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        長江中上游地區(qū)坡耕地土壤抗剪強(qiáng)度特征

        2019-12-18 03:35:48王一峰李建明
        中國水土保持 2019年12期

        王一峰,李建明

        (長江科學(xué)院水土保持研究所,湖北 武漢 430010)

        長江中上游地區(qū)是長江流域水土流失的主要區(qū)域,水土流失面積占全流域水土流失面積的96.4%,并且主要集中在金沙江下游,嘉陵江、沱江流域,烏江上游和三峽庫區(qū)[1]。在長江中上游地區(qū)各種土地利用類型中,坡耕地是造成嚴(yán)重水土流失的主要地貌單元[2]。目前在長江中上游地區(qū)坡耕地水土流失特點(diǎn)、機(jī)理和治理方面已有相關(guān)研究并取得了一定成果。土壤因子是土壤侵蝕研究的一個重要方面,對于定量評價和預(yù)測水土流失具有重要的參考價值,而土壤抗剪強(qiáng)度是指土體抵抗剪切破壞的極限強(qiáng)度,直接體現(xiàn)了土壤的力學(xué)性質(zhì)[1,3]。學(xué)者們從不同側(cè)重點(diǎn)對土壤抗剪強(qiáng)度展開了系列研究,在土壤抗剪強(qiáng)度與可蝕性的關(guān)系方面,認(rèn)為土壤抗剪強(qiáng)度可用于預(yù)測土壤侵蝕量,表征土壤可蝕性[4-7];而更多的研究則集中在土壤抗剪強(qiáng)度的影響因素方面,其中物理指標(biāo)主要包括土壤含水率、容重、土壤粒徑組成等[8-9],認(rèn)為土壤抗剪強(qiáng)度與土壤含水率之間呈非線性負(fù)相關(guān)關(guān)系[6,10-11]或隨含水量增大呈先增加后減小的趨勢[12-14],隨容重的增加而逐漸增大[6,8,10],和粉粒與黏粒的比值呈負(fù)相關(guān)關(guān)系[8];此外植物根系也是影響土壤抗剪強(qiáng)度的重要因素,植物根系可明顯提高土壤抗剪強(qiáng)度,含根量越大則土壤抗剪強(qiáng)度越大[15-16]。目前,針對土壤抗剪強(qiáng)度的研究多限于局部地區(qū)或少數(shù)土壤類型,并且土壤抗剪強(qiáng)度測試方法各異,缺乏統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)[17],加之樣本點(diǎn)數(shù)量有限,對于長江中上游地區(qū)坡耕地這一重要水土流失類別缺乏針對性的研究。基于上述研究背景,本研究在長江中上游9個省(市)坡耕地選擇37個測試點(diǎn),采用便攜式抗剪儀快速原位測定不同點(diǎn)位的土壤抗剪強(qiáng)度,并分析區(qū)域內(nèi)土壤抗剪強(qiáng)度和土壤質(zhì)地、含水率等的關(guān)系,希望能為長江流域坡耕地水土流失定量評價及預(yù)測提供科學(xué)依據(jù)。

        1 材料與方法

        1.1 測試點(diǎn)選擇

        測試點(diǎn)選擇以點(diǎn)面(區(qū)域)映射為原則,共選擇37個測試點(diǎn),涉及甘肅、陜西、四川、重慶、云南、貴州、湖北、湖南和江西等9個省(市),基本涵蓋了云貴高原石漠化區(qū)、金沙江下游和嘉陵江上游主產(chǎn)沙區(qū)、三峽庫區(qū)和丹江口庫區(qū)上游,以及洞庭湖和鄱陽湖流域等長江中上游的主要水蝕區(qū),包括了四川盆地、江南丘陵、川東平行嶺谷區(qū)、云貴高原等不同地貌類型區(qū),兼顧了主要地帶性土類中的紅壤、黃壤等,以及與區(qū)域水土流失狀況有明顯關(guān)系的非地帶性土類中的紫色土、石灰土等,測試對象位于丘陵和低山地區(qū)坡耕地的緩坡部位。37個測試點(diǎn)位分布見圖1。

        圖1 野外原位測試點(diǎn)位分布

        1.2 試驗(yàn)方法

        土壤抗剪強(qiáng)度采用14.10 Pocket Vane Tester型三頭抗剪儀測定[18]。該抗剪儀便于攜帶,共有三個旋頭,分別為CL102型(小號)、CL100型(中號)、CL101型(大號),針對不同質(zhì)地的土壤采用不同的旋頭。在測試點(diǎn)選取符合要求的空地,清除地表枯枝落葉等雜物,人工開挖一個長×寬×深為1.5 m×1.0 m×0.6 m的剖面,分別在土壤剖面的0 cm(表層)、20 cm深度(底層)留成階梯狀的平面,用小鐵鏟整平,將抗剪儀水平壓于土中,扭動抗剪儀柄直至土壤被破壞,記錄抗剪儀指針讀數(shù)。為保證測定結(jié)果的可靠性及有效性,剔除異常情況,每個測試深度的抗剪強(qiáng)度重復(fù)3次,如測試的3個結(jié)果差異較大,則增加測試次數(shù)。每個土壤抗剪強(qiáng)度值依據(jù)“實(shí)測值與結(jié)果值之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系曲線”獲取最終的結(jié)果。三個抗剪儀旋頭(大號、中號、小號)通過實(shí)測值計算抗剪強(qiáng)度結(jié)果的轉(zhuǎn)換關(guān)系為

        大號:y=0.02x

        (1)

        中號:y=0.11x

        (2)

        小號:y=0.27x

        (3)

        上三式中:x為抗剪儀實(shí)測值;y為轉(zhuǎn)換后的結(jié)果,即為土壤抗剪強(qiáng)度,kg/cm2。

        在完成各測試點(diǎn)抗剪強(qiáng)度測試后,用100 cm3環(huán)刀在表層取3個樣品用于容重的計算,并按照不同土層深度分別取0.5 kg的樣品均勻混合后裝于密封袋內(nèi),帶回室內(nèi)進(jìn)行土壤理化性質(zhì)分析。其中土壤機(jī)械組成采用比重瓶法,土壤有機(jī)質(zhì)含量用重鉻酸鉀容量法測定,土壤含水率采用烘干法測定,在現(xiàn)場用鋁盒取樣后用隨身攜帶的電子秤稱濕土質(zhì)量并做好記錄,以防時間過長導(dǎo)致土壤水分流失,鋁盒及環(huán)刀樣品待野外工作完成后帶回實(shí)驗(yàn)室利用烘箱在105 ℃條件下烘干24 h,稱干土質(zhì)量,進(jìn)而計算含水率。

        2 結(jié)果與分析

        2.1 坡耕地不同土壤質(zhì)地理化性質(zhì)特征

        對各測試點(diǎn)土樣進(jìn)行機(jī)械組成測定和分析。根據(jù)國際制土壤質(zhì)地分類標(biāo)準(zhǔn)[19],37個測試點(diǎn)的土壤質(zhì)地可劃分為黏壤土、壤土、壤質(zhì)黏土和砂質(zhì)壤土4種類型。根據(jù)質(zhì)地性質(zhì)及機(jī)械組成,也為了便于分析比較,在土壤質(zhì)地分類上,將壤土和砂質(zhì)壤土歸為壤土,壤質(zhì)黏土歸為黏土,最終確定壤土土樣13個、黏壤土土樣16個、黏土土樣8個。各測試點(diǎn)土壤機(jī)械組成、含水率、容重、有機(jī)質(zhì)含量及不同土層深度土壤抗剪強(qiáng)度見表1。

        結(jié)果表明,壤土的砂粒含量平均值為65.40%(分布范圍為53.40%~79.39%),分別是黏壤土和黏土的1.44和1.57倍,而壤土的粉粒及黏粒含量之和的平均值為34.60%,僅分別為黏壤土和黏土的63.45%、59.18%;從土壤質(zhì)地分析,壤土中含有較多的砂粒,顆粒粗、黏性小,黏土的細(xì)顆粒含量多、黏性強(qiáng),利于水分在土壤中儲存,而黏壤土則介于壤土和黏土之間。

        3種土壤質(zhì)地表層和底層的土壤含水率差異顯著,但大小均呈現(xiàn)為壤土<黏壤土<黏土,黏土表層和底層的平均含水率分別為22.94%和28.65%,分別是黏壤土相應(yīng)值的1.05和1.25倍,是壤土的1.27和1.52倍,且不同土壤質(zhì)地的土壤含水率均呈現(xiàn)出表層含水率低于底層的規(guī)律,以黏土表現(xiàn)最為顯著,表層土壤平均含水率較底層少19.94%,而黏壤土和壤土則分別少5.11%和4.11%,這也進(jìn)一步說明了黏土更加有利于土壤水分的儲存。表層土壤含水率低于底層,主要是由于坡耕地表層受人為翻耕擾動較多,加之表層土壤直接受太陽直射,蒸發(fā)強(qiáng)烈,水分更容易丟失。在相同條件下,土壤黏粒含量越高,土壤儲水能力越強(qiáng)。

        壤土、黏壤土和黏土的平均容重分別為1.35、1.34、1.35 g/cm3,相同土壤質(zhì)地各測試點(diǎn)的容重差異較大,分布范圍分別為1.16~1.44、1.09~1.58、1.16~1.57 g/cm3,容重的變化幅度分別為0.69%~19.44%、5.70%~31.01%和2.55%~20.38%。壤土、黏壤土和黏土平均有機(jī)質(zhì)含量分別為2.69%、3.14%、2.92%,可見相較于壤土而言,黏壤土和黏土黏粒含量較高,有機(jī)質(zhì)含量也較多。

        2.2 土壤抗剪強(qiáng)度與土壤質(zhì)地的關(guān)系

        對3種土壤質(zhì)地的抗剪強(qiáng)度進(jìn)行統(tǒng)計分析,結(jié)果見圖2。由圖2知,表層土壤抗剪強(qiáng)度均值呈現(xiàn)壤土<黏壤土<黏土,壤土最小,抗剪強(qiáng)度均值為0.25 kg/cm2,黏壤土均值為壤土的1.32倍,黏土均值最大,達(dá)到0.56 kg/cm2,為壤土的2.24倍。在底層,不同土壤質(zhì)地土壤抗剪強(qiáng)度均值分布規(guī)律與表層相同,壤土最小,抗剪強(qiáng)度均值為0.31 kg/cm2,黏壤土為壤土的1.74倍,達(dá)到0.54 kg/cm2,黏土最大,均值為0.99 kg/cm2,為壤土的3.19倍。顯著性分析結(jié)果表明,黏土與壤土、黏壤土測試點(diǎn)間土壤抗剪強(qiáng)度存在顯著差異,且黏土抗剪強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差較其他二者顯著偏大,造成該現(xiàn)象的主要原因可能是土壤自身性質(zhì)的差異,也可能是樣本數(shù)量較少,后續(xù)研究中需要進(jìn)一步研究黏土的理化性質(zhì)。通過對比分析不同土壤質(zhì)地平均抗剪強(qiáng)度可以看出,土壤質(zhì)地能在一定程度上反映出抗剪強(qiáng)度的大小。這是因?yàn)橥寥蕾|(zhì)地反映了土壤中不同粒級土粒的含量組合狀況,是土壤的最基本物理性質(zhì)之一,其主要由成土母質(zhì)類型決定,具有相對穩(wěn)定性。分析結(jié)果表明,壤土是較理想的農(nóng)業(yè)土壤,在土壤特性上表現(xiàn)為通氣透水,抗剪強(qiáng)度較?。火と劳镣ㄍ感陨圆?,抗剪強(qiáng)度居中;黏土具有較好的黏性和可塑性,抗剪強(qiáng)度最大。

        表1 各測試點(diǎn)測試結(jié)果統(tǒng)計

        注:表中空白表示土層深度不足20 cm,無數(shù)據(jù)。

        圖2 不同土壤質(zhì)地及不同土層深度的抗剪強(qiáng)度特征

        為進(jìn)一步分析土壤理化性質(zhì)對土壤抗剪強(qiáng)度的影響,對壤土、黏壤土和黏土在表層及底層的抗剪強(qiáng)度與各影響因素進(jìn)行相關(guān)性分析,結(jié)果見表2。

        由表2可知,黏壤土、黏土和壤土表層的土壤抗剪強(qiáng)度與含水率均呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系,即含水率越大,土壤抗剪強(qiáng)度越小,土壤結(jié)構(gòu)越容易遭受破壞。隨著土層深度的增加,土壤質(zhì)地不同、孔隙狀況差異導(dǎo)致含水率差別較大,只有壤土和黏壤土底層土壤抗剪強(qiáng)度與含水率呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系,這與上述分析認(rèn)為相比黏土,壤土、黏壤土通氣透水性較強(qiáng)、抗剪強(qiáng)度較低的結(jié)論相一致。黏土表層土壤抗剪強(qiáng)度與黏粒含量呈顯著正相關(guān)(P<0.05),進(jìn)一步表明隨著土壤逐漸發(fā)育,黏粒含量增大會導(dǎo)致抗剪強(qiáng)度增加,這在黏粒含量高的黏土中表現(xiàn)尤其顯著。

        表2 土壤抗剪強(qiáng)度與各影響因素相關(guān)性分析

        注:表中標(biāo)“*”號是指在0. 05水平(雙側(cè)) 上顯著相關(guān)。

        2.3 相同質(zhì)地土壤不同含水率對抗剪強(qiáng)度的影響

        上述相關(guān)性分析表明,在各土壤理化性質(zhì)中,土壤抗剪強(qiáng)度與含水率的相關(guān)性最強(qiáng)。土壤質(zhì)量含水率和干旱程度分級標(biāo)準(zhǔn)中界定,土壤干旱程度為濕(偏濕)、適宜、旱(含輕旱、中旱、重旱)的土壤含水率區(qū)間分別為>20%、15%~20%、<15%[20]。壤土、黏壤土、黏土不同含水率區(qū)間的土壤抗剪強(qiáng)度變化規(guī)律如圖3所示。壤土表層抗剪強(qiáng)度隨著含水率的增加呈現(xiàn)出先波動增加后迅速減小的趨勢,含水率<15%、15%~20%、>20%的平均抗剪強(qiáng)度分別為0.33、0.35和0.10 kg/cm2;而在底層,抗剪強(qiáng)度隨著含水率的增加總體逐漸減小,平均抗剪強(qiáng)度分別為0.50、0.29和0.15 kg/cm2。表層土壤受耕作活動影響,土質(zhì)疏松,穩(wěn)定性差,在土壤較為干燥、含水率較小時易呈松散狀,在人為擾動和低含水率的雙重影響下抗剪強(qiáng)度較小,各測試點(diǎn)中含水率最小值僅為2.45%,此時土壤黏聚力主要受水膜黏結(jié)力決定[21];隨著含水率增加,水分子數(shù)量增多,分子膜引力對土粒的牽引作用逐漸增強(qiáng)[6],抗剪強(qiáng)度增大;隨著含水率的繼續(xù)增加,土顆粒周圍的水膜厚度持續(xù)增大,使得土顆粒間的黏結(jié)力減小,摩擦力降低,更易相互移動[22],抗剪強(qiáng)度隨之降低。在底層,土壤結(jié)構(gòu)受耕作等人為活動影響較少,土壤含水率的差異遠(yuǎn)小于表層土壤,壤土在這一深度含水率測得的最小值為11.78%,接近配置土樣抗剪強(qiáng)度峰值時的含水率10%[13],此時抗剪強(qiáng)度最大,隨著含水率的增加,土粒間黏結(jié)力減小,抗剪強(qiáng)度也呈現(xiàn)減小的趨勢。

        黏壤土和黏土表層抗剪強(qiáng)度隨含水率的變化規(guī)律也呈先增大后減小的趨勢,含水率<15%、15%~20%、>20%時的平均抗剪強(qiáng)度分別為0.31、0.40、0.30 kg/cm2和1.02、1.17、0.25 kg/cm2;底層土壤抗剪強(qiáng)度隨著含水率的增加逐漸減小,其中:黏壤土含水率<15%、15%~20%、>20%時平均抗剪強(qiáng)度分別為0.77、0.58、0.47 kg/cm2;黏土底層的含水率均高于15%,因此不存在含水率<15%的情況,含水率15%~20%、>20%時的平均抗剪強(qiáng)度分別為1.67、0.54 kg/cm2。

        圖3 不同質(zhì)地土壤抗剪強(qiáng)度隨含水率的變化

        3 結(jié) 語

        通過原位測定長江中上游地區(qū)坡耕地37個測試點(diǎn)的土壤抗剪強(qiáng)度,并對土樣進(jìn)行理化性質(zhì)分析,研究土壤抗剪強(qiáng)度和土壤質(zhì)地、含水率之間的關(guān)系,結(jié)果表明:長江中上游地區(qū)坡耕地37個原位測試點(diǎn)的土壤質(zhì)地主要可劃分為壤土、黏土和黏壤土,表層及底層的土壤抗剪強(qiáng)度、含水率均表現(xiàn)為黏土>黏壤土>壤土,土壤黏粒含量越高儲水能力越強(qiáng);根據(jù)土壤干旱程度劃分,壤土、黏壤土和黏土表層土壤抗剪強(qiáng)度隨含水率增大先增加后減少,而底層的土壤抗剪強(qiáng)度隨含水率增大呈減少趨勢。

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