成蘭鐵路受損邊坡土壤抗沖性及其影響因素

韓美清, 吳維洲, 萬炳宏, 閆曉俊, 馮 瀟, 柯 堯, 鄭江坤

(1.中國鐵道科學研究院集團有限公司節能環保勞衛研究所, 北京 100038; 2.中國國家鐵路集團有限公司工程管理中心, 北京 100038; 3.成蘭鐵路有限責任公司, 成都 610036; 4.中鐵二十五局集團第一工程有限公司, 廣州 510405; 5.四川農業大學 風景園林學院, 成都 611130;6.四川農業大學 林學院, 成都 611130; 7.中鐵二院工程集團有限責任公司, 成都610031)

土壤抗沖性指土壤抵抗徑流沖刷對其機械破壞和推動下移的能力[1]。目前學者從地形[2]、土壤[2]、氣候[3]、植被[4]、人為因素[6]等方面對土壤抗沖性做了大量研究，提出土壤抗沖性隨著坡度的增加而減弱[7]；改善土壤的團粒結構和機械組成是提高土壤抗沖性的關鍵，隨著黏粒含量和大粒徑水穩性團聚體含量增加，土壤抗沖性呈增強趨勢[8]；植被可明顯降低降雨侵蝕，地表枯落物層可明顯增加地面粗糙度，提高表層土壤的抗沖性，土壤抗沖性隨著土層深度增加而減小，與d≤0.01 mm徑級的須根密度關系最為密切[9]。但學者們多探討土壤抗沖的單一影響因素，綜合評價少，且川西北地區的相關研究更少。

成蘭鐵路建設工程中形成大量的裸露邊坡和棄渣場，其生態環境問題日益突出[10]。邊坡是鐵路沿線生態系統最脆弱的區域之一，其安全防護和綠化美化是鐵路生態建設的重點。本研究以成蘭鐵路松潘段為例，利用通徑分析等方法研究受損邊坡土壤抗沖性變化特征及其影響因素，以期為控制和治理成蘭鐵路受損邊坡生態環境提供理論依據。

1 研究區概況

研究區位于成蘭鐵路松潘境內的鎮江關和川主寺附近。鎮江關地處四川省阿壩藏族羌族自治州松潘縣南段，平均海拔2 150 m，地貌以高山峽谷為主。該區屬干旱河谷氣候，干濕季分明，氣候干燥。年均氣溫為5.7℃，年均降水量為720 mm，年日照時數1 600 h以上。土壤以山地褐土為主，土層淺薄，極度貧瘠。植物有刺柏(Juniperusformosana)、薔薇(Rosa)、繡線菊(Spiraeasalicifolia)、小檗(Berberisamurensis)、栒子(cotoneaster)、錦雞兒(Caraganasinica)等。

川主寺地處松潘縣北段，平均海拔2 980 m，地形以亞高山和中山為主，境內地貌復雜，地處岷山山脈中段，青藏高原東南緣，為四川盆地與青藏高原過渡地帶。該區屬寒溫季風氣候，冬長無夏、晝夜溫差大，垂直差異明顯，干濕季分明。年均氣溫4.8℃，年均降雨量693.2 mm，年日照時數約2 000 h。土壤主要為山地棕褐土和山地棕壤。植物有沙柳(Salixcheilophila)、沙棘(Hippophaerhamnoides)、云杉(PiceaasperataMast.)等。

2 材料與方法

2.1 樣地設置

鎮江關樣地位于鎮江關鎮政府南700 m的213國道東側，川主寺研究樣地位于川主寺鎮政府西北2.2 km的213國道東北側。根據鐵路修建受損邊坡植被恢復情況分為鎮江關原始植被區(Z1)、人工回填區(Z2)、自然恢復區(Z3)和川主寺原始植被區(C1)、人工回填區(C2)和自然恢復區(C3)。原始植被區指未受到人為擾動的區域，人工回填區指受損邊坡經框格固坡后填土的區域，區域內無植被覆蓋，自然恢復區指受損邊坡后經框格護坡工程自然擱置3～4 a的區域，在各植被恢復區分別隨機設置6個5 m×5 m的灌木樣方和12個1 m×1 m草本樣方，記錄灌木和草本植物的種名、株數、高度及蓋度等，樣地基本情況見圖1和表1。

圖1 成蘭鐵路鎮江關(A)和川主寺(B)受損邊坡植被恢復分區

表1 試驗樣地基本情況

2.2 樣品采集

植被調查和樣品采集于2018年8月20日至8月25日，在各樣地6個灌木樣方內避開樹根隨機采集0—20 cm土層土樣裝入密封樣品袋，并清理地表植被和凋落物，用環刀和自制取樣器(長10 cm×寬10 cm×高10 cm)采集表層原狀土帶回實驗室備用。各樣地土壤基本性質見表2。

表2 成蘭鐵路川主寺和不同植被恢復樣地土壤基本性質

2.3 研究方法

2.3.1 土壤理化性質測定 土壤密度、毛管孔隙、非毛管孔隙、總孔隙度、土壤容重采用環刀法測定，土壤有機質采用重鉻酸鉀氧化—外加熱氧化法測定[11]。

2.3.2 土壤抗沖性測定 土壤抗沖性測定采用原狀土沖刷水槽法[3]，試驗前，將特制取樣器(規格10 cm×10 cm×10 cm)采集的原狀土帶回實驗室后，連同鋁制底片放置裝有8 cm深的水盆中，浸泡12 h后，取出輕放在鐵架臺上8 h，除去重力水后待試驗，每個試驗區做3次重復。沖刷水槽長2.0 m，寬0.1 m，高0.1 m；水槽的試驗坡度均設定為15°；根據松潘縣降雨數據和該區徑流系數特征，將流量設定為2.8 L/min。把待試驗的取樣器放入沖刷槽中，打開閥門，當水流流過取樣器中的土壤開始計時，總共沖刷34 min，前五組每隔2 min記錄一次，中間四組每隔3 min記錄一次，最后三組每隔4 min記錄一次，總共記錄12次。將水桶中泥水混合物過濾后小心倒入鋁盒內，置于烘箱烘干后，測量其泥沙含量(g)?？箾_指數為每沖刷掉1 g的烘干土所需水量，用AS(L/g)表示，AS越大，表示土壤的抗沖性愈強。

式中:f為沖刷流量(L/min);t為沖刷時間(min);W為烘干泥沙質量(g)。為便于比較,采用34 min沖刷時間所流出水量和所沖刷的泥沙干重之比來表示土壤抗沖刷系數[12]。

2.3.3 根系指標測定 將土樣置于水中浸泡，用0.5 mm濾網篩反復沖洗，洗凈土樣中所有根系裝入塑料盒中，觀察記錄根的完整形態，然后將洗凈的根系小心平鋪在透明的掃描皿中，擺放時各根系間不交叉重疊，且注意掃描皿邊界根系能被掃描成像，蓋上背景板后放入掃描儀中進行掃描，得到根系圖像。利用Photoshop軟件對圖像進行裁剪、調色等處理，以便增強根系的清晰度，在根系圖像訂正完成后，用WinRHIZO根系系統分析儀分析來獲得總根表面積、總根體積、根長等根系指標參數。根系掃描完成后，將根系晾干，裝入鋁盒，將鋁盒置于烘箱中，烘干至恒重取出，用1/10 000電子天平稱重，得到根重(g)。

2.3.4 通徑分析[13]通徑分析可分解多個自變量與因變量之間的線性關系，將相關系數riy分為直接通徑系數piy(某一自變量對因變量的直接作用)和間接通徑系數rij·pjy(該自變量通過其他自變量對因變量的間接作用)，即自變量xi與因變量y之間的相關系數riy是xi對y的直接作用和其他所有xi對y的間接作用之和。其中直接通徑系數piy表示通過多元線性回歸分析得到的自變量xi的標準化系數，間接通徑系數rij·pjy表示xi與xj之間的相關系數rij和xj對y的直接通徑系數pjy的乘積。通過軟件進行線性回歸計算，計算結果中的標準化系數也就是我們需要的直接通徑系數，再乘以兩自變量之間的相關系數就可以獲得間接通徑系數。

首先對土壤抗沖性數據進行正態轉換并檢驗，n=18屬于小樣本，因此對因變量y進行Shapiro-Wilk正態性檢驗，結果顯示近似服從正態分布，可進行相關性分析，把土壤抗沖刷系數作為因變量y，把土壤有機質含量x1，土壤密度x2，最大持水量x3，田間持水量x4，毛管孔隙x5，非毛管孔隙x6，總孔隙度x7，土壤容重x8，總根表面積x9，平均根系直徑x10，總根體積x11，<0.5 mm須根根長x12，根表面積x13，根體積x14，根系密度x15，總根質量x16，總根長x17，根尖數x18，分枝數x19和交叉數x20作為自變量。采用SPSS 23.0軟件對數據進行相關分析。

3 結果與分析

3.1 土壤沖刷過程中徑流含沙量的變化

在原狀土沖刷試驗過程中，各受損邊坡含沙量隨沖刷時間的變化趨勢見圖2。在產流初期，含沙量均較大，隨產流時間的增加含沙量呈規律性遞減，整體趨勢為先減少后趨于平穩，這與金曉等[14]的研究結論一致。除C3外，變化趨勢可以由冪函數很好的擬合，相關指數介于0.910 5～0.994 7。產流初期，由于表層土壤比較疏松，在沖刷過程中土壤顆粒易被搬離，所以初始徑流含沙量較大。在0～2 min階段，Z1，Z3和C1的初始徑流含沙量約是末期徑流含沙量的8倍，Z2，C2的初始徑流含沙量約是末期徑流含沙量的4倍，C3的初始徑流含沙量約是末期徑流含沙量的2倍。表層土壤更易被沖刷，由于植被根系的固土作用，深層土壤不易被沖刷。隨著沖刷時間的延長，含沙量逐漸降低。各受損邊坡土壤產流后前6 min階段含沙量急劇減小，6～10 min階段下降緩慢，隨后在一個較低水平趨于穩定。在干旱河谷區，土壤沖刷結束后徑流含沙量表現為Z2(0.287 g/L)>Z3(0.203 g/L)>Z1(0.156 g/L)。在亞高山地區，土壤沖刷結束后徑流含沙量表現為C2(0.168 g/L)>C3(0.081 g/L)>C1(0.018 g/L)。人工回填區沒有植被覆蓋，更易被沖刷；植被生長稀疏的自然恢復區植物根系在一定程度上固土作用；植被豐富的原始植被區土壤徑流量顯著減少，豐富的植被增強了土壤抗沖性。其中C2徑流含沙量初始值最高，達到7.12 g/L，C1，C3初始徑流含沙量最小，分別為0.15 g/L，0.16 g/L。由此可知，C2相比于Z2土壤受損程度最大，土壤更松散，更易被沖刷。C1植被茂盛，根系發達，相比于Z1土壤抗沖性強；C3相比于Z3土壤抗沖性也較強，說明干旱河谷區交亞高山同類型土壤更容易發生侵蝕。

圖2 干旱河谷和亞高山受損邊坡不同恢復時期含沙量動態變化特征

3.2 土壤沖刷過程中抗沖指數的變化

由圖3看出，土壤抗沖指數隨沖刷時間延長總體呈上升趨勢，且這種關系不受邊坡恢復程度變化而改變，這與伏耀龍等[15]研究結果一致。土壤抗沖指數與時間的擬合曲線呈冪函數，相關系數范圍為0.752 9～0.979 4。由于邊坡土壤表層較為疏松，容易被沖刷，深層土壤較緊實，且有須根加固，顆粒之間摩擦力增大，不易被沖刷，表現較強的抗沖性，所以在不同恢復程度下的土壤抗沖性隨沖刷時間的延長而增強。

圖3 干旱河谷和亞高山受損邊坡不同恢復時期土壤抗沖指數動態變化特征

由圖3可知，C1和C3的土壤抗沖指數增速較大，C2的土壤抗沖指數增速較小。干旱河谷3種不同受損邊坡的抗沖性指數表現為Z1(589.70 L/g)>Z3(391.21 L/g)>Z2(285.00 L/g)；亞高山地區3種不同受損邊坡的抗沖性指數為表現為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，固結纏繞土體能力強，土壤理化性質得到改善，從而增強了土壤的抗沖性能。自然恢復區植被恢復了3～4 a，植物根系對土壤結構性質具有一定的改善作用，但遠不如原始植被區。人工回填區無植被覆蓋，且土壤孔隙度低，有機質含量少，土壤容重高，土體緊實，結構性和通透性較差，所以土壤抗沖性較小。

3.3 土壤抗沖性的相關性分析

由表3可知，土壤抗沖性與土壤有機質含量x1，土壤密度x2，最大持水量x3，田間持水量x4，毛管孔隙度x5和總孔隙度x7間存在極顯著相關關系(p<0．01)，其中與x1，x3，x4，x5和x7呈正相關；而與土壤密度x2呈負相關，即隨土壤密度的增加，土壤抗沖性減弱。因為影響因素間存在多重共線性，對土壤抗沖性的影響效果重疊，為了消除多重共線性，采用通徑分析法進一步研究。

表3 土壤抗沖刷系數相關性顯著的因子間相關系數

3.4 土壤抗沖性的通徑分析

通徑分析過程中剔除了影響不顯著或存在多重共線性的變量，變量x1，x2，x7，x8被選入最優模型。由此可見，在20項影響因素中，x1，x2，x7和x8對土壤抗沖刷系數有較為直接且顯著的作用，是影響土壤抗沖性的主導因素。表4為主導因素對土壤抗沖刷系數的通徑系數，其中x1和x7與土壤抗沖刷系數呈正相關，x2和x8與土壤抗沖刷系數呈負相關。主導因素直接通徑系數的絕對值大小依次為：x2(-2.665)，x8(1.877)，x7(-0.590)，x1(0.523)?？梢姡寥烂芏葂2對土壤抗沖性表現為強烈的直接作用，其次是土壤容重x8，而土壤有機質含量x1和總孔隙度x7的直接作用較小。主導因素間接通徑系數合計后的絕對值大小依次為：x8(-2.295)，x2(1.963)，x7(1.343)，x1(0.077)。說明x8對土壤抗沖性間接作用最強烈，其次是x2，x1，x7。x1，x7和x8通過x2的間接通徑系數最大，說明自變量x1，x7和x8通過x2間接影響土壤抗沖性系數y的程度最大。而x2通過x8間接影響土壤抗沖性最大。

由相關性分析可知，x3(r=0.668**)，x4(r=0.725**)，x5(r=0.668**)與土壤抗沖性具有極顯著的相關性(表3)，而通徑分析顯示以上因子不是影響土壤抗沖性的關鍵因子，可能是由于以上因子與其他因子間存在多重共線性，以上因子通過影響土壤有機質含量x1，土壤密度x2，總孔隙度x7和土壤容重x8間接影響土壤抗沖性，所以不作為影響土壤抗沖性的主導因素。

決定系數結果見表4，x2對土壤抗沖性的決定系數dy．x2(7.102)最大，其次是x8(3.523)；x2對R2的總貢獻(R2=1.871)最大，其次是x8(R2=-0.785)，其他關鍵因子的決定因素和總貢獻R2相對較小。由此可見，x2是影響成蘭鐵路受損邊坡土壤抗沖性的最重要指標，且與土壤抗沖刷系數呈顯著負相關。

表4 主導因素對土壤抗沖刷系數的通徑系數、決定系數和對R2的總貢獻

3.5 主導因子對土壤抗沖性的影響

利用采樣點的土壤有機質含量x1，總孔隙度x7和土壤容重x8與進行回歸分析可得，x1，x7和x8與土壤抗沖刷系數的相關關系可以用冪函數較好的擬合。

由圖4可知，x1與土壤抗沖刷系數呈極顯著正相關(r=0.600，p<0.01)，x7與土壤抗沖刷系數呈極顯著正相關(r=0.670，p<0.01)。隨著土壤有機質含量和總孔隙度的增加，土壤抗沖性能也增加，反之亦然。土壤容重與土壤抗沖刷系數呈負相關(r=-0.418)，土壤抗沖刷系數隨土壤容重增加而減弱。通過分析，x2是影響成蘭鐵路受損邊坡土壤抗沖性的最重要指標，利用土壤密度和土壤抗沖性進行回歸分析，土壤密度x2與土壤抗沖刷系數呈極顯著正相關(r=0.702，p<0.01)。土壤抗沖刷系數隨著土壤密度的增加明顯減少，二者的關系可用冪函數y=3704.5x-6.451來表達。式中：y為土壤抗沖刷系數(L/g)；x為土壤密度(g/cm3)。當土壤密度小于1.3 g/cm3時，土壤抗沖刷系數隨著土壤密度的增加迅速降低，當土壤密度大于1.3 g/cm3時，土壤抗沖刷系數的降低速率減緩并趨于平穩，即土壤抗沖性達到相對穩定的狀況(圖4)。

圖4 受損邊坡土壤抗沖刷系數與主導因子的關系

4 討 論

4.1 受損邊坡不同恢復時期對土壤理化性質和根系的影響

成蘭鐵路不同受損邊坡對土壤理化性質和根系的影響有所差異。原始植被區未受鐵路工程干擾，土壤密度小，表明土壤較疏松，通透性好，肥力較高，根系分布廣，故土壤抗沖性強。人工回填區為土體緊實，結構性和通透性較差，生長植物稀疏，根系聯結作用弱，其土壤抗沖性弱。自然恢復區的土壤回填后自然恢復了3～4 a，其土壤容重、孔隙度、植物生長情況等有一定的改善，其下滲能力較強，土壤抗沖性也較強。植物的生長發育增加了根系的生長，根系具有根土黏結和生物化學作用[16]，因此能疏松土壤，降低土壤容重，增加土壤孔隙度，還能促進土壤有機質的形成[9]。

4.2 土壤抗沖刷系數及主要影響因子分析

本文通過通徑分析得出土壤有機質含量、總孔隙度、土壤容重和土壤密度是影響土壤抗沖性的主要影響因子。土壤抗沖性與土壤容重和土壤密度呈極顯著的負相關關系，與有機質含量和總孔隙度呈極顯著正相關關系，這與郭明明等[17]研究結果一致。這是由于容重的減小和土壤總孔隙度的增加能提高土壤的蓄水能力，緩解徑流對土壤的分離作用，進而使土壤抗沖性能增強；同時，有機質以膠膜的形式包被土壤顆粒，增加了土壤的黏結性，促進了土壤團粒結構的形成，因此增加了土壤顆粒抵抗徑流沖刷的能力[8]。王健等[18]研究結果表明土壤容重和土壤密度與土壤抗沖指數呈正相關，土壤孔隙度與土壤抗沖指數呈負相關，土壤容重越大，孔隙度越小，土壤越緊實，其抗沖性能越強，這與本試驗結果相反，可能因為研究區土壤類型差異所致，說明土壤容重和土壤總孔隙度不是影響土壤抗沖性的唯一因素，有機質含量以及水穩性團聚體含量也會影響土壤抗沖性的大小。根據通徑分析得出，剩余項的通徑系數e約為0.290，說明對土壤抗沖性有影響的自變量不止以上20個因素，還有因素沒有考慮到，對土壤抗沖性影響因素的分析有待于進一步研究。

5 結 論

亞高山區的土壤抗沖性整體高于干旱河谷區，其中兩地原始植被區的高陡邊坡土壤抗沖性最大，其次是自然恢復區和人工回填區。徑流含沙量和土壤抗沖刷系數隨沖刷時間的增長總體分別呈冪函數式的下降和上升變化，在沖刷10 min后逐漸趨于穩定。土壤密度和土壤有機質是影響成蘭鐵路邊坡土壤抗沖性關鍵因子，土壤密度越大，土壤抗沖性越小，而土壤有機質越大，土壤抗沖性也越大。因此，對成蘭鐵路高陡邊坡人工填土區土壤應適當添加有機質，改善土壤團聚體結構，有效提高土壤孔隙度。