滇東喀斯特高原紅土干濕脹縮特性

王澤麗，蘇 懷，董 銘，廖 紅，蘭 丹，陳國玲

（云南師范大學 旅游與地理科學學院，云南 昆明650500）

紅土裸露和植被稀疏是滇東喀斯特高原與石漠化相伴生的一種極為普遍的生態(tài)惡化現(xiàn)象[1]。野外調(diào)查發(fā)現(xiàn)，在紅土裸露的地區(qū)，土體碎屑常呈定向排列，預示坡面蠕動可能是形成紅土裸露景觀的重要原因之一。考慮到滇東喀斯特高原屬亞熱帶氣候，此處的坡面蠕動不應該是凍融蠕動而是干濕蠕動。干濕蠕動發(fā)生的前提是土體具有干縮濕脹的特性。

國內(nèi)外關于干旱半干旱地區(qū)變性土的脹縮性研究較多，包括脹縮特征描述、脹縮土體特征、脹縮機理研究方法等[2－6]，而有關滇東喀斯特高原紅土干濕脹縮狀況的研究較少。筆者在滇東喀斯特高原紅土裸露的典型地區(qū)采集土樣，探索土體干濕脹縮特征。滇東高原牛欄江流域?qū)賮啛釒Ц咴撅L氣候，年降水量800～1 200mm。干濕季分明，夏半年受西南季風和東南季風交替控制，溫暖濕潤；冬半年受熱帶大陸氣團控制，干燥少雨。區(qū)內(nèi)廣泛出露古生代、中生代沉積的海相碳酸鹽巖，上覆紅土，是滇東喀斯特高原紅土裸露的典型地區(qū)。除碳酸鹽巖紅土外，區(qū)內(nèi)還有一定量的以玄武巖為母質(zhì)發(fā)育的紅土，但這些地區(qū)植被覆蓋率明顯好于碳酸鹽巖紅土區(qū)。筆者采用工程地質(zhì)學土體脹縮試驗研究方法[7]，通過測定土壤的脹縮率及機械組成來分析其膨脹特性、影響因素及產(chǎn)生的生態(tài)地貌效應，以期為喀斯特紅土裸露地區(qū)的生態(tài)環(huán)境建設提供基礎資料。

1 材料與方法

1.1 樣品采集

在典型的碳酸鹽巖紅土、玄武巖紅土發(fā)育地段采集表層土（圖1）。每個樣點取樣1kg左右。

1.2 土壤脹縮率測定

土壤脹縮率參照文獻[7]方法測定。取約80g自然風干、過1mm 篩的土樣放入已知質(zhì)量的鋁盒內(nèi)，105℃烘干8h。將烘干土樣均勻裝入內(nèi)徑為5cm的自制有機玻璃柱中，稱重后，浸水至飽和再稱重，確定飽和含水量。

1）失水過程測試。土柱蒸發(fā)一定時間后稱重，確定土柱含水量的變化；當觀察到土面收縮時，用卡尺測量土面的收縮距離（在0h、6h、12h、18h、24h、36h、48h、64h、82h、106h、130h、138h和1 5 4h時測量土柱高度），確定土柱縱向變化，直到土柱高度和質(zhì)量不再發(fā)生變化。

圖1 研究地區(qū)采樣點分布Fig.1 Sampling point distribution in the study area

2）吸水過程測試。當土柱質(zhì)量不再減少時往土柱中加一定量的水，密封放置至土柱吸水均勻，稱重并測量土柱的膨脹高度，再逐量加水并密封放置24h（在0h、0.5h、1h、3h、6h、9h、12h、15h、21h和24h測量土柱高度），使其經(jīng)歷吸水膨脹過程。測定方法與失水過程類似。

土體的膨脹率、收縮率計算方法參照文獻[7]的方法，具體如下：

1）瞬時膨脹率＝[（某時刻膨脹后的高度－初始高度）／初始高度]×100%；

2）瞬時收縮率＝[（初始高度－某時刻收縮后的高度）／初始高度]×100%；

3）最終膨脹率＝[（最終膨脹高度－初始高度）／初始高度]×100%；

4）最終收縮率＝[（初始高度－最終收縮高度）／初始高度]×100%；

5）含水量＝某時刻稱得的試樣質(zhì)量－干土質(zhì)量。

1.3 粘粒含量測定

粘粒含量采用Mastersize 2000激光粒度儀測定，樣品預處理參照文獻[8]的方法。

2 結果與分析

2.1 紅土膨脹率與含水量的關系

由圖2可知，滇東喀斯特高原碳酸鹽巖紅土具有明顯的膨脹性，膨脹率較大，最大達7.89%；玄武巖紅土的膨脹率較小，最大為3.69%。碳酸鹽巖紅土膨脹率比玄武巖紅土大。

兩類土瞬時膨脹率均隨含水量的增加而增大，但碳酸鹽巖紅土在吸水膨脹過程的初始階段劇烈膨脹，隨著含水量的增加膨脹速度逐漸變緩；玄武巖紅土膨脹趨勢與碳酸鹽巖紅土相比較緩，碳酸鹽巖紅土和玄武巖紅土最終膨脹率分別為7.89%和3.69%。

圖2 土體瞬時膨脹率和瞬時收縮率與含水量的關系Fig.2 Relationship of soil instant expansion rate and instant shrink rate with water content

膨脹變形發(fā)生時膨脹主要發(fā)生在土壤浸水表面，隨著水分深入土體內(nèi)部，土水交界面面積擴大，土體開始整體膨脹，進入快速膨脹階段；隨著土體吸水速度減小，土體的膨脹速率也逐漸降低，進入緩慢膨脹階段，土體完全吸水飽和時土體膨脹達到穩(wěn)定。

2.2 紅土收縮率與含水量的關系

由圖2還可知，碳酸鹽巖紅土和玄武巖紅土最大瞬時收縮率分別為13.7%和4.65%，玄武巖紅土收縮率比碳酸巖紅土低，其收縮變化幅度比碳酸鹽巖紅土小。二者均具有失水收縮的特性，其瞬時收縮率隨含水量的減少而增大。碳酸鹽巖紅土在土體收縮的初始階段，土體收縮率較快，含水量減少到38g左右時收縮率急劇增加，從2.62%跳躍至12%左右，之后土體收縮率隨著含水量減少增加較緩。玄武巖紅土土體收縮幅度不及碳酸鹽巖紅土。

圖3 粘粒含量與土壤最終膨脹率和最終收縮率的關系Fig.3 Relationship of soil final expansion rate and final shrink rate with clay content clay content

2.3 粘粒含量與紅土膨脹率、收縮率的關系

由圖3 可知，碳酸鹽巖紅土粘粒（粒徑＜0.002mm）含量為36.85%～52.82%，較玄武巖紅土（34.85%～36.25%）高。一般認為，土體的膨脹、收縮與土體的粘粒含量和水化特性有關[7，9－10]。總體而言，2種紅土最終膨脹率和最終收縮率均隨粘粒含量增加而增大。

3 結論與討論

滇東喀斯特高原碳酸鹽巖紅土具有明顯的干縮濕脹特性。這一特性可以作為該地區(qū)發(fā)生坡面蠕動造成紅土裸露現(xiàn)象的物質(zhì)基礎。土體的高粘粒含量是滇東喀斯特高原碳酸鹽巖紅土發(fā)生干濕脹縮的重要因素，粘粒含量越高，土體脹縮率越大。

在西南喀斯特地區(qū)，土體表層覆蓋物（通常指O層）一旦受到破壞，很容易形成裸露紅土景觀以至于很難恢復。通常認為這與紅土的養(yǎng)分、水分相對缺乏 有關[1，11－14]。 但筆者等通過野外調(diào)查認為，除了紅土貧瘠的因素外，土體發(fā)生坡面蠕動（土溜）也可能是紅土裸露的重要原因，因為野外常可以觀測到土屑、巖屑順坡面定向排列的現(xiàn)象。土體膨脹收縮試驗則進一步證實了滇東喀斯特紅土裸露區(qū)具備發(fā)生土溜過程的內(nèi)在條件。

碳酸鹽巖紅土脹縮性比玄武巖紅土強，碳酸鹽巖紅土發(fā)生土溜的機會相較玄武巖紅土多，這與觀測到的紅土裸露現(xiàn)象多發(fā)生在碳酸鹽巖地區(qū)的結果一致。不同母巖的紅土脹縮性有差異，這可能與其機械組成有關。粒度分析表明，土體脹縮性與粘粒含量相關，粘粒含量越高，土體脹縮性越強。

除滇東喀斯特高原外，碳酸鹽巖紅土具有明顯的干濕脹縮性在貴州喀斯特地區(qū)也得到了證實[4，15]?？紤]到西南地區(qū)有明顯的旱季和雨季，土體干濕脹縮可能是南方石漠化地區(qū)生態(tài)恢復不可忽視的問題。

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