近地表水文條件對(duì)橫坡壟作坡面褐土團(tuán)聚體流失的影響*

安 娟，陳新軍，宋紅麗

（1. 山東省水土保持與環(huán)境保育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，臨沂大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，山東臨沂 276005；2. 臨沂市水利局，山東臨沂 276005）

土壤團(tuán)聚體作為土壤結(jié)構(gòu)的基本單元，其破碎程度和破碎后顆粒大小直接關(guān)系到團(tuán)聚體的流失特征[1]。土壤含水量通過(guò)影響土壤顆粒間的相對(duì)距離、黏結(jié)力等[2]，成為影響團(tuán)聚體破碎的重要因子[3]。近地表水文條件體現(xiàn)了坡面不同部位的水分特征，一般包括自由入滲、土壤飽和與壤中流/入滲流[4-5]，而它們代表了不同的土壤含水量等級(jí)。可見(jiàn)，近地表水文條件對(duì)團(tuán)聚體流失具有重要影響。然而，現(xiàn)有研究主要關(guān)注近地表水文條件對(duì)土壤侵蝕過(guò)程的影響，且普遍認(rèn)為土壤飽和與入滲流較自由入滲可顯著提高徑流量和侵蝕量[6-8]。然而，在土壤侵蝕預(yù)測(cè)模型中，如：RUSLE、WEPP，入滲流條件下的侵蝕過(guò)程大多被忽視[9]，而土壤侵蝕過(guò)程模型的建立需明晰不同空間尺度上近地表水文條件與侵蝕過(guò)程的關(guān)系。而且，針對(duì)團(tuán)聚體流失特征的研究主要集中于自由入滲條件下[10-12]。土壤水分飽和與入滲流條件下，土壤顆粒間黏結(jié)力的削弱，可增強(qiáng)降雨對(duì)土壤顆粒的打擊效果，但同時(shí)徑流深度的增加在一定程度上可保護(hù)徑流層以下的團(tuán)聚體免于雨滴打擊對(duì)其的破壞[13]；徑流泥沙濃度的增加會(huì)提高土壤顆粒碰撞的機(jī)會(huì)，致使顆粒發(fā)生重新團(tuán)聚。說(shuō)明土壤飽和與入滲流對(duì)團(tuán)聚體破碎的增強(qiáng)和減弱作用并存。但究竟哪種作用占主導(dǎo)，且主導(dǎo)作用主要作用于哪些粒徑的團(tuán)聚體？這些問(wèn)題尚不明晰。因此，探明土壤水分飽和與入滲流條件下團(tuán)聚體流失特征對(duì)于坡面空間尺度上侵蝕量的估算以及基于過(guò)程的土壤侵蝕模型的建立顯得尤為重要。

由于橫坡壟作能增加雨水就地入滲，有效控制水土流失，成為被廣泛采用的保護(hù)性耕作措施之一[14-15]。因壟向坡度的存在，使得坡面水文特征顯著區(qū)別于傳統(tǒng)耕作坡面，具體表現(xiàn)在：降雨后，雨水會(huì)在位置較低的壟溝內(nèi)匯集。雨水積聚可使壟面土壤水分飽和，且積水形成壟溝與壟面土壤的水勢(shì)梯度，促使雨水從壟面溢出，發(fā)生滲流[14]，這類似于Huang等[4]所建立的坡面水文與侵蝕過(guò)程概念模型中入滲流（Seepage）[5]。橫坡壟作措施下，滲流溢出這種現(xiàn)象在降雨條件下十分普遍，尤其在土壤飽和后，且土壤飽和與滲流近地表水文情形均可在坡中、坡下出現(xiàn)。然而，針對(duì)橫坡壟作坡面水土流失的研究主要集中于土壤侵蝕過(guò)程及其影響因素（微地貌、降雨參數(shù)等）[14，16-17]，關(guān)于團(tuán)聚體流失特征尚不清楚。鑒于此，本研究擬以橫坡壟作褐土坡面為研究對(duì)象，基于人工模擬降雨試驗(yàn)，分析3種近地表水文條件（自由入滲、土壤飽和、滲流）下團(tuán)聚體流失規(guī)律，以期為橫坡壟作措施的水保效益評(píng)價(jià)及合理利用提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)土壤滲流狀況和前期課題組野外沖刷、室內(nèi)模擬降雨成果，設(shè)計(jì)自由入滲（FD）、飽和（SA）與滲流（SP）3種近地表水文條件，且每種水文條件下主要考慮雨強(qiáng)對(duì)團(tuán)聚體流失的影響。北方土石山區(qū)長(zhǎng)期降雨觀測(cè)數(shù)據(jù)表明，雨強(qiáng)范圍為4.2～120.6 mm·h-1[18]，侵蝕性降雨雨強(qiáng)大于30 mm·h-1[19]。因此，設(shè)計(jì)雨強(qiáng)為30、60和90 mm·h-1。根據(jù)臨沂市平邑縣、費(fèi)縣等地花生、地瓜和玉米種植壟作結(jié)構(gòu)的調(diào)查結(jié)果，設(shè)置壟高12 cm、壟寬80 cm、壟向坡度6°和坡面坡度10°的橫坡壟作系統(tǒng)，這在沂蒙山區(qū)非常具有典型性和代表性。共設(shè)計(jì)18場(chǎng)降雨實(shí)驗(yàn)，即各近地表水文條件每個(gè)雨強(qiáng)下重復(fù)2次。

1.2 試驗(yàn)材料

降雨試驗(yàn)在山東省水土保持和環(huán)境保育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室降雨大廳內(nèi)進(jìn)行。降雨試驗(yàn)裝置為Spraying system Veejet 80100扇形噴頭的槽式模擬降雨系統(tǒng)，有效降雨面積2.2 m×12 m，降雨均勻度89%以上。該模擬降雨系統(tǒng)通過(guò)調(diào)節(jié)噴頭經(jīng)過(guò)噴水窗口的頻率控制雨強(qiáng)[20]。

為模擬橫坡壟作坡面，試驗(yàn)所用土槽為可同時(shí)調(diào)節(jié)壟向與坡面坡度的鋼槽（圖1）。該土槽主體由通過(guò)鉸鏈連接的兩個(gè)分體土槽構(gòu)成，每個(gè)分體土槽長(zhǎng)160 cm，寬80 cm。通過(guò)調(diào)節(jié)螺旋（圖1a），獲取不同的壟向坡度，范圍為0°～15°。坡向坡度通過(guò)安裝在支撐腿上的螺旋（圖1b）進(jìn)行調(diào)節(jié)，范圍為0°～25°。為滿足土壤飽和與滲流2種近地表水文條件，人工模擬降雨之前，利用兩根塑料管（圖1c）向土槽壟溝內(nèi)供水。為使供水平緩，塑料管壁上鉆有8個(gè)孔徑均為1 cm的孔，并用紗布包裹。供水過(guò)程中，因入滲量小于供水流量，為防止發(fā)生漫流，增設(shè)兩根塑料管（圖1d）固定在土槽底部，用于調(diào)節(jié)壟溝內(nèi)水面始終低于壟面最低點(diǎn)（圖1h）1 cm左右。徑流和泥沙樣在出口處（g）收集。

試驗(yàn)所用土壤為沂蒙山區(qū)丘陵地帶廣泛分布的褐土。土壤取自玉米地的耕作層，黏粒、粉粒與砂粒的含量分別為1.44%、84.59% 和13.97%；pH為7.3，有機(jī)質(zhì)含量為25.6 g·kg-1。 基于干篩法，對(duì)模擬降雨前團(tuán)聚體的粒徑分布進(jìn)行了測(cè)定。2～5、1～2、0.5～1、0.25～0.5和＜0.25 mm團(tuán)聚體的含量分別為57.02%、10.30%、8.41%、9.17%和15.10%。

圖1 試驗(yàn)土槽Fig. 1 Experimental plot

1.3 試驗(yàn)步驟

試驗(yàn)用土風(fēng)干后不過(guò)篩，按照分層法進(jìn)行土槽填充，且將土槽的壟向坡度調(diào)整為6°。土槽底部以1.5 g·cm-3的容重每5 cm一層填裝20 cm厚的褐土，用于模擬犁底層。后按照填土之前在土槽四壁勾畫(huà)的壟作輪廓線，以1.15 g·cm-3的容重修建壟高為12 cm、壟寬為80 cm的土壟兩根。根據(jù)野外實(shí)地調(diào)查，壟上側(cè)在土槽平面上的投影線長(zhǎng)度約為下側(cè)的2倍：即80 cm的壟寬，上側(cè)壟面在土槽平面上的投影為53.3 cm，下側(cè)壟面則為26.7 cm。最后，將填裝土槽的坡面坡度調(diào)整為10°。

土槽填裝完畢后，進(jìn)行雨強(qiáng)為10 mm·h-1的前期預(yù)降雨，預(yù)降雨后土壤含水量約為28%。此過(guò)程中，將1 mm×1 mm尼龍紗網(wǎng)覆蓋在土槽之上以減弱雨滴打擊對(duì)土壤表層的影響。預(yù)降雨24 h后，為滿足土壤飽和與滲流2種近地表水文條件，向壟溝內(nèi)供水。在前期試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，供水流量確定為3 L·min-1，該流量能滿足土壤入滲和壟溝內(nèi)水面始終低于壟面最低點(diǎn)（圖1h）1 cm要求。供水過(guò)程中由專人觀察液面的變化，隨時(shí)調(diào)整控制壟溝內(nèi)水位高度的水管（圖1d）。當(dāng)橫壟下側(cè)壟面有積水時(shí)，認(rèn)為滿足土壤水分飽和條件；當(dāng)試驗(yàn)土槽出口有水勻速流出時(shí)，即達(dá)到滲流條件。土壤飽和與滲流水文條件實(shí)現(xiàn)后，停止向壟溝內(nèi)供水，并關(guān)閉水管（圖1d）。此后，按照設(shè)計(jì)的雨強(qiáng)在不同近地表水文條件下進(jìn)行降雨，降雨時(shí)間為60 min。

降雨過(guò)程中，每2 min收集1次徑流樣。將采集的徑流泥沙樣稱重后，進(jìn)行濕篩分析，即將泥沙樣依次通過(guò)孔徑為 5、2、1、0.5和0.25 mm的套篩。篩分后的6個(gè)粒級(jí)：≥5、2～5、1～2、0.5～1、0.25～0.5、＜0.25 mm的團(tuán)聚體在105°C的干燥箱中干燥12 h，并稱重。累計(jì)次降雨中各粒徑團(tuán)聚體的流失量，獲取本場(chǎng)降雨團(tuán)聚體流失量及其粒徑分布。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用平均重量直徑（MWD）、幾何平均直徑（GMD）、團(tuán)聚體平均重量比表面積（MWSSA）[21]和分形維數(shù)（D）[22]4個(gè)指標(biāo)評(píng)價(jià)團(tuán)聚體流失特征。MWD和GMD越大，表示團(tuán)聚體穩(wěn)定性越強(qiáng)。MWSSA借鑒了土壤界面過(guò)程的思想、比表面積和平均重量直徑的計(jì)算方法而構(gòu)建，其值的升高，表示團(tuán)聚體穩(wěn)定性減弱。D越大，則團(tuán)聚體的分散度越大，其穩(wěn)定性越低。具體計(jì)算如下：

富集率（ER）可表征侵蝕過(guò)程中不同粒級(jí)團(tuán)聚體的富集現(xiàn)象。當(dāng)ER＞1時(shí)，說(shuō)明與供試土壤相比，該粒級(jí)團(tuán)聚體在侵蝕泥沙中含量高，發(fā)生富集；ER＜1時(shí)，該粒級(jí)團(tuán)聚體發(fā)生沉積。

式中，pi和Pi分別為侵蝕泥沙和供試土壤中第i個(gè)粒徑團(tuán)聚體所占比例，%。

為對(duì)比近地表水文情形（土壤水分飽和、滲流和水勢(shì)差）對(duì)團(tuán)聚體流失的影響，采用貢獻(xiàn)率進(jìn)行量化，具體計(jì)算公式如下：

式中，SC為貢獻(xiàn)率，%；Eis為團(tuán)聚體流失量，g·m-2·h-1；i為雨強(qiáng)1， 2；S為近地表水文條件（自由入滲、土壤飽和或滲流）。

利用SPSS18.0軟件下的方差分析（ANOVA）對(duì)近地表水文條件間的團(tuán)聚體流失量、各粒級(jí)團(tuán)聚體流失比例、富集率和流失團(tuán)聚體特征指標(biāo)進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，基于最小顯著差法（LSD）開(kāi)展多重比較，并在0.05水平上達(dá)到顯著。采用Origin 8.5進(jìn)行繪圖。

2 結(jié) 果

2.1 近地表水文條件下團(tuán)聚體流失量

30、60和90 mm·h-1雨強(qiáng)下，近地表水文條件間團(tuán)聚體的流失量差異均表現(xiàn)為：滲流＞土壤飽和＞自由入滲（圖2）。30 mm·h-1雨強(qiáng)下，與自由入滲相比，土壤飽和與滲流條件下的團(tuán)聚體流失量分別顯著增加3.12倍和4.22倍，60和90 mm·h-1雨強(qiáng)下相應(yīng)增加率分別為1.44倍和2.10倍、0.26倍和1.24倍。說(shuō)明土壤飽和與滲流的存在顯著增大了團(tuán)聚體流失強(qiáng)度。這是因?yàn)椋海?）隨土壤水分達(dá)到飽和，不同粒徑團(tuán)聚體間的黏結(jié)力不斷被削弱[4]，且削弱程度與水勢(shì)梯度息息相關(guān)[23]，而滲流的存在更為明顯地增加了壟溝與壟面的水勢(shì)梯度；（2）土壤飽和與滲流的存在通過(guò)增加流速等改變徑流水動(dòng)力特性[23]，從而可引起侵蝕營(yíng)力的增強(qiáng)，進(jìn)而導(dǎo)致團(tuán)聚體破碎和搬運(yùn)能力增強(qiáng)。

圖2 不同近地表水文條件下團(tuán)聚體流失量Fig. 2 Soil aggregate loss under different soil surface hydrologicalconditions

3種近地表水文條件下，團(tuán)聚體流失量均隨雨強(qiáng)的增加而增大，且雨強(qiáng)對(duì)團(tuán)聚體流失的影響在自由入滲條件下體現(xiàn)的最明顯。自由入滲條件下，60和90 mm·h-1雨強(qiáng)下的團(tuán)聚體流失量較30 mm·h-1雨強(qiáng)分別增加5.12倍和15.72倍，而土壤飽和與滲流條件下，60和90 mm·h-1雨強(qiáng)下團(tuán)聚體的流失量分別為30 mm·h-1雨強(qiáng)的2.63倍和4.12倍、2.64倍和6.19倍。這是因?yàn)樽杂扇霛B條件下，隨雨強(qiáng)增大，雨滴打擊對(duì)團(tuán)聚體的破碎力度增強(qiáng)；土壤飽和與滲流條件下，土壤顆粒間的黏結(jié)力減弱導(dǎo)致大雨強(qiáng)下更易形成致密的結(jié)皮層，且徑流深度的增加在一定程度上限制了雨滴打擊對(duì)團(tuán)聚體的破碎[13]，從而削弱了雨強(qiáng)對(duì)團(tuán)聚體流失的作用強(qiáng)度。

2.2 近地表水文條件下團(tuán)聚體流失分布

不同粒徑團(tuán)聚體破碎機(jī)制的不同，將導(dǎo)致土壤團(tuán)聚體流失的差異[24-25]。侵蝕過(guò)程中＞5 mm團(tuán)聚體流失量極少，可忽略不計(jì)，說(shuō)明該粒徑團(tuán)聚體在侵蝕過(guò)程中發(fā)生了嚴(yán)重破碎。3種近地表水文條件下，＜0.25 mm團(tuán)聚體是主要的流失粒級(jí)，流失比例為49.77%～68.57%，這與平坡紅壤和黑土坡面的研究結(jié)果一致[26-27]。然而，近地表水文條件間2～5、1～2、0.5～1、0.25～0.5和＜0.25 mm團(tuán)聚體的流失比例均存在顯著差異（圖3）。其中，2～5 mm團(tuán)聚體的流失比例表現(xiàn)為滲流＞土壤飽和＞自由入滲，而1～2和0.5～1 mm團(tuán)聚體的流失比例表現(xiàn)為：土壤飽和＞滲流＞自由入滲。與自由入滲相比，土壤飽和條件下2～5、1～2和0.5～1 mm團(tuán)聚體的流失比例分別增加93.39%、121.19%和83.35%，而滲流條件下相應(yīng)增加率分別為106.35%、108.36%和46.74%。0.25～0.5和＜0.25 mm團(tuán)聚體的流失比例表現(xiàn)為：自由入滲＞滲流＞土壤飽和。土壤飽和與滲流條件下0.25～0.5 mm團(tuán)聚體的流失比例較自由入滲均顯著減少90%以上，而＜0.25 mm團(tuán)聚體的減少率僅為5.09%～20.04%?？梢?jiàn)，隨土壤飽和＞0.5 mm團(tuán)聚體的流失強(qiáng)度逐漸增大，而＜0.5 mm團(tuán)聚體的流失卻呈減少趨勢(shì)，且0.25～0.5 mm團(tuán)聚體流失的減小程度最明顯。

不同近地表水文條件下，雨強(qiáng)對(duì)各粒徑團(tuán)聚體流失比例的影響不同。自由入滲條件下，＞0.5 mm團(tuán)聚體的流失比例隨雨強(qiáng)的增加而增大，但＜0.5 mm團(tuán)聚體的流失比例呈減小趨勢(shì)，這與平坡黑土坡面的研究結(jié)果不一致[11]。土壤飽和條件下，＞0.5 mm團(tuán)聚體的流失比例隨雨強(qiáng)增加呈先增大后減小趨勢(shì)，而＜0.5 mm團(tuán)聚體的流失比例呈相反趨勢(shì)。滲流條件下，2～5、1～2和0.25～0.5 mm團(tuán)聚體的流失比例隨雨強(qiáng)增加呈先增大后減小趨勢(shì)，而0.5～1 mm和＜0.25 mm團(tuán)聚體的流失比例呈相反趨勢(shì)。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，雨強(qiáng)對(duì)2～5 mm團(tuán)聚體流失的影響最大。當(dāng)雨強(qiáng)從30 mm·h-1增加至60 mm·h-1，自由入滲、土壤飽和與滲流條件下，2～5 mm團(tuán)聚體流失比例的變化幅度分別為166.16%、165.33%和170.61%，而雨強(qiáng)從60 mm·h-1增加至90 mm·h-1相應(yīng)變化率分別為11.07%、10.49%和10.12%。這是因?yàn)?，徑流搬運(yùn)能力隨雨強(qiáng)的增加而增大，導(dǎo)致一部分大團(tuán)聚體尚未發(fā)生破碎即被搬運(yùn)，從而使其流失比例增加。

圖3 不同近地表水文條件下各粒徑團(tuán)聚體的流失比例Fig. 3 Loss percentage for each size aggregate varied soil surface hydrological conditions

2.3 近地表水文條件下團(tuán)聚體流失富集率

富集率反映了雨滴打擊和徑流對(duì)團(tuán)聚體的破壞、搬運(yùn)的最終結(jié)果[28]。通過(guò)分析各粒徑團(tuán)聚體的富集率，可了解土壤團(tuán)聚體在侵蝕過(guò)程中的分選性。3種近地表水文條件下，＜0.25 mm團(tuán)聚體的富集率大于1，說(shuō)明該粒徑團(tuán)聚體發(fā)生了富集（圖4）。而且，自由入滲與滲流條件間、自由入滲與土壤飽和間除60 mm·h-1雨強(qiáng)，＜0.25 mm團(tuán)聚體的富集率均無(wú)顯著差異。說(shuō)明土壤飽和與滲流的存在未增強(qiáng)微團(tuán)聚體的富集程度。

近地表水文條件間各粒徑大團(tuán)聚體的富集率差異顯著。自由入滲、土壤飽和與滲流條件下發(fā)生富集的大團(tuán)聚體粒徑分別為0.25～0.5、0.5～1和1～2、2～5 mm?？梢?jiàn)，隨土壤飽和，發(fā)生富集的團(tuán)聚體粒徑逐漸增大。此外，2～5 mm團(tuán)聚體的富集率表現(xiàn)為滲流＞土壤飽和＞自由入滲，滲流與土壤飽和條件下2～5 mm團(tuán)聚體的富集率較自由入滲分別增加37.46%～215.80%和67.23%～106.67%。土壤飽和與滲流條件下1～2和0.5～1 mm團(tuán)聚體的富集率均顯著高于自由入滲，增加率分別為61.83%～215.80%和23.77%～171.32%。然而，土壤飽和與滲流條件下0.25～0.5 mm團(tuán)聚體的富集率顯著低于自由入滲，減少率分別為45.07%～54.92%和56.40%～68.90%?？梢?jiàn)，土壤飽和與滲流的存在增加了對(duì)＞0.5 mm 團(tuán)聚體的搬運(yùn)能力，且導(dǎo)致了0.5～2和2～5 mm團(tuán)聚體的富集。

2.4 近地表水文條件下流失團(tuán)聚體特征指標(biāo)

近地表水文條件間流失團(tuán)聚體的MWD和GMD均表現(xiàn)為：土壤飽和＞滲流＞自由入滲（圖5）。與自由入滲相比，土壤飽和與滲流條件下的MWD分別顯著增加41.38%～62.45%和39.71%～92.37%，而相應(yīng)的GMD分別增加38.96%～52.81%和24.30%～64.64%。說(shuō)明土壤達(dá)到飽和后，流失團(tuán)聚體粒徑增大，從而導(dǎo)致團(tuán)聚體團(tuán)聚程度增強(qiáng)，進(jìn)而致使流失團(tuán)聚體穩(wěn)定性提高。自由入滲條件下流失團(tuán)聚體的MWSSA顯著高于土壤飽和與滲流，增加率分別為12.67%～19.36%和7.51%～19.81%，但土壤飽和與滲流條件間無(wú)顯著差異。說(shuō)明土壤未飽和狀態(tài)下，侵蝕泥沙中小粒級(jí)團(tuán)聚體含量較大，流失團(tuán)聚體的穩(wěn)定性較弱。然而，近地表水文條件間流失團(tuán)聚體的D差異不顯著。說(shuō)明土壤飽和與滲流的存在并未對(duì)流失團(tuán)聚體的分散度產(chǎn)生明顯影響。4個(gè)流失團(tuán)聚體特征指標(biāo)中，近地表水文條件間流失團(tuán)聚體的MWD差異最大。說(shuō)明土壤飽和與滲流條件下主要通過(guò)增強(qiáng)大團(tuán)聚體的搬運(yùn)能力來(lái)改變團(tuán)聚體的流失特征。

圖4 不同近地表水文條件下各粒徑團(tuán)聚體的富集率Fig. 4 Enrichment rate for each size aggregate varied soil surface hydrological conditions

圖5 不同近地表水文條件下流失團(tuán)聚體特征指標(biāo)Fig. 5 Characteristic indices of lost soil aggregate varied soil surface hydrological conditions

為能較好反映橫坡壟作措施不同近地表水文條件下團(tuán)聚體的流失特征，本文分析了團(tuán)聚體流失量與流失團(tuán)聚體特征指標(biāo)間的相關(guān)關(guān)系（表1）。自由入滲與土壤飽和條件下，團(tuán)聚體流失量與MWD呈顯著正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)分別為0.819和0.826；滲流條件下，團(tuán)聚體流失量與D呈顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)達(dá)0.832。表明平均重量直徑是反映橫坡壟作措施自由入滲與土壤飽和條件下團(tuán)聚體流失的重要指標(biāo)，而滲流條件下則為分形維數(shù)。

3 討 論

3.1 橫坡壟作措施下近地表水文條件對(duì)團(tuán)聚體流失的影響

自由入滲、土壤飽和與滲流代表了坡面不同部位的水分特征。滲流因易于在坡耕地和河岸侵蝕嚴(yán)重的區(qū)域出現(xiàn)，得到了廣泛重視。然而，橫坡壟作措施下，壟溝內(nèi)積水的發(fā)生和漫流的存在[14，16-17]，可能導(dǎo)致該措施下近地表水文條件對(duì)團(tuán)聚體流失的影響區(qū)別于傳統(tǒng)耕作坡面。本文研究結(jié)果表明，土壤飽和與滲流的存在增強(qiáng)了團(tuán)聚體流失強(qiáng)度，這與以往的研究結(jié)果一致[8]。但是，土壤飽和與滲流條件下團(tuán)聚體流失量分別為自由入滲條件下的1.26倍～4.12倍和2.24倍～5.22倍（圖2），顯著高于平坡措施下黑土、紫色土和紅壤坡面的模擬研究結(jié)果。An等[7]發(fā)現(xiàn)黑土坡面60 mm·h-1雨強(qiáng)下，土壤飽和與滲流條件下的流失量較自由入滲分別增加11.4%和68.1%，但自由入滲與土壤飽和間的流失量無(wú)顯著差異；崔艷平[6]認(rèn)為60 mm·h-1雨強(qiáng)下，土壤飽和與滲流條件下紫色土的流失量分別為自由入滲的1.7倍和3.1倍，而相應(yīng)紅壤流失量分別增加1.5倍和2.3倍。這是因?yàn)椋海?）橫坡壟作措施下，壟溝內(nèi)積水形成壟溝與壟面土壤的水勢(shì)梯度，且土壤飽和與滲流條件下水勢(shì)梯度差較自由入滲更為明顯[14]；（2）橫坡壟作措施下，當(dāng)積水超過(guò)壟溝內(nèi)蓄水能力時(shí)，易發(fā)生漫流，因其具有較高水頭且為股流，剪切力較強(qiáng)，可剝蝕壟面土壤，且土壤飽和與滲流條件下漫流發(fā)生時(shí)間更為短暫，從而可加大團(tuán)聚體流失強(qiáng)度。說(shuō)明，橫坡壟作措施下更應(yīng)注重坡面排水，可布置匯流型和分流型截排水溝道[28]，或者通過(guò)增加地面覆蓋（秸稈覆蓋、植物籬等）增大入滲，以便更好地開(kāi)展坡面土壤團(tuán)聚體流失防控。

土壤飽和與滲流的存在均可通過(guò)降低團(tuán)聚體抗張強(qiáng)度和土壤顆粒間的黏聚力[29]，增加團(tuán)聚體流失量，但提高土壤含水量（土壤非飽和過(guò)渡至飽和）或增加水勢(shì)強(qiáng)度（土壤飽和基礎(chǔ)上，提高水勢(shì)）對(duì)團(tuán)聚體流失的影響或許不同。本文以貢獻(xiàn)率（式（6））為量化指標(biāo)，定量評(píng)價(jià)土壤水分飽和、水勢(shì)增加對(duì)團(tuán)聚體流失的作用強(qiáng)度。其中，土壤飽和、滲流與自由入滲條件間團(tuán)聚體流失差異分別作為土壤水分飽和、滲流的貢獻(xiàn)，滲流與土壤飽和條件間的差異作為水勢(shì)差的貢獻(xiàn)。同一降雨條件下，貢獻(xiàn)率表現(xiàn)為土壤水分飽和＞滲流＞水勢(shì)差（表2）。土壤水分飽和與滲流存在的貢獻(xiàn)率較水勢(shì)差分別顯著增加2.02倍～3.71倍和1.28倍～2.51倍。表明土壤水分含量的增加對(duì)團(tuán)聚體的流失起至關(guān)重要的作用，但水勢(shì)差的提高對(duì)團(tuán)聚體流失的影響較小。這是因?yàn)椋海?）團(tuán)聚體破碎程度隨土壤前期含水率增大而減小[3]；（2）土壤達(dá)到飽和后，進(jìn)一步增加水勢(shì)可保護(hù)徑流層以下的團(tuán)聚體免于降雨打擊破壞，因?yàn)橛甑未驌魧?duì)土壤顆粒的分散只在一定徑流深度起作用，當(dāng)超過(guò)了臨界水深后土壤顆粒分散能力隨水深的增加而降低[13]；（3）水勢(shì)差的增加致使泥沙濃度增大[7]，可提高土壤顆粒碰撞的機(jī)會(huì)[12]，導(dǎo)致小顆粒在無(wú)機(jī)有機(jī)膠結(jié)劑作用下會(huì)重新團(tuán)聚在一起，進(jìn)而可削弱細(xì)顆粒的流失強(qiáng)度。

表1 流失土壤團(tuán)聚體的特征指標(biāo)與團(tuán)聚體流失量的相關(guān)關(guān)系Table 1 Correlation relationship between characteristic indices and soil aggregate loss

表2 土壤水分飽和、滲流和水勢(shì)差對(duì)團(tuán)聚體流失的貢獻(xiàn)Table 2 Contribution of soil water saturation， seepage， and water potential difference for soil aggregate loss

3.2 橫坡壟作措施下近地表水文條件對(duì)團(tuán)聚體流失分布的影響

近地表水文條件因可改變顆粒的受力方式[7，29]、徑流水動(dòng)力特性[30]，成為影響團(tuán)聚體流失的重要因子。然而，團(tuán)聚體破碎程度與團(tuán)聚體粒徑的大小密切相關(guān)[31]，粒級(jí)較小的團(tuán)聚體因內(nèi)部應(yīng)力更強(qiáng)，因此顆粒間結(jié)合的更為緊密[32]，且團(tuán)聚體的運(yùn)動(dòng)方式和輸移距離也取決于團(tuán)聚體粒徑的大小[33]。說(shuō)明近地表水文條件可導(dǎo)致不同粒徑團(tuán)聚體流失的差異，進(jìn)而致使侵蝕泥沙中團(tuán)聚體分布發(fā)生改變。

本文研究結(jié)果表明，近地表水文條件間5個(gè)粒徑團(tuán)聚體的流失比例和富集率均存在顯著差異（圖3）。但是自由入滲條件下0.25～0.5 mm團(tuán)聚體的流失比例顯著高于土壤飽和與滲流條件。這可能是因?yàn)橥寥肋_(dá)到飽和后，0.25～0.5 mm團(tuán)聚體間黏結(jié)力急劇下降，在雨滴打擊作用下更易破碎，也可能由于0.25～0.5 mm團(tuán)聚體在侵蝕過(guò)程中發(fā)生了碰撞，導(dǎo)致其破碎成＜0.25 mm團(tuán)聚體或團(tuán)聚成更大粒徑的顆粒。然而，土壤飽和與滲流條件下＜0.25 mm 團(tuán)聚體的流失比例較自由入滲分別減少11.82%～20.04%和5.09%～19.44%（圖3），且土壤飽和與滲流條件下0.25～0.5 mm團(tuán)聚體的富集率小于1（圖4）。說(shuō)明土壤飽和與滲流條件下，0.25～0.5 mm團(tuán)聚體碰撞過(guò)程中發(fā)生團(tuán)聚的可能性更大。此外，土壤飽和與滲流的存在導(dǎo)致＞5 mm團(tuán)聚體的破碎程度增強(qiáng)，從而為2～5 mm、0.5～1和1～2 mm團(tuán)聚體的流失提供了來(lái)源，進(jìn)而導(dǎo)致＞0.5 mm團(tuán)聚體的流失比例顯著高于自由入滲條件（圖3）。

土壤飽和與滲流條件下＞0.5 mm團(tuán)聚體流失比例的增加，導(dǎo)致其發(fā)生了一定的富集（圖4）。但是土壤飽和條件下，雨滴打擊主要對(duì)2～5 mm團(tuán)聚體進(jìn)行拆分，且該粒徑不易發(fā)生遷移[34]，因此僅導(dǎo)致0.5～1和1～2 mm團(tuán)聚體發(fā)生了富集；滲流條件下，壟面徑流與滲流的共同作用增大了對(duì)2～5 mm團(tuán)聚體的搬運(yùn)能力，從而導(dǎo)致其發(fā)生富集。然而，自由入滲條件下發(fā)生富集的則為0.25～0.5 mm團(tuán)聚體，但以往平坡坡面的研究表明，侵蝕泥沙中發(fā)生富集的為0.004 3～0.013 2 mm[35]或＜0.02 mm的團(tuán)聚體[36]。這是因?yàn)闄M坡壟作措施下壟溝內(nèi)的積水延長(zhǎng)了大團(tuán)聚體濕潤(rùn)時(shí)間，引發(fā)其破碎程度增大，且積水誘發(fā)的漫流為股流具有較強(qiáng)的搬運(yùn)能力。

本研究采用的土槽面積為1.6 m×1.6 m，且基于兩根土壟開(kāi)展的模擬降雨試驗(yàn)。因此，限于研究尺度的問(wèn)題，無(wú)法充分模擬坡面徑流的沖刷侵蝕過(guò)程，從而可能削弱徑流對(duì)團(tuán)聚體的搬運(yùn)能力，尤其是土壤飽和后對(duì)較大粒徑團(tuán)聚體的搬運(yùn)。此外，野外田間壟溝在偏離等高線的情形下，雨水可能會(huì)在壟溝內(nèi)低洼區(qū)域匯聚也可能沿著壟溝向兩側(cè)蔓延，后者會(huì)延長(zhǎng)漫流發(fā)生時(shí)間，進(jìn)而可削弱團(tuán)聚體的流失強(qiáng)度。因此，為進(jìn)一步探明近地表水文條件對(duì)團(tuán)聚體流失的影響，還需結(jié)合野外田間多壟情形下的徑流觀測(cè)試驗(yàn)。

4 結(jié) 論

基于橫坡壟作坡面，利用可同時(shí)調(diào)節(jié)壟向和坡面坡度的土槽開(kāi)展室內(nèi)模擬降雨試驗(yàn)，研究了自由入滲、土壤飽和與滲流3種近地表水文條件下團(tuán)聚體的流失特征，主要結(jié)論如下：與自由入滲相比，土壤飽和與滲流條件下的團(tuán)聚體流失量分別顯著增加0.26倍～3.12倍和1.24倍～4.22倍，且改變土壤飽和狀態(tài)較增加水勢(shì)更能顯著增強(qiáng)團(tuán)聚體流失。土壤飽和與滲流的存在使＞0.5 mm 團(tuán)聚體的流失比例和富集率分別增加46.74%～121.19%和23.77%～215.80%，且分別增大了0.5～2和2～5 mm 團(tuán)聚體的富集程度。然而，土壤飽和后0.25～0.5 mm團(tuán)聚體流失比例和富集率分別減少90%以上和45.07%～68.90%，這主要是因?yàn)?.25～0.5 mm團(tuán)聚體在侵蝕過(guò)程中發(fā)生了團(tuán)聚。表征流失團(tuán)聚體的 4個(gè)指標(biāo)中（MWD、GMD、MWSSA和D），近地表水文條件間MWD的差異最大，且MWD是反映自由入滲與土壤飽和條件下團(tuán)聚體流失的重要指標(biāo)，而滲流條件下則為D。此外，團(tuán)聚體流失量隨雨強(qiáng)的增加而增大，且該影響在自由入滲條件下體現(xiàn)的最明顯，尤其是對(duì)2～5 mm團(tuán)聚體。