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，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. 西北農林科技大學水土保持研究所，楊凌 712100； 2. 中國科學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，評價植被恢復模式、恢復年限和削坡分級治理對堆積體土壤抗沖刷侵蝕的調控作用。選取秦巴山區(qū)、關中平原、黃土丘陵溝壑區(qū)（陜西省境內）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，室內水槽沖刷試驗進行系統(tǒng)研究土壤分離能力大小。結果表明，秦巴山區(qū)、關中平原、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94.97%。相比未復墾，在石渣土堆積體坡面短期人為復墾種植玉米和黃豆對土壤分離能力均無顯著調控效益。相比恢復1 a，恢復2 a未能顯著降低堆積體土壤分離能力，恢復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相關關系，可用指數(shù)函數(shù)關系表達，并建立了基于根重密度和水流剪切力土壤分離能力預測模型。該研究不僅可為堆積體水土流失預測提供基礎數(shù)據(jù)支撐，也可為堆積體坡面治理措施配置提供指導。

土壤；侵蝕；徑流；泥沙輸移；措施調控；植被恢復；工程堆積體

0 引 言

工程堆積體已成為生產建設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、泥石泥等嚴重的環(huán)境災害[2]。土壤侵蝕包括土壤分離、泥沙輸移和沉積三大過程，準確預報土壤分離過程是揭示土壤侵蝕機理、建立土壤侵蝕預報模型的前提條件[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，它是確定細溝可蝕性和土壤臨界剪切力的基礎[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。

國內外學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]、堆積體坡面細溝侵蝕量化[12]、堆積體侵蝕水動力學參數(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、植被恢復和臨時苫蓋等，但缺乏對措施實施以后防護效果的定量評價，另外，隨著恢復年限的延長，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，室內水槽沖刷試驗進行量化研究堆積體坡面土壤分離能力大小，評價植被恢復模式、恢復年限、削坡分級治理對堆積體土壤抗沖刷侵蝕的調控作用。為堆積體坡面土壤侵蝕研究試驗設計和方法選擇提供技術支持。也為揭示堆積體土壤侵蝕機理，建立堆積體土壤侵蝕預報模型提供理論基礎。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

陜西省境內含有陜北黃土高原、中部關中平原和陜南秦巴山區(qū)3個主要自然區(qū)構成，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、關中平原寶雞市、黃土高原延安市。試驗選擇研究區(qū)內近5年高速公路建設形成的堆積體地貌，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中平原渭河走廊帶，路線所經(jīng)區(qū)域為關中盆地。塬面高程540～880 m，地處暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候區(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年公路建設項目形成的堆積體進行了全面、詳細的調查。按地貌區(qū)域、植被恢復模式、構成要素進行分類調查。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，導致原有灌溉渠系供水失效，無法進行耕作。而陜北黃綿土堆積體大多堆棄在遠離村莊的荒溝之中，加上交通不便，即使有路，短期內堆積體難以恢復到耕地水平，大多數(shù)沒被利用。

調查發(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模式主要有2種，自然恢復和人為復墾，其中，自然恢復主要植被有白三葉（）、小冠花（）和冰草（），而人工復墾主要種植玉米（）和大豆（）。關中平原西安至寶雞高速公路堆積體邊坡植被恢復模式基本一致，為人為種植側柏（），伴生植被為蒿草（），但由于工程建設分段施工，形成了不同恢復年限的堆積體，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，關中平原3個采樣點，黃土高原3個采樣點，共布設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模式（自然恢復和人為復墾），不同恢復年限（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，評價植被恢復模式、恢復年限、削坡分級治理對堆積體土壤分離過程的調控作用。

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，當確認環(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。試驗設計20個不同處理（見表3），每個處理設計6個放水流量（見表2），重復5次，總計600個土壤樣品。其中，1）自然恢復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）人為復墾2種處理，玉米和黃豆，以未復墾為對照，在寶漢高速紅廟鎮(zhèn)上二里山棄渣場采樣90個。3）恢復年限3種處理，恢復1 a，恢復2 a，恢復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3次；在現(xiàn)場采用荷蘭的微型粘結力儀對土壤采樣點周圍的粘結力進行測定，重復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處設置土壤分離樣品放置室，直徑約為10.7 cm。其中坡度的調節(jié)利用水槽頂端的插銷，調整水槽高度使水槽坡度在0°～40°變化，而通過穩(wěn)流桶水表和閥門調節(jié)流量，流量變化范圍為0.01～0.60 L/s。

根據(jù)野外調查結果，堆積體坡度大多集中在36°，因此水槽坡度設為36°。根據(jù)堆積體徑流小區(qū)監(jiān)測結果，堆積體坡面單寬流量介于80～170 L/min，結合前期預試驗和已有沖刷試驗剪切力范圍，本試驗設計6個梯度放水流量（0.20、0.25、0.30、0.35、0.40、0.45 L/s），對應水動力學參數(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有限公司生產的JZ-NB1710電解質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的SX40-1型水位測針測定。

1.儲水桶 2.開關 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 ℃下烘干至恒后稱質量。土樣沖刷前的干質量用前期土壤含水量標定。

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沖刷前土樣干質量，g；W沖刷后土樣干質量，g；沖刷時間，s；土樣環(huán)面積，m2。

水流剪切應力（）。表示產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。試驗結果按照不同地貌區(qū)域分小結分析。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法進行比較。

2 結果與分析

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包括質量含水量、容重、粘結力、根重密度、顆粒組成進行匯總制得表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、冰草對應土壤含水量分別為15.92%、12.49%、7.84%，對應根重密度分別為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行了人為復墾，在同一坡面種植有玉米和黃豆，部分未復墾。由表3可知，上二里山棄渣場坡面種植黃豆、玉米、未復墾對應土壤含水量分別為5.28%、7.54%、4.87%，對應根重密度分別為0.20、0.83、0.21 kg/m3，由此可以得出，與未復墾相比，種植玉米有利于提高土壤含水量，增加土壤根系，而種植黃豆與未復墾相差不明顯。種植黃豆和玉米對土壤容重和粘結力影響較小，此外，土壤質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 關中平原

關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1 a、2 a、5 a對應根重密度分別為1.04、1.47、1.67 kg/m3，對應土壤粘結力分別為25.44、28.18、31.22 kPa，由此可以得出，隨著堆積體恢復年限的延長，堆積體坡面根重密度、粘結力均增大。而土壤容重隨恢復年限的延長而變小，恢復1 a、2 a、5 a對應土壤容重分別為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，土壤粘結力為15.14 kPa，相比之下，堆積體坡面土壤含水量、容重、粘結力均高于耕地。

由表3可知，西溝棄渣場坡上、坡中、坡下對應土壤容重分別為1.17、1.22、1.23 g/cm3，對應根重密度分別為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、坡下對應土壤含水量分別為24.83%、23.52%、24.48%，對應土壤粘結力分別為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行削坡分級治理，形成以坡面和平臺為構成要素的堆積體，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、全坡面對應土壤含水量分別為17.45%、19.25%、16.41%，對應土壤容重分別為1.41、1.41、1.25 g/cm3，對應土壤粘結力分別為23.80、24.61、13.80 kPa，對應根重密度分別為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、粘結力、根系密度均增大。其中與全坡面相比，土壤含水量和粘結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、全坡面對應土壤含水量分別為16.45%、17.21%、11.31%，對應土壤容重分別為1.43、1.25、1.04 g/cm3，對應土壤粘結力分別為29.40、23.60、14.05 kPa，對應根重密度分別為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、粘結力、根系密度均增大。其中與全坡面相比，土壤容重、粘結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94.97%。而坡面自然恢復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，根系質量密度最大（3.29 kg/m3），遠高出其他植物，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，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構，在水流作用下更易被搬運，因此，人為在堆積體陡坡坡面復墾種植玉米和黃豆的水土保持作用短期內甚微。這表明，在石渣土堆積體坡面人為復墾種植玉米和黃豆對土壤分離能力均短期內無顯著調控效益。

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5 a時土壤分離能力相比恢復2 a和恢復1 a均顯著降低，相比恢復1 a，恢復5 a土壤分離能力降低57.35%。其中恢復2 a與恢復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1 a和2 a土壤分離能力均無顯著差異，而恢復5 a則存在顯著差異?；謴?a土壤容重變小，而植物根系尚不足，隨著恢復年限的延長，土壤容重變化放緩，但土壤中植被根系卻顯著增多，從而使恢復較長時間的堆積體土壤抗蝕性顯著增強，而耕地在農作種植和作物收割過程中進行耕作和中耕，土壤疏松，極易產生侵蝕。因此，恢復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，恢復5 a可以顯著降低堆積體土壤分離能力，相比耕地，恢復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，按照生產建設項目棄渣場堆置及治理規(guī)范應當“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中黑壚土，本身結構疏松，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，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，沒有進行比較分析。秦巴山區(qū)、關中平原、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行皮爾森相關性分析，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相關。此外，通過相關性分析發(fā)現(xiàn)，土壤容重與分離能力之間沒有顯著的相關關系，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)皮爾森相關系數(shù)

注：**表示在0.01水平下極顯著相關。

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)相關性分析結果，對土壤分離能力和顯著相關參數(shù)之間進行曲線擬合，并分別繪制曲線擬合關系，得圖4，由圖4a-4e可知，根重密度、粘結力、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相關關系，可用指數(shù)函數(shù)關系表達。其中根重密度（2=0.836 6）擬合參數(shù)決定系數(shù)最好，粘結力（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系

2.4 土壤分離能力預測模型

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)、土壤容重和根系質量指標等對其進行預測顯得十分必要。為了預測堆積體土壤分離能力大小，對影響土壤分離能力的相關物理參數(shù)進行非線性擬合，根據(jù)已有研究[22]，建立經(jīng)驗預測模型，結果發(fā)現(xiàn)，根重密度、容重、土壤含水量和剪切力可以很好的預測土壤分離能力，擬合關系預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，模擬精度相對較高，得到經(jīng)驗模型為

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，%，水流剪切應力，Pa；為了驗證擬合模型的可靠性，采用納什系數(shù)（NSE）進行檢驗，結果表明NSE為0.94，表明模型可靠。

圖5 土壤分離能力預測值和實測值比較

為了簡化預測模型，基于根重密度和水流剪切力建立土壤分離能力預測模型[23]，擬合關系預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，模擬精度相對較高，結果表明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)構造、礫石含量和堆積年限的影響。從而導致堆積體土壤侵蝕臨界值或初始值的量化研究更加復雜。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)育導致土壤性質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”構造，不同構造部位土壤分離過程差異顯著。此外，堆積體形態(tài)構造和下墊面狀況的異質性導致侵蝕泥沙的搬運和沉積隨時相互轉化，侵蝕泥沙的波動性增強，從而導致堆積體侵蝕模型的開發(fā)和預測相對滯后。

影響堆積體土壤分離過程的關鍵參數(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、水穩(wěn)性團粒結構的數(shù)量，改善土壤物理性質，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)絡串聯(lián)、根系黏結及根系生物化學等作用，能有效固結土壤，減小土壤分離能力。因此，堆積體坡面防護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，生產建設活動可導致原地形地貌、土壤和植被在短時間內迅速改變，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單一，僅僅停留在植被蓋度水平，缺乏對土壤質量恢復水平的定量評價，該研究可以為生產建設項目水土保持效果評價體系的提升提供技術支撐。本研究結果表明，在堆積體坡面不宜進行人為復墾種植，堆積體平臺可以進行人為覆土種植，但堆積體坡面一般坡度較大，不宜進行耕作，適宜撒播草籽進行植被恢復，起到固持土壤和防止水土流失的作用。短期自然恢復（<5 a）對堆積體侵蝕調控效益不顯著，現(xiàn)階段對于堆積體防護的評價時間一般是工程投產或項目竣工的次年，未能滿足堆積體恢復穩(wěn)定狀態(tài)所需要的時間，土壤抗蝕性尚未恢復到穩(wěn)定狀態(tài)。

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

4 結 論

1）秦巴山區(qū)、關中平原、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94.97%。相比未復墾，在石渣土堆積體坡面短期人為復墾種植玉米和黃豆對土壤分離能力均無顯著調控效益。相比恢復1 a，恢復2 a未能顯著降低堆積體土壤分離能力，恢復5 a可以顯著降低堆積體土壤分離能力，恢復5 a土壤分離能力降低57.35%，相比耕地，恢復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相關關系，可用指數(shù)函數(shù)關系表達。建立了基于根重密度RMD和水流剪切力土壤分離能力預測模型D=0.31e-0.74RMD(-9.92)。

[1] Peng X D, Shi D M, Jiang D, et al. Runoff erosion process on different underlying surfaces from disturbed soils in the Three Gorges Reservoir Area, China[J]. Catena, 2014, 123: 215－224.

[2] Zhang L T, Gao Z L, Li Z B, et al. Downslope runoff and erosion response of typical engineered landform to variable inflow rate patterns from upslope[J]. Natural Hazards, 2016, 80(2): 775－796.

[3] Li Z W, Zhang G H, Geng R, et al. Spatial heterogeneity of soil detachment capacity by overland flow at a hillslope with ephemeral gullies on the Loess Plateau[J]. Geomorphology, 2015, 248: 264－272.

[4] 王瑄，李占斌，李雯，等．土壤剝蝕率與水流功率關系室內模擬實驗[J]. 農業(yè)工程學報，2006，22(2)：185－187.

Wang Xuan, Li Zhanbin, Li Wen, et al. Indoor simulation experiment of the relationship between soil detachment rate and stream power[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2006, 22(2): 185－187. (in Chinese with English abstract)

[5] 何小武，張光輝，劉寶元. 坡面薄層水流的土壤分離試驗研究[J]. 農業(yè)工程學報，2003，19(6)：52－55.

He Xiaowu, Zhang Guanghui, Liu Baoyuan. Soil detachment by shallow flow on slopes[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2003, 19(6): 52－55. (in Chinese with English abstract)

[6] Li Z W, Zhang G H, Geng R, et al. Land use impacts on soil detachment capacity by overland flow in the Loess Plateau, China[J]. Catena, 2015, 124: 9－17.

[7] Malam Issa O, Le Bissonnais Y, Planchon O, et al. Soil detachment and transport on field- and laboratory-scale interrill areas: Erosion processes and the size-selectivity of eroded sediment[J]. Earth Surface Processes and Landforms, 2006, 31(8): 929－939.

[8] Zhang L T, Gao Z L, Yang S W, et al. Dynamic processes of soil erosion by runoff on engineered landforms derived from expressway construction: A case study of typical steep spoil heap[J]. Catena, 2015, 128: 108－121.

[9] 羅榕婷，張光輝，曹穎. 坡面含沙水流水動力學特性研究進展[J]. 地理科學進展，2009，28(4)：567－574.

Luo Rongting, Zang Guanghui, Cao Ying. Progress in the research of hydrodynamic characteristics of sediment-laden overland flow[J]. Progress in Geography, 2009, 28(4): 567－574. (in Chinese with English abstract)

[10] Shi D, Wang W, Jiang G, et al. Effects of disturbed landforms on the soil water retention function during urbanization process in the three gorges reservoir region, China[J]. Catena, 2016, 144: 84－93.

[11] 王瑄，李占斌，尚佰曉，等. 坡面土壤蝕率與水蝕因子關系室內模擬試驗[J]. 農業(yè)工程學報，2008，24(9)：22－26.

Wang Xuan, Li Zhanbin, Shang Baixiao, et al. Indoor simulation experiment of the relationship between soil detachment rate and water erosion factor[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2008, 24(9): 22－26. (in Chinese with English abstract)

[12] 牛耀彬，高照良，李永紅，等. 工程堆積體坡面細溝形態(tài)發(fā)育及其與產流產沙量的關系[J]. 農業(yè)工程學報，2016，32(19)：154－161.

Niu Yaobin, Gao Zhaoliang, Li Yonghong, et al. Rill morphology development of engineering accumulation and its relationship with runoff and sediment[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2016, 32(19): 154－161. (in Chinese with English abstract)

[13] 李永紅，牛耀彬，王正中，等. 工程堆積體坡面徑流水動力學參數(shù)及其相互關系[J]. 農業(yè)工程學報，2015，31(22)：83－88.

Li Yonghong, Niu Yaobin, Wang Zhengzhong, et al. Hydrodynamic parameters and their relationships of runoff over engineering accumulation slope[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2015, 31(22): 83－88. (in Chinese with English abstract)

[14] 張樂濤，高照良，田紅衛(wèi). 工程堆積體陡坡坡面土壤侵蝕水動力學過程[J]. 農業(yè)工程學報，2013，29(24)：94－102.

Zhang Letao, Gao Zhaoliang, Tian Hongwei. Hydrodynamic process of soil erosion in steep slope of engineering accumulation[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2013, 29(24): 94－102. (in Chinese with English abstract)

[15] 管新建，李占斌，王民，等. 坡面徑流水蝕動力參數(shù)室內試驗及模糊貼近度分析[J]. 農業(yè)工程學報，2007，23(6)：1－6. Guan Xinjian, Li Zhanbin, Wang Min, et al. Laboratory experiment and fuzzy nearness degree analysis of runoff hydrodynamic erosion factors on slope land surface[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2007, 23(6): 1－6. (in Chinese with English abstract)

[16] 牛耀彬，高照良，劉子壯，等. 工程措施條件下堆積體坡面土壤侵蝕水動力學特性[J]. 中國水土保持科學，2015，13(6)：105－111.

Niu Yaobin, Gao Zhaoliang, Liu Zizhuang, et al. Hydrodynamic characteristics of soil erosion on deposit slope under engineering measures[J]. Science of Soil and Water Conservation, 2015, 13(6): 105－111. (in Chinese with English abstract)

[17] Beuselinck L, Govers G, Steegen A, et al. Evaluation of the simple settling theory for predicting sediment deposition by overland flow[J]. Earth Surface Processes and Landforms, 1999, 24(11): 993－1007.

[18] 張少偉，郭勇，權紅花. 陜西省地理國（?。┣楸O(jiān)測中的基本地貌類型及劃分指標[J]. 測繪標準化，2012，28(4)：13－16.

Zhang Shaowei, Guo Yong, Quan Honghua. Fundamental relief types and their classification index used in provincial geographic conditions monitoring in Shaanxi[J]. Standardization of Surveying and Mapping, 2012, 28(4): 13－16. (in Chinese with English abstract)

[19] Luk S H, Merz W. Use of the salt tracing technique to determine the velocity of overland-flow[J]. Soil Technology, 1992, 5: 289－301.

[20] Wang B, Zhang G H, Shi Y Y, et al. Soil detachment by overland flow under different vegetation restoration models in the Loess Plateau of China[J]. Catena, 2014, 116: 51－59.

[21] Govers G, Gimenez R, Oost K V. Rill erosion: Exploring the relationship between experiments, modelling and field observations[J]. Earth-Science Reviews, 2007, 84(3): 87－102.

[22] Baets S D, Poesen J. Empirical models for predicting the erosion-reducing effects of plant roots during concentrated flow erosion[J]. Geomorphology, 2010, 118(3/4): 425－432.

[23] Zhang G H, Tang K, Ren Z, et al. Impact of grass root mass density on soil detachment capacity by concentrated flow on steep slopes[J]. Transactions of the ASABE, 2013, 56(3): 927－934.

[24] 唐科明，張光輝，孫珍玲. 草地土壤分離能力季節(jié)變化特征及其影響因素[J]. 中國水土保持科學，2016，14(6)：18－25.

Tang Keming, Zhang Guanghui, Sun Zhenling. Seasonal variation in soil detachment capacity of grasslands and its influencing factors[J]. Science of Soil and Water Conservation, 2016, 14(6): 18－25. (in Chinese with English abstract)

[25] 王長燕，郁耀闖. 黃土丘陵區(qū)退耕草地土壤分離能力季節(jié)變化研究[J]. 土壤學報，2016，53(4)：1047－1055.

Wang Changyan, Yu Yaochuang. Seasonal variation of soil detachment in fields under “Grain for Green” in hilly regions of Loess Plateau of China[J]. Acta Pedologica Sinica, 2016, 53(4): 1047－1055. (in Chinese with English abstract)

[26] 李陽芳，宋維峰，彭永剛，等. 元陽梯田不同土地利用類型表層土壤的抗沖性[J]. 中國水土保持科學，2012，10(5)：31－35.

Li Yangfang, Song Weifeng, Peng Yonggang, et al. Antiscourability of surface soil of different land use types in area of Yuanyang terrace[J]. Science of Soil and Water Conservation, 2012, 10(5): 31－35. (in Chinese with English abstract)

[27] 劉國彬. 黃土高原草地土壤抗沖性及其機理研究[J]. 土壤侵蝕與水土保持學報，1998，4(1)：93－96.

Liu Guobin. Study on soil anti-scourability and its mechanism of grassland on Loess Plateau[J]. Journal of Soil Erosion and Soil and Water Conservation, 1998, 4(1): 93－96. (in Chinese with English abstract)

[28] 張光輝. 土壤分離能力測定的不確定性分析[J]. 水土保持學報，2017，31(2)：1－6.

Zhang Guanghui. Uncertainty analysis of soil detachment capacity measurement[J]. Journal of Soil and Water Conservation, 2017, 31(2): 1－6. (in Chinese with English abstract)

[29] 王長燕，郁耀闖. 黃土丘陵區(qū)不同草被類型土壤細溝可蝕性季節(jié)變化研究[J]. 農業(yè)機械學報，2016，47(8)：101－108.

Wang Changyan,Yu Yaochuang. Seasonal variations of soil rill erodibility under different types of grass in loess hilly region[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2016, 47(8): 101－108. (in Chinese with English abstract)

[30] 孫寶洋，肖俊波，劉晨光，等. 季節(jié)性凍融區(qū)解凍期土壤分離能力影響因素研究[J]. 泥沙研究，2018，43(1)：51－57.

Sun Baoyang, Xiao Junbo, Liu Chenguang. et al. Study on factors affecting soil detachment capacity of thawing period in the region of seasonal freeze-thaw[J]. Journal of Sediment Research, 2018, 43(1): 51－57. (in Chinese with English abstract)

[31] Knapen A, Poesen J, Govers G, et al. Resistance of soils to concentrated flow erosion: A review[J]. Earth Science Reviews, 2007, 80(1): 75－109.

[32] Knapen A, Poesen J, Baets S D. Seasonal variations in soil erosion resistance during concentrated flow for a loess-derived soil under two contrasting tillage practices[J]. Soil & Tillage Research, 2007, 94(2): 425－440.

[33] 柳玉梅，張光輝，李麗娟，等. 坡面流水動力學參數(shù)對土壤分離能力的定量影響[J]. 農業(yè)工程學報，2009，25(6)：96－99.

Liu Yumei, Zhang Guanghui, Li Lijuan, et al. Quantitative effects of hydrodynamic parameters on soil detachment capacity of overland flow[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2009, 25(6): 96－99. (in Chinese with English abstract)

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，主要從事工程建設區(qū)人為侵蝕過程研究。Email：15529021275@163.com

高照良，博士，博士生導師，主要研究方向為農業(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]. 農業(yè)工程學報，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