黔中白云巖坡耕地土壤界限含水量與機械組成量化關系研究

徐永服, 高華端, 楊海嬌, 黃朝海

(貴州大學 林學院, 貴州 貴陽 550025)

土壤機械組成是研究土壤其他方面所必須掌握的基本屬性之一，土壤機械組成對土壤的其他物理和化學性質產生巨大的影響。鄧廷飛等[1]研究貴州典型山銀花土壤機械組成與養分特性關系得出砂粒含量與有機質、堿解N、全N含量表現出負相關性；高華端等[2]通過對貴州省主要的幾類地面組成物質發育的土壤進行對比研究地面組成物質與土壤機械組成的關系，得出地面組成物質對土壤機械組成有顯著性影響；李卓[3]研究得出土壤機械組成對土壤的入滲能力、土壤蓄水能力有較大影響，入滲能力隨土壤黏粒含量增加遞減，土壤蓄水能力隨黏粒含量增加而遞增；史錕等[4]研究得出土壤機械組成與有機碳含量呈現顯著的相關關系；張素[5]研究沖溝不同部位土壤機械組成及抗沖性差異得出砂粒含量是影響3類沖溝各部位土壤抗沖性的主要指標；唐炎林等[6]研究西雙版納不同林分土壤機械組成及其肥力2種土壤的全N、全P、全K與砂粒含量呈負相關，與粉粒、黏粒呈正相關；潘琇等[7]研究得出黏粒含量與土壤有機質、全氮含量，砂粒含量與土壤有機質含量之間均存在顯著相關關系，砂粒含量與陽離子交換量之間均存在極顯著相關關系；莊雅婷等[8]的研究崩崗紅土層土壤液塑限特性與極細砂粒和黏粒含量呈二項式關系；朱慧鑫等[9]分析得出花崗巖崩崗不同層次間的土壤液塑限差異顯著；花可可等[10]通過液塑限聯合測定試驗和快速剪切試驗得出黏粒和有機質是影響土壤液限值的重要因素。坡耕地是中國西南喀斯特地區的主要耕作類型之一，對于坡耕地的土壤侵蝕的研究是非常多的，土壤機械組成對界限含水量到底有什么關系，針對白云巖坡耕地土壤機械組成與界限含水量的相關性研究基本沒有相關報道，因此，本研究以黔中坡耕地白云巖發育的土壤為對象，分析討論坡耕地土壤機械組成對界限含水量的影響，具有一定的獨創性和前沿性，研究結果將會對白云巖區坡耕地的土壤侵蝕過程機理研究以及坡耕地土壤的液塑限快速獲取具有重要的理論意義和應用價值。

1 研究方法

1.1 研究區概況

地理位置為106°27′—106°52′E，26°11′—26°34′N，國土總面積815.41 km2，該區屬于亞熱帶濕潤溫和型氣候，夏無酷暑、冬無嚴寒，夏季平均溫度為23.2 ℃[11]，花溪區地處云貴高原苗嶺山脈中段，位于長江水系烏江與珠江水系西江的分水嶺地帶，海拔1 030～1 326 m，以中低山丘陵、河谷、盆地為主。花溪區土壤多為酸性黃壤土和石灰土，有一小部分紫色土和水稻土；受基巖性質影響較深的石灰土和紫色土與黃壤呈復區分布，喀斯特坡耕地主要為石灰巖母質和白云巖母質。

1.2 試驗樣品的采集

試驗于2017年8月選擇貴州省貴陽市花溪區白云巖發育的典型坡耕地貴惠大道沿線兩側坡耕地為取樣點，并在坡耕地下設置40個5 m×5 m的樣方，并在樣方內隨機挖取土壤坡面，采用環刀法分別取耕作層的土壤，并在野外利用烘干法(本試驗采用酒精灼燒法)測定土壤的自然含水量，每個土樣3次重復，求取平均值為該土樣的自然含水量；所采集的樣品帶回室內進行測定土壤的機械組成和液塑限的測定。

1.3 坡耕地土壤機械組成測定方法

土壤機械組成使用濕篩—吸管法(NY/T1121.3-2006)測定出土壤的機械組成，根據1930第二屆國際土壤學會上通過的“國際制”及實際情況將土粒分為了4個粒級，分別為黏粒(<0.002 mm)、粉粒(0.002～0.02 mm)、細砂粒(0.02～0.25 mm)和粗砂粒(0.25～2 mm)。

1.4 坡耕地界限含水量的測定方法

采用液塑限聯合測定法(GB/T50123-1999)測定土壤的界限含水量，通過液塑限測定然后按下式計算塑性指數和液性指數：

Ip=WL-WP

(1)

IL=(W-WP)/IP

(2)

式中：IP——塑性指數；IL——液性指數；WL——液限(%)；WP——塑限(%)；W——天然含水量(%)。

2 結果分析

2.1 土壤機械組成與界限含水量特性

由表1可以看出，白云巖區坡耕地土壤粗砂粒含量平均為27.17%，砂粒平均值為29.96%，粉粒含36.46%，黏粒含量6.35%。由此說明白云巖發育的土壤砂粒含量比較高，黏粒含量非常小，土壤孔隙度大，在降雨過程中雨水滲透比較快，土粒伴隨下滲水流往地下土層不斷遷移，坡耕地土壤侵蝕主要以地下漏失為主。白云巖區坡耕地土壤塑限平均值為20.20%，液限平均值為26.76%；塑性指數平均值0.07，液限指數平均值為1.54。白云巖區坡耕地土壤塑性指數小于0.16，且土壤液限均小于50%，屬于砂壤土。因此若降雨小而持續時間較短，白云巖區坡耕地土壤容易達到塑限值，土壤容易出現水土流失。

2.2 機械組成與界限含水量的相關性檢驗

由表2可知,土壤的機械組成與土壤的塑限、液限、液性指數有及其顯著的相關性，與土壤的塑性指數無顯著相關性。說明土壤機械組成對土壤的塑限、液限、液性指數有顯著的影響(p<0.01)，機械組成對土壤的塑性指數影響較小或者說基本沒影響。可能的原因在于塑性指數等于液限減塑限，由分析可知當土壤中的黏粒含量不斷增加土壤的液塑限都不斷增加，但在增加的過程中塑限的增幅遠大于塑限的增幅，故而出現塑性指數與黏粒含量出現負相關性。

表1 土壤機械組與界限含水量的特性

2.3 土壤機械組成對界限含水量的影響

2.3.1 土壤機械組成對土壤塑限的影響 機械組成狀況是影響土壤抗蝕性的重要因素。顆粒組成越細小的土壤，土壤黏結力就越強，在一定程度土壤容易形成團聚體，其抗崩解的能力也就越高[12]。由圖1可以看出，白云巖區坡耕地土壤塑限與土壤黏粒含量、粉粒含量和細砂粒含量表現出正相關性，而與粗砂粒的含量表現出負相關性。黏粒含量與塑限表現出正相關性，這與撞雅婷等[8]對崩崗紅土層土壤和朱慧鑫等[9]對鄂東南花崗巖崩崗剖面土壤研究結論相似，原因可能在于隨著土壤黏粒的增加，土體的比表面積也不斷增加，其吸附能力就越強，需要吸附更多的水分子才能將顆粒表面完全覆蓋，從而形成吸附水膜，影響土體塑性特征[13]；出現砂粒含量與塑限表現出負相關性的原因可能是隨著砂粒含量的不斷增加，土壤形成了一個松散的固相骨架，砂粒增多而黏粒較少，土粒間孔隙度不斷加大，內部排水也加快，蓄水量不斷減少，水分由大空隙擴散至土體表面而大量流失，從而土壤的塑限也就隨之下降。

表2 土壤機械組與界限含水量的相關性檢驗

注：**表示在0.01水平(雙側)上顯著相關。

圖1 土壤機械組成對土壤塑限的影響

2.3.2 土壤機械組成對土壤液限的影響 液限指的是土壤呈液態流動的最低含水量。對液限與土壤機械組成各粒級所占比例進行函數模擬分析可知(圖2)，白云巖區坡耕地土壤液限與土壤黏粒含量、粉粒含量和細砂粒含量的增加而隨之增加，這與花可可[11]對紫色土和水稻土研究得出的結論相似，都表現出正相關性，這可能是由于隨著土壤黏粒的增加，土壤的整個骨架變得更加緊實黏結，土粒間的空隙數目增多且變狹小，大量的非活性孔阻止了毛管水移動，當降雨來臨時雨水難以下滲而且排水困難，土壤的疏水性和排水性能不斷下降，土壤滲透系數不斷變低，保水性能增加，進而相應提高了土壤液限值。而隨粗砂粒的含量的增加表現出不斷減小的趨勢，隨粗砂粒的增加表現出負相關性的可能原因在于機械組成中砂粒含量的不斷增加，增大了土壤的孔隙度和土壤的毛管空隙，毛管水上升高度小，保水效果變差，從而影響了土壤的液限值；當降雨小于或等于土壤的下滲能力的時候，水土流失主要以地下流失為主。以上分析結果表明黔中白云巖區坡耕地土壤中，當砂粒的土粒含量增加時，土壤液限將減小。

圖2 土壤機械組成對土壤液限的影響

2.3.3 土壤機械組成對土壤液性指數的影響 液性指數表示土壤天然含水量與界限含水量之間的相對關系，塑性指數表示了土壤在可塑狀態下含水量的變化范圍。

由圖3可以看出，白云巖區坡耕地土壤液性指數與土壤的黏粒、粉粒、細砂粒的含量具有顯著的正相關性，而土壤塑性指數與粗砂粒的含量具有顯著的對數函數關系，出現顯著正相關的原因可能在于隨著土壤黏粒含量的增加，土壤中的Fe2O3，Al2O3，CaO，MgO，P2O5，K2O的相對含量不斷增加，相反土壤中的SiO2相對減少，導致土壤的粒徑減小，土壤顆粒的吸濕量，持水量、毛管持水量也不斷增加，故而增加了土壤的液性指數。

2.3.4 土壤界限含水量與土壤機械組成方程擬合關系 由表3可以看出，量化模擬的3個方程的相關系數都達到顯著水平，說明擬合的方程可以較準確地描述土壤塑限、液限值和液性指數與土壤機械組成中各粒級土壤含量的相關關系。今后研究過程中只要知道白云巖發育的坡耕地土壤的機械組成便可利用公式求算土壤的界限含水量。

表3 土壤液塑限和各影響因素擬合關系

注：X1，X2，X3，X4分別代表<0.002 mm土粒含量、0.002～0.02 mm土粒含量、0.02～0.25 mm土粒含量、0.25～2 mm土粒含量。下同。

圖3 土壤機械組成對土壤液性指數的影響

3 結 論