江苏省沿海平原沙土区典型河沟边坡土壤侵蚀试验研究

2022-04-08曲丽莉郭红丽朱绪超田芷源代梦梦袁久芹

水土保持学报 2022年2期

曲丽莉，郭红丽，李盟，吴芳，梁音，朱绪超，田芷源，代梦梦，袁久芹

(1.土壤与农业可持续发展国家重点实验室，中国科学院南京土壤研究所，南京 210008；2.江苏省水文水资源勘测局，南京 210005；3.中国科学院大学，北京 100049；4.盐城市大丰区堤防管理处，江苏盐城 224100)

降雨造成的侵蚀产沙是水土流失、土地退化及面源污染等全球性环境问题的重要原因之一。雨滴击打土壤表面造成的土壤溅蚀是坡面水蚀过程的开端，溅蚀导致土体分散，土壤颗粒被薄层水流运移，在运动的过程中冲击坡面产生片蚀。雨水冲刷引起的产流与产沙过程一直是国内外专家学者研究坡面土壤侵蚀的主要内容，目前，对于坡面产流产沙的影响因素方面已有大量研究。其中，降雨特征、地形特征及土壤特征等被认为是影响坡面侵蚀的主要因素。降雨强度是侵蚀动力的主要来源，雨滴通过对土壤颗粒的击溅、搬运等作用对侵蚀产生重要影响。Yan等研究表明，降雨强度是影响产流量和产沙量最重要的因素，并且表明雨强>0.8 mm/min时才能造成地表土壤侵蚀；Wu等认为，降雨强度越大，产流量和产沙量呈幂函数增长趋势。坡度作为水土流失方程中的重要因子，是地表其他形态存在的前提和条件，它通过制约降雨径流侵蚀力的大小和土壤物质的稳定性引起径流、侵蚀泥沙的变化。Defersha等认为，在一定范围内坡面产沙量随着坡度的增大而增加；郑子成等认为，随坡度增大，地表产流量呈先减小后增大的变化趋势。土壤理化性质是影响土壤侵蚀和土壤抗蚀性能的重要内在因素，土壤容重、含水量、有机质及团聚体含量等都对土壤侵蚀影响显著。

坡度和雨强是影响坡面土壤侵蚀的重要外在因素，关于坡度和雨强对坡面侵蚀过程影响因素的研究主要集中在南方红壤区、黄土高原区和东北黑土区等大尺度坡耕地，而缺乏对于平原沙土区河沟边坡小尺度的产沙产流研究。江苏省水土流失主要分布在丘陵山区和平原沙土区，全省轻度以上水土流失面积6 279 km，其中平原沙土区水土流失面积占全省水土流失面积的36%，是省水土保持重点治理区。江苏平原沙土区地形平坦，理论上不具备水土流失的地形条件，因此，在水土流失监测和计算中常被忽略。由于区域内降雨量多、雨强大、土壤结构疏松、抗侵蚀能力弱等原因，河沟边坡土壤侵蚀严重。江苏省地处江淮沂沭泗五大河流下游，境内河网密布，水系发达，水域面积占比高达16.9%，有乡级、县级及流域级河道共22 700余条，河沟边坡产生的水土流失不容忽视。河沟边坡的坡面通常不长，但坡度较大，加上沙土本身特殊的物理、化学性质，降雨时，表土颗粒很快被分离、溅散，片蚀和沟蚀活跃，引起河坡毁坏、坍塌，最终导致河道淤塞，影响沿岸引排水、航运与防洪安全，威胁人们的生产生活。

相比于其他水土流失类型区，关于江苏省平原沙土区水土流失的研究主要集中于水土流失现状、形成原因、危害和治理措施等方面，缺乏对河沟边坡产流产沙过程及影响因素的研究，限制了对河沟边坡水土流失过程的认识和对河沟边坡水土流失的有效治理。因此，本文采用人工模拟降雨试验方法，以江苏平原沙土区河沟边坡土壤为对象，研究不同雨强和坡度条件下坡面土壤侵蚀的过程和特征，并分析其主要影响因素，以加深对平原地区河沟边坡土壤侵蚀规律的认识，为平原沙土区河沟边坡水土流失治理提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

江苏省平原沙土区主要被分为3大区：黄河故道沙土区、沿海平原沙土区和通南高沙土区(图1)。沿海平原沙土区系滨海淤涨而成，面积较大，盐城市是沿海平原沙土区中面积最大的市，大丰区位于沿海平原沙土区的中心位置，在该沙土区具有典型的代表性。大丰区位于江苏省东部(32°56′—33°36′N，120°13′—120°56′E)，属亚热带与暖温带的过渡地带，雨量充沛，气候温和。全区年平均气温14.1 ℃，年平均降水量1 042 mm，雨日71天，无霜期213天，日照时间2 238.9 h。大丰区地形平坦，地质为湖相、河相、海相三者交替的沉积物，土壤类型主要为粉砂土。境内河网密布，沟渠纵横，现有大中小河4.5万条，总长2.4万km，为苏北平原水网地区的典型代表。

图1 沙土区位置

1.2 试验土壤

本研究中用到的土壤样品包括两部分：基本理化性质分析土样和人工模拟降雨土样，均采自江苏省盐城市大丰区1个典型河沟边坡。基本理化性质分析土样包括原状土样和散土土样，在选择的边坡利用100 cm环刀在坡上和坡下部位采集4个原状土样，烘干法测定土壤容重；利用土钻在坡上和坡下部位采集0—20 cm表土，按照四分法制成散土土样，实验室处理后，利用激光粒度仪测定颗粒组成、重铬酸钾外加热法测定土壤有机质含量。供试土壤容重为1.28 g/cm，砂粒、粉粒、黏粒的含量分别为64.76%，24.01%，11.24%，有机质含量为8.59 g/kg。人工模拟降雨土样取自上述相同地方，利用挖掘机挖取河沟边坡表层0—50 cm土壤2 t，运输至江西省鹰潭红壤生态实验站开展模拟降雨试验。人工模拟降雨试验包括2个部分：一是模拟溅蚀试验，试验土壤不做过筛处理，分散较大的土块，剔除石子及草根，填入400 cm(直径10 cm，高5 cm)环刀，控制土壤容重为1.35 g/cm，为保证土样初始含水量相同，将环刀浸泡12 h达到饱和，取出晾置6 h后开始试验；二是微区模拟降雨试验，将土样分层填入径流槽，边填土边洒水压实，以减小边际效应，充分压实土槽边缘土壤后开始试验。

1.3 试验设计与方法

试验于2020年9月在江西省中国科学院鹰潭红壤生态实验站进行。使用便携式人工模拟降雨机进行模拟降雨，降雨装置主要包括喷头、支架、水泵、水压表等设备。降雨喷头采用美国Spraying system公司的Fulljet系列实心锥形喷头，型号为Fulljet1/2HH-30WSQ和Fulljet 1/2HH-50WSQ。当喷头高度达到3 m、水压为60 kPa时，这2个喷头可分别产生1.5，2.5 mm/min的降雨，雨滴降落速度和动能大小与自然降雨接近，在喷头正下方2 m范围内降雨均匀系数>85%。

人工模拟溅蚀试验采用改进的Morgan溅蚀盘，直径为51 cm，盘深5 cm，其中装土盘位于正中心，直径为11 cm，收集盘位于装土盘外侧(图2a)。根据研究区气象局近30年的降雨资料，将雨强设定为1.5，2.5 mm/min，采用手动调节坡度，将坡度设置为0，10°，20°和30°。通过雨强和坡度2个变量的组合设置，每个条件3次重复，4个溅蚀盘同时试验，共进行降雨试验6场，每场降雨持续10 min，降雨结束后收集溅蚀盘收集盘内的水沙样品，静置24 h后倒去上清液，放入烘箱内105 ℃下烘干后测定溅蚀量。

微区模拟降雨试验采用自行设计的液压式变坡径流槽(图2b)。径流槽前部设计有三角形出水口，用于收集坡面径流含沙水样，径流槽底部设计有液压泵，用于调节坡度。将坡度设定为10°，20°，30°和40°，雨强设定为1.5，2.5 mm/min。通过坡度和雨强2个变量的组合设置，每个条件2次重复，共进行降雨试验16场。试验开始前，用遮雨布盖住径流槽率定雨强，达到设计雨强时移走遮雨布并开始计时，记录初始产流时间。开始产流后每2 min取1次泥沙样品，持续降雨30 min，每场降雨共采集水沙样品15个。将水沙样品带入实验室测定每个样品的质量，静置24 h后倒去上清液，放入烘箱内105 ℃下烘干后测定产沙量。

图2 溅蚀盘和液压式变坡径流槽示意

1.4 传递函数

传递函数是将具有线性特征对象的关系通过某种算法(如回归分析、最优规划法、神经网络、分类回归树、分形机理等)表达的一种有效方法。多元线性回归在土壤科学、生态学和农业等领域被广泛用于建立变量的传递函数。因此，本研究将坡度和雨强等变量以及其常见转换(指数、对数、倒数和平方转换等)作为自变量进行逐步回归分析，建立溅蚀率、产流强度和产沙强度的传递函数为：

=+(+)+(log+log)+

(1)

式中：为因变量(本研究中为溅蚀率、产流强度和产沙强度)；为截距；a～a为回归系数；、为自变量(本研究中为坡度和雨强)。

使用调整和均方根误差(RMSE)来评价模型的优劣为：

(2)

(3)

1.5 统计分析

使用Microsoft Excel 2019软件进行数据的初步整理、分析；使用SPSS 19.0软件进行变量的描述性统计分析、差异显著性分析；利用Origin 2017软件作图。

2 结果与分析

2.1 土壤溅蚀特征与模拟

溅蚀率是普遍用来描述土壤击溅侵蚀的特征指标。图3a为2种雨强(1.5，2.5 mm/min)下河沟边坡土壤在不同坡度(0，10°，20°和30°)条件下的土壤溅蚀率。在降雨强度为1.5 mm/min时，坡度为10°，20°和30°的溅蚀率分别比坡度为0的高79.34%，98.52%和145.57%；在降雨强度为2.5 mm/min时，坡度为10°，20°和30°的溅蚀率分别比坡度为0的高82.97%，198.55%和301.45%。在坡度为20°和30°时，2种雨强条件下的溅蚀率存在显著差异(<0.05)。刘和平等认为，溅蚀率随着坡度的增长呈先增加后减小的趋势，临界坡度为35°，本试验设置最大坡度为30°，在转折点之前趋势与其一致，说明在降雨强度相同的情况下，一定范围内溅蚀率随着坡度的增大而增加。这是由于雨滴在击打地表时，降雨动能转化为垂直于坡面的打击力和平行于坡面的剪切力，随着坡度的增加，作用于土壤表面的雨滴侧向剪切分力增加，致使土壤抗溅蚀分散能力减弱，同时在重力作用下土壤颗粒之间的黏结力减弱，坡面稳定性降低，使土壤颗粒更容易发生位移，导致溅蚀搬运量增大。从增长幅度来看，在大雨强条件下，溅蚀率随坡度增长的速度更大，说明坡度在大雨强条件下对溅蚀率的影响更明显。

图3b展示了4种坡度(0，10°，20°和30°)条件下河沟边坡土壤在2种雨强(1.5，2.5 mm/min)下的土壤溅蚀率。降雨强度从1.5 mm/min增加到2.5 mm/min时，坡度为0，10°，20°和30°的溅蚀率分别增加1.84%，3.91%，53.25%和66.49%。这是由于随着降雨强度的增大，雨滴动能变大，雨滴对于土壤颗粒的打击力变大，也增大了地表径流，使土壤颗粒更易被分散和输移。从增长幅度来看，在较大的坡度条件下，溅蚀率随雨强的增长速度更快。

注：图a不同字母表示溅蚀率在同一坡度、不同雨强间差异显著(P<0.05)；图b不同字母表示溅蚀率在同一雨强、不同坡度间差异显著(P<0.05)。

以雨强和坡度以及其常用转换形式作为自变量进行逐步回归分析，建立溅蚀率的传递函数模型(表1)。

表1 溅蚀率传递函数拟合

溅蚀率与坡度的拟合方程调整可达到0.7，而溅蚀率与雨强的拟合方程调整仅为0.45，这可能与试验设置的雨强数量较少有关。溅蚀率与坡度和雨强的综合影响拟合方程调整可达到0.97，显著高于坡度或雨强独立因子的模拟效果，这主要是因为该方程包含更多变量的信息，可以更好地刻画变量与溅蚀率之间的关系。利用2/3样本(16个)重新建立溅蚀率与坡度及雨强的模型，剩余1/3样本(8个)用于模型的检验和校正，自变量为坡度，雨强、坡度及雨强3个函数的均方根误差分别为6.54，7.60和5.04。

2.2 坡面产流特征与模拟

坡面径流是土壤颗粒运移的载体，坡面侵蚀产沙量和径流量关系密切。坡面一旦产生径流，松散的土壤颗粒易随径流输出坡面，造成土壤侵蚀。由图4可知，各曲线总体上表现出先增大后波动稳定的趋势。这是因为在降雨初始阶段，土壤含水量未达到饱和，土壤入渗率较大，从而使得坡面产流强度较低。随着降雨过程的进行，坡面土体吸水饱和后，土壤入渗较少且稳定，使得产流强度在降雨后期保持相对稳定。在2种降雨强度下，坡面产流强度总体上均随着坡度的增大而减小，但产流强度的起伏变化幅度随着坡度的增加而增大，这主要是因为坡度的增大使径流的流速增大，径流的紊乱性增大。从产流强度达到相对稳定所需的时间来看，降雨强度为1.5 mm/min的径流在10～14 min内达到峰值(图4a)，并趋于稳定；而降雨强度为2.5 mm/min的径流在6～10 min内即达到峰值并趋于稳定(图4b)，说明降雨强度越小，径流响应的延迟时间越长。

图4 不同坡度下坡面产流过程

图5a为2种雨强(1.5，2.5 mm/min)下河沟边坡土壤在不同坡度(10°，20°，30°和40°)条件下的产流强度。由图5a可知，在2种降雨强度下，产流强度总体上随着坡度的增长呈下降趋势，这与魏小燕等的研究结果类似；且在2种降雨强度下，坡度为40°的产流强度显著低于坡度为10°～20°时的产流强度。这可能是由于不同坡度条件下形成的表土结皮程度不同。土壤结皮是由于雨滴打击或者径流压实作用在土壤表面形成的致密层，坡度越小，雨滴对土壤的垂直击打分力越大，地表大颗粒团聚体在雨滴击溅的作用下被分散的数量更多，细颗粒重新排列组合导致形成结皮的程度越大。土壤结皮的形成导致土壤表面光滑且入渗率降低，因此坡度较小时，径流受到的阻力小，入渗少，进而导致坡面产流强度增大，产流量增加。

图5b为4种坡度(10°，20°，30°和40°)条件下河沟边坡土壤在2种雨强(1.5，2.5 mm/min)下的产流强度。当降雨强度从1.5 mm/min增加到2.5 mm/min时，坡度为10°，20°，30°和40°的平均产流强度分别增加43.75%，58.85%，42.71%和46.15%，且在所有坡度条件下，2种雨强间的产流强度均存在显著差异。这主要是因为试验过程中降雨强度大于土壤入渗强度，形成了超渗产流。在大雨强条件下，试验微区在单位时间、单位面积内承接的总降雨量较大，而入渗速率没有明显增大，从而导致径流量增大。

注：图a不同字母表示产流强度在同一坡度、不同雨强间差异显著(P<0.05)；图b不同字母表示产流强度在同一雨强、不同坡度间差异显著。

建立产流强度的传递函数模型见表2。产流强度与坡度间的拟合方程调整为0.43，与雨强的拟合方程调整为0.78，与坡度和雨强的综合影响拟合方程调整为0.91，说明传递函数模型可以较好地揭示坡度与雨强及产流量之间的关系。利用62.5%样本(10个)重新建立产流强度与坡度及雨强的模型，37.55%样本(6个)用于模型的检验和校正。自变量为坡度、雨强和坡度及雨强3个函数的均方根误差分别为4.75，3.32和1.58。

表2 产流强度传递函数拟合

2.3 坡面产沙特征与模拟

图6为河沟边坡土壤在2种降雨强度下不同坡度间的产沙过程。由图6可知，各曲线总体呈现出先快速增加后波动减小，最后趋于稳定的过程。这是由于在降雨初期，土壤入渗量大，径流量小，所以携沙能力也较小。随着降雨的持续，土壤含水量趋于饱和，径流量逐渐增大，其携沙能力也相应变强，所以产沙强度随之增加。

图6 不同坡度下坡面产沙过程

图7a为2种雨强(1.5，2.5 mm/min)下河沟边坡土壤在不同坡度(10°，20°，30°和40°)条件下的产沙强度。在降雨强度为1.5 mm/min时，坡度为20°，30°和40°的产沙强度比坡度为10°的产沙强度分别提高14.74%，17.30%和19.75%；在降雨强度为2.5 mm/min时，坡度为20°，30°和40°的产沙强度比坡度为10°的产沙强度分别提高31.87%，66.79%和101.60%，且坡度为30°和40°的产沙强度与10°和20°之间存在显著差异(<0.05)，说明坡面产沙强度随坡度的增大而增加。这是由于随着降雨的持续，坡度较小的坡面更易形成结皮，表土结皮在增加径流量的同时，径流搬运土壤颗粒的能力也大大增强，最终导致产沙量增多。

图7b为4种坡度(10°，20°，30°和40°)条件下河沟边坡土壤在2种雨强(1.5，2.5 mm/min)下的产沙强度。在2种降雨强度下，产沙强度总体上随着坡度的增大而增加，当降雨强度从1.5 mm/min增加到2.5 mm/min时，坡度为10°，20°，30°和40°的平均产沙强度分别增加21.23%，5.32%，31.10%和55.21%。表明相同坡度条件下，总体上产沙强度随着雨强的增大呈增大的趋势，已有研究的结论相同。一方面是因为雨强的增大导致坡面径流量的增大，增强径流的输沙能力；另一方面是因为雨强越大，降雨动能越高，雨滴对土壤的冲击力越大，最终导致产沙量增大。

注：图a不同字母表示产沙强度在同一坡度、不同雨强间差异显著(P<0.05)；图b不同字母表示产沙强度在同一雨强、不同坡度间差异显著(P<0.05)。

建立产沙强度的传递函数模型见表3。产沙强度与坡度间的拟合方程调整为0.58，与雨强的拟合方程调整为0.49，与坡度和雨强两者的综合影响拟合方程调整为0.72，说明基于雨强和坡度建立的传递函数模型可以很好地预测产沙强度。

表3 产沙强度传递函数拟合

坡面产沙量一直是国内外专家学者研究坡面土壤侵蚀的重点关注内容，因此利用62.5%样本(10个)重新建立产沙强度与坡度及雨强的模型，37.55%样本(6个)用于模型的检验和校正。产沙强度的预测值和实测值见图8。从图8可以看出，拟合线和1∶1线相对接近，调整为0.74，精度验证参数优于坡度或雨强独立因子建立的模型。