长江中上游地区坡耕地土壤抗剪强度特征

王一峰，李建明

(长江科学院水土保持研究所，湖北 武汉 430010)

长江中上游地区是长江流域水土流失的主要区域，水土流失面积占全流域水土流失面积的96.4%，并且主要集中在金沙江下游，嘉陵江、沱江流域，乌江上游和三峡库区[1]。在长江中上游地区各种土地利用类型中，坡耕地是造成严重水土流失的主要地貌单元[2]。目前在长江中上游地区坡耕地水土流失特点、机理和治理方面已有相关研究并取得了一定成果。土壤因子是土壤侵蚀研究的一个重要方面，对于定量评价和预测水土流失具有重要的参考价值，而土壤抗剪强度是指土体抵抗剪切破坏的极限强度，直接体现了土壤的力学性质[1,3]。学者们从不同侧重点对土壤抗剪强度展开了系列研究，在土壤抗剪强度与可蚀性的关系方面，认为土壤抗剪强度可用于预测土壤侵蚀量，表征土壤可蚀性[4-7]；而更多的研究则集中在土壤抗剪强度的影响因素方面，其中物理指标主要包括土壤含水率、容重、土壤粒径组成等[8-9]，认为土壤抗剪强度与土壤含水率之间呈非线性负相关关系[6,10-11]或随含水量增大呈先增加后减小的趋势[12-14]，随容重的增加而逐渐增大[6,8,10]，和粉粒与黏粒的比值呈负相关关系[8]；此外植物根系也是影响土壤抗剪强度的重要因素，植物根系可明显提高土壤抗剪强度，含根量越大则土壤抗剪强度越大[15-16]。目前，针对土壤抗剪强度的研究多限于局部地区或少数土壤类型，并且土壤抗剪强度测试方法各异，缺乏统一标准[17]，加之样本点数量有限，对于长江中上游地区坡耕地这一重要水土流失类别缺乏针对性的研究。基于上述研究背景，本研究在长江中上游9个省(市)坡耕地选择37个测试点，采用便携式抗剪仪快速原位测定不同点位的土壤抗剪强度，并分析区域内土壤抗剪强度和土壤质地、含水率等的关系，希望能为长江流域坡耕地水土流失定量评价及预测提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 测试点选择

测试点选择以点面(区域)映射为原则，共选择37个测试点，涉及甘肃、陕西、四川、重庆、云南、贵州、湖北、湖南和江西等9个省(市)，基本涵盖了云贵高原石漠化区、金沙江下游和嘉陵江上游主产沙区、三峡库区和丹江口库区上游，以及洞庭湖和鄱阳湖流域等长江中上游的主要水蚀区，包括了四川盆地、江南丘陵、川东平行岭谷区、云贵高原等不同地貌类型区，兼顾了主要地带性土类中的红壤、黄壤等，以及与区域水土流失状况有明显关系的非地带性土类中的紫色土、石灰土等，测试对象位于丘陵和低山地区坡耕地的缓坡部位。37个测试点位分布见图1。

图1 野外原位测试点位分布

1.2 试验方法

土壤抗剪强度采用14.10 Pocket Vane Tester型三头抗剪仪测定[18]。该抗剪仪便于携带，共有三个旋头，分别为CL102型(小号)、CL100型(中号)、CL101型(大号)，针对不同质地的土壤采用不同的旋头。在测试点选取符合要求的空地，清除地表枯枝落叶等杂物，人工开挖一个长×宽×深为1.5 m×1.0 m×0.6 m的剖面，分别在土壤剖面的0 cm(表层)、20 cm深度(底层)留成阶梯状的平面，用小铁铲整平，将抗剪仪水平压于土中，扭动抗剪仪柄直至土壤被破坏，记录抗剪仪指针读数。为保证测定结果的可靠性及有效性，剔除异常情况，每个测试深度的抗剪强度重复3次，如测试的3个结果差异较大，则增加测试次数。每个土壤抗剪强度值依据“实测值与结果值之间的转换关系曲线”获取最终的结果。三个抗剪仪旋头(大号、中号、小号)通过实测值计算抗剪强度结果的转换关系为

大号：y=0.02x

(1)

中号：y=0.11x

(2)

小号：y=0.27x

(3)

上三式中：x为抗剪仪实测值；y为转换后的结果，即为土壤抗剪强度，kg/cm2。

在完成各测试点抗剪强度测试后，用100 cm3环刀在表层取3个样品用于容重的计算，并按照不同土层深度分别取0.5 kg的样品均匀混合后装于密封袋内，带回室内进行土壤理化性质分析。其中土壤机械组成采用比重瓶法，土壤有机质含量用重铬酸钾容量法测定，土壤含水率采用烘干法测定，在现场用铝盒取样后用随身携带的电子秤称湿土质量并做好记录，以防时间过长导致土壤水分流失，铝盒及环刀样品待野外工作完成后带回实验室利用烘箱在105 ℃条件下烘干24 h，称干土质量，进而计算含水率。

2 结果与分析

2.1 坡耕地不同土壤质地理化性质特征

对各测试点土样进行机械组成测定和分析。根据国际制土壤质地分类标准[19]，37个测试点的土壤质地可划分为黏壤土、壤土、壤质黏土和砂质壤土4种类型。根据质地性质及机械组成，也为了便于分析比较，在土壤质地分类上，将壤土和砂质壤土归为壤土，壤质黏土归为黏土，最终确定壤土土样13个、黏壤土土样16个、黏土土样8个。各测试点土壤机械组成、含水率、容重、有机质含量及不同土层深度土壤抗剪强度见表1。

结果表明，壤土的砂粒含量平均值为65.40%(分布范围为53.40%～79.39%)，分别是黏壤土和黏土的1.44和1.57倍，而壤土的粉粒及黏粒含量之和的平均值为34.60%，仅分别为黏壤土和黏土的63.45%、59.18%；从土壤质地分析，壤土中含有较多的砂粒，颗粒粗、黏性小，黏土的细颗粒含量多、黏性强，利于水分在土壤中储存，而黏壤土则介于壤土和黏土之间。

3种土壤质地表层和底层的土壤含水率差异显著，但大小均呈现为壤土<黏壤土<黏土，黏土表层和底层的平均含水率分别为22.94%和28.65%，分别是黏壤土相应值的1.05和1.25倍，是壤土的1.27和1.52倍，且不同土壤质地的土壤含水率均呈现出表层含水率低于底层的规律，以黏土表现最为显著，表层土壤平均含水率较底层少19.94%，而黏壤土和壤土则分别少5.11%和4.11%，这也进一步说明了黏土更加有利于土壤水分的储存。表层土壤含水率低于底层，主要是由于坡耕地表层受人为翻耕扰动较多，加之表层土壤直接受太阳直射，蒸发强烈，水分更容易丢失。在相同条件下，土壤黏粒含量越高，土壤储水能力越强。

壤土、黏壤土和黏土的平均容重分别为1.35、1.34、1.35 g/cm3，相同土壤质地各测试点的容重差异较大，分布范围分别为1.16～1.44、1.09～1.58、1.16～1.57 g/cm3，容重的变化幅度分别为0.69%～19.44%、5.70%～31.01%和2.55%～20.38%。壤土、黏壤土和黏土平均有机质含量分别为2.69%、3.14%、2.92%，可见相较于壤土而言，黏壤土和黏土黏粒含量较高，有机质含量也较多。

2.2 土壤抗剪强度与土壤质地的关系

对3种土壤质地的抗剪强度进行统计分析，结果见图2。由图2知，表层土壤抗剪强度均值呈现壤土<黏壤土<黏土，壤土最小，抗剪强度均值为0.25 kg/cm2，黏壤土均值为壤土的1.32倍，黏土均值最大，达到0.56 kg/cm2，为壤土的2.24倍。在底层，不同土壤质地土壤抗剪强度均值分布规律与表层相同，壤土最小，抗剪强度均值为0.31 kg/cm2，黏壤土为壤土的1.74倍，达到0.54 kg/cm2，黏土最大，均值为0.99 kg/cm2，为壤土的3.19倍。显著性分析结果表明，黏土与壤土、黏壤土测试点间土壤抗剪强度存在显著差异，且黏土抗剪强度标准差较其他二者显著偏大，造成该现象的主要原因可能是土壤自身性质的差异，也可能是样本数量较少，后续研究中需要进一步研究黏土的理化性质。通过对比分析不同土壤质地平均抗剪强度可以看出，土壤质地能在一定程度上反映出抗剪强度的大小。这是因为土壤质地反映了土壤中不同粒级土粒的含量组合状况，是土壤的最基本物理性质之一，其主要由成土母质类型决定，具有相对稳定性。分析结果表明，壤土是较理想的农业土壤，在土壤特性上表现为通气透水，抗剪强度较小；黏壤土通透性稍差，抗剪强度居中；黏土具有较好的黏性和可塑性，抗剪强度最大。

表1 各测试点测试结果统计

注：表中空白表示土层深度不足20 cm，无数据。

图2 不同土壤质地及不同土层深度的抗剪强度特征

为进一步分析土壤理化性质对土壤抗剪强度的影响，对壤土、黏壤土和黏土在表层及底层的抗剪强度与各影响因素进行相关性分析，结果见表2。

由表2可知，黏壤土、黏土和壤土表层的土壤抗剪强度与含水率均呈显著负相关关系，即含水率越大，土壤抗剪强度越小，土壤结构越容易遭受破坏。随着土层深度的增加，土壤质地不同、孔隙状况差异导致含水率差别较大，只有壤土和黏壤土底层土壤抗剪强度与含水率呈显著负相关关系，这与上述分析认为相比黏土，壤土、黏壤土通气透水性较强、抗剪强度较低的结论相一致。黏土表层土壤抗剪强度与黏粒含量呈显著正相关(P<0.05)，进一步表明随着土壤逐渐发育，黏粒含量增大会导致抗剪强度增加，这在黏粒含量高的黏土中表现尤其显著。

表2 土壤抗剪强度与各影响因素相关性分析

注：表中标“*”号是指在0. 05水平(双侧) 上显著相关。

2.3 相同质地土壤不同含水率对抗剪强度的影响

上述相关性分析表明，在各土壤理化性质中，土壤抗剪强度与含水率的相关性最强。土壤质量含水率和干旱程度分级标准中界定，土壤干旱程度为湿(偏湿)、适宜、旱(含轻旱、中旱、重旱)的土壤含水率区间分别为>20%、15%～20%、<15%[20]。壤土、黏壤土、黏土不同含水率区间的土壤抗剪强度变化规律如图3所示。壤土表层抗剪强度随着含水率的增加呈现出先波动增加后迅速减小的趋势，含水率<15%、15%～20%、>20%的平均抗剪强度分别为0.33、0.35和0.10 kg/cm2；而在底层，抗剪强度随着含水率的增加总体逐渐减小，平均抗剪强度分别为0.50、0.29和0.15 kg/cm2。表层土壤受耕作活动影响，土质疏松，稳定性差，在土壤较为干燥、含水率较小时易呈松散状，在人为扰动和低含水率的双重影响下抗剪强度较小，各测试点中含水率最小值仅为2.45%，此时土壤黏聚力主要受水膜黏结力决定[21]；随着含水率增加，水分子数量增多，分子膜引力对土粒的牵引作用逐渐增强[6]，抗剪强度增大；随着含水率的继续增加，土颗粒周围的水膜厚度持续增大，使得土颗粒间的黏结力减小，摩擦力降低，更易相互移动[22]，抗剪强度随之降低。在底层，土壤结构受耕作等人为活动影响较少，土壤含水率的差异远小于表层土壤，壤土在这一深度含水率测得的最小值为11.78%，接近配置土样抗剪强度峰值时的含水率10%[13]，此时抗剪强度最大，随着含水率的增加，土粒间黏结力减小，抗剪强度也呈现减小的趋势。

黏壤土和黏土表层抗剪强度随含水率的变化规律也呈先增大后减小的趋势，含水率<15%、15%～20%、>20%时的平均抗剪强度分别为0.31、0.40、0.30 kg/cm2和1.02、1.17、0.25 kg/cm2；底层土壤抗剪强度随着含水率的增加逐渐减小，其中：黏壤土含水率<15%、15%～20%、>20%时平均抗剪强度分别为0.77、0.58、0.47 kg/cm2；黏土底层的含水率均高于15%，因此不存在含水率<15%的情况，含水率15%～20%、>20%时的平均抗剪强度分别为1.67、0.54 kg/cm2。

图3 不同质地土壤抗剪强度随含水率的变化

3 结 语

通过原位测定长江中上游地区坡耕地37个测试点的土壤抗剪强度，并对土样进行理化性质分析，研究土壤抗剪强度和土壤质地、含水率之间的关系，结果表明：长江中上游地区坡耕地37个原位测试点的土壤质地主要可划分为壤土、黏土和黏壤土，表层及底层的土壤抗剪强度、含水率均表现为黏土>黏壤土>壤土，土壤黏粒含量越高储水能力越强；根据土壤干旱程度划分，壤土、黏壤土和黏土表层土壤抗剪强度随含水率增大先增加后减少，而底层的土壤抗剪强度随含水率增大呈减少趋势。