理解地表径流对土壤侵蚀的影响：来自干燥裂缝水槽模拟的见解

《International Soil and Water Conservation Research》：Understanding Dispersion Effects on Soil Detachment by Overland Flow: Insights from Desiccated Cracks Flume Simulations

侵蚀特性与分散性关系研究。

　　土壤侵蚀是全球范围内一个严重的问题，特别是在热带地区，水力侵蚀是主要的土壤退化原因。土壤侵蚀过程通常由水、风以及人类活动引起，其中水力侵蚀尤为显著。本研究探讨了土壤分散性对土壤颗粒在地表流动过程中被剥离的影响，特别是在经历多次湿润-干燥（W-D）循环的条件下。通过实验室模拟，研究分析了不同分散性土壤在三种W-D循环下的土壤剥离速率、关键水力参数和土壤可蚀性，以更好地理解土壤在水力作用下的响应机制，并为热带地区的侵蚀控制策略提供科学依据。

### 土壤分散性与侵蚀的关联

土壤分散性是指土壤颗粒在水力作用下被剥离和分散的能力，主要受土壤矿物成分和钠离子（Na?）浓度的影响。在实验室模拟中，研究采用了不同类型的土壤样本，包括高分散性（D）、中等分散性（SD）和非分散性（ND）土壤。这些土壤样本来自马来西亚的多个地区，包括沙巴、雪兰莪、霹雳和柔佛州，这些地区因极端侵蚀现象（如沟壑、裂缝等）而具有代表性。

实验结果显示，随着W-D循环次数的增加，土壤的剥离速率显著上升。高分散性土壤，尤其是富含膨胀性黏土矿物（如蒙脱石）的土壤，对湿润-干燥条件表现出更高的侵蚀敏感性。这些土壤在经历三次W-D循环后，剥离速率分别达到0.00025 ± 4.7×10?? kg/m2/s、0.00032 ± 4.9×10?? kg/m2/s和0.00038 ± 3.9×10?? kg/m2/s。相比之下，非分散性土壤表现出较低的剥离速率，分别达到0.00006 ± 4.1×10?? kg/m2/s、0.00007 ± 4.3×10?? kg/m2/s和0.00009 ± 5.85×10?? kg/m2/s。这些结果表明，高分散性土壤在水力作用下更容易被剥离，而非分散性土壤由于较强的结构稳定性和颗粒间凝聚力，表现出更好的抗侵蚀能力。

### 水力参数的变化与土壤侵蚀的关系

水力参数是影响土壤剥离的关键因素，包括剪切应力（τ）、流速（v）和流功率（Ω）。实验中，这些参数在经历W-D循环后显示出显著的变化。对于高分散性土壤，剪切应力从0.67 Pa下降到0.42 Pa，流速从0.0043 m/s增加到0.0042 m/s，而流功率则从0.0029 kg/s3下降到0.0018 kg/s3。这表明，随着W-D循环的增加，高分散性土壤对水力作用的抵抗力逐渐减弱。

对于中等分散性土壤，剪切应力和流速的变化相对较小，但流功率的变化较为显著。而非分散性土壤的剪切应力和流功率则表现出轻微上升的趋势，表明其对水力作用的响应较为稳定。这些变化间接反映了土壤在不同W-D循环下的物理结构和颗粒间的相互作用变化。例如，随着水力作用的增强，土壤颗粒间的结合力减弱，从而导致土壤更容易被剥离。

### 土壤剥离与水力参数的相互作用

通过回归分析，研究发现土壤剥离速率与水力参数之间存在显著的正相关关系。对于高分散性土壤，剥离速率与剪切应力、流速和流功率之间的相关系数分别达到0.94、0.93和0.95，表明这些参数对剥离过程有重要影响。中等分散性土壤和非分散性土壤的剥离速率也显示出类似的正相关趋势，但相关系数略低。

值得注意的是，非分散性土壤在剥离速率与水力参数之间的关系中表现出更强的非线性特征，其相关系数达到0.97，这表明非分散性土壤的剥离行为更复杂，受到更多因素的影响。此外，剥离速率与水力参数之间的关系还受到土壤颗粒组成的影响。例如，蒙脱石含量较高的土壤更容易在水力作用下发生剥离，而伊利石和高岭石含量较高的土壤则表现出更强的抗剥离能力。

### 土壤矿物成分对侵蚀的影响

土壤的矿物成分对侵蚀行为具有重要影响。研究发现，富含膨胀性矿物（如蒙脱石）的土壤在经历W-D循环后，裂缝的形成更为显著。这种裂缝的形成使得水流更容易渗透到土壤内部，从而降低了土壤的稳定性。相比之下，高岭石和伊利石含量较高的土壤由于其较低的膨胀性，裂缝的形成较为有限，表现出较强的抗侵蚀能力。

此外，土壤的分散性还受到钠离子（Na?）浓度的影响。高钠离子浓度的土壤更容易发生分散现象，这使得土壤颗粒间的结合力减弱，从而增加了侵蚀的可能性。研究通过实验验证了这一现象，发现随着W-D循环次数的增加，土壤中的钠离子浓度进一步升高，导致土壤结构更加松散，更容易被水力剥离。

### 实验设计与数据验证

本研究采用实验室模拟方法，通过控制水力条件和土壤结构，分析了不同土壤类型在经历W-D循环后的剥离行为。实验中，研究人员使用了一个长度为0.60米、宽度为0.20米的实验室模拟渠道，以模拟地表流的条件。通过测量水流的剪切应力、流速和流功率，研究人员能够评估不同土壤类型的抗剥离能力。

实验数据与之前的研究结果进行了对比，发现当前研究的剥离速率模型与已有模型在某些方面具有相似性，但在其他方面则表现出不同的趋势。例如，当前研究中，剥离速率与流速之间的关系更为显著，而与剪切应力的关系则略弱。这表明，不同土壤类型的剥离行为可能受到不同的水力参数影响，需要进一步研究以确定关键因素。

### 侵蚀控制策略的启示

本研究的结果对于制定有效的侵蚀控制策略具有重要意义。首先，高分散性土壤在经历W-D循环后更容易发生侵蚀，因此需要采取针对性的管理措施，如增加土壤覆盖、减少水流速度等。其次，非分散性土壤由于较强的结构稳定性和颗粒间凝聚力，表现出更好的抗侵蚀能力，这可能使其成为侵蚀控制的首选材料。

此外，研究还指出，裂缝的形成和扩展是土壤侵蚀的重要因素。裂缝不仅增加了水流的渗透路径，还降低了土壤的整体凝聚力，从而提高了侵蚀的可能性。因此，理解土壤在湿润和干燥条件下的裂缝形成机制，对于预测和控制侵蚀具有重要意义。

### 未来研究方向

尽管本研究提供了有价值的见解，但仍存在一些局限性。首先，实验室模拟无法完全复制自然环境的复杂性，例如不同降雨强度、地形变化和植被覆盖等因素。其次，实验中仅考虑了三种W-D循环，可能不足以全面反映土壤在长期气候条件下的响应。此外，实验中未考虑生物因素，如植物根系和土壤微生物活动，这些因素对土壤结构和侵蚀行为有重要影响。

为了弥补这些不足，未来的研究应更多地关注自然条件下的土壤侵蚀过程，包括不同降雨强度和地形条件的影响。同时，应增加W-D循环的次数，以更全面地评估土壤在不同气候条件下的响应。此外，结合生物因素的研究也应被纳入，以更准确地预测土壤的抗侵蚀能力。

### 结论

综上所述，土壤的分散性和矿物成分对侵蚀行为具有显著影响。高分散性土壤在经历多次W-D循环后更容易发生侵蚀，而非分散性土壤表现出较强的抗侵蚀能力。水力参数，如剪切应力、流速和流功率，是影响土壤剥离的重要因素。此外，土壤裂缝的形成和扩展进一步加剧了侵蚀的风险，尤其是在湿润-干燥循环的条件下。这些发现为制定有效的侵蚀控制策略提供了科学依据，特别是在热带地区，这些地区由于频繁的降雨和干燥周期，土壤侵蚀问题尤为严重。未来的研究应进一步探索自然条件下的土壤侵蚀机制，并结合生物因素，以更全面地理解和应对土壤侵蚀问题。