广西石漠化地区坡面土壤侵蚀规律研究

王保田，龚傲龙，杜妍平，黄待望

(河海大学 岩土工程研究所，江苏 南京210098)

广西石漠化地区总面积达237.9 万公顷，土壤侵蚀面积为281.2 万公顷，土壤侵蚀类型以水力侵蚀为主，其中桂西北石灰岩地区和桂东南花岗岩地区最为严重。土壤侵蚀不仅导致了生态环境恶化，而且严重影响广西经济和社会的可持续发展。因此，对广西石漠化地区坡面土壤侵蚀规律研究就显得十分迫切。目前，国内外已建立部分较为成熟的土壤侵蚀模型［1-5］，但大都具有一定的区域局限性。其中，对广西石漠化地区的研究主要从两方面展开:一是石漠化现象、规模、等级划分及其主要区域、危害和治理方针的确定［6-8］;二是石漠化土壤侵蚀机理、影响因子、以及土壤侵蚀过程中理化性质的变化规律研究［9-15］。现阶段，关于第一部分的研究成果虽然较多但比较浅显，第二部分研究内容相对深入，但结论性成果并不多，基本为多年数据统计或现场小区试验;同时，不同小区边坡的土质含水率、干容重、土壤厚度、下垫面条件等均存在较大差异，使得相关试验结果并不具有很好的说服力，也未形成统一概念。针对广西石漠化地区坡面土壤侵蚀主要影响因子的确定和相对应影响规律的分析这一核心问题，本文选取雨强、坡度和干容重三个影响因子为主要研究对象，在其他环境条件不变情况下，通过自制降雨器模拟装置进行坡面土壤降雨侵蚀试验，确定三个影响因子对坡面土壤侵蚀的影响规律及其作用机制。研究成果将为更好地揭示广西石漠化地区主要影响因子与坡地土壤侵蚀之间的关系，为提出石漠化治理措施提供试验支持。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验土样为取自广西河池至都安高速公路K15+120 ～K15+350 标段的黄色石灰土，取土深度4.5m，基岩为石灰岩，颜色呈黄褐色。结合室内颗粒分析曲线(图1)及其基本物理性质(表1)，根据《岩土工程勘查规范》可以判定试验土壤质地为粘土，天然状态下处于可塑状态。

图1 土样颗粒分析曲线Fig.1 Grain accumulative curve of soil sample

表1 土壤基本物理性质Tab.1 The physical properties of soil

1.2 试验方案与装置

本研究采用正交组合试验，选择雨强、坡度和干密度3 个因素，进行共计72 组试验。由于室内试验土坡尺寸和降雨模拟装置的限制，不可能采用自然降雨的实际雨强作为室内试验雨强;因此，根据降雨模拟装置关于雨强的控制能力，分别取0.5、1.0 和2.0 mm/min 三个降雨强度进行模拟试验，其中0.5 mm/min雨强模拟小-中雨，1.0 mm/min 雨强模拟中-大雨，2.0 mm/min 雨强模拟受台风影响的强降雨。边坡坡度依次取5°、10°、15°、20°、25°和30°，边坡土壤干容重依次取0.9、1.0、1.1 和1.2 g/cm3。

自制降雨器模拟装置顶端设计3 个有机玻璃的降雨板，每块板都可形成独立的密封环境(图2a)。板上开有布置均匀、大小统一的降雨孔，降雨孔中放置中空的小铁管(图2b)，试验时保持降雨板内充满水，以达到降雨的均匀性要求。每块降雨板单独连接一套供水系统，供水系统由水阀和供水瓶组成，由于降雨板所形成的密封环境，因此降雨强度完全由降雨板侧边开口所连接的供水瓶的高度决定。三块降雨板连续平行放置在4 个被固定的三脚架中，形成60×20 cm2的降雨面积，降雨系统如图3 所示。

试验土槽模型见图4，设计尺寸为60 cm×20 cm×3 cm，其中长度为不同坡度条件下的水平长度，高度和土的厚度相等。对木板进行刮毛和涂漆处理，防止试验过程中坡度较高时发生失稳以及木板遇水变形。

图2 降雨系统细部图Fig.2 The details of rainfall system

图3 降雨系统Fig.3 Rainfall system

图4 土槽模型Fig.4 Model groove of the soil

1.3 试验过程

正式试验中，每组试验均进行3 次平行试验。按试验组合中的干容重参数计算所需土量后，将土样均匀压入图4 中的试验土槽。降雨试验开始之前，土坡表面使用塑料薄膜覆盖，以防止土壤含水率变化过大。根据试验所需降雨强度将供水瓶调节至某一定高度，保持供水瓶高度不变直至该试验雨强条件下所有组合试验完成，再调节至另一试验雨强。每组试验历时为30 min，实验结束后，将收集的侵蚀流失泥砂静置24 h，过滤上层清液后，烘干剩余泥砂并称重。试验设计含水率为30%，与天然含水率保持一致。

2 结果分析

2.1 坡度对坡面土壤侵蚀的影响

图5 为不同雨强和干容重条件下的土壤侵蚀量与坡度间的关系。从中可以看出，雨强为2.0 mm/min时，坡面土壤侵蚀量的总体变化可分为三个阶段:坡度从5°增加到10°时，土壤侵蚀量缓慢增加;坡度从10°增加到25°时，土壤侵蚀量加速上升;坡度超过25°时，土壤侵蚀量均呈不同程度下降，尤其以干容重0.9 g/cm3和1.0 g/cm3的两组试验下降最为明显。坡度为25°时4 组干容重试验坡面侵蚀量较坡度为5°时的试验坡面侵蚀量分别增加294.2%，303.5%，314.7%和270.2%。

雨强为1.0 mm/min 时，随坡度的增加，4 组干容重对比试验土壤侵蚀量变化均基本呈先慢后快，然后下降的趋势，同样也在25°左右出现峰值。在坡度25°时4 组干容重试验坡面侵蚀量较坡度为5°时的试验坡面侵蚀量分别增加72.0%，119.2%，109.3%和262.2%。

图5 不同雨强下土壤侵蚀量与坡度的关系Fig.5 The relationshipbetween soil erosion and slope under different rainfall intensity

雨强为0.5 mm/min 时，从图5(c)中可看出在该雨强条件下的土壤侵蚀量很少，基本可忽略干容重与坡度的变化对土壤侵蚀量的影响，水土流失强度较轻。总的来说，在0.5 mm/min 的雨强的降雨条件下，侵蚀量很小甚至可以忽略，即在小雨强条件下基本不会引起水土流失，很多现场实测数据也能证明这一结论。

对1.0、2.0 mm/min 雨强条件下，4 组干容重的坡面土壤侵蚀量与坡面坡度之间的关系曲线进行3 次多项拟合(0.5 mm/min 雨强下侵蚀量不具有规律性，不做统计)，拟合方程曲线见图6。

图6 不同雨强下土壤侵蚀量与坡度的拟合曲线Fig.6 The fitting curves of soil erosion and slope under different rainfall intensity

2.2 降雨强度对坡面土壤侵蚀的影响

不同干容重条件下，分别对6 组坡度的坡面土壤侵蚀量与降雨强度之间的关系曲线进行回归分析，采用指数函数进行拟合，拟合方程曲线见图7，拟合方程与拟合度检验值R2均大于0.92，相关性较高。

不同干容重坡面土壤侵蚀量与雨强的关系曲线规律基本相似，即随着雨强的增加侵蚀量逐渐增加，而坡度较陡时，侵蚀量增长较迅速，坡度越低对雨强的敏感性越低。试验结果表明，0.5 mm/min 的雨强下，水土流失的量基本可以忽略，试验中所测得的侵蚀量基本是土坡制作后在土体表面刮毛的细土壤颗粒随雨滴击溅产生。在雨强从1.0 mm/min 增加到2.0 mm/min 过程中，总侵蚀量与侵蚀速率同时急剧增加，在干容重为0.9 g/cm3时，2.0 mm/min 雨强侵蚀量甚至较1.0 mm/min 雨强增加10 倍。

图7 不同干容重下土壤侵蚀量与降雨强度的拟合曲线Fig.7 The fitting curves of soil erosion and rainfall intensity under different dry density

2.3 干容重对坡面土壤侵蚀的影响

不同坡度条件下，3 组降雨强度的坡面土壤侵蚀量与干容重之间的关系曲线进行回归分析，采用的线性拟合方式能够较好反映干容重与土壤侵蚀量的关系，降雨强度为0.5 mm/min 时，拟合方程与拟合度检验值R2较小，如前文所述，雨强较小情况下，土壤侵蚀量较小且不具有规律性，所以对其暂不作考虑。对于其他数据除在降雨强度为1.0 mm/min，坡度为10°的拟合方程相关系数为0.82，其余相关系数均大于0.92，拟合度较高，拟合方程曲线如图8 所示。

3 讨 论

3.1 坡度对坡面土壤侵蚀规律的影响及其作用机制

图8 不同坡度下土壤侵蚀量与干容重的拟合曲线Fig.8 The fitting curves of soil erosion and dry bulk density under different slope

坡面土壤侵蚀量随坡度的变化较为复杂，坡度的变化直接影响着土壤侵蚀的方式和强度。目前国内外学者，一般采用幂函数模拟坡度对土壤侵蚀的影响［11］，认为随着坡度的增加，土壤侵蚀量也越来越大。但本文试验结果表明，土壤侵蚀量并非一直增加，而是存在一个转折坡度，当坡度大于转折坡度时，土壤侵蚀量甚至出现减少现象。此外，雨强为2.0 mm/min 时，土壤侵蚀的临界坡度为25°～27°;在雨强为1.0 mm/min 时，土壤侵蚀的临界坡度为23°～25°;由于在雨强为0.5 mm/min 时，侵蚀强度很小，土壤侵蚀量较少，数据不具有统计规律性，暂不将其统计在内。关于临界坡度出现原因，可从两方面进行解释:坡度的变化主要影响土壤入渗、径流流速和土体稳定性等方面，当坡度增加时，土体在顺坡方向的重力分力增加，土壤土颗粒不稳定性增大，使得土壤抗侵蚀能力减弱，土颗粒更容易向下滑移，同时随着坡度的增加，坡面水流流速加大，冲刷侵蚀能力增强，能够分离和搬运更多土颗粒，这些对增加坡面土壤侵蚀量起到促进作用;另一方面随着坡度的增加，斜坡表土受雨面积将逐渐减小，从而对增加坡面土壤侵蚀量起到抑制作用。两方面因素的相互作用，最终导致临界坡度的出现。当然，这并不意味着在坡度大于临界坡度之后，随着坡度的增加，土壤总侵蚀量就会减少;相反，随坡度的增加，总侵蚀量将越来越严重。临界坡度只是坡面土壤侵蚀的特点，在坡度小于临界坡度时，面蚀为土壤侵蚀的主要形式，而坡度大于临界坡度之后，土壤侵蚀的方式已经发生转变，面蚀的比重越来越小甚至为零，土壤侵蚀的形式开始向沟蚀、滑坡、崩塌方向发展，这也是我国之所以将25°以上坡度规定为退耕还林依据。

雨强为2.0 mm/min 时，在坡度从10°增加到20°的过程中，是坡面侵蚀开始迅速增加的阶段，在进行陡坡耕种时等时更应该注意该阶段坡度;在条件允许的情况下，并注意培育草皮、林木，增加土壤稳定性。植被等保护土壤免受降雨的击溅及径流的冲刷，使土壤侵蚀从开始阶段尽可能将其降低至最低限度。在坡度从临界坡度增加到30°的过程中，干容重为0.9 g/cm3、1.0 g/cm3的土坡坡面侵蚀量出现了明显的降低，分别降低了33.7%和25.4%，但这并不意味着土壤侵蚀的减弱，反而更严重的是，土壤侵蚀已经开始迅速从面蚀转向沟蚀、滑坡等更严重的形式，此时若是在陡坡上砍伐树木、除草耕作、翻种，则必然会产生严重的水土流失。

3.2 降雨强度对坡面土壤侵蚀规律的影响及其作用机制

降雨与土壤侵蚀之间存在密不可分的联系，降雨强度大小直接影响着土壤侵蚀量，随着降雨强度的增加，降雨动能与径流势能逐渐增加，同时分散土颗粒与打击扰动地表水的能力也随着增加，溅蚀与水流的挟沙能力的增加，最终导致侵蚀量呈非线性迅速增加。但不是所有降雨都会引起较严重的水土流失，基本都是降雨强度较大的集中暴雨所致，而强度较低的降雨基本都是无侵蚀性降雨。试验结果表明，0.5 mm/min 雨强下，水土流失量基本可忽略，所测得的侵蚀量基本是土坡制作后在土体表面刮毛的细土壤颗粒随雨滴击溅而得，但随雨强的增加，总侵蚀量与侵蚀速率同时急剧增加。许多野外数据显示，短历时(30 min 左右)、高强度(瞬时雨强达2.0 mm/min ～3.0 mm/min)、中雨量(50 mm ～70 mm)的暴雨和长历时(6 h 以上)、中强度(瞬时雨强达1.0 mm/min)、大雨量(100 mm 以上)的暴雨相比较，通常前者的水土流失要要比后者大的多，可明显看出土壤侵蚀一般都来自历时短、强度高的暴雨。本文将坡面土壤侵蚀量与雨强的关系看做呈指数关系，这也与许多前人的研究相吻合。

3.3 干容重对坡面土壤侵蚀规律的影响及其作用机制

干容重影响主要与土壤的抗蚀性有关，即土体抵抗降雨雨滴打击与径流的分散能力，随着干容重的增加，土颗粒较为密实，土体结构性更强，大小土颗粒之间互相镶嵌作用增强，粘聚力增加，导致土颗粒抗蚀性也增加，所以很明显的抑制了水土流失的增长［12］。但当干容重减小时，表层土壤相对疏松，在降雨动能打击与径流冲刷作用下，很容易随径流和雨滴发生侵蚀。前述试验结果也表明，干容重越小，侵蚀量会愈严重，土壤侵蚀量与干容重表现为较好的线性相关关系。在喀斯特石山地区，由于本身土层稀薄，干容重较低，又兼人为扰动和翻耕，破坏地面植被覆盖以及残留的根茎对土壤的保护作用，从而改变地面紧实度以及降低土壤稳定性，若遇上丰水期暴雨，土壤侵蚀量将急剧增加。

3.4 影响因子综合对比

通过室内降雨模型试验结果的对比分析可发现，坡度的改变所引起的土壤侵蚀增加量最大为314.7%(降雨强度2.0 mm/min，干容重1.1 g/cm3，坡度25°较坡度5°的土壤侵蚀增加量)，降雨强度的改变所引起的土壤侵蚀最大增加量为8224.7.0%(坡度25°，干容重0.9 g/cm3，降雨强度为2.0 mm/min较降雨强度为0.5 mm/min 的土壤侵蚀增加量)，干容重的改变所引起土壤侵蚀最大增加量为224.5%(降雨强度2.0 mm/min，坡度2°，干容重为0.9 g/cm3较干容重为1.2 g/cm3的土壤侵蚀增加量)，从中可明显看出，降雨强度较其他影响因子为引起广西石漠化地区坡面土壤侵蚀的主要影响因子。

4 结 论

①边坡坡度由5°变化到25°时，坡面土壤侵蚀量随坡度的增加趋势呈先慢后快，但当坡度超过25°时，土壤侵蚀量表现为减小趋势。存在转折坡度，试验数据表明，转折坡度在23°～27°，并且转折坡度的大小随着降雨强度与干容重的不同而存在不同差异。

②随着降雨强度的增加，土壤侵蚀量迅速增加，近似表现为指数相关关系，在小雨强的情况下，基本不会产生水土流失，而大量水土流失基本都来自侵蚀性强降雨。

③随着干容重的降低，土壤侵蚀量增加，两者表现为良好线性相关关系。

④通过对不同影响因子之间组合试验产生的土壤侵蚀量的对比，发现降雨强度对土壤侵蚀量的影响明显高于干容重和坡度，即降雨强度为引起广西石漠化地区坡面土壤侵蚀的主要影响因子。

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