雨滴击溅侵蚀是指雨滴打击土壤表面，使土壤结构破坏，团聚体发生分散、分离、跃迁位移的过程^[1-2]，是土壤侵蚀发生的最初阶段^[3]。国内外有关降雨特征(降雨量^[4-6]、降雨强度^{[4, 6-7]}、降雨能量^[8-9]、雨滴直径^[9-11])、土壤特性(土壤结皮^[12-13]、土壤密实度^{[6, 14-15]}、土壤含水量^[16])和其他因素(植被覆盖^[17-18]、坡度^{[7, 19]}、水层厚度^[20-21])这3大主要影响因素与溅蚀关系、击溅侵蚀机理的研究已经取得了重要成果^[22]。土壤团聚体是土壤抵御外营力的基本单元，各级团聚体的数量分布和空间排列方式决定了土壤的孔隙分布特征，进而决定土壤的水力性质，并影响生物活动和养分运输^[23-25]，雨滴对团聚体的溅蚀作用研究是深入探究土壤溅蚀机理的重要环节。付玉等^[26]采用单雨滴击溅实验研究黄土高原团聚粒径分布特征，研究结果表明，黄土高原>1 mm团聚体在雨滴击溅作用下呈破碎状态，< 1 mm团聚体呈富集状态，且粒级越小富集率越高。周一杨^[27]采用人工模拟降雨实验对东北黑土击溅侵蚀特征的研究也得到了相同结论。孙站成^[28]运用人工模拟降雨的方法研究指出，鄂南红壤粒级为0.25~1 mm团聚体最易发生迁移。王冬^[11]采用人工降雨实验研究黄土高原北部黄绵土的击溅特征指出黄绵土中 < 0.053 mm团聚体最容易被雨滴迁移。可见，不同土壤雨滴溅蚀的团聚体分选特征存在一定的区域差异性。

2005年第4次辽宁省土壤侵蚀遥感普查数据^[29]显示，全省土壤侵蚀面积为422.95万hm²，其中，坡耕地侵蚀面积为175.76万hm²，约占全省土壤侵蚀面积的41.4%，坡耕地是辽宁省水土流失的主要策源地。辽西低山丘陵区生态环境脆弱，坡耕地作为辽西低山丘陵区的重要耕地资源，占该区耕地总面积的82.65%^[30]，加之区内植被覆盖度较差，发生土壤侵蚀的面积占该区总面积的41.6%^[31]，是辽宁省土壤侵蚀最严重的地区。该区坡耕地土壤类型以褐土和棕壤为主，棕壤是阔叶林下发生较强淋溶作用和黏化作用形成的土壤，渗透性强、涵蓄水源能力差，地表径流和壤中流较易发生，容易形成溅蚀、沟蚀等，同时容易造成地面坍塌^[32]。褐土是碳酸盐弱度淋溶与聚集，土壤密实度较高，透水性较差，易形成地表径流，产生沟蚀、溅蚀等土壤侵蚀^[33]。

笔者以辽西低山丘陵区坡耕地褐土和棕壤为研究对象，采用人工模拟降雨试验，研究其溅蚀量的空间分布、团聚体的组成特征与变化以及团聚体的分选特征，旨为揭示褐土和棕壤溅蚀的发生发展规律，为深入探究褐土和棕壤坡面土壤侵蚀过程机理奠定前期研究基础，为建立该区坡面土壤侵蚀预测预报模型提供理论依据。

研究区位于辽西低山丘陵区的阜新蒙古族自治县(E 121°1′~122°26′，N 41°44′~42°34′)，属北温带大陆性半干旱季风气候，夏季炎热，年蒸发量1 790 mm，年均气温7.3 ℃，≥10 ℃年积温3 476 ℃，无霜期154 d，年均日照时间2 865.5 h，年均风速3 m/s，年均降水量511.4 mm，且多集中于7、8月份，平均历年最大降水量718.7 mm。植被属华北植物区系、蒙古植物系和长白植物系交错地区。土壤类型包括褐土、棕壤、草甸土、风沙土等，其中褐土和棕壤为主要的土壤类型^[34]。坡耕地褐土和棕壤结构松散、有机质含量低，秋冬季节地表裸露，易发生水力侵蚀。

于2017年4月在阜新蒙古自治县王府镇皂力营子村选取坡度为10°的典型褐土坡耕地，在阜新蒙古自治县大板镇各力格村选取坡度为10°的典型棕壤坡耕地，2种土壤种植作物均为玉米，一年一熟，采集耕层土壤(0~20 cm)，按“S”取样法选取5个样点，在野外直接挖取装袋，带回实验室去除石块、植物根系等杂质，风干后混合均匀测得土壤理化性质，测定方法见文献[35]，测量结果见表 1。同时用于溅蚀实验的土样过10 mm筛。

表 1(Tab. 1)

表 1 土壤理化性质 Tab. 1 Physical and chemical properties of soil 土壤类型 Soil type 密度Bulk density/ (g·cm-3) 有机质Organic matter/% 孔隙度 Porosity/% 砂粒Sand (>0.020~2.000 mm)/ % 粉粒Silt (>0.002~0.020 mm)/ % 黏粒Clay (≤0.002 mm)/% 褐土Cinnamon soil 1.31 0.97 46.50 62.52 13.01 24.47 棕壤Brown soil 1.42 1.02 44.80 60.18 17.32 22.50

表 1 土壤理化性质 Tab. 1 Physical and chemical properties of soil

试验采用的Norton人工模拟降雨器，降雨高度为4 m，降雨器采用5组喷头降雨，喷头行间距为0.5 m，喷头口径为2.5 mm，采用潜水泵将集水箱中的水升压，可控制水压为0.04~0.1 MPa，每个喷头有效降雨半径为1.5 m。本降雨器由于喷头压力，使得雨滴在降落初期已具备初速度，在具备初速度的下喷式喷头，经过多次降雨测试，当降雨高度在2 m时，即可满足不同直径的雨滴获得2~2.9 m/s的终点速度，与天然降雨雨滴终速分布范围一致^[27]，均匀度为89.2%，可满足试验要求。根据研究区多年降雨资料，结合辽宁省中小河流无资料地区设计暴雨洪水计算方法^[36]，参考计算得出的辽西地区中度侵蚀瞬时降雨强度＞30 mm/h，本次试验降雨强度设定为75 mm/h，设计的降雨强度已达到暴雨级别降雨。5~15°坡耕地面积占辽西地山丘陵区坡耕地总面积的80.4%^[37]，是发生土壤侵蚀的主要坡度范围；但预试验发现5°条件下部分溅蚀现象并不十分明显，因此，本试验坡度选取为10°。由于预试验过程中观察在降雨历时为25 min时，已经发生溅蚀，为使溅蚀现象更明显，试验控制降雨时间为30 min。每次降雨实验3次重复。

为获得溅蚀颗粒的空间分布状况，对Morgan^[38]溅蚀盘和周一杨等^[39]采用的溅蚀盘进行改进，使溅蚀盘底部支架可以调节长短，通过调节底部支架可以控制溅蚀盘坡度。本试验采用的溅蚀盘(图 1)直径为70 cm，高度为45 cm(底部距地面高度为30 cm，最外环高为15 cm)。其中：装土盘(盘底打孔)位于正中心，直径为20 cm，高度为5 cm；收集盘位于装土盘外侧，由5个间距依次为5 cm的圆环组成，每个圆环高度均为5 cm，并各自设有1个漏口用于收集溅蚀颗粒。

图 1(Fig. 1)

1.溅蚀盘外部Outside of splash erosion plate. 2.可控制高度支撑杆Adjustable height support bar. 3.挡雨器Rain trap. 4.雨滴降落口Raindrop landing port. 5.装土盘Soil tray. 6.上坡下坡分界挡板Barrier between uphill and downhill. 7.溅蚀环Splashring. 8.土壤颗粒收集口Soil particle collection port. 图 1 溅蚀盘 Fig. 1 Splash erosion plate

在装土盘底部铺设透水纱布，保证试验装置的透水性，将过10 mm土壤筛的风干土样填入装土盘中，褐土的土壤密度都控制为1.3 g/cm³，棕壤的土壤密度都控制为1.4 g/cm³。降雨结束后，采集收集盘不同溅蚀距离(0~5 cm，>5~10 cm，>10~15 cm，>15~20 cm，>20~25 cm)上坡和下坡土样，采用湿筛法测定溅蚀团聚体分布特征，然后测定烘干质量，计算总溅蚀量、上坡溅蚀量、下坡溅蚀量和净溅蚀量。计算公式如下：

式中：M为溅蚀量，g/cm；m为溅蚀土壤颗粒质量，g；w为环宽，cm。

总溅蚀量为上坡和下坡溅蚀量总和，其中上坡溅蚀量为溅蚀盘中心线上方的溅蚀量，下坡溅蚀量为溅蚀盘中心线下方的溅蚀量，净溅蚀量为下坡溅蚀量与上坡溅蚀量的差值，反映雨滴打击作用下向下坡搬运的土壤量。

团聚体富集率的变化可以用来描述不同粒级团聚体在溅蚀过程中被迁移的难易程度。

式中：E_r为团聚体富集率；W_i为某一粒级水稳性团聚体在溅蚀土粒中的质量比例，%；W′_i为某一粒级水稳性团聚体原土中的质量比例，%。

土壤平均质量直径(MWD)计算公式为

式中：X_i为任一粒级范围内团聚体的平均直径，mm；w_i为X_i的团聚体质量分数，%。

溅蚀量作为模拟降雨条件下溅蚀过程中的重要特征指标，它能够较好地反映溅蚀过程中土壤颗粒的迁移量，但是仅从溅蚀量这一角度无法有效反映溅蚀过程中雨滴对土壤颗粒的搬运能力大小；因此，通过对溅蚀过程中净溅蚀量的分析，能够更好地反映降雨对土壤的搬运能力^[40-41]。

由图 2和图 3可知，随着水平距离的不断增大，褐土和棕壤的下坡溅蚀量、上坡溅蚀量和净溅蚀量均呈逐渐减小趋势，且2种土壤的下坡溅蚀量、上坡溅蚀量和净溅蚀量在0~25 cm变化范围内下降幅度均超过90%。褐土和棕壤不同水平距离范围内，下坡溅蚀量始终大于上坡溅蚀量，褐土下坡溅蚀总量是上坡溅蚀总量的4倍左右，而棕壤下坡溅蚀总量是上坡溅蚀总量的近5倍。这可能因为粒级较大颗粒受重力作用向下运动，使溅蚀发生时大颗粒大部分落在下坡，而褐土的有机质含量比棕壤低，土壤颗粒之间的胶结作用较弱，粒径较大颗粒存在较少，导致褐土下坡的溅蚀总量与上坡差距小于棕壤。褐土下坡溅蚀量和净溅蚀量在水平距离为0~5 cm、>5~10 cm、>15~20 cm和>20~25 cm之间存在显著差异(P < 0.05)，而上坡溅蚀量在所有水平距离之间差异均显著(P < 0.05)，其中水平距离为0~5 cm时溅蚀量和其他水平距离溅蚀量之间差异极显著(P < 0.01)。棕壤上坡溅蚀量和下坡溅蚀量在水平距离为0~5 cm、>5~10 cm、>20~25 cm之间差异显著(P < 0.05)，净溅蚀量水平距离为0~5 cm、>5~10 cm和>15~20 cm之间存在显著差异(P < 0.05)。

图 2(Fig. 2)

不同小写字母表示不同水平距离溅蚀量差异显著(P < 0.05)。下同。 Different lowercase letters indicate significant difference in splash erosion from different horizontal distances (P < 0.05). The same below. 图 2 褐土不同距离溅蚀量 Fig. 2 Splash erosion of cinnamon soil at different distances

图 3(Fig. 3)

图 3 棕壤不同距离溅蚀量 Fig. 3 Splash erosion of brown soil at different distances

由图 4和图 5可知，褐土和棕壤下坡溅蚀量、上坡溅蚀量、净溅蚀量和溅蚀距离之间具有较好的对数关系，其拟合方程的决定系数在0.974以上。这种变化规律和Guy等^[42]的研究结论具有一致性。棕壤下坡溅蚀量、上坡溅蚀量和净溅蚀量3条拟合曲线的初值和斜率均大于褐土，说明棕壤溅蚀过程中在不同水平距离溅蚀量差异程度比褐土大，这可能是由于棕壤的有机质含量较高，土壤团聚状况比褐土好，大颗粒含量较多，导致较远水平距离的溅蚀量较少。

图 4(Fig. 4)

图 4 褐土溅蚀量随溅蚀距离变化关系 Fig. 4 Relation between splash erosion and splash distance of cinnamon soil

图 5(Fig. 5)

图 5 棕壤溅蚀量随溅蚀距离变化关系 Fig. 5 Relation between splash erosion and splash distance of brown soil

在人工模拟降雨条件下，雨滴对土壤的溅蚀作用主要分为2个阶段：一是雨滴对团聚体的破坏阶段，本阶段主要表现为雨滴对土壤团聚体的分散与破坏，使其成为较小颗粒；另一阶段为土壤颗粒的跃移阶段，是当土壤团聚体拆散后，形成的土壤颗粒粒级和质量在一定的区域内时，模拟降雨产生的降雨能量便足以使土壤颗粒运动和迁移。计算团聚体富集率可以较为清晰的表现一定降雨能量下不同粒级团聚体迁移程度^[43]。

由图 6可知，褐土和棕壤的不同粒级团聚体的富集率差别较大，褐土>2.00 mm的土壤团聚体富集率几乎接近于0，>1.00 mm的土壤团聚体富集率均 < 1，棕壤>2.00 mm的土壤团聚体富集率大于褐土但也较小，>1.00 mm的土壤团聚体富集率也同样 < 1。这可能是因为褐土和棕壤在溅蚀过程中，粒级>1.00 mm的土壤团聚体跃移难度较大，雨滴作用到该土壤团聚体表面，主要起到破坏和拆散作用，表现出团聚体比例变化的损耗特征，这与付玉等^[26]对陕西3种土壤溅蚀团聚体分选的研究结果一致。

图 6(Fig. 6)

图 6 褐土和棕壤团聚体富集率 Fig. 6 Enrichment rate of aggregate in cinnamon soil and brown soil

同时，棕壤>2.00~5.00 mm粒径的土壤团聚体富集率是褐土的4.20倍，>1.00~2.00 mm粒径的土壤团聚体富集率棕壤是褐土的1.33倍，产生这种情况的原因可能是在相同降雨条件下，土粒的迁移能力主要取决于土壤颗粒自身性质，棕壤的密度大于褐土，土壤颗粒的紧密程度不同最终造成其迁移能力的差异，这与张成娥等^[44]的研究结果一致。对于土壤团聚体粒级 < 1.00 mm的团聚体富集率，褐土和棕壤均表现出>1，说明褐土和棕壤粒级 < 1.00 mm的团聚体均容易在降雨条件下发生跃移，表现出富集特征，褐土在>0.50~1.00 mm和>0.25~0.50 mm粒级的团聚体富集率分别是棕壤的1.06倍和1.64倍，这是由于褐土的土壤密度较小，颗粒间紧密程度较小，从而导致颗粒间作用力较小，褐土的富集作用较强。通过对褐土和棕壤不同粒级团聚体富集率的分析，说明降雨对团聚体的迁移优先选择小粒级颗粒，且大粒级团聚体的迁移存在滞后性。在人工模拟降雨条件下，溅蚀对褐土和棕壤大团聚体富集作用与损耗作用的临界团聚体粒级为1.00 mm，这和周一杨等^[39]对东北黑土的溅蚀特征研究基本一致，说明土壤的类型并不影响富集与损耗作用的团聚体临界粒级。

模拟降雨条件下发生的溅蚀对团聚体进行了分选，这就导致不同方向及水平距离范围内团聚体的组成发生了变化。研究(表 2)表明，在降雨能力、土壤颗粒大小以及重力的综合影响下，褐土和棕壤只有>0.25~0.5 mm粒级的水稳性团聚体在降雨条件下的溅蚀过程中整体中所占比例随着水平距离的增大而增加，其中褐土增加57%，棕壤增加53%。

表 2(Tab. 2)

表 2 褐土和棕壤水稳性团聚体组成 Tab. 2 Composition of water-stable aggregates of cinnamon soil and brown soil 水平距离Distance/cm 土壤类型Soil type >5.00 mm >2.00~5.00 mm >1.00~2.00 mm >0.50~1.00 mm >0.25~0.50 mm 0~5 褐土Cinnamon soil 0 3.94 7.81 37.28 50.98 棕壤Brown soil 0 4.96 8.57 37.26 50.46 >5~10 褐土Cinnamon soil 0 7.06 9.48 31.57 51.89 棕壤Brown soil 0 4.51 8.49 30.29 56.72 >10~15 褐土Cinnamon soil 0 6.83 7.85 33.95 51.37 棕壤Brown soil 0 3.89 7.91 34.58 53.61 >15~20 褐土Cinnamon soil 0 0 4.89 26.12 68.99 棕壤Brown soil 0 0 5.70 20.80 73.50 >20~25 褐土Cinnamon soil 0 0 0 20.11 79.89 棕壤Brown soil 0 0 0 22.11 77.89

表 2 褐土和棕壤水稳性团聚体组成 Tab. 2 Composition of water-stable aggregates of cinnamon soil and brown soil

从表 2可以看出，不管是褐土还是棕壤在不同水平距离范围内均未出现粒级>5 mm的团聚体，可能由于这2种土壤>5.00 mm粒径的团聚体富集率都接近为0，只表现为分散作用，因此在各水平距离范围均未出现>5.00 mm的水稳性团聚体。褐土和棕壤>2.00~5.00 mm的水稳性团聚体只出现在0~15 cm的水平距离内，>1.00~2.00 mm的水稳性团聚体只出现在0~20 cm的水平距离内，这也可能由于>1.00 mm团聚体的富集率小于1，主要表现为分散作用。>0.50~1.00 mm水稳性团聚体和>0.25~0.50 mm水稳性团聚体均出现在试验设计的水平距离范围内，其中褐土和棕壤>0.50~1.00 mm粒级团聚体在0~25 cm水平距离范围内分别减小了0.46倍和0.38倍，>0.25~0.50 mm水稳性团聚体在0~25 cm水平距离范围内分别增大了0.56倍和0.54倍，褐土>0.25~1.00 mm水稳性团聚体相比棕壤在增大和减小幅度上均表现为褐土大于棕壤，变化特征与团聚体富集率相一致。这是由于褐土有机质含量较低，土壤间胶结作用较小，土壤颗粒较棕壤容易发生迁移，且棕壤的土壤密度较高，质地紧密，降雨发生时不易发生破碎。

土壤平均质量直径(MWD)是反映土壤团聚状况的指标，其值越高，土壤团聚度越高，土壤稳定性越强^[45]。大量研究表明土壤平均质量直径能更好反映土壤水稳性团聚体的分布与稳定特征^[46]。由图 7可知，褐土和棕壤不同水平距离范围内各个粒级水稳性团聚体平均质量直径均 < 1.00 mm，说明溅蚀搬运土壤颗粒主要以>1.00 mm的团聚体为主，这与团聚富集与损耗作用的临界团聚体粒级相同。褐土团聚体平均质量直径表现为随水平距离的增大先增大后减小的趋势，在>5~10 cm处达到最大值0.82 mm，棕壤表现为随着水平距离的增大团聚体平均质量直径逐渐减小的趋势，变化范围为0.46~0.77 mm。这与不同距离不同粒级团聚体组成比例研究结果一致。

图 7(Fig. 7)

图 7 褐土和棕壤不同水平距离团聚体平均质量直径 Fig. 7 Mean weight diameter of aggregates from cinnamon soil and brown soil at different horizontal distances

1) 褐土和棕壤不同方向溅蚀量以及净溅蚀量与溅蚀距离呈对数递减关系。褐土和棕壤水平距离为0~5 cm时下坡溅蚀量和其他水平距离溅蚀量呈极显著差异。

2) 溅蚀对褐土和棕壤大团聚体富集作用与损耗作用的临界团聚体粒级为1.00 mm。土壤团聚体粒级>1.00 mm时，棕壤的富集率明显大于褐土，当土壤团聚体的粒级 < 1.00 mm时，褐土的团聚体富集率明显大于棕壤。

3) 褐土和棕壤在各水平距离范围均未出现>5.00 mm的水稳性团聚体，褐土和棕壤>0.25~1.00 mm粒级团聚随水平距离变化不管是增大幅度还是减小幅度，均表现为褐土>棕壤。褐土和棕壤不同水平距离范围内各个粒级水稳性团聚体平均质量直径均 < 1.00 mm，褐土随着水平距离的增大团聚体平均质量直径表现为先增大后减小，棕壤随着水平距离的增大团聚体平均质量直径表现为逐渐减小。