牛耀彬，高照良,2，齊星圓，李玉亭婷，李永紅,2

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不同工程堆積體坡面治理措施對土壤抗沖刷侵蝕能力的影響

牛耀彬1，高照良1,2※，齊星圓1，李玉亭婷1，李永紅1,2

（1. 西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所，楊凌 712100； 2. 中國科學(xué)院水利部水土保持研究所，楊凌 712100）

為量化不同區(qū)域堆積體坡面水流分離土壤能力，評價植被恢復(fù)模式、恢復(fù)年限和削坡分級治理對堆積體土壤抗沖刷侵蝕的調(diào)控作用。選取秦巴山區(qū)、關(guān)中平原、黃土丘陵溝壑區(qū)（陜西省境內(nèi)）高速公路不同工程堆積體，通過在堆積體坡面原位采集土壤樣品，室內(nèi)水槽沖刷試驗進(jìn)行系統(tǒng)研究土壤分離能力大小。結(jié)果表明，秦巴山區(qū)、關(guān)中平原、黃土丘陵溝壑區(qū)典型堆積體土壤分離能力變化范圍分別為0.034～1.659、0.311～0.816、0.346～1.042 kg/(m2·s)。相比冰草，堆積體坡面自然恢復(fù)植被為小冠花可以顯著降低土壤分離能力，其降低幅度高達(dá)94.97%。相比未復(fù)墾，在石渣土堆積體坡面短期人為復(fù)墾種植玉米和黃豆對土壤分離能力均無顯著調(diào)控效益。相比恢復(fù)1 a，恢復(fù)2 a未能顯著降低堆積體土壤分離能力，恢復(fù)5 a可以顯著降低堆積體土壤分離能力，其降低幅度為57.35%，相比耕地，恢復(fù)5 a土壤分離能力降低60.41%。黑壚土堆積體短坡長（<60 m）坡面土壤分離能力空間變異不顯著。相比未治理坡面，削坡分級治理可以顯著降低堆積體坡面土壤分離能力，治理后堆積體平臺和坡面土壤分離能力顯著降低66.79%和49.04%。根重密度、粘結(jié)力、含水量、中值粒徑、黏粒含量與土壤分離能力之間存在極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，可用指數(shù)函數(shù)關(guān)系表達(dá)，并建立了基于根重密度和水流剪切力土壤分離能力預(yù)測模型。該研究不僅可為堆積體水土流失預(yù)測提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐，也可為堆積體坡面治理措施配置提供指導(dǎo)。

土壤；侵蝕；徑流；泥沙輸移；措施調(diào)控；植被恢復(fù)；工程堆積體

0 引 言

工程堆積體已成為生產(chǎn)建設(shè)項目新增水土流失的主要來源之一[1]。工程堆積體作為開發(fā)建設(shè)項目形成的人為堆積地貌，具有獨特性，堆積體主要由平臺和坡面構(gòu)成，其坡面坡度較陡，在暴雨條件下堆積體坡面極易引發(fā)滑坡、崩塌、泥石泥等嚴(yán)重的環(huán)境災(zāi)害[2]。土壤侵蝕包括土壤分離、泥沙輸移和沉積三大過程，準(zhǔn)確預(yù)報土壤分離過程是揭示土壤侵蝕機理、建立土壤侵蝕預(yù)報模型的前提條件[3-4]。在徑流沖刷作用下，土壤顆?；驁F聚體脫離土體，離開原始位置的過程稱為土壤分離過程[5]。土壤分離是土壤侵蝕發(fā)生的初始階段，是泥沙產(chǎn)生的必然途徑。土壤分離能力是指含沙量為零時坡面徑流的最大分離速率，它是確定細(xì)溝可蝕性和土壤臨界剪切力的基礎(chǔ)[6-7]。因此，深入研究堆積體土壤分離過程具有重要的實踐和理論意義。

國內(nèi)外學(xué)者圍繞堆積體坡面土壤侵蝕開展了大量研究，取得了豐碩研究成果，主要包括堆積體基本特性概化、堆積體侵蝕過程描述[8-9]、堆積體侵蝕過程影響因素評價[10-11]、堆積體坡面細(xì)溝侵蝕量化[12]、堆積體侵蝕水動力學(xué)參數(shù)選擇[13-15]。但是缺乏對土壤分離子過程的單獨研究。此外，隨著開發(fā)建設(shè)項目水土保持方案的編制，工程堆積體后續(xù)治理被重視，主要治理措施涉及工程攔擋[16]、削坡分級、植被恢復(fù)和臨時苫蓋等，但缺乏對措施實施以后防護(hù)效果的定量評價，另外，隨著恢復(fù)年限的延長，措施防治效果的變化過程不清楚。目前堆積體土壤侵蝕主要研究手段包括野外徑流小區(qū)觀測、室內(nèi)人工模擬降雨試驗，由于徑流小區(qū)修筑費用昂貴，加上工程堆積體數(shù)量眾多，因此徑流小區(qū)觀測法定量評價措施實施以后的防護(hù)效果很難推廣，而室人工模擬降雨試驗下墊面條件與野外真實情況存在較大差異，很難準(zhǔn)確模擬。

鑒于此，本文運用土壤分離理論[17]，通過在堆積體坡面原位采集土壤樣品，室內(nèi)水槽沖刷試驗進(jìn)行量化研究堆積體坡面土壤分離能力大小，評價植被恢復(fù)模式、恢復(fù)年限、削坡分級治理對堆積體土壤抗沖刷侵蝕的調(diào)控作用。為堆積體坡面土壤侵蝕研究試驗設(shè)計和方法選擇提供技術(shù)支持。也為揭示堆積體土壤侵蝕機理，建立堆積體土壤侵蝕預(yù)報模型提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

陜西省境內(nèi)含有陜北黃土高原、中部關(guān)中平原和陜南秦巴山區(qū)3個主要自然區(qū)構(gòu)成，幾乎涵蓋了所有的基本地貌類型，可以作為地貌研究的典型區(qū)域[18]。本研究對象分別位于秦巴山區(qū)漢中市、關(guān)中平原寶雞市、黃土高原延安市。試驗選擇研究區(qū)內(nèi)近5年高速公路建設(shè)形成的堆積體地貌，分別涉及寶雞至漢中高速公路堆積體、西安至寶雞高速公路堆積體、黃陵至延安延高速公路堆積體。

圖1 研究區(qū)示意圖

3個區(qū)域基本情況如下：

寶雞至漢中公高速公路地處長江流域漢江水系，位于陜南秦巴山區(qū)。地處北亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候區(qū)，海拔800～1350 m，多年平均降雨量800～1500 mm。土壤類型有水稻土、黃棕壤、棕壤、黃泥土、山地石渣土、淤泥土等六大類。植物以典型的針葉和闊葉落葉為主；西安至寶雞高速公路位于關(guān)中平原渭河走廊帶，路線所經(jīng)區(qū)域為關(guān)中盆地。塬面高程540～880 m，地處暖溫帶半濕潤大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，多年平均降雨量為545～700 mm。土壤以壚土、褐土為主。植被屬暖溫帶落葉、闊葉林植被類型；黃延至延安高速公路地處陜北黃土高原南部，屬黃土丘陵溝壑區(qū)，地貌類型包括黃土殘塬地貌、黃土梁峁溝壑地貌。屬暖溫帶半濕潤大陸性氣候，多年平均降雨量547～592 mm。土壤主要有黑壚土、黑墡土、黃墡土、黃綿土等類型。植被分區(qū)屬暖溫帶落葉闊葉林及森林草原地帶。

1.2 不同工程堆積體選擇

2017年7月11日－8月15日對陜西省全境近5年公路建設(shè)項目形成的堆積體進(jìn)行了全面、詳細(xì)的調(diào)查。按地貌區(qū)域、植被恢復(fù)模式、構(gòu)成要素進(jìn)行分類調(diào)查。堆積體形成的原因眾多，其中秦巴山區(qū)水稻土沒有利用而變成了棄渣，是因為高速公路棄土數(shù)量巨大，相比原來耕地（水稻田）水平面抬高數(shù)米，導(dǎo)致原有灌溉渠系供水失效，無法進(jìn)行耕作。而陜北黃綿土堆積體大多堆棄在遠(yuǎn)離村莊的荒溝之中，加上交通不便，即使有路，短期內(nèi)堆積體難以恢復(fù)到耕地水平，大多數(shù)沒被利用。

調(diào)查發(fā)現(xiàn)，秦巴山區(qū)寶雞至漢中高速公路堆積體邊坡植被恢復(fù)模式主要有2種，自然恢復(fù)和人為復(fù)墾，其中，自然恢復(fù)主要植被有白三葉（）、小冠花（）和冰草（），而人工復(fù)墾主要種植玉米（）和大豆（）。關(guān)中平原西安至寶雞高速公路堆積體邊坡植被恢復(fù)模式基本一致，為人為種植側(cè)柏（），伴生植被為蒿草（），但由于工程建設(shè)分段施工，形成了不同恢復(fù)年限的堆積體，主要有5 a、2 a和1 a堆積體。黃土高原黃陵至延安高速公路堆積體邊坡植被恢復(fù)模式基本一致，為人為種植刺槐（），伴生植被為蒿草，由于人為分級削坡整治，形成了以平臺、坡面為構(gòu)成要素的治理堆積體，另一種是未治理全坡面堆積體。因不同地貌區(qū)域公路建設(shè)項目數(shù)量不同，形成的堆積存在差異，綜合野外采樣交通便利情況，本研究選擇不同工程堆積體采樣點如下：秦巴山區(qū)2個采樣點，關(guān)中平原3個采樣點，黃土高原3個采樣點，共布設(shè)8個采樣點，采樣點的地理位置、海拔、坡度、蓋度等基本信息見表1。

表1 不同工程堆積體基本情況

1.3 試驗設(shè)計與觀測

選取陜西省不同區(qū)域高速公路典型堆積體，通過在堆積體坡面原位采集土壤樣品，系統(tǒng)研究秦巴山區(qū)、關(guān)中平原、黃土丘陵溝壑區(qū)不同工程堆積體在不同植被恢復(fù)模式（自然恢復(fù)和人為復(fù)墾），不同恢復(fù)年限（5 a、2 a和1 a），不同坡位（坡上、坡中和坡下），削坡分級治理（平臺和坡面）條件下土壤分離能力大小，量化堆積體土壤分離能力變化范圍，評價植被恢復(fù)模式、恢復(fù)年限、削坡分級治理對堆積體土壤分離過程的調(diào)控作用。

1.3.1 樣品采集

在堆積體坡面選擇較為平整區(qū)域采集土壤樣品。本研究采用內(nèi)徑10 cm、高6.37 cm的圓形環(huán)刀取樣。取樣前先清除地表雜物，然后將環(huán)刀套在環(huán)刀托上取樣，當(dāng)確認(rèn)環(huán)刀裝滿土樣時，取出并將底部削平，放上紗布，蓋上底蓋，最后用膠帶密封。試驗設(shè)計20個不同處理（見表3），每個處理設(shè)計6個放水流量（見表2），重復(fù)5次，總計600個土壤樣品。其中，1）自然恢復(fù)3種處理，小冠花，白三葉，以冰草為對照，在寶漢高速南鄭縣星光村棄渣場采樣90個。2）人為復(fù)墾2種處理，玉米和黃豆，以未復(fù)墾為對照，在寶漢高速紅廟鎮(zhèn)上二里山棄渣場采樣90個。3）恢復(fù)年限3種處理，恢復(fù)1 a，恢復(fù)2 a，恢復(fù)5 a，以耕地為對照，分別在西寶高速唐家塬南溝棄渣場，西寶高速寶娘娘溝大橋棄渣場，西寶高速西溝棄渣場，西溝耕地各采樣30個。4）不同坡位3種處理，坡上、坡中、坡下，均在西寶高速西溝棄渣場采樣各30個。5）削坡分級治理2種處理，治理后平臺和治理后坡面，以未治理全坡面為對照，在黃延高速董家溝棄渣場，葫蘆河大橋棄渣場，黃延高速高富縣西收費站棄渣場均采樣30個。采樣選擇7 m× 6 m的區(qū)域，然后按照行距和間距各1 m進(jìn)行隨機取30個樣品。在每個分離樣品采樣點周圍均用環(huán)刀取樣測定土壤水分、容重、植被根系，重復(fù)3次；在每個分離樣品采樣點周圍用塑封袋取1~2 kg土樣測定水穩(wěn)定團聚體、顆粒組成采用MS2000馬爾文激光粒度儀測定，重復(fù)3次；在現(xiàn)場采用荷蘭的微型粘結(jié)力儀對土壤采樣點周圍的粘結(jié)力進(jìn)行測定，重復(fù)10次。

1.3.2 試驗方法

本研究采用試驗水槽長2 m、寬0.15 m。試驗裝置示意圖見圖2。水槽底部粘有一層試驗用土壤，使水槽底部粗糙度與試驗土樣粗糙度保持一致，同時還可保持底部粗糙度在試驗過程中的穩(wěn)定。在距水槽下端0.10 m處設(shè)置土壤分離樣品放置室，直徑約為10.7 cm。其中坡度的調(diào)節(jié)利用水槽頂端的插銷，調(diào)整水槽高度使水槽坡度在0°～40°變化，而通過穩(wěn)流桶水表和閥門調(diào)節(jié)流量，流量變化范圍為0.01～0.60 L/s。

根據(jù)野外調(diào)查結(jié)果，堆積體坡度大多集中在36°，因此水槽坡度設(shè)為36°。根據(jù)堆積體徑流小區(qū)監(jiān)測結(jié)果，堆積體坡面單寬流量介于80～170 L/min，結(jié)合前期預(yù)試驗和已有沖刷試驗剪切力范圍，本試驗設(shè)計6個梯度放水流量（0.20、0.25、0.30、0.35、0.40、0.45 L/s），對應(yīng)水動力學(xué)參數(shù)見表2，其中水流剪切力變化范圍為12.79～18.35 Pa，滿足試驗分離土壤所需最小剪切力。待水流穩(wěn)定后測定流速，表面流速用北京九州空間科貿(mào)有限公司生產(chǎn)的JZ-NB1710電解質(zhì)薄層水流測定儀和傳統(tǒng)染色法同時測定，2種方法水流速度測定均重復(fù)10次，2種方法求平均值獲得該流量下水流表面最大速度，將水流表面最大速度乘以相應(yīng)的校正系數(shù)（層流和過渡流為0.67），獲得水流平均流速[19]，水深使用精度為0.01 mm的重慶水文儀器制造廠生產(chǎn)的SX40-1型水位測針測定。

1.儲水桶 2.開關(guān) 3.恒壓桶 4.水表 5.穩(wěn)流槽 6.水槽 7.放樣池 8.集流桶 9.支架 10.樣品

表2 水動力學(xué)參數(shù)匯總

為保證試驗土樣的含水率相對一致，將試驗土樣靜置于水中，維持水面在土壤表面1 cm以下，8 h后取出土樣，于陰涼處放置12 h后用于沖刷試驗。開始試驗前調(diào)整好水槽的坡度和流量，土樣連同環(huán)刀一起移到水槽底部的圓形土樣放置室，盡量使土樣表面與水槽底部保持同樣高度?，F(xiàn)有土壤抗沖性研究或土壤抗蝕性研究都沒有切實有效的辦法使土樣表面與水槽底部始終保持同樣高度，只能是最大限度的降低影響。待土樣沖刷掉2～3 cm厚度（或總量的30%～50%）時取出，記錄沖刷時間。本研究采用2～3 cm厚度的沖刷量（最大限度的實現(xiàn)土樣表面和水槽底部相差不是過大），就是為了規(guī)避水流與土壤接觸面不平而造成的影響。將沖刷完畢的土樣放于烘箱中，于105 ℃下烘干至恒后稱質(zhì)量。土樣沖刷前的干質(zhì)量用前期土壤含水量標(biāo)定。

1.3.3 數(shù)據(jù)處理與分析

土壤分離能力的計算公式為[20]

式中D為土壤分離能力，kg/(m2·s)；W沖刷前土樣干質(zhì)量，g；W沖刷后土樣干質(zhì)量，g；沖刷時間，s；土樣環(huán)面積，m2。

水流剪切應(yīng)力（）。表示產(chǎn)生土壤顆粒分離和輸移泥沙的徑流沖刷動力，計算公式為[21]

式中水流剪切應(yīng)力，Pa；水密度，kg/m3；為重力加速度，9.8 m/s2；為水力半徑，m，由于坡面水流為薄層水流，水力半徑可以用水深代替；為水力坡度，可用坡度的正弦值近似代替。

試驗共涉及8個堆積體，一個耕地，總共20個不同處理。試驗結(jié)果按照不同地貌區(qū)域分小結(jié)分析。為了驗證試驗擬合模型的可靠性，文章采用納什系數(shù)（）進(jìn)行判定[20]。試驗在同一堆積體坡面的不同處理間采用LSD法進(jìn)行比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同工程堆積體土壤物理屬性

將不同區(qū)域所有試驗處理條件下典型堆積體土壤基本物理指標(biāo)包括質(zhì)量含水量、容重、粘結(jié)力、根重密度、顆粒組成進(jìn)行匯總制得表3。

2.1.1 秦巴山區(qū)

秦巴山區(qū)星光村棄渣場坡面以自然恢復(fù)為主，在堆積體坡面形成多種植物斑塊，主要以小冠花和白三葉為主，冰草零星分布。由表3可知，星光村棄渣場坡面植被為小冠花、白三葉、冰草對應(yīng)土壤含水量分別為15.92%、12.49%、7.84%，對應(yīng)根重密度分別為3.29、2.26、2.02 kg/m3，由此可以得出，與冰草相比，堆積體坡面自然恢復(fù)小冠花和白三葉均有利于保持土壤水分，增加土壤根系。

上二里山棄渣場坡面進(jìn)行了人為復(fù)墾，在同一坡面種植有玉米和黃豆，部分未復(fù)墾。由表3可知，上二里山棄渣場坡面種植黃豆、玉米、未復(fù)墾對應(yīng)土壤含水量分別為5.28%、7.54%、4.87%，對應(yīng)根重密度分別為0.20、0.83、0.21 kg/m3，由此可以得出，與未復(fù)墾相比，種植玉米有利于提高土壤含水量，增加土壤根系，而種植黃豆與未復(fù)墾相差不明顯。種植黃豆和玉米對土壤容重和粘結(jié)力影響較小，此外，土壤質(zhì)地和顆粒組成在不同處理間基本一致。

表3 不同工程堆積體土壤物理屬性

2.1.2 關(guān)中平原

關(guān)中平原不同工程堆積體選擇南溝棄渣場、娘娘溝大橋棄渣場和西溝棄渣場，并以西溝耕地為對照。由表3可知，恢復(fù)1 a、2 a、5 a對應(yīng)根重密度分別為1.04、1.47、1.67 kg/m3，對應(yīng)土壤粘結(jié)力分別為25.44、28.18、31.22 kPa，由此可以得出，隨著堆積體恢復(fù)年限的延長，堆積體坡面根重密度、粘結(jié)力均增大。而土壤容重隨恢復(fù)年限的延長而變小，恢復(fù)1 a、2 a、5 a對應(yīng)土壤容重分別為1.32、1.18、1.17 g/cm3。此外，土壤黏粒和粉粒含量均隨恢復(fù)年限延長而增加。耕地土壤含水量為15.31%，土壤容重為1.02 g/cm3，土壤粘結(jié)力為15.14 kPa，相比之下，堆積體坡面土壤含水量、容重、粘結(jié)力均高于耕地。

由表3可知，西溝棄渣場坡上、坡中、坡下對應(yīng)土壤容重分別為1.17、1.22、1.23 g/cm3，對應(yīng)根重密度分別為1.24、1.75、2.03 kg/m3，由此可知，堆積體坡面從上到下土壤容重和土壤根系密度變大。而西溝棄渣場坡上、坡中、坡下對應(yīng)土壤含水量分別為24.83%、23.52%、24.48%，對應(yīng)土壤粘結(jié)力分別為31.22、29.41、30.13 kPa。由此可知，堆積體坡面土壤含水量和粘結(jié)力坡上最大。

2.1.3 黃土高原

黃土高原不同工程堆積選擇董家溝棄渣場、葫蘆河大橋棄渣場和高富縣西收費站棄渣場，其中董家溝棄渣場和葫蘆河大橋棄渣場分別進(jìn)行削坡分級治理，形成以坡面和平臺為構(gòu)成要素的堆積體，在其周圍選取未治理的全坡面作為對照，而高富縣西收費站棄渣場未治理。由表3可知，董家溝棄渣場平臺、坡面、全坡面對應(yīng)土壤含水量分別為17.45%、19.25%、16.41%，對應(yīng)土壤容重分別為1.41、1.41、1.25 g/cm3，對應(yīng)土壤粘結(jié)力分別為23.80、24.61、13.80 kPa，對應(yīng)根重密度分別為1.65、1.32、0.87 kg/m3，由此可以得出，削坡分級治理堆積體可以使堆積體土壤含水量、容重、粘結(jié)力、根系密度均增大。其中與全坡面相比，土壤含水量和粘結(jié)力坡面增加幅度大于平臺，而根重密度平臺大于坡面。

葫蘆河大橋棄渣場平臺、坡面、全坡面對應(yīng)土壤含水量分別為16.45%、17.21%、11.31%，對應(yīng)土壤容重分別為1.43、1.25、1.04 g/cm3，對應(yīng)土壤粘結(jié)力分別為29.40、23.60、14.05 kPa，對應(yīng)根重密度分別為1.97、1.65、0.35 kg/m3，由此可以得出，削坡分級治理堆積體可以使堆積體土壤含水量、容重、粘結(jié)力、根系密度均增大。其中與全坡面相比，土壤容重、粘結(jié)力和根重密度平臺增加幅度大于坡面，而土壤含水量坡面大于平臺。

2.2 不同工程堆積體土壤分離能力大小

根據(jù)沖刷試驗前后樣品質(zhì)量變化，按照公式（1）計算得到每個樣品土壤分離能力值，為比較不同處理之間的差異，試驗采用每個處理條件下所有分離樣品的均值進(jìn)行比較，不同處理間土壤分離能力大小比較見圖3。

由圖3a可知，堆積體坡面自然恢復(fù)植被為小冠花時土壤分離能力0.034 kg/(m2·s) 相比冰草0.676 kg/(m2·s)顯著降低，其降低幅度高達(dá)94.97%。而坡面自然恢復(fù)植被為白三葉時土壤分離能力0.679 kg/(m2·s)與冰草無顯著差異。這是因為小冠花根系發(fā)達(dá)，根系質(zhì)量密度最大（3.29 kg/m3），遠(yuǎn)高出其他植物，能夠很好地纏繞和固持土壤，提高了堆積體土壤的抗蝕性。而白三葉根系不發(fā)達(dá)，且入土較淺，很難有效固持土壤。這表明，堆積體坡面自然恢復(fù)植被為小冠花可以顯著降低其土壤分離能力。

由圖3b可知，堆積體坡面種植黃豆1.659 kg/(m2·s)和玉米1.050 kg/(m2·s)時土壤分離能力相比未復(fù)墾1.313 kg/(m2·s)均無顯著差異。這是因為采樣堆積體坡面玉米和黃豆為第1年種植。加上堆積體下墊面為石渣土，本身遇水極易分離，植被種植年限較短，土壤中植被根系匱乏。此外人為種植犁地和松土破壞土壤結(jié)構(gòu)，在水流作用下更易被搬運，因此，人為在堆積體陡坡坡面復(fù)墾種植玉米和黃豆的水土保持作用短期內(nèi)甚微。這表明，在石渣土堆積體坡面人為復(fù)墾種植玉米和黃豆對土壤分離能力均短期內(nèi)無顯著調(diào)控效益。

注：不同小寫字母表示差異顯著（P<0.05），下同。

由圖3c可知，堆積體恢復(fù)5 a時土壤分離能力相比恢復(fù)2 a和恢復(fù)1 a均顯著降低，相比恢復(fù)1 a，恢復(fù)5 a土壤分離能力降低57.35%。其中恢復(fù)2 a與恢復(fù)1 a土壤分離能力之間無顯著差異，此外，跟耕地0.879 kg/(m2·s)相比，堆積體恢復(fù)1 a和2 a土壤分離能力均無顯著差異，而恢復(fù)5 a則存在顯著差異?；謴?fù)2a土壤容重變小，而植物根系尚不足，隨著恢復(fù)年限的延長，土壤容重變化放緩，但土壤中植被根系卻顯著增多，從而使恢復(fù)較長時間的堆積體土壤抗蝕性顯著增強，而耕地在農(nóng)作種植和作物收割過程中進(jìn)行耕作和中耕，土壤疏松，極易產(chǎn)生侵蝕。因此，恢復(fù)1 a和2 a均未能顯著降低堆積體土壤分離能力，其大小跟耕地相當(dāng)，恢復(fù)5 a可以顯著降低堆積體土壤分離能力，相比耕地，恢復(fù)5 a土壤分離能力降低60.41%。

由圖3d可知，堆積體坡面坡上 0.311 kg/(m2·s)和坡中0.348 kg/(m2·s)土壤分離能力相比坡下0.442 kg/(m2·s)均無顯著差異。其中坡上與坡中之間也無顯著差異。試驗堆積體坡長60 m，按照生產(chǎn)建設(shè)項目棄渣場堆置及治理規(guī)范應(yīng)當(dāng)“先攔后棄，分層碾壓”，這樣形成的堆積體邊坡重力分選作用不明顯（除非依坡傾倒型），此外試驗研究堆積體為關(guān)中黑壚土，本身結(jié)構(gòu)疏松，沒有較大土塊，堆積體邊坡土塊大小相對均勻。因此，黑壚土堆積體短坡長（<60 m）坡面土壤分離能力空間分布均勻，空間變異不顯著。

由圖3e可知，削坡分級治理堆積體平臺0.346 kg/(m2·s)和坡面0.531 kg/(m2·s)土壤分離能力相比未治理全坡面1.042 kg/(m2·s)均顯著降低，相比全坡面，治理后堆積體平臺和坡面土壤分離能力顯著降低66.79%和49.04%。其中平臺與坡面之間也存在顯著差異。這是因為削坡分級治理以后改變了全坡面原有的微地貌格局，自然降水在分級后的平臺上大量入滲，加上自然沉降等作用，分級后平臺土壤容重和含水量大于全坡面。而分級以后的坡面坡長相比全坡面短很多，很難在分級后坡面形成并匯集徑流，分級后坡面土壤固結(jié)，土壤容重增大。因此，削坡分級治理可以顯著降低堆積體坡面土壤分離能力，其中平臺效果最佳。

對不同區(qū)域之間堆積體土壤分離能力只進(jìn)行了變化范圍的量化，至于區(qū)域間的土壤分離能力，由于區(qū)域本身存在差異，沒有進(jìn)行比較分析。秦巴山區(qū)、關(guān)中平原、黃土丘陵溝壑區(qū)典型堆積體土壤分離能力變化范圍分別為0.034～1.659、0.311～0.816、0.346～1.042 kg/(m2·s)。

2.3 影響土壤分離能力因素

為了探究影響堆積體土壤分離能力的關(guān)鍵參數(shù)，對試驗條件下所測土壤物理參數(shù)均與土壤分離能力進(jìn)行皮爾森相關(guān)性分析，由此得表4。從表4可得，堆積體土壤分離能力與根重密度（?0.86）、粘結(jié)力（?0.77）、含水量（?0.70）、中值粒徑（?0.70）、黏粒含量（?0.58）之間均存在極顯著負(fù)相關(guān)。此外，通過相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)，土壤容重與分離能力之間沒有顯著的相關(guān)關(guān)系，本試驗研究對象的土壤容重變化梯度不明顯，因在后續(xù)模型分析中沒有考慮土壤容重的影響。

表4 土壤分離能力與土壤物理參數(shù)皮爾森相關(guān)系數(shù)

注：**表示在0.01水平下極顯著相關(guān)。

Note: ** indicates significant correlation at 0.01 level.

根據(jù)堆積體土壤分離能力與土壤物理參數(shù)相關(guān)性分析結(jié)果，對土壤分離能力和顯著相關(guān)參數(shù)之間進(jìn)行曲線擬合，并分別繪制曲線擬合關(guān)系，得圖4，由圖4a-4e可知，根重密度、粘結(jié)力、含水量、中值粒徑、黏粒含量與土壤分離能力之間存在極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，可用指數(shù)函數(shù)關(guān)系表達(dá)。其中根重密度（2=0.836 6）擬合參數(shù)決定系數(shù)最好，粘結(jié)力（2=0.670 1）、含水量（2=0.527 3）、中值粒徑（2=0.503 1）次之，黏粒含量（2=0.337 2）最差。這表明，土壤分離能力隨著根系含量、粘結(jié)力、含水量、中值粒徑和黏粒含量的增大而減小。

圖4 土壤物理參數(shù)與土壤分離能力擬合關(guān)系

2.4 土壤分離能力預(yù)測模型

沖刷試驗測定土壤分離能力極為耗時，且原位采集分離樣品需要耗費大量人力和財力，但是土壤分離能力參數(shù)的獲取對于土壤侵蝕過程模型的建立，特別是預(yù)測土壤分離過程具有重要意義，因而通過測定影響土壤分離能力參數(shù)，如水流剪切力參數(shù)、土壤容重和根系質(zhì)量指標(biāo)等對其進(jìn)行預(yù)測顯得十分必要。為了預(yù)測堆積體土壤分離能力大小，對影響土壤分離能力的相關(guān)物理參數(shù)進(jìn)行非線性擬合，根據(jù)已有研究[22]，建立經(jīng)驗預(yù)測模型，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，根重密度、容重、土壤含水量和剪切力可以很好的預(yù)測土壤分離能力，擬合關(guān)系預(yù)測值與實際測量值比較見圖5，散點均勻分布在1:1線兩側(cè)，模擬精度相對較高，得到經(jīng)驗?zāi)Ｐ蜑?/p>

D=(0.44e-0.23RMD?0.08BD?0.005WC) (?10.29)

2=0.91 NSE=0.94=19

式中D為土壤分離能力，kg/(m2·s)，RMD為根重密度，kg/m3，為土壤容重g/cm3，WC為土壤含水量，%，水流剪切應(yīng)力，Pa；為了驗證擬合模型的可靠性，采用納什系數(shù)（NSE）進(jìn)行檢驗，結(jié)果表明NSE為0.94，表明模型可靠。

圖5 土壤分離能力預(yù)測值和實測值比較

為了簡化預(yù)測模型，基于根重密度和水流剪切力建立土壤分離能力預(yù)測模型[23]，擬合關(guān)系預(yù)測值與實際測量值比較見圖6，散點均勻分布在1:1線兩側(cè)，模擬精度相對較高，結(jié)果表明NSE為0.91，表明模型可靠。

圖6 簡化模型土壤分離能力預(yù)測值和實測值比較

3 討 論

堆積體坡面土壤顆粒的剝蝕過程既受到傳統(tǒng)影響因素的作用，還受到堆積體獨有的堆積過程、形態(tài)構(gòu)造、礫石含量和堆積年限的影響。從而導(dǎo)致堆積體土壤侵蝕臨界值或初始值的量化研究更加復(fù)雜。不同工程堆積體土壤分離能力的量化研究表明，堆積體坡面土壤顆粒剝蝕與傳統(tǒng)研究對象（裸地、耕地、林地和草地等）存在明顯不同，唐科明等[24]研究表明不同植被條件下草地平均土壤分離能力變化范圍為0.023～0.498 kg/(m2·s)，相比堆積體土壤分離能力的變化范圍要小。在坡面尺度上，傳統(tǒng)研究表明淺溝發(fā)育導(dǎo)致土壤性質(zhì)及植被生長特性的空間差異，引起黃土高原淺溝發(fā)育坡面上部、中部和下部土壤分離能力差異顯著[25]，而堆積體坡面由于受堆積過程的影響，坡面土壤分離能力空間變異不顯著，加上后續(xù)削坡分級治理，從而使堆積體形成獨特的“平臺-坡面”構(gòu)造，不同構(gòu)造部位土壤分離過程差異顯著。此外，堆積體形態(tài)構(gòu)造和下墊面狀況的異質(zhì)性導(dǎo)致侵蝕泥沙的搬運和沉積隨時相互轉(zhuǎn)化，侵蝕泥沙的波動性增強，從而導(dǎo)致堆積體侵蝕模型的開發(fā)和預(yù)測相對滯后。

影響堆積體土壤分離過程的關(guān)鍵參數(shù)是土壤根系，已有研究表明[26-27]，豐富的植被根系能增加土壤中有機質(zhì)、水穩(wěn)性團粒結(jié)構(gòu)的數(shù)量，改善土壤物理性質(zhì)，增加入滲，減小徑流，從而提高土壤抗蝕能力。并通過根系網(wǎng)絡(luò)串聯(lián)、根系黏結(jié)及根系生物化學(xué)等作用，能有效固結(jié)土壤，減小土壤分離能力。因此，堆積體坡面防護(hù)植物的選擇可以考慮植被根系狀況。此外，土壤分離能力存在時空變異性[28]，在不同區(qū)域，受季節(jié)變化[29]和凍融過程[30]等因素的影響，土壤物理屬性、根系、枯落物和生物結(jié)皮呈現(xiàn)動態(tài)變化，土壤屬性的動態(tài)變化能夠影響土壤可蝕性的季節(jié)變化[31-32]，有待后續(xù)研究。

人為活動對生態(tài)環(huán)境的擾動越來越劇烈，生產(chǎn)建設(shè)活動可導(dǎo)致原地形地貌、土壤和植被在短時間內(nèi)迅速改變，形成數(shù)量眾多的人為堆積地貌?，F(xiàn)階段對堆積體防治效果的評價指標(biāo)單一，僅僅停留在植被蓋度水平，缺乏對土壤質(zhì)量恢復(fù)水平的定量評價，該研究可以為生產(chǎn)建設(shè)項目水土保持效果評價體系的提升提供技術(shù)支撐。本研究結(jié)果表明，在堆積體坡面不宜進(jìn)行人為復(fù)墾種植，堆積體平臺可以進(jìn)行人為覆土種植，但堆積體坡面一般坡度較大，不宜進(jìn)行耕作，適宜撒播草籽進(jìn)行植被恢復(fù)，起到固持土壤和防止水土流失的作用。短期自然恢復(fù)（<5 a）對堆積體侵蝕調(diào)控效益不顯著，現(xiàn)階段對于堆積體防護(hù)的評價時間一般是工程投產(chǎn)或項目竣工的次年，未能滿足堆積體恢復(fù)穩(wěn)定狀態(tài)所需要的時間，土壤抗蝕性尚未恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)。

準(zhǔn)確預(yù)報土壤分離過程是揭示土壤侵蝕機理、建立土壤侵蝕預(yù)報模型的前提條件[33]，現(xiàn)階段堆積體土壤侵蝕預(yù)報模型研究停留在借鑒耕地已有預(yù)報模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行參數(shù)修定，修訂版模型參數(shù)眾多，很難在實踐中推廣應(yīng)用，未能為生產(chǎn)建設(shè)項目水土流失預(yù)測提供理論指導(dǎo)，因此，研究堆積體土壤分離過程，可以為生產(chǎn)建設(shè)項目水土流失預(yù)測模型的建立提供新思路。

4 結(jié) 論

1）秦巴山區(qū)、關(guān)中平原、黃土丘陵溝壑區(qū)典型堆積體土壤分離能力變化范圍分別為0.034～1.659、0.311～0.816、0.346～1.042 kg/(m2·s)。

2）相比冰草，堆積體坡面自然恢復(fù)植被為小冠花可以顯著降低其土壤分離能力，其降低幅度高達(dá)94.97%。相比未復(fù)墾，在石渣土堆積體坡面短期人為復(fù)墾種植玉米和黃豆對土壤分離能力均無顯著調(diào)控效益。相比恢復(fù)1 a，恢復(fù)2 a未能顯著降低堆積體土壤分離能力，恢復(fù)5 a可以顯著降低堆積體土壤分離能力，恢復(fù)5 a土壤分離能力降低57.35%，相比耕地，恢復(fù)5 a土壤分離能力降低60.41%。黑壚土堆積體短坡長（<60 m）坡面土壤分離能力空間分布均勻，空間變異不顯著。相比未治理全坡面，削坡分級治理可以顯著降低堆積體坡面土壤分離能力，治理后堆積體平臺和坡面土壤分離能力顯著降低66.79%和49.04%。

3）根重密度、粘結(jié)力、含水量、中值粒徑、黏粒含量與土壤分離能力之間存在極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，可用指數(shù)函數(shù)關(guān)系表達(dá)。建立了基于根重密度RMD和水流剪切力土壤分離能力預(yù)測模型D=0.31e-0.74RMD(-9.92)。

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Effects of treatment measures on soil anti-scour erodibility in engineering accumulation slope

Niu Yaobin1, Gao Zhaoliang1,2※, Qi Xingyuan1, Li Yutingting1, Li Yonghong1,2

(1.,,712100,; 2,,712100,)

Accumulation has become the main source of soil erosion in the production and construction projects.Soil detachment is a key process affecting soil erosion since it determines the amount of sediment that is potentially transferred to surface water bodies. Soil detachment capacity is a key parameter in many process based erosion models such as the Water Erosion Prediction Project model. Therefore, quantifying detachment capacity of the engineering accumulation under different conditions is pivotal to calibrate and validate the process based on the erosion models. In the study, we used the soil detachment capacity to quantify the variation ranges of the engineering accumulation in the different area, and evaluate the regulation of vegetation restoration patterns, years of recovery and the slope cutting and grading control on the soil anti-scour erodibility. Different engineering accumulations of the expressways in the Qin-ba mountain area, Guanzhong Plain and Hilly region of Loess Plateau (in Shaanxi Province) were selected. Undisturbed soil samples were collected from the surface soil using the cutting rings with a diameter of 10 cm and a height of 6.37 cm for the measurement of soil detachment capacity. The soil detachment capacity was measured in a 2.0 m long and 0.15 m wide hydraulic flume indoors. Flow discharge was controlled by six valves and measured 5 times with plastic buckets and a volumetric cylinder. After the flow became stable, the flow surface velocity was measured using a fluorescent dye technique for 10 times. The velocity was multiplied by a reduction factor of 0.67 to obtain the mean flow velocity. The results indicated that the variation ranges of the soil detachment capacity on typical accumulation in the Qinba mountainous area, Guanzhong Plain and Hilly area of Loess Plateau were 0.034-1.659, 0.311-0.816 and 0.346-1.042 kg/(m2·s), respectively. Compared with, the natural restorationof vegetation on the slope of the engineering accumulationwithcan significantly reduce the soil detachment capacity, and the reduction was 94.97%. Compared with no-reclamation, there was no significant effect on soil detachment capacity of the corn and beans on the slope of accumulation which was constituted with rock fragments and soil in the short term. Compared with recovering in one year, there were no significant (>0.05) differences in recovering two years, but the soil detachment capacity was remarkably decreased by recovering five years, and the reduction was 57.35%. Furthermore, compared with the cultivated land, the reduction of soil detachment capacity was 60.41%in recovering five years. There was no significant difference in the spatial variation of soil detachment capacity for accumulation with Heilu soil in the short slope (the length of slope was less than 60 m). Compared with untreated slope, the soil detachment capacity was remarkably decreased by the slope cutting and grading control on the engineering accumulation. And compared with the untreated slope, the reduction of soil detachment capacity in the platform and slope by the regulated measures were 66.79% and 49.04%, respectively. There was significant negative (<0.05) correlation between root mass density, soil cohesion, soil water content, median soil grain size, the clay content and the soil detachment capacity, using an exponential function. The prediction model of soil detachment capacity was well fittedwith on root mass density and flow shear stress. This research can not only provide the basic data for the prediction soil detachment capacityof accumulation, but also provide guidance for the treatment measures in the slope of engineering accumulation.

soils; erosion; runoff; sediment transport; measures regulation; vegetation restoration; engineering accumulation

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.02.018

S157.1

A

1002-6819(2019)-02-0134-10

2018-05-02

2018-10-12

國家自然科學(xué)基金（41671283）；十三五國家重點研發(fā)計劃（2016YFC0501706-02）

牛耀彬，博士生，主要從事工程建設(shè)區(qū)人為侵蝕過程研究。Email：15529021275@163.com

高照良，博士，博士生導(dǎo)師，主要研究方向為農(nóng)業(yè)水土工程和荒漠化防治。Email：gzl@ms.iswc.ac.cn

牛耀彬，高照良，齊星圓，李玉亭婷，李永紅. 不同工程堆積體坡面治理措施對土壤抗沖刷侵蝕能力的影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2019，35(2)：134－143. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.02.018 http://www.tcsae.org

Niu Yaobin, Gao Zhaoliang, Qi Xingyuan, Li Yutingting, Li Yonghong. Effects of treatment measures on soil anti-scour erodibility in engineering accumulation slope[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(2): 134－143. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.02.018 http://www.tcsae.org