生物埂不同植物类型下土壤分离水力学特性研究

2020-03-11李少华何丙辉李天阳曾江敏刘德忠代西伟麻力文

中南林业科技大学学报 2020年3期

李少华，何丙辉，李天阳，曾江敏，刘德忠，丁莉，代西伟，麻力文

（1.西南大学资源环境学院/三峡库区生态环境教育部重点实验室，重庆 400715； 2.重庆市水土保持生态环境监测总站，重庆 401147）

土壤分离是发生土壤侵蚀的初始阶段，其过程描述了土壤颗粒从土壤基质中被剥离并由径流带离原地的物理过程[1,2]。水流流态流型及水流阻力是表征细沟侵蚀水力学特性的关键性指标，已有大量研究探讨了水流流态流型及水流阻力与土壤侵蚀量间的数学关系[3-7]，但关于土壤分离能力与水流流态流型及水流阻力的相关研究还并不多见[8]。

川中丘陵区由于石料缺乏、石埂坡改梯造价高等原因，大力推广六棱型预制网格式生物埂护坡技术，为增大“未利用地”的土地利用率，在生物埂上种植麦冬、韭菜等植被，在减少水土流失的同时也增加经济效益。前人已开展研究生物埂植物类型对坡面养分[9,10]及土壤团聚体[11]等的影响，而鲜见关于其土壤分离水力学特性的研究。本文利用室内细沟模拟冲刷试验，研究不同坡度和流量组合条件下，生物埂不同植物类型原状土土壤分离能力与细沟水流水力学参数间的函数关系，可为该区生物埂抗土壤侵蚀植物类型选择及土壤侵蚀物理模型的优化提供科学参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于四川省射洪县太乙河小流域与浒溪小流域，地貌为典型的紫色土丘陵，属亚热带湿润季风气候，年平均气温17.6 ℃，多年平均降水量为 954.3 mm，无霜期284 d，年均日照时数为1 307 h，植被为以柏木为主的亚热带常绿针阔混交林，各采样点土壤母质一致，土壤类型为侏罗纪蓬莱镇组紫色砂泥岩发育的紫色土。

表1 生物埂样地基本情况Table 1 Basic information of terrace banks

表2 不同植物生物埂土壤基本情况Table 2 Basic information of soils under terrace banks with different plants

六棱型预制网格为正六边形，外边长34.6 cm，宽10 cm，厚8 cm，相对外边距60 cm，砼标号为200#，压顶采用C25 砼，其规格宽30 cm，高 10 cm；生物埂高度不超过1.8 m，边坡为1:(0.8～ 1.2)；干砌条石基础宽为35 cm，高为10 cm，浆砌卵石基础宽为35 cm，高为25～30 cm（图1）；六棱型网格中栽值有麦冬Ophiopogon japonicus、韭菜Allium tuberosum等植物。

1.2 样品采集与处理

试验在2018年8—9月进行。野外选取麦冬及韭菜生物埂（2018年4月种植），以网格式裸坡为对照，采集护坡网格内原状土。采样时选择平整地表，贴地表剪去植被地上部分，用500 cm3的环刀（直径10 cm，高6.37 cm）垂直下压，采集包括植物根系的原状土，每种类型采集45个原状土样（共计135个），同时用铝盒收集采样点土样，密封后带回实验室用于测定土壤含水率。采集土样后用塑料盒密封，并用橡皮筋捆绑，带回实验室。将环刀土样静置于容器内，并缓慢加水至环刀表面以下1 cm 处，放置8 h 后取出，于阴凉处静置12 h 即开始分离实验。

图1 六棱型预制网格设计图Fig.1 Hexagonal design of prefabricated grid

1.3 水力学参数测量

试验利用可变坡（长4 m，宽0.12 m，深0.1 m）钢制水槽完成（图2）。调节坡度与流量达到设计值，待水流稳定后，用游标卡尺（精度0.01 mm）测定水槽内水深：在距下端口0.8 m 和1.8 m 位置设定2个测定断面，分别测定距两侧边1 cm 处以及断面中点位置处的水深（6个水深数据），取其平均值作为该次试验的水深（h）。采用染色法（KMnO4溶液）测定表面流速：记录染色液通过距水槽下端口1.8 m 和0.8 m 的时间，用于计算流速，同场次试验重复测定流速10 次，取其平均值作为表面流速（Vs）。试验中测量的水深变化范围为4.92～10.57 mm，标准差为1.87 mm，表面流速变化范围为1.74～3.77 m/s，标准差0.68 m/s。试验过程中，实时监测水温用于计算水运动粘滞系数，并以此计算雷诺数（Re=VsR/v）。试验中雷诺数介于10 009～37 283 之间，平均值为23 130，表明在所有组合条件下水流流态属于紊流，因此将表面流速乘以修正系数0.8[12]，得到各场次的平均流速（V）。利用表面流速、平均流速及平均水深计算得到雷诺数Re、弗汝德数Fr、Darcy-Weisbach 阻力系数f、曼宁系数n，公式如下：

式中：Re为雷诺数，无量纲；Vs为表面流速（m/s）；v为水运动粘滞系数（m2/s），t 为温度（℃）；Fr为弗汝德数，无量纲；g 为重力加速度，9.8 m/s2；h为平均水深（m）；f为Darcy-Weisbach 阻力系数，无量纲；R为水力半径（m），R=hb/(2h+b)，b为水槽宽，0.12 m；S为水力坡降；V为平均流速（m/s）；n为曼宁系数（m-1/3·s）。

图2 变坡水槽示意图Fig.2 Schematic diagram of experimental device

1.4 土壤分离能力的测量

将环刀内土样放于水槽土壤分离室内（距水槽下端出口0.5 m），为防止漏水，用生料带缠绕环刀4 圈左右，并盖上钢盖。待水流稳定后，揭开钢盖开始分离试验。待土壤冲刷深度达到2 cm 左右时停止供水，完成本场次冲刷试验，记录试验所用时间。重复以上步骤完成其他组合条件下试验。试验设计3个坡度（15°，20°，25°）与5个流量（39.86，59.98，79.67，100.45，121.16 L/min）完全组合，每个组合重复3 次，共计135 场冲刷试验。

根据土壤含水率计算分离前土样烘干重，并将分离后的土样烘干称重。利用已测土样试验前后重量、冲刷时间可计算土壤分离能力，计算公式为：

式中：Dc为土壤分离能力（kg/（s·m2））；WF为未分离的土壤烘干重（kg）；WL为分离后的土壤烘干重（kg）；ΔT为分离试验历时（s）；Ad为土壤分离面积，即圆筒横截面积（m2）。

1.5 统计分析方法

采用Sigmaplot 12.5 进行数据的统计分析。采用回归分析探究土壤分离能力和各水力学参数（即Re、Fr、f和n）的数学关系，显著性水平：P＜0.05时为显著，P＜0.01 时为极显著。

2 结果与分析

2.1 不同植物生物埂土壤分离能力特征

土壤分离能力随坡度和流量增大而增大（表3）。生物埂各植物类型下土壤分离能力平均值大小表现为：麦冬（2.24 kg/(s·m2)）＞对照（1.34 kg/(s·m2)）＞韭菜（1.09 kg/(s·m2)）。

表3 试验条件下各水力学参数及生物埂不同植物类型下土壤分离能力Table 3 Flow characteristics and soil detachment capacity for terrace banks with different plants in the rill simulation experiment

2.2 生物埂不同植物类型下土壤分离能力与水流流态流型间的关系

水流流态流型是表征细沟水流水力学特征的关键因素，受到坡度、地表状况、植被类型、泥沙量等的强烈影响[11-12]。雷诺数Re是水流惯性力与粘滞力的比值，常被用来作为水流流态属于层流、过渡流或紊流的临界判数。当Re＜900 时为层流，当Re＞2 000 时为紊流，介于两者之间则为过渡流[13]。本研究中雷诺数Re介于10 009～37 286之间，均值23 130，Re值均大于2 000，表明本次试验中，所有流量与坡度组合下的水流流态都属于紊流。

本试验中，生物埂不同植物类型下，土壤分离能力与雷诺数呈极显著幂函数正相关（图3）。雷诺数Re与不同植物生物埂土壤分离能力拟合式R2值介于0.66～0.85 之间，均值为0.75（表4）。此外，当利用Re对土壤分离能力进行预测时，麦冬生物埂土壤分离能力大于3 kg/(s·m2)时，土壤分离能力被低估，反之被高估；在韭菜生物埂土壤分离能力预测值与实测值较相近，拟合准确度高；在裸坡对照的土壤分离能力大于1.3 kg/(s·m2)，土壤分离能力被低估，反之被高估。

图3 生物埂不同植物类型下土壤分离能力与雷诺数间的关系Fig.3 Relationship between soil detachment capacity and Reynolds number for terrace banks with different plants

表4 生物埂不同植物类型下土壤分离能力与水流流态流型的回归分析†Table 4 Regression analysis of flow regime and soil detachment capacity of terrace banks under different plants

弗汝德数Fr反映水流的惯性力与重力之比，是判断水流流型是急流或缓流的参数。当Fr＞1时，水流为急流；当Fr=1 时，水流为临界流；当Fr＜1 时，水流为缓流[4]。本次试验中所有流量与坡度组合下，弗汝德数介于7.42～13.02 之间，均值10.09，表明本研究中所有流型均是急流。

本试验中，韭菜、对照生物埂的土壤分离能力与弗汝德数呈显著幂函数正相关（图4）。弗汝德数与不同植物类型生物埂土壤分离能力的R2值介于0.25～0.28 之间，均值0.27（表4）。利用Fr对土壤分离能力进行预测时，麦冬生物埂的土壤分离能力大于2.5 kg/(s·m2)时，土壤分离能力被低估，反之被高估；韭菜生物埂的土壤分离能力大于1 kg/(s·m2) 时，土壤分离能力被低估，反之被高估；裸坡对照土壤分离能力预测效果与韭菜生物埂相似。

2.3 生物埂不同植物类型下土壤分离能力与水流阻力间的关系

水流阻力是指水流在流动过程中所受到的来自边界的阻滞作用。Darcy-Weisbach 阻力系数f是坡面流水力学基本参数之一，反映坡面下垫面对坡面流的阻力作用，在流量与坡度一定的情况下，f值越大，说明坡面流所需克服的阻力越大，所消耗能量愈大，土壤侵蚀愈弱。Darcy-Weisbach 阻力系数f变化介于0.026～0.056 之间，均值0.042。

生物埂不同植物类型下土壤分离能力与Darcy-Weisbach 阻力系数f呈现显著幂函数负相关（图5）。Darcy-Weisbach 阻力系数与土壤分离能力的拟合式R2值介于0.28～0.48 之间，均值0.36（表5）。利用f对土壤分离能力进行预测时，麦冬生物埂的土壤分离能力大于3 kg/(s·m2)时，土壤分离能力被低估，反之被高估；在韭菜生物埂的土壤分离能力大于1 kg/(s·m2)时，土壤分离能力被低估，反之被高估；裸坡对照生物埂土壤分离能力大于为1.3 kg/(s·m2)，土壤分离能力被低估，反之被高估。

图4 生物埂不同植物类型下弗汝德数与土壤分离能力间的关系Fig.4 Relationships between soil detachment capacity and Froude number for terrace banks under different plants

图5 生物埂不同植物类型下土壤分离能力与Darcy-Weisbach 阻力系数间的关系Fig.5 Relationships between soil detachment capacity and Darcy-Weisbach resistance coefficient for terrace banks under different plants

表5 生物埂不同植物类型下土壤分离能力与水流阻力的回归分析†Table 5 Regression analysis of flow resistance and soil detachment capacity of terrace banks under different plants

曼宁系数n变化介于0.008 3～0.012 1 m-1/3·s之间，均值0.009 9 m-1/3·s。本试验中测得曼宁系数与土壤分离能力呈现负相关关系（图6），R2值介于0.13～0.23 之间，均值0.16（表5），幂函数关系不显著。

3 结论与讨论

3.1 讨论

土壤分离能力受到土壤理化性质的影响[13]，而不同植物根系通过影响土壤理化性质[14-15]，进而影响土壤分离能力。通常情况下，有植被存在的土壤，其分离能力小于裸地的土壤分离能力[16]，而本文中对照（裸地）显著小于麦冬生物埂土壤分离能力，这可能是因为对照生物埂前期受踩踏压实，土壤硬化并导致土壤分离能力发生变化[17]。

本研究中，土壤分离能力与雷诺数（R2=0.75）、弗汝德数（R2=0.27）呈显著幂函数正相关，与Darcy-Weisbach 阻力系数（R2=0.36）呈显著幂函数负相关。这与柳玉梅等[8]研究结果类似。柳玉梅等研究发现在薄层水流作用下，回填扰动土的土壤分离能力与雷诺数（R2=0.94）、弗汝德数（R2=0.74）呈幂函数正相关，与Darcy-Weisbach阻力系数（R2=0.88）呈幂函数负相关。比较可以看出，柳玉梅等研究得出的数学关系决定系数相比本试验更高，这可能与本试验所用的原状土样以及采用的模拟细沟有关。相比回填扰动土，原状土土壤结构空间异质性更强，不同深度及横截面点位土壤抗分离能力均可能不同，影响到土壤分离能力与水力学参数间的数学关系。同时，细沟水流紊动性更强，水流水力学特性变化相对更迅速和复杂，这为更精确地耦合细沟水流水力学参数与土壤分离能力间的关系增加了难度。

尽管研究结果表明雷诺数预测土壤分离能力的效果较好，但其具体的作用机理还并不清楚。在本试验中，植物根系对土壤分离能力的作用规律，以及不同根系作用下土壤分离能力对水流水力学特性变化的响应关系还需进一步研究。