利用稀土元素评估沟间侵蚀引起的团聚体周转及其对沉积颗粒的影响

《CATENA》：Evaluation of interrill erosion–induced aggregate turnover and its influence on sediment particles using rare earth elements

土壤侵蚀过程中不同粒径团聚体的动态转化及其对侵蚀泥沙的影响。采用稀土元素示踪法，通过模拟降雨实验研究自然林、人工灌木林和废弃草地三种土地利用类型下>2 mm、2–0.25 mm、0.25–0.053 mm和<0.053 mm团聚体的破碎与形成过程，揭示泥沙来源以>2 mm和<0.053 mm为主，呈现双峰分布特征，并探讨团聚体动态与径流系数、泥沙产量及分形维数的关系。

　　本研究探讨了不同土地利用类型下坡面溅蚀过程中土壤团聚体的动态变化及其对侵蚀沉积物来源的影响。土壤团聚体作为土壤结构的基本单位，其稳定性直接影响土壤抗侵蚀能力。土壤侵蚀过程中，团聚体不断发生破碎、形成和稳定，从而影响侵蚀过程的动态演变。土壤团聚体的破碎和形成过程不仅决定了侵蚀沉积物的粒径分布，还影响了侵蚀速率和沉积物含量。研究采用稀土元素（REEs）作为示踪剂，追踪不同粒径团聚体的转化过程，并结合模拟降雨实验，分析了三种土地利用类型（天然林地（NF）、人工灌木林地（AS）和撂荒草地（AM））下团聚体的周转过程和侵蚀沉积物的来源。

### 土壤团聚体与侵蚀过程的关系

土壤团聚体的粒径分布对土壤孔隙结构具有重要影响，而不同粒径的土壤颗粒对降雨的响应机制也不同。这些机制决定了哪些颗粒会被降雨冲击所剥离或被径流搬运。在溅蚀实验中，研究人员发现小粒径土壤对雨滴冲击更为敏感，更容易发生位移。此外，土壤颗粒的形状、大小和密度会影响其在湿润条件下的结合强度，从而影响土壤的侵蚀过程。因此，土壤结构在坡面侵蚀中起着主导作用，尤其是在团聚体的破碎和重组过程中。

### 稀土元素示踪方法的应用

为了更精确地追踪土壤团聚体的转化过程，研究采用稀土元素作为示踪剂。这种方法能够有效识别不同粒径团聚体的破碎和形成过程，并同时量化不同粒径团聚体的破碎、形成和稳定性。通过将不同粒径的团聚体分别标记为不同的稀土氧化物，如La?O?、Nd?O?、Sm?O?和Gd?O?，研究人员可以追踪不同粒径团聚体在侵蚀过程中的来源和去向。实验中，土壤样本经过筛选、干燥和标记处理后，被用于模拟降雨实验。模拟降雨实验的条件为90 mm/h的降雨强度，这有助于揭示降雨冲击和径流搬运对团聚体周转过程的影响。

### 实验结果与分析

实验结果表明，侵蚀沉积物主要由粒径在0.25–2 mm和<0.053 mm的颗粒组成，呈现出“双峰”分布特征。这种分布特征与团聚体的破碎和形成过程密切相关。在降雨过程中，团聚体的破碎率和形成率会随时间变化，且不同土地利用类型下，团聚体的破碎和形成过程存在显著差异。例如，在天然林地（NF）中，大团聚体（LMA）的破碎率较高，且破碎后主要转化为中等团聚体（SMA），而小团聚体（MIA）和黏粒（SCP）的破碎率相对较低。在人工灌木林地（AS）和撂荒草地（AM）中，黏粒的贡献率较高，但其破碎率随着降雨时间的延长而下降。

在侵蚀沉积物的粒径分布方面，三种土地利用类型均表现出相似的变化趋势。在降雨初期，侵蚀沉积物的粒径分布迅速变化，随后逐渐趋于稳定。这一现象可能与土壤结构的破碎和重组有关。例如，在人工灌木林地（AS）中，侵蚀沉积物的粒径分布在18–24分钟内趋于稳定，而天然林地（NF）和撂荒草地（AM）的侵蚀沉积物分布则在6–12分钟内开始趋于稳定。这一差异可能与土壤的初始孔隙结构和团聚体稳定性有关。

### 粒径分布与侵蚀沉积物的关系

侵蚀沉积物的粒径分布不仅反映了团聚体的破碎和形成过程，还与土壤结构的变化密切相关。例如，天然林地（NF）的侵蚀沉积物粒径更细，这可能与其较高的团聚体破碎率有关。相反，人工灌木林地（AS）和撂荒草地（AM）的侵蚀沉积物粒径较粗，这可能与其较低的团聚体破碎率和较高的黏粒贡献率有关。此外，侵蚀沉积物的分形维数（fractal dimension）与团聚体的粒径分布密切相关。例如，在<0.053 mm的侵蚀沉积物中，三种土地利用类型的分形维数均趋于一致，表明其粒径分布的相似性。

### 土壤团聚体的动态变化

在模拟降雨实验中，研究人员发现，不同粒径的土壤团聚体在侵蚀过程中发生了显著的动态变化。大团聚体（LMA）和小团聚体（SMA）的破碎率较高，且破碎率随时间呈上升趋势。相反，黏粒（SCP）和微团聚体（MIA）的形成率较高，且形成率随时间呈下降趋势。这一现象表明，土壤团聚体的破碎和形成过程在侵蚀过程中是相互影响的。例如，大团聚体的破碎不仅增加了中等粒径颗粒的含量，还减少了黏粒的贡献率。

### 侵蚀沉积物来源与土地利用类型的关系

侵蚀沉积物的来源与土地利用类型密切相关。在天然林地（NF）中，侵蚀沉积物主要来源于大团聚体（LMA）和中等团聚体（SMA），而在人工灌木林地（AS）和撂荒草地（AM）中，侵蚀沉积物则主要来源于黏粒（SCP）和微团聚体（MIA）。这一差异可能与不同土地利用类型下土壤团聚体的稳定性有关。例如，天然林地（NF）的土壤团聚体稳定性较低，因此更容易发生破碎，导致侵蚀沉积物的粒径更细。

此外，侵蚀沉积物的分形维数（fractal dimension）与土地利用类型也有一定关系。在<0.053 mm的侵蚀沉积物中，三种土地利用类型的分形维数均趋于一致，表明其粒径分布的相似性。而在>2 mm的侵蚀沉积物中，天然林地（NF）的分形维数较高，这可能与其较高的团聚体破碎率有关。

### 侵蚀过程与土壤结构的关系

土壤结构的变化对侵蚀过程具有重要影响。例如，土壤的孔隙结构和团聚体稳定性决定了其对降雨冲击和径流搬运的响应。在天然林地（NF）中，土壤的孔隙结构较为发达，因此其对降雨的响应较为敏感，导致较高的团聚体破碎率和侵蚀沉积物的粒径分布变化。而在人工灌木林地（AS）和撂荒草地（AM）中，土壤的孔隙结构较为稳定，因此其对降雨的响应较为迟缓，导致较低的团聚体破碎率和侵蚀沉积物的粒径分布变化。

### 结论与展望

本研究通过稀土元素示踪方法和模拟降雨实验，揭示了不同土地利用类型下土壤团聚体的动态变化及其对侵蚀沉积物来源的影响。研究结果表明，土壤团聚体的粒径分布和稳定性对侵蚀过程具有重要影响，而侵蚀沉积物的粒径分布和来源则与团聚体的破碎和形成过程密切相关。此外，侵蚀沉积物的分形维数与土壤结构的变化密切相关，且与侵蚀过程中的水文和力学条件有关。

未来的研究可以进一步探讨不同侵蚀时间下残余团聚体的演变过程，以及团聚体孔隙结构的变化对其周转过程的影响。这些研究将有助于更全面地理解土壤侵蚀的机制，并为土壤退化和水土流失的防治提供理论支持。同时，结合更多的现场观测数据和实验室模拟实验，可以进一步验证本研究的结论，并为实际工程应用提供科学依据。