土粒表面電場對土壤團(tuán)聚體破碎及濺蝕的影響

劉婧芳，胡斐南,，楊志花，馬任甜，趙世偉,※

（1. 西北農(nóng)林科技大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，楊凌 712100；2. 西北農(nóng)林科技大學(xué)黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，楊凌 712100；3. 中國科學(xué)院水利部水土保持研究所，楊凌 712100）

0 引 言1

土壤侵蝕是威脅全球生態(tài)環(huán)境安全和糧食安全的主要問題。降雨濺蝕發(fā)生在土壤水力侵蝕的初始階段[1-2]，不僅能為徑流侵蝕提供大量可搬運(yùn)的松散顆粒[3]，還能夠增強(qiáng)徑流的搬運(yùn)能力[4]，從而加劇水土流失，造成土地資源退化，制約農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

土壤團(tuán)聚體作為土壤結(jié)構(gòu)的基本單元，其穩(wěn)定性直接影響土壤孔隙狀況、入滲特性及地表結(jié)構(gòu)變化[5-6]，是評估土壤抗蝕性的重要指標(biāo)。團(tuán)聚體愈穩(wěn)定，對雨滴擊濺的抵抗力愈強(qiáng)。劉柏玲等[7]發(fā)現(xiàn)團(tuán)聚體穩(wěn)定性差的砂黃土濺蝕量明顯高于團(tuán)聚體穩(wěn)定性高的黑壚土。通常，降雨濺蝕量與團(tuán)聚體穩(wěn)定性呈顯著負(fù)相關(guān)[8]。團(tuán)聚體破碎是影響濺蝕發(fā)生的關(guān)鍵一步[2,8-9]。程琴娟等[10]對黃綿土14個(gè)粒級濺蝕量的研究指出，隨粒徑增大濺蝕量增大，當(dāng)粒徑約為0.105～0.22 mm 時(shí)濺蝕量達(dá)最大值，之后隨粒徑增大濺蝕量減小。Fu 等[11]對收集到的濺蝕液進(jìn)行篩分，發(fā)現(xiàn)濺蝕量隨濺蝕粒徑的減小而增大。此外，有研究指出團(tuán)聚體的破碎會導(dǎo)致表土結(jié)皮的形成，從而使濺蝕量顯著降低[12]?？梢?，團(tuán)聚體破碎釋放顆粒的大小對于濺蝕的發(fā)生與發(fā)展具有重要意義。

目前，降雨引發(fā)團(tuán)聚體破碎主要?dú)w因于：雨滴打擊作用、消散作用、黏土礦物非均勻膨脹作用和理化分散作用等4 種機(jī)制[13]。理化分散作用強(qiáng)調(diào)土壤溶液化學(xué)性質(zhì)變化對團(tuán)聚體穩(wěn)定性的影響。目前，相關(guān)學(xué)者對于前3 種機(jī)制的研究較多，團(tuán)聚體穩(wěn)定性的測定大都以純水為介質(zhì)進(jìn)行，對濺蝕的研究則多用純水模擬雨滴[7-8,14]，忽略了土壤溶液化學(xué)性質(zhì)對團(tuán)聚體穩(wěn)定性的影響。但實(shí)際上土壤溶液并不是純水，而是含有不同化學(xué)物質(zhì)的稀溶液。尤其是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中，隨著化肥、農(nóng)藥和調(diào)節(jié)劑的大量使用，越來越多的化學(xué)物質(zhì)進(jìn)入土壤，化學(xué)物質(zhì)對土壤持水特性、土壤孔隙分布、土壤脹縮性等的作用必然影響到土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性[15]。徐爽等[16]通過對不同濃度NaCl、Ca(Cl)2和Al(Cl)3溶液處理的＞0.25 mm 團(tuán)聚體進(jìn)行濕篩，發(fā)現(xiàn)團(tuán)聚體穩(wěn)定性明顯不同，表現(xiàn)為Al(Cl)3溶液處理的團(tuán)聚體穩(wěn)定性最大，且隨濃度增大團(tuán)聚體穩(wěn)定性增強(qiáng)。操慶等[17]通過用MgSO4、NaCl 和Ca(NO3)2配制的混合鹽培養(yǎng)土壤，發(fā)現(xiàn)土壤中鹽分的增加能促進(jìn)＞0.25 mm 大團(tuán)聚的形成。根據(jù)膠體雙電層理論[18]，溶液化學(xué)性質(zhì)的變化會影響顆粒雙電層厚度，從而改變土壤顆粒周圍電場的分布情況。土粒表面電場則控制著土粒之間的相互作用力[19]。近幾年的研究發(fā)現(xiàn)，土壤顆粒間相互作用力（靜電斥力、水合斥力和范德華引力）高達(dá)數(shù)百個(gè)大氣壓，是引發(fā)團(tuán)聚體破碎的主要推動力[19-22]。因此，土壤溶液化學(xué)性質(zhì)主要是通過直接改變土粒表面電場來影響團(tuán)聚體穩(wěn)定性。Hu 等[19]發(fā)現(xiàn)隨著NaCl 溶液的濃度由1 降低到10-5mol/L，土粒表面電場急劇增大，紫色土團(tuán)聚體破碎強(qiáng)度增大，穩(wěn)定性降低。同樣地，Li 等[20]通過模擬降雨試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，紫色土壤顆粒遷移量隨電場強(qiáng)度的增大而明顯增多。由此可見，土粒表面電場對團(tuán)聚體穩(wěn)定性和土壤侵蝕具有不可忽視的作用[23-24]。然而，目前相關(guān)研究主要集中在土粒表面電場對團(tuán)聚體破碎強(qiáng)度和侵蝕強(qiáng)度的影響，鮮有研究關(guān)注電場作用下團(tuán)聚體破碎粒徑分布特征及其對濺蝕的影響。因此，加強(qiáng)電場作用下團(tuán)聚體破碎特征及濺蝕方面的研究，對于進(jìn)一步深入認(rèn)識降雨濺蝕發(fā)生機(jī)制具有重要意義。

黃土高原是全世界水土流失最為嚴(yán)重的地區(qū)之一。黃綿土和塿土都發(fā)育于黃土母質(zhì)，是該區(qū)典型的耕種土壤，受人為干擾因素較大。基于此，本文以黃綿土和塿土為研究對象，采用不同濃度的電解質(zhì)溶液定量調(diào)控土粒表面電場，旨在明確土粒表面電場對團(tuán)聚體穩(wěn)定性及破碎特征的影響，揭示電場作用下團(tuán)聚體破碎特征及其對濺蝕過程的影響，以期為黃土高原水土流失的科學(xué)防控提供一定的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試土樣及基本性質(zhì)

供試土樣選擇黃土母質(zhì)發(fā)育的黃綿土和塿土，黃綿土由黃土母質(zhì)經(jīng)直接耕種而形成，中國系統(tǒng)分類為黃土正常新成土；塿土由發(fā)育在黃土母質(zhì)上的褐土經(jīng)長期耕作、逐年施用土糞堆積和黃土再沉積過程演化而成，中國系統(tǒng)分類為土墊旱耕人為土。本試驗(yàn)黃綿土和塿土分別采自陜西安塞和楊陵農(nóng)田耕作層，采集深度為20 cm。

土樣基本性質(zhì)分析：有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀外加熱法測定；pH 值采用電極法測定；土壤顆粒組成采用 MS2000激光顆粒分析儀（馬爾文公司，英國）測定。黏土礦物采用X 射線衍射儀（ZX2012，UItima IV，日本）測定，2 種土壤的主要黏土礦物類型為伊利石、綠泥石及高嶺石。陽離子交換量和比表面積采用物質(zhì)表面性質(zhì)聯(lián)合測定法測定[25]。土壤質(zhì)地分類采用國際制。供試土樣的基本性質(zhì)詳見表1。

表1 土壤基本理化性質(zhì) Table 1 Basic properties of tested soils

1.2 樣品制備

為了定量描述土粒表面電場強(qiáng)度對團(tuán)聚體穩(wěn)定性及濺蝕的影響，需要將黃綿土和塿土制備成單一離子的飽和樣[19-21]。研究表明Na+在電場作用下極化能力小，因而將土樣制備成Na+飽和體可以更直接的反映電場強(qiáng)度對團(tuán)聚體穩(wěn)定性及濺蝕的影響[19,26]。Na+飽和團(tuán)聚體制備步驟如下[19]：首先稱取500 g 風(fēng)干土樣于5 L 燒杯中，加入0.5 mol/L 的NaCl 電解質(zhì)溶液至5 L，攪拌平衡24 h 后離心棄去上清液；重復(fù)該步驟3 次，然后用去離子水洗去土壤中多余鹽分，最后在60℃下烘干，研磨過篩后收集1～5 mm 團(tuán)聚體備用。

1.3 土壤顆粒表面電場計(jì)算

自然條件下，降雨和土壤水分的蒸發(fā)會引起土壤溶液中電解質(zhì)濃度變化從而改變土壤顆粒表面電場。本試驗(yàn)中，利用不同濃度的NaCl 溶液來調(diào)節(jié)土壤顆粒表面電場，電解質(zhì)濃度設(shè)置為10-4、10-3、10-2、10-1和1 mol/L。在NaCl溶液體系下，顆粒表面電位（0φ ）可通過下式計(jì)算[23]，

式中R 表示氣體常數(shù)，J/(mol·K)；T 表示熱力學(xué)溫度，K；F 表示法拉第常數(shù)，C/mol；Z 表示陽離子的化合價(jià)；c0表示本體溶液中電解質(zhì)濃度，mol/L；c 表示雙電層中離子的平均濃度，mol/L；κ 德拜-休克爾參數(shù)，m?1；SCN表示陽離子數(shù)量，cmol/kg；SSA 表示比表面積，m2/g；ε表示相對介電常數(shù)，C2/(J·m).

電場強(qiáng)度隨距離分布的計(jì)算公式如下

式中E(x)表示距離顆粒表面x 處的電場強(qiáng)度，V/m；x 表示距離顆粒表面的距離，nm；φ(x)表示距離顆粒表面x 處的電位，V。

1.4 土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性測定

團(tuán)聚體穩(wěn)定性分析借鑒Le Bissionnais[13]的快速濕潤法，使團(tuán)聚體在不同濃度（10-4、10-3、10-2、10-1和1 mol/L）NaCl 電解質(zhì)溶液中經(jīng)歷快速濕潤過程，最后分析破碎粒徑分布特征及平均重量直徑。團(tuán)聚體穩(wěn)定性測定具體步驟：稱取5 g 1～5 mm Na+飽和團(tuán)聚體置于200 mL 玻璃燒杯中，用量筒沿?zé)诰徛尤?00 mL NaCl 電解質(zhì)溶液，靜置10 min 后吸出上清液；用酒精將團(tuán)聚體洗入1、0.5、0.25、0.15 mm 孔徑的套篩頂部，以幅度2 cm 在99%酒精中上下振蕩10 次；最后用酒精將篩上團(tuán)聚體分別沖入鋁盒中烘干稱質(zhì)量并計(jì)算平均重量直徑MWD。該試驗(yàn)設(shè)置3 次重復(fù)。

式中ri為第i 個(gè)篩子孔徑，mm，r0= r1，rn=rn+1；mi為第i 個(gè)篩子上團(tuán)聚體質(zhì)量百分比，%.

1.5 模擬降雨濺蝕試驗(yàn)

濺蝕試驗(yàn)采用自制針式降雨器（圖1）進(jìn)行人工模擬降雨。自制針式降雨器由供液裝置、降雨裝置及連接二者的支撐裝置組成。供液裝置為下口瓶，于下口處連接一根有開關(guān)的塑料管對供雨裝置提供液體。供雨裝置為直徑15 cm 的圓筒，圓筒底部均勻分布22 個(gè)直徑0.6 mm的針頭。本試驗(yàn)所用濺蝕盤在摩根濺蝕盤基礎(chǔ)上改制而成，是由外環(huán)斜面收集盤及內(nèi)環(huán)水平可活動濺蝕盤組成的倒圓臺裝置。盤外環(huán)底部直徑為15 cm，頂部直徑及高均為30 cm，外環(huán)與內(nèi)環(huán)中間用鐵皮焊接為光滑斜面，在斜面最低處打孔以供濺蝕液流出；活動濺蝕盤直徑為10 cm、高為1 cm，盤底部有滲水小孔，不僅便于排出入滲液體，更能阻止濺蝕盤中土壤表面水膜的形成，以防影響濺蝕。

圖1 降雨模擬試驗(yàn)裝置圖 Fig.1 Diagram of rainfall simulation experimental apparatus

試驗(yàn)采用不同濃度梯度（10-4、10-3、10-2、10-1和1 mol/L）的NaCl 電解質(zhì)溶液模擬雨滴來調(diào)節(jié)土壤電場強(qiáng)度，雨強(qiáng)平均為60 mm/h，降雨高度控制在0.8 m，該高度下雨滴未達(dá)終點(diǎn)速度，根據(jù)公式[27]計(jì)算其實(shí)際速度，得雨滴動能為10.76 J/(m2·min)。試驗(yàn)開始前先將1～5 mm Na+飽和團(tuán)聚體均勻填裝于濺蝕盤內(nèi)，容重控制在1.0 g/m3，當(dāng)濺蝕盤表面出現(xiàn)明顯積水時(shí)停止降雨試驗(yàn)，將收集的濺蝕液記錄體積后烘干稱質(zhì)量。該試驗(yàn)設(shè)置3次重復(fù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤表面電位及電場強(qiáng)度

不同濃度的電解質(zhì)溶液能影響土壤顆粒雙電層厚度，進(jìn)而對土粒表面電位及電場強(qiáng)度產(chǎn)生影響[18,23,26]。不同電解質(zhì)濃度下土壤顆粒表面電位可通過陽離子交換量和比表面積計(jì)算，其計(jì)算結(jié)果列于表2。黃綿土和塿土表面電位（絕對值）隨電解質(zhì)濃度的升高呈降低趨勢。當(dāng)電解質(zhì)濃度由10-4mol/L 升高到1 mol/L 時(shí)，黃綿土和塿土表面電位絕對值分別由320.2 和349.9 mV 降低到83.7 和113.4 mV，分別降低了73.9% 和67.6%。相同濃度下2 種土壤表面電位的不同可能與土壤本身的有機(jī)質(zhì)含量和顆粒組成有關(guān)，二者是土壤最主要的帶電顆粒[28-29]。

表2 不同電解質(zhì)濃度下土壤顆粒表面電位 Table 2 Surface potentials of soil particles at different electrolyte concentrations

圖2 為土壤顆粒附近電場強(qiáng)度隨距離的分布。各電解質(zhì)濃度下，黃綿土和塿土顆粒表面電場強(qiáng)度均可達(dá)108V/m 數(shù)量級，但隨著距離的增大，電場強(qiáng)度都不同程度的減小。在電解質(zhì)濃度較高時(shí)，電場強(qiáng)度作用距離較短，如電解質(zhì)濃度為1 mol/L 時(shí)，電場的作用距離僅在10 nm 以內(nèi)；隨著電解質(zhì)濃度降低到10-4mol/L，電場強(qiáng)度的作用距離迅速增大，可達(dá)100 nm 以上。在給定距離處，這里以距離土壤顆粒表面10 nm 處為例，電場強(qiáng)度隨電解質(zhì)濃度的降低或表面電位的升高，表現(xiàn)為先急劇增大而后保持不變的趨勢（圖3）。隨電解質(zhì)濃度減小，電場強(qiáng)度急劇增大，表明高電解質(zhì)濃度能明顯屏蔽土壤顆粒周圍的電場；而當(dāng)電解質(zhì)濃度小于10-2mol/L 后，電場強(qiáng)度隨濃度的減小不再發(fā)生明顯變化，這表明在本研究中電解質(zhì)濃度10-2mol/L 是影響電場強(qiáng)度的關(guān)鍵濃度。

圖2 不同電解質(zhì)濃度下土粒周圍電場強(qiáng)度分布 Fig. 2 Distribution of soil electric field around soil particles at different electrolyte concentrations

圖3 不同電解質(zhì)濃度下距離土粒表面10 nm 處電場強(qiáng)度 Fig. 3 Soil surface electric field strength at the distance of 10 nm apart from particle surfaces under different electrolyte concentration and surface potential

2.2 土壤表面電場對團(tuán)聚體穩(wěn)定性的影響

2.2.1 土壤團(tuán)聚體平均重量直徑變化特征

平均重量直徑（MWD）作為反映團(tuán)聚體組成的綜合參數(shù)，是評價(jià)團(tuán)聚體穩(wěn)定性最常用的指標(biāo)，其值越大團(tuán)聚體穩(wěn)定性越強(qiáng)[30-31]。圖4 為 MWD 值隨電解質(zhì)濃度（表面電位）的變化。高電解質(zhì)濃度（低電位）對應(yīng)的MWD 值大，低電解質(zhì)濃度（高電位）時(shí)MWD 值小，表明隨電解質(zhì)濃度的降低，表面電位的增大，表面電場的增強(qiáng)，團(tuán)聚體穩(wěn)定性降低。當(dāng)電解質(zhì)濃度由1 mol/L 減小到10-2mol/L 時(shí)，黃綿土和塿土MWD 值分別減小了 53.0%和 44.2%；而當(dāng)電解質(zhì)濃度由10-2mol/L 繼續(xù)減小到10-4mol/L 時(shí)，2 種土壤MWD值僅減小了11.3% 和22.2%，降幅急劇減小。這表明本體溶液電解質(zhì)濃度對團(tuán)聚體穩(wěn)定性的影響存在一個(gè)臨界點(diǎn)。在本試驗(yàn)中，該臨界濃度為10-2mol/L，當(dāng)電解質(zhì)濃度高于10-2mol/L 時(shí)，團(tuán)聚體穩(wěn)定性隨電解質(zhì)濃度減小迅速降低，而當(dāng)電解質(zhì)濃度低于10-2mol/L 時(shí)，電解質(zhì)濃度對團(tuán)聚體穩(wěn)定性的影響明顯減弱。團(tuán)聚體穩(wěn)定性隨體系電解質(zhì)濃度的變化趨勢和電場強(qiáng)度隨濃度的變化趨勢相反，即土粒表面電場越強(qiáng)，平均重量直徑值越小，團(tuán)聚體越不穩(wěn)定。

圖4 團(tuán)聚體平均重量直徑隨電解質(zhì)濃度與土壤 表面電位的變化 Fig. 4 Changes of MWD with electrolyte concentration and surface potential

2.2.2 土壤團(tuán)聚體破碎粒徑分布特征

MWD 只能表征團(tuán)聚體組成的整體變化趨勢，并不能準(zhǔn)確反映受電解質(zhì)溶液影響的團(tuán)聚體組成的變化方向及程度。不同電解質(zhì)濃度下團(tuán)聚體破碎后的粒徑分布特征如圖 5 所示。1）在各電解質(zhì)濃度下，2 種土壤團(tuán)聚體破碎后＜0.15 mm 粒級的含量最高，＞1 mm 粒級的含量最低。2）隨著電解質(zhì)濃度的升高，兩種土壤＜0.15 mm 微團(tuán)聚體的含量表現(xiàn)為降低趨勢，而＞0.25 mm 的大團(tuán)聚體含量表現(xiàn)為增加趨勢，這表明當(dāng)土壤溶液電解質(zhì)濃度較高時(shí)，土壤團(tuán)聚體傾向于破碎為更大粒級的團(tuán)聚體，即隨土壤溶液電解質(zhì)濃度的升高，顆粒表面電場的降低，土壤團(tuán)聚體的破碎程度將減小。3）在本研究中，電解質(zhì)濃度10-2mol/L 是影響破碎團(tuán)聚體粒徑變化的關(guān)鍵濃度，高于該電解質(zhì)濃度時(shí)，各粒級團(tuán)聚體含量隨電解質(zhì)濃度升高變化迅速，而低于該電解質(zhì)濃度時(shí)，各粒級團(tuán)聚體含量變化幅度明顯減小。以黃綿土＞0.25～5 mm 粒級團(tuán)聚體為例，當(dāng)電解質(zhì)濃度由10-4mol/L 增大到10-2mol/L 時(shí)，該粒級團(tuán)聚體含量由4.0% 增加到6.7%，僅增加了2.7%；但當(dāng)電解質(zhì)濃度由10-2mol/L 增加到1 mol/L 時(shí)，該粒級團(tuán)聚體含量迅速增加到42.8%，增加了36.1%。此外，在低電解質(zhì)濃度下（≤10-2mol/L），團(tuán)聚體組成比較單一，以＜0.15 mm 粒級團(tuán)聚體為主，占總量的70%以上，而高電解質(zhì)濃度下（＞10-2mol/L），＜0.15 mm粒級團(tuán)聚體含量降低到50% 以下，0.15～0.25、0.25～0.5、0.5～1 及＞1mm 粒級團(tuán)聚體含量迅速增大，團(tuán)聚體破碎程度減小。這也表明在本試驗(yàn)中電解質(zhì)濃度10-2mol/L 是影響團(tuán)聚體組成的關(guān)鍵濃度。4）對比2種土壤，各電解質(zhì)濃度下，2 種土壤＞0.25 mm 大團(tuán)聚體組成明顯不同，0.25～0.5 mm 粒徑大團(tuán)聚體含量表現(xiàn)為黃綿土高于塿土，但0.5～1 和＞1mm 大團(tuán)聚體含量表現(xiàn)為塿土高于黃綿土。

2.3 土壤表面電場對濺蝕的影響

土壤濺蝕顆粒質(zhì)量隨電解質(zhì)濃度（表面電位）的變化曲線如圖6 所示。當(dāng)電解質(zhì)濃度為1 mol/L 時(shí)，2 種土壤幾乎都沒有土壤顆粒濺出。當(dāng)電解質(zhì)濃度由1 mol/L減小到10-2mol/L 時(shí)，黃綿土和塿土濺蝕量分別增加了0.28 和0.40 g；而當(dāng)電解質(zhì)濃度繼續(xù)降低到10-4mol/L時(shí)，黃綿土和塿土濺蝕量僅增加了0.03 和0.08 g。這表明電解質(zhì)濃度10-2mol/L 是影響兩種土壤濺蝕的關(guān)鍵濃度。當(dāng)電解質(zhì)濃度高于10-2mol/L 時(shí)，濺蝕量隨電解濃度降低迅速增大；當(dāng)電解質(zhì)濃度低于10-2mol/L 時(shí)，濺蝕量隨電解質(zhì)濃度的降低幾乎無明顯變化。對比2 種土壤，電解質(zhì)濃度為1 和10-1mol/L 時(shí)，黃綿土和塿土濺蝕量相近，當(dāng)電解質(zhì)濃度降低到10-2mol/L 時(shí)，塿土濺蝕量明顯高于黃綿土，這與不同電解質(zhì)濃度下的團(tuán)聚體粒徑分布有關(guān)。土壤濺蝕量隨體系電解質(zhì)濃度的變化趨勢和電場強(qiáng)度隨濃度的變化趨勢相同，即土粒表面電場越強(qiáng)，濺蝕量越大。

圖5 不同電解質(zhì)濃度下團(tuán)聚體破碎后粒徑分布 Fig. 5 Distribution of soil fragments after aggregate breakdown at different electrolyte concentration

圖6 土壤濺蝕量和電解質(zhì)濃度與土壤表面電位的關(guān)系 Fig. 6 Relationship between splash erosion mass and electrolyte concentration and surface potential

2.4 土壤電場作用下濺蝕與團(tuán)聚體穩(wěn)定性關(guān)系

團(tuán)聚體穩(wěn)定性是影響濺蝕最重要的參數(shù)之一。圖7表明黃綿土和塿土濺蝕量與MWD 呈顯著負(fù)線性關(guān)系，決定系數(shù)R2均達(dá)0.90 以上，表明2 種土壤濺蝕量隨團(tuán)聚體穩(wěn)定性降低而增大。進(jìn)一步對不同電解質(zhì)濃度下濺蝕量與團(tuán)聚體破碎釋放的各組分含量進(jìn)行相關(guān)分析，結(jié)果如表3 所示。2 種土壤濺蝕量與＜0.15 mm 微團(tuán)聚體含量呈極顯著正相關(guān)，與＞0.25 mm 大團(tuán)聚體呈極顯著負(fù)相關(guān)。黃綿土濺蝕量與＜0.15 mm（r=0.942）及 0.25～0.5 mm（r=-0.943）相關(guān)系數(shù)最大，表明黃綿土濺蝕量主要決定于這兩個(gè)組分的含量；而塿土濺蝕量與＜0.15 mm 組分含量的相關(guān)系數(shù)最大（r=0.974），表明本試驗(yàn)條件下塿土濺蝕量更大程度上取決于團(tuán)聚體破碎后釋放的＜0.15 mm微團(tuán)聚體的含量。

圖7 不同電解質(zhì)濃度下濺蝕量與團(tuán)聚體穩(wěn)定性關(guān)系 Fig. 7 Relationship between splash erosion mass and MWD value under different electrolyte concentration

表3 濺蝕量與團(tuán)聚體各粒徑含量相關(guān)分析 Table 3 Correlation between splash erosion mass and size mass percentage under different electrolyte concentration

3 討 論

自然條件下，當(dāng)雨水進(jìn)入土壤后，相對干燥的土壤其本體溶液電解質(zhì)濃度將會被立即稀釋。在本研究中，隨土壤溶液電解質(zhì)濃度的降低，土粒表面電位和電場急劇增大。土壤溶液電解質(zhì)濃度是影響土壤表面電場的重要因素[26,32]，隨著土壤溶液電解質(zhì)濃度的降低，擴(kuò)散雙電層厚度增加，土粒表面電位升高，土粒周圍電場增強(qiáng)，最終導(dǎo)致土壤顆粒間的靜電斥力增大，進(jìn)而影響團(tuán)聚體的穩(wěn)定性[19-23,33]。本研究中，土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性隨本體溶液電解質(zhì)濃度的降低表現(xiàn)為先急劇減小后趨于穩(wěn)定的趨勢（圖4），其中本體溶液電解質(zhì)濃度10-2mol/L 是團(tuán)聚體破碎的關(guān)鍵濃度。這與Hu 等[19]和黃學(xué)茹等[34]的研究結(jié)果一致。Hu 等[19]通過靜水沉降法研究了在不同電場條件下紫色土團(tuán)聚體的穩(wěn)定性，發(fā)現(xiàn)電解質(zhì)濃度10-2mol/L 是團(tuán)聚體破碎的關(guān)鍵濃度。本研究中團(tuán)聚體穩(wěn)定性的試驗(yàn)結(jié)果與土壤電場強(qiáng)度隨電解質(zhì)濃度變化趨勢所反映的結(jié)果一致。這表明，土壤電場作用是干燥團(tuán)聚體遇水破碎的主要因素。土粒周圍電場強(qiáng)度越大，團(tuán)聚體破碎程度越大，釋放的細(xì)顆粒物質(zhì)越多；當(dāng)電場強(qiáng)度較弱時(shí)，土壤團(tuán)聚體僅發(fā)生微弱的膨脹或破碎[19]。這說明，外界降雨將會通過影響土壤電場強(qiáng)度而影響團(tuán)聚體的破碎程度。另一方面，人們普遍認(rèn)為，在水體系中消散作用是引發(fā)團(tuán)聚體破碎的主要原因[8,35]。然而，已有研究表明，消散作用其強(qiáng)度不超過1 個(gè)大氣壓[36]，遠(yuǎn)小于顆粒間分子引力，并不足以使團(tuán)聚體直接破碎。而表面電場所引發(fā)的顆粒間的靜電斥力可達(dá)數(shù)百甚至于上千個(gè)大氣壓，足以使團(tuán)聚體發(fā)生破碎[21-24,37]。此外，若消散作用和雨滴打擊力是團(tuán)聚體破碎的主要作用力，那么在不同電場強(qiáng)度下團(tuán)聚體穩(wěn)定性的差異應(yīng)該很小。然而，本研究發(fā)現(xiàn)團(tuán)聚體穩(wěn)定性隨電場強(qiáng)度的增大而減小，二者均隨電解質(zhì)濃度的變化表現(xiàn)出一致的趨勢。這說明，土粒表面電場是引發(fā)團(tuán)聚體遇水破碎的關(guān)鍵因素。降雨濺蝕是坡面侵蝕發(fā)生的初始階段。土壤團(tuán)聚體破碎是降雨濺蝕發(fā)生的關(guān)鍵一步[2]。在影響濺蝕過程的諸多因素中，團(tuán)聚體穩(wěn)定性被認(rèn)為是影響降雨濺蝕最主要和最直接的因子。本研究中，濺蝕量隨體系電解質(zhì)濃度的變化趨勢與團(tuán)聚體穩(wěn)定性隨濃度的變化趨勢相反。即隨本體溶液電解質(zhì)濃度減小，團(tuán)聚體穩(wěn)定性迅速降低，濺蝕量急劇增大；當(dāng)濃度低于10-2mol/L，團(tuán)聚體穩(wěn)定性和濺蝕量無明顯變化（圖4，圖6）。濺蝕量隨電解質(zhì)濃度變化趨勢和電場強(qiáng)度隨濃度變化趨勢一致，即土粒表面電場越強(qiáng)，濺蝕量越大，說明土粒表面電場是影響濺蝕的重要因素。這與Li 等[20]對紫色土侵蝕量的研究相似，發(fā)現(xiàn)土壤侵蝕量隨電場的增強(qiáng)而增大。通過對電場作用下濺蝕量和團(tuán)聚體穩(wěn)定性的回歸分析，我們發(fā)現(xiàn)二者呈顯著負(fù)線性關(guān)系（圖7）。進(jìn)一步對濺蝕量與團(tuán)聚體破碎釋放的小粒徑組分進(jìn)行相關(guān)分析，兩種土壤濺蝕量與＜0.15 mm 微團(tuán)聚體相關(guān)系數(shù)最大（表3），表明濺蝕隨團(tuán)聚體破碎程度的增大而增強(qiáng)。這與付玉等[38]的研究結(jié)果一致。土壤顆粒表面電場越強(qiáng)，團(tuán)聚體穩(wěn)定性越差，其破碎程度越大，釋放的小粒徑組分（＜0.15 mm）越多，土壤濺蝕量就越大；而在弱電場作用下，團(tuán)聚體穩(wěn)定性強(qiáng)，濺蝕量急劇降低。這說明土壤顆粒表面電場將會通過改變團(tuán)聚體的破碎程度進(jìn)而對濺蝕過程產(chǎn)生重要影響。

在降雨濺蝕過程中，人們普遍認(rèn)為雨滴撞擊力不僅能使土壤顆粒發(fā)生遷移還能直接破碎團(tuán)聚體，是引發(fā)降雨濺蝕的直接因素[2,39]。然而，雨滴打擊力作為宏觀作用力能夠使細(xì)顆粒物質(zhì)發(fā)生躍遷，但并不能直接擊碎土壤團(tuán)聚體。已有研究表明[40]，雨滴打擊力其大小僅有1～3個(gè)大氣壓，而土壤顆粒間分子引力可達(dá)上千個(gè)大氣壓，顯然，雨滴打擊力并不能直接使團(tuán)聚體破碎。通過前述的分析可知，降雨過程中土壤團(tuán)聚體破碎主要是土粒表面電場所引起的，土粒表面電場通過影響團(tuán)聚體的破碎程度進(jìn)而對濺蝕過程產(chǎn)生重要影響。該過程中，當(dāng)團(tuán)聚體破碎后，雨滴打擊力則主要使土壤細(xì)顆粒發(fā)生遷移而形成濺蝕。

4 結(jié) 論

1）土粒表面電場對黃綿土和塿土團(tuán)聚體穩(wěn)定性及濺蝕具有重要影響。隨電解質(zhì)濃度降低，表面電位升高，土粒周圍電場增大，團(tuán)聚體穩(wěn)定性降低，濺蝕量增大。其中本體溶液電解質(zhì)濃度10-2mol/L 是影響團(tuán)聚體穩(wěn)定性及濺蝕的關(guān)鍵濃度。

2）隨著表面電場的減弱，＜0.15 mm 微團(tuán)聚體含量減小，0.25～0.5、0.5～1 及＞1 mm 大團(tuán)聚體含量增加，土壤團(tuán)聚體傾向于發(fā)生微弱的破碎或膨脹。

3）2 種土壤的濺蝕量與團(tuán)聚體破碎后釋放的＜0.15 mm 微團(tuán)聚體含量呈正相關(guān)，與＞0.25 mm 大團(tuán)聚體含量呈負(fù)相關(guān)。電場作用下團(tuán)聚體的破碎特征對降雨濺蝕具有重要的影響。

本研究初步揭示了降雨濺蝕發(fā)生的可能新機(jī)制，即當(dāng)降雨進(jìn)入土壤后，土壤本體溶液電解質(zhì)濃度迅速稀釋，土粒周圍電場急劇增強(qiáng)，導(dǎo)致團(tuán)聚體破碎并釋放大量小粒徑微團(tuán)聚體甚至單粒，進(jìn)而在雨滴打擊作用下發(fā)生躍遷而形成濺蝕。土粒表面電場可通過影響團(tuán)聚體的破碎程度而影響降雨濺蝕過程。