2.1 土壤水力侵蚀对土壤容重的影响
土壤容重是决定土壤质量的重要参数之一。一般条件下,土壤容重相对较小,结构相对松散,孔隙多,能储水和保肥; 反之,土壤结构紧实,孔隙少,水分渗透性差,储水和保肥性能较低。土壤发生水力侵蚀就会改变土壤孔隙分布的空间格局,减少土壤的总孔隙,造成侵蚀剖面的土壤容重随深度增加而增加。另外,较高的孔隙度也会导致土壤容重逐渐降低。郑世清等[44]采用人工体积降雨系统分析了降雨强度对土壤容重的影响和土壤侵蚀和降雨入渗之间关系,结果表明土壤容重越大,土壤侵蚀量和土壤渗入量则越少,土壤容重不仅与土壤结构和结构排列密切相关,而且还与土地利用方式密切相关。刘小勇等[45]通过在冲刷槽进行试验后发现土壤容重越大,地表越紧实,土壤的抗蚀性增强; 土壤容重越小,地表越疏松,雨水渗入地表土体后,渗入深层雨水减少,使地表雨水流速不断加大,径流量增加,冲刷力增强,产沙量增加。李长宝等[46]通过对土壤渗透性的数学模拟,理论上分析土壤容重和土壤渗透变化规律,并通过径流小区试验发现土壤渗透率越低,土壤容重越大,土壤抗蚀强度也就越大。
2.2 土壤水力侵蚀对土壤团聚体的影响
土壤团聚体是土壤颗粒团聚形成颗粒状或团块状的结构体。土壤团聚物可以改善土壤的物理性质,是肥沃土壤的象征之一。土壤中的团聚体多,土壤中的水、肥、气、热等多种元素相对协调。土壤团聚体的稳定性影响土壤孔隙分布、孔隙数量和形状特征的组合,这也决定了土壤团聚体对外部应力的敏感性。土壤团聚体与土壤水分的移动路径、土壤颗粒的迁移方式、地表径流以及水分的渗透性也关系密切。程曼等[18]在研究地表土壤结皮形成过程中,认为土壤之所以能够发生侵蚀,是由于土壤团聚体被分成许多小颗粒而引起的,这些小颗粒是由雨水侵蚀造成土壤表面颗粒运动而引起的土壤颗粒的分散。徐英德等[47]认为当土壤团聚体被破坏并且土壤含水量增加时,团聚体的稳定性降低,土壤被压实,土壤颗粒会从大的土壤团聚体破裂出来,从而对土壤的抗蚀性产生影响。马露洋等[48]应用粒径大于0.25 mm团聚体含量以及平均质量直径(MWD)2个指标评价了黄土丘陵区不同植被恢复年限撂荒地团聚体的分布特征和不同粒径团聚体的水稳性,发现土壤雨水侵蚀主要是由于雨滴和薄层水流的运动破坏土壤团聚体造成的,提出用MWD对土壤雨水侵蚀和土壤结皮的敏感性进行衡量。Bryan[49]认为影响和决定土壤侵蚀最重要的土壤物理性质是土壤团聚体和团聚体的稳定性,他们通过模拟降雨条件,发现土壤团聚体的稳定性不仅决定了是否发生土壤侵蚀,还决定了地表径流和土壤侵蚀敏感性等指示性因子。土壤团聚体稳定度高不仅可以有效地防止土壤分散成易被侵蚀和搬运的细小颗粒,而且还决定了土壤结皮的形成速率。卢嘉等[20]根据研究区土壤的性质选择代表性土壤,通过干筛法将其筛分成<2 mm,2～3 mm和3～5 mm的三级团聚体,在室内人工模拟降雨在15°冲蚀槽的试验条件下,研究了土壤团聚体粒径大小对坡面径流侵蚀和沉积物特征的影响,发现在初始含水量和坡度一定条件下,团聚体粒径增大,稳定性反而降低。刘梦云等[50]根据不同的土地利用条件选择典型土地来设置土壤剖面,通过机械筛分法分别测定>5 mm,5～2 mm,2～1 mm,1～0.5 mm,0.5～0.25 mm的各级水稳性团聚体的含量,结果表明:土壤团聚体影响土壤孔隙度、渗透率、透水性和抗蚀性。土壤团聚体是土壤肥力的中心调节器,土壤一旦发生退化,首先表现出团聚体结构的破坏和消失,团聚体含量决定着土壤物理过程的速率和幅度。田积瑩等[51]通过选择总团聚总量和1～10 mm团聚体量两个指标,研究了土壤物理性质与抗蚀性之间的关系,发现在相同的土壤剖面中,上部土壤优于下部土壤,质地粘的土壤优于质地轻的土壤。土壤的物理性质随着土壤的抗蚀性能增强而增强,而土壤的抗蚀性与土壤团聚体总量和团聚状况密切相关。杨玉盛等[52]通过对4种不同治理方式下土壤的抗蚀性进行研究,发现土壤耐腐蚀性可以用土壤分散性、团聚状况、土壤有机质、土壤团聚度、总孔隙度等指标来表征,其中土壤团聚度是所有影响因素中的核心因子。
2.3 土壤水力侵蚀对土壤颗粒组成的影响
土壤颗粒组成是土壤最基本的物理性质之一。土壤主要由黏粒、粉粒和砂粒等不能再分割的颗粒组成在一起形成的。土壤黏粒含量越高,其抵抗水力侵蚀的能力越强。土壤颗粒越小,越容易粘结。土壤发生水力侵蚀主要是影响土壤中的黏粒、粉粒等粒径较小的颗粒。降雨作为水力侵蚀重要影响因素,其强度大小直接影响雨滴对土壤颗粒打击作用的大小,而雨滴击溅动能会直接作用于土壤颗粒之间的粘结力,使土壤颗粒从大颗粒变成小颗粒或者从小颗粒凝结为大颗粒。随降雨量的增加,由于黏粒粒径小,首先被输送,所以颗粒粒径越小,越容易输送。地表经过径流不断冲刷,沙粒含量增加,粉粒和黏粒含量减少,质地变粗,而粉粒、黏粒的流失造成土质松散,更容易受到水力侵蚀的影响。李强[53]认为土壤颗粒被溅起是一个相对复杂的过程,它可以划分为土壤团聚体崩解过程、溅蚀洼地、雨滴击溅、土粒飞溅跃移、土粒蠕动等过程,土壤发生侵蚀的主要原因是雨滴撞击地表,土壤结构被破坏。李占斌等[54]在宽度为33 cm,长度为100 cm,深度为50 cm的可调坡土槽内进行水流冲刷试验,通过试验研究后发现径流冲刷能力由径流本身的能量和携沙能力来决定,土壤颗粒输出坡面方向与沿着径流产生的坡面剪切力方向一致。坡面剪切力破坏土粒之间的粘结力,最终使土粒从母体上分离开来。只有当水流作用于土壤颗粒的剪切力大于土壤颗粒的粘结力时,土壤颗粒才能进入起动准备阶段。吴发启等[55]通过对单个雨滴溅蚀试验和次降雨溅蚀效应的试验研究发现随着坡面的径流深度增加,径流流速也会增加对雨水动能的吸收,增大径流紊动强度,增强坡面径流对土壤颗粒的剥蚀能力。陈山等[56]通过在坡度调节范围为0°～25°试验土槽进行试验后发现表面松散物质决定了坡面上土壤颗粒的起动,当降雨和径流能充分破坏土粒间粘结作用时,土壤颗粒就会从静止进入起动阶段,而坡面土壤颗粒从起动到输出是由坡面径流冲刷能力和抗蚀能力的相互作用过程决定的。
2.4 土壤水力侵蚀对土壤有机碳的影响
土壤有机碳是土壤物质的基础,是土壤肥力的重要标志,对土壤肥力高低有直接影响。它可以改善土壤结构,保持土壤水分,改变土壤微量元素的吸附特性,对土壤的渗透性、腐蚀性、亲水性和养分循环等特性有较强的影响。土壤有机碳在土壤水力侵蚀过程中,会随泥沙和径流作用在地表迁移或沉积,从而影响有机碳在地表生态系统的分布格局。土壤表面的有机碳会随着径流而移动,迅速发生矿化,在泥沙输移和再分配过程中,又加速了土壤有机碳的矿化,然而,在泥沙沉积区域中,由于有机—无机复合体的作用又会形成有机碳的固碳过程。目前存在着两种关于土壤水力侵蚀对土壤有机碳观点:一些学者认为,由于土壤团聚体结构的破坏,使有机碳暴露,被微生物分解利用,造成侵蚀土壤在搬运和沉积过程中,加速了土壤有机碳矿化; 另外一些学者则认为,土壤在侵蚀过程中被搬运,但搬运过程中有机碳矿化量很少,而在沉积区土壤的有机碳固碳会增加,一少部分有机碳会被深埋固定从而降低有机碳的矿化量,绝大多数有机碳通过与矿物质或微团聚体复合,依靠物理保护来减少有机碳分解。
2.5 土壤水力侵蚀对土壤养分的影响
土壤中养分的流失主要是由于坡面径流对土壤养分的溶解而造成土壤养分的减少,导致了流失区域土壤质量的下降、土壤肥力减少、土地经济效益的降低,而对汇集区域则会造成氮、磷含量超标,土壤或水体污染,危害环境。土壤水力侵蚀导致植物生长所需氮、磷和钾的消耗,但为了作物的生长,人们只能通过施肥增加土壤养分,但这些营养素被投入到土壤中,会再一次被淋失、迁移,形成恶性循环。孔刚等[57]采用侧喷式自动模拟降雨系统和移动变坡式钢槽,通过使雨滴下降的终速达到自然雨滴的降落终速,降雨特性接近于天然降雨特性,研究发现土壤侵蚀是通过径流和泥沙共同作用实现的,径流迁移量和土壤养分迁移量都与土壤水分入渗能力有很大的关系。周继[58]利用人工模拟降雨机,测定出降雨强度、降雨量、雨滴特征和降雨侵蚀力,计算降雨前后土壤团聚体分散程度用于衡量降雨特征对土壤结构的影响,发现土壤养分通常附着在固体颗粒上,当地表径流对土壤颗粒搬运和冲刷时,土壤中的营养物质伴会随着土壤颗粒的迁移而流失。黄满湘等[59]利用土壤侵蚀小区下端安装V型量水堰,使用带有刻度的塑料桶收集径流,通过试验发现不同粒径的土壤团聚体中,包含了大量来自土壤表层和侵蚀泥沙中的氮、磷养分,选择搬运的土壤中有机碳对侵蚀泥沙沉积物中氮磷等养分的富集作用贡献有限。陈奇伯等[60]在黄土坡耕地表层人工堆积30 cm熟化耕作土壤上,采用表层土壤人工堆积小区的试验方法,研究发现土壤经暴雨强袭击后,土壤孔隙被堵塞,结构被破坏,土壤水分下渗受阻,在地表以径流的形式汇集,而土壤表层中氮、磷养分受损,造成作物生长发育不良,产量降低,质量降低。刘占锋等[61]通过研究发现流失氮、磷养分,会随泥沙迁移到水体中溶解,导致水体富营养化。
2.6 土壤水力侵蚀对土壤阳离子交换量的影响
土壤阳离子交换量(CEC)反映土壤保蓄、供应和缓冲阳离子养分的能力,是土壤理化性质的综合体现。CEC受土壤质地、土壤结构、土壤气体、土壤水分、腐殖质含量和黏土矿物等因素的影响,当土壤有机质含量较高时,pH值越大,土壤中CEC也越高。虽然土壤母岩类型对阳离子交换量没有直接影响,但它会影响土壤的酸碱性等内在化学因素来影响土壤中CEC的大小。在土壤侵蚀刚开始发生侵蚀时,土壤水分渗透,土壤颗粒充满土壤孔隙,养分积累明显,CEC升高。当侵蚀逐渐增强造成松散物质被搬运,营养物质损失,CEC下降。随着土壤侵蚀继续加强,土壤颗粒(尤其是黏粒)的迁移,CEC会再次下降。王文艳等[62]通过试验对黄土高原典型小流域土壤CEC分布特征进行研究分析,发现随着降雨量、生物量和植被盖度增加,CEC逐渐增大。高温高湿度的气候条件,有助于岩石和矿物风化,造成土壤黏粒含量的增加,CEC升高; CEC以土壤胶体以有机和矿物胶体为载体,当土壤有机碳含量增加时,CEC也会增加; CEC还与黏粒含量有关,土壤中黏粒含量愈高,质地愈重,土壤的负电荷就越多,CEC值就越大。李松[63]通过选择典型丘陵地区中部土壤条件较一致布置的土埂进行试验观测,发现土壤侵蚀所流失的泥沙,主要是物理和化学性质较差的那部分土粒,而那些具有较高的CEC土壤,它们孔隙多,渗透性强,土粒间粘结力大,流失量就会比较少。
2.7 土壤水力侵蚀对土壤酸碱度(pH值)的影响
土壤酸碱度是重要的土壤特性,对许多土壤中的化学反应和化学过程有直接影响,控制着植物和微生物所需营养素的有效性,决定着土壤中化学物质的行为,与土壤肥力、植物生长有着密切联系。土壤养分的有效性受土壤酸碱度的影响,一般情况下磷在中性土壤中有效性高,但在酸性或碱性土壤中效果较差。微量元素(锰,铜,锌等)在酸性土壤中非常有效,但在碱性土壤中效果较差。土壤发生侵蚀的情况下,土壤矿质养分损失会使土壤致酸离子的相对浓度增加,土壤pH值降低。如果土壤的碱性越强,和酸性溶液发生中和反应也就越容易,从而改变土壤的酸碱值,为碱性溶液中阳离子与土壤胶体上的离子交换提供条件。离子交换一旦发生,土壤性质就会改变,从而加剧了土壤团聚体的分散和破坏,导致更严重的土壤侵蚀产生。王桂芳[64]通过试验水槽进行径流冲刷的模拟试验,研究发现在酸性条件下,一些阴离子更容易与土壤溶液中的离子发生反应,使得土壤团聚体结构分散破坏,溶液在土壤表面流动,不断地侵蚀和剥离土壤。
