生物埂不同植物類型下土壤分離水力學 特性研究

李少華，何丙輝，李天陽，曾江敏，劉德忠，丁 莉，代西偉，麻力文

（1.西南大學 資源環(huán)境學院/三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點實驗室，重慶 400715； 2.重慶市水土保持生態(tài)環(huán)境監(jiān)測總站，重慶 401147）

土壤分離是發(fā)生土壤侵蝕的初始階段，其過程描述了土壤顆粒從土壤基質(zhì)中被剝離并由徑流帶離原地的物理過程[1,2]。水流流態(tài)流型及水流阻力是表征細溝侵蝕水力學特性的關鍵性指標，已有大量研究探討了水流流態(tài)流型及水流阻力與土壤侵蝕量間的數(shù)學關系[3-7]，但關于土壤分離能力與水流流態(tài)流型及水流阻力的相關研究還并不多見[8]。

川中丘陵區(qū)由于石料缺乏、石埂坡改梯造價高等原因，大力推廣六棱型預制網(wǎng)格式生物埂護坡技術，為增大“未利用地”的土地利用率，在生物埂上種植麥冬、韭菜等植被，在減少水土流失的同時也增加經(jīng)濟效益。前人已開展研究生物埂植物類型對坡面養(yǎng)分[9,10]及土壤團聚體[11]等的影響，而鮮見關于其土壤分離水力學特性的研究。本文利用室內(nèi)細溝模擬沖刷試驗，研究不同坡度和流量組合條件下，生物埂不同植物類型原狀土土壤分離能力與細溝水流水力學參數(shù)間的函數(shù)關系，可為該區(qū)生物埂抗土壤侵蝕植物類型選擇及土壤侵蝕物理模型的優(yōu)化提供科學參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于四川省射洪縣太乙河小流域與滸溪小流域，地貌為典型的紫色土丘陵，屬亞熱帶濕潤季風氣候，年平均氣溫17.6 ℃，多年平均降水量為 954.3 mm，無霜期284 d，年均日照時數(shù)為1 307 h，植被為以柏木為主的亞熱帶常綠針闊混交林，各采樣點土壤母質(zhì)一致，土壤類型為侏羅紀蓬萊鎮(zhèn)組紫色砂泥巖發(fā)育的紫色土。

表1 生物埂樣地基本情況Table 1 Basic information of terrace banks

表2 不同植物生物埂土壤基本情況Table 2 Basic information of soils under terrace banks with different plants

六棱型預制網(wǎng)格為正六邊形，外邊長34.6 cm， 寬10 cm，厚8 cm，相對外邊距60 cm，砼標號為200#，壓頂采用C25 砼，其規(guī)格寬30 cm，高 10 cm；生物埂高度不超過1.8 m，邊坡為1:(0.8～ 1.2)；干砌條石基礎寬為35 cm，高為10 cm，漿砌卵石基礎寬為35 cm，高為25～30 cm（圖1）；六棱型網(wǎng)格中栽值有麥冬Ophiopogon japonicus、韭菜Allium tuberosum等植物。

1.2 樣品采集與處理

試驗在2018年8—9月進行。野外選取麥冬及韭菜生物?。?018年4月種植），以網(wǎng)格式裸坡為對照，采集護坡網(wǎng)格內(nèi)原狀土。采樣時選擇平整地表，貼地表剪去植被地上部分，用500 cm3的環(huán)刀（直徑10 cm，高6.37 cm）垂直下壓，采集包括植物根系的原狀土，每種類型采集45個原狀土樣（共計135個），同時用鋁盒收集采樣點土樣，密封后帶回實驗室用于測定土壤含水率。采集土樣后用塑料盒密封，并用橡皮筋捆綁，帶回實驗室。將環(huán)刀土樣靜置于容器內(nèi)，并緩慢加水至環(huán)刀表面以下1 cm 處，放置8 h 后取出，于陰涼處靜置12 h 即開始分離實驗。

圖1 六棱型預制網(wǎng)格設計圖Fig.1 Hexagonal design of prefabricated grid

1.3 水力學參數(shù)測量

試驗利用可變坡（長4 m，寬0.12 m，深0.1 m）鋼制水槽完成（圖2）。調(diào)節(jié)坡度與流量達到設計值，待水流穩(wěn)定后，用游標卡尺（精度0.01 mm）測定水槽內(nèi)水深：在距下端口0.8 m 和1.8 m 位置設定2個測定斷面，分別測定距兩側(cè)邊1 cm 處以及斷面中點位置處的水深（6個水深數(shù)據(jù)），取其平均值作為該次試驗的水深（h）。采用染色法（KMnO4溶液）測定表面流速：記錄染色液通過距水槽下端口1.8 m 和0.8 m 的時間，用于計算流速，同場次試驗重復測定流速10 次，取其平均值作為表面流速（Vs）。試驗中測量的水深變化范圍為4.92～10.57 mm，標準差為1.87 mm，表面流速變化范圍為1.74～3.77 m/s，標準差0.68 m/s。試驗過程中，實時監(jiān)測水溫用于計算水運動粘滯系數(shù)，并以此計算雷諾數(shù)（Re=VsR/v）。試驗中雷諾數(shù)介于10 009～37 283 之間，平均值為23 130，表明在所有組合條件下水流流態(tài)屬于紊流，因此將表面流速乘以修正系數(shù)0.8[12]，得到各場次的平均流速（V）。利用表面流速、平均流速及平均水深計算得到雷諾數(shù)Re、弗汝德數(shù)Fr、Darcy-Weisbach 阻力系數(shù)f、曼寧系數(shù)n，公式如下：

式中：Re為雷諾數(shù)，無量綱；Vs為表面流速（m/s）；v為水運動粘滯系數(shù)（m2/s），t 為溫度（℃）；Fr為弗汝德數(shù)，無量綱；g 為重力加速度，9.8 m/s2；h為平均水深（m）；f為Darcy-Weisbach 阻力系數(shù)，無量綱；R為水力半徑（m），R=hb/(2h+b)，b為水槽寬，0.12 m；S為水力坡降；V為平均流 速（m/s）；n為曼寧系數(shù)（m-1/3·s）。

圖2 變坡水槽示意圖Fig.2 Schematic diagram of experimental device

1.4 土壤分離能力的測量

將環(huán)刀內(nèi)土樣放于水槽土壤分離室內(nèi)（距水槽下端出口0.5 m），為防止漏水，用生料帶纏繞環(huán)刀4 圈左右，并蓋上鋼蓋。待水流穩(wěn)定后，揭開鋼蓋開始分離試驗。待土壤沖刷深度達到2 cm 左右時停止供水，完成本場次沖刷試驗，記錄試驗所用時間。重復以上步驟完成其他組合條件下試驗。試驗設計3個坡度（15°，20°，25°）與5個流量（39.86，59.98，79.67，100.45，121.16 L/min） 完全組合，每個組合重復3 次，共計135 場沖刷試驗。

根據(jù)土壤含水率計算分離前土樣烘干重，并將分離后的土樣烘干稱重。利用已測土樣試驗前后重量、沖刷時間可計算土壤分離能力，計算公式為：

式中：Dc為土壤分離能力（kg/（s·m2））；WF為未分離的土壤烘干重（kg）；WL為分離后的土壤烘干重（kg）；ΔT為分離試驗歷時（s）；Ad為土壤分離面積，即圓筒橫截面積（m2）。

1.5 統(tǒng)計分析方法

采用Sigmaplot 12.5 進行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析。采用回歸分析探究土壤分離能力和各水力學參數(shù)（即Re、Fr、f和n）的數(shù)學關系，顯著性水平：P＜0.05時為顯著，P＜0.01 時為極顯著。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同植物生物埂土壤分離能力特征

土壤分離能力隨坡度和流量增大而增大（表3）。生物埂各植物類型下土壤分離能力平均值大小表現(xiàn)為：麥冬（2.24 kg/(s·m2)）＞對照 （1.34 kg/(s·m2)）＞韭菜（1.09 kg/(s·m2)）。

表3 試驗條件下各水力學參數(shù)及生物埂不同植物類型下土壤分離能力Table 3 Flow characteristics and soil detachment capacity for terrace banks with different plants in the rill simulation experiment

2.2 生物埂不同植物類型下土壤分離能力與水流流態(tài)流型間的關系

水流流態(tài)流型是表征細溝水流水力學特征的關鍵因素，受到坡度、地表狀況、植被類型、泥沙量等的強烈影響[11-12]。雷諾數(shù)Re是水流慣性力與粘滯力的比值，常被用來作為水流流態(tài)屬于層流、過渡流或紊流的臨界判數(shù)。當Re＜900 時為層流，當Re＞2 000 時為紊流，介于兩者之間則為過渡流[13]。本研究中雷諾數(shù)Re介于10 009～37 286之間，均值23 130，Re值均大于2 000，表明本次試驗中，所有流量與坡度組合下的水流流態(tài)都屬于紊流。

本試驗中，生物埂不同植物類型下，土壤分離能力與雷諾數(shù)呈極顯著冪函數(shù)正相關（圖3）。雷諾數(shù)Re與不同植物生物埂土壤分離能力擬合式R2值介于0.66～0.85 之間，均值為0.75（表4）。此外，當利用Re對土壤分離能力進行預測時，麥冬生物埂土壤分離能力大于3 kg/(s·m2)時，土壤分離能力被低估，反之被高估；在韭菜生物埂土壤分離能力預測值與實測值較相近，擬合準確度高；在裸坡對照的土壤分離能力大于1.3 kg/(s·m2)，土壤分離能力被低估，反之被高估。

圖3 生物埂不同植物類型下土壤分離能力與雷諾數(shù)間的關系Fig.3 Relationship between soil detachment capacity and Reynolds number for terrace banks with different plants

表4 生物埂不同植物類型下土壤分離能力與水流流態(tài)流型的回歸分析?Table 4 Regression analysis of flow regime and soil detachment capacity of terrace banks under different plants

弗汝德數(shù)Fr反映水流的慣性力與重力之比，是判斷水流流型是急流或緩流的參數(shù)。當Fr＞1時，水流為急流；當Fr=1 時，水流為臨界流；當Fr＜1 時，水流為緩流[4]。本次試驗中所有流量與坡度組合下，弗汝德數(shù)介于7.42～13.02 之間，均值10.09，表明本研究中所有流型均是急流。

本試驗中，韭菜、對照生物埂的土壤分離能力與弗汝德數(shù)呈顯著冪函數(shù)正相關（圖4）。弗汝德數(shù)與不同植物類型生物埂土壤分離能力的R2值介于0.25～0.28 之間，均值0.27（表4）。利用Fr對土壤分離能力進行預測時，麥冬生物埂的土壤分離能力大于2.5 kg/(s·m2)時，土壤分離能力被低估，反之被高估；韭菜生物埂的土壤分離能力大于1 kg/(s·m2) 時，土壤分離能力被低估，反之被高估；裸坡對照土壤分離能力預測效果與韭菜生物埂相似。

2.3 生物埂不同植物類型下土壤分離能力與水流阻力間的關系

水流阻力是指水流在流動過程中所受到的來自邊界的阻滯作用。Darcy-Weisbach 阻力系數(shù)f是坡面流水力學基本參數(shù)之一，反映坡面下墊面對坡面流的阻力作用，在流量與坡度一定的情況下，f值越大，說明坡面流所需克服的阻力越大，所消耗能量愈大，土壤侵蝕愈弱。Darcy-Weisbach 阻力系數(shù)f變化介于0.026～0.056 之間，均值0.042。

生物埂不同植物類型下土壤分離能力與Darcy-Weisbach 阻力系數(shù)f呈現(xiàn)顯著冪函數(shù)負相關（圖5）。Darcy-Weisbach 阻力系數(shù)與土壤分離能力的擬合式R2值介于0.28～0.48 之間，均值0.36（表5）。利用f對土壤分離能力進行預測時，麥冬生物埂的土壤分離能力大于3 kg/(s·m2)時，土壤分離能力被低估，反之被高估；在韭菜生物埂的土壤分離能力大于1 kg/(s·m2)時，土壤分離能力被低估，反之被高估；裸坡對照生物埂土壤分離能力大于為1.3 kg/(s·m2)，土壤分離能力被低估，反之被高估。

圖4 生物埂不同植物類型下弗汝德數(shù)與土壤分離能力間的關系Fig.4 Relationships between soil detachment capacity and Froude number for terrace banks under different plants

圖5 生物埂不同植物類型下土壤分離能力與Darcy-Weisbach 阻力系數(shù)間的關系Fig.5 Relationships between soil detachment capacity and Darcy-Weisbach resistance coefficient for terrace banks under different plants

表5 生物埂不同植物類型下土壤分離能力與水流阻力的回歸分析?Table 5 Regression analysis of flow resistance and soil detachment capacity of terrace banks under different plants

曼寧系數(shù)n變化介于0.008 3～0.012 1 m-1/3·s之間，均值0.009 9 m-1/3·s。本試驗中測得曼寧系數(shù)與土壤分離能力呈現(xiàn)負相關關系（圖6），R2值介于0.13～0.23 之間，均值0.16（表5），冪函數(shù)關系不顯著。

3 結(jié)論與討論

3.1 討 論

土壤分離能力受到土壤理化性質(zhì)的影響[13]，而不同植物根系通過影響土壤理化性質(zhì)[14-15]，進而影響土壤分離能力。通常情況下，有植被存在的土壤，其分離能力小于裸地的土壤分離能力[16]，而本文中對照（裸地）顯著小于麥冬生物埂土壤分離能力，這可能是因為對照生物埂前期受踩踏壓實，土壤硬化并導致土壤分離能力發(fā)生變化[17]。

本研究中，土壤分離能力與雷諾數(shù)（R2=0.75）、弗汝德數(shù)（R2=0.27）呈顯著冪函數(shù)正相關，與Darcy-Weisbach 阻力系數(shù)（R2=0.36）呈顯著冪函數(shù)負相關。這與柳玉梅等[8]研究結(jié)果類似。柳玉梅等研究發(fā)現(xiàn)在薄層水流作用下，回填擾動土的土壤分離能力與雷諾數(shù)（R2=0.94）、弗汝德數(shù)（R2=0.74）呈冪函數(shù)正相關，與Darcy-Weisbach阻力系數(shù)（R2=0.88）呈冪函數(shù)負相關。比較可以看出，柳玉梅等研究得出的數(shù)學關系決定系數(shù)相比本試驗更高，這可能與本試驗所用的原狀土樣以及采用的模擬細溝有關。相比回填擾動土，原狀土土壤結(jié)構(gòu)空間異質(zhì)性更強，不同深度及橫截面點位土壤抗分離能力均可能不同，影響到土壤分離能力與水力學參數(shù)間的數(shù)學關系。同時，細溝水流紊動性更強，水流水力學特性變化相對更迅速和復雜，這為更精確地耦合細溝水流水力學參數(shù)與土壤分離能力間的關系增加了難度。

盡管研究結(jié)果表明雷諾數(shù)預測土壤分離能力的效果較好，但其具體的作用機理還并不清楚。在本試驗中，植物根系對土壤分離能力的作用規(guī)律，以及不同根系作用下土壤分離能力對水流水力學特性變化的響應關系還需進一步研究。

3.2 結(jié) 論

生物埂不同植物類型下，土壤分離能力大小排序為麥冬＞對照＞韭菜。土壤分離能力與雷諾數(shù)、弗汝德數(shù)分別呈極顯著（P＜0.01）和顯著（P＜0.05） 冪函數(shù)正相關，與Darcy-Weisbach 阻力系數(shù)呈顯著冪函數(shù)負相關（P＜0.05）。雷諾數(shù)預測土壤分離能力的效果較好（R2=0.75）。

圖6 生物埂不同植物類型下土壤分離能力與曼寧系數(shù)間的關系Fig.6 Relationships between soil detachment capacity and Manning coefficient for terrace banks under different plants