凝灰質砂巖崩崗土體的滲透性研究

摘 要：選取贛南凝灰質砂巖崩崗土體為研究對象，采用環(huán)刀法研究凝灰質砂巖崩崗土體入滲特性，并分析土體主要理化性質對其入滲特征的影響。結果表明：①凝灰質砂巖風化殼土體重度表現(xiàn)為上層小于下層；受土體相對密度的影響，不同土層土體總孔隙度大小并未呈現(xiàn)出與土壤容重相反的規(guī)律，同樣表現(xiàn)為上層小于下層；不同土層之間的土壤重度與總孔隙度無顯著相關性。②凝灰質砂巖下層土體初始滲透速率、穩(wěn)定滲透速率、平均滲透速率、入滲量等滲透參數均顯著高于上層土體（P＜0.05），而穩(wěn)定入滲時間低于上層土體。③凝灰質砂巖初始滲透速率與所選的指標均無顯著的相關性，穩(wěn)定滲透速率與土壤重度呈極顯著負相關，平均滲透速率與總孔隙度、毛管孔隙度呈極顯著正相關。

關鍵詞：凝灰質砂巖；崩崗；孔隙度；滲透性

中圖分類號：S157 " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " 文獻標志碼：A

崩崗是我國華南地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)退化的顯著表

現(xiàn)[1]。除滑坡和泥石流自然災害外，崩崗侵蝕是最具危害性的水土流失災害，尤其在我國華南花崗巖風化殼地區(qū)發(fā)育尤為劇烈[2]，崩崗是造成該區(qū)域生態(tài)環(huán)境惡化的重要原因[3]。

目前，學者們針對花崗巖風化母質上發(fā)育的崩崗侵蝕機理和發(fā)生發(fā)展規(guī)律研究較多。已有研究表明，土壤重度影響土壤孔隙結構[4-5]。土體結構松散，重度越小，孔隙越大[6-7]，越有利于雨水入滲。土體吸水的能力越快，從而產生較大的孔隙壓力，越發(fā)容易崩解[8-10]。在花崗巖崩崗滲透研究中發(fā)現(xiàn)，紅土層的土體水分入滲能力強于砂土層和碎屑層[11-13]。非毛管孔隙為土壤水分運動提供了綠色通道，其水分運動速率要遠遠大于毛管孔隙中的水分運動速率[14] 。從崩崗的發(fā)育過程來看，因土壤水分向下移動，土壤凝聚力和內摩擦角降低，土壤母質層受到侵蝕后大大加快了崩崗的發(fā)展，花崗巖母質層更容易誘發(fā)崩崗[15]。我國華南的廣東、廣西，華東的江西，華中的湖南則較多地涉及紅土層及其他母質類型發(fā)育的崩崗。因此，本文以江西省于都縣為例，從崩崗土體的物理特性出發(fā)，結合當地崩崗主要集中發(fā)育在凝灰質砂巖地區(qū)的特點，對土體的崩崗機理進行研究，為崩崗的治理工作提供理論依據。

1 材料與方法

為分析土體特性隨深度變化的規(guī)律，選擇3個典型凝灰質砂巖崩崗坡面作為調查樣點，分別在不同土層（上層、下層）采集土壤樣品（上層土為紅色，下層土為灰白色），同時，在每個調查樣點各采集3個重復樣的環(huán)刀土樣，迅速稱重。

土壤重度、孔隙度、土壤滲透性均采用環(huán)刀法測試。將環(huán)刀放入容器中，逐漸加水，始終保持水面低于環(huán)刀上沿2～3 mm。浸泡至環(huán)刀內土壤水分飽和及空氣全部排出，取出環(huán)刀（用濾紙吸干環(huán)刀外壁水分）蓋好上蓋，馬上稱重。然后放回原處，每隔1 h取出反復稱重，直到恒重，可測出土壤毛管孔隙度。將環(huán)刀土樣繼續(xù)放入盛水容器中，往容器加水至水面與環(huán)刀上層齊平。靜置6 h后取出環(huán)刀，稍置10 s，使多余水流出，用干布將環(huán)刀擦干后稱重。然后再將環(huán)刀放回容器中，放置4～5 h后，再次稱重，直到恒重。由此計算土壤總孔隙度[4]。

將環(huán)刀土樣從上到下進行預飽和處理。滴水時開始計時，前2 min每隔30 s記一次質量，然后每隔1 min記錄一次，30 min后每隔2 min記錄一次，60 min后每隔5 min記錄一次，直至達到穩(wěn)定入滲[16]。

2 試驗結果

2.1 崩崗土體的重度和孔隙度

土壤重度和土壤孔隙度是反映土壤松緊狀況的主要指標，與土壤的透水性和通氣性密切相關[7]，土壤孔隙度在一定程度上決定了土體結構的好壞，間接影響著土壤滲透性能和抗剪強度。

由表1可知，凝灰質砂巖風化殼土體的重度都在13 kN/m3以上，凝灰質砂巖上下層重度的分布規(guī)律為上層小于下層。上層土的重度平均值（13.7 kN/m3）比下層土的重度平均值（14.9 kN/m3）小1.2 kN/m3。

所有樣點土壤總孔隙度為43.43%～47.85%，其中：毛管孔隙度介于38.54%～44.49%（平均占總孔隙度的92.24%），非毛管孔隙度在2.95%～4.89%（平均占總孔隙度的7.76%）。從上下層大小規(guī)律來看，各樣點土壤總孔隙度均表現(xiàn)為上層小于下層，具體來看，毛管孔隙度平均值表現(xiàn)為上層小于下層，而非毛管孔隙度則正好相反；這主要是因為各樣點上下層土壤質地均勻程度不一，土壤顆?；驁F粒結構緊密程度不同，導致毛管孔隙度和非毛管孔隙度具有一定的隨機性，并不呈現(xiàn)一定的分布規(guī)律。

表2為凝灰質砂巖崩崗各層次土壤重度和土壤總孔隙度方差分析，其中土壤重度和土壤總孔隙度的方差分析F值分別為5.02、3.75，F(xiàn)0.05值均為7.71?？芍徽撏寥乐囟冗€是土壤總孔隙度，F(xiàn)值都小于F0.05，說明上層土和下層土之間的土壤重度和總孔隙度無顯著性差異。

圖1為凝灰質砂巖不同土層的滲透速率隨時間的變化曲線?？芍?，在入滲的過程中，總體上凝灰質砂巖上層土的初始滲透速率相對來說較小，在0～5 min滲透速率波動較大，隨著入滲時間的推移，滲透速率逐漸降低，在8～12 min滲透速率逐漸趨于平緩，直到穩(wěn)定入滲。凝灰質砂巖下層土在2 min后入滲速率逐漸趨于平緩，下層土的穩(wěn)定滲透速率要小于上層土，且進入穩(wěn)定滲透的時間要比上層土短。

2.3 崩崗區(qū)土壤滲透速率分析

由圖2可知，凝灰質砂巖土體入滲量與入滲時間呈冪函數關系。采用表達式Q = at-n進行擬合（式中Q為入滲量；a、n為回歸分析常數；t為滲透時間）。可知，凝灰質砂巖土體的入滲量與入滲時間方程擬合較好，呈顯著的冪函數關系（P＜0.001）。在冪函數模擬方程中，下層土的a值較大，表明入滲量與時間的相關性較強。

2.4 崩崗土體入滲參數分析

影響土體滲透的因子很多，如土壤結構、質地、土溫、土壤密度、土壤機械組成、土壤含水量、有機質等。以凝灰質砂巖為例，選取初始滲透速率（Y1）、穩(wěn)定滲透速率（Y2）、平均滲透速率（Y3）、入滲量（Y4）等指標代表入滲能力，分析有機質含量（X1）、重度（X2）、總孔隙度（X3）、毛管孔隙度（X4）、非毛管孔隙度（X5）、＞0.05 mm砂粒含量（X6）、＜0.001 mm黏粒含量（X7）、＞0.25 mm水穩(wěn)性團聚體含量（X8）、分散系數（X9）、團聚狀況（X10）、團聚度（X11）等理化性質與入滲能力的相關性，結果見表4。

可知，凝灰質砂巖初始滲透速率與所選的11個指標均無顯著的相關性，穩(wěn)定滲透速率與土壤重度呈極顯著負相關，平均滲透速率與總孔隙度、毛管空隙度呈極顯著正相關。

為弄清土壤理化性質對研究區(qū)崩崗土壤滲透速率的影響作用，進一步采取逐步回歸分析方法，得到入滲能力（Y1 、Y2 、Y3 、Y4 ）與土壤理化性質的線性方程分別為

由此可見，各入滲能力指標均與X4、X5、X8、X9、X11存在顯著的線性關系（P＜0.05），即影響入滲能力的物理性質主要有土壤孔隙度、＞0.25 mm水穩(wěn)性團聚體含量、分散系數、團聚度。

3 結 論

（1）凝灰質砂巖風化殼土體重度表現(xiàn)為上層小于下層；受土體相對密度的影響，不同土層土體總孔隙度大小并未呈現(xiàn)出與土壤重度相反的規(guī)律，同樣表現(xiàn)為上層小于下層；不同土層之間的土壤重度和總孔隙度無顯著性差異（P＜0.05）。

（2）凝灰質砂巖下層土體初始滲透速率、穩(wěn)定滲透速率、平均滲透速率、入滲量等滲透參數均顯著高于上層土體（P＜0.05），而穩(wěn)定入滲時間低于上層土體。凝灰質砂巖整個滲透過程中滲透速率偏低，初始滲透速率相應偏低。凝灰質砂巖下層土達到穩(wěn)定滲透速率的時間短，可能是因為下層土體顆粒級配較好。凝灰質砂巖入滲性差，主要受地表徑流的侵蝕較嚴重。

（3）凝灰質砂巖崩崗土體滲透性與土壤結構、非毛管孔隙度有很大的關系，這些為凝灰質砂巖的崩崗崩解提供了有利的條件。

參考文獻：

[1] 肖勝生，楊潔，方少文，等. 南方紅壤丘陵崩崗不同防治模式探討[J]. 長江科學院院報，2014，31（1）：18-22.

[2] 張萍，查軒. 崩崗侵蝕研究進展[J]. 水土保持研究，2007，14（1）：170-172，176.

[3] 李小林. 贛南崩崗治理實踐與思考[J]. 中國水土保持，2013（2）：32-33.

[4] 于皓，董智，楊建英，等. 基于CT掃描的不同土地利用類型土壤大孔隙特征及其入滲能力研究[J]. 干旱區(qū)資源與環(huán)境，2023，37（3）：55-61.

[5] LIU B，F(xiàn)AN H M，JIANG Y，et al. Evaluation of Soil Macro-aggregate Characteristics in Response to Soil Macropore Characteristics Investigated by X-ray Computed Tomography under Freeze-thaw Effects[J]. Soil and Tillage Research，2023，225：105559.

[6] 張燕，黃炎和，林金石，等. 崩崗不同土層滲透差異及其影響因素研究[J]. 水土保持研究，2014，21（3）：37-40，46.

[7] 呂德鵬. 廣東省典型區(qū)域不同土地利用方式下土壤大孔隙特征[D]. 鄭州：河南農業(yè)大學，2023.

[8] 趙筱青，和春蘭，許新惠.云南山地尾葉桉類林引種對土壤物理性質的影響[J]. 生態(tài)環(huán)境學報，2012，21（11）：1810-1816.

[9]安然，陳欣，張先偉，等.MICP固化花崗巖殘積土的崩解特性研究[J/OL].長江科學院院報.（2024-04-10）[2024-09-11].http：//kns.cnki.net/

kcms/detail/42.1171.TV.20240409.1016.006.html.

[10] 郭云峰. 不同固化劑對花崗巖殘積土抗崩解性的影響[J]. 福建農林大學學報（自然科學版），2019，48（2）：225-230.

[11] 林敬蘭，黃炎和，蔣芳市，等. 崩崗土體的滲透性能機理研究[J]. 水土保持學報，2013，27（2）：53-56，144.

[12] 何騰兵. 貴州山區(qū)土壤物理性質對土壤侵蝕影響的研究[J]. 土壤侵蝕與水土保持學報，1995（1）：85-95.

[13] 謝福倩，韋真茜，廖達蘭，等. 桂東南花崗巖紅壤區(qū)典型崩崗剖面風化強度對理化特性的影響 [J]. 水土保持學報，2024，38 （4）：122-131，142.

[14] 王偉，張洪江，李猛，等. 重慶市四面山林地土壤水分入滲特性研究與評價[J]. 水土保持學報，2008，22（4）：95-99.

[15]任秋菊，孫藝函，魏玉杰，等.不同頻度和強度的干濕循環(huán)對花崗巖紅壤固結強度的影響[J].中國水土保持科學（中英文），2024，22（3）：28-35.

[16] 鮑士旦. 土壤農化分析[M]. 北京：中國農業(yè)出版社，2008.

Research on the Permeability of Tuffaceous Sandstone Collapsed Soil

ZHAO Jing1，LI Jingwei1，WEI Ding2，3，TANG Jianbo4，NIU Dekui5

（1.Spatial Information Technology Application Department，Changjiang River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China；2. Water Affairs and Lakes Bureau of Caidian District，Wuhan 430100，China；3. Agriculture Comprehensive Law Enforcement Brigade of Caidian District，Wuhan 430100，China；4. Demonstration and Promotion Center of Soil and Water Conservation Technology of Guizhou Province，Guiyang 550002，China；5. College of Land Resources and Environment，Jiangxi Agricultural University，Nanchang 330006，China）

Abstract：Taking the tuffaceous sandstone collapsed soil in south Jiangxi as the research object，we explored the infiltration characteristics of collapsed soil by ring knife method，and analyzed the influence of main physical and chemical properties on infiltration characteristics of the soil. The results show that：（1）The bulk density of weathered soil in the upper layer is smaller than that in the lower layer；influenced by specific gravity of the soil，the total porosity of different soil layers does not exhibit an opposite trend with soil bulk density，and it also shows that the upper layer is less than the lower layer. There is no significant correlation between soil bulk weight and total porosity in different soil layers. （2）The initial infiltration rate，stable infiltration rate，average infiltration rate，infiltration amount and other infiltration parameters of the lower layer of tuffaceous sandstone soil are all significantly higher than those of the upper soil layer （Plt;0.05），while the stable infiltration time of lower soil layer is shorter than that of the upper layer. （3）The initial infiltration rate has no significant correlation with the selected indicators，the stable infiltration rate shows a very significant negative correlation with soil bulk density，and the average infiltration rate shows a very significant positive correlation with total porosity and capillary porosity.

Key words：tuffaceous sandstone；collapse mound；porosity；permeability