土壤崩解速率的一種修正方法

李 強，張 正，孫 會，徐偉洲

（1.榆林學院，陜西 榆林719000；2.西北農林科技大學 水土保持研究所，陜西 楊凌712100）

土壤崩解，土工上稱之為濕化，是指土壤在靜水中發(fā)生分散、碎裂解體、塌落或強度減弱的現(xiàn)象［1］。土壤崩解強度一般用土壤崩解速率表示，即單位時間內土壤崩解的體積數(shù)或質量數(shù)。土壤崩解速率大，表示土壤在靜水中被分散、碎裂、塌落的越快，即土壤抗沖性小，產生土壤侵蝕的幾率就越高。因此，土壤崩解速率是評價土壤侵蝕嚴重程度的重要指標之一［2］。然而，土壤崩解速率的測定和計算一直是土壤侵蝕研究的薄弱環(huán)節(jié)［3］。20世紀60年代，朱顯謨用靜水崩解法的結果，提出土體在靜水中的崩解情況可以作為評價土壤可蝕性的重要指標［4］。90年代中期，蔣定生等利用浮筒原理，自制了一套測定土壤崩解的簡易儀器，根據(jù)土壤崩解速率大小，將黃土高原分為5個區(qū)。隨后的土壤崩解研究大都參考這種方法［5－6］，該方法計算土壤崩解速率公式為：

式中：v——單位時間內所崩解的試樣體積（cm3/min）；l0——試樣浸入水中時浮筒的起始讀數(shù)，或是浮筒沉降穩(wěn)定時的最大讀數(shù)；lt——土樣完全崩解時或第30 min時浮筒的讀數(shù)；t——土壤完全崩解時的時間，未崩解完則為30min；a——體積換算系數(shù)，為1.276。

近些年來，部分學者將普通電子推拉力計，結合自制網(wǎng)架應用到土壤崩解速率的測定，并評價了黃土丘陵區(qū)不同土地利用類型下的崩解速率狀況，取得了較好的成果［7］。與此同時，市面上也出現(xiàn)了精密的土壤崩解速率儀。然而，浮筒法因浮筒刻度較粗，測定費時費力而應用越來越少，精密的土壤崩解速率儀因價格昂貴在試驗研究領域應用也較少［8］。普通電子推拉力計法正是克服了以上的缺點，在土壤崩解速率測定中應用越來越多［7］。

普通電子推拉力計法是利用方形環(huán)刀（5cm×5cm×5cm）取原狀土樣并稱重，然后將數(shù)顯推拉力計HP－500與電腦連接，運行軟件，并將推拉力計的模式選擇重量。調試完成后，將已取原狀土樣輕輕放到網(wǎng)板上，而后將網(wǎng)板架懸掛在拉力計下的固定掛鉤上，隨即將網(wǎng)板架緩緩地放入盛有清水的崩解水缸中，待其穩(wěn)定立即點擊軟件“開始”按鈕，同時用秒表開始記時。

一次土壤崩解試驗時間為30min，若不到30 min土樣已全部崩解，則應記錄下全部崩解時推拉力計相應的讀數(shù)和時間。其計算公式為：

式中：v——崩解速率（g/min）；Δt——崩解時間，Δt＝t1－t2（min）。

假設待試土壤為一均質土塊，土壤容重為ρs，在靜水中崩解時間t后（0＜t≤30min），對該土塊在靜水中的受力分析可知：

式中：ft——t時刻推拉力計顯示讀數(shù)，即合力（N）；Gt——t時刻土塊所受的重力；Ft——t時刻土塊所受的浮力。

由公式（2）可得：

式中：Gt1，Gt2，F(xiàn)t1，F(xiàn)t2——t1，t2時刻土塊所受重力、浮力。

通過以上公式可以發(fā)現(xiàn)，按照定義，土壤崩解速率的真實值應是公式（4）展開式中的第一項，而拉力計法在土壤崩解速率的計算中忽略了浮力的動態(tài)變化，即公式（4）展開式的第二項，這在一定程度上會影響土壤崩解速率的計算精度?；诖?，本文借助子洲坡耕地土壤樣品，通過土塊在崩解過程中的受力分析，對比了忽略和考慮浮力的土壤崩解速率，期望獲得更為準確的土壤崩解速率算法。

1 材料與方法

1.1 供試土壤及測定

供試土壤來自子洲縣坡耕地，共計20個樣點。土壤基本特征見表1。土壤容重采用環(huán)刀法［9］，土壤密度采用國際通用土壤密度2.65g/cm3。土壤孔隙度（P）是由土壤容重和土壤密度推導獲得。其計算公式為：

土壤有機質測定采用重鉻酸鉀容量法［10］。另外，每個樣點利用方形環(huán)刀（5cm×5cm×5cm）取原狀土樣并稱重，分別用拉力計法和修正的拉力計算方法測定并計算處土壤崩解速率。其中，浮筒法數(shù)據(jù)是經過土壤容重轉化獲得的。

1.2 公式推導

土塊在水中的受力分析可得公式（3）：

在崩解的過程中，土塊由于分散、碎裂、塌落，體積不斷減小，因此，所受的浮力和重力都是變量，但二者在變化過程中仍存在恒定的比例關系：

由公式（6）與公式（7）可得：

式中：vt——t時刻土塊體積（cm3）；ρw——水的密度；ρs（1＋β）——對于某一特定均勻土壤，表示一個常數(shù)；β——土壤飽和含水量。

由公式（3）和公式（8）可知：

式中：Mt——t時刻土塊質量（g）；

設土壤崩解速率的真實值為v0：

式中：mt1，mt1——t1，t2時刻土塊質量

由公式（9），（10）可得：

故拉力計法計算土壤崩解速率的公式（2）乘以校正系數(shù)k才是真正的土壤崩解速率。

表1 供試土壤的基本特征

1.3 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)分析采用 Excel 2003和 SPSS 15.0統(tǒng)計軟件，差異顯著性檢驗采用配對t檢驗（p＜0.05，雙尾）。

2 結果與分析

2.1 土壤崩解過程

圖1是20個樣本土壤崩解速率的動態(tài)過程。每6秒一次讀數(shù)，共計10分鐘?？梢钥闯?，用拉力計方法測定土壤崩解速率過程中土壤樣品在放入水中前110s呈先吸水膨脹，拉力計度數(shù)迅速增加，而后土壤開始崩解，拉力計度數(shù)逐步減小，并趨于穩(wěn)定。這一結果說明土壤自身含水量對土壤崩解過程有重要的影響。類似的研究結果表明，含水率大的土樣，愈接近飽和密度，土樣越容易崩解［11］。然而對粘性土而言，當土壤含水量增大到22%時，基本無崩解性［12］，這可能與不同土壤的滲透性、吸水量和吸水速度差異有關［13－14］。因此，在不同處理之間進行土壤崩解速率比較時要先自下而上浸潤土壤，直至土壤達到飽和后方可進行崩解試驗。

圖1 土壤崩解過程

2.2 不同方法計算土壤崩解速率

表2是拉力計法和修正的拉力計法計算了待測20組土壤崩解速率。由表可以看出，修正的拉力計算法比原先算法高出2.16～2.76倍。然而，當土壤崩解速率轉化成浮筒法后，與該區(qū)20世紀90年代農地土壤崩解速率相比（表3），修正的拉力計算法所得的土壤崩解速率更接近于已有數(shù)據(jù)，其變異性較未改進前有所減小。同時，這一結果一定程度上可以說明該區(qū)農地土壤與90年代相比，其結構趨于穩(wěn)定，發(fā)生水土流失的幾率變?。?5］。可見，修正的拉力計算法所得的土壤崩解速率可能更接近于真實值。然而，雖然黃綿土質地較為均一，但本文在受力分析中假定待測土壤為一理想均質土塊，這在一定程度上會帶來計算結果的誤差。因此，本研究結果還需要在不同土壤類型和土地利用類型上進行驗證。

表2 不同方法計算的土壤崩解速率

表3 黃土丘陵區(qū)農地表層（0－5cm）土壤崩解速率［1］

2.3 兩種算法在不同容重上的土壤崩解速率

黃土丘陵區(qū)以黃綿土為主要土壤類型。農地黃綿土土壤容重處于1.10～1.35g/cm3。因此，為了驗證拉力計法和修正的拉力算法所得的土壤崩解速率在不同土壤容重上的差異，本文將待測的20組土壤樣品按照容重小于1.15g/cm3和大于1.20g/cm3進行分類，各自均有8個重復。將傳統(tǒng)拉力計算法和修正的拉力算法所得到的土壤崩解速率數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計學配對t檢驗。由表4可以看出兩種梯度的土壤容重按照傳統(tǒng)的拉力計算法和修正的拉力算法所得到的土壤崩解速率均達到極顯著差異。因此，在以后利用拉力計計算土壤崩解速率時需要考慮浮力動態(tài)變化，即乘以修正系數(shù)k。

表4 不同容重土壤崩解速率

3 結 論

本文借助子洲坡耕地土壤樣品，通過土塊在水中的受力分析，對比了傳統(tǒng)拉力計算法和修正的拉力計算法計算的土壤崩解速率，期望獲得更為準確的土壤崩解速率算法。結果表明，拉力計方法測定土壤崩解速率中土壤自身含水量對崩解過程有重要的影響。修正的拉力計算法所得的土壤崩解速率更接近于已有報道，其變異性較未修正前有所減小。不同土壤容重計算土壤崩解速率均需要考慮浮力動態(tài)變化，即乘以校正系數(shù)k。另外，本文選取的黃綿土因顆粒較細、質地均一，結果規(guī)律性較為理想，在我國土石山區(qū)或紅壤區(qū)（質地粘重）該方法的實用性需要進一步研究。因此，本文認為，在以后黃土高原的土壤崩解速率測定和計算中應按以下步驟：（1）利用方形環(huán)刀在野外取原狀土樣并用塑料薄膜密封；（2）將土樣帶回實驗室稱重，下面墊上濾紙，用淺層水盤自下而上浸潤土壤，直至土壤飽和；（3）將飽和的土樣放置在一鐵架臺上去除重力水后再次稱重；（4）輕輕移開方形環(huán)刀，將土樣放置在拉力計的吊盤網(wǎng)板上測定；（5）計算需乘以校正系數(shù)k。

［1］ 蔣定生，李新華，范興科，等.黃土高原土壤崩解速率變化規(guī)律及影響因素研究［J］.水土保持通報，1995，15（3）：20－27.

［2］ 鄒翔，張平倉，陳杰.小江流域土壤抗崩性試驗研究［J］.水土保持研究，2008，15（1）：244－246.

［3］ 袁勇，高華端，孫泉忠.黔中喀斯特地區(qū)不同地類土壤侵蝕研究［J］.中國水土保持，2010（6）：50－51.

［4］ 朱顯謨，張相麟，雷文進.涇河流域土壤侵蝕現(xiàn)象及其演變［J］.土壤學報，1954，2（4）：209－222.

［5］ 曾光，楊勤科，姚志宏.黃土丘陵溝壑區(qū)不同土地利用類型土壤抗蝕性研究［J］.水土保持通報，2008，28（1）：6－9.

［6］ 張愛國，李銳，楊勤科，等.水蝕土壤因子野外測試問題討論［J］.人民黃河，2002，24（2）：28－29.

［7］ 楊曉芬，吳發(fā)啟.坡耕地玉米作物根系對土壤侵蝕的影響研究［J］.西北農林科技大學學報，2012（2）：13－17.

［8］ 李家春，崔世富，田偉平.公路邊坡降雨侵蝕特征及土的崩解試驗［J］.長安大學學報，2007，27（1）：23－26.

［9］ 周雪青，李洪文，何進，等.土壤容重測定用分段式原狀取土器的設計［J］.農業(yè)工程學報，2008，24（8）：127－130.

［10］ Nelson D W，Sommers L E.Total carbon，organic carbon，and organic matter［J］.Methods of Soil Analysis，1982：539－579.

［11］ 譚饉益.廣西覆蓋型巖溶區(qū)土層崩解機理研究［J］.工程地質學報.2001（3）：272－276.

［12］ 李家春，田偉平.工程壓實黃土崩解試驗研究［J］.重慶交通學院學報，2005，24（5）：74－77.

［13］ 許明祥，劉國彬，卜崇峰等.圓盤入滲儀法測定不同利用方式土壤滲透性試驗研究［J］.農業(yè)工程學報，2002，18（4）：54－58.

［14］ 閆永利，于健，魏占民，等.土壤特性對保水劑吸水性能的影響［J］.農業(yè)工程學報，2007，23（7）：76－79.

［15］ 李強，劉國彬，許明祥，等.黃土丘陵區(qū)撂荒地土壤抗沖性及相關理化性質［J］.農業(yè)工程學報，2013，29（10）：153－159.