滇东喀斯特高原红土干湿胀缩特性

王泽丽，苏 怀，董 铭，廖 红，兰 丹，陈国玲

（云南师范大学 旅游与地理科学学院，云南 昆明650500）

红土裸露和植被稀疏是滇东喀斯特高原与石漠化相伴生的一种极为普遍的生态恶化现象[1]。野外调查发现，在红土裸露的地区，土体碎屑常呈定向排列，预示坡面蠕动可能是形成红土裸露景观的重要原因之一。考虑到滇东喀斯特高原属亚热带气候，此处的坡面蠕动不应该是冻融蠕动而是干湿蠕动。干湿蠕动发生的前提是土体具有干缩湿胀的特性。

国内外关于干旱半干旱地区变性土的胀缩性研究较多，包括胀缩特征描述、胀缩土体特征、胀缩机理研究方法等[2－6]，而有关滇东喀斯特高原红土干湿胀缩状况的研究较少。笔者在滇东喀斯特高原红土裸露的典型地区采集土样，探索土体干湿胀缩特征。滇东高原牛栏江流域属亚热带高原季风气候，年降水量800～1 200mm。干湿季分明，夏半年受西南季风和东南季风交替控制，温暖湿润；冬半年受热带大陆气团控制，干燥少雨。区内广泛出露古生代、中生代沉积的海相碳酸盐岩，上覆红土，是滇东喀斯特高原红土裸露的典型地区。除碳酸盐岩红土外，区内还有一定量的以玄武岩为母质发育的红土，但这些地区植被覆盖率明显好于碳酸盐岩红土区。笔者采用工程地质学土体胀缩试验研究方法[7]，通过测定土壤的胀缩率及机械组成来分析其膨胀特性、影响因素及产生的生态地貌效应，以期为喀斯特红土裸露地区的生态环境建设提供基础资料。

1 材料与方法

1.1 样品采集

在典型的碳酸盐岩红土、玄武岩红土发育地段采集表层土（图1）。每个样点取样1kg左右。

1.2 土壤胀缩率测定

土壤胀缩率参照文献[7]方法测定。取约80g自然风干、过1mm 筛的土样放入已知质量的铝盒内，105℃烘干8h。将烘干土样均匀装入内径为5cm的自制有机玻璃柱中，称重后，浸水至饱和再称重，确定饱和含水量。

1）失水过程测试。土柱蒸发一定时间后称重，确定土柱含水量的变化；当观察到土面收缩时，用卡尺测量土面的收缩距离（在0h、6h、12h、18h、24h、36h、48h、64h、82h、106h、130h、138h和1 5 4h时测量土柱高度），确定土柱纵向变化，直到土柱高度和质量不再发生变化。

图1 研究地区采样点分布Fig.1 Sampling point distribution in the study area

2）吸水过程测试。当土柱质量不再减少时往土柱中加一定量的水，密封放置至土柱吸水均匀，称重并测量土柱的膨胀高度，再逐量加水并密封放置24h（在0h、0.5h、1h、3h、6h、9h、12h、15h、21h和24h测量土柱高度），使其经历吸水膨胀过程。测定方法与失水过程类似。

土体的膨胀率、收缩率计算方法参照文献[7]的方法，具体如下：

1）瞬时膨胀率＝[（某时刻膨胀后的高度－初始高度）／初始高度]×100%；

2）瞬时收缩率＝[（初始高度－某时刻收缩后的高度）／初始高度]×100%；

3）最终膨胀率＝[（最终膨胀高度－初始高度）／初始高度]×100%；

4）最终收缩率＝[（初始高度－最终收缩高度）／初始高度]×100%；

5）含水量＝某时刻称得的试样质量－干土质量。

1.3 粘粒含量测定

粘粒含量采用Mastersize 2000激光粒度仪测定，样品预处理参照文献[8]的方法。

2 结果与分析

2.1 红土膨胀率与含水量的关系

由图2可知，滇东喀斯特高原碳酸盐岩红土具有明显的膨胀性，膨胀率较大，最大达7.89%；玄武岩红土的膨胀率较小，最大为3.69%。碳酸盐岩红土膨胀率比玄武岩红土大。

两类土瞬时膨胀率均随含水量的增加而增大，但碳酸盐岩红土在吸水膨胀过程的初始阶段剧烈膨胀，随着含水量的增加膨胀速度逐渐变缓；玄武岩红土膨胀趋势与碳酸盐岩红土相比较缓，碳酸盐岩红土和玄武岩红土最终膨胀率分别为7.89%和3.69%。

图2 土体瞬时膨胀率和瞬时收缩率与含水量的关系Fig.2 Relationship of soil instant expansion rate and instant shrink rate with water content

膨胀变形发生时膨胀主要发生在土壤浸水表面，随着水分深入土体内部，土水交界面面积扩大，土体开始整体膨胀，进入快速膨胀阶段；随着土体吸水速度减小，土体的膨胀速率也逐渐降低，进入缓慢膨胀阶段，土体完全吸水饱和时土体膨胀达到稳定。

2.2 红土收缩率与含水量的关系

由图2还可知，碳酸盐岩红土和玄武岩红土最大瞬时收缩率分别为13.7%和4.65%，玄武岩红土收缩率比碳酸岩红土低，其收缩变化幅度比碳酸盐岩红土小。二者均具有失水收缩的特性，其瞬时收缩率随含水量的减少而增大。碳酸盐岩红土在土体收缩的初始阶段，土体收缩率较快，含水量减少到38g左右时收缩率急剧增加，从2.62%跳跃至12%左右，之后土体收缩率随着含水量减少增加较缓。玄武岩红土土体收缩幅度不及碳酸盐岩红土。

图3 粘粒含量与土壤最终膨胀率和最终收缩率的关系Fig.3 Relationship of soil final expansion rate and final shrink rate with clay content clay content

2.3 粘粒含量与红土膨胀率、收缩率的关系

由图3 可知，碳酸盐岩红土粘粒（粒径＜0.002mm）含量为36.85%～52.82%，较玄武岩红土（34.85%～36.25%）高。一般认为，土体的膨胀、收缩与土体的粘粒含量和水化特性有关[7，9－10]。总体而言，2种红土最终膨胀率和最终收缩率均随粘粒含量增加而增大。

3 结论与讨论

滇东喀斯特高原碳酸盐岩红土具有明显的干缩湿胀特性。这一特性可以作为该地区发生坡面蠕动造成红土裸露现象的物质基础。土体的高粘粒含量是滇东喀斯特高原碳酸盐岩红土发生干湿胀缩的重要因素，粘粒含量越高，土体胀缩率越大。

在西南喀斯特地区，土体表层覆盖物（通常指O层）一旦受到破坏，很容易形成裸露红土景观以至于很难恢复。通常认为这与红土的养分、水分相对缺乏 有关[1，11－14]。 但笔者等通过野外调查认为，除了红土贫瘠的因素外，土体发生坡面蠕动（土溜）也可能是红土裸露的重要原因，因为野外常可以观测到土屑、岩屑顺坡面定向排列的现象。土体膨胀收缩试验则进一步证实了滇东喀斯特红土裸露区具备发生土溜过程的内在条件。

碳酸盐岩红土胀缩性比玄武岩红土强，碳酸盐岩红土发生土溜的机会相较玄武岩红土多，这与观测到的红土裸露现象多发生在碳酸盐岩地区的结果一致。不同母岩的红土胀缩性有差异，这可能与其机械组成有关。粒度分析表明，土体胀缩性与粘粒含量相关，粘粒含量越高，土体胀缩性越强。

除滇东喀斯特高原外，碳酸盐岩红土具有明显的干湿胀缩性在贵州喀斯特地区也得到了证实[4，15]。考虑到西南地区有明显的旱季和雨季，土体干湿胀缩可能是南方石漠化地区生态恢复不可忽视的问题。

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