土壤崩解速率的一种修正方法

2015-01-03徐伟洲

水土保持研究 2015年6期

李强，张正，孙会，徐伟洲

（1.榆林学院，陕西榆林719000；2.西北农林科技大学水土保持研究所，陕西杨凌712100）

土壤崩解，土工上称之为湿化，是指土壤在静水中发生分散、碎裂解体、塌落或强度减弱的现象［1］。土壤崩解强度一般用土壤崩解速率表示，即单位时间内土壤崩解的体积数或质量数。土壤崩解速率大，表示土壤在静水中被分散、碎裂、塌落的越快，即土壤抗冲性小，产生土壤侵蚀的几率就越高。因此，土壤崩解速率是评价土壤侵蚀严重程度的重要指标之一［2］。然而，土壤崩解速率的测定和计算一直是土壤侵蚀研究的薄弱环节［3］。20世纪60年代，朱显谟用静水崩解法的结果，提出土体在静水中的崩解情况可以作为评价土壤可蚀性的重要指标［4］。90年代中期，蒋定生等利用浮筒原理，自制了一套测定土壤崩解的简易仪器，根据土壤崩解速率大小，将黄土高原分为5个区。随后的土壤崩解研究大都参考这种方法［5－6］，该方法计算土壤崩解速率公式为：

式中：v——单位时间内所崩解的试样体积（cm3/min）；l0——试样浸入水中时浮筒的起始读数，或是浮筒沉降稳定时的最大读数；lt——土样完全崩解时或第30 min时浮筒的读数；t——土壤完全崩解时的时间，未崩解完则为30min；a——体积换算系数，为1.276。

近些年来，部分学者将普通电子推拉力计，结合自制网架应用到土壤崩解速率的测定，并评价了黄土丘陵区不同土地利用类型下的崩解速率状况，取得了较好的成果［7］。与此同时，市面上也出现了精密的土壤崩解速率仪。然而，浮筒法因浮筒刻度较粗，测定费时费力而应用越来越少，精密的土壤崩解速率仪因价格昂贵在试验研究领域应用也较少［8］。普通电子推拉力计法正是克服了以上的缺点，在土壤崩解速率测定中应用越来越多［7］。

普通电子推拉力计法是利用方形环刀（5cm×5cm×5cm）取原状土样并称重，然后将数显推拉力计HP－500与电脑连接，运行软件，并将推拉力计的模式选择重量。调试完成后，将已取原状土样轻轻放到网板上，而后将网板架悬挂在拉力计下的固定挂钩上，随即将网板架缓缓地放入盛有清水的崩解水缸中，待其稳定立即点击软件“开始”按钮，同时用秒表开始记时。

一次土壤崩解试验时间为30min，若不到30 min土样已全部崩解，则应记录下全部崩解时推拉力计相应的读数和时间。其计算公式为：

式中：v——崩解速率（g/min）；Δt——崩解时间，Δt＝t1－t2（min）。

假设待试土壤为一均质土块，土壤容重为ρs，在静水中崩解时间t后（0＜t≤30min），对该土块在静水中的受力分析可知：

式中：ft——t时刻推拉力计显示读数，即合力（N）；Gt——t时刻土块所受的重力；Ft——t时刻土块所受的浮力。

由公式（2）可得：

式中：Gt1，Gt2，Ft1，Ft2——t1，t2时刻土块所受重力、浮力。

通过以上公式可以发现，按照定义，土壤崩解速率的真实值应是公式（4）展开式中的第一项，而拉力计法在土壤崩解速率的计算中忽略了浮力的动态变化，即公式（4）展开式的第二项，这在一定程度上会影响土壤崩解速率的计算精度。基于此，本文借助子洲坡耕地土壤样品，通过土块在崩解过程中的受力分析，对比了忽略和考虑浮力的土壤崩解速率，期望获得更为准确的土壤崩解速率算法。

1 材料与方法

1.1 供试土壤及测定

供试土壤来自子洲县坡耕地，共计20个样点。土壤基本特征见表1。土壤容重采用环刀法［9］，土壤密度采用国际通用土壤密度2.65g/cm3。土壤孔隙度（P）是由土壤容重和土壤密度推导获得。其计算公式为：

土壤有机质测定采用重铬酸钾容量法［10］。另外，每个样点利用方形环刀（5cm×5cm×5cm）取原状土样并称重，分别用拉力计法和修正的拉力计算方法测定并计算处土壤崩解速率。其中，浮筒法数据是经过土壤容重转化获得的。

1.2 公式推导

土块在水中的受力分析可得公式（3）：

在崩解的过程中，土块由于分散、碎裂、塌落，体积不断减小，因此，所受的浮力和重力都是变量，但二者在变化过程中仍存在恒定的比例关系：

由公式（6）与公式（7）可得：

式中：vt——t时刻土块体积（cm3）；ρw——水的密度；ρs（1＋β）——对于某一特定均匀土壤，表示一个常数；β——土壤饱和含水量。

由公式（3）和公式（8）可知：

式中：Mt——t时刻土块质量（g）；

设土壤崩解速率的真实值为v0：

式中：mt1，mt1——t1，t2时刻土块质量

由公式（9），（10）可得：

故拉力计法计算土壤崩解速率的公式（2）乘以校正系数k才是真正的土壤崩解速率。

表1 供试土壤的基本特征

1.3 数据分析

数据分析采用 Excel 2003和 SPSS 15.0统计软件，差异显著性检验采用配对t检验（p＜0.05，双尾）。

2 结果与分析

2.1 土壤崩解过程

图1是20个样本土壤崩解速率的动态过程。每6秒一次读数，共计10分钟。可以看出，用拉力计方法测定土壤崩解速率过程中土壤样品在放入水中前110s呈先吸水膨胀，拉力计度数迅速增加，而后土壤开始崩解，拉力计度数逐步减小，并趋于稳定。这一结果说明土壤自身含水量对土壤崩解过程有重要的影响。类似的研究结果表明，含水率大的土样，愈接近饱和密度，土样越容易崩解［11］。然而对粘性土而言，当土壤含水量增大到22%时，基本无崩解性［12］，这可能与不同土壤的渗透性、吸水量和吸水速度差异有关［13－14］。因此，在不同处理之间进行土壤崩解速率比较时要先自下而上浸润土壤，直至土壤达到饱和后方可进行崩解试验。

图1 土壤崩解过程

2.2 不同方法计算土壤崩解速率

表2是拉力计法和修正的拉力计法计算了待测20组土壤崩解速率。由表可以看出，修正的拉力计算法比原先算法高出2.16～2.76倍。然而，当土壤崩解速率转化成浮筒法后，与该区20世纪90年代农地土壤崩解速率相比（表3），修正的拉力计算法所得的土壤崩解速率更接近于已有数据，其变异性较未改进前有所减小。同时，这一结果一定程度上可以说明该区农地土壤与90年代相比，其结构趋于稳定，发生水土流失的几率变小［15］。可见，修正的拉力计算法所得的土壤崩解速率可能更接近于真实值。然而，虽然黄绵土质地较为均一，但本文在受力分析中假定待测土壤为一理想均质土块，这在一定程度上会带来计算结果的误差。因此，本研究结果还需要在不同土壤类型和土地利用类型上进行验证。

表2 不同方法计算的土壤崩解速率

表3 黄土丘陵区农地表层（0－5cm）土壤崩解速率［1］

2.3 两种算法在不同容重上的土壤崩解速率

黄土丘陵区以黄绵土为主要土壤类型。农地黄绵土土壤容重处于1.10～1.35g/cm3。因此，为了验证拉力计法和修正的拉力算法所得的土壤崩解速率在不同土壤容重上的差异，本文将待测的20组土壤样品按照容重小于1.15g/cm3和大于1.20g/cm3进行分类，各自均有8个重复。将传统拉力计算法和修正的拉力算法所得到的土壤崩解速率数据进行统计学配对t检验。由表4可以看出两种梯度的土壤容重按照传统的拉力计算法和修正的拉力算法所得到的土壤崩解速率均达到极显著差异。因此，在以后利用拉力计计算土壤崩解速率时需要考虑浮力动态变化，即乘以修正系数k。

表4 不同容重土壤崩解速率

3 结论

本文借助子洲坡耕地土壤样品，通过土块在水中的受力分析，对比了传统拉力计算法和修正的拉力计算法计算的土壤崩解速率，期望获得更为准确的土壤崩解速率算法。结果表明，拉力计方法测定土壤崩解速率中土壤自身含水量对崩解过程有重要的影响。修正的拉力计算法所得的土壤崩解速率更接近于已有报道，其变异性较未修正前有所减小。不同土壤容重计算土壤崩解速率均需要考虑浮力动态变化，即乘以校正系数k。另外，本文选取的黄绵土因颗粒较细、质地均一，结果规律性较为理想，在我国土石山区或红壤区（质地粘重）该方法的实用性需要进一步研究。因此，本文认为，在以后黄土高原的土壤崩解速率测定和计算中应按以下步骤：（1）利用方形环刀在野外取原状土样并用塑料薄膜密封；（2）将土样带回实验室称重，下面垫上滤纸，用浅层水盘自下而上浸润土壤，直至土壤饱和；（3）将饱和的土样放置在一铁架台上去除重力水后再次称重；（4）轻轻移开方形环刀，将土样放置在拉力计的吊盘网板上测定；（5）计算需乘以校正系数k。

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