寧杭高鐵運(yùn)營(yíng)期典型樣地侵蝕因子特征研究

夏敦寧，葛 波，殷承啟，許雪記，成禮平，郭曉峰，陳莉莎，陳家棟

(1.南京市公共工程建設(shè)中心，江蘇 南京 211800； 2.中設(shè)設(shè)計(jì)集團(tuán)股份有限公司，江蘇 南京 210037；3.江蘇省鐵路辦公室，江蘇 南京 210004； 4.江蘇省水文水資源勘測(cè)局 南京分局，江蘇 南京 210008)

在不同地區(qū)的土壤侵蝕過(guò)程中，決定性的侵蝕因子不盡相同，主要有土壤理化性質(zhì)、植被覆蓋度、降雨特征等，研究侵蝕因子的差異及其與侵蝕強(qiáng)度的關(guān)系是探尋如何減少水土流失和加強(qiáng)生態(tài)修復(fù)的重要途徑[1-2]。近年來(lái)，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度加快，道路交通施工過(guò)程中的水土流失問(wèn)題逐年增多，其中侵蝕因子的定量分析也逐漸受到科研人員的關(guān)注。比如，張科利等[3]通過(guò)研究傳統(tǒng)的侵蝕成因、形態(tài)分類(lèi)體系，認(rèn)為道路侵蝕不屬于獨(dú)立的侵蝕類(lèi)型，可作為一種獨(dú)立的侵蝕單元進(jìn)行研究；劉窯軍[4]通過(guò)研究山區(qū)道路邊坡防治措施，認(rèn)為植被覆蓋度、土壤容重、飽和導(dǎo)水率、總孔隙度等是影響邊坡侵蝕的主要因子，而草灌措施可以很好地預(yù)防水土流失。

高速鐵路是指設(shè)計(jì)開(kāi)行時(shí)速250 km以上(含預(yù)留)，并且初期運(yùn)營(yíng)時(shí)速200 km以上的客運(yùn)列車(chē)專(zhuān)線鐵路，近年來(lái)在國(guó)內(nèi)外得到了快速發(fā)展。高鐵工程建設(shè)導(dǎo)致的水土流失主要產(chǎn)生于施工期，新建的路基、路塹或隧道邊坡由于挖方填方等工程因素改變了原坡面的地質(zhì)結(jié)構(gòu)，因此在降雨、重力、風(fēng)力等侵蝕因素的作用下，容易導(dǎo)致水土流失量增加。目前關(guān)于高鐵建設(shè)水土流失特征的研究成果主要集中在施工期，鮮少?gòu)乃帘３纸嵌忍接懭绾伪Ｕ细哞F的運(yùn)營(yíng)安全，而這關(guān)系到高鐵的持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行和周邊地區(qū)的環(huán)境建設(shè)。高鐵的大規(guī)模運(yùn)營(yíng)對(duì)水土保持管護(hù)的需求日益凸顯，亟須針對(duì)高鐵項(xiàng)目進(jìn)行水土保持現(xiàn)狀調(diào)查，只有通過(guò)定期觀測(cè)及時(shí)發(fā)現(xiàn)水土流失隱患，在不穩(wěn)定區(qū)域定期修復(fù)，實(shí)施有效的管護(hù)措施，才可以有效預(yù)防危害和降低風(fēng)險(xiǎn)。本研究首次對(duì)江蘇省運(yùn)營(yíng)期高鐵沿線侵蝕因子進(jìn)行研究，分析典型樣地土壤理化指標(biāo)四季變化、擾動(dòng)后恢復(fù)情況，預(yù)測(cè)水土流失發(fā)展趨勢(shì)，希望能為高鐵沿線水土流失防治提供參考。

1 研究區(qū)概況

選擇寧杭高速鐵路(江蘇段)沿線區(qū)域作為研究區(qū)。寧杭高速鐵路，簡(jiǎn)稱(chēng)寧杭高鐵，又名寧杭客運(yùn)專(zhuān)線，是一條連接江蘇省南京市和浙江省杭州市的高速鐵路，是《中長(zhǎng)期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》中“長(zhǎng)三角”城際客運(yùn)系統(tǒng)的重要組成部分。寧杭高速鐵路(江蘇段)線路自南京南站引出，東西向敷設(shè)，長(zhǎng)度146.773 km。工程于2009年4月1日開(kāi)工，2013年7月1日正式通車(chē)。研究區(qū)年均氣溫15～18 ℃，年均無(wú)霜期230 d左右，每年7—8月氣溫較高，1—2月氣溫較低；多年平均降水量1 027～1 600 mm，最大年降水量2 356 mm，最小年降水量570 mm，年蒸發(fā)量1 130～1 380 mm，年平均相對(duì)濕度81%。

在研究區(qū)的回塢、白泥山、筆架山段，分別選取邊坡、植被生長(zhǎng)狀況等具有代表性的典型樣地，設(shè)置多個(gè)10 m×10 m的典型樣地(原狀地、擾動(dòng)地)，原狀地與擾動(dòng)地距離10～20 m，原狀地植被未擾動(dòng)，擾動(dòng)地植被恢復(fù)時(shí)限為8年。樣地基本特征見(jiàn)表1。

表1 樣地基本情況

2 研究方法

2.1 采樣方法

研究時(shí)間為2018年3月至2019年2月，期間每季度在樣地內(nèi)選取3處代表點(diǎn)位取樣，取樣后及時(shí)平整，不能影響樣地產(chǎn)流產(chǎn)沙的觀測(cè)，具體為：選取3組環(huán)刀樣測(cè)定土壤容重，3組環(huán)刀樣測(cè)定土壤含水率，3組混合表層土樣測(cè)定土壤有機(jī)質(zhì)、全磷、全鉀含量；進(jìn)行一次抗剪性、抗沖性測(cè)定；收集一次測(cè)釬、沉沙池?cái)?shù)據(jù)。同時(shí)，于宜興高速鐵路站站頂設(shè)置HOBO計(jì)數(shù)器、雨量筒，定期記錄降雨量等數(shù)據(jù)。

2.2 指標(biāo)測(cè)定

(1)降雨量的測(cè)定。采用HOBO計(jì)數(shù)器、雨量筒實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)降雨量和記錄降雨歷時(shí)，每次完整降雨事件后都要清理雨量筒上的殘枝落葉。

(2)土壤理化指標(biāo)測(cè)定。土壤采樣前先清理土壤表層雜物，削去最表層的浮土，然后采集5～10 cm土層土樣。采用三點(diǎn)法，在上坡、中坡、下坡部位各取樣混合后自然風(fēng)干，試驗(yàn)重復(fù)3次取其平均值以保證數(shù)據(jù)精度，其中土壤含水率采用烘干法測(cè)定，有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀氧化-外加熱法測(cè)定[《森林土壤有機(jī)質(zhì)的測(cè)定及碳氮比的計(jì)算》(LY/T 1237—1999)]，全磷采用酸溶-鉬銻抗比色法測(cè)定[《森林土壤全磷的測(cè)定》(LY/T 1232—1999)]，全鉀采用酸溶-火焰光度法測(cè)定[《森林土壤全鉀的測(cè)定》(LY/T 1234—1999)]。

(3)土壤抗沖性的測(cè)定。使用便攜式土壤抗沖儀測(cè)定抗沖指數(shù)，定量反映土壤抗沖性，即在一個(gè)大氣壓下，以0.7 mm直徑的水柱沖擊土體1 min，使其產(chǎn)生水蝕穴，并測(cè)定每個(gè)水蝕穴的直徑和深度。每10個(gè)水蝕穴深度與直徑乘積的平均值的倒數(shù)，即為該土層的抗沖指數(shù)。選取上坡、中坡、下坡3個(gè)位置進(jìn)行抗沖性測(cè)定，每個(gè)位置至少測(cè)3個(gè)重復(fù)，并取平均值代表該坡面的抗沖性。

(4)土壤抗剪性測(cè)定。采用三頭抗剪儀測(cè)定土壤抵抗剪切破壞的能力。選取坡面上坡、中坡、下坡3個(gè)位置進(jìn)行抗剪切性測(cè)定，每個(gè)位置至少測(cè)3個(gè)重復(fù)，并取平均值代表該坡面的抗剪切性。

(5)侵蝕模數(shù)測(cè)定。土壤侵蝕量采用測(cè)釬法和沉沙池法測(cè)定，每塊樣地設(shè)置9根相同尺寸的測(cè)釬，每季度記錄一次測(cè)釬高度，采用沉沙池?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行校準(zhǔn)，通過(guò)侵蝕量與匯水面積的比值得出各樣地每季度的侵蝕模數(shù)。

(6)遙感影像分析。依據(jù)項(xiàng)目區(qū)高鐵沿線典型區(qū)段2014—2018年遙感影像進(jìn)行植被、土地利用現(xiàn)狀等信息提取，采用通用土壤流失方程進(jìn)行土壤侵蝕定量監(jiān)測(cè)與計(jì)算。用實(shí)測(cè)侵蝕模數(shù)進(jìn)行校正，利用校正后的2014—2018年土壤侵蝕模數(shù)建立趨勢(shì)方程，用以進(jìn)行2019—2023年土壤侵蝕模數(shù)預(yù)測(cè)。

2.3 數(shù)據(jù)處理方法

使用Microsoft Excel 2013軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和表格制作，SPSS 19.0軟件進(jìn)行相關(guān)性分析，Canoco 5進(jìn)行主成分(PCA)分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 侵蝕因子季節(jié)變化分析

3.1.1 降雨量

研究區(qū)2018年3月至2019年2月累計(jì)降雨量1 183 mm，降雨日數(shù)110天，降雨量月、季分布特征見(jiàn)圖1。研究期間，研究區(qū)夏季(6—8月)降雨量最多，為448.2 mm；冬季(12—2月)降雨量次之，為299.6 mm；春季(3—5月)、秋季(9—11月)降雨量較少，分別為271.4、163.8 mm。全年降雨集中在7—8月份，其月降雨量均超過(guò)100 mm；6—9月降雨量為527.6 mm，占全年總降雨量的45%。期間日最大降雨量降雨發(fā)生在2018年9月16日，降雨量為54.8 mm，降雨強(qiáng)度為10.46 mm/h；日最大降雨強(qiáng)度降雨發(fā)生在2018年7月8日，降雨量為39.6 mm，降雨強(qiáng)度為24.09 mm/h。

圖1 研究期間研究區(qū)降雨分布特征

3.1.2 土壤理化指標(biāo)

研究區(qū)各樣地土壤理化指標(biāo)季節(jié)變化特征見(jiàn)圖2。由圖2知，相比原狀地，各擾動(dòng)地有機(jī)質(zhì)、全鉀含量普遍較低，全磷含量相近，含水率接近且在10%以上。分析不同季節(jié)土壤理化指標(biāo)變化趨勢(shì)：從圖2(a)可看出，秋、冬季節(jié)植被生長(zhǎng)速度減緩，枯枝落葉分解速度加快，因此有機(jī)質(zhì)含量多高于春、夏季節(jié)，同時(shí)四季擾動(dòng)地有機(jī)質(zhì)含量均低于原狀地；從圖2(b)可看出，全鉀含量春、夏季擾動(dòng)地多高于原狀地，秋、冬季變化規(guī)律性較差；從圖2(c)可看出，擾動(dòng)后植被根系固磷能力遠(yuǎn)低于原狀地原生植被[5]，同時(shí)由于土壤表層破壞，保持水土能力降低，在降雨-產(chǎn)流-產(chǎn)沙過(guò)程中，磷元素被土壤吸附和固定于土壤表面并隨水土流失[6]，因此擾動(dòng)地全磷含量低于原狀地；從圖2(d)可看出，HYY、HYZ、BJ樣地土壤含水率春、夏、秋季擾動(dòng)地高于原狀地，冬季擾動(dòng)地低于原狀地，而B(niǎo)N樣地土壤含水率全年擾動(dòng)地均高于原狀地。

圖2 土壤理化指標(biāo)季節(jié)變化特征

3.2 擾動(dòng)后侵蝕因子變化趨勢(shì)分析

3.2.1 土壤理化指標(biāo)差值分析

為進(jìn)一步研究修復(fù)效果，將原狀地、擾動(dòng)地土壤理化指標(biāo)差值進(jìn)行計(jì)算，并進(jìn)行回歸分析，結(jié)果見(jiàn)表2。其中，各樣地原狀地與擾動(dòng)地的土壤有機(jī)質(zhì)、全鉀、全磷、含水率指標(biāo)(除BJ樣地的全鉀、全磷指標(biāo)外)差值

表2 擾動(dòng)地與原狀地土壤養(yǎng)分指標(biāo)差值分析

注：y為擾動(dòng)地與原狀地土壤理化指標(biāo)差值，x為時(shí)間。

均隨時(shí)間變化呈上升趨勢(shì)，表明隨著時(shí)間推移，擾動(dòng)地較原狀地的土壤理化指標(biāo)差值呈增大趨勢(shì)。其中，BJ樣地植被覆蓋度較高，擾動(dòng)后邊坡恢復(fù)情況較其他樣地好，隨著恢復(fù)時(shí)間的延長(zhǎng)土壤養(yǎng)分狀況逐漸接近原狀地。

從目前研究區(qū)各樣地的土壤和植被情況(除個(gè)別樣地外)來(lái)看，擾動(dòng)地的土壤修復(fù)速度仍較為緩慢，加上植被生長(zhǎng)的消耗及自然環(huán)境的影響，擾動(dòng)后土壤中養(yǎng)分的積累速率低于原狀地，并且與原狀地之間的差距有逐步拉大的趨勢(shì)，單靠現(xiàn)狀植被無(wú)法實(shí)現(xiàn)土壤的自我修復(fù)。因此，為改良立地條件，使擾動(dòng)地土壤養(yǎng)分恢復(fù)甚至高于原狀地水平，需要人為介入調(diào)整土壤狀態(tài)，定期施肥及灑水，補(bǔ)充有機(jī)質(zhì)、鉀和磷等土壤養(yǎng)分，增加并保持土壤濕潤(rùn)度。

3.2.2 相關(guān)性分析

表3為研究期間有機(jī)質(zhì)含量、全鉀含量、全磷含量、土壤含水率、抗沖刷系數(shù)、抗剪性、降雨量、降雨強(qiáng)度、植被覆蓋度、侵蝕模數(shù)等因子的相關(guān)性分析結(jié)果。土壤抗沖刷系數(shù)、抗剪性與土壤含水率呈現(xiàn)極顯著相關(guān)性，且為負(fù)相關(guān)；降雨強(qiáng)度可以明顯地影響土壤含水率、抗沖刷系數(shù)、抗剪性，且與降雨量呈顯著正相關(guān)。分析侵蝕因子與侵蝕模數(shù)的相關(guān)性，可知：土壤含水率、降雨量、降雨強(qiáng)度與侵蝕模數(shù)呈顯著正相關(guān)，全磷含量、抗沖刷系數(shù)、抗剪性與土壤侵蝕模數(shù)呈顯著負(fù)相關(guān)，其中土壤含水率、抗沖刷系數(shù)、抗剪性、降雨強(qiáng)度與侵蝕模數(shù)相關(guān)性為極顯著。

表3 土壤侵蝕因子相關(guān)性分析

注：表中*表示在0.05級(jí)別(雙尾)相關(guān)性顯著；**表示在0.01級(jí)別(雙尾)相關(guān)性極顯著，下同。

3.2.3 植被修復(fù)效果分析

為進(jìn)一步研究植被配置、覆蓋度與土壤侵蝕強(qiáng)度之間的關(guān)系，將各樣地的植被總覆蓋度、喬灌覆蓋度、草本覆蓋度與土壤侵蝕模數(shù)進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果見(jiàn)表4。由表4知，樣地的植被總覆蓋度、喬灌覆蓋度、草本覆蓋度均與土壤侵蝕模數(shù)表現(xiàn)出顯著負(fù)相關(guān)，說(shuō)明植被覆蓋度越大，土壤侵蝕模數(shù)越小，土壤侵蝕強(qiáng)度越低。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，各樣地土壤養(yǎng)分較為缺乏，立地條件較差，喬木、灌木樹(shù)種成林慢，生長(zhǎng)相對(duì)較差，不能完全發(fā)揮出生態(tài)效益；而草本植被覆蓋度較高，可以有效減少因降雨直接接觸地表造成的擊濺侵蝕，降低徑流流速，減小徑流沖刷，同時(shí)草本植被根系的吸水和持水能力增大了降雨入滲量，減少了徑流深，可改變土壤的板結(jié)程度，疏松土壤，增大土壤的孔隙度、孔徑，增加降雨下滲，因此草本植被覆蓋度與土壤侵蝕模數(shù)呈極顯著負(fù)相關(guān)，水土保持作用明顯。

表4 植被覆蓋度與侵蝕模數(shù)相關(guān)性分析

考慮到草本植被直接防護(hù)地表，對(duì)植被總覆蓋度的貢獻(xiàn)大于喬灌，因此將草本覆蓋度與土壤侵蝕模數(shù)進(jìn)行回歸分析，結(jié)果如圖3?；貧w趨勢(shì)顯示，線性擬合條件下R2值最高，當(dāng)草本覆蓋度達(dá)到76.5%以上時(shí)，

圖3 草本覆蓋度與侵蝕模數(shù)回歸分析結(jié)果

注：回歸分析時(shí)在樣地的周邊選取了對(duì)照點(diǎn)，且各樣地?cái)?shù)量不等。

樣地土壤侵蝕模數(shù)將降到500 t/(km2·a)以下，即微度侵蝕水平。

3.3 水土流失預(yù)測(cè)

對(duì)研究區(qū)典型區(qū)段2014—2018年遙感影像進(jìn)行植被、土地利用現(xiàn)狀等信息提取，采用通用土壤流失方程進(jìn)行土壤侵蝕量計(jì)算，再用實(shí)測(cè)水土流失量數(shù)據(jù)進(jìn)行校準(zhǔn)。校準(zhǔn)方法是根據(jù)2018年實(shí)測(cè)值，將遙感影像解譯侵蝕模數(shù)和實(shí)測(cè)侵蝕模數(shù)進(jìn)行對(duì)比，確定各樣地遙測(cè)調(diào)整參數(shù)。經(jīng)計(jì)算，回塢右側(cè)、回塢左側(cè)、白泥山、筆架山樣地遙測(cè)調(diào)整參數(shù)值分別為1.05、1.10、1.09、1.15。用遙測(cè)調(diào)整參數(shù)對(duì)2014—2018年遙感影像解譯土壤侵蝕模數(shù)進(jìn)行校正，用校正后的2014—2018年土壤侵蝕模數(shù)建立趨勢(shì)方程，進(jìn)行后期水土流失預(yù)測(cè)。通用土壤流失方程計(jì)算公式為

A=R·K·L·S·C·P

式中：A為單位面積土壤流失量，t/(hm2·a)；R為降雨侵蝕力因子，MJ·mm/(hm2·h)；K為土壤可蝕性因子，t·hm2·h/(hm2·MJ·mm)；L為坡長(zhǎng)因子；S為坡度因子；C為地表植被覆蓋因子；P為水土保持措施因子。

各因子中，根據(jù)余寒等[7]利用江蘇省各站點(diǎn)多年降雨侵蝕力數(shù)據(jù)采用ArcGIS軟件的空間插值法功能得到的江蘇省多年降雨侵蝕力分布成果，提取各樣地所在位置R值；根據(jù)梁音等[8]利用全國(guó)各樣點(diǎn)K值數(shù)據(jù)通過(guò)ArcGIS軟件的空間插值法功能得到的中國(guó)K因子分布成果，提取各樣地所在位置K值；利用坡面模型中的L、S值算法[9-11]計(jì)算L、S值；C因子的取值是對(duì)有地表植被覆蓋的區(qū)域根據(jù)植被覆蓋度不同賦予0～1之間的值；P因子根據(jù)國(guó)內(nèi)相關(guān)研究結(jié)果及研究區(qū)的土地利用情況，取值介于0～1之間。

經(jīng)過(guò)提取賦值得到研究區(qū)各樣地通用土壤流失方程各因子遙感解譯結(jié)果，見(jiàn)表5，校準(zhǔn)后的土壤侵蝕模數(shù)分布趨勢(shì)見(jiàn)圖4。用校準(zhǔn)后的2014—2018年土壤侵蝕模數(shù)建立趨勢(shì)方程，預(yù)測(cè)2019—2023年土壤侵蝕模數(shù)變化趨勢(shì)，結(jié)果見(jiàn)圖5。由圖5知，隨著時(shí)間的推移，各樣地逐步得到修復(fù)，侵蝕模數(shù)呈下降趨勢(shì)，其中：原先侵蝕模數(shù)超過(guò)容許值的HYY樣地，2023年時(shí)侵蝕模數(shù)將逐步接近容許值500 t/km2；2023年時(shí)HYZ樣地侵蝕模數(shù)仍高于1 000 t/km2，處于輕度侵蝕狀態(tài)。

表5 各樣地通用土壤流失方程因子遙感解譯結(jié)果

圖4 2014—2018年各樣地土壤侵蝕模數(shù)變化趨勢(shì)

4 討論與結(jié)論

(1)研究區(qū)夏季降雨量最多，冬季次之，春季、秋季降雨量較少；擾動(dòng)后土壤養(yǎng)分含量整體低于原狀土，擾動(dòng)后植被生長(zhǎng)狀況較原狀地貌差。

圖5 2019—2023年各樣地土壤侵蝕模數(shù)變化趨勢(shì)

(2)高鐵施工完成后，運(yùn)行期對(duì)擾動(dòng)地采取自然恢復(fù)，但在自然恢復(fù)條件下，擾動(dòng)地土壤理化指標(biāo)普遍劣于原狀地，并且擾動(dòng)地與原狀地土壤理化指標(biāo)差值逐漸增大。

(3)土壤含水率、降雨量、降雨強(qiáng)度與土壤侵蝕模數(shù)呈顯著或極顯著正相關(guān)，全磷含量、抗沖刷系數(shù)、抗剪性與土壤侵蝕模數(shù)呈顯著或極顯著負(fù)相關(guān)。對(duì)于研究區(qū)來(lái)說(shuō)，可通過(guò)植被恢復(fù)的方式減少土壤侵蝕。在高鐵沿線實(shí)際植被恢復(fù)過(guò)程中，考慮到立地條件、恢復(fù)時(shí)限問(wèn)題，應(yīng)從可短期覆蓋裸露地表的草本植被入手，以有效減少水土流失。研究表明，當(dāng)研究區(qū)草本覆蓋度達(dá)到76.5%以上時(shí)，土壤侵蝕強(qiáng)度會(huì)降至微度水平。在草本植被恢復(fù)的同時(shí)給予喬灌木生長(zhǎng)時(shí)間，是研究區(qū)高鐵運(yùn)營(yíng)期植被配置應(yīng)重點(diǎn)采取的管護(hù)方法。

(4)通過(guò)對(duì)2014—2018年和2019—2023年土壤侵蝕模數(shù)變化趨勢(shì)進(jìn)行分析，回塢右側(cè)、白泥山、筆架山典型樣地土壤侵蝕模數(shù)逐年降低，在2023年時(shí)侵蝕模數(shù)可接近或低于水土流失容許值，但回塢左側(cè)典型樣地土壤侵蝕強(qiáng)度較大，仍需要進(jìn)行治理。