張曉勉, 張金池, 王云南, 陳茂青, 岳春雷, 田 剛, 李世鋒

(1.浙江省林業(yè)科學(xué)研究院, 杭州 310023; 2.南京林業(yè)大學(xué) 南京 210037;3.浙江省水利廳, 杭州310009;4.浙江省水利水電勘測設(shè)計(jì)院, 杭州 310002; 5.浙江廣川工程咨詢有限公司, 杭州 310020)

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錢塘江源頭主要植被類型土壤抗剪強(qiáng)度研究

張曉勉1, 張金池2, 王云南3, 陳茂青4, 岳春雷1, 田 剛5, 李世鋒3

(1.浙江省林業(yè)科學(xué)研究院, 杭州 310023; 2.南京林業(yè)大學(xué) 南京 210037;3.浙江省水利廳, 杭州310009;4.浙江省水利水電勘測設(shè)計(jì)院, 杭州 310002; 5.浙江廣川工程咨詢有限公司, 杭州 310020)

對錢塘江源頭地區(qū)6種不同林分類型及2個(gè)對照類型(茶園、農(nóng)田)不同土層深度土壤抗剪強(qiáng)度及土壤理化性質(zhì)和土壤根系特性進(jìn)行了測定。相關(guān)分析結(jié)果表明：土壤有機(jī)質(zhì)含量與土壤抗剪強(qiáng)度、土壤粘聚力和內(nèi)摩擦角呈顯著的正相關(guān)關(guān)系；土壤容重與土壤粘聚力呈顯著的正相關(guān)關(guān)系；粉粒/粘粒與土壤抗剪強(qiáng)度、土壤粘聚力呈顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系?？辜魪?qiáng)度與植物根系各指標(biāo)之間是顯著的正相關(guān)關(guān)系，其中與根體積和根表面積相關(guān)性達(dá)到極顯著水平，與根長和根質(zhì)量相關(guān)性達(dá)到顯著水平。通過對研究區(qū)8種植被類型抗剪強(qiáng)度和影響因子聚類分析得出：毛竹林和灌木林土壤抗剪性能最強(qiáng)；馬尾松林、針闊混交林、麻櫟林和杉木林次之；茶園和農(nóng)田土壤抗剪性能較弱。建立了不同等級土壤抗剪強(qiáng)度與影響因子的回歸模型，精度達(dá)80%～85%。

土壤抗剪強(qiáng)度; 理化性質(zhì); 根系特性; 回歸模型; 錢塘江源頭地區(qū)

從土壤力學(xué)上看，水蝕是雨滴對土粒的濺擊剪切作用和徑流對土粒的沖刷剪切作用的過程綜合，所以土壤的抗剪強(qiáng)度是區(qū)域水土流失評價(jià)中反映土壤力學(xué)特性的重要指標(biāo)之一[1]。在土壤侵蝕宏觀研究中，土壤作為被侵蝕的對象，是影響土壤侵蝕過程和決定流失量的重要因素，土壤抗剪強(qiáng)度則是最能體現(xiàn)出區(qū)域水土流失過程中土壤抵抗徑流沖刷剪切能力的“指示指標(biāo)”[1]。因此，進(jìn)行水土流失土壤抗剪強(qiáng)度規(guī)律的研究，對于區(qū)域和全國水土流失整治的宏觀決策(如防止重力侵蝕、增加斜坡穩(wěn)定性)十分重要。

傳統(tǒng)的邊坡災(zāi)害防治大多采用工程措施護(hù)坡，在初期防護(hù)效果很好，但隨著時(shí)間推移，混凝土逐漸老化，鋼筋銹蝕加劇，從而導(dǎo)致防護(hù)工程的強(qiáng)度降低，防護(hù)效果越來越差[2-5]。植被可通過改變土壤水分情況，利用根系對土壤的穿插、纏繞、網(wǎng)絡(luò)以及固結(jié)作用，增加土壤的抗蝕性、抗沖性以及固定作用，提高土壤的抗剪強(qiáng)度，起到固土護(hù)坡的作用。植被在發(fā)揮固土護(hù)坡作用的同時(shí)還發(fā)揮改良土壤和改善生態(tài)環(huán)境的作用。因此植被固土護(hù)坡是近年來在國內(nèi)外比較流行的邊坡災(zāi)害防治技術(shù)，植被恢復(fù)被認(rèn)為是治理水土流失的根本措施[6-9]。

1　研究區(qū)概況

研究區(qū)位于錢塘江源頭浙江省開化縣，坐標(biāo)為東經(jīng)118°23，北緯29°07′，屬亞熱帶季風(fēng)性氣候，年平均氣溫16.3℃，年平均降水量1 762.1 mm，森林覆蓋率79.2%。全縣土壤分為五個(gè)土類、九個(gè)亞類、二十一個(gè)土屬、四十五個(gè)土種。低山丘陵以紅壤土為主，谷地平畈多水稻土。土層厚度薄至中，土壤質(zhì)地為輕壤至重壤，pH值平均7.5[10]。

2　材料與方法

2.1樣地設(shè)置

在研究區(qū)內(nèi)選取馬尾松林、針闊混交林(馬尾松、木荷、香樟混交)、毛竹林、麻櫟林、杉木林、灌木林6種具有代表性的生態(tài)公益林類型，以當(dāng)?shù)胤植急容^廣的茶園、農(nóng)田為對照進(jìn)行研究。選擇能夠反映區(qū)內(nèi)植被基本特征，具有代表性的地段，盡量選擇坡向一致，坡度、坡位大致相似的地段設(shè)置樣地，每個(gè)類型各設(shè)3個(gè)樣地。各樣地基本情況見表1。

2.2樣品采集

在各植被類型樣地內(nèi)選擇典型地段(離道路、橋梁、林緣較遠(yuǎn)，人為干擾較少的地方)，設(shè)置20 m×20 m的標(biāo)準(zhǔn)樣地進(jìn)行調(diào)查。在每一種類型的典型地段挖取土壤剖面2個(gè)，分別在0—10 cm，10—20 cm，20—30 cm，30—40 cm土層進(jìn)行取樣。細(xì)根調(diào)查采用土柱法，根系帶回室內(nèi)浸泡清洗后風(fēng)干，用WinRHIZO根系分析系統(tǒng)測定各徑級細(xì)根根長、根表面積、根體積，再將風(fēng)干根系置于烘箱6 h(90℃)烘干后稱量，并計(jì)算各徑級根質(zhì)量，公式為：徑級根質(zhì)量=各徑級根體積/根樣總體積×根樣總質(zhì)量。土壤容重采用環(huán)刀法測定[11]。顆粒分析采用甲種比重計(jì)法[11]。有機(jī)質(zhì)測定采用重鉻酸鉀—硫酸氧化法[12]。

表1　樣地情況統(tǒng)計(jì)

2.3土壤剪切試驗(yàn)

土樣制作按照《土木試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50123—1999)[13]配制相應(yīng)含水量試樣，試樣高度為2 cm，直徑為6.18 cm，試樣含水量等級為：30%，35%，40%。

試驗(yàn)所用的剪切儀為ZJ型應(yīng)變控制式直剪儀。直剪試驗(yàn)采用不排水快剪試驗(yàn)方法，速度為0.8 mm/min，嚴(yán)格按《土木試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50123—1999)[13]進(jìn)行操作。剪切時(shí)用50，100，150，200 kPa四種垂直壓力，量力環(huán)率定系數(shù)分別為1.692，1.892，1.773，1.686。

抗剪強(qiáng)度取剪切位移4 mm所對應(yīng)的剪應(yīng)力。以抗剪強(qiáng)度為縱坐標(biāo)，垂直壓力為橫坐標(biāo)，繪制抗剪強(qiáng)度與垂直壓力關(guān)系曲線，直線的傾角為摩擦角，直線在縱坐標(biāo)上的截距為粘聚力[13]。

3　結(jié)果與分析

由庫侖抗剪強(qiáng)度公式[14]：

τ=c+σtgφ

式中：τ——土的抗剪強(qiáng)度(kPa)；c——土的強(qiáng)度指標(biāo)之一，稱之為土壤粘聚力(kPa)；σ——作用在剪切面上的法向應(yīng)力(垂直壓力)(kPa)；φ——土的強(qiáng)度指標(biāo)之一，稱之為內(nèi)摩擦角(°)。

可得土壤抗剪強(qiáng)度由摩擦強(qiáng)度σtgφ和粘聚力c兩部分構(gòu)成。通常認(rèn)為影響土壤抗剪強(qiáng)度的因素包括含水率、容重、有機(jī)質(zhì)、顆粒組成、根密度等方面[1,6,15-17]。

表2　不同林分類型土壤理化性質(zhì)及抗剪指標(biāo)統(tǒng)計(jì)

3.1土壤理化性質(zhì)對土壤抗剪強(qiáng)度的影響

由材料學(xué)相關(guān)理論可知，材料的力學(xué)性質(zhì)主要決定于其物質(zhì)組成和分子結(jié)構(gòu)，土壤是由大量不同粒徑的礦物質(zhì)和極其少量的有機(jī)質(zhì)、無機(jī)鹽等借助于礦物顆粒間的吸引力、土壤膠體及土壤水分組合而構(gòu)成的多相體材料，因此礦物顆粒的粒徑大小、組成比例等因素對土體的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)影響較大[7]。有研究表明影響土壤抗剪強(qiáng)度的因素很多，包括容重、含水率、有機(jī)質(zhì)、土壤質(zhì)地、顆粒組成等方面的理化性質(zhì)[1,12,18]。本文選取容重(X1)、有機(jī)質(zhì)含量(X2)、土壤粉粒/粘粒(X3)作為指標(biāo)與土壤在含水率為35%時(shí)的內(nèi)摩擦角(X4)、粘聚力(X5)、土壤抗剪強(qiáng)度(100 kPa)(X6)(表2)，進(jìn)行相關(guān)分析，分析結(jié)果見表3。

由表3可以得出，土壤有機(jī)質(zhì)含量與土壤抗剪強(qiáng)度及反映土壤抗剪性能的土壤粘聚力和內(nèi)摩擦角呈顯著的正相關(guān)關(guān)系；土壤容重與土壤粘聚力呈顯著的正相關(guān)關(guān)系而與內(nèi)摩擦角關(guān)系不明顯；粉粒/黏粒與土壤抗剪強(qiáng)度和土壤粘聚力呈顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系。分析原因?yàn)椋?/p>

有機(jī)質(zhì)含量對土壤抗剪強(qiáng)度的影響一方面是由于大量土壤根系的存在增強(qiáng)了土壤的粘聚力(稱為“根粘聚力”)[6-8]；另一方面，有機(jī)質(zhì)含量較高表明了土壤中本身的膠結(jié)物質(zhì)含量比較多，增大了土壤的粘聚力和內(nèi)摩擦角。

有研究表明土壤容重與內(nèi)摩擦角之間關(guān)系不甚明顯，但對原始凝聚力及加固凝聚力有重大影響[19]。土壤容重是對土壤物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)密實(shí)程度的綜合反映[15]，對于同一土質(zhì)(土壤的礦物成份、顆粒組成及土壤結(jié)構(gòu)基本一致)在含水率相同的情況下，容重越大，土體的結(jié)構(gòu)就越密實(shí)，表明土體中孔隙含量少，土體顆粒間距小，引力大，同時(shí)顆粒間的接觸面積也相對較大，從而增大了相對滑動(dòng)時(shí)的摩擦力，使土壤粘聚力變大，增大了土體抗剪強(qiáng)度。

粉粒/黏粒反映了土壤的顆粒組成特性，粉粒/黏粒越小，表明土壤質(zhì)地越粘重，從而使土壤抗剪強(qiáng)度越大，所以粉粒/黏粒與土壤抗剪強(qiáng)度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系[1]。

表3　各變量之間相關(guān)系數(shù)矩陣

注：*p<0.05水平，**p<0.01，下表同。

3.2植物根系對土壤抗剪強(qiáng)度的影響

土壤中的根系與土壤抗剪強(qiáng)度關(guān)系密切，有研究表明土壤根系的存在可以增強(qiáng)土壤的抗剪切強(qiáng)度[14]。為了深入研究根系對土壤抗剪強(qiáng)度的影響，選擇根長(X1)，根表面積(X2)，根體積(X3)，根質(zhì)量(X4)，抗剪強(qiáng)度X5(w=35%，σ=100 kPa)(表4)，運(yùn)用SPSS軟件進(jìn)行相關(guān)分析，各變量之間相關(guān)矩陣列于表5。

由表5可以看出抗剪強(qiáng)度與根系各指標(biāo)之間是顯著的正相關(guān)關(guān)系，其中與根體積和根表面積相關(guān)性達(dá)到極顯著水平，與根長和根質(zhì)量相關(guān)性達(dá)到顯著水平。土壤中的植物根系通過改善土壤的結(jié)構(gòu)性和土壤的理化性質(zhì)等方面來提高土體的抗剪切性能。

土體中的任何顆粒與根表面接觸，無論是以邊相接，還是以面相接，較之土粒，根周的表面是以面與土壤接觸為主，根面(主要是根表面)總是凹凸不平，加之叉根、根節(jié)及根毛(根表皮細(xì)胞的突起物，直徑約5～15 μm，長約5～10mm)眾多，大大增加了根和土之間的接觸面積，使兩者之間的摩擦力增強(qiáng)，根表面積和根體積可以很好的表達(dá)根系的這方面性質(zhì)[20]。因此根系的表面積和體積越大，土壤的抗剪強(qiáng)度越強(qiáng)。

另一方面，根系在土壤中穿插、纏繞就如同在土壤中增設(shè)了許多微細(xì)鋼筋，即根系對土壤產(chǎn)生顯著的“加筋”作用，使土壤的整體強(qiáng)度增大，有研究表明[21]直徑0.6 mm 根的抗拉強(qiáng)度可高達(dá)22.32 MPa，約為Ⅰ級鋼筋抗拉強(qiáng)度的10%。土壤根系的根長和根質(zhì)量這兩個(gè)指標(biāo)很好反映了根系的穿插、纏繞特性，根系越長，根質(zhì)量越大，這種穿插、纏繞效果就越明顯，土壤抗剪強(qiáng)度就越大。另外，根系表面上存在的大量根毛也增加了根系對土體的網(wǎng)絡(luò)固持作用，根毛的直徑和長度要比主根小得多，根毛增加了根土之間的接觸，起到固結(jié)和纏繞周圍土體的作用。土壤中植物根系的這種固持、“加筋”作用使土壤和根系形成了互相依存、共同工作的集合體，即“土壤—根系復(fù)合體”。

“土壤—根系復(fù)合體”的提出對土壤抗剪強(qiáng)度的研究有重大影響，因?yàn)橛捎诟档摹凹咏睢卞^固作用，使土壤抗剪強(qiáng)度、粘結(jié)力和內(nèi)摩擦角都有了不同的意義。當(dāng)復(fù)合體受剪力作用時(shí)，不僅產(chǎn)生土粒與土粒之間的摩擦作用，同時(shí)還產(chǎn)生土粒和根系之間的摩擦作用，這對復(fù)合體來講，都屬于內(nèi)摩擦力，故φ值可理解為“土壤—根系復(fù)合體”的綜合摩擦角，比單純的土粒摩擦力有較大增強(qiáng)。同樣c值不僅包括土粒與土粒之間的凝聚力，同時(shí)還包括土粒和根系之間的凝聚力，以及由土粒的剪應(yīng)力傳遞給根系而引起的根系剪應(yīng)力或錨固力。當(dāng)錨固力大于根系剪應(yīng)力時(shí)以根系剪應(yīng)力為主，反之以錨固力為主，故c值可理解為“土壤—根系復(fù)合體”的凝聚力與根系剪應(yīng)力或錨固力之和，其中根系的抗剪力或錨固力是c值的重要組成部分[21]。由此可以看出“土壤—根系復(fù)合體”對土壤的抗剪強(qiáng)度有很大的增強(qiáng)作用。

根系的存在對土壤的理化性質(zhì)也有一定的改善作用。土壤中的根系提高了土壤的容重，根系在生長過程中對四周土體產(chǎn)生的軸向壓力以及對根周土壤的膨壓，使根系四周的土體容重增大，根和土之間的接觸更加緊密，增大了根和土體之間的摩擦力；根系在生長過程中會(huì)分泌一些化學(xué)物質(zhì)，主要包括低分子分泌物如有機(jī)酸、糖類、氨基酸和高分子分泌物如黏膠、外酶等，這些物質(zhì)與土壤發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，有利于土壤顆粒的膠結(jié)，提高了土壤的粘聚力[6]。

表4　不同林分類型根系特性與抗剪強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)

表5　 根系特性與抗剪強(qiáng)度相關(guān)分析

3.3不同植被類型土壤抗剪切性能評價(jià)

選擇容重(X1)等10個(gè)指標(biāo)(表6)，對研究區(qū)8種植被進(jìn)行聚類分析以評價(jià)研究區(qū)不同林分類型土壤抗剪切性能的強(qiáng)弱，聚類結(jié)果見圖1。

綜合對10個(gè)指標(biāo)的分析可以看出，毛竹林和灌木林劃為同一類型，屬于抗剪性能最強(qiáng)的一類。馬尾松林、針闊混交林、麻櫟林和杉木林歸為一類，屬于抗剪性能較強(qiáng)的一類。茶園和農(nóng)田歸為一類，屬于抗剪性能較弱的一類。分析其原因?yàn)椋好窳指禈O為豐富，竹鞭竹根盤根錯(cuò)結(jié)，對土壤的網(wǎng)絡(luò)固持作用最強(qiáng)。灌木林根系也極為發(fā)達(dá)，特別是小于1 mm的根系極多，對土壤的加筋作用很強(qiáng)。馬尾松林、針闊混交林、麻櫟林和杉木林為當(dāng)?shù)氐闹饕鷳B(tài)公益林類型，這些林分土壤中植物根系豐富，無論根表面積、根體積等根系特性都很好，根系在土壤中的錨固“加筋”作用很明顯，所以抗剪強(qiáng)度較好。農(nóng)田和茶園為人為經(jīng)營，但當(dāng)?shù)赝寥揽傮w比較貧瘠，農(nóng)田20 cm以下土壤中石礫含量就很大，茶園中由于人為除草等因素使土壤中根系含量不是很大，所以農(nóng)田茶園歸為較弱類。

表6　相關(guān)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)

為了深入研究不同林分類型土壤抗剪強(qiáng)度與土壤理化性質(zhì)和根系特性的關(guān)系，以土壤抗剪強(qiáng)度為因變量Y，容重X1，有機(jī)質(zhì)含量X2，粉粒/黏粒X3，根長X4，根表面積X5，根體積X6，根質(zhì)量X7為自變量，應(yīng)用SPSS統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行多元回歸分析，得到開化縣不同等級土壤抗剪強(qiáng)度與影響因子的回歸模型：

最強(qiáng)類：毛竹林、灌木林Y=-20.779X1+1.313X2-33.018X3-3.53e-3X4+4.515e-2X5-3.22X6+0.262X7+69.436 (R2=0.99)

較強(qiáng)類：馬尾松林、杉木林、麻櫟林、針闊混交林

Y=4.558X1+2.231X2-1.505X3+1.427e-2X4-0.228X5+12.399X6-6.393X7-1.564 (R2=0.922)

較弱類：農(nóng)田、茶園Y=10.651X1+0.188X2-0.113X3+6.131e-4X4+0.652X6-15.826X7-6.793 (R2=0.989)

經(jīng)過對各林分類型實(shí)測值和理論估計(jì)值誤差分析,其精度達(dá)80%～85%,平均誤差率為15%～20%。

圖1　Ward法得到的聚類圖

4　結(jié) 論

(1) 土壤理化性質(zhì)對抗剪強(qiáng)度有重要影響，土壤有機(jī)質(zhì)含量與土壤抗剪強(qiáng)度及反映土壤抗剪性能的土壤粘聚力和內(nèi)摩擦角呈顯著的正相關(guān)關(guān)系，土壤容重與土壤粘聚力呈顯著的正相關(guān)關(guān)系而與內(nèi)摩擦角關(guān)系不明顯，粉粒/黏粒與土壤抗剪強(qiáng)度和土壤粘聚力呈顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系。

(2) 植物對土壤抗剪強(qiáng)度有重要影響，植物根系對土壤有明顯的“加筋”作用，根系與土壤構(gòu)成“土壤—根系復(fù)合體”有效的增強(qiáng)了土壤抗侵蝕能力。植物根系各指標(biāo)與土壤抗剪強(qiáng)度之間有顯著的正相關(guān)關(guān)系，其中根體積和根表面積與土壤抗剪強(qiáng)度相關(guān)性達(dá)到極顯著水平，根長和根質(zhì)量與土壤抗剪強(qiáng)度相關(guān)性達(dá)到顯著水平。

(3) 對研究區(qū)8種植被類型土壤抗剪切性能進(jìn)行聚類分析可得：毛竹林和灌木林歸為一個(gè)類，屬于土壤抗剪性能最強(qiáng)的一類。馬尾松林、針闊混交林、麻櫟林和杉木林歸為一類，屬于土壤抗剪性能較強(qiáng)的一類。茶園和農(nóng)田歸為一類，屬于土壤抗剪性能較弱的一類。按聚類結(jié)果對不同植被類型土壤抗剪強(qiáng)度進(jìn)行回歸分析，建立了開化縣不同等級土壤抗剪強(qiáng)度與影響因子的回歸模型。

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[21]楊亞川,莫永京,王芝芳,等.土壤一草本植被根系復(fù)合體抗水蝕強(qiáng)度與抗剪強(qiáng)度的試驗(yàn)研究[J].中國農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),1996,1(2):31-38.

Research on Soil Shear Strength of the Major Forest Types in Headwaters of Qiantang River

ZHANG Xiaomian1, ZHANG Jinchi2, WANG Yunnan3,CHEN Maoqing4, YUE Chunlei1, TIAN Gang5, LI Shifeng3

(1.Zhejiang Forestry Academy, Hangzhou 310023, China; 2.Nanjing Forest University,Nanjing210037,China; 3.DepartmentofWaterResourcesofZhejiangProvince,Hangzhou310009,China; 4.ZhejiangDesignInstituteofWaterConservancyandHydroelectricPower,Hangzhou310002,China; 5.Zhejiang-basedGuangchuanEngineeringConsultingCo.,Ltd,Hangzhou310020,China)

Soil shear strength, physical and chemical properties and root system traits at different soil layers in 6 forest types and two controls (tea plantation and farmland) were determined in the headwaters of Qiantang River, Zhejiang Province. The relative analysis demonstrated that soil organic matter content had evident positive relation with soil shear strength, cohesion and internal friction angle, soil bulk density had significant relation with cohesion, and ratio of powder to viscosity had negative relation with soil shear strength and cohesion. Soil shear strength had evident positive relation with each root system trait (root length, surface area, volume and weight). Cluster analysis on soil shear strength of 8 tested forest types and influencing factors showed that soil shear strength was the highest inPhyllostachysheterocyclacv.pubescensforest and shrub, followed byPinusmassonianaplantation, coniferous and broad-leaved mixed forest,Quercusacutissimaforest andCunninghamialanceolataforest, and it was the least in tea garden and farmland. The regression models describing the relation between soil shear strength of different forest types and influencing factors were established for different grades of soil shear strength with accuracy of 80%～85%.

soil shear strength; physical and chemical properties; root characteristics; regression model; headwaters of Qiantang River

2014-05-13

2014-08-06

浙江省水利科研項(xiàng)目“浙江省水土保持項(xiàng)目效益監(jiān)測評價(jià)和可持續(xù)治理模式研究”

張曉勉(1983—),男,河南省鎮(zhèn)平縣人,助理研究員,博士,主要從事水土保持、森林生態(tài)等研究。E-mail:zhangxmzjfa@sina.com.cn

張金池(1962—),男,山東省安丘縣人,教授,博士生導(dǎo)師,主要從事林業(yè)生態(tài)工程、水土保持與荒漠化防治研究。E-mail：zhang8811@njfu.edu.cn

S157.5

A

1005-3409(2015)04-0079-06