黄土丘陵区边坡开挖对土壤抗蚀性影响

刘思璇, 高建恩,2,3, 李文证, 高 哲, 周凡凡, 王照润, 王 鹭

(1.西北农林科技大学 水土保持研究所, 陕西 杨凌 712100; 2.中国科学院 水利部 水土保持研究所, 陕西 杨凌 712100;3.水利部 水土保持生态工程技术研究中心, 陕西 杨凌 712100; 4.西北农林科技大学 水利与建筑工程学院, 陕西 杨凌 712100)

随着黄土高原地区高质量发展的推进，大规模的边坡开挖在极大程度上满足了当地用地及工程建设需求的同时严重扰动了原始坡面，原有植被及土壤环境遭到破坏，坡面土壤侵蚀现象频发，对该地区的土壤生态环境安全造成了严重的影响[1-4]，其中2013年延安地区突发连续性暴雨致使大量边坡冲毁严重[5]，引起社会的高度关注，因此研究边坡开挖对坡面土壤抗蚀能力影响具有现实意义。

目前在开挖坡面对土壤抗蚀环境影响研究方面，多关注开挖坡面的侵蚀变化。Jin等[6]研究表明，黄土高原是由结构脆弱、易受水力侵蚀的第四纪黄土性扬尘沉积所得，边坡的开挖有增大流域边坡水土流失危害的风险；高建恩等[7]通过室内边坡开挖形成的70°高陡边坡的降雨及放水试验发现，侵蚀受雨滴打击和坡面粗糙度“双紊动”源影响并给出了水力计算模型；汪勇等[8]认为降雨入渗是影响开挖边坡稳定性的重要指标，且越接近坡脚，越容易发生变形和破坏。王壮壮等[9]通过研究边坡不同开挖工况下边坡稳定性指出，开挖进尺大于30 m时，坡脚开挖角度越大，边坡稳定性越低；陈航等[10]采用数值计算软件分析了紫穗槐对切削边坡的加固作用，指出土壤含水量为12%时紫穗槐固坡效应最好。薛强等[11]在调查开挖型黄土边坡中指出，侵蚀剥落状况是边坡崩塌破坏过程中的先决因素。然而目前开挖坡面的研究多集中于开挖区，边坡开挖对整个坡面土壤抗蚀能力的时空变化影响研究相对较少。

本研究以陕西延安羊圈沟小流域内开挖边坡所在坡面为例，流域内原始坡面为对照，通过野外采样与室内分析相结合，分析研究黄土丘陵区一定边坡开挖率下，对各坡位土壤抗蚀能力影响及其年恢复变化，旨在明确开挖边坡的防护范围及程度，为今后边坡开挖工程的安全与防护提供科学的指导与理论支持。

1 试验材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于陕西省延安市羊圈沟小流域(109°31′—109°71′E，36°42′—36°82′ N)，距延安市区14 km，属半干旱大陆性季风气候，多年平均降水量535 mm，多集中在7—9月，占全年降水量的79%，年际变化较大。属典型的黄土丘陵沟壑区，流域内土壤以黄绵土为主，抗蚀性差，水土流失情况相对严重。植被类型主要有刺槐(RobiniaPseudoacaciaL)，柠条(CaraganaKorshinskiiKom)，狗尾草(Setariaviridis(L.) Beauv)，荆条(VitexnegundoL)，茅莓(RubusparvifoliusL)，白刺花(Sophoradavidii(Franch)Skeels)。

1.2 土壤样品的采集

通过对沟道土地整治所在流域进行实地勘察，选择2018年开挖的无台阶式开挖边坡所在坡面为研究对象，边坡开挖高度在4～6 m，周边未开挖坡面为对照，坡面类型均为阳面凸坡，土质为黄绵土。于2019年7月，依据不同高程及开挖面均等划分为4个坡段和开挖坡段，分别为坡顶(Ⅰ区)，坡上(Ⅱ区)，坡中(Ⅲ区)，坡下(Ⅳ区)，坡脚/开挖区(Ⅴ区)(图1)。并按照“S”形在每个坡段设置5个采样点，除去土体表层枯枝落叶，在0—100 cm土层深度内，按0—20 cm，20—40 cm，40—60 cm，60—80 cm，80—100 cm分层采集土壤样品，并将各样地采样点内，相同土层深度的土样均匀混合，作为分析样品带回实验室自然风干，进行土壤团聚体、含水量、有机碳指标测定。

1.3 样品的测定

土壤团聚体粒级配分布及稳定性状况的测定采用湿筛法，即将所得土样通过四分法称取50 g，加入蒸馏水浸泡15 min后，倒入孔径依次为5,2,1,0.5,0.25 mm的套筛中。在35 r/min的频率下震荡15 min后，将各级筛网上的团聚体冲洗至烧杯内烘干称重[12]。

图1 坡位示意图

土壤含水量的测定采用烘干法；土壤有机碳含量的测定采用重铬酸钾外加热法[13]。

1.4 数据计算与处理

土壤团聚体平均重量直径(MWD/mm)能够直接反映土壤结构稳定性大小，其计算公式[14]如下：

(1)

式中:Wi为每个粒级下土壤团聚体的百分百分数；Xi为各粒级的平均直径。

土壤可蚀性KS能够综合表示土壤抗蚀能力强弱，其的计算公式[15]如下：

KS=7.954{0.0017+0.0494exp[-0.5

(2)

采用单因素方差分析(one-way ANOVA)和最小显著差异法(LSD)对各坡位土壤有机碳进行分析；采用Pearson法(α=0.05)对土壤可蚀性K值与土壤有机碳和土壤团聚体MWD值进行相关性分析；采用Origin 2018软件进行作图。

2 结果与分析

2.1 边坡开挖对各坡位土壤团聚体结构影响

土壤团聚体作为土壤基本的结构单元，其大小分布及稳定性能显著影响降雨入渗及土壤可蚀性，是评价土壤抗蚀环境的重要因子[16]。边坡开挖工程的实施，易造成团聚体结构变差，大团聚体破裂，稳定性降低。通过对开挖及对照坡面各坡位的土壤团聚体组成级配进行分析，结果见图2。随坡位降低，开挖坡面在0—40 cm土层内，大于5 mm和大于0.25 mm的团聚体含量均呈先增加后减小趋势，其中大于5 mm的土壤团聚体在Ⅳ，Ⅴ区均呈现降低趋势，大于0.25 mm团聚体在Ⅴ区出现降低趋势。而对照坡面，随坡位的降低均呈增加趋势；因此，边坡开挖显著影响Ⅳ，Ⅴ区的土壤团聚体团粒结构，且Ⅴ区受影响程度高于Ⅳ区。

图2 各坡位土壤团聚体粒级分布

土壤团聚体平均重量直径(MWD)能够直接反映土壤团聚体稳定性大小，较好地评价土壤保水保肥性能[17]。通过对土壤团聚体稳定性分析，结果见图3，开挖坡面在0—20 cm，20—40 cm土层中，土壤MWD值随坡位的降低呈先增大后减小趋势，其中Ⅰ—Ⅲ区MWD值为逐渐增加趋势，Ⅳ—Ⅴ区为逐渐降低趋势，其中MWD值在0—20 cm，20—40 cm土层中相较于Ⅰ区，Ⅳ区分别增加12%，145%，Ⅴ区分别降低34%，29%；相较于Ⅲ区，Ⅳ区分别降低1.5%，6.3%，Ⅴ区分别降低42.2%，73%。而在对照坡面0—20 cm，20—40 cm土层中随坡位的降低，MWD值均呈逐渐增加趋势，且Ⅳ区、Ⅴ区MWD值在0—20 cm，20—40 cm土层中，相较于Ⅰ区分别增加69%，218%，89%，239%；相较于Ⅲ区分别增加了21%，53%，36%，63%。

结果表明，边坡开挖影响坡面土壤团聚体稳定性，其中Ⅳ区、Ⅴ区受影响程度较为显著，且Ⅴ区团聚体稳定性受影响程度高于Ⅳ区。

图3 各坡位MWD变化

2.2 边坡开挖对各坡位土壤有机碳及含水量影响

土壤有机碳及含水量作为土壤的重要组成部分，能够显著影响土壤质量及环境[18-19]，是评价土壤抗蚀环境的又一重要指标，边坡开挖在破坏坡面原有地形地貌的同时，对坡面土壤有机碳含量也产生显著影响。通过对比边坡开挖下各坡位土壤有机碳空间变化差异，由图4可得，开挖坡面土壤有机碳含量随坡位的降低呈先增大后减小趋势，在开挖坡面0—100 cm土层中，相较于Ⅰ区，Ⅳ区0—20 cm土层内有机碳含量降低11%，20—100 cm土层内增加10%～39%，Ⅴ区0—100 cm土层内有机碳含量增加10%～91%；而随坡位的进一步降低，相较Ⅲ区，在Ⅳ区0—80 cm土层深度内土壤有机碳含量显著降低，其中较Ⅲ区，0—40 cm土层降低21%～41%，40—80 cm土层降低8%～14%；Ⅴ区土壤有机碳含量在0—40 cm土层内，显著降低10%～39%。而对照坡面，随坡位的降低各土层土壤有机碳含量均呈逐渐增大趋势，且Ⅳ区、Ⅴ区土壤有机碳含量均显著高于其他坡位，其中相较Ⅰ区0—100 cm土层有机碳含量增加23%～117%，35%～150%，相较于Ⅲ区0—100 cm土层有机碳含量增加6%～56%，16%～62%。

黄土高原坡面含水量随坡位的降低呈增加趋势[20]，而通过对开挖坡面土壤含水量空间变化分析，由图5可得，开挖坡面其各坡位下土壤含水量变化趋势与土壤有机碳变化规律相似，相较于Ⅰ区，在Ⅳ区0—80 cm土层，土壤含水量降低13%～21%；Ⅴ区0—100 cm土层内含水量增加6%～46%；相较于Ⅲ区，在Ⅳ区0—80 cm土层，土壤含水量降低22.7%～35.3%；Ⅴ区0—40 cm土层内含水量降低10%～11%，在40—60 cm土壤含水量显著增大，且均显著高于其他土层。

2.3 边坡开挖对各坡位土壤抗蚀性影响

2.3.1 对各坡位土壤可蚀性KS变化影响 土壤可蚀性KS值能够综合评价土壤抵抗侵蚀能力的大小，其值越小土壤抗侵蚀能力越强[21]。图6为边坡开挖对各坡位下土壤综合抗侵蚀能力影响对比，开挖坡面在0—20 cm，20—40 cm土层中，土壤KS值随坡位的降低呈先减小后增大趋势，其中相较于Ⅰ区，Ⅳ区在0—20 cm，20—40 cm土层中KS值分别降低21%，63%，Ⅴ区在0—20 cm土层中增加38%，在20—40 cm土层中降低13%；相较于Ⅲ区，Ⅳ区0—20 cm，20—40 cm土层中KS值分别降低5%，12%，Ⅴ区分别增加66%，109%。而在对照坡面0—20 cm，20—40 cm土层中，随坡位的降低KS值均呈逐渐增加趋势，且Ⅳ区、Ⅴ区KS值在0—20 cm，20—40 cm土层中，相较于Ⅰ区分别增加57%，69%，67%，69%；相较于Ⅲ区分别增加24%，48%，42%，48%。由此可得，边坡开挖影响坡面土壤抗蚀性，其中Ⅳ区、Ⅴ区受影响程度较为显著，且Ⅴ区土壤抗蚀性受影响程度高于Ⅳ区。

2.3.2 边坡开挖对土壤可蚀性与有机碳关系影响 土壤有机碳含量及团聚体是评价土壤抗蚀能力变化的重要指标。开挖率7%的边坡条件下，Ⅳ区、Ⅴ区土壤团聚体及有机碳含量均受到显著影响，其中土壤团聚体及土壤可蚀性KS呈Ⅳ区受影响低于Ⅴ区，而Ⅳ区土壤有机碳含量受影响程度高于Ⅴ区，因此Ⅳ区土壤抗蚀能力后期可能有降低趋势。为进一步探讨边坡开挖对坡面土壤抗蚀性影响，分别对开挖率为0，7%，100%条件下坡面土壤可蚀性KS与有机碳和土壤团聚体MWD之间进行相关分析可得，不同开挖率下土壤可蚀性KS与土壤团聚体MWD和有机碳含量之间均呈显著负相关，但随坡面开挖率增加，土壤可蚀性KS与团聚体MWD之间相关性变化不大，分别为-0.96**，-0.94**，-0.99**，与有机碳之间随开挖率增加，其相关系数呈先减小后增大趋势，其中开挖率为0，100%时，相关系数为-0.93**，-0.98**，而开挖率为7%时，相关系数为-0.71**。

注：不同大写字母表示各级坡位间差异显著，不同小写字母表示各土层间差异显著(p<0.05)。

图5 各坡位下土壤水分随深度变化分布(开挖坡面)

2.3.3 土壤可蚀性K公式修正 张科利等[22]通过研究土壤可蚀性K实测值与KS计算值之间关系指出，KS计算所得数值显著大于于实测值，但与实测值呈良好的K=0.00911+0.55066KS线型关系。因此为进一步准确探究边坡开挖对土壤抗蚀K值计算，将坡面开挖区近似认为开挖率100%的坡面，对不同开挖率下坡面土壤可蚀性K和KS之间比值与有机碳含量之间进行分析，结果由图7可得，与有机碳含量呈显著指数负相关，具体公式见式(3)；同时随开挖率的增加，其公式参数呈减小趋势见图8，并将参数变化与开挖率之间的经验公式带入(3)式，得出坡面土壤可蚀性随开挖率变化公式(4)，为今后开挖边坡土壤可蚀性K的计算提供方法。

K=KS(-alnC+b)

(3)

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

(4)

式中：K为土壤可蚀性值；C为土壤有机碳含量；e为边坡开挖率。式(3)和式(4)中，土壤可蚀性K和土壤有机碳分别与坡面开挖率呈复合函数关系，其中土壤可蚀性K值随开挖率的增大而增大，随有机碳含量的增大而减小，该公式为今后边坡开挖工程中，不同开挖率下土壤可蚀性K值的变化提供合理的预测。

3 讨 论

3.1 边坡不同开挖率对各坡位土壤抗蚀性影响

边坡开挖显著影响土壤侵蚀环境，增加流域边坡土壤侵蚀风险，尤其在极端暴雨条件下更易引起所在流域边坡的冲刷与侵蚀。本研究表明，对照坡面土壤结构和抗蚀能力、土壤含水量及有机碳含量整体随坡位的降低呈逐渐增加趋势，这主要因为坡上部多属于侵蚀区，土层较薄，结构较差，而随坡位的逐渐降低，被侵蚀的土壤逐渐在坡下部位沉降堆积，土层较厚，结构、养分较好，这与苏正安[23]、周莉[24]等研究结果相似；而通过对比发现，本研究开挖坡面随坡位的进一步降低，开挖区、坡下区土壤结构及抗蚀能力均明显变差，土壤含水量及有机碳含量显著降低。其中开挖区团聚体的稳定性及抗蚀能力受影响程度均高于坡下区，而在坡下区土壤含水量及有机碳含量受影响程度及深度却高于开挖区。这主要是因为沟道土地整治实施的过程中，机械及剧烈人为活动主要作用于开挖区，对开挖区植被及土壤的破坏扰动程度较大，Tisdall等[25]指出人为扰动极易使得土壤大团聚体优先被破坏，从而直接导致开挖区土壤团聚体结构及稳定性下降，但由于沟道土地整治在开挖区内作用深度较浅，因此对土壤团聚体、有机碳含量等影响深度相对较浅。而在坡下区，由于对边坡的切削，使得坡下区下部为切削的裸露边坡，其边界效应严重影响了坡下区的土壤环境，从而导致了土壤含水量及有机碳含量均显著降低。由此可以看出边坡开挖率在7%条件下不仅显著影响开挖区土壤抗蚀能力，且极大程度增加了坡下区土壤侵蚀环境恶化。

图6 各坡位土壤可蚀性KS值变化

注：y1为未开挖坡面；y2为开挖率7%坡面；y3为开挖率100%坡面。

3.2 开挖边坡土壤抗蚀环境年恢复变化

边坡开挖显著影响土壤抗蚀能力各评价指标间相关关系，从而导致扰动后土壤的年恢复情况也发生相应的变化。其中开挖坡面及对照坡面土壤可蚀性KS与土壤有机碳含量均呈显著相关。这是因为一方面土壤有机碳通过改善土壤质量及结构，增强土壤的抗侵蚀能力[26]，另一方面有机碳作为土壤中的亲水物质，其吸收水分的容量远大于土壤矿物，能够有效缓解水分湿润速度，减小团聚体的糊化作用[27]，Capriel等[28]认为团聚体之间及团聚体内部的空隙都为有机物的残体提供居住场所，称之为有机物填充作用(Infilling)，Tisdall等[29]提出的黏粒包裹作用(Encrusting)，强调是团聚体的形成是黏粒吸附在有机物表面，且团聚体的稳定性随着有机碳的矿化分解而逐渐降低。从而综合作用影响土壤抗侵蚀能力，然而通过相关系数对比发现，开挖坡面尤其是坡下区土壤团聚体稳定性及抗蚀能力受影响降低程度相对较小，而有机碳含量的极显著降低，导致开挖坡面土壤KS与土壤有机碳之间相关性小于对照坡面和100%开挖坡面。从而在坡下区土壤可蚀性KS有显著降低的风险。针对这一问题，对开挖坡面Ⅳ区于2020年7月进行二次采样验证，对坡下区MWD及KS值进行分析，由图9可知，第二次采样土壤MWD较第一次显著降低10.2%～22.2%，KS值显著增加19.2%～49.0%。由此可得边坡开挖率为7%时，坡下区土壤水、土壤有机碳含量显著降低，极大程度增加了坡下区土壤侵蚀风险，因此在边坡防护过程中不仅应注重开挖区坡面稳定性的防护，还应增加坡下区土壤侵蚀风险的降低。

注：不同大写字母表示两次采样差异显著，不同小写字母表示各土层间差异显著(p<0.05)。

3.3 开挖率对坡面土壤抗蚀性影响

土壤有机碳含量是土壤抗蚀能力的重要指标之一，而由上文分析可得，短时间内在开挖率7%条件下，显著影响坡下区坡面的土壤有机碳及含水量，且随开挖率的不断增加，土壤有机碳与土壤抗蚀性之间的相关性先减小后增加，这主要是因为随开挖率越大，所产生的切削裸露面积越大，且多为高陡边坡，坡面植被覆盖较少，蒸发量较大，显著影响开挖面上方土体土壤水、温度等环境，尤其对深层水分补给产生较大影响，且越靠近开挖面受影响程度越高，同时有机碳与土壤结构及质量的关系是长期互相影响积累的过程[30]，因此短时间内开挖率越大，开挖面上方土体土壤有机碳含量与土壤可蚀性相关性越弱，后期土壤抗蚀能力变差，侵蚀风险越高；而在开挖率100%的条件下，其土壤团聚体和有机碳均同时受到显著影响，短时间内土壤有机碳含量与抗蚀能力同时显著降低，增加土壤侵蚀风险。因此在边坡开挖过程中，亟需针对的不同开挖率边坡采用不同范围土壤侵蚀防治措施，不仅在坡面上要考虑加固开挖面稳定性，还应注重坡面开挖区上部各坡位土壤侵蚀风险的降低，且越靠近开挖区，坡面土壤侵蚀风险越大。

4 结 论

(1) 开挖率为7%的坡面，MWD在坡下区、开挖区相较于坡中区分别降低6%～8%和58%～73%；土壤有机碳含量在坡下区0—80 cm土层内显著降低8%～41%，开挖区0—40 cm内显著降低10%～39%，坡下区土壤有机碳及含水量受影响程度显著高于坡脚区，而坡脚区土壤结构及团聚体稳定性受影响程度显著高于坡下区。

(2) 土壤可蚀性KS与土壤团聚体MWD和有机碳含量均呈显著负相关，但随坡面开挖率增加，土壤可蚀性KS与团聚体MWD之间相关性变化不大，而与有机碳之间随开挖率增加其相关系数呈先减小后增大趋势，开挖率为7%的坡面，坡下区土壤抗蚀性存在滞后效应。

(3) 通过增加开挖率及有机碳含量对坡面土壤抗蚀性影响，对土壤可蚀性K值的计算公式进行进一步的补充及修订，且开挖率越大，土壤可蚀性K值越大。