生态学报  2016, Vol. 36 Issue (8): 2264-2273

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卢嘉, 郑粉莉, 安娟, 李桂芳
LU Jia, ZHENG Fenli, AN Juan, LI Guifang
降雨侵蚀过程中黑土团聚体流失特征
An experimental study of Mollisol aggregate loss characteristics during rainfall erosion processes
生态学报, 2016, 36(8): 2264-2273
Acta Ecologica Sinica, 2016, 36(8): 2264-2273
http://dx.doi.org/10.5846/stxb201410282108

文章历史

收稿日期: 2014-10-28
网络出版日期: 2015-08-21
降雨侵蚀过程中黑土团聚体流失特征
卢嘉1, 郑粉莉1, 2 , 安娟3, 李桂芳2, 4    
1. 西北农林科技大学水土保持研究所, 黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室, 杨凌 712100;
2. 中国科学院水利部水土保持研究所, 杨凌 712100;
3. 临沂大学水土保持与环境保育研究所, 临沂 276005;
4. 中国科学院大学, 北京 100049
摘要: 坡面侵蚀过程中土壤团聚体流失可直接反映土壤团聚体的破碎程度以及雨滴打击和径流搬运之间的相互作用。基于模拟降雨试验,研究降雨侵蚀过程中黑土坡面土壤团聚体流失特征。试验处理包括黑土区常见的2个侵蚀性降雨(50、100mm/h降雨强度)和2个坡度(5°和7.5°)以及2种地面处理(裸露休闲和秸秆覆盖)。结果表明:裸露休闲处理下径流含沙量是秸秆覆盖处理的27.5-141.3倍,且不同处理下含沙量最大值均出现在降雨初期。覆盖秸秆与无覆盖试验处理下土壤团聚体流失均以 <0.25 mm 微团聚体为主。秸秆覆盖试验处理下泥沙中 <0.25 mm微团聚体流失量占团聚体流失总量的34.5%-56.8%,而在裸露休闲处理下其值达到82%以上。秸秆覆盖处理下的各粒级团聚体流失量较裸露休闲试验处理减少了33.3%以上,其中差异最明显的是 ≥ 1 mm粒级团聚体与 <0.25 mm微团聚体,二者分别较裸露休闲处理减少了43.1%-96.4%和99.0%以上。秸秆覆盖处理下的0.25-2 mm粒级团聚体流失比例较裸露休闲处理明显增加。秸秆覆盖试验处理下流失团聚体的平均重量直径(MWD)和几何平均直径(GMD)分别是裸露休闲处理的1.5-2.9和1.7-2.0倍;而秸秆覆盖处理下的平均重量比表面积(MWSSA)和分形维数(D)较裸露休闲处理分别减少了26.2%-32.9%和5.1%-6.7%。
关键词: 模拟降雨    降雨侵蚀过程    团聚体流失    黑土区    
An experimental study of Mollisol aggregate loss characteristics during rainfall erosion processes
LU Jia1, ZHENG Fenli1, 2 , AN Juan3, LI Guifang2, 4    
1. Institute of Soil and Water Conservation, State Key Laboratory of Soil Erosion and Dryland Farming on Loess Plateau, Northwest A & F University, Yangling 712100, China;
2. Institute of Soil and Water Conservation, Chinese Academy of Sciences and Ministry of Water Resources, Yangling 712100, China;
3. Institute of Water and Soil Conservation and Environmental Protection, Linyi University, Linyi 276005, China;
4. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
Abstract: Soil aggregate loss during hillslope erosion processes directly reflects the interaction among the degree of soil aggregate breakdown, raindrop impact and runoff transportation. Different soil aggregate breakdown mechanisms result in the size distribution of soil aggregate is different. Furthermore, soil aggregate loss has an important influence on hillslope soil loss. However, existing studies have mostly focused on aggregate stability. Rainfall simulation experiments were conducted to investigate Mollisol aggregate loss during rainfall erosion processes. The experimental treatments included two rainfall intensities (50 mm/h and 100 mm/h), representative of erosive rainfalls in the black soil region of northeast China; two common slope gradients (5° and 7.5°); and two surface conditions (bare land and straw mulch cover). Each experimental treatment had two replications. The tested soil was the Mollisol, which was collected from the upper 20 cm of the plow layer in a maize field in Yushu City, Jilin Province, which is typical of the black soil of the region of northeast China. This study was conducted in the rainfall simulation laboratory of the State Key Laboratory of Soil Erosion and Dryland Farming on the Loess Plateau, Yangling City, China. A rainfall simulator system with a side-sprinkler was used to apply rainfall. The soil pan was 8 m long, 1.5 m wide and 0.6 m deep. During the rainfall simulations, runoff samples were collected in 15-L buckets. Half of each runoff sample was immediately processed through a set of sieves with apertures of 5 mm, 2 mm, 1 mm, 0.5 mm, and 0.25 mm. After sieving, the lost aggregate samples and the remaining half of each runoff samples were oven-dried to calculate the soil and aggregate losses. The results showed that sediment concentration in the bare land treatments was 27.5-141.3 times greater than that in the straw mulch cover treatments. The maximum values for sediment concentration were observed at the beginning of the rainfall simulation, in all treatments. This indicated that the dominant Mollisol aggregate breakdown mechanisms were slaking and mechanical breakdown, and that the effect of slaking was mainly exerted in the initial stages of rainfall. The <0.25 mm micro-aggregates were the main aggregate size fraction lost in both the bare land and the straw mulch cover treatments. The <0.25 mm micro-aggregate loss comprised 34.5-56.8% of the total aggregate loss in the straw mulch cover treatments, whereas the loss was > 82% in the bare land treatments. Compared with the bare land treatments, the loss of every size aggregate decreased > 33.3% in the straw mulch cover treatments; thus, the most significant differences in soil aggregate loss were observed in the ≥ 1 mm and <0.25 mm size fractions between the bare land and the straw mulch cover treatments. Compared with the bare land treatments, the loss of the ≥1 mm size fraction and the <0.25 mm micro-aggregates decreased 43.1%-96.4% and 99.0%, respectively, in the straw mulch cover treatments. The proportion of 0.25-2 mm aggregates in the sediment from the straw mulch cover treatments increased and was greater than that of the bare land treatments. These results indicated that raindrop impact was the main driving force for aggregate breakdown. The straw mulch cover eliminated the effect of raindrop impact on soil aggregate breakdown, and also decreased runoff transport capacity. The mean weight diameter (MWD) and geometric mean diameter (GMD) of aggregates in the sediments for the straw mulch cover treatments were 1.5-2.9 and 1.7-2.0 times greater than those for the bare land treatments. Compared with the bare land treatments, the mean weight soil specific (MWSSA) and fraction dimension (D) decreased 26.2%-32.9% and 5.1%-6.7%, respectively. The above four indicators reflect the aggregate loss characteristics of Mollisols.
Key words: rainfall simulation    rainfall soil erosion process    aggregates loss    black soil region    

坡面土壤侵蚀主要来源于土壤团聚体的破坏,而雨滴打击和坡面薄层水流为破碎团聚体的流失提供了动力条件[1, 2, 3]。降雨条件下土壤团聚体破碎机制主要包括消散作用(快速湿润条件下土壤团聚体中空气压缩产生的应力而引起的破碎)、机械作用(雨滴打击和径流搬运等)、黏粒膨胀作用(土壤矿物湿润后非均匀膨胀引起的破碎)和土壤物理-化学分散破坏作用[1, 4]。有关研究结果表明,降雨条件下土壤团聚体破碎机制主要为消散作用和机械作用[4, 5]。消散作用主要发生在降雨初期,而降雨过程中土壤团聚体的破碎主要受雨滴打击作用,即雨滴对大团聚体的拆分和径流搬运过程对团聚体的破坏作用[6, 7, 8]。陈晓燕等[9]研究表明,降雨强度越大土壤团聚体分散作用越明显。周一杨等[10]基于溅蚀试验研究发现,>1 mm粒级团聚体不易发生迁移,雨滴击溅作用主要体现为对>1 mm粒级团聚体进行拆分。郭进[11]等通过模拟降雨发现降雨初期侵蚀泥沙中微团聚体含量在65%以上,随降雨进行团聚体的破坏方式由最初的雨滴分离溅散转变为水流剪切、搬运。因此,降雨条件下增加地表覆盖可降低消散和机械作用对土壤团聚体的破坏,减少土壤团聚体流失。秸秆覆盖作为水土保持耕作措施之一,不仅可改善土壤结构[12, 13],抑蒸保墒、培肥地力,同时还可增加土壤入渗和土壤含水量,减少地表径流、土壤团聚体流失和土壤侵蚀的发生[14, 15]

黑土具有良好的团粒结构和较高的有机质含量,黑土区是我国主要的商品粮产区。但近几十年来由于过度垦殖和开发,致使该区域土壤侵蚀加剧,水土流失日趋剧烈,黑土功能严重退化。土壤团聚体作为土壤结构的基本组成单位,对土壤侵蚀有重要的影响作用。因此开展降雨侵蚀过程中黑土团聚体流失特征及其破碎机制的研究十分必要。现有研究结果表明,黑土团聚体的破碎机制主要是消散作用和粘粒膨胀作用[16, 17],而对于降雨侵蚀过程中团聚体破碎机制及其流失特征的研究鲜见报道。据此,本研究采用模拟降雨试验,对比分析不同降雨强度和坡度条件下,秸秆覆盖对黑土区土壤团聚体流失的影响,探讨降雨侵蚀过程中土壤团聚体的破碎机制,以期为黑土宝贵资源的保护提供科学依据。

1 材料与方法 1.1 试验装置与材料

降雨试验在黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室人工模拟降雨大厅进行。降雨设备为侧喷式人工降雨装置,采用2组单喷头对喷,降雨高度为16 m,所有雨滴均可达到终点速度,降雨特性与天然降雨特性相似[18],降雨均匀度大于85%。试验所用土槽为8.0 m(长)×1.5 m(宽)×0.6 m(深)的坡度可调式钢槽,坡度调节范围为0—35°。在试验土槽下端设径流收集装置,用于采集试验过程中的径流泥沙样。

供试土壤取自吉林省榆树市刘家镇(北纬44°43′28″,东经126°11′47″)的0—20 cm的耕作层土壤。土壤质地为粉壤土,其颗粒组成(美国农业部土壤质地分级制)为:砂粒(2000—50 μm)含量3.3%,粉粒(50—2 μm)含量76.4%,粘粒( < 2 μm)含量20.3%;耕作层土壤容重为1.20 g/cm3,有机质(重铬酸钾氧化-外加热法)含量为23.81 g/kg,pH值(水浸提法,水土比2.5∶1)为5.92。

1.2 试验设计

试验地表处理包括:裸露休闲和秸秆覆盖。秸秆覆盖是在土槽表面均匀铺设长约5 cm的玉米秸秆,覆盖密度为1 kg/m2。试验设计的降雨强度和坡度根据当地实际情况。詹敏等[19]和张宪奎等[20]研究表明,导致黑土区土壤流失的主要降雨类型为短历时、高强度降雨,持续时间多在1 h左右,且该区中度侵蚀的瞬时雨强标准为I10≥0.71 mm/min。所以结合此标准设计2个降雨强度(50、100 mm/h,即0.83、1.67 mm/min),降雨历时为60 min。东北黑土区的坡度为1—8°,很少达到10°[21]。因此本试验设计5°和7.5°,2个坡度。每个试验处理重复2次。

1.3 试验步骤

为保证模拟降雨过程试验土槽有良好的透水性,试验土槽底部均匀打孔,并在底部装10 cm细沙,沙层之上分为犁底层和耕作层。根据课题组2007—2013年野外调查发现,东北典型黑土区农耕地耕作层深度大多为20 cm左右,黑土层以下为亚粘状的黄土层。因此根据试验土槽的实际情况,设计20 cm的粘黄土,以模拟犁底层;在其上填充20 cm的黑土,以模拟耕作层。黑土耕作层土壤容重变化范围为1.15—1.25 g/cm3,犁底层土壤容重变化范围为1.28—1.48 g/cm3[22]。结合野外实际调查资料,本研究中耕层土壤容重设计为1.20 g/cm3,犁底层土壤容重为1.35 g/cm3。为了保证填土的均匀性,采用分层填土法,每5 cm为一层。填装上层土之前,打毛土壤表面防止发生分层现象。试验土槽准备好后,利用25 mm/h降雨强度对坡面进行预降雨至坡面产流为止。预降雨24 h后进行正式降雨。

每次正式降雨前对降雨强度进行率定,以保证降雨的均匀度达到试验要求。降雨试验过程中当坡面产流后,记录产流时间,同时接取第一个径流泥沙样,随后每隔6 min连续采集两次径流泥沙样,将接取的径流泥沙样先称重,一部分用于分析坡面侵蚀过程,一部分进行湿筛分析,将径流泥沙样依次通过孔径为5、2、1、0.5、0.25 mm的套筛,按湿筛法测定团聚体粒级分布和流失状况。降雨结束后,将侵蚀泥沙样和筛分后的各粒级团聚体(≥5、2—5、1—2、0.5—1、0.25—0.5、 < 0.25 mm,6个粒级)风干称重,编号装入自封袋中。

表 1 试验设计 Table 1 Design of experimental treatments
试验处理Treatment降雨强度/(mm/h)Rainfall intensity坡度/(°)Slope gradient
裸露休闲The bare land 50 5
7.5
100 5
7.5
秸秆覆盖The straw mulch cover 50 5
7.5
100 5
7.5
1.4 土壤团聚体特征指标

采用团聚体平均重量直径(MWD)、几何平均直径(GMD)、团聚体平均重量比表面积(MWSSA)和分形维数(D)4个指标来评价不同地表条件下降雨侵蚀过程中土壤团聚体流失特征。其计算式为:

式中,xi为土壤粒级的平均直径(mm);wi为不同粒级土壤团聚体占总土壤团聚体流失量的比例;ρ1=……ρn=2.65 g/cm3i为所分级团聚体组别;n为所分级团聚体粒级总组数。

D计算公式(杨培岭[23])如下:

式中,W为直径小于Ri累计质量;Wt为总质量;Ri为相邻两粒级土壤团聚体平均直径;Rmax为最大粒级土壤团聚体平均直径。

2 结果与分析 2.1 秸秆覆盖对坡面侵蚀的影响 2.1.1 坡面径流量和侵蚀量

在50和100 mm/h降雨强度处理下,秸秆覆盖可明显减少地表径流16.1%—37.1%(表 2)。这是因为秸秆覆盖有保护地表的作用,减弱了雨滴动能,同时又有对雨水的吸收和对径流的分散作用,增大了土壤入渗。坡面侵蚀方面,覆盖秸秆后坡面侵蚀量较裸露休闲对照处理下减少了97.7%以上。可见,秸秆覆盖能有效的减少径流量和侵蚀泥沙量,且与削减径流作用相比,秸秆覆盖的减沙效应更为明显。覆盖秸秆后地表糙率增加,同时削减雨滴打击,消耗径流冲刷力,从而削弱了径流搬运泥沙的能力。Rajan和Khera[24]研究表明,0.6 kg/m2的秸秆覆盖程度同裸露休闲处理相比径流量和产沙量分别减少66%和87%。这与本研究中坡面径流和侵蚀量的减少率有所差异。这是因为两组试验土壤质地不同,Rajan和Khera所研究的土壤为砂壤土,孔隙度较大,入渗量要大于黑土;其次,本试验为了保证试验前期土壤条件基本一致,在正式降雨试验前进行了前期预降雨,使得前期土壤含水量较高(土壤含水量为(21.11±0.89)%),导致土壤入渗作用较少,坡面径流量增加,进而导致秸秆覆盖下径流量的减少率较小;而两组试验秸秆覆盖量的不同的是造成坡面侵蚀量减少率有所差异的主要原因。由此可见不同质地土壤在覆盖秸秆后均可减少地表径流和坡面土壤流失。因此在黑土区采取秸秆还田能有效保护耕地质量。

表 2 裸露休闲和秸秆覆盖试验处理下坡面径流量和侵蚀量 Table 2 Runoff and sediment yield in bare land treatment and straw mulch cover treatment
试验处理Treatment 径流量(平均值±标准差)Runoff (Mean±SD)/mm侵蚀量(平均值±标准差)Sediment yield (Mean±SD)/(g/m2)
50 mm/h100 mm/h50 mm/h100 mm/h
7.5°7.5°7.5°7.5°
裸露休闲The bare land35.8±1.5Ba**30.9±0.3Ba54.5±0.0Aa60.7±8.7Aa193.8±1.3Ba221.9±15.8Ba494.9±11.9ABa808.6±194.6Aa
秸秆覆盖The straw mulch cover23.6±1.1Bb19.4±0.1Bb36.3±7.2ABa50.9±6.7Aa0.9±0.2Bb5.1±1.2Bb4.9±0.9Bb17.7±1.7Ab
减少率*Change rate/%34.137.133.416.199.597.799.097.8
*减少率(%)=(秸秆覆盖-裸露休闲)/裸露休闲×100%; **大写字母表示同一行不同处理下,在P < 0.05水平上差异显著;小写字母表示同一列不同处理下,在P < 0.05水平上差异显著
2.1.2 坡面侵蚀过程与团聚体破碎

坡面侵蚀是降雨与土壤界面之间的响应过程,受降雨过程和下垫面变化的影响。在持续降雨条件下,由于土壤团聚体破碎方式的不同,其侵蚀过程也有所差异。对比秸秆覆盖和裸露休闲处理下含沙量变化发现,秸秆覆盖可以延缓产流时间6—10 min(图 1)。覆盖秸秆消除雨滴动能后,土壤团聚体免遭雨滴打击破坏,土壤空隙破坏程度降低,有利于入渗,从而减缓坡面径流和侵蚀的发生。坡面产流时间随降雨强度的增加也相应提前。50 mm/h降雨强度下裸露休闲处理的含沙量表现为降雨初期最大,随降雨历时的增加呈快速下降后又趋于稳定的变化趋势。而100 mm/h降雨强度下裸露休闲处理的含沙量随降雨历时的增加表现为在从坡面产流到降雨历时10 min期间呈快速增加的趋势,而后坡面径流含沙量随降雨历时的增加呈急速下降后又趋于稳定的变化趋势。裸露休闲处理下含沙量均表现为降雨初期出现最大值,这是因为导致黑土团聚体破碎的主要原因为快速湿润处理下的消散作用[17]。降雨过程的初始阶段就是一个模拟土壤快速湿润的过程,土壤团聚体发生孔隙内部封闭的空气压力破碎,地表径流将破碎团聚体冲走,使径流含沙量在降雨初期达到最大,可以认为孔隙内部封闭的空气压力破碎团聚体(即消散作用)是产流前期主要的泥沙来源[25]。降雨初期不同降雨强度下含沙量变化有所差异的原因是,100 mm/h降雨强度下雨滴打击力较大,可进一步引起表层土壤团聚体的破碎,增大了泥沙量;而50 mm/h降雨强度下的雨滴打击力相对较弱,径流以搬运地表松散物质为主。随着降雨历时的增加,侵蚀物质来源减少,含沙量呈下降趋势;最后坡面径流量与泥沙来源趋于稳定,径流含沙量也趋于稳定。

图 1 裸露休闲与秸秆覆盖试验处理的含沙量随降雨历时的变化 Fig.1 Sediment concentration versus rainfall duration in bare land treatment and straw mulch cover treatment

不同降雨强度和坡度下秸秆覆盖处理下含沙量远小于裸露休闲处理。秸秆覆盖处理下的含沙量均小于0.3 g/L(图 1)。裸露休闲处理下的含沙量是秸秆覆盖处理的27.5—141.3倍。秸秆覆盖处理下的含沙量均表现为在降雨初期较高,随着降雨的进行呈下降趋势,最后呈现平缓趋势。分析原因是因为除快速湿润作用引起的土壤团聚体破碎以外,覆盖秸秆后消除雨滴动能,从而削弱了由雨滴打击土壤团聚体所造成的团聚体破碎,导致侵蚀泥沙来源的减少,含沙量呈下降趋势。可见降雨过程中,除气爆所引起的消散作用,机械破坏作用对土壤团聚体破碎的影响也较大。进一步说明雨滴打击是致使黑土团聚体分散的主要动力之一,土壤团聚体的破碎为坡面侵蚀提供物质来源。

2.2 坡面土壤团聚体流失 2.2.1 侵蚀泥沙团聚体粒级分布

土壤团聚体可划分为大团聚体(≥0.25 mm)和微团聚体( < 0.25 mm)[26]。土壤团聚体破碎机制的不同,必然导致土壤团聚体流失的差异。表 3描述了裸露休闲和秸秆覆盖处理下侵蚀泥沙中各粒级团聚体流失量,图 2为流失团聚体各粒级的分布状况。土壤水稳性团聚体数量和组成对土壤结构的稳定性具有重要作用,影响土壤通透性、抗蚀性,是土壤肥力的主要指标之一。从图 2可以看出,供试黑土≥0.25 mm水稳性团聚体含量达53.8%,可见供试土壤具有较好的团聚结构。不同处理条件下各粒级土壤团聚体流失量均表现为秸秆覆盖 < 裸露休闲(图 2)。不同处理下侵蚀泥沙中≥0.25 mm (≥2 mm、1—2、0.5—1 和0.25—0.5 mm)各粒级团聚体流失量与 < 0.25 mm粒级团聚体之间存在显著性差异,侵蚀泥沙中团聚体的流失以 < 0.25 mm微团聚体为主。秸秆覆盖处理下,泥沙中 < 0.25 mm微团聚体流失量占团聚体流失总量的34.5%—56.8%,裸露休闲处理下达到82%以上。不同处理下侵蚀泥沙团聚体的流失以 < 0.25 mm微团聚体为主,这与申艳等[27]和黄满湘等[28]研究结果一致,说明侵蚀过程中,细颗粒泥沙容易被选择搬运,且搬运距离较远。对于本研究设计的5°坡面和50 mm/h降雨强度试验处理,在有秸秆覆盖条件下,流失团聚体的粒级均为 < 0.25 mm微团聚体,这是因为这个处理下雨强和坡度较小,加之覆盖秸秆后,雨滴对土壤表面的打击作用减弱,同时削弱了坡面径流的搬运能力。此处理下坡面径流量侵蚀量均较小,侵蚀量仅为0.9 g/m2。秸秆覆盖处理下各个粒级团聚体流失量较裸露休闲下减少了33.3%以上,其中差异最明显的是≥1 mm粒级团聚体与 < 0.25 mm微团聚体。秸秆覆盖处理下≥1 mm粒级团聚体较裸露休闲处理下的减少率达到43.1%—96.4%,< 0.25 mm微团聚体流失量减少率更是达到99%以上。裸露休闲与秸秆覆盖之间各粒级的流失比例及流失量的差异表明,秸秆覆盖在消除雨滴打击对团聚体的破坏作用的同时,也削弱了径流搬运破坏团聚体的能力。可见,裸露休闲处理下黑土团聚体的破碎主要来自于雨滴打击对团聚体的破坏,雨水湿润和径流携带搬运过程也可引起其团聚体的破碎。而覆盖秸秆后消除了雨滴打击对土壤团聚体的破坏作用,坡面径流减小,团聚体的破碎主要来自于雨水的湿润作用。

表 3 裸露休闲和秸秆覆盖试验处理下不同粒级土壤团聚体的流失量 Table 3 Aggregate size loss amounts in bare land treatment and straw mulch cover treatment
降雨强度/(mm/h)Rainfall intensity坡度/(°)Slope gradient处理*Treatment 各粒级团聚体流失量Aggregate losses/(g/m2)
>2 mm1—2 mm0.5—1 mm0.25—0.5 mm < 0.25 mm
505裸露休闲3.5e**12.9b10.1c7.1d160.3a
秸秆覆盖0.0b0.0b0.0b0.0b0.9a
7.5裸露休闲0.3b1.6b2.1b2.7b215.2a
秸秆覆盖0.0b 1.1ab1.4a0.8ab1.8a
1005裸露休闲4.6b5.0b3.4b3.2b478.7a
7.5秸秆覆盖0.04b0.5b0.6b0.9b2.8a
裸露休闲26.5b55.3b36.7b20.3b669.7a
秸秆覆盖0.8c2.2bc2.7b2.4b9.7a
*裸露休闲The bare land;秸秆覆盖:The straw mulch cover; **同一行不同小写字母表示不同粒径团聚体在P < 0.05水平上差异显著
图 2 裸露休闲和秸秆覆盖试验处理下流失团聚体各粒级流失量占流失总量比例 Fig.2 Soil aggregate size distribution in bare land and straw mulch cover treatment

不同试验处理下侵蚀泥沙中流失团聚体粒级分布存在差异(图 2)。除5°坡面和50 mm/h降雨强度试验处理外,其它几种试验处理下覆盖秸秆0.25—2 mm (1—2、0.5—1 和0.25—0.5 mm)各粒级团聚体流失比例与裸露休闲处理相比明显增加,分别增加了0.8—28.7、2.4—28.2、4.3—27.7倍。与供试土壤相比,侵蚀泥沙中≥0.25 mm粒级团聚体的含量则均有所减小,其中裸露休闲处理下≥0.25 mm粒级团聚体含量较供试土壤中减少了67.8%—94.4%。这是因为在降雨侵蚀过程中,大团聚体在雨滴打击和雨水湿润的破坏作用下分散成小团聚体,团聚体稳定性下降(表 4),从而使得团聚体组成结构也变为以小粒径团聚体( < 0.25 mm 微团聚体)为主。而秸秆覆盖消除了雨滴对地表团聚体的打击作用,使得大团聚破碎程度降低,由大团聚体破碎所供给的微团聚体流失量减少,从而导致泥沙中大团聚体流失比例增大,也说明雨滴打击对大团聚体的破坏作用很大。王春燕等[29]研究表明,红壤侵蚀程度越高,>0.25 mm水稳性团聚体的含量越低,团聚体的分散度越大,团聚体越容易遭到破坏,稳定性减小。Bernard和Eric[30]认为>0.25 mm水稳性大团聚体含量与土壤侵蚀程度和土壤团聚体稳定性二者之间均呈负相关。本研究中>1 mm粒级团聚体流失比例低于17%。可见大团聚体不易发生迁移,雨滴打击主要对其进行拆分[10]。在100 mm/h降雨强度下,≥0.25 mm各粒级团聚体流失比例均随着坡度的增加而增大,增加幅度为0.7—6.8倍。说明坡度的增加使得坡面径流侵蚀力增强,从而有利于大团聚体的流失。侵蚀泥沙中团聚体粒级的分布受到雨滴打击、径流搬运和团聚体稳定性共同作用。大粒级团聚体由微团聚体或土壤单粒通过胶结物质胶结而成,内聚力相对较小[31],在较强雨滴击溅分散下易破碎为较小粒级团聚体,该结果通过对比供试土壤与各不同处理下的团聚体粒级分布及稳定性特征可以证实(图 2表 4);而 < 0.25 mm微团聚体的形成主要取决于粘粒和三二氧化物的粘结作用,微团聚体孔隙小,弯曲程度大,其内聚力也较大,在侵蚀过程中不易破碎,团聚体较为稳定[32],这与闫峰陵[33]等研究结果相同。综上可见,降雨击溅分散和径流搬运能力对黑土区土壤不同粒级团聚体流失均有所影响。

表 4 裸露休闲和秸秆覆盖试验处理下流失团聚体特征指标 Table 4 Indicators of soil aggregate loss under bare land treatment and straw mulch cover treatment
降雨强度/(mm/h)Rainfall intensity坡度/(°)Slope gradient处理*Treatment 指标**Indicator
MWD/mmGMD/mmMWSSA/(cm2/g)D
505裸露休闲0.32c0.18bc15.47b2.92b
7.5秸秆覆盖0.13d 0.13c18.11a
裸露休闲0.15d0.13bc17.85a2.99a
秸秆覆盖0.64a0.26a11.97c2.79c
1005裸露休闲0.15d0.13c17.85a2.99a
7.5秸秆覆盖0.43bc0.26a11.97c2.79c
裸露休闲0.37c0.18b15.42b2.92b
秸秆覆盖0.57ab0.30a11.38c2.77c
供试土壤0.490.3010.522.71
*裸露休闲The bare land; 秸秆覆盖The straw mulch cover; 供试土壤The tested soil; **MWD:平均重量直径 Mean Weight Diameter;GMD:几何平均直径 Geometric Mean Diameter;MWSSA:平均重量比表面积 Mean Weight Soil Specific;D:分形维数 Fraction Dimension
2.2.2 侵蚀泥沙中微团聚体流失过程

以上分析了侵蚀过程中团聚体流失特征,发现降雨侵蚀过程中黑土团聚体的流失以 < 0.25 mm微团聚体为主。因此,这里着重分析这部分微团聚体在降雨过程中的流失状况(图 3)。

图 3 裸露休闲和秸秆覆盖试验处理下微团聚体流失量随降雨历时变化 Fig.3 Micro-aggregate loss versus rainfall duration in bare land treatment and straw mulch cover treatment

裸露休闲处理下 < 0.25 mm微团聚体流失量明显大于秸秆覆盖处理下的。裸露休闲处理下坡面 < 0.25 mm微团聚体流失量随降雨过程呈先快速增加后缓慢上升趋势,其中降雨初期100 mm/h降雨强度下微团聚体流失量的增涨趋势明显大于50 mm/h降雨强度下。秸秆覆盖处理下坡面 < 0.25 mm微团聚体流失变化过程可分为3个阶段。第1阶段从坡面产流到产流后5 min内,此时坡面微团聚体流失量随降雨历时的增加呈快速增加的趋势,这与裸露休闲处理的第一阶段趋势一致。这一方面主要是因为降雨初期径流搬运能力较弱,因此优先迁移微团聚体;另一方面造成裸露休闲处理下微团聚体流失量远大于秸秆覆盖处理下的原因为,雨滴打击引起团聚体的破碎一般发生在降雨初期的几分钟,而覆盖秸秆后消除了雨滴对地表团聚体的打击作用。第2阶段秸秆覆盖处理下微团聚体流失量急剧下降,而裸露休闲处理下此阶段微团聚体流失量随降雨历时的增加呈缓慢增加的趋势。这是因为裸露休闲处理下侵蚀物质的来源不仅来自于松散物质,还有来自破碎的大团聚体;在降雨过程中,随着雨滴对团聚体连续的打击作用,机械外力累积能量逐渐克服团聚体中胶结物质胶结力的影响,大团聚体逐渐破碎为较小的团聚体,为微团聚体的流失提供了物质来源,从而增加了坡面微团聚体的流失量,导致裸露处理下微团聚体流失量随降雨历时的增加而呈现增加的趋势,表现出雨滴对大团聚体的拆分能力。但是覆盖秸秆后,消除了雨滴打击力,减小了雨滴对大团聚体的破碎供给微团聚体,导致微团聚体流失量减少。第3阶段为降雨后期,秸秆覆盖处理下微团聚体流失量呈缓慢下降趋势,这是因为雨滴打击对大团聚体破碎作用较弱,加上侵蚀物质来源的减少,径流对土壤搬运能力也较弱,因此微团聚体流失量减小。

2.3 表征土壤团聚体流失指标的分析

土壤团聚体平均重量直径(MWD)和几何平均直径(GMD)常作为评价土壤团聚体状况的指标,其值越大表示土壤的团聚度越高,团聚体稳定性就越强。土壤团聚体分形维数(D )反映了土壤水稳定性团聚体及水稳性大团聚体含量对土壤结构与稳定性的影响趋势,其值越大,则团聚体的分散度越大[34]。本文选取平均重量直径(MWD)、几何平均直径(GMD)、团聚体平均重量比表面积(MWSSA)和分形维数(D)4个指标进一步分析裸露休闲处理和秸秆覆盖处理下黑土团聚体流失特征。

表 4中看出,除5°坡面和50 mm/h降雨强度试验处理外,各团聚体特征指标在裸露休闲和秸秆覆盖处理下表现出显著性差异。秸秆覆盖处理下流失团聚体的MWD和GMD表现为最大。秸秆覆盖处理下流失团聚体的MWD和GMD分别是裸露休闲处理下的1.5—4.3和1.7—2.0倍。造成这种现象的主要原因是覆盖秸秆后雨滴打击拆分土壤团聚体的作用减弱,雨滴打击和径流搬运破坏的能量不能破碎这些稳定的团聚体,从而使大粒径团聚体含量明显增加,泥沙中大粒级团聚体含量较高,从而导致流失团聚体的MWD和GMD有所增加。同时MWD和GMD两个指标随着坡度的增加而增大,进一步说明坡度有利于大团聚体的流失。而秸秆覆盖处理下MWSSA和D较裸露休闲处理下分别减少了26.2%—32.9%和5.1%—6.9%。流失团聚体的MWSSA和D值越大,说明侵蚀泥沙中小粒级团聚体含量增多,团聚体破坏性变大,相应的稳定性变差。Castrignano等[34]发现,当 D 值接近2时,团聚体主要由数量很少的大团聚体组成,而随着 D值的增大,土壤中小粒级团聚体的数量随之增加。吴承祯等[35]研究指出,>0.25 mm粒级团聚体含量越低,其团聚体粒径分布的分形维数越高。本研究秸秆覆盖处理下≥0.25 mm粒级团聚体流失比例远大于裸露休闲处理下(图 2),这也是秸秆覆盖处理下D值小于裸露休闲处理下的原因。可见即使在团聚体含量较高的黑土,雨滴打击对土壤团聚体的分散作用仍较为明显,秸秆覆盖可有效防止土壤团聚体的破碎和流失。

3 结论

本研究基于模拟降雨试验和试验现场筛分泥沙中的团聚体,研究了降雨侵蚀过程中的东北黑土区坡面土壤团聚体流失特征和破碎机制,得到如下研究结论:

(1)秸秆覆盖试验处理下的坡面径流量和侵蚀量分别较裸露休闲试验处理减少了16.3%—37.1%和97.7%—99.5%。可见与削减径流作用相比,秸秆覆盖的减沙效应更为明显。

(2)不同降雨强度和坡度下裸露休闲处理的径流含沙量是秸秆覆盖处理的27.5—141.3倍。含沙量最大值出现在降雨初期。说明降雨过程中黑土团聚体破碎机制主要为消散作用和机械作用,且降雨初期以消散作用为主。

(3)秸秆覆盖试验处理各粒级团聚体流失量较裸露休闲试验处理减少了33.3%以上,其中差异最明显的是≥1 mm粒级团聚体与 < 0.25 mm微团聚体,分别较裸露休闲处理下减少了43.1%—96.4%和99.0%以上。覆盖与无覆盖秸秆试验处理下土壤团聚体流失均以 < 0.25 mm 微团聚体为主。覆盖秸秆后0.25—2 mm各粒级团聚体流失比例较裸露休闲条件下明显增加。可见,秸秆覆盖消除了雨滴对坡面团聚体的打击作用和径流搬运破坏团聚体的能力。秸秆覆盖处理下土壤团聚体的破碎方式以消散作用和雨水湿润作用为主。

(4)秸秆覆盖处理下,< 0.25 mm微团聚体流失量随降雨历时的增加呈快速增加—急剧递减—缓慢下降的趋势;而裸露休闲处理下,其变化表现为快速增加—缓慢上升趋势,表明雨滴打击能够影响土壤团聚体的破碎。

(5)秸秆覆盖试验处理下流失团聚体的MWD和GMD最大,分别是裸露休闲处理下的1.5—4.3和1.7—2.0倍,而MWSSA和D与裸露休闲试验处理相比分别减少了26.2%—32.9%和5.1%—6.9%。说明秸秆覆盖可有效防治土壤团聚体的破碎和流失。

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