不同治理措施下高速公路堆積體土壤團聚體變化特征

吳 旭, 牛耀彬, 高照良, 畢如田, 呂春娟

(1.山西農業大學 資源環境學院, 山西 太谷 030801; 2.西北農林科技大學 水土保持研究所,陜西 楊凌 712100; 3.中國科學院 水利部 水土保持研究所, 陜西 楊凌 712100)

工程堆積體是生產建設項目形成的人為堆積地貌，也是生產建設活動新增水土流失的重要來源之一[1]。堆積體坡面侵蝕過程及措施調控受到廣泛關注[2-3]，其中，工程措施已成為控制水土流失的重要舉措[4]，植被措施對坡面泥沙的攔蓄效果明顯[5]。然而，關于不同治理措施調控下工程堆積體坡面土壤團聚體組成及穩定性影響的研究相對較少。土壤團聚體是評價土壤質量的重要指標[6]，也是影響土壤侵蝕的重要因子[7]，團聚體的數量和大小對于穩定土壤結構至關重要[8]，土壤團聚體穩定性可用平均質量直徑、平均幾何直徑、分形維數等重要參數表征[9]。

土壤團聚體的研究多集中在坡耕地和自然坡面，很少涉及高速公路工程堆積體坡面。國內學者在黃土高原、亞熱帶紅壤區和三峽水庫消落帶等區域，研究了土地利用方式、植被類型、庫區水位高程等對土壤團聚體特征的影響等[10-12]。然而，人為擾動及其措施調控是工程堆積體土壤結構動態變化的主要驅動因素，在措施調控下，量化堆積體坡面土壤團聚體的動態變化過程，對于揭示措施調控坡面抗蝕性能具有重要意義。現有工程堆積體坡面侵蝕過程研究缺乏對不同治理措施調控下土壤團聚體動態變化的量化研究，不能為定量評價治理措施對坡面侵蝕的貢獻提供相關參數。

鑒于此，本文通過在堆積體坡面原位采集土壤樣品，測定水穩性團聚體含量，并計算>0.25 mm水穩性團聚體含量(R0.25)、土壤團聚體平均質量直徑(MWD)、幾何平均直徑(GMD)、分形維數(D)和破壞率(PAD)，評價植被恢復模式、恢復年限、削坡分級治理對工程堆積體坡面土壤團聚體穩定性的調控作用，以期為高速公路工程堆積體坡面侵蝕防治提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

陜西省境內含有北部黃土高原、中部關中平原和南部秦巴山區等典型地貌區域[13]。本研究分別選取3個區域內寶漢高速公路、西寶高速公路和黃延高速公路建設形成的工程堆積體為研究對象。3個區域基本情況見已有研究成果[14]，研究區及采樣點示意見圖1。

圖1 研究區示意圖

1.2 工程堆積體選擇

2017年7—8月對近5 a陜西省境內典型區域高速公路工程堆積體進行調查。以地貌、植被、堆積體構成為分類依據。調查結果，秦巴山區寶漢高速公路堆積體邊坡植被恢復模式主要包括自然恢復和人為復墾，其中，自然恢復以白三葉(Trifoliumrepens)、小冠花(Coronillavaria)和冰草(Agropyroncristatum)為主，人工復墾以玉米(Zeamays)和大豆(Glycinemax)為主。關中平原西寶高速公路堆積體邊坡植被恢復模式主要為側柏(Platycladusorientalis)人工林，林下植被為蒿草(Artemisiaargyi)，但由于工期的差異，形成不同年限的堆積體，主要有5 a，2 a和1 a堆積體。陜北黃土高原黃延高速公路堆積體邊坡植被恢復模式主要為刺槐(Robiniapseudoacacia)人工林，林下植被為蒿草，由于后期分級削坡整治，形成了具有“平臺—坡面”結構的治理堆積體，其周圍存在未治理全坡面。綜合考慮不同區域高速公路堆積體數量、野外采樣交通便利等情況，本研究選取的高速公路堆積體共7個，分別是秦巴山區2個，關中平原3個(西溝棄渣場是坡位和年限研究共用堆積體)，黃土高原2個。

1.3 試驗設計

為了評價植被恢復模式、恢復年限、削坡分級治理措施等對堆積體土壤團聚體的調控作用，基于前期野外調查，試驗設計5種不同處理，總共涉及7個棄渣場，具體設計如下：(1) 自然恢復3種處理，小冠花、白三葉、以冰草為對照，采樣點對應1號堆積體；(2) 人為復墾3種處理，玉米、黃豆，以未復墾為對照，采樣點對應2號堆積體；(3) 恢復年限3種處理，恢復1 a，2 a，5 a，以1 a為對照，采樣點分別對應3—5號堆積體；(4) 不同坡位3種處理，坡上、坡中、坡下，采樣點對應5號堆積體；(5) 削坡分級治理3種處理，治理后平臺和坡面，以未治理全坡面為對照，采樣點對應6—7號堆積體，選擇6—7號堆積體是為了重復驗證。試驗區域及堆積體名稱等基本見表1。

表1 不同工程堆積體基本情況

1.4 樣品測定與指標計算

每種處理下選取高速公路堆積體相對平整的7 m×6 m區域，運用多點取樣混合的辦法，在堆積體坡面原位采集0—20 cm土壤樣品，取2 kg左右的土樣帶回室內，通過干篩法和濕篩法測定土壤團聚體組成及水穩定團聚體含量；并用環刀取樣測定土壤含水量、容重、植被根系，重復3次；在堆積體原位采用荷蘭的微型粘結力儀對采樣點處的粘結力進行測定，重復10次；顆粒組成采用MS 2000馬爾文激光粒度儀測定，重復3次；采樣點土壤基本理化性質見表2。

根據濕篩法測定的水穩性團聚體組成結果，計算>0.25 mm水穩性團聚體含量(R0.25)、平均重量直徑(MWD)、幾何平均直徑(GMD)、團聚體分形維數(D)和團聚體的破壞率(PAD)等土壤團聚體穩定性指標，其中R0.25，MWD和GMD越大，D和PAD越小，表示土壤團聚度越高，團聚體穩定性越好。各指標計算公式如下：

(1) 團聚體平均質量直徑(MWD)和幾何平均直徑(GMD)[15]。計算公式分別為：

(1)

(2)

式中:Xi為土壤粒級的平均直徑(mm);Wi為不同土壤粒級團聚體占總團聚體的比例。

(2) 團聚體破壞率(PAD)[15]。計算公式為，

(3)

式中:Wd為>0.25 mm干篩團聚體百分含量(%);Ww為>0.25 mm濕篩團聚體百分含量(%)。

(3) 團聚體分形維數(D)[16]。計算公式為，

(4)

兩邊取以10為底的對數：

(5)

試驗不同處理間采用SPSS 19.0軟件中的單因素方差分析(ANOVA)和多重比較(LSD)進行分析。

表2 不同工程堆積體土壤基本理化性質

2 結果與分析

2.1 不同工程堆積體土壤團聚體指標

將研究區域所有不同處理條件下高速公路堆積體坡面土壤團聚體進行測定，并運用公式(1—5)計算得到土壤團聚體穩定性指標，并進行方差分析，具體見表3。

2.1.1 自然恢復 秦巴山區星光村棄渣場坡面以自然恢復為主，形成多種植物斑塊，以小冠花和白三葉為主，冰草零星分布。由表3可得，與冰草相比，坡面植被恢復為小冠花和白三葉時對應的R0.25，MWD和GMD均顯著(p<0.05)增加，增幅分別介于12%～15%，38%～40%，38%～41%。坡面植被恢復為小冠花和白三葉時PAD顯著(p<0.05)小于冰草。而小冠花和白三葉之間R0.25，MWD和GMD均無顯著(p>0.05)差異。在所有自然恢復處理條件下，分形維數D均無顯著(p>0.05)差異，相比冰草，小冠花和白三葉對應分形維數D值呈現減小趨勢。這表明，相比冰草，堆積體坡面自然恢復為小冠花和白三葉可以提高土壤團聚體的穩定性。究其原因，在堆積體坡面植被恢復為小冠花和白三葉時，土壤中植被根系增多，豐富的植被根系能增加土壤中水穩性團粒結構的數量。

2.1.2 人為復墾 秦巴山區上二里山棄渣場坡面進行了人為復墾種植，在同一坡面種植農作物有玉米和黃豆，部分未復墾。由表3可知，與未復墾相比，坡面人為復墾種植農作物玉米和黃豆時對應的MWD和GMD均顯著(p<0.05)降低，降幅分別為13%，12%。坡面人為復墾種植玉米和黃豆時對應的R0.25和PAD與未復墾相比無顯著(p>0.05)差異。坡面人為復墾種植黃豆時分形維數D顯著(p<0.05)高于未復墾坡面。這表明，相比未復墾，堆積體坡面人為復墾種植黃豆和玉米降低土壤團聚體穩定性。究其原因，可能是人為復墾種植耕作和田間管理在一定程度上對堆積體土壤穩定性起到擾動作用。此外，與堆積體下墊面為石渣土可能相關，破碎的礫石和土壤混合，結構性差。

2.1.3 不同年限 關中平原不同恢復年限工程堆積體選擇南溝棄渣場、娘娘溝大橋和西溝棄渣場，恢復植被為側柏人工林，其恢復年限分別為1 a，2 a和5 a，以南溝棄渣場(1 a)為對照。由表3可知，與恢復1 a相比，恢復5 a堆積體所對應的R0.25，MWD和GMD均顯著(p<0.05)增加，增幅分別為29%，15%和24%。恢復5 a堆積體所對應的分形維數D和PAD顯著(p<0.05)小于恢復1 a。這表明，與恢復1 a相比，工程堆積體坡面恢復5 a可以顯著提高土壤團聚體穩定性。究其原因，可能是隨著恢復年限的延長，堆積體坡面土壤容重減小，粘結力增大，植被根系增多，導致土壤團聚體結構變好，穩定性增強。與恢復1 a相比，恢復2 a堆積體所對應的R0.25和GMD均顯著(p<0.05)增加，增幅分別為13%和18%。恢復2 a堆積體所對應的分形維數D和PAD顯著(p<0.05)小于恢復1 a。與恢復1 a相比，工程堆積體坡面恢復2 a同樣可以顯著提高土壤團聚體穩定性。此外，恢復5 a堆積體所對應的MWD，GMD和D均與恢復2 a相比無顯著(p>0.05)差異。

表3 不同工程堆積體土壤團聚體指標

2.1.4 不同坡位 由表3可知，與坡上相比，西溝棄渣場坡下所對應的R0.25和MWD均顯著(p<0.05)降低，降幅分別為9.91%和7.91%。坡下所對應PAD顯著(p<0.05)大于坡上，這表明，堆積體坡面土壤團聚體穩定性坡上高于坡下，究其原因，可能是堆積體坡面土壤含水量和粘結力坡上較大導致的。此外，西溝棄渣場坡下所對應的GMD和D均與坡上相比無顯著(p>0.05)差異。坡中所對應的所有土壤團聚體穩定性指標相比坡上無顯著(p>0.05)差異，坡下所對應的大多數指標相比坡中無顯著(p>0.05)差異。綜合而言，短坡長(<60 m)工程堆積體坡面土壤團聚體穩定性空間分布相對均勻，坡位差異不明顯。

2.1.5 削坡分級 黃土高原不同工程堆積體選擇董家溝棄渣場和葫蘆河大橋棄渣場分別進行削坡分級治理，形成以“坡面—平臺”為構成要素的堆積體，在其周圍選取未治理的全坡面作為對照，由表3可知，相比未治理全坡面，削坡分級治理后平臺和坡面所對應的R0.25顯著(p<0.05)增加，增幅分別介于57%～95%和38%～44%，削坡分級治理后平臺和坡面所對應的GMD相比未治理全坡面無顯著(p>0.05)差異。削坡分級治理后平臺所對應的分形維數D相比未治理全坡面顯著(p<0.05)減小，削坡分級治理后平臺和坡面所對應的PAD相比未治理全坡面也顯著(p<0.05)減小。這表明，相比未治理全坡面，工程堆積體坡面削坡分級治理措施可以顯著提高土壤團聚體穩定性，治理后平臺土壤團聚體穩定性高于坡面。究其原因，可能是削坡分級治理后，縮短坡長，減緩坡度，有效攔截和入滲降雨，促進植被生長，土壤含水量、粘結力及其植被根系增加導致土壤團聚體穩定性增強。

2.2 不同堆積體土壤團聚體穩定性與理化性質相關分析

為了分析影響堆積體土壤團聚體穩定性的關鍵參數，對試驗所有處理條件下所測土壤物理參數均與土壤團聚體穩定性指標進行皮爾森相關性分析，由此得表4。從表4可得，R0.25，MWD和GMD均與黏粒含量存在顯著(p<0.05)正相關，D和 PAD均與黏粒含量存在顯著(p<0.05)負相關；MWD和GMD均與根重密度存在顯著(p<0.05)正相關；分形維數D與粘結力存在顯著(p<0.05)負相關，分形維數D與根重密度存在極顯著(p<0.01)負相關關系。

根據堆積體土壤團聚體穩定性指標與土壤理化性質參數相關性分析結果，對根重密度與分形維數的關系進行曲線估計，并繪制擬合結果，得圖2。

表4 土壤團聚體穩定性指標與土壤理化性質相關分析

由圖2可知，土壤團聚體分形維數D與根重密度可用一般線性函數關系表達：

D=-0.09x+2.21R2=0.78p<0.01

(6)

圖2 土壤團聚體分形維數與根重密度擬合關系

從擬合函數關系可以得出，土壤分形維數D隨著根重密度的增大而減小，表明隨著堆積體坡面植被恢復，土壤團聚體的穩定性提高。根系作為植被的重要組成部分，不僅是吸收與輸送水分和養分的通道，還可以通過穿插、交錯、網絡固結、根土黏結等作用，改善土壤理化特性，促進土壤團聚體的形成，影響土壤孔隙分布，進而影響入滲和結皮過程，改變了土壤表層水文特性，堆積體坡面防護植物的選擇可以考慮植被根系狀況，植物根系可以改變土壤的力學以及水文特征，促進土壤團聚體的形成和穩定，從而提高其抗侵蝕能力[17]。此外，分形維數作為評價土壤團聚的評價指標而言，研究者持有不同觀點，有研究發現，用分形維數D作為指標表征各類土壤的團聚水平的可信性值得商榷[18]，另外研究得出分形維數對土壤結構變化的響應相當敏感，可作為植被恢復過程中土壤質量評價的指標[19]，本研究相關性分析支持分形維數對根系的響應敏感性，但對于分形維數和其他指標的響應關系有待進一步驗證。

3 討 論

3.1 治理措施對土壤團聚體穩定的調控

隨著近年來城市化進程和基礎設施建設的不斷推進，生產建設項目形成的工程堆積體劇增，堆積體綜合治理和開發利用已成為生態環境修復不容忽視的課題。按照水土保持工程設計規范，工程堆積體應進行削坡分級治理，治理后堆積體平臺可以進行人為覆土種植，堆積體邊坡坡度較陡(36°～40°)，不適宜耕作，可以撒播草籽進行植被自然恢復，既可以起到固持土壤，又可以提高土壤抗沖刷能力。水土保持工程治理措施和生物措施相結合可以改善土壤團聚體狀況[20]。本研究得出，側柏人工林堆積體短期恢復年限內(2～5 a)土壤團聚體穩定性持續提高，隨著年限延長增幅變緩。這是因為堆積體形成初期，人為擾動活動劇烈，隨著堆積體的形成并恢復穩定，人為擾動大幅度減緩，土壤團聚體開始恢復，但隨著年限的延長，恢復幅度變緩。相類似的研究表明，林地開墾為耕地會降低土壤團聚體的穩定性，該結論與工程堆積體重型機械開挖、搬運、堆棄擾動類似，另外研究得出坡耕地棄耕撂荒會增強團聚體的穩定性，該結論與工程堆積體形成后續恢復相同[21]。因此，工程堆積體削坡分級治理之后其土壤團聚體穩定性會隨著年限延長提高。此外，研究表明，林草混合復墾方式對礦區排土場土壤修復有重要意義[22]，對于工程堆積體坡面防護措施的配置，可以采用工程措施加喬木、灌木、草本(特別是豆科植物)相結合的模式進行，從而提高土壤抵抗外力破壞的能力。

3.2 影響土壤團聚體穩定特性因素分析

影響土壤團聚體穩定性的因素眾多，首先，土壤水分是影響土壤團聚體穩定性的重要因素，研究表明，土壤水分會促進大團聚體破碎分解成微團聚體，從而改變團聚體穩定性[23]，該結論與本研究結論類似，隨著人工林恢復年限的增加，堆積體土壤含水量增大，表明土壤儲水孔隙逐漸增多。其次，就植被根系而言，本研究得出植被根系能增加土壤中水穩性團粒結構的數量，從而提高土壤抗蝕能與已有研究結論一致[24]。第三，植被種類同樣影響土壤團聚體穩定性，本研究結果表明，自然恢復為白三葉和小冠花均可提高水穩性團聚體含量，但相比之下，小冠花的提高幅度大于白三葉，這主要是與其根系結構有關[25]。第四，保護性耕作有利于改善土壤團聚體結構，增加土壤團聚體含量[26]，這表明，在降雨充沛的地區，堆積體在完成削坡分級治理之后，其坡面只要擁有植物種植或者種子，后續植被自然恢復的過程就可以提高土壤團聚體穩定性，提高堆積體坡面抗蝕性能，有效防治水土流失。

4 結 論

(1) 與冰草相比，坡面植被恢復為小冠花和白三葉時對應的R0.25，MWD和GMD均顯著增加，增幅分別介于12%～15%，38%～40%，38%～41%。與未復墾相比，坡面人為復墾種植農作物玉米和黃豆時對應的 MWD和GMD均顯著降低，降幅分別為13%和12%。

(2) 與恢復1 a相比，恢復2 a和 5 a堆積體所對應的R0.25和GMD均顯著增加，增幅分別為13%和18%，29%和24%。恢復5 a堆積體所對應的MWD，GMD和D與恢復2 a均無顯著差異。

(3) 短坡長(<60 m)工程堆積體坡面土壤團聚體穩定性空間分布相對均勻。相比未治理全坡面，削坡分級治理后平臺和坡面所對應的R0.25顯著增加，增幅分別介于57%～95%和38%～44%。分形維數D與根重密度存在極顯著負相關關系，可用一般線性函數表達。