道路和城镇建设等人类活动会改变地形及水文循环条件。在降雨、冻融、重力等作用下，裸露的人工土质边坡创面面蚀、冲蚀、沟蚀等各类水土流失现象会加剧，不仅影响边坡的整体稳定性，更对生态系统和环境造成极大影响^[1]。

新修土质边坡土壤侵蚀模数多为1万~2万t/(km²·a)^[2-5]，甚至超过50万t/(km²·a)^[6-7]。采用各种边坡防护措施旨在减轻边坡水土流失，土壤侵蚀模数可降低到约5 000 t/(km²·a)或更低^[5]。土质边坡侵蚀过程复杂、多种类型(面蚀、沟蚀、垮塌，高海拔地区冻融侵蚀等)交织，既受众多自然地理环境要素(气候、地形、植被等)影响，也受边坡施工方式、填土物质以及边坡防护措施控制^{[2, 4]}。现有研究主要采用设置径流小区、钎测、侵蚀沟、体积法等对裸露边坡侵蚀强度进行监测和评估，而边坡措施效果研究案例报道较少，多种边坡措施效果比较研究尚有待开展，尤其各项边坡防护措施对于强降雨条件下，坡面土壤侵蚀特征与过程、影响因素缺乏更多数据和理论支持。

本研究选择四川省和云南省4地山区公路土质边坡人工创面，探讨在不同降雨强度下，多种水土保持措施减流、减沙效益以及影响因素；同时，测定土壤紧实度变化，检验土壤紧实度对产沙量的关系，旨为人工创面水土流失预测与监测、生态修复技术、措施的开展提供依据和思路。

松潘县和汶川县位于青藏高原东缘，同属四川省阿坝藏族羌族自治州，面积分别为8 486 km²和4 084 km²(图 1)。岷江流经2县。2县地貌地形起伏剧烈，相对高差显著。松潘县地处岷山山脉中段，以中山地貌为主，雨季分明年平均降水量720 mm，平均气温5.7 ℃；汶川县地势由西北向东南倾斜，西部多分布海拔>3 000 m的高山，东南部漩口镇的岷江出口处海拔仅780 m，年平均温度12.9 ℃，年平均降雨量1 400 mm。2县均属温带季风气候。由于地形复杂，高差悬殊，随海拔变化呈现山地垂直气候带特征。2县土壤类型相对丰富，但主要以棕壤、褐土为主，另外还分布有黄壤、高山草甸土、沼泽土、灰褐土、褐色土、山地灰化土、寒漠土等。

图 1(Fig. 1)

图 1 研究区位置图 Fig. 1 Location map of the study areas

云南省昆明市盘龙区和曲靖市麒麟区位于云贵高原中部，面积分别为340和1 553 km²(图 1)。盘龙区以湖盆岩溶高原地貌形态为主，红色山原地貌次之，大部分地区海拔在1 500~2 800 m之间，年平均气温14.9 ℃，年平均降雨量约为1 000 mm，降雨主要集中在5—9月；麒麟区东西高中部低，中部为平坝，东西2侧多为山地。海拔最高2 452 m，最低1 845 m。属北亚热带季风气候，年平均气温14.5 ℃，年均降雨量1 008 mm。盘龙区和麒麟区主要土壤类型为红壤，其次为水稻土和紫色土，还有黄壤、石灰岩土、新积土等类型。

根据野外调查情况及实验设计要求，分成9种边坡措施于12个试验地点中选取45个边坡进行试验，其中“植被+三维网”处理中的植被措施覆盖度为75%~90%(表 1)。实验地点海拔范围为1 885~3 180 m，边坡坡度控制在30°~45°。根据不同的边坡实际情况，通过野外人工模拟降雨实验，测定裸坡和不同水土保持措施下的边坡产流与产沙量。为便于不同样地间土壤性质和产流与产沙量对比，野外样地边坡不同植被覆盖度试验均选择草类植物。

表 1(Tab. 1)

表 1 样地选择与试验处理情况 Tab. 1 Sample plot selection and experimental treatment 试验区域 Experiment area 试验地点 Experiment location 海拔 Altitude/m 坡度 Slope/(°) 边坡措施(边坡数) Measures on slopes (plot number) 云南省昆明市盘龙区 Panlong district, Kunming city, Yunnan province 北部客运站 Northern passenger terminal 1 942 39 裸坡、阶梯细沟、植被+三维网、植被覆盖度90%(4) Bare slope, step rills, vegetation + three-dimensional network, and vegetation coverage 90% (4) 严家山 Yanjiashan 1 960 30 裸坡、植被覆盖度90%(2) Bare slope, and vegetation coverage 90% (2) 九龙湾立交 Jiulongwan interchange 1 974 34 裸坡、三维网、植被+三维网、植被覆盖度(25%、50%、75%、90%)(7) Bare slope, three-dimensional network, vegetation + three-dimensional network, and vegetation coverage (25%, 50%, 75%, and 90%) (7) 云南省曲靖市麒麟区 Qilin district, Qujing city, Yunnan province 下里茂冲村 Xialimaochong village 1 900 45 裸坡、三维网、植被+三维网、植被覆盖度(25%、50%、75%、90%)(7) Bare slope, three-dimensional network, vegetation + three-dimensional network, and vegetation coverage (25%, 50%, 75%, and 90%) (7) 曲靖北站 Qujing north railway station 1 885 38 裸坡、三维网、植被+三维网、植被覆盖度(25%、50%、75%、90%)(7) Bare slope, three-dimensional network, vegetation + three-dimensional network, and vegetation coverage(25%, 50%, 75%, and 90%) (7) 机场公路 Airport highway 3 180 30 裸坡、植被覆盖度(50%、90%)(3) Bare slope, and vegetation coverage (50% and 90%) (3) 黄胜关 Huangshengguan 3 084 32 裸坡、阶梯细沟、砾石(3) Bare slope, step rills, and gravel (3) 四川省阿坝州松潘县 Songpan county, Aba prefecture, Sichuan province 县城下游河道 Downstream of the county seat 2 827 34 裸坡、阶梯细沟、砾石(3) Bare slope, step rills, and gravel (3) 清源乡铁路 Qingyuan township railway 2 828 34 裸坡(1) Bare slope (1) 虹桥关隧道 Hongqiaoguan tunnel 2 958 35 植被覆盖度(50%、90%)(2) Vegetation coverage (50% and 90%) (2) 十里回族乡 Shili Huizu township 2 923 31 裸坡、阶梯细沟(2) Bare slope, and step rills (2) 四川省阿坝州汶川县 Wenchuan county, Aba prefecture, Sichuan province 羌丰 Qiangfeng 1 310 45 裸坡、植被覆盖度(25%、50%、75%)(4) Bare slope, and vegetation coverage (25%, 50%, and 75%) (4)

表 1 样地选择与试验处理情况 Tab. 1 Sample plot selection and experimental treatment

受边坡坡长和各类边坡处理措施面积所限，在不同的边坡试验样地，用镀锌薄铁皮宽25 cm分别置于边坡上，埋深10 cm，围成面积为2 m²(1 m×2 m)微型径流小区。小区出口处做成等腰三角形集水区(底边100 cm，高20 cm)，且上方用铁皮遮盖，考虑实验区产流和产沙过程主要受大雨、暴雨等强降雨控制以及野外试验条件限制，降雨模拟试验分2次实施，第1次降雨(1.4 mm/min)20 min，第2次降雨(2.7 mm/min)15 min，皆为暴雨等级。出水接入带盖水桶，以收集降水过程中所产生的地表径流量及泥沙(图 2)。径流量用量筒进行量取，泥沙量用滤纸进行过滤后，烘干称量。

图 2(Fig. 2)

图 2 西南山区土质边坡径流小区布设 Fig. 2 Layout of runoff plots on earth slopes in mountainous areas in Southwest China

在12个实验点径流小区附近分别采集裸露和有植被覆盖土壤样品，其中汶川、松潘、昆明、曲靖试验区分别采集4、11、8和3个土壤样品。土壤采样深度10 cm。每个土壤样品包括2套，其中1套采集原状土，放入硬质塑料盒，密封，用于土壤团聚体测定；另外1套，05:00—06:00随机采集土壤，混合均匀后，利用四分法采集土壤样品质量约1 kg，用于pH、养分和颗粒组成测定。

土壤pH值和有机质分别使用电位法和重铬酸钾-硫酸消化法测定。根据萨维诺夫湿筛法，分别测定边坡不同措施下土壤的风干大团聚体和水稳性团聚体含量。土壤团聚体结构体破坏率(soil structure damage，SSD)按以下公式计算：SSD(%)=(≥0.25 mm团粒(干筛-湿筛)/>0.25 mm团粒(干筛))×100%。土壤颗粒组成(particle size distribution，PSD)采用湿筛-吸管法测试，土壤质地类型采用美国农业部土壤质地标准确定。用土壤紧实度仪(SC900，美国Spectrum公司生产)分别测定微型径流小区降雨前、第1次和第2次降雨后土壤紧实度，每次测定以水平间隔10 cm呈网格状均匀布点，测定深度为0~10 cm。

实验数据使用SPSS软件和Microsoft Excel 2016进行分析处理，不同处理之间开展显著性检验。

汶川、松潘、昆明和曲靖试验区的土壤pH平均值分别是8.7±0.2、8.8±0.3、7.3±1.5和7.4±0.2(表 2)。四川省汶川和松潘试验区土壤偏碱性；而云南省昆明和曲靖试验区土壤除昆明实验区一个采样点pH值为4.18外，其余土壤为中性和碱性(表 2)。四川汶川、松潘与云南昆明和曲靖试验区的土壤pH平均值存在显著性差异(P < 0.05)，这既可能与不同区域气候和土壤类型差异有关，也与工程边坡土壤因客土或施工措施等人为作用相关。

表 2(Tab. 2)

表 2 不同试验区土质边坡土壤pH、有机质和颗粒质量分数 Tab. 2 Soil pH, organic matter and particle content of earth slopes in different experiment areas 试验区 Experiment area 样品数 Number of samples 有机质 Organic matter/(g·kg-1) pH (范围Range) 砂粒 Sand/% 粉粒 Silt/% 黏粒 Clay/% 汶川Wenchuan 4 21.5±10.1 8.7±0.2 (8.48~8.96) 53.5±8.2 41.3±7.6 5.2±2.1 松潘Songpan 11 11.4±4.3 8.8±0.3 (8.05~8.98) 36.9±14.5 50.4±11.5 12.8±5.2 昆明Kunming 8 20.2±16.9 7.3±1.5 (4.18~8.54) 52.5±17.4 18.3±13.0 29.2±6.4 曲靖Qujing 3 29.0±12.1 7.4±0.2 (7.21~7.76) 54.1±17.1 32.0±17.7 14.0±7.9 注：表中数据为平均值±标准差。Note: The data in the table is the mean ± standard deviation.

表 2 不同试验区土质边坡土壤pH、有机质和颗粒质量分数 Tab. 2 Soil pH, organic matter and particle content of earth slopes in different experiment areas

曲靖、汶川、昆明和松潘试验区土壤有机质平均质量分数由高到低，分别为(29.0±12.1)、(21.5±10.1)、(20.2±16.9)和(11.4±4.3) g/kg(表 2)。各样地边坡土壤有机质质量分数变化较大，除少部分外，土壤有机质质量分数 < 20 g/kg。这也体现了工程边坡土壤有机质质量分数整体较低的特点。

4个试验区中，松潘试验区土壤中砂粒质量分数最低，土壤中粉粒质量分数最大，而昆明试验区土壤黏粒含量最高。汶川试验区土壤颗粒以砂粒和粉砂占绝对优势，分别达53.5%与41.3%，质地以砂质壤土为主(表 2)。松潘、昆明和曲靖试验区土壤质地分别以壤土、砂质黏壤土和壤土为主。4个试验区边坡土壤以砂粒或粉粒质量分数为主，边坡土壤质地偏粗，与工程建设时偏细质地的表土被剥离，表下层土壤或母质以及工程施工过程中粗粒物质混入相关。

汶川试验区粒径>0.25 mm的风干团聚体占比相对较高，而>0.25~2.00 mm的风干团聚体较为相近，昆明与松潘试验区>2.00~10.00 mm的风干团聚体含量较高，平均为11%左右，而曲靖与汶川试验区>10.00 mm的风干团聚体中显示出比昆明和松潘等地更多的团聚体含量。4个试验区粒径>0.50 mm的风干团聚体，昆明试验区与松潘试验区的数据比较接近，分别是89.94%与89.16%，前者略高(表 3)。

表 3(Tab. 3)

表 3 各试验区土质边坡土壤风干和水稳性团聚体的平均质量分数 Tab. 3 Average content of soil air-dried and water-stable aggregates on earth slopes in each test area 试验区 Experiment area 样品数量 Number of samples 团聚体类型 Aggregate type 各粒级团聚体质量分数Aggregate content/% 结构破坏率 Structural failure rate/% >10.00 mm > 7.00~10.00 mm > 5.00~7.00 mm > 3.00~5.00 mm > 2.00~3.00 mm > 1.00~2.00 mm > 0.50~1.00 mm > 0.25~0.50 mm ≤0.25 mm 汶川Wenchuan 4 风干Air-dried 32.9 8.5 7.2 8.5 6.6 8.4 12.2 5.6 10.1 44.2 水稳性Water-stable - - - 24.2 9.4 5.3 8.1 5.9 47.1 松潘 Songpan 11 风干 Air-dried 22.6 10.3 9.4 13.9 11.0 10.9 11.1 3.3 7.2 63.3 水稳性 Water-stable - - 11.0 5.5 5.6 5.3 5.3 3.8 62.2 昆明Kunming 8 风干 Air-dried 22.0 11.2 11.0 14.6 10.0 10.0 11.2 4.1 5.9 39.2 水稳性 Water-stable - - 24.8 6.3 5.0 10.1 8.5 3.1 42.0 曲靖 Qujing 3 风干 Air-dried 32.7 11.8 9.1 9.8 7.4 7.3 9.8 3.7 8.4 20.8 水稳性 Water-stable - - 48.0 7.2 4.5 4.5 5.4 3.1 27.1 注：“-”表示相应土壤粒级下未检测出团聚体。Notes：“-” indicates that no soil aggregates are detected at the corresponding soil grain level.

表 3 各试验区土质边坡土壤风干和水稳性团聚体的平均质量分数 Tab. 3 Average content of soil air-dried and water-stable aggregates on earth slopes in each test area

粒径≤0.25 mm的水稳性团聚体由高到低依次为松潘62.2%、汶川47.1%、昆明42.0%、曲靖27.1%。而>0.50~3.00 mm的水稳性团聚体在各试验地有较大的差别，松潘质量分数为16.2%、曲靖为14.4%、昆明23.6%、汶川为22.8%，>5.00~7.00 mm的水稳性团聚体质量分数在曲靖试验地表现最高，为48.0%，其次为昆明试验地24.8%(表 3)。土壤团聚体结构破坏率由高到低分别为松潘63.3%、汶川44.2%、昆明39.2%、曲靖20.8%，表明松潘试验区土壤团聚体稳定性相对较差，土壤抗蚀性相对最低。

第1次降雨时砾石措施边坡产流量达3 330 mL，显著高于裸坡和阶梯细沟，这与砾石覆盖于地表、不利于降雨和地表径流入渗有关，且坡面入渗减少量与砾石含量显著正相关^[8]。第2次降雨条件下裸坡产流量最高，裸坡和砾石处理产流量分别为2 777和2 441 mL二者间无显著差异，但2种处理显著大于阶梯细沟措施下的产流量。坡长和坡度是影响坡面产流的重要因素^[9]，阶梯细沟对坡长造成截断作用并降低局部坡度起伏，达到拦蓄径流和增加水分入渗的减流效果。

单一三维网措施和植被+三维网措施在第1次和第2次产流量分别为805和875 mL、1 494和1 666 mL，2种措施之间并无显着性差异。表明边坡经三维网设施处理后，增加植被覆盖措施并不能有效减少边坡产流量(图 3)，与Hu Lin等^[10]实验相符，此现象与植被茎叶形成汇流效应且根系填充土壤孔隙相关^[11-12]。

图 3(Fig. 3)

边坡产流量的差异性(P < 0.05)用不同字母表示。下同。 The difference of runoff yield of slope (P < 0.05) is represented by different letters. The same below. 图 3 模拟降雨条件下不同防护措施边坡产流量 Fig. 3 Slope runoff yield with different protection measures under simulated rainfall conditions

在植被覆盖度25%至90%的4种处理措施中，第1次降雨试验中植被覆盖度75%具有最低的产流量，显著低于其余3种处理，这3种处理间并无显著性差异(图 3)。第2次降雨试验时，各处理边坡产流量均出现一定幅度的上升，可能与第1次降雨后植被叶茎等蓄纳雨水能力已达饱和，第2次降雨时，又因植被覆盖度高，降水入渗少，而直接汇流形成地表径流所致，另外，植被根系填充土壤孔隙也会导致渗透率下降^[11]。

整体来看，以裸坡为对照，除了边坡砾石覆盖措施的2次降雨以及植被覆盖度95%措施下的第2次降雨下产流量与裸坡无显著差异外，其他处理的产流量均小于裸坡。单一三维网、三维网+植被覆盖以及植被覆盖度措施均能有效减缓地表径流，其中以植被覆盖度75%减流效果最好。

2次降雨条件下砾石措施的边坡产沙量均超过350 g，显著高于除裸坡处理外的其他边坡措施，甚至第1次降雨中的产沙量显著超过裸坡(图 4)。边坡表土砾石覆盖措施可减少雨滴击溅和径流冲刷面积，但因其加快了径流的流动，边坡径流具有更大的动能，且边坡上凸出的砾石较少、砾石覆盖度较低，此时砾石对边坡的保护作用不强，且因地表径流对土壤产生涡旋侵蚀作用^[13]，所以室内和野外模拟降雨条件下试验研究均表明，当降雨强度>1.0 mm/min时，砾石的存在会加剧多种边坡土壤，如红壤和砂质土的产沙量^[8]。阶梯细沟措施产沙量均较少，这与该措施拦蓄径流、填洼，增加水分入渗，产流量大幅度减低有关。

图 4(Fig. 4)

图 4 模拟降雨条件下不同防护措施边坡产沙量 Fig. 4 Slope sediment yield with different protection measures under simulated rainfall conditions

三维网措施在第1和2次降雨下产沙量分别为52与85 g，植被+三维网措施则分别只有7与10 g，2种措施相比植被加三维网设施具有较高的产流量，由此可知高植被覆盖度可以有效的降低边坡产沙量。

植被覆盖度75%处理第1与第2次降雨下产沙量分别只有11与24 g，植被覆盖度90%处理第1与第2次降雨产沙量分别仅为2与27 g。随植被覆盖度的增加，尤其植被覆盖度达75%以上时，人工土质边坡产沙量也随之显著减少(图 4)。

第1次降雨时，砾石处理显著高于裸坡和采取其他措施的边坡产沙量(图 4)。第2次降雨条件下，裸坡与砾石措施之间的土质边坡产沙量无显著差异，但显著高于采用其他防护措施的边坡产沙量。采取阶梯细沟、三维网、植被覆盖度25%和50%措施的边坡产沙量无显著不同，但显著高于布设有植被+三维网、植被覆盖度75%和90%措施的边坡产沙量。可见植被+三维网、植被覆盖度75%和90%措施这3种措施在固持土壤，减少边坡土壤侵蚀效果最为明显。

土壤抵抗外力压实和破碎的能力称为土壤紧实度，主要受含水量以及孔隙度、土壤密度、有机质、黏粒含量等土壤性质影响^[14]。除植被覆盖度25%措施外，各种边坡措施降雨前土壤紧实度，尤其是 < 2.5 cm的表层土壤平均紧实度，均高于降雨后的紧实度(图 4)。这与降雨导致表层土壤湿度增加，土壤颗粒间黏结力减低，使紧实度下降有关。自然荒坡和撩荒裸坡土壤野外实验也发现，土壤含水量对土壤紧实度影响明显，一般降水后因土壤含水量增加，土壤(0~10 cm土深)紧实度出现普遍下降的现象^[13]，与本实验结果较为符合。但在植被覆盖度25%、植被覆盖度50%的情况下此现象较不明显。这可能与工程边坡土壤因施工混入大量石砾，而土壤颗粒组成和团聚体测定时未将>2 mm粒径的石砾纳入计算，因此，从土壤团聚体和颗粒组成等指标不能反映石砾含量(表 2和3)。在利用紧实度仪原位测定这些剖面土壤时常受到这些石砾的影响，尽管土壤含水量提高，土壤基质(指粒径 < 2 mm土粒部分)紧实度值虽然下降，但高砾石含量也使许多点位测定时紧实度不变或升高有关。

第1次降雨与第2次降雨之间土壤紧实度值差异不明显(图 5)，这可能与野外现场2次降雨强度高，2次降雨湿润水分入渗量低，且入渗深度浅且变化不大，致使土壤紧实度变化范围小。

图 5(Fig. 5)

图 5 降雨前后边坡0~10 cm深度土壤平均紧实度变化 Fig. 5 Changes in the average compactness of the soil at 0-10 cm depth before and after rainfall

本实验选取7个试验点裸坡数据，对表土(< 2.5 cm土深)紧实度与产沙量关系进行详细探讨。云南昆明和曲靖试验区与四川松潘试验区自然土壤类型不同，分别为红壤和褐土，因此以下分别按土壤类型分别讨论表土(< 2.5 cm土深)紧实度与产沙量关系。当表土紧实度 < 200 kPa时，第1次与第2次降雨条件下，土壤产沙量会随紧实度增加而提高；而在紧实度>200 kPa时，裸坡土壤产沙量会随紧实度增加而降低(图 6)。对红壤、黄壤、紫色土等土壤类型上自然荒坡野外模拟降雨条件下的试验也发现，当表土紧实度 < 200 kPa时，土壤产沙量会随紧实度增加而提高；而在紧实度>200 kPa时，土壤产沙量会随紧实度增加而降低^[15]。在松潘试验区内褐土发育于黄土状母质。因此，其土壤性质可与陕西安塞黄绵土(黄土母质发育的土壤)进行比较。在安塞黄绵土野外模拟试验表明，表土紧实度(200~1 200 kPa)内，随土壤紧实度上升，土壤侵蚀模数以幂函数形式降低^[14]。松潘试验区内褐土的试验也与之相同。以土壤紧实度值200 kPa左右为界限，产沙量(侵蚀模数)随表土紧实度变化出现不同变化特征，反映了紧实度对地表产沙过程的复杂影响。一方面，表土紧实度一定程度提高，导致土壤孔隙度紧密，产生结皮，使产流增加，进而使地表径流冲刷加强，促进产沙；而反过来，土壤变得紧实，会增强土粒黏聚力以及土壤抗剪力，土壤抗蚀力加强，使产沙量减少。土壤紧实度与产沙量关系是这2种机制综合作用的体现^[13]。

图 6(Fig. 6)

图 6 表土(土深 < 2.5 cm)平均紧实度与产沙量关系 Fig. 6 Relationship between average compactness of surface soil (soil depth < 2.5 cm) and sediment yield

1) 山区道路工程边坡土壤之间有机质含量、颗粒组成、团聚体组成、pH值等基本特性差异大，整体土壤有机质，质地偏粗，都体现了道路边坡土壤表土剥离和施工过程等人为作用对土壤性质的影响。

2) 实施防护措施后的边坡产流量和产沙量，除砾石处理措施外，均较对照(裸坡处理)呈现显著下降，尤以植被+三维网、植被覆盖度75%和90%的防护措施减沙效果最为突出。

3) 道路工程裸露边坡0~10 cm土壤深度平均紧实度值差异极为明显，在400~2 000 kPa之间波动。经历降雨后表层(< 2.5 cm)人工边坡土壤紧实度会降低，同时因受边坡工程措施，改变土壤粒度组成等物理性质，导致部分边坡和措施边坡土壤紧实度变化不大。土壤紧实度的变化会引起土壤孔隙度以及土粒黏结力等力学性质相应变化，当表土土壤紧实度超过200 kPa时，裸坡产沙量随紧实度增加而出现降低的趋势。