黃土丘陵區邊坡開挖對土壤抗蝕性影響

劉思璇, 高建恩,2,3, 李文證, 高 哲, 周凡凡, 王照潤, 王 鷺

(1.西北農林科技大學 水土保持研究所, 陜西 楊凌 712100; 2.中國科學院 水利部 水土保持研究所, 陜西 楊凌 712100;3.水利部 水土保持生態工程技術研究中心, 陜西 楊凌 712100; 4.西北農林科技大學 水利與建筑工程學院, 陜西 楊凌 712100)

隨著黃土高原地區高質量發展的推進，大規模的邊坡開挖在極大程度上滿足了當地用地及工程建設需求的同時嚴重擾動了原始坡面，原有植被及土壤環境遭到破壞，坡面土壤侵蝕現象頻發，對該地區的土壤生態環境安全造成了嚴重的影響[1-4]，其中2013年延安地區突發連續性暴雨致使大量邊坡沖毀嚴重[5]，引起社會的高度關注，因此研究邊坡開挖對坡面土壤抗蝕能力影響具有現實意義。

目前在開挖坡面對土壤抗蝕環境影響研究方面，多關注開挖坡面的侵蝕變化。Jin等[6]研究表明，黃土高原是由結構脆弱、易受水力侵蝕的第四紀黃土性揚塵沉積所得，邊坡的開挖有增大流域邊坡水土流失危害的風險；高建恩等[7]通過室內邊坡開挖形成的70°高陡邊坡的降雨及放水試驗發現，侵蝕受雨滴打擊和坡面粗糙度“雙紊動”源影響并給出了水力計算模型；汪勇等[8]認為降雨入滲是影響開挖邊坡穩定性的重要指標，且越接近坡腳，越容易發生變形和破壞。王壯壯等[9]通過研究邊坡不同開挖工況下邊坡穩定性指出，開挖進尺大于30 m時，坡腳開挖角度越大，邊坡穩定性越低；陳航等[10]采用數值計算軟件分析了紫穗槐對切削邊坡的加固作用，指出土壤含水量為12%時紫穗槐固坡效應最好。薛強等[11]在調查開挖型黃土邊坡中指出，侵蝕剝落狀況是邊坡崩塌破壞過程中的先決因素。然而目前開挖坡面的研究多集中于開挖區，邊坡開挖對整個坡面土壤抗蝕能力的時空變化影響研究相對較少。

本研究以陜西延安羊圈溝小流域內開挖邊坡所在坡面為例，流域內原始坡面為對照，通過野外采樣與室內分析相結合，分析研究黃土丘陵區一定邊坡開挖率下，對各坡位土壤抗蝕能力影響及其年恢復變化，旨在明確開挖邊坡的防護范圍及程度，為今后邊坡開挖工程的安全與防護提供科學的指導與理論支持。

1 試驗材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于陜西省延安市羊圈溝小流域(109°31′—109°71′E，36°42′—36°82′ N)，距延安市區14 km，屬半干旱大陸性季風氣候，多年平均降水量535 mm，多集中在7—9月，占全年降水量的79%，年際變化較大。屬典型的黃土丘陵溝壑區，流域內土壤以黃綿土為主，抗蝕性差，水土流失情況相對嚴重。植被類型主要有刺槐(RobiniaPseudoacaciaL)，檸條(CaraganaKorshinskiiKom)，狗尾草(Setariaviridis(L.) Beauv)，荊條(VitexnegundoL)，茅莓(RubusparvifoliusL)，白刺花(Sophoradavidii(Franch)Skeels)。

1.2 土壤樣品的采集

通過對溝道土地整治所在流域進行實地勘察，選擇2018年開挖的無臺階式開挖邊坡所在坡面為研究對象，邊坡開挖高度在4～6 m，周邊未開挖坡面為對照，坡面類型均為陽面凸坡，土質為黃綿土。于2019年7月，依據不同高程及開挖面均等劃分為4個坡段和開挖坡段，分別為坡頂(Ⅰ區)，坡上(Ⅱ區)，坡中(Ⅲ區)，坡下(Ⅳ區)，坡腳/開挖區(Ⅴ區)(圖1)。并按照“S”形在每個坡段設置5個采樣點，除去土體表層枯枝落葉，在0—100 cm土層深度內，按0—20 cm，20—40 cm，40—60 cm，60—80 cm，80—100 cm分層采集土壤樣品，并將各樣地采樣點內，相同土層深度的土樣均勻混合，作為分析樣品帶回實驗室自然風干，進行土壤團聚體、含水量、有機碳指標測定。

1.3 樣品的測定

土壤團聚體粒級配分布及穩定性狀況的測定采用濕篩法，即將所得土樣通過四分法稱取50 g，加入蒸餾水浸泡15 min后，倒入孔徑依次為5,2,1,0.5,0.25 mm的套篩中。在35 r/min的頻率下震蕩15 min后，將各級篩網上的團聚體沖洗至燒杯內烘干稱重[12]。

圖1 坡位示意圖

土壤含水量的測定采用烘干法；土壤有機碳含量的測定采用重鉻酸鉀外加熱法[13]。

1.4 數據計算與處理

土壤團聚體平均重量直徑(MWD/mm)能夠直接反映土壤結構穩定性大小，其計算公式[14]如下：

(1)

式中:Wi為每個粒級下土壤團聚體的百分百分數；Xi為各粒級的平均直徑。

土壤可蝕性KS能夠綜合表示土壤抗蝕能力強弱，其的計算公式[15]如下：

KS=7.954{0.0017+0.0494exp[-0.5

(2)

采用單因素方差分析(one-way ANOVA)和最小顯著差異法(LSD)對各坡位土壤有機碳進行分析；采用Pearson法(α=0.05)對土壤可蝕性K值與土壤有機碳和土壤團聚體MWD值進行相關性分析；采用Origin 2018軟件進行作圖。

2 結果與分析

2.1 邊坡開挖對各坡位土壤團聚體結構影響

土壤團聚體作為土壤基本的結構單元，其大小分布及穩定性能顯著影響降雨入滲及土壤可蝕性，是評價土壤抗蝕環境的重要因子[16]。邊坡開挖工程的實施，易造成團聚體結構變差，大團聚體破裂，穩定性降低。通過對開挖及對照坡面各坡位的土壤團聚體組成級配進行分析，結果見圖2。隨坡位降低，開挖坡面在0—40 cm土層內，大于5 mm和大于0.25 mm的團聚體含量均呈先增加后減小趨勢，其中大于5 mm的土壤團聚體在Ⅳ，Ⅴ區均呈現降低趨勢，大于0.25 mm團聚體在Ⅴ區出現降低趨勢。而對照坡面，隨坡位的降低均呈增加趨勢；因此，邊坡開挖顯著影響Ⅳ，Ⅴ區的土壤團聚體團粒結構，且Ⅴ區受影響程度高于Ⅳ區。

圖2 各坡位土壤團聚體粒級分布

土壤團聚體平均重量直徑(MWD)能夠直接反映土壤團聚體穩定性大小，較好地評價土壤保水保肥性能[17]。通過對土壤團聚體穩定性分析，結果見圖3，開挖坡面在0—20 cm，20—40 cm土層中，土壤MWD值隨坡位的降低呈先增大后減小趨勢，其中Ⅰ—Ⅲ區MWD值為逐漸增加趨勢，Ⅳ—Ⅴ區為逐漸降低趨勢，其中MWD值在0—20 cm，20—40 cm土層中相較于Ⅰ區，Ⅳ區分別增加12%，145%，Ⅴ區分別降低34%，29%；相較于Ⅲ區，Ⅳ區分別降低1.5%，6.3%，Ⅴ區分別降低42.2%，73%。而在對照坡面0—20 cm，20—40 cm土層中隨坡位的降低，MWD值均呈逐漸增加趨勢，且Ⅳ區、Ⅴ區MWD值在0—20 cm，20—40 cm土層中，相較于Ⅰ區分別增加69%，218%，89%，239%；相較于Ⅲ區分別增加了21%，53%，36%，63%。

結果表明，邊坡開挖影響坡面土壤團聚體穩定性，其中Ⅳ區、Ⅴ區受影響程度較為顯著，且Ⅴ區團聚體穩定性受影響程度高于Ⅳ區。

圖3 各坡位MWD變化

2.2 邊坡開挖對各坡位土壤有機碳及含水量影響

土壤有機碳及含水量作為土壤的重要組成部分，能夠顯著影響土壤質量及環境[18-19]，是評價土壤抗蝕環境的又一重要指標，邊坡開挖在破壞坡面原有地形地貌的同時，對坡面土壤有機碳含量也產生顯著影響。通過對比邊坡開挖下各坡位土壤有機碳空間變化差異，由圖4可得，開挖坡面土壤有機碳含量隨坡位的降低呈先增大后減小趨勢，在開挖坡面0—100 cm土層中，相較于Ⅰ區，Ⅳ區0—20 cm土層內有機碳含量降低11%，20—100 cm土層內增加10%～39%，Ⅴ區0—100 cm土層內有機碳含量增加10%～91%；而隨坡位的進一步降低，相較Ⅲ區，在Ⅳ區0—80 cm土層深度內土壤有機碳含量顯著降低，其中較Ⅲ區，0—40 cm土層降低21%～41%，40—80 cm土層降低8%～14%；Ⅴ區土壤有機碳含量在0—40 cm土層內，顯著降低10%～39%。而對照坡面，隨坡位的降低各土層土壤有機碳含量均呈逐漸增大趨勢，且Ⅳ區、Ⅴ區土壤有機碳含量均顯著高于其他坡位，其中相較Ⅰ區0—100 cm土層有機碳含量增加23%～117%，35%～150%，相較于Ⅲ區0—100 cm土層有機碳含量增加6%～56%，16%～62%。

黃土高原坡面含水量隨坡位的降低呈增加趨勢[20]，而通過對開挖坡面土壤含水量空間變化分析，由圖5可得，開挖坡面其各坡位下土壤含水量變化趨勢與土壤有機碳變化規律相似，相較于Ⅰ區，在Ⅳ區0—80 cm土層，土壤含水量降低13%～21%；Ⅴ區0—100 cm土層內含水量增加6%～46%；相較于Ⅲ區，在Ⅳ區0—80 cm土層，土壤含水量降低22.7%～35.3%；Ⅴ區0—40 cm土層內含水量降低10%～11%，在40—60 cm土壤含水量顯著增大，且均顯著高于其他土層。

2.3 邊坡開挖對各坡位土壤抗蝕性影響

2.3.1 對各坡位土壤可蝕性KS變化影響 土壤可蝕性KS值能夠綜合評價土壤抵抗侵蝕能力的大小，其值越小土壤抗侵蝕能力越強[21]。圖6為邊坡開挖對各坡位下土壤綜合抗侵蝕能力影響對比，開挖坡面在0—20 cm，20—40 cm土層中，土壤KS值隨坡位的降低呈先減小后增大趨勢，其中相較于Ⅰ區，Ⅳ區在0—20 cm，20—40 cm土層中KS值分別降低21%，63%，Ⅴ區在0—20 cm土層中增加38%，在20—40 cm土層中降低13%；相較于Ⅲ區，Ⅳ區0—20 cm，20—40 cm土層中KS值分別降低5%，12%，Ⅴ區分別增加66%，109%。而在對照坡面0—20 cm，20—40 cm土層中，隨坡位的降低KS值均呈逐漸增加趨勢，且Ⅳ區、Ⅴ區KS值在0—20 cm，20—40 cm土層中，相較于Ⅰ區分別增加57%，69%，67%，69%；相較于Ⅲ區分別增加24%，48%，42%，48%。由此可得，邊坡開挖影響坡面土壤抗蝕性，其中Ⅳ區、Ⅴ區受影響程度較為顯著，且Ⅴ區土壤抗蝕性受影響程度高于Ⅳ區。

2.3.2 邊坡開挖對土壤可蝕性與有機碳關系影響 土壤有機碳含量及團聚體是評價土壤抗蝕能力變化的重要指標。開挖率7%的邊坡條件下，Ⅳ區、Ⅴ區土壤團聚體及有機碳含量均受到顯著影響，其中土壤團聚體及土壤可蝕性KS呈Ⅳ區受影響低于Ⅴ區，而Ⅳ區土壤有機碳含量受影響程度高于Ⅴ區，因此Ⅳ區土壤抗蝕能力后期可能有降低趨勢。為進一步探討邊坡開挖對坡面土壤抗蝕性影響，分別對開挖率為0，7%，100%條件下坡面土壤可蝕性KS與有機碳和土壤團聚體MWD之間進行相關分析可得，不同開挖率下土壤可蝕性KS與土壤團聚體MWD和有機碳含量之間均呈顯著負相關，但隨坡面開挖率增加，土壤可蝕性KS與團聚體MWD之間相關性變化不大，分別為-0.96**，-0.94**，-0.99**，與有機碳之間隨開挖率增加，其相關系數呈先減小后增大趨勢，其中開挖率為0，100%時，相關系數為-0.93**，-0.98**，而開挖率為7%時，相關系數為-0.71**。

注：不同大寫字母表示各級坡位間差異顯著，不同小寫字母表示各土層間差異顯著(p<0.05)。

圖5 各坡位下土壤水分隨深度變化分布(開挖坡面)

2.3.3 土壤可蝕性K公式修正 張科利等[22]通過研究土壤可蝕性K實測值與KS計算值之間關系指出，KS計算所得數值顯著大于于實測值，但與實測值呈良好的K=0.00911+0.55066KS線型關系。因此為進一步準確探究邊坡開挖對土壤抗蝕K值計算，將坡面開挖區近似認為開挖率100%的坡面，對不同開挖率下坡面土壤可蝕性K和KS之間比值與有機碳含量之間進行分析，結果由圖7可得，與有機碳含量呈顯著指數負相關，具體公式見式(3)；同時隨開挖率的增加，其公式參數呈減小趨勢見圖8，并將參數變化與開挖率之間的經驗公式帶入(3)式，得出坡面土壤可蝕性隨開挖率變化公式(4)，為今后開挖邊坡土壤可蝕性K的計算提供方法。

K=KS(-alnC+b)

(3)

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

(4)

式中：K為土壤可蝕性值；C為土壤有機碳含量；e為邊坡開挖率。式(3)和式(4)中，土壤可蝕性K和土壤有機碳分別與坡面開挖率呈復合函數關系，其中土壤可蝕性K值隨開挖率的增大而增大，隨有機碳含量的增大而減小，該公式為今后邊坡開挖工程中，不同開挖率下土壤可蝕性K值的變化提供合理的預測。

3 討 論

3.1 邊坡不同開挖率對各坡位土壤抗蝕性影響

邊坡開挖顯著影響土壤侵蝕環境，增加流域邊坡土壤侵蝕風險，尤其在極端暴雨條件下更易引起所在流域邊坡的沖刷與侵蝕。本研究表明，對照坡面土壤結構和抗蝕能力、土壤含水量及有機碳含量整體隨坡位的降低呈逐漸增加趨勢，這主要因為坡上部多屬于侵蝕區，土層較薄，結構較差，而隨坡位的逐漸降低，被侵蝕的土壤逐漸在坡下部位沉降堆積，土層較厚，結構、養分較好，這與蘇正安[23]、周莉[24]等研究結果相似；而通過對比發現，本研究開挖坡面隨坡位的進一步降低，開挖區、坡下區土壤結構及抗蝕能力均明顯變差，土壤含水量及有機碳含量顯著降低。其中開挖區團聚體的穩定性及抗蝕能力受影響程度均高于坡下區，而在坡下區土壤含水量及有機碳含量受影響程度及深度卻高于開挖區。這主要是因為溝道土地整治實施的過程中，機械及劇烈人為活動主要作用于開挖區，對開挖區植被及土壤的破壞擾動程度較大，Tisdall等[25]指出人為擾動極易使得土壤大團聚體優先被破壞，從而直接導致開挖區土壤團聚體結構及穩定性下降，但由于溝道土地整治在開挖區內作用深度較淺，因此對土壤團聚體、有機碳含量等影響深度相對較淺。而在坡下區，由于對邊坡的切削，使得坡下區下部為切削的裸露邊坡，其邊界效應嚴重影響了坡下區的土壤環境，從而導致了土壤含水量及有機碳含量均顯著降低。由此可以看出邊坡開挖率在7%條件下不僅顯著影響開挖區土壤抗蝕能力，且極大程度增加了坡下區土壤侵蝕環境惡化。

圖6 各坡位土壤可蝕性KS值變化

注：y1為未開挖坡面；y2為開挖率7%坡面；y3為開挖率100%坡面。

3.2 開挖邊坡土壤抗蝕環境年恢復變化

邊坡開挖顯著影響土壤抗蝕能力各評價指標間相關關系，從而導致擾動后土壤的年恢復情況也發生相應的變化。其中開挖坡面及對照坡面土壤可蝕性KS與土壤有機碳含量均呈顯著相關。這是因為一方面土壤有機碳通過改善土壤質量及結構，增強土壤的抗侵蝕能力[26]，另一方面有機碳作為土壤中的親水物質，其吸收水分的容量遠大于土壤礦物，能夠有效緩解水分濕潤速度，減小團聚體的糊化作用[27]，Capriel等[28]認為團聚體之間及團聚體內部的空隙都為有機物的殘體提供居住場所，稱之為有機物填充作用(Infilling)，Tisdall等[29]提出的黏粒包裹作用(Encrusting)，強調是團聚體的形成是黏粒吸附在有機物表面，且團聚體的穩定性隨著有機碳的礦化分解而逐漸降低。從而綜合作用影響土壤抗侵蝕能力，然而通過相關系數對比發現，開挖坡面尤其是坡下區土壤團聚體穩定性及抗蝕能力受影響降低程度相對較小，而有機碳含量的極顯著降低，導致開挖坡面土壤KS與土壤有機碳之間相關性小于對照坡面和100%開挖坡面。從而在坡下區土壤可蝕性KS有顯著降低的風險。針對這一問題，對開挖坡面Ⅳ區于2020年7月進行二次采樣驗證，對坡下區MWD及KS值進行分析，由圖9可知，第二次采樣土壤MWD較第一次顯著降低10.2%～22.2%，KS值顯著增加19.2%～49.0%。由此可得邊坡開挖率為7%時，坡下區土壤水、土壤有機碳含量顯著降低，極大程度增加了坡下區土壤侵蝕風險，因此在邊坡防護過程中不僅應注重開挖區坡面穩定性的防護，還應增加坡下區土壤侵蝕風險的降低。

注：不同大寫字母表示兩次采樣差異顯著，不同小寫字母表示各土層間差異顯著(p<0.05)。

3.3 開挖率對坡面土壤抗蝕性影響

土壤有機碳含量是土壤抗蝕能力的重要指標之一，而由上文分析可得，短時間內在開挖率7%條件下，顯著影響坡下區坡面的土壤有機碳及含水量，且隨開挖率的不斷增加，土壤有機碳與土壤抗蝕性之間的相關性先減小后增加，這主要是因為隨開挖率越大，所產生的切削裸露面積越大，且多為高陡邊坡，坡面植被覆蓋較少，蒸發量較大，顯著影響開挖面上方土體土壤水、溫度等環境，尤其對深層水分補給產生較大影響，且越靠近開挖面受影響程度越高，同時有機碳與土壤結構及質量的關系是長期互相影響積累的過程[30]，因此短時間內開挖率越大，開挖面上方土體土壤有機碳含量與土壤可蝕性相關性越弱，后期土壤抗蝕能力變差，侵蝕風險越高；而在開挖率100%的條件下，其土壤團聚體和有機碳均同時受到顯著影響，短時間內土壤有機碳含量與抗蝕能力同時顯著降低，增加土壤侵蝕風險。因此在邊坡開挖過程中，亟需針對的不同開挖率邊坡采用不同范圍土壤侵蝕防治措施，不僅在坡面上要考慮加固開挖面穩定性，還應注重坡面開挖區上部各坡位土壤侵蝕風險的降低，且越靠近開挖區，坡面土壤侵蝕風險越大。

4 結 論

(1) 開挖率為7%的坡面，MWD在坡下區、開挖區相較于坡中區分別降低6%～8%和58%～73%；土壤有機碳含量在坡下區0—80 cm土層內顯著降低8%～41%，開挖區0—40 cm內顯著降低10%～39%，坡下區土壤有機碳及含水量受影響程度顯著高于坡腳區，而坡腳區土壤結構及團聚體穩定性受影響程度顯著高于坡下區。

(2) 土壤可蝕性KS與土壤團聚體MWD和有機碳含量均呈顯著負相關，但隨坡面開挖率增加，土壤可蝕性KS與團聚體MWD之間相關性變化不大，而與有機碳之間隨開挖率增加其相關系數呈先減小后增大趨勢，開挖率為7%的坡面，坡下區土壤抗蝕性存在滯后效應。

(3) 通過增加開挖率及有機碳含量對坡面土壤抗蝕性影響，對土壤可蝕性K值的計算公式進行進一步的補充及修訂，且開挖率越大，土壤可蝕性K值越大。