李 肖, 陳 晨, 林 杰, 朱 茜, 董 波, 丁鳴鳴

(1.南京林業(yè)大學(xué)，江蘇省南方現(xiàn)代林業(yè)協(xié)同創(chuàng)新中心,江蘇省水土保持與生態(tài)修復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 南京 210037； 2.南京水務(wù)局， 南京 210036)

土壤團(tuán)聚體是土壤結(jié)構(gòu)的基本組成部分，一定程度上影響著土壤的各種理化性質(zhì)，進(jìn)而影響土壤肥力和土壤抗蝕性[1]。土壤侵蝕與土壤團(tuán)聚體密切相關(guān)[2-3]。一方面，土壤團(tuán)聚體通過有機(jī)物質(zhì)或鐵鋁氧化物相互膠結(jié)，微團(tuán)聚體黏合成大團(tuán)聚體，形成穩(wěn)定的空間結(jié)構(gòu)抵抗降雨的剝蝕和徑流的沖刷[4-5]。許多學(xué)者認(rèn)為通過提高水穩(wěn)性團(tuán)聚體的百分含量以及水穩(wěn)性可以提高土壤抗侵蝕能力[6-7]。另一方面，土壤侵蝕的強(qiáng)度和類型在一定程度上影響著大團(tuán)聚體的數(shù)量組成與穩(wěn)定，土壤團(tuán)聚體的破壞以及解體會加劇土壤侵蝕過程[8]。眾多研究[9-11]結(jié)果都表明土壤結(jié)構(gòu)性的問題例如土壤硬化板結(jié)、低孔隙率、低入滲率甚至溝蝕、片蝕等水土侵蝕現(xiàn)象等都與土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性下降具有一定的相關(guān)性。此外，團(tuán)聚體粒徑組成可作為衡量土壤可蝕性指標(biāo)[12]，團(tuán)聚體穩(wěn)定性影響著土壤的入滲、結(jié)皮、產(chǎn)沙等土壤侵蝕的各個(gè)過程[13-14]。因此，通過對不同侵蝕強(qiáng)度下土壤團(tuán)聚體的粒徑組成及穩(wěn)定性研究，對了解土壤侵蝕與團(tuán)聚體之間的相互關(guān)系有重要意義，同時(shí)為水土流失防治提供理論依據(jù)。

近年來，國內(nèi)外關(guān)于土壤侵蝕強(qiáng)度對團(tuán)聚體穩(wěn)定性的研究有很多，主要集中在不同侵蝕方式[15-16]、不同地形因子[17-18]以及不同降雨強(qiáng)度[19-20]對團(tuán)聚體組成及穩(wěn)定的影響。李桂芳等[21]研究指出降雨強(qiáng)度、坡度和坡長三因子交互作用對坡面侵蝕量影響最大；姜義亮等[22]通過研究不同侵蝕方式對團(tuán)聚體流失的影響證明兩種降雨強(qiáng)度下片蝕試驗(yàn)流失的團(tuán)聚體小于溝蝕試驗(yàn)；曾全超等[23]應(yīng)用Le Bissonnais法模擬3種雨強(qiáng)(暴雨、小雨、擾動)對團(tuán)聚體的破壞表明FW處理(暴雨)對團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)的破壞程度最大，處理后土壤團(tuán)聚體主要以<0.2 mm為主。但此類研究大多基于室內(nèi)模擬降雨試驗(yàn)，不利于反映野外真值，而且研究區(qū)域多集中于黃土高原區(qū)或東北黑土區(qū)，關(guān)于淮北土石山區(qū)的研究還鮮見報(bào)道[24-26]。作為我國水土流失重點(diǎn)治理區(qū)，近年來，隨著人為干擾強(qiáng)度加大，復(fù)雜的地形以及瘠薄的土層更加劇了水土流失，土壤侵蝕嚴(yán)重制約著該區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展[27]。因此，本文選取淮北土石山區(qū)典型低山漫崗地——贛榆區(qū)大吳山小流域?yàn)檠芯繀^(qū)，結(jié)合定量侵蝕數(shù)據(jù)研究不同侵蝕強(qiáng)度各土地利用方式下土壤團(tuán)聚體粒徑組成及穩(wěn)定性特征，以期為淮北土石山區(qū)水土流失防治及合理調(diào)整土地利用結(jié)構(gòu)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)布設(shè)在江蘇省連云港市贛榆區(qū)大吳山小流域內(nèi)，贛榆區(qū)位于江蘇省東北部，地理坐標(biāo)為34°41′—35°07′N，118°45′—119°18′E。研究區(qū)屬于低山丘陵區(qū)，地形起伏度大，坡度介于5°～20°。氣候類型屬于暖溫帶海洋性季風(fēng)氣候，年降雨量976.4 mm，主要集中在夏季，多以暴雨出現(xiàn)。試驗(yàn)區(qū)的土壤主要包括棕壤、黑土、潮土、鹽土4個(gè)大種，并存在9個(gè)亞類。土壤侵蝕以水蝕為主，輕度侵蝕面積占全區(qū)的10.17%，小流域年平均土壤侵蝕模數(shù)為859.2 t/(km2·a)。

1.2 資料收集

通過查閱文獻(xiàn)及歷史資料，得到該區(qū)土壤侵蝕分級圖，并以此為基礎(chǔ)，利用ArcGIS空間插值方法獲取樣點(diǎn)分布圖，由于本試驗(yàn)樣點(diǎn)較少，為增加研究的科學(xué)性和合理性，以侵蝕模數(shù)大小為分級依據(jù)，將國標(biāo)中6個(gè)侵蝕等級合并為輕度(A<2 500)、中度(2 500≤A≤5 000)、嚴(yán)重(A>5 000)3個(gè)侵蝕等級，A代表土壤侵蝕模數(shù)，單位t/(km2·a)。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2017年7月，在研究區(qū)內(nèi)以500 m×500 m的網(wǎng)格布設(shè)采樣點(diǎn)，按不同土地利用類型(林地、草地、耕地、園地)進(jìn)行土壤樣品采集，研究小流域內(nèi)土壤團(tuán)聚體的組成及穩(wěn)定性。土壤樣品采集時(shí)以網(wǎng)格的交點(diǎn)為中心，按S形取樣，在半徑20 m范圍隨機(jī)采集3～5個(gè)土壤樣品(0—20 cm土層)，將其等量均勻混合作為一個(gè)土壤樣品。用自封袋采集土壤樣品，共采集土壤樣品40個(gè)(其中輕度侵蝕16個(gè)、中度侵蝕12個(gè)、嚴(yán)重侵蝕12個(gè))，為避免擠壓，用鋁盒重新轉(zhuǎn)移，并在每個(gè)樣點(diǎn)用100 cm3環(huán)刀采集原狀土，用GPSmap76記錄下網(wǎng)格交點(diǎn)位置，樣地情況見表1。將樣品帶回實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，自然風(fēng)干，磨碎，過2 mm及0.25 mm篩后備用。

1.4 指標(biāo)計(jì)算

本試驗(yàn)采取濕篩法[28]測定團(tuán)聚體粒級分布，其中粒級分級為：>2，2～1，1～0.5,0.5～0.25,0.25～0.106,<0.106 mm共6個(gè)粒級團(tuán)聚體。

土壤團(tuán)聚體平均重量直徑MWD計(jì)算公式[29]為:

(1)

式中：Xi為土壤各粒徑的平均直徑(mm)；Wi為土壤各粒徑的質(zhì)量百分比(%)。

分形維數(shù)的計(jì)算公式采用楊培嶺等[30]的土壤顆粒分形模型：

(2)

式中：dmax為最大粒級土粒的平均直徑；w(δ

2 結(jié)果與分析

2.1 團(tuán)聚體分布特征

有研究[31-32]表明粒徑分布是影響土壤孔隙特征、形態(tài)結(jié)構(gòu)及團(tuán)聚體穩(wěn)定性的重要因素，濕篩法獲得的團(tuán)聚體各粒級百分含量見圖1。從圖中可以看出研究區(qū)土壤團(tuán)聚體主要以大團(tuán)聚體(>0.25 mm)為主，其中>2 mm團(tuán)聚體百分含量與侵蝕強(qiáng)度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，<0.106 mm則剛好相反，說明侵蝕過程傾向于破壞大團(tuán)聚體，增加微團(tuán)聚體(<0.25 mm)百分含量。陳佩巖等[33]研究也指出土壤中粒徑較小的團(tuán)聚體由于有機(jī)質(zhì)含量較少，相比于大團(tuán)聚體受外界影響較小，較大團(tuán)聚體更易受外界條件影響而破碎。3種侵蝕強(qiáng)度下，>0.25 mm粒級大團(tuán)聚體比例均>70%，這與同類研究相比偏低，主要是由于土壤侵蝕對表層土擾動最為明顯，而淮北土石山區(qū)多以低山漫崗地為主，土層較薄，徑流的沖刷會帶走大部分的土壤細(xì)粒，造成團(tuán)聚體的流失。該結(jié)果表明，研究區(qū)土壤流失嚴(yán)重，水土流失治理需進(jìn)一步加強(qiáng)。1～0.106 mm粒級團(tuán)聚體受侵蝕強(qiáng)度影響顯著(p<0.05)，草地、耕地和園地均表現(xiàn)為輕度<中度<嚴(yán)重。林地條件下，輕度轉(zhuǎn)為中度侵蝕條件下，0.5～0.25 mm團(tuán)聚體百分含量降幅達(dá)50%。草地1～0.5 mm團(tuán)聚體百分含量隨侵蝕強(qiáng)度的增加呈現(xiàn)先降低后增加的趨勢，且差異顯著(p<0.05)。耕地條件下，0.5～0.25 mm粒級百分含量在中度侵蝕下表現(xiàn)最高，約為26.32%。3種侵蝕強(qiáng)度下，各土地利用方式0.5～0.25 mm和1～0.5 mm團(tuán)聚體含量明顯變化，0.5 mm粒級團(tuán)聚體對侵蝕強(qiáng)度轉(zhuǎn)變響應(yīng)敏感；嚴(yán)重侵蝕條件下，土壤各級團(tuán)聚體含量之間已經(jīng)趨于平衡，微團(tuán)聚體(<0.25 mm)百分含量普遍上升，其中耕地(33.78%)最高，園地(33.03%)和草地(28.43%)次之，林地(27.48%)最低。

注：不同小寫字母表示同種土地利用方式不同侵蝕強(qiáng)度間差異顯著(p<0.05)。

圖1 土壤團(tuán)聚體各粒級百分含量

2.2 團(tuán)聚體穩(wěn)定性特征

2.2.1 大團(tuán)聚體含量 >0.25 mm團(tuán)聚體被認(rèn)為是土壤中最好的結(jié)構(gòu)體[34]，R0.25值越大表示土壤主要是由大團(tuán)聚體組成，土壤結(jié)構(gòu)較好，穩(wěn)定性越強(qiáng)。如圖2A所示，輕度侵蝕條件下，各土地利用方式八成以上為大團(tuán)體，表明水蝕過程初期作物覆蓋能夠有效地減少地表徑流，減少土壤大團(tuán)聚體的損失。相比于輕度侵蝕，中度侵蝕下草地，園地和耕地的大團(tuán)聚體百分含量值略有下降，但不顯著(p<0.05)。嚴(yán)重侵蝕條件下，各土地利用方式之間的大團(tuán)聚體都有不同程度的降低，但各土地利用方式R0.25值表現(xiàn)為：林地>草地>園地>耕地，說明林地受侵蝕強(qiáng)度影響較小，有利于大團(tuán)聚體的積累。

2.2.2 平均質(zhì)量直徑 土壤團(tuán)聚體直徑分析通常采用平均質(zhì)量直徑(MWD)，其值越高，土壤粒徑團(tuán)聚度越高，土壤越穩(wěn)定。從圖2B可以看出，團(tuán)聚體平均質(zhì)量直徑整體上隨侵蝕強(qiáng)度增加而降低。林地條件下，MWD表現(xiàn)為中度>輕度>嚴(yán)重，其他3種土地利用方式均表現(xiàn)為嚴(yán)重<中度<輕度，這主要是由于輕度侵蝕的林地樣本大部分都位于沉積點(diǎn)，導(dǎo)致微團(tuán)聚體的含量普遍較高，導(dǎo)致MWD值偏低；草地與林地的平均質(zhì)量直徑相比于耕地和園地偏高，但差異不顯著(p>0.05)，且隨侵蝕強(qiáng)度MWD值均勻降低；耕地和園地的粒徑分布相近，輕度侵蝕與嚴(yán)重侵蝕條件下的MWD值差異顯著(p<0.05)，其中嚴(yán)重侵蝕園地的平均質(zhì)量直徑最小，約為0.72 mm。

2.2.3 分形維數(shù) 土壤分形維數(shù)是反映土壤結(jié)構(gòu)幾何形狀的參數(shù)，其值越小，土壤顆粒分布越均勻且結(jié)構(gòu)越好。本文在獲得lg[w(0.05)。因土壤分形維數(shù)拓?fù)渲礫35]為2，同種侵蝕強(qiáng)度下，相較于其他土地利用方式，林地的分形維數(shù)都是最低的，表明林地顆粒分布較為均勻，穩(wěn)定性高。

綜上所述，隨著侵蝕強(qiáng)度的增加，土壤團(tuán)聚體R0.25，MWD呈現(xiàn)下降的趨勢，D值則表現(xiàn)為上升的趨勢。嚴(yán)重侵蝕條件下，MWD和R0.25均為最小值，D值達(dá)到最大，說明劇烈的侵蝕破壞土壤內(nèi)部團(tuán)聚結(jié)構(gòu)，對團(tuán)聚體搬運(yùn)選擇性降低，從而降低土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性。而同種侵蝕強(qiáng)度下，林地的R0.25和MWD值較高，D值較小，說明4種土地利用方式下，林地的結(jié)構(gòu)較優(yōu)，有利于團(tuán)聚體的形成與積累。

2.3 侵蝕強(qiáng)度對土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定的影響

為更好地揭示侵蝕強(qiáng)度對土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的組成及穩(wěn)定性的影響，本文采用主成分分析(PCA)方法，軸一和軸二的解釋量分別為61.75%和19.67%。由圖3所示，輕度侵蝕和嚴(yán)重侵蝕之間的差異主要體現(xiàn)在軸一上，中度侵蝕無顯著規(guī)律。輕度侵蝕條件下，林地和園地分布在第三象限，耕地和草地分布在第二象限，兩組土地利用類型之間的差異主要體現(xiàn)在軸二上，差異性指標(biāo)主要包括R0.25，MWD和1～0.5,2～1，>2 mm的團(tuán)聚體；嚴(yán)重侵蝕條件下，4種土地利用方式的微團(tuán)聚體百分含量都有不同程度的增加，但草地和耕地上升幅度要明顯高于林地和園地，從土地利用來看，林地和園地受侵蝕強(qiáng)度的影響不如耕地和草地，其土壤結(jié)構(gòu)較好。差異性指標(biāo)主要體現(xiàn)在分形維數(shù)與<0.106,0.25～0.106，0.5～0.25 mm團(tuán)聚體，其中分形維數(shù)與微團(tuán)聚體呈明顯正相關(guān)關(guān)系，微團(tuán)聚體百分含量越高，分形維數(shù)D值越大，土壤顆粒分布不均勻，土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性差。此外，從團(tuán)聚體粒徑來看，>0.5 mm粒級主要分布在第二、三象限，<0.5 mm分布在第一、四象限，0.5 mm成為侵蝕強(qiáng)度影響團(tuán)聚體轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵臨界點(diǎn)?？偟膩碚f，侵蝕強(qiáng)度對團(tuán)聚體影響主要體現(xiàn)在嚴(yán)重侵蝕條件，林地相較于其他3種土地利用能降低土壤侵蝕對團(tuán)聚體的影響。

注：不同小寫字母表示同種土地利用方式不同侵蝕強(qiáng)度間差異顯著(p<0.05)。

圖2 土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性

注：白色、灰色和黑色代表輕度、中度和嚴(yán)重侵蝕，正方形、三角形、菱形、圓形代表林地、草地、耕地和園地。

圖3 土壤團(tuán)聚體指標(biāo)主成分分析

3 討 論

前人研究[36]表明，水蝕過程往往會造成土壤團(tuán)聚體的分散和土壤表層土的損失。本文中侵蝕強(qiáng)度對中間團(tuán)聚體(1～0.106 mm)影響顯著(p<0.05)，這與同類研究結(jié)果一致[16]，但>2 mm和<0.106 mm粒級受侵蝕影響不顯著(p>0.05)，造成這種現(xiàn)象的原因可能是整個(gè)產(chǎn)流過程，流失的團(tuán)聚體基本以細(xì)粒為主，流失量大，溫磊磊等[37]通過野外原位模擬降雨試驗(yàn)指出在30 mm/h降雨強(qiáng)度下，<0.25 mm團(tuán)聚體流失量占團(tuán)聚體總流失量的90.0%；而大團(tuán)聚體的遷移取決于復(fù)雜的動力學(xué)因素，只有當(dāng)侵蝕強(qiáng)度到達(dá)臨界值時(shí)，>2 mm團(tuán)聚體才發(fā)生遷移。土壤侵蝕與土壤團(tuán)聚體關(guān)系密切，本文采用PCA分析發(fā)現(xiàn)0.5 mm粒級團(tuán)聚體對侵蝕強(qiáng)度變化響應(yīng)最為敏感。馮強(qiáng)等[38]研究指出0.5～0.25 mm和1～0.5 mm團(tuán)聚體含量與徑流深及侵蝕模數(shù)呈負(fù)相關(guān)，但不顯著(p>0.05)，與本文結(jié)論稍有出入。這主要是由于本文研究區(qū)的多年平均降雨量遠(yuǎn)高于黃土高原地區(qū)，即使是輕度侵蝕條件下，徑流優(yōu)先搬運(yùn)雨滴所分散的表層細(xì)粒，但由于淮北土石山區(qū)土層較薄，隨著降雨過程的進(jìn)行，土壤表層可搬運(yùn)的松散物質(zhì)來源減少，稍大粒徑的團(tuán)聚體(1～0.25 mm)開始破碎；而當(dāng)侵蝕強(qiáng)度轉(zhuǎn)變?yōu)橹卸惹治g時(shí)，雨滴的動能和徑流的剪切力增大，對大團(tuán)聚體的拆分和搬運(yùn)能力增強(qiáng)，此時(shí)松散物質(zhì)的來源不僅來自雨滴分散的土壤表層微團(tuán)聚體，還有部分來自破碎崩解尚不完全的大團(tuán)聚體，0.5 mm粒級成為大團(tuán)聚體向微團(tuán)聚體過渡的中間粒級，所以對侵蝕強(qiáng)度的轉(zhuǎn)變響應(yīng)明顯，可作為反映侵蝕強(qiáng)度變化敏感性的指標(biāo)。另一方面，本文輕度與中度侵蝕之間的劃分標(biāo)準(zhǔn)為2 500 t/(km2·a)，侵蝕閾值相比于同類研究[39]屬較高水平，降雨初期的降雨動能和徑流能量足以使0.25～1 mm粒級的團(tuán)聚體發(fā)生破碎和遷移。

從圖1和圖2中可以看出，嚴(yán)重侵蝕下，團(tuán)聚體的各粒級百分含量相對接近，團(tuán)聚體MWD和R0.25值較低，D值較高，說明嚴(yán)重侵蝕破壞了土壤團(tuán)聚體的結(jié)構(gòu)，降低了穩(wěn)定性。這主要和侵蝕發(fā)生的形式有關(guān)，輕度侵蝕和中度侵蝕條件下，土壤侵蝕形式多以面蝕為主(雨滴擊濺、片蝕、細(xì)溝侵蝕)，薄層水流沖刷土壤表層，土壤細(xì)小顆粒發(fā)生遷移；而嚴(yán)重侵蝕條件下，降雨多為短而急的暴雨，面蝕進(jìn)一步發(fā)展為溝蝕，即隨侵蝕強(qiáng)度的增加，細(xì)溝侵蝕逐漸發(fā)展，水流流速也隨之增加，此時(shí)侵蝕溝內(nèi)的水深遠(yuǎn)大于雨滴直徑，雨滴濺蝕作用減弱，泥沙裹挾的大粒徑的團(tuán)聚體含量明顯增加，與此同時(shí)溝頭下切和溝岸坍塌產(chǎn)生大量破碎不完全的大粒級團(tuán)聚體，溝頭跌水此時(shí)整體運(yùn)移土壤團(tuán)聚體，而經(jīng)嚴(yán)重侵蝕后原位的團(tuán)聚體多為質(zhì)地粗糙或崩解不完全的大顆粒組成，土壤養(yǎng)分或內(nèi)部膠結(jié)物質(zhì)隨細(xì)粒流失嚴(yán)重，加之該區(qū)土壤多屬褐土和棕色森林土類，粗骨性比較突出，團(tuán)聚體穩(wěn)定性顯著降低。姜義亮等[22]通過研究片蝕和溝蝕對土壤團(tuán)聚體流失的影響也得出類似的結(jié)論，更指出MWD指標(biāo)能較好地反映雨強(qiáng)變化下土壤團(tuán)聚體的流失特征。在同種侵蝕強(qiáng)度下，林地的平均質(zhì)量直徑和大團(tuán)聚體百分含量均較高，分形維數(shù)接近2，說明林地土壤結(jié)構(gòu)較好，有利于大團(tuán)聚體的積累，穩(wěn)定性高。眾多研究[40-42]表明，天然林或人工林的團(tuán)聚體平均質(zhì)量直徑是大于人為干擾的農(nóng)耕地，這與本文的結(jié)論一致。而在輕度侵蝕條件下，MWD的值草地>林地，這主要是因?yàn)樘烊徊莸刂脖桓采w度高，水分入滲能力強(qiáng)，降低了徑流對團(tuán)聚體的沖刷，團(tuán)聚度較高。單因素分析表明園地團(tuán)聚體組成對侵蝕強(qiáng)度的響應(yīng)并不顯著(p>0.05)，造成這種現(xiàn)象的原因是園地栽植經(jīng)濟(jì)樹種，人為投入較好地彌補(bǔ)了侵蝕強(qiáng)度對土壤團(tuán)聚體的影響。

4 結(jié) 論

(1) 研究區(qū)土壤團(tuán)聚體主要以大團(tuán)聚體(>0.25 mm)為主，其比例均>70%，與同類研究比偏低，說明研究區(qū)土壤流失嚴(yán)重，水土流失治理需進(jìn)一步加強(qiáng)。

(2) 隨侵蝕強(qiáng)度增加，>2 mm團(tuán)聚體含量有降低的趨勢，<0.106 mm則剛好相反，0.5～0.25 mm和1～0.5 mm團(tuán)聚體含量明顯變化。說明侵蝕過程傾向于破壞大團(tuán)聚體，增加微團(tuán)聚體百分含量，其中0.5 mm對侵蝕強(qiáng)度轉(zhuǎn)變響應(yīng)敏感。

(3) 土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性指標(biāo)R0.25，MWD與侵蝕強(qiáng)度呈負(fù)相關(guān)，D值呈正相關(guān)，且嚴(yán)重侵蝕條件下，MWD和R0.25均為最小值，D值達(dá)到最大，說明嚴(yán)重侵蝕會降低土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性。

(4) 同種侵蝕強(qiáng)度下，相較與其他3種土地利用方式，林地的R0.25和MWD值較高，D值較小，說明林地土壤結(jié)構(gòu)較好，有利于大團(tuán)聚體的積累，穩(wěn)定性高。