孙光辉，高 欣，陶雪卿，邢伟民
（1.扬州大学水利科学与工程学院，江苏 扬州 225009；
2.扬州市邗江区水利局，江苏 扬州 225100）
我国目前面临的水土流失现象严峻。水土流失直接关系到国家生态安全、防洪安全、粮食安全和饮水安全。降雨引起的水土流失会堵塞河流渠道、侵蚀土壤耕作层，同时伴随土壤侵蚀过程中的养分流失会使土壤肥力下降，下游河湖流域水体富营养化[1,2]。土壤淋溶中养分流失与土壤的质地[3,4]、降雨[5,6]等因素密切相关。目前的研究多集中在从土壤类型、雨强、有机改良剂[7-9]条件下探讨土壤淋溶过程中的养分流失问题，结皮的发育程度对土壤淋溶中养分的流失研究较少。
土壤结皮是指土壤表层形成一层土壤密度相对较高的致密层。细致的土层无论是在土壤表层还是粗质地下部分，都能决定土壤整体入渗性能[10]。相对于下层土壤，结皮结构紧密，结皮容重、抗剪强度增大，孔隙度减小，土壤有效下渗通道减少，导致土壤导水率、入渗量、入渗速率等降低[11-13]。研究土壤结皮的不同发育阶段是认识土地侵蚀规律与养分流失规律的理论基础，而目前土壤结皮的发育特征对淋溶过程中的养分流失研究较少。因此，本文旨在通过分析土壤结皮不同发育阶段的物理性质以及结皮对淋溶水量、淋溶养分流失的影响，确定结皮条件下养分淋溶的关键影响因素，为结皮条件下耕地养分流失提供理论支持。
1.1 研究区概况
本试验土壤取自内蒙古自治区和林格尔县（40°12′N，111°41′E）。该地区气候类型为中温带半干旱大陆性季风气候，年平均气温在6.2 ℃。历年平均降雨量为392.8 mm，一天内最大降雨量为99.1 mm。对采集的土壤进行粒径分析，采用Malvern 激光粒度分析仪进行分析，测得土壤中含砂84.23%（>0.020 mm），粉砂10.84%（0.020～0.002 mm）和黏土4.93%（<0.002 mm）。根据国际土壤质地分类标准，研究区土壤为壤质砂土，土壤容重为1.35 g/cm3。pH 值为8.3，呈弱碱性。土壤中的总氮、总磷含量分别为0.17 g/kg、0.35 g/kg。
1.2 试验处理
土壤结皮物理性质试验：试验包括9 组试验，3 种不同程度土壤结皮、3组平行试验。土盘材质为亚克力材料，设计降雨时间为0 min、10 min、30 min，以形成不同发育程度的土壤结皮。采用数显推拉力计来测量土壤结皮的抗剪强度。
涂膜法[14]测土壤结皮容重：将土壤结皮物理性质试验破坏的土壤结皮，置于烘箱中105℃加热12 h。用聚烯烃胶作涂膜剂，将土壤结皮置于聚烯烃胶水中，至土壤结皮表面完全覆盖胶水，悬挂风干24 h。
试验土柱设计为18 组土柱试验，其中包括3 种不同发育程度结皮土柱、2 种不同类型的降雨强度、3 组平行试验，试验设计因素如表1 所示。3 种不同发育程度的结皮，通过控制前期降雨强度30 mm/h，设置降雨时间梯度分别为0 min、10 min、30 min，以形成不同发育程度土壤结皮。设计2 种不同类型的降雨强度90 mm/h、120 mm/h 雨强，来模拟进行降雨试验。
1.3 实验装置
不同发育程度结皮的试验装置主要包括针式降雨器、亚克力土柱、蠕动泵、聚乙烯瓶，如图1所示。试验通过设置蠕动泵的转数，来控制降雨强度的大小。针式降雨器设置高度2 m，降雨面积为40 cm×40 cm。亚克力土柱为25 cm×25 cm，土柱下方为淋溶收集装置，淋溶收集装置上方为土壤承重板，开有均匀小孔。侧边距底部承重板12 cm 处开径流小孔，小孔内径1 cm。在降雨试验开始前，需进行针式降雨器雨强率定试验，确定降雨强度、均匀度是否满足试验所需要求。率定试验，在土柱中均匀放置烧杯5 个（烧杯口径约为38.5 cm2），试验雨强为90 mm/h，测得降雨均匀度为83%；
试验雨强为120 mm/h，降雨均匀度为85%。
1.4 试验方法
1.4.1 土壤结皮抗剪强度试验
取风干后过2 mm 筛网的试验土壤，土壤容重为1.35 g/cm3，设计降雨时间为0 min、10 min、30 min，降雨试验完成3 d 后测量土壤结皮容重，随后每过24 h 测量一次结皮容重。并收集一些破坏的结皮测量结皮质量，置于烘箱于105 ℃，加热烘干12 h 后，称量烘干后的质量，计算土壤结皮的含水量，得到不同含水量下的土壤结皮强度。
1.4.2 土壤结皮容重试验
取土壤结皮抗剪强度试验破坏的土壤结皮，用聚烯烃胶涂膜结皮表面，细绳悬挂风干24 h，土壤结皮表面形成一层致密的薄膜。取一只烧杯加定体积水，置于天平测量烧杯＋水的质量，将细绳悬挂的土壤结皮置于烧杯，至水完全淹没结皮，且结皮未接触烧杯底部，记录此时天平读数。
1.4.3 土壤结皮孔隙度试验
将涂膜后的结皮，破坏结皮表面小部分聚烯烃胶薄膜，置于水中使土壤结皮吸水饱和，待土壤结皮吸水饱和后，称量饱和后的质量，计算出土壤孔隙度。
1.4.4 土壤结皮发育对养分流失影响试验
土壤取回后，风干后过2 mm 筛网。装填试验土柱，土柱下方铺设2 cm 透水沙，透水沙上方铺设一层纱网，纱网上层装填土样8 cm。需分开装填试验土壤，每4 cm 装填一层，再装填下一层土壤时，需对土样进行打毛处理，防止土样之间分层产生壤中流。土壤装填完成后，降雨强度30 mm/h，降雨时间分别为0 min、10 min、30 min 完成前期土壤结皮不同发育程度试验。
从土柱装置下方淋溶收集孔，采用马氏瓶供入高浓度的养分溶液，即KH2PO4溶液5 g/L、NH4Cl 溶液5 g/L，直至液面接近土壤表面。保持土壤在高浓度养分下供给8 h，土壤完成养分浓度的饱和。土壤养分饱和完成后，撤掉马氏瓶，静置4～6 h，让残留在土壤中养分溶液流出。在试验土样上方供水形成1 cm 水层，供水时需在上方放置海绵垫（防止形成径流层时，土壤结皮被破坏）。
进行模拟降雨试验，试验设计因素如表1所示，降雨强度分别为90 mm/h、120 mm/h，降雨时间为45 min，降雨开始后1、2、4、6、8、10、12、14、16、18、20、25、30、35、40、45 min，收集淋溶样品，每次收集1 min。收集后的样品置于冷藏柜4 ℃保存，用于测定淋溶液中的磷酸根离子和铵根离子含量。
2.1 不同发育程度土壤结皮的物理性质
由表2 可知，采用数显推拉力计测得土壤结皮的抗剪强度，土壤含水量在10%左右时，0、10、30 min 形成结皮的抗剪强度分别为214.34、251.70、261.20 kPa。说明前期降雨时间越长，土壤结皮的抗剪强度越强，土壤表面结皮越不容易被破坏。采用涂膜法测得土壤结皮的容重，0、10、30 min 结皮质量分别为1.37、1.48、1.58 g/cm3。前期降雨时间越长，雨滴动能对表层土壤的夯实作用越明显，土壤越容易发生细小颗粒堵塞土壤表面孔隙，造成土壤结皮容重增加。测得的土壤孔隙度分别为29.63%、26.28%、22.58%，随着前期降雨时间的增加，土壤孔隙度呈递减趋势。
表2 不同发育程度土壤结皮物理性质Tab.2 Physical properties of soil crust with different development degrees
2.2 不同发育程度结皮下土壤淋溶水量的流失过程
图2为不同发育程度的结皮在不同雨强下土壤淋溶水量随时间的变化图。90 mm/h、120 mm/h 雨强下，土壤中的淋溶水量维持稳定，淋溶水量0 min＞10 min＞30 min 结皮。说明土壤发育结皮会对土壤淋溶水量产生影响，这可能是由于土壤结皮会阻碍降雨的入渗，造成土壤的淋溶水量低于未形成结皮的土壤，这与李昌龙[15]等人的结果一致。90 mm/h 雨强增加到120 mm/h 雨强，0 min、10 min、30 min 形成结皮淋溶水量分别增加了30.51%、32.55%、19.19%。说明雨强的增大会增加土壤淋溶水量。
图2 不同发育程度结皮土壤淋溶水量Fig.2 Leached water quantity of different developed crust soils
2.3 不同发育程度结皮对养分流失的影响
2.3.1 不同发育程度结皮下养分浓度的流失情况
图3 为不同雨强下，铵根离子和磷酸根离子随土壤淋溶发生的养分迁移过程。铵根离子和磷酸根离子在不同雨强下发生的养分迁移过程较为接近，总体表现出随着降雨时间的进行土壤淋溶过程中的铵根离子和磷酸根离子的浓度逐渐降低。雨强较大时，土壤淋溶过程铵根离子和磷酸根离子的流失浓度更高，说明雨强越大越容易造成养分的流失，这与刘旦旦[1]等人的研究结果一致。在90 mm/h、120 mm/h 雨强下，铵根离子和磷酸根离子淋溶流失情况表现为，0 min＞10 min＞30 min 形成结皮，说明土壤结皮的发育程度，能对土壤淋溶养分的流失起到一定的阻碍作用。对比图3 中（a）、（c）磷酸根离子的流失情况与图3 中（b）、（d）中铵根离子流失情况，降雨强度对铵根离子流失的影响远大于对磷酸根离子流失的影响。这可能是铵根离子和磷酸根离子的迁移方式不同，铵根离子的迁移可伴随着淋溶水分流失，土壤对磷素的吸附性较强，只有少量以溶解态磷的形式流失。图3 中（b）、（d）描述的是铵根离子在土壤淋溶过程中流失情况，随着降雨强度的增大，铵根离子在土壤淋溶中浓度的流失也在增大。
图3 土壤淋溶养分浓度流失Fig.3 Loss of soil leached nutrient concentration
2.3.2 不同结皮发育对土壤养分流失的显著性分析
对同种雨强条件下，不同发育程度结皮的平均淋溶量、铵根离子平均流失量、磷酸根离子平均流失量，进行单因素方差分析。铵根离子与磷酸根离子的流失率的计算，是淋溶量乘流失的养分浓度。分析结皮的发育程度是否会对土壤淋溶状态下的养分流失产生显著性差异（P＜0.05）。
由表3 可知，在90 mm/h、120 mm/h 雨强下，铵根离子平均流失量、磷酸根离子平均流失量随着结皮的发育土壤淋溶中流失量逐渐减少。单因素方差分析结果表明，90 mm/h、120 mm/h 雨强下，土壤淋溶状态下平均淋溶量、铵根离子平均流失率、磷酸根离子平均流失率，与不同发育程度的结皮中均存在显著性差异。说明土壤结皮的发育，在不同雨强的条件下，均会对土壤淋溶水量、土壤淋溶状态下的养分流失产生显著性影响。在120 mm/h 雨强下，0 min 与10 min、30 min 形成结皮的土壤淋溶过程中磷酸根离子平均流失率呈显著性差异，但10 min 与30 min 结皮没有显著性差异。这可能是土壤中磷的流失主要以颗粒态磷的形式流失，溶解态磷占流失中很小的一部分[16]，土壤淋溶水量中泥沙流失量较少，同时由于土壤和其他多孔介质的几何形状和空间过于复杂，在多孔介质中，水量主要沿着几个流体通道进行，淋溶水量通过这几个固定的淋溶通道进行养分的迁移[17]，因此磷酸根离子的流失差异性不大。
2.3.3 土壤结皮物理性质与养分流失相关系分析
运用SPSS 软件，对土壤物理性质与土壤淋溶水量和养分流失进行相关性分析。
由表4知，土壤淋溶水量与土壤结皮抗剪强度、土壤结皮容重呈负相关关系，与土壤结皮孔隙度呈正相关关系。铵根离子流失率、磷酸根离子流失率与土壤结皮抗剪强度、土壤结皮容重呈负相关关系，与土壤结皮孔隙度、土壤淋溶水量呈正相关关系。说明土壤淋溶水量、铵根离子流失率、磷酸根离子流失率随着土壤结皮抗剪强度、土壤结皮容重的增大而减小，土壤结皮孔隙度的增大而增大。
表4 土壤结皮的物理性质对土壤养分流失的相关性分析Tab.4 Correlation analysis of physical properties of soil crust on soil nutrient loss
龙[26]的研究结果一致。这是由于土壤内部属于复杂的多孔介质，淋溶水量沿着几个流体通道进行，流失通道比较单一，同时土壤对磷素的吸附性较强，土壤中磷素的流失主要以颗粒态磷流失为主，溶解态磷流失较少[16]，造成磷酸根离子在土壤中迁移较为困难。
3.1 土壤结皮发育对土壤淋溶水量的影响
在不同雨强的条件下，土壤结皮发育的越好，土壤淋溶水量越小。降雨10 min、30 min 发育的结皮与0 min 结皮的表层土壤物理性质呈现差异，土壤结皮的发育进一步增强了土壤的抗剪强度、增大了土壤结皮容重、减小了土壤孔隙度，土壤结皮阻止水分的入渗能力越强，淋溶水分减少[18]，这与马敢敢等人[19]研究结果一致。不同结皮发育下淋溶水量随降雨时间的变化曲线维持在一个稳定的水平，与正常降雨下淋溶水量随时间先增大后趋于稳定的过程曲线存在差异。这是由于试验开始前需要对土壤养分进行饱和处理，定浓度养分饱和土壤完成后，土壤结皮上方垫海绵垫，快速进行水分补给产生径流层消减后续降雨试验雨滴动能对土壤结皮的破坏。因此降雨开始时，土壤中的水分基本维持在饱和状态，土壤淋溶水量相对稳定。相同结皮，不同雨强下，雨强越大土壤淋溶水量越大。雨滴动能对结皮的入渗有显著影响[20]，径流层的存在，虽然消除了部分动能但仍能对淋溶水量产生影响。
3.2 土壤结皮对养分流失的影响
在两种不同雨强下，降雨10 min、30 min发育的结皮土壤中铵根离子和磷酸根离子的流失量均小于0 min 结皮土壤中的流失量。研究表明，氮素的淋溶主要受土壤质地、通气性、有机质含量、孔隙度、土壤含氮量影响[21]。土壤结皮会进一步增加结皮容重、减小孔隙度，减小淋溶水量，达到阻碍养分的流失。铵根离子的流失导致大量氮肥随水迁移至土壤下层，氮素可以通过吸附—解吸—迁移的方式运移至淋溶水中[22,23]，从而使淋溶水中的氮素含量高。土壤中磷酸根离子的流失量，随着结皮的不断发育，淋溶水量减少，淋溶过程中磷酸根离子的流失量减少，这与Chen[24]、Stowe[25]等人研究结果一致。这是由于土壤结皮的发育，土壤表面形成致密层，土壤淋溶水量随着结皮的发育逐渐减小，溶解态磷随淋溶水量的减少而减少。相同结皮，不同雨强下，磷酸根离子的流失差异性不大，远不及铵根离子随雨强的变化量，这与徐梦[3]、常飞
（1）雨滴打击会使土壤表面细颗粒填充孔隙，形成土壤结皮，雨滴打击时间越长，土壤结皮发育程度越好。土壤结皮会影响土壤淋溶水量，土壤结皮的发育程度增加土壤结皮的抗剪强度、增大结皮容重、减小结皮土壤孔隙度，导致土壤导水率下降，土壤淋溶水量减少。
（2）土壤结皮的发育程度会对淋溶水量和淋溶水中的养分浓度产生影响，发育程度越好，土壤结皮的减渗效果越明显，土壤淋溶过程中铵根离子和磷酸根离子的流失量越少。
（3）分析结皮的物理性质对土壤淋溶过程中的养分流失相关性可知，土壤淋溶过程中养分流失与土壤结皮抗剪强度、结皮容重呈负相关关系，与结皮孔隙度呈正相关关系。
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