降雨强度对工程堆积体坡面土壤养分及颗粒组成的影响

刘 涛,杨以翠,周 旺,郑腾辉

(广西交通设计集团有限公司,南宁 530029)

0 引 言

近年来,随着社会经济的快速发展,我国在铁路、公路等基建设施中也取得了迅猛的发展,极大地方便了运输和出行以及地区交流等。然而,在公路、铁路建设过程中伴随产生大量的弃土弃渣等工程堆积体[1]。生产建设项目工程堆积体主要是由土壤和砾石组成的一种特殊质地类型临时废弃或永久废弃材料[2]。由于其具有土质疏松、物质组成复杂且堆积量大的特点[3-4],造成大量工程堆积体水土流失严重,且难以被很好地处理和利用,从而对当地环境、人民生产生活带来了一定的负面影响[5]。特别是在当前土壤流失严重,耕地面积减少的背景下[6],对占有一定土地面积的工程堆积体如何加以利用显得尤为重要,因此开展不同土质工程堆积体土壤养分的研究对于弃土弃渣资源化利用的发展至关重要。

当前有关工程堆积体的研究众多学者主要集中在土壤侵蚀方面。王雪松等[7]研究了不同砾石类型对工程堆积体侵蚀规律的影响;康宏亮等[3]通过人工模拟试验研究了北方风沙区对堆积体坡面径流及侵蚀特征的影响;也有众多学者研究了工程堆积体的径流产沙特征,如郑腾辉等[8]研究了连续模拟降雨条件下含砾石堆积体坡面径流产沙特征的影响,研究结果表明在一定降雨条件下,径流率与降雨强度呈正相关关系。此外,大量研究结果表明不同砾石含量的堆积体对于降雨强度的响应也是不同的,这与堆积体所处的地理位置[9]、环境、植被[10-11]等密切相关。李建明等[12]通过室内模拟降雨试验研究了工程堆积体石砾对侵蚀产沙的影响,不同坡度条件下土壤侵蚀速率不同,同一降水条件下,倾角30°坡的土壤侵蚀速率是倾角15°坡的1.5～3.91倍;杨树云等[10]研究表明不同植被格局下,裸坡的减流减沙效益最差,说明没有植被的堆积体土壤颗粒组成单一,易被侵蚀。然而以上研究多集中于对堆积体侵蚀产沙方面的研究,而关于降雨对不同砾石含量堆积体土壤养分和土壤颗粒组成的影响研究较少。

因此本文在前人的研究基础上通过室内人工模拟降雨的方法,对不同砾石含量堆积体的土壤质量进行观测,分析不同降雨条件下工程堆积体土壤养分和颗粒组成的变化,以期为不同土质工程堆积体的进一步利用和水土流失治理提供一定的理论基础。

1 材料与方法

1.1 供试材料

本试验选用广西贺州至巴马在建高速公路都巴路3类典型工程堆积体(弃土渣体)获取堆积体土样,土样包括项目部五分部加工部配送中心附近土质样品、YK454+100右侧150 m弃渣场的偏土质样品、那良隧道进口YK438+375右侧弃渣场的偏石质样品。笔者于2018年9月进行了供试材料的取样工作,各土样除去土壤表面枯枝落叶,在实验室自然风干备用。测定各类工程堆积体土样中的砾石含量,土质堆积体砾石含量约为0%,偏土质堆积体砾石含量约为30%,偏石质堆积体砾石含量为70%左右。各类工程堆积体土壤养分及土壤颗粒组成背景值见表1。

表1 各类工程堆积体土壤养分及土壤颗粒组成背景值

1.2 试验设计

试验于2018年12月在广西水利电力职业技术学院降雨大厅进行。试验采用XHZ-JY101人工模拟降雨系统设备和移动式手摇变坡钢槽。降雨高度6 m,雨滴终点速度满足天然降雨特性,雨强连续变化范围10～200 mm/h,有效范围11 m×8 m,均匀度>80%,雨滴大小控制范围为0.26～5 mm。变坡钢槽宽1 m、长5 m、深50 cm,可调坡度0°～30°,试验材料进行人工装填,填装厚度35 cm。试验所用降雨机为下喷式降雨机,具有大、中、小三类喷头,其直径分别为5.0、2.5、1.5 mm。通过调节压力和降雨喷头开关,调节降雨强度。试验根据野外调查结果[11]设计堆积体坡度为25°。降雨强度根据广西省地区多年降雨强度监测范围(最大1 h雨量>200 mm)设置为30、60、120、150、180 mm/h共5个级别,降雨历时设置为45 min。

1.3 指标测定

试验前与各降雨强度处理下的各次试验后取坡面上、中、下坡0～35 cm土样自然风干后过2 mm筛,除去土壤中的杂物,用于测定堆积体全磷、全氮、有机质和土壤颗粒组成。土壤全磷采用钼锑抗比色法测定[13];土壤全氮采用凯氏定氮仪测定;土壤有机质重铬酸钾外加热法测定;土壤颗粒组成采用吸管法测定[14],根据我国现行土壤颗粒分级标准对土壤颗粒进行粒级划分[15-17],土壤颗粒粒径<0.002 mm为黏粒,[0.002,0.005) mm为细粉粒,[0.005,0.02) mm为中粉粒,[0.02,0.05) mm为粗粉粒,[0.05,1 )mm为砂粒。

1.4 数据处理

使用Excel 2010整理所有试验数据,采用统计软件SPSS 19.0对不同降雨强度下不同砾石含量堆积体土壤全磷含量、全氮含量和有机质含量以及土壤颗粒组成进行显著性检验(LSD法,P<0.05)与分析,并利用Pearson分析了土壤养分和土壤颗粒组成的相关性,使用Origin 2019进行图表制作,图表中所有数据为平均值±标准误差。

2 结果与分析

2.1 不同降雨强度下堆积体土壤养分含量变化特征

图1为不同降雨强度下不同堆积体坡面全磷含量。不同降雨强度条件下(30～180 mm/h),土质、偏土质及偏石质堆积体全磷含量变化范围分别为0.69～0.75、0.17～0.20、0.31～0.34 g/kg。各类堆积体在不同降雨强度下的坡面全磷含量差异性均不显著(P>0.05)。与降雨前堆积体坡面的全磷含量(土质0.79 g/kg;偏土质0.42 g/kg;偏石质0.54 g/kg,表1)相比,土质堆积体降雨后的平均全磷含量为0.72 g/kg,降低了9.37%,偏土质、偏石质堆积体降雨后的平均全磷含量分别降低了54.76%、40.00%。各堆积体降雨前后的全磷含量均表现为土质堆积体全磷含量显著高于偏土质和偏土质(P<0.05),降雨前,土质堆积体全磷含量是偏土质和偏石质堆积体全磷含量均值的1.88倍和1.46倍;降雨后,土质堆积体全磷含量是偏土质和偏石质堆积体全磷含量均值的3.77倍和2.21倍。

注:不同大写字母表示同一降雨强度下不同堆积体之间土壤养分差异显著(P<0.05);不同小写字母表示同一堆积体不同降雨强度之间差异显著(P<0.05),下同。

图2为不同降雨强度下不同堆积体坡面全氮含量。不同降雨强度条件下(30～180 mm/h),土质、偏土质及偏石质堆积体全氮含量变化范围分别为0.66～0.75、0.19～0.24、0.37～0.43 g/kg。各类堆积体在不同降雨强度下的坡面全氮含量差异性均并不显著(P>0.05),但是在降雨量为120 mm/h时偏土质堆积体全氮含量最低。与降雨前堆积体坡面的全氮含量(土质0.84 g/kg;偏土质0.36 g/kg;偏石质0.48 g/kg,表1)相比,土质堆积体降雨后坡面的平均全氮含量为0.71 g/kg,降低了15.24%,偏土质、偏石质堆积体坡面降雨后的平均全氮含量分别降低了38.33%、17.92%。各堆积体在降雨前后的全氮含量均表现为土质堆积体坡面全氮含量显著高于偏土质和偏土质堆积体(P<0.05),降雨前,土质堆积体坡面全氮含量是偏土质和偏石质全氮含量均值的2.33倍和1.75倍;降雨后,土质堆积体坡面全氮含量是偏土质和偏石质全氮含量均值的3.21倍和1.81倍。

图2 不同降雨强度下不同堆积体坡面全氮含量

图3为不同降雨强度下不同堆积体坡面有机质含量。不同降雨强度条件下(30～180 mm/h),土质、偏土质及偏石质堆积体坡面有机质含量变化范围分别为18.26～18.69、2.82～4.14、3.35～4.55 g/kg。各类堆积体在不同降雨强度下的坡面有机质含量差异性均并不显著(P>0.05)。与降雨前堆积体坡面的有机质含量(土质26.34 g/kg;偏土质5.67 g/kg;偏石质4.73 g/kg,表1)相比,土质堆积体降雨后的平均有机质含量为18.50 g/kg,降低了29.75%,偏土质、偏石质堆积体降雨后的平均有机质含量分别降低了38.66%、14.63%。各堆积体降雨前后的有机质含量均表现为土质堆积体有机质含量显著高于偏土质和偏土质堆积体(P<0.05),降雨前,土质堆积体有机质含量是偏土质和偏石质有机质含量均值的4.65倍和5.57倍,降雨后,土质堆积体坡面有机质含量是偏土质和偏石质有机质含量均值的5.32倍和4.58倍。偏土质堆积体坡面土壤有机质含量随降雨强度的增加而减少,在降雨强度180 mm/h时有机质含量仅为2.82 g/kg,相比于30 mm/h有机质含量下降了31.88%。

图3 不同降雨强度下不同堆积体坡面有机质含量

2.2 不同降雨强度下堆积体土壤颗粒组成变化特征

图4为不同降雨强度下不同工程堆积体土壤颗粒组成。降雨前,土质堆积体坡面的黏粒含量显著高于偏土质和偏石质堆积体(P<0.05),而偏土质和偏石质堆积体砂粒含量相比于土质堆积体分别增加77.50%和53.14%(P<0.05)。土质堆积体降雨前后均表现为黏粒含量>粉粒含量>砂粒含量;偏土质堆积体在降雨强度180 mm/h下,土壤颗粒从粉粒含量>黏粒含量>砂粒含量转变为砂粒含量最大;偏石质堆积体在降雨前后均表现为粉粒含量>黏粒含量>砂粒含量。

注:*表示不同土壤颗粒之间差异显著(P<0.05)。

降雨后,不同降雨强度下(30～180 mm/h),土质、偏土质及偏石质堆积体坡面黏粒含量变化范围分别为51.58%～52.84%、30.33%～39.11%和38.62%～43.77%;砂粒含量变化范围分别为3.76%～4.78%、21.22%～35.53%和8.16%～14.36%。相比于降雨前,土质堆积体黏粒及砂粒含量均降低,偏土质和偏石质堆积体黏粒含量降低,砂粒含量有所增加。在土质堆积体中,不同降雨强度条件下(30～180 mm/h),土壤颗粒组成中黏粒、粉粒和砂粒含量差异并不显著(P>0.05);偏土质堆积体在降雨强度为180 mm/h时黏粒含量显著低于降雨强度为60 mm/h时的黏粒含量(P<0.05),相比于降雨前,偏土质堆积体在降雨强度为180 mm/h时黏粒含量显著降低了21.32%(P<0.05);偏石质堆积体中,砂粒含量在降雨强度为150 mm/h时显著高于降雨强度为60 mm/h的砂粒含量(P<0.05)。降雨后,偏土质与偏石质堆积体黏粒含量相比于土质堆积体的下降了21.43%～33.00%(P<0.05)。

2.3 堆积体颗粒组成与土壤养分含量间的相互关系

由图5可以看出,3类堆积体土壤养分含量与土壤颗粒组成之间关系密切,土壤全磷、全氮、有机质含量与黏粒之间存在极显著正相关关系(P<0.01),相关系数分别为0.90、0.87和0.85,而与砂粒之间呈极显著负相关关系(P<0.01),相关系数分别为-0.78、-0.81和-0.67。在粉粒中土壤养分居于黏粒和砂粒之间,虽然粉粒中土壤全磷、全氮和有机质含量有所积累,但关系并不显著(P>0.05),说明堆积体中土壤黏粒含量越高,越有利于土壤养分的储存与积累。此外土壤养分间也有较强的相关性,均呈极显著正相关关系(P<0.01),全磷与全氮、有机质间的相关系数均为0.97,有机质与全氮间的相关系数为0.93。

图5 土壤颗粒组成与土壤养分间的相关性

3 讨 论

土壤养分与土壤颗粒组成之间关系密切[18],大量研究表明土壤黏粒含量在一定程度上决定了土壤中养分含量[18-19],特别是对土壤有机质含量在一定程度上起着决定性作用[20]。由于不同砾石含量堆积体土壤颗粒组成差异较大,因而经过降雨侵蚀之后,堆积体中土壤颗粒组成也存在较大的差异,这是造成土壤养分差异的主要原因之一[21]。本研究结果表明,在土质堆积体坡面中,土壤全磷含量、全氮含量和有机质含量要显著高于偏土质和偏石质堆积体(P<0.05)。黄绍文等[22]研究也发现土壤中有机质含量通常与土壤中黏粒和粉粒含量间呈显著正相关关系(P<0.05),这与本研究结果相似,说明土质堆积体中土壤黏粒含量和粉粒含量要高于偏土质和偏石质堆积体。这与张宏等[23]的研究结果相似。此外也有大量研究证实了这一观点:土壤养分含量的多少主要取决于土壤质地,在未经施肥处理的土壤中土壤养分含量随土壤质地由砂土到黏土呈递增的趋势[24-25]。

本研究发现,在降雨强度为120 mm/h时,土壤全磷、全氮和有机质含量均最低,而当降雨强度为150～180 mm/h时,土壤养分并未呈现一个下降的趋势,其主要原因可能是在降雨过程中随着降雨强度的增加,在雨滴的击溅和地表径流的共同作用下将表层土壤中的养分带走;随着降雨强度的继续增加,也会伴随入渗的发生,将表层土壤中的部分养分随着水分的下渗带到了堆积体底部,并不会造成堆积体坡面养分的流失,因为本试验在采样时是将堆积体沿垂直剖面(深度0～35 cm)全部采集,因而在150～180 mm/h降雨强度下并不会造成养分的流失。此外,随着降雨强度的增加,不同土质堆积体中侵蚀泥沙的黏粒含量与砂粒含量呈此消彼长的趋势,主要原因可能是随着降雨强度的增加,径流量对土壤的剥蚀能力在一定范围内呈波动增加并趋于稳定的趋势,从而导致土壤颗粒组成发生变化,这与郭新送等[26]的研究结果相似。

影响土壤颗粒组成的主要驱动力因素来源于降雨[27-28]。通常情况下,砂土中土壤颗粒较大,使得土壤孔隙较大,透水性较强;而黏土正好相反,土壤颗粒细小,造成土壤孔隙小[29-30]。本研究发现,在降雨强度为120 mm/h时,偏土质和偏石质堆积体中土壤黏粒含量最低,其主要原因可能是在降雨过程中,因为雨滴的溅蚀和地表径流的冲刷破坏了土壤结构,将大量的细小颗粒物质带走,使得砂粒和粉粒的相对含量有所上升。这与杨帅[27]的研究结果一致,在一定降雨条件下,土壤中黏粒含量与降雨强度之间存在显著正相关关系(P<0.05)。因此在降雨的作用下黏质土壤孔隙由于雨滴的击溅作用,破环土壤表层结构,产生的细小土壤颗粒易堵塞土壤孔隙,更容易形成地表结皮,从而产生地表径流,在更强的降雨强度作用下土壤流失严重,造成土壤质量下降,土地减产。

4 结 论

通过模拟试验研究了降雨强度对工程堆积体坡面土壤养分及颗粒组成的影响,主要得到以下结论:

(1)降雨前后土质堆积体养分含量显著高于偏土质和偏石质堆积体;降雨导致了堆积体坡面的土壤养分和黏粒含量发生明显流失,土壤全磷、全氮和有机质含量较降雨前分别下降了9.37%～54.76%、15.24%～38.33%和14.63%～38.66%;降雨强度对工程堆积体坡面土壤养分含量的影响并不显著。

(2)相比于降雨前,降雨后土质堆积体黏粒及砂粒含量均降低、粉粒含量增加,偏土质和偏石质堆积体黏粒含量降低,砂粒含量有所增加。

(3)土壤全磷、全氮、有机质含量与黏粒之间存在极显著正相关关系(P<0.01),表明堆积体坡面养分流失和黏粒流失关系密切。研究结果可为广西地区公路建设产生的工程堆积体水土保持和土壤养分存储利用提供一定的科学依据。