土壤侵蚀作为一种世界公认的全球性环境难题，是土地退化的典型标志^[1]。土壤侵蚀强度的监测与评估是控制与防治土壤侵蚀的前提。目前有地形测针板法、植物基准法^[2]、探坑法、侵蚀沟样方测量法等利用土壤侵蚀发生前后土层深度的变化来指示侵蚀程度；但这些方法不能统计侵蚀土壤的物理性质和化学组成情况，而且针对土壤侵蚀发生时间短，土层深度变化不大的地区而言，计算结果误差较大。而根据泥沙平衡原理获取土壤侵蚀模数的水库淤积量测量法得到的多年平均侵蚀值，难以反映某一时期内的土壤侵蚀状况，且由于竖井、落水洞以及暗河等地下通道造成的泥沙输移量影响，导致结果偏小。此外，稳定同位素及REE示踪技术虽然精度较高但由于技术难度大，成本较高，难以在落后的地区推广。USLE、MUSLE、RUSLE等^[3]各种土壤侵蚀模型也广泛运用于区域土壤侵蚀调查与水土保持措施效益评价^[4]。这些模型在应用时受区域条件限制，多适用于缓坡地^[5]，对于陡坡以及缺少技术支持的偏远地区应用困难。近年，GIS、DEM、RS等技术常与土壤侵蚀模型结合用于水土保持领域，有效地反映了土壤侵蚀的空间差异，极大地促进了土壤侵蚀的准确评估以及水土保持措施的合理配置；但是，精密的土壤侵蚀模数估算只有以实验径流小区为依托，获取各相关因子的长期以来的变化数据，才能进行下一步的土壤侵蚀研究。加之，不同区域气候、地形、土壤、植被等类型复杂多样，人类社会活动与经济发展均有较大异质性，各地区土壤侵蚀的主导因素、主要侵蚀类型和程度亦具有很大差异，导致土壤侵蚀调查与评估难以进行。

土壤紧实度可用来评价土壤抵抗外力的压实和破碎的能力，通常用探针或金属柱塞压入土壤时的阻力来表示^[6]。不同土地利用类型以及耕作方式造成的土壤紧实度差异较大^[7-8]。土壤紧实度作为土壤主要物理性质之一，受到土壤机械组成、有机质含量及土壤水分等因子的影响。有机质含量主要通过影响土壤水分与结构作用于土壤紧实度^[9]，其本身对土壤紧实度没有直接影响^[10]。此外，耕作时机械车轮对土壤的压实易导致土壤容重增加，孔隙度和透水性减小^[11]，土壤可蚀性增加^[12]，作物产量下降，而且在土壤水分含量高时，由于机械的应力更加集中导致土壤极易被压实^[13]。同时，与常规耕作和免耕相比，深耕能够缓解土壤压实，同时增加了土壤水的入渗，减轻了土壤侵蚀^[14]。总的来说，土壤紧实度与土壤性质密切相关，国内外关于土壤压实对土壤各方面性质的影响研究较多，但对于压实后的土壤紧实度变化与土壤侵蚀的关系鲜见报道；因此，本研究通过在四川省彭州市通济镇、简阳市石盘镇和云南省东川区阿旺镇的农耕地设置多个径流小区，拟通过野外原位实验，利用径流小区与人工模拟降雨相结合，定量分析土壤紧实度变化对土壤侵蚀量的影响，深入研究土壤侵蚀模数与土壤紧实度的关系，旨在得到二者之间的经验公式，从而针对不同地区、不同自然条件下，找到一个简单、快速反映土壤侵蚀强度的综合性指标，为水土流失预测与防治提供一定的理论基础。

笔者所选的3个研究区域的气候条件、土壤类型、土壤紧实度以及土壤的发育程度均有所差异(图 1)。

图 1(Fig. 1)

图 1 野外实验区地理位置(A：彭州通济；B：简阳石盘；C：东川阿旺) Fig. 1 Location of the field experiment area (A: Tongji town, Pengzhou city. B: Shipan town, Jianyang city. C: Awang town, Dongchuan city)

彭州市通济镇境内地质地貌复杂，绝大部分是浅丘，有部分平坝和低山，地势西北高，东南低。海拔约900 m。气候类型其属亚热带湿润性季风气候，年均气温6.7 ℃，≥10 ℃活动积温超过5 000 ℃，年降水量900 mm，雨季集中于6—9月。主要土壤类型是黄壤。

简阳市石盘镇位于四川盆地西部、龙泉山东麓、沱江中游。石盘镇地形以平原和丘陵为主，气候属亚热带湿润气候，年均温18 ℃，年降水量约为950 mm。海拔约450 m。植被类型主要有阔叶林带、针叶林和竹林等，主要土壤类型是紫色土。

东川市阿旺镇周围内山高谷深，地势陡峻，受地质因素影响，崩塌、滑坡严重，是典型雨洪型泥石流频发地区。海拔1 550~2 200 m。地势西南高东北低，坡面沟谷发育，属高山深切割构造侵蚀地貌区。气候属于亚热带季风气候类型。主要土壤类型是红壤。

在野外寻找坡度为20°左右、几乎无植被覆盖的裸坡耕地，平整坡面并将上面的杂草、砾石清除，用镀锌薄铁皮设置多个2 m×1 m的微型径流小区，小区下端设有集流槽，出口处放置水桶收集泥沙。经过多次率定，模拟降雨实验统一采用6个容积为3 L的洒水壶在竖直高度1.35 m处对小区内同时稳定均匀洒水，控制降水量与降水时间不变，平均降雨强度为7.5 mm/min，收集洒水60 s内的径流泥沙，将泥沙过滤烘干后计算土壤侵蚀模数。降雨前采用美国SC900型土壤紧实度仪(美国Spectrum公司，量程0~45 cm，空间分辨率2.5 cm)测定土壤紧实度。在每个小区内每隔10 cm测1次，每个径流小区共测50次，每次测量深度均为20 cm，模拟降雨结束后，用同样方法在每个点附近再测1次。阿旺、通济、石盘实验区分别布设径流小区9、5和20个，共计34个，其中进行第2次降雨的小区数量分别为9、5和3个，模拟降雨共计51次。

降雨前后在每个小区5 cm深处采土样到铝盒里，采用酒精自燃烘干法测土壤含水率，每个小区的坡上、中、下分别采土样3个取平均值。同时，在每个小区内采取土壤10 cm深度的土壤样品，根据所测试指标要求进行风干处理，用于土壤有机质、颗粒组成等土壤性质分析。另外，取原状土装于大铝盒带回实验室用于团聚体分析。土壤有机质采用重铬酸钾外加热法^[15]测定，土壤颗粒组成和水稳性团聚体分别采用吸管法^[16]和湿筛法^[17]测定，每项指标测两次，结果取平均值。

1) 土壤有机质。各实验区土壤有机质平均质量分数如图 2所示：通济实验区土壤有机质质量分数最高，为43.6 g/kg；其次是阿旺实验区，土壤有机质质量分数平均为13 g/kg；石盘实验区最低，平均为12.1 g/kg。经方差分析，通济实验区的土壤有机质与其他实验区存在显著性差异(P < 0.05)，石盘实验区与阿旺实验区的土壤有机质含量无显著性差异(P＞0.05)。各实验区土壤有机质表现出的差异性，除土壤自身物理性质的影响外，很大程度受人为活动影响。

图 2(Fig. 2)

图中不同小写字母表示差异显著P < 0.05，下同。 Different lowercase letters in the figure indicate significant difference at 0.05 level, the same below. 图 2 土壤有机质质量分数 Fig. 2 Soil organic matter content

2) 土壤颗粒组成。阿旺、通济实验区以粉粒为主，平均比例分别为62.3%、52.8%，石盘实验区以砂粒为主，平均比例为56.5%(表 1)。经方差分析，对于土壤砂粒含量，阿旺与石盘和通济实验区均存在显著性差异(P < 0.05)，石盘与通济实验区的土壤砂粒含量存在显著性差异(P < 0.05)。对于土壤粉粒含量，石盘与阿旺和通济实验区均存在显著性差异(P < 0.05)，阿旺与通济实验区的土壤粉粒含量存在显著性差异(P < 0.05)。对于对土壤抗侵蚀能力有较大影响的土壤粘粒含量，3个实验区之间皆存在显著性差异(P < 0.05)，阿旺最低，仅有2.4%。

表 1(Tab. 1)

表 1 土壤颗粒组成 Tab. 1 Soil particle composition 实验区 Experimental area 样品数 Number of samples 砂粒 Sand/% 粉粒 Silt/% 黏粒 Clay/% 东川阿旺Awang town, Dongchuan city 18 35.27±8.99a 62.32±8.84a 2.41±0.78a 简阳石盘Shi pan town, Jianyang city 40 56.47±11.24b 26.47±8.30b 17.06±5.41b 彭州通济Tongji town, Pengzhou city 10 23.41±5.82c 52.8±4.82c 23.78±4.63c 注：表中数据为平均值±标准差，不同小写字母表示显著差异(P < 0.05)。Notes: Data in the table are mean ± standard deviation, and different lowercase letters indicate significant difference at 0.05 level.

表 1 土壤颗粒组成 Tab. 1 Soil particle composition

3) 水稳性团聚体组成。土壤团聚体对土壤抗侵蚀能力具有积极的作用，特别是土壤水稳性团聚体的含量与土壤抗蚀性具有正相关性^[18]。总体看来，3个实验区>0.25 mm的水稳性团聚体含量有明显区别(图 3)，通济最高，达到82.54%，主要集中分布于>5 mm范围，占39%。石盘>0.25 mm水稳性团聚体含量为68.13%，在各粒级中均匀分布。阿旺实验区的土壤水稳性大团聚体较少，只有44.12%，< 0.25 mm的超过50%。

图 3(Fig. 3)

图 3 水稳性团聚体各级粒径含量 Fig. 3 Particle size contents at different levels of water stable aggregates

1) 降雨前的土壤紧实度。为揭示降雨前土壤紧实度的基本状况，图 4点绘了0~20 cm不同深度与土壤紧实度的关系。在土壤表层0~20 cm深度范围内，3个实验区的土壤紧实度均随土壤深度的增加逐渐增大。这与前人^[19]针对芬兰黏土研究提出的土壤渗透阻力随着土壤深度的增加而增大相一致。阿旺实验区土壤紧实度处于在80~350 kPa之间，石盘在120~460 kPa之间，通济在170~510 kPa之间。整体上看，3个实验区的紧实度从高到低依次是彭州通济、简阳石盘、东川阿旺。

图 4(Fig. 4)

图 4 0~20 cm土壤紧实度变化 Fig. 4 Changes in soil compactness from 0 to 20 cm

2) 降雨前后的土壤紧实度变化

为研究土壤紧实度对土壤含水率变化的响应，第1次降雨结束并重新测定土壤紧实度后，保持降雨强度不变，对实验区部分小区进行了第2次降雨实验，结束后需再次测土壤紧实度。结果发现，阿旺、石盘、通济各实验区第1次降雨后土壤紧实度均有明显减小。阿旺0~20 cm深度内土壤紧实度平均减小21 kPa，占降雨前平均土壤紧实度的8%，石盘减小45 kPa，占12%，通济减小72 kPa，占15%，变化相对较明显(图 5)。第2次降雨后的土壤紧实度与第1次降雨后相比，减小幅度均 < 4%，紧实度基本不在变化，统计分析发现与第1次降雨后的土壤紧实度没有显著性差异。

图 5(Fig. 5)

图 5 降雨前后土壤紧实度变化 Fig. 5 Soil compactness changes before and after rainfall

统计各实验区径流小区的平均土壤侵蚀模数发现，阿旺实验区的平均侵蚀模数最大，高达17.48 g/(m²·s)，远高于石盘与通济区，分别是石盘的2.1倍，通济的8.9倍(图 6)，3个地区土壤侵蚀模数存在显著性差异。

图 6(Fig. 6)

图 6 各实验区平均土壤侵蚀模数 Fig. 6 Average soil erosion modulus of each experimental area

1) 土壤水分。土壤紧实度的大小是土壤颗粒间的松紧程度、土粒间黏聚力的大小以及土壤中三相物质容积比例和存在状态的反映^[20]。土壤水分是影响土壤紧实度的主要因素^[21-23]。本文中，各实验区经过2次模拟降雨后发现，经过第1次降雨后土壤紧实度都明显减小，第2次降雨之后紧实度基本不再变化，说明土壤含水率仅在一定范围内会改变土粒间的黏聚力，影响土壤紧实度，含水率过高对紧实度的影响变小(图 5)。通过相关性分析(表 2)发现，阿旺、石盘、通济土壤紧实度均与土壤含水率极显著负相关(P＜0.01)，随着含水率降低，土壤的结构空间收缩，进而土壤孔隙空间降低，使得土壤颗粒排列更为紧密，导致土壤紧实度增加^[24]。

表 2(Tab. 2)

表 2 土壤紧实度与土壤性质的相关性 Tab. 2 Correlation between soil compactness and soil properties 含水率 Moisture content >0.25 mm水稳性团聚体, 粒径 >0.25 mm water stable aggregates, particle size 黏粒比例 Clay content >0.25~0.50 >0.50~2.00 >2.00~5.00 >5.00 2.5 cm深土壤紧 相关性Pearson correlation -0.330** -0.451** -0.138 -0.318* -0.468** 0.606** 实度2.5 cm depth 显著性(双侧) Significance (bilateral) 0.001 0.001 0.341 0.024 0.001 0 soil compactness 样本数Number of sample 34 30 30 30 30 34

表 2 土壤紧实度与土壤性质的相关性 Tab. 2 Correlation between soil compactness and soil properties

2) 水稳性团聚体。土壤团聚体的粒径分布和稳定性直接影响了土壤的孔隙性、持水性、通透性和抗侵蚀性^[25]。总的来说，本研究中土壤紧实度与水稳性团聚体含量具有明显的相关性，且与不同粒级的水稳性团聚体的相关性有所不同。其中，与>0.25~0.50 mm水稳性团聚体含量极显著负相关(P＜0.01)，与>2.00~5.00 mm的显著负相关(P < 0.05)，这与吴承祯等^[26]运用分形模型研究得出的土壤团聚体含量越高，土壤结构性相对越松散、通透性越好的结果相符。但各级水稳性团聚体含量对土壤疏松程度的影响大小有待进一步的研究。

3) 土壤颗粒组成。结合表 1和图 4发现，各实验区土壤紧实度为通济>石盘>阿旺，黏粒含量为通济>石盘>阿旺，土壤紧实度与黏粒含量极显著正相关(P＜0.01)(表 2)。这主要是由于土壤中黏粒含量增加，增大了土粒间的黏聚力所致^[23]。

4) 有机质。关于土壤有机质对土壤紧实度的影响存在着不同观点，有学者^[27]认为有机质对土壤紧实度没有直接的作用，有学者^[27-28]则认为有机质对土壤紧实度有明显的影响。本研究中，通济实验区有机质远高于阿旺、石盘，土壤紧实度也相应地高于石盘、阿旺区。说明有机质可以通过增加土壤结构的稳定性和蓄持水分来阻止外力破坏，减小土壤的可压缩性，降低土壤对压实的敏感性^[29]，使得土壤紧实度较大。而阿旺、石盘实验区有机质含量相差不大，石盘的土壤紧实度却高于阿旺区，说明有机质对土壤紧实度的影响，还与土壤质地类型、土壤水分^[30]等密切相关。

土壤初始含水率影响雨水的入渗分配^[31]，土壤初始含水率越高，通常入渗能力越小^[32]，进而影响径流量及土壤侵蚀模数^[33]。各实验区平均土壤初始含水率为通济>阿旺>石盘，土壤侵蚀模数为阿旺>石盘>通济，土壤含水率与土壤侵蚀模数间没有表现出直接的相关性。这与前人研究得出的土壤初始含水率低，土壤的下渗能力强，径流量小，短时间内不易发生侵蚀，初始含水率高，降雨后雨滴迅速汇集，产流时间缩短^[34]，径流量增大，侵蚀严重^[35-36]这一结果有所差异。这可能与本研究设置的降雨强度较大有关。当降雨强度远高于土壤入渗能力时，一开始降雨即迅速汇集形成径流，导致土壤的初始含水率对土壤侵蚀模数的影响作用几乎可以忽略。可见，土壤初始含水率对土壤侵蚀的影响还取决于降雨强度。

本研究中，对于>0.25 mm水稳性团聚体含量通济>石盘>阿旺，与土壤侵蚀模数呈显著负相关，这与前人研究结果一致^[9]。团聚体稳定性是衡量土壤对径流冲刷侵蚀敏感性的1个重要指标，土壤表面的团聚体一旦遭受雨滴的破坏，会影响土壤水的入渗。土壤团聚体的破坏和分散是土壤结皮形成的前奏，在很大程度上影响降雨对土壤颗粒的剥离能力^[37]。提高不同粒级的土壤水稳性团聚体含量，可以保持土壤表面结构的良好，促进土壤水的入渗，阻止径流的产生以此来减缓土壤侵蚀的发生^[10]。

由于降雨初期对地表的产流产沙主要发生在土壤表层，故而以2.5 cm深度的多次测量结果的平均值代表该小区内的土壤紧实度状况。统计阿旺、石盘、通济3地多个小区2.5 cm处的平均土壤紧实度与土壤侵蚀模数的关系，绘成点图(图 7)。随着土壤紧实度的增加，土壤侵蚀模数逐渐减小，最后趋于稳定，拟合分析发现，土壤侵蚀模数(M，g/(m²·s))与土壤紧实度(C，kPa)成指数函数关系，拟合方程为：

图 7(Fig. 7)

图 7 土壤紧实度与土壤侵蚀模数的关系 Fig. 7 Relationship between soil compactness and soil erosion modulus

当土壤紧实度较低时，土壤结构较疏松，土粒间的黏聚力小，土壤下渗能力很大，降雨后不易汇聚形成径流，初始产流时间延长，土壤侵蚀较小；随着土壤紧实度的增加，土壤结构紧密，土粒间的孔隙变小，土粒间的黏聚力增大，抗蚀抗冲能力增强，阻止了径流对土壤颗粒的剥离下切，减缓了土壤侵蚀过程，土壤侵蚀模数较小。前人研究也表明压实土壤，导致土壤形成块状结构，渗透阻力增加，土壤密度增加，孔隙度、透水性降低^[38]；同时，土壤紧实度大，土壤的耐崩解性也较强，径流难以将土壤剥离，侵蚀量较小：所以，土壤侵蚀模数随着土壤紧实度的增加而减小。这与前人针对喀斯特地区的研究提出的土壤侵蚀模数随着土壤紧实度的增加而减小，二者呈极显著负相关(P＜0.01)，适度提高土壤紧实度有利于提高土壤的抗蚀性^[39]结果相符合。

综上，土壤紧实度状况与土壤性质密切相关，土壤紧实度对土壤侵蚀模数有着较大影响。若土壤黏粒含量高、水稳性大团聚体含量和土壤含水率较低，则土壤紧实度较大，土壤颗粒排列紧密、大孔隙少，土壤下渗能力弱，虽容易形成地表径流；但由于土粒间黏聚力较大，土壤的耐崩解性、抗蚀性与抗冲性强，土壤仍不易被剥离，延缓了雨滴击溅侵蚀向细沟、切沟侵蚀等形式的深层次发展。若土壤黏粒含量较低、水稳性大团聚体含量和土壤含水率较高，则土壤紧实度较小，土壤颗粒排列疏松、土壤透水性较好，雨滴降落后迅速入渗，把土壤表面的细颗粒带到底层或者随水流失，导致地表粗骨化。随着降雨历时的增加，土壤水逐渐饱和、地表径流增加，加之土壤结构疏松，土壤极易被雨水冲刷带走。一旦冲刷形成细沟，将会造成更严重的土壤侵蚀。农田土壤因作物生长需要，表层土壤孔隙多、密度较小，紧实度一般不高(紧实度 < 450 kPa)。本次在农耕地的实验中表明，土壤侵蚀模数随着土壤紧实度的增加而减小，土壤紧实度用于指示土壤侵蚀模数的大小，评估土壤侵蚀发生的难易程度具有可行性。

为了减少植物、坡度、土壤含水率等因素对土壤紧实度、土壤侵蚀的影响，笔者设定的实验地均为裸露坡耕地，且各实验田块坡度和土壤含水率保持一定；因此建立的土壤紧实度与土壤侵蚀程度的定量关系是限制在一定条件下。对于极为疏松或紧实土壤(紧实度 < 50 kPa或>450 kPa)或有植被覆盖条件下土壤紧实度与土壤侵蚀程度关系尚需要进一步研究。

土壤紧实度和土壤侵蚀模数的大小与土壤含水率、水稳性团聚体含量、黏粒含量、有机质含量等土壤性质密切相关。土壤侵蚀模数随土壤土壤紧实度的增加而减小，土壤紧实度高的耕地，土壤侵蚀模数小，二者呈极显著负相关关系(P＜0.01)，拟合方程为：M=42.423e^0.009S(S=C，P＜0.01，R²=0.663)。因此，对于农田土壤(土壤紧实度 < 450 kPa)，利用土壤紧实度简单迅速、低成本地估算土壤侵蚀模数，评估土壤侵蚀强度具有可行性。