不同坡度下侵蝕性降水對土壤理化性質的影響

陳鳳 潘政 翟亞明 張帥

［關鍵詞］ 土壤侵蝕；侵蝕性降水；坡度；徑流小區；土壤理化性質

［摘 要］ 土壤侵蝕是全球性環境災害之一，嚴重影響土地利用效率?；谝巴鈴搅餍^觀測和室內試驗分析，研究不同坡度條件下土壤侵蝕對土壤理化性質的影響。結果表明：①侵蝕性降水占所有降水比例較低，但貢獻了大部分降水量，約32.84%的侵蝕性降水貢獻了76.52%的降水量；侵蝕性降水場數和降水量呈季節性波動，高峰期集中在1月和6—9月。②坡度是影響土壤侵蝕的關鍵因素之一，土壤侵蝕模數與坡度呈正相關，坡度較大的小區出現土體崩塌，底部土壤流失量明顯大于頂部，其中E、F、G小區為輕度侵蝕區，A、B、C小區為劇烈侵蝕區。③坡度對土壤理化性質有不同程度的影響，土壤機械組成表現為黏粒占比變化較小，坡度較大小區易被沖刷；坡度較大時，粉粒受水力侵蝕影響更大，更容易發生水土流失；土壤體積含水率波動幅度與坡度呈正相關，土壤保水性能與坡度呈負相關，坡面土壤含水率大小基本符合底部＞中部＞頂部的規律；土壤含鹽量的變化較為復雜，需進一步研究。

［中圖分類號］ S157[文獻標識碼] ADOI：10.3969/j.issn.1000-0941.2024.03.014

［引用格式］ 陳鳳，潘政，翟亞明，等.不同坡度下侵蝕性降水對土壤理化性質的影響[J].中國水土保持，2024（3）：55-60.

土壤侵蝕是全球性的環境災害之一，國內外許多學者和專家對土壤侵蝕及其影響因子進行了大量、廣泛而較深入的觀測和研究^[1-5]。土壤侵蝕是導致土壤理化性質退化的主要驅動力之一，在短期內會造成土壤水分的損失，長期會造成土壤水分有效性的降低，進而增加農田生態系統的土壤干旱程度^[6-8]。土壤侵蝕還會改變其他土壤理化性質，例如土壤顆粒組成、密度、團聚體分布和飽和導水率等^[9-11]。土壤侵蝕是多種自然因素與社會因素共同作用的結果，降水則是自然因素中導致土壤侵蝕的主要動力。游微等^[12]認為粗質地土壤前期含水量和坡度顯著影響坡地土壤侵蝕過程和總量。蔣芳市等^[13]認為隨著雨強和坡度的增大，泥沙粗顆粒含量及粗顆粒的富集率均增加。張華等^[14]認為土壤侵蝕強度與坡度、降水量和雨強均呈正相關。這些研究從不同角度探究了土壤理化性質、土壤侵蝕和降水之間的關系，但涉及坡度的研究并不多。本研究利用野外徑流小區試驗，分析不同坡度下侵蝕性降水對土壤理化性質的影響，探究徑流小區坡面侵蝕過程中土壤理化性質的變化過程，以期為揭示不同坡面土壤侵蝕機理提供參考。

1 研究區概況

試驗區位于江蘇省鹽城市東臺市沿海新圍墾區。東臺市位于江蘇省中部沿海地區、鹽城市南部，地理位置為120°07′～120°53′E、32°33′～32°57′N，境內主要地區的海拔為2.6～4.6 m。該地區地處北亞熱帶，氣候特點為雨熱同期，年降水量充沛，但年內分布不均，主要集中在5—9月。東臺市的海岸帶屬于粉沙淤泥質海岸，擁有悠久的圍墾歷史。海岸線全長85 km，擁有豐富的泥沙來源，沿海灘涂面積為1 040 km²，占江蘇省灘涂資源總面積的22%。該地區的灘涂資源仍以每年4.0～6.7 km²的速度向海域淤積擴展^[15]。

2 研究方法

2.1 試驗設計

在試驗區共設置7個徑流小區，包括3個標準小區和4個微型小區。根據《水土保持試驗規程》（SL 419—2007）及徑流小區試驗研究^[16-22]，坡度分別設置為45.0°、35.0°、26.5°、15.0°、5.0°、2.0°、1.0°，均為撂荒地^[23-24]。為方便記錄，依次記錄為A、B、C、D、E、F、G區。同時，在各徑流小區四周砌筑楔形保護墻，防止客水對試驗產生影響；在各徑流小區底部設置集流槽，通向采集槽，方便在集水池中收集徑流及泥沙。其中A、B、C、D區的采集槽體積均為0.7 m³（1.0 m×1.0 m×0.7 m），E、F、G區采集槽體積為7.2 m³（2.0 m×2.0 m×1.8 m）。集水池下端設有排水閥，便于測后排水。徑流小區布置見圖1。

2.2 試驗方法

1）次降水的劃分依據。降水間隔時間超過6 h或連續6 h降水量不足1.2 mm的降水情況，視為兩次降水事件，否則看作一次降水事件。在所有次降水中，只有部分降水會導致地表徑流的產生，進而引起土壤流失，這部分降水稱為侵蝕性降水。通常將發生土壤侵蝕和不發生土壤侵蝕現象的臨界雨強稱為侵蝕性降水標準。本研究采用次降水量達到10.8 mm或者最大30 min雨強達到7.6 mm/h作為試驗區發生土壤侵蝕的臨界雨強^[25-28]。

2）土壤含水率的測定。使用TDR土壤水分測定儀，在一個徑流小區內共測定9個土壤含水率數據，取其平均值作為該徑流小區的土壤含水率測定結果。每周至少測定1次，降水事件后進行加測。

3）土壤含鹽量測定。使用Procheck含鹽量測定儀現場測定土壤含鹽量，每個徑流小區測定9個土壤含鹽量數據，取其平均值作為該徑流小區的土壤含鹽量測定結果。每周測定1次，降水事件后加測。

4）土壤顆粒級配分析。使用馬爾文MS3000型激光粒度儀測定，隨機在小區頂部、中部和底部各選擇1個位置采集土樣，充分混合土樣后，在試驗室測定3次該土樣的顆粒級配，取其平均值作為測定結果。試驗初期、末期各測1次。

5）泥沙流失量測定。在各小區集水池內水流即將滿溢時，取出集水池內的泥沙，自然風干并稱量。

3 結果與分析

3.1 研究區侵蝕性降水特征分析

對2019年東臺市降水量資料進行篩選，結果見表1。由表1可知，2019年共計67場降水，其中侵蝕性降水22場，占比32.84%，侵蝕性降水量為440.2 mm，占全年降水量的76.52%，說明侵蝕性降水場數占比較小，但對降水量貢獻極大。侵蝕性降水年內分布特征見圖2。侵蝕性降水場數在不同月份之間存在差異，月均侵蝕性降水場數為1.8場，總體上呈現出一定的季節性波動。侵蝕性降水量也在不同月份之間呈現波動變化，月平均侵蝕性降水量為36.7 mm。其中：1月為60.5 mm；2—5月侵蝕性降水量較小，范圍為0～14.5 mm；6—9月侵蝕性降水量增大，其中8月的侵蝕性降水量最大，為150.0 mm；10—11月侵蝕性降水量減小，12月略微上升至26.0 mm。

總體上，侵蝕性降水量呈現季節性波動，高峰期集中在1月和6—9月。

3.2 不同坡度小區土壤侵蝕情況分析

通過計算，各個徑流小區的土壤侵蝕模數見表2。由表2可知，坡度較大的小區（A、B、C區）的土壤侵蝕模數明顯大于坡度較小的小區（D、E、F、G區），且土壤侵蝕模數與坡度呈正相關，說明較大的坡度會導致更嚴重的土壤侵蝕。由前人研究可知^[29-30]，通常使用坡面徑流流速來表示徑流的挾沙能力。不同坡度下徑流流速不同，較大的坡度會增加徑流速度，水流對土壤的沖刷力更強，土壤更易被侵蝕和剝離。不同坡度徑流小區土壤侵蝕情況見圖3。

觀察不同小區侵蝕情況，A區和B區的坡腳出現土體崩塌現象，在同一水平高度的土壤流失量分布并不均勻；C、D、E、F、G區的土坡坡腳未出現崩塌現象，土體坡面仍大致是一個平面，但坡腳位置明顯向內收，底部的土壤流失量明顯大于頂部，其中C區因徑流而形成侵蝕水道，在各個徑流小區中，僅C區出現了因徑流沖刷形成的侵蝕水道，其坡腳位置較其他小區的坡腳位置更加靠后，具體形成原因需作進一步研究。

對照土壤侵蝕強度劃分標準，E、F、G區試驗期內土壤侵蝕模數小于2.50 kg/m²，為輕度侵蝕區；D區試驗期內土壤侵蝕模數大于8 kg/m²且小于15 kg/m²，為極強烈侵蝕區；A、B、C區試驗期內土壤侵蝕模數大于15 kg/m²，為劇烈侵蝕區。

3.3 坡度對土壤機械組成的影響

不同坡度下坡面降水、徑流強度不同，因此試驗末期相比初期土壤機械組成在不同坡度下的分布特征不同，見表3和圖4。在A區和B區，土壤中的黏粒占比呈現明顯減小趨勢；相比之下，C、D、E、F、G區的黏粒占比略有增大或基本保持穩定。A區粉粒的占比減小，其余小區均呈增大趨勢。A區砂粒占比呈增大趨勢，而其余小區均呈減小趨勢。這表明坡度較小時，由于黏粒的比表面積較大，有很強的黏著性，因此侵蝕過程對黏粒起的分選作用很小，而砂粒因自身質量較大，更容易在重力作用下沿坡面發生較長距離的遷移，導致土壤中砂粒含量減少；但在較大的坡度下，徑流量和流速增大，對較小的顆粒影響更大，使得黏粒和粉粒更容易被沖刷，從而導致黏粒和粉粒的占比減少，而較大、較重的砂粒在坡面上留存的可能性更大。盡管砂粒也會沿坡面發生一定程度的遷移，但相對于更輕的顆粒在沖刷過程中更可能留存，導致A區的黏粒和粉粒占比減小，砂粒占比相對增加，而相較于黏粒，粉粒的粒徑更小，所以比例減小更為明顯，說明大坡度下粉粒受水力侵蝕影響更大，更容易發生流失。

3.4 坡度與降水量對土壤含水率的影響

選擇汛期（5—10月）共17場降水事件進行降水對土壤含水率和含鹽量影響的研究，小區土壤體積含水率變化見圖5。觀察降水事件和土壤體積含水率之間的關系，當降水量較大時，各個徑流小區的土壤體積含水率普遍增大，降水量較大的日期（如6月7日、6月27日、7月7日、8月13日和8月31日）通常伴隨著土壤體積含水率增大。觀察坡度和土壤體積含水率之間的關系，發現坡度較大的小區（如A區和B區）土壤體積含水率波動幅度較大，而坡度較小的小區（如F區和G區）土壤體積含水率變化相對平緩。這表明坡度較大的區域容易發生徑流和土壤侵蝕，水分較快地流失或排泄，導致土壤體積含水率的變化更加劇烈。坡度為1.0°的G區中土壤含水率普遍大于其余各區，而坡度為45.0°的A區中土壤含水率普遍小于其余各區。說明在相同的土壤和氣候條件下，G區能留存更多的水分，其土壤保水性最好，而A區土壤保水性最差。

具體分析各小區不同位置的含水率關系，以F區為例。將F區土壤含水率測定結果按測點所在高度進行分類，比較頂部、中部、底部的含水率情況（見圖6）。

由圖6可知，在試驗期間，F區的土壤含水率整體呈現波動變化趨勢，受降水量的影響較大。在降水量較大的日期，如6月7日、6月27日和8月13日，底部的土壤含水率和中部、頂部大致相同，隨著觀測時間的推移，土壤含水率的大小基本符合底部＞中部＞頂部的規律。說明在降水情況下，土壤各部分的土壤含水量趨于飽和，含水率大致相同，但在連續的干燥天氣下，水分受重力作用自然下滲，導致中部和底部含水率偏高。

3.5 坡度與降水量對土壤含鹽量的影響

各徑流小區土壤含鹽量變化見圖7。通過對比土壤含鹽量和降水量數據可以發現，降水量較大的日期往往伴隨著土壤含鹽量的減小，尤其是大雨事件后。原因是降水可以沖刷土壤表層的鹽分，使其被稀釋或進入地下，產生淋鹽現象。6月7—27日降水量較少且處于夏季，土壤中水分大量蒸發，土壤深層的鹽分溶于水后因毛細管作用聚集在地表，產生返鹽現象，導致土壤含鹽量增大，而其對坡度變化的敏感性較弱，具體變化特征需作進一步研究。

4 結論

1）侵蝕性降水場數在所有降水中占比較低，但對降水量貢獻極大。占比32.84%的侵蝕性降水貢獻了76.52%的降水量。侵蝕性降水場數與侵蝕性降水量均呈現出季節性波動，高峰期集中在1月和6—9月。

2）坡度是影響土壤侵蝕的關鍵因素之一，土壤侵蝕模數與坡度呈正相關，說明較大的坡度會導致更嚴重的土壤侵蝕情況，增加水土流失的風險。坡度較高時（A區和B區），坡腳出現土體崩塌現象，且底部的土壤流失量明顯大于頂部。在各個徑流小區中，僅C區出現了因徑流沖刷形成的侵蝕水道，其坡腳位置較其他小區的坡腳位置更加靠后。對照土壤侵蝕強度劃分標準，E、F、G區為輕度侵蝕區，D區為極強烈侵蝕區，A、B、C區為劇烈侵蝕區。

3）坡度對土壤理化性質均有不同程度的影響。土壤機械組成的變化特征主要表現為：黏粒的占比變化較小，坡度較小時其占比略微增大，坡度較大時黏粒更容易被沖刷；在大坡度下，粉粒受水力侵蝕影響大，更容易發生流失。土壤體積含水率和土壤保水性的變化特征主要表現為：土壤體積含水率波動幅度與坡度呈正相關，土壤保水性與坡度呈負相關，坡度越大，體積含水率波動幅度越大，土壤保水性則較差；同一坡度下，土壤含水率的大小基本符合底部＞中部＞頂部的規律。土壤含鹽量的變化特征主要表現為：在降水量較大的日期往往伴隨著土壤含鹽量的下降。土壤含鹽量在不同坡度下的變化特征更加復雜，需進一步進行研究。

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收稿日期： 2023-11-22

基金項目： 江蘇省水利科學研究院自主科研經費專項資金項目（2022z019）;江蘇省水利科技項目（2018048）；國家自然科學基金資助項目（31400617，52309044）

第一作者： 陳鳳（1980—），女，江蘇南京人，高級工程師，碩士，主要從事水土資源高效利用與保護方面研究工作。

通信作者： 翟亞明（1982—），男，江蘇南京人，副教授，博士，主要從事水土資源規劃、高效灌排理論與技術研究工作。

E-mail： hearoalt@163.com

（責任編輯 楊傲秋）