李少華，何丙輝，李天陽，曾江敏，劉德忠，丁 莉，代西偉，麻力文

（1.西南大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院/三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400715； 2.重慶市水土保持生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站，重慶 401147）

土壤分離是發(fā)生土壤侵蝕的初始階段，其過程描述了土壤顆粒從土壤基質(zhì)中被剝離并由徑流帶離原地的物理過程[1,2]。水流流態(tài)流型及水流阻力是表征細(xì)溝侵蝕水力學(xué)特性的關(guān)鍵性指標(biāo)，已有大量研究探討了水流流態(tài)流型及水流阻力與土壤侵蝕量間的數(shù)學(xué)關(guān)系[3-7]，但關(guān)于土壤分離能力與水流流態(tài)流型及水流阻力的相關(guān)研究還并不多見[8]。

川中丘陵區(qū)由于石料缺乏、石埂坡改梯造價(jià)高等原因，大力推廣六棱型預(yù)制網(wǎng)格式生物埂護(hù)坡技術(shù)，為增大“未利用地”的土地利用率，在生物埂上種植麥冬、韭菜等植被，在減少水土流失的同時(shí)也增加經(jīng)濟(jì)效益。前人已開展研究生物埂植物類型對(duì)坡面養(yǎng)分[9,10]及土壤團(tuán)聚體[11]等的影響，而鮮見關(guān)于其土壤分離水力學(xué)特性的研究。本文利用室內(nèi)細(xì)溝模擬沖刷試驗(yàn)，研究不同坡度和流量組合條件下，生物埂不同植物類型原狀土土壤分離能力與細(xì)溝水流水力學(xué)參數(shù)間的函數(shù)關(guān)系，可為該區(qū)生物埂抗土壤侵蝕植物類型選擇及土壤侵蝕物理模型的優(yōu)化提供科學(xué)參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于四川省射洪縣太乙河小流域與滸溪小流域，地貌為典型的紫色土丘陵，屬亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候，年平均氣溫17.6 ℃，多年平均降水量為 954.3 mm，無霜期284 d，年均日照時(shí)數(shù)為1 307 h，植被為以柏木為主的亞熱帶常綠針闊混交林，各采樣點(diǎn)土壤母質(zhì)一致，土壤類型為侏羅紀(jì)蓬萊鎮(zhèn)組紫色砂泥巖發(fā)育的紫色土。

表1 生物埂樣地基本情況Table 1 Basic information of terrace banks

表2 不同植物生物埂土壤基本情況Table 2 Basic information of soils under terrace banks with different plants

六棱型預(yù)制網(wǎng)格為正六邊形，外邊長(zhǎng)34.6 cm， 寬10 cm，厚8 cm，相對(duì)外邊距60 cm，砼標(biāo)號(hào)為200#，壓頂采用C25 砼，其規(guī)格寬30 cm，高 10 cm；生物埂高度不超過1.8 m，邊坡為1:(0.8～ 1.2)；干砌條石基礎(chǔ)寬為35 cm，高為10 cm，漿砌卵石基礎(chǔ)寬為35 cm，高為25～30 cm（圖1）；六棱型網(wǎng)格中栽值有麥冬Ophiopogon japonicus、韭菜Allium tuberosum等植物。

1.2 樣品采集與處理

試驗(yàn)在2018年8—9月進(jìn)行。野外選取麥冬及韭菜生物?。?018年4月種植），以網(wǎng)格式裸坡為對(duì)照，采集護(hù)坡網(wǎng)格內(nèi)原狀土。采樣時(shí)選擇平整地表，貼地表剪去植被地上部分，用500 cm3的環(huán)刀（直徑10 cm，高6.37 cm）垂直下壓，采集包括植物根系的原狀土，每種類型采集45個(gè)原狀土樣（共計(jì)135個(gè)），同時(shí)用鋁盒收集采樣點(diǎn)土樣，密封后帶回實(shí)驗(yàn)室用于測(cè)定土壤含水率。采集土樣后用塑料盒密封，并用橡皮筋捆綁，帶回實(shí)驗(yàn)室。將環(huán)刀土樣靜置于容器內(nèi)，并緩慢加水至環(huán)刀表面以下1 cm 處，放置8 h 后取出，于陰涼處靜置12 h 即開始分離實(shí)驗(yàn)。

圖1 六棱型預(yù)制網(wǎng)格設(shè)計(jì)圖Fig.1 Hexagonal design of prefabricated grid

1.3 水力學(xué)參數(shù)測(cè)量

試驗(yàn)利用可變坡（長(zhǎng)4 m，寬0.12 m，深0.1 m）鋼制水槽完成（圖2）。調(diào)節(jié)坡度與流量達(dá)到設(shè)計(jì)值，待水流穩(wěn)定后，用游標(biāo)卡尺（精度0.01 mm）測(cè)定水槽內(nèi)水深：在距下端口0.8 m 和1.8 m 位置設(shè)定2個(gè)測(cè)定斷面，分別測(cè)定距兩側(cè)邊1 cm 處以及斷面中點(diǎn)位置處的水深（6個(gè)水深數(shù)據(jù)），取其平均值作為該次試驗(yàn)的水深（h）。采用染色法（KMnO4溶液）測(cè)定表面流速：記錄染色液通過距水槽下端口1.8 m 和0.8 m 的時(shí)間，用于計(jì)算流速，同場(chǎng)次試驗(yàn)重復(fù)測(cè)定流速10 次，取其平均值作為表面流速（Vs）。試驗(yàn)中測(cè)量的水深變化范圍為4.92～10.57 mm，標(biāo)準(zhǔn)差為1.87 mm，表面流速變化范圍為1.74～3.77 m/s，標(biāo)準(zhǔn)差0.68 m/s。試驗(yàn)過程中，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水溫用于計(jì)算水運(yùn)動(dòng)粘滯系數(shù)，并以此計(jì)算雷諾數(shù)（Re=VsR/v）。試驗(yàn)中雷諾數(shù)介于10 009～37 283 之間，平均值為23 130，表明在所有組合條件下水流流態(tài)屬于紊流，因此將表面流速乘以修正系數(shù)0.8[12]，得到各場(chǎng)次的平均流速（V）。利用表面流速、平均流速及平均水深計(jì)算得到雷諾數(shù)Re、弗汝德數(shù)Fr、Darcy-Weisbach 阻力系數(shù)f、曼寧系數(shù)n，公式如下：

式中：Re為雷諾數(shù)，無量綱；Vs為表面流速（m/s）；v為水運(yùn)動(dòng)粘滯系數(shù)（m2/s），t 為溫度（℃）；Fr為弗汝德數(shù)，無量綱；g 為重力加速度，9.8 m/s2；h為平均水深（m）；f為Darcy-Weisbach 阻力系數(shù)，無量綱；R為水力半徑（m），R=hb/(2h+b)，b為水槽寬，0.12 m；S為水力坡降；V為平均流 速（m/s）；n為曼寧系數(shù)（m-1/3·s）。

圖2 變坡水槽示意圖Fig.2 Schematic diagram of experimental device

1.4 土壤分離能力的測(cè)量

將環(huán)刀內(nèi)土樣放于水槽土壤分離室內(nèi)（距水槽下端出口0.5 m），為防止漏水，用生料帶纏繞環(huán)刀4 圈左右，并蓋上鋼蓋。待水流穩(wěn)定后，揭開鋼蓋開始分離試驗(yàn)。待土壤沖刷深度達(dá)到2 cm 左右時(shí)停止供水，完成本場(chǎng)次沖刷試驗(yàn)，記錄試驗(yàn)所用時(shí)間。重復(fù)以上步驟完成其他組合條件下試驗(yàn)。試驗(yàn)設(shè)計(jì)3個(gè)坡度（15°，20°，25°）與5個(gè)流量（39.86，59.98，79.67，100.45，121.16 L/min） 完全組合，每個(gè)組合重復(fù)3 次，共計(jì)135 場(chǎng)沖刷試驗(yàn)。

根據(jù)土壤含水率計(jì)算分離前土樣烘干重，并將分離后的土樣烘干稱重。利用已測(cè)土樣試驗(yàn)前后重量、沖刷時(shí)間可計(jì)算土壤分離能力，計(jì)算公式為：

式中：Dc為土壤分離能力（kg/（s·m2））；WF為未分離的土壤烘干重（kg）；WL為分離后的土壤烘干重（kg）；ΔT為分離試驗(yàn)歷時(shí)（s）；Ad為土壤分離面積，即圓筒橫截面積（m2）。

1.5 統(tǒng)計(jì)分析方法

采用Sigmaplot 12.5 進(jìn)行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析。采用回歸分析探究土壤分離能力和各水力學(xué)參數(shù)（即Re、Fr、f和n）的數(shù)學(xué)關(guān)系，顯著性水平：P＜0.05時(shí)為顯著，P＜0.01 時(shí)為極顯著。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同植物生物埂土壤分離能力特征

土壤分離能力隨坡度和流量增大而增大（表3）。生物埂各植物類型下土壤分離能力平均值大小表現(xiàn)為：麥冬（2.24 kg/(s·m2)）＞對(duì)照 （1.34 kg/(s·m2)）＞韭菜（1.09 kg/(s·m2)）。

表3 試驗(yàn)條件下各水力學(xué)參數(shù)及生物埂不同植物類型下土壤分離能力Table 3 Flow characteristics and soil detachment capacity for terrace banks with different plants in the rill simulation experiment

2.2 生物埂不同植物類型下土壤分離能力與水流流態(tài)流型間的關(guān)系

水流流態(tài)流型是表征細(xì)溝水流水力學(xué)特征的關(guān)鍵因素，受到坡度、地表狀況、植被類型、泥沙量等的強(qiáng)烈影響[11-12]。雷諾數(shù)Re是水流慣性力與粘滯力的比值，常被用來作為水流流態(tài)屬于層流、過渡流或紊流的臨界判數(shù)。當(dāng)Re＜900 時(shí)為層流，當(dāng)Re＞2 000 時(shí)為紊流，介于兩者之間則為過渡流[13]。本研究中雷諾數(shù)Re介于10 009～37 286之間，均值23 130，Re值均大于2 000，表明本次試驗(yàn)中，所有流量與坡度組合下的水流流態(tài)都屬于紊流。

本試驗(yàn)中，生物埂不同植物類型下，土壤分離能力與雷諾數(shù)呈極顯著冪函數(shù)正相關(guān)（圖3）。雷諾數(shù)Re與不同植物生物埂土壤分離能力擬合式R2值介于0.66～0.85 之間，均值為0.75（表4）。此外，當(dāng)利用Re對(duì)土壤分離能力進(jìn)行預(yù)測(cè)時(shí)，麥冬生物埂土壤分離能力大于3 kg/(s·m2)時(shí)，土壤分離能力被低估，反之被高估；在韭菜生物埂土壤分離能力預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值較相近，擬合準(zhǔn)確度高；在裸坡對(duì)照的土壤分離能力大于1.3 kg/(s·m2)，土壤分離能力被低估，反之被高估。

圖3 生物埂不同植物類型下土壤分離能力與雷諾數(shù)間的關(guān)系Fig.3 Relationship between soil detachment capacity and Reynolds number for terrace banks with different plants

表4 生物埂不同植物類型下土壤分離能力與水流流態(tài)流型的回歸分析?Table 4 Regression analysis of flow regime and soil detachment capacity of terrace banks under different plants

弗汝德數(shù)Fr反映水流的慣性力與重力之比，是判斷水流流型是急流或緩流的參數(shù)。當(dāng)Fr＞1時(shí)，水流為急流；當(dāng)Fr=1 時(shí)，水流為臨界流；當(dāng)Fr＜1 時(shí)，水流為緩流[4]。本次試驗(yàn)中所有流量與坡度組合下，弗汝德數(shù)介于7.42～13.02 之間，均值10.09，表明本研究中所有流型均是急流。

本試驗(yàn)中，韭菜、對(duì)照生物埂的土壤分離能力與弗汝德數(shù)呈顯著冪函數(shù)正相關(guān)（圖4）。弗汝德數(shù)與不同植物類型生物埂土壤分離能力的R2值介于0.25～0.28 之間，均值0.27（表4）。利用Fr對(duì)土壤分離能力進(jìn)行預(yù)測(cè)時(shí)，麥冬生物埂的土壤分離能力大于2.5 kg/(s·m2)時(shí)，土壤分離能力被低估，反之被高估；韭菜生物埂的土壤分離能力大于1 kg/(s·m2) 時(shí)，土壤分離能力被低估，反之被高估；裸坡對(duì)照土壤分離能力預(yù)測(cè)效果與韭菜生物埂相似。

2.3 生物埂不同植物類型下土壤分離能力與水流阻力間的關(guān)系

水流阻力是指水流在流動(dòng)過程中所受到的來自邊界的阻滯作用。Darcy-Weisbach 阻力系數(shù)f是坡面流水力學(xué)基本參數(shù)之一，反映坡面下墊面對(duì)坡面流的阻力作用，在流量與坡度一定的情況下，f值越大，說明坡面流所需克服的阻力越大，所消耗能量愈大，土壤侵蝕愈弱。Darcy-Weisbach 阻力系數(shù)f變化介于0.026～0.056 之間，均值0.042。

生物埂不同植物類型下土壤分離能力與Darcy-Weisbach 阻力系數(shù)f呈現(xiàn)顯著冪函數(shù)負(fù)相關(guān)（圖5）。Darcy-Weisbach 阻力系數(shù)與土壤分離能力的擬合式R2值介于0.28～0.48 之間，均值0.36（表5）。利用f對(duì)土壤分離能力進(jìn)行預(yù)測(cè)時(shí)，麥冬生物埂的土壤分離能力大于3 kg/(s·m2)時(shí)，土壤分離能力被低估，反之被高估；在韭菜生物埂的土壤分離能力大于1 kg/(s·m2)時(shí)，土壤分離能力被低估，反之被高估；裸坡對(duì)照生物埂土壤分離能力大于為1.3 kg/(s·m2)，土壤分離能力被低估，反之被高估。

圖4 生物埂不同植物類型下弗汝德數(shù)與土壤分離能力間的關(guān)系Fig.4 Relationships between soil detachment capacity and Froude number for terrace banks under different plants

圖5 生物埂不同植物類型下土壤分離能力與Darcy-Weisbach 阻力系數(shù)間的關(guān)系Fig.5 Relationships between soil detachment capacity and Darcy-Weisbach resistance coefficient for terrace banks under different plants

表5 生物埂不同植物類型下土壤分離能力與水流阻力的回歸分析?Table 5 Regression analysis of flow resistance and soil detachment capacity of terrace banks under different plants

曼寧系數(shù)n變化介于0.008 3～0.012 1 m-1/3·s之間，均值0.009 9 m-1/3·s。本試驗(yàn)中測(cè)得曼寧系數(shù)與土壤分離能力呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系（圖6），R2值介于0.13～0.23 之間，均值0.16（表5），冪函數(shù)關(guān)系不顯著。

3 結(jié)論與討論

3.1 討 論

土壤分離能力受到土壤理化性質(zhì)的影響[13]，而不同植物根系通過影響土壤理化性質(zhì)[14-15]，進(jìn)而影響土壤分離能力。通常情況下，有植被存在的土壤，其分離能力小于裸地的土壤分離能力[16]，而本文中對(duì)照（裸地）顯著小于麥冬生物埂土壤分離能力，這可能是因?yàn)閷?duì)照生物埂前期受踩踏壓實(shí)，土壤硬化并導(dǎo)致土壤分離能力發(fā)生變化[17]。

本研究中，土壤分離能力與雷諾數(shù)（R2=0.75）、弗汝德數(shù)（R2=0.27）呈顯著冪函數(shù)正相關(guān)，與Darcy-Weisbach 阻力系數(shù)（R2=0.36）呈顯著冪函數(shù)負(fù)相關(guān)。這與柳玉梅等[8]研究結(jié)果類似。柳玉梅等研究發(fā)現(xiàn)在薄層水流作用下，回填擾動(dòng)土的土壤分離能力與雷諾數(shù)（R2=0.94）、弗汝德數(shù)（R2=0.74）呈冪函數(shù)正相關(guān)，與Darcy-Weisbach阻力系數(shù)（R2=0.88）呈冪函數(shù)負(fù)相關(guān)。比較可以看出，柳玉梅等研究得出的數(shù)學(xué)關(guān)系決定系數(shù)相比本試驗(yàn)更高，這可能與本試驗(yàn)所用的原狀土樣以及采用的模擬細(xì)溝有關(guān)。相比回填擾動(dòng)土，原狀土土壤結(jié)構(gòu)空間異質(zhì)性更強(qiáng)，不同深度及橫截面點(diǎn)位土壤抗分離能力均可能不同，影響到土壤分離能力與水力學(xué)參數(shù)間的數(shù)學(xué)關(guān)系。同時(shí)，細(xì)溝水流紊動(dòng)性更強(qiáng)，水流水力學(xué)特性變化相對(duì)更迅速和復(fù)雜，這為更精確地耦合細(xì)溝水流水力學(xué)參數(shù)與土壤分離能力間的關(guān)系增加了難度。

盡管研究結(jié)果表明雷諾數(shù)預(yù)測(cè)土壤分離能力的效果較好，但其具體的作用機(jī)理還并不清楚。在本試驗(yàn)中，植物根系對(duì)土壤分離能力的作用規(guī)律，以及不同根系作用下土壤分離能力對(duì)水流水力學(xué)特性變化的響應(yīng)關(guān)系還需進(jìn)一步研究。

3.2 結(jié) 論

生物埂不同植物類型下，土壤分離能力大小排序?yàn)辂湺緦?duì)照＞韭菜。土壤分離能力與雷諾數(shù)、弗汝德數(shù)分別呈極顯著（P＜0.01）和顯著（P＜0.05） 冪函數(shù)正相關(guān)，與Darcy-Weisbach 阻力系數(shù)呈顯著冪函數(shù)負(fù)相關(guān)（P＜0.05）。雷諾數(shù)預(yù)測(cè)土壤分離能力的效果較好（R2=0.75）。

圖6 生物埂不同植物類型下土壤分離能力與曼寧系數(shù)間的關(guān)系Fig.6 Relationships between soil detachment capacity and Manning coefficient for terrace banks under different plants