成兰铁路受损边坡土壤抗冲性及其影响因素

韩美清, 吴维洲, 万炳宏, 闫晓俊, 冯 潇, 柯 尧, 郑江坤

(1.中国铁道科学研究院集团有限公司节能环保劳卫研究所, 北京 100038; 2.中国国家铁路集团有限公司工程管理中心, 北京 100038; 3.成兰铁路有限责任公司, 成都 610036; 4.中铁二十五局集团第一工程有限公司, 广州 510405; 5.四川农业大学 风景园林学院, 成都 611130;6.四川农业大学 林学院, 成都 611130; 7.中铁二院工程集团有限责任公司, 成都610031)

土壤抗冲性指土壤抵抗径流冲刷对其机械破坏和推动下移的能力[1]。目前学者从地形[2]、土壤[2]、气候[3]、植被[4]、人为因素[6]等方面对土壤抗冲性做了大量研究，提出土壤抗冲性随着坡度的增加而减弱[7]；改善土壤的团粒结构和机械组成是提高土壤抗冲性的关键，随着黏粒含量和大粒径水稳性团聚体含量增加，土壤抗冲性呈增强趋势[8]；植被可明显降低降雨侵蚀，地表枯落物层可明显增加地面粗糙度，提高表层土壤的抗冲性，土壤抗冲性随着土层深度增加而减小，与d≤0.01 mm径级的须根密度关系最为密切[9]。但学者们多探讨土壤抗冲的单一影响因素，综合评价少，且川西北地区的相关研究更少。

成兰铁路建设工程中形成大量的裸露边坡和弃渣场，其生态环境问题日益突出[10]。边坡是铁路沿线生态系统最脆弱的区域之一，其安全防护和绿化美化是铁路生态建设的重点。本研究以成兰铁路松潘段为例，利用通径分析等方法研究受损边坡土壤抗冲性变化特征及其影响因素，以期为控制和治理成兰铁路受损边坡生态环境提供理论依据。

1 研究区概况

研究区位于成兰铁路松潘境内的镇江关和川主寺附近。镇江关地处四川省阿坝藏族羌族自治州松潘县南段，平均海拔2 150 m，地貌以高山峡谷为主。该区属干旱河谷气候，干湿季分明，气候干燥。年均气温为5.7℃，年均降水量为720 mm，年日照时数1 600 h以上。土壤以山地褐土为主，土层浅薄，极度贫瘠。植物有刺柏(Juniperusformosana)、蔷薇(Rosa)、绣线菊(Spiraeasalicifolia)、小檗(Berberisamurensis)、栒子(cotoneaster)、锦鸡儿(Caraganasinica)等。

川主寺地处松潘县北段，平均海拔2 980 m，地形以亚高山和中山为主，境内地貌复杂，地处岷山山脉中段，青藏高原东南缘，为四川盆地与青藏高原过渡地带。该区属寒温季风气候，冬长无夏、昼夜温差大，垂直差异明显，干湿季分明。年均气温4.8℃，年均降雨量693.2 mm，年日照时数约2 000 h。土壤主要为山地棕褐土和山地棕壤。植物有沙柳(Salixcheilophila)、沙棘(Hippophaerhamnoides)、云杉(PiceaasperataMast.)等。

2 材料与方法

2.1 样地设置

镇江关样地位于镇江关镇政府南700 m的213国道东侧，川主寺研究样地位于川主寺镇政府西北2.2 km的213国道东北侧。根据铁路修建受损边坡植被恢复情况分为镇江关原始植被区(Z1)、人工回填区(Z2)、自然恢复区(Z3)和川主寺原始植被区(C1)、人工回填区(C2)和自然恢复区(C3)。原始植被区指未受到人为扰动的区域，人工回填区指受损边坡经框格固坡后填土的区域，区域内无植被覆盖，自然恢复区指受损边坡后经框格护坡工程自然搁置3～4 a的区域，在各植被恢复区分别随机设置6个5 m×5 m的灌木样方和12个1 m×1 m草本样方，记录灌木和草本植物的种名、株数、高度及盖度等，样地基本情况见图1和表1。

图1 成兰铁路镇江关(A)和川主寺(B)受损边坡植被恢复分区

表1 试验样地基本情况

2.2 样品采集

植被调查和样品采集于2018年8月20日至8月25日，在各样地6个灌木样方内避开树根随机采集0—20 cm土层土样装入密封样品袋，并清理地表植被和凋落物，用环刀和自制取样器(长10 cm×宽10 cm×高10 cm)采集表层原状土带回实验室备用。各样地土壤基本性质见表2。

表2 成兰铁路川主寺和不同植被恢复样地土壤基本性质

2.3 研究方法

2.3.1 土壤理化性质测定 土壤密度、毛管孔隙、非毛管孔隙、总孔隙度、土壤容重采用环刀法测定，土壤有机质采用重铬酸钾氧化—外加热氧化法测定[11]。

2.3.2 土壤抗冲性测定 土壤抗冲性测定采用原状土冲刷水槽法[3]，试验前，将特制取样器(规格10 cm×10 cm×10 cm)采集的原状土带回实验室后，连同铝制底片放置装有8 cm深的水盆中，浸泡12 h后，取出轻放在铁架台上8 h，除去重力水后待试验，每个试验区做3次重复。冲刷水槽长2.0 m，宽0.1 m，高0.1 m；水槽的试验坡度均设定为15°；根据松潘县降雨数据和该区径流系数特征，将流量设定为2.8 L/min。把待试验的取样器放入冲刷槽中，打开阀门，当水流流过取样器中的土壤开始计时，总共冲刷34 min，前五组每隔2 min记录一次，中间四组每隔3 min记录一次，最后三组每隔4 min记录一次，总共记录12次。将水桶中泥水混合物过滤后小心倒入铝盒内，置于烘箱烘干后，测量其泥沙含量(g)。抗冲指数为每冲刷掉1 g的烘干土所需水量，用AS(L/g)表示，AS越大，表示土壤的抗冲性愈强。

式中:f为冲刷流量(L/min);t为冲刷时间(min);W为烘干泥沙质量(g)。为便于比较,采用34 min冲刷时间所流出水量和所冲刷的泥沙干重之比来表示土壤抗冲刷系数[12]。

2.3.3 根系指标测定 将土样置于水中浸泡，用0.5 mm滤网筛反复冲洗，洗净土样中所有根系装入塑料盒中，观察记录根的完整形态，然后将洗净的根系小心平铺在透明的扫描皿中，摆放时各根系间不交叉重叠，且注意扫描皿边界根系能被扫描成像，盖上背景板后放入扫描仪中进行扫描，得到根系图像。利用Photoshop软件对图像进行裁剪、调色等处理，以便增强根系的清晰度，在根系图像订正完成后，用WinRHIZO根系系统分析仪分析来获得总根表面积、总根体积、根长等根系指标参数。根系扫描完成后，将根系晾干，装入铝盒，将铝盒置于烘箱中，烘干至恒重取出，用1/10 000电子天平称重，得到根重(g)。

2.3.4 通径分析[13]通径分析可分解多个自变量与因变量之间的线性关系，将相关系数riy分为直接通径系数piy(某一自变量对因变量的直接作用)和间接通径系数rij·pjy(该自变量通过其他自变量对因变量的间接作用)，即自变量xi与因变量y之间的相关系数riy是xi对y的直接作用和其他所有xi对y的间接作用之和。其中直接通径系数piy表示通过多元线性回归分析得到的自变量xi的标准化系数，间接通径系数rij·pjy表示xi与xj之间的相关系数rij和xj对y的直接通径系数pjy的乘积。通过软件进行线性回归计算，计算结果中的标准化系数也就是我们需要的直接通径系数，再乘以两自变量之间的相关系数就可以获得间接通径系数。

首先对土壤抗冲性数据进行正态转换并检验，n=18属于小样本，因此对因变量y进行Shapiro-Wilk正态性检验，结果显示近似服从正态分布，可进行相关性分析，把土壤抗冲刷系数作为因变量y，把土壤有机质含量x1，土壤密度x2，最大持水量x3，田间持水量x4，毛管孔隙x5，非毛管孔隙x6，总孔隙度x7，土壤容重x8，总根表面积x9，平均根系直径x10，总根体积x11，<0.5 mm须根根长x12，根表面积x13，根体积x14，根系密度x15，总根质量x16，总根长x17，根尖数x18，分枝数x19和交叉数x20作为自变量。采用SPSS 23.0软件对数据进行相关分析。

3 结果与分析

3.1 土壤冲刷过程中径流含沙量的变化

在原状土冲刷试验过程中，各受损边坡含沙量随冲刷时间的变化趋势见图2。在产流初期，含沙量均较大，随产流时间的增加含沙量呈规律性递减，整体趋势为先减少后趋于平稳，这与金晓等[14]的研究结论一致。除C3外，变化趋势可以由幂函数很好的拟合，相关指数介于0.910 5～0.994 7。产流初期，由于表层土壤比较疏松，在冲刷过程中土壤颗粒易被搬离，所以初始径流含沙量较大。在0～2 min阶段，Z1，Z3和C1的初始径流含沙量约是末期径流含沙量的8倍，Z2，C2的初始径流含沙量约是末期径流含沙量的4倍，C3的初始径流含沙量约是末期径流含沙量的2倍。表层土壤更易被冲刷，由于植被根系的固土作用，深层土壤不易被冲刷。随着冲刷时间的延长，含沙量逐渐降低。各受损边坡土壤产流后前6 min阶段含沙量急剧减小，6～10 min阶段下降缓慢，随后在一个较低水平趋于稳定。在干旱河谷区，土壤冲刷结束后径流含沙量表现为Z2(0.287 g/L)>Z3(0.203 g/L)>Z1(0.156 g/L)。在亚高山地区，土壤冲刷结束后径流含沙量表现为C2(0.168 g/L)>C3(0.081 g/L)>C1(0.018 g/L)。人工回填区没有植被覆盖，更易被冲刷；植被生长稀疏的自然恢复区植物根系在一定程度上固土作用；植被丰富的原始植被区土壤径流量显著减少，丰富的植被增强了土壤抗冲性。其中C2径流含沙量初始值最高，达到7.12 g/L，C1，C3初始径流含沙量最小，分别为0.15 g/L，0.16 g/L。由此可知，C2相比于Z2土壤受损程度最大，土壤更松散，更易被冲刷。C1植被茂盛，根系发达，相比于Z1土壤抗冲性强；C3相比于Z3土壤抗冲性也较强，说明干旱河谷区交亚高山同类型土壤更容易发生侵蚀。

图2 干旱河谷和亚高山受损边坡不同恢复时期含沙量动态变化特征

3.2 土壤冲刷过程中抗冲指数的变化

由图3看出，土壤抗冲指数随冲刷时间延长总体呈上升趋势，且这种关系不受边坡恢复程度变化而改变，这与伏耀龙等[15]研究结果一致。土壤抗冲指数与时间的拟合曲线呈幂函数，相关系数范围为0.752 9～0.979 4。由于边坡土壤表层较为疏松，容易被冲刷，深层土壤较紧实，且有须根加固，颗粒之间摩擦力增大，不易被冲刷，表现较强的抗冲性，所以在不同恢复程度下的土壤抗冲性随冲刷时间的延长而增强。

图3 干旱河谷和亚高山受损边坡不同恢复时期土壤抗冲指数动态变化特征

由图3可知，C1和C3的土壤抗冲指数增速较大，C2的土壤抗冲指数增速较小。干旱河谷3种不同受损边坡的抗冲性指数表现为Z1(589.70 L/g)>Z3(391.21 L/g)>Z2(285.00 L/g)；亚高山地区3种不同受损边坡的抗冲性指数为表现为C1(1 710.04 L/g)>C3(1 622.65 L/g)>C2(34.71 L/g)。在原始植被土壤中，根系分布密集，固结缠绕土体能力强，土壤理化性质得到改善，从而增强了土壤的抗冲性能。自然恢复区植被恢复了3～4 a，植物根系对土壤结构性质具有一定的改善作用，但远不如原始植被区。人工回填区无植被覆盖，且土壤孔隙度低，有机质含量少，土壤容重高，土体紧实，结构性和通透性较差，所以土壤抗冲性较小。

3.3 土壤抗冲性的相关性分析

由表3可知，土壤抗冲性与土壤有机质含量x1，土壤密度x2，最大持水量x3，田间持水量x4，毛管孔隙度x5和总孔隙度x7间存在极显著相关关系(p<0．01)，其中与x1，x3，x4，x5和x7呈正相关；而与土壤密度x2呈负相关，即随土壤密度的增加，土壤抗冲性减弱。因为影响因素间存在多重共线性，对土壤抗冲性的影响效果重叠，为了消除多重共线性，采用通径分析法进一步研究。

表3 土壤抗冲刷系数相关性显著的因子间相关系数

3.4 土壤抗冲性的通径分析

通径分析过程中剔除了影响不显著或存在多重共线性的变量，变量x1，x2，x7，x8被选入最优模型。由此可见，在20项影响因素中，x1，x2，x7和x8对土壤抗冲刷系数有较为直接且显著的作用，是影响土壤抗冲性的主导因素。表4为主导因素对土壤抗冲刷系数的通径系数，其中x1和x7与土壤抗冲刷系数呈正相关，x2和x8与土壤抗冲刷系数呈负相关。主导因素直接通径系数的绝对值大小依次为：x2(-2.665)，x8(1.877)，x7(-0.590)，x1(0.523)。可见，土壤密度x2对土壤抗冲性表现为强烈的直接作用，其次是土壤容重x8，而土壤有机质含量x1和总孔隙度x7的直接作用较小。主导因素间接通径系数合计后的绝对值大小依次为：x8(-2.295)，x2(1.963)，x7(1.343)，x1(0.077)。说明x8对土壤抗冲性间接作用最强烈，其次是x2，x1，x7。x1，x7和x8通过x2的间接通径系数最大，说明自变量x1，x7和x8通过x2间接影响土壤抗冲性系数y的程度最大。而x2通过x8间接影响土壤抗冲性最大。

由相关性分析可知，x3(r=0.668**)，x4(r=0.725**)，x5(r=0.668**)与土壤抗冲性具有极显著的相关性(表3)，而通径分析显示以上因子不是影响土壤抗冲性的关键因子，可能是由于以上因子与其他因子间存在多重共线性，以上因子通过影响土壤有机质含量x1，土壤密度x2，总孔隙度x7和土壤容重x8间接影响土壤抗冲性，所以不作为影响土壤抗冲性的主导因素。

决定系数结果见表4，x2对土壤抗冲性的决定系数dy．x2(7.102)最大，其次是x8(3.523)；x2对R2的总贡献(R2=1.871)最大，其次是x8(R2=-0.785)，其他关键因子的决定因素和总贡献R2相对较小。由此可见，x2是影响成兰铁路受损边坡土壤抗冲性的最重要指标，且与土壤抗冲刷系数呈显著负相关。

表4 主导因素对土壤抗冲刷系数的通径系数、决定系数和对R2的总贡献

3.5 主导因子对土壤抗冲性的影响

利用采样点的土壤有机质含量x1，总孔隙度x7和土壤容重x8与进行回归分析可得，x1，x7和x8与土壤抗冲刷系数的相关关系可以用幂函数较好的拟合。

由图4可知，x1与土壤抗冲刷系数呈极显著正相关(r=0.600，p<0.01)，x7与土壤抗冲刷系数呈极显著正相关(r=0.670，p<0.01)。随着土壤有机质含量和总孔隙度的增加，土壤抗冲性能也增加，反之亦然。土壤容重与土壤抗冲刷系数呈负相关(r=-0.418)，土壤抗冲刷系数随土壤容重增加而减弱。通过分析，x2是影响成兰铁路受损边坡土壤抗冲性的最重要指标，利用土壤密度和土壤抗冲性进行回归分析，土壤密度x2与土壤抗冲刷系数呈极显著正相关(r=0.702，p<0.01)。土壤抗冲刷系数随着土壤密度的增加明显减少，二者的关系可用幂函数y=3704.5x-6.451来表达。式中：y为土壤抗冲刷系数(L/g)；x为土壤密度(g/cm3)。当土壤密度小于1.3 g/cm3时，土壤抗冲刷系数随着土壤密度的增加迅速降低，当土壤密度大于1.3 g/cm3时，土壤抗冲刷系数的降低速率减缓并趋于平稳，即土壤抗冲性达到相对稳定的状况(图4)。

图4 受损边坡土壤抗冲刷系数与主导因子的关系

4 讨 论

4.1 受损边坡不同恢复时期对土壤理化性质和根系的影响

成兰铁路不同受损边坡对土壤理化性质和根系的影响有所差异。原始植被区未受铁路工程干扰，土壤密度小，表明土壤较疏松，通透性好，肥力较高，根系分布广，故土壤抗冲性强。人工回填区为土体紧实，结构性和通透性较差，生长植物稀疏，根系联结作用弱，其土壤抗冲性弱。自然恢复区的土壤回填后自然恢复了3～4 a，其土壤容重、孔隙度、植物生长情况等有一定的改善，其下渗能力较强，土壤抗冲性也较强。植物的生长发育增加了根系的生长，根系具有根土黏结和生物化学作用[16]，因此能疏松土壤，降低土壤容重，增加土壤孔隙度，还能促进土壤有机质的形成[9]。

4.2 土壤抗冲刷系数及主要影响因子分析

本文通过通径分析得出土壤有机质含量、总孔隙度、土壤容重和土壤密度是影响土壤抗冲性的主要影响因子。土壤抗冲性与土壤容重和土壤密度呈极显著的负相关关系，与有机质含量和总孔隙度呈极显著正相关关系，这与郭明明等[17]研究结果一致。这是由于容重的减小和土壤总孔隙度的增加能提高土壤的蓄水能力，缓解径流对土壤的分离作用，进而使土壤抗冲性能增强；同时，有机质以胶膜的形式包被土壤颗粒，增加了土壤的黏结性，促进了土壤团粒结构的形成，因此增加了土壤颗粒抵抗径流冲刷的能力[8]。王健等[18]研究结果表明土壤容重和土壤密度与土壤抗冲指数呈正相关，土壤孔隙度与土壤抗冲指数呈负相关，土壤容重越大，孔隙度越小，土壤越紧实，其抗冲性能越强，这与本试验结果相反，可能因为研究区土壤类型差异所致，说明土壤容重和土壤总孔隙度不是影响土壤抗冲性的唯一因素，有机质含量以及水稳性团聚体含量也会影响土壤抗冲性的大小。根据通径分析得出，剩余项的通径系数e约为0.290，说明对土壤抗冲性有影响的自变量不止以上20个因素，还有因素没有考虑到，对土壤抗冲性影响因素的分析有待于进一步研究。

5 结 论

亚高山区的土壤抗冲性整体高于干旱河谷区，其中两地原始植被区的高陡边坡土壤抗冲性最大，其次是自然恢复区和人工回填区。径流含沙量和土壤抗冲刷系数随冲刷时间的增长总体分别呈幂函数式的下降和上升变化，在冲刷10 min后逐渐趋于稳定。土壤密度和土壤有机质是影响成兰铁路边坡土壤抗冲性关键因子，土壤密度越大，土壤抗冲性越小，而土壤有机质越大，土壤抗冲性也越大。因此，对成兰铁路高陡边坡人工填土区土壤应适当添加有机质，改善土壤团聚体结构，有效提高土壤孔隙度。