降雨過程中土壤物理結皮入滲情況及當量孔徑的變化研究

劉冠亨， 吳冠宇， 李建德， 王 健， 楊琴俠， 薛 冬

（1.西北農林科技大學水土保持科學與工程學院，陜西 楊凌 712100；2.陜西省水利水電工程咨詢中心，陜西 西安710000；3.黃河勘測規劃設計研究院有限公司，河南 鄭州 450000；4.韓城市水土保持工作站，陜西 韓城 714000）

坡面侵蝕是土壤侵蝕的主要類型之一。相關研究表明，影響坡面土壤侵蝕產沙的因素較多，主要有降雨、坡面地形、坡面徑流、植被、整地方式、土壤性質等［1］。降雨是坡面侵蝕最根本的動力來源，隨著降雨強度的增大，坡面徑流量和侵蝕量均增加。地形對于坡面侵蝕的影響主要表現在坡度和坡長兩個方面，坡度對坡面侵蝕的演變發展過程和侵蝕強度起著重要作用［2］。在黃土高原地區，由降雨產生的土壤物理結皮易誘發水力侵蝕的發生［3］。吳發啟等［4］研究發現，坡耕地土壤結皮是在降雨、徑流以及它們與地表坡度等因素的共同作用下形成的。

土壤物理結皮是降雨過后土壤表層普遍存在的現象，它是指表面土壤團聚體在理化作用下破碎形成的致密結構表層，其容重大、孔隙度較小、導水率差［5］。土壤物理結皮可分為兩類：結構結皮和沉積結皮。結構結皮是由于雨滴對穩定土壤結構表面不斷打擊壓實，在雨滴打擊分散土粒進行土壤顆粒的重組后形成，沉積結皮是通過水分下滲淋濾細顆粒并且顆粒不斷沉積形成［6］。

兩類物理結皮在顆粒組成、粗糙度、入滲特性等方面均有差異。吳秋菊等［7］通過人工模擬降雨試驗，研究不同耕作措施下土壤結皮的形成特征，沉積結皮相對于結構結皮密度高且孔隙度低，沉積結皮的平均減滲效益為37.13%，結構結皮的平均減滲效益為19.79%，沉積結皮能夠更大程度影響坡面土壤水分入滲；楊昌等［8］通過室外人工模擬降雨試驗，發現不同類型結皮土壤物理性質差異顯著，沉積結皮體積質量及黏粒質量分數均大于結構結皮，砂礫質量分數則表現為結構結皮高于沉積結皮。

土壤孔隙是土壤容納空氣和水分的空間，也是植物根系伸展、土壤動物及土壤微生物生長發育及活動的場所，直接影響著土壤肥力和土壤水分的有效性［9］。土壤孔隙直接影響土壤的透水性能,而土壤的透水性能又是影響土壤水力侵蝕的一個主要原因［10］。土壤孔隙度直接影響著土壤侵蝕的強弱。單奇華等［11］分析得到，南京城市林業土壤可蝕性與土壤孔隙度關系密切。針對黃土丘陵區研究結果表明，土壤孔隙度越小土壤侵蝕模數越大［12］。

然而針對土壤物理結皮在降雨過程中孔隙分布差異研究迄今尚少，基于此，本文以塿土為研究對象，通過人工模擬降雨，模擬不同類型結皮的發育，通過負壓入滲試驗，系統確定結皮當量孔徑，以期達到直觀反映土壤物理結皮孔徑在降雨過程中的變化情況，最終服務于黃土高原坡耕地田間管理工作。

1 數據與方法

1.1 研究區概況

研 究 區 位 于 陜 西 楊 凌（107?59′～108?09′E，34?14′～34?24′N），海拔418.0～540.1 m，地勢北高南低，氣候類型屬暖溫帶半濕潤氣候區，四季分明，年平均氣溫12.9 ℃，極端最高氣溫42 ℃，最低氣溫-19.4 ℃，全年無霜期221 d。年均降水量637.6 mm，多集中在7—10 月，占多年平均降水量的60%，年平均蒸發量884 mm。試驗土壤為楊凌塿土表層耕作土，采樣深度0～20 cm。土壤的基本理化性質見表1。

表1 試驗土壤理化性質Tab.1 Physical and chemical properties of experimental soil

1.2 研究方法

試驗裝置為坡度可調式鐵槽（2 m×1 m×0.50 m），槽底打孔，試驗設置坡度為3?，槽內填土深度30 cm，為模擬黃土高原地區土地特性，土壤容重設計為1.3 g·cm-3。土壤填充過程中，為保證土層之間良好接觸，采用分層填裝法，以5 cm 高度為一層，共計6 層。為模擬黃土高原高低起伏的微地形，分別通過掏挖和填裝形成地勢相對高的部位（壟）和地勢相對低的坑洼（溝），二者高差為10 cm。壟部降雨后形成結構結皮，溝部降雨后形成沉積結皮。

室內人工模擬降雨，裝置采用擺動下噴式噴頭模擬自然降雨，安裝高度7 m，有效降雨面積約為3 m×6 m，降雨均勻度達90%以上，可通過進水口處的壓力表與單噴頭、多噴頭疊加等方法調節雨強，可調雨強范圍30～120 mm·h-1。本試驗設計雨強采用60 mm·h-1［13］，降雨歷時設計為0、5、10、15、20、30 min。共計5場降雨。降雨后，壟部土壤表層承受雨滴打擊、土壤結構重組等作用形成結構結皮；溝部土壤表層除了經歷前期的降雨打擊作用外，還有后期攜沙徑流的匯集，最終積水下滲和蒸發，泥沙顆粒沉降形成沉積結皮。

降雨結束后將不同降雨歷時下的結皮采樣，土樣在105 ℃下烘干，用毛刷刷去結皮底部土壤顆粒，采用游標卡尺測量結皮厚度，重復5 次，采用涂膜法［14］測定結皮容重，容重的計算公式如下：

式中：rd為結皮容重（g·cm-3）；M1為干土重（g）；ρw為水的密度（g·cm-3）；M2，M3分別為放入土塊前、后天平的讀數（g）。

降雨結束將土樣放置通風處陰干，每隔30 min采用數顯式推拉力計測定不同結皮的強度，每個土樣重復測定5 次，同時取錐體破壞部位周圍的土壤通過烘干法測含水量。根據卜崇峰等［14］在研究黃土表層抗剪強度隨降雨歷時變化時采用20%含水量對應的強度值，故本研究采用20%含水量下的強度來描述不同降雨歷時的結皮強度。將同一降雨歷時下的5 組結皮強度和含水量數據進行擬合，通過回歸曲線得到20%含水量對應的結皮強度。

降雨結束將陰干的土樣，采用土壤溫濕度水分傳感器實時監測結皮含水率，待土樣達到設計含水量10%后開始入滲試驗。選取去離子水為入滲水源，水溫25 ℃。

采用改進的微型盤式入滲儀（儲水室容量由95 mL擴增到425 mL）進行負壓入滲試驗［13］，測定前在所選區域土表墊一層石英砂使滲透計底部不銹鋼多孔盤與土壤充分接觸。試驗設置6個負壓梯度（-0.5、-1、-2、-3、-4、-5 cm），每個梯度各設置5 個重復。入滲時間10 min，每隔30 s 記錄1 次讀數。吸滲率的計算公式如下：

式中：I為一定負壓水頭下的累積入滲量（cm）；t為吸滲時間（s）；s為一定負壓水頭下的吸滲率（cm·s-0.5）。根據付秋萍等［15］的研究結果，取前30 s 入滲數據計算吸滲率。

根據毛管水理論，土壤水分吸力與當量環境之間存在以下關系：

式中：H為土壤吸力（m）；R為當量孔徑（m）；δ為水表面張力系數，當溫度為20 ℃時值為72.5×10-3N·m-1；ρw為水的密度（kg·m-3）；g為重力加速度（N·kg-1）。

在常溫20 ℃時，-0.5、-3、-5 cm 水頭下的吸滲力將分別排除當量孔徑＞3、0.5、0.3 mm孔隙中的水流。將孔徑＞0.5 mm的孔隙定義為大孔隙，0.3～0.5 mm的孔隙定義為中等孔隙，孔徑＜0.3 mm 的孔隙定義為小孔隙。為進一步解釋土壤吸滲特性在降雨過程中的變化規律，將大孔隙、中等孔隙和小孔隙的孔徑范圍求取中間值，即平均當量直徑，該值乘以不同等級孔隙的分布權重，得到不同降雨歷時下的結皮孔隙平均當量直徑。

1.3 數據處理

利用Microsoft Excel 2016 進行數據處理與繪圖，利用IBM Statistics SPSS 25 軟件進行回歸分析、獨立樣本T檢驗、相關性分析。

2 結果與分析

2.1 土壤物理結皮吸滲率

土壤吸滲率是土壤依靠毛細管吸收水分能力的一種量度，根據結皮吸滲試驗，計算出土壤結皮吸滲率見表2。結皮吸滲率在負壓水頭及降雨歷時影響下，變化較為顯著。對比兩類結皮吸滲率發現，結構結皮吸滲率始終大于沉積結皮，均表現為隨負壓的減小，吸滲率逐漸減小的特征。隨負壓水頭的增大，土壤吸持水分阻力變大，有效吸滲能力隨之減小。在降雨歷時較短（5 min），負壓較高（-0.5 cm）的情況下，結構結皮及沉積結皮均表現為高吸滲性，分別為26.84 cm·s-0.5和20.69 cm·s-0.5。后隨降雨歷時的延長，以及負壓變化，兩者吸滲率減小為4.45 cm·s-0.5和3.30 cm·s-0.5。結構結皮在-0.5 cm 壓力水頭下的吸滲率隨降雨歷時延長而減小，但在20 min 時增大，考慮到結皮在15～20 min 處于破壞重組階段，因此吸滲能力有所提升，隨降雨持續，結皮進一步緊密并穩定，土壤吸滲能力維持到恒定值。而沉積結皮始終表現為吸滲率隨降雨歷時延長而減小。

表2 不同負壓水頭、不同降雨歷時下土壤吸滲率Tab.2 Soil infiltration rates under different negative pressure heads and different rainfall duration

2.2 土壤物理結皮孔徑特征

2.2.1 土壤物理結皮孔徑分布特征 隨著降雨過程的進行，土壤在雨滴打擊作用下原有孔徑結構被破壞，發生重組并形成結皮，結皮的當量孔徑大小隨著降雨的延長發生變化，土壤結皮當量孔徑隨降雨歷時的變化見圖1。兩類結皮孔隙分布隨降雨歷時的延長變化較為顯著。對于裝填土壤（降雨歷時為0 min）時，土壤中大孔隙的占比最高，為86.36%，小孔隙占比最低，為4.55%，中等孔隙的占比為9.09%。隨著降雨過程進行，結皮中大孔隙占比開始減小，小孔隙的占比開始增加，中等孔隙的占比呈先增加后保持不變的趨勢。兩類結皮均在降雨歷時為30 min 時大孔隙占比達到最低，小孔隙占比達到最高。對比兩類結皮的孔隙占比變化，可以得出，結構結皮在降雨歷時20 min 時，中等孔隙的占比達到最大，為32.40%，而在降雨歷時30 min 時，中等孔隙占比出現下降，為43.54%；沉積結皮中等孔隙占比隨著降雨歷時的延長開始增加，降雨歷時10 min 時，中等孔隙占比為25.63%，之后開始趨于穩定。

圖1 不同降雨歷時下結皮當量孔徑占比分布Fig.1 Distribution of equivalent pore size ratio of crust under different rainfall durations

2.2.2 土壤物理結皮平均當量孔徑 土壤物理結皮平均當量孔徑可以直觀地反映結皮孔徑變化的整體趨勢，對不同降雨歷時下當量孔徑分布比例進行加權計算，圖2 為土壤物理結皮平均當量孔徑隨降雨歷時變化的特征。兩類結皮的平均孔徑均隨降雨歷時的延長而減小，以未經歷降雨的土壤平均孔徑作對照，結構結皮的減小幅度依次為：11.54%、23.61%、33.08%、39.66%、41.25%，沉積結皮的平均孔徑隨降雨歷時延長的減小幅度依次為：11.87%、25.61%、33.86%、43.75%、44.48%。結構結皮的平均當量孔徑大于沉積結皮，且隨降雨歷時的延長，該差異逐漸顯著，從降雨歷時5 min 下0 mm 差異化為30 min下的0.05 mm。

圖2 不同降雨歷時下結皮孔隙平均當量孔徑Fig.2 Average equivalent diameter of crust pores under different rainfall durations

2.3 土壤物理結皮當量孔徑影響因素分析

結皮作為一種特殊的地表致密層，其性質的改變本質上是大小顆粒的排列重組，因而顆粒之間的孔隙結構隨之改變，圖3 為結皮的強度、厚度、容重與孔隙平均當量直徑關系，可以看出，結皮平均孔徑與3 類指標均為負相關關系，通過擬合得到平均孔徑與3 類指標的線性關系，擬合度在0.85 以上。結皮強度取決于土壤黏聚力和內摩擦角，當平均孔徑減小時，表明土壤顆粒之間銜接變得緊密，顆粒之間的接觸面變多，從而增大了顆粒之間的黏結性和內摩擦角，因而強度隨平均孔徑的減小而增大。容重即是單位體積土體的干質量，對于一定體積的結皮，當結皮平均孔徑減小時，結皮的孔隙體積減小，顆粒體積增大，結皮干質量增大，因此結皮容重隨平均孔徑的減小而增大；結皮厚度表示雨滴打擊、顆粒淋移以及沉降等作用的深度，結皮平均孔徑則表示上述作用的程度，厚度從結皮整體的角度表明結皮的下界限，平均孔徑從結皮內部組成的角度表明土壤顆粒抵抗外界壓力的程度，兩類指標處于同步變化，從不同角度描述結皮的發育情況。

圖3 結皮基本性質與平均孔隙當量孔徑的關系Fig.3 The relationship between the basic properties of the crust and the average pore equivalent pore size

3 討論

坡耕地是黃土高原地區最主要的土地利用類型，也是黃土高原侵蝕最嚴重的區域［16］。降雨是坡耕地最根本的動力來源，降雨會直接導致土壤結皮的形成，結皮的吸滲率對于土壤侵蝕程度有著直接影響，采用人工模擬降雨法，測定分析相同降雨強度下5 個不同降雨歷時下的結皮基本性質，選用微型盤式入滲儀測定結皮入滲指標。本研究結果表明，結構結皮在-0.5 cm壓力水頭下的吸滲率隨降雨歷時的延長而減小，在20 min 時增大，隨著降雨的持續，土壤吸滲能力達到恒定值；沉積結皮的吸滲率隨降雨歷時的延長而減小。

結皮的存在會影響水分下滲的速率［17］。結皮入滲過程大致分為3 個階段：初期土壤初始入滲速率較大，隨著入滲過程進行入滲速率減小，最終達到穩定階段。本研究發現：兩類結皮的吸滲率均隨著負壓的減小而減小，對比兩類結皮，發現結構結皮的吸滲率始終大于沉積結皮，結構結皮在20 min時吸滲率增大，之后繼續減小最終維持恒定，這是因為結構結皮在15～20 min 時處于破壞重組階段［6］，吸滲率提升，隨著降雨的延長，結皮進一步發育，最終發育完全，吸滲率維持穩定。沉積結皮的吸滲率隨降雨歷時延長而減小，表明沉積結皮在降雨過程中一直處于持續發育階段，土壤表層吸滲率不斷減小，結構不斷致密，最終結皮發育完全。

土壤孔隙是土壤容納空氣和水分的空間［18］，也是植物根系伸展、土壤動物及土壤微生物生長發育及活動的場所，直接影響著土壤的肥力和土壤水分的有效性［9］。同時，土壤孔隙的分布也對土壤呼吸有著一定的影響［19］。本研究發現，隨著降雨過程的進行，結構結皮與沉積結皮大孔隙占比均開始減小，小孔隙占比開始增加，中等孔隙占比總體表現為先增加后趨于穩定，兩類結皮的平均孔徑均表現為隨著降雨歷時的延遲而減小。這是因為結皮的形成可分為3個階段［20］，即不完整結皮階段（降雨歷時5 min）、結皮逐漸形成階段（降雨歷時15～20 min）、表土結皮基本形成且處于“破壞-形成”的動態平衡階段，在降雨開始初期，土壤中部分大孔隙受到雨滴擊濺作用，變為中等孔隙或小孔隙，導致大孔隙占比開始減小，隨著降雨的進行，雨滴不斷打擊，小孔隙的占比增加，而在結皮形成后（降雨歷時30 min），3 類孔徑占比均趨于穩定。由于降雨過程中雨滴持續打擊土壤，因此，土壤平均孔徑在降雨過程中一直表現為下降趨勢。

本研究采用土壤為楊凌塿土，因此，研究結果能否用于其他土壤類型還有待驗證。此外，本研究設計的雨強為60 mm·h-1，當降雨條件發生改變時，土壤物理結皮當量孔徑的分布情況也有待進一步研究。但本研究統一土壤類型、土壤容重、雨強等指標，直觀得出了土壤物理結皮孔徑在降雨過程中的變化情況，并基于結皮孔徑范圍的劃分，通過結皮當量孔徑更加直觀地反映出隨著降雨歷時的延長結皮孔徑的變化情況，對于黃土高原坡耕地土壤侵蝕預測和水土保持措施布設仍具有積極的指導意義。

4 結論

負壓水頭增大的過程中，土壤吸持水分的阻力變大，有效吸滲能力減小。結構結皮在-0.5 cm壓力水頭下的吸滲率隨降雨歷時的延長而減小，在20 min 時增大，隨著降雨的持續，結皮進一步緊密并穩定，土壤吸滲能力達到恒定值；沉積結皮的吸滲率隨降雨歷時的延長而減小，表明沉積結皮在降雨過程中一直處于持續發育階段，土壤表層吸滲率不斷減小，結構不斷致密，最終結皮發育完全。結構結皮在未經歷降雨時土壤表層以大孔隙為主，結構較為疏松，隨著降雨過程進行，大孔隙占比開始減小，在20 min 時，小孔隙數量有所減小，中等孔隙數量增多；沉積結皮隨著降雨過程的進行，小孔隙數量不斷增加，中等孔隙數量在10 min 降雨后保持不變，大孔隙數量不斷減小。兩類結皮的平均孔徑均隨降雨歷時的延長而減小。