紫色土坡耕地生物埂土壤抗剪強度對干濕作用的響應

史東梅，蔣 平，何文健，丁文斌，汪三樹，彭旭東

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紫色土坡耕地生物埂土壤抗剪強度對干濕作用的響應

史東梅1，蔣 平2，何文健3，丁文斌1，汪三樹2，彭旭東4

（1.西南大學資源環境學院，重慶 400715；2.重慶市水利電力建筑勘測設計研究院，重慶400020； 3. 重慶市水土保持生態環境監測總站，重慶 401147；4. 貴州大學林學院，貴陽 550025）

生物埂土壤水分在次降雨中存在“干-濕-干”變化過程，這對生物埂土壤抗剪強度具有削弱作用。該文以紫色丘陵區花椒?。℉J）和桑樹埂（SS）為研究對象，通過根系現場挖掘法和土壤物理、力學性質測定等綜合方法，研究生物埂土壤水分及抗剪強度在天然降雨干濕作用下的衰減-恢復效應。結果表明：1）生物埂土壤含水率隨干濕作用表現出“急劇增加－急劇降低－穩定波動”趨勢，小雨條件下生物埂0～20 cm土壤含水率變化明顯；而在大雨和暴雨條件下，生物埂0～30 cm土壤含水率均變化明顯，且分別在3種降雨發生后第5、7、9天土壤含水率趨于穩定；2）生物埂土壤黏聚力和內摩擦角均呈現“急劇衰減—相對穩定—逐漸恢復”趨勢，小雨條件下生物埂對土壤黏聚力和內摩擦角具有增強效應且隨垂直深度呈降低趨勢；3）花椒埂、桑樹埂在暴雨條件下能顯著削弱干濕作用對土壤抗剪強度的劣化效應，2種生物埂的土壤黏聚力劣化率較對照埂分別降低44.03%、65.05%，而內摩擦角劣化率分別降低42.47%、45.70%。研究結果可為紫色丘陵區坡耕地生物埂措施設計和坡耕地耕層水土資源保護利用提供技術支持。

土壤；抗剪強度；降雨；生物?。凰p—恢復效應；坡耕地；紫色丘陵區

0 引 言

生物埂作為紫色土坡耕地常見水土保持農業措施，是在梯田埂坎上種植喬木、灌木或草本植物而形成的一種農林復合系統。早在20世紀70年代，中國就開始研究了生物埂植物種類問題[1]，此后李文華等[2-3]對生物埂類型、配置方法及生態經濟效應進行了較為系統性研究，王喜龍等[4]對比分析了喬木、灌木和草本植物生物埂生態效益，認為灌木生態效益較喬木好。生物埂不僅能提高坡耕地土壤質量，還可防治坡耕地水土流失、改善農田小氣候[5-6]，Li Xia等[7]研究表明苜蓿生物埂措施可分別降低氮、磷流失量的42%～50%、68%～84%，從而有效降低三峽庫區面源污染程度。相關研究表明，生物埂可有效改善坡面土壤結構、增加土壤蓄水、提高土壤抗剪抗蝕性能[8-9]。Everson等[10-11]通過田間試驗對生物埂土壤水分變化及玉米產量關系觀測表明，生物埂存在可有效補充淺根作物生長耗水量，顯著提高土壤抵抗季節性干旱能力、同時可改善坡面土壤容重、孔隙狀況、氮磷養分狀況。張宇清等[12]研究表明生物埂根系分布范圍內土壤水分呈現一定變化規律；在根系較少土層，其土壤水分明顯降低。紫色丘陵區桑樹、花椒生物埂對土壤孔隙結構等物理性質具有改良作用，同時也增強了土壤抗剪強度，保證了坡耕地土地生產力的穩定[13]。紫色土旱地資源集中分布在四川盆地，占全國紫色土面積51.28%，紫色土具有侵蝕性高、抗旱性差、土壤退化嚴重等問題[14]，紫色土坡耕地作為四川省和重慶市農業生產主體區域，在降雨、地形等自然因素和人為活動作用下，水土流失和面源污染生態問題十分突出[15]。坡耕地生物埂坎是當地常見的一種坡耕地利用類型，但坡耕地埂坎作為填方邊坡在強降雨條件下容易失穩、垮塌，而降雨—蒸發循環作用容易導致邊坡變形破壞[16]。土壤抗剪強度作為決定生物埂埂坎穩定性重要因素之一，受土壤結構、顆粒形態和含水率的較大影響。非飽和土體的抗剪強度隨土壤含水率增加而降低，其對抗剪強度的影響主要是通過降低土壤黏聚力，而對內摩擦角影響較小[17-18]；土壤抗剪強度在干濕循環條件下呈衰減趨勢[19-20]。目前，對土壤抗剪強度研究主要集中于土壤含水率、土壤容重、植物根系、土壤顆粒組成等單因素或多因素組合的室內模擬試驗；而對于在天然降雨-蒸發循環的干濕作用下，生物埂土壤水分急劇增大、土壤抗剪強度急劇降低，導致大量坡耕地埂坎失穩、垮塌現象的原因尚待深入研究。因此本文以紫色丘陵區坡耕地花椒生物埂、桑樹生物埂為研究對象，并以自然生草埂為對照，通過測定不同降雨條件下生物埂坎土壤水分、土壤抗剪強度指標變化和根系參數分布特征，主要研究：1）在不同天然降雨條件下，生物埂土壤水分垂直變化特征；2）不同生物埂類型對土壤干濕作用變化的影響；3）生物埂土壤黏聚力和內摩擦角對降雨-入滲-蒸發引起的干濕作用的響應特征。研究結果可為紫色丘陵區坡耕地生物埂措施設計和坡耕地耕層水土資源保護、合理利用提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

試驗地位于重慶市北碚區西南大學紫色丘陵區坡耕地水土流失監測基地（30°26′N，106°26′E），屬亞熱帶季風性濕潤氣候，年均氣溫18.3 ℃，年均降雨量1 105.4 mm，5－9月降雨量可占全年雨量70%；土壤是在中生代侏羅系沙溪廟組灰棕紫色沙泥頁巖母質上發育的中性紫色土，土層薄、易于崩解。紫色土坡耕地生物埂植物種類選擇兩種木本植物進行布設，分別將桑樹（L.）、花椒（Maxim.）沿等高線布置在坡耕地田面外側形成生物埂，并以自然生草埂為對照（對照?。?。兩種坡耕地生物埂布置的典型剖面如圖1所示，代表性生物埂生長情況如圖2所示。

紫色土坡耕地兩種生物埂布設條件具體見表1，在2005年種植花椒、桑樹生物埂，定期清除生物埂雜草，在冬季對花椒、桑樹進行修剪，自然生草埂以狗尾草為主。

表1 紫色土坡耕地生物埂布設

1.2 樣品采集及測定方法

根據紫色丘陵區天然降雨特征，本文選取2014年6月19日（小雨，0.64 mm/h）、7月9日（大雨，2.37 mm/h）、9月29日（暴雨，3.46 mm/h）3種天然降雨條件對3種生物埂不同垂直深度（0～10、>10～20、>20～30 cm）隔天采集土樣進行土壤水分和力學指標分析。土壤水分采樣分別在降雨前1天（根據氣象局發布天氣狀況確定）、降雨后第1、3、5、7、9天進行，直到土壤含水率再無明顯變化的雨后天數為止；在距標準株外側10 cm處用鋁盒法重復采集3個土樣并用薄膜密封處理后，帶回實驗室測定土壤含水率。同時在生物埂相同位置處用抗剪環刀（內徑×高度=61.8 mm×20 mm）采集根-土復合體樣品，每個土層采集4個環刀樣品并薄膜密封處理，重復3次；將上述土壤樣品帶回實驗室后，按照《土工試驗規程SL1999》[21]采用 ZJ型應變控制式直剪儀進行剪切試驗，圍壓分別為100、200、300和400 kPa，量力環率定系數1.695 kPa/0.01 mm，剪切速率0.8 mm/min，每組試驗設置3次重復，取3次土壤抗剪強度平均值作為該荷載下的土壤剪應力；做出抗剪強度與垂直荷載的關系曲線圖，根據庫倫定律計算土壤抗剪相關指標（黏聚力、內摩擦角值），具體計算方法如下

式中為土的抗剪強度，kPa；為作用在剪切面上的法向應力，kPa；為土壤內摩擦角，(°)；為土壤黏聚力，kPa。

本文采用完全挖掘法采集花椒生物埂和桑樹生物埂的根系生長指標。為使根樣具有代表性，在花椒生物埂坎和桑樹生物埂坎上分別選取3個標準株，開挖15 cm× 15 cm×5 cm土體，將此土體置于0. 25 mm土壤篩中沖洗，采用WinRHIZO 根系分析系統測定根徑、根表面積、根體積等參數；掃描結束后將根系晾干并置于80 ℃烘箱中干燥72 h，然后用1/1 000電子天平測定根系生物量。

2 結果與分析

2.1 降雨特性對生物埂土壤水分變化的影響

在次降雨前后，生物埂土壤水分存在一個明顯的“由干到濕、再由濕到干”的干濕變化過程，這種干濕作用對土壤結構恢復具有重要意義，對土壤力學性能影響很大。從圖3、圖4和圖5可以看出，在不同天然降雨強度下，生物埂不同垂直層次土壤含水率變化與降雨后干濕作用時間趨勢基本一致，0～10 cm表層土壤含水率隨干濕作用時間呈現“急劇增加—急劇降低—波動穩定”趨勢，且隨降雨強度增加，其變化幅度和作用深度增大。在小雨（0.64 mm/h）、大雨（2.37 mm/h）、暴雨（3.46 mm/h）條件下，生物埂土壤含水率分別在0～20、0～30、0～30 cm土層呈現明顯變化；在降雨第1天后，生物埂土壤含水率均達到峰值。由于生物埂土壤入滲能力的差異，雨強對生物埂土壤不同垂直深度水分變化也會產生一定影響，降雨強度越大，土壤水分變化幅度及深度就越大。在3種降雨強度條件下，雨后第1天生物埂0～30 cm土壤平均含水率較雨前增幅差異較大，如花椒埂、桑樹埂、對照埂在小雨時土壤含水量分別增加11.35%、8.99%、14.20%；在大雨條件下其增加幅度依次為17.37%、21.04%、23.05%，而在暴雨條件下土壤含水率增加幅度最大，可分別達31.15%、32.10%、37.75%；這表明隨著降雨強度越大，生物埂土壤含水率增加幅度越大，從而使得生物埂土壤軟化、埂坎失穩的發生機率增加。

隨著降雨干濕作用時間持續，生物埂土壤含水率達到峰值后又急劇降低，在小雨條件下花椒埂、桑樹埂、對照埂0～30 cm土壤平均含水率在雨后第3天較第1天分別降低9.72%、6.04%、5.79%；在大雨條件下其土壤含水率依次降低9.86%、14.02%、10.69%；而在暴雨條件下生物埂土壤含水率降幅最大，分別為14.89%、14.35%、11.29%，這表明在不同雨強條件下土壤含水率下降幅度也差異較大。在不同降雨條件下，生物埂土壤含水率趨于穩定狀態時間不同，在小雨、大雨、暴雨條件下，生物埂土壤含水率分別在第5、7、9天趨于穩定狀態，這主要是降雨強度越大，徑流沖刷土壤侵蝕程度增加，導致土壤結構穩定性、調節水分性能降低。

2.2 不同生物埂垂直深度的土壤干濕作用變化特征

不同生物埂措施對地埂土壤孔隙和透水性能改善效果差異較大，木本植物根系發達，土壤孔隙、土壤結構穩定性和土壤水分調節能力較強。由圖3、4、5可知，不同生物埂各垂直深度土壤含水率與土壤干濕作用變化趨勢基本相同，但其變化幅度因植物種類、降雨條件差異較大。在小雨條件下，花椒埂雨后第1天0～10、>10～>20、>20～30 cm土壤含水率較雨前各對應層次分別增加了14.99%、17.72%、1.33%，桑樹埂3個垂直層次土壤含水率則增加了15.32%、8.76%、3.42%，而對照埂0～10、>10～20、>20～30 cm土壤含水率增幅較雨前分別為23.37%、18.81%、0.42%，表明花椒埂、桑樹埂0～10、>10～20 cm土壤含水率增幅均較對照埂低，而>20～30 cm土壤含水率增幅則大于對照埂。這主要是由于桑樹埂、花椒埂林冠層截留降雨量較大，且小雨條件下無徑流產生，導致土壤水分入滲量低、增幅??；同時由于植物根系在土壤中形成大孔隙作用，使得生物埂土壤水分較對照埂濕潤鋒下移。在大雨條件下，花椒埂0～10、>10～20、>20～30 cm土壤含水率較雨前對應土層分別增加21.88%、20.30%、9.94%，桑樹埂3個垂直層次土壤含水率增幅依次為26.22%、23.97%、12.93%，而對照埂垂直層次土壤含水率增幅則分別為29.24%、29.13%、10.764%，花椒埂、桑樹埂0～10、>10～20 cm土壤含水率增幅同樣均較對照埂低，而>20～30 cm土壤含水率增幅則大于或接近對照埂。在暴雨條件下，生物埂各垂直層次土壤含水率增加幅度較前兩種降雨條件均達到最大，花椒埂各垂直層次增幅為36.98%、34.49%、27.81%，桑樹埂增加了27.81%、32.65%、35.83%，而對照埂增幅為51.41%、44.81%、17.03%，花椒埂、桑樹埂0～10、>10～20 cm土壤含水率增幅分別較對照埂分別低14.43%～23.6%，10.32%～12.16%，這說明生物埂在暴雨條件下對地表徑流形成具有較大阻控作用。在次降雨前后，生物埂不同垂直深度土壤含水率的這種變化現象，表明花椒埂、桑樹埂可有效調節土壤滯水現象，而對照埂因土壤孔隙狀況較差、有機質含量低，土壤結構不良[13]，導致土壤滯水現象嚴重；同時也充分說明對于紫色土坡耕地，這兩種生物埂坎較對照埂都起到了緩解埂坎土壤水分劇烈變化、有效阻控地表徑流形成，從而發揮了重要的坡耕地水土流失防治作用。

在各種降雨條件下，生物埂0～10、>10～20、>20～30 cm垂直層次的土壤含水率均隨著干濕作用持續時間而呈現急劇降低趨勢，但不同生物埂土壤含水率在雨后第3天較第1天下降幅度差異明顯（圖3、圖4、圖5）。在小雨（0.64 mm/h）條件下，花椒埂0～10、>10～20、>20～30 cm土層土壤含水率分別降低12.84%、8.38%、7.96%，桑樹埂3個垂直層次分別降低7.80%、6.25%、4.05%，而對照埂則分別降低13.43%、2.07%、1.86%，花椒埂土壤含水率下降幅度較大。在大雨（2.37 mm/h）條件下，花椒埂3個垂直層次土壤含水率分別降低13.18%、11.16%、5.24%，桑樹埂各垂直層次土壤含水率分別降低25.70%、8.74%、7.61%，而對照埂土壤含水率降幅則分別為12.14%、9.89%、10.03%，桑樹埂土壤含水率下降幅度較大。在暴雨（3.46 mm/h）條件下，生物埂各土層土壤含水率降幅最大，花椒埂各垂直層次分別降低15.06%、14.89%、14.71%，桑樹埂依次降低17.02%、12.87%、13.14%，而對照埂降幅則為18.57%、7.79%、7.52%，2種生物埂>10～20、>20～30 cm土壤含水率下降幅度較大。這些現象表明生物埂土壤水分下降幅度隨降雨強度增加而變大，隨土層深度而呈減小趨勢，花椒埂、桑樹埂土壤水分降幅較對照埂高，這主要在于以下作用：1）夏季高溫表層土壤水分蒸騰作用較強；2）花椒、桑樹發達根系水分消耗較大；3）花椒埂、桑樹埂土壤孔隙度高，土壤水分蒸發作用強。在小雨第3天后，生物埂0～20 cm土壤含水率均有小幅度下降并逐漸趨于穩定；而在大雨和暴雨條件下，>20～30 cm土層土壤含水率小幅增加，這主要是強降雨下土壤重力水下移造成的。

2.3 生物埂土壤抗剪強度對干濕作用的響應特征

2.3.1 土壤黏聚力衰減—恢復特征

在天然降雨條件下，生物埂土壤水分含量急劇增大，這將造成生物埂土壤力學性能明顯降低，即存在不同程度劣化現象，其下降幅度可用劣化率表示。由圖6可見，在不同降雨條件下生物埂土壤黏聚力隨干濕作用變化趨勢基本一致，均呈現“急劇衰減—相對穩定—逐漸恢復”趨勢，在暴雨（3.46 mm/h）條件下存在較明顯劣化現象；并隨降雨強度增加，土壤黏聚力衰減幅度和作用土層深度也增大。在小雨（0.64 mm/h）、暴雨（3.46 mm/h）條件下，生物埂土壤黏聚力分別在0～20、0～30 cm土層呈現明顯變化，這也與土壤含水率作用深度一致；生物埂土壤黏聚力最小衰減值分別出現在降雨后第1天、第3天。受降雨和植被綜合作用，不同生物埂土壤黏聚力衰減幅度差異較大；在小雨（0.64 mm/h）條件下，生物埂0～30 cm土壤平均黏聚力在雨后第1天較雨前降幅差異明顯，花椒埂、桑樹埂、對照埂土壤黏聚力分別衰減8.33%、7.17%、12.33%，花椒埂、桑樹埂土壤黏聚力降幅分別為對照埂的0.68、0.58倍；而在暴雨（3.46 mm/h）條件下，生物埂土壤在雨前到雨后第3天土壤平均黏聚力呈直線衰減趨勢，花椒埂、桑樹埂、對照埂降幅分別為28.14%、25.06%、50.37%，花椒埂、桑樹埂的降幅分別為對照埂的0.56、0.50倍，這表明隨著降雨強度增大，生物埂土壤黏聚力衰減幅度增大、衰減時間延長；花椒埂、桑樹埂土壤較對照埂土壤黏聚力穩定性高，這主要是花椒埂、桑樹埂土壤有機質含量高[5]，土壤膠結能力強，導致其衰減幅度較低。

隨著雨后干濕作用時間的持續，生物埂土壤黏聚力衰減到最小值后開始逐漸恢復穩定，在不同降雨條件下生物埂土壤黏聚力恢復程度差異較大。生物埂0～30 cm土壤黏聚力在小雨后第9天較雨前存在增強效應，而在暴雨條件下其土壤黏聚力則存在劣化效應。在小雨（0.64 mm/h）條件下，花椒埂、桑樹埂、對照埂土壤黏聚力分別增加2.46%、2.95%、0.66%，花椒埂、桑樹埂增強效應分別為對照埂的3.75、4.49倍，增強效應隨土層深度而呈現降低趨勢；而在暴雨（3.46 mm/h）條件下，花椒埂、桑樹埂、對照埂土壤黏聚力劣化率分別為13.82%、8.63%、24.69%，花椒埂、桑樹埂劣化率較對照埂分別降低44.03%、65.05%，劣化作用隨土層深度增大。這主要由于小雨條件下，生物埂土壤腐殖質在土壤低含水量干濕作用下分解速率加快，土壤有機質含量提高，進而土壤膠結力增大；而在暴雨條件下，生物埂土壤受降雨徑流侵蝕作用，導致土壤結構破壞、土壤穩定性弱化，從而土顆粒間黏聚力降低。

2.3.2 土壤內摩擦角衰減—恢復特征

土壤內摩擦角即土壤顆粒表面摩擦力和顆粒間咬合力，這兩部分與土壤顆粒結構、大小、形狀以及密實程度有關。由圖7可知，生物埂土壤內摩擦角隨干濕作用持續時間表現為“急劇衰減—相對穩定—逐漸恢復”變化趨勢，且土壤內摩擦角變化幅度和作用土層深度均隨降雨強度呈正向變化。受降雨和植被綜合作用，不同生物埂土壤內摩擦角衰減幅度差異明顯。在小雨（0.64 mm/h）條件下，生物埂0～30 cm土壤平均內摩擦角在雨后第1天較雨前下降幅度差異明顯，花椒埂、桑樹埂、對照埂土壤內摩擦角分別降低13.81%、12.07%、14.85%，花椒埂、桑樹埂土壤黏聚力降幅分別為對照埂的0.93、0.81倍；而在暴雨（3.46 mm/h）條件下，生物埂土壤在降雨前到雨后第3天土壤平均黏聚力均呈現衰減趨勢，花椒埂、桑樹埂、對照埂降幅分別為35.65%、35.40%、46.93%，花椒埂、桑樹埂的降幅均為對照埂的0.76倍。這些現象均表明兩種生物埂土壤內摩擦角衰減幅度隨降雨強度增大而增加，但在各種降雨條件下其衰減幅度均小于對照埂的變化；這主要由于花椒、桑樹較對照草本植物根系發達，在埂坎處根-土復合體這種土體構型的存在增強了土壤抵抗降雨干濕作用的能力，從而使得土壤內摩擦角衰減幅度降低。

隨雨后干濕作用時間持續，生物埂土壤內摩擦角衰減到最小值后，開始逐漸增加并趨于穩定，不同降雨條件下土壤內摩擦角恢復程度差異較大。如圖7所示，生物埂0～30 cm土壤內摩擦角變化趨勢與土壤黏聚力變化一致，在小雨條件下表現為增強效應，在暴雨條件下表現為劣化效應。在小雨（0.64 mm/h）條件下，花椒埂、桑樹埂、對照埂的土壤內摩擦角分別增加2.40%、3.17%、1.19%，花椒埂、桑樹埂增強效應分別為對照埂的2.03、2.66倍，桑樹埂的增強效應最高；同時這種生物埂增強效應隨土層深度而降低，這主要是由于生物埂植物根系在土壤中穿插、纏繞，對土壤顆粒起到了固土加筋作用并增強了土壤內摩擦角；同時生物埂深層土壤不易蒸發，土壤含水率相對表層較高，故其增強效應隨土壤深度而降低。結合表2可以看出，桑樹埂的根長密度、根表面積密度均大于花椒埂，2種生物埂的根長密度、根表面積密度隨著土層深度增加而降低。

表2 不同生物埂根系特征參數

注：表中不同小寫字母表示同一生物埂不同土層根系特征參數在<0.05水平上的差異顯著。

Note: different lowercase letters indicate significant difference of root system characteristic parameters in different soil layers of the same bio-embankment at the level of<0.05.

在暴雨（3.46 mm/h）條件下，花椒埂、桑樹埂、對照埂土壤內摩擦角劣化率分別為12.84%、12.12%、22.32%，花椒埂、桑樹埂土壤內摩擦角劣化率較對照埂分別降低42.47%、45.70%；劣化作用隨土層深度而增大，這說明暴雨徑流侵蝕作用強且由于土壤含水率相對較高，生物埂土壤結構弱化、土壤顆粒間咬合力降低，這些因素均可導致土顆粒間內摩擦角力急劇下降。

3 討 論

3.1 植被對土壤水分調控性能的影響

植被是土壤水分最活躍、最積極的影響因素。本文研究結果表明，生物埂土壤含水率隨干濕作用時間呈現“急劇增加—急劇降低—波動穩定”趨勢，其變化幅度和作用深度隨雨強增加而增大；在小雨（0.64 mm/h）、大雨（2.37 mm/h）、暴雨（3.46 mm/h）三種降雨條件下，生物埂土壤含水率分別在0～20、0～30、0～30 cm土壤深度呈現明顯變化，且分別在雨后第5、7、9天趨于穩定；花椒埂和桑樹埂可有效緩解暴雨條件下土壤滯水現象，這主要是花椒埂、桑樹埂土壤有機質含量、土壤大孔隙顯著高于對照埂[13]。劉效東等[22]認為土壤有機質可控制著土壤含水量及其有效性的原因，主要在于土壤有機質可起到改善土壤結構、降低土壤容重和增加土壤毛管孔隙度的作用，從而對土壤蓄水性和持水性產生作用[23]，土壤有機質深刻影響著木本植被土壤層水分持留作用[24]。彭舜磊等[25]發現土壤體積質量、非毛管孔隙度和粉粒含量是影響土壤飽和導水率的主要因素；草本植物能快速改善表層土壤物理性狀，增強攔蓄能力；木本植物需要一定種植年限方可改良深層土壤入滲特性，增強降雨入滲性能；本研究中桑樹埂和花椒埂已種植9 a，可有效改善生物埂土壤入滲性能和調控土壤水分。張揚等[26]指出次降雨可提高封育草地土壤含水率和貯水量，均表現出第1天>第3天>第7天的變化規律，這與本文次降雨下生物埂土壤水分動態變化趨勢一致。本研究中花椒埂、桑樹埂土壤含水率較對照埂高，這是由于植物根系在土壤中形成大孔隙作用，使得生物埂土壤水分較對照埂濕潤鋒下移；同時對照埂植被覆蓋度低、降雨濺蝕作用強、徑流攜帶土壤細顆粒堵塞土壤孔隙，從而導致土壤入滲率降低造成的。

3.2 干濕作用對土壤抗剪強度的影響

土壤抗剪強度作為生物埂埂坎穩定性重要決定因素之一，主要受土壤結構、土壤顆粒形態和土壤含水率的影響；本研究發現，生物埂土壤黏聚力和內摩擦角隨土壤含水率急增而大幅降低。黃琨等[17]研究表明，非飽和土體抗剪強度隨含水率增加而降低，土壤含水率對抗剪強度影響主要是通過降低土壤黏聚力，而內摩擦角變化較??；張曉明等[18]研究發現，崩崗侵蝕區土壤內摩擦角和黏聚力隨干濕變化呈現非線性衰減趨勢，土壤抗剪強度峰值出現在13%土壤含水率條件。Carrara等[27]研究表明土壤含水率、土壤結構等因素對土壤抗剪強度影響較大；倪九派等[19]發現土壤黏聚力和內摩擦角均隨干濕循環次數的增加均呈減小趨勢，黏土的黏聚力和內摩擦角均大于砂土。相關研究表明，桑樹可以有效提高土壤抗剪強度[28]，其增加土壤抗剪強度方式有兩種，一是通過根系在土體中交錯、穿插，網絡固持土壤；二是通過改善土壤物理性質，提高土壤自身水力學性質，從而增強土體抗侵蝕能力[29]。本研究發現，在暴雨（3.46 mm/h）條件下，花椒埂、桑樹埂、對照埂土壤黏聚力降低幅度分別為13.82%、8.63%、24.69%，而土壤內摩擦角也分別下降12.84%、12.12%、22.32%，這表明花椒埂、桑樹埂可以有效削弱降雨干濕作用對土壤抗剪強度的劣化作用。相關研究表明，邊坡植被、巖石碎屑能有效削弱土壤含水率對土壤抗剪強度的不利影響。江浩浩等[30]研究表明，草地、裸地土壤抗剪強度峰值分別在含水率約為12%、10%時出現且草地土壤抗剪強度峰值顯著大于裸地；峰值過后在土壤含水率繼續增加至土壤飽和含水率過程中，草地土壤抗剪強度最大降幅為28.41%且明顯小于裸地。在本文中，生物埂土壤抗剪強度沒有出現隨土壤含水率增加而下降的過程，這主要是次降雨后土壤含水率均較大；由于花椒埂、桑樹埂植被覆蓋度高、根系發達，其埂坎土壤結構穩定性高；紫色土巖石碎屑較多對照埂土壤抗剪強度最大降低幅度為24.69%。鐘守琴等[31]通過在室內模擬<2 mm巖石碎屑在不同含水率下對紫色土抗剪強度影響，結果表明紫色土<2 mm巖石碎屑能降低土壤水分對黏聚力和內摩擦角的影響，從而降低土壤水分對土壤抗剪強度特性的影響。

4 結 論

1）生物埂土壤含水率隨干濕作用時間持續表現出“急劇增加—急劇降低—波動穩定”變化趨勢，其變化幅度和垂直深度均隨雨強增加而增大；在小雨（0.64 mm/h）、大雨（2.37 mm/h）、暴雨（3.46 mm/h）條件下，生物埂土壤含水率分別在雨后第5、7、9天趨于穩定狀態；植物根系形成的土壤大孔隙和地表徑流沖刷差異性是主要原因。

2）生物埂土壤黏聚力和內摩擦角在降雨干濕作用下，均呈現“急劇衰減—相對穩定—逐漸恢復”趨勢。小雨后第9天，生物埂措施對土壤黏聚力和內摩擦角均具有增強效應，花椒埂、桑樹埂、對照埂的土壤黏聚力較雨前分別增加2.46%、2.95%、0.66%，而內摩擦角則分別增加2.40%、3.17%、1.19%；生物埂增強效應隨土層深度而呈降低趨勢。

3）花椒埂、桑樹埂能顯著削弱干濕作用對土壤抗剪強度的劣化效應。在暴雨后第9天，花椒埂、桑樹埂土壤黏聚力劣化率較對照埂分別降低44.03%、65.05%，而土壤內摩擦角劣化率降低幅度為42.47%、45.70%；土壤抗剪強度劣化效應隨土層深度而增大，生物埂對土壤力穩定性保持和恢復作用明顯。

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Response of soil shear strength of bio-embankments for slope farmland to drying-wetting effect in Purple Hilly Area

Shi Dongmei1, Jiang Ping2, He Wenjian3, Ding Wenbin1, Wang Sanshu2, Peng Xudong4

(1400715,; 2.400020,; 3.401147,; 4.,,550025,)

As a typical agroforestry system, bio-embankments formed by planting trees, shrubs or herbaceous in terrace ridge are effective farming measures for soil and water conservation in Purple Hilly Area. Bio-embankments not only could prevent soil erosion from slope farmland, but also greatly improve the soil quality and agricultural production conditions for cultivated land. The bio-embankment of slope farmland is often prone to collapse under heavy rainfall condition, which mainly attributed to the deformation and failure of slope caused by soil drying-wetting effect during the continuous raining- infiltration-evaporating process. Soil shear strength is one of the important determinants for slope stability of bio-embankments, which mainly influenced by soil structure, soil particle morphology and soil moisture content. The soil moisture of bio-embankments is often constantly changing along with the drying-wetting-drying circulation under a single rainfall condition, which would greatly weaken stability of bio-embankments. Recently, soil shear strength mainly focused on indoor simulation experiment conducted under such single factor as soil water content, soil bulk density, root system, soil particle composition, and some multi-factor combination experiments were also carried out. However, the changing characteristics of soil content and soil shear strength under drying-wetting-drying circulations caused by a natural raining and evaporating effect is unclear. The study mainly discussed the following facts as: 1) the variation trend of soil moisture for different bio-embankment layers under three-types natural rainfall condition; 2) the effects of different bio-embankment types on soil moisture variation; 3) the response characteristics of soil cohesion and soil internal friction angle of different bio-embankments on wetting-drying effect of rainfall and evaporation. Taking the bio-embankments with mulberry (SS) and zanthoxylum (HJ) planted in terrace ridge of slope farmland in purple hilly area of Southwest University,Chongqing as objects and bio-embankment with natural grass as control (CK), the paper systematically analyzed the attenuation and recovery effect of soil moisture and soil shear strength of bio-embankments under drying-wetting condition of different natural rainfall. The method of field and laboratory tests were conducted to observe soil moisture, soil cohesion, soil internal friction angle and root characters before and after different natural rainfall intensity such as light rain (0.64 mm/h), heavy rain (1.37 mm/h) and rainstorm (3.46 mm/h) from the field experiments were carried out from June to September 2014. The results indicated that: 1) The soil moisture of bio-embankments under drying-wetting condition presented a variation trend as sharp increase—sharp decrease—fluctuation stable, of which the changes amplitude and interaction depth increased with increasing rainfall intensity. The soil moisture showed obvious change in soil layer of 0-20 cm under light rain (0.64 mm/h), and varied obviously in soil layer of 0-30 cm under heavy rain (2.37 mm/h) and rainstorm (3.46 mm/h), which tended to be stable in 5h,7h, 9thday after natural rainfall stopped, respectively. 2) Both the soil cohesive strength and soil internal friction angle of bio-embankments showed a change trend as decaying sharply—stabilizing relatively—recovering gradually under the condition of drying-wetting. The soil cohesion strength and soil internal friction angle of bio-embankments were enhanced in 9thday after light rain, of which the enhancement showed a decreasing trend with increasing soil depth. Compared with the state before the rain, the soil cohesion strength of HJ, SS and CK increased by 2.46%, 2.95% and 0.66% respectively; meanwhile, their internal friction angle increased by 2.40%, 3.17%, and 1.19%, respectively. 3) The soil cohesion and soil internal friction angle decreased in 9thday after rainstorm compared with the original state before rain. Bio-embankments with mulberry and zanthoxylum could significantly weaken the deterioration effect of drying-wetting on soil shearing strength, and the effect of mulberry measures was better than the other two. Compared with CK, the soil cohesion degradation rates of HJ and SS bio-bio-embankments decreased by 44.03% and 65.05%, respectively, and the degradation rates of soil internal friction angle of HJ and SS bio-embankments decreased by 42.47% and 45.70%, respectively. The research results could provide some technical supports for design of bio-embankment design and soil and water utilization of cultivated-layer for slope farmland in purple hilly area.

soils; shear strength; rain; bio-embankments; decaying-recovering effect; slope farmland; Purple Hilly Area

10.11975/j.issn.1002-6819.2016.24.018

TU416; S157.1

A

1002-6819(2016)-24-0139-08

2016-05-10

206-10-24

公益性行業（農業）科研專項“坡耕地合理耕層評價指標體系建立（201503119-01-01）”；重慶市水利局“重慶市水力侵蝕監測點背景侵蝕環境調查（2016）”

史東梅，女，漢族，教授，博士生導師，主要從事水土生態工程、土壤侵蝕與流域治理、生產建設項目土壤侵蝕與水土保持研究。重慶 西南大學資源環境學院，400715。Email：shidm_1970@126.com