高 燕，鄭粉莉，，王 彬，李桂芳，張 姣，姜義亮

（1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院，黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點實驗室，陜西 楊凌712100；2.中國科學(xué)院 水利部 水土保持研究所，陜西 楊凌712100）

土壤結(jié)皮通常指物理性結(jié)皮，即在雨滴擊濺和土壤黏粒的物理化學(xué)分散作用下，土壤表面孔隙不斷堵塞或攜沙水流經(jīng)過地表時細(xì)小顆粒沉積而形成的一層很薄的土表硬殼［1］。相關(guān)研究表明，土壤結(jié)皮層表面相對光滑，強度大，導(dǎo)水性和穩(wěn)定性較差，能減緩水分入滲，降低土壤入滲率，減小地表粗糙度［2－3］。國外對土壤結(jié)皮的研究比較早，不同學(xué)者就土壤結(jié)皮對土壤侵蝕的影響得到了不同的結(jié)論。如Daniel和Moore認(rèn)為在侵蝕條件穩(wěn)定的情況下土壤結(jié)皮的形成會促使土壤發(fā)生侵蝕［4］；Levy等認(rèn)為土壤結(jié)皮以兩種相反的方式影響土壤侵蝕：土壤結(jié)皮的存在增加了土壤表面的切變強度，從而降低土壤分離，但同時結(jié)皮增加徑流并提高了徑流剝蝕搬運能力，因而又增加了土壤分離［5］。目前國內(nèi)關(guān)于土壤結(jié)皮與侵蝕關(guān)系的研究主要集中在侵蝕較為嚴(yán)重的黃土高原，但其研究有不同的結(jié)論：一種認(rèn)為，土壤結(jié)皮的存在可增加地表產(chǎn)流產(chǎn)沙量，誘導(dǎo)細(xì)溝侵蝕發(fā)生［6－7］；第二種認(rèn)為，土壤結(jié)皮具有增大徑流、抑制產(chǎn)沙的作用［8］；還有一種認(rèn)為，土壤結(jié)皮對侵蝕產(chǎn)沙的作用可能增強也可能削弱［9］。東北黑土區(qū)是我國水土流失較為嚴(yán)重的區(qū)域之一，部分地方黑土已經(jīng)完全流失，出現(xiàn)“破皮黃”現(xiàn)象；而當(dāng)前關(guān)于黑土區(qū)土壤結(jié)皮對坡面侵蝕影響的研究又非常薄弱，對此，本文采用人工模擬降雨的方法，研究不同坡度條件下土壤結(jié)皮對黑土區(qū)坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙的影響，以期為東北黑土區(qū)土壤侵蝕防治提供相應(yīng)的科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗土壤取自吉林省榆樹市劉家鎮(zhèn)合心村南城子屯（北緯44°43′28″，東經(jīng)126°11′47″）。供試土樣為典型黑土耕層（表層0—20cm）土壤，pH值為5.92，黏粒、粉粒和砂粒含量分別為20.3%、76.4%和3.3%，有機質(zhì)含量23.8g／kg。

1.2 試驗裝置

模擬降雨試驗在黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點實驗室人工模擬降雨大廳進行。采用側(cè)噴式人工降雨裝置，該裝置由2組單噴頭對噴，降雨高度16m，雨滴直徑和雨滴分布與天然降雨相似，降雨均勻度大于80%［10］。試驗所用土槽尺寸規(guī)格為1m（長）×0.5m（寬）×0.45m（深），下端設(shè)集流裝置采集徑流泥沙樣。

1.3 試驗設(shè)計

試驗處理包括坡面有土壤結(jié)皮和無土壤結(jié)皮（對照）兩種處理。結(jié)皮處理是通過前期降雨使土壤表面形成結(jié)皮；對照處理是前期降雨24h后對土壤表面形成的結(jié)皮進行破壞，破壞深度1～2cm，以模擬無土壤結(jié)皮的自然表面。根據(jù)東北典型黑土區(qū)坡地小坡度的特點，設(shè)計5°和10°兩個試驗坡度。詹敏［11］和張憲奎［12］等研究表明，導(dǎo)致黑土區(qū)土壤流失的主要降雨類型為短歷時、高強度降雨，降雨時間多在1h左右，且中度侵蝕的瞬時雨強標(biāo)準(zhǔn)為0.71mm／min。因此試驗設(shè)計降雨強度為60mm／h（即1.0mm／min），歷時1h。試驗重復(fù)2次。

1.4 試驗步驟

裝試驗土槽前，為了保證良好的透水性，在試驗土槽底部鋪10cm厚的細(xì)沙。細(xì)沙上部按照1.30 g／cm3的容重每5cm為一層填裝黑土，裝土厚度為30cm。裝完土槽后，利用30mm／h降雨強度進行前期降雨，降雨直至坡面即將發(fā)生產(chǎn)流為止，以形成土壤結(jié)皮并確保每次試驗前土壤含水量一致。前期降雨24h后進行降雨強度為60mm／h的正式降雨。坡面產(chǎn)流后，記錄各試驗處理土槽的初始產(chǎn)流時間，并用5L的塑料桶接取徑流泥沙全樣，取樣間隔時間為3min。降雨結(jié)束后，測量所有樣品的徑流體積，待泥沙沉淀后倒掉上清液，將泥沙樣烘干并稱重。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤結(jié)皮對坡面產(chǎn)流時間的影響

表1列出了不同試驗處理條件下的坡面徑流量與侵蝕產(chǎn)沙量。從表中可看出，有土壤結(jié)皮的坡面產(chǎn)流早于無土壤結(jié)皮坡面。5°和10°坡面上有結(jié)皮處理下的產(chǎn)流時間較無結(jié)皮處理的對照分別提前了41s和12s。這與有關(guān)研究的結(jié)論相一致［8，13－14］。這是因為受雨滴打擊和顆粒重新排列的影響，土壤結(jié)皮成為土壤表面一層致密的保護層，它具有相對緊密、透水性差等特性，可通過降低土壤水分的傳導(dǎo)性以減小土壤滲透率。當(dāng)降雨發(fā)生時，有土壤結(jié)皮的坡面受到結(jié)皮層的影響，通過阻礙水分入滲，降低土壤入滲率而加速坡面產(chǎn)流的發(fā)生。因此會呈現(xiàn)有土壤結(jié)皮處理的坡面產(chǎn)流早于無土壤結(jié)皮坡面的現(xiàn)象。同時，這種時間差會隨坡度的增加而減小［7］。

表1 不同試驗處理下坡面徑流量與侵蝕產(chǎn)沙量

2.2 土壤結(jié)皮對坡面產(chǎn)流的影響

由表1可知，有土壤結(jié)皮和無土壤結(jié)皮對照處理下的坡面徑流總量相近；對比分析圖1發(fā)現(xiàn)，在5°和10°條件下有、無土壤結(jié)皮的坡面產(chǎn)流過程在整個降雨過程中變化均很穩(wěn)定，徑流量差異不大。說明土壤結(jié)皮對坡面徑流量的影響不明顯。這與土壤結(jié)皮會增加徑流的傳統(tǒng)研究結(jié)果不同［8］。造成該部分結(jié)論與其他學(xué)者不同的原因應(yīng)該是各研究試驗條件的不一致所致。

關(guān)于土壤結(jié)皮對坡面產(chǎn)流的影響目前尚無定論。一些研究表明，土壤結(jié)皮通過降低土壤入滲率來增加地表徑流量［8，15］；而程琴娟等［16］對比了有結(jié)皮和打破結(jié)皮兩種地表處理對坡面侵蝕的影響時發(fā)現(xiàn)，有結(jié)皮和打破結(jié)皮的累積徑流量比值略大于1；王輝等［17］對比分析了無結(jié)皮、輕微結(jié)皮和嚴(yán)重結(jié)皮三種不同發(fā)育程度的土壤結(jié)皮對坡面侵蝕的影響，發(fā)現(xiàn)嚴(yán)重結(jié)皮坡面較無結(jié)皮坡面的徑流量降低28%。出現(xiàn)這些差異的原因均有可能是各研究的試驗條件不同，尤其是試驗土壤不同所導(dǎo)致的。這表明單純地定論結(jié)皮對坡面產(chǎn)流起到抑制或促進作用的結(jié)果是不可取的，應(yīng)須考慮具體的試驗條件。

圖1 有土壤結(jié)皮與無土壤結(jié)皮對照處理的坡面產(chǎn)流過程

2.3 土壤結(jié)皮對坡面侵蝕產(chǎn)沙的影響

通過對比有土壤結(jié)皮與無土壤結(jié)皮對照處理的坡面產(chǎn)沙過程發(fā)現(xiàn)（圖2），5°坡面在整個降雨過程中，有土壤結(jié)皮處理的坡面侵蝕產(chǎn)沙量小于無土壤結(jié)皮處理的坡面侵蝕產(chǎn)沙量；有土壤結(jié)皮處理的坡面總侵蝕產(chǎn)沙量較無結(jié)皮處理的對照減少了54%。說明在此試驗條件下土壤結(jié)皮有抑制坡面侵蝕產(chǎn)沙的作用。這是由于結(jié)皮的存在減弱了雨滴的擊濺作用，導(dǎo)致地表松散顆粒以及徑流搬運的泥沙量較少，從而坡面侵蝕產(chǎn)沙量減少。

圖2 有土壤結(jié)皮與無土壤結(jié)皮對照處理的坡面侵蝕產(chǎn)沙過程

在10°坡面上，當(dāng)降雨開始至23min內(nèi)，有土壤結(jié)皮處理的坡面侵蝕產(chǎn)沙量低于無土壤結(jié)皮處理的對照坡面，說明土壤結(jié)皮的存在仍具有抑制產(chǎn)沙的作用，此時有土壤結(jié)皮處理的坡面侵蝕產(chǎn)沙量較無土壤結(jié)皮處理的對照減少了40%。因此，對于10°坡面，當(dāng)土壤結(jié)皮存在時，結(jié)皮仍然可以降低坡面侵蝕產(chǎn)沙量；而一旦土壤結(jié)皮在降雨過程中遭到破壞，坡面侵蝕產(chǎn)沙量反而會增加，其值較無結(jié)皮處理的對照增加了46%。從60min整個降雨過程看，10°坡面有土壤結(jié)皮處理的總侵蝕產(chǎn)沙量較無結(jié)皮處理的對照增加了16%。這一研究結(jié)果說明，在該試驗條件下，對于10°坡面，一旦降雨過程中土壤結(jié)皮遭到破壞，坡面侵蝕產(chǎn)沙量有增大的趨勢，同時坡面總侵蝕產(chǎn)沙量在整個降雨過程中對土壤結(jié)皮的響應(yīng)表現(xiàn)為侵蝕量增大。這是因為雖然前期土壤結(jié)皮具有抑制侵蝕的作用，但受到降雨和徑流的影響，土壤結(jié)皮在降雨過程中發(fā)生局部破壞并不斷形成新的土壤結(jié)皮；結(jié)皮坡面的土壤結(jié)皮在動態(tài)變化過程中造成松散物質(zhì)隨徑流流失，但隨著降雨歷時的延長，土壤結(jié)皮逐漸趨于完善，侵蝕產(chǎn)沙量也逐漸趨于穩(wěn)定。有的研究結(jié)果也表明，坡度對土壤侵蝕的發(fā)生有重要的作用［7，18］。Poesen［19］的研究也發(fā)現(xiàn)，坡度越陡，土壤結(jié)皮越難于形成，且在降雨過程中越容易遭到破壞。

3 結(jié)論

（1）土壤結(jié)皮促使坡面產(chǎn)流提前發(fā)生。在5°和10°坡度條件下，有土壤結(jié)皮坡面的產(chǎn)流時間均早于無土壤結(jié)皮坡面。

（2）土壤結(jié)皮對坡面產(chǎn)流量的影響不甚明顯，而對侵蝕產(chǎn)沙量的影響非常明顯，且影響的作用與坡度有關(guān)。在5°坡面上，有土壤結(jié)皮的坡面侵蝕產(chǎn)沙量較無土壤結(jié)皮的坡面減少了54%；在10°坡面上，在土壤結(jié)皮未發(fā)生破壞前，土壤結(jié)皮仍具有抑制侵蝕產(chǎn)沙的作用，有土壤結(jié)皮處理的坡面侵蝕產(chǎn)沙量較無土壤結(jié)皮處理的對照減少了40%；而一旦土壤結(jié)皮在降雨過程中遭到破壞，坡面侵蝕產(chǎn)沙量反而會增加，其值較無土壤結(jié)皮處理的對照增加了46%。在整個降雨過程中，10°坡面有土壤結(jié)皮處理的總侵蝕產(chǎn)沙量較無土壤結(jié)皮處理的對照增加了16%。這說明土壤結(jié)皮對坡面侵蝕的影響與坡度有密切的關(guān)系。

土壤結(jié)皮對黑土區(qū)坡面侵蝕的影響較為復(fù)雜，這里僅僅分析了兩個坡度條件下土壤結(jié)皮對坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙的影響，是否存在閾值坡度導(dǎo)致土壤結(jié)皮以兩種相反的方式影響土壤侵蝕還有待于進一步研究。

［1］ Singer M J.Physical properties of arid region soils resource and reclamation［M］.New York：Marcel Dekker，1991.

［2］ 蔡強國，陸兆雄.黃土發(fā)育表土結(jié)皮過程和微結(jié)構(gòu)分析的試驗研究［J］.應(yīng)用基礎(chǔ)與工程科學(xué)學(xué)報，1996，4（4）：363-370.

［3］ 張光遠(yuǎn)，蔡崇法.黃綿土表土結(jié)皮的形成、破壞過程及微形態(tài)特征［M］∥晉西黃土高原土壤侵蝕管理與地力信息系統(tǒng)應(yīng)用研究.北京：水利電力出版社，1992.

［4］ Moore D C，Singer M J.Crust formation effects on soil erosion processes［J］.Soil Science Society of America Journal，1990，54（4）：1117-1123.

［5］ Levy G J，Levin J，Shainberg I.Seal formation and interrill soil erosion［J］.Soil Science Society of America Journal，1994，58（1）：203-209.

［6］ 黃秉維.關(guān)于黃河中游水土保持的幾個問題［M］∥中國國土整治戰(zhàn)略問題探討.北京：科學(xué)出版社，1983.

［7］ 蔡強國，王貴平，陳永宗.黃土高原小流域侵蝕產(chǎn)沙過程與模擬［M］.北京：科學(xué)出版社，1998.

［8］ 吳發(fā)啟，范文波.土壤結(jié)皮對降雨入滲和產(chǎn)流產(chǎn)沙的影響［J］.中國水土保持科學(xué)，2005，3（2）：97-101.

［9］ 卜崇峰.表土結(jié)皮的發(fā)育機理及其侵蝕效應(yīng)研究［D］.北京：中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所，2006.

［10］ 鄭粉莉，趙軍.人工模擬降雨大廳及模擬降雨設(shè)備簡介［J］.水土保持研究，2004，12（4）：177-178.

［11］ 詹敏，厲占才，信玉林.黑土侵蝕區(qū)降雨參數(shù)與土壤流失關(guān)系［J］.黑龍江水專學(xué)報，1998（1）：40-43.

［12］ 張憲奎，許靖華，盧秀琴，等.黑龍江省土壤流失方程的研究［J］.水土保持通報，1992，12（4）：1-9，18.

［13］ McIntyre D S.Soil splash and the formation of surface crusts by raindrop impact［J］.Soil Science，1958，85（5）：261-266.

［14］ Moore I D.Effect of surface sealing on infiltration［J］.Transactions of the ASAE，1981，24：1546-1553.

［15］ 蔡強國，陳浩.表土結(jié)皮在濺蝕和坡面侵蝕過程中的作用［M］∥黃河粗泥沙來源及侵蝕產(chǎn)沙機理研究.北京：氣象出版社，1988.

［16］ 程琴娟，蔡強國，廖義善，等.土壤表面特性與坡度對產(chǎn)流產(chǎn)沙的影響［J］.水土保持學(xué)報，2007，21（2）：9-11.

［17］ 王輝，王全九，邵明安，等.表土結(jié)皮影響坡地產(chǎn)流產(chǎn)沙及養(yǎng)分流失的試驗研究［J］.水土保持學(xué)報，2008，22（4）：36-28.

［18］ 鄭粉莉，高學(xué)田.黃土坡面土壤侵蝕過程與模擬［M］.西安：陜西人民出版社，2000.

［19］ Poesen J.The influence of slope angle on infiltration rate and Hortonian overland flow ［J］.Zeitschrift für Geomorpholgie，Supplement Band，1984，49：117-131.