镇江关样地位于镇江关镇政府南700 m的213国道东侧,川主寺研究样地位于川主寺镇政府西北2.2 km的213国道东北侧。根据铁路修建受损边坡植被恢复情况分为镇江关原始植被区(Z₁)、人工回填区(Z₂)、自然恢复区(Z₃)和川主寺原始植被区(C₁)、人工回填区(C₂)和自然恢复区(C₃)。原始植被区指未受到人为扰动的区域,人工回填区指受损边坡经框格固坡后填土的区域,区域内无植被覆盖,自然恢复区指受损边坡后经框格护坡工程自然搁置3～4 a的区域,在各植被恢复区分别随机设置6个5 m×5 m的灌木样方和12个1 m×1 m草本样方,记录灌木和草本植物的种名、株数、高度及盖度等,样地基本情况见图1和表1。

植被调查和样品采集于2018年8月20日至8月25日,在各样地6个灌木样方内避开树根随机采集0—20 cm土层土样装入密封样品袋,并清理地表植被和凋落物,用环刀和自制取样器(长10 cm×宽10 cm×高10 cm)采集表层原状土带回实验室备用。各样地土壤基本性质见表2。

在原状土冲刷试验过程中,各受损边坡含沙量随冲刷时间的变化趋势见图2。在产流初期,含沙量均较大,随产流时间的增加含沙量呈规律性递减,整体趋势为先减少后趋于平稳,这与金晓等^[14]的研究结论一致。除C₃外,变化趋势可以由幂函数很好的拟合,相关指数介于0.910 5～0.994 7。产流初期,由于表层土壤比较疏松,在冲刷过程中土壤颗粒易被搬离,所以初始径流含沙量较大。在0～2 min阶段,Z₁,Z₃和C₁的初始径流含沙量约是末期径流含沙量的8倍,Z₂,C₂的初始径流含沙量约是末期径流含沙量的4倍,C₃的初始径流含沙量约是末期径流含沙量的2倍。表层土壤更易被冲刷,由于植被根系的固土作用,深层土壤不易被冲刷。随着冲刷时间的延长,含沙量逐渐降低。各受损边坡土壤产流后前6 min阶段含沙量急剧减小,6～10 min阶段下降缓慢,随后在一个较低水平趋于稳定。在干旱河谷区,土壤冲刷结束后径流含沙量表现为Z₂(0.287 g/L)>Z₃(0.203 g/L)>Z₁(0.156 g/L)。在亚高山地区,土壤冲刷结束后径流含沙量表现为C₂(0.168 g/L)>C₃(0.081 g/L)>C₁(0.018 g/L)。人工回填区没有植被覆盖,更易被冲刷; 植被生长稀疏的自然恢复区植物根系在一定程度上固土作用; 植被丰富的原始植被区土壤径流量显著减少,丰富的植被增强了土壤抗冲性。其中C₂径流含沙量初始值最高,达到7.12 g/L,C₁,C₃初始径流含沙量最小,分别为0.15 g/L,0.16 g/L。由此可知,C₂相比于Z₂土壤受损程度最大,土壤更松散,更易被冲刷。C₁植被茂盛,根系发达,相比于Z₁土壤抗冲性强; C₃相比于Z₃土壤抗冲性也较强,说明干旱河谷区交亚高山同类型土壤更容易发生侵蚀。

图2 干旱河谷和亚高山受损边坡不同恢复时期含沙量动态变化特征

由图3看出,土壤抗冲指数随冲刷时间延长总体呈上升趋势,且这种关系不受边坡恢复程度变化而改变,这与伏耀龙等^[15]研究结果一致。土壤抗冲指数与时间的拟合曲线呈幂函数,相关系数范围为0.752 9～0.979 4。由于边坡土壤表层较为疏松,容易被冲刷,深层土壤较紧实,且有须根加固,颗粒之间摩擦力增大,不易被冲刷,表现较强的抗冲性,所以在不同恢复程度下的土壤抗冲性随冲刷时间的延长而增强。

图3 干旱河谷和亚高山受损边坡不同恢复时期土壤抗冲指数动态变化特征

由图3可知,C₁和C₃的土壤抗冲指数增速较大,C₂的土壤抗冲指数增速较小。干旱河谷3种不同受损边坡的抗冲性指数表现为Z₁(589.70 L/g)>Z₃(391.21 L/g)>Z₂(285.00 L/g); 亚高山地区3种不同受损边坡的抗冲性指数为表现为C₁(1 710.04 L/g)>C₃(1 622.65 L/g)>C₂(34.71 L/g)。在原始植被土壤中,根系分布密集,固结缠绕土体能力强,土壤理化性质得到改善,从而增强了土壤的抗冲性能。自然恢复区植被恢复了3～4 a,植物根系对土壤结构性质具有一定的改善作用,但远不如原始植被区。人工回填区无植被覆盖,且土壤孔隙度低,有机质含量少,土壤容重高,土体紧实,结构性和通透性较差,所以土壤抗冲性较小。

由表3可知,土壤抗冲性与土壤有机质含量x₁,土壤密度x₂,最大持水量x₃,田间持水量x₄,毛管孔隙度x₅和总孔隙度x₇间存在极显著相关关系(p<0.01),其中与x₁,x₃,x₄,x₅和x₇呈正相关; 而与土壤密度x₂呈负相关,即随土壤密度的增加,土壤抗冲性减弱。因为影响因素间存在多重共线性,对土壤抗冲性的影响效果重叠,为了消除多重共线性,采用通径分析法进一步研究。

表3 土壤抗冲刷系数相关性显著的因子间相关系数

通径分析过程中剔除了影响不显著或存在多重共线性的变量,变量x₁,x₂,x₇,x₈被选入最优模型。由此可见,在20项影响因素中,x₁,x₂,x₇和x₈对土壤抗冲刷系数有较为直接且显著的作用,是影响土壤抗冲性的主导因素。表4为主导因素对土壤抗冲刷系数的通径系数,其中x₁和x₇与土壤抗冲刷系数呈正相关,x₂和x₈与土壤抗冲刷系数呈负相关。主导因素直接通径系数的绝对值大小依次为:x₂(-2.665),x₈(1.877),x₇(-0.590),x₁(0.523)。可见,土壤密度x₂对土壤抗冲性表现为强烈的直接作用,其次是土壤容重x₈,而土壤有机质含量x₁和总孔隙度x₇的直接作用较小。主导因素间接通径系数合计后的绝对值大小依次为:x₈(-2.295),x₂(1.963),x₇(1.343),x₁(0.077)。说明x₈对土壤抗冲性间接作用最强烈,其次是x₂,x₁,x₇。x₁,x₇和x₈通过x₂的间接通径系数最大,说明自变量x₁,x₇和x₈通过x₂间接影响土壤抗冲性系数y的程度最大。而x₂通过x₈间接影响土壤抗冲性最大。

由相关性分析可知,x₃(r=0.668^**),x₄(r=0.725^**),x₅(r=0.668^**)与土壤抗冲性具有极显著的相关性(表3),而通径分析显示以上因子不是影响土壤抗冲性的关键因子,可能是由于以上因子与其他因子间存在多重共线性,以上因子通过影响土壤有机质含量x₁,土壤密度x₂,总孔隙度x₇和土壤容重x₈间接影响土壤抗冲性,所以不作为影响土壤抗冲性的主导因素。

决定系数结果见表4,x₂对土壤抗冲性的决定系数d_y.x2(7.102)最大,其次是x₈(3.523); x₂对R²的总贡献(R²=1.871)最大,其次是x₈(R²=-0.785),其他关键因子的决定因素和总贡献R²相对较小。由此可见,x₂是影响成兰铁路受损边坡土壤抗冲性的最重要指标,且与土壤抗冲刷系数呈显著负相关。

表4 主导因素对土壤抗冲刷系数的通径系数、决定系数和对R2的总贡献

利用采样点的土壤有机质含量x₁,总孔隙度x₇和土壤容重x₈与进行回归分析可得,x₁,x₇和x₈与土壤抗冲刷系数的相关关系可以用幂函数较好的拟合。

由图4可知,x₁与土壤抗冲刷系数呈极显著正相关(r=0.600,p<0.01),x₇与土壤抗冲刷系数呈极显著正相关(r=0.670,p<0.01)。随着土壤有机质含量和总孔隙度的增加,土壤抗冲性能也增加,反之亦然。土壤容重与土壤抗冲刷系数呈负相关(r=-0.418),土壤抗冲刷系数随土壤容重增加而减弱。通过分析,x₂是影响成兰铁路受损边坡土壤抗冲性的最重要指标,利用土壤密度和土壤抗冲性进行回归分析,土壤密度x₂与土壤抗冲刷系数呈极显著正相关(r=0.702,p<0.01)。土壤抗冲刷系数随着土壤密度的增加明显减少,二者的关系可用幂函数y=3704.5x^-6.451来表达。式中:y为土壤抗冲刷系数(L/g); x为土壤密度(g/cm³)。当土壤密度小于1.3 g/cm³时,土壤抗冲刷系数随着土壤密度的增加迅速降低,当土壤密度大于1.3 g/cm³时,土壤抗冲刷系数的降低速率减缓并趋于平稳,即土壤抗冲性达到相对稳定的状况(图4)。

图4 受损边坡土壤抗冲刷系数与主导因子的关系

成兰铁路不同受损边坡对土壤理化性质和根系的影响有所差异。原始植被区未受铁路工程干扰,土壤密度小,表明土壤较疏松,通透性好,肥力较高,根系分布广,故土壤抗冲性强。人工回填区为土体紧实,结构性和通透性较差,生长植物稀疏,根系联结作用弱,其土壤抗冲性弱。自然恢复区的土壤回填后自然恢复了3～4 a,其土壤容重、孔隙度、植物生长情况等有一定的改善,其下渗能力较强,土壤抗冲性也较强。植物的生长发育增加了根系的生长,根系具有根土黏结和生物化学作用^[16],因此能疏松土壤,降低土壤容重,增加土壤孔隙度,还能促进土壤有机质的形成^[9]。

本文通过通径分析得出土壤有机质含量、总孔隙度、土壤容重和土壤密度是影响土壤抗冲性的主要影响因子。土壤抗冲性与土壤容重和土壤密度呈极显著的负相关关系,与有机质含量和总孔隙度呈极显著正相关关系,这与郭明明等^[17]研究结果一致。这是由于容重的减小和土壤总孔隙度的增加能提高土壤的蓄水能力,缓解径流对土壤的分离作用,进而使土壤抗冲性能增强; 同时,有机质以胶膜的形式包被土壤颗粒,增加了土壤的黏结性,促进了土壤团粒结构的形成,因此增加了土壤颗粒抵抗径流冲刷的能力^[8]。王健等^[18]研究结果表明土壤容重和土壤密度与土壤抗冲指数呈正相关,土壤孔隙度与土壤抗冲指数呈负相关,土壤容重越大,孔隙度越小,土壤越紧实,其抗冲性能越强,这与本试验结果相反,可能因为研究区土壤类型差异所致,说明土壤容重和土壤总孔隙度不是影响土壤抗冲性的唯一因素,有机质含量以及水稳性团聚体含量也会影响土壤抗冲性的大小。根据通径分析得出,剩余项的通径系数e约为0.290,说明对土壤抗冲性有影响的自变量不止以上20个因素,还有因素没有考虑到,对土壤抗冲性影响因素的分析有待于进一步研究。