2023, Vol. 60
2. 西北农林科技大学资源环境学院, 陕西杨凌 712100;
3. 西安市水利水土保持工作总站, 西安 710000
2. College of Natural Resources and Environment, Northwest A & F University, Yangling, Shaanxi 712100, China;
3. Xi'an Water Conservancy and Soil Conservation General Station, Xi'an 710000, China
降雨是诱发土壤侵蚀的重要因子[1]，在降雨过程中，土壤颗粒会随雨滴打击分散、径流冲刷转移，从而在坡面侵蚀过程中产生分选[2]。在黄土高原地区，由降雨引发的水力侵蚀易诱发土壤物理结皮[3-5]。物理结皮的形成受自身物理化学性质（土壤质地、矿物类型、团聚体稳定性、颗粒分布、有机质含量）和外界条件（降雨程度、坡度、表面粗糙度等）的影响。研究表明，土壤物理结皮形成过程及空间分布受耕作措施导致的地表起伏状况影响[5]。土壤物理结皮是土壤破碎压实以及颗粒重组的结果，按照结皮的发育状况，其形成过程可分为不同阶段。Farres[6]认为结皮发育过程可分为初始阶段、结皮发育基本物质准备阶段、结皮形成阶段、稳定结皮形成阶段；Bresson和Cadot[7]认为结皮发育可分为团聚破碎、结构结皮形成、沉积结皮形成3个阶段；蔡强国[8]则认为结皮发育过程可分为不完整结皮阶段（降雨开始5 min）、结皮逐渐形成阶段（降雨持续15~20 min）、表土结皮基本形成且处于“破坏—形成”的动态平衡阶段。由此可知，结皮在形成过程中，初始时期结构松散，最终趋向于稳定。
研究指出，根据物理结皮形成方式以及微观形态差异性，可分为结构结皮和沉积结皮[9]。结构结皮是雨滴打击作用下，土壤表层团聚体被分散形成的细小颗粒经过重新排列组合后，堵塞表层孔隙的一层具有低透水性的土层[10-11]；沉积结皮是在微地形下，由于降雨作用形成的径流携带泥沙，在地势低洼处淤积并下沉形成的土层[12-13]。根据Bornár和Hulshof[14]的研究得知田间微地形中，地势较高处形成的结皮为结构结皮，地势较低的洼地结皮为沉积结皮。2者形成方式及地理位置的差异性直接影响着其结构性质等差异。
土壤颗粒粒径分布作为表征土壤物理性质的一项重要指标[15-17]，可用于反映土壤风化成土过程，与土壤结构、肥力水平及水分运动等息息相关，直接影响土壤侵蚀与土地退化[18-32]。在降雨侵蚀中，受雨滴动能、降雨历时等因素的影响，土壤颗粒具有分选性[33-34]，研究表明，在较小的雨滴动能下，土壤细颗粒的分散更具优势；而在较大的雨滴动能下，则是土壤粗颗粒的分散更具优势[35-37]。而土壤颗粒的分选正是造成两类物理结皮理化性质差异的本质原因[38-41]。为研究土壤侵蚀颗粒分散情况，Martinez-Mena等[26]将富集率（ER）应用于土壤侵蚀过程，用以反映泥沙颗粒的富集或移除。在研究淤地坝泥沙沉积特征时，不少学者曾针对淤地坝泥沙沉积分层进行了分析，研究发现坝地泥沙沉积层具有明显的分层特征，次洪水泥沙沉积层自下而上粒径呈由粗到细的变化[27-30]。
受此启发，作者认为在坡耕地侵蚀过程中，由于降雨作用，表土的破坏、搬运、沉积等方式使得土壤表面结构发生改变，泥沙沉积厚度及颗粒组成进而表现出一定差异性。受重力影响，洼地蓄积泥沙沉积过程中同样呈现粗颗粒先沉细颗粒后沉的特点，因此，本文从坡耕地微地形在降雨条件下产生物理结皮出发，以杨凌塿土为研究对象，通过进行室内人工模拟降雨试验，研究不同降雨历时下洼地处由泥沙沉积形成的沉积结皮与垄处受雨滴直接打击破坏形成的结构结皮颗粒分层分布特征，探讨结皮形成过程中土壤颗粒富集情况，以期为揭示泥沙输移特征及结皮形成机理提供理论依据。
1 材料与方法 1.1 试验区概况试验于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，地理坐标介于34°14′—34°20′N，107°59′— 108°08′E之间，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 ℃，年均日照时数2 164 h，无霜期211d。试验土壤为杨凌0~20 cm耕层塿土，质地为粉质壤土。按国际制土壤分类标准，杨凌塿土颗粒组成为砂粒（> 0.05 mm）含量为20.12%，粉粒（0.002~0.05 mm）含量为75.89%，黏粒（< 0.002 mm）含量为3.99%，中值粒径为13.86 μm，土壤比表面积为1.17 m2·g–1，有机质含量为9.78 g·kg–1。
1.2 研究方法本试验设置径流小区长2.0 m，宽1.0 m，高0.5 m，设计坡度5°。为模拟黄土高原地区土地利用方式，填充土壤设置的含水量为12%，容重为1.2 g·cm–3，试验前供试土壤过直径为1 cm的土壤筛。填土前径流小区底部按5.0 cm × 5.0 cm的规格打孔，并铺设一层2.0 cm厚的细砂，以允许降雨后积水的排出。径流小区内土壤填充方式同等高耕作：利用分层填充法将供试土壤填充于径流小区，以纵高5 cm为一层单位，每层填充120 kg土壤，共填充5层；在径流小区内垂直于坡面走向进行横向耕作，形成垄和沟，设计垄时以每处60 kg土壤、高20 cm、宽30 cm的规格进行填充，垄间距为30 cm（图 1）。人工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，设备型号为4 × Veejet 80100。降雨喷头距地面8 m，有效降雨面积3 m×6 m，降雨均匀度90%以上。设计降雨强度100 mm·h–1，降雨历时5、10、12、14、16、18、20和30 min。
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图 1 径流小区布设图 Fig. 1 Runoff plot layout |
自然界降雨后，雨滴在重力和非饱和土壤基质势的作用下入渗。土壤水分运移路径包括垂直入渗和沿坡面的侧向运移。在强降雨条件下，由于降雨和径流冲刷的影响，斜坡凹陷的边界容易被破坏，因此其内部的蓄水被径流冲走，造成了与被破坏前不同的泥沙淤积量。基于此，本试验设计为试验一和试验二，试验一、二中所有降雨条件完全相同，每个降雨历时设置3个重复。降雨结束后，由于洼地处会形成积水，试验一中所有径流小区洼地积水让其自然沉降；试验二中所有径流小区洼地积水则通过自制压力管排出。试验一、二径流小区在降雨结束后均置于平均温度28 ℃，湿度13%的环境下自然风干7 d，此时小区样地为裸坡，无植被覆盖。风干后，径流小区垄处形成结构结皮，洼地处形成沉积结皮，按本试验设计，试验一、二垄处均为结构结皮（Structural Crust，Cst），在不同降雨历时下将其缩写为Cst5、Cst10、Cst12、Cst14、Cst16、Cst18、Cst20和Cst30；同理，试验一洼地处形成的沉积结皮将其定义为含泥沙沉积结皮（Silt-containing Sedimentary Crust，Cscs）（降雨产生的积水泥沙在此处自然沉降），缩写为Cscs5、Cscs10、Cscs12、Cscs14、Cscs16、Cscs18、Cscs20和Cscs30；试验二洼地处形成的沉积结皮定义为无泥沙沉积结皮（Silt-free Sedimentary Crust，Csfs）（降雨产生的积水泥沙被排出），缩写为Csfs5、Csfs10、Csfs12、Csfs14、Csfs16、Csfs18、Csfs20和Csfs30。取样时，采用“S”形取样法，用体积为200 cm³环刀分别于垄上、积水泥沙自然沉降处洼地、积水泥沙排出处洼地随机取3个样品作为重复，同一个试验条件下可得到9个Cij（i为st、scs、sfs，j为降雨历时5、10、12、14、16、18、20、30 min）作为重复以消除误差。样品取出后放入由水土保持研究所水保实验设备工厂设计制造的土壤结皮分层取样装置内（图 2）。该装置底部设计有螺旋上升底托，通过转动螺母，土样将随底托上升，每次转动1圈土样随即上升1 mm，用取土刀将每层土样剥离，因前期试验研究发现土壤结皮厚度在2~3 mm之间，故此次取样设置3次，即取分层0~1 mm（第1层）、1~2 mm（第2层）、2~3 mm（第3层）土壤样品进行分析。
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图 2 土壤物理结皮分层装置 Fig. 2 Stratified sampling device for soil physical crust |
将土样剥离后过2 mm筛，称取土样5 g，加入10 mL 300 g·kg–1的过氧化氢，置于温度为72 ℃的沙浴上加热使其充分反应，以便充分去除土样内所含有机质，待反应结束后，将土样静置12 h；待气泡消失，加入去离子水稀释并静置12 h，去除上清液，反复进行直至调节pH为6.5~7.0；最后加入0.5 mol·L–1的六偏磷酸钠10 mL分散颗粒。采用频率为3 000 r·s–1的超声波处理5 s后用马尔文激光粒度仪Mastersizer2000测量土样颗粒粒径组成。土壤粒径分级根据国际制分类标准，即砂粒（0.05~2 mm）、粉粒（粒径0.002~0.05 mm）和黏粒（0~0.002 mm）。
1.4 数据处理用SPSS 23软件进行试验数据分析，利用方差分析降雨历时、分层深度、结皮类型及其交互作用对土壤物理结皮颗粒粒径百分比的影响以及各层颗粒含量差异的显著性，利用皮尔逊相关系数分析降雨持续时间和粒径之间的关系，用Origin 2018进行图表绘制。
2 结果 2.1 土壤结皮粒度特征土壤结皮粒径分层分布特征见图 3，结皮剖面颗粒组成变化较为显著，且中值粒径等粒径分配百分比差异性显著。由于杨凌塿土为粉质壤土，就微地形不同空间位置而言，垂直剖面中结皮各层均呈现粉粒含量最多的特点，所占比例均超过50%，但各级粒径含量仍存在差异，且结皮分层间颗粒分布亦具有明显变化。对比结皮第1层（0~1 mm）与第3层（2~3 mm）颗粒组成发现，随降雨历时的延长，Cst、Cscs和Csfs第1层土壤颗粒所含粉粒和黏粒均呈现富集特征，而砂粒则是呈现分散特征。
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注：Cst、Cscs、Csfs分别代表结构结皮，含泥沙沉积结皮和无泥沙沉积结皮。 Note: Cst、Cscs、Csfs represent structural crust, silt-containing sedimentary crust and silt-free sedimentary crust. 图 3 土壤物理结皮颗粒组成分层分布图 Fig. 3 Stratification distribution of particles of soil physical crust |
表 1为土壤颗粒粒径百分比与分层及降雨历时的相关关系，通过分析表 1可知，降雨历时与Cst砂粒呈极显著负相关性（r= –0.662，P < 0.01），与Cst粉粒呈正相关性但不显著（r=0.032，P > 0.05），与Cst黏粒呈极显著正相关性（r=0.704，P < 0.01）；与Cscs砂粒呈极显著负相关性（r= –0.650，P < 0.01）与Cscs粉粒呈正相关但不显著（r=0.313，P > 0.05），与Cscs黏粒呈显著正相关性（r=0.493，P < 0.05）；与Csfs砂粒呈极显著负相关性（r= –0.734，P < 0.01），与Csfs粉粒呈显著正相关性（r=0.649，P < 0.01），与Csfs黏粒含量呈显著正相关性（r=0.469，P < 0.05）。分层与Cscs砂粒呈显著正相关性（r=0.442，P < 0.05），与Cscs黏粒呈极显著负相关性（r=–0.532，P < 0.01），其余在0.05水平下相关性不显著。以上表明降雨历时与土壤颗粒组成密切相关且不同分层间土壤颗粒组成也存在差异。
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表 1 土壤物理结皮不同层间颗粒组成与表层深度及降雨历时的相关关系 Table 1 The relationship of the percentage of soil physical crust particles with tier and rainfall duration |
在模拟降雨时，微地形垄处土壤表层由于始终受雨滴打击作用，因而该作用下形成的结构结皮第1层被打击分散最严重，其颗粒组成最能反映降雨侵蚀效应；而洼地处汇集的径流在降雨完成后逐渐下渗，亦是第1层颗粒组成最能反映其侵蚀效应，因此分析不同结皮类型第1层颗粒组成随降雨历时的变化对于分析降雨对土壤侵蚀程度的影响尤为重要。该文采用表征侵蚀颗粒变化过程的重要指标富集率（ER）比较侵蚀过程中Cst、Cscs和Csfs的砂粒、粉粒和黏粒变化情况，当ER > 1时，表明某一特定粒径的颗粒发生了富集，该颗粒占比高于对照土；当ER < 1时，则表明某一特定粒径的颗粒发生了分散，该颗粒占比要低于对照土。图 4为与结皮第3层土壤颗粒对比，第1层所含颗粒富集情况。
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注：Cst、Cscs、Csfs分别代表结构结皮，含泥沙沉积结皮和无泥沙沉积结皮。 Note: Cst, Cscs, Csfs represent structural crust, silt-containing sedimentary crust and silt-free sedimentary crust. 图 4 土壤物理结皮粒径富集率随降雨历时的变化 Fig. 4 Variable enrichment ratio of soil physical crust particles with the difference of rainfall duration |
由图 4可以看出，在人工模拟降雨条件下，结构结皮富集率变化程度不大（数值在1.0左右浮动）。随降雨历时的变化，Cst的砂粒富集率变化范围为0.90~1.13，粉粒富集率浮动范围为0.98~1.11，黏粒富集率浮动范围为0.89~1.13；Cscs的砂粒富集率浮动范围为0.46~1.03，粉粒富集率浮动范围为0.96~1.16，黏粒富集率浮动范围为0.89~1.36；Csfs的砂粒富集率浮动范围为0.47~1.05，粉粒富集率浮动范围为0.95~1.08，黏粒富集率浮动范围为0.86~1.21。由此可以看出，在侵蚀过程中，Cst砂粒发生了分散，黏粒和粉粒发生了富集，其中粉粒富集不显著；Cscs砂粒发生了分散且趋势较为显著，粉粒发生了轻微富集，黏粒富集趋势较为显著，且随降雨历时的延长，砂粒消耗程度与粉粒和黏粒富集程度逐渐增强；Csfs则呈现砂粒消耗、粉粒富集而黏粒随降雨历时变化的现象。这表明，降雨历时是导致土壤结皮颗粒组成差异性的主要原因，且由于结皮形成机制的差异性，其表层颗粒组成也有所差异。
2.3 降雨历时30 min下结皮颗粒粒径分层分布由上文可以看出，降雨是影响颗粒组成的重要因素。对于降雨历时的差异，表层土壤被打击分散程度、径流携带泥沙量、颗粒沉积量不同，因而表现为土壤分层颗粒粒径分布有所差异，由以上结果可知：降雨历时30 min时其打击分散效应最强，颗粒组成分布差异最明显，因此，以降雨历时30 min下颗粒分布情况为例（图 5），分析Cst、Cscs和Csfs的分层颗粒分布。
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注：Cst、Cscs、Csfs分别代表结构结皮，含泥沙沉积结皮和无泥沙沉积结皮。 Note: Cst, Cscs, Csfs represent structural crust, silt-containing sedimentary crust and silt-free sedimentary crust. 图 5 降雨历时30 min下土壤结皮颗粒组成分层分布 Fig. 5 Particle size distribution of crust was stratified under rainfall duration of 30 min |
图 5为3类结皮在降雨历时30 min下土壤颗粒组成分层分布图，饼图自上而下代表结皮的第1、2、3层土壤颗粒分布情况，由图 5可以看出，Cst、Cscs和Csfs均呈现粉粒含量最多，砂粒含量最少的特征，且由上而下随层数递增，呈现粉粒占比增大的趋势，分别由第1层的60.3%、65.4%和60.2%增加为第3层的61.4%、65.7%和62.8%；黏粒占比减小，分别由第1层的25.3%、25.3%和31.3%减小为第3层的24.8%、21.7%和26.2%；Cst砂粒占比逐渐减小，第1层的14.5%减小为第3层的13.8%，Cscs和Csfs砂粒占比逐渐增大，分别由第1层的9.2%和8.5%增加为第3层的12.6%和11.0%。由此可知，在降雨打击作用下，土壤表层形成的结皮颗粒组成具有分层性，且结皮形成机制的差异也导致其颗粒分层的差异。
3 讨论坡耕地是研究土壤侵蚀的基本单元，坡面发生水力侵蚀的方式可分为雨滴击溅和径流冲刷两部分。研究发现[42]：雨滴打击土壤分散可分为两个过程：（1）雨滴打击土壤，土壤颗粒间的黏结力被破坏，土壤颗粒不同程度的被分散并与表土发生分离；（2）被分散的土壤颗粒在雨滴冲击力、水流冲刷力作用下向四周飞溅。加之地形条件差异，土壤侵蚀过程也存在差异，进而表现为本文模拟的自然界中形成于垄上、洼地以及被冲毁洼地处的结构结皮（Cst）、含泥沙沉积结皮（Cscs）和无泥沙沉积结皮（Csfs）颗粒组成差异性。
在研究降雨引起的土壤侵蚀时，单个雨滴能量及累计雨滴能量是影响侵蚀程度强弱的重要指标[43]，本文中，降雨因素的变化表现为同一降雨强度下历时的区别。当降雨历时越长时，累积雨滴能量越大，雨滴打击使得土壤团聚体破碎，程度越大，可随径流运移细颗粒则越多，因而导致与低分离泥沙中大粒径颗粒含量减少、小粒径颗粒含量增加的现象。本试验中则表现为：受雨滴直接打击的Cst，与原状土相比，砂粒占比减少，而粉粒、黏粒占比增多。对于Cscs和Csfs而言，由于降雨过程中坡面地表条件不断发生变化，地表水层逐渐变厚，水层对雨滴打击作用起到缓冲作用，大大降低了雨滴对土壤的击溅能力，且土表部分团聚体颗粒在水层的浸泡下发生不同程度的分散解体，从而导致可供雨滴击溅的颗粒粒径变小，因而其颗粒占比在降雨条件的改变下，呈现出差异性。
与第3层结皮颗粒分布相比，Cscs和Csfs第1层土壤颗粒产生砂粒分散、粉粒和黏粒富集的现象。这是由于随降雨历时的延长，土壤被分散程度逐渐增强，径流携带泥沙量逐渐增多，且径流产生泥沙持续在洼地处蓄积，自然沉降下的泥沙颗粒表现为大颗粒先沉，小颗粒后沉的特点[27-30]，从而表现为Cscs表层与下层颗粒分布的差异。对于将泥沙抽取出的洼地处产生的Csfs而言，由于前期无蓄水时，土壤表层颗粒受雨滴打击作用被分散，洼地自身产生的细小颗粒以及垄处分散的细小颗粒填塞土壤表层孔隙，后随径流的蓄积，将表面颗粒压实[43]，即使将抽取出泥沙，仍存在第1层土壤颗粒砂粒分散、粉粒和黏粒富集的现象。
当降雨历时30 min时，Cst分层间颗粒变化不显著，是因为垄上部分土壤在整场降雨条件下持续受雨滴打击，其分散程度较大，细小颗粒易被击溅在空中且随径流冲刷入洼地，大颗粒则多留于垄上，因而其颗粒由于分散与转移的共同作用，在分层上差异性不显著。对于Cscs和Csfs，虽然其形成过程的差异导致颗粒分布有所差异，但其分层变化特征仍具有相似性，即均呈现随层数递增，粉粒、黏粒减小而砂粒增多的现象，这是由于在降雨历时未达到30 min时，洼地处存在蓄水，由于雨滴的打击扰动，泥沙沉积速度相对较慢但仍存在一定程度的沉积，而且蓄水可将土壤表层颗粒压实，因而二者变化趋势相近。随土层的变化，由方差分析可知：Cst、Cscs和Csfs所含砂粒均表现为中等变异性，粉粒和黏粒表现为弱变异性。进一步分析降雨历时、分层以及结皮类型对颗粒组成的影响发现：在坡耕地微地形作用下，土壤颗粒组成与结皮形成过程息息相关，降雨历时、分层以及结皮类型均表现为极显著影响，且在3种因素的交互作用下，结皮的黏粒、粉粒及砂粒则呈现了不同差异显著性。这表明：降雨打击作用下，由于垄处受打击颗粒被分散后随径流流入洼地处，则洼地黏粒含量表现为较高水平，而砂粒含量表现为较低水平，取出泥沙以及让泥沙自然沉降的沉积结皮则是由于泥沙细小颗粒含量较多，黏粒占比较大，所以Csfs黏粒占比低于Cscs。
在研究土壤结皮形成过程时，很多学者提出了不同见解[6-8]。通过分析Cst、Cscs和Csfs分层颗粒分布差异性以及降雨对结皮颗粒组成的影响，本文发现结构结皮在侵蚀过程中形成的方式与Agassi[10]研究结果相似，受降雨影响较为显著。对于沉积结皮的形成过程，由于其形成与洼地蓄水泥沙含量密切相关，因此本文通过将沉积结皮分为Cscs和Csfs两类，分析泥沙沉积对沉积结皮的形成效应。通过对比Cscs和Csfs的差异性可知土壤沉积结皮在形成过程中，存在两种诱因——雨滴分散与泥沙沉积，若降雨历时较短，洼地无明显蓄水，Cscs和Csfs差异不显著，即降雨初期，雨滴打击分散为沉积结皮的形成过程的主导因素；若降雨历时较长，洼地处蓄水量较多，Cscs和Csfs差异显著，即降雨后期，泥沙沉积为沉积结皮形成过程的主导因素。
本研究采用杨凌塿土作为试验土样，因此，研究结果不能立即应用于其他具有不同理化性质的土壤类型。此外，不同降雨条件以及影响结皮形成的土壤颗粒黏结力也需要进一步试验。尽管存在这些局限性，但本研究为进一步研究物理结皮对土壤侵蚀过程的影响提供了不可忽视的作用。值得注意的是，试验中所用结皮颗粒分层分析方法可为确定侵蚀过程中物理结皮的形成以及结皮类型性质差异性提供了一种新思路。
4 结论在人工模拟降雨条件下，试验过程中产生的结构结皮（Cst）、含泥沙沉积结皮（Cscs）和无泥沙沉积结皮（Csfs）各分层粒径构成均以粉粒为主，所占比例超过50%。在侵蚀过程中，Cst、Cscs和Csfs砂粒均发生了分散，黏粒和粉粒发生了富集；且随降雨历时的延长，砂粒消耗程度与粉粒和黏粒富集程度逐渐增强。其中降雨30 min打击分散效应最强，颗粒组成分布差异最明显。结构结皮的形成过程受雨滴打击分散土壤表层团聚体主导；沉积结皮的形成过程则受雨滴分散与泥沙沉积的综合因素影响。降雨初期，洼地处无蓄水时，雨滴打击分散为沉积结皮的形成过程的主导因素；降雨后期，洼地处蓄水，泥沙沉积为沉积结皮形成过程的主导因素。结皮表层（第1层）颗粒粒径分布随降雨历时的变化最为明显，最能表现侵蚀特征。对比分析第1层与第3层土壤颗粒变化情况，侵蚀过程中的颗粒分选性是导致土壤物理结皮形成过程及类型差异性的主要因素。
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