寧杭高鐵不同喬木覆蓋下侵蝕強度季節差異

陳莉莎, 殷承啟, 許雪記, 郭曉峰, 成禮平, 陳家棟

(1.中設設計集團股份有限公司，南京 210037；2.江蘇省鐵路辦公室，南京 210004；3.江蘇省水文水資源勘測局南京分局，南京 210008)

在土壤流失的過程中，侵蝕性因子因地形地貌不同而不盡相同，土壤自身侵蝕性因子減少侵蝕強度的能力是探尋減少水土流失和生態修復的重要途徑。由于土壤侵蝕的產生，制約了植被恢復的速度，而植被的狀況和地貌的性質直接影響著土壤侵蝕狀況[1]。鐵路邊坡土壤侵蝕在容許的侵蝕范圍內不會造成環境安全隱患，一旦侵蝕強度過高，邊坡失穩，將對鐵路運營的安全造成嚴重后果。

鐵路與道路工程建設導致的水土流失主要產生于施工期，新建的路基、路塹或隧道邊坡由于挖方填方等工程因素改變了原坡面的地質結構，在降雨、重力、風力等侵蝕因素的作用下，容易導致水土流失的增加。張科利等[2]通過研究傳統的侵蝕成因形態分類體系，認為道路侵蝕是一個獨立的侵蝕產沙單元，包含多種侵蝕過程或方式，應作為一種獨立侵蝕單元研究。陳宗偉[3]指出公路邊坡土壤侵蝕發生、發展與降雨、土壤和植被有密切的關系。劉窯軍[4]在山區道路邊坡防治中提出植被覆蓋度、土壤容重、飽和導水率、總孔隙度等是影響邊坡降雨侵蝕性的最主要因子。草灌措施可以很好地預防邊坡水土流失。張瑜等[5]認為土壤抗沖性和抗剪性反映著土壤抗侵蝕性能，掌握土壤抗沖性和抗剪強度有助于揭示土壤侵蝕規律。查小春等[6]通過研究不同年限土壤侵蝕程度，提出土壤的抗剪強度對抗沖性影響最大，隨侵蝕年限的增長，土壤的抗沖性呈減弱趨勢，侵蝕程度變大。

中外絕大多數學者已將交通工程作為獨立的研究對象進行研究，并且多數研究集中在項目建設的施工期，而對項目建成后運營期的水土流失情況研究較少。基于寧杭高速鐵路沿線典型路段進行定點研究，是江蘇省境內高鐵水土保持現狀監測的先行研究，將典型樹種刺槐、馬尾松、櫸樹、女貞覆蓋下土壤侵蝕因子和土壤侵蝕強度關系進行深入探究，對指導沿線樹種選擇具有重要意義，通過對土壤侵蝕的研究為今后水土流失的預測、水土流失的控制提供理論基礎，以期為降低高鐵邊坡造成的水土流失，為刺槐、馬尾松、櫸樹、女貞的經營發展提供理論依據。

1 研究地區與研究方法

1.1 試驗區概況

試驗區位于江蘇省西南部，寧杭高鐵起于南京市，途經鎮江市、常州市和無錫市，長度為146.773 km。線路自南京南站引出，東西向敷設，依次設置句容西站、溧水站、溧陽瓦屋山站、溧陽站和宜興站。沿線全年平均氣溫在15.0～18.0 ℃，全年無霜期 230 d 左右，每年7—8月氣溫較高，1—2月氣溫較低，極端最高氣溫38.8～43.0 ℃，極端最低氣溫-10.1～-14.0 ℃。多年平均降雨量為 1 027～1 600 mm，山區稍多，年降雨日數在 150～160 d，年最大降雨量2 356 mm，年最小降雨量570 mm，年蒸發量1 130～1 380 mm，年平均相對濕度81%。研究樣地基本情況如表1、圖1所示。

表1 樣地植被類型調查

1.2 研究方法

1.2.1 外業監測

(1)降雨量

降雨量收集使用RG3-M翻斗式自記雨量計，分別設置在溧水、溧陽、宜興臨近車站或養護工區的空曠地，持續測定降雨量(每5 min自動采集一次數據)，數據用于計算降雨量和降雨歷時，定期收集數據，進行儀器養護。

(2)土壤抗沖性

使用便攜式土壤抗沖儀測定抗沖指數來定量反映土壤抗沖性的強弱，即在一個大氣壓力下，以0.7 mm直徑的水柱沖擊土體1 min，使其產生水蝕穴，測定每個水蝕穴的平均口徑和深度。每10個水蝕穴深與寬乘積的平均值的倒數，即為該土層的抗沖指數。選取坡面坡頂、坡中和坡底三個位置進行抗沖性測定，每個位置至少測3個重復，并取平均值代表該坡面的抗沖性。

(3)土壤抗剪性測定

采用三頭抗剪儀測定土壤抵抗剪切破壞的能力。選取坡面坡頂、坡中和坡底三個位置進行抗剪切性測定，每個位置至少測3個重復，并取平均值代表該坡面的抗剪切性。

(4)侵蝕模數測定

土壤侵蝕量采用測釬和沉砂池法測定，每塊樣地設置9根相同尺寸的測釬，每季度收集記錄一次測釬高度，采用沉砂池數據進行校準。通過侵蝕量與匯水面積的比值得出樣地季度侵蝕模數。

1.2.2 內業實驗

(1)全量元素與有機質測定

土壤采樣前應先將剖面整修、清理，削去最表層的浮土，然后再按層次自上而下逐層從中心典型部位取樣，主要采用5～10 cm土層土壤，采樣主要采用三點法采樣，在上坡、坡中、下坡各取樣混合后自然風干，測試過程中采用三組重復實驗以保證數據準度，其中有機質采用重鉻酸鉀氧化-外加熱法測定(LY/T 1237—1999)，全磷采用酸溶-鉬銻抗比色法測定(LY/T 1232—1999)，全鉀采用酸溶-火焰光度法測定(LY/T 1234—1999)。

(2)土壤含水率、滲透系數測定

選取坡中位置，使用直徑5、10 cm環刀取5～10 cm土層樣品，原狀土和擾動土各三份，將直徑 5 cm 環刀樣品在105 ℃的烘箱內將土樣烘6～8 h至恒重，計算土壤含水率。

將直徑10 cm環刀樣品放在漏斗上，往上面的空環刀中加水，每隔5 min更換漏斗下的燒杯，記錄滲入量Q1，Q2，…，Qn。每更換一次燒杯要將上面環刀中水面加至原來高度，同時記錄水溫。

(1)

式(1)中：K10為溫度為10 ℃時的滲透系數，mm/min；Qn為間隔時間內滲透的水量，mL；ts為每次滲透所間隔的時間，min；L為土層厚度，cm；h為水層厚度，cm；T為測定時刻的溫度，℃；0.7和0.03為經驗系數。

1.2.3 數據處理及方法

使用Microsoft Excel 2013軟件進行數據處理和表格制作，采用SPSS 19.0軟件進行相關性分析，CANOCO5進行主成分(PCA)分析。

2 結果與分析

2.1 降雨季節分布特征

圖2 不同地區降雨季節分布特征

研究區2018年3月—2019年2月平均降雨 1 138.93 mm，宜興地區年降雨量略高于溧陽、溧水地區。其中溧水地區年累計降雨量1 120.4 mm，降雨日數107 d，平均降雨量10.47 mm；溧陽地區年累計降雨量1 113.4 mm，降雨日數105 d，平均降雨量10.6 mm；宜興地區年累計降雨量1 183 mm，降雨日數110 d，平均降雨量10.75 mm。如圖2、表2所示，降雨主要集中在夏季，降雨量夏季>冬季>春季>秋季。月最大降雨量春季溧水、溧陽、宜興三個區域均出現在5月，夏季均出現在7月，秋季除溧水出現在11月，其他兩地出現在9月，冬季除溧陽出現在2月，其他兩地出現在12月。日最大降雨量春季除溧陽出現在4月，其他兩地出現在5月，夏季均出現在7月，秋季均出現在9月，冬季除溧水出現在12月，其他兩地出現在2月。

研究期間，夏季(6—8月)降雨量最多，為434.3 mm，冬季(12—2月)降雨量次之，為298.7 mm，春季(3—5月)、秋季(9—11月)降雨量較少，分別為259.3、146.6 mm。全年降雨集中在7— 8月份，月降雨量均超過100 mm，6— 9月總降雨量達到372.4 mm，占全年總降雨量的33%。

2.2 不同喬木覆蓋下土壤侵蝕因子季節變化特征

2.2.1 有機質及全量元素季節變化特征

植被覆蓋下養分含量受自身生長需求和養分流失的影響，為比較不同植被覆蓋下養分季節變化的穩定性，使用變異系數表示養分含量的變化程度。變異系數越大說明養分含量的變化程度越大，變異系數越小說明養分含量的變化程度越小，樣地養分含量越穩定。

(2)

式(2)中：D為養分含量的均方差；X為養分含量的平均值。

在自然恢復過程中，分季度對樣地內土壤進行收集檢測，對四種喬木典型樣地全量和有機質養分含量季節變化進行統計分析，結果如圖3所示，由圖3可知：在不同植被覆蓋條件下，全量養分含量由大到小的順序為全鉀>有機質>全磷。同時在對季節降雨的響應過程中，樣地內有機質和全鉀的含量變化程度較明顯，全磷含量變化較小，全量元素和有機質變化趨勢和季節降雨的變化趨勢相似，呈現春夏漸增、秋冬漸衰的趨勢。其中刺槐和馬尾松林分有機質含量在秋季達到峰值，探究原因主要是由于林分覆蓋度較大，夏季枝繁葉茂，秋季地表枯枝落葉較多，在春夏生長旺季和秋冬儲存養分的反饋中，以秋季正反饋為主。磷元素在夏季降雨較多的情況下樣地含量較少，主要是磷元素主要以吸附的方式固定，在水土流失中以徑流攜帶為主，而有機質和鉀元素主要以泥沙為載體流失[7]。

對比不同植被覆蓋樣地下，馬尾松林有機質含量最優，刺槐次之，女貞、櫸樹最差，通過分析季節養分差異系數，馬尾松穩定性最優，女貞次之，櫸樹、刺槐最差；刺槐林全鉀含量最優，馬尾松次之，女貞、櫸樹最差，通過分析季節養分差異系數，女貞穩定性最優，櫸樹次之，刺槐、馬尾松最差；馬尾松林全磷含量最優，刺槐次之，櫸樹、女貞最差，通過分析季節養分差異系數，女貞穩定性最優，馬尾松次之，刺槐、櫸樹最差。整體來說，馬尾松、刺槐養分水平較高，女貞、櫸樹養分水平偏低，但養分含量穩定性較優良。

2.2.2 抗沖抗剪指標季節變化特征

土壤的抗沖抗剪性能即土壤抵抗徑流沖刷、分散地表徑流的作用，直接決定了土壤抗蝕性，土壤自身含水率水平、滲透性能都影響著土壤抗沖、抗剪能力，坡面滑坡的發生和水的作用關系密切，土壤的破壞過程實際上是土壤抗沖、抗剪能力喪失的過程。

表2 月降雨量分布特征

圖3 有機質和全量元素季節變化特征

通過對比分析不同季節樣地含水率和滲透系數，結果如圖4所示，由圖4可知，不同植被覆蓋下的土壤含水率和滲透系數對季節變化有明顯的響應，整體呈現先上升后下降的趨勢，當土壤含水率水平高時，土壤滲透系數隨之也有所增加。從不同的季節尺度來看，土壤含水率春季>夏季>秋季>冬季，土壤滲透系數夏季>春季>秋季>冬季；從不同的植被覆蓋樣地來看，土壤含水率女貞>櫸樹>刺槐>馬尾松，土壤滲透系數女貞>馬尾松>櫸樹>刺槐。這是由于含水率水平主要受植被覆蓋度和容重等的綜合影響，容重較大，土壤下滲能力低、含水率低，冬季土壤溫度低且土壤緊實，土壤含水率和滲透系數均為谷值，女貞覆蓋下植被結構完整，為喬灌草結合結構，刺槐覆蓋下雖然覆蓋度大，但土壤過緊實。冬季氣候干燥，水分較少，土壤含水率較前幾季度普遍偏低。

圖4 土壤含水率、K10季節變化特征

圖5 抗沖、抗剪季節變化特征

圖5為不同季度四種喬木覆蓋下樣地表層土壤的抗沖刷指數和抗剪性指標，由圖5可知，抗沖刷指數與抗剪性指標呈現相似的趨勢，均為夏季為谷值，冬季到達峰值，全年變化趨勢為春夏季下降，秋冬季上升，產生這種現象的原因是春夏季節為土壤微生物活躍和植被生長旺盛的生長季，地表土壤疏松且表層土壤含水率水平高，相比較而言秋冬季節土壤表層緊實且隨溫度降低具有板結情況[8]，土壤表層的理化性質、含水率水平、孔隙度都在一定程度上影響著土壤的抗沖刷指數和抗剪性指標。

整體上抗沖刷指數全年平均水平由大到小的順序為馬尾松>刺槐>櫸樹>女貞；抗剪性指標全年平均水平由大到小的順序為馬尾松>刺槐>櫸樹>女貞，表明了相同的降雨類型條件下馬尾松和刺槐林分具有更強的保持水土流失、控制侵蝕溝生長發育的作用。

根據全年的觀測數據對土壤含水率和抗沖刷指數和抗剪性指標進行統計分析和曲線模擬得到圖6，發現土壤含水率和抗沖刷指數、抗剪性指標均有較強的相關性，土壤含水率與抗沖刷系數呈對數關系：y=-0.601lnx+3.224 2，土壤含水率與抗剪性呈對數關系：y=-1.466lnx+6.434 6，R2均大于0.6，擬合性程度較高，且隨著含水率的提高，抗沖刷指數和抗剪性逐漸下降，在含水率水平為10%～15%，土壤抗沖刷指數和抗剪性數值達到峰值。

圖6 土壤含水率和抗沖抗剪性回歸分析

2.2.3 不同喬木覆蓋下土壤水蝕侵蝕模數季節變化特征

為更直觀地體現各樣地土壤侵蝕特征，通過測釬法計算各樣地的季節侵蝕模數(年度侵蝕模數=四季侵蝕模數之和=四季侵蝕模數均值×4)，如表3、圖7所示。

從季節情況分析，由于夏季降雨具有集中、量大的特點，土壤侵蝕程度整體趨勢為夏季>春季>秋季>冬季。從樣地情況分析，土壤侵蝕程度由大到小的排序為櫸樹>女貞>刺槐>馬尾松。根據上文分析，土壤有機質含量高、全量元素含量高、抗沖抗剪指標高的馬尾松與刺槐林分，土壤侵蝕模數小，均屬于微度侵蝕，而櫸樹林分土壤侵蝕模數超過500 t/(km2·a)，侵蝕強度已經達到輕度。

表3 不同喬木覆蓋下侵蝕模數季節分布特征

圖7 侵蝕模數季節差異圖

2.3 土壤侵蝕因子季節差異與侵蝕模數相關性分析

表4為研究期間有機質(OM)、全鉀(TK)、全磷(TP)、土壤含水率(SMC)、K10系數、抗沖刷系數(AE)、抗剪性(SRP)、降雨量(R)、日最大降雨量(MAXR)、降雨強度(E)、覆蓋度(C)、草本覆蓋度(HC)、喬木覆蓋度(BC)、侵蝕模數(EM)等因子進行相關性分析統計。由表4可知，土壤抗沖抗剪性和土壤含水率、K10系數呈現極顯著相關性，且土壤含水率與抗剪、抗沖性呈現負相關，K10系數與抗沖性呈現負相關，抗沖性和抗剪性呈現正相關，由于土壤抗沖刷系數、抗剪性指標越大土壤抗沖、抗剪性能越優，所以認為土壤含水率在正常水平外越高、K10系數越大，土壤抗沖、抗剪性能越差，且土壤抗沖性優良的地塊，抗剪性隨之優良。降雨強度可以明顯的影響土壤含率水平、抗沖、抗剪性，且和降雨量、日最大降雨量顯著正相關。

表4 土壤侵蝕因子相關性分析

注：*在0.05級別(雙尾)，相關性顯著；**在0.01級別(雙尾)，相關性顯著。

通過對侵蝕因子季節差異變化和土壤侵蝕強度進行定量分析，土壤含水率、降雨量、降雨強度顯著正相關，全磷含量、抗沖刷系數、抗剪性、草本植被覆蓋度呈現負顯著相關，其中土壤含水率、抗沖刷系數、抗剪性、降雨強度與土壤侵蝕模數相關性為極顯著，說明在眾多土壤侵蝕因子中，研究區域直接影響土壤侵蝕強度的因子為土壤含水率、降雨量、降雨強度、全磷含量、抗沖刷系數、抗剪性、草本植被覆蓋度，整體分析認為，土壤含水率、降雨量、降雨強度越大，抗沖刷系數、抗剪性、草本植被覆蓋度越小可能造成土壤侵蝕強度的越大，土壤侵蝕量增大反過來影響土壤中養分元素，尤其是全磷含量，造成土壤養分流失。

2.4 土壤侵蝕因子季節差異與侵蝕模數PCA分析

圖8 PCA分析圖

為進一步揭示各指標的差異影響性，將各樣地的成分數據使用CANOCO5進行主成分(PCA)分析，結果如圖8所示。由圖8可知，PCA1軸解釋率高達63.39%，PCA2軸解釋率為16.57%，整體解釋率為79.96%。PCA1軸因子主成分貢獻率中主要貢獻因素為降雨強度、含水率、日最大降雨量、抗剪性、抗沖刷指數，PCA2軸因子主成分貢獻率中主要貢獻因素為降雨量、全磷、有機質、草本覆蓋度。可見，降雨強度是主要影響因素，但該因子缺乏人為控制性，土壤抗剪性和抗沖刷系數和土質有關，也缺乏人為控制性，有機質、全磷含量和覆蓋度人為控制性強，可作為人為控制土壤侵蝕的關鍵因素，主要可從優化植被配置、加強后期養護以提高覆蓋率以及增施土壤肥力以提高有機質、全磷含量等方面進行改良。

3 討論

在小尺度樣方土壤侵蝕因子調查的過程中，表層土壤的理化性質并不是單獨的影響指標，研究結果認為土壤的物理性質，如土壤含水率、K10、抗沖性、抗剪性對土壤表層機械性質的穩定作用更為直接，這和陳晏等[9]、趙洋毅等[10]、徐佳佳等[11]研究結果相同，土壤抗剪抗沖性是土壤減少徑流沖刷攜帶土壤顆粒、保護土壤表層穩定的重要性能?；谕寥赖目箾_抗剪等能力，土壤養分指標的穩定性才得以保證，這是土壤自身的正負反饋能力，通過改變化學性質，改變土壤現狀，促進植被生長可以恢復土壤物理性質，土壤抗蝕能力減少土壤流失，穩定了土壤理化性質。

研究表明：在土壤整地破壞的短期恢復中，植被覆蓋度中，草本覆蓋度與土壤侵蝕程度的相關性遠高于喬木覆蓋度，與韓魯艷等[12]對不同恢復年限的植物群落的土壤抗蝕性和侵蝕程度研究得出的土壤侵蝕主成分喬灌木群落優于多年生草本和蒿類群落不同，研究為寧杭高鐵沿線路段植被恢復初期，穩定的植被垂直結構還未形成，適應性較好的草本植物成長速度快，根徑削減泥沙和徑流的效果呈現期較早。隨著研究區域恢復時間的增長，喬木對生物多樣性的影響預期會超過草本植被，成為減少和控制土壤流失的主導因素。

研究表明，在降雨侵蝕的過程中，土壤日最大降雨量和最大降雨強度對土壤侵蝕強度的貢獻高于季度降雨量，在降雨量的討論中，峰值降雨量和降雨強度典型日侵蝕量往往左右著季度侵蝕強度，在降雨集中的時期防范土壤侵蝕造成危害是必要的。

4 結論

研究期間，宜興地區年降雨量略高于溧陽、溧水地區，夏季降雨量最多，全年降雨集中在7— 8月。

在不同植被覆蓋條件下，全量養分含量由大到小的順序為全鉀、有機質、全磷。有機質和全鉀的含量變化程度較明顯，全磷含量變化較小，全量元素和有機質變化趨勢呈現春夏漸增、秋冬漸衰的趨勢。馬尾松、刺槐養分水平較高，女貞、櫸樹養分水平偏低，但養分含量穩定性較優良。

土壤含水率和K10影響著土壤的抗剪抗沖能力，當土壤含水率水平高時，土壤滲透系數隨之也有所增加。土壤含水率女貞>櫸樹>刺槐>馬尾松，土壤滲透系數女貞>馬尾松>櫸樹>刺槐?？箾_刷指數與抗剪性指標呈現相似的趨勢，均為夏季為谷值，冬季到達峰值，全年變化趨勢為春夏季下降，秋冬季上升，馬尾松和刺槐林分抗沖抗剪性較為優良，具有更強的保持水土流失、控制侵蝕溝生長發育的作用。

夏季土壤侵蝕程度高于春季、秋季、冬季。馬尾松和刺槐林分土壤侵蝕程度較小。土壤含水率、降雨量、降雨強度、全磷含量、抗沖刷系數、抗剪性、草本植被覆蓋度和土壤侵蝕模數具有較強的相關性，降雨強度、含水率和日最大降雨量、有機質、覆蓋度、抗剪性和抗沖刷系數對土壤侵蝕的貢獻率較高。