滇東石漠化坡地淺層裂隙漏失土壤的抗剪強(qiáng)度及其影響因素

何 停, 范 弢, 徐宗恒, 李河輝, 陳培云

(云南省高原地理過程與環(huán)境變化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 云南師范大學(xué) 地理學(xué)部, 昆明 650500)

滇東巖溶斷陷盆地地區(qū)石漠化面積占滇東巖溶區(qū)總面積的40.11%[1]，重石漠化地區(qū)。其垂直裂隙發(fā)育，豐富的降水和水文過程使其下伏基巖受到水化學(xué)作用，逐漸形成地下巖溶管道系統(tǒng)，一些緊密閉合的裂隙常被地表土壤或受到流水的侵蝕溶蝕殘積物所填充，在重力的作用下通過傾瀉、蠕滑或塌陷的土壤被徑流沿著地下管道發(fā)生垂直遷移，使得土壤漏失成為土壤流失的重要途徑，也是造成喀斯特石漠化的主要原因[2-6]。隨著土層深度的加深，淺層裂隙土壤黏聚力總體隨土層深度不斷增大，土壤內(nèi)摩擦角先增大后減小，土壤抗剪強(qiáng)度減小[7]。土壤抗剪強(qiáng)度是土體力學(xué)性質(zhì)的一個(gè)重要指標(biāo)，土壤抗剪強(qiáng)度大，則在外作用力下，土壤抵抗徑流的剪切破壞能力也就增加，從而可以減緩?fù)寥狼治g及漏失的發(fā)生[7-8]，因此研究土壤抗剪強(qiáng)度對(duì)減緩?fù)寥缆┦в兄匾饬x。

喀斯特石漠化地區(qū)，植被破壞、土壤滲漏嚴(yán)重，植物—土壤系統(tǒng)恢復(fù)是喀斯特裂隙地區(qū)主要的問題[8-9]。隨著植被的逐漸恢復(fù)，林下表層凋落物返還增多、根系含量日益發(fā)育，改善土壤結(jié)構(gòu)，土壤漏失得到減緩[10-14]。此外，植被群落垂直分層有助于水土保持，高大的喬木有助于截留降雨，減緩雨水對(duì)土壤的濺蝕和淋溶，喬林下植被對(duì)降雨能夠形成二次緩沖帶，減輕林下土壤侵蝕的發(fā)生；同時(shí)林下植被的根系增多，能固結(jié)土壤，減緩?fù)寥姥亓严锻痢缑姘l(fā)生漏失，從而有助于土壤恢復(fù)[15-16]。淺層裂隙具有改良小生境、水分和養(yǎng)分積累的功能，為表層植物的生長提供了生長所需的空間和養(yǎng)分。植被恢復(fù)有助于其形成相對(duì)較好的“裂隙—土壤—植物”系統(tǒng)，因而植被恢復(fù)改善理化性質(zhì)的正效應(yīng)在淺層裂隙更能得到突顯。

喀斯特?cái)嘞菖璧厥堑釚|典型的地貌特征，其復(fù)雜的地理環(huán)境要素和劇烈變化的“盆—山”地形，導(dǎo)致植被立地條件差[17]。云南松是滇東的主要恢復(fù)樹種，其深根系可以滲透到喀斯特裂隙中，增加根系與土壤的接觸面積，擴(kuò)大水分和養(yǎng)分吸收的來源，改善土壤理化性質(zhì)[18]，但目前對(duì)云南松的研究主要集中在對(duì)表層土壤的改善作用，減少降雨對(duì)表層土壤的侵蝕程度[18-20]，云南松對(duì)淺層裂隙土壤是否具有相同的協(xié)同作用以及對(duì)土壤抗剪性能的機(jī)理尚未清楚。因此，本文選擇滇東海峰巖溶斷陷盆地坡地區(qū)，對(duì)比普遍發(fā)育的云南松次生林、小鐵仔灌叢群落兩類典型裂隙來探討植被恢復(fù)對(duì)淺層裂隙土壤抗剪性能的影響，以期為滇東巖溶斷陷盆地石漠化坡地地區(qū)植被恢復(fù)改善土壤理化性質(zhì)，增強(qiáng)土壤抗剪性能，減緩?fù)寥缆┦У闹卫泶胧┨峁﹨⒖肌?/p>

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于云南省曲靖市沾益縣西部海峰自然保護(hù)區(qū)(103°29′—103°39′E，25°35′—25°57′N)，地處滇東高原北部，是巖溶斷陷盆地發(fā)育最典型的地區(qū)之一，裂隙發(fā)育，漏失嚴(yán)重。海拔1 783～2 414 m，相對(duì)高差631 m，境內(nèi)東西寬22 km，南北長41 km，總面積27 846 hm2，屬于亞熱帶高原季風(fēng)氣候類型，干濕季分明，全年平均氣溫13.8～14℃，無霜期256 d，年均日照時(shí)數(shù)2 098 h，年降水量1 073～1 089.7 mm。該區(qū)具有較好的森林植被類型，森林覆蓋率75.7%，云南松生林分布廣泛(占83.0%以上)，具有完備的云南松群落演替序列，石灰?guī)r灌叢占3.4%。該區(qū)以紅壤土類為主，約占總面積的85%。

本研究選擇裂隙比較發(fā)育的云南松(Pinusyunnanensis)次生林、小鐵仔灌叢(Myrsineafricanan)兩個(gè)典型群落(表1)，其兩個(gè)裂隙屬于狹長型裂隙，云南松次生林裂隙露出總體長為330 cm，小鐵仔灌叢裂隙長295 cm。小鐵仔灌叢淺根系，其根系長約20 cm，云南天然次生林屬于深根系植被，枯落物總蓄積量9.93 t/hm2，是小鐵仔灌叢的2.15倍，云南松根系多，根系生物量總量為18.91 t/hm2，小鐵仔根系少，僅4.06 t/hm2。

表1 樣地基本特征

1.2 樣品采集與測(cè)定

2019年5月，在巖溶盆地海峰濕地的核心區(qū)蘭石坡海子(103°35′—103°37′E，25°46′—25°48′N)巖溶小流域內(nèi)建立云南松次生林、小鐵仔灌叢兩塊典型監(jiān)測(cè)樣地(20 m×20 m)，根據(jù)兩個(gè)群落裂隙根系的特征以及前期對(duì)土壤顆粒特點(diǎn)的認(rèn)識(shí)，用剖面刀修整土壤剖面，每個(gè)裂隙以40 cm為一層，自下而上分層采集裂隙土壤樣品，共8層(0—280 cm)。將土樣裝入自封袋中帶回實(shí)驗(yàn)室，自然風(fēng)干后，將土樣中的植物落葉、殘根、礫石、動(dòng)物殘?bào)w等挑出，用于機(jī)械組成、有機(jī)質(zhì)、抗剪強(qiáng)度的測(cè)定。

土壤的機(jī)械組成試驗(yàn)步驟按照鮑氏比重計(jì)法[21]的要求進(jìn)行試驗(yàn)，采用國際制土壤顆粒分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)將土壤顆粒分為黏粒(<0.002 mm)、粉粒(0.05～0.002 mm)、砂粒(2～0.05 mm)。有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀容量法[22]進(jìn)行檢測(cè)。

土壤團(tuán)聚體水穩(wěn)性采用濕篩方法進(jìn)行，并將其分為>5，5～2，2～1，1～0.5，0.5～0.25 mm以及<0.25 mm，共6個(gè)粒級(jí)。測(cè)定土壤抗剪強(qiáng)度所用儀器為南京土壤儀器廠ZJ型應(yīng)變控制式直剪儀，試驗(yàn)操作參照《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)GB/T50123-1999》的標(biāo)準(zhǔn)[7]進(jìn)行，采用4 r/min的速度以及4個(gè)豎向壓力(100，200，300，400 kPa)條件下對(duì)相同含水率30%的重塑土樣進(jìn)行直接剪切試驗(yàn)。

1.3 數(shù)據(jù)處理

根據(jù)直剪試驗(yàn)得到抗剪強(qiáng)度，利用庫倫公式計(jì)算相關(guān)指標(biāo)：

t=c+σtanφ

式中：τ為土體抗剪強(qiáng)度；c為黏聚力；σ為作用在剪切面上的法向壓力；φ為內(nèi)摩擦角。使用Excel 2013進(jìn)行抗剪指標(biāo)、土壤基本性質(zhì)的數(shù)據(jù)處理，SPSS 21.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、相關(guān)性、差異性分析，Origin 2018進(jìn)行繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 兩對(duì)比群落淺層裂隙土壤理化性質(zhì)的變化特征

(1) 土壤顆粒。隨著土層深度的加深，土壤砂粒含量都逐漸減少，黏粒含量逐漸增多，粉粒含量時(shí)增時(shí)減，規(guī)律不明顯(圖1)。云南松次生林裂隙砂粒變化范圍在49.36%～58.22%之間，粉粒在16.03%～21.03%之間，黏粒在23.92%～29.61%之間，小鐵仔灌叢裂隙砂粒在43.63%～58.70%之間，粉粒在16.36%～25.86%之間，黏粒在24.56%～30.86%之間，表明云南松次生林裂隙砂粒多于小鐵仔灌叢裂隙，粉粒和黏粒相反。在0—40 cm土層內(nèi)(圖2a)，兩對(duì)比群落裂隙土壤機(jī)械組成含量差異較小。在40—240 cm土層內(nèi)(圖2b)，隨著土層深度的加深，兩對(duì)比群落裂隙砂粒緩慢都減小，黏粒緩慢都增大，粉粒時(shí)增時(shí)減，但云南松次生林裂隙砂粒明顯多于小鐵仔灌叢裂隙，粉砂粒相反，黏粒差異不明顯。在240—280 cm土層內(nèi)(圖2c)，隨著土層深度的加深，兩對(duì)比群落裂隙砂粒緩慢減少，粉粒、黏粒緩慢增多，云南松次生林裂隙砂粒多于小鐵仔灌叢裂隙，黏粒、粉粒相反。兩對(duì)比群落裂隙的砂粒、粉粒差異顯著(p<0.05)，黏粒差異性不顯著(p>0.05)；同一群落裂隙砂粒、黏粒、黏粒之間差異性極顯著(p<0.01)(圖2d)。

注：不同大寫字母表示同一粒級(jí)不同群落差異顯著(p<0.05)，不同小寫字母表示同一群落不同粒級(jí)差異顯著(p<0.05)。

圖1 兩對(duì)比群落淺層裂隙土壤機(jī)械組成的垂直變化

(2) 土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體。云南松次生林裂隙水穩(wěn)性大顆粒團(tuán)聚體隨土層深度加深而減小，水穩(wěn)性細(xì)顆粒增多(圖3)。云南松次生林裂隙水穩(wěn)性團(tuán)聚體>0.25 mm質(zhì)量分?jǐn)?shù)在70.37%～85.91%之間，小鐵仔灌叢裂隙在55.02%～83.78%之間，云南松次生林裂隙水穩(wěn)性團(tuán)聚體<0.25 mm質(zhì)量分?jǐn)?shù)在14.06%～29.63%之間，小鐵仔灌叢裂隙在16.22%～44.98%之間，表明云南松次生林裂隙大顆粒團(tuán)聚體多于小鐵仔灌叢裂隙。

圖3 兩對(duì)比群落淺層裂隙土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體垂直變化

在0—40 cm土層內(nèi)(圖4a)，兩對(duì)比群落裂隙大顆粒團(tuán)聚體快速減小，小顆粒團(tuán)聚體快速增大，小鐵仔灌叢裂隙大顆粒團(tuán)聚體多于云南松次生林裂隙。在40—240 cm土層內(nèi)(圖4b)，隨著土層深度的繼續(xù)加深，兩對(duì)比群落裂隙大顆粒團(tuán)聚體減少，細(xì)顆粒團(tuán)聚體逐漸增多，且云南松次生林裂隙大顆粒團(tuán)聚體多于小鐵仔灌叢裂隙。在240—280 cm土層內(nèi)(圖4c)，兩對(duì)比群落裂隙大顆粒團(tuán)聚體緩慢減小，小顆粒團(tuán)聚體都緩慢增大，云南松次生林裂隙大顆粒團(tuán)聚體明顯多于小鐵仔石灰?guī)r灌叢裂隙，小顆粒團(tuán)聚體相反，兩對(duì)比群落裂隙粒水穩(wěn)性大顆粒團(tuán)聚體和水穩(wěn)性小顆粒團(tuán)聚體都差異性顯著(p<0.05)(圖4d)。

注：不同大寫字母表示兩對(duì)比群落土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體差異顯著(p<0.05)。

(3) 土壤有機(jī)質(zhì)。云南松次生林和小鐵仔灌叢裂隙的有機(jī)質(zhì)都隨著土層深度的加深而逐漸降低(圖5)。云南松次生林裂隙土壤有機(jī)質(zhì)含量在11.60～32.85 g/kg之間；小鐵仔灌叢含量在6.15～21.69 g/kg之間，表明云南松次生林裂隙的有機(jī)質(zhì)多于小鐵仔灌叢有機(jī)質(zhì)。

圖5 兩對(duì)比群落淺層裂隙不同深度土壤有機(jī)質(zhì)差異性

如圖6所示，在0—40 cm土層內(nèi)，隨著土層深度的加深，兩對(duì)比群落裂隙土壤有機(jī)質(zhì)快速減小云南松次生林裂隙有機(jī)質(zhì)相對(duì)較多。在160—240 cm土層內(nèi)，隨著土層深度繼續(xù)加深，兩對(duì)比群落裂隙有機(jī)質(zhì)含量繼續(xù)減小，但云南松有機(jī)質(zhì)明顯多于小鐵仔灌叢裂隙。在240—280 cm土層內(nèi)，兩對(duì)比群落裂隙緩慢減小，云南松次生林裂隙有機(jī)質(zhì)在各層明顯都多于小鐵仔灌叢。兩對(duì)比群落裂隙土壤有機(jī)質(zhì)存在顯著性差異(p<0.05)。

注：不同大寫字母表示兩對(duì)比群落土壤有機(jī)質(zhì)差異顯著(p<0.05)。

2.2 兩對(duì)比群落淺層裂隙土壤抗剪強(qiáng)度垂直變化特征

2.2.1 土壤黏聚力的垂直變化特征 土壤黏聚力是由于顆粒間的膠結(jié)作用以及電子吸引微小顆粒所產(chǎn)生的[23]。本研究結(jié)果顯示云南松次生林、小鐵仔灌叢裂隙土壤黏聚力都隨著土層深度的加深而增大(圖7)。

圖7 兩對(duì)比群落淺層裂隙不同深度土壤黏聚力垂直變化

云南松次生林裂隙土壤黏聚力在8.00～28.32 kPa之間，小鐵仔灌叢裂隙的黏聚力在15.70～45.50 kPa之間，表明云南松次生林裂隙黏聚力小于小鐵仔灌叢裂隙(圖8)。在0—40 cm土層內(nèi)，兩對(duì)比群落裂隙土壤黏聚力隨著土層深度加深緩慢增大，小鐵仔黏聚力更大。在40—240 cm土層內(nèi)，隨著土層深度的加深，云南松次生林裂隙土壤黏聚力先緩慢增大，后快速增大，小鐵仔灌叢裂隙深緩慢增長。在240—280 cm土層內(nèi)，兩對(duì)比群落裂隙土壤黏聚力隨著土層深度的繼續(xù)加深緩慢增大?？傊¤F仔灌叢裂隙土壤黏聚力在每一層都明顯大于云南松次生林裂隙，兩對(duì)比群落裂隙土壤黏聚力差異性極顯著(p<0.01)。

注：不同大寫字母表示兩對(duì)比群落土壤黏聚力差異顯著(p<0.05)。

2.2.2 土壤內(nèi)摩擦角的垂直變化特征 內(nèi)摩擦角主要由于土粒間發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)和顆粒間咬合而產(chǎn)生的摩擦力形成[24]。兩對(duì)比群落裂隙土壤內(nèi)摩擦角都隨著土層深度的加深而緩慢減小(圖9)。云南松次生林裂隙土壤內(nèi)摩擦角在19.39°～28.80°之間，小鐵仔灌叢土壤內(nèi)摩擦角在2.52°～17.97°之間，表明云南松次生林裂隙土壤內(nèi)摩擦角大于小鐵仔灌叢裂隙。

圖9 兩對(duì)比群落淺層裂隙不同深度土壤內(nèi)摩擦角垂直變化

云南松次生林裂隙土壤內(nèi)摩擦角在每一層都明顯大于小鐵仔灌叢裂隙，但其減小速度隨土層深度變化有差異(圖10)。在0—40 cm土層內(nèi)，兩對(duì)比群落裂隙土壤內(nèi)摩擦角都緩慢減小，云南松次生林裂隙土壤內(nèi)摩擦角相對(duì)較大；在80—240 cm土層內(nèi)，隨著土層深度的加深，云南松次生林裂隙土壤內(nèi)摩擦角持續(xù)緩慢減小，小鐵仔灌叢裂隙快速減小，云南松次生林裂隙土壤內(nèi)摩擦角明顯大于小鐵仔灌叢裂隙；在240—280 cm土層內(nèi)，兩對(duì)比群落裂隙土壤內(nèi)摩擦角都緩慢減小，云南松次生林裂隙土壤內(nèi)摩擦角依然大于小鐵仔灌叢裂隙。兩對(duì)比群落裂隙土壤內(nèi)摩擦角差異性顯著(p<0.01)。

注：不同大寫字母表示兩對(duì)比群落土壤內(nèi)摩擦角差異顯著(p<0.05)。

2.2.3 土壤抗剪強(qiáng)度的垂直變化特征 從垂向力100 kPa增至400 kPa，云南松次生林、小鐵仔灌叢裂隙土壤抗剪強(qiáng)度不斷增大(圖11)。

圖11 兩對(duì)比群落淺層裂隙不同深度土壤抗剪強(qiáng)度垂直變化

在垂向力200 kPa下，在0—40 cm土層內(nèi)，云南松次生林裂隙土壤抗剪強(qiáng)度緩慢減小，小鐵仔灌叢裂隙土壤抗剪強(qiáng)度增大，兩對(duì)比群落抗剪強(qiáng)度差異不明顯；在40—240 cm土層內(nèi)，隨著土層深度的繼續(xù)加深，小鐵仔灌叢裂隙土壤抗剪強(qiáng)度快速減小，云南松次生林裂隙土壤抗剪強(qiáng)度時(shí)增時(shí)減，其抗剪強(qiáng)度大于小鐵仔灌叢裂隙。在240—280 cm土層內(nèi)，兩對(duì)比群落裂隙都緩慢減小，其云南松次生林抗剪強(qiáng)度依然大于小鐵仔灌叢裂隙?？傮w來看，表層兩對(duì)比群落抗剪強(qiáng)度差異不明顯，但隨著土層深度的加深，云南松次生林的抗剪強(qiáng)度在中層和深層都大于小鐵仔灌叢抗剪強(qiáng)度，兩對(duì)比群落裂隙土壤抗剪強(qiáng)度差異極顯著(p<0.01)(圖12)。

注：不同大寫字母表示兩對(duì)比群落土壤抗剪強(qiáng)度差異顯著(p<0.05)。

2.3 兩對(duì)比群落淺層裂隙土壤理化性質(zhì)與抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的相關(guān)性分析

土壤抗剪強(qiáng)度的大小受多種因素的綜合影響，本文選取有機(jī)質(zhì)、砂粒、粉粒、黏粒、水穩(wěn)性性團(tuán)聚體與土壤在含水率為30%時(shí)的內(nèi)摩擦角、黏聚力、土壤抗剪強(qiáng)度(200 kPa)進(jìn)行相關(guān)分析，分析表明土壤粉粒、小顆粒水穩(wěn)性團(tuán)聚體與土壤抗剪強(qiáng)度呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，土壤有機(jī)質(zhì)、砂粒含量、大顆粒水穩(wěn)性團(tuán)聚體與土壤抗剪強(qiáng)度及土壤內(nèi)摩擦角呈顯著的正相關(guān)關(guān)系，與黏聚力呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(表2)。

表2 兩對(duì)比群落淺層裂隙土壤抗剪強(qiáng)度與土壤理化性質(zhì)的相關(guān)性分析

3 討 論

3.1 兩對(duì)比群落根系及土壤理化性質(zhì)對(duì)淺層裂隙土壤抗剪強(qiáng)度的影響

3.1.1 土壤根系及土壤理化性質(zhì)的差異性 通過數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，兩對(duì)比群落裂隙表層土壤有機(jī)質(zhì)含量高，土壤大顆粒團(tuán)聚體多，但隨著土層深度的加深，兩對(duì)比群落的有機(jī)質(zhì)、大顆粒團(tuán)聚體都逐漸減少[21,25-28]，說明巖溶裂隙遵循土壤養(yǎng)分表層匯聚特性，因兩對(duì)比群落凋落物在土壤表層比較多，枯枝落葉死亡后分解形成的腐殖質(zhì)，增加了表層土壤有機(jī)質(zhì)含量，造成土壤有機(jī)質(zhì)有表聚現(xiàn)象，從而大顆粒團(tuán)聚體比較多，所以二者在表層差異不大。但在滇東巖溶斷陷盆的地質(zhì)背景下，裂隙比較發(fā)育，因此隨著土層深度的加深，兩對(duì)比群落土壤有機(jī)質(zhì)、砂粒、大顆粒水穩(wěn)性團(tuán)聚體等在中層沿裂隙巖—土界面流失而減少，細(xì)顆粒團(tuán)聚體、黏粒在深層增多，形成“反序?！苯Y(jié)構(gòu)，地表土壤出現(xiàn)粗顆?；讓油寥鲤せ默F(xiàn)象。云南松次生林屬于二態(tài)根系植被，除巖—土界面外，其發(fā)育的深根系使得土壤水沿著根—土界面形成優(yōu)先流，推動(dòng)表層的土壤有機(jī)質(zhì)(SOM)及大團(tuán)聚體向中層和深層流動(dòng)，其深根在生長過程或死亡過程中易形成孔道，導(dǎo)致云南松次生林裂隙土壤“篩濾效應(yīng)”強(qiáng)于小鐵仔灌叢裂隙，同時(shí)云南松次生林裂隙凋落物多、深根系生物量多，其總根系生物量為18.91 t/hm2，約是小鐵仔灌叢裂隙根系生物量的5倍，其中云南松粗根生物量占整個(gè)根系生物量的64.8%，在微生物活動(dòng)頻繁分解下，為土壤提供了大量的營養(yǎng)物質(zhì)，使得有機(jī)質(zhì)、砂粒、大顆粒水穩(wěn)性團(tuán)聚體都多于小鐵仔灌叢裂隙，土壤性質(zhì)相對(duì)較好，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

3.1.2 植被根系及土壤基本性質(zhì)對(duì)土壤抗剪強(qiáng)度的影響 土壤抗剪強(qiáng)度的大小主要來源于土粒顆粒之間剪切過程的滑動(dòng)摩擦以及嵌入產(chǎn)生的咬合力和來源黏粒的膠結(jié)作用的黏聚力[29]，因而植被根系及土壤基本性質(zhì)對(duì)土壤抗剪強(qiáng)度的影響來源于對(duì)土壤黏聚力和土壤內(nèi)摩擦角的影響。通過數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，隨著土層深度的加深，兩對(duì)比群落土壤抗剪強(qiáng)度都逐漸減小，說明雖然滇東巖溶斷陷盆地有表層集聚養(yǎng)分的功能，但其本身性質(zhì)導(dǎo)致地下裂隙縱橫，土壤滲漏嚴(yán)重，因此兩對(duì)比群落裂隙土壤砂粒、有機(jī)質(zhì)、大顆粒團(tuán)聚體隨著土層深度的加深都減少，土壤黏粒小顆粒團(tuán)聚體都增多。黏粒和小顆粒團(tuán)聚體的增加，降低了土壤顆粒間的粗糙度，減少了土粒間的鑲嵌和鎖套能力，土壤內(nèi)摩擦角減小；有機(jī)質(zhì)降低，土壤密度增大，土壤間的距離減小，加上土壤黏粒、小顆粒團(tuán)聚體含量增多，單位面積上土粒的接觸點(diǎn)多，黏結(jié)力增強(qiáng)，土壤黏聚力增大[7,30-31]，兩對(duì)比群落裂隙因土壤顆粒間的滑動(dòng)摩擦力以及嵌入產(chǎn)生的咬合力占主導(dǎo)，導(dǎo)致土壤抗剪整體減小。

兩對(duì)比群落裂隙表層都有匯聚功能，故而土壤抗剪強(qiáng)度在表層差異不明顯。隨著土層深度的加深，土壤滲漏嚴(yán)重，土壤沿著裂隙土—石界面流失，云南松發(fā)育的深根系殘?bào)w為中層和深層裂隙土壤提供土壤有機(jī)碳(SOC)，但沿根—土界面的土壤水優(yōu)先流也帶動(dòng)SOC及大顆粒團(tuán)聚體的下移，導(dǎo)致沿土壤剖面中層和深層云南松次生林裂隙的砂粒、大顆粒團(tuán)聚體、有機(jī)質(zhì)多于小鐵仔灌叢裂隙，土壤抗剪強(qiáng)度大于小鐵仔灌叢裂隙。此外，相比小鐵仔灌叢群落，云南松的側(cè)根和主根明顯比灌木和草本植物的粗、深，因此，根系通過牽引力和豎向錨定穿插、纏繞在土壤中，土體在更深更廣的范圍內(nèi)固結(jié)，使得根系與土壤顆粒間咬合力增大，加上云南松次生林裂隙土壤砂粒、大顆粒團(tuán)聚體相對(duì)較多，粗糙的表面及穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)會(huì)引起顆粒間鑲嵌和鎖套能力增大，土粒間的摩擦力增強(qiáng)，內(nèi)摩擦角大[18,20]，導(dǎo)致云南松次生林裂隙土壤抗剪強(qiáng)度在中層和深層明顯大于小鐵仔灌叢裂隙。

3.2 兩對(duì)比群落土壤抗剪強(qiáng)度對(duì)淺層裂隙土壤漏失的影響

土體中的應(yīng)力在外作用力下會(huì)發(fā)生變化，當(dāng)剪應(yīng)力超過土體的抗剪強(qiáng)度時(shí)，土體會(huì)沿其中一個(gè)裂縫面滑動(dòng)，土壤整體穩(wěn)定性喪失[32]，土壤易流失。土壤抗剪強(qiáng)度越大，穩(wěn)定性越強(qiáng)，反之土壤抗剪性能越差[29-30]。隨著土層深度的加深，土壤養(yǎng)分、水分、顆粒等會(huì)沿著裂隙巖—土界面、根—土界面流失而減少，理化性質(zhì)隨深度的加深而變差，導(dǎo)致兩對(duì)比群落裂隙土壤抗剪強(qiáng)度隨深度的加深都減小，其減緩?fù)寥缆┦У哪芰﹄S土層深度的加深而減弱。但兩對(duì)比群落在垂向力不斷增大時(shí)，其抗剪強(qiáng)度都增大，說明兩對(duì)比群落都有助于提高土壤抗剪強(qiáng)度，在外力作用下，兩對(duì)比群落淺層裂隙土壤不易隨著巖土界面或根土復(fù)合界面發(fā)生土壤漏失。此外，云南松次生林大顆粒團(tuán)聚體多，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，垂直深根系的“加筋”作用導(dǎo)致云南松林群落在提升淺層裂隙土壤抗剪性能上要優(yōu)于灌叢群落，尤其在提升中層和深層裂隙土壤抗剪強(qiáng)度更突出，更有助于減緩裂隙土壤漏失。裂隙具有匯聚養(yǎng)分的功能，成為了滇東巖溶斷陷盆地植被生長的重要小生境，因此在以后可以加強(qiáng)對(duì)不同群落下裂隙土壤的理化性質(zhì)及其抗剪性能機(jī)理的研究，進(jìn)一步提升對(duì)生物工程增強(qiáng)土壤抗剪強(qiáng)度，緩解裂隙土壤漏失機(jī)理的認(rèn)識(shí)。

4 結(jié) 論

(1) 云南松天然次生林、小鐵仔灌叢裂隙土壤黏聚力都隨著土壤黏粒、細(xì)顆粒水穩(wěn)性團(tuán)聚體的增多而增大(p<0.05)，土壤內(nèi)摩擦角隨著砂粒、粗顆粒水穩(wěn)性團(tuán)聚體、有機(jī)質(zhì)的減少而減小(p<0.05)，土壤抗剪強(qiáng)度總體逐漸減小。因兩對(duì)比群落土壤基本性質(zhì)差異顯著(p<0.05)，導(dǎo)致土壤抗剪強(qiáng)度差異極其顯著(p<0.01)。

(2) 云南松林群落、灌叢群落都具有改善土壤理化性質(zhì)，提升土壤抗剪強(qiáng)度的作用，但灌叢群落提升土壤抗剪強(qiáng)度作用體現(xiàn)在表層，云南松林群落更有助于提升淺層裂隙中層和深層的土壤抗剪強(qiáng)度。

(3) 在滇東巖溶斷陷盆地，裂隙發(fā)育的立地條件下，可種植云南松等二態(tài)根系植被提高土壤抗剪性能，逆轉(zhuǎn)滇東巖溶斷陷盆地坡地裂隙地區(qū)加劇的石漠化態(tài)勢(shì)。