江苏省平原沙土区河沟边坡土壤分离速率及其影响因素

曲丽莉，郭红丽，李 盟，吴 芳，梁 音，朱绪超，田芷源，袁久芹

(1.土壤与农业可持续发展国家重点实验室 中国科学院南京土壤研究所，210008，南京；2.中国科学院大学，100049，北京；3.江苏省水文水资源勘测局，210029，南京；4.盐城市大丰区堤防管理处，224100，江苏盐城)

江苏省土地总面积10.72万km2，其中平原沙土区面积约2万km2，是江苏省水土保持的重点治理区[1]。根据形成原因，江苏省平原沙土区主要分3类：黄河故道沙土区、沿海平原沙土区和通南高沙土区[2]。江苏省大部分为平原地区，在水土流失监测和计算中常被忽略，但是在沙土区范围内由于降雨量多、降雨强度大、土壤结构疏松、抗侵蚀能力弱等原因[3]，水土流失强烈；另外，江苏省水系发达、河沟网络密布，河沟边坡除具有上述的降雨和土壤因素影响外，还具有发生侵蚀的坡度条件，遇降雨时面蚀和沟蚀活跃。河坡毁坏和坍塌，导致河道淤塞，影响沿岸引排水、航运与防洪安全，威胁人们的生产生活。因此开展平原沙土区河沟边坡土壤抗蚀性特征研究，有助于区域水土流失有效防控和土壤资源可持续利用。

土壤分离是土壤颗粒脱离土壤母质的过程，也是后续土壤输移和沉积过程的基础[4]。土壤分离的难易程度一般用土壤分离速率来量化，土壤分离速率常用水槽冲刷试验获取。变坡试验水槽可以通过控制流量和坡度，模拟与天然径流较为接近的不同侵蚀动力条件，成为土壤分离过程模拟的理想方法[5]。在已有研究中，影响土壤分离速率的因素主要有径流特性、土壤特性和近地表特性3方面[6]。Ma等[7]的研究表明水流功率对土壤分离速率的贡献较大；郭继成等[8]认为水流剪切力可以更好地模拟土壤分离速率。土壤特性方面，李静等[9]表明土壤分离速率与有机质、土壤团聚体含量密切相关；Su等[10]研究表明土壤分离速率与土壤黏粒含量呈负相关关系。近地表特性方面，蒋芳市等[11]表明植被根系能显著降低土壤分离速率；Margot等[12]发现地表枯落物对土壤的作用也会对土壤分离速率产生影响。上述研究均集中在我国主要的土壤侵蚀区(黄土高原、南方红壤区、西南丘陵山地)，但对于江苏省平原沙土区河沟边坡的土壤分离速率尚不清楚，因此，限制了对沙土区河沟边坡土壤侵蚀过程的认识和对河沟边坡土壤侵蚀的有效治理。

笔者以江苏省平原沙土区河沟边坡土壤为对象，利用水槽冲刷试验，量化对比3类沙土在不同坡度和降雨条件下的土壤分离速率大小，分析土壤分离速率的影响因素，以了解沙土区河沟边坡土壤分离特征，加深对沙土区河沟边坡土壤侵蚀的认识，以期为河沟边坡水土流失治理提供依据。

1 研究区概况

江苏省3类沙土区主要位于江苏省北部黄河故道沿线、沿海平原和南通附近地区。黄河故道沙土区是由废黄河沉积物覆盖而成，包括丰县、沛县、涟水等县；沿海平原沙土区系滨海淤涨而成，位于射阳县双洋河口至海安县北凌河口的沿海平原；通南高沙土区由长江入海泥沙堆积而成，包括南通、扬州、泰州3市的如皋、海安等县市。

基于全国第2次土壤普查江苏省1∶50万土壤类型图，提取、归并土种类型为砂质土壤的范围，可获得3类沙土区的空间分布(图1)。基于江苏省县市边界图，在3类沙土区分别选择集中分布且面积较大的县(市、区)作为该类沙区的代表区域，分别确定淮安涟水县、盐城大丰区和南通如皋市作为3类沙土区的代表。涟水县属于暖温带季风气候，年均气温14 ℃，年均降水量991 mm。大丰区属于亚热带与暖湿带的过渡地带，年平均气温14.1 ℃，年均降水量1 042 mm。如皋市属于亚热带季风气候，年平均气温14.7 ℃，年均降水量1 056 mm。沙土区内河网水系众多，土壤砂粒含量较高，河沟边坡很不稳定，水土流失现象严重。

图1 研究区位置Fig.1 Location of the study area

2 材料与方法

2.1 野外调查与采样

2020年7月，在涟水县、大丰区、如皋市分别选取2、3、2个坡度和坡长条件合适、有明显侵蚀沟、坡面植被盖度较低且方便取样的河沟边坡。在选择的各河沟边坡的坡上和坡下部位，利用土钻采集0～20 cm表土，按照四分法制成混合散土土样，实验室自然风干、过筛后，利用激光粒度仪测定颗粒组成。利用400 cm3(直径10 cm，高5 cm)环刀，在坡面的上、中、下部位分别采集表层原状土4个，每个坡面共采集大环刀原状土12个，用于开展水槽冲刷试验。在采集大环刀原状土位置附近利用100 cm3环刀采集小原状土，用于测定土壤密度和对应位置土壤含水量。此外，为了解坡面团聚体特征，利用不锈钢饭盒在坡上和坡下部位，分别采集块状土1盒，实验室利用筛分法测定各级团聚体含量。

2.2 水槽冲刷试验

试验水槽长4.2 m，宽0.3 m，水槽顶端设置消力池以保证水流平稳(图2)。支架处设置滑轮以调节水槽坡度，用阀门组调节水流大小，用标有刻度的集流桶率定流量。根据研究区坡度分布特征和近30年的降雨资料将坡度设定为10°、20°和30°，流量设定为0.5和1.5 L/s。不同边坡每个试验条件下2个重复，共计冲刷试验84次。

将土样浸泡12 h达到饱和，取出晾置2 h，将水槽坡度和供水流量调整为预设值后开始冲刷试验。将土样置于土样室，调整土样使其上表面与水槽底面平齐，用凡士林填充土样与水槽间的空隙以防止漏水，同时开始计时。避免因深度不同而导致环刀内土样侵蚀不均，当土样冲刷深度达2 cm时停止试验；对于较难冲刷的土样，冲刷时间以10 min为限[5]。冲刷过程中利用温度计测定水流温度，采用高锰酸钾染色法测定表面流速，每次测定12个重复，剔除极值后取平均确定表面平均流速。根据雷诺数确定水流流态，从而确定流速的修正系数，表面流速乘以修正系数得到水流平均流速。用刻度尺测量径流深度，每次测定12个重复，剔除极值后取平均确定平均径流深。冲刷结束后将环刀放置烘箱105 ℃下烘干至恒质量。

图2 变坡式水槽冲刷试验装置示意图Fig.2 Sketch of variable-slope flume scouring experimental device

2.3 数据处理

雷诺数、弗劳德数和阻力系数是描述径流的常用水力指标。雷诺数是惯性力和黏滞力的比值，表征水流流态；弗劳德数用来判断坡面流急缓程度，表征水流惯性力和重力的相对大小；阻力系数用来表征坡面流流动时沿程所受阻力的大小[13]。

水流剪切力、水流功率和单位水流功率是描述土壤分离过程的常用水动力指标。水流剪切力是径流流动过程中在水土分界面产生沿坡面向下的剪切力；水流功率是单位面积水流所消耗的功率，表征剥蚀一定量土壤所需功率；单位水流功率是单位质量水体所消耗的功率[14]。

土壤分离速率是单位时间单位面积上流失的土壤干质量，表征土体抵抗侵蚀能力的大小，计算公式[14]为：

(1)

式中：Dr为土壤分离速率，kg/(m2·s)；Wb为实验前土样干土质量，kg；Wa为实验后土样干土质量，kg；t为冲刷时间，s；A为土样上表面积，m2。

使用Excel 2019进行数据的初步整理、分析；在SPSS 19.0中利用单因素方差分析(ANOVA)对变量平均值之间差异进行显著性分析，利用Pearson相关分析方法分析土壤分离速率与其影响因素间的相关性和显著性；利用Origin 2017作图。

3 结果与分析

3.1 不同类型沙土区土壤基本性质

单因素方差分析结果表明，江苏省3类平原沙土区河沟边坡土壤的基本理化性质存在差异(表1)。土壤质地方面，3类沙土区河沟边坡土壤的砂粒和粉粒含量均在P<0.05的水平上具有显著差异。其中黄河故道沙土区河沟边坡土壤平均砂粒质量分数最高，为80.64%，分别比沿海平原沙土区和通南高沙土区河沟边坡土壤高29.01%和18.42%。这主要是由于3类沙土区的形成原因不同，其中黄河故道土壤为古黄河侵蚀泥沙堆积形成，砂粒含量相对较高。土壤结构方面，3类沙土区河沟边坡在土壤水稳性团聚体含量和团聚体分形维数上差异显著(P<0.05)。由表1可知，通南高沙土区水稳性团聚体含量最高，分形维数最低，表明其土壤结构性最好，抵抗水力破坏的能力最强，沿海平原沙土区次之，黄河故道沙土区最差。土壤化学性质方面，通南高沙土区河沟边坡土壤的平均pH为7.33，与其他两地存在显著差异，表现为中性土壤，沿海平原沙土区和黄河故道沙土区pH均>8，表现为碱性土壤。黄河故道沙土区河沟边坡土壤在有机质含量上与其他2个沙土区有显著差异，分别比沿海平原沙土区和通南高沙土区河沟边坡土壤低65.32%和66.17%，说明黄河故道沙土区河沟边坡土壤较其他两地贫瘠。

表1 3类沙土区河沟边坡土壤基本理化性质Tab.1 Basic physical and chemical properties of gully slope soil in 3 types of plain sandy area

3.2 3类沙土区土壤分离速率

3类沙土区河沟边坡土壤分离速率在不同坡度和流量条件下的大小如表2所示。黄河故道沙土区、沿海平原沙土区和通南高沙土区的平均土壤分离速率分别为218.00、60.92和17.07 kg/(m2·s)，3地的土壤分离速率的平均值在P<0.05的水平上存在显著差异。黄河故道沙土区河沟边坡土壤的分离速率远远大于另外2个沙土区，其平均值分别是沿海平原沙土区和通南高沙土区的3.58和12.77倍。

然而在相似的试验条件下，南方红壤地区的土壤分离速率在0.5 kg/(m2·s)左右[15]，西南紫色土地区在2 kg/(m2·s)左右[16]，黄土高原地区在4 kg/(m2·s)左右[9]。江苏省平原沙土区河沟边坡的土壤分离速率较其他研究地区高，其原因除试验设计、研究条件的差异，主要与其砂性大的土壤性质密切相关。笔者选取的3处沙土区砂粒质量分数均>50%，黄河故道沙土区砂粒达到80%左右(表1)，较大的砂粒含量、较低的有机质含量，是导致研究区土壤分离速率较大的主要原因。

表2 3类沙土区在不同条件下的土壤分离速率Tab.2 Soil detachment rate in 3 types of plain sandy areas under different conditions kg/(m2· s)

3.3 土壤分离速率的影响因素

3.3.1 与土壤性质的关系 在特定的坡度和水动力条件下，土壤分离速率的大小主要受土壤性质的影响。3类沙土区河沟边坡土壤的分离速率与各土壤性质的Pearson相关分析如表3所示。可见，不同流量和坡度条件下土壤分离速率总体上与各土壤因子相关关系表现一致。其中，土壤分离速率与团聚体分形维数、砂粒含量呈极显著正相关关系(P<0.01)，与水稳性团聚体含量、粉粒、黏粒和有机质含量呈极显著负相关关系(P<0.01)。

表3 不同坡度和流量下土壤分离速率与土壤因子相关系数Tab.3 Correlation coefficient between soil detachment rate and soil factors under different slope and flow rates

水稳性团聚体含量和分形维数与土壤分离速率的相关性系数较其他因子更高，说明这2个指标可以较好地衡量土壤抵抗水力分散的能力，这与Xiang等[17]的研究结果类似。这是因为水稳性团聚体含量越高、分形维数越小的土壤，团粒结构越好，团聚体在水流冲刷的影响下保持原来结构的能力越强，可以有效削弱径流对土壤的冲刷和剥蚀，减少土壤分离。而有机质含量越高，土壤分离速率越小，这是因为土壤有机质可以改变砂土的分散无结构状态，改善土壤的孔隙结构以及透水性和蓄水性，可以有效降低土壤分离速率[18]。

3.3.2 与坡度和流量的关系 如图3所示，在相同流量条件下，3类沙土区河沟边坡土壤的分离速率总体上呈坡度的增函数关系，当坡度从10°增加30°时，黄河故道沙土区2个条件下的平均土壤分离速率增长1.26倍，沿海平原沙土区增长4.22倍，通南高沙土区增长1.06倍。需要说明的是，黄河故道沙土区0.5 L/s流量条件下土壤分离速率呈现出随坡度下降的趋势，这可能是因为沙土结构性差，在运输、浸泡和冲刷等过程中存在土样损失从而导致实验偏差，本条件下土壤分离速率随坡度的变化规律需要进一步实验确定。

图3 土壤分离速率与坡度的关系Fig.3 Relationship between soil detachment rate and slope

如图4所示，在相同坡度条件下，3类沙土区河沟边坡土壤的分离速率总体上呈流量的增函数关系，当流量从0.5 L/s增加到1.5 L/s时，黄河故道沙土区3个坡度条件下的平均土壤分离速率增长2.3倍，沿海平原沙土区增长1.59倍，通南高沙土区增长1.06倍。

图4 土壤分离速率与流量的关系Fig.4 Relationship between soil detachment rate and flow

综上，3类沙土区河沟边坡土壤分离速率总体上均随着坡度和流量的增大呈增加的趋势，但是在坡度和流量都相同的条件下，黄河故道沙土区土壤分离速率最大，沿海平原沙土区次之，通南高沙土区最小，这与3类沙土区河沟边坡土壤的性质有关。黄河故道沙土区河沟边坡土壤颗粒组成主要为砂粒，有机质含量低、土壤团粒结构较差，抵抗径流的冲刷和剥蚀能力较差；而通南高沙土区河沟边坡土壤砂粒含量相对较少，有机质含量最高，因此通南高沙土区土壤分离速率最低。

3.3.3 与径流特征因子的关系 如表4所示本次试验中所有流量与坡度组合下，雷诺数介于9.3～81.7之间，均值40.87，弗劳德数介于1.14～2.62之间，均值1.84，表明本次试验中，水流流态都属于层流，流型都属于急流。并且，雷诺数和弗劳德数与土壤分离速率呈极显著正相关关系(P<0.01)，与阻力系数呈负相关关系，这与Li等[19]的研究结果一致，说明径流流态越混乱、流型越急则土壤分离速率越大。

3个沙土区的平均土壤分离速率与流速、水流剪切力、水流功率、单位水流功率都呈极显著正相关关系。其中，水流功率与土壤分离速率的相关系数最大，这是因为土壤分离的本质就是水流携带的能量转化为土壤颗粒启动、迁移的过程，而土壤分离速率的大小可以较好地反映土壤抵抗水流冲击的能力，因此土壤分离速率与水流功率关系最为密切，这与何小武等[20]的研究结果相似。但有一部分研究[21]则认为土壤分离是由于水流剪切力大于土壤的临界剪切应力，认为水流剪切力更能准确揭示土壤分离，可以看出，不同试验条件下，土壤分离能力与径流特性因子间的具体数学关系还尚未有统一认识，这主要与试验条件及土壤特性有关。因此，还需要更多的实测数据来揭示土壤分离能力与径流特性因子间具体的数学关系。

表4 土壤分离速率与径流特征因子相关系数Tab.4 Correlation coefficient between soil detachmentrate and runoff characteristic factors

4 结论

1)江苏省平原沙土区河沟边坡土壤砂性大、养分贫瘠，3类沙土区中通南高沙土区的土壤结构最好，沿海平原沙土区次之，黄河故道沙土区最差。

2)3个沙土区平均土壤分离速率较高，黄河故道沙土区平均土壤分离速率为218.0 kg/(m2·s)，远大于沿海平原沙土区的60.9 kg/(m2·s)和通南高沙土区的17.1 kg/(m2·s)，且三者之间存在显著差异。

3)3类沙土区土壤分离速率随坡度和流量的增大逐渐增大。

4)在土壤特性因子中，土壤分离速率与分形维数、砂粒含量呈极显著正相关关系，与水稳性团聚体含量、粉粒、黏粒和有机质含量呈极显著负相关关系。水稳性团聚体含量和分形维数与土壤分离速率的相关性系数较其他因子更高，可用这2个指标衡量土壤抵抗水力分散的能力。

5)在水力指标中，土壤分离速率与雷诺数和弗劳德数呈正相关关系，与阻力系数呈负相关关系；在水动力指标中，土壤分离速率与流速、水流剪切力、水流功率、单位水流功率都呈极显著正相关关系。其中，水流功率与土壤分离速率的关系最为密切。