2024, Vol. 61
表1(Table 1)
2. 湖北省水利水电科学研究院, 武汉 430070
2. Hubei Water Resources and hydropower Research Institute, Wuhan 430070, China
细沟间侵蚀是坡面侵蚀的主要形式，主要是由于土壤表层受到雨滴打击作用的冲击，表面形成较致密的临时结皮层，土壤孔隙被封闭，导致土壤入渗能力降低，在表层形成坡面薄层水流，对土壤造成侵蚀[1]。因此，在降雨作用下雨滴击溅分离和薄层水流直接冲刷坡面并搬运泥沙是细沟间侵蚀的主要过程[2-3]。一般认为，雨滴打击不仅可以分散地表土壤颗粒，还能通过增强径流的紊动来提高径流输沙能力，是土壤颗粒发生位移或破碎的主要外力因素[4]。土壤团聚体是土壤的基本结构单元[5]，也是雨滴直接作用的对象，其稳定性常用于描述土壤抵抗侵蚀的能力[6]。大量研究表明土壤团聚体的破碎过程及粒径分布与土壤侵蚀、结皮发育存在密切联系，一方面团聚体的破碎过程为表层土壤提供了更多的小粒径的土壤颗粒，另一方面团聚体的大小和质量决定了降雨和径流的分选过程，进而直接影响地表糙度、孔隙结构和入渗特性[7-10]。随着降雨历时的增加，团聚体被不断打击搬运，产生泥沙，逐步形成细沟间侵蚀。因此，侵蚀过程中团聚体的动态过程与侵蚀泥沙分布特征对于坡面侵蚀发展过程具有重要意义。在以往的研究中，陈琳等[11]发现原土壤颗粒及泥沙会受到降雨径流的分选作用被直接搬运或破碎，这不仅是表土结皮产生的本质原因，也是侵蚀产沙量的主要来源。肖海等[12]对降雨条件下土壤团聚体在不同作用下的侵蚀结果进行了比较。但针对团聚体与侵蚀过程关系的研究大多局限在单一粒径的尺度上，关于土壤粒径分布情况也主要围绕侵蚀的结果，或侵蚀泥沙的空间来源分布展开[13-14]。对于土壤体系内多个粒径团聚体同时破碎、沉积交换过程仍是一个“黑箱”问题，土壤各粒径泥沙在侵蚀过程中的物质来源与转化尚不清楚，缺少土壤团聚体角度对侵蚀过程的动态量化和机理探究。
稀土元素（Rare Earth Element，REE）具有低土壤背景值、难溶于水、迁移能力弱、能被土壤吸附且对土壤理化性质影响较小等特点[15-16]。即使外力剥蚀作用形成的REEs粉粒仍有极强的吸附与团聚能力，是理想的示踪元素。REE示踪法是将不同稀土元素与土样混合，布设在不同地形位置或不同土壤深度完成试验，最后通过分析技术测定样品中REEs的种类和含量，由此判断不同位置土壤侵蚀差异[15]。我国对于示踪技术在土壤侵蚀速率估算方面应用广泛，也应用于泥沙来源研究[16]。通过将REE示踪技术与室内降雨，冲刷等试验相结合，或在野外采用REE示踪法进行全坡面径流小区的土壤侵蚀研究，不断揭示土壤迁移、剥蚀和沉积的原理，了解坡面土壤侵蚀垂直分布特征及泥沙运移和沉积特点[17-19]。目前稀土元素示踪法可用于同时定量研究多粒径团聚体的破碎、形成和稳定过程[20-22]。
综上，本研究基于微型土槽进行细沟间侵蚀试验，收集开始稳定产流后连续一小时的侵蚀泥沙和径流，分析侵蚀泥沙的粒径分布特征、泥沙浓度及稀土元素含量，从而探究不同土壤侵蚀泥沙的物质来源及分选机制；同时结合侵蚀前后表层土壤团聚体粒径分布及侵蚀过程中各粒径土壤团聚体间的周转率，定量研究细沟间侵蚀团聚体动态变化与侵蚀量的关系。
1 材料与方法 1.1 供试材料供试土样采自湖北省咸宁市贺胜桥镇，地跨30°00'01.7"−30°59'30.3"N，114°19'23.9"−114°22'27.9"E，属亚热带季风湿润气候区，年均降水量为1 572 mm，4—8月降水量可达全年的70%左右。地貌以低丘岗地为主，坡度主要在8~15°之间。土壤为第四纪黏土发育的红壤，土地利用类型为灌木园地，主要种植油茶。野外采样时用环刀采集表层原状土（0~20 cm），带回实验室用于测定田间持水量及容重。所有散土样均在室内风干，去除石块、根系后过5 mm筛备用。用于测定基本理化性质的土壤样品按试验要求过筛。
土壤理化性质采用常规方法测定[23]。土壤机械组成采用吸管法测定；土壤质地采用美国制标准划分；土壤容重采用环刀法；pH采用水土比为2.5︰1的pH计测定；土壤有机质采用重铬酸钾外加热法。测定团聚体的样品单独采集，为不破坏团聚体自身结构，将装有团聚体样品的自封袋放入收纳盒中运输保存，测定时取保存较完整的土块，过5 mm筛后用Elliott湿筛法[24]分级，分为大团聚体（5~2 mm，LMA）、小团聚体（2~0.25 mm，SMA）、微团聚体（0.25~0.053 mm，MIA），以及黏粉粒部分（< 0.053 mm，SCP）共4个部分，并获得各粒径水稳性团聚体的占比，质量分数依次为6.71%，55.95%，18.27%和19.06%。其中，供试土壤的基本理化性质见表 1。
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表 1 供试土壤基本理化性质 Table 1 Basic physical and chemical properties of the test soil |
本研究选用四种稀土氧化物La2O3、Sm2O3、Nd2O3和Gd2O3作为标记物，其纯度均 > 99.99%。REOs的平均直径为4.23~4.65 μm，颗粒密度为6.51~7.54 g·cm–3，四种稀土元素的分子质量分别为La2O3（325.84），Nd2O3（336.47），Sm2O3（348.72）和Gd2O3（362.50），土壤中的背景值分别为（26.91±1.04）mg·kg–1，（18.48±1.76）mg·kg–1，（1.31±0.23）mg·kg–1和（1.90±0.63）mg·kg–1。
全土样标记采用湿混法[20]。将土壤分成四份分别用一种REE元素进行全土样培养，然后湿筛分级，得到分别被不同元素标记的四个粒径的水稳性团聚体。以La2O3为例，根据所需土壤质量称取定量的La2O3（REE的添加含量为500 mg·kg–1）配置成溶液后，均匀喷于待标记土壤中，边喷边轻轻搅拌，最后所添加的水量保持在土壤田间持水量的60%。然后将标记土壤密封，常温静置5 d，在40 ℃烘箱中烘干48 h，即可得到La标记的全土样。最后通过Elliott湿筛法获得La元素标记的4个粒径土壤团聚体，其他稀土元素标记的土壤同样按照该方法培养。湿筛后收集不同REOS标记的团聚体，称重并根据原始土壤样品中各粒径团聚体的质量百分比重新组合为标记试验土样。试验选取Nd2O3标记的5~2 mm团聚体，La2O3标记的2~0.25 mm团聚体，Sm2O3标记的0.25~0.053 mm团聚体和Gd2O3标记的 < 0.053 mm团聚体重组土样，并保存15 g土样进行测定，作为各元素原始浓度，并将重组土样用于装填土槽进行降雨试验。
稀土元素的测定采用Na2O2碱熔法[25]，每个样品分别取2次土样进行测样配制，作为重复。
1.3 室内人工模拟降雨试验室内人工模拟降雨试验在华中农业大学降雨大厅内完成。细沟间侵蚀过程在自制微型侵蚀土槽进行，规格为60 cm×30 cm×15cm（长×宽×高），下层装有干细砂便于及时排水，其中侵蚀槽顶部用过筛土样装填并固定以模拟自然裸坡糙面（图 1）。根据野外采集的环刀实测的容重数据，控制填土容重为1.29 g·cm–3。将试验土槽四周边壁尽量压实，尽可能减小边界效应的影响。本研究所有试验土壤为前期土壤含水量相近的干土。降雨强度设置为90 mm·h–1，控制坡度为10°。降雨试验开始前，对降雨强度进行率定，直至达到稳定。每场降雨历时为坡面产流后1 h。降雨过程中每6 min采集一次水沙样品，用Elliott湿筛法对泥沙颗粒进行分级，即5~2 mm、2~0.25 mm、0.25~0.053 mm、< 0.053 mm共4个粒径，烘干后称重，同时用于测定各粒径泥沙稀土元素含量。降雨结束后对土槽上残余土壤进行分块取样（上、中、下分别取样），分别过筛、烘干测定土壤团聚体粒径分布及稀土元素含量。
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注：（a）降雨前土槽；（b）降雨后土槽；（c）侵蚀团聚体采样 Note: (a)Soil trough before rainfall; (b)Soil trough after rainfall; (c)Erosion aggregates sampling 图 1 微型侵蚀土槽示意图 Fig. 1 Diagram of a miniature soil trough |
细沟间侵蚀过程中，产流指标包括初始产流时间与径流系数（Rc）。初始产流时间为达到目标雨强并稳定后，撤去挡板并开始计时，直至在侵蚀槽出口处观察到线状水流的时间。产流量为每次接样时的水沙混合样品减去接样容器和泥沙的总质量，径流系数为单位面积产流量与降雨量的比值。产沙指标包括土壤产沙率（Di）和径流泥沙浓度（Cs）。土壤产沙率为单位面积单位时间土壤流失量，径流泥沙浓度为泥沙质量和径流体积的比值。
通过土壤颗粒质量与颗粒直径的关联，对土壤中各粒径团聚体或泥沙的粒径分布来表示分形特征[26]，计算相应的残留土壤或侵蚀泥沙的粒径分形维数D。公式如下：
| M(δ<ˉdi)M0 = (ˉdjˉdmax | (1) |
式中，M（
侵蚀过程中，土壤团聚体会转化为残留团聚体和侵蚀泥沙两部分。通过测定团聚体和泥沙中REE含量变化定量计算各粒径团聚体在不同周转路径下的变化率[20]。通过湿筛，将团聚体和侵蚀泥沙分别分为上述4个粒径。其中，残留团聚体存在如图 2所示的12条各粒径团聚体周转路径，分别为团聚体破碎方向a~f的6条路径（实线箭头部分），例如：“a”代表 5~2 mm粒径的团聚体经过降雨侵蚀转化为2~0.25 mm粒径团聚体的破碎过程；和团聚体形成方向g~l的6条路径（虚线箭头部分），例如：“g”代表 2~0.25 mm粒径团聚体转化为5~2 mm粒径的团聚体的形成过程[27]。
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注：实线部分表示团聚体破碎过程，虚线部分表示团聚体形成过程。其中，LMA、SMA、MIA和SCP代表不同粒径土壤团聚体，分别为5~2 mm、2~0.25 mm、0.25~0.053 mm和 < 0.053 mm粒径，a~f分别代表团聚体破碎过程中6种破碎路径方向，g~l分别代表团聚体形成过程中6种形成路径方向。 Note: The solid lines represent the processes of the breakdown of aggregates and the dashed lines represent processes of formation of aggregates. Where, LMA, SMA, MIA and SCP represent different particle size aggregates, 5~2 mm, 0.25~ < 2 mm, 0.053~ < 0.25 mm and < 0.053 mm particle size respectively, a~f represent the six fragmentation path directions during aggregate fragmentation, g~l represent the six formation path directions during aggregate formation respectively. 图 2 侵蚀过程团聚体周转和侵蚀泥沙来源示意图 Fig. 2 Schematic diagram of aggregate turnover and erosion sediment sources in interrill erosion |
细沟间侵蚀过程中收集的泥沙为表面土壤团聚体侵蚀周转后的产物，4个粒径团聚体均可形成泥沙，以土壤表层的大团聚体为例，5~2 mm粒径的团聚体可能以 > 2 mm的泥沙颗粒脱离土体形成泥沙，也可能破碎形成2~0.25 mm、0.25~0.053 mm和 < 0.053 mm的泥沙颗粒脱离土体，共4种可能的形式形成“泥沙_sa”，依次表示为saa、sab、sac和sad。同理，小团聚体、微团聚体、黏粉粒也分别有4种可能的形式形成“泥沙_sb”、“泥沙_sc”和“泥沙_sd”。因此，最终> 2 mm的侵蚀泥沙颗粒由不同粒径团聚体分别通过saa、sba、sca和sda这4条路径共同形成的结果，同理2~0.25 mm侵蚀泥沙颗粒，0.053~0.25mm侵蚀泥沙颗粒和 < 0.053 mm侵蚀泥沙颗粒则分别通过“sab、sbb、scb和sdb”，“sac、sbc、scc和sdc”以及“sad、sbd、scd和sdd”这3组路径形成的结果，所以侵蚀泥沙部分存在破碎、形成和稳定的16条路径。在细沟间侵蚀过程中，稳定产流前会损失一部分泥沙样品，质量不守恒，因此在本文中将残余团聚体周转和侵蚀泥沙作为独立的两部分单独进行计算，即在计算残余团聚体周转部分时只考虑表层土壤在侵蚀过程中的周转过程，忽略土壤表面损失部分，视sa、sb、sc和sd均为0。
（1）团聚体的周转指标。残余土壤团聚体周转路径分析具体参考汪零等[27]。本研究中，由于土壤样品混合时无外力干扰，视作未发生周转，t1时刻即为初始状态[28]。因此，可以通过团聚体的周转率（Turnover）来衡量团聚体参与周转过程的比例，周转率越大，说明团聚体保持稳定的比例越低[15]。
| {\text{Turnove}}{{\text{r}}_{{\text{LMA}}}} = \frac{{\left( {a + d + f} \right)}}{t} | (2) |
TurnoverLMA为大团聚体的周转率，a、d和f分别为大团聚体转化为小团聚体，微团聚体和黏粉粒团聚体的周转比例。以此类推TurnoverSMA、TurnoverMIA和TurnoverSCP分别为小团聚体，微团聚体和黏粉粒团聚体的周转率；t为降雨事件的相应时间间隔（在本研究连续稳定产流时间为1h，所以t=1 h）。）。
在降雨侵蚀驱动下，团聚体破碎或形成方向上，土壤体系中大团聚体、小团聚体和微团聚体的累积破碎率BD和累积形成率FM可通过其转化路径计算得到[29]。但由于侵蚀颗粒往往是土壤损失部分而脱离原位土壤体系，因此，对于土壤体系而言，大团聚体的累积破碎率和累积形成率为：
| BD\left( {{\text{LMA}}} \right) = a + d + f | (3) |
| FM\left( {{\text{LMA}}} \right) = \frac{{\left( {g*{m_{{\text{SMA}}}} + j*{m_{M{\text{IA}}}} + l*{m_{{\text{SCP}}}}} \right)}}{{{m_{{\text{LMA}}}}}} | (4) |
式中，BD（LMA）为大团聚体累积破碎的比例，FM（LMA）为新形成的大团聚体的比例。mLMA、mSMA、mMIA和mSCP分别为大团聚体、小团聚体、微团聚体和黏粉粒团聚体的初始质量。小团聚体、微团聚体的累积破碎率和累积形成率以此类推。
对于土壤体系的总破碎率及总形成率，即侵蚀土壤净破碎率和净形成率为：
| BD\left( {{\text{TBS}}} \right) = \frac{{\left( {BD\left( {{\text{LMA}}} \right) \times {m_{{\text{LMA}}}} + BD\left( {{\text{SMA}}} \right) \times {m_{{\text{SMA}}}} + BD\left( {{\text{MIA}}} \right) \times {m_{{\text{MIA}}}}} \right)}}{M} | (5) |
| FM\left( {{\text{TBS}}} \right) = \frac{{\left[ {FM\left( {{\text{LMA}}} \right) \times {m_{{\text{LMA}}}} + FM\left( {{\text{SMA}}} \right) \times {m_{{\text{SMA}}}} + FM\left( {{\text{MIA}}} \right) \times {m_{{\text{MIA}}}}} \right]}}{M} | (6) |
式中，M为土壤的最初质量。
（2）侵蚀泥沙周转矩阵。以下公式及推导过程由汪零等[27]团聚体周转过程延伸所得，t1到t2时刻侵蚀泥沙通过转移矩阵K泥沙（t2-t1）表示为
| K_{泥沙}({\rm{t_{2}-t_{1}}})= \left| {\begin{array}{*{20}{c}} {saa}&{sba}&{sca}&{sda} \\ {sab}&{sbb}&{scb}&{sdb} \\ {sac}&{sbc}&{scc}&{sdc} \\ {sad}&{sbd}&{scd}&{sdd} \end{array}} \right| | (7) |
式中，sa=saa+sab+sac+saa，均为大团聚体迁移形成泥沙的可能路径，以此类推。
侵蚀泥沙体系在时间t的含量用S泥沙(t)表示如下：
| S_{泥沙}(t)=\left[ {\begin{array}{*{20}{c}} {ELMA{\text{(}}t{\text{)}}} \\ {ESMA{\text{(}}t{\text{)}}} \\ {EMIA{\text{(}}t{\text{)}}} \\ {ESCP{\text{(}}t{\text{)}}} \end{array}} \right] | (8) |
ELMA(t)代表t时刻5~2 mm大小的泥沙颗粒含量，以此类推。
根据质量守恒定律，S泥沙(t1)和S泥沙(t2)的关系可以根据K泥沙(t2-t1)联系起来，即S和K矩阵满足公式：
| S_{泥沙}(t_{2})=K_{泥沙}(t_{2}-t_{1})S_{泥沙}(t_{1}) （9） | (9) |
用稀土氧化物示踪的方法来量化泥沙的迁移路径。REO泥沙con.(t)为t时刻各级泥沙颗粒中的稀土氧化物浓度：
| {\rm{REO_{泥沙}con(t)}}= \left[ {\begin{array}{*{20}{c}} {\left[ {{\text{L}}{{\text{a}}_{{\text{ELMA}}}}} \right]}&{\left[ {{\text{S}}{{\text{m}}_{{\text{ELMA}}}}} \right]}&{\left[ {{\text{N}}{{\text{d}}_{{\text{ELMA}}}}} \right]}&{\left[ {{\text{G}}{{\text{d}}_{{\text{ELMA}}}}} \right]} \\ {\left[ {{\text{L}}{{\text{a}}_{{\text{ESMA}}}}} \right]}&{\left[ {{\text{S}}{{\text{m}}_{{\text{ESMA}}}}} \right]}&{\left[ {{\text{N}}{{\text{d}}_{{\text{ELMA}}}}} \right]}&{\left[ {{\text{G}}{{\text{d}}_{{\text{ESMA}}}}} \right]} \\ {\left[ {{\text{L}}{{\text{a}}_{{\text{EMIA}}}}} \right]}&{\left[ {{\text{S}}{{\text{m}}_{{\text{EMIA}}}}} \right]}&{\left[ {{\text{N}}{{\text{d}}_{{\text{EMIA}}}}} \right]}&{\left[ {{\text{G}}{{\text{d}}_{{\text{EMIA}}}}} \right]} \\ {\left[ {{\text{L}}{{\text{a}}_{{\text{ESCP}}}}} \right]}&{\left[ {{\text{S}}{{\text{m}}_{{\text{ESCP}}}}} \right]}&{\left[ {{\text{N}}{{\text{d}}_{{\text{ESCP}}}}} \right]}&{\left[ {{\text{G}}{{\text{d}}_{{\text{ESCP}}}}} \right]} \end{array}} \right] | (10) |
式中，[LaELMA]为ELMA（> 2 mm的泥沙颗粒）中La的浓度（mg·kg–1），以此类推。
则各粒径团聚体中稀土元素的总量为：
| {\rm{REO_{泥沙}amo(t)}} \left[ {\begin{array}{*{20}{c}} {{\text{ELMA(t)}}\left[ {{\text{L}}{{\text{a}}_{{\text{ELMA}}}}} \right]}&{{\text{ELMA(t)}}\left[ {{\text{S}}{{\text{m}}_{{\text{ELMA}}}}} \right]}&{{\text{ELMA(t)}}\left[ {{\text{N}}{{\text{d}}_{{\text{ELMA}}}}} \right]}&{{\text{ELMA(t)}}\left[ {{\text{G}}{{\text{d}}_{{\text{ELMA}}}}} \right]} \\ {{\text{ESMA(t)}}\left[ {{\text{L}}{{\text{a}}_{{\text{ESMA}}}}} \right]}&{{\text{ESMA(t)}}\left[ {{\text{S}}{{\text{m}}_{{\text{ESMA}}}}} \right]}&{{\text{ESMA(t)}}\left[ {{\text{N}}{{\text{d}}_{{\text{ELMA}}}}} \right]}&{{\text{ESMA(t)}}\left[ {{\text{G}}{{\text{d}}_{{\text{ESMA}}}}} \right]} \\ {{\text{EMIA(t)}}\left[ {{\text{L}}{{\text{a}}_{{\text{EMIA}}}}} \right]}&{{\text{EMIA(t)}}\left[ {{\text{S}}{{\text{m}}_{{\text{EMIA}}}}} \right]}&{{\text{EMIA(t)}}\left[ {{\text{N}}{{\text{d}}_{{\text{EMIA}}}}} \right]}&{{\text{EMIA(t)}}\left[ {{\text{G}}{{\text{d}}_{{\text{EMIA}}}}} \right]} \\ {{\text{ESCP(t)}}\left[ {{\text{L}}{{\text{a}}_{{\text{ESCP}}}}} \right]}&{{\text{ESCP(t)}}\left[ {{\text{S}}{{\text{m}}_{{\text{ESCP}}}}} \right]}&{{\text{ESCP(t)}}\left[ {{\text{N}}{{\text{d}}_{{\text{ESCP}}}}} \right]}&{{\text{ESCP(t)}}\left[ {{\text{G}}{{\text{d}}_{{\text{ESCP}}}}} \right]} \end{array}} \right] | (11) |
当稀土元素遵循质量守恒定律，公式可修改为：
| {\rm{REO_{泥沙}amo.}}(t_{2})={\rm{K_{泥沙}}}(t_{2}-t_{1}){\rm{REO_{泥沙}amo.}}(t_{1}) | (12) |
则上述周转矩阵K泥沙（t2-t1）公式可修改为：
| K_{泥沙}(t_{2}-t_{1})={\rm{REO_{泥沙}amo.}}(t_{2}){\rm{REO_{泥沙}amo.}}(t_{1})^{–1} | (13) |
（3）侵蚀泥沙的来源。泥沙的来源可通过稀土元素含量分布求得。以 > 2 mm泥沙为例，该泥沙来自大团聚体、小团聚体、微团聚体和黏粉粒径团聚体的含量分别为：
| {m}^{\prime }\left(LMA\right)=\frac{\left[L{a}_{\text{ELMA}}\right]*\text{ELMA}}{L{a}_{标记浓度\text{LMA}}} \text{；} |
| {m}^{\prime }\left(SMA\right)=\frac{\left[S{m}_{\text{ELMA}}\right]*\text{ELMA}}{S{m}_{标记浓度\text{SMA}}} \text{；} |
| {m}^{\prime }\left(MIA\right)=\frac{\left[N{d}_{\text{ELMA}}\right]*\text{ELMA}}{N{d}_{标记浓度text{MIA}}} \text{；} |
| {m}^{\prime }\left(SCP\right)=\frac{\left[G{d}_{\text{ELMA}}\right]*\text{ELMA}}{G{d}_{标记浓度\text{SCP}}} | (14) |
式中，ELMA为 > 2 mm侵蚀泥沙的质量（g）；La标记浓度LMA为试验中La标记大团聚体的浓度。以此类推。
则泥沙 > 2 mm的颗粒中，来自各粒径团聚体的比例为：
| R\left( {saa} \right) = \frac{{m'\left( {{\text{LMA}}} \right)}}{{{\text{ELMA}}}}\text{；}R\left( {sba} \right) = \frac{{m'\left( {{\text{SMA}}} \right)}}{{{\text{ELMA}}}}\text{；} |
| R\left( {sca} \right) = \frac{{m'\left( {{\text{MIA}}} \right)}}{{{\text{ELMA}}}}\text{；}R\left( {sda} \right) = \frac{{m'\left( {{\text{SCP}}} \right)}}{{{\text{ELMA}}}} | (15) |
利用SPSS软件进行数据分析，Origin（2021版）软件进行绘图。
2 结果 2.1 REE标记可行性团聚体预测值是由ICP-MS测得的稀土元素浓度通过式（7）~式（14）计算求出的各时期各粒径的团聚体含量；而实测值则是将降雨试验中各时间段采集的样品通过湿筛分成四个粒径然后称重的物理方法获得的团聚体含量。实测值与预测值之间的线性相关程度反映了稀土氧化物示踪效果，两者越接近则该示踪方法在试验中的准确性和可行性越高[17]。细沟间侵蚀过程中，每间隔6 min所收集的泥沙样是由坡面四个粒径团聚体破碎或结合后随径流冲刷而来，因此本文用收集的4个粒径泥沙含量实测值和预测值拟合验证REE标记的可行性。根据细沟间侵蚀过程中土壤侵蚀泥沙预测值与实测值的线性关系结果（图 3），拟合曲线线性关系斜率为1.292，稍偏离1︰1。这说明在持续的水流扰动作用下，尽管示踪效果可能会受到干扰[21]，但是稳定性仍较高。R2达到0.973，可见通过稀土元素示踪法，能准确预测团聚体的含量变化。说明了本试验中稀土元素示踪的可行性。
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图 3 细沟间侵蚀过程中土壤团聚体预测值与实际值的线性关系 Fig. 3 Linear relationship between predicted and actual values of soil aggregates during interrill erosion |
产流时间是产流特征的重要参数。在降雨初始阶段，土壤处于非饱和状态，当表层疏松的土壤水分蓄满后才发生产流。土样开始稳定产流时间为（3.92±0.42）min，而初始产流时间与地表结皮的形成有关[5]，团聚体破碎不仅为侵蚀过程不断提供着可搬运的物质，还会导致结皮产生并影响水分入渗等过程[4，30]。一般团聚体越易破碎，土壤中游离的小颗粒含量越高，结皮越容易产生[6]，而当结皮产生后，泥沙运移从搬运限制转化为剥蚀限制。由表 2可知，径流强度随着降雨历时增加，呈现先增大后逐渐稳定的趋势，整体在0.75~1.21 mm·min–1范围内，同样径流系数随降雨历时增加也呈现相同趋势。大雨强作用下初始阶段产流强度快速增加，这是因为大雨强下土壤结皮形成速率相对较快，随着降雨的进行，在雨滴打击、压实和表层团聚体破碎的综合作用下，地表结皮逐渐形成，导致土壤入渗速率逐渐下降，产流强度逐渐增加[31]。土样泥沙浓度分布在18.37~32.01 g·L–1之间，在产流初期快速增加，产流12 min时达到峰值，然后呈下降趋势，产沙率呈现相同的趋势。这是因为在降雨初期，土壤湿润后黏结力减小，使土壤颗粒更容易被分离和溅散，含沙量增加[32]。此外，在地表开始产生径流后土壤颗粒从单一的雨滴打击作用转化为雨滴打击与径流输移共同作用。这导致土壤颗粒更易从母体中分离，进一步增强径流挟沙能力；而当土壤结皮形成后表面土壤颗粒间黏结力增强，土壤分离能力下降，泥沙量逐渐减少。尽管土壤的径流强度在降雨过程中逐渐增加达到相对稳定，土壤侵蚀量不断累积，土壤的产沙强度却表现出先增加后逐渐减小的趋势。这表明降雨过程中表层土壤团聚体对降雨和薄层水流的响应会引起土壤结构的不断变化，并进一步影响侵蚀特征。
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表 2 细沟间侵蚀过程中产流产沙基本数据 Table 2 Basic data of runoff and sediment during interrill erosion |
结合图 4泥沙粒径分布可以看出，泥沙颗粒以2~0.25 mm和 < 0.053 mm粒径为主，呈“双峰”分布[33]。土样粒径变化在18~24 min之后达到稳定，< 0.053 mm的泥沙含量先增加后减小，最终逐渐稳定在34%~38%，这可能是因为坡面表层土壤中分散的 < 0.053 mm的团聚体含量由于在降雨过程中相互粘结或是受径流搬运逐渐降低，导致该粒径泥沙含量逐渐降低。2~0.25 mm和0.25~0.053 mm的泥沙含量均先呈现减小后增加至稳定的趋势，分别稳定在43%~47%和16%~20%范围内。
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图 4 细沟间侵蚀过程中泥沙粒径随产流时间的分布 Fig. 4 Distribution of sediment grain size over time during interrill erosion |
对于细沟间侵蚀团聚体，自然条件下土壤流失量往往较为复杂，难以准确获得，因此视残留土壤为整体进行周转过程计算。基于各粒径团聚体中REE含量变化可计算得到各粒径之间的质量转化率，从而量化降雨侵蚀驱动下土壤各粒径团聚体的周转路径。由图 5土壤团聚体在细沟间侵蚀的周转矩阵图可知，细沟间侵蚀促使更多的大颗粒团聚体发生破碎，而形成方向的转化较少，因为团聚体粒径越大，孔隙越发达，联结越不紧密，其对降雨打击更敏感而易发生破碎[28，34]。未参与周转过程的 > 0.25 mm的团聚体占比较大（分别为54.1%和56.3%），对于大团聚体转化，其主要破碎形成次粒径的小团聚体，占比为22.3%，仅有8.6%的大团聚体形成了微团聚体。微团聚体未参与周转的部分（34.4%），破碎部分（32.5%）和团聚部分（32.5%）占比相近。而形成过程主要发生在 < 0.25 mm粒径的团聚体上，这反映出湿润情况下黏粒的强吸附作用和黏结作用[35]，尤其是黏粉粒转化为 < 0.25 mm粒径的团聚体占36.7%，所以相邻级别间的破碎或团聚比例更高[36]。基本未向大团聚体形成的过程，这是由于微团聚体表现出更高的内联结力，因此在降雨侵蚀条件下土壤团聚体主要以微团聚体的形式稳定存在[37-40]。Lipiec等[41]发现不同大小的团聚体孔隙结构存在差异，这些空间形态的差异显著影响了团聚体的水稳定性和力稳定性，因此不同粒径团聚体对于降雨侵蚀的响应也不同。
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注：A，B，C，D分别为降雨试验后的大团聚体（5~2 mm），小团聚体（2~0.25 mm），微团聚体（0.25~0.053 mm）和黏粉粒（< 0.053 mm）；LMA，SMA，MIA和SCP则为降雨前的大团聚体（5~2 mm），小团聚体（2~0.25 mm），微团聚体（0.25~0.053 mm）和黏粉粒（< 0.053 mm）。 Note: A, B, C and D respectively are large macroaggregates(5~2 mm), small macroaggregates(2~0.25 mm), microaggregates(0.25~0.053mm)and clay & silt fractions(< 0.053 mm)after rainfall erosion. And LMA, SMA, MIA and SCP respectively are the initial aggregates, namely large macroaggregates(5~2 mm), small macroaggregates(2~0.25 mm), microaggregates(0.25~0.053 mm)and clay & silt fractions(< 0.053 mm)before rainfall erosion. 图 5 细沟间侵蚀过程中团聚体周转矩阵 Fig. 5 Erosion aggregate turnover path |
同样，周转率（表 3）也受到团聚体粒径的影响。< 0.25 mm团聚体表现出更高的周转率，因为团聚体粒径越小，黏聚力越强。小团聚体周转率最低，这与其在土壤中含量高有密切联系。通过分形维数的计算，侵蚀后土壤团聚体分形维数（2.675）较侵蚀前（2.571）有所增加，进一步计算侵蚀团聚体各粒径分形维数（表 3）。土壤分形维数越大，小粒径团聚体的占比越高。可以看出，土样的分形维数均较侵蚀之前有所增加，说明土壤粒径整体逐渐减小。同时，各粒径团聚体的贡献分级表明团聚体粒径越小，贡献分形维数越高，小粒径团聚体中小颗粒的贡献比例越高。团聚体稳定性是影响团聚体破碎程度的重要因素，结合土壤团聚体的累积破碎率以及形成率，可知各粒径团聚体的累积变化情况。团聚体粒径越大，其在侵蚀过程中的累积破碎率越大而累积形成率越低，这是因为大粒径团聚体孔隙发达，在雨滴打击和径流冲刷作用下更容易发生破碎，小粒径团聚体则表现出更高的稳定性。小粒径团聚体表现更高的累积形成率，因为随着土壤含水量增加，小粒径团聚体之间的黏聚作用增强[10，42]。同时随着含大量悬浮泥沙的径流冲刷，有小粒径团聚体进入团聚体间的孔隙或团聚体内的孔隙[43]，或是结合土壤团聚体中释放出来的有机胶结物质后再次团聚。但是在降雨-径流的持续扰动下，表土被分散的程度增强[11]，团聚体破碎率始终高于团聚率。所以，水分运动对团聚体颗粒具有更显著的作用，导致细沟间侵蚀过程中团聚体更高的累积破碎率。对于土壤整体而言，其破碎率也高于其形成率，最终土壤团聚体粒径向逐渐减小的趋势转化。
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表 3 土壤团聚体的周转指标 Table 3 Indicators of soil residual aggregates by turnover. |
受到各粒径团聚体的周转过程及坡面输移过程影响，侵蚀泥沙存在多种来源：可能原粒径团聚体直接被径流携带形成泥沙，也可能团聚体在坡面破碎或重组被径流冲刷形成。从图 6可以看出4个粒径侵蚀泥沙的来源分布情况随降雨时间及泥沙粒径大小而变化。整体而言，> 0.25 mm大小的泥沙颗粒主要来源于 > 0.25 mm粒径的团聚体。88%~93%的 > 2 mm泥沙颗粒通过 > 0.25 mm粒径的团聚体颗粒粘结或直接被冲刷带走的形式产生，且该比例随着降雨历时增加呈下降趋势，仅2 %~4 %的微团聚体形成 > 2 mm的泥沙颗粒。2~0.25 mm大小的泥沙颗粒69.0%~77.0%由小团聚体形成，只有1.3%~3.5%由大团聚体组成，且其余三个粒径团聚体比例随降雨时间增加而增加。在0.25~0.053 mm侵蚀泥沙中，微团聚体贡献范围为34%~41%，该比例随降雨历时增加而减小；其余团聚体贡献率从大到小依次为小团聚体（29%~38%），黏粉粒（20%~28%）和大团聚体（1%~3%）。< 0.053 mm的泥沙主要源于黏粉粒和小团聚体，贡献率范围分别为3 %~45%和27 %~37 %，黏粉粒贡献率随降雨时间增加而减小。有13 %~27 %的 < 0.053 mm的泥沙颗粒由微团聚体破碎产生，仅有2 %~11%的泥沙颗粒由大团聚体破碎产生。因此，大部分泥沙颗粒由同等粒径的团聚体直接受径流搬运形成，且这部分占比随时间增加逐渐降低；其次为黏粉粒。主要因为 < 0.053 mm的黏粉粒具有强吸附性，更易与其他粒径团聚体粘结。而供试土样大团聚体占比最低，表面黏聚性较差，发生转化的机会较少，所以主要直接被冲刷形成5~2 mm粒径的泥沙，而其他3个粒径的泥沙颗粒中该粒径团聚体含量均最少。其他三个粒径团聚体转化为该粒径泥沙的比例逐渐增加，更多的团聚体逐渐参与到土壤周转过程中。结合土壤泥沙粒径内团聚体的贡献分形维数可知，分形维数越大则该粒径泥沙中小粒径团聚体的比例越高。> 2 mm的泥沙中，贡献分形维数波动较大，整体呈现上升趋势；2~0.053 mm的两个粒径泥沙颗粒分形维数均随降雨历时增加而增加；而对于 < 0.053 mm的泥沙颗粒而言，分形维数随着降雨时间增加而逐渐降低。整体来看分形维数始终SCP > MIA > SMA > LMA。可见，随着降雨侵蚀的发生，表层土壤团聚体逐级发生破碎，越来越多的黏粉粒在径流作用下相互黏聚。
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注：LMA，SMA，MIA，SCP分别代表大团聚体（5~2 mm）、小团聚体（2~0.25 mm）、微团聚体（0.25~0.053 mm）和黏粉粒部分（< 0.053mm）。 Note: LMA, SMA, MIA and SCP are respectively large aggregates(5~2 mm), small aggregates(2~0.25 mm), microaggregates(0.25~0.053mm), and the sticky particle fraction(< 0.053 mm). 图 6 侵蚀泥沙中各粒径团聚体的贡献率和分形维数随产流时间的变化 Fig. 6 Contribution of aggregates and fractal dimension of each grain size in eroded sediment as a function of flow production time |
细沟间侵蚀过程中，土壤从离开原位置到输出坡面的过程中，在絮凝作用下不断发生转化，留在坡面或形成泥沙，因此泥沙的形成过程也是土壤侵蚀的动态量化过程。侵蚀泥沙的迁移路径与坡面产流产沙过程的相关性分析（图 7）显示，产沙量受各转化路径的影响，但主要与泥沙中小粒径团聚体絮凝的占比呈显著正相关，尤其是与 < 0.053 mm粒径的团聚体，例如产沙率（Di）与黏粉粒团聚体转化为0.25~0.053 mm粒径泥沙的途径（Rsdc）呈极显著正相关（P < 0.01），这是因为泥沙浓度增加，有利于泥沙颗粒间的碰撞而促进泥沙输移时发生絮凝[41]。泥沙粒径分布主要为2~0.25 mm小团聚体和 < 0.053 mm黏粉粒，径流冲刷主要将团聚体破碎为更小的粒径携带下来。径流系数和产沙率呈显著正相关（P < 0.05），且与 < 0.053 mm黏粉粒团聚体转化为0.25~2 mm粒径的泥沙途径（Rsdb）和转化为0.25~0.053 mm粒径泥沙（Rsdc）呈极显著正相关（P < 0.01），由基本理化性质也可知土样粉粒和黏粒占比较大，所以 < 0.053 mm黏粉粒主要团聚成大颗粒泥沙而流失。但坡面分布的小颗粒含量增多，颗粒间黏结力增强，表面结皮越致密，入渗能力越低，因此径流系数Rc更易受到 < 0.053 mm泥沙含量的抑制作用，即Rc与泥沙形成过程Rsdd呈极显著负相关（P < 0.01）。
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注：a，b，c和d分别为5~2 mm，2~0.25 mm，0.25~0.053 mm和 < 0.053 mm泥沙颗粒质量百分比，DiD为侵蚀泥沙的粒径分形维数，Rc为径流系数，Di为产沙率。*和**分别表示在0.05和0.01水平上显著。 Note: a, b, c, and d are the proportions of eroded sediment of 5~2 mm, 2~0.25 mm, 0.25~0.053 mm, and < 0.053 mm in the same time period, respectively. DiD is the fractal dimension of particle size of sediment, Rc is the runoff coefficient and Di is sediment yield. * and ** indicate correlation is significant at 0.05 and 0.01 level, representatively. 图 7 侵蚀泥沙来源特征与坡面产流产沙特征的相关性热图 Fig. 7 Correlation heat map of sediment source and slope runoff and sediment characteristics |
泥沙粒径的分形维数DiD主要受到2~0.25 mm和 < 0.053 mm泥沙颗粒及其转化过程的影响，DiD与5~2 mm粒径的团聚体破碎形成2~0.25 mm大小的泥沙过程（Rsab），0.25~0.053 mm、< 0.053 mm粒径团聚体形成2~0.25 mm大小的泥沙过程（Rscb和Rsdb）均呈负相关，与同等大小团聚体形成的泥沙过程（Rsbb）呈显著正相关（P < 0.01）。相反，在4个粒径团聚体转化为 < 0.053 mm泥沙的4条路径中，DiD与其余3个粒径团聚体侵蚀为 < 0.053 mm泥沙的过程（Rsad，Rsbd和Rscd）呈负相关，与Rsdd呈显著正相关（P < 0.01）。结合泥沙各粒径来源情况分析，< 0.053 mm粒径的泥沙主要由同等粒径团聚体形成，Rsdd对DiD的影响占主导地位，且分形维数越大，小粒径团聚体占比越大。所以整体侵蚀泥沙粒径以2~0.25 mm粒径泥沙（b）和 < 0.053 mm泥沙（d）为主导作用，而在整个侵蚀过程中其他粒径团聚体转化为小团聚体和黏粉粒也间接对泥沙分布和周转情况产生影响。
3 结论综合利用稀土元素示踪法和室内人工模拟降雨，对细沟间侵蚀过程中红壤团聚体周转和侵蚀泥沙来源进行分析。（1）侵蚀产流产沙与表土结构变化和泥沙迁移作用联系密切。< 0.053 mm和2~0.25 mm粒径的泥沙含量及同等粒径的团聚体在泥沙中的贡献率对径流系数和泥沙粒径分形维数具有重要作用。侵蚀泥沙各粒径来源与泥沙总体粒径来源一致，主要由该粒径的团聚体被径流搬运形成，占比与降雨时间呈反比。但其他粒径团聚体转化为该粒径泥沙的比例逐渐增加，以2~0.25 mm和 < 0.053 mm粒径为主，呈现“双峰”分布，且分形维数越大该粒径泥沙中小粒径团聚体的比例越高。（2）在降雨-薄层水流的连续侵蚀条件下，残留团聚体不断发生周转变化，其中 > 0.25 mm粒径的团聚体未参与周转部分占比较大，且更易发生破碎；而 < 0.25 mm粒径的团聚体均以形成小团聚体（SMA）为主要转化方向，表现出更高的周转率，尤其是 < 0.053 mm粒径的团聚体转化为次粒径0.25~0.053 mm的团聚体，占总体的36.7%。相邻粒径间的团聚体破碎或团聚比例更高更易团聚形成2~0.25 mm团聚体，基本没有大团聚体形成的过程。随着降雨时间的增加，更多的团聚体逐渐参与到土壤周转过程中。对于土壤整体而言，土壤团聚体累积破碎率始终高于累积团聚率，土壤整体破碎程度不断增加，分形维数增大，最终土壤团聚体粒径向逐渐减小的趋势转化。
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