东北典型黑土区剖面粒径分布特征及其可蚀性研究.docx

1、第22卷第3期2008年6月水土保持学报JournalofSoilandWaterConservationVol.22No.3Jun.,2008东北典型黑土区剖面粒径分布特征及其可蚀性研究缪驰远，.刘宝元，刘刚，张天宇（北京师范大学地理学与遥感科学学院地表过程与资源生态国家重点实验室，北京100875）摘要：为了更好的了解黑土区土壤剖面粒径分布以及可蚀性因子特征，本研究以东北典型黑土区鹤北流域为研究区，利用沉降法对不同土地利用方式下土层表面至母质的土壤样品进行粒径分布规律研究，并基于粒径及有机碳分布特征，计算了土样的可蚀性K值，最后对土壤可蚀因子K与WEPP模型中土壤的细沟间侵蚀因子(Inte

2、rrillErodibility)K,、细沟侵蚀因子(RillErodibility)Kr和临界剪切力因子(CriticalShear)Tc进行相关分析。结果表明：(1)不同剖面下土壤粘粒含量逐层变化不大，而粉粒含量呈现出随土层深度增加而含量减少，砂粒呈现出随土层深度增加而含量增大；(2)除人工林外，其余6个剖面土壤可蚀性因子K值均表现出随土层深度增加而含量增大的趋势$(3)对农地剖面土样分析发现，可蚀性因子K值与细沟侵蚀因子K,呈极显著正相关，与临界剪切力因子Tc呈极显著负相关,而与细沟间侵蚀因子K的正相关性略有降低。关键词：黑土；可蚀性；细沟间侵蚀；细沟侵蚀；临界剪切力中图分类号：S155

3、.27;S152.2;S157.1文献标识码：A文章编号:1009-2242(2008)03-0018-06StudyonParticleDistributionandItsErodibilityinTypicalBlackSoilAreaofNortheastChinaMIAOChi-yuan9LIUBao-yuan,LIUGang,ZHANGTian-yuStateKeyLab.ofEarthSurfaceProcessesandResourceEcology,SchoolofGeographyBeijingNormalUniversityBeijing100875)Abstract:So

4、ilerodibilityservesasamajorparameterforsoilerosionpredictionandlanduseplanning,reflectsthesensitivityofsoilduringtheerosionprocess.ThepaperfocusedontheblacksoilinnortheastChina,studiedthesoilparticledistributionunderdifferentlanduse,andcalculatedthesoilerodibilityusingtheempiricalformula.Andthenthec

5、orrelationanalysisbetweensoilerodibilityandinterrillerodibility,rillerodibility,criticalshearwerecarriedinordertoapplypredictedmodelswell.Theresultsshow：(l)Thechangeofsoilclaycontentineverylayerisnotobvious,andalongwiththesoillayerincreasing,thesiltcontentreducesbutthesandcontentincreasesi(2)Expectf

6、ortheartificialforest,thesoilerodibilityoftheotherslanduseprofile,presentstheenhancedtrendalongwiththeincreasingsoildepth；(3)Forcropland,thesoilerodibility(K)aresignificantlycorrelatedwiththerillerodibility(Kr)andthecriticalshear(Tc),butthecorrelationbetweensoilerodibility(K)andinterrillerodibility(

7、K;)isreduced.Keywords；blacksoil；erodibility；interrillerodibility；rillerodibility；criticalshear土壤侵蚀是一个全球性的问题，土壤侵蚀的结果是水土严重流失，农业生产力低下且抵御自然灾害的能力削弱，干旱水灾频繁发生，生态环境严重恶化。尽管我国土壤退化类型众多，但最主要、最严重且分布最广的是土壤侵蚀退化。影响土壤侵蚀的因子除了降雨、径流、地形、地表植被、人为活动等侵蚀外营力外，还取决于土壤本身的抗蚀抗冲能力，即侵蚀内营力，国际上通常用土壤可蚀性K值这一指标来衡量。可蚀性K值的大小表示土壤被冲蚀的难易程度，反映

8、土壤对侵蚀外营力剥蚀和搬运的敏感性，是影响土壤流失量的内在因素。土壤可蚀性是定量计算土壤流失的重要指标,是土壤侵蚀预报模型中的必要参数。世界上不论是应用很广的USLE方程，还是1980s年代中期开始研究的WEPP模型，都把它作为一个主要因子，作为水土保持研究的重要内容而加以深入研究。黑土地处我国温带草原土壤经向带的东部，是由平原向山区过渡的一种过渡地形。黑土区作为国内主要收稿日期：2007-12-13基金项目：国家重点基础发展规划项目（973）（2007CB407204）作者简介：缪驰远（1981），男，汉族，福建福安人，博士研究生，研究方向为土壤侵蚀与资源环境。E-mail：miaocy粮食

9、产区，近年来由于土壤侵蚀严重而越来越受到重视，目前国内关于土壤的可蚀性研究多是针对黄土高原，以及我国东部、东南部地区，为数不多的黑土区土壤可蚀性研究也都是基于黑土表层月石，而对于黑土剖面的可蚀性研究并不多。尽管绝大部分侵蚀为表层侵蚀(surfaceerosion),即仅发生在表土层的坡面侵蚀，但当表层土壤遭受侵蚀而殆尽之后，表层以下的土壤变为表层土，在其他特性不变的情况下其可蚀性又将是何特征？亦或者发生深层侵蚀(subsurfaceerosion),如切沟侵蚀，其土壤剖面表层以下土壤抵抗侵蚀能力又如何？因此，本文以黑龙江省九三农垦分局(嫩江)鹤山农场鹤北流域为例，基于不同土地利用方式下的黑土剖

10、面粒径分布特征来对土壤可蚀性进行研究，以期为黑土土壤侵蚀退化预测研究提供帮助。1研究区概况本研究在黑龙江省九三农垦分局(嫩江)鹤山农场(125。16能,48。580)内进行，地处大兴安岭南麓，海拔高度在150382.9m之间，岗坡平缓，坡度一般在1°6。之间，为典型的丘陵漫岗地形。气候类型为寒温带大陆性季风气候，由于受高纬度和季风的影响，全年冷热、干湿季节划分较为明显，春季风大，干燥少雨；夏季高温、湿润多雨;秋季多雨、凉爽，初霜旱，冷暖交替；冬季漫长，严寒少雪。年均降水500550mm左右，多集中在6一9月。研究区的土壤以典型黑土为主，占流域而积的2/3以上，其次还有棕色森林土(黄沙

11、土)和草甸沼泽±o成土母质主要是第四纪湖相冲积沉积物黄粘土物质，只有少部分是属于岩石风化残积物和河流冲积砂砾母质，黑土厚度在3050cm之间，春季坡耕地表层土壤容重在1.1g/cm3左右,腐殖质含量为4%6%。2研究方法表1土壤样品分布情况分为人工林和天然林。由于坡底农地剖面土层厚度较大，故对该剖面采集土样时采用挖剖面法,而余下6个土壤剖面样品用荷兰Eijkelkamp公司的Bipartite根钻进行采集。所采集的土样每10cm一层，直至土壤母质(表1),采样时间为2006年9月，共采集78个土样。土壤剖面样品采用湿筛+沉降法进行粒径测试，由于在计算土壤细沟侵蚀和细沟间侵蚀时，要用到

12、极细砂(Veryfinesand,vfs)含量，因此，在用湿筛进行筛分时,选取了0.1mm的筛子。选取农地、林地、草甸和尿坑地四种采样对象坡顶农地坡中林地坡底人工林天然林草甸尿坑地土地利用方式下的7个土壤剖面进行研采样深度130cm80cm200cm70cm70cm70cm160cm究，其中农地分为坡顶、坡中、坡底；林地采样个数1382077716本研究中土壤的可蚀性因子K采用侵蚀/生产力影响模型EPIC中的计算公式笆，公式中的有机碳采用重铭酸钾容量法进行测定：K=0.2+0.3exp-0.025S4N(1-S7L/100)XSIL/(CLA+SIL)。'X(1.0-0.25C/C+e

13、xp(3.72-2.95C)X(1.0-0.75SN】/SN】+exp(-5.51+22.9SN】)(1)式中：SAN砂粒含量(%),SIL粉粒含量(%),CLA粘粒含量(%),C有机碳含量(%),SN】=ZSAN/100,计算所得的K值为美制单位，除以7.593后转化为国际制单位。WEPP模型中的可蚀性因子包括细沟间侵蚀因子(InterrillErodibility)K,细沟侵蚀因子(RillErodibili-ty)Kr和临界剪切力(CriticalShear)Ic,目前基于土壤的理化性质与上述三个因子之间所建立的经验公式,以农地(cropland)最为常见,故本研究仅对农地的K”K,和T

14、c进行计算，其具体公式为:当土壤中的含砂量(Sand)大于或等于30%时，则Ki=2728000+19210000t;/5(2)Kr=0.00197+0.Q3Qvfs+0.03863e184orgrnal(3)Tc=2.67+6.5clay5.8vfs(4)式中：vfs极细砂(0.10.05mm)百分含量,orgmat有机质，其值为有机碳的L724倍：clay土壤粘粒含量。上式中若vfs含量大于40%,则以40%计;有机质含量若小于0.35%,则以0.35%计;粘粒clay含量若大于40%,则以40%计。当土壤中的含砂量(Sand)少于30%,则Ki=60540005513000clay(5)

15、Kr=0,0069+0.134e-20c,ay(6)Tc=3.5(7)(5),(6)式中，若粘粒clay含量小于10%,则以10%计；.第22卷3结果与分析3.1同剖面粒径变化土壤粒径测完后按美国农业部土壤质地分类制(USDA)把粒径分为粘粒(V0.002mm),粉粒(0.0020-05mm)和砂粒(0.052mm)三级，最终78个土样的粒径分布见图1。从图1中的可以看出，所测试7个剖面的78个土样，主要是以砂质壤土(SandyLoam)、粉质壤土(SiltLoam)和壤土(Loam)为主。30、801080Y2020ClayLoa巩'/silt0907070>、30、；Clay

16、,40、Loam/SiltLoam/0an1009080706050403020100.v.100Sand(%)/Silt板50号60ClayClayLoa'SiltyCia.LoamSandyLoaij?Y90图1试验土样质地分布图从坡顶农地剖面粒径分布图(图2a)上看，土壤的砂粒、粉粒、粘粒含量随着深度的增加均仅出现微小的波动，在90-130cm深度土壤的粘粒含量趋于稳定。从分布趋势上看，坡顶农地剖面土壤粉粒含量随土层深度增加略有减小的趋势，砂粒含量随土层深度增加略有提高的趋势，粘粒含量整体变化不明显，但坡顶农地砂粒、粉粒、粘粒与土层深度的相关性均未通过显著性检验。从坡中农地剖面粒

17、径分布图(图2b)±看，土壤的砂粒和粉粒含量从表层20cm处随深度出现明显变化,从分布趋势上看，坡中农地剖面土壤砂粒与粉粒含量随土层深度增加的变化趋势与坡顶农地相似，均是粉粒含量随深度增加而减小，砂粒含量随土层深度增加有提高的趋势，粘粒含量变化不明显，但与坡顶农地不同的是,坡中农地砂粒含量与土层深度呈显著相关(P<0.05,R=0.8088),而粉粒含量与土层深度呈极显著相关(P<0.01,R=-0.8404)o从坡底农地剖面粒径分布图(图2c)上看，土壤在20cm以下砂粒和粉粒含量极明显的波动，且砂粒和粉粒波动方向刚好完全相反，从分布趋势上看，坡底农地剖面土壤粘粒、粉粒

18、含量随土层深度增加而呈现减小的变化趋势，但粉粒含量与土层深度的相关性并未通过显著性检验，粘粒与土层深度的相关系系数R=-0.7624(P<0.01);而砂粒含量随土层深度增加呈现极显著提高趋势，其相关系数R=0.5985(P<0.01)。从天然林剖面粒径分布图(图2d)上看，土壤粒径在40cm以下开始出现略微的波动；从分布趋势上看，天然林土壤剖面粘粒含量随土层深度增加有增加的趋势,但未通过显著性检验，而粉粒和砂粒含量随土层深度变化不明显。从尿坑地剖面粒径分布图(图2e)上看，尿坑地土壤粒径随剖面变化具有“连贯性”和“渐进性”，从随剖面深度增加粒径分布特征上看，尿坑地的表现与坡底农地

19、(图2b)有一定的相似性，均是剖面土壤粘粒、粉粒含量随土层深度增加而呈现减小的变化趋势，其相关系系数分别为R=-0.8098(P<0.01)和R=-0.6806(P<001)；砂粒含量随土层深度增加呈极显著增加趋势，其相关系数R=0.8117(P<0.01)o从人工林剖面粒径分布图(图2f)上看，整个土壤剖面砂粒含量极大，远大于土壤的粉粒、粘粒含量，这与实地采样地点的表征相符。从分布趋势上看，人工林土壤剖面砂粒、粉粒和粘粒含量随土层深度增加的变化趋势并不明显,且相关系数均未通过显著性检验。从草甸土剖面粒径分布图(图2g)上看，土壤砂粒含量在030cm不断减小后，在30cm以下

20、迅速增大。从分布趋势上看，草甸土壤剖面粘粒含量随土层深加有减少的趋势，但未通过显著性检验,而粉粒、砂粒含量随土层深度均有极显的相关性，相关系数值分别为氏=一0.9076(PV0.01)和R=0.8779(P<0.01)o粒径含量（%）粒径含量（%）012345678910111213(目)畏慝Is霜粒径含量（%）10203040506070809010001234567890123456789011111111112(日。)都慝回相粒径含髭()10203040506070809010001234567890123456(日。)怒岬回品Clay-oSilt-。Sand趋势线粒径含量(%)1

21、02030405060708090100234567，(日。)艘龄回氟粒径含量(%)0102030405060708090100粒径含量(%)10203040506070809010001234567(日。)暇密回斑粒径含量(%)102030405060708090100图2不同剖面土壤粒径分布图从7个剖面粒径分布特征可以看出，7个剖面土壤粘粒含量的逐层变化程度是最小的，所计算出来的标准差SD值最小，由于7个剖面土壤粘粒含量变化程度的不明显，导致相应的土壤砂粒含量与粉粒含量的变化情况刚好相反;7个剖面中，属坡底农地（图2c）的砂粒含量和粉粒含量逐层波动变化最为明显，该采样点位于坡底，每次降雨侵

22、蚀过程中，坡面上径流所携带的泥沙经过坡底，由于坡度变缓，流速减慢，所携带的泥沙在该位置开始沉积，粘粒虽然直径小,携带单粒径的粘粒所需要的能量少，但由于粘粒多是以团粒结构粘结在一起，所以坡面上径流所携带的泥沙反而是以粉粒和砂粒占优，最终导致坡底粉粒含量和砂粒含量不断波动变化。虽然在不同土地利用方式下，土壤的砂粒和粉粒含量在不同层次上出现波动，但还是能体现出整体粒径含量随深度变化的趋势，整体趋势是砂粒含量随着土壤深度的增加而提高，粉粒含量随着土壤深度的增加而减小;本次研究的剖面中，坡顶农地、天然林和尿坑地剖面土壤是以粉粒为主，而坡中农地、人工林和草甸土剖面土壤是以砂粒为主。3.2不同剖面可蚀性因子

23、K值变化利用式（1）计算出来的农地剖面土壤可蚀性因子K值，与同一研究区内的径流小区实测K值比较发现其值十分接近明。计算所得的可蚀性K值与土壤深度变化情况见图3,整体趋势为不同土地利用方式下，土壤可蚀性K值随土层深度增加而增加，即土层深度越深，该层土壤抵抗侵蚀的能力越弱，越容易被侵蚀掉。对7个剖面土壤可蚀性K值与土层深度做相关分析，发现除天然林土壤剖面外，其余6个剖面的土壤可蚀性K值与土层深度的相关性均通过极显著水平检验，且相关系数R值均在0.70以上；7个剖面中，坡中农地土壤剖面可蚀性K值与土层深度的相关性最好，相关系数达到了0.928。同时,人工林与其余6个土壤剖面可蚀性值相差较大，这主要是

24、因为这次采样的人工林土壤剖面主要以砂粒为主（图2f）,与其余6个剖面粒径分布特征明显不同;农地（坡顶、坡中、坡底）、尿坑地、天然林和草甸土壤表层（0-20cm）的可蚀性K相差不大，均集中在0.04-0.07t-hm2-h/（hm2-MJmm）之间3而坡底农地土壤可蚀性K值随深度增加而不断波动变化，这主要也是由于坡底农地粒径在侵蚀过程中土壤颗粒的再分布特征;本次研究的7个剖面整体上看，尿坑地土层平均可蚀性K值最小，该剖面土壤可蚀性K值平均逐层递增率也最小；而人工林土层平均可蚀性K值最大,但剖面土壤可蚀性K值平均逐层递增率最大的是出现在草甸土。3.3可蚀性因子K与WEPP模型可蚀性相关分析通用土壤

25、流失方程式(USLE)在过去几十年得到各国的普遍使用，但由于该方程不能预报土壤侵蚀的时空分布，因此对于深入理解土壤侵蚀机理有一定局限性;而WEPP模型是过程模型，是一个迄今为止最为复杂的描述与土壤水蚀相关物理过程的计算机程序，比现有侵蚀预报模型有明显优越性5，它可以估算土壤侵蚀的时空分布及全坡面或坡面任意一点的净土壤流失量及随时间的变化。当前我国应用USLE已较为成熟，而对于WEPP模型的应用才刚可蚀性因子(thm2h/hmMJmm)可蚀性因子(thm2h/hmMJmm)0012345678901234567890Ullin11unil1112刚起步，因此分析USLE模型与WEPP模型关键因图

26、3剖面土壤可蚀性K值随土层深度变化情况子的相关性对推广WEPP模型有一定的帮助。通用土壤流失方程USLE中描述土壤的可蚀性因子只有一个，即人们常说的土壤可蚀性因子K,而WEPP模型将土壤可蚀性指标细分为3个：细沟间侵蚀因子(InterrillErodibility)，细沟侵蚀因子(RillErodibility)Kr和临界剪切力因子(CriticalShear)Tc,当前WEPP的应用还主婆集中在农地中，因此本文主要是针对农地剖面进行通用土壤流失方程USLE与WEPP模型可蚀性指标的相关分析(图4)。研究发现土壤可蚀性因子K与细沟侵蚀因子K呈极显著正相关(R=0.8448,PV0.01),而土

27、壤可蚀性因子K与临界剪切力因子Tc呈极显著负相关(R=0.5904,PV0.01),而土壤可蚀性因子K与土壤细沟间侵蚀因子K,的显著性及相关性略有下降(R=0.33369P<0.05)o可蚀性因子(thm2h/hm2MJmm)(p、s罗)mB起遂变回毋忠8/s)mEl却遂喇痘s0.040.080.120.16可蚀性因子(thm2h/hm2MJmm)在WEPP模型中土壤临界剪切力Tc是一个临界值，小于该值土壤中的细沟分散就不会出现，因此该值越小，侵蚀出现的可能性越大，可蚀性也越大，故土壤临界剪切力Tc与土壤可蚀性因子K相关性为负相关；而WEPP模型中细沟间侵蚀因子K,和细沟侵蚀因子K,也均

28、是用来描述土壤侵蚀难易程度的指标，研究结果K与K呈显著正相关也常理相符，而K与Ki的相关性较K与K的相关性要降低。进一步分析,发现当砂粒含量小于30%时，K因子与K,因子的相关性明显加强(R=0.4794,PV0.05),而当砂粒含量大于或等于30%时，K因子与K,因子的相关性未能通过显著性检验。作者认为主要是因为，在通用土壤流失方程中可蚀性因子K是一个综合指标，它综合考虑土壤侵蚀的全过程，而WEPP将土壤侵蚀过程的前期定为细沟间侵蚀，后期发展为细沟侵蚀，在计算细沟间侵蚀因子K：时，当砂粒大于30%时，K,的值仅由极细砂(刃指)含量决定，而极细砂含量在计算USLE中的K因子时又毫无作用。图4土

29、壤可蚀性因子K与WEPP模型中可蚀性因子相关分析4结论本研究测试土样主要以砂质壤土、粉质壤土和壤土为主,7个不同剖面下土壤粘粒含量的逐层变化程度是最小的，而粉粒和砂粒含量的整体变化趋势是砂粒含量随着土壤深度的增加而提高，粉粒含量随着土壤深度的增加而减小。(1) 7个不同剖面下土壤可蚀性因子K值的计算发现，除天然林外，其余6个坡面均表现出随土层深度增加而含量增大，其中尿坑地土层的平均可蚀因子K值最小，而草甸土土壤可蚀性K值平均逐层递增率最大。(2) 对农地剖面分析发现，土壤可蚀性因子K值与WEPP模型中的细沟侵蚀因子Kr及细沟间侵蚀因子K均呈正相关,其中与细沟侵蚀因子Kr相关性通过极显著检验，与

30、临界剪切力因子Tc呈显著的负相关。参考文献：1 何丙辉，缪驰远吴咏，等遂宁组紫色土坡耕地土壤侵蚀规律研究口.水土保持学报，2004,18(3)：9-12.2 刘宝元，谢云，张科利.土壤侵蚀预报模型M.北京：中国科学技术出版社，2001：66-68刘宝元，张科利，焦菊英.土壤可蚀性及其在侵蚀预报中的应用口.自然资源学报，1999,14(4)：345-350.3 范昊明，蔡强国，崔明东北黑土漫岗区土壤侵蚀垂直分带性研究口.农业工程学报，2005,21(6)：8-13.4 高德武.黑龙江土壤流失方程中土壤可蚀性因子(K)的研究口.国土与自然资源研究，1993(3)：40-44张科利，蔡永明，刘宝元，

31、等.土壤可蚀性动态变化规律研究J.地理学报，2001,56(6)：673-681.5 张先奎，许靖华，卢秀琴，等.黑龙江省土壤流失方程的研究水土保持通报，1993,12(4)：1-18.6 SharpleyAN,WilliamsJR.EPIC-erosion/productivityimpactcalculator:modeldocumentationLCJ/TechnicalBulletinNo.1768.WashingtonDC：USDepartmentofAgriculture,1990：235.7 FlanaganDC,NearingMA.USDA-WaterErosionPredictionProject(WEPP)hillslopeprofileandwatershedmodeldocu-mentationCR/NSERLReportNo.10.USDA-ARSNationalSoilErosionResearchLaboratory»WestLafayette»Indiana,USA.1995：298-张科利，彭文英，杨红丽中国土壤可蚀性值及其估算J.土壤学报，2007,44(1)：7-13.8 缪驰远.何丙辉，陈晓燕.水蚀模型USLE与W