以≤0.053 mm微团聚体为主，比例均>53%。对比2个降雨高度下不同粒径团聚体质量分数，发现相同电解质浓度条件下，除1.2 m降雨高度下溅蚀团聚体中≤0.053 mm微团聚体含量>1.5 m降雨条件，其他粒径团聚体含量比例均为1.5 m降雨高度条件下>1.2 m降雨高度。

图2 不同电解质浓度下内力随颗粒间距离的分布(a)及1.5 nm处内力分布(b)Fig.2 Distribution of internal force with distance between particles under different electrolyte concentration (a) and internal force distribution at 1.5 nm (b)

图3 平均质量直径随电解质浓度的变化Fig.3 Changes of MWD with electrolyte concentration

图4 土壤溅蚀量和电解质浓度的关系Fig.4 Relationship between splash erosion amount and electrolyte concentration

图5 不同电解质浓度下团聚体破碎后粒径分布Fig.5 Distribution of soil fragments after aggregate breakdown at different electrolyte concentration

图6 不同溅蚀距离处土壤溅蚀量分布Fig.6 Distribution of soil splash erosion amount at different splash distances

表2 不同电解质浓度下不同溅蚀距离处粒径分布

续表2

2.5 土壤内外力共同作用下溅蚀量与团聚体特性之间的关系

图7 溅蚀量与静电斥力的关系Fig.7 Relationship between splash erosion mass and electrostatic repulsive pressure

图8 不同电解质浓度下溅蚀量与团聚体稳定性的关系Fig.8 Relationship between splash erosion mass and aggregate stability under different electrolyte concentration

溅蚀量与静电斥力表现出良好的指数关系，拟合曲线的R2均>0.94(图7)。图8显示溅蚀量与团聚体稳定性表现出良好的负线性关系，且R2均>0.91。对溅蚀量与团聚体破碎后各粒径团聚体含量进行相关分析(表3)。1.2 m降雨高度下土壤溅蚀量与≤0.053 mm微团聚体含量呈极显著正相关，与>0.15～1.00 mm团聚体含量呈极显著负相关；1.5 m降雨高度下土壤溅蚀量与≤0.053 mm微团聚体含量呈显著正相关，与>0.053～0.25 mm团聚体含量呈极显著负相关。

表3 溅蚀量与团聚体各粒径含量相关分析Tab.3 Correlation between splash erosion amount andsize mass percentage under different electrolyteconcentration

3 讨论

降雨引发的土壤团聚体破碎是土壤侵蚀发生的关键一步[26]。雨水进入土壤后，土壤本体溶液离子浓度被稀释，导致土壤颗粒间内力增大，团聚体破碎程度增强，大量微团聚体被分离出来，为土壤侵蚀提供丰富的物质基础[27]。降雨时雨滴打击地表产生的降雨动能(外力)导致大量微团聚体飞溅并发生迁移，当动能继续增大时，迁移的微团聚体数量增加，且大粒径团聚体数量也相应增加[28]。笔者以不同浓度的NaCl溶液作为降雨形成材料，在不同高度进行模拟降雨，分析降雨过程中土壤在内外力共同作用下的破碎及迁移机制。结果表明，随电解质浓度的降低，土壤内力先急剧增大后趋于稳定(图2b)，土壤团聚体稳定性表现为先急剧减小后趋于稳定(图3)，其临界浓度为10-2mol/L，与刘婧芳等[11]研究结果一致。以往研究认为土壤团聚体的破碎主要归因于机械打击、消散作用等外力作用[10]，但笔者发现除电解质浓度不同以外，本研究中其他试验条件一致，但土壤溅蚀量存在差异。土壤溅蚀量随电解质浓度的变化趋势与土壤净内力作用随电解质浓度的变化趋势一致，表明土壤内力是影响降雨溅蚀的主要因素。对溅出粒径分布特征分析发现，随电解质浓度减小，溅蚀团聚体中小粒径土粒含量增加，其中≤0.053 mm微团聚体含量最高，比例>60%，>2 mm粒径含量最低，比例均<1%(图5)，这与Fu等[29]的研究结果一致。随电解质浓度的减小，≤0.053 mm粒径含量呈增加趋势，>0.053 mm粒径含量呈减小趋势。这主要是由于随着电解质浓度的降低土壤内力增大，导致团聚体破碎程度增加，释放的细小颗粒也就越多，因此溅蚀物中细颗粒也就越多。

降雨动能是影响土壤颗粒搬运的重要因素[27]。笔者发现在外力作用下溅蚀量随溅蚀距离的增大逐渐减小，0～10 cm距离溅蚀量最大(图6)，这与Wang等[30]研究结果一致。由于降雨时土壤颗粒迁移距离主要受自身质量和体积影响，因此近距离处土壤溅蚀量较多[31]。同一溅蚀距离处土壤溅蚀量随内力的增大呈逐渐增加的趋势，与总溅蚀量的变化趋势相似。进一步对每个溅蚀距离内的粒径含量分析发现小粒径土壤颗粒含量仍最大。当降雨高度不同，即外力作用不同时，其迁移能力亦不同(表2)，表明溅蚀过程对粒径具有一定的分选性。对不同内外力作用下溅蚀量和静电斥力以及MWD的回归分析发现，溅蚀量与静电斥力呈现良好的指数关系，与MWD呈现良好的负线性关系(图7、图8)。静电斥力越强，土壤团聚体稳定性越弱，其溅蚀量也就越多。上述结果表明，土壤内外力共同作用能够对溅蚀过程产生重要影响。

4 结论

1)随电解质浓度降低，土壤内力先急剧增大后趋于稳定，团聚体破碎程度增大，稳定性降低，总溅蚀量增加。

2)随土壤内力作用的增大，团聚体破碎后≤0.053 mm微团聚体含量增加，>0.053 mm团聚体含量降低。不同内力作用下团聚体破碎后≤0.053 mm微团聚体含量最高。

3)随土壤外力作用的增大，土壤总溅蚀量增加，且随内力作用增强总溅蚀量增幅也越大；同时，溅蚀团聚体中≤0.053 mm微团聚体含量降低，>0.053 mm团聚体含量增加。当外力作用较小时，以≤0.053 mm的土壤微团聚体迁移为主，当外力作用增大，>0.053 mm的团聚体含量相应增加。

4)溅蚀团聚体粒径分布和迁移受土壤内外力共同作用的影响。土壤内力作用主要影响团聚体的破碎程度，而土壤外力作用主要影响团聚体的迁移。