長江中上游地區(qū)坡耕地土壤抗剪強(qiáng)度特征

王一峰，李建明

(長江科學(xué)院水土保持研究所，湖北 武漢 430010)

長江中上游地區(qū)是長江流域水土流失的主要區(qū)域，水土流失面積占全流域水土流失面積的96.4%，并且主要集中在金沙江下游，嘉陵江、沱江流域，烏江上游和三峽庫區(qū)[1]。在長江中上游地區(qū)各種土地利用類型中，坡耕地是造成嚴(yán)重水土流失的主要地貌單元[2]。目前在長江中上游地區(qū)坡耕地水土流失特點(diǎn)、機(jī)理和治理方面已有相關(guān)研究并取得了一定成果。土壤因子是土壤侵蝕研究的一個(gè)重要方面，對于定量評價(jià)和預(yù)測水土流失具有重要的參考價(jià)值，而土壤抗剪強(qiáng)度是指土體抵抗剪切破壞的極限強(qiáng)度，直接體現(xiàn)了土壤的力學(xué)性質(zhì)[1,3]。學(xué)者們從不同側(cè)重點(diǎn)對土壤抗剪強(qiáng)度展開了系列研究，在土壤抗剪強(qiáng)度與可蝕性的關(guān)系方面，認(rèn)為土壤抗剪強(qiáng)度可用于預(yù)測土壤侵蝕量，表征土壤可蝕性[4-7]；而更多的研究則集中在土壤抗剪強(qiáng)度的影響因素方面，其中物理指標(biāo)主要包括土壤含水率、容重、土壤粒徑組成等[8-9]，認(rèn)為土壤抗剪強(qiáng)度與土壤含水率之間呈非線性負(fù)相關(guān)關(guān)系[6,10-11]或隨含水量增大呈先增加后減小的趨勢[12-14]，隨容重的增加而逐漸增大[6,8,10]，和粉粒與黏粒的比值呈負(fù)相關(guān)關(guān)系[8]；此外植物根系也是影響土壤抗剪強(qiáng)度的重要因素，植物根系可明顯提高土壤抗剪強(qiáng)度，含根量越大則土壤抗剪強(qiáng)度越大[15-16]。目前，針對土壤抗剪強(qiáng)度的研究多限于局部地區(qū)或少數(shù)土壤類型，并且土壤抗剪強(qiáng)度測試方法各異，缺乏統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)[17]，加之樣本點(diǎn)數(shù)量有限，對于長江中上游地區(qū)坡耕地這一重要水土流失類別缺乏針對性的研究?；谏鲜鲅芯勘尘?，本研究在長江中上游9個(gè)省(市)坡耕地選擇37個(gè)測試點(diǎn)，采用便攜式抗剪儀快速原位測定不同點(diǎn)位的土壤抗剪強(qiáng)度，并分析區(qū)域內(nèi)土壤抗剪強(qiáng)度和土壤質(zhì)地、含水率等的關(guān)系，希望能為長江流域坡耕地水土流失定量評價(jià)及預(yù)測提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 測試點(diǎn)選擇

測試點(diǎn)選擇以點(diǎn)面(區(qū)域)映射為原則，共選擇37個(gè)測試點(diǎn)，涉及甘肅、陜西、四川、重慶、云南、貴州、湖北、湖南和江西等9個(gè)省(市)，基本涵蓋了云貴高原石漠化區(qū)、金沙江下游和嘉陵江上游主產(chǎn)沙區(qū)、三峽庫區(qū)和丹江口庫區(qū)上游，以及洞庭湖和鄱陽湖流域等長江中上游的主要水蝕區(qū)，包括了四川盆地、江南丘陵、川東平行嶺谷區(qū)、云貴高原等不同地貌類型區(qū)，兼顧了主要地帶性土類中的紅壤、黃壤等，以及與區(qū)域水土流失狀況有明顯關(guān)系的非地帶性土類中的紫色土、石灰土等，測試對象位于丘陵和低山地區(qū)坡耕地的緩坡部位。37個(gè)測試點(diǎn)位分布見圖1。

圖1 野外原位測試點(diǎn)位分布

1.2 試驗(yàn)方法

土壤抗剪強(qiáng)度采用14.10 Pocket Vane Tester型三頭抗剪儀測定[18]。該抗剪儀便于攜帶，共有三個(gè)旋頭，分別為CL102型(小號)、CL100型(中號)、CL101型(大號)，針對不同質(zhì)地的土壤采用不同的旋頭。在測試點(diǎn)選取符合要求的空地，清除地表枯枝落葉等雜物，人工開挖一個(gè)長×寬×深為1.5 m×1.0 m×0.6 m的剖面，分別在土壤剖面的0 cm(表層)、20 cm深度(底層)留成階梯狀的平面，用小鐵鏟整平，將抗剪儀水平壓于土中，扭動(dòng)抗剪儀柄直至土壤被破壞，記錄抗剪儀指針讀數(shù)。為保證測定結(jié)果的可靠性及有效性，剔除異常情況，每個(gè)測試深度的抗剪強(qiáng)度重復(fù)3次，如測試的3個(gè)結(jié)果差異較大，則增加測試次數(shù)。每個(gè)土壤抗剪強(qiáng)度值依據(jù)“實(shí)測值與結(jié)果值之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系曲線”獲取最終的結(jié)果。三個(gè)抗剪儀旋頭(大號、中號、小號)通過實(shí)測值計(jì)算抗剪強(qiáng)度結(jié)果的轉(zhuǎn)換關(guān)系為

大號：y=0.02x

(1)

中號：y=0.11x

(2)

小號：y=0.27x

(3)

上三式中：x為抗剪儀實(shí)測值；y為轉(zhuǎn)換后的結(jié)果，即為土壤抗剪強(qiáng)度，kg/cm2。

在完成各測試點(diǎn)抗剪強(qiáng)度測試后，用100 cm3環(huán)刀在表層取3個(gè)樣品用于容重的計(jì)算，并按照不同土層深度分別取0.5 kg的樣品均勻混合后裝于密封袋內(nèi)，帶回室內(nèi)進(jìn)行土壤理化性質(zhì)分析。其中土壤機(jī)械組成采用比重瓶法，土壤有機(jī)質(zhì)含量用重鉻酸鉀容量法測定，土壤含水率采用烘干法測定，在現(xiàn)場用鋁盒取樣后用隨身攜帶的電子秤稱濕土質(zhì)量并做好記錄，以防時(shí)間過長導(dǎo)致土壤水分流失，鋁盒及環(huán)刀樣品待野外工作完成后帶回實(shí)驗(yàn)室利用烘箱在105 ℃條件下烘干24 h，稱干土質(zhì)量，進(jìn)而計(jì)算含水率。

2 結(jié)果與分析

2.1 坡耕地不同土壤質(zhì)地理化性質(zhì)特征

對各測試點(diǎn)土樣進(jìn)行機(jī)械組成測定和分析。根據(jù)國際制土壤質(zhì)地分類標(biāo)準(zhǔn)[19]，37個(gè)測試點(diǎn)的土壤質(zhì)地可劃分為黏壤土、壤土、壤質(zhì)黏土和砂質(zhì)壤土4種類型。根據(jù)質(zhì)地性質(zhì)及機(jī)械組成，也為了便于分析比較，在土壤質(zhì)地分類上，將壤土和砂質(zhì)壤土歸為壤土，壤質(zhì)黏土歸為黏土，最終確定壤土土樣13個(gè)、黏壤土土樣16個(gè)、黏土土樣8個(gè)。各測試點(diǎn)土壤機(jī)械組成、含水率、容重、有機(jī)質(zhì)含量及不同土層深度土壤抗剪強(qiáng)度見表1。

結(jié)果表明，壤土的砂粒含量平均值為65.40%(分布范圍為53.40%～79.39%)，分別是黏壤土和黏土的1.44和1.57倍，而壤土的粉粒及黏粒含量之和的平均值為34.60%，僅分別為黏壤土和黏土的63.45%、59.18%；從土壤質(zhì)地分析，壤土中含有較多的砂粒，顆粒粗、黏性小，黏土的細(xì)顆粒含量多、黏性強(qiáng)，利于水分在土壤中儲存，而黏壤土則介于壤土和黏土之間。

3種土壤質(zhì)地表層和底層的土壤含水率差異顯著，但大小均呈現(xiàn)為壤土<黏壤土<黏土，黏土表層和底層的平均含水率分別為22.94%和28.65%，分別是黏壤土相應(yīng)值的1.05和1.25倍，是壤土的1.27和1.52倍，且不同土壤質(zhì)地的土壤含水率均呈現(xiàn)出表層含水率低于底層的規(guī)律，以黏土表現(xiàn)最為顯著，表層土壤平均含水率較底層少19.94%，而黏壤土和壤土則分別少5.11%和4.11%，這也進(jìn)一步說明了黏土更加有利于土壤水分的儲存。表層土壤含水率低于底層，主要是由于坡耕地表層受人為翻耕擾動(dòng)較多，加之表層土壤直接受太陽直射，蒸發(fā)強(qiáng)烈，水分更容易丟失。在相同條件下，土壤黏粒含量越高，土壤儲水能力越強(qiáng)。

壤土、黏壤土和黏土的平均容重分別為1.35、1.34、1.35 g/cm3，相同土壤質(zhì)地各測試點(diǎn)的容重差異較大，分布范圍分別為1.16～1.44、1.09～1.58、1.16～1.57 g/cm3，容重的變化幅度分別為0.69%～19.44%、5.70%～31.01%和2.55%～20.38%。壤土、黏壤土和黏土平均有機(jī)質(zhì)含量分別為2.69%、3.14%、2.92%，可見相較于壤土而言，黏壤土和黏土黏粒含量較高，有機(jī)質(zhì)含量也較多。

2.2 土壤抗剪強(qiáng)度與土壤質(zhì)地的關(guān)系

對3種土壤質(zhì)地的抗剪強(qiáng)度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果見圖2。由圖2知，表層土壤抗剪強(qiáng)度均值呈現(xiàn)壤土<黏壤土<黏土，壤土最小，抗剪強(qiáng)度均值為0.25 kg/cm2，黏壤土均值為壤土的1.32倍，黏土均值最大，達(dá)到0.56 kg/cm2，為壤土的2.24倍。在底層，不同土壤質(zhì)地土壤抗剪強(qiáng)度均值分布規(guī)律與表層相同，壤土最小，抗剪強(qiáng)度均值為0.31 kg/cm2，黏壤土為壤土的1.74倍，達(dá)到0.54 kg/cm2，黏土最大，均值為0.99 kg/cm2，為壤土的3.19倍。顯著性分析結(jié)果表明，黏土與壤土、黏壤土測試點(diǎn)間土壤抗剪強(qiáng)度存在顯著差異，且黏土抗剪強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差較其他二者顯著偏大，造成該現(xiàn)象的主要原因可能是土壤自身性質(zhì)的差異，也可能是樣本數(shù)量較少，后續(xù)研究中需要進(jìn)一步研究黏土的理化性質(zhì)。通過對比分析不同土壤質(zhì)地平均抗剪強(qiáng)度可以看出，土壤質(zhì)地能在一定程度上反映出抗剪強(qiáng)度的大小。這是因?yàn)橥寥蕾|(zhì)地反映了土壤中不同粒級土粒的含量組合狀況，是土壤的最基本物理性質(zhì)之一，其主要由成土母質(zhì)類型決定，具有相對穩(wěn)定性。分析結(jié)果表明，壤土是較理想的農(nóng)業(yè)土壤，在土壤特性上表現(xiàn)為通氣透水，抗剪強(qiáng)度較?。火と劳镣ㄍ感陨圆?，抗剪強(qiáng)度居中；黏土具有較好的黏性和可塑性，抗剪強(qiáng)度最大。

表1 各測試點(diǎn)測試結(jié)果統(tǒng)計(jì)

注：表中空白表示土層深度不足20 cm，無數(shù)據(jù)。

圖2 不同土壤質(zhì)地及不同土層深度的抗剪強(qiáng)度特征

為進(jìn)一步分析土壤理化性質(zhì)對土壤抗剪強(qiáng)度的影響，對壤土、黏壤土和黏土在表層及底層的抗剪強(qiáng)度與各影響因素進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果見表2。

由表2可知，黏壤土、黏土和壤土表層的土壤抗剪強(qiáng)度與含水率均呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，即含水率越大，土壤抗剪強(qiáng)度越小，土壤結(jié)構(gòu)越容易遭受破壞。隨著土層深度的增加，土壤質(zhì)地不同、孔隙狀況差異導(dǎo)致含水率差別較大，只有壤土和黏壤土底層土壤抗剪強(qiáng)度與含水率呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，這與上述分析認(rèn)為相比黏土，壤土、黏壤土通氣透水性較強(qiáng)、抗剪強(qiáng)度較低的結(jié)論相一致。黏土表層土壤抗剪強(qiáng)度與黏粒含量呈顯著正相關(guān)(P<0.05)，進(jìn)一步表明隨著土壤逐漸發(fā)育，黏粒含量增大會導(dǎo)致抗剪強(qiáng)度增加，這在黏粒含量高的黏土中表現(xiàn)尤其顯著。

表2 土壤抗剪強(qiáng)度與各影響因素相關(guān)性分析

注：表中標(biāo)“*”號是指在0. 05水平(雙側(cè)) 上顯著相關(guān)。

2.3 相同質(zhì)地土壤不同含水率對抗剪強(qiáng)度的影響

上述相關(guān)性分析表明，在各土壤理化性質(zhì)中，土壤抗剪強(qiáng)度與含水率的相關(guān)性最強(qiáng)。土壤質(zhì)量含水率和干旱程度分級標(biāo)準(zhǔn)中界定，土壤干旱程度為濕(偏濕)、適宜、旱(含輕旱、中旱、重旱)的土壤含水率區(qū)間分別為>20%、15%～20%、<15%[20]。壤土、黏壤土、黏土不同含水率區(qū)間的土壤抗剪強(qiáng)度變化規(guī)律如圖3所示。壤土表層抗剪強(qiáng)度隨著含水率的增加呈現(xiàn)出先波動(dòng)增加后迅速減小的趨勢，含水率<15%、15%～20%、>20%的平均抗剪強(qiáng)度分別為0.33、0.35和0.10 kg/cm2；而在底層，抗剪強(qiáng)度隨著含水率的增加總體逐漸減小，平均抗剪強(qiáng)度分別為0.50、0.29和0.15 kg/cm2。表層土壤受耕作活動(dòng)影響，土質(zhì)疏松，穩(wěn)定性差，在土壤較為干燥、含水率較小時(shí)易呈松散狀，在人為擾動(dòng)和低含水率的雙重影響下抗剪強(qiáng)度較小，各測試點(diǎn)中含水率最小值僅為2.45%，此時(shí)土壤黏聚力主要受水膜黏結(jié)力決定[21]；隨著含水率增加，水分子數(shù)量增多，分子膜引力對土粒的牽引作用逐漸增強(qiáng)[6]，抗剪強(qiáng)度增大；隨著含水率的繼續(xù)增加，土顆粒周圍的水膜厚度持續(xù)增大，使得土顆粒間的黏結(jié)力減小，摩擦力降低，更易相互移動(dòng)[22]，抗剪強(qiáng)度隨之降低。在底層，土壤結(jié)構(gòu)受耕作等人為活動(dòng)影響較少，土壤含水率的差異遠(yuǎn)小于表層土壤，壤土在這一深度含水率測得的最小值為11.78%，接近配置土樣抗剪強(qiáng)度峰值時(shí)的含水率10%[13]，此時(shí)抗剪強(qiáng)度最大，隨著含水率的增加，土粒間黏結(jié)力減小，抗剪強(qiáng)度也呈現(xiàn)減小的趨勢。

黏壤土和黏土表層抗剪強(qiáng)度隨含水率的變化規(guī)律也呈先增大后減小的趨勢，含水率<15%、15%～20%、>20%時(shí)的平均抗剪強(qiáng)度分別為0.31、0.40、0.30 kg/cm2和1.02、1.17、0.25 kg/cm2；底層土壤抗剪強(qiáng)度隨著含水率的增加逐漸減小，其中：黏壤土含水率<15%、15%～20%、>20%時(shí)平均抗剪強(qiáng)度分別為0.77、0.58、0.47 kg/cm2；黏土底層的含水率均高于15%，因此不存在含水率<15%的情況，含水率15%～20%、>20%時(shí)的平均抗剪強(qiáng)度分別為1.67、0.54 kg/cm2。

圖3 不同質(zhì)地土壤抗剪強(qiáng)度隨含水率的變化

3 結(jié) 語

通過原位測定長江中上游地區(qū)坡耕地37個(gè)測試點(diǎn)的土壤抗剪強(qiáng)度，并對土樣進(jìn)行理化性質(zhì)分析，研究土壤抗剪強(qiáng)度和土壤質(zhì)地、含水率之間的關(guān)系，結(jié)果表明：長江中上游地區(qū)坡耕地37個(gè)原位測試點(diǎn)的土壤質(zhì)地主要可劃分為壤土、黏土和黏壤土，表層及底層的土壤抗剪強(qiáng)度、含水率均表現(xiàn)為黏土>黏壤土>壤土，土壤黏粒含量越高儲水能力越強(qiáng)；根據(jù)土壤干旱程度劃分，壤土、黏壤土和黏土表層土壤抗剪強(qiáng)度隨含水率增大先增加后減少，而底層的土壤抗剪強(qiáng)度隨含水率增大呈減少趨勢。