卷期：《土壤》2024年第56卷第3期
雨滴击溅侵蚀是造成水土流失的重要因素。研究表明，雨滴冲击作用引起土壤团聚体分散破碎，导致土壤孔隙堵塞和入渗能力降低。土壤结构对土壤的渗透性、通气性和植物的养分利用等均具有重要的影响，土壤入渗过程是土壤水分运动的关键环节，影响着土壤侵蚀程度与植被生长状况。目前对于降雨过程中土壤孔隙微观结构与入渗能力的关系认识还不够清晰，研究基于雨滴击溅试验、土壤饱和渗透试验，并结合计算机断层扫描（Computed Tomography，CT）与图像处理技术，以黄土高原典型农用地土壤褐土为研究对象，探究了不同直径大小雨滴击溅下表层土壤孔隙大小、形状和连通性特征，对不同降雨条件下表层土壤孔隙微观结构与土壤入渗能力的关系进行定量分析，以揭示击溅侵蚀机理，为农业及生态环境发展提供理论依据。
土壤孔隙微观结构分析方法如图1所示。图2和表1显示了不同直径雨滴击溅对土壤孔隙微观结构的影响：表层土壤团聚体破碎程度随雨滴直径的增加逐渐增大，土壤孔隙被堵塞程度也更加严重。在雨滴的压实与击溅剥离作用下，连通孔隙中较大孔隙逐渐变小。与对照组相比，雨滴击溅后土壤孔隙平均形状指数均有所减小，孔隙形状变得更不规则。通过分析4个处理下各类孔隙的孔隙率变化，发现大孔隙(等效直径>100 μm孔隙)、规则孔隙和连通孔隙的孔隙率随着雨滴直径的增大而减小。孔喉半径和喉道长度随雨滴直径增加显著减小(P<0.05)，4.05 mm直径雨滴击溅后的连通孔隙配位数显著降低，雨滴击溅下土壤大孔隙配位数却显著增加(P<0.05)(表1)，这说明雨滴击溅导致大多数较小孔隙的配位数降低，这意味着较小孔隙间的连接关系更不稳定，孔隙网络趋于脆弱化。
对孔隙结构参数与渗透系数进行回归分析，结果如图3所示：土壤孔隙形状与渗透能力关系密切，土壤渗透系数与孔隙平均形状指数存在显著的正相关关系(P<0.01)。从各形状类型孔隙的体积占比看，不规则孔隙不利于土壤渗透能力的提升，土壤中近球形孔隙通常为体积较小的孤立孔隙，对水分运输的作用不大，规则孔隙是土壤水分传输的主要渠道。从孔隙连通性角度看，连通孔隙率与土壤渗透系数正相关(P<0.01)，是影响土壤渗透能力的主要因素。从孔隙网络模型相关参数角度看，孔隙整体的配位数越大，表明孔隙间的连通性越好，更有利于土壤水分入渗。土壤中大孔隙往往具有较大的配位数(表1)，这对土壤中水的多路径运移具有重要意义。然而，当大孔隙配位数较大时，会使水分运输途径更加曲折，导致入渗能力降低。综上可见，土壤渗透能力受孔隙大小、形状和连通性三方面因素的综合影响。
注：同行不同小写字母表示土壤孔隙结构参数在不同直径雨滴击溅处理间差异显著(P<0.05)；下同。
图2 不同直径大小雨滴击溅对表土孔隙结构的影响
作者简介
李光录，博士，教授，博士生导师
