降雨強度對工程堆積體坡面土壤養(yǎng)分及顆粒組成的影響

劉 濤,楊以翠,周 旺,鄭騰輝

(廣西交通設(shè)計集團有限公司,南寧 530029)

0 引 言

近年來,隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展,我國在鐵路、公路等基建設(shè)施中也取得了迅猛的發(fā)展,極大地方便了運輸和出行以及地區(qū)交流等。然而,在公路、鐵路建設(shè)過程中伴隨產(chǎn)生大量的棄土棄渣等工程堆積體[1]。生產(chǎn)建設(shè)項目工程堆積體主要是由土壤和礫石組成的一種特殊質(zhì)地類型臨時廢棄或永久廢棄材料[2]。由于其具有土質(zhì)疏松、物質(zhì)組成復(fù)雜且堆積量大的特點[3-4],造成大量工程堆積體水土流失嚴(yán)重,且難以被很好地處理和利用,從而對當(dāng)?shù)丨h(huán)境、人民生產(chǎn)生活帶來了一定的負(fù)面影響[5]。特別是在當(dāng)前土壤流失嚴(yán)重,耕地面積減少的背景下[6],對占有一定土地面積的工程堆積體如何加以利用顯得尤為重要,因此開展不同土質(zhì)工程堆積體土壤養(yǎng)分的研究對于棄土棄渣資源化利用的發(fā)展至關(guān)重要。

當(dāng)前有關(guān)工程堆積體的研究眾多學(xué)者主要集中在土壤侵蝕方面。王雪松等[7]研究了不同礫石類型對工程堆積體侵蝕規(guī)律的影響;康宏亮等[3]通過人工模擬試驗研究了北方風(fēng)沙區(qū)對堆積體坡面徑流及侵蝕特征的影響;也有眾多學(xué)者研究了工程堆積體的徑流產(chǎn)沙特征,如鄭騰輝等[8]研究了連續(xù)模擬降雨條件下含礫石堆積體坡面徑流產(chǎn)沙特征的影響,研究結(jié)果表明在一定降雨條件下,徑流率與降雨強度呈正相關(guān)關(guān)系。此外,大量研究結(jié)果表明不同礫石含量的堆積體對于降雨強度的響應(yīng)也是不同的,這與堆積體所處的地理位置[9]、環(huán)境、植被[10-11]等密切相關(guān)。李建明等[12]通過室內(nèi)模擬降雨試驗研究了工程堆積體石礫對侵蝕產(chǎn)沙的影響,不同坡度條件下土壤侵蝕速率不同,同一降水條件下,傾角30°坡的土壤侵蝕速率是傾角15°坡的1.5～3.91倍;楊樹云等[10]研究表明不同植被格局下,裸坡的減流減沙效益最差,說明沒有植被的堆積體土壤顆粒組成單一,易被侵蝕。然而以上研究多集中于對堆積體侵蝕產(chǎn)沙方面的研究,而關(guān)于降雨對不同礫石含量堆積體土壤養(yǎng)分和土壤顆粒組成的影響研究較少。

因此本文在前人的研究基礎(chǔ)上通過室內(nèi)人工模擬降雨的方法,對不同礫石含量堆積體的土壤質(zhì)量進行觀測,分析不同降雨條件下工程堆積體土壤養(yǎng)分和顆粒組成的變化,以期為不同土質(zhì)工程堆積體的進一步利用和水土流失治理提供一定的理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

本試驗選用廣西賀州至巴馬在建高速公路都巴路3類典型工程堆積體(棄土渣體)獲取堆積體土樣,土樣包括項目部五分部加工部配送中心附近土質(zhì)樣品、YK454+100右側(cè)150 m棄渣場的偏土質(zhì)樣品、那良隧道進口YK438+375右側(cè)棄渣場的偏石質(zhì)樣品。筆者于2018年9月進行了供試材料的取樣工作,各土樣除去土壤表面枯枝落葉,在實驗室自然風(fēng)干備用。測定各類工程堆積體土樣中的礫石含量,土質(zhì)堆積體礫石含量約為0%,偏土質(zhì)堆積體礫石含量約為30%,偏石質(zhì)堆積體礫石含量為70%左右。各類工程堆積體土壤養(yǎng)分及土壤顆粒組成背景值見表1。

表1 各類工程堆積體土壤養(yǎng)分及土壤顆粒組成背景值

1.2 試驗設(shè)計

試驗于2018年12月在廣西水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院降雨大廳進行。試驗采用XHZ-JY101人工模擬降雨系統(tǒng)設(shè)備和移動式手搖變坡鋼槽。降雨高度6 m,雨滴終點速度滿足天然降雨特性,雨強連續(xù)變化范圍10～200 mm/h,有效范圍11 m×8 m,均勻度>80%,雨滴大小控制范圍為0.26～5 mm。變坡鋼槽寬1 m、長5 m、深50 cm,可調(diào)坡度0°～30°,試驗材料進行人工裝填,填裝厚度35 cm。試驗所用降雨機為下噴式降雨機,具有大、中、小三類噴頭,其直徑分別為5.0、2.5、1.5 mm。通過調(diào)節(jié)壓力和降雨噴頭開關(guān),調(diào)節(jié)降雨強度。試驗根據(jù)野外調(diào)查結(jié)果[11]設(shè)計堆積體坡度為25°。降雨強度根據(jù)廣西省地區(qū)多年降雨強度監(jiān)測范圍(最大1 h雨量>200 mm)設(shè)置為30、60、120、150、180 mm/h共5個級別,降雨歷時設(shè)置為45 min。

1.3 指標(biāo)測定

試驗前與各降雨強度處理下的各次試驗后取坡面上、中、下坡0～35 cm土樣自然風(fēng)干后過2 mm篩,除去土壤中的雜物,用于測定堆積體全磷、全氮、有機質(zhì)和土壤顆粒組成。土壤全磷采用鉬銻抗比色法測定[13];土壤全氮采用凱氏定氮儀測定;土壤有機質(zhì)重鉻酸鉀外加熱法測定;土壤顆粒組成采用吸管法測定[14],根據(jù)我國現(xiàn)行土壤顆粒分級標(biāo)準(zhǔn)對土壤顆粒進行粒級劃分[15-17],土壤顆粒粒徑<0.002 mm為黏粒,[0.002,0.005) mm為細(xì)粉粒,[0.005,0.02) mm為中粉粒,[0.02,0.05) mm為粗粉粒,[0.05,1 )mm為砂粒。

1.4 數(shù)據(jù)處理

使用Excel 2010整理所有試驗數(shù)據(jù),采用統(tǒng)計軟件SPSS 19.0對不同降雨強度下不同礫石含量堆積體土壤全磷含量、全氮含量和有機質(zhì)含量以及土壤顆粒組成進行顯著性檢驗(LSD法,P<0.05)與分析,并利用Pearson分析了土壤養(yǎng)分和土壤顆粒組成的相關(guān)性,使用Origin 2019進行圖表制作,圖表中所有數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤差。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同降雨強度下堆積體土壤養(yǎng)分含量變化特征

圖1為不同降雨強度下不同堆積體坡面全磷含量。不同降雨強度條件下(30～180 mm/h),土質(zhì)、偏土質(zhì)及偏石質(zhì)堆積體全磷含量變化范圍分別為0.69～0.75、0.17～0.20、0.31～0.34 g/kg。各類堆積體在不同降雨強度下的坡面全磷含量差異性均不顯著(P>0.05)。與降雨前堆積體坡面的全磷含量(土質(zhì)0.79 g/kg;偏土質(zhì)0.42 g/kg;偏石質(zhì)0.54 g/kg,表1)相比,土質(zhì)堆積體降雨后的平均全磷含量為0.72 g/kg,降低了9.37%,偏土質(zhì)、偏石質(zhì)堆積體降雨后的平均全磷含量分別降低了54.76%、40.00%。各堆積體降雨前后的全磷含量均表現(xiàn)為土質(zhì)堆積體全磷含量顯著高于偏土質(zhì)和偏土質(zhì)(P<0.05),降雨前,土質(zhì)堆積體全磷含量是偏土質(zhì)和偏石質(zhì)堆積體全磷含量均值的1.88倍和1.46倍;降雨后,土質(zhì)堆積體全磷含量是偏土質(zhì)和偏石質(zhì)堆積體全磷含量均值的3.77倍和2.21倍。

注:不同大寫字母表示同一降雨強度下不同堆積體之間土壤養(yǎng)分差異顯著(P<0.05);不同小寫字母表示同一堆積體不同降雨強度之間差異顯著(P<0.05),下同。

圖2為不同降雨強度下不同堆積體坡面全氮含量。不同降雨強度條件下(30～180 mm/h),土質(zhì)、偏土質(zhì)及偏石質(zhì)堆積體全氮含量變化范圍分別為0.66～0.75、0.19～0.24、0.37～0.43 g/kg。各類堆積體在不同降雨強度下的坡面全氮含量差異性均并不顯著(P>0.05),但是在降雨量為120 mm/h時偏土質(zhì)堆積體全氮含量最低。與降雨前堆積體坡面的全氮含量(土質(zhì)0.84 g/kg;偏土質(zhì)0.36 g/kg;偏石質(zhì)0.48 g/kg,表1)相比,土質(zhì)堆積體降雨后坡面的平均全氮含量為0.71 g/kg,降低了15.24%,偏土質(zhì)、偏石質(zhì)堆積體坡面降雨后的平均全氮含量分別降低了38.33%、17.92%。各堆積體在降雨前后的全氮含量均表現(xiàn)為土質(zhì)堆積體坡面全氮含量顯著高于偏土質(zhì)和偏土質(zhì)堆積體(P<0.05),降雨前,土質(zhì)堆積體坡面全氮含量是偏土質(zhì)和偏石質(zhì)全氮含量均值的2.33倍和1.75倍;降雨后,土質(zhì)堆積體坡面全氮含量是偏土質(zhì)和偏石質(zhì)全氮含量均值的3.21倍和1.81倍。

圖2 不同降雨強度下不同堆積體坡面全氮含量

圖3為不同降雨強度下不同堆積體坡面有機質(zhì)含量。不同降雨強度條件下(30～180 mm/h),土質(zhì)、偏土質(zhì)及偏石質(zhì)堆積體坡面有機質(zhì)含量變化范圍分別為18.26～18.69、2.82～4.14、3.35～4.55 g/kg。各類堆積體在不同降雨強度下的坡面有機質(zhì)含量差異性均并不顯著(P>0.05)。與降雨前堆積體坡面的有機質(zhì)含量(土質(zhì)26.34 g/kg;偏土質(zhì)5.67 g/kg;偏石質(zhì)4.73 g/kg,表1)相比,土質(zhì)堆積體降雨后的平均有機質(zhì)含量為18.50 g/kg,降低了29.75%,偏土質(zhì)、偏石質(zhì)堆積體降雨后的平均有機質(zhì)含量分別降低了38.66%、14.63%。各堆積體降雨前后的有機質(zhì)含量均表現(xiàn)為土質(zhì)堆積體有機質(zhì)含量顯著高于偏土質(zhì)和偏土質(zhì)堆積體(P<0.05),降雨前,土質(zhì)堆積體有機質(zhì)含量是偏土質(zhì)和偏石質(zhì)有機質(zhì)含量均值的4.65倍和5.57倍,降雨后,土質(zhì)堆積體坡面有機質(zhì)含量是偏土質(zhì)和偏石質(zhì)有機質(zhì)含量均值的5.32倍和4.58倍。偏土質(zhì)堆積體坡面土壤有機質(zhì)含量隨降雨強度的增加而減少,在降雨強度180 mm/h時有機質(zhì)含量僅為2.82 g/kg,相比于30 mm/h有機質(zhì)含量下降了31.88%。

圖3 不同降雨強度下不同堆積體坡面有機質(zhì)含量

2.2 不同降雨強度下堆積體土壤顆粒組成變化特征

圖4為不同降雨強度下不同工程堆積體土壤顆粒組成。降雨前,土質(zhì)堆積體坡面的黏粒含量顯著高于偏土質(zhì)和偏石質(zhì)堆積體(P<0.05),而偏土質(zhì)和偏石質(zhì)堆積體砂粒含量相比于土質(zhì)堆積體分別增加77.50%和53.14%(P<0.05)。土質(zhì)堆積體降雨前后均表現(xiàn)為黏粒含量>粉粒含量>砂粒含量;偏土質(zhì)堆積體在降雨強度180 mm/h下,土壤顆粒從粉粒含量>黏粒含量>砂粒含量轉(zhuǎn)變?yōu)樯傲：孔畲?偏石質(zhì)堆積體在降雨前后均表現(xiàn)為粉粒含量>黏粒含量>砂粒含量。

注:*表示不同土壤顆粒之間差異顯著(P<0.05)。

降雨后,不同降雨強度下(30～180 mm/h),土質(zhì)、偏土質(zhì)及偏石質(zhì)堆積體坡面黏粒含量變化范圍分別為51.58%～52.84%、30.33%～39.11%和38.62%～43.77%;砂粒含量變化范圍分別為3.76%～4.78%、21.22%～35.53%和8.16%～14.36%。相比于降雨前,土質(zhì)堆積體黏粒及砂粒含量均降低,偏土質(zhì)和偏石質(zhì)堆積體黏粒含量降低,砂粒含量有所增加。在土質(zhì)堆積體中,不同降雨強度條件下(30～180 mm/h),土壤顆粒組成中黏粒、粉粒和砂粒含量差異并不顯著(P>0.05);偏土質(zhì)堆積體在降雨強度為180 mm/h時黏粒含量顯著低于降雨強度為60 mm/h時的黏粒含量(P<0.05),相比于降雨前,偏土質(zhì)堆積體在降雨強度為180 mm/h時黏粒含量顯著降低了21.32%(P<0.05);偏石質(zhì)堆積體中,砂粒含量在降雨強度為150 mm/h時顯著高于降雨強度為60 mm/h的砂粒含量(P<0.05)。降雨后,偏土質(zhì)與偏石質(zhì)堆積體黏粒含量相比于土質(zhì)堆積體的下降了21.43%～33.00%(P<0.05)。

2.3 堆積體顆粒組成與土壤養(yǎng)分含量間的相互關(guān)系

由圖5可以看出,3類堆積體土壤養(yǎng)分含量與土壤顆粒組成之間關(guān)系密切,土壤全磷、全氮、有機質(zhì)含量與黏粒之間存在極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01),相關(guān)系數(shù)分別為0.90、0.87和0.85,而與砂粒之間呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.01),相關(guān)系數(shù)分別為-0.78、-0.81和-0.67。在粉粒中土壤養(yǎng)分居于黏粒和砂粒之間,雖然粉粒中土壤全磷、全氮和有機質(zhì)含量有所積累,但關(guān)系并不顯著(P>0.05),說明堆積體中土壤黏粒含量越高,越有利于土壤養(yǎng)分的儲存與積累。此外土壤養(yǎng)分間也有較強的相關(guān)性,均呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01),全磷與全氮、有機質(zhì)間的相關(guān)系數(shù)均為0.97,有機質(zhì)與全氮間的相關(guān)系數(shù)為0.93。

圖5 土壤顆粒組成與土壤養(yǎng)分間的相關(guān)性

3 討 論

土壤養(yǎng)分與土壤顆粒組成之間關(guān)系密切[18],大量研究表明土壤黏粒含量在一定程度上決定了土壤中養(yǎng)分含量[18-19],特別是對土壤有機質(zhì)含量在一定程度上起著決定性作用[20]。由于不同礫石含量堆積體土壤顆粒組成差異較大,因而經(jīng)過降雨侵蝕之后,堆積體中土壤顆粒組成也存在較大的差異,這是造成土壤養(yǎng)分差異的主要原因之一[21]。本研究結(jié)果表明,在土質(zhì)堆積體坡面中,土壤全磷含量、全氮含量和有機質(zhì)含量要顯著高于偏土質(zhì)和偏石質(zhì)堆積體(P<0.05)。黃紹文等[22]研究也發(fā)現(xiàn)土壤中有機質(zhì)含量通常與土壤中黏粒和粉粒含量間呈顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.05),這與本研究結(jié)果相似,說明土質(zhì)堆積體中土壤黏粒含量和粉粒含量要高于偏土質(zhì)和偏石質(zhì)堆積體。這與張宏等[23]的研究結(jié)果相似。此外也有大量研究證實了這一觀點:土壤養(yǎng)分含量的多少主要取決于土壤質(zhì)地,在未經(jīng)施肥處理的土壤中土壤養(yǎng)分含量隨土壤質(zhì)地由砂土到黏土呈遞增的趨勢[24-25]。

本研究發(fā)現(xiàn),在降雨強度為120 mm/h時,土壤全磷、全氮和有機質(zhì)含量均最低,而當(dāng)降雨強度為150～180 mm/h時,土壤養(yǎng)分并未呈現(xiàn)一個下降的趨勢,其主要原因可能是在降雨過程中隨著降雨強度的增加,在雨滴的擊濺和地表徑流的共同作用下將表層土壤中的養(yǎng)分帶走;隨著降雨強度的繼續(xù)增加,也會伴隨入滲的發(fā)生,將表層土壤中的部分養(yǎng)分隨著水分的下滲帶到了堆積體底部,并不會造成堆積體坡面養(yǎng)分的流失,因為本試驗在采樣時是將堆積體沿垂直剖面(深度0～35 cm)全部采集,因而在150～180 mm/h降雨強度下并不會造成養(yǎng)分的流失。此外,隨著降雨強度的增加,不同土質(zhì)堆積體中侵蝕泥沙的黏粒含量與砂粒含量呈此消彼長的趨勢,主要原因可能是隨著降雨強度的增加,徑流量對土壤的剝蝕能力在一定范圍內(nèi)呈波動增加并趨于穩(wěn)定的趨勢,從而導(dǎo)致土壤顆粒組成發(fā)生變化,這與郭新送等[26]的研究結(jié)果相似。

影響土壤顆粒組成的主要驅(qū)動力因素來源于降雨[27-28]。通常情況下,砂土中土壤顆粒較大,使得土壤孔隙較大,透水性較強;而黏土正好相反,土壤顆粒細(xì)小,造成土壤孔隙小[29-30]。本研究發(fā)現(xiàn),在降雨強度為120 mm/h時,偏土質(zhì)和偏石質(zhì)堆積體中土壤黏粒含量最低,其主要原因可能是在降雨過程中,因為雨滴的濺蝕和地表徑流的沖刷破壞了土壤結(jié)構(gòu),將大量的細(xì)小顆粒物質(zhì)帶走,使得砂粒和粉粒的相對含量有所上升。這與楊帥[27]的研究結(jié)果一致,在一定降雨條件下,土壤中黏粒含量與降雨強度之間存在顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.05)。因此在降雨的作用下黏質(zhì)土壤孔隙由于雨滴的擊濺作用,破環(huán)土壤表層結(jié)構(gòu),產(chǎn)生的細(xì)小土壤顆粒易堵塞土壤孔隙,更容易形成地表結(jié)皮,從而產(chǎn)生地表徑流,在更強的降雨強度作用下土壤流失嚴(yán)重,造成土壤質(zhì)量下降,土地減產(chǎn)。

4 結(jié) 論

通過模擬試驗研究了降雨強度對工程堆積體坡面土壤養(yǎng)分及顆粒組成的影響,主要得到以下結(jié)論:

(1)降雨前后土質(zhì)堆積體養(yǎng)分含量顯著高于偏土質(zhì)和偏石質(zhì)堆積體;降雨導(dǎo)致了堆積體坡面的土壤養(yǎng)分和黏粒含量發(fā)生明顯流失,土壤全磷、全氮和有機質(zhì)含量較降雨前分別下降了9.37%～54.76%、15.24%～38.33%和14.63%～38.66%;降雨強度對工程堆積體坡面土壤養(yǎng)分含量的影響并不顯著。

(2)相比于降雨前,降雨后土質(zhì)堆積體黏粒及砂粒含量均降低、粉粒含量增加,偏土質(zhì)和偏石質(zhì)堆積體黏粒含量降低,砂粒含量有所增加。

(3)土壤全磷、全氮、有機質(zhì)含量與黏粒之間存在極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01),表明堆積體坡面養(yǎng)分流失和黏粒流失關(guān)系密切。研究結(jié)果可為廣西地區(qū)公路建設(shè)產(chǎn)生的工程堆積體水土保持和土壤養(yǎng)分存儲利用提供一定的科學(xué)依據(jù)。