江蘇省平原沙土區(qū)河溝邊坡土壤分離速率及其影響因素

曲麗莉，郭紅麗，李 盟，吳 芳，梁 音，朱緒超，田芷源，袁久芹

(1.土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 中國科學(xué)院南京土壤研究所，210008，南京；2.中國科學(xué)院大學(xué)，100049，北京；3.江蘇省水文水資源勘測局，210029，南京；4.鹽城市大豐區(qū)堤防管理處，224100，江蘇鹽城)

江蘇省土地總面積10.72萬km2，其中平原沙土區(qū)面積約2萬km2，是江蘇省水土保持的重點(diǎn)治理區(qū)[1]。根據(jù)形成原因，江蘇省平原沙土區(qū)主要分3類：黃河故道沙土區(qū)、沿海平原沙土區(qū)和通南高沙土區(qū)[2]。江蘇省大部分為平原地區(qū)，在水土流失監(jiān)測和計(jì)算中常被忽略，但是在沙土區(qū)范圍內(nèi)由于降雨量多、降雨強(qiáng)度大、土壤結(jié)構(gòu)疏松、抗侵蝕能力弱等原因[3]，水土流失強(qiáng)烈；另外，江蘇省水系發(fā)達(dá)、河溝網(wǎng)絡(luò)密布，河溝邊坡除具有上述的降雨和土壤因素影響外，還具有發(fā)生侵蝕的坡度條件，遇降雨時(shí)面蝕和溝蝕活躍。河坡毀壞和坍塌，導(dǎo)致河道淤塞，影響沿岸引排水、航運(yùn)與防洪安全，威脅人們的生產(chǎn)生活。因此開展平原沙土區(qū)河溝邊坡土壤抗蝕性特征研究，有助于區(qū)域水土流失有效防控和土壤資源可持續(xù)利用。

土壤分離是土壤顆粒脫離土壤母質(zhì)的過程，也是后續(xù)土壤輸移和沉積過程的基礎(chǔ)[4]。土壤分離的難易程度一般用土壤分離速率來量化，土壤分離速率常用水槽沖刷試驗(yàn)獲取。變坡試驗(yàn)水槽可以通過控制流量和坡度，模擬與天然徑流較為接近的不同侵蝕動(dòng)力條件，成為土壤分離過程模擬的理想方法[5]。在已有研究中，影響土壤分離速率的因素主要有徑流特性、土壤特性和近地表特性3方面[6]。Ma等[7]的研究表明水流功率對土壤分離速率的貢獻(xiàn)較大；郭繼成等[8]認(rèn)為水流剪切力可以更好地模擬土壤分離速率。土壤特性方面，李靜等[9]表明土壤分離速率與有機(jī)質(zhì)、土壤團(tuán)聚體含量密切相關(guān)；Su等[10]研究表明土壤分離速率與土壤黏粒含量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。近地表特性方面，蔣芳市等[11]表明植被根系能顯著降低土壤分離速率；Margot等[12]發(fā)現(xiàn)地表枯落物對土壤的作用也會(huì)對土壤分離速率產(chǎn)生影響。上述研究均集中在我國主要的土壤侵蝕區(qū)(黃土高原、南方紅壤區(qū)、西南丘陵山地)，但對于江蘇省平原沙土區(qū)河溝邊坡的土壤分離速率尚不清楚，因此，限制了對沙土區(qū)河溝邊坡土壤侵蝕過程的認(rèn)識(shí)和對河溝邊坡土壤侵蝕的有效治理。

筆者以江蘇省平原沙土區(qū)河溝邊坡土壤為對象，利用水槽沖刷試驗(yàn)，量化對比3類沙土在不同坡度和降雨條件下的土壤分離速率大小，分析土壤分離速率的影響因素，以了解沙土區(qū)河溝邊坡土壤分離特征，加深對沙土區(qū)河溝邊坡土壤侵蝕的認(rèn)識(shí)，以期為河溝邊坡水土流失治理提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

江蘇省3類沙土區(qū)主要位于江蘇省北部黃河故道沿線、沿海平原和南通附近地區(qū)。黃河故道沙土區(qū)是由廢黃河沉積物覆蓋而成，包括豐縣、沛縣、漣水等縣；沿海平原沙土區(qū)系濱海淤漲而成，位于射陽縣雙洋河口至海安縣北凌河口的沿海平原；通南高沙土區(qū)由長江入海泥沙堆積而成，包括南通、揚(yáng)州、泰州3市的如皋、海安等縣市。

基于全國第2次土壤普查江蘇省1∶50萬土壤類型圖，提取、歸并土種類型為砂質(zhì)土壤的范圍，可獲得3類沙土區(qū)的空間分布(圖1)?；诮K省縣市邊界圖，在3類沙土區(qū)分別選擇集中分布且面積較大的縣(市、區(qū))作為該類沙區(qū)的代表區(qū)域，分別確定淮安漣水縣、鹽城大豐區(qū)和南通如皋市作為3類沙土區(qū)的代表。漣水縣屬于暖溫帶季風(fēng)氣候，年均氣溫14 ℃，年均降水量991 mm。大豐區(qū)屬于亞熱帶與暖濕帶的過渡地帶，年平均氣溫14.1 ℃，年均降水量1 042 mm。如皋市屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，年平均氣溫14.7 ℃，年均降水量1 056 mm。沙土區(qū)內(nèi)河網(wǎng)水系眾多，土壤砂粒含量較高，河溝邊坡很不穩(wěn)定，水土流失現(xiàn)象嚴(yán)重。

圖1 研究區(qū)位置Fig.1 Location of the study area

2 材料與方法

2.1 野外調(diào)查與采樣

2020年7月，在漣水縣、大豐區(qū)、如皋市分別選取2、3、2個(gè)坡度和坡長條件合適、有明顯侵蝕溝、坡面植被蓋度較低且方便取樣的河溝邊坡。在選擇的各河溝邊坡的坡上和坡下部位，利用土鉆采集0～20 cm表土，按照四分法制成混合散土土樣，實(shí)驗(yàn)室自然風(fēng)干、過篩后，利用激光粒度儀測定顆粒組成。利用400 cm3(直徑10 cm，高5 cm)環(huán)刀，在坡面的上、中、下部位分別采集表層原狀土4個(gè)，每個(gè)坡面共采集大環(huán)刀原狀土12個(gè)，用于開展水槽沖刷試驗(yàn)。在采集大環(huán)刀原狀土位置附近利用100 cm3環(huán)刀采集小原狀土，用于測定土壤密度和對應(yīng)位置土壤含水量。此外，為了解坡面團(tuán)聚體特征，利用不銹鋼飯盒在坡上和坡下部位，分別采集塊狀土1盒，實(shí)驗(yàn)室利用篩分法測定各級團(tuán)聚體含量。

2.2 水槽沖刷試驗(yàn)

試驗(yàn)水槽長4.2 m，寬0.3 m，水槽頂端設(shè)置消力池以保證水流平穩(wěn)(圖2)。支架處設(shè)置滑輪以調(diào)節(jié)水槽坡度，用閥門組調(diào)節(jié)水流大小，用標(biāo)有刻度的集流桶率定流量。根據(jù)研究區(qū)坡度分布特征和近30年的降雨資料將坡度設(shè)定為10°、20°和30°，流量設(shè)定為0.5和1.5 L/s。不同邊坡每個(gè)試驗(yàn)條件下2個(gè)重復(fù)，共計(jì)沖刷試驗(yàn)84次。

將土樣浸泡12 h達(dá)到飽和，取出晾置2 h，將水槽坡度和供水流量調(diào)整為預(yù)設(shè)值后開始沖刷試驗(yàn)。將土樣置于土樣室，調(diào)整土樣使其上表面與水槽底面平齊，用凡士林填充土樣與水槽間的空隙以防止漏水，同時(shí)開始計(jì)時(shí)。避免因深度不同而導(dǎo)致環(huán)刀內(nèi)土樣侵蝕不均，當(dāng)土樣沖刷深度達(dá)2 cm時(shí)停止試驗(yàn)；對于較難沖刷的土樣，沖刷時(shí)間以10 min為限[5]。沖刷過程中利用溫度計(jì)測定水流溫度，采用高錳酸鉀染色法測定表面流速，每次測定12個(gè)重復(fù)，剔除極值后取平均確定表面平均流速。根據(jù)雷諾數(shù)確定水流流態(tài)，從而確定流速的修正系數(shù)，表面流速乘以修正系數(shù)得到水流平均流速。用刻度尺測量徑流深度，每次測定12個(gè)重復(fù)，剔除極值后取平均確定平均徑流深。沖刷結(jié)束后將環(huán)刀放置烘箱105 ℃下烘干至恒質(zhì)量。

圖2 變坡式水槽沖刷試驗(yàn)裝置示意圖Fig.2 Sketch of variable-slope flume scouring experimental device

2.3 數(shù)據(jù)處理

雷諾數(shù)、弗勞德數(shù)和阻力系數(shù)是描述徑流的常用水力指標(biāo)。雷諾數(shù)是慣性力和黏滯力的比值，表征水流流態(tài)；弗勞德數(shù)用來判斷坡面流急緩程度，表征水流慣性力和重力的相對大?。蛔枇ο禂?shù)用來表征坡面流流動(dòng)時(shí)沿程所受阻力的大小[13]。

水流剪切力、水流功率和單位水流功率是描述土壤分離過程的常用水動(dòng)力指標(biāo)。水流剪切力是徑流流動(dòng)過程中在水土分界面產(chǎn)生沿坡面向下的剪切力；水流功率是單位面積水流所消耗的功率，表征剝蝕一定量土壤所需功率；單位水流功率是單位質(zhì)量水體所消耗的功率[14]。

土壤分離速率是單位時(shí)間單位面積上流失的土壤干質(zhì)量，表征土體抵抗侵蝕能力的大小，計(jì)算公式[14]為：

(1)

式中：Dr為土壤分離速率，kg/(m2·s)；Wb為實(shí)驗(yàn)前土樣干土質(zhì)量，kg；Wa為實(shí)驗(yàn)后土樣干土質(zhì)量，kg；t為沖刷時(shí)間，s；A為土樣上表面積，m2。

使用Excel 2019進(jìn)行數(shù)據(jù)的初步整理、分析；在SPSS 19.0中利用單因素方差分析(ANOVA)對變量平均值之間差異進(jìn)行顯著性分析，利用Pearson相關(guān)分析方法分析土壤分離速率與其影響因素間的相關(guān)性和顯著性；利用Origin 2017作圖。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同類型沙土區(qū)土壤基本性質(zhì)

單因素方差分析結(jié)果表明，江蘇省3類平原沙土區(qū)河溝邊坡土壤的基本理化性質(zhì)存在差異(表1)。土壤質(zhì)地方面，3類沙土區(qū)河溝邊坡土壤的砂粒和粉粒含量均在P<0.05的水平上具有顯著差異。其中黃河故道沙土區(qū)河溝邊坡土壤平均砂粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高，為80.64%，分別比沿海平原沙土區(qū)和通南高沙土區(qū)河溝邊坡土壤高29.01%和18.42%。這主要是由于3類沙土區(qū)的形成原因不同，其中黃河故道土壤為古黃河侵蝕泥沙堆積形成，砂粒含量相對較高。土壤結(jié)構(gòu)方面，3類沙土區(qū)河溝邊坡在土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量和團(tuán)聚體分形維數(shù)上差異顯著(P<0.05)。由表1可知，通南高沙土區(qū)水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量最高，分形維數(shù)最低，表明其土壤結(jié)構(gòu)性最好，抵抗水力破壞的能力最強(qiáng)，沿海平原沙土區(qū)次之，黃河故道沙土區(qū)最差。土壤化學(xué)性質(zhì)方面，通南高沙土區(qū)河溝邊坡土壤的平均pH為7.33，與其他兩地存在顯著差異，表現(xiàn)為中性土壤，沿海平原沙土區(qū)和黃河故道沙土區(qū)pH均>8，表現(xiàn)為堿性土壤。黃河故道沙土區(qū)河溝邊坡土壤在有機(jī)質(zhì)含量上與其他2個(gè)沙土區(qū)有顯著差異，分別比沿海平原沙土區(qū)和通南高沙土區(qū)河溝邊坡土壤低65.32%和66.17%，說明黃河故道沙土區(qū)河溝邊坡土壤較其他兩地貧瘠。

表1 3類沙土區(qū)河溝邊坡土壤基本理化性質(zhì)Tab.1 Basic physical and chemical properties of gully slope soil in 3 types of plain sandy area

3.2 3類沙土區(qū)土壤分離速率

3類沙土區(qū)河溝邊坡土壤分離速率在不同坡度和流量條件下的大小如表2所示。黃河故道沙土區(qū)、沿海平原沙土區(qū)和通南高沙土區(qū)的平均土壤分離速率分別為218.00、60.92和17.07 kg/(m2·s)，3地的土壤分離速率的平均值在P<0.05的水平上存在顯著差異。黃河故道沙土區(qū)河溝邊坡土壤的分離速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于另外2個(gè)沙土區(qū)，其平均值分別是沿海平原沙土區(qū)和通南高沙土區(qū)的3.58和12.77倍。

然而在相似的試驗(yàn)條件下，南方紅壤地區(qū)的土壤分離速率在0.5 kg/(m2·s)左右[15]，西南紫色土地區(qū)在2 kg/(m2·s)左右[16]，黃土高原地區(qū)在4 kg/(m2·s)左右[9]。江蘇省平原沙土區(qū)河溝邊坡的土壤分離速率較其他研究地區(qū)高，其原因除試驗(yàn)設(shè)計(jì)、研究條件的差異，主要與其砂性大的土壤性質(zhì)密切相關(guān)。筆者選取的3處沙土區(qū)砂粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)均>50%，黃河故道沙土區(qū)砂粒達(dá)到80%左右(表1)，較大的砂粒含量、較低的有機(jī)質(zhì)含量，是導(dǎo)致研究區(qū)土壤分離速率較大的主要原因。

表2 3類沙土區(qū)在不同條件下的土壤分離速率Tab.2 Soil detachment rate in 3 types of plain sandy areas under different conditions kg/(m2· s)

3.3 土壤分離速率的影響因素

3.3.1 與土壤性質(zhì)的關(guān)系 在特定的坡度和水動(dòng)力條件下，土壤分離速率的大小主要受土壤性質(zhì)的影響。3類沙土區(qū)河溝邊坡土壤的分離速率與各土壤性質(zhì)的Pearson相關(guān)分析如表3所示。可見，不同流量和坡度條件下土壤分離速率總體上與各土壤因子相關(guān)關(guān)系表現(xiàn)一致。其中，土壤分離速率與團(tuán)聚體分形維數(shù)、砂粒含量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)，與水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量、粉粒、黏粒和有機(jī)質(zhì)含量呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.01)。

表3 不同坡度和流量下土壤分離速率與土壤因子相關(guān)系數(shù)Tab.3 Correlation coefficient between soil detachment rate and soil factors under different slope and flow rates

水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量和分形維數(shù)與土壤分離速率的相關(guān)性系數(shù)較其他因子更高，說明這2個(gè)指標(biāo)可以較好地衡量土壤抵抗水力分散的能力，這與Xiang等[17]的研究結(jié)果類似。這是因?yàn)樗€(wěn)性團(tuán)聚體含量越高、分形維數(shù)越小的土壤，團(tuán)粒結(jié)構(gòu)越好，團(tuán)聚體在水流沖刷的影響下保持原來結(jié)構(gòu)的能力越強(qiáng)，可以有效削弱徑流對土壤的沖刷和剝蝕，減少土壤分離。而有機(jī)質(zhì)含量越高，土壤分離速率越小，這是因?yàn)橥寥烙袡C(jī)質(zhì)可以改變砂土的分散無結(jié)構(gòu)狀態(tài)，改善土壤的孔隙結(jié)構(gòu)以及透水性和蓄水性，可以有效降低土壤分離速率[18]。

3.3.2 與坡度和流量的關(guān)系 如圖3所示，在相同流量條件下，3類沙土區(qū)河溝邊坡土壤的分離速率總體上呈坡度的增函數(shù)關(guān)系，當(dāng)坡度從10°增加30°時(shí)，黃河故道沙土區(qū)2個(gè)條件下的平均土壤分離速率增長1.26倍，沿海平原沙土區(qū)增長4.22倍，通南高沙土區(qū)增長1.06倍。需要說明的是，黃河故道沙土區(qū)0.5 L/s流量條件下土壤分離速率呈現(xiàn)出隨坡度下降的趨勢，這可能是因?yàn)樯惩两Y(jié)構(gòu)性差，在運(yùn)輸、浸泡和沖刷等過程中存在土樣損失從而導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)偏差，本條件下土壤分離速率隨坡度的變化規(guī)律需要進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)確定。

圖3 土壤分離速率與坡度的關(guān)系Fig.3 Relationship between soil detachment rate and slope

如圖4所示，在相同坡度條件下，3類沙土區(qū)河溝邊坡土壤的分離速率總體上呈流量的增函數(shù)關(guān)系，當(dāng)流量從0.5 L/s增加到1.5 L/s時(shí)，黃河故道沙土區(qū)3個(gè)坡度條件下的平均土壤分離速率增長2.3倍，沿海平原沙土區(qū)增長1.59倍，通南高沙土區(qū)增長1.06倍。

圖4 土壤分離速率與流量的關(guān)系Fig.4 Relationship between soil detachment rate and flow

綜上，3類沙土區(qū)河溝邊坡土壤分離速率總體上均隨著坡度和流量的增大呈增加的趨勢，但是在坡度和流量都相同的條件下，黃河故道沙土區(qū)土壤分離速率最大，沿海平原沙土區(qū)次之，通南高沙土區(qū)最小，這與3類沙土區(qū)河溝邊坡土壤的性質(zhì)有關(guān)。黃河故道沙土區(qū)河溝邊坡土壤顆粒組成主要為砂粒，有機(jī)質(zhì)含量低、土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)較差，抵抗徑流的沖刷和剝蝕能力較差；而通南高沙土區(qū)河溝邊坡土壤砂粒含量相對較少，有機(jī)質(zhì)含量最高，因此通南高沙土區(qū)土壤分離速率最低。

3.3.3 與徑流特征因子的關(guān)系 如表4所示本次試驗(yàn)中所有流量與坡度組合下，雷諾數(shù)介于9.3～81.7之間，均值40.87，弗勞德數(shù)介于1.14～2.62之間，均值1.84，表明本次試驗(yàn)中，水流流態(tài)都屬于層流，流型都屬于急流。并且，雷諾數(shù)和弗勞德數(shù)與土壤分離速率呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)，與阻力系數(shù)呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，這與Li等[19]的研究結(jié)果一致，說明徑流流態(tài)越混亂、流型越急則土壤分離速率越大。

3個(gè)沙土區(qū)的平均土壤分離速率與流速、水流剪切力、水流功率、單位水流功率都呈極顯著正相關(guān)關(guān)系。其中，水流功率與土壤分離速率的相關(guān)系數(shù)最大，這是因?yàn)橥寥婪蛛x的本質(zhì)就是水流攜帶的能量轉(zhuǎn)化為土壤顆粒啟動(dòng)、遷移的過程，而土壤分離速率的大小可以較好地反映土壤抵抗水流沖擊的能力，因此土壤分離速率與水流功率關(guān)系最為密切，這與何小武等[20]的研究結(jié)果相似。但有一部分研究[21]則認(rèn)為土壤分離是由于水流剪切力大于土壤的臨界剪切應(yīng)力，認(rèn)為水流剪切力更能準(zhǔn)確揭示土壤分離，可以看出，不同試驗(yàn)條件下，土壤分離能力與徑流特性因子間的具體數(shù)學(xué)關(guān)系還尚未有統(tǒng)一認(rèn)識(shí)，這主要與試驗(yàn)條件及土壤特性有關(guān)。因此，還需要更多的實(shí)測數(shù)據(jù)來揭示土壤分離能力與徑流特性因子間具體的數(shù)學(xué)關(guān)系。

表4 土壤分離速率與徑流特征因子相關(guān)系數(shù)Tab.4 Correlation coefficient between soil detachmentrate and runoff characteristic factors

4 結(jié)論

1)江蘇省平原沙土區(qū)河溝邊坡土壤砂性大、養(yǎng)分貧瘠，3類沙土區(qū)中通南高沙土區(qū)的土壤結(jié)構(gòu)最好，沿海平原沙土區(qū)次之，黃河故道沙土區(qū)最差。

2)3個(gè)沙土區(qū)平均土壤分離速率較高，黃河故道沙土區(qū)平均土壤分離速率為218.0 kg/(m2·s)，遠(yuǎn)大于沿海平原沙土區(qū)的60.9 kg/(m2·s)和通南高沙土區(qū)的17.1 kg/(m2·s)，且三者之間存在顯著差異。

3)3類沙土區(qū)土壤分離速率隨坡度和流量的增大逐漸增大。

4)在土壤特性因子中，土壤分離速率與分形維數(shù)、砂粒含量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，與水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量、粉粒、黏粒和有機(jī)質(zhì)含量呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量和分形維數(shù)與土壤分離速率的相關(guān)性系數(shù)較其他因子更高，可用這2個(gè)指標(biāo)衡量土壤抵抗水力分散的能力。

5)在水力指標(biāo)中，土壤分離速率與雷諾數(shù)和弗勞德數(shù)呈正相關(guān)關(guān)系，與阻力系數(shù)呈負(fù)相關(guān)關(guān)系；在水動(dòng)力指標(biāo)中，土壤分離速率與流速、水流剪切力、水流功率、單位水流功率都呈極顯著正相關(guān)關(guān)系。其中，水流功率與土壤分離速率的關(guān)系最為密切。