黃土丘陵區(qū)邊坡開挖對土壤抗蝕性影響

劉思璇, 高建恩,2,3, 李文證, 高 哲, 周凡凡, 王照潤, 王 鷺

(1.西北農(nóng)林科技大學 水土保持研究所, 陜西 楊凌 712100; 2.中國科學院 水利部 水土保持研究所, 陜西 楊凌 712100;3.水利部 水土保持生態(tài)工程技術(shù)研究中心, 陜西 楊凌 712100; 4.西北農(nóng)林科技大學 水利與建筑工程學院, 陜西 楊凌 712100)

隨著黃土高原地區(qū)高質(zhì)量發(fā)展的推進，大規(guī)模的邊坡開挖在極大程度上滿足了當?shù)赜玫丶肮こ探ㄔO(shè)需求的同時嚴重擾動了原始坡面，原有植被及土壤環(huán)境遭到破壞，坡面土壤侵蝕現(xiàn)象頻發(fā)，對該地區(qū)的土壤生態(tài)環(huán)境安全造成了嚴重的影響[1-4]，其中2013年延安地區(qū)突發(fā)連續(xù)性暴雨致使大量邊坡沖毀嚴重[5]，引起社會的高度關(guān)注，因此研究邊坡開挖對坡面土壤抗蝕能力影響具有現(xiàn)實意義。

目前在開挖坡面對土壤抗蝕環(huán)境影響研究方面，多關(guān)注開挖坡面的侵蝕變化。Jin等[6]研究表明，黃土高原是由結(jié)構(gòu)脆弱、易受水力侵蝕的第四紀黃土性揚塵沉積所得，邊坡的開挖有增大流域邊坡水土流失危害的風險；高建恩等[7]通過室內(nèi)邊坡開挖形成的70°高陡邊坡的降雨及放水試驗發(fā)現(xiàn)，侵蝕受雨滴打擊和坡面粗糙度“雙紊動”源影響并給出了水力計算模型；汪勇等[8]認為降雨入滲是影響開挖邊坡穩(wěn)定性的重要指標，且越接近坡腳，越容易發(fā)生變形和破壞。王壯壯等[9]通過研究邊坡不同開挖工況下邊坡穩(wěn)定性指出，開挖進尺大于30 m時，坡腳開挖角度越大，邊坡穩(wěn)定性越低；陳航等[10]采用數(shù)值計算軟件分析了紫穗槐對切削邊坡的加固作用，指出土壤含水量為12%時紫穗槐固坡效應(yīng)最好。薛強等[11]在調(diào)查開挖型黃土邊坡中指出，侵蝕剝落狀況是邊坡崩塌破壞過程中的先決因素。然而目前開挖坡面的研究多集中于開挖區(qū)，邊坡開挖對整個坡面土壤抗蝕能力的時空變化影響研究相對較少。

本研究以陜西延安羊圈溝小流域內(nèi)開挖邊坡所在坡面為例，流域內(nèi)原始坡面為對照，通過野外采樣與室內(nèi)分析相結(jié)合，分析研究黃土丘陵區(qū)一定邊坡開挖率下，對各坡位土壤抗蝕能力影響及其年恢復變化，旨在明確開挖邊坡的防護范圍及程度，為今后邊坡開挖工程的安全與防護提供科學的指導與理論支持。

1 試驗材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于陜西省延安市羊圈溝小流域(109°31′—109°71′E，36°42′—36°82′ N)，距延安市區(qū)14 km，屬半干旱大陸性季風氣候，多年平均降水量535 mm，多集中在7—9月，占全年降水量的79%，年際變化較大。屬典型的黃土丘陵溝壑區(qū)，流域內(nèi)土壤以黃綿土為主，抗蝕性差，水土流失情況相對嚴重。植被類型主要有刺槐(RobiniaPseudoacaciaL)，檸條(CaraganaKorshinskiiKom)，狗尾草(Setariaviridis(L.) Beauv)，荊條(VitexnegundoL)，茅莓(RubusparvifoliusL)，白刺花(Sophoradavidii(Franch)Skeels)。

1.2 土壤樣品的采集

通過對溝道土地整治所在流域進行實地勘察，選擇2018年開挖的無臺階式開挖邊坡所在坡面為研究對象，邊坡開挖高度在4～6 m，周邊未開挖坡面為對照，坡面類型均為陽面凸坡，土質(zhì)為黃綿土。于2019年7月，依據(jù)不同高程及開挖面均等劃分為4個坡段和開挖坡段，分別為坡頂(Ⅰ區(qū))，坡上(Ⅱ區(qū))，坡中(Ⅲ區(qū))，坡下(Ⅳ區(qū))，坡腳/開挖區(qū)(Ⅴ區(qū))(圖1)。并按照“S”形在每個坡段設(shè)置5個采樣點，除去土體表層枯枝落葉，在0—100 cm土層深度內(nèi)，按0—20 cm，20—40 cm，40—60 cm，60—80 cm，80—100 cm分層采集土壤樣品，并將各樣地采樣點內(nèi)，相同土層深度的土樣均勻混合，作為分析樣品帶回實驗室自然風干，進行土壤團聚體、含水量、有機碳指標測定。

1.3 樣品的測定

土壤團聚體粒級配分布及穩(wěn)定性狀況的測定采用濕篩法，即將所得土樣通過四分法稱取50 g，加入蒸餾水浸泡15 min后，倒入孔徑依次為5,2,1,0.5,0.25 mm的套篩中。在35 r/min的頻率下震蕩15 min后，將各級篩網(wǎng)上的團聚體沖洗至燒杯內(nèi)烘干稱重[12]。

圖1 坡位示意圖

土壤含水量的測定采用烘干法；土壤有機碳含量的測定采用重鉻酸鉀外加熱法[13]。

1.4 數(shù)據(jù)計算與處理

土壤團聚體平均重量直徑(MWD/mm)能夠直接反映土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性大小，其計算公式[14]如下：

(1)

式中:Wi為每個粒級下土壤團聚體的百分百分數(shù)；Xi為各粒級的平均直徑。

土壤可蝕性KS能夠綜合表示土壤抗蝕能力強弱，其的計算公式[15]如下：

KS=7.954{0.0017+0.0494exp[-0.5

(2)

采用單因素方差分析(one-way ANOVA)和最小顯著差異法(LSD)對各坡位土壤有機碳進行分析；采用Pearson法(α=0.05)對土壤可蝕性K值與土壤有機碳和土壤團聚體MWD值進行相關(guān)性分析；采用Origin 2018軟件進行作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 邊坡開挖對各坡位土壤團聚體結(jié)構(gòu)影響

土壤團聚體作為土壤基本的結(jié)構(gòu)單元，其大小分布及穩(wěn)定性能顯著影響降雨入滲及土壤可蝕性，是評價土壤抗蝕環(huán)境的重要因子[16]。邊坡開挖工程的實施，易造成團聚體結(jié)構(gòu)變差，大團聚體破裂，穩(wěn)定性降低。通過對開挖及對照坡面各坡位的土壤團聚體組成級配進行分析，結(jié)果見圖2。隨坡位降低，開挖坡面在0—40 cm土層內(nèi)，大于5 mm和大于0.25 mm的團聚體含量均呈先增加后減小趨勢，其中大于5 mm的土壤團聚體在Ⅳ，Ⅴ區(qū)均呈現(xiàn)降低趨勢，大于0.25 mm團聚體在Ⅴ區(qū)出現(xiàn)降低趨勢。而對照坡面，隨坡位的降低均呈增加趨勢；因此，邊坡開挖顯著影響Ⅳ，Ⅴ區(qū)的土壤團聚體團粒結(jié)構(gòu)，且Ⅴ區(qū)受影響程度高于Ⅳ區(qū)。

圖2 各坡位土壤團聚體粒級分布

土壤團聚體平均重量直徑(MWD)能夠直接反映土壤團聚體穩(wěn)定性大小，較好地評價土壤保水保肥性能[17]。通過對土壤團聚體穩(wěn)定性分析，結(jié)果見圖3，開挖坡面在0—20 cm，20—40 cm土層中，土壤MWD值隨坡位的降低呈先增大后減小趨勢，其中Ⅰ—Ⅲ區(qū)MWD值為逐漸增加趨勢，Ⅳ—Ⅴ區(qū)為逐漸降低趨勢，其中MWD值在0—20 cm，20—40 cm土層中相較于Ⅰ區(qū)，Ⅳ區(qū)分別增加12%，145%，Ⅴ區(qū)分別降低34%，29%；相較于Ⅲ區(qū)，Ⅳ區(qū)分別降低1.5%，6.3%，Ⅴ區(qū)分別降低42.2%，73%。而在對照坡面0—20 cm，20—40 cm土層中隨坡位的降低，MWD值均呈逐漸增加趨勢，且Ⅳ區(qū)、Ⅴ區(qū)MWD值在0—20 cm，20—40 cm土層中，相較于Ⅰ區(qū)分別增加69%，218%，89%，239%；相較于Ⅲ區(qū)分別增加了21%，53%，36%，63%。

結(jié)果表明，邊坡開挖影響坡面土壤團聚體穩(wěn)定性，其中Ⅳ區(qū)、Ⅴ區(qū)受影響程度較為顯著，且Ⅴ區(qū)團聚體穩(wěn)定性受影響程度高于Ⅳ區(qū)。

圖3 各坡位MWD變化

2.2 邊坡開挖對各坡位土壤有機碳及含水量影響

土壤有機碳及含水量作為土壤的重要組成部分，能夠顯著影響土壤質(zhì)量及環(huán)境[18-19]，是評價土壤抗蝕環(huán)境的又一重要指標，邊坡開挖在破壞坡面原有地形地貌的同時，對坡面土壤有機碳含量也產(chǎn)生顯著影響。通過對比邊坡開挖下各坡位土壤有機碳空間變化差異，由圖4可得，開挖坡面土壤有機碳含量隨坡位的降低呈先增大后減小趨勢，在開挖坡面0—100 cm土層中，相較于Ⅰ區(qū)，Ⅳ區(qū)0—20 cm土層內(nèi)有機碳含量降低11%，20—100 cm土層內(nèi)增加10%～39%，Ⅴ區(qū)0—100 cm土層內(nèi)有機碳含量增加10%～91%；而隨坡位的進一步降低，相較Ⅲ區(qū)，在Ⅳ區(qū)0—80 cm土層深度內(nèi)土壤有機碳含量顯著降低，其中較Ⅲ區(qū)，0—40 cm土層降低21%～41%，40—80 cm土層降低8%～14%；Ⅴ區(qū)土壤有機碳含量在0—40 cm土層內(nèi)，顯著降低10%～39%。而對照坡面，隨坡位的降低各土層土壤有機碳含量均呈逐漸增大趨勢，且Ⅳ區(qū)、Ⅴ區(qū)土壤有機碳含量均顯著高于其他坡位，其中相較Ⅰ區(qū)0—100 cm土層有機碳含量增加23%～117%，35%～150%，相較于Ⅲ區(qū)0—100 cm土層有機碳含量增加6%～56%，16%～62%。

黃土高原坡面含水量隨坡位的降低呈增加趨勢[20]，而通過對開挖坡面土壤含水量空間變化分析，由圖5可得，開挖坡面其各坡位下土壤含水量變化趨勢與土壤有機碳變化規(guī)律相似，相較于Ⅰ區(qū)，在Ⅳ區(qū)0—80 cm土層，土壤含水量降低13%～21%；Ⅴ區(qū)0—100 cm土層內(nèi)含水量增加6%～46%；相較于Ⅲ區(qū)，在Ⅳ區(qū)0—80 cm土層，土壤含水量降低22.7%～35.3%；Ⅴ區(qū)0—40 cm土層內(nèi)含水量降低10%～11%，在40—60 cm土壤含水量顯著增大，且均顯著高于其他土層。

2.3 邊坡開挖對各坡位土壤抗蝕性影響

2.3.1 對各坡位土壤可蝕性KS變化影響 土壤可蝕性KS值能夠綜合評價土壤抵抗侵蝕能力的大小，其值越小土壤抗侵蝕能力越強[21]。圖6為邊坡開挖對各坡位下土壤綜合抗侵蝕能力影響對比，開挖坡面在0—20 cm，20—40 cm土層中，土壤KS值隨坡位的降低呈先減小后增大趨勢，其中相較于Ⅰ區(qū)，Ⅳ區(qū)在0—20 cm，20—40 cm土層中KS值分別降低21%，63%，Ⅴ區(qū)在0—20 cm土層中增加38%，在20—40 cm土層中降低13%；相較于Ⅲ區(qū)，Ⅳ區(qū)0—20 cm，20—40 cm土層中KS值分別降低5%，12%，Ⅴ區(qū)分別增加66%，109%。而在對照坡面0—20 cm，20—40 cm土層中，隨坡位的降低KS值均呈逐漸增加趨勢，且Ⅳ區(qū)、Ⅴ區(qū)KS值在0—20 cm，20—40 cm土層中，相較于Ⅰ區(qū)分別增加57%，69%，67%，69%；相較于Ⅲ區(qū)分別增加24%，48%，42%，48%。由此可得，邊坡開挖影響坡面土壤抗蝕性，其中Ⅳ區(qū)、Ⅴ區(qū)受影響程度較為顯著，且Ⅴ區(qū)土壤抗蝕性受影響程度高于Ⅳ區(qū)。

2.3.2 邊坡開挖對土壤可蝕性與有機碳關(guān)系影響 土壤有機碳含量及團聚體是評價土壤抗蝕能力變化的重要指標。開挖率7%的邊坡條件下，Ⅳ區(qū)、Ⅴ區(qū)土壤團聚體及有機碳含量均受到顯著影響，其中土壤團聚體及土壤可蝕性KS呈Ⅳ區(qū)受影響低于Ⅴ區(qū)，而Ⅳ區(qū)土壤有機碳含量受影響程度高于Ⅴ區(qū)，因此Ⅳ區(qū)土壤抗蝕能力后期可能有降低趨勢。為進一步探討邊坡開挖對坡面土壤抗蝕性影響，分別對開挖率為0，7%，100%條件下坡面土壤可蝕性KS與有機碳和土壤團聚體MWD之間進行相關(guān)分析可得，不同開挖率下土壤可蝕性KS與土壤團聚體MWD和有機碳含量之間均呈顯著負相關(guān)，但隨坡面開挖率增加，土壤可蝕性KS與團聚體MWD之間相關(guān)性變化不大，分別為-0.96**，-0.94**，-0.99**，與有機碳之間隨開挖率增加，其相關(guān)系數(shù)呈先減小后增大趨勢，其中開挖率為0，100%時，相關(guān)系數(shù)為-0.93**，-0.98**，而開挖率為7%時，相關(guān)系數(shù)為-0.71**。

注：不同大寫字母表示各級坡位間差異顯著，不同小寫字母表示各土層間差異顯著(p<0.05)。

圖5 各坡位下土壤水分隨深度變化分布(開挖坡面)

2.3.3 土壤可蝕性K公式修正 張科利等[22]通過研究土壤可蝕性K實測值與KS計算值之間關(guān)系指出，KS計算所得數(shù)值顯著大于于實測值，但與實測值呈良好的K=0.00911+0.55066KS線型關(guān)系。因此為進一步準確探究邊坡開挖對土壤抗蝕K值計算，將坡面開挖區(qū)近似認為開挖率100%的坡面，對不同開挖率下坡面土壤可蝕性K和KS之間比值與有機碳含量之間進行分析，結(jié)果由圖7可得，與有機碳含量呈顯著指數(shù)負相關(guān)，具體公式見式(3)；同時隨開挖率的增加，其公式參數(shù)呈減小趨勢見圖8，并將參數(shù)變化與開挖率之間的經(jīng)驗公式帶入(3)式，得出坡面土壤可蝕性隨開挖率變化公式(4)，為今后開挖邊坡土壤可蝕性K的計算提供方法。

K=KS(-alnC+b)

(3)

K=KS(-0.12e-0.114lnC+0.57e-0.04) (e>0)

(4)

式中：K為土壤可蝕性值；C為土壤有機碳含量；e為邊坡開挖率。式(3)和式(4)中，土壤可蝕性K和土壤有機碳分別與坡面開挖率呈復合函數(shù)關(guān)系，其中土壤可蝕性K值隨開挖率的增大而增大，隨有機碳含量的增大而減小，該公式為今后邊坡開挖工程中，不同開挖率下土壤可蝕性K值的變化提供合理的預(yù)測。

3 討 論

3.1 邊坡不同開挖率對各坡位土壤抗蝕性影響

邊坡開挖顯著影響土壤侵蝕環(huán)境，增加流域邊坡土壤侵蝕風險，尤其在極端暴雨條件下更易引起所在流域邊坡的沖刷與侵蝕。本研究表明，對照坡面土壤結(jié)構(gòu)和抗蝕能力、土壤含水量及有機碳含量整體隨坡位的降低呈逐漸增加趨勢，這主要因為坡上部多屬于侵蝕區(qū)，土層較薄，結(jié)構(gòu)較差，而隨坡位的逐漸降低，被侵蝕的土壤逐漸在坡下部位沉降堆積，土層較厚，結(jié)構(gòu)、養(yǎng)分較好，這與蘇正安[23]、周莉[24]等研究結(jié)果相似；而通過對比發(fā)現(xiàn)，本研究開挖坡面隨坡位的進一步降低，開挖區(qū)、坡下區(qū)土壤結(jié)構(gòu)及抗蝕能力均明顯變差，土壤含水量及有機碳含量顯著降低。其中開挖區(qū)團聚體的穩(wěn)定性及抗蝕能力受影響程度均高于坡下區(qū)，而在坡下區(qū)土壤含水量及有機碳含量受影響程度及深度卻高于開挖區(qū)。這主要是因為溝道土地整治實施的過程中，機械及劇烈人為活動主要作用于開挖區(qū)，對開挖區(qū)植被及土壤的破壞擾動程度較大，Tisdall等[25]指出人為擾動極易使得土壤大團聚體優(yōu)先被破壞，從而直接導致開挖區(qū)土壤團聚體結(jié)構(gòu)及穩(wěn)定性下降，但由于溝道土地整治在開挖區(qū)內(nèi)作用深度較淺，因此對土壤團聚體、有機碳含量等影響深度相對較淺。而在坡下區(qū)，由于對邊坡的切削，使得坡下區(qū)下部為切削的裸露邊坡，其邊界效應(yīng)嚴重影響了坡下區(qū)的土壤環(huán)境，從而導致了土壤含水量及有機碳含量均顯著降低。由此可以看出邊坡開挖率在7%條件下不僅顯著影響開挖區(qū)土壤抗蝕能力，且極大程度增加了坡下區(qū)土壤侵蝕環(huán)境惡化。

圖6 各坡位土壤可蝕性KS值變化

注：y1為未開挖坡面；y2為開挖率7%坡面；y3為開挖率100%坡面。

3.2 開挖邊坡土壤抗蝕環(huán)境年恢復變化

邊坡開挖顯著影響土壤抗蝕能力各評價指標間相關(guān)關(guān)系，從而導致擾動后土壤的年恢復情況也發(fā)生相應(yīng)的變化。其中開挖坡面及對照坡面土壤可蝕性KS與土壤有機碳含量均呈顯著相關(guān)。這是因為一方面土壤有機碳通過改善土壤質(zhì)量及結(jié)構(gòu)，增強土壤的抗侵蝕能力[26]，另一方面有機碳作為土壤中的親水物質(zhì)，其吸收水分的容量遠大于土壤礦物，能夠有效緩解水分濕潤速度，減小團聚體的糊化作用[27]，Capriel等[28]認為團聚體之間及團聚體內(nèi)部的空隙都為有機物的殘體提供居住場所，稱之為有機物填充作用(Infilling)，Tisdall等[29]提出的黏粒包裹作用(Encrusting)，強調(diào)是團聚體的形成是黏粒吸附在有機物表面，且團聚體的穩(wěn)定性隨著有機碳的礦化分解而逐漸降低。從而綜合作用影響土壤抗侵蝕能力，然而通過相關(guān)系數(shù)對比發(fā)現(xiàn)，開挖坡面尤其是坡下區(qū)土壤團聚體穩(wěn)定性及抗蝕能力受影響降低程度相對較小，而有機碳含量的極顯著降低，導致開挖坡面土壤KS與土壤有機碳之間相關(guān)性小于對照坡面和100%開挖坡面。從而在坡下區(qū)土壤可蝕性KS有顯著降低的風險。針對這一問題，對開挖坡面Ⅳ區(qū)于2020年7月進行二次采樣驗證，對坡下區(qū)MWD及KS值進行分析，由圖9可知，第二次采樣土壤MWD較第一次顯著降低10.2%～22.2%，KS值顯著增加19.2%～49.0%。由此可得邊坡開挖率為7%時，坡下區(qū)土壤水、土壤有機碳含量顯著降低，極大程度增加了坡下區(qū)土壤侵蝕風險，因此在邊坡防護過程中不僅應(yīng)注重開挖區(qū)坡面穩(wěn)定性的防護，還應(yīng)增加坡下區(qū)土壤侵蝕風險的降低。

注：不同大寫字母表示兩次采樣差異顯著，不同小寫字母表示各土層間差異顯著(p<0.05)。

3.3 開挖率對坡面土壤抗蝕性影響

土壤有機碳含量是土壤抗蝕能力的重要指標之一，而由上文分析可得，短時間內(nèi)在開挖率7%條件下，顯著影響坡下區(qū)坡面的土壤有機碳及含水量，且隨開挖率的不斷增加，土壤有機碳與土壤抗蝕性之間的相關(guān)性先減小后增加，這主要是因為隨開挖率越大，所產(chǎn)生的切削裸露面積越大，且多為高陡邊坡，坡面植被覆蓋較少，蒸發(fā)量較大，顯著影響開挖面上方土體土壤水、溫度等環(huán)境，尤其對深層水分補給產(chǎn)生較大影響，且越靠近開挖面受影響程度越高，同時有機碳與土壤結(jié)構(gòu)及質(zhì)量的關(guān)系是長期互相影響積累的過程[30]，因此短時間內(nèi)開挖率越大，開挖面上方土體土壤有機碳含量與土壤可蝕性相關(guān)性越弱，后期土壤抗蝕能力變差，侵蝕風險越高；而在開挖率100%的條件下，其土壤團聚體和有機碳均同時受到顯著影響，短時間內(nèi)土壤有機碳含量與抗蝕能力同時顯著降低，增加土壤侵蝕風險。因此在邊坡開挖過程中，亟需針對的不同開挖率邊坡采用不同范圍土壤侵蝕防治措施，不僅在坡面上要考慮加固開挖面穩(wěn)定性，還應(yīng)注重坡面開挖區(qū)上部各坡位土壤侵蝕風險的降低，且越靠近開挖區(qū)，坡面土壤侵蝕風險越大。

4 結(jié) 論

(1) 開挖率為7%的坡面，MWD在坡下區(qū)、開挖區(qū)相較于坡中區(qū)分別降低6%～8%和58%～73%；土壤有機碳含量在坡下區(qū)0—80 cm土層內(nèi)顯著降低8%～41%，開挖區(qū)0—40 cm內(nèi)顯著降低10%～39%，坡下區(qū)土壤有機碳及含水量受影響程度顯著高于坡腳區(qū)，而坡腳區(qū)土壤結(jié)構(gòu)及團聚體穩(wěn)定性受影響程度顯著高于坡下區(qū)。

(2) 土壤可蝕性KS與土壤團聚體MWD和有機碳含量均呈顯著負相關(guān)，但隨坡面開挖率增加，土壤可蝕性KS與團聚體MWD之間相關(guān)性變化不大，而與有機碳之間隨開挖率增加其相關(guān)系數(shù)呈先減小后增大趨勢，開挖率為7%的坡面，坡下區(qū)土壤抗蝕性存在滯后效應(yīng)。

(3) 通過增加開挖率及有機碳含量對坡面土壤抗蝕性影響，對土壤可蝕性K值的計算公式進行進一步的補充及修訂，且開挖率越大，土壤可蝕性K值越大。