不同坡度下侵蚀性降水对土壤理化性质的影响

陈凤 潘政 翟亚明 张帅

［关键词］ 土壤侵蚀；侵蚀性降水；坡度；径流小区；土壤理化性质

［摘 要］ 土壤侵蚀是全球性环境灾害之一，严重影响土地利用效率。基于野外径流小区观测和室内试验分析，研究不同坡度条件下土壤侵蚀对土壤理化性质的影响。结果表明：①侵蚀性降水占所有降水比例较低，但贡献了大部分降水量，约32.84%的侵蚀性降水贡献了76.52%的降水量；侵蚀性降水场数和降水量呈季节性波动，高峰期集中在1月和6—9月。②坡度是影响土壤侵蚀的关键因素之一，土壤侵蚀模数与坡度呈正相关，坡度较大的小区出现土体崩塌，底部土壤流失量明显大于顶部，其中E、F、G小区为轻度侵蚀区，A、B、C小区为剧烈侵蚀区。③坡度对土壤理化性质有不同程度的影响，土壤机械组成表现为黏粒占比变化较小，坡度较大小区易被冲刷；坡度较大时，粉粒受水力侵蚀影响更大，更容易发生水土流失；土壤体积含水率波动幅度与坡度呈正相关，土壤保水性能与坡度呈负相关，坡面土壤含水率大小基本符合底部＞中部＞顶部的规律；土壤含盐量的变化较为复杂，需进一步研究。

［中图分类号］ S157[文献标识码] ADOI：10.3969/j.issn.1000-0941.2024.03.014

［引用格式］ 陈凤，潘政，翟亚明，等.不同坡度下侵蚀性降水对土壤理化性质的影响[J].中国水土保持，2024（3）：55-60.

土壤侵蚀是全球性的环境灾害之一，国内外许多学者和专家对土壤侵蚀及其影响因子进行了大量、广泛而较深入的观测和研究^[1-5]。土壤侵蚀是导致土壤理化性质退化的主要驱动力之一，在短期内会造成土壤水分的损失，长期会造成土壤水分有效性的降低，进而增加农田生态系统的土壤干旱程度^[6-8]。土壤侵蚀还会改变其他土壤理化性质，例如土壤颗粒组成、密度、团聚体分布和饱和导水率等^[9-11]。土壤侵蚀是多种自然因素与社会因素共同作用的结果，降水则是自然因素中导致土壤侵蚀的主要动力。游微等^[12]认为粗质地土壤前期含水量和坡度显著影响坡地土壤侵蚀过程和总量。蒋芳市等^[13]认为随着雨强和坡度的增大，泥沙粗颗粒含量及粗颗粒的富集率均增加。张华等^[14]认为土壤侵蚀强度与坡度、降水量和雨强均呈正相关。这些研究从不同角度探究了土壤理化性质、土壤侵蚀和降水之间的关系，但涉及坡度的研究并不多。本研究利用野外径流小区试验，分析不同坡度下侵蚀性降水对土壤理化性质的影响，探究径流小区坡面侵蚀过程中土壤理化性质的变化过程，以期为揭示不同坡面土壤侵蚀机理提供参考。

1 研究区概况

试验区位于江苏省盐城市东台市沿海新围垦区。东台市位于江苏省中部沿海地区、盐城市南部，地理位置为120°07′～120°53′E、32°33′～32°57′N，境内主要地区的海拔为2.6～4.6 m。该地区地处北亚热带，气候特点为雨热同期，年降水量充沛，但年内分布不均，主要集中在5—9月。东台市的海岸带属于粉沙淤泥质海岸，拥有悠久的围垦历史。海岸线全长85 km，拥有丰富的泥沙来源，沿海滩涂面积为1 040 km²，占江苏省滩涂资源总面积的22%。该地区的滩涂资源仍以每年4.0～6.7 km²的速度向海域淤积扩展^[15]。

2 研究方法

2.1 试验设计

在试验区共设置7个径流小区，包括3个标准小区和4个微型小区。根据《水土保持试验规程》（SL 419—2007）及径流小区试验研究^[16-22]，坡度分别设置为45.0°、35.0°、26.5°、15.0°、5.0°、2.0°、1.0°，均为撂荒地^[23-24]。为方便记录，依次记录为A、B、C、D、E、F、G区。同时，在各径流小区四周砌筑楔形保护墙，防止客水对试验产生影响；在各径流小区底部设置集流槽，通向采集槽，方便在集水池中收集径流及泥沙。其中A、B、C、D区的采集槽体积均为0.7 m³（1.0 m×1.0 m×0.7 m），E、F、G区采集槽体积为7.2 m³（2.0 m×2.0 m×1.8 m）。集水池下端设有排水阀，便于测后排水。径流小区布置见图1。

2.2 试验方法

1）次降水的划分依据。降水间隔时间超过6 h或连续6 h降水量不足1.2 mm的降水情况，视为两次降水事件，否则看作一次降水事件。在所有次降水中，只有部分降水会导致地表径流的产生，进而引起土壤流失，这部分降水称为侵蚀性降水。通常将发生土壤侵蚀和不发生土壤侵蚀现象的临界雨强称为侵蚀性降水标准。本研究采用次降水量达到10.8 mm或者最大30 min雨强达到7.6 mm/h作为试验区发生土壤侵蚀的临界雨强^[25-28]。

2）土壤含水率的测定。使用TDR土壤水分测定仪，在一个径流小区内共测定9个土壤含水率数据，取其平均值作为该径流小区的土壤含水率测定结果。每周至少测定1次，降水事件后进行加测。

3）土壤含盐量测定。使用Procheck含盐量测定仪现场测定土壤含盐量，每个径流小区测定9个土壤含盐量数据，取其平均值作为该径流小区的土壤含盐量测定结果。每周测定1次，降水事件后加测。

4）土壤颗粒级配分析。使用马尔文MS3000型激光粒度仪测定，随机在小区顶部、中部和底部各选择1个位置采集土样，充分混合土样后，在试验室测定3次该土样的颗粒级配，取其平均值作为测定结果。试验初期、末期各测1次。

5）泥沙流失量测定。在各小区集水池内水流即将满溢时，取出集水池内的泥沙，自然風干并称量。

3 结果与分析

3.1 研究区侵蚀性降水特征分析

对2019年东台市降水量资料进行筛选，结果见表1。由表1可知，2019年共计67场降水，其中侵蚀性降水22场，占比32.84%，侵蚀性降水量为440.2 mm，占全年降水量的76.52%，说明侵蚀性降水场数占比较小，但对降水量贡献极大。侵蚀性降水年内分布特征见图2。侵蚀性降水场数在不同月份之间存在差异，月均侵蚀性降水场数为1.8场，总体上呈现出一定的季节性波动。侵蚀性降水量也在不同月份之间呈现波动变化，月平均侵蚀性降水量为36.7 mm。其中：1月为60.5 mm；2—5月侵蚀性降水量较小，范围为0～14.5 mm；6—9月侵蚀性降水量增大，其中8月的侵蚀性降水量最大，为150.0 mm；10—11月侵蚀性降水量减小，12月略微上升至26.0 mm。

总体上，侵蚀性降水量呈现季节性波动，高峰期集中在1月和6—9月。

3.2 不同坡度小区土壤侵蚀情况分析

通过计算，各个径流小区的土壤侵蚀模数见表2。由表2可知，坡度较大的小区（A、B、C区）的土壤侵蚀模数明显大于坡度较小的小区（D、E、F、G区），且土壤侵蚀模数与坡度呈正相关，说明较大的坡度会导致更严重的土壤侵蚀。由前人研究可知^[29-30]，通常使用坡面径流流速来表示径流的挟沙能力。不同坡度下径流流速不同，较大的坡度会增加径流速度，水流对土壤的冲刷力更强，土壤更易被侵蚀和剥离。不同坡度径流小区土壤侵蚀情况见图3。

观察不同小区侵蚀情况，A区和B区的坡脚出现土体崩塌现象，在同一水平高度的土壤流失量分布并不均匀；C、D、E、F、G区的土坡坡脚未出现崩塌现象，土体坡面仍大致是一个平面，但坡脚位置明显向内收，底部的土壤流失量明显大于顶部，其中C区因径流而形成侵蚀水道，在各个径流小区中，仅C区出现了因径流冲刷形成的侵蚀水道，其坡脚位置较其他小区的坡脚位置更加靠后，具体形成原因需作进一步研究。

对照土壤侵蚀强度划分标准，E、F、G区试验期内土壤侵蚀模数小于2.50 kg/m²，為轻度侵蚀区；D区试验期内土壤侵蚀模数大于8 kg/m²且小于15 kg/m²，为极强烈侵蚀区；A、B、C区试验期内土壤侵蚀模数大于15 kg/m²，为剧烈侵蚀区。

3.3 坡度对土壤机械组成的影响

不同坡度下坡面降水、径流强度不同，因此试验末期相比初期土壤机械组成在不同坡度下的分布特征不同，见表3和图4。在A区和B区，土壤中的黏粒占比呈现明显减小趋势；相比之下，C、D、E、F、G区的黏粒占比略有增大或基本保持稳定。A区粉粒的占比减小，其余小区均呈增大趋势。A区砂粒占比呈增大趋势，而其余小区均呈减小趋势。这表明坡度较小时，由于黏粒的比表面积较大，有很强的黏着性，因此侵蚀过程对黏粒起的分选作用很小，而砂粒因自身质量较大，更容易在重力作用下沿坡面发生较长距离的迁移，导致土壤中砂粒含量减少；但在较大的坡度下，径流量和流速增大，对较小的颗粒影响更大，使得黏粒和粉粒更容易被冲刷，从而导致黏粒和粉粒的占比减少，而较大、较重的砂粒在坡面上留存的可能性更大。尽管砂粒也会沿坡面发生一定程度的迁移，但相对于更轻的颗粒在冲刷过程中更可能留存，导致A区的黏粒和粉粒占比减小，砂粒占比相对增加，而相较于黏粒，粉粒的粒径更小，所以比例减小更为明显，说明大坡度下粉粒受水力侵蚀影响更大，更容易发生流失。

3.4 坡度与降水量对土壤含水率的影响

选择汛期（5—10月）共17场降水事件进行降水对土壤含水率和含盐量影响的研究，小区土壤体积含水率变化见图5。观察降水事件和土壤体积含水率之间的关系，当降水量较大时，各个径流小区的土壤体积含水率普遍增大，降水量较大的日期（如6月7日、6月27日、7月7日、8月13日和8月31日）通常伴随着土壤体积含水率增大。观察坡度和土壤体积含水率之间的关系，发现坡度较大的小区（如A区和B区）土壤体积含水率波动幅度较大，而坡度较小的小区（如F区和G区）土壤体积含水率变化相对平缓。这表明坡度较大的区域容易发生径流和土壤侵蚀，水分较快地流失或排泄，导致土壤体积含水率的变化更加剧烈。坡度为1.0°的G区中土壤含水率普遍大于其余各区，而坡度为45.0°的A区中土壤含水率普遍小于其余各区。说明在相同的土壤和气候条件下，G区能留存更多的水分，其土壤保水性最好，而A区土壤保水性最差。

具体分析各小区不同位置的含水率关系，以F区为例。将F区土壤含水率测定结果按测点所在高度进行分类，比较顶部、中部、底部的含水率情况（见图6）。

由图6可知，在试验期间，F区的土壤含水率整体呈现波动变化趋势，受降水量的影响较大。在降水量较大的日期，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、顶部大致相同，随着观测时间的推移，土壤含水率的大小基本符合底部＞中部＞顶部的规律。说明在降水情况下，土壤各部分的土壤含水量趋于饱和，含水率大致相同，但在连续的干燥天气下，水分受重力作用自然下渗，导致中部和底部含水率偏高。

3.5 坡度与降水量对土壤含盐量的影响

各径流小区土壤含盐量变化见图7。通过对比土壤含盐量和降水量数据可以发现，降水量较大的日期往往伴随着土壤含盐量的减小，尤其是大雨事件后。原因是降水可以冲刷土壤表层的盐分，使其被稀释或进入地下，产生淋盐现象。6月7—27日降水量较少且处于夏季，土壤中水分大量蒸发，土壤深层的盐分溶于水后因毛细管作用聚集在地表，产生返盐现象，导致土壤含盐量增大，而其对坡度变化的敏感性较弱，具体变化特征需作进一步研究。

4 结论

1）侵蚀性降水场数在所有降水中占比较低，但对降水量贡献极大。占比32.84%的侵蚀性降水贡献了76.52%的降水量。侵蚀性降水场数与侵蚀性降水量均呈现出季节性波动，高峰期集中在1月和6—9月。

2）坡度是影响土壤侵蚀的关键因素之一，土壤侵蚀模数与坡度呈正相关，说明较大的坡度会导致更严重的土壤侵蚀情况，增加水土流失的风险。坡度较高时（A区和B区），坡脚出现土体崩塌现象，且底部的土壤流失量明显大于顶部。在各个径流小区中，仅C区出现了因径流冲刷形成的侵蚀水道，其坡脚位置较其他小区的坡脚位置更加靠后。对照土壤侵蚀强度划分标准，E、F、G区为轻度侵蚀区，D区为极强烈侵蚀区，A、B、C区为剧烈侵蚀区。

3）坡度对土壤理化性质均有不同程度的影响。土壤机械组成的变化特征主要表现为：黏粒的占比变化较小，坡度较小时其占比略微增大，坡度较大时黏粒更容易被冲刷；在大坡度下，粉粒受水力侵蚀影响大，更容易发生流失。土壤体积含水率和土壤保水性的变化特征主要表现为：土壤体积含水率波动幅度与坡度呈正相关，土壤保水性与坡度呈负相关，坡度越大，体积含水率波动幅度越大，土壤保水性则较差；同一坡度下，土壤含水率的大小基本符合底部＞中部＞顶部的规律。土壤含盐量的变化特征主要表现为：在降水量较大的日期往往伴随着土壤含盐量的下降。土壤含盐量在不同坡度下的變化特征更加复杂，需进一步进行研究。

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收稿日期： 2023-11-22

基金项目： 江苏省水利科学研究院自主科研经费专项资金项目（2022z019）;江苏省水利科技项目（2018048）；国家自然科学基金资助项目（31400617，52309044）

第一作者： 陈凤（1980—），女，江苏南京人，高级工程师，硕士，主要从事水土资源高效利用与保护方面研究工作。

通信作者： 翟亚明（1982—），男，江苏南京人，副教授，博士，主要从事水土资源规划、高效灌排理论与技术研究工作。

E-mail： hearoalt@163.com

（责任编辑 杨傲秋）