不同降雨条件下沂蒙山区耕层土壤团聚体特征

王月月, 吴元芝, 范雯华, 丁文雪, 魏 玮

(山东省水土保持与环境保育重点实验室, 临沂大学 资源环境学院, 山东 临沂 276000)

土壤是一个复杂多变的三相体系，受人为及自然因素的影响，土壤的结构、形态和物理特性呈动态变化[1]。大量研究表明，耕作方式、机械压实、降雨、冻融过程、根系生长和土壤生物活动等都在不同程度上引起土壤结构的变化[1-3]。土壤结构具有很强的时空变异特征，耕作后土壤结构内部会发生改变[4-5]，直接影响土壤渗透性、透气性、根系穿透阻力和机械强度等物理性质，对土壤物理、化学和生物过程有着重要的影响[6-7]。因此，良好的土壤结构是作物生长和农业可持续发展的重要保障。

降雨作为影响土壤结构的因素之一，是农业生产中经常面临的实际田间环境。土壤团聚体是土壤结构的基本组成单位[8-9]，且土壤水稳性团聚体数量和稳定性是影响土壤抗侵蚀性的重要因素[10]。降雨过程中雨滴打击、雨水的湿润及径流泥沙搬运等作用会对团聚体产生影响[11-13]。作为描述降雨特征的重要参数，降雨强度和时长对土壤团聚体的影响至关重要[14]。目前，许多研究者研究了降雨对坡面侵蚀过程中土壤团聚体及稳定性的影响[14-16]。对于坡面土壤，随降雨强度和降雨时长的增加，受雨滴打击和雨水湿润及径流的影响，表土大团聚体会破碎成细小颗粒[12-13,17]，降低了团聚体的稳定性，土壤团聚体发生迁移[18-19]，土壤抗侵蚀能力减弱[20]。而降雨对耕作层土壤团聚体影响的研究相对较少，尤其是在北方土石山区水力侵蚀较严重的沂蒙山区。该区土壤结构松散，且夏季降雨以暴雨方式居多，耕层土壤经历不同强度和时长的降雨过程，土壤团聚体特征发生变化，进而影响土壤结构[21-23]。目前关于沂蒙山区耕层土壤侵蚀过程的研究非常薄弱，不同降雨特征下耕层土壤团聚体时空变异特征的研究更是鲜见报道。本研究以该区典型土壤类型褐土为研究对象，人工模拟不同降雨强度和时长，分析不同降雨特征下不同土层土壤团聚体变化特征，以期为改善沂蒙山区耕层土壤结构、提高土壤抗侵蚀性提供重要的理论指导。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试土壤取自山东省临沂市郊区(35.13°N，118.30°E)20 cm的耕层土。该区域以种植玉米—小麦为主，土壤类型为沂蒙山区典型土壤褐土，质地为粉壤土，其基本理化性质见表1。土壤机械组成利用激光粒度仪测定，土壤容重利用环刀法测定，pH值采用酸度计测定(水土比为2.5∶1)，有机质利用重铬酸钾加热法得到。土壤样品风干后沿自然节理将其掰成3～4 cm的土块，以保持原有的土壤结构[8]。试验于2019年7—8月在山东省水土保持与环境保育研究所人工模拟降雨大厅开展。降雨设备为压力垂直下喷式模拟降雨器，雨滴能量较大，既有较强的抗风能力，又接近自然降雨，降雨均匀系数>0.85。试验所用土槽为长85 cm、宽60 cm、高43 cm的塑料箱。

表1 供试土壤基本理化性质

1.2 试验设计与步骤

本研究共设计3个降雨强度(16 mm/h，43 mm/h，71 mm/h)，每个降雨强度下设置3个降雨时长(10 min，30 min，60 min)，共9个处理，每个处理3个重复。

试验前将供试土壤样品分层填装到塑料箱，每5 cm为一层，每填装一层土，用1 cm厚的木板抓毛土壤表面以防止发生分层现象。填装土壤分为两层，底层模拟犁底层，深度为20 cm，填装土壤容重为1.35 g/cm3；犁底层以上模拟耕层，深度为20 cm，填装土壤容重为1.20 g/cm3。为保证模拟降雨过程试验土箱有良好的透水性，在试验箱底部均匀打孔。正式开始降雨试验之前设定雨强，达到试验雨强要求后开始降雨试验。当雨强降雨试验结束后静置，待接触不变形时分三层(0—5 cm，5—10 cm和10—20 cm)取样，样品自然风干后称重。

1.3 指标测定及数据分析

1.3.1 土壤团聚体测定 分别采用干筛法和湿筛法测定土壤团聚体。干筛：将风干土样依次通过孔径为5，2，1，0.5，0.25 mm的土筛装置进行干筛，左右平行震荡60下，称重每一孔径土筛上的土壤。湿筛：依据干筛后每一孔径下的土壤样品所占比例配置100 g土壤样品。将配好的土样倒入团聚体分析仪套筛最上部(套筛孔径自上而下依次为5，2，1，0.5，0.25 mm)，沿桶壁缓慢加入去离子水直至没过土样，浸泡5 min，然后以30次/min的频率震荡30 min，收集各级土筛内的土样于铝盒中，烘干后称重，每个处理重复3次。

1.3.2 土壤团聚体稳定性评价指标 平均重量直径(mean weight diameter，MWD)是评价土壤团聚体稳定性最重要的指标，MWD值越大，说明土壤团聚体的稳定性越大，土壤抗侵蚀能力也越强。本研究通过计算降雨后团聚体的MWD来反映土壤团聚体的破碎情况，同时表征降雨侵蚀过程中团聚体的迁移特征。

MWD的计算公式如下：

式中:Xi为筛分出来的i粒级团聚体的平均直径；wi为i粒级团聚体的相应重量占土壤样品干重的分数。

测定所得数据利用Excel处理，并采用SPSS 18.0软件进行差异显著性分析。

2 结果与分析

2.1 供试土壤中团聚体组成

由表2得出，干筛法测定的>0.25 mm的土壤团聚体含量达到79.19%，且以>5 mm粒级为主。湿筛后土壤团聚体以<0.25 mm为主，达到50.23%，是干筛处理下的2.41倍；湿筛后>0.25 mm的团聚体为49.77%。湿筛后>5 mm粒级团聚体含量仅为1.88%，比干筛处理降低21.29%；<1 mm粒级团聚体含量呈增加趋势，0.25～0.5 mm粒级团聚体是干筛处理的1.69倍，以上数据说明湿筛处理下>5 mm粒级团聚体受雨滴打击和湿润的拆分作用转化为小粒级团聚体。

表2 供试土壤团聚体组成

通过计算干筛和湿筛处理下土壤团聚体的MWD可得出，湿筛后土壤团聚体的MWD低于干筛处理，相比干筛处理降低63%，土壤团聚体稳定性下降。

2.2 不同降雨时长下土壤团聚体特征

当降雨强度为16 mm/h，降雨时长为10 min时，湿润土层深度小于5 cm，因此只测定了0—5 cm土层团聚体含量。由图1可以得出，各降雨时长下各土层>5 mm粒级土壤团聚体所占比例最小，<0.25 mm土壤团聚体所占比例最高。随土层深度的增加，<0.25 mm土壤团聚体含量逐渐减少。在0—5 cm土层，随着降雨时长的增加，<0.25 mm土壤团聚体含量逐渐增加。降雨时长为10 min时，0—5 cm土层>5 mm及2～5 mm的土壤团聚体含量比供试土壤分别减少了37%和49%；1～2 mm，0.5～1 mm，0.25～0.5 mm及<0.25 mm粒级的团聚体均呈增加趋势，其中1～2 mm粒级的团聚体增加比例最高，达到33%。当降雨时长由10 min增加到30 min时，0—5 cm，5—10 cm和10—20 cm土层中>5 mm和2～5 mm粒级的团聚体含量均呈减少趋势，其中2～5 mm粒级的团聚体减少幅度最大，比供试土壤分别减少了61%，53%和57%。<1 mm团聚体含量增加，以1～2 mm粒级团聚体增加为主。当降雨时长由30 min增加到60 min时，各土层大团聚体含量继续降低，微团聚体含量增加。表明，随着降雨时长的增加，各土层各粒级团聚体含量逐渐发生变化，大团聚体含量减少，微团聚体含量增加，且在0—5 cm土层表现更明显。进一步分析发现，0—5 cm土层>5 mm粒级的团聚体含量在30 min和60 min降雨时长下相近。说明，16 mm/h降雨强度下，0—5 cm土层>5 mm土壤团聚体含量在30 min降雨时长后趋于稳定。

图1 降雨强度为16 mm/h时不同降雨时长下不同土层各粒级团聚体组成

当降雨强度为43 mm/h时，除降雨时长10 min时的10—20 cm土层，其他降雨时长及土层下<0.25 mm粒级团聚体含量均增加(图2)。表明，当降雨达到一定时长后，较深土层团聚体含量才开始发生变化。降雨时长为10 min时，0—5 cm和5—10 cm土层>2 mm团聚体明显减少，<0.25 mm粒级团聚体含量所占比例增加，在0—5 cm土层含量最高，达到58.30%。当降雨时长增加到30 min时，<0.25 mm粒级团聚体在5—10 cm土层含量最高。降雨时长为60 min时，<0.25 mm粒级团聚体在10—20 cm土层含量最高。说明，随着降雨时长的增加，>0.25 mm的各粒级团聚体含量减小，而<0.25 mm粒级团聚体含量增加，且<0.25 mm粒级团聚体含量最高值所在的土层深度逐渐增加，微团聚体随雨水向下迁移。

图2 降雨强度为43 mm/h时不同降雨时长下不同土层各粒级团聚体组成

当降雨强度为71 mm/h时，随着降雨时长的增加，>5 mm土壤团聚体含量明显减少，<0.25 mm的土壤团聚体明显增多(图3)。降雨时长为10 min时，10—20 cm土层<0.25 mm的土壤团聚体含量为49.95%，当降雨时长增加到60 min时，<0.25 mm的土壤团聚体含量变为75.51%，增加了51%。表明，雨滴的打击和湿润促使大团聚体转化为微团聚体，并随雨水的入渗向下迁移。与供试土壤相比，3个降雨时长下 0—5 cm土层>5 mm土壤团聚体含量分别降低了80%，95%和93%，<0.25 mm的土壤团聚体分别增加了27%，46%和42%，30 min和60 min降雨时长下>5 mm土壤团聚体含量差异变化不大。说明，降雨30 min后，各土层>5 mm土壤团聚体含量趋于稳定。

图3 降雨强度为71 mm/h时不同降雨时长下不同土层各粒级团聚体组成

2.3 不同降雨强度下土壤团聚体特征

通过对比图1—3可以得出，同一降雨时长下，随着降雨强度的增加，3个土层<0.25 mm的土壤团聚体含量均表现出增加的趋势，>5 mm的土壤团聚体均表现出降低的趋势。不同降雨强度下耕层土壤团聚体分布不同，降雨强度越大，对团聚体影响越大，在0—5 cm土层表现最明显。

降雨时长10 min时，当降雨强度由16 mm/h增加到43 mm/h，0—5 cm土层>5 mm和2～5 mm粒级团聚体所占比例降低，<2 mm的土壤团聚体含量增加，且以1～2 mm团聚体增加为主。5—10 cm土层土壤团聚体含量在43 mm/h降雨强度下才开始出现变化，变化趋势与0—5 cm土层一致，但以2～5 mm粒级团聚体增加为主。由于湿润土层深度小于10 cm，10—20 cm土层团聚体含量在16，43 mm/h降雨强度下没有发生变化。当降雨强度增加到71 mm/h时，0—5 cm土层>0.5 mm的各粒级土壤团聚体均降低，其中>5 mm的土壤团聚体所占比例降到0.37%，明显低于前两个降雨强度；0.25～0.5 mm土壤团聚体相比前两个降雨强度分别增加了0.78%和2.28%，<0.25 mm的土壤团聚体增加了9.95%和5.47%。表明，随着降雨强度的增加，雨滴打击和雨水湿润作用增强，受影响土层深度增加，>5 mm的土壤团聚体所占比例降低，微团聚体含量增加。

降雨时长为30 min时，与供试土壤相比，16 mm/h降雨强度下，>5 mm和2～5 mm粒级团聚体所占比例减少，且减少比例为22%～61%，而1～2 mm粒级土壤团聚体所占比例增加最多；降雨强度由16 mm/h增加到43 mm/h时，>5 mm和2～5 mm粒级团聚体含量继续减少，且0—5 cm土层1～2 mm粒级土壤团聚体含量也开始减少，说明1～2 mm粒级土壤团聚体破碎为小粒级团聚体或向下迁移。降雨强度继续增加到71 mm/h时，>0.5 mm的各粒级土壤团聚体含量均呈减少趋势。说明，30 min降雨时长下，随降雨强度增加，>2 mm粒级的大团聚体含量逐渐减少，<0.25 mm粒级土壤团聚体含量逐渐增多，且土壤团聚体受影响土层由0—5 cm土层逐渐向下扩展。

降雨时长为60 min时，在3种降雨强度下，0—5 cm土层土壤团聚体含量变化趋势一致：>0.5 mm的各粒级土壤团聚体含量减少，<0.5 mm粒级土壤团聚体含量增加。降雨强度为16 mm/h时，5—10 cm和10—20 cm土层以<2 mm粒级土壤团聚体含量增加，且以1～2 mm粒级土壤团聚体含量增加为主；降雨强度增加到43 mm/h时，5—10 cm土层<1 mm粒级土壤团聚体含量开始增加。雨强增加到71 mm/h时，<0.25 mm粒级土壤团聚体含量增加了25%，>0.25 mm的各粒级土壤团聚体均呈减少趋势，且以2～5 mm粒级团聚体含量减少为主，为11%。说明此降雨时长下，随降雨强度的增加，土壤团聚体含量差异主要体现在5—10 cm和10—20 cm土层。

2.4 土壤团聚体稳定性

土壤团聚体是土壤结构的基本单元，土壤团聚体的稳定性与土壤养分流失密切相关，MWD是评价土壤团聚体稳定性的最重要指标，MWD值越大，说明土壤团聚体的稳定性越大，土壤抗侵蚀能力也越强。

在降雨强度相同时，随着降雨时长的增加，土壤团聚体稳定性发生改变，且不同土层表现不一致(图4)。降雨强度为16 mm/h，降雨时长为10 min时，湿润土层深度小于5 cm，土壤团聚体的MWD在0—5 cm土层变化较大，与供试土壤相比，由0.84 mm降到0.64 mm，其他深度MWD无变化。降雨时长增加到30 min时，各土层MWD均有所降低，相比降雨时长10 min的MWD分别降低13%，19%和27%。降雨时长继续增加到60 min时，0—5 cm和5—10 cm土层的MWD比降雨时长30 min的MWD分别降低14%和21%，但在10—20 cm土层变化不大。说明30 min和60 min降雨时长下10—20 cm土层土壤团聚体稳定性一致。降雨强度为43 mm/h时，在10 min降雨时长下，0—5 cm和5—10 cm土层MWD比供试土壤分别降低36%和31%，10—20 cm土层无变化。降雨时长为30 min时，相比10 min降雨时长，各土层MWD均显著降低。当降雨时长达到60 min时，0—5 cm和5—10 cm土层MWD与30 min降雨时长差异较小，但10—20 cm土层团聚体MWD进一步减小。表明，30 min降雨时长后，0—5 cm和5—10 cm土层土壤团聚体稳定性趋于一致。降雨强度为71 mm/h，降雨时长10 min时，各土层团聚体MWD均显著降低，相比供试土壤分别降低49%，37%和27%。降雨时长增加到30 min时，各土层团聚体MWD均呈降低趋势，且在0—5 cm和5—10 cm土层显著降低。当降雨时长达到60 min时，各土层团聚体MWD值趋于一致。与30 min降雨时长相比，5—10 cm和10—20 cm土层团聚体MWD均显著降低。表明，30 min降雨时长后，仅0—5 cm土层土壤团聚体稳定性趋于一致。

注：大写字母表示同一土层和降雨强度下不同降雨时长各指标在p<0.05水平上差异显著性，小写字母表示同一土层和降雨时长下不同降雨强度各指标在p<0.05水平上差异显著性。

降雨时长一致，随着降雨强度的增加，土壤团聚体的MWD也会发生变化。降雨时长10 min下，雨强由16 mm/h增加到43 mm/h时，0—5 cm和5—10 cm土层团聚体MWD显著降低，降低比例达到16%和31%。当降雨强度增加到71 mm/h时，10—20 cm土层团聚体的MWD也开始发生变化，且相比前两个雨强显著降低。表明随降雨强度的增加，较深土层土壤团聚体稳定性逐渐发生显著变化。降雨时长30 min时，各雨强下各土层的MWD均呈降低趋势，其中16 mm/h和43 mm/h两个雨强下的10—20 cm土层MWD差异不显著，其余土层MWD均随雨强增大呈显著性变化。降雨时长60 min，16 mm/h和43 mm/h两个雨强下0—5 cm土层MWD的值分别为0.48，0.45 mm，差异不显著，而71 mm/h雨强下的值为0.32 mm，显著降低。在5—10 cm土层，随雨强强度增加，MWD显著降低。在10—20 cm土层，43，71 mm/h两个雨强下的MWD差异不显著，但均与16 mm/h雨强下的MWD存在显著差异。说明，雨强介于43～71 mm/h，土壤团聚体稳定性差异不显著。

3 讨 论

(1)土壤团聚体组成测定方法分析。土壤团聚体按大小可以分为大团聚体(直径>0.25 mm)和微团聚体(直径<0.25 mm)，按其抵抗水分散力的大小，可分成水稳性团聚体和非水稳性团聚体。相比非水稳性团聚体，土壤水稳性团聚体对土壤侵蚀影响较大，能够反映土壤潜在抵抗水力侵蚀的能力，是制约土壤结构稳定性的重要因子，因而更为重要[8,10]。干筛处理下所得到的团聚体是临时的稳定性团聚体，湿筛处理后团聚体则表现为水稳性团聚体，团聚体内闭蓄空气爆破所引起的破坏作用(即消散作用)和外力的机械作用的共同作用是湿筛处理下团聚体破碎的主要原因。正是由于团聚体破碎方式的不同，导致干筛和湿筛方法处理下团聚体MWD差异较大[8]。

(2)不同降雨特征对土壤团聚体分布的影响。不同降雨特征对土壤团聚体分布的影响不同。卢嘉等[8]研究发现，随着降雨强度和时长的增强，微团聚体的含量增加，且随雨水迁移。本研究结果也得出，随着降雨时长和强度的增加，小团聚体和微团聚体数量增加。这主要是因为随着降雨时长和强度增加，雨滴动能增强，对土壤大团聚体的拆分作用增强，导致土壤团聚体破碎程度增大，较大的团聚体转化为小团聚体和微团聚体。在相同降雨强度下，降雨时长为10 min时，大的团聚体转化为小团聚体和微团聚体的现象仅在0—5 cm土层表现较为明显，主要是因为降雨初期雨滴对土壤地表的作用较强；随着时间推移，团聚体的破碎程度增强[24]，在30，60 min降雨时长下，各土层土壤团聚体均表现出大团聚体转化为小团聚体和微团聚体的现象，且随降雨强度增大，微团聚体含量增多并逐渐向深土层迁移。在相同降雨时长下，整个耕层>5 mm粒级的土壤团聚体含量随降雨强度的增加而减少，在降雨初期降低最大，10 min降雨时长下团聚体含量降低3.16%；而<0.25 mm的土壤团聚体含量随降雨强度的增加而增加，在60 min降雨时长下增加了60.83%，且深土层含量大于表土层。土壤侵蚀过程中，团聚体的迁移主要受两方面的综合影响：一方面随着雨强增加，雨滴打击裸露的土壤地表，对土壤结构的破坏作用增强，土壤的破碎程度增大[8,25-26]，导致>5 mm粒级的土壤团聚体破碎为粒径小的团聚体[27]，且雨水的润湿作用也会促使土壤大团聚体快速崩解，变成小团聚体；另一方面，受雨水重力的作用，部分土粒向下迁移。本研究结果与卢嘉[8]、安娟[18]等的研究结果一致：团聚体的迁移是团聚体破碎和径流搬运的耦合结果。本研究中径流搬运作用主要是地下径流，而卢嘉[8]和安娟[18]等的研究中主要为地表径流。

(3)不同降雨特征对土壤团聚体稳定性的影响。基于前人研究结果，团聚体破碎呈现“两段式”的变化过程，在降雨初期土壤团聚体会迅速裂解导致MWD剧烈下降，随后破碎过程变缓，仅有MWD的缓慢线性下降，且这一过程通常在20 min即基本完成[28-30]。从我们的研究结果可以看到，在71 mm/h降雨强度下，0—5 cm土层MWD随降雨时长的增加而迅速降低，降雨30 min后由原始土壤的0.84 mm降到0.32 mm，之后趋于稳定。在43 mm/h降雨强度下表现出同样的规律，降雨30 min后MWD值降到0.44 mm。但在较小降雨强度如16 mm/h，随降雨时长的增加MWD值一直处于缓慢下降的过程。这主要是因为降雨强度较大时雨滴动能增加，对团聚体的拆分作用增强；相反雨强较小时，对团聚体的拆分作用减弱，大团聚体变为微团聚体的速度减慢[8,27]。

不同降雨特征下不同土层土壤团聚体MWD的变化不一致。降雨时长为10 min时，16 mm/h的降雨强度下仅有0—5 cm土层的团聚体MWD迅速降低；43 mm/h的降雨强度下0—5 cm和5—10 cm土层的团聚体MWD迅速降低；71 mm/h的降雨强度下各土层的团聚体MWD均降低。这说明在短时降雨时，随降雨强度增加，土壤团聚体MWD受影响深度增加，且主要受雨水湿润作用影响。10—20 cm土层的MWD随降雨时间的增加而升高。土壤团聚体稳定性主要取决于>1 mm粒级团聚体含量[20]，降雨强度越大，降雨时间越长，微团聚体含量增加，MWD值越低[8]。本研究结果表明在71 mm/h的降雨强度下，降雨60 min后各土层MWD值趋于稳定。

以上结果表明，随着降雨强度增加，耕作层土壤团聚体稳定性降低，因此需要采取耕作措施减少降雨对土壤团聚体的破坏作用，尤其是在降雨强度较大的季节。比如地表覆盖秸秆，不仅可以增加土壤有机质含量，还能促进土壤团聚体数量和稳定性的增加[30]。

4 结 论

(1)干筛法测定的供试土壤团聚体以>5 mm粒级为主；湿筛后>1 mm粒级的土壤团聚体较干筛法减少了63.50%，其中>5 mm粒级的团聚体减少幅度最大，减小率达到91.91%，说明湿筛处理下>5 mm粒级团聚体转化为小粒级的土壤团聚体，其反映了土壤团聚体的不稳定性和水分湿润对土壤团聚体的拆分作用。湿筛后<0.5 mm粒级土壤团聚体含量呈增加趋势，其中<0.25 mm的微团聚体含量最高，达到50.23%，是干筛处理下的2.41倍。

(2)随降雨强度和时长增加，土壤各粒级团聚体含量由0—5 cm土层到10—20 cm土层逐渐发生变化。在降雨初始阶段，以0—5 cm土层>2 mm粒级团聚体含量减少为主，转化为小粒级团聚体；随着降雨强度和时间增加，5—10及10—20 cm土层团聚体含量发生变化，微团聚体逐渐增多，团聚体由上层向下层迁移。

(3)随降雨时长和降雨强度的增加，土壤团聚体MWD值逐渐减小，土壤团聚体稳定性降低，表现出雨滴打击和雨水湿润对团聚体的拆分作用。在60 min降雨时长下，降雨强度大于43 mm/h时，土壤团聚体MWD值随土层深度增加而降低，微团聚体发生迁移，降雨强度达到71 mm/h时，各土层土壤团聚体MWD趋于一致。