黔中喀斯特坡耕地土壤含水量对土力学性质的影响

罗 爽，黄选华，高华端

(贵州大学 林学院，贵州 贵阳 550025)

【研究意义】黔中地处西南岩溶区，属云贵高原喀斯特丘陵地貌，大部分区域处于石漠化敏感区，生态系统脆弱，年降水量在1100 mm以上，坡耕地是黔中地区主要的耕地类型，人为耕作活动频繁，特殊的地形条件、充沛的降雨和人类耕作活动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区土壤侵蚀的重要影响因子，降水入渗到表层土壤后，增加土体自重，土壤抗剪强度减小，极易发生水力侵蚀和混合侵蚀。分析黔中喀斯特耕地土壤含水量对土力学主要指标的影响规律，可为该区坡耕地的侵蚀过程研究提供参考依据。【前人研究进展】在土壤侵蚀过程中，土壤含水量对土壤内摩擦角、黏聚力等土力学性质产生影响进而影响土壤侵蚀过程。部分学者对表土层原状土的研究表明，土壤含水量在一定范围内与土壤抗剪强度呈正相关；土壤含水量达到某一临界值后则与土壤抗剪强度呈负相关[2-3]。部分学者对滑坡区土壤抗剪强度研究表明，土壤含水量与土壤抗剪强度呈负相关，即随着含水量的增加，非饱和土的黏聚力和内摩擦角均减小[4-5]。土壤含水量除直接影响土壤的抗剪强度外，还通过影响植物根系分布、根系抗拉特性、根系-土壤相互作用、根系-土壤复合体抗剪特性和根系固土力学模型等间接影响土壤抗剪强度[6]。土壤紧实度主要受区域位置、地形、土壤类型、农田利用类型、作物类型及耕作方式等影响[7]。土壤紧实度与含水量明显相关，紧实度随含水量的增加而减小，土壤深度越深，含水量和紧实度的相关性越高[8]。土壤紧实度对土壤侵蚀的直接影响主要表现为土壤的入渗能力，间接影响主要表现为土壤动物、微生物的活动和土壤有机质的分解，进而影响土壤的理化性质，对土壤的侵蚀过程造成不同程度上的影响。【本研究切入点】以黔中地区石灰岩、白云岩2种母岩发育坡耕地的耕作层、犁底层为研究对象，分析土壤含水量对土壤内摩擦角、黏聚力和紧实度3个土力学性质指标的影响规律。【拟解决的关键问题】从力学角度进一步阐明土壤侵蚀的物理过程，为该地区坡耕地水土流失的控制措施研究提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

贵阳市位于贵州省中部偏北(106.7°～107.17°E，26.11°～27.22°N)，地处云贵高原的东斜坡，总面积8034 km2，喀斯特地貌发育，包括高原山地、丘陵、河谷、台地等地形，最高海拔为1762 m，最低506 m。根据2016年贵州省气候资料，全区属亚热带季风湿润气候，多年平均降雨量为1129 mm，降雨量相对集中，夏秋降雨量占全年降雨量的78 %。年平均气温为15.14 ℃，最冷月(1月份)平均4.9 ℃，最热月(7月份)平均23.2 ℃；多年平均日照数1174.26 h、日照率29 %，相对湿度82 %。土壤分布有黄壤、紫色土、石灰土、水稻土等，坡耕地主要为碳酸盐岩发育的石灰土及黄壤，整体土层浅薄，肥力较低下。

1.2 土壤样品采集

于2016年2-8月，采用典型样地取样法进行土壤野外调查和采样。根据贵州省岩组分布图，在黔中地区坡耕地上共取样240个，所选采样区域避开工业污染区，且常年耕作。2016年2-4月降雨较少，土壤自然含水量小，为使试验更具科学性，石灰岩母岩发育的耕作层、犁底层分别取80个土样；5-7月降雨量充沛，土壤水分蒸发快，土壤自然含水量高，在白云岩母岩发育的耕作层、犁底层分别取40个土样。取样时开挖剖面，记录样点的岩性、坡度、坡位、坡向、海拔、天气状况和植被等；测量耕作层、犁地层厚度；测定耕作层、犁底层的紧实度；用不锈钢环刀采集原状土样，用于抗剪强度试验(自封袋密封)。

1.3 测定项目与方法

(1)土壤紧实度用美国DICKEY-john 6100 型土壤紧实度仪(锥头尺寸选用 3/4 英寸直径)测量，测取样点半径1 m内的土壤紧实度，共测量5次，若有异常值，则删除异常值重测，取平均值。

(2)土壤抗剪强度测定采用原状土剪切法，按照GB/T 50123-1999标准，采用ZJ-II型等应变直剪仪进行快剪测定(15圈/min)，在垂直方向下施加压力100、200、300、400 kPa，制作抗剪强度与垂直压力的关系图，利用库伦公式求内摩擦角φ和黏聚力C。

τf=C+σtanφ

式中，τf为土壤抗剪强度，σ为作用在剪切面上的法向应力(kPa)，φ为内摩擦角(°)，C为黏聚力。

(3)土壤自然含水量测定采用烘干法，取>10 g土样装入重量m1的铝盒，称重(m)放入105 ℃烘箱烘8 h，称重，计算自然含水量。重复3次取其平均值。

式中，m1为铝盒重量，m为铝盒加土样重量，m2为烘干后铝盒加土样重量。

1.4 数据处理

利用Excel 2016进行数据的统计分析和绘图，利用SPSS 18.0进行相关性分析。

2 结果与分析

2.1 土壤自然含水量和抗剪强度

土壤抗剪强度是决定土壤抗蚀性的重要因素，土壤内摩擦角和土壤黏聚力是反映土壤抗剪强度的重要指标。从表1看出，自然含水量为11.99 %时，石灰岩区坡耕地耕作层内摩擦角达最大值19.65°；自然含水量为8.05 %时，石灰岩区犁底层内摩擦角达到20.49°。自然含水量为11.68 %时，白云岩区坡耕地耕作层内摩擦角达到最大值18.50°；自然含水量为13.90 %时，白云岩区犁底层内摩擦角达最大值19.50°。4种土样内摩擦角的最大值在19°左右，各土样内摩擦角达到最大值时相对应的自然含水量差异较小。自然含水量为42.40 %时，石灰岩区坡耕地耕作层黏聚力达峰值，为24.09 kPa；自然含水量为41.13 %时，石灰岩区犁底层黏聚力达到峰值23.32 kPa。自然含水量为42.31 %时，白云岩区坡耕地耕作层黏聚力达峰值，为23.57 kPa；自然含水量为42.61 %时，白云岩区犁底层黏聚力达到峰值23.64 kPa。4种土样的黏聚力峰值差异较小，均在23.50 kPa左右，与各土样黏聚力达到最大值时对应的自然含水量差异较小。

表1 石灰岩和白云岩土壤的抗剪强度指标与自然含水量

2.2 不同自然含水量土壤的内摩擦角

土壤内摩擦角是反应土壤抗剪强度的指标之一，受到土壤组成结构、土壤有机质含量、土壤含水量和人为耕作活动等影响。土壤颗粒间的镶嵌与锁套程度大小影响其抵抗外力破坏的能力，粒间的镶嵌和锁套程度越大，土壤抵抗分散的能力则越强[9]。内摩擦角越大的土壤，土粒在水力的输移作用下移动受到的摩擦阻力越大，土体抗剪强度越大，抵抗水力对分散和悬浮的能力越强，发生水土流失的几率越小。从图1和表2看出，黔中地区喀斯特坡耕地石灰岩母岩与白云岩母岩发育的耕作层、犁底层土壤内摩擦角均随自然含水量的增加而减小。土壤自然含水量和内摩擦角呈线性负相关，即内摩擦角随自然含水量增加而减小。这是因为土壤中含水量越高，被水分软化的胶结物质越多，被软化的胶结物质和水分作为润滑剂[10]，在土壤颗粒间起润滑作用，使土颗粒间相对粗糙度降低，颗粒间摩擦力减小，从而造成颗粒间的咬合力降低，土壤内摩擦角减小。

2.3 不同自然含水量土壤的黏聚力

土壤黏聚力是抗剪强度的重要指标，其大小取决于土粒间微观力，包括原始凝聚力、加固凝聚力和毛细凝聚力[11]。坡面上的土体被径流冲刷时，首先遇到的阻力是黏聚力，黏聚力的大小直接影响土体的抗剪强度，黏聚力越大抗剪强度越大、抗蚀性越高，土壤抵抗水力分散的能力越强。从图2看出，黔中石灰岩区耕作层、犁底层和白云岩区耕作层、犁底层土样的黏聚力均随自然含水量的增加呈先增加后减小。土壤自然含水量和黏聚力呈正相关(表3)，随着自然含水量的增加呈先增加后减小趋势。自然含水量在24.70 %～42.61 %时，含水量的增加使土体孔隙中毛细水所产生的毛细压力增大，胶结作用增强，土体存在基质压力等，黏聚力增大；自然含水量在42.61 %～59.09 %时，含水量的增加造成粒间距增大，水膜增大，毛细压力、胶结力不变，黏聚力减小[11-13]。

图1 土壤内摩擦角随自然含水量的变化情况

表2 内摩擦角随自然含水量变化的相关性

图2 黏聚力随自然含水量的变化情况

2.4 不同自然含水量土壤的紧实度

壤紧实度是一个综合指标，也是衡量土壤中三相物质的存在状态和容积比例的重要指标，更是影响土壤抗冲性的重要因素。区域位置、地形、土壤类型、农田利用类型、作物类型及耕作方式和含水量等对紧实度均有不同程度的影响[14]。土壤紧实度发生的原因包括耕作方式、种植模式、土壤质地、有机质与气候等，施用有机肥能缓和土壤紧实度和提高氮的有效性，施用秸秆能增强土壤抵抗压能力和提高土壤持水能力。土壤紧实度对土壤温度、土壤入渗、土壤酶的活性和作物根系的生长有着不同的影响[15-16]，这些影响对土壤抗冲性都有直接和间接的影响。紧实度高的土壤，其抗冲性强，但是不利于作物根系的生长。从图3看出，黔中石灰岩和白云岩区耕作层、犁底层土壤的紧实度均随自然含水量的增加呈不规律变化。相关性分析(表4)表明，坡耕地自然含水量对紧实度的影响不显著。原因可能是多次松土除草等耕作活动使土壤颗粒分布不均匀，且该研究区的耕作几乎不使用大型耕作机械压实土壤。黔中地区坡耕地的平均紧实度在1130 kPa以上，土体抵抗对其机械破坏的推动下移的能力较强，不易发生水土流失。

表3 黏聚力随自然含水量变化的相关性

3 讨 论

目前，对抗剪强度的研究类型多样，如三轴剪切试验、直接剪切试验等，这些研究表明土壤抗剪强度受到诸多土壤理化性质的影响，除自然含水量外，土壤有机质含量、塑性指数等因素的变化均能使土壤抗剪强度发生改变；各种母岩发育的土壤含水量对内摩擦角的影响规律一致，为土壤内摩擦角随含水量的增加而降低，土壤含水量对黏聚力的影响规律有2种：黏聚力随土壤含水量的增加而降低；黏聚力随自然含水量的增加呈先增加后减小。本研究表明，黔中喀斯特坡耕地的黏聚力随自然含水量增加呈先增加后减小的趋势。这与鄂东南崩岗区B层黏聚力研究结果一致；而鄂东南崩岗区A层、BC层黏聚力随含水量的增加而减小[17]。造成两种趋势变化的原因可能是，黔中喀斯特坡耕地、鄂东南崩岗区B层的胶结物质含量高于鄂东南崩岗区A层、BC层，土壤含水量的增加能溶解更多的胶结物质，在一定范围内土体的黏聚力随自然含水量增加而增加。

土壤抗剪强度直接决定抗蚀性的大小，土壤紧实度则是决定抗冲性的大小，抗蚀性和抗冲性是决定土壤侵蚀是否发生的内在因素。若前期降水量过大，黏聚力达到峰值，此时若再次降水产生水分下渗，土壤含水量超过黏聚力达到峰值使所对应的含水量，土壤内摩擦角和黏聚力减弱，土壤抗剪强度减小，土壤抗蚀性降低，则会造成水土流失甚至是滑坡。自然含水量在40 %左右时，石灰岩区、白云岩区坡耕地的黏聚力将要达到峰值，若继续降水，土壤含水量高于42 61 %，石灰岩、白云岩2种母岩发育坡耕地的粘聚力均达到了峰值，2种坡耕地耕作层、犁底层黏聚力减弱，土壤抗剪强度减小，土壤抗蚀性降低，导致水土流失造成土壤侵蚀。表明坡耕地土壤侵蚀过程及机理与土壤抗剪强度息息相关，土壤水分在成因上较大程度控制着土壤抗剪强度的变化，从而影响土壤侵蚀过程。有学者研究表明，土壤紧实度与含水量存在显著的相关性[8]，且土壤冲刷模数与抗剪强度、紧实度均呈显著相关，土壤崩解速率与紧实度呈负相关，土壤侵蚀受紧实度的影响也最为明显[9]。而本研究黔中，喀斯特坡耕地自然含水量与紧实度的相关性不显著，可能是DICKEY-john 6100 型土壤紧实度仪测量喀斯特坡耕地紧实度的误差较大，亦或是敏感性较低，可进一步选择灵敏性更高的紧实度仪来测定喀斯特坡耕地的紧实度。因紧实度对土壤侵蚀的过程机理有着直接影响，可进一步研究黔中喀斯特坡耕地紧实度的影响因素，进而分析紧实度对土壤侵蚀过程机理得影响。

4 结 论

黔中地区喀斯特坡耕地内摩擦角与自然含水量呈显著线性负相关，即内摩擦角随自然含水量的增加而减小；土壤黏聚力先随自然含水量的增加呈先增加后减小，土壤紧实度与自然含水量的相关关系不显著。即自然含水量对紧实度的影响较小，对土壤内摩擦角和黏聚力有显著影响。石灰岩母岩和白云岩母岩发育的耕作层、犁底层4种土样的黏聚力的峰值在23.50 kPa左右，各土样黏聚力达到峰值时的自然含水量在42 %左右。自然含水量为42.40 %时，石灰岩区耕作层黏聚力达到峰值24.09 kPa；自然含水量为41.13 %时，石灰岩区犁底层黏聚力达到峰值23.32 kPa；自然含水量为42.31 %时，白云岩区耕作层黏聚力达到峰值23.57 kPa，自然含水量达到42.61 %时，白云岩区犁底层黏聚力到达峰值23.64 kPa。黏聚力达到最大值后，自然含水量的增加会导致黏聚力急剧下降。土壤紧实度与耕作活动密切相关，受自然含水量影响较小，长年累月的耕作使土壤变得疏松，土壤颗粒分布不均匀，导致自然含水量对紧实度的影响不显著。耕作层和犁底层平均紧实度均在1130 kPa以上，其抗冲性高，土壤不易遭受径流的机械破坏和推动下移。