黔中白云巖坡耕地土壤界限含水量與機(jī)械組成量化關(guān)系研究

徐永服, 高華端, 楊海嬌, 黃朝海

(貴州大學(xué) 林學(xué)院, 貴州 貴陽 550025)

土壤機(jī)械組成是研究土壤其他方面所必須掌握的基本屬性之一，土壤機(jī)械組成對(duì)土壤的其他物理和化學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生巨大的影響。鄧廷飛等[1]研究貴州典型山銀花土壤機(jī)械組成與養(yǎng)分特性關(guān)系得出砂粒含量與有機(jī)質(zhì)、堿解N、全N含量表現(xiàn)出負(fù)相關(guān)性；高華端等[2]通過對(duì)貴州省主要的幾類地面組成物質(zhì)發(fā)育的土壤進(jìn)行對(duì)比研究地面組成物質(zhì)與土壤機(jī)械組成的關(guān)系，得出地面組成物質(zhì)對(duì)土壤機(jī)械組成有顯著性影響；李卓[3]研究得出土壤機(jī)械組成對(duì)土壤的入滲能力、土壤蓄水能力有較大影響，入滲能力隨土壤黏粒含量增加遞減，土壤蓄水能力隨黏粒含量增加而遞增；史錕等[4]研究得出土壤機(jī)械組成與有機(jī)碳含量呈現(xiàn)顯著的相關(guān)關(guān)系；張素[5]研究沖溝不同部位土壤機(jī)械組成及抗沖性差異得出砂粒含量是影響3類沖溝各部位土壤抗沖性的主要指標(biāo)；唐炎林等[6]研究西雙版納不同林分土壤機(jī)械組成及其肥力2種土壤的全N、全P、全K與砂粒含量呈負(fù)相關(guān)，與粉粒、黏粒呈正相關(guān)；潘琇等[7]研究得出黏粒含量與土壤有機(jī)質(zhì)、全氮含量，砂粒含量與土壤有機(jī)質(zhì)含量之間均存在顯著相關(guān)關(guān)系，砂粒含量與陽離子交換量之間均存在極顯著相關(guān)關(guān)系；莊雅婷等[8]的研究崩崗紅土層土壤液塑限特性與極細(xì)砂粒和黏粒含量呈二項(xiàng)式關(guān)系；朱慧鑫等[9]分析得出花崗巖崩崗不同層次間的土壤液塑限差異顯著；花可可等[10]通過液塑限聯(lián)合測(cè)定試驗(yàn)和快速剪切試驗(yàn)得出黏粒和有機(jī)質(zhì)是影響土壤液限值的重要因素。坡耕地是中國(guó)西南喀斯特地區(qū)的主要耕作類型之一，對(duì)于坡耕地的土壤侵蝕的研究是非常多的，土壤機(jī)械組成對(duì)界限含水量到底有什么關(guān)系，針對(duì)白云巖坡耕地土壤機(jī)械組成與界限含水量的相關(guān)性研究基本沒有相關(guān)報(bào)道，因此，本研究以黔中坡耕地白云巖發(fā)育的土壤為對(duì)象，分析討論坡耕地土壤機(jī)械組成對(duì)界限含水量的影響，具有一定的獨(dú)創(chuàng)性和前沿性，研究結(jié)果將會(huì)對(duì)白云巖區(qū)坡耕地的土壤侵蝕過程機(jī)理研究以及坡耕地土壤的液塑限快速獲取具有重要的理論意義和應(yīng)用價(jià)值。

1 研究方法

1.1 研究區(qū)概況

地理位置為106°27′—106°52′E，26°11′—26°34′N，國(guó)土總面積815.41 km2，該區(qū)屬于亞熱帶濕潤(rùn)溫和型氣候，夏無酷暑、冬無嚴(yán)寒，夏季平均溫度為23.2 ℃[11]，花溪區(qū)地處云貴高原苗嶺山脈中段，位于長(zhǎng)江水系烏江與珠江水系西江的分水嶺地帶，海拔1 030～1 326 m，以中低山丘陵、河谷、盆地為主。花溪區(qū)土壤多為酸性黃壤土和石灰土，有一小部分紫色土和水稻土；受基巖性質(zhì)影響較深的石灰土和紫色土與黃壤呈復(fù)區(qū)分布，喀斯特坡耕地主要為石灰?guī)r母質(zhì)和白云巖母質(zhì)。

1.2 試驗(yàn)樣品的采集

試驗(yàn)于2017年8月選擇貴州省貴陽市花溪區(qū)白云巖發(fā)育的典型坡耕地貴惠大道沿線兩側(cè)坡耕地為取樣點(diǎn)，并在坡耕地下設(shè)置40個(gè)5 m×5 m的樣方，并在樣方內(nèi)隨機(jī)挖取土壤坡面，采用環(huán)刀法分別取耕作層的土壤，并在野外利用烘干法(本試驗(yàn)采用酒精灼燒法)測(cè)定土壤的自然含水量，每個(gè)土樣3次重復(fù)，求取平均值為該土樣的自然含水量；所采集的樣品帶回室內(nèi)進(jìn)行測(cè)定土壤的機(jī)械組成和液塑限的測(cè)定。

1.3 坡耕地土壤機(jī)械組成測(cè)定方法

土壤機(jī)械組成使用濕篩—吸管法(NY/T1121.3-2006)測(cè)定出土壤的機(jī)械組成，根據(jù)1930第二屆國(guó)際土壤學(xué)會(huì)上通過的“國(guó)際制”及實(shí)際情況將土粒分為了4個(gè)粒級(jí)，分別為黏粒(<0.002 mm)、粉粒(0.002～0.02 mm)、細(xì)砂粒(0.02～0.25 mm)和粗砂粒(0.25～2 mm)。

1.4 坡耕地界限含水量的測(cè)定方法

采用液塑限聯(lián)合測(cè)定法(GB/T50123-1999)測(cè)定土壤的界限含水量，通過液塑限測(cè)定然后按下式計(jì)算塑性指數(shù)和液性指數(shù)：

Ip=WL-WP

(1)

IL=(W-WP)/IP

(2)

式中：IP——塑性指數(shù)；IL——液性指數(shù)；WL——液限(%)；WP——塑限(%)；W——天然含水量(%)。

2 結(jié)果分析

2.1 土壤機(jī)械組成與界限含水量特性

由表1可以看出，白云巖區(qū)坡耕地土壤粗砂粒含量平均為27.17%，砂粒平均值為29.96%，粉粒含36.46%，黏粒含量6.35%。由此說明白云巖發(fā)育的土壤砂粒含量比較高，黏粒含量非常小，土壤孔隙度大，在降雨過程中雨水滲透比較快，土粒伴隨下滲水流往地下土層不斷遷移，坡耕地土壤侵蝕主要以地下漏失為主。白云巖區(qū)坡耕地土壤塑限平均值為20.20%，液限平均值為26.76%；塑性指數(shù)平均值0.07，液限指數(shù)平均值為1.54。白云巖區(qū)坡耕地土壤塑性指數(shù)小于0.16，且土壤液限均小于50%，屬于砂壤土。因此若降雨小而持續(xù)時(shí)間較短，白云巖區(qū)坡耕地土壤容易達(dá)到塑限值，土壤容易出現(xiàn)水土流失。

2.2 機(jī)械組成與界限含水量的相關(guān)性檢驗(yàn)

由表2可知,土壤的機(jī)械組成與土壤的塑限、液限、液性指數(shù)有及其顯著的相關(guān)性，與土壤的塑性指數(shù)無顯著相關(guān)性。說明土壤機(jī)械組成對(duì)土壤的塑限、液限、液性指數(shù)有顯著的影響(p<0.01)，機(jī)械組成對(duì)土壤的塑性指數(shù)影響較小或者說基本沒影響。可能的原因在于塑性指數(shù)等于液限減塑限，由分析可知當(dāng)土壤中的黏粒含量不斷增加土壤的液塑限都不斷增加，但在增加的過程中塑限的增幅遠(yuǎn)大于塑限的增幅，故而出現(xiàn)塑性指數(shù)與黏粒含量出現(xiàn)負(fù)相關(guān)性。

表1 土壤機(jī)械組與界限含水量的特性

2.3 土壤機(jī)械組成對(duì)界限含水量的影響

2.3.1 土壤機(jī)械組成對(duì)土壤塑限的影響 機(jī)械組成狀況是影響土壤抗蝕性的重要因素。顆粒組成越細(xì)小的土壤，土壤黏結(jié)力就越強(qiáng)，在一定程度土壤容易形成團(tuán)聚體，其抗崩解的能力也就越高[12]。由圖1可以看出，白云巖區(qū)坡耕地土壤塑限與土壤黏粒含量、粉粒含量和細(xì)砂粒含量表現(xiàn)出正相關(guān)性，而與粗砂粒的含量表現(xiàn)出負(fù)相關(guān)性。黏粒含量與塑限表現(xiàn)出正相關(guān)性，這與撞雅婷等[8]對(duì)崩崗紅土層土壤和朱慧鑫等[9]對(duì)鄂東南花崗巖崩崗剖面土壤研究結(jié)論相似，原因可能在于隨著土壤黏粒的增加，土體的比表面積也不斷增加，其吸附能力就越強(qiáng)，需要吸附更多的水分子才能將顆粒表面完全覆蓋，從而形成吸附水膜，影響土體塑性特征[13]；出現(xiàn)砂粒含量與塑限表現(xiàn)出負(fù)相關(guān)性的原因可能是隨著砂粒含量的不斷增加，土壤形成了一個(gè)松散的固相骨架，砂粒增多而黏粒較少，土粒間孔隙度不斷加大，內(nèi)部排水也加快，蓄水量不斷減少，水分由大空隙擴(kuò)散至土體表面而大量流失，從而土壤的塑限也就隨之下降。

表2 土壤機(jī)械組與界限含水量的相關(guān)性檢驗(yàn)

注：**表示在0.01水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)。

圖1 土壤機(jī)械組成對(duì)土壤塑限的影響

2.3.2 土壤機(jī)械組成對(duì)土壤液限的影響 液限指的是土壤呈液態(tài)流動(dòng)的最低含水量。對(duì)液限與土壤機(jī)械組成各粒級(jí)所占比例進(jìn)行函數(shù)模擬分析可知(圖2)，白云巖區(qū)坡耕地土壤液限與土壤黏粒含量、粉粒含量和細(xì)砂粒含量的增加而隨之增加，這與花可可[11]對(duì)紫色土和水稻土研究得出的結(jié)論相似，都表現(xiàn)出正相關(guān)性，這可能是由于隨著土壤黏粒的增加，土壤的整個(gè)骨架變得更加緊實(shí)黏結(jié)，土粒間的空隙數(shù)目增多且變狹小，大量的非活性孔阻止了毛管水移動(dòng)，當(dāng)降雨來臨時(shí)雨水難以下滲而且排水困難，土壤的疏水性和排水性能不斷下降，土壤滲透系數(shù)不斷變低，保水性能增加，進(jìn)而相應(yīng)提高了土壤液限值。而隨粗砂粒的含量的增加表現(xiàn)出不斷減小的趨勢(shì)，隨粗砂粒的增加表現(xiàn)出負(fù)相關(guān)性的可能原因在于機(jī)械組成中砂粒含量的不斷增加，增大了土壤的孔隙度和土壤的毛管空隙，毛管水上升高度小，保水效果變差，從而影響了土壤的液限值；當(dāng)降雨小于或等于土壤的下滲能力的時(shí)候，水土流失主要以地下流失為主。以上分析結(jié)果表明黔中白云巖區(qū)坡耕地土壤中，當(dāng)砂粒的土粒含量增加時(shí)，土壤液限將減小。

圖2 土壤機(jī)械組成對(duì)土壤液限的影響

2.3.3 土壤機(jī)械組成對(duì)土壤液性指數(shù)的影響 液性指數(shù)表示土壤天然含水量與界限含水量之間的相對(duì)關(guān)系，塑性指數(shù)表示了土壤在可塑狀態(tài)下含水量的變化范圍。

由圖3可以看出，白云巖區(qū)坡耕地土壤液性指數(shù)與土壤的黏粒、粉粒、細(xì)砂粒的含量具有顯著的正相關(guān)性，而土壤塑性指數(shù)與粗砂粒的含量具有顯著的對(duì)數(shù)函數(shù)關(guān)系，出現(xiàn)顯著正相關(guān)的原因可能在于隨著土壤黏粒含量的增加，土壤中的Fe2O3，Al2O3，CaO，MgO，P2O5，K2O的相對(duì)含量不斷增加，相反土壤中的SiO2相對(duì)減少，導(dǎo)致土壤的粒徑減小，土壤顆粒的吸濕量，持水量、毛管持水量也不斷增加，故而增加了土壤的液性指數(shù)。

2.3.4 土壤界限含水量與土壤機(jī)械組成方程擬合關(guān)系 由表3可以看出，量化模擬的3個(gè)方程的相關(guān)系數(shù)都達(dá)到顯著水平，說明擬合的方程可以較準(zhǔn)確地描述土壤塑限、液限值和液性指數(shù)與土壤機(jī)械組成中各粒級(jí)土壤含量的相關(guān)關(guān)系。今后研究過程中只要知道白云巖發(fā)育的坡耕地土壤的機(jī)械組成便可利用公式求算土壤的界限含水量。

表3 土壤液塑限和各影響因素?cái)M合關(guān)系

注：X1，X2，X3，X4分別代表<0.002 mm土粒含量、0.002～0.02 mm土粒含量、0.02～0.25 mm土粒含量、0.25～2 mm土粒含量。下同。

圖3 土壤機(jī)械組成對(duì)土壤液性指數(shù)的影響

3 結(jié) 論