干热河谷区4种典型植被土壤抗剪性能影响因素探究

张珉瑞，朱少东，李 盼，段青松，杨苑君

（云南农业大学 水利学院，云南 昆明 650201）

【研究意义】金沙江流域干热河谷地区是长江流域典型的生态环境脆弱区，该地区土壤侵蚀严重，其独特的气候类型、复杂多变的地质条件使该流域地区水土流失、生态环境破坏严重，具有难以恢复的特点[1-2]。据相关报道，2021 年金沙江流域水土流失面积约8.34 万km2，占土地总面积16.68%。其中，水力侵蚀面积约6.89万km2，占水土流失总面积82.56%[3]。大量的水土流失导致土壤中营养元素含量逐渐降低，严重影响植被的生长发育，直接影响金沙江流域干热河谷地区的生态安全和可持续发展。此外，土壤抗剪性能可以从力学角度表征土壤稳定性，探究其与土壤理化性质之间的关系，对研究金沙江干热河谷地区水土保持、控制土壤侵蚀、减少浅层滑坡等具有重要意义。【前人研究进展】现有研究[4]表明，植被恢复是减少土壤侵蚀和防治水土流失的有效途径。地上部分植被茎叶具有拦截降雨、涵养土壤水源、改善土壤综合质量、减少土壤侵蚀的功能[5]。当土壤结构发生变化，土壤容重、含水率等理化性质的变化会直接影响土壤抗剪性能[6-8]。地下部分植物根系与土壤相互缠绕形成根土复合体增加土壤间的固结力，改变土壤结构，增加土壤水稳性团聚体的数量和粒径，提高土壤的稳定性，减少土壤侵蚀[9-13]。土壤抗剪强度是指土体抵抗外力剪切变形的能力，土壤抗剪强度指标（粘聚力c和内摩擦角φ）是土壤抗剪强度的重要参数。在实际工程中，土壤抗剪强度通常用于评价边坡稳定性，也是研究土壤侵蚀过程的一个重要指标[14]。大量研究[15-22]表明，土壤理化性质、干湿交替、冻融循环、植物根系等因素对土壤抗剪强度有显著性影响，土壤抗剪强度随容重的增加而增加，随含水率的增大而减小，土壤抗剪性能与土壤的机械组成分形维数和微团聚体分形维数有显著相关关系[23-24]。

【本研究切入点】目前关于影响土壤抗剪强度因素的研究多集中在土壤的物理性质方面，而土壤有机质、氮、磷、钾、镁等营养物质对土壤抗剪性能的研究成果尚不充分。【拟解决的关键问题】土壤有机质、氮、磷、钾等营养物质作为评价土壤质量的重要指标，对植被的生长发育有着及其重要的影响，但不同植被土壤结构和质地存在显著差异性，因此研究金沙江干热河谷地区不同植被土壤抗剪性能与土壤理化性质之间的关系为该地区水土流失，浅层滑坡等灾害现象提供有效防治理论和技术支持。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

本研究区域位于云南省北部（25°51′～26°06′N，101°14′～101°49′E）的楚雄彝族自治州永仁县，该地区多年平均日照2 828.4 h，气温在10～43 ℃。年蒸发量为年降水量的4.17倍，是云南段金沙江干热河谷典气候区。植被以稀疏灌草丛为主，主要有锥连栎（Quercus franchetii）、余甘子（Phyllantthus emblica）、台湾相思（Acacia confusa）、云南松（Pinus yunnanensis）、银合欢（Leucaena leucocephala）、山槐（Albizia kalkora）。其中，台湾相思属于人工造林树种，锥连栎、余甘子、云南松、银合欢、山槐是云南段金沙江干热河谷地区典型植被。

1.2 试验材料

本研究于2022 年9 月进行野外取样，选取永仁县，锥连栎（Quercus franchetii）、余甘子（Phyllantthus emblica）、台湾相思（Acacia confusa）、云南松（Pinus yunnanensis）4种典型植被进行研究。

表1 样地基本情况Tab.1 Basic situation of sample plots

1.3 试验方法

1.3.1 原状试样制取 通过野外调查方法选择生长状况良好的植被，然后在选定植被样地内随机选择1 m×1 m 的小样方取样，去除土层表面的枯枝落叶层，挖掘30 cm 土层剖面，以0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm 分层取样，每层用60 cm3的环刀和铝盒取各层的原状土，每层至少用环刀取4 个样。取样完成后，用保鲜膜密封环刀使其保持水分，试验使用土样84 个，取样过程参照《土工试验方法标准GB∕T 50123—2019》[25]。

1.3.2 土壤理化性质指标测定 在试验前，清除土壤中的枯枝落叶、腐殖质、大石块等杂质，将土壤进行风干处理。土壤含水率测定采用烘干法；土壤容重测定采用环刀法；土壤有机质采用重铬酸钾容量法测定；土壤全氮采用半开微量开氏法测定；土壤水解氮采用紫外可见分光光度计测定；土壤交换镁采用原子吸收分光光度计测定；土壤全磷采用钼锑抗比色法测定；土壤全钾采用火焰光度法测定。以上方法参考《土壤农业化学分析方法》《森林土壤定位研究方法》进行测定[26-27]。

1.3.3 土壤抗剪强度测定 试验采用ZJ-4A型应变控制式直剪仪进行快剪试验，每组试验设置4个剪切试样，控制法向应力50，100，150，200 kPa，设置剪切速率0.8 mm∕min，量力环系数分别为1.600、1.439、1.585、1.449，取剪切位移为4 mm 所对应的剪应力作为抗剪强度，测得土壤抗剪强度指标（内摩擦角φ和粘聚力c）。试验过程中的具体操作均参照《土工试验方法标准 GB∕T 50123—2019》[25]。

试样剪应力按下式计算：

式中：τ为剪应力（kPa），C为量力环系数（kPa∕0.01 mm），R为测力计读数，单位（0.01 mm）。

根据所得的不同压力下的剪应力，按照库伦公式，计算出每组试样的粘聚力c（kPa）和内摩擦角φ（°）。

1.3.4 数据处理 运用Excle2021 软件进行数据分析，采用SPSS26 软件进行土壤容重、含水率、有机质、全氮、全磷、全钾、水解氮、交换镁和不同植被土壤抗剪强度指标（粘聚力c、内摩擦角φ）的单因素方差分析，不同植被土壤抗剪强度指标与土壤理化性质（土壤容重、含水率、有机质、全氮、全磷、全钾、水解氮、交换镁）Pearson相关性分析，采用4次极大幂旋转法对土壤理化性质进行因子分析，Origin2021作图。

2 结果与分析

2.1 不同植被土壤理化性质变化

不同植被土壤理化性质的测定结果见表2。分析不同植被土壤的物理性质差异，由表2可知，4种植被类型土壤含水率存在显著差异（P<0.05）：其中，随着土壤深度的增加，台湾相思和余甘子植被土壤的含水率呈现递减的趋势，分别减少了14.47%和9.62%；而锥连栎和云南松植被土壤含水率变化幅度不大。土壤容重作为评价土壤结构的重要指标，主要受土壤质地、植被根系、有机质含量等的影响。土壤容重较小，则土壤较松散，透气性较好，植被根系能更好的在土壤中伸展。反之，土壤较为密实，则植被根系不易向下延伸。在0～20 cm土层，余甘子植被土壤容重显著低于其他3种植被土壤（P<0.05），在20～30 cm 土层，锥连栎植被土壤容重显著低于其他3 种植被（P<0.05）。不同植被类型土壤容重随土层深度的变化存在差异性：总体上，台湾相思、余甘子植被类型土壤的容重随土层深度的变化呈“V”字型，变化了16%、12.9%；锥连栎植被土壤容重随土层深度的增加而减小，云南松植被土壤容重随土层深度的增加而增加，增加了10.2%；4 种植被类型土壤容重在0～30 cm 土层最大值出现在台湾相思样地（1.74 g∕cm3），最小值出现在余甘子样地（1.39 g∕cm3）。

表2 不同植被土层深度下的土壤理化性质Tab.2 Soil physical and chemical properties under different vegetation depths

此外，由表2还可分析不同植被土壤的化学性质差异，土壤中有机质、氮、磷、钾、镁等微量元素作为评价土壤质量的关键性指标，对植物的生长发育具有促进作用。4 种植被类型土壤有机质、全氮、全磷、全钾、交换镁、水解氮等元素含量存在显著差异（P<0.05）。在0～30 cm 土层，台湾相思植被土壤有机质、全氮、水解氮、交换镁含量土层深度的增加逐渐减少，分别减少了3.54%、25.66%、23.4%、63.77，全氮、全钾随土层深度的变化呈倒“V”型；锥连栎植被土壤全氮、全磷、全钾、水解氮含量随土层深度的增加逐渐增加，增加了30.12%、21.3%、47.74%、25.55%，土壤交换镁随土层深度的增加逐渐减少，减少了28.24%，土壤有机质随土层深度的变化呈倒“V”型；余甘子植被土壤有机质、全氮、全磷，水解氮、交换镁含量随土层深度的变化呈倒“V”型，而全钾随土层深度的增加逐渐减少，减少了20.42%；云南松植被土壤全磷、水解氮、全氮含量随土层深度的变化呈倒“V”型，土壤全钾随土层深度的增加逐渐减少，减少了5.71%，土壤有机质含量随土层深度的增加逐渐增加，增加了15.04%。

2.2 不同植被类型土壤抗剪强度的垂直变化规律

2.2.1 土壤抗剪强度的变化规律 通过室内直剪试验，测定4种植被类型土壤在不同土层和垂直压力下抗剪强度的变化，结果如图1所示。对台湾相思，在4种垂压下，总体上土壤的抗剪强度随土层深度的增加而增大，分别增大了25%、55.19%、30.56%、30.59%。对锥连栎，在4种垂压下，土壤的抗剪强度总体上随土层深度的增加而减小，分别减小了44%、23.9%、35.39%、43.48%。对余甘子，在50、100 kPa 垂压下，土壤抗剪强度随土层深度的增加呈“V”型；在150和200 kPa垂压下，土壤抗剪强度随土层深度的增加而增加，但增加幅度不大，分别为5.84%、8.11%。对云南松，在50 和200 kPa 垂压下，土壤抗剪强度随土层深度的增大呈现倒“V”型；在100 kPa 垂压下，土壤抗剪强度随土层深度的增大而减小，减小了17.72%；在150 kPa 垂压下，土壤抗剪强度随土层深度的增加呈现“V”型。造成上述结果可能是因为台湾相思属于常见的人工造林树种，扎根较深且根系发达，在取土范围内，随着土层的加深，根系数量增多、分布形式复杂，对深层土壤的粘结力大于表层土壤，从而表现出土壤抗剪强度随土层深度的增加而增大。而锥连栎根系随着土层深度的增加数量减少、分布形式单一，导致对土壤的粘结力下降，表现出土壤抗剪强度随土层深度的增加而减小，其余两种植被根系数量和分布形式随土层深度的变化较复杂，因此土壤抗剪强度表现出不同的变化趋势。

2.2.2 土壤粘聚力和内摩擦角的垂直变化规律 土壤粘聚力和内摩擦角是评价土壤抗剪强度的指标。由表3 可知，不同植被土壤抗剪强度指标存在显著差异（P<0.05），且随深度的变化显著差异（P<0.05）。在0～10 cm 土层，4 种植被土壤粘聚力较裸地分别提高了92.1%、25.32%、245.61%、108.77%，分别是裸地粘聚力的1.92倍、1.26倍、3.45倍、2.08倍。对各植被土壤粘聚力随土层深度变化分析发现：4种植被土壤粘聚力随深度的变化各不相同，其中台湾相思植被土壤粘聚力随土层的增加逐渐增大，增大了24.98%，其余3种植被土壤粘聚力均随土层的增加而减小，减小了18.57%、18.62%、50.91%。在10～30 cm土层深度下，云南松和锥连栎植被土壤粘聚力已较为接近裸地，而台湾相思和余甘子植被土壤仍然有较强的粘聚力。在0～10 cm土层，土壤内摩擦角由大到小依次为锥连栎（28.97°）、云南松（27.80°）、余甘子（19.00°）和台湾相思≈裸地（17.39°），在20～30 cm 土层，土壤内摩擦角由大到小依次为云南松（30.58°）、台湾相思（22.7°）、余甘子（21.24°）、锥连栎（19.30°）和裸地（18.26°）。其中锥连栎和云南松植被土壤内摩擦角在0～20 cm 土层深度范围内显著高于其他两种植被（P<0.05）。对各植被类型土壤内摩擦角随土层深度变化分析发现：台湾相思、余甘子、云南松植被土壤内摩擦随土壤深度的变化不大，锥连栎植被土壤内摩擦角随土层深度的增加而减小，减小了37.96%。

表3 不同植被类型不同土层的土壤内摩擦角与粘聚力Tab.3 Soil internal friction angle and cohesion of different vegetation types and different soil layers

3 土壤理化性质与抗剪强度的关系

3.1 土壤理化性质与土壤抗剪强度指标的相关性分析

土壤的抗剪强度受多种因素的综合影响，土壤理化性质对土壤抗剪强度存在直接或间接的影响，为了研究土壤抗剪强度与土壤理化性质之间的关系，对土壤粘聚力（Y1）和内摩擦角（Y2）与8个土壤理化参数（含水率x1、容重x2、全氮x3、全钾x4、全磷x5、交换镁x6、水解氮x7、有机质x8）进行Pearson 相关性分析，结果图2 所示。4 种植被类型土壤粘聚力和内摩擦角均与土壤容重、含水率、有机质、全氮、全磷、全钾、水解氮、交换镁等8种土壤理化因素显著相关，但具体表现不一致。例如，土壤容重与锥连栎、余甘子、云南松植被土壤粘聚力呈显著负相关关系，相关系数分别：0.720、0.740、0.983，与台湾相思植被土壤粘聚力呈显著正相关关系，相关系数为：0.997；土壤含水率与台湾相思、余甘子、云南松土壤内摩擦角呈显著负相关关系，相关系数分别为：0.988、0.993、0.759，与锥连栎植被土壤内摩擦角呈显著正相关关系，相关系数为：0.764；土壤有机质与台湾相思植被土壤抗剪强度指标呈显著负相关关系，相关系数分别为：0.902、0.981，与余甘子植被土壤粘聚力呈显著正相关关系，与土壤内摩擦角呈显著负相关关系，相关系数分别为：0.629、0.702。土壤全氮、全磷、全钾、水解氮、交换镁等土壤理化性质对不同植被土壤抗剪强度指标也有不同的影响。以上结果表明：与抗剪强度指标具有显著相关关系的理化性质指标，二者之间的相关程度均较强（R>0.6，P<0.05）。

图2 4种植被土壤抗剪强度指标与土壤理化性质相关性热力图Fig.2 Correlation heat map of soil shear strength index and soil physical and chemical properties of 4 vegetations

3.2 土壤抗剪强度指标与土壤理化性质的因子分析

基于以上分析，已知土壤含水率、容重、全磷、全钾、全氮等8种理化性质均与土壤抗剪强度指标显著相关，表明这8 种土壤理化性质综合作用于土壤的抗剪强度，利用KMO 和Bartlett 球形检验法进行因子适用性分析，得出KMO 值为0.605，Bartlett 球形检验（P<0.01），3 个公因子累积贡献率为85.636%。因此进一步采用因子分析法分析对这8种土壤理化性质（含水率x1、容重x2、全氮x3、全钾x4、全磷x5、交换镁x6、水解氮x7、有机质x8）对土壤抗剪强度的影响。为了更好的解释这8 种因子的意义，通过4 次极大幂旋转法得到正交变换矩阵。结果见表4。

表4 土壤理化性质因子分析Tab.4 Factor analysis of soil physical and chemical properties

因子分析结果显示，第一公因子贡献率为40.485%，主导因子为：土壤容重、全钾、全磷，因子负荷量均在0.712 以上。第二公因子贡献率为31.765%，主导因子为：水解氮、全氮、有机质。因子负荷量在0.611以上。第三公因子贡献率13.385%，主导因子为：含水率、交换镁，因子负荷在0.830以上。

通过表5得到第一主成分、第二主成分、第三主成分的函数表达式：

表5 公因子得分系数矩阵Tab.5 Common factor score coefficient matrix

式中x1、x2、x3、x4、x5、x6、x7、x8分别表示含水率、容重、全氮、全钾、全磷、交换镁、水解氮、有机质经过标准化后的值。

用3个公因子得分与抗剪强度指标（粘聚力c和内摩擦角φ）做Pearson相关性分析。如表6所示，F1、F2、F3对土壤粘聚力没有显著线性相关，而土壤内摩擦角与F1公因子极显著相关（P<0.01），与F3公因子显著相关（P<0.05），说明它们对土壤抗剪强度的影响主要是通过影响土壤内摩擦角来实现的。

表6 公因子与抗剪强度指标相关性矩阵Tab.6 Common factor and shear strength index correlation matrix

进一步用3 个公因子得分为自变量，以土壤内摩擦角为因变量做线性回归分析，回归方程为：φ=-0.751F1-0.064F2-0.113F3（R2=0.584，P<0.05），从回归方程可以看出3 个公因子对土壤内摩擦角均为负影响，且影响大小为：F1>F3>F2。

4 讨论与结论

4.1 讨论

不同植被类型土壤理化性质存在显著差异（P<0.05），这与植被地下根系的结构和分布特征有关，植被地下根系结构和分布特征直接影响植被对土壤中养分的吸收。另一方面，植被根系能改善土壤结构，增加土壤的通气性及透水性，影响土壤中微生物的活动，从而影响土壤的理化性质[28]。本研究发现，随着土层深度的增加，各植被类型土壤理化性质的变化趋势各不相同。这是因为土层表面枯落物较多，土壤容重较小，微生物活动频繁，有利于有机质的累积，而下层土壤容重增加、含水率减少，土壤孔隙率降低，微生物活动降低，植物根系分布数量少，所以下层土壤理化性质与表层土壤存在差异[29]。

不同植被土壤抗剪性能存在不同，随着土层深度的增加，土壤抗剪性能也随之发生变化。这可能是因为不同植被的生长特性存在差异，地下根系分布数量与结构不同，故而对土壤抗剪性能的影响也不同，相关研究表明[30-32]，土壤粘聚力与植被根密度、根表面积密度、根表面积比具有显著相关性，植被一级根对土壤起锚固作用，二级根和三级根起对土壤起加筋作用。本研究发现，台湾相思与余甘子植被土壤在20～30 cm 土层处土壤粘聚力显著大于其余两种植被（P<0.05），说明台湾相思与余甘子植被在深层土壤中根系对土壤的锚固和加筋效果强于其他两种植被，表明这两种植物适用于提升深层土壤的粘聚力。在0～20 cm 土层，云南松和锥连栎土壤内摩擦角显著高于其余两种植被（P<0.05），说明了锥连栎和云南松两种植被能显著提升表层土壤的内摩擦角。土壤抗剪强度除了受植被根系的影响外，还与土壤理化性质存在显著相关性[33]。本研究发现，4种植被土壤抗剪强度指标（粘聚力c和内摩擦角φ）与8种土壤理化性质（含水率、容重、全氮、全钾、全磷、交换镁、水解氮、有机质）呈显著相关关系，这是因为土壤容重和含水率对土壤结构、孔隙度等有着重要影响，二者通过改变土壤结构直接影响土壤的抗剪强度，而土壤氮、磷、钾、镁等营养元素作为植被生长发育的主要养分，对植被根系的形成和生长具有促进作用，有利于植被进行光合作用获取营养物质，促使植株茎秆粗壮，提升植被抵抗恶劣环境的能力，从而间接提升土壤的稳定性[34-37]。

本研究只选取了土壤容重、含水率、全磷、全氮、全钾等8个土壤理化性质指标，而影响土壤抗剪性能的因素众多，特别是土壤中阴阳离子对金沙江干热河谷典型植被土壤抗剪性能的影响，本文对这8种理化性质对土壤抗剪性能的影响机理做了一定的解释，但微观层面上还需进一步的研究。

4.2 结论

（1）4种植被类型土壤理化性质存在显著差异（P<0.05），且随土层深度的变化存在差异显著。

（2）不同植被土壤抗剪强度和抗剪强度指标随土层深度的变化存在差异，台湾相思植被土壤抗剪强度和土壤粘聚力随土层深度的增加逐渐增大，内摩擦角随土层深度的增加变化不大；锥连栎植被土壤抗剪强度和抗剪强度指标随土层深度的增加逐渐减小；其余两种植被土壤在不同垂压下土壤抗剪强度随深度的变化不一致，余甘子植被土壤内摩擦角随土层深度的增加逐渐增大，土壤粘聚力随土层深度的增加逐渐减小；云南松土壤内摩擦角随土层深度的增加变化不大，土壤粘聚力随土层深度的增加显著减小。

（3）土壤理化性质显著影响土壤抗剪强度，对8个土壤理化性质与土壤抗剪强度指标进行Pearson相关性分析，土壤抗剪强度指标与这8种理化性质关系显著，表明土壤的抗剪强度指标受土壤理化性质的综合影响，从而直接影响土壤的抗剪强度。对这8种理化性质进行因子分析提取出3个公因子，对3个公因子综合得分与土壤抗剪强度指标进行Pearson 相关性分析发现，3 个公因子对土壤粘聚力没有显著线性相关关系，而是通过影响土壤内摩擦角来影响土壤抗剪强度。

（4）综上所述，云南松和锥连栎两种植被可用来加强浅层土壤的稳定性，台湾相思和余甘子两种植被更适用于提升深层土壤的稳定性。