黔中喀斯特坡耕地土壤含水量對土力學性質的影響

羅 爽，黃選華，高華端

(貴州大學 林學院，貴州 貴陽 550025)

【研究意義】黔中地處西南巖溶區，屬云貴高原喀斯特丘陵地貌，大部分區域處于石漠化敏感區，生態系統脆弱，年降水量在1100 mm以上，坡耕地是黔中地區主要的耕地類型，人為耕作活動頻繁，特殊的地形條件、充沛的降雨和人類耕作活動是造成坡耕地水土流失的重要因素[1]。土壤自然含水量是喀斯特地區土壤侵蝕的重要影響因子，降水入滲到表層土壤后，增加土體自重，土壤抗剪強度減小，極易發生水力侵蝕和混合侵蝕。分析黔中喀斯特耕地土壤含水量對土力學主要指標的影響規律，可為該區坡耕地的侵蝕過程研究提供參考依據。【前人研究進展】在土壤侵蝕過程中，土壤含水量對土壤內摩擦角、黏聚力等土力學性質產生影響進而影響土壤侵蝕過程。部分學者對表土層原狀土的研究表明，土壤含水量在一定范圍內與土壤抗剪強度呈正相關；土壤含水量達到某一臨界值后則與土壤抗剪強度呈負相關[2-3]。部分學者對滑坡區土壤抗剪強度研究表明，土壤含水量與土壤抗剪強度呈負相關，即隨著含水量的增加，非飽和土的黏聚力和內摩擦角均減小[4-5]。土壤含水量除直接影響土壤的抗剪強度外，還通過影響植物根系分布、根系抗拉特性、根系-土壤相互作用、根系-土壤復合體抗剪特性和根系固土力學模型等間接影響土壤抗剪強度[6]。土壤緊實度主要受區域位置、地形、土壤類型、農田利用類型、作物類型及耕作方式等影響[7]。土壤緊實度與含水量明顯相關，緊實度隨含水量的增加而減小，土壤深度越深，含水量和緊實度的相關性越高[8]。土壤緊實度對土壤侵蝕的直接影響主要表現為土壤的入滲能力，間接影響主要表現為土壤動物、微生物的活動和土壤有機質的分解，進而影響土壤的理化性質，對土壤的侵蝕過程造成不同程度上的影響。【本研究切入點】以黔中地區石灰巖、白云巖2種母巖發育坡耕地的耕作層、犁底層為研究對象，分析土壤含水量對土壤內摩擦角、黏聚力和緊實度3個土力學性質指標的影響規律。【擬解決的關鍵問題】從力學角度進一步闡明土壤侵蝕的物理過程，為該地區坡耕地水土流失的控制措施研究提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

貴陽市位于貴州省中部偏北(106.7°～107.17°E，26.11°～27.22°N)，地處云貴高原的東斜坡，總面積8034 km2，喀斯特地貌發育，包括高原山地、丘陵、河谷、臺地等地形，最高海拔為1762 m，最低506 m。根據2016年貴州省氣候資料，全區屬亞熱帶季風濕潤氣候，多年平均降雨量為1129 mm，降雨量相對集中，夏秋降雨量占全年降雨量的78 %。年平均氣溫為15.14 ℃，最冷月(1月份)平均4.9 ℃，最熱月(7月份)平均23.2 ℃；多年平均日照數1174.26 h、日照率29 %，相對濕度82 %。土壤分布有黃壤、紫色土、石灰土、水稻土等，坡耕地主要為碳酸鹽巖發育的石灰土及黃壤，整體土層淺薄，肥力較低下。

1.2 土壤樣品采集

于2016年2-8月，采用典型樣地取樣法進行土壤野外調查和采樣。根據貴州省巖組分布圖，在黔中地區坡耕地上共取樣240個，所選采樣區域避開工業污染區，且常年耕作。2016年2-4月降雨較少，土壤自然含水量小，為使試驗更具科學性，石灰巖母巖發育的耕作層、犁底層分別取80個土樣；5-7月降雨量充沛，土壤水分蒸發快，土壤自然含水量高，在白云巖母巖發育的耕作層、犁底層分別取40個土樣。取樣時開挖剖面，記錄樣點的巖性、坡度、坡位、坡向、海拔、天氣狀況和植被等；測量耕作層、犁地層厚度；測定耕作層、犁底層的緊實度；用不銹鋼環刀采集原狀土樣，用于抗剪強度試驗(自封袋密封)。

1.3 測定項目與方法

(1)土壤緊實度用美國DICKEY-john 6100 型土壤緊實度儀(錐頭尺寸選用 3/4 英寸直徑)測量，測取樣點半徑1 m內的土壤緊實度，共測量5次，若有異常值，則刪除異常值重測，取平均值。

(2)土壤抗剪強度測定采用原狀土剪切法，按照GB/T 50123-1999標準，采用ZJ-II型等應變直剪儀進行快剪測定(15圈/min)，在垂直方向下施加壓力100、200、300、400 kPa，制作抗剪強度與垂直壓力的關系圖，利用庫倫公式求內摩擦角φ和黏聚力C。

τf=C+σtanφ

式中，τf為土壤抗剪強度，σ為作用在剪切面上的法向應力(kPa)，φ為內摩擦角(°)，C為黏聚力。

(3)土壤自然含水量測定采用烘干法，取>10 g土樣裝入重量m1的鋁盒，稱重(m)放入105 ℃烘箱烘8 h，稱重，計算自然含水量。重復3次取其平均值。

式中，m1為鋁盒重量，m為鋁盒加土樣重量，m2為烘干后鋁盒加土樣重量。

1.4 數據處理

利用Excel 2016進行數據的統計分析和繪圖，利用SPSS 18.0進行相關性分析。

2 結果與分析

2.1 土壤自然含水量和抗剪強度

土壤抗剪強度是決定土壤抗蝕性的重要因素，土壤內摩擦角和土壤黏聚力是反映土壤抗剪強度的重要指標。從表1看出，自然含水量為11.99 %時，石灰巖區坡耕地耕作層內摩擦角達最大值19.65°；自然含水量為8.05 %時，石灰巖區犁底層內摩擦角達到20.49°。自然含水量為11.68 %時，白云巖區坡耕地耕作層內摩擦角達到最大值18.50°；自然含水量為13.90 %時，白云巖區犁底層內摩擦角達最大值19.50°。4種土樣內摩擦角的最大值在19°左右，各土樣內摩擦角達到最大值時相對應的自然含水量差異較小。自然含水量為42.40 %時，石灰巖區坡耕地耕作層黏聚力達峰值，為24.09 kPa；自然含水量為41.13 %時，石灰巖區犁底層黏聚力達到峰值23.32 kPa。自然含水量為42.31 %時，白云巖區坡耕地耕作層黏聚力達峰值，為23.57 kPa；自然含水量為42.61 %時，白云巖區犁底層黏聚力達到峰值23.64 kPa。4種土樣的黏聚力峰值差異較小，均在23.50 kPa左右，與各土樣黏聚力達到最大值時對應的自然含水量差異較小。

表1 石灰巖和白云巖土壤的抗剪強度指標與自然含水量

2.2 不同自然含水量土壤的內摩擦角

土壤內摩擦角是反應土壤抗剪強度的指標之一，受到土壤組成結構、土壤有機質含量、土壤含水量和人為耕作活動等影響。土壤顆粒間的鑲嵌與鎖套程度大小影響其抵抗外力破壞的能力，粒間的鑲嵌和鎖套程度越大，土壤抵抗分散的能力則越強[9]。內摩擦角越大的土壤，土粒在水力的輸移作用下移動受到的摩擦阻力越大，土體抗剪強度越大，抵抗水力對分散和懸浮的能力越強，發生水土流失的幾率越小。從圖1和表2看出，黔中地區喀斯特坡耕地石灰巖母巖與白云巖母巖發育的耕作層、犁底層土壤內摩擦角均隨自然含水量的增加而減小。土壤自然含水量和內摩擦角呈線性負相關，即內摩擦角隨自然含水量增加而減小。這是因為土壤中含水量越高，被水分軟化的膠結物質越多，被軟化的膠結物質和水分作為潤滑劑[10]，在土壤顆粒間起潤滑作用，使土顆粒間相對粗糙度降低，顆粒間摩擦力減小，從而造成顆粒間的咬合力降低，土壤內摩擦角減小。

2.3 不同自然含水量土壤的黏聚力

土壤黏聚力是抗剪強度的重要指標，其大小取決于土粒間微觀力，包括原始凝聚力、加固凝聚力和毛細凝聚力[11]。坡面上的土體被徑流沖刷時，首先遇到的阻力是黏聚力，黏聚力的大小直接影響土體的抗剪強度，黏聚力越大抗剪強度越大、抗蝕性越高，土壤抵抗水力分散的能力越強。從圖2看出，黔中石灰巖區耕作層、犁底層和白云巖區耕作層、犁底層土樣的黏聚力均隨自然含水量的增加呈先增加后減小。土壤自然含水量和黏聚力呈正相關(表3)，隨著自然含水量的增加呈先增加后減小趨勢。自然含水量在24.70 %～42.61 %時，含水量的增加使土體孔隙中毛細水所產生的毛細壓力增大，膠結作用增強，土體存在基質壓力等，黏聚力增大；自然含水量在42.61 %～59.09 %時，含水量的增加造成粒間距增大，水膜增大，毛細壓力、膠結力不變，黏聚力減小[11-13]。

圖1 土壤內摩擦角隨自然含水量的變化情況

表2 內摩擦角隨自然含水量變化的相關性

圖2 黏聚力隨自然含水量的變化情況

2.4 不同自然含水量土壤的緊實度

壤緊實度是一個綜合指標，也是衡量土壤中三相物質的存在狀態和容積比例的重要指標，更是影響土壤抗沖性的重要因素。區域位置、地形、土壤類型、農田利用類型、作物類型及耕作方式和含水量等對緊實度均有不同程度的影響[14]。土壤緊實度發生的原因包括耕作方式、種植模式、土壤質地、有機質與氣候等，施用有機肥能緩和土壤緊實度和提高氮的有效性，施用秸稈能增強土壤抵抗壓能力和提高土壤持水能力。土壤緊實度對土壤溫度、土壤入滲、土壤酶的活性和作物根系的生長有著不同的影響[15-16]，這些影響對土壤抗沖性都有直接和間接的影響。緊實度高的土壤，其抗沖性強，但是不利于作物根系的生長。從圖3看出，黔中石灰巖和白云巖區耕作層、犁底層土壤的緊實度均隨自然含水量的增加呈不規律變化。相關性分析(表4)表明，坡耕地自然含水量對緊實度的影響不顯著。原因可能是多次松土除草等耕作活動使土壤顆粒分布不均勻，且該研究區的耕作幾乎不使用大型耕作機械壓實土壤。黔中地區坡耕地的平均緊實度在1130 kPa以上，土體抵抗對其機械破壞的推動下移的能力較強，不易發生水土流失。

表3 黏聚力隨自然含水量變化的相關性

3 討 論

目前，對抗剪強度的研究類型多樣，如三軸剪切試驗、直接剪切試驗等，這些研究表明土壤抗剪強度受到諸多土壤理化性質的影響，除自然含水量外，土壤有機質含量、塑性指數等因素的變化均能使土壤抗剪強度發生改變；各種母巖發育的土壤含水量對內摩擦角的影響規律一致，為土壤內摩擦角隨含水量的增加而降低，土壤含水量對黏聚力的影響規律有2種：黏聚力隨土壤含水量的增加而降低；黏聚力隨自然含水量的增加呈先增加后減小。本研究表明，黔中喀斯特坡耕地的黏聚力隨自然含水量增加呈先增加后減小的趨勢。這與鄂東南崩崗區B層黏聚力研究結果一致；而鄂東南崩崗區A層、BC層黏聚力隨含水量的增加而減小[17]。造成兩種趨勢變化的原因可能是，黔中喀斯特坡耕地、鄂東南崩崗區B層的膠結物質含量高于鄂東南崩崗區A層、BC層，土壤含水量的增加能溶解更多的膠結物質，在一定范圍內土體的黏聚力隨自然含水量增加而增加。

土壤抗剪強度直接決定抗蝕性的大小，土壤緊實度則是決定抗沖性的大小，抗蝕性和抗沖性是決定土壤侵蝕是否發生的內在因素。若前期降水量過大，黏聚力達到峰值，此時若再次降水產生水分下滲，土壤含水量超過黏聚力達到峰值使所對應的含水量，土壤內摩擦角和黏聚力減弱，土壤抗剪強度減小，土壤抗蝕性降低，則會造成水土流失甚至是滑坡。自然含水量在40 %左右時，石灰巖區、白云巖區坡耕地的黏聚力將要達到峰值，若繼續降水，土壤含水量高于42 61 %，石灰巖、白云巖2種母巖發育坡耕地的粘聚力均達到了峰值，2種坡耕地耕作層、犁底層黏聚力減弱，土壤抗剪強度減小，土壤抗蝕性降低，導致水土流失造成土壤侵蝕。表明坡耕地土壤侵蝕過程及機理與土壤抗剪強度息息相關，土壤水分在成因上較大程度控制著土壤抗剪強度的變化，從而影響土壤侵蝕過程。有學者研究表明，土壤緊實度與含水量存在顯著的相關性[8]，且土壤沖刷模數與抗剪強度、緊實度均呈顯著相關，土壤崩解速率與緊實度呈負相關，土壤侵蝕受緊實度的影響也最為明顯[9]。而本研究黔中，喀斯特坡耕地自然含水量與緊實度的相關性不顯著，可能是DICKEY-john 6100 型土壤緊實度儀測量喀斯特坡耕地緊實度的誤差較大，亦或是敏感性較低，可進一步選擇靈敏性更高的緊實度儀來測定喀斯特坡耕地的緊實度。因緊實度對土壤侵蝕的過程機理有著直接影響，可進一步研究黔中喀斯特坡耕地緊實度的影響因素，進而分析緊實度對土壤侵蝕過程機理得影響。

4 結 論

黔中地區喀斯特坡耕地內摩擦角與自然含水量呈顯著線性負相關，即內摩擦角隨自然含水量的增加而減小；土壤黏聚力先隨自然含水量的增加呈先增加后減小，土壤緊實度與自然含水量的相關關系不顯著。即自然含水量對緊實度的影響較小，對土壤內摩擦角和黏聚力有顯著影響。石灰巖母巖和白云巖母巖發育的耕作層、犁底層4種土樣的黏聚力的峰值在23.50 kPa左右，各土樣黏聚力達到峰值時的自然含水量在42 %左右。自然含水量為42.40 %時，石灰巖區耕作層黏聚力達到峰值24.09 kPa；自然含水量為41.13 %時，石灰巖區犁底層黏聚力達到峰值23.32 kPa；自然含水量為42.31 %時，白云巖區耕作層黏聚力達到峰值23.57 kPa，自然含水量達到42.61 %時，白云巖區犁底層黏聚力到達峰值23.64 kPa。黏聚力達到最大值后，自然含水量的增加會導致黏聚力急劇下降。土壤緊實度與耕作活動密切相關，受自然含水量影響較小，長年累月的耕作使土壤變得疏松，土壤顆粒分布不均勻，導致自然含水量對緊實度的影響不顯著。耕作層和犁底層平均緊實度均在1130 kPa以上，其抗沖性高，土壤不易遭受徑流的機械破壞和推動下移。