王保田，龔傲龍，杜妍平，黃待望

(河海大學(xué) 巖土工程研究所，江蘇 南京210098)

廣西石漠化地區(qū)總面積達(dá)237.9 萬公頃，土壤侵蝕面積為281.2 萬公頃，土壤侵蝕類型以水力侵蝕為主，其中桂西北石灰?guī)r地區(qū)和桂東南花崗巖地區(qū)最為嚴(yán)重。土壤侵蝕不僅導(dǎo)致了生態(tài)環(huán)境惡化，而且嚴(yán)重影響廣西經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展。因此，對(duì)廣西石漠化地區(qū)坡面土壤侵蝕規(guī)律研究就顯得十分迫切。目前，國內(nèi)外已建立部分較為成熟的土壤侵蝕模型［1-5］，但大都具有一定的區(qū)域局限性。其中，對(duì)廣西石漠化地區(qū)的研究主要從兩方面展開:一是石漠化現(xiàn)象、規(guī)模、等級(jí)劃分及其主要區(qū)域、危害和治理方針的確定［6-8］;二是石漠化土壤侵蝕機(jī)理、影響因子、以及土壤侵蝕過程中理化性質(zhì)的變化規(guī)律研究［9-15］?，F(xiàn)階段，關(guān)于第一部分的研究成果雖然較多但比較淺顯，第二部分研究內(nèi)容相對(duì)深入，但結(jié)論性成果并不多，基本為多年數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)或現(xiàn)場(chǎng)小區(qū)試驗(yàn);同時(shí)，不同小區(qū)邊坡的土質(zhì)含水率、干容重、土壤厚度、下墊面條件等均存在較大差異，使得相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果并不具有很好的說服力，也未形成統(tǒng)一概念。針對(duì)廣西石漠化地區(qū)坡面土壤侵蝕主要影響因子的確定和相對(duì)應(yīng)影響規(guī)律的分析這一核心問題，本文選取雨強(qiáng)、坡度和干容重三個(gè)影響因子為主要研究對(duì)象，在其他環(huán)境條件不變情況下，通過自制降雨器模擬裝置進(jìn)行坡面土壤降雨侵蝕試驗(yàn)，確定三個(gè)影響因子對(duì)坡面土壤侵蝕的影響規(guī)律及其作用機(jī)制。研究成果將為更好地揭示廣西石漠化地區(qū)主要影響因子與坡地土壤侵蝕之間的關(guān)系，為提出石漠化治理措施提供試驗(yàn)支持。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)土樣為取自廣西河池至都安高速公路K15+120 ～K15+350 標(biāo)段的黃色石灰土，取土深度4.5m，基巖為石灰?guī)r，顏色呈黃褐色。結(jié)合室內(nèi)顆粒分析曲線(圖1)及其基本物理性質(zhì)(表1)，根據(jù)《巖土工程勘查規(guī)范》可以判定試驗(yàn)土壤質(zhì)地為粘土，天然狀態(tài)下處于可塑狀態(tài)。

圖1 土樣顆粒分析曲線Fig.1 Grain accumulative curve of soil sample

表1 土壤基本物理性質(zhì)Tab.1 The physical properties of soil

1.2 試驗(yàn)方案與裝置

本研究采用正交組合試驗(yàn)，選擇雨強(qiáng)、坡度和干密度3 個(gè)因素，進(jìn)行共計(jì)72 組試驗(yàn)。由于室內(nèi)試驗(yàn)土坡尺寸和降雨模擬裝置的限制，不可能采用自然降雨的實(shí)際雨強(qiáng)作為室內(nèi)試驗(yàn)雨強(qiáng);因此，根據(jù)降雨模擬裝置關(guān)于雨強(qiáng)的控制能力，分別取0.5、1.0 和2.0 mm/min 三個(gè)降雨強(qiáng)度進(jìn)行模擬試驗(yàn)，其中0.5 mm/min雨強(qiáng)模擬小-中雨，1.0 mm/min 雨強(qiáng)模擬中-大雨，2.0 mm/min 雨強(qiáng)模擬受臺(tái)風(fēng)影響的強(qiáng)降雨。邊坡坡度依次取5°、10°、15°、20°、25°和30°，邊坡土壤干容重依次取0.9、1.0、1.1 和1.2 g/cm3。

自制降雨器模擬裝置頂端設(shè)計(jì)3 個(gè)有機(jī)玻璃的降雨板，每塊板都可形成獨(dú)立的密封環(huán)境(圖2a)。板上開有布置均勻、大小統(tǒng)一的降雨孔，降雨孔中放置中空的小鐵管(圖2b)，試驗(yàn)時(shí)保持降雨板內(nèi)充滿水，以達(dá)到降雨的均勻性要求。每塊降雨板單獨(dú)連接一套供水系統(tǒng)，供水系統(tǒng)由水閥和供水瓶組成，由于降雨板所形成的密封環(huán)境，因此降雨強(qiáng)度完全由降雨板側(cè)邊開口所連接的供水瓶的高度決定。三塊降雨板連續(xù)平行放置在4 個(gè)被固定的三腳架中，形成60×20 cm2的降雨面積，降雨系統(tǒng)如圖3 所示。

試驗(yàn)土槽模型見圖4，設(shè)計(jì)尺寸為60 cm×20 cm×3 cm，其中長度為不同坡度條件下的水平長度，高度和土的厚度相等。對(duì)木板進(jìn)行刮毛和涂漆處理，防止試驗(yàn)過程中坡度較高時(shí)發(fā)生失穩(wěn)以及木板遇水變形。

圖2 降雨系統(tǒng)細(xì)部圖Fig.2 The details of rainfall system

圖3 降雨系統(tǒng)Fig.3 Rainfall system

圖4 土槽模型Fig.4 Model groove of the soil

1.3 試驗(yàn)過程

正式試驗(yàn)中，每組試驗(yàn)均進(jìn)行3 次平行試驗(yàn)。按試驗(yàn)組合中的干容重參數(shù)計(jì)算所需土量后，將土樣均勻壓入圖4 中的試驗(yàn)土槽。降雨試驗(yàn)開始之前，土坡表面使用塑料薄膜覆蓋，以防止土壤含水率變化過大。根據(jù)試驗(yàn)所需降雨強(qiáng)度將供水瓶調(diào)節(jié)至某一定高度，保持供水瓶高度不變直至該試驗(yàn)雨強(qiáng)條件下所有組合試驗(yàn)完成，再調(diào)節(jié)至另一試驗(yàn)雨強(qiáng)。每組試驗(yàn)歷時(shí)為30 min，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，將收集的侵蝕流失泥砂靜置24 h，過濾上層清液后，烘干剩余泥砂并稱重。試驗(yàn)設(shè)計(jì)含水率為30%，與天然含水率保持一致。

2 結(jié)果分析

2.1 坡度對(duì)坡面土壤侵蝕的影響

圖5 為不同雨強(qiáng)和干容重條件下的土壤侵蝕量與坡度間的關(guān)系。從中可以看出，雨強(qiáng)為2.0 mm/min時(shí)，坡面土壤侵蝕量的總體變化可分為三個(gè)階段:坡度從5°增加到10°時(shí)，土壤侵蝕量緩慢增加;坡度從10°增加到25°時(shí)，土壤侵蝕量加速上升;坡度超過25°時(shí)，土壤侵蝕量均呈不同程度下降，尤其以干容重0.9 g/cm3和1.0 g/cm3的兩組試驗(yàn)下降最為明顯。坡度為25°時(shí)4 組干容重試驗(yàn)坡面侵蝕量較坡度為5°時(shí)的試驗(yàn)坡面侵蝕量分別增加294.2%，303.5%，314.7%和270.2%。

雨強(qiáng)為1.0 mm/min 時(shí)，隨坡度的增加，4 組干容重對(duì)比試驗(yàn)土壤侵蝕量變化均基本呈先慢后快，然后下降的趨勢(shì)，同樣也在25°左右出現(xiàn)峰值。在坡度25°時(shí)4 組干容重試驗(yàn)坡面侵蝕量較坡度為5°時(shí)的試驗(yàn)坡面侵蝕量分別增加72.0%，119.2%，109.3%和262.2%。

圖5 不同雨強(qiáng)下土壤侵蝕量與坡度的關(guān)系Fig.5 The relationshipbetween soil erosion and slope under different rainfall intensity

雨強(qiáng)為0.5 mm/min 時(shí)，從圖5(c)中可看出在該雨強(qiáng)條件下的土壤侵蝕量很少，基本可忽略干容重與坡度的變化對(duì)土壤侵蝕量的影響，水土流失強(qiáng)度較輕?？偟膩碚f，在0.5 mm/min 的雨強(qiáng)的降雨條件下，侵蝕量很小甚至可以忽略，即在小雨強(qiáng)條件下基本不會(huì)引起水土流失，很多現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)也能證明這一結(jié)論。

對(duì)1.0、2.0 mm/min 雨強(qiáng)條件下，4 組干容重的坡面土壤侵蝕量與坡面坡度之間的關(guān)系曲線進(jìn)行3 次多項(xiàng)擬合(0.5 mm/min 雨強(qiáng)下侵蝕量不具有規(guī)律性，不做統(tǒng)計(jì))，擬合方程曲線見圖6。

圖6 不同雨強(qiáng)下土壤侵蝕量與坡度的擬合曲線Fig.6 The fitting curves of soil erosion and slope under different rainfall intensity

2.2 降雨強(qiáng)度對(duì)坡面土壤侵蝕的影響

不同干容重條件下，分別對(duì)6 組坡度的坡面土壤侵蝕量與降雨強(qiáng)度之間的關(guān)系曲線進(jìn)行回歸分析，采用指數(shù)函數(shù)進(jìn)行擬合，擬合方程曲線見圖7，擬合方程與擬合度檢驗(yàn)值R2均大于0.92，相關(guān)性較高。

不同干容重坡面土壤侵蝕量與雨強(qiáng)的關(guān)系曲線規(guī)律基本相似，即隨著雨強(qiáng)的增加侵蝕量逐漸增加，而坡度較陡時(shí)，侵蝕量增長較迅速，坡度越低對(duì)雨強(qiáng)的敏感性越低。試驗(yàn)結(jié)果表明，0.5 mm/min 的雨強(qiáng)下，水土流失的量基本可以忽略，試驗(yàn)中所測(cè)得的侵蝕量基本是土坡制作后在土體表面刮毛的細(xì)土壤顆粒隨雨滴擊濺產(chǎn)生。在雨強(qiáng)從1.0 mm/min 增加到2.0 mm/min 過程中，總侵蝕量與侵蝕速率同時(shí)急劇增加，在干容重為0.9 g/cm3時(shí)，2.0 mm/min 雨強(qiáng)侵蝕量甚至較1.0 mm/min 雨強(qiáng)增加10 倍。

圖7 不同干容重下土壤侵蝕量與降雨強(qiáng)度的擬合曲線Fig.7 The fitting curves of soil erosion and rainfall intensity under different dry density

2.3 干容重對(duì)坡面土壤侵蝕的影響

不同坡度條件下，3 組降雨強(qiáng)度的坡面土壤侵蝕量與干容重之間的關(guān)系曲線進(jìn)行回歸分析，采用的線性擬合方式能夠較好反映干容重與土壤侵蝕量的關(guān)系，降雨強(qiáng)度為0.5 mm/min 時(shí)，擬合方程與擬合度檢驗(yàn)值R2較小，如前文所述，雨強(qiáng)較小情況下，土壤侵蝕量較小且不具有規(guī)律性，所以對(duì)其暫不作考慮。對(duì)于其他數(shù)據(jù)除在降雨強(qiáng)度為1.0 mm/min，坡度為10°的擬合方程相關(guān)系數(shù)為0.82，其余相關(guān)系數(shù)均大于0.92，擬合度較高，擬合方程曲線如圖8 所示。

3 討 論

3.1 坡度對(duì)坡面土壤侵蝕規(guī)律的影響及其作用機(jī)制

圖8 不同坡度下土壤侵蝕量與干容重的擬合曲線Fig.8 The fitting curves of soil erosion and dry bulk density under different slope

坡面土壤侵蝕量隨坡度的變化較為復(fù)雜，坡度的變化直接影響著土壤侵蝕的方式和強(qiáng)度。目前國內(nèi)外學(xué)者，一般采用冪函數(shù)模擬坡度對(duì)土壤侵蝕的影響［11］，認(rèn)為隨著坡度的增加，土壤侵蝕量也越來越大。但本文試驗(yàn)結(jié)果表明，土壤侵蝕量并非一直增加，而是存在一個(gè)轉(zhuǎn)折坡度，當(dāng)坡度大于轉(zhuǎn)折坡度時(shí)，土壤侵蝕量甚至出現(xiàn)減少現(xiàn)象。此外，雨強(qiáng)為2.0 mm/min 時(shí)，土壤侵蝕的臨界坡度為25°～27°;在雨強(qiáng)為1.0 mm/min 時(shí)，土壤侵蝕的臨界坡度為23°～25°;由于在雨強(qiáng)為0.5 mm/min 時(shí)，侵蝕強(qiáng)度很小，土壤侵蝕量較少，數(shù)據(jù)不具有統(tǒng)計(jì)規(guī)律性，暫不將其統(tǒng)計(jì)在內(nèi)。關(guān)于臨界坡度出現(xiàn)原因，可從兩方面進(jìn)行解釋:坡度的變化主要影響土壤入滲、徑流流速和土體穩(wěn)定性等方面，當(dāng)坡度增加時(shí)，土體在順坡方向的重力分力增加，土壤土顆粒不穩(wěn)定性增大，使得土壤抗侵蝕能力減弱，土顆粒更容易向下滑移，同時(shí)隨著坡度的增加，坡面水流流速加大，沖刷侵蝕能力增強(qiáng)，能夠分離和搬運(yùn)更多土顆粒，這些對(duì)增加坡面土壤侵蝕量起到促進(jìn)作用;另一方面隨著坡度的增加，斜坡表土受雨面積將逐漸減小，從而對(duì)增加坡面土壤侵蝕量起到抑制作用。兩方面因素的相互作用，最終導(dǎo)致臨界坡度的出現(xiàn)。當(dāng)然，這并不意味著在坡度大于臨界坡度之后，隨著坡度的增加，土壤總侵蝕量就會(huì)減少;相反，隨坡度的增加，總侵蝕量將越來越嚴(yán)重。臨界坡度只是坡面土壤侵蝕的特點(diǎn)，在坡度小于臨界坡度時(shí)，面蝕為土壤侵蝕的主要形式，而坡度大于臨界坡度之后，土壤侵蝕的方式已經(jīng)發(fā)生轉(zhuǎn)變，面蝕的比重越來越小甚至為零，土壤侵蝕的形式開始向溝蝕、滑坡、崩塌方向發(fā)展，這也是我國之所以將25°以上坡度規(guī)定為退耕還林依據(jù)。

雨強(qiáng)為2.0 mm/min 時(shí)，在坡度從10°增加到20°的過程中，是坡面侵蝕開始迅速增加的階段，在進(jìn)行陡坡耕種時(shí)等時(shí)更應(yīng)該注意該階段坡度;在條件允許的情況下，并注意培育草皮、林木，增加土壤穩(wěn)定性。植被等保護(hù)土壤免受降雨的擊濺及徑流的沖刷，使土壤侵蝕從開始階段盡可能將其降低至最低限度。在坡度從臨界坡度增加到30°的過程中，干容重為0.9 g/cm3、1.0 g/cm3的土坡坡面侵蝕量出現(xiàn)了明顯的降低，分別降低了33.7%和25.4%，但這并不意味著土壤侵蝕的減弱，反而更嚴(yán)重的是，土壤侵蝕已經(jīng)開始迅速從面蝕轉(zhuǎn)向溝蝕、滑坡等更嚴(yán)重的形式，此時(shí)若是在陡坡上砍伐樹木、除草耕作、翻種，則必然會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的水土流失。

3.2 降雨強(qiáng)度對(duì)坡面土壤侵蝕規(guī)律的影響及其作用機(jī)制

降雨與土壤侵蝕之間存在密不可分的聯(lián)系，降雨強(qiáng)度大小直接影響著土壤侵蝕量，隨著降雨強(qiáng)度的增加，降雨動(dòng)能與徑流勢(shì)能逐漸增加，同時(shí)分散土顆粒與打擊擾動(dòng)地表水的能力也隨著增加，濺蝕與水流的挾沙能力的增加，最終導(dǎo)致侵蝕量呈非線性迅速增加。但不是所有降雨都會(huì)引起較嚴(yán)重的水土流失，基本都是降雨強(qiáng)度較大的集中暴雨所致，而強(qiáng)度較低的降雨基本都是無侵蝕性降雨。試驗(yàn)結(jié)果表明，0.5 mm/min 雨強(qiáng)下，水土流失量基本可忽略，所測(cè)得的侵蝕量基本是土坡制作后在土體表面刮毛的細(xì)土壤顆粒隨雨滴擊濺而得，但隨雨強(qiáng)的增加，總侵蝕量與侵蝕速率同時(shí)急劇增加。許多野外數(shù)據(jù)顯示，短歷時(shí)(30 min 左右)、高強(qiáng)度(瞬時(shí)雨強(qiáng)達(dá)2.0 mm/min ～3.0 mm/min)、中雨量(50 mm ～70 mm)的暴雨和長歷時(shí)(6 h 以上)、中強(qiáng)度(瞬時(shí)雨強(qiáng)達(dá)1.0 mm/min)、大雨量(100 mm 以上)的暴雨相比較，通常前者的水土流失要要比后者大的多，可明顯看出土壤侵蝕一般都來自歷時(shí)短、強(qiáng)度高的暴雨。本文將坡面土壤侵蝕量與雨強(qiáng)的關(guān)系看做呈指數(shù)關(guān)系，這也與許多前人的研究相吻合。

3.3 干容重對(duì)坡面土壤侵蝕規(guī)律的影響及其作用機(jī)制

干容重影響主要與土壤的抗蝕性有關(guān)，即土體抵抗降雨雨滴打擊與徑流的分散能力，隨著干容重的增加，土顆粒較為密實(shí)，土體結(jié)構(gòu)性更強(qiáng)，大小土顆粒之間互相鑲嵌作用增強(qiáng)，粘聚力增加，導(dǎo)致土顆?？刮g性也增加，所以很明顯的抑制了水土流失的增長［12］。但當(dāng)干容重減小時(shí)，表層土壤相對(duì)疏松，在降雨動(dòng)能打擊與徑流沖刷作用下，很容易隨徑流和雨滴發(fā)生侵蝕。前述試驗(yàn)結(jié)果也表明，干容重越小，侵蝕量會(huì)愈嚴(yán)重，土壤侵蝕量與干容重表現(xiàn)為較好的線性相關(guān)關(guān)系。在喀斯特石山地區(qū)，由于本身土層稀薄，干容重較低，又兼人為擾動(dòng)和翻耕，破壞地面植被覆蓋以及殘留的根莖對(duì)土壤的保護(hù)作用，從而改變地面緊實(shí)度以及降低土壤穩(wěn)定性，若遇上豐水期暴雨，土壤侵蝕量將急劇增加。

3.4 影響因子綜合對(duì)比

通過室內(nèi)降雨模型試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比分析可發(fā)現(xiàn)，坡度的改變所引起的土壤侵蝕增加量最大為314.7%(降雨強(qiáng)度2.0 mm/min，干容重1.1 g/cm3，坡度25°較坡度5°的土壤侵蝕增加量)，降雨強(qiáng)度的改變所引起的土壤侵蝕最大增加量為8224.7.0%(坡度25°，干容重0.9 g/cm3，降雨強(qiáng)度為2.0 mm/min較降雨強(qiáng)度為0.5 mm/min 的土壤侵蝕增加量)，干容重的改變所引起土壤侵蝕最大增加量為224.5%(降雨強(qiáng)度2.0 mm/min，坡度2°，干容重為0.9 g/cm3較干容重為1.2 g/cm3的土壤侵蝕增加量)，從中可明顯看出，降雨強(qiáng)度較其他影響因子為引起廣西石漠化地區(qū)坡面土壤侵蝕的主要影響因子。

4 結(jié) 論

①邊坡坡度由5°變化到25°時(shí)，坡面土壤侵蝕量隨坡度的增加趨勢(shì)呈先慢后快，但當(dāng)坡度超過25°時(shí)，土壤侵蝕量表現(xiàn)為減小趨勢(shì)。存在轉(zhuǎn)折坡度，試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，轉(zhuǎn)折坡度在23°～27°，并且轉(zhuǎn)折坡度的大小隨著降雨強(qiáng)度與干容重的不同而存在不同差異。

②隨著降雨強(qiáng)度的增加，土壤侵蝕量迅速增加，近似表現(xiàn)為指數(shù)相關(guān)關(guān)系，在小雨強(qiáng)的情況下，基本不會(huì)產(chǎn)生水土流失，而大量水土流失基本都來自侵蝕性強(qiáng)降雨。

③隨著干容重的降低，土壤侵蝕量增加，兩者表現(xiàn)為良好線性相關(guān)關(guān)系。

④通過對(duì)不同影響因子之間組合試驗(yàn)產(chǎn)生的土壤侵蝕量的對(duì)比，發(fā)現(xiàn)降雨強(qiáng)度對(duì)土壤侵蝕量的影響明顯高于干容重和坡度，即降雨強(qiáng)度為引起廣西石漠化地區(qū)坡面土壤侵蝕的主要影響因子。

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