降雨强度和坡度对黑土坡耕地团聚体流失特征的影响

王 涵, 赵怡凯, 陈祥伟, 付 玉

(东北林业大学 林学院, 哈尔滨 150040)

土壤团聚体是土壤结构的基本单元，在土壤养分的储存和转化过程中具有至关重要的作用[1-2]。土壤侵蚀过程中团聚体的破碎和迁移是侵蚀物质的主要来源。在降雨驱动下，团聚体受雨滴打击破碎并被径流搬运发生迁移[3]，其破碎迁移过程对土壤侵蚀的强度有重要的影响[4]。研究[5-7]指出坡面侵蚀过程对团聚体具有分选作用，大团聚体破碎为小团聚体后被径流搬运。Jia等[8]研究表明降雨强度和坡度对团聚体的分选作用有显著影响，粒径<0.25 mm团聚体是土壤团聚体损失的主要粒级。卢嘉等[9]研究发现，随雨强增加，粒径>0.25 mm团聚体流失量呈增加趋势，粒径<0.25 mm团聚体流失量呈减少趋势；但也有研究发现[10]，在坡面径流搬运能力较弱的条件下，粒径>0.25 mm团聚体流失量随雨强的提高呈增加趋势。Shi等[11]研究指出，坡度的增加会提高径流对大团聚体的输移能力，大团聚体的流失比例明显提高。张怡等[12]研究则表明，随着坡度的增加径流泥沙中粒径>0.25 mm团聚体含量无明显变化，而粒径<0.25 mm团聚体含量明显增加。综上，目前关于不同雨强和坡度下团聚体流失特征的变化还存在争议，有必要明确雨强和坡度对土壤团聚体流失特征的影响，这对于揭示黑土坡耕地土壤侵蚀机理具有重要的科学价值[13]。

东北黑土区作为我国重要的商品粮生产基地，由于不合理的耕作及过度开垦，土壤侵蚀日益加剧[14]，其中坡耕地水力侵蚀尤为严重，其水土流失面积已经达到黑土区水土流失总面积的46.39%[15]，严重威胁黑土区水土资源质量安全以及农业经济发展[16]。为揭示黑土坡耕地土壤侵蚀的内在规律，目前已经开展大量关于黑土坡耕地侵蚀过程中团聚体流失特征的研究，但多数研究仅表明雨强和坡度对团聚体流失量影响的一般定性规律，缺乏对于雨强和坡度以及两者之间交互作用贡献率的进一步探讨。因此本文以黑土坡耕地表层土壤(0—10 cm)为研究对象，采用室内模拟降雨的研究方法，分析比较不同雨强和坡度之间团聚体流失量的差异，计算雨强和坡度以及两者之间交互作用的贡献率，以期综合评价雨强和坡度对团聚体流失量的影响，揭示黑土坡耕地团聚体流失特征，为进一步研究黑土水力侵蚀过程中坡耕地质量的演变规律提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

土壤样品于2020年9月采自黑龙江省哈尔滨市宾县地区耕地表层土壤，采样前清除土壤表层枯落物等杂物并将土壤表层修整平整，将自制土槽(长40 cm×宽10 cm×高10 cm)放在修平整的土壤表层，用土壤刀修整土槽底部周围的土壤并把土槽缓慢按压直至完全没入土壤中；从土中取出土槽后，将装满原状土后用纱布和海绵包裹取样器后盖上下底盖，以保证取样器中的土壤不变形，并且减少样品运输过程中土壤样品的扰动，共取18个土槽用于模拟降雨试验。采样地表层土壤容重(1.15±0.07)g/cm3，含水率为(27.02±0.31)%，pH值为(5.50±0.12)，有机质(33.70±3.82)g/kg，土壤机械组成为砂粒(27.20±3.95)%、粉粒(41.53±3.61)%、黏粒(31.26±3.42)%。

1.2 试验设计与方法

模拟降雨试验于2020年10月在东北林业大学帽儿山实习基地降雨实验室开展，采用自制针头式模拟降雨装置，由水泵、降雨器、径流冲刷槽、坡度调节支架和径流泥沙收集器组成。降雨器为针头下滴式，其形状为上部开口的长方体，规格长40 cm×宽10 cm×高20 cm，其中等间距垂直插入50个针头，通过不同的水头高度和针头型号来调节降雨强度；坡度可调节范围0～12°；试验土槽规格长40 cm×宽10 cm×高10 cm。

在我国东北黑土区，主要降雨类型为短历时高强度降雨，降雨历时大多小于1 h[17]，所以将降雨历时设定为30 min。由于黑土区降雨较为集中在6月、7月、8月份，因此分别选择降雨最为丰富的7月(120～150 mm)及降雨量次之的6月、8月(60～120 mm)的平均值为降雨强度选择依据[18]，结合降雨器可以稳定的降雨强度并进行多次率定，确定本试验雨强为78，127 mm/h。由于黑土区地形多为漫川漫岗，地形起伏变化较小，坡度范围主要在1°～8°[9]，因此设计2°，4°，6°共3个坡度。每种降雨强度和坡度的组合试验设计3个重复。

每次试验前将土槽内土壤水分达到饱和。降雨开始前用挡板盖住土槽，并对雨强进行多次率定，确定雨强达到试验标准后，撤掉挡板，开始降雨并计时。降雨过程中待坡面产流时记录产流时间，并以每5 min收集一次的频率接取径流泥沙，降雨结束后将接取的径流泥沙通过湿筛法得到到粒径>5，5～1，1～0.25，0.25～0.053 mm这5个粒级，并转移至铝盒中在40℃下烘干24 h后称重，得到各粒径团聚体流失质量mi。

1.3 指标计算

(1) 各粒径团聚体流失量的计算方法如下：

(1)

式中:Mi为i粒径团聚体流失量(g/m2);mi为径流泥沙中i粒径团聚体质量(g);A为土槽面积(A=0.04 m2);团聚体流失总量为各粒径团聚体流失量之和。

(2) 团聚体平均重量直径(MWD)是评价团聚体特征的指标，其值越大则团聚体稳定性越高，计算公式为：

(2)

式中:ri为每个网筛的孔隙大小(mm),r0=r1以及rn=rn+1;mi为i级网筛中团聚体的质量百分数;n为网筛编号。

(3) 团聚体分形维数(D)是反映团聚体分散程度的指标，其值越大则团聚体分散程度越高[19]，计算公式为：

(3)

式中:M(r

(4) 根据曹晓娟等[20]采用的各因子贡献率计算方法，利用SPSS软件进行方差分析，通过下式计算得到各因子的贡献率(PF)：

(4)

式中:PF为因子贡献率(%);SSF为因子的Ⅲ型平方和;DOFF为因子的自由度;VEr为误差平方和;SST为总离差平方和。

1.4 数据分析方法

数据通过Excel 2016进行整理；采用 SPSS 19.0进行单因素方差分析(One-way ANOVA)和最小显著差异法(LSD)进行显著性分析(p<0.05)。

2 结果与分析

2.1 不同雨强和坡度下团聚体流失总量

测定结果表明(图1)，不同雨强及坡度下团聚体流失量在降雨产流后0～5 min内有最大值，随后在5～10 min内迅速减少，并在10～30 min内趋于平稳。相同雨强条件下，随坡度的增加，在0～5 min内团聚体流失量的最大值显著增加1.08～1.79倍(p<0.05)；团聚体流失量在10～30 min内趋于的稳定值显著增加0.88～2.39倍(p<0.05)。相同坡度条件下，当雨强由78提高至127 mm/h时，在0～5 min内团聚体流失量的最大值显著增加1.28～1.88倍(p<0.05)；团聚体流失量在10～30 min内趋于的稳定值在坡度2°条件下随雨强的增加无显著差异(p>0.05)，在坡度4°和6°条件下分别显著增加1.58倍和3.74倍(p<0.05)。

图1 不同雨强及坡度下团聚体流失过程

此外，由图2可知，对于雨强78 mm/h条件下，当坡度由2°增加至6°时团聚体流失总量显著提高0.70倍(p<0.05)，团聚体流失总量在坡度4°时与坡度2°和6°时无显差异(p>0.05)，但从整体来看，随坡度的增加团聚体流失总量呈增加的趋势；对于雨强127 mm/h条件下，当坡度由2°提高至4°时团聚体流失总量显著增加1.42倍(p<0.05)，当坡度由4°提高至6°时团聚体流失总量显著增加0.40倍(p<0.05)。相同坡度条件下，当雨强由78增加至127 mm/h时，在坡度2°条件下团聚体流失总量无显著变化(p>0.05)，但从整体来看团聚体流失总量增加0.71倍；在坡度4°和6°条件下团聚体流失总量分别显著增加1.94，2.41倍(p<0.05)，这表明坡度越大，团聚体流失总量随雨强的增加幅度越大。

2.2 不同雨强和坡度下各粒径团聚体流失量

测定结果表明(表1)，该试验条件下粒径>5 mm团聚体流失量为0，各粒径团聚体中<0.053 mm团聚体流失量最大，流失比例达到68.27%～92.08%(见表2)。相同雨强条件下，不同坡度之间粒径5～1，0.25～0.053，<0.053 mm团聚体流失量有显著差异(p<0.05)。对于雨强78 mm/h条件下，当坡度由2°增加至4°时粒径5～1 mm团聚体流失量减少23.21%，而0.25～0.053，<0.053 mm团聚体流失量分别增加0.28倍和0.57倍；当坡度由4°增加至6°时粒径5～1，0.25～0.053 mm团聚体流失量分别减少79.07%，41.60%，而粒径<0.053 mm团聚体流失量增加0.37倍。对于雨强127 mm/h条件下，当坡度由2°增加至4°时粒径5～1，0.25～0.053，<0.053 mm团聚体流失量分别增加0.94倍、5.32倍和1.28倍；当坡度由4°增加至6°时粒径5～1，0.25～0.053 mm团聚体流失量分别减少89.47%，48.57%，而粒径<0.053 mm团聚体流失量增加0.65倍。

对于坡度2°条件下，当雨强由78提高至127 mm/h时各粒径团聚体流失量无明显变化(p>0.05)，但从整体来看，粒径<0.053 mm团聚体流失量增加0.99倍；对于坡度4°条件下，随雨强的增加粒径0.25～0.053，<0.053 mm团聚体流失量分别显著增加4.12倍和1.87倍(p<0.05)，粒径5～1，1～0.25 mm团聚体流失量无显著差异(p>0.05)；对于坡度6°条件下，随雨强的增加粒径1～0.25，0.25～0.053，<0.053 mm团聚体流失量分别显著增加0.94倍、3.51倍和3.48倍(p<0.05)，粒径5～1 mm团聚体流失量无显著差异(p>0.05)。以上研究表明团聚体的分选受雨强和坡度的综合影响，且不同雨强和坡度组合对团聚体分选的影响差异显著。

注：不同大写字母(A，B)表示相同坡度条件下不同雨强之间差异显著(p<0.05)；不同小写字母(a，b)表示相同雨强条件下不同坡度之间差异显著(p<0.05)，下同。

表1 不同雨强和坡度下各粒径团聚体流失量的测定结果

2.3 不同雨强和坡度下流失团聚体特征参数

由图3可知，相同雨强条件下，当坡度由2°增加至6°时两组雨强下流失团聚体MWD分别显著降低81.44%和79.68%(p<0.05)，从整体来看，随坡度的增加流失团聚体MWD呈减少的趋势。相同坡度条件下，两组雨强之间流失团聚体MWD无显著差异(p<0.05)，但从整体来看，随雨强的增加流失团聚体MWD呈减小的趋势。

在雨强78 mm/h条件下，当坡度由2°增加至6°时流失团聚体D值显著增加0.03倍(p<0.05)，在坡度4°时流失团聚体D值与坡度2°和6°时无显著差异(p>0.05)，但从整体来看，随坡度的增加流失团聚体D值呈增大的趋势；在雨强127 mm/h条件下，不同坡度之间流失团聚体D值无显著差异(p>0.05)。相同坡度条件下，两组雨强之间流失团聚体D值无显著差异(p>0.05)。

这表明随坡度的增加，流失团聚体的稳定性显著降低；随雨强的增加，流失团聚体的稳定性呈降低趋势但并不明显。

2.4 雨强和坡度对团聚体流失量的贡献率

本研究发现(表2)降雨强度、坡度和降雨强度与坡度的交互作用对团聚体流失总量皆有极显著影响(p<0.01)，贡献率分别为52.44%，29.77%和14.73%，其他影响因素的贡献率较小，这表明雨强是团聚体流失总量的主要影响因素。

雨强对各粒径团聚体流失量均有显著影响(p<0.05)，对粒径5～1，1～0.25，0.25～0.053，<0.053 mm团聚体流失量变化的贡献率分别为9.79%，27.42%，28.09%和47.09%。坡度对粒径5～1，0.25～0.053，<0.053 mm团聚体流失量有显著影响(p<0.05)，贡献率分别为45.59%，21.89，33.46%。降雨强度与坡度的交互作用对粒径0.25～0.053，<0.053 mm团聚体流失量有显著影响(p<0.05)，贡献率分别为16.26%和13.90%。雨强是粒径1～0.25，0.25～0.053，<0.053 mm团聚体流失的主要影响因素，且贡献率随团聚体粒径减小而提高；而坡度是粒径5～1 mm团聚体流失的主要影响因素。

图3 不同雨强及坡度下团聚体特征参数

表2 各影响因子对团聚体流失量影响的显著性及贡献率

3 讨 论

3.1 雨强和坡度对团聚体流失总量及特征参数的影响

在降雨初期由于雨滴的击溅分散作用将地表存在大量被剥蚀的团聚体供给于径流搬运，团聚体流失量在降雨初期达到最大值；随后由于土壤表层微小团聚体受水流影响进入土壤孔隙，临时形成结皮，减弱径流对土壤的冲刷、剥离作用[21]，同时坡面薄层径流的形成减弱了雨滴的击溅作用，导致地表松散沉积物减少，侵蚀物质补给能力减弱，团聚体流失量降低；随着降雨历时的延长，在雨滴扰动下径流的剥蚀能力与坡面抗蚀能力达到平衡，因此团聚体流失量变化趋于平稳[22]。

研究结果表明(见图2)随坡度的提高，团聚体流失总量显著增加，与郝好鑫的研究结果相符[23]；随雨强的增加，在4°和6°时团聚体流失总量显著增加1.94，2.41倍，这表明坡度越大，团聚体流失总量随雨强的增加幅度越大[24]。但是在坡度2°时，团聚体流失总量随雨强的增加变化并不显著，这是因为本试验为蓄满产流，坡面产流过程中有降雨填洼这一阶段[25]，同时由于低坡度时径流搬运能力较弱，部分团聚体在坡面低洼处沉积，导致在坡度2°条件下团聚体流失总量随雨强增加并不显著。此外，雨强和坡度以及两者之间的交互作用对团聚体流失总量均有极显著影响(p<0.01)，其中雨强对团聚体流失总量的影响程度最大，与周春红等[26]的研究结果相符。

本研究中(图3)，流失团聚体的稳定性随坡度的提高而降低，随雨强的提高呈降低趋势但并不明显，与卢嘉等[9]研究结果有所不同。这是由于在降雨产流过程中，坡面始终存在积水层[25]，削弱了雨滴对水层下团聚体的打击分散作用[27]，导致雨强对流失团聚体稳定性的影响并不明显。

3.2 雨强和坡度对各粒径团聚体流失量的影响

雨强和坡度对各粒径团聚体流失量的影响有所不同(表1)。本研究中，随坡度的增加，粒径5～1 mm团聚体在雨强78 mm/h时流失量显著减少，在雨强127 mm/h时流失量呈先增加后减少的趋势；粒径0.25～0.053 mm团聚体流失量在两组雨强下均随坡度的增加呈先增加后减少的趋势，但Jia等[8]指出各粒径团聚体流失量皆随雨强的提高而增加，与本文的研究结果有所不同。这是由于在雨强127 mm/h条件下，当坡度由2°提高至4°时径流搬运能力增强，粒径5～1，0.25～0.053 mm团聚体尚未被完全破碎就随径流流失，导致其流失量增加，而当坡度由4°提高至6°时，径流流速大幅提高的同时径流受雨滴的扰动作用，径流紊动性增加[28]，此时径流对团聚体的分离作用增强，粒径5～1，0.25～0.053 mm团聚体破碎为更小的粒径并随径流流失；而在雨强78 mm/h时径流量相对较小，径流层厚度较薄，对于大粒径团聚体搬运能力较弱[29]，部分粒径5～1 mm团聚体在坡面沉积；同时随着坡度的增加，在雨滴打击和径流分离的耦合作用下，粒径5～1 mm团聚体破碎程度提高，导致以该粒径流失的团聚体减少。

随雨强的增加，各坡度条件下小粒径团聚体流失量皆明显增加，安娟等[30]对于褐土坡耕地的研究也得出类似结论，但本研究发现大粒径团聚体流失量仅在高坡度条件下明显增加，这与已有研究有所不同。这是由于在斜坡方向重力分力以及惯性的作用，大粒径团聚体在坡度较大的条件下更容易以滚动的形式被径流搬运[31]，此时雨强对大团聚体流失量的影响更为明显。

基于对不同雨强及坡度下各粒径团聚体流失量的方差分析可知(见表2)，大粒径团聚体流失量对坡度变化的响应较为敏感，小粒径团聚体流失量对雨强变化的响应较为敏感。这是由于各粒径团聚体的输移方式不同导致的。张相等[32]指出较小粒径的团聚体以悬浮/跃移的形式搬运，而较大粒径的团聚体以滚动的形式搬运，团聚体的流失受控于水流剪切力、水流功率、径流层厚度、团聚体粒径等多种因素的影响。流失的小粒径团聚体主要来源于雨滴对坡面土壤团聚体的破碎分散，径流优先搬运破碎的小粒径团聚体，雨强可以通过改变雨滴打击能力影响团聚体的破碎程度，从而进一步影响小团聚体的流失量。大粒径团聚体由于沉降速度较快，当径流搬运能力较弱时易在坡面沉积[33]，坡度可以改变坡面薄层水流拖曳力，显著影响径流的搬运能力[28]，因此小粒径团聚体流失量对雨强变化的响应更为敏感，而大粒径团聚体流失量对坡度的变化响应更为敏感。

4 结 论

(1) 相同雨强条件下，团聚体流失总量随坡度增加显著增加0.70～1.42倍(p<0.05)；相同坡度条件下，团聚体流失总量随雨强增加在坡度2°时无显著变化，在坡度4°和6°条件下分别显著增加1.94，2.41倍(p<0.05)，这表明坡度越大，团聚体流失总量随雨强的增加幅度越大。雨强是团聚体流失总量的主要影响因子，贡献率为52.44%。

(2) 相同坡度条件下，流失团聚体MWD随坡度增加显著减少(p<0.05)，D值在仅雨强78 mm/h时随坡度增加显著增加(p<0.05)；相同坡度条件下两组雨强之间流失团聚体MWD，D值无显著差异(p>0.05)；这表明坡度的增加会降低流失团聚体稳定性，雨强对流失团聚体稳定性没有显著的影响。

(3) 粒径5～1 mm团聚体流失量在雨强78 mm/h时随坡度增加显著减少，在雨强127 mm/h时随坡度增加呈先增加后减少的趋势；粒径0.25～0.053 mm团聚体流失量在两组雨强下随坡度的增加呈先增加后减少的趋势。各坡度条件下小粒径团聚体流失量皆随雨强明显增加，大粒径团聚体流失量仅在高坡度条件下随雨强明显增加。

(4) 雨强是粒径1～0.25，0.25～0.053，<0.053 mm团聚体流失的主要影响因素，贡献率分别为27.42%，28.09%和47.09%；坡度是粒径5～1 mm团聚体流失的主要影响因子，贡献率为45.59%。这表明小粒径团聚体流失量对雨强变化的响应更为敏感，而大粒径团聚体流失量对坡度变化的响应更为敏感。

综上，本文研究结果在前人基础上进一步探讨雨强和坡度对黑土坡耕地团聚体流失特征的影响及影响程度，可为今后进一步研究黑土侵蚀退化和质量演变规律提供依据。