侵蚀泥沙的运动规律对侵蚀过程研究来说至关重要，要科学地模拟土壤侵蚀过程，并准确地估算土壤流失量，就必须深入了解泥沙的运动规律。在泥沙颗粒运动规律相关研究中，特别是涉及与土壤侵蚀相关的水流挟沙力、泥沙的淤积等问题时，都必须观测泥沙的沉降速度。泥沙沉降速度是表征泥沙沉降过程的基础参数，同时也在描述土壤侵蚀分离、搬运、沉积的交互作用时作为主要参数，是构建土壤侵蚀过程模型的控制参数之一^[1]；因此，开展侵蚀泥沙的沉降速度研究具有非常重要的理论意义。到目前为止，针对沉降速度的研究，相关学者已经做了大量工作，在公式计算和试验研究等方面均已取得很大成就^[2-5]；然而，这些研究的试验对象却多为泥沙矿质单颗粒，在目前国际上常用的土壤侵蚀过程模型中，泥沙的沉降速度也主要考虑单粒的分布，即通过土壤质地或矿质单粒(机械组成)的大小来估算，很少考虑含有团聚体的情况^[6]。事实上，侵蚀泥沙通常由单粒和团聚体组成，现阶段很多研究结果已经证实在土壤侵蚀过程中，绝大多数侵蚀泥沙颗粒是以团聚体形式被侵蚀输移的^[7-9]；因此，相对于矿质单粒，以团聚体为对象的沉降速度能够更准确的反映侵蚀泥沙的运移和沉积过程^[10-11]。

鉴于目前关于以团聚体为对象的泥沙沉速研究较少，团聚体是如何影响泥沙沉速这个问题并不是很清楚，但其对土壤侵蚀过程研究确有重要意义，特开展含有团聚体的混合粒径泥沙沉降速度研究。本研究不仅对构建土壤侵蚀模型和精确预测土壤侵蚀具有指导作用，而且对土壤侵蚀过程机理和土壤侵蚀控制等也具有重要意义。

本研究以我国5种典型侵蚀土壤(黄绵土、褐土、红壤、黑土和紫色土)为研究对象，分别采集于陕西榆林、北京延庆、福建安溪、黑龙江嫩江和四川南充5个不同地区的典型坡地0~20 cm耕层，此5种土壤分别代表我国主要水力侵蚀区的土壤类型。相关土壤性状见表 1和表 2。土壤机械组成采用吸管法测定，有机质采用总有机碳分析仪(Elementar vario TOC，德国)测定，土壤团聚体粒径分级采用湿筛-吸管法测定，重复试验3次。土壤分级标准采用美国制。

表 1(Tab. 1)

表 1 供试土壤基本理化性质 Tab. 1 Physio-chemical properties of the five soils 土壤 Soil type 机械组成Primary particle size distribution/% 有机质 Organic matter/% 黏粒Clay (< 0.002 mm) 粉粒Silt (0.002~0.05 mm) 砂粒Sand (0.05~2.00 mm) 黄绵土Loess soil 14.47±0.37 72.66±1.13 12.87±1.49 0.34±0.01 褐土Cinnamon soil 22.16±0.19 50.67±2.54 27.17±2.36 0.58±0.01 红壤Red soil 31.70±0.50 26.76±0.30 41.54±0.21 0.78±0.01 黑土Black soil 30.68±0.43 62.12±0.73 7.20±1.17 4.18±0.08 紫色土Purple soil 33.66±1.02 53.37±1.92 12.96±1.10 0.96±0.01

表 1 供试土壤基本理化性质 Tab. 1 Physio-chemical properties of the five soils

表 2(Tab. 2)

表 2 供试土壤团聚体评价指标 Tab. 2 Evaluation index of the five aggregates 土壤 Soil type 质量加权粒径 Mean weight diameter DMWD/mm 几何平均粒径 Geometric mean diameter DGMD/mm 中值粒径 Median diameter D50/mm 水稳性大团 Water stable aggregateWSA > 0.25/% 团聚度 Aggregationdegree A 分散系数 Dispersivecoefficient D 结构系数 Structurecoefficient K 黄绵土Loess soil 0.23±0.01 0.09±0.01 0.06±0.01 26.93±1.88 1.87±0.19 11.21±1.19 0.91±0.01 褐土Cinnamon soil 0.51±0.02 0.18±0.01 0.21±0.04 45.22±2.56 3.09±0.17 35.57±6.79 0.97±0.01 红壤Red soil 0.85±0.13 0.35±0.06 0.42±0.03 61.35±3.96 4.25±0.62 79.77±6.65 0.99±0.00 黑土Black soil 1.15±0.07 0.38±0.02 0.44±0.06 62.96±3.59 6.42±0.54 131.67±22.54 0.99±0.00 紫色土Purple soil 1.63±0.15 0.52±0.03 0.65±0.04 68.47±1.56 7.99±0.86 31.18±11.79 0.97±0.01

表 2 供试土壤团聚体评价指标 Tab. 2 Evaluation index of the five aggregates

土壤团聚体也是评价土壤性质的重要指标，选用目前应用较广泛的粒径指标(中值粒径D₅₀、质量加权粒径D_MWD和几何平均粒径D_GMD)，水稳性大团聚体含量(>0.25 mm水稳性团聚体质量分数)以及微团聚体稳定性评价指标(团聚度A、分散率D及结构系数K)，各指标的计算方法如下：

式中：x_i为各粒级的平均直径，mm；w_i为平均直径为x_i的水稳性团聚体质量，g；a为机械分析得到的 < 0.05 mm单粒的质量，g；b为微团聚体分析得到的 < 0.05 mm的微团聚体质量，g；c为机械分析得到的 < 0.002 mm单粒的质量，g；d为微团聚体分析得到的 < 0.002 mm微团聚体质量，g。

试验首先对5种土壤进行分散(试验时仅单粒)和未分散(试验时含团聚体)2种不同的处理。称取2份30 g风干土(沉降浓度约为20 g/L^[12])，一份过2 mm筛后进行物理化学分散处理，另一份土样直接浸泡于100 mL去离子水中，静置10 min，尽可能使团聚体遇水后的破裂程度一致，减少试验误差^[11]。5种土壤的每种处理均重复4次。

本研究采用MBWT法进行沉速测定^[13]，该方法可以直接测量出混合悬浮液(不同粒径土壤团聚体及矿质单粒)中泥沙颗粒的沉速分布，与传统吸管和比重法相比，可测量的沉速范围更大并且能有效减少对团聚体的破坏。MBWT沉降法主要通过沉降管设备实现，沉降装置如图 1所示。

图 1(Fig. 1)

图 1 沉降试验装置示意图 Fig. 1 Settling tube apparatus

试验开始前关紧底部取样阀门，将处理好的土壤样品从顶部注入，然后用去离子水注满沉降管，同时记录试验温度(保持在±0.5 ℃内)。随后开始沉降试验，上下180°翻转沉降管10次，使土壤颗粒充分混合，达到最大混合分布状态时开始进行沉降计时，本研究分别在10、20、30、40、50、60、70、80、100和120 s时打开底部开关取样，每场试验取样10次，记录每次取样的时间(精确到0.01 s)以及取样后剩余液面的高度(精确到0.1 cm)。试验结束后，将各泥沙样烘干并称量(精度0.001 g)，得到不同时间对应的沉降颗粒质量。

底部取样法是典型的混合沉降法，多分散悬浮液最开始时是趋向一系列单分散悬浮，但始终都是各个速度等级混合在一起下沉^[1]。因此，某个时刻沉降至底部的泥沙既包括沉降速度大、从顶部下落到底部的颗粒，也包括其他下落距离较短的颗粒。所以，此方法测得的数据需进一步分析，Lovell和Rose在Oden理论^[14]的基础上，提出了Exact理论^[15]，对沉降管中泥沙质量和沉降高度变化带来的影响进行数学分析。公式如下：

式中：m_j为第j个样品中泥沙颗粒的质量，g；t_j为取第j个样品的取样时刻，s；v_j为j时刻的颗粒沉速，m/s；l_j为第j个样品的取样高度，m；P_j为沉降速度小于V_j的质量比例，%；L为管长，m；M为泥沙颗粒总质量，g；J为最后一个样品号。

仅有单粒的沉降速度累计曲线位于含有团聚体的上方，即同一颗粒累计比例对应的沉降速度值，单粒的沉降速度均小于团聚体(图 2)。这说明团聚体的存在增大了泥沙颗粒的沉降速度。胡亚鲜等^[11]的研究也证实了团聚过程可将小颗粒汇聚成沉速较大的大团聚体，从而加速了泥沙的沉速。事实上，沉速的主要影响因素是颗粒的大小和密度，且粒径的影响更为显著^[2-5]。对于含有团聚体的泥沙来说，颗粒的粒径明显大于矿质单粒(5种土壤团聚体中值粒径是单粒的2~39倍)，但其密度却小于单粒泥沙。由于湿密度在试验中很难准确测出，通过颗粒分布估算湿密度^[13]，得出试验土壤团聚体湿密度是单粒(2.65 kg/m³)的0.6~0.72倍。由此可以看出，团聚体由于粒径的增大对泥沙沉速的增大作用是更为显著的。

图 2(Fig. 2)

图 2 泥沙沉降速度分布图 Fig. 2 Settling velocity distributions of sediment

中值沉速v₅₀表示泥沙沉速的累计比例达到50%时所对应的沉速值，是表征泥沙沉降过程的重要特征沉速。为了更为全面地表征团聚体对沉速的影响，再增选v₇₅和v₂₅这2个泥沙特征沉速进行统计分析，分别统计对应于累计沉速分布比例达到75%和25%时的沉速值。由表 3可知，单粒泥沙的特征沉速值v_p均比含有团聚体泥沙的v_a小，且二者之间均具有显著差异(P < 0.05)。这个结果说明，通过传统机械组成法所得的泥沙沉速与实际存在团聚体的泥沙沉速之间存在显著差异，团聚体对泥沙沉速具有显著增大作用。

表 3(Tab. 3)

表 3 泥沙特征沉速值 Tab. 3 Typical settling velocities of sediment 沉速 Settling velocity 黄绵土 Loess soil 褐土 Cinnamon soil 红壤 Red soil 黑土 Black soil 紫色土 Purple soil va75 0.081±0.003Aa 0.088±0.004Aa 0.168±0.004Ab 0.180±0.004Ac 0.180±0.004Ac vp75 0.078±0.003Ba 0.070±0.003Bb 0.154±0.003Bc 0.047±0.002Bd 0.057±0.002Be va50 0.039±0.002Aa 0.038±0.003Aa 0.059±0.004Ab 0.072±0.004Ac 0.074±0.003Ac vp50 0.033±0.002Ba 0.028±0.001Bb 0.023±0.001Bc 0.006±0.001Bd 0.007±0.001Bd va25 0.012±0.001Aa 0.010±0.002Aa 0.020±0.003Ab 0.025±0.002Ac 0.030±0.002Ad vp25 0.004±0.001Ba 0.001±0.000Bb 0.001±0.000Bb 0.001±0.000Bb 0.001±0.000Bb 注：表中同列不同大写字母表示团聚体与单粒之间差异显著，同行不同小写字母表示不同土壤之间差异显著(最小显著差异法进行均值检验，P < 0.05)。Notes：The different capital letters within the column mean significantly different between soil particles and aggregates. The different small letters within the row mean significantly different between different soils.(mean value test by LSD, P < 0.05). va75, va50, va25 refer to the typical settling velocities of sediment containing aggregates where the corresponding cumulative percentage is 75%, 50% and 25%, respectively, and vp75, vp50, vp25 refer to the typical settling velocities of sediment only soil particles where the corresponding cumulative percentage is 75%, 50% and 25%, respectively.

表 3 泥沙特征沉速值 Tab. 3 Typical settling velocities of sediment

团聚体对沉速的影响，在不同沉速范围之间存在差异，在不同土壤类型之间的差异也不尽相同(表 3)。为了能定量描述其影响大小，采用团聚体对沉速的增加率η来表示，η=(v_a-v_p)/v_p。对于5种试验土壤，团聚体对特征沉速的影响大小均为v₂₅>v₅₀>v₇₅(表 4)。团聚体的存在对小粒径泥沙颗粒的影响大于大粒径。这主要与不同粒级团聚体的特性有关，通常大团聚体的稳定性较差，遇水后迅速破裂，在之后的泥沙沉降过程中主要以其本粒级的单粒为主，团聚体相对较少。这个结论与郝燕芳等^[9]研究所得结论相似，侵蚀泥沙中大多数黏粒均以团聚体的形式存在，尤其以粉团形式存在的最多，而粉粒与砂粒则主要以其本粒级的单粒为主。

表 4(Tab. 4)

表 4 泥沙特征沉速增大率 Tab. 4 Increasing rate of typical settling velocities 沉速 Settling velocity 黄绵土 Loess soil 褐土 Cinnamon soil 红壤 Red soil 黑土 Black soil 紫色土 Purple soil v75 0.04 0.26 0.09 2.89 2.17 v50 0.18 0.37 1.59 10.26 10.06 v25 1.63 6.37 21.91 27.67 38.46 vmean 0.62 2.33 7.86 13.60 16.90 Notes: v75, v50, v25 are the settling velocities where the corresponding cumulative percentage is 75%, 50% and 25%, respectively. vmean is the average of the typical setting velocities.

表 4 泥沙特征沉速增大率 Tab. 4 Increasing rate of typical settling velocities

将团聚体对不同特征沉速的增率进行平均，用来表征团聚体对这种土壤沉速的整体增大效果。5种土壤团聚体对泥沙沉速的增大率为：紫色土(16.90)>黑土(13.60)>红壤(7.86)>褐土(2.33)>黄绵土(0.62)。造成这种差异的主要原因是不同土壤以及不同粒级间团聚体不同。

沉速增率与黏粒质量分数呈正相关且相关系数达0.88，与粉粒和砂粒质量分数相关性较小(表 5)。这些结果表明，团聚体对沉速的影响与土壤单粒粒径分布有一定的关系。在土壤颗粒特征中，黏粒质量分数是表征团聚体对沉速影响的较合理参数。土壤矿质颗粒D₅₀、D_MWD以及D_GMD与沉速增率相关性均较小，这说明团聚体对沉速的影响与土壤单粒代表粒径的关系并不大。

表 5(Tab. 5)

表 5 土壤矿质颗粒特征与泥沙沉速增率的相关系数 Tab. 5 Correlation between soil characteristics and the increasing rate of settling velocity 指标Index 相关关系Correlation 黏粒Clay 0.88* 粉粒Silt -0.16 砂粒Sand -0.32 D50 -0.06 DMWD -0.24 DGMD -0.61 注：*表示显著相关(P < 0.05)。Notes：* indicates significant correlation(P < 0.05).

表 5 土壤矿质颗粒特征与泥沙沉速增率的相关系数 Tab. 5 Correlation between soil characteristics and the increasing rate of settling velocity

沉速增率与团聚度极显著相关且相关系数为0.99，与团聚体3个粒径指标相关程度均较高，其中D_MWD相关系数达0.98极显著性相关，D_GMD和D₅₀呈显著相关，与分散系数和结构系数的关系不大(表 6)。这个结果表明，在评价土壤团聚体特征的各种指标中，团聚体D_MWD和团聚度用来表征团聚体对沉速的影响是较为合理的。D_MWD作为重要参数已在许多研究中都得以证实，闫峰陵等^[16]在红壤表土团聚体稳定性对坡面侵蚀的影响研究中得出，湿筛团聚体D_MWD和WSA_>0.25对泥沙粒径影响最大；陈正发等^[17]在关于紫色土旱坡的侵蚀过程研究中发现，D_MWD能更好反映土壤团聚体与侵蚀产沙和产流间的关系。团聚度在土壤侵蚀颗粒特征研究中应用较少，但因为其反映的是团聚体与相应单粒质量的比值，用来评价未分散与分散泥沙的差异是较为合理的参数，其相关关系最好也充分得以证明。

表 6(Tab. 6)

表 6 土壤团聚体特征与泥沙沉速增率的相关系数 Tab. 6 Correlation between aggregate characteristics and the increasing rate of settling velocity 指标Index 相关关系Correlation DMWD 0.98** DGMD 0.97* D50 0.96* WSA > 0.25 0.90* 团聚度Aggregation degree 0.99** 分散系数Dispersive coefficient 0.47 结构系数Structure coefficient 0.60 注：**表示极显著相关(P < 0.01)。Notes：** indicates highly significant correlation(P < 0.01).

表 6 土壤团聚体特征与泥沙沉速增率的相关系数 Tab. 6 Correlation between aggregate characteristics and the increasing rate of settling velocity

含有团聚体的泥沙沉速与仅单颗粒泥沙差别较大，土壤团聚体对泥沙沉速有显著的增大作用。对于5种试验土壤，团聚体对泥沙特征沉速的增大影响均表现对小粒径泥沙颗粒的影响大于大粒径。不同土壤类型间，团聚体对沉速的增大不同，表现为紫色土>黑土>红壤>褐土>黄绵土。

土壤颗粒(包括土壤矿质颗粒以及团聚体)性质特征不同是团聚体对沉速影响不同的主要原因。在土壤特征参数当中，团聚体D_MWD与团聚度能够较好地反映团聚体对泥沙沉速的影响大小，沉速增率与团聚体D_MWD和团聚度有显著的线性相关关系。