馮舒悅，王軍光，文 慧，倪世民，華 麗，蔡崇法

贛南崩崗侵蝕區(qū)不同部位土壤抗剪強度及影響因素研究*

馮舒悅，王軍光，文 慧，倪世民，華 麗?，蔡崇法

（華中農(nóng)業(yè)大學水土保持研究中心，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部長江中下游耕地保育重點實驗室，武漢 430070）

為明確南方崩崗侵蝕區(qū)不同部位土壤抗剪強度的分布規(guī)律，探索在崩崗發(fā)育過程中土壤基本性質(zhì)對抗剪強度指標的影響，以不同發(fā)育階段崩崗各部位表層土（0～20 cm）為研究對象，對土壤基本性質(zhì)和抗剪強度的差異進行對比研究。結(jié)果表明：（1）隨著崩崗的發(fā)育，表層土壤基本性質(zhì)逐漸惡化，容重逐漸減小，顆粒組成粗骨質(zhì)化現(xiàn)象明顯，土壤有機質(zhì)的含量與根系密度的變化，均隨崩崗的發(fā)育呈現(xiàn)出典型的退化特征；（2）崩崗各部位黏聚力和內(nèi)摩擦角的變化規(guī)律相似，集水區(qū)部位達到峰值，溝道部位達到最小值，隨崩崗的發(fā)育呈明顯下降趨勢；（3）根系密度與黏聚力有良好的線性相關(guān)關(guān)系，礫石含量、粉粒含量和黏粒含量對崩崗土體內(nèi)摩擦角有顯著影響，可以用冪函數(shù)表示它們之間的關(guān)系；（4）試驗以根系密度、礫石含量、粉粒含量和黏粒含量來表征土壤飽和狀態(tài)下的抗剪強度，建立了在崩崗發(fā)育過程中飽和抗剪強度的預測方程（2=0.891，<0.01），結(jié)果顯示方程可信程度較高，預測效果較好。研究結(jié)果揭示了南方花崗巖崩崗區(qū)不同發(fā)育階段抗剪強度的控制因素，為進一步防治水土流失提供理論依據(jù)。

崩崗；發(fā)育階段；不同部位；土壤基本性質(zhì)；內(nèi)摩擦角；黏聚力

崩崗是山坡土體在水力作用和重力作用共同影響下發(fā)生崩塌侵蝕，經(jīng)過不斷地崩塌和陷落作用形成的一種圍椅狀地貌，是我國南方花崗巖地區(qū)侵蝕強度最大、危害最為嚴重的一種侵蝕類型，被喻為“生態(tài)潰瘍”[1-2]。我國南方崩崗分布范圍涉及湖北、湖南、江西、安徽、福建、廣東、廣西等7省，崩塌面積在60 m2以上的崩崗，總共有 23.91× 104個，總面積為1 220 km2[3-4]?；◢弾r崩崗區(qū)因節(jié)理構(gòu)造發(fā)達，在濕熱條件下易形成完整的厚層風化殼，當崩崗內(nèi)松散的土體遭遇連續(xù)降雨時，集水坡面的水勢增大，促進了水流對土體的剪切作用，加速了崩塌的發(fā)生。崩崗的成因可分為花崗巖的巖土特性、松散易腐蝕的土壤結(jié)構(gòu)和降雨帶來的水力侵蝕三個方面，其形成主要由于巖土穩(wěn)定性降低。土壤抗剪強度的大小直接反映了土體在外力作用下，發(fā)生剪切形變破壞的難易程度，是表征土體力學性質(zhì)的一個主要指標，也是水力侵蝕中基于過程的土壤侵蝕模型的重要參數(shù)[3，5]，與土壤侵蝕關(guān)系非常密切，廣泛應用于建筑地基工程、農(nóng)業(yè)水土工程、土壤水力與風力侵蝕等。因此，加強對各發(fā)育階段崩崗土體抗剪強度的研究對提高巖土穩(wěn)定性、改善土壤質(zhì)量和防治水土流失具有非常重要的理論價值與現(xiàn)實意義。

目前關(guān)于崩崗巖土體抗剪強度的研究主要集中于剪切方式、含水量、含石量以及其他條件影響下的抗剪強度特性[6-16]，陳曉安[17]對崩崗侵蝕區(qū)花崗巖和紅砂巖的土壤物理特性進行了分層研究，其結(jié)果表明：花崗巖與紅砂巖地區(qū)的母質(zhì)層抗剪強度明顯小于紅土層，其液塑性指標也明顯低于紅土層，說明花崗巖和紅砂巖崩崗地區(qū)紅土層的破壞容易誘發(fā)崩崗。張愛國等[18]以中國水蝕區(qū)范圍內(nèi)水土流失過程中的巖土體為研究對象，發(fā)現(xiàn)水土流失過程中影響抗剪強度的主導因素是容重、粉/黏粒、土壤含水量及土壤有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)。夏振剛等[19]通過研究崩崗不同層次巖土抗剪強度與含水量的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)含水量的變化對崩崗巖土抗剪強度影響極大，除淋溶層隨含水量增加呈先增大后下降趨勢外，各層次含水量大幅度增加，均導致抗剪強度急劇衰減。此外，張曉明等[20]對不同干濕效應下，崩崗侵蝕區(qū)巖土抗剪強度的衰減情況進行研究，發(fā)現(xiàn)土壤黏聚力、內(nèi)摩擦角隨干濕變化呈非線性衰減趨勢，運用灰色關(guān)聯(lián)法探究風干階段影響抗剪強度的三個主要因素依次塑性指數(shù)>游離氧化鐵>黏粒含量，在增濕階段的主要影響因素依次為干密度>水溶性鹽>黏粒含量。Bischetti等[21]通過對比植物不同土層深度根系的抗剪強度，得出抗剪強度增量與根系生物量之間呈線性正比關(guān)系。楊繼紅等[22]以土石混合的堆積體為研究對象，探索了不同含石量對堆積體剪應力-位移曲線和抗剪強度的影響規(guī)律，研究發(fā)現(xiàn)：隨著含石量的增加，堆積體抗剪強度逐漸增大，黏聚力呈先增大后減小的趨勢，臨界含石量約為60%。

由于崩崗在發(fā)育過程中，其土壤結(jié)構(gòu)、水分、生物量及顆粒組成等差異較大，目前對于崩崗各發(fā)育階段的抗剪強度研究還比較薄弱。因此，本文以江西贛縣金鉤形小流域各個發(fā)育階段崩崗為研究對象，擬通過室內(nèi)模擬剪切實驗和野外實地調(diào)查，分析南方丘陵區(qū)典型崩崗隨侵蝕程度的加劇其抗剪強度的差異，探討土壤基本理化性質(zhì)對抗剪強度的影響，以期為典型崩崗區(qū)土壤抗侵蝕能力研究和水土保持措施布置提供技術(shù)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

贛縣位于江西省南部，贛江上游，介于25°26′～26°17′N，114°42′～115°22′E，屬中亞熱帶丘陵山區(qū)季風濕潤氣候區(qū)，總面積為2 993 km2，年均氣溫19.3℃，年均降雨量1 076 mm。贛縣區(qū)境內(nèi)屬中低山丘陵地形，不同巖性的抗風化及抗侵蝕能力的差異形成不同地形、地貌，其中，花崗巖區(qū)易風化，風化層厚，多為山頂渾圓的低山丘陵，植被條件差，水土流失嚴重，崩崗發(fā)育集中，是遭受崩崗侵蝕較嚴重的一個典型縣區(qū)[2]，全縣水土流失面積9.8萬 hm2，占全縣土地面積的33%，其中輕度流失面積為3.3萬hm2，中度流失面積為3.6萬hm2，強度流失面積為2.9萬hm2[14]，給人民的生產(chǎn)生活帶來巨大影響。研究區(qū)域及采樣點如圖1所示。

試驗樣地布設于贛縣田村鎮(zhèn)金鉤形小流域，流域內(nèi)崩崗數(shù)量較多，侵蝕類型豐富，植被物種以馬尾松和鐵芒萁為主，輔以杉木、芒草和馬唐等多類雜草。在前期大量調(diào)查的基礎上，根據(jù)崩崗的侵蝕特征（表1），將崩崗不同發(fā)育階段劃分為發(fā)育初期、發(fā)育活躍期和發(fā)育穩(wěn)定期，從中挑選出各個階段的典型崩崗。其中，發(fā)育初期崩崗侵蝕溝長為29.1 m，溝道最大寬度為4 m，崩壁高為16.3 m，植被郁閉度為31%，草本覆蓋度為76%，水熱變化明顯；活躍期崩崗侵蝕溝長為80.1 m，溝道最大寬度為11.2 m，崩壁高為30.4 m，植被郁閉度為43%，草本覆蓋度為62%，水熱變化劇烈；穩(wěn)定期崩崗侵蝕溝長為51 m，溝道最大寬度為7.3 m，崩壁高為22.1 m，植被郁閉度為59%，草本覆蓋度為40%，水熱變化趨于緩和。

1.2 試驗材料

試驗依據(jù)母巖和成土條件相同，海拔和植被等地表生境相似的原則，選取由花崗巖發(fā)育的三處不同發(fā)育階段（初期、活躍期和穩(wěn)定期）的毗鄰崩崗為研究對象，于2017年11月采集崩崗的集水區(qū)、邊坡（上坡、中坡和下坡）和溝道部位的表層（0～20 cm）土壤樣品。采樣點的布設主要考慮3個方面：一是采樣點盡可能多的覆蓋整個崩崗流域，能代表樣地的基本信息特征；二是土體樣品盡可能代表崩崗的不同地貌部位；三是便于取樣，具有可通達性。每個部位選擇3～4個樣點，一共45個樣點，每個樣點取1～2 kg左右散土樣、3個100 cm3普通環(huán)刀樣和12個直剪環(huán)刀樣，散土樣裝入自封袋密封后帶回實驗室，放入木盤攤平成薄薄的一層，室內(nèi)通風陰干，剔出土壤中作物根系、雜草等侵入體，粉碎過篩。環(huán)刀樣加蓋，密封后帶回實驗室測定土壤容重和抗剪強度。土壤基本理化性質(zhì)采用常規(guī)方法測定[23]。

圖1 研究區(qū)域及采樣點位置

1.3 試驗設計與分析

本研究采用ZJ型應變控制式四聯(lián)直剪儀對土壤的抗剪強度進行測定，試驗裝置如圖2所示。將采集的直剪環(huán)刀（Ф 61.8 mm×20.0 mm）在不同的垂直壓力σ（50、100、150、200 kPa）下進行剪切，剪切速率為0.8 mm·min–1，量力環(huán)系數(shù)C為154.1 kPa·mm–1，剪切前在環(huán)刀底部放一吸水石（79.8×10 mm），加水至離環(huán)刀上部2 mm的位置，泡24 h至完全飽和，每組設3次重復，施加剪切力τ進行不固結(jié)不排水快剪試驗測定土壤抗剪強度，剪切完的環(huán)刀樣品，將土樣過0.2 mm的篩子沖洗出根系，測定根系密度。飽和原狀土的抗剪強度采用Mohr-Coulomb強度理論準確測定，Mohr-Coulomb公式為[20]：

式中，為土壤抗剪強度（kPa）；為黏聚力（kPa）；為垂直壓力（kPa）；為內(nèi)摩擦角（°）

本研究采用決定系數(shù)（2）、均方根誤差（RMSE）來衡量擬合函數(shù)或模型的有效性，篩選適用于試驗條件的結(jié)果。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

試驗數(shù)據(jù)采用Excel 2016、Origin 2018與SPSS 21.0進行數(shù)理統(tǒng)計分析，ArcGIS10.0和Origin2018進行制圖。

表1 各發(fā)育階段崩崗的基本特征

圖2 ZJ型應變控制式直剪儀

2 結(jié) 果

2.1 不同發(fā)育階段崩崗各部位土壤性質(zhì)的變化規(guī)律

各采樣點土壤的基本性質(zhì)見表2。各發(fā)育階段崩崗的土壤物理孔隙大，結(jié)構(gòu)較差，表層土壤容重范圍為1.02～1.40 kg·m–3，隨崩崗部位的下移逐漸降低，并隨崩崗的發(fā)育呈先降低后上升的趨勢，其中下坡和溝道與其他部位存在顯著差異；各發(fā)育階段崩崗土壤顆粒組成以粉粒居多，黏粒含量較低，土壤質(zhì)地屬于粉質(zhì)壤土，呈明顯粗骨質(zhì)化現(xiàn)象，其中，以溝道部位的土壤砂粒含量明顯高于其他部位；pH的變化范圍為3.95～4.98，呈中-強酸性；土壤有機質(zhì)的含量普遍處于較低水平，土壤養(yǎng)分貧瘠，致使植被自然恢復速度緩慢，呈現(xiàn)出典型的退化特征；根系密度的范圍在0.27～3.57 kg·m–3，對土壤的固結(jié)作用較弱，抗蝕性差，隨崩崗的發(fā)育呈現(xiàn)先降低后上升的趨勢。在崩崗發(fā)育過程中，以活躍期崩崗土壤性質(zhì)惡化最為嚴重，大量細粒組分及養(yǎng)分被搬運至洪積扇，掩埋下游農(nóng)田，而粗粒組分在崩積體及溝道發(fā)生沉積，導致崩崗系統(tǒng)土壤瘠薄，植被生長困難[24-25]。

表2 各發(fā)育階段崩崗采樣點的土壤理化性質(zhì)

續(xù)表

注：樣點第一個字母I-初期；A-活躍期；S-穩(wěn)定期.第二個字母C-集水區(qū)；U-上坡；M-中坡；L-下坡；S-溝道.下同Note：The first letter of a sampling site：I stands for -Initial stage；A for-Active stage；and S for-Stable stage；The second letter：C stands for - Collecting area；U for- Upper slope，M for- Middle slope；L for- Lower slope；and S for- Scour channel. The same below

2.2 不同發(fā)育階段崩崗各部位抗剪強度分布特征

土壤抗剪強度是由垂直荷載的法向應力、土壤內(nèi)摩擦角和黏聚力共同確定。黏聚力是表征土壤凝聚強度的重要因子，主要來源于膠結(jié)物質(zhì)的膠結(jié)作用和顆粒間的靜電力、范德華力，例如土壤中有機質(zhì)、游離氧化鐵等[26-27]。內(nèi)摩擦角是土壤摩擦強度的表征參數(shù)，主要取決于咬合摩擦，即剪切面顆粒間的交錯排列使顆粒間發(fā)生提升錯動、轉(zhuǎn)動、拔出，重新定向排列及顆粒本身的破壞斷裂[28]，與土壤顆粒大小分配，顆粒形狀及孔隙度密切相關(guān)。

如圖3實驗結(jié)果表明：隨著發(fā)育程度的加深，崩崗各階段的抗剪強度參數(shù)均表現(xiàn)為遞減趨勢。張愛國等[18]通過在國內(nèi)大范圍尺度上建立土壤抗剪強度回歸模型，分析了抗剪強度在水平空間和垂直空間上的變化規(guī)律。發(fā)育初期崩崗各部位的黏聚力均顯著大于發(fā)育活躍期和發(fā)育穩(wěn)定期，可能原因是發(fā)育初期崩崗土體在與根系的纏繞和固結(jié)過程中，因形成一定的土壤結(jié)構(gòu)形式、根系分泌產(chǎn)生的有機膠結(jié)劑等因素，增加了土壤顆粒間的結(jié)合強度，在發(fā)育初期崩崗的下坡部位土壤黏聚力達到峰值，即14.98 kPa，隨著發(fā)育的進行，物種變化明顯，植被稀少，各部位黏聚力具明顯下降趨勢，以發(fā)育穩(wěn)定期崩崗的溝道部位最低，即4.87 kPa。處于穩(wěn)定期的崩崗，因生態(tài)平衡逐漸恢復，土壤有機質(zhì)等含量逐漸上升，膠結(jié)物質(zhì)增多，因此發(fā)育穩(wěn)定期崩崗各部位間黏聚力下降緩慢，為發(fā)育活躍期的88.59%～99.40%，并在下坡部位有一定的回升趨勢。

此外，內(nèi)摩擦角的變化趨勢同黏聚力相似，但其下降的趨勢較為緩慢，由各發(fā)育階段不同部位間的對比可知，以集水區(qū)部位的內(nèi)摩擦角最高，溝道部位最低。對應土壤本身的容重及孔隙度可知，當容重減小或孔隙比增大時，土體的密實度降低，土壤顆粒間摩擦力隨之減小，內(nèi)摩擦角也變小，這與陳曉安[17]研究結(jié)果相似。而同一發(fā)育階段不同部位間，內(nèi)摩擦角順地勢高低呈現(xiàn)不規(guī)則的減小趨勢。這是由于飽和原狀土中的水分含量充足，被軟化的膠結(jié)物質(zhì)可作為潤滑劑，在土壤顆粒間起到潤滑作用，當坡面受到水流的剪切和沖刷作用時，粗顆粒滯留在集水區(qū)和上坡區(qū)域，細顆粒被夾雜著帶至坡下和溝道，使得溝道部位土壤顆粒間的粗糙度降低，減小了摩擦力，進而降低了土壤內(nèi)摩擦角。

表3顯示了五個空間部位抗剪強度參數(shù)的顯著變化（即，黏聚力從4.87 kPa到14.99 kPa，內(nèi)摩擦角從38.22°到46.89°）。其中，以溝道部位的抗剪強度最小，相對于其他空間部位差異較大，造成這種差異的原因可能是由不同坡地位置的土壤性質(zhì)和根系的生長狀況造成的。土壤性質(zhì)以土體密度、總孔隙度、顆粒組成、有機質(zhì)含量以及根系密度為代表，在不同空間部位的各個發(fā)育階段崩崗上存在很大差異（表2）。特別是溝道的黏粒含量和根系密度與其他部位相比明顯減少，在各個發(fā)育階段，根系密度較其他四個空間部位減少27.0%～41.0%，黏粒含量較其他四個空間部位減少24.0%～53.7%。

注：部位：C-集水區(qū)；U-上坡；M中坡；L-下坡；S-溝道. 圖例：IG-初期崩崗；AG-活躍崩崗；SG-穩(wěn)定崩崗。Note：The position：C stands for Collecting area；U for Upper slope，M for Middle slope；L for Lower slope；and S for Scour channel. Legend：IG stands for Initial gully；AG for Active gully；and SG for Stable gully.

表3 不同部位抗剪強度的統(tǒng)計參數(shù)

2.3 崩崗區(qū)抗剪強度在發(fā)育過程中的影響因素

崩崗侵蝕區(qū)因生態(tài)系統(tǒng)嚴重退化，土壤基本性質(zhì)惡劣，降雨時土壤快速達到飽和，保水及供水能力差，容易被水流剪切，從而發(fā)生侵蝕[29-30]。反之，土壤干旱時的貯水保水能力低，無法滿足植被正常生長所需的水分，使得植被難以生長，土壤退化更加嚴重，其抵抗水流剪切能力更弱[31]。因此，研究崩崗區(qū)土壤各性質(zhì)參數(shù)與抗剪強度指標的關(guān)系，對于指導崩崗侵蝕治理和加快侵蝕區(qū)的生態(tài)恢復建設具有重要意義。

表4所示為土壤各性質(zhì)參數(shù)間的相關(guān)關(guān)系，可知：土壤的容重、根系和粒徑級配等與抗剪強度之間存在高度相關(guān)關(guān)系。其中，根系密度、礫石含量、容重、孔隙度與內(nèi)摩擦角之間的關(guān)系密切，呈極顯著相關(guān)（2>0.60，<0.01），相關(guān)性大小為Gr>RD> BD>TP>CP；毛管孔隙、總孔隙與內(nèi)摩擦角呈負顯著相關(guān)；黏粒含量、根系密度與黏聚力也呈極顯著相關(guān)（2>0.60，<0.01），將各個參數(shù)分別與黏聚力和內(nèi)摩擦角進行逐步回歸分析后，結(jié)果顯示：礫石含量、粉粒含量、黏粒含量和根系密度為描述土壤抗剪強度最適合的參數(shù)指標。

表4 土壤基本性質(zhì)參數(shù)的相關(guān)關(guān)系矩陣

注：*< 0.05（雙側(cè)），**< 0.01（雙側(cè)），C-黏聚力；-內(nèi)摩擦角；BD-容重；CP-毛管孔隙度；TP-總孔隙度；Gr-礫石；Sa-砂粒；Si-粉粒；Cl-黏粒；pH-酸堿度；OM-有機質(zhì)；RD-根系密度。Note：*< 0.05（two-sided），**< 0.01（two-sided），C stands for Cohesion；for internal friction angle；BD for Bulk density；CP for Capillary porosity；TP for Total porosity；Gr for Gravel；Sa for Sand；Si for Silt；Cl for Clay；pH for soil pH；OM for Organic matter；and RD for Root density.

將上述選取的參數(shù)分別與內(nèi)摩擦角和黏聚力進行擬合，發(fā)現(xiàn)礫石含量、黏粒含量與內(nèi)摩擦角呈現(xiàn)出良好的冪函數(shù)關(guān)系，根系密度與黏聚力呈現(xiàn)出良好的線性相關(guān)關(guān)系，這一結(jié)果與李慧等[32]和李建興等[33]關(guān)于植物根系對抗剪強度的影響研究中得出的結(jié)論相似。雖然粉粒含量與內(nèi)摩擦角的相關(guān)關(guān)系較低，但相較其他參數(shù)，粉粒含量在回歸分析時對內(nèi)摩擦角的貢獻度較高，因此，選用礫石含量、粉粒含量、黏粒含量和根系密度四個參數(shù)來描述土壤抗剪強度的變化特征，對它們之間的關(guān)系進行擬合，發(fā)現(xiàn)呈現(xiàn)良好的冪函數(shù)關(guān)系（圖4），此結(jié)論與Chen等[12]和Elham等[34]得到的土壤性質(zhì)參數(shù)擬合抗剪強度的關(guān)系較類似，表5所示為土壤基本性質(zhì)與抗剪強度指標的函數(shù)關(guān)系。

2.4 土壤基本性質(zhì)與抗剪強度的擬合模型

土壤基本性質(zhì)與抗剪強度存在十分密切的關(guān)系。綜合其他研究者的結(jié)論，土壤顆粒與微結(jié)構(gòu)間的膠結(jié)力能夠抵抗外營力作用帶來的土壤離散，植物根系能網(wǎng)絡固持土壤[35-37]，增強土壤穩(wěn)定性。從土壤基本性質(zhì)定量分析抗剪強度，以內(nèi)摩擦角為目標函數(shù)，選取上述擬合結(jié)果較好的礫石含量、粉粒含量和黏粒含量作為自變量建立多元回歸模型：

以決定系數(shù)（2）、均方根誤差（RMSE）來衡量擬合函數(shù)的有效性，其中2值為0.87，RMSE值為0.92，擬合結(jié)果達到預測精度要求。從試驗的綜合結(jié)果看，礫石含量是影響崩崗土體內(nèi)摩擦角的主導因子，其次為黏粒含量和粉粒含量，土壤中粗顆粒物質(zhì)增多，保水保肥能力隨之下降，而適量的水分對土壤有一定的黏結(jié)力，黏結(jié)力減小，土壤顆粒間的移動較為容易，摩擦力降低。由上式擬合結(jié)果結(jié)合根系密度與黏聚力的擬合結(jié)果，對土壤基本性質(zhì)參數(shù)與飽和抗剪強度的關(guān)系進行擬合分析，建立基于土壤基本性質(zhì)預測飽和抗剪強度的模型，結(jié)果如下：

2=0.89，<0.01 （3）

圖4 土壤基本性質(zhì)與抗剪強度指標的關(guān)系

表5 土壤基本性質(zhì)與抗剪強度指標的關(guān)系

注：樣本數(shù)=15 Note：Sample size=15.

式中，表示垂直壓力，即土壤滑動面積與垂直荷載的比值。擬合結(jié)果顯示，土壤基本性質(zhì)參數(shù)對于飽和抗剪強度有較好的預測效果（2>0.75，<0.01），在提高土壤抗剪切能力，增強土壤穩(wěn)定性中，根系密度、礫石含量、粉粒含量和黏粒含量起著至關(guān)重要的作用，其主要由于根系與土壤顆粒間的接觸面積越大，結(jié)合越緊密，且根系的分泌物對土壤顆粒也起到一定的黏結(jié)作用，從而提高了土體的黏聚力，而土壤粗顆粒物質(zhì)增多，使得土體密實度降低，間接降低土壤內(nèi)摩擦角，故根系密度、礫石含量、粉粒含量和黏粒含量是影響土壤抗剪強度的重要參數(shù)。

在此試驗中，以各個發(fā)育階段崩崗為研究對象，針對崩崗各部位土壤基本性質(zhì)的差異性，通過測量其飽和狀態(tài)下土壤的抗剪強度，建立基于崩崗土壤基本性質(zhì)與飽和抗剪強度的土壤侵蝕預報模型，擬合得到最優(yōu)的抗剪強度預報方程，將預測模型的模擬值與實測值進行對比（如圖5），結(jié)果發(fā)現(xiàn)密切程度較高（2>0.88，<0.01），預測值與實測值具有良好的重疊度，方程的可信程度較好（RMSE=8.79），說明本試驗通過土壤的粒徑級配與根系密度參數(shù)所構(gòu)建的飽和抗剪強度預測方程精度較高，預測效果較理想。

圖5 擬合方程實測值與預測值對比

3 結(jié) 論

本試驗以崩崗隨發(fā)育的進行，各部位的土壤基本性質(zhì)對飽和抗剪強度的影響結(jié)果進行研究。綜合分析土壤基本性質(zhì)和飽和抗剪強度隨崩崗發(fā)育過程的變化特征，其中，崩崗系統(tǒng)內(nèi)土壤顆粒粗化，持水性能較弱，有機質(zhì)含量偏低，相關(guān)土壤物理性質(zhì)呈明顯退化特征。此外，崩崗各部位黏聚力和內(nèi)摩擦角均隨崩崗的發(fā)育呈明顯下降趨勢，其中以集水區(qū)部位達到峰值，溝道部位達到最小值。當崩崗發(fā)育到穩(wěn)定期時，因植被恢復使得根-土復合體提高土壤黏聚力，從而使抗剪強度有一定的回升趨勢。以土壤各性質(zhì)參數(shù)與抗剪強度指標進行逐步回歸分析，得出根系密度和粒徑級配預測崩崗表層土壤隨發(fā)育過程的飽和抗剪強度變化，預報模型可信程度較好，預測精度較高，對崩崗土壤基本性質(zhì)與抗剪強度的響應機制研究提供了一定的理論依據(jù)，但試驗以空間換時間，對于不同發(fā)育階段崩崗的土壤性質(zhì)差異分析存在著一定的不確定性，因此，試驗預計劃對同一崩崗進行長期動態(tài)監(jiān)測和試驗采樣與分析，以期對崩崗區(qū)水土保持措施研究和生態(tài)恢復重建技術(shù)提供更可靠地參考價值與現(xiàn)實意義。

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Soil Shear Strength of Collapsing Erosion Area in South Jiangxi of China Relative to Position of the Soil and Its Influencing Factors

FENG Shuyue, WANG Junguang, WEN Hui, NI Shimin, HUA Li?, CAI Chongfa

(Research Center of Water and Soil Conservation, Huazhong Agricultural University, Key Laboratory of Arable Land Conservation (Middle and Lower Reaches of Yangtze River), Ministry of Agriculture and Rural Affairs, Wuhan, 430070 China)

Soil shear strength is an apparent indicator of how easily shear deformation occurs under the action of external force, and a major index to characterize soil mechanical properties, as well as an important parameter of the process-based soil erosion model for prediction of hydraulic erosion. So far, little has been reported on soil shear strength at each collapse developing stage. The purpose of this study is to (1) investigate variation of soil shear strength with the process of soil erosion on typical collapsing mounds; (2) determine influences of basic physical and chemical properties on soil shear strength; and(3)establish an equation for prediction of variation of soil shear strength with development of collapsing.The experiment lot was set up in the Jingouxing watershed in Tiancun Town of Gan County, where there are quite a number of collapsing mounds. Three adjacent collapsing mounds of granite different in collapse developing stage(initial stage, active stage and stable stage)were selected for the experiment and a total of 15 sampling sites were set on each mound. Topsoil samples from the 0～20 cm soil layer of each mound and relevant environmental variables, were gathered, separately, for analysis of basic soil properties and soil shear strength. The data were processed with the classical statistic method for spatial variation of soil shear strength and variation of saturated shear strength with developing of collapse was predicted with the stepwise regression equation.(1) The physical properties of the soil in the collapse system are relatively poor with bulk density of the top soil layer varying in the range of 1.02～1.40 kg·m–3and declining with the position lowering along the slope, particle size composition coarsening, soil organic matter content lowering and root density ranging from 0.27 to 3.57 kg·m–3, all of which demonstrate typical features of soil degradation with developing collapse; (2) Soil cohesion and internal friction angle, varies quite similarly, that is, both in a declining trend with development of the collapse, peaks at collecting areas, and bottoms in ditches. When collapse develops into a stable stage, restoration of vegetation promotes formation of root-soil complexes, which in turn increases soil cohesion and hence soil shear strength by a certain degree; (3) Statistical analysis shows that the contents of gravels, silt and clay are the optimal parameters to characterize soil internal friction angle of a collasping mound and their relationships can be well-described with a power function. Besides, a good linear correlation between root density and soil cohesive was observed; and (4) The experiment used root density and particle size composition to characterize shear strength of the soil under saturation, and established the equation (2=0.891,<0.01) for predicting soil shear strength of a developing mound.With developing collapse, soil properties degrade obviously. Soil saturated shear strength varies significantly with soil particle-size distribution and root density across the collapsing erosion area, and is affected jointly by soil texture, topography, moisture and land use at the regional scale. It is recommended to use the functional equation based on parameters like particle-size and root density to predict soil shear strength, particularly for soil layers below 20 cm in the collapsed erosion areas in South Jiangxi.

Collapse; Development stage; Different positions; Soil basic properties; Internal frictional angle; Cohesion

S157.1

A

10.11766/trxb201901300514

馮舒悅，王軍光，文慧，倪世民，華麗，蔡崇法. 贛南崩崗侵蝕區(qū)不同部位土壤抗剪強度及其影響因素研究[J]. 土壤學報，2020，57（1）：71–83.

FENG Shuyue，WANG Junguang，WEN Hui，NI Shimin，HUA Li，CAI Chongfa. Soil Shear Strength of Collapsing Erosion Area in South Jiangxi of China Relative to Position of the Soil and Its Influencing Factors [J]. Acta Pedologica Sinica，2020，57（1）：71–83.

* 國家重點研發(fā)計劃項目（2017YFC0505404）和國家自然科學基金項目（41771304，41630858）資助Supported by the National Key Research and Development Program of China（No. 2017YFC0505404）and the National Natural Science Foundation of China（Nos. 41771304，41630858）

，E-mail：huali@hzau.edu.com

馮舒悅（1998—），女，甘肅慶陽人，碩士研究生，主要研究方向：水土保持與生態(tài)退化。E-mail：18727622007@163.com

2019–01–30；

2019–04–15；

2019–05–15

（責任編輯：檀滿枝）