黔中地區(qū)砂頁巖坡耕地的土力學(xué)性質(zhì)研究

羅 爽，吳茂宏，高華端，楊克語

(1.銅仁市林業(yè)局，貴州 銅仁 554300；2.銅仁市林業(yè)科學(xué)院，貴州 銅仁 554300；3. 貴州大學(xué) 林學(xué)院，貴州 貴陽 550025；4.梵凈山國家級自然保護區(qū)，貴州 江口 554300)

1 引言

煤系地層的巖層間軟硬不均，層間膠結(jié)性弱，風(fēng)化速度快，遇水易軟化，結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定,且夾層中炭質(zhì)泥巖或頁巖的強度低、易活化、易變性和滲透系數(shù)相對較小[1]。黔中地區(qū)的在耕坡耕地中，存在不少由煤系地層發(fā)育的坡耕地，且該地區(qū)年降水量在1100 mm以上。在梅雨季節(jié)或強降雨條件下，煤系地層坡耕地極易發(fā)生水土流失、甚至是地質(zhì)災(zāi)害。坡耕地的土力學(xué)性質(zhì)是影響土壤侵蝕的主導(dǎo)因素，以黔中煤系地層砂頁巖坡耕地為研究對象，深入研究煤系地層砂頁巖坡耕地的土力學(xué)性質(zhì)(緊實度、液限含水量、塑限指數(shù))，總結(jié)煤系地層砂頁巖坡耕地土力學(xué)特征，對西南巖溶區(qū)零星分布的煤系地層坡耕地土壤侵蝕過程機理研究、水土流失防治具有重要意義。

目前，國內(nèi)學(xué)者對土壤界限含水量與土壤侵蝕關(guān)系的研究，主要集中在界限含水量的影響因素及影響程度等方面，且研究區(qū)域多為南方崩崗區(qū)，而土壤緊實度的研究還是多集中在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上，土壤緊實度與土壤侵蝕關(guān)系的研究較少，在鮮有的研究中，主要研究土壤緊實度對土壤抗沖性的影響程度。土壤界限含水量的決定因素包括土壤機械組成、有機質(zhì)含量、土層、游離氧化鐵等[2，3]，砂粒與液限、塑性指數(shù)呈負相關(guān)，黏粒含量、有機質(zhì)含量與界限呈正相關(guān)；有機質(zhì)通過幫助土壤團粒結(jié)構(gòu)的形成，改善土壤結(jié)構(gòu)，提高砂土的界限含水量，降低黏土的界限含水量；崩壁土壤的土層越深，其界限含水量也就越低，有機質(zhì)含量越高，其界限含水量也就越高[4]；黏粒含量、有機質(zhì)含量、土壤容重及游離氧化鐵是影響花崗巖崩崗剖面界限含水量的因素，這些因素與液塑限均呈正相關(guān)關(guān)系，且不同土層界限含水量存在顯著差異[5]。土壤緊實度與坡度呈正相關(guān)，坡度越大，其抗蝕性增強[6，7]。土壤含水量與緊實度存在顯著的相關(guān)性，含水量越高，緊實度越低，隨著土壤深度的增加，含水量與緊實度的相關(guān)性隨之增加[8]。施用有機質(zhì)肥料不僅能提高作物產(chǎn)量，還能改善土壤結(jié)構(gòu)，降低土壤緊實度[9]。本文以煤系地層砂頁巖區(qū)坡耕地為研究對象，分析耕作擾動對土力學(xué)性質(zhì)的影響程度，掌握砂頁巖母巖區(qū)坡耕地的土力學(xué)特征，從土力學(xué)角度闡明砂頁巖區(qū)坡耕地土壤侵蝕的過程機理。

2 材料與方法

2.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于貴陽市花溪區(qū)(106 ° 27 ′～106 ° 52 ′ E，26 ° 11 ′～26 ° 34 ′ N)，東面接黔南州龍里縣，南面接黔南州惠水縣，西鄰清鎮(zhèn)市和安順地區(qū)平壩縣，北面接貴陽市南明區(qū)，地處云貴高原苗嶺山脈中段，位于長江水系烏江與珠江水系西江的分水嶺地帶，海拔1030～1326 m，以中低山丘陵、河谷、盆地為主，其地帶性土壤為黃壤，石灰土、紫色土、黃壤3種土壤呈復(fù)區(qū)分布，該區(qū)域的坡耕地主要由碳酸鹽巖石發(fā)育，少量由紫色砂巖、砂頁巖發(fā)育，還存在小部分水稻土。

2.2 采樣方法

根據(jù)貴陽市水文地質(zhì)圖[10]，選取花溪區(qū)由煤系地層砂頁巖發(fā)育的坡耕地，采樣點位于孟關(guān)上板村(表1)，使用典型樣地取樣法隨機取樣，所有取樣點避開工業(yè)污染區(qū)且常年耕作，共調(diào)查了土壤剖面20個，并在耕作層、犁底層各取20個土樣。

表1 黔中地區(qū)煤系地層砂頁巖坡耕地調(diào)查取樣信息

2.3 試驗方法

(1)土壤機械組成的測定采用吸管法，蒸餾水和分散劑浸潤土樣，煮沸靜置冷卻，洗入沉降筒，烘干并稱重洗篩中的粗砂粒。根據(jù)Stokes定律計算出個粒徑沉降至指定深度所需時間，在指定時間吸取懸液，把懸液烘干、稱重、計算各粒徑的土粒重量百分含量值。按照國際制分級將土壤分為4個粒級，分別為粗砂粒(0.25 ～ 2 mm)、細砂粒(0.02 ～ 0.25 mm)、粉粒(0.002 ～ 0.02 mm)及黏粒(<0.002 mm)。

(2)土壤有機質(zhì)含量采用重鉻酸鉀容量法測定。取風(fēng)干土樣放入試管，先后加入重鉻酸鉀溶液、濃硫酸油浴，將油浴后的土樣溶液洗入廣口錐形瓶，加鄰菲羅啉指示劑，用硫酸亞鐵溶液滴定。按如下公式計算土壤中的有機質(zhì)含量：

(1)

(2)

式(1)、(2)中，C表示土壤中有機質(zhì)含量(%)，V0表示空白對照滴定所用的硫酸亞鐵溶液的體積，V表示滴定所用硫酸亞鐵溶液的體積，c表示重鉻酸鉀溶液濃度，5表示重鉻酸鉀溶液的體積。

(3)土壤穩(wěn)定入滲率水率測定采用環(huán)刀法。使用環(huán)刀取原狀土帶回室內(nèi)，在裝原狀土的環(huán)刀頂部接空環(huán)刀，用玻璃膠或防水膠帶密封環(huán)刀接觸點，將粘結(jié)后雙環(huán)刀放置在鐵架臺或三角架上，空環(huán)刀內(nèi)注水，鐵架下方放置漏斗和燒杯，在單位時間內(nèi)收集燒杯中下滲的水并記錄數(shù)據(jù)。待到燒杯中連續(xù)5次水量相同時，按如下公式計算穩(wěn)定入滲率：

(3)

式(3)中，θ為燒杯中水量連續(xù)5次相同時的水溫(℃)，K10是水溫為θ時的土壤下滲速率(mm/min)，Kθ為滲透速率。

(4)土壤緊實度。采用美國DICKEY-john 6100 型土壤緊實度儀，在取樣點半徑1 m內(nèi)測定土壤緊實度，根據(jù)土壤剖面情況，均勻用力將緊實度儀垂直插入土壤中部，讀取數(shù)值，為減少誤差和避免石礫影響的導(dǎo)致讀數(shù)偏大，測量5次，若5次測量值中出現(xiàn)異常值，則刪除重新測定，取5次的平均值作為該點的緊實度指標(biāo)值。

(5)土壤界限含水量。采用液塑限聯(lián)合測定法(GB/T50123-1999)，使用LP-100D數(shù)顯式土壤液塑限測定儀測定下層深度3～4 mm、7～9 mm、15～17 mm土膏的下沉深度及含水量，根據(jù)試驗數(shù)據(jù)計算塑限(WP)、液限(WL)，按以下公式計算塑性指數(shù)(IP)：

IP=WL-WP

(4)

式(4)中，IP為塑性指數(shù)；WP為塑限(%)；WL為液限(%)。

利用WPS 2019進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析和圖表繪制，利用SPSS 18.0進行數(shù)據(jù)差異性檢驗。

3 結(jié)果與分析

3.1 砂頁巖坡耕地土壤基本屬性

土壤機械組成受成土母巖的影響最大，受耕作活動影響較小，而耕作活動是改變坡耕地土壤有機質(zhì)含量、土壤入滲率的主要原因。粗砂粒與液限含水量、塑性指數(shù)呈負相關(guān)，黏粒、有機質(zhì)含量與土壤界限含水量呈正相關(guān)，農(nóng)事活動增加土壤有機質(zhì)含量，改變土壤孔隙度和土壤入滲率，增加了土壤營養(yǎng)元素易被下滲水溶解流失的幾率。黔中地區(qū)煤系地層砂頁巖坡耕地土壤機械組成、土壤有機質(zhì)含量、土壤穩(wěn)定入滲率測定結(jié)果的統(tǒng)計特征值如表2所示。

表2 砂頁巖區(qū)坡耕地土壤基本屬性特征

如表2所示，煤系地層砂頁巖坡耕地的耕作層粗砂粒均值為25.20 %，標(biāo)準(zhǔn)差7.45%，細砂粒均值為14.61 %，標(biāo)準(zhǔn)差2.67%，粉粒均值為33.15 %，標(biāo)準(zhǔn)差5.15%，黏粒均值為27.04 %，標(biāo)準(zhǔn)差4.81%；犁底層粗砂粒均值為23.52%，標(biāo)準(zhǔn)差7.91%，細砂粒含量為14.50%，標(biāo)準(zhǔn)差3.31%，粉粒含量為30.63%，標(biāo)準(zhǔn)差6.08%，黏粒含量為31.35%，標(biāo)準(zhǔn)差10.02%。耕作層有機質(zhì)含量為45.12 g/kg，標(biāo)準(zhǔn)差9.66，平均穩(wěn)定入滲率為0.1577 mm/min，標(biāo)準(zhǔn)差0.1093，犁底層平均有機質(zhì)含量為20.67 g/kg，標(biāo)準(zhǔn)差6.42，穩(wěn)定入滲率為0.0869 mm/min，標(biāo)準(zhǔn)差0.0776。

耕作層、犁底層的粗砂粒、細砂粒、粉粒均值或標(biāo)準(zhǔn)差之間的差值不大，表明農(nóng)事耕作對砂頁巖母巖坡耕地的砂粒、粉粒影響較小，而黏粒、有機質(zhì)和穩(wěn)定入滲率的均值的差異較大。砂頁巖坡耕地土壤中砂粒含量高[11]，附著在砂粒上的黏粒在下滲水作用下，下沉到犁底層，使得犁地層黏粒含量標(biāo)準(zhǔn)差大；施用家禽家畜糞便、掩埋作物秸稈等農(nóng)耕活動增加了土壤中有機質(zhì)的含量；松土、翻耕改變土壤結(jié)構(gòu)，降低容重，增加土壤總孔隙度，增加土壤入滲率。

3.2 土力學(xué)性質(zhì)特征

土壤緊實度直接決定了坡耕地土壤的抗沖性，液限含水量反映的是坡耕地在坡面水蝕中力學(xué)狀態(tài)變化的臨界點，塑性指數(shù)為土壤可塑態(tài)的含水量范圍，持續(xù)降水會增加坡耕地土壤含水量，銅仁含水量增加到液限含水量這一臨界值時，土壤由可塑態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱鲬B(tài)后極易發(fā)生水土流失，因此，坡耕地的土力學(xué)特征在坡面水蝕過程中的研究至關(guān)重要。通過野外測量及室內(nèi)試驗數(shù)據(jù)，處理后得出黔中喀斯特區(qū)坡耕地土壤土力學(xué)統(tǒng)計值，如表3。

表3 砂頁巖區(qū)坡耕地土力學(xué)特征

由表3可知，砂頁巖母巖坡耕地耕作層液限含水量均值為35.97%，標(biāo)準(zhǔn)差15.07%，塑性指數(shù)為0.1214，標(biāo)準(zhǔn)差0.0546，緊實度均值481.60 Pa，標(biāo)準(zhǔn)差164.78；犁底層液限均值29.64%，標(biāo)準(zhǔn)差12.13%，塑性指數(shù)均值0.1248，標(biāo)準(zhǔn)差0.0669，緊實度均值1384.25 kPa，標(biāo)準(zhǔn)差78.74。

為提高作物產(chǎn)量，農(nóng)耕常伴隨著松土、犁地、施用土壤肥料及掩埋作物秸稈等系列活動。松土擾動土壤，土體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，增加土壤的透水透氣性，有利于作物根系的生長和發(fā)育，便于吸取更多的營養(yǎng)元素。施用農(nóng)家肥及掩埋秸稈的作用有三：一是農(nóng)家肥可為作物提供生長發(fā)育所需營養(yǎng)元素；二是增加土壤有機質(zhì)含量，幫助土壤形成團粒結(jié)構(gòu)，增加土壤保水保肥性;三是有機質(zhì)能提高土壤的液限含水量、塑性指數(shù)，進而增強土壤抗蝕性。

3.3 耕作層、犁地層土力學(xué)差異分析

坡耕地緊實度是土壤力學(xué)性質(zhì)的直觀反映，土壤抗沖性在一定程度上由緊實度直接反應(yīng)，土壤緊實度的影響因素包括土壤有機質(zhì)、含水率、土壤結(jié)構(gòu)體、土粒和土粒的級配條件等。土壤塑性指數(shù)也是重要的土力學(xué)指標(biāo)，可一定程度上反應(yīng)土壤的抗蝕性，受土壤機械組成、有機質(zhì)含量的影響較大。根據(jù)試驗數(shù)據(jù)，采用差異分析的方法，重點分析耕犁層的液限含水量、塑性指數(shù)和緊實度的組間差異分析，如表4。

表4 砂頁巖區(qū)坡耕地耕作層、犁底層土力學(xué)性質(zhì)差異性檢驗

由表3、4可知，砂頁巖區(qū)坡耕地犁底層的緊實度高于耕作層，說明犁地、翻耕、松土除草等活動會降低土壤緊實度，進而降低土壤抗沖性。耕作層、犁地層的液限含水量、塑性指數(shù)的差異并不顯著，這是由于黔中砂頁巖區(qū)坡耕地耕、犁兩層的機械組成的差異小，有研究表明，土壤有機質(zhì)含量與土壤液限呈正相關(guān)[12]，說明黔中地區(qū)坡耕界限含水量對有機質(zhì)的敏感程度低。在雨季，黔中地區(qū)常見的侵蝕類型是水力侵蝕、重力侵蝕和混合侵蝕，降雨形成坡面徑流，沖刷坡耕地土壤地面組成物質(zhì)，而壤中流溶解土壤中的營養(yǎng)元素，在重力作用下產(chǎn)生移動，降低坡耕地生產(chǎn)力。

4 討論

成土母巖決定了坡耕地土壤的機械組成，農(nóng)耕活動改變了土壤基本空間結(jié)構(gòu)、有機質(zhì)含量等理化性質(zhì)，增加土壤有機質(zhì)含量，導(dǎo)致土壤緊實度、界限含水量發(fā)生變化，進而改變土壤抗沖性和抗蝕性。耕犁作用改變了土壤顆粒間原始排列順序，土壤初始結(jié)構(gòu)在耕犁作用下被機械破壞，在持續(xù)的耕作活動中，施用農(nóng)家肥、掩埋作物秸稈降解后，增加耕作層有機質(zhì)含量[13，14]，改善了土壤孔隙度，導(dǎo)致緊實度降低，土壤力學(xué)特征發(fā)生改變，耕作層緊實度低于犁底層的緊實度，農(nóng)事活動會降低土壤抗沖性，這與孫泉忠等[15]研究一致。徐永服等[16]的研究表明，耕作層、犁底層的液限含水量和塑性指數(shù)存在顯著差異，本文的研究表明，耕作層、犁底層的液限含水量、塑性指數(shù)的差異并不顯著，其原因有二：一是耕犁作用對黔中地區(qū)砂頁巖區(qū)坡耕地的機械組成的影響程度較小，土壤機械組成是決定界限含水量的主要原因，造成了耕作層液限、塑性指數(shù)與犁底層差異不顯著；二是砂頁巖區(qū)坡耕地土壤中的砂粒含量占比高，耕作層增加的有機質(zhì)并未能改善土壤結(jié)構(gòu)，使得兩個層間的液限、塑性指數(shù)的并不顯著。

西南巖溶區(qū)的侵蝕類型主要為水力侵蝕、重力侵蝕、化學(xué)侵蝕、混合侵蝕，在持續(xù)降雨或強降雨條件下，坡耕地成為水土流失的頻發(fā)區(qū)，尤其是在汛期內(nèi)，坡耕地的土壤顆粒、作物所需營養(yǎng)元素，在水蝕作用、重力作用、淋溶作用共同作用下，極易發(fā)生流失，土壤結(jié)構(gòu)發(fā)生變化、營養(yǎng)元素下降，坡耕地的生產(chǎn)力持續(xù)下降。坡耕地的黏粒占比越高，土壤的液塑限也就越高。煤系地層砂頁巖坡耕地的粗砂含量高，土壤整體粘結(jié)力弱，團粒結(jié)構(gòu)少，附著在砂粒上的小粒徑土粒、營養(yǎng)元素絡(luò)合物等物質(zhì)在水流沖刷、下滲過程中極易流失。砂頁巖區(qū)坡耕地的砂粒含量在黔中常見坡耕地中最高[11]，其液限含水量和塑性指數(shù)均是最低，表明在發(fā)生持續(xù)降水后，砂頁巖坡坡耕地土壤達到液限含水量所需時間短，其蓄水保肥能力低于其他常見巖性坡耕地，在同等降雨條件、地形條件下，砂頁巖坡耕地發(fā)生水土流失的幾率最高。有機質(zhì)幫助土壤形成保水蓄肥性能極佳的團粒結(jié)構(gòu)，團粒結(jié)構(gòu)有利于改良耕地土壤的保水保肥性，合理施用農(nóng)家肥、掩埋作物落葉秸稈使之分解等人為活動，增加砂頁巖坡耕地的有機質(zhì)含量，改善土壤結(jié)構(gòu)，增加土壤界限含水量，優(yōu)化土壤可蝕性。

5 結(jié)論

(1)煤系地層砂頁巖坡耕地的耕、犁層土力學(xué)性質(zhì)存在差異。結(jié)果表現(xiàn)為，砂頁巖區(qū)坡耕地犁底層緊實度(1384.25 kPa) > 耕作層緊實度(481.60 kPa)。耕作層穩(wěn)定入滲速率高于犁底層，降水后雨水下滲形成的壤中流，耕作層壤土流的速率也高于犁底層，增加土粒下滲和養(yǎng)分被溶蝕幾率，耕犁作用降低了土壤緊實度，土壤抵抗水流沖刷的能力降低，增加了地表土壤顆粒被水流沖刷產(chǎn)生移動造成面蝕的幾率。

(2)耕作活動是造成煤系地層坡耕地的耕、犁層理化性質(zhì)差異和土力學(xué)性質(zhì)差異的主要原因。同一個取樣點，成土母巖、成土氣候相同，而耕作層受農(nóng)事活動影響較大，犁底層幾乎不受農(nóng)耕活動干擾，耕犁作用增加了耕作的有機質(zhì)含量，降低了土壤容重，改變了土粒排立結(jié)構(gòu)，耕作層、犁底層的緊實度卻存在差異，表明耕作活動是造成同一坡耕地耕作層、犁底層的理化性質(zhì)差異，進而導(dǎo)致土壤緊實度存在顯著差異。