張旭賢

摘要：對喀斯特不同巖性發(fā)育區(qū)自然土壤的緊實度、內(nèi)摩擦角和黏聚力進行了研究，結果表明：碳酸鹽巖發(fā)育形成的自然土壤緊實度較高，土壤抗蝕性較強，其中自然土壤緊實度以泥灰?guī)r最低，較容易受到侵蝕；純碳酸鹽巖區(qū)發(fā)育形成的自然土壤的抗蝕性要高于泥質碳酸鹽巖區(qū)，純碳酸鹽巖區(qū)發(fā)育的土壤坡面不容易發(fā)生崩塌。

關鍵詞：喀斯特地區(qū)；土力學特性；土壤緊實度；內(nèi)摩擦角；黏聚力

中圖分類號：S152

文獻標識碼：A 文章編號：16749944（2017）10012803

1 引言

我國是世界上喀斯特地貌面積最大的國家之一[1]，喀斯特地貌地區(qū)極易發(fā)生土壤侵蝕，我國西南喀斯特地區(qū)土壤侵蝕導致的石漠化問題正逐漸演變?yōu)槲覈谌笊鷳B(tài)問題[2]。目前，國內(nèi)部分學者對喀斯特地區(qū)土壤退化[3]、土壤質量演變[4，5]等方面進行了研究，但我國喀斯特環(huán)境土壤侵蝕的有關研究工作仍極為薄弱。

土壤侵蝕是外部侵蝕營力與土壤本身的抗蝕能力共同作用的過程與結果。土壤本身力學特性是土壤侵蝕的內(nèi)因，研究土壤的力學特性，有助于認知土壤侵蝕的機理。結合緊實度、內(nèi)摩擦角、黏聚力綜合反映不同碳酸鹽巖發(fā)育形成的自然土壤的侵蝕力學特征，為水土保持工作提供參考依據(jù)。

2 研究區(qū)概況及研究方法

2.1 研究區(qū)地理位置及地質地貌狀況

研究區(qū)位于貴州省中部偏北的貴陽市，地理位置處于東經(jīng)106°27′～107°03′，北緯26°11′～26°55′之間，海拔872～1659 m。在地質構造上，屬于黔中地臺的一部分，地處苗嶺中段，在貴州高原的第二臺階上，屬全國東部向西部高原過渡地帶。區(qū)內(nèi)地表的巖層以碳酸鹽類巖石分布面積最廣，約占全市面積的71%，因而喀斯特地貌極為發(fā)育。該研究采集地點選擇了貴陽市內(nèi)喀斯特地貌較為典型的息烽縣、修文縣、清鎮(zhèn)市以及花溪區(qū)與烏當區(qū)。

2.2 采樣方法

該研究采取沿道路線路穿越的方式進行采樣，在采樣區(qū)分巖性選取道路兩側較為完好的林地或灌草地作為樣地，進行常規(guī)剖面調查并采集不同土層的袋裝土與原狀土。共選取了41個樣地，其中，純白云巖樣地9個，純灰?guī)r樣地19個，泥灰?guī)r樣地6個，泥質白云巖樣地7個。

2.3 土壤緊實度的測定

緊實度采用垂直測量和水平測量兩種方法，垂直測量采用美國DICKEY-john 6100型土壤緊實度儀，筆者將其簡稱為“垂直”土壤緊實度儀。水平測量采用浙江農(nóng)業(yè)大學土化系研制的土壤緊實度儀，對其簡稱為“水平”土壤緊實度儀。測量時先挖好剖面，確定各土層厚度，然后在剖面周圍選5個點，均勻使勁，將“垂直”土壤緊實度儀壓入不同的土層，測定垂直土壤緊實度。測量水平土壤緊實度時，先將剖面削整齊，在各土層的中部附近垂直于挖好的剖面均勻用力，將“水平”土壤緊實度儀勻速壓入土層中，并記錄讀數(shù)。兩種土壤緊實度的測量都需在各土層實測5次，若遇到異常值還需要補測，最后求其平均值，作為該土層的緊實度值。

2.4 土壤抗剪強度指標測定

在每個土層用20 mm×61.8 mm不銹鋼環(huán)刀每層取4份原狀土，帶回實驗室后按照土工試驗方法（GB/T50123-1999）標準，采用ZJ—Ⅱ型等應變直剪儀進行快剪試驗（15圈/min）[6]，通過作抗剪強度與垂直壓力（100、200、300、400 kPa）的關系圖，求得黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ。

抗剪強度采用庫倫公式為：

τf=σtgφ+c（1）

式（1）中：τf為土的抗剪強度（kPa）；σ為作用在剪切面上的法向應力（kPa）；φ土壤內(nèi)摩擦角（°）；c為土壤黏聚力（kPa）。

3 結果分析

3.1 碳酸鹽巖發(fā)育形成自然土壤的力學總體特征

對碳酸鹽巖發(fā)育形成的自然土壤力學特征統(tǒng)計（表1）得出：①碳酸鹽巖發(fā)育形成的自然土壤垂直緊實度集中于900～1200 kPa之間，均值為1026.6 kPa，水平緊實度集中于3～8 kg/cm3之間，均值約為5.41 kg/cm3；②碳酸鹽巖發(fā)育形成的自然土壤的黏聚力集中于30～50 Kpa之間，均值為41.72 kPa；③碳酸鹽巖發(fā)育形成的自然土壤內(nèi)摩擦角大多處于10～25°之間，均值為18.08°。

3.2 不同碳酸鹽巖發(fā)育總成自然土壤緊實度

土壤緊實度主要受土壤機械組成、有機質、含水量、孔隙度及石礫含量的影響，集中反映了土壤內(nèi)部的力學狀況，可作為土壤侵蝕特征的力學指標。將野外調查的緊實度數(shù)據(jù)按不同的巖性與土層進行歸類統(tǒng)計與方差分析得到表2，對不同碳酸鹽巖發(fā)育形成的土壤的緊實度進行進行LSD檢驗，得到表3。

從表2與3可知，巖性對土壤的緊實度影響顯著。這是由于不同碳酸鹽巖的礦物成分，所含雜質等有所不同，致使其風化成土后土壤的機械組成（尤其是黏粒含量）、有機質等存在差異，土壤顆粒間的緊密狀況及顆粒間的粘結力有所差異，使得土壤緊實度各不相同。

3.3 不同碳酸鹽巖發(fā)育形成自然土壤的抗剪特征

土壤抗剪強度由滑動面上土的黏聚力（阻擋剪切）和土的內(nèi)摩阻力兩部分組成，用土壤的黏聚力c（kPa）與內(nèi)摩擦角φ（°）來表示。土壤的抗剪特性與土壤侵蝕密切相關，是土壤侵蝕的重要力學特征指標。

對喀斯特地區(qū)不同碳酸鹽巖發(fā)育形成的自然土壤進行直剪試驗測得的數(shù)據(jù)進行歸類統(tǒng)計與方差分析得到表4，在此基礎上對各抗剪指標分巖性與土層進行LSD檢驗得到表5。

4 結論與討論

碳酸鹽巖發(fā)育形成的自然土壤緊實度較高，土壤抗蝕性較強。4種碳酸鹽巖發(fā)育形成的自然土壤緊實度以泥灰?guī)r最低，當產(chǎn)生蓄滿產(chǎn)流后，泥灰?guī)r發(fā)育的土壤較容易受到侵蝕，應加強泥灰?guī)r區(qū)的水土保持工作。

碳酸鹽巖發(fā)育的自然土壤的黏聚力較強，4種碳酸鹽巖發(fā)育形成的自然土壤的黏聚力以純白云巖與純灰?guī)r區(qū)的較高，而泥質白云巖與泥灰?guī)r區(qū)的較低，從黏聚力來看，純碳酸鹽巖區(qū)發(fā)育形成的自然土壤的抗蝕性要高于泥質碳酸鹽巖區(qū)，相比之下，純碳酸鹽巖區(qū)發(fā)育的土壤坡面不容易發(fā)生崩塌。

不同碳酸鹽巖發(fā)育形成的自然土壤其A層的內(nèi)摩擦角集中在10～25°之間，略高于B層。4種碳酸鹽巖發(fā)育形成的自然土壤的內(nèi)摩擦角總體表現(xiàn)為石灰?guī)r組高于白云巖組。

參考文獻：

[1]

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[4]龍 健，李 娟，黃昌勇.我國西南地區(qū)的喀斯特環(huán)境與土壤退化及其恢復[J].水土保持學報，2002，（1）：36～39.

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[6]王云琦，王玉杰，張洪江，等.重慶縉云山不同土地利用類型土壤結構對土壤抗剪性能的影響[J].農(nóng)業(yè)工程學報，2006，22（3）：40～45.