黃麻土工布覆蓋對花崗巖紅壤表土坡面侵蝕特性的影響

董博文,孫耀清,梁祥鵬,胡 強

(信陽農林學院 林學院,河南 信陽 464000)

南方紅壤區是我國水土流失的嚴重區域之一，其中面積在2.00×105km2以上的花崗巖區尤為突出。南方高溫濕潤的氣候特點有助于母巖風化，形成深厚的風化殼[1]。日益緊張的人地關系、濫砍亂發、無序開發建設等人為因素誘導、加速了低山丘陵區的土壤侵蝕。花崗巖結構松散，富含石英砂礫，具有不同于其他母質發育的土壤的特殊型。一旦花崗巖紅壤坡面發生土壤侵蝕，坡面細溝侵蝕極易演變成溝蝕，形成危害巨大的“生態潰瘍”——崩崗侵蝕。這類侵蝕治理難度大，會毀壞房屋道路，沙壓農田，淤積水庫塘堰，嚴重影響當地社會、生態、經濟的發展和安全[1]。從崩崗的侵蝕類型演變來看，崩崗大多數由地面徑流形成的細溝侵蝕發育而來，是坡面侵蝕溝谷發育的高級階段[1-2]。降雨達到地表后，雨滴和薄層徑流呈點狀、片狀或面狀地剝蝕表面土壤。當坡面形成徑流后，徑流對花崗巖風化殘積土產生下切侵蝕，在切穿表土后，坡面形態由無定型的細溝發育到永久性、固定型的淺溝、切溝和沖溝[1]。尤其是在植被被破壞后，裸坡演化為溝蝕的速度更迅速。因此，花崗巖地區紅壤坡面侵蝕的發生機制和防治工作近些年來一直是學者們的研究熱點[3]。如蔡崇法等[4]研究了花崗巖紅壤表土特征及對坡面侵蝕的影響，認為花崗巖紅壤穩定的表土是一個上部多礫石、下部較緊密的緊實層，緊實層的存在影響地表入滲和坡面產流產沙量。張德謙等[5]研究了花崗巖紅壤各層次土體的坡面侵蝕特性和各粒徑泥沙的分選規律，指出淋溶層具有較強的抗侵蝕能力，在侵蝕過程中坡面細顆粒流失嚴重。對于花崗巖風化巖殼上粘下砂、上緊下松的特點，表土對于表下層土壤具有重要的保護作用，一旦表土被切穿、剝離，表下層極易發生更嚴重的侵蝕[5]。近年來，生物工程防治、坡面削坡開級、坡面覆蓋物的生態治理等新興措施逐漸興起，越來越發揮重要的作用。因此，部分學者將紅壤坡面侵蝕防治的研究重心集中在坡面覆蓋因子的影響上，合適的覆蓋物能夠有效地減少坡面的土壤侵蝕和徑流[6-8]。目前，已有的研究中使用的坡面覆蓋物主要為秸稈覆蓋[6-7]、礫石覆蓋[8]等措施。黃麻土工布是用低等麻或麻紡下腳料織成的網狀物，是國內一種常見的農業工程材料。近些年來，土工布逐漸被引入了坡面水土保持技術中，在防治工程邊坡侵蝕方面有一定應用前景[9]。它含有良好的天然纖維，具有良好的透水性、隔離性、防滲防護，工程效益見效快，能迅速建立植被，在改善土壤結構，攔蓄徑流泥沙等方面有巨大優勢[9-10]。張勇等[11]報告了花崗巖紅壤在黃麻土工布覆蓋影響下的坡面侵蝕特性，包括坡面產流產沙、泥沙粒徑分選等。然而，該試驗只考慮了有黃麻覆蓋與無黃麻土工布覆蓋條件及陡坡條件，在不同坡度梯度和網格大小的黃麻土工布覆蓋條件下的坡面侵蝕特性尚未見報道，尤其是花崗巖紅壤表土的坡面侵蝕特性還需進一步的研究。基于以上研究背景，本試驗以花崗巖紅壤表土層為研究對象，通過室內模擬降雨試驗的方法，探究黃麻土工布控制條件下花崗巖紅壤的坡面侵蝕特性，以期為花崗巖紅壤區坡面侵蝕的防治工作提供一定的科學參考。

1 材料與方法

1.1 供試土壤

采樣點位于湖北省咸寧市通城縣五里鎮(29°12′39″N，113°46′26″E)，該地區氣候屬于北亞熱帶季風氣候，氣候溫和，年平均氣溫為17.1 ℃，無霜期為260 d左右，平均年降雨1 604 mm。通城縣廣泛出露著花崗巖母質發育的松散土體，花崗巖占全縣地層巖石面積的80%以上。采樣點的土地利用方式為林地，主要植物有馬尾松、金櫻子、鐵芒萁等。在前期野外調查的基礎上，選取了典型土壤剖面，并將其上部0—15 cm厚度的表層土壤采集并運回試驗室。同時，3個100 cm3環刀原狀土樣被采集用于測定自然狀態下土壤容重。將土樣自然風干并過10 mm篩網，剔除石塊、根系等雜質。土壤理化性質采用常規方法測定[12]，土壤容重和土壤含水率通過烘干環刀樣獲得；pH值通過1∶2.5土水比混合浸提后，電極法測定；土壤的機械組成(國際制)采用濕篩法和吸管法測定；有機質為重鉻酸鉀外加熱法。上述試驗每組重復3次進行，結果見表1。

表1 研究區土壤基本性質

1.2 試驗方法

1.2.1 試驗設備 模擬降雨通過自動模擬降雨系統提供，該降雨器通過控制供水壓力和不同的噴頭組合可以實現15～220 mm/h降雨強度范圍，且降雨均勻度>90%，降雨高度為10 m，雨滴到達坡面表面時可以達到終點速度。試驗土槽規格為2.0 m(長)×1.2 m(寬)×0.4 m(高)，坡度可在0°～30°自由調節(見圖1)。

圖1 試驗土槽示意圖

1.2.2 土槽制備 在填裝土壤前，將土槽底部填裝15 cm鵝卵石與細沙以便坡面自由排水。根據野外采集的環刀測定的容重，將試驗土壤填入土槽。土壤采用分層填裝的方法，以每層5 cm的增量進行填裝，逐層填至40 cm。為保證土壤顆粒分布均勻、貼合緊密，在填入上層土壤前將下層土壤刮毛處理。每組試驗重復進行2次。土槽完成填裝后，在土壤表面覆蓋一層紗布以減少預濕潤降雨對坡面的影響。試驗開始前以30 mm/h的雨強對坡面進行預濕潤處理，直至坡面開始產流，然后將其放置24 h自由排掉重力水。當通過TDR(time domain reflectometry)測定的坡面土壤含水率將至20%時，開始進行降雨試驗。

1.2.3 試驗設置 試驗于2018年3月至2019年3月在華中農業大學降雨大廳進行，每個處理試驗重復2次。針對我國亞熱帶氣候區典型的強風暴[13]，試驗設置了90 mm/h的降雨強度。丁光敏等[14]對福建崩崗侵蝕成因的調查研究發現10°～25°是最易產生侵蝕的坡度，同時也是崩崗侵蝕區集水坡面的常見坡度，因此，試驗設置了緩坡5°和陡坡15°的2個坡度。本試驗中使用的黃麻土工布與張勇等[11]的材料一樣，黃麻直徑為5 mm。依據坡面覆蓋度和黃麻土工布的網格大小，試驗依次設置了對照無覆蓋組(CK)、6 cm×6 cm組(T1)和3 cm×3 cm組(T2)3個處理(圖1)。

1.2.4 觀測指標和數據處理 在降雨試驗開始前，將土槽調整至目標坡度，并將降雨強度校準到目標強度(誤差<5%)。當坡面開始產流后，試驗開始計時，每場降雨持續60 min。試驗過程中，通過放置在土槽四周的雨量筒實時監測降雨強度。降雨過程中通過鋁盒與塑料桶收集泥沙樣，采集間隔為2 min。將鋁盒中的泥沙樣稱重、烘干后，結合塑料桶收集的泥沙樣，獲得坡面產流量、含沙量等數據。徑流系數為坡面產流量與坡面實時降雨量之比。在本研究中，考慮到花崗巖紅壤土壤團聚體的弱穩定性，選擇最終粒徑分布(分散處理)來表征泥沙的粒徑分布，其通過濕篩法和吸管法得到。由于>0.1 mm泥沙粒徑在沉降筒中沉降太快，因此將上述烘干鋁盒(每4 min)中的土壤轉移進燒杯，移除有機質并分散后，過0.1 mm的篩網。粒徑>0.1 mm的泥沙過2 mm的篩網進一步篩分，粒徑<0.1 mm的泥沙通過吸管法獲取泥沙的粒徑分布。泥沙粒徑被劃分為黏粒(<0.002 mm)、粉粒(0.002～0.05 mm)、砂粒(0.05～2 mm)及礫石(2～10 mm)。

本研究選取下列相關參數。土壤侵蝕速率〔g/(m2·min)〕為單位時間、單位侵蝕面積上土壤在坡面徑流侵蝕力的作用下被剝蝕的土壤顆粒質量[15]：

(1)

式中：E為土壤侵蝕速率〔g/(m2·min)〕；mt為T時間內的累計產沙量(kg)；B為水面寬度(這里用土槽寬度代替)(cm)；L為坡長(m)；T為時間(min)。泥沙顆粒的富集率，用于研究土壤侵蝕過程中泥沙中各粒級泥沙顆粒的富集現象[6]，具體計算公式為：

(2)

式中：ER為富集率；Ps為各粒徑泥沙顆粒的質量占泥沙總質量百分比(%)；Po為相應粒徑的土壤顆粒占原始土壤的百分比(%)。富集率>1表示泥沙中該粒徑顆粒比原始土壤中相應顆粒所占的比例更大，富集率<1則表示泥沙中該粒徑顆粒小于原始土壤中相應顆粒所占的比例。平均重量(MWD)直徑(mm)為用以表征泥沙和土壤粒徑分布的指標：

(3)

式中：ri為第i個篩子孔徑(mm),r0=ri，rn=rn+1；mi為第i個篩網中顆粒的質量分數；n為篩子的數量。

本試驗中，數據處理通過Excel與Origin 2020軟件完成。

2 結果與分析

2.1 坡面產流產沙過程

在本試驗中，坡面侵蝕屬于濺蝕—片蝕(細溝間侵蝕)過程的范疇，泥沙的分離與輸移是由雨滴的擊濺作用和降雨引起的坡面薄層徑流所驅動。圖2表示不同試驗條件下坡面徑流系數隨降雨歷時的變化。由圖2可知，坡面徑流系數隨降雨歷時呈逐漸增加的趨勢。在降雨初期，雨水下滲延緩了徑流的產生[6]。隨著降雨的持續，土壤含水率逐漸飽和，同時大團聚體破碎形成的細顆粒逐漸堵塞土壤孔隙，從而促進了徑流的產生與增加，當坡面入滲率趨于穩定時，徑流率也趨于穩定[5]。另外，坡面徑流量隨著坡度的增加呈現增加的趨勢，而隨黃麻土工布覆蓋密度(無覆蓋CK至6 cm×6 cm網格T1，3 cm×3 cm網格覆蓋T2)的增加呈現減小的趨勢。如在T1覆蓋條件下緩坡與陡坡的平均徑流系數分別為0.56和0.46，而當坡面覆蓋由無覆蓋(CK)增加到T1，T2時，緩坡條件下坡面的平均徑流系數分別為0.64，0.56及0.49。

圖2 徑流系數隨降雨歷時變化過程

如圖3所示，本試驗采用了土壤侵蝕速率對坡面侵蝕產沙進行了定量化表達。在各試驗條件下，土壤侵蝕速率隨降雨歷時呈現逐漸減小的趨勢。結合上述坡面徑流隨降雨歷時逐漸增加的規律，表明坡面侵蝕過程是一個侵蝕分離受限的過程。和徑流系數的規律相似，土壤侵蝕速率隨著坡度的增加而增加。坡度的增加一方面使坡面土體穩定性降低，另一方面增加了徑流在坡面方面的重力分力，使其侵蝕力和能量增加，更易侵蝕及搬運土壤[6,16]。同時，當坡面覆蓋由無覆蓋(CK)增加到T1，T2時，土壤侵蝕速率逐漸減小，如在陡坡條件下3種覆蓋處理的坡面土壤侵蝕速率分別為55.05，38.20及22.92 g/(m2·min)，相比之下，2種黃麻土工布處理使土壤侵蝕分別減少了28.0%和56.8%。本試驗中盡管與其他研究所使用的土壤類型和覆蓋物不同，但同樣達到了相應的減流減沙效果。

圖3 土壤侵蝕速率隨降雨歷時變化過程

2.2 泥沙分選過程

整體上，在緩坡和陡坡條件下各粒徑泥沙顆粒的變化呈現了相似的規律(見圖4)。泥沙中黏粒和粉粒顆粒的含量隨黃麻土工布覆蓋密度的增加而增加，而砂粒和礫石顆粒的含量則相反。各粒徑顆粒隨降雨歷時的變化則表現出相反的規律，黏粒和粉粒顆粒的百分比均隨降雨歷時而逐漸減少，粒徑較大的砂粒和礫石顆粒的百分比均隨降雨歷時而逐漸增加。其原因是在坡面片蝕階段，坡面的土壤被薄層徑流層狀剝蝕，徑流搬運能力不足，懸移是主要的搬運機制，細顆粒傾向于被徑流優先選擇性搬運[7]，石英粗顆粒由于其質量較大而難以搬運。然而，隨著降雨的持續，一方面土壤表面細顆粒逐漸耗盡，另一方面土壤表面形成結皮，侵蝕受到限制，徑流能量逐漸更多地消耗在粗顆粒的搬運上[16]。雖然，隨著降雨的持續粗顆粒含量在逐漸增加，但泥沙中仍以細顆粒為主。

圖4 不同試驗條件下各粒徑泥沙顆粒隨降雨歷時的變化規律

各試驗條件下侵蝕泥沙顆粒的富集率變化如圖5所示。從圖5可以看出，泥沙中黏粒和粉粒顆粒呈現富集的規律，而砂粒和礫石顆粒呈現虧損的規律。這一結果間接表明隨著降雨的持續，坡面土壤中的石英粗顆粒逐漸傾向于被留在坡面，并不斷在坡面富集形成一層粗粒覆蓋層，這與我們在野外觀察到的現象一致。另外，在本試驗的短時強降雨條件下，緩坡更有利于泥沙中細顆粒的富集，坡度的增加使泥沙趨于粗化(見圖5)。如T1處理下，當坡度由5°增加到15°時，泥沙中黏粒的富集率由1.27減少到了1.17，而砂粒的富集率由0.60增加到了0.74。坡度的增加使難以搬運的粗顆粒開始傾向于被搬運，加之徑流能量增加，導致泥沙中粗顆粒所占的比例增加，進而造成細顆粒的相對含量下降[17]。

黃麻土工布的存在明顯有利于泥沙中細顆粒的富集(見圖5)。隨著黃麻土工布覆蓋密度的增加，泥沙中細顆粒的富集率呈現增加的趨勢，粗顆粒的富集率則相反。在緩坡條件下，當黃麻土工布覆蓋密度增加時，黏粒的富集率由1.19增加到了1.27，1.38。和無覆蓋試驗相比，即使在陡坡條件下，黃麻土工布對徑流搬運的大顆粒也具有明顯的攔截效應，其結果導致石英粗顆粒更多地富集在坡面表面。泥沙顆粒的平均重量直徑(MWD)提供了更直觀的證據(見圖6)。泥沙顆粒的MWD越大，說明泥沙越粗糙。對MWD分析可知，緩坡條件下，3個處理的泥沙MWD平均值分別為0.37，0.30，0.22 mm，陡坡條件下泥沙MWD平均值分別為0.44，0.37和0.31 mm，表明泥沙隨坡度的增加呈現越加粗糙的規律，隨著黃麻土工布覆蓋密度的增加呈相反的規律。和無覆蓋處理相比，黃麻土工布覆蓋處理進一步使土壤中的粗粒富集在坡面，對坡面的侵蝕過程具有重要影響。

圖5 不同試驗條件下各粒徑泥沙顆粒富集率

圖6 不同試驗條件下泥沙顆粒的平均重量直徑(MWD)

3 討 論

水力侵蝕涉及了由降雨濺蝕和地表徑流引起的土壤分離、泥沙輸移、泥沙沉積3個過程[7]。雨滴和薄層徑流的能量用于克服土壤顆粒之間的黏結力，并將剝離的土壤顆粒運輸到其他位置[18]。在本試驗中，坡面徑流量和土壤侵蝕速率隨著黃麻土工布覆蓋密度(CK至T1，T2)的增加而減小。試驗中使用的網格狀黃麻土工布與Shi等[7]的研究中使用秸稈覆蓋措施的效果相似，他指出當坡面覆蓋率分別增加12.7%和86.6%時，坡面穩定產流率分別減少了8.2%和75.5%，同時坡面覆蓋極大地減少了土壤侵蝕，尤其是在高密度覆蓋條件下坡面含沙量減少了20多倍。Lin等[6]報告了在高密度覆蓋條件下由于入滲的增加導致土壤侵蝕量出現了轉折。究其原因，一方面黃麻土工布能夠增加土壤表面糙度，增加入滲能力，減少徑流量及流速，削減徑流能量，從而減少徑流的侵蝕能力及挾沙能力；另一方面黃麻土工布能夠削減、分散降雨能量，阻止雨滴直接打擊土壤表面，減少土壤顆粒的侵蝕和破碎，抑制土壤結皮的發生與發展[8]。

坡面的侵蝕過程是一個泥沙顆粒的分選過程，泥沙的粒徑分布與富集率可以為坡面的原位和異位侵蝕提供更多的信息[7]。泥沙中黏粒和粉粒顆粒的含量隨黃麻土工布覆蓋密度的增加而增加，而砂粒和礫石顆粒的含量則相反。黃麻土工布覆蓋密度的增加不僅導致了坡面徑流量的減少，也增加了土壤表面糙度，致使徑流剝蝕、搬運泥沙時需要消耗更多的能量，使易蝕的細顆粒被優先剝蝕、搬運。然而，泥沙中黏粒和粉粒顆粒的含量通常高于原始土壤，砂粒和礫石顆粒的含量低于原始土壤，這個結果直接反映在各粒徑顆粒的富集率上：黏粒和粉粒顆粒的富集率>1，而砂粒和礫石顆粒的富集率<1。這與Lin等[6]采用崩積堆土壤獲得的研究結果相似。尤其是，黃麻土工布覆蓋密度對泥沙中細顆粒的富集有積極的作用。黃麻土工布覆蓋密度越高，泥沙中黏粒和粉粒顆粒的富集率越高，相應地，石英粗顆粒隨之更多地富集在坡面表面。Shi等[7]指出在坡面秸稈覆蓋率較低時(≤30%)坡面分離受限機制占主導地位。在本試驗中，分離受限機制和黃麻土工布對降雨和徑流能量的削減有關，黃麻土工布覆蓋密度越高，徑流能量越小，越加難以搬運質量較大、啟動難度大的石英粗顆粒，這與前文的分析結果一致。研究[8]表明，礫石覆蓋對土壤的物理性質起重要作用。石英粗粒覆蓋層的存在類似于坡面覆蓋物的作用，不僅能夠直接削減降雨和徑流能量，減少雨滴的直接打擊作用，還增加了坡面糙度，能夠攔截被侵蝕的泥沙，尤其是泥沙中的大顆粒[7]。對于花崗巖紅壤這種特殊類型的土壤，石英粗顆粒的不斷富集也是造成坡面侵蝕分離受限機制、土壤侵蝕速率隨降雨的持續而逐漸降低的原因(見圖3)。相比裸坡，黃麻土工布覆蓋導致坡面原位在后續侵蝕過程中有更高的侵蝕抗性，并形成一個正反饋過程。但是，原位產生的含沙量少的徑流有可能會增加下坡異位的侵蝕。

4 結 論

(1) 各試驗條件下，坡面徑流系數和土壤侵蝕速率隨坡度的增加呈現增加的趨勢，隨黃麻土工布覆蓋密度的增加呈現減少的趨勢。土壤侵蝕速率隨降雨歷時的增加呈現減小的趨勢，徑流系數則相反。黃麻土工布覆蓋的存在能夠有效地減少坡面徑流量與土壤侵蝕速率。

(2) 侵蝕泥沙中黏粒和粉粒顆粒的百分比均隨降雨歷時逐漸減少，砂粒和礫石顆粒的百分比則相反，同時泥沙中黏粒和粉粒顆粒的含量通常高于原始土壤，砂粒和礫石顆粒的含量低于原始土壤。黏粒和粉粒顆粒傾向于被優先輸移。

(3) 不同粒徑大小的泥沙顆粒的輸移過程均具有選擇性，泥沙中黏粒和粉粒顆粒呈現富集的規律，而砂粒和礫石顆粒呈現虧損的規律。這間接表明坡面發生了粗顆粒的富集，尤其出現在在緩坡與高密度黃麻土工布覆蓋條件下。泥沙顆粒的MWD直觀地證明了上述結果。