崩崗土體物理化學性質及其內部分異
——以廣東省德慶縣3個典型崩崗為例

卓瑞娜, 劉希林, 岳 夢

(中山大學 地理科學與規劃學院, 廣東 廣州 510275)

崩崗是分布于華南熱帶和亞熱帶花崗巖風化殼上的一種特殊侵蝕地貌，是水力—重力復合侵蝕形成的具有“圓形露天劇場”般溝頭的侵蝕溝[1-2]。崩崗不僅破壞土地資源，還可侵吞農田，淤堵河道，甚至沖毀民舍，給當地人們生產、生活和生態安全帶來威脅[3-4]。完整的崩崗溝谷流域通常由集水坡面、崩壁、崩積體、溝道和洪積扇5個地貌部位組成[2]。許多學者對崩崗不同地貌部位的土體物理化學性質進行了研究，尤其對崩崗土體物理性質研究較為深入，且以單個地貌部位的研究為主，如謝炎敏等[5]測定了福建長汀縣崩崗崩壁上不同層次土體的容重、液塑限、粒徑分布及有機質含量，探討了土體界限含水率的特征和影響因子，以及與其物理和化學性質之間的關系。鄧羽松等[6]闡述了鄂東南崩崗洪積扇土體的容重、孔隙度和持水性，并對其空間分異特性進行了分析，為崩崗洪積扇土體物理性質的改良提供了科學依據。蔣芳市等[7-8]將崩壁和崩積體進行對比研究，分析了兩者土體的含水率、質地、有機質及微團聚體的特性，為研究崩積體的滲透特性、顆粒組成和分形特征提供了科學基礎。劉希林等[9-10]對廣東五華縣蓮塘崗崩崗開展了垂直和水平方向上土體物理性質的研究，發現崩崗不同地貌部位的土體物理性質存在分異現象。崩崗發育的物質基礎是花崗巖風化殼及其風化土體[11]。Ban等[12]對花崗巖風化土體進行了X射線衍射(X-ray diffraction， XRD)和X射線熒光光譜(X-ray fluorescence， XRF)分析及粒度分析，得到花崗巖孔隙度、砂含量以及礦物和元素含量及其化學風化指標，以此解釋了花崗巖的風化機理。Kim和Park[13]測定了花崗巖從礫石到黏土的粒度分布曲線，認為修正后的風化潛在指數(modified weathering potential index, MWPI)和觸發流失率(loss on ignition, LOI)與花崗巖風化土體的理化性質沒有明顯的相關關系(干密度除外)，并推薦用土體理化性質來進行花崗巖風化等級的劃分。郝芮等[14]測定了花崗巖風化土體的顆粒組成、陽離子交換量、黏聚力和各種氧化物所占質量比例，分析了不同層次氧化物含量并計算其風化強度，得出了花崗巖土體剖面的下層風化程度弱、黏粒比例低且黏聚力小、更容易形成崩崗的結論。這些研究成果為認識花崗巖風化殼的化學風化過程提供了有益的啟示。本研究以廣東省德慶縣3個典型崩崗為例，通過測定崩崗不同地貌部位土體的物理性質、礦物組成和化學元素，探討崩崗土體物理特性及其在各不同地貌部位的內部分異，并解釋其與崩崗侵蝕作用的成因關系，旨在更好地了解和認知崩崗發育的土體物質基礎。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

德慶縣地處廣東省中西部西江中游北岸，位于北緯23°04′—23°30′， 東經111°32′—112°17′之間。受亞熱帶季風氣候影響，熱量豐富，降雨量大，且雨熱同期。據2019年肇慶市氣候公報，德慶縣年平均氣溫為22.5 ℃，年降雨量1 356 mm，雨季為每年5—9月。德慶縣崩崗發育歷史悠久，數量眾多，是廣東省崩崗發育較為嚴重的地區之一[15-16]。德慶縣屬低山丘陵及河流沖積地貌，出露的花崗巖面積占全縣出露地層的71.5%。花崗巖在自然條件下極易風化，通常成為該地區的成土母質而發育成赤紅壤、紅壤或黃壤[17]。德慶縣官圩鎮出露的地層主要為黑云母花崗巖，厚度約為30～60 m[18]。本文中的3個典型崩崗分別位于官圩鎮五福村的栗子崗、平山埌和徑深，由此分別命名為栗子崗崩崗(23°16′30″N，111°48′21″E)、平山埌崩崗(23°15′57″N，111°48′50″E)和徑深崩崗(23°15′8″N，111°49′6″E)。

1.2 土樣采集與測試分析

崩崗土體樣品采集點主要考慮崩崗不同地貌部位，同時兼顧野外采樣的可行性，共計30個采樣點(圖1)。2020年10月10日，在3個崩崗的4個地貌部位(崩壁、崩積體、溝道和洪積扇)分別采集表層土(0—10 cm)擾動土樣品和原狀土樣品，原狀土樣品用環刀(內徑50 mm，深度50 mm)采集，擾動土樣品用兵工鏟鏟取表層土裝入塑料密封袋中，每個擾動土樣品重量約為1.5～2 kg。由于崩壁取樣較為困難，只采集了一個原狀土樣和一個擾動土樣。崩積體按左、中、右，溝道和洪積扇則按上、中、下3個部位分別采集3個擾動土樣，并在中部崩積體和溝道及洪積扇的中部采樣點各采集一個原狀土樣。然后分別將崩積體、溝道和洪積扇的3個擾動土均勻混合，取其約1.5 kg的混合土制成混合擾動土樣，裝入密封袋后進行登記編號，帶回實驗室進行測試分析。本次野外采樣共獲取崩崗原狀土樣12個，擾動土樣3個，混合擾動土樣9個，共計24個崩崗土體樣品。

對上述24個崩崗土體樣品的容重、含水率、液塑限、顆粒級配、礦物組成和化學元素分別進行測定。其中，土體顆粒級配使用篩分法(質量百分比)，并用馬爾文激光粒度儀(Mastersizer 2000)對2 mm及以下的土體顆粒進行粒徑含量測定(體積百分比)；土體質量用電子天平進行計量；土體含水率用烘干法測定(質量百分比)；土體液塑限使用液塑限聯合儀測定(質量百分比)；以上測試項目均在中山大學地理科學與規劃學院地理綜合實驗室完成。崩崗土體的礦物成分采用X射線粉末衍射分析，由中山大學測試中心完成；崩崗土體的化學元素采用X射線熒光光譜分析，由廣東省地質檢測中心完成。

圖1 德慶縣典型崩崗土體樣品采集點示意圖

2 結果與分析

2.1 崩崗土體物理特性

2.1.1 崩崗土體容重 土體容重是土體性質的重要參數之一[19]。由表1可知，德慶縣典型崩崗不同地貌部位的土體容重介于1.06～1.43 g/cm3之間。崩壁土層致密，土體容重較大，以重力崩塌為主；崩積體土體松散，土體容重較小。崩積體以坡面侵蝕為主，也易于由溝道侵蝕掏蝕坡腳形成臨空面而發生重力崩塌的“二次侵蝕”[20]，因而崩積體是崩崗內部最容易遭受侵蝕的部位。相對于洪積扇來說，溝道的土體容重大，因為溝道受水流沖刷，細粒物質被帶走，溝床表層粗化；洪積扇是崩崗的沉積區，有大量細粒物質在此沉積，從而導致其土體容重比溝道小(圖2)。

圖2 德慶縣典型崩崗4個地貌部位的土體容重

2.1.2 崩崗土體含水率與界限含水率 降雨是崩崗發育的主要驅動力，降雨通過增加土壤含水率，使土體的巖土力學性質發生改變，從而降低了土體的抗剪強度[21]。土體含水率也影響土體的崩解特性[6]。本次測定的崩崗土體含水率(質量百分比)為非雨季的含水率和界限含水率(表1和圖3)。由圖3可知，崩壁和崩積體的土體含水率高于溝道和洪積扇的土體含水率。崩積體含水率高，與崩積體上部的崩壁匯水滲入直接相關。溝道和洪積扇的土體滲水性強、保水性差，土體含水率低。

表1 崩崗土體基本物理性質

圖3 崩崗土體含水率與界限含水率

界限含水率也是土體的基本物理性質之一。塑限是指黏性土體呈可塑狀態的下限含水率，液限是指黏性土體由可塑性狀態過渡到流動狀態的界限含水率[22]。由表1和圖3可知，崩壁和崩積體的土體液塑限均高于溝道和洪積扇的土體液塑限，這可能與崩壁和崩積體土體容重較大且其黏粒含量高、土體塑化和液化所需的含水率較大有關。而溝道和洪積扇土體的液塑限較低，因為其粗砂含量較多且黏粒含量相對較少，由于黏粒對水分的吸附作用，導致溝道和洪積扇的土體液塑限相對較低。

2.1.3 崩崗土體顆粒級配 崩崗4個地貌部位土體樣品均以砂粒含量為最高。細砂、中砂和粗砂合計含量均在50%以上，其中徑深崩崗洪積扇土體樣品的砂粒含量高達91.61%。粗砂又占砂粒含量的主要部分(27.47%～56.76%)(表1)。由此可見，粗砂是崩崗土體最為顯著的粒度特征。根據《土類分類標準(GB/T50145-2007)》，可將崩崗土體總體上歸屬為“含礫粗砂土”，其中值粒徑表現為：崩壁<崩積體<溝道<洪積扇，反映了溝谷流水對溝道沉積物和洪積扇洪積物沖刷后的粗化作用。

顆粒級配直觀反映了土體粒徑的分布狀態。由圖4可見，3個崩崗的顆粒級配曲線表現出較好的一致性。崩壁和崩積體的土體顆粒級配曲線為雙峰型，粒徑峰值為0.6～0.8 mm(粗砂)和0.08 mm(細砂)，崩積體是崩壁在重力作用下崩塌而成，其土體顆粒分選較差，這也是許多混雜堆積物包括泥石流源地土的共有特征[5]。溝道和洪積扇的土體顆粒級配曲線為單峰型，粒徑峰值為0.6～0.8 mm(粗砂)。單峰型粒度曲線表明土體顆粒經過水力分選，是水力作用的產物。

注：質量百分比為全粒徑，體積百分比為≤2 mm的粒徑

2.2 崩崗土體礦物組成和化學元素成分

2.2.1 崩崗土體礦物組成 花崗巖風化殼中的黏土礦物是崩崗土體微觀結構重要特征，對崩崗形成和發育具有獨特的作用[23]。采用XRD方法對12個崩崗擾動土樣中的黏粒進行測試分析，得到XRD圖譜(圖5)，圖中橫坐標為衍射角度2θ/°，位置表示晶體中符合布拉格條件的面網衍射；縱坐標表示計數管中所檢測的光量子點數，即衍射強度I，計點數以CPS為單位[24]。衍射強度與物相成分和結構以及物相在混合物中的含量有關[25]。運用MDJ Jade 6.5軟件，由布拉格公式得到晶面間距d值，單位為(?,10-10m)。通過對XRD圖譜的鑒定，三個崩崗土體中的主要礦物依次為高嶺石(Kln)、石英(Q)和白云母(Ms)。

2.2.2 崩崗土體化合物及化學元素 采用XRF方法對12個崩崗擾動土樣中的黏粒進行測試分析，得到崩崗的主要化合物組成(表2)。3個崩崗4個地貌部位的土體以7種化合物為主，其中二氧化硅(SiO2)含量最高，平均含量為58.13%；其次為三氧化二鋁(Al2O3)，平均含量為12.41%；再次為氧化鈣(CaO)和總鐵(Fe2O3/FeO)，平均含量分別為3.66%和3.17%。其余化合物含量均較低，分別是氧化鉀(K2O)(1.36%～3.20%)、氧化鎂(MgO)(0.17%～1.07%)和氧化鈉(Na2O)(0.13%～0.94%)。崩崗土體的主要化合物與崩崗土體的主要礦物組成相對應，高嶺石的化學式為Al4[Si4O10](OH)8，主要含Al2O3和SiO2；石英的主要成分為SiO2；白云母的化學式為K{Al2[AlSi3O10](OH)2}，其中含有45.2%的SiO2，38.5%的Al2O3，11.8%的K2O。

圖5 崩崗4個地貌部位的土體XRD圖譜

構成崩崗土體的化學元素主要包括重金屬元素錳、鋯、釩、鈮、鋅、鉬和鉻等，輕金屬元素鈦、鋇，銣、鍶和鉛，非金屬元素硫、磷和氯，以及稀土元素釔等(表3)。

一般情況下，土壤中重金屬元素錳、鋅和鉬含量極少，但本次測定發現，崩崗土體樣品中錳的含量相對較高，平均值為0.0451%，且發現有稀土元素釔存在。3個崩崗不同地貌部位的礦物組成與化學物質并沒有表現出有規律性的內部分異。表明在崩崗這樣一個水文地貌單元內，地球化學過程是相對微弱的，崩崗的侵蝕、搬運和堆積過程，沒有導致明顯的化學元素遷移和富集現象。

表2 崩崗土樣的主要化合物(質量百分比)

表3 崩崗土樣的主要化學元素(質量百分比)

3 討 論

3.1 崩崗土體物理性質的分異

崩壁土體容重略大于崩積體、溝道和洪積扇的土體容重，以及崩壁和崩積體的含水率和界限含水率均大于溝道和洪積扇的土體含水率和界限含水率，這一現象易于理解，也表明崩壁和崩積體是崩崗的主要被侵蝕體和泥沙來源。土體中值粒徑在崩崗4個地貌部位的變化趨勢為：崩壁<崩積體<溝道<洪積扇，展示出自崩崗溝谷流域上游(崩壁)至溝谷流域出口(洪積扇)，流水作用將細粒物質逐漸沖刷帶走，而將粗粒物質依次沉積留下的水力分選和粗化過程。崩壁和崩積體的土體顆粒級配曲線呈雙峰型，溝道和洪積扇的土體顆粒級配曲線呈單峰型，也表明了前者以重力作用為主，崩積物分選較差，后者經過水力作用，沉積物有一定分選。

崩崗4個地貌部位土體物理性質的分異現象可由水力—重力復合侵蝕來解釋。崩壁主要遭受重力侵蝕，且風化殼土體力學性質受到水力作用的影響，土體內摩擦角減小，抗剪強度下降，在重力作用下極易發生土體崩塌[11]。崩壁土體的崩落和滑塌，在崩壁底部形成崩積體。初期，崩積體未遭受明顯的水力分選，保留著與崩壁土體基本相同的顆粒級配，因此，崩積體物理性質與崩壁較為一致，僅表現為容重由于土體散落而相對較小。在崩積體形成的后期，水力侵蝕對崩積體的物質搬運和輸移起到較大作用。由于崩積體土體結構疏松，且缺乏植被保護，土體常常再次遭受嚴重侵蝕[26]，也即“二次侵蝕”，包括降雨濺蝕、片流沖刷和徑流侵蝕。受流水的侵蝕和搬運作用，導致崩積體從頂部至底部土體顆粒由粗變細，坡腳處顆粒粒徑變小、可蝕性加大[9]。形成泥砂流后，帶出崩口的崩積物在溝道內泥砂流的搬運作用下，一部分粗砂沉積下來，大部分細粒物質被帶走[27]。因此，溝道和洪積扇土體顆粒呈現出流水搬運后的粒度特征。

3.2 崩崗土體化學物質的成因

崩崗土體主要由花崗巖風化殼提供?；◢弾r致密、堅硬、透水性差，礦物組成主要為石英、長石和白云母。石英質地堅硬，主要成分為SiO2，抗風化能力強，理化性質較為穩定?；衔餃y定表明，崩崗土體中SiO2最多，Al2O3次之，其他氧化物相對較少，這與吳志峰和王繼增在有關華南花崗巖風化殼巖土特性中得出的結論是一致的[11]。長石是一種含鈣、鈉和鉀的鋁硅酸鹽類礦物，一般經化學風化，如水解作用、碳酸化作用等向黏土礦物轉化[17]?；◢弾r風化殼的化學成分與母巖相比略有不同[28]。風化殼中的Al2O3和Fe2O3/FeO明顯增多，CaO，K2O，MgO和Na2O相對減少。這可能與白云母的化學風化過程有關，在白云母的化學風化過程中，SiO2，CaO和Na2O的含量逐漸減少，Al2O3逐漸富集[29]。黏土礦物多由花崗巖風化殼在其成土過程中形成[30]。黏土礦物高嶺石是長石和其他硅酸鹽礦物天然蝕變的產物，礦物晶格穩定，具有較高的水穩性，且一般可以看作是強烈風化作用的最終產物[31]。本文中的黑云母花崗巖母巖化學風化后產生的次生礦物主要由長石組成，比其他礦物更容易風化分解成為高嶺石[13]，廣東濕熱的氣候條件導致巖石強烈分解，也更加有利于高嶺石的結晶。崩崗土體中高嶺石與水的結合，使崩崗土體發生膨脹、分散和凝聚，也使得崩崗土體的黏性、觸變性和可塑性發生變化，從而改變崩崗土體的理化性質而影響崩崗的發育。與此同時，崩崗土體中的石英砂與紅壤土混合后，導致鈣質膠結缺乏而形成厚層疏松土層，一旦失去植被覆蓋，極易引起水土流失而導致紅壤土的強烈侵蝕[17]。

4 結 論

崩崗侵蝕地貌系統內不同地貌部位的土體物理性質具有一定的分異現象。崩崗土體物理特性的內部分異與侵蝕作用關系表現為：崩壁→崩積體→溝道→洪積扇，土體顆粒粒徑由細逐漸變粗，地貌營力由重力轉變為水力，地貌過程由侵蝕轉變為堆積。這一相互關系符合崩崗侵蝕過程中水力—重力復合侵蝕的作用機制。崩崗侵蝕發育與花崗巖土體特性密切相關，以高嶺石為主的黏土礦物組成表明崩崗土體是強烈風化作用的產物。本研究表明，崩崗土體化學物質在崩崗內部沒有表現出規律性的元素遷移和富集現象。

致謝：廟成博士和鄧銘坤參加了本次研究的現場選點和野外采樣工作。謹此致謝！