陈莉莎, 殷承启, 许雪记, 郭晓峰, 成礼平, 陈家栋

(1.中设设计集团股份有限公司，南京 210037；2.江苏省铁路办公室，南京 210004；3.江苏省水文水资源勘测局南京分局，南京 210008)

在土壤流失的过程中，侵蚀性因子因地形地貌不同而不尽相同，土壤自身侵蚀性因子减少侵蚀强度的能力是探寻减少水土流失和生态修复的重要途径。由于土壤侵蚀的产生，制约了植被恢复的速度，而植被的状况和地貌的性质直接影响着土壤侵蚀状况[1]。铁路边坡土壤侵蚀在容许的侵蚀范围内不会造成环境安全隐患，一旦侵蚀强度过高，边坡失稳，将对铁路运营的安全造成严重后果。

铁路与道路工程建设导致的水土流失主要产生于施工期，新建的路基、路堑或隧道边坡由于挖方填方等工程因素改变了原坡面的地质结构，在降雨、重力、风力等侵蚀因素的作用下，容易导致水土流失的增加。张科利等[2]通过研究传统的侵蚀成因形态分类体系，认为道路侵蚀是一个独立的侵蚀产沙单元，包含多种侵蚀过程或方式，应作为一种独立侵蚀单元研究。陈宗伟[3]指出公路边坡土壤侵蚀发生、发展与降雨、土壤和植被有密切的关系。刘窑军[4]在山区道路边坡防治中提出植被覆盖度、土壤容重、饱和导水率、总孔隙度等是影响边坡降雨侵蚀性的最主要因子。草灌措施可以很好地预防边坡水土流失。张瑜等[5]认为土壤抗冲性和抗剪性反映着土壤抗侵蚀性能，掌握土壤抗冲性和抗剪强度有助于揭示土壤侵蚀规律。查小春等[6]通过研究不同年限土壤侵蚀程度，提出土壤的抗剪强度对抗冲性影响最大，随侵蚀年限的增长，土壤的抗冲性呈减弱趋势，侵蚀程度变大。

中外绝大多数学者已将交通工程作为独立的研究对象进行研究，并且多数研究集中在项目建设的施工期，而对项目建成后运营期的水土流失情况研究较少。基于宁杭高速铁路沿线典型路段进行定点研究，是江苏省境内高铁水土保持现状监测的先行研究，将典型树种刺槐、马尾松、榉树、女贞覆盖下土壤侵蚀因子和土壤侵蚀强度关系进行深入探究，对指导沿线树种选择具有重要意义，通过对土壤侵蚀的研究为今后水土流失的预测、水土流失的控制提供理论基础，以期为降低高铁边坡造成的水土流失，为刺槐、马尾松、榉树、女贞的经营发展提供理论依据。

1 研究地区与研究方法

1.1 试验区概况

试验区位于江苏省西南部，宁杭高铁起于南京市，途经镇江市、常州市和无锡市，长度为146.773 km。线路自南京南站引出，东西向敷设，依次设置句容西站、溧水站、溧阳瓦屋山站、溧阳站和宜兴站。沿线全年平均气温在15.0～18.0 ℃，全年无霜期 230 d 左右，每年7—8月气温较高，1—2月气温较低，极端最高气温38.8～43.0 ℃，极端最低气温-10.1～-14.0 ℃。多年平均降雨量为 1 027～1 600 mm，山区稍多，年降雨日数在 150～160 d，年最大降雨量2 356 mm，年最小降雨量570 mm，年蒸发量1 130～1 380 mm，年平均相对湿度81%。研究样地基本情况如表1、图1所示。

表1 样地植被类型调查

1.2 研究方法

1.2.1 外业监测

(1)降雨量

降雨量收集使用RG3-M翻斗式自记雨量计，分别设置在溧水、溧阳、宜兴临近车站或养护工区的空旷地，持续测定降雨量(每5 min自动采集一次数据)，数据用于计算降雨量和降雨历时，定期收集数据，进行仪器养护。

(2)土壤抗冲性

使用便携式土壤抗冲仪测定抗冲指数来定量反映土壤抗冲性的强弱，即在一个大气压力下，以0.7 mm直径的水柱冲击土体1 min，使其产生水蚀穴，测定每个水蚀穴的平均口径和深度。每10个水蚀穴深与宽乘积的平均值的倒数，即为该土层的抗冲指数。选取坡面坡顶、坡中和坡底三个位置进行抗冲性测定，每个位置至少测3个重复，并取平均值代表该坡面的抗冲性。

(3)土壤抗剪性测定

采用三头抗剪仪测定土壤抵抗剪切破坏的能力。选取坡面坡顶、坡中和坡底三个位置进行抗剪切性测定，每个位置至少测3个重复，并取平均值代表该坡面的抗剪切性。

(4)侵蚀模数测定

土壤侵蚀量采用测钎和沉砂池法测定，每块样地设置9根相同尺寸的测钎，每季度收集记录一次测钎高度，采用沉砂池数据进行校准。通过侵蚀量与汇水面积的比值得出样地季度侵蚀模数。

1.2.2 内业实验

(1)全量元素与有机质测定

土壤采样前应先将剖面整修、清理，削去最表层的浮土，然后再按层次自上而下逐层从中心典型部位取样，主要采用5～10 cm土层土壤，采样主要采用三点法采样，在上坡、坡中、下坡各取样混合后自然风干，测试过程中采用三组重复实验以保证数据准度，其中有机质采用重铬酸钾氧化-外加热法测定(LY/T 1237—1999)，全磷采用酸溶-钼锑抗比色法测定(LY/T 1232—1999)，全钾采用酸溶-火焰光度法测定(LY/T 1234—1999)。

(2)土壤含水率、渗透系数测定

选取坡中位置，使用直径5、10 cm环刀取5～10 cm土层样品，原状土和扰动土各三份，将直径 5 cm 环刀样品在105 ℃的烘箱内将土样烘6～8 h至恒重，计算土壤含水率。

将直径10 cm环刀样品放在漏斗上，往上面的空环刀中加水，每隔5 min更换漏斗下的烧杯，记录渗入量Q1，Q2，…，Qn。每更换一次烧杯要将上面环刀中水面加至原来高度，同时记录水温。

(1)

式(1)中：K10为温度为10 ℃时的渗透系数，mm/min；Qn为间隔时间内渗透的水量，mL；ts为每次渗透所间隔的时间，min；L为土层厚度，cm；h为水层厚度，cm；T为测定时刻的温度，℃；0.7和0.03为经验系数。

1.2.3 数据处理及方法

使用Microsoft Excel 2013软件进行数据处理和表格制作，采用SPSS 19.0软件进行相关性分析，CANOCO5进行主成分(PCA)分析。

2 结果与分析

2.1 降雨季节分布特征

图2 不同地区降雨季节分布特征

研究区2018年3月—2019年2月平均降雨 1 138.93 mm，宜兴地区年降雨量略高于溧阳、溧水地区。其中溧水地区年累计降雨量1 120.4 mm，降雨日数107 d，平均降雨量10.47 mm；溧阳地区年累计降雨量1 113.4 mm，降雨日数105 d，平均降雨量10.6 mm；宜兴地区年累计降雨量1 183 mm，降雨日数110 d，平均降雨量10.75 mm。如图2、表2所示，降雨主要集中在夏季，降雨量夏季>冬季>春季>秋季。月最大降雨量春季溧水、溧阳、宜兴三个区域均出现在5月，夏季均出现在7月，秋季除溧水出现在11月，其他两地出现在9月，冬季除溧阳出现在2月，其他两地出现在12月。日最大降雨量春季除溧阳出现在4月，其他两地出现在5月，夏季均出现在7月，秋季均出现在9月，冬季除溧水出现在12月，其他两地出现在2月。

研究期间，夏季(6—8月)降雨量最多，为434.3 mm，冬季(12—2月)降雨量次之，为298.7 mm，春季(3—5月)、秋季(9—11月)降雨量较少，分别为259.3、146.6 mm。全年降雨集中在7— 8月份，月降雨量均超过100 mm，6— 9月总降雨量达到372.4 mm，占全年总降雨量的33%。

2.2 不同乔木覆盖下土壤侵蚀因子季节变化特征

2.2.1 有机质及全量元素季节变化特征

植被覆盖下养分含量受自身生长需求和养分流失的影响，为比较不同植被覆盖下养分季节变化的稳定性，使用变异系数表示养分含量的变化程度。变异系数越大说明养分含量的变化程度越大，变异系数越小说明养分含量的变化程度越小，样地养分含量越稳定。

(2)

式(2)中：D为养分含量的均方差；X为养分含量的平均值。

在自然恢复过程中，分季度对样地内土壤进行收集检测，对四种乔木典型样地全量和有机质养分含量季节变化进行统计分析，结果如图3所示，由图3可知：在不同植被覆盖条件下，全量养分含量由大到小的顺序为全钾>有机质>全磷。同时在对季节降雨的响应过程中，样地内有机质和全钾的含量变化程度较明显，全磷含量变化较小，全量元素和有机质变化趋势和季节降雨的变化趋势相似，呈现春夏渐增、秋冬渐衰的趋势。其中刺槐和马尾松林分有机质含量在秋季达到峰值，探究原因主要是由于林分覆盖度较大，夏季枝繁叶茂，秋季地表枯枝落叶较多，在春夏生长旺季和秋冬储存养分的反馈中，以秋季正反馈为主。磷元素在夏季降雨较多的情况下样地含量较少，主要是磷元素主要以吸附的方式固定，在水土流失中以径流携带为主，而有机质和钾元素主要以泥沙为载体流失[7]。

对比不同植被覆盖样地下，马尾松林有机质含量最优，刺槐次之，女贞、榉树最差，通过分析季节养分差异系数，马尾松稳定性最优，女贞次之，榉树、刺槐最差；刺槐林全钾含量最优，马尾松次之，女贞、榉树最差，通过分析季节养分差异系数，女贞稳定性最优，榉树次之，刺槐、马尾松最差；马尾松林全磷含量最优，刺槐次之，榉树、女贞最差，通过分析季节养分差异系数，女贞稳定性最优，马尾松次之，刺槐、榉树最差。整体来说，马尾松、刺槐养分水平较高，女贞、榉树养分水平偏低，但养分含量稳定性较优良。

2.2.2 抗冲抗剪指标季节变化特征

土壤的抗冲抗剪性能即土壤抵抗径流冲刷、分散地表径流的作用，直接决定了土壤抗蚀性，土壤自身含水率水平、渗透性能都影响着土壤抗冲、抗剪能力，坡面滑坡的发生和水的作用关系密切，土壤的破坏过程实际上是土壤抗冲、抗剪能力丧失的过程。

表2 月降雨量分布特征

图3 有机质和全量元素季节变化特征

通过对比分析不同季节样地含水率和渗透系数，结果如图4所示，由图4可知，不同植被覆盖下的土壤含水率和渗透系数对季节变化有明显的响应，整体呈现先上升后下降的趋势，当土壤含水率水平高时，土壤渗透系数随之也有所增加。从不同的季节尺度来看，土壤含水率春季>夏季>秋季>冬季，土壤渗透系数夏季>春季>秋季>冬季；从不同的植被覆盖样地来看，土壤含水率女贞>榉树>刺槐>马尾松，土壤渗透系数女贞>马尾松>榉树>刺槐。这是由于含水率水平主要受植被覆盖度和容重等的综合影响，容重较大，土壤下渗能力低、含水率低，冬季土壤温度低且土壤紧实，土壤含水率和渗透系数均为谷值，女贞覆盖下植被结构完整，为乔灌草结合结构，刺槐覆盖下虽然覆盖度大，但土壤过紧实。冬季气候干燥，水分较少，土壤含水率较前几季度普遍偏低。

图4 土壤含水率、K10季节变化特征

图5 抗冲、抗剪季节变化特征

图5为不同季度四种乔木覆盖下样地表层土壤的抗冲刷指数和抗剪性指标，由图5可知，抗冲刷指数与抗剪性指标呈现相似的趋势，均为夏季为谷值，冬季到达峰值，全年变化趋势为春夏季下降，秋冬季上升，产生这种现象的原因是春夏季节为土壤微生物活跃和植被生长旺盛的生长季，地表土壤疏松且表层土壤含水率水平高，相比较而言秋冬季节土壤表层紧实且随温度降低具有板结情况[8]，土壤表层的理化性质、含水率水平、孔隙度都在一定程度上影响着土壤的抗冲刷指数和抗剪性指标。

整体上抗冲刷指数全年平均水平由大到小的顺序为马尾松>刺槐>榉树>女贞；抗剪性指标全年平均水平由大到小的顺序为马尾松>刺槐>榉树>女贞，表明了相同的降雨类型条件下马尾松和刺槐林分具有更强的保持水土流失、控制侵蚀沟生长发育的作用。

根据全年的观测数据对土壤含水率和抗冲刷指数和抗剪性指标进行统计分析和曲线模拟得到图6，发现土壤含水率和抗冲刷指数、抗剪性指标均有较强的相关性，土壤含水率与抗冲刷系数呈对数关系：y=-0.601lnx+3.224 2，土壤含水率与抗剪性呈对数关系：y=-1.466lnx+6.434 6，R2均大于0.6，拟合性程度较高，且随着含水率的提高，抗冲刷指数和抗剪性逐渐下降，在含水率水平为10%～15%，土壤抗冲刷指数和抗剪性数值达到峰值。

图6 土壤含水率和抗冲抗剪性回归分析

2.2.3 不同乔木覆盖下土壤水蚀侵蚀模数季节变化特征

为更直观地体现各样地土壤侵蚀特征，通过测钎法计算各样地的季节侵蚀模数(年度侵蚀模数=四季侵蚀模数之和=四季侵蚀模数均值×4)，如表3、图7所示。

从季节情况分析，由于夏季降雨具有集中、量大的特点，土壤侵蚀程度整体趋势为夏季>春季>秋季>冬季。从样地情况分析，土壤侵蚀程度由大到小的排序为榉树>女贞>刺槐>马尾松。根据上文分析，土壤有机质含量高、全量元素含量高、抗冲抗剪指标高的马尾松与刺槐林分，土壤侵蚀模数小，均属于微度侵蚀，而榉树林分土壤侵蚀模数超过500 t/(km2·a)，侵蚀强度已经达到轻度。

表3 不同乔木覆盖下侵蚀模数季节分布特征

图7 侵蚀模数季节差异图

2.3 土壤侵蚀因子季节差异与侵蚀模数相关性分析

表4为研究期间有机质(OM)、全钾(TK)、全磷(TP)、土壤含水率(SMC)、K10系数、抗冲刷系数(AE)、抗剪性(SRP)、降雨量(R)、日最大降雨量(MAXR)、降雨强度(E)、覆盖度(C)、草本覆盖度(HC)、乔木覆盖度(BC)、侵蚀模数(EM)等因子进行相关性分析统计。由表4可知，土壤抗冲抗剪性和土壤含水率、K10系数呈现极显著相关性，且土壤含水率与抗剪、抗冲性呈现负相关，K10系数与抗冲性呈现负相关，抗冲性和抗剪性呈现正相关，由于土壤抗冲刷系数、抗剪性指标越大土壤抗冲、抗剪性能越优，所以认为土壤含水率在正常水平外越高、K10系数越大，土壤抗冲、抗剪性能越差，且土壤抗冲性优良的地块，抗剪性随之优良。降雨强度可以明显的影响土壤含率水平、抗冲、抗剪性，且和降雨量、日最大降雨量显著正相关。

表4 土壤侵蚀因子相关性分析

注：*在0.05级别(双尾)，相关性显著；**在0.01级别(双尾)，相关性显著。

通过对侵蚀因子季节差异变化和土壤侵蚀强度进行定量分析，土壤含水率、降雨量、降雨强度显著正相关，全磷含量、抗冲刷系数、抗剪性、草本植被覆盖度呈现负显著相关，其中土壤含水率、抗冲刷系数、抗剪性、降雨强度与土壤侵蚀模数相关性为极显著，说明在众多土壤侵蚀因子中，研究区域直接影响土壤侵蚀强度的因子为土壤含水率、降雨量、降雨强度、全磷含量、抗冲刷系数、抗剪性、草本植被覆盖度，整体分析认为，土壤含水率、降雨量、降雨强度越大，抗冲刷系数、抗剪性、草本植被覆盖度越小可能造成土壤侵蚀强度的越大，土壤侵蚀量增大反过来影响土壤中养分元素，尤其是全磷含量，造成土壤养分流失。

2.4 土壤侵蚀因子季节差异与侵蚀模数PCA分析

图8 PCA分析图

为进一步揭示各指标的差异影响性，将各样地的成分数据使用CANOCO5进行主成分(PCA)分析，结果如图8所示。由图8可知，PCA1轴解释率高达63.39%，PCA2轴解释率为16.57%，整体解释率为79.96%。PCA1轴因子主成分贡献率中主要贡献因素为降雨强度、含水率、日最大降雨量、抗剪性、抗冲刷指数，PCA2轴因子主成分贡献率中主要贡献因素为降雨量、全磷、有机质、草本覆盖度。可见，降雨强度是主要影响因素，但该因子缺乏人为控制性，土壤抗剪性和抗冲刷系数和土质有关，也缺乏人为控制性，有机质、全磷含量和覆盖度人为控制性强，可作为人为控制土壤侵蚀的关键因素，主要可从优化植被配置、加强后期养护以提高覆盖率以及增施土壤肥力以提高有机质、全磷含量等方面进行改良。

3 讨论

在小尺度样方土壤侵蚀因子调查的过程中，表层土壤的理化性质并不是单独的影响指标，研究结果认为土壤的物理性质，如土壤含水率、K10、抗冲性、抗剪性对土壤表层机械性质的稳定作用更为直接，这和陈晏等[9]、赵洋毅等[10]、徐佳佳等[11]研究结果相同，土壤抗剪抗冲性是土壤减少径流冲刷携带土壤颗粒、保护土壤表层稳定的重要性能。基于土壤的抗冲抗剪等能力，土壤养分指标的稳定性才得以保证，这是土壤自身的正负反馈能力，通过改变化学性质，改变土壤现状，促进植被生长可以恢复土壤物理性质，土壤抗蚀能力减少土壤流失，稳定了土壤理化性质。

研究表明：在土壤整地破坏的短期恢复中，植被覆盖度中，草本覆盖度与土壤侵蚀程度的相关性远高于乔木覆盖度，与韩鲁艳等[12]对不同恢复年限的植物群落的土壤抗蚀性和侵蚀程度研究得出的土壤侵蚀主成分乔灌木群落优于多年生草本和蒿类群落不同，研究为宁杭高铁沿线路段植被恢复初期，稳定的植被垂直结构还未形成，适应性较好的草本植物成长速度快，根径削减泥沙和径流的效果呈现期较早。随着研究区域恢复时间的增长，乔木对生物多样性的影响预期会超过草本植被，成为减少和控制土壤流失的主导因素。

研究表明，在降雨侵蚀的过程中，土壤日最大降雨量和最大降雨强度对土壤侵蚀强度的贡献高于季度降雨量，在降雨量的讨论中，峰值降雨量和降雨强度典型日侵蚀量往往左右着季度侵蚀强度，在降雨集中的时期防范土壤侵蚀造成危害是必要的。

4 结论

研究期间，宜兴地区年降雨量略高于溧阳、溧水地区，夏季降雨量最多，全年降雨集中在7— 8月。

在不同植被覆盖条件下，全量养分含量由大到小的顺序为全钾、有机质、全磷。有机质和全钾的含量变化程度较明显，全磷含量变化较小，全量元素和有机质变化趋势呈现春夏渐增、秋冬渐衰的趋势。马尾松、刺槐养分水平较高，女贞、榉树养分水平偏低，但养分含量稳定性较优良。

土壤含水率和K10影响着土壤的抗剪抗冲能力，当土壤含水率水平高时，土壤渗透系数随之也有所增加。土壤含水率女贞>榉树>刺槐>马尾松，土壤渗透系数女贞>马尾松>榉树>刺槐。抗冲刷指数与抗剪性指标呈现相似的趋势，均为夏季为谷值，冬季到达峰值，全年变化趋势为春夏季下降，秋冬季上升，马尾松和刺槐林分抗冲抗剪性较为优良，具有更强的保持水土流失、控制侵蚀沟生长发育的作用。

夏季土壤侵蚀程度高于春季、秋季、冬季。马尾松和刺槐林分土壤侵蚀程度较小。土壤含水率、降雨量、降雨强度、全磷含量、抗冲刷系数、抗剪性、草本植被覆盖度和土壤侵蚀模数具有较强的相关性，降雨强度、含水率和日最大降雨量、有机质、覆盖度、抗剪性和抗冲刷系数对土壤侵蚀的贡献率较高。