艾尚進(jìn), 程 虎, 夏 露, 馬悅陽(yáng), 舒 倩, 許文年, 夏 棟,4

(1.三峽大學(xué) 水泥基生態(tài)修復(fù)技術(shù)湖北省工程研究中心, 湖北 宜昌 443002;2.三峽大學(xué) 防災(zāi)減災(zāi)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 湖北 宜昌 443002; 3.三峽大學(xué) 水利與環(huán)境學(xué)院,湖北 宜昌 443002; 4.自然資源部城市國(guó)土資源監(jiān)測(cè)與仿真重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 廣東 深圳 518040)

崩崗是我國(guó)南方紅壤侵蝕區(qū)最嚴(yán)重的土壤侵蝕類(lèi)型，也被稱(chēng)為“生態(tài)潰瘍”[1-2]。崩崗侵蝕主要是通過(guò)崩壁的崩塌來(lái)完成，崩壁失穩(wěn)崩塌是崩崗發(fā)育過(guò)程中最活躍的過(guò)程，誘發(fā)外因是高強(qiáng)度、高降雨量對(duì)崩壁土體外部的持續(xù)性沖刷，內(nèi)因是水分在土體內(nèi)部誘發(fā)的不穩(wěn)定過(guò)程[3]。崩壁土體的穩(wěn)定性狀況對(duì)崩崗發(fā)育具有極其重要的影響，學(xué)者們常從土壤某一宏觀特性直接或間接反映崩壁不同層次土體的穩(wěn)定性特征，如濺蝕特性[4]、崩解特性[5]、抗拉抗剪強(qiáng)度特性[6-7]、水力學(xué)特性等[8-9]，但并不能具體的反映崩壁各土層中的細(xì)微變化過(guò)程和土層微觀特征。崩崗崩壁深厚的花崗巖風(fēng)化殼并非一蹴而就，失穩(wěn)現(xiàn)象的發(fā)生和發(fā)展必然開(kāi)始于微細(xì)部分并始終與土體的微觀變化密不可分。因此，開(kāi)展崩壁的微形態(tài)特征研究，弄清土體的微形態(tài)特征隨土層的變化規(guī)律可以增加對(duì)崩壁微觀尺度上的認(rèn)識(shí)，對(duì)崩崗治理具有重要的現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義。

土壤微形態(tài)學(xué)是借助光學(xué)儀器直觀觀測(cè)原狀土壤結(jié)構(gòu)和微組構(gòu)的重要方法[10-11]。根據(jù)對(duì)土壤薄片的觀察，可以有效還原狀土壤的機(jī)械組成、原始結(jié)構(gòu)、成壤過(guò)程中物質(zhì)淋溶、遷移、轉(zhuǎn)化與淀積過(guò)程，對(duì)土壤穩(wěn)定性特征有更強(qiáng)的解釋效力[12]。此外，盡管土壤微形態(tài)研究已有了大量的技術(shù)基礎(chǔ)和研究資料，但多集中于土壤微觀信息的提取，如何將這些不同且相互關(guān)聯(lián)的信息綜合利用起來(lái)，一直是土壤微形態(tài)研究尚未解決且不可回避的問(wèn)題，而建立微形態(tài)指標(biāo)評(píng)價(jià)體系就是一種很好的解決方式[13-15]。主成分分析是目前應(yīng)用在土壤評(píng)價(jià)中最主要的一類(lèi)方法，此方法可以弱化評(píng)價(jià)指標(biāo)間自相關(guān)性所引起的誤差，并將原始指標(biāo)重新組合成互不相關(guān)的綜合指標(biāo)，通過(guò)加權(quán)求和等原理得到綜合評(píng)價(jià)得分，進(jìn)而對(duì)土壤功能進(jìn)行更為準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)。

因此，本文借助土壤微形態(tài)研究方法，直觀的觀察和分析崩壁各土層的差異，并通過(guò)主成分分析對(duì)崩壁土體穩(wěn)定性進(jìn)行微形態(tài)評(píng)價(jià)。旨在從微觀態(tài)角度進(jìn)一步探討崩壁土體穩(wěn)定性特征，深入了解崩壁土體失穩(wěn)原因。該研究不僅是崩壁在微觀尺度研究?jī)?nèi)容上的有益補(bǔ)充，還為崩崗穩(wěn)定性評(píng)估及監(jiān)測(cè)提供一種較為準(zhǔn)確和科學(xué)的方式。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

鄂東南通城縣(29°2′—29°24′N(xiāo)，113°36′—114°4′E)是我國(guó)崩崗防治重點(diǎn)縣。屬亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū)。受幕阜山脈的影響，形成區(qū)域小氣候，春季低溫陰雨，夏季洪澇干旱。年均降雨量1 600 mm。3—8月是降雨主要集中時(shí)間，4—10月降雨量占全年的81%，年均蒸發(fā)量1 344 mm。

1.2 樣地選擇及土壤樣品采集

經(jīng)過(guò)實(shí)地調(diào)查，在通城縣五里鎮(zhèn)五里社區(qū)(29°12′39″N，113°46′26″E)選擇了一處發(fā)育完整的崩壁為研究對(duì)象。崩崗形態(tài)為瓢形，溝道1條，平均深度約為5 m，崩壁高約為9 m，溝口寬約為2.9 m，溝道最大寬度約為5.7 m。土壤類(lèi)型為棕紅壤，結(jié)構(gòu)松散，風(fēng)化程度強(qiáng)。

根據(jù)崩壁剖面土壤風(fēng)化程度、結(jié)構(gòu)、顏色、顆粒組成和植物殘留物等特征，將取樣剖面劃分為3個(gè)土層(表土層、紅土層、砂土層)，再根據(jù)崩壁剖面的深度將崩壁分為6個(gè)層次，分別為表土層TC1，紅土層TC2，TC3和TC4，砂土層TC5和TC6。在取樣過(guò)程中對(duì)崩壁仔細(xì)觀察，記錄各層次的土體特征，見(jiàn)表1。

原狀土樣的采集：沿崩壁自上而下設(shè)置采樣點(diǎn)深度，見(jiàn)表1。使用100 cm3取土環(huán)刀(Φ50.46×50 mm)和與之匹配的鋁盒采集各土層表層原狀土樣，取土深度約為5—8 cm。小心挖取原狀土，再用保鮮膜緊密纏繞，標(biāo)明方向(向上)。放入鋁盒后，將空隙處塞滿碾碎的散狀土，用于防止原狀土在搬運(yùn)過(guò)程中因震動(dòng)過(guò)大導(dǎo)致的損壞，蓋好鋁盒后，用膠帶從外面固定穩(wěn)固，小心帶回實(shí)驗(yàn)室。

表1 采樣點(diǎn)崩壁剖面特征

1.3 土壤微形態(tài)研究方法

土壤薄片委托中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)磨片室制備完成。使用Olympus BX53型偏光顯微鏡對(duì)制作好的薄片進(jìn)行土壤微形態(tài)觀察。圖像經(jīng)傳感器傳至ToupCam顯微鏡數(shù)碼相機(jī)，然后在已安裝配套Image-Pro Plus 6.0軟件的計(jì)算機(jī)，拍攝得到放大100倍后單偏光和正交偏光下的土壤微形態(tài)照片。

利用IPP軟件對(duì)土壤微形態(tài)圖像進(jìn)行對(duì)比度增強(qiáng)、背景平滑、背景校正等操作以提高測(cè)量精密度。之后，使用IPP軟件中的count/size工具進(jìn)行土壤微形態(tài)指標(biāo)數(shù)據(jù)的提取；孔隙數(shù)據(jù)采用Bernsen圖像二值化方法提取；土壤基質(zhì)顏色借助標(biāo)準(zhǔn)門(mén)塞爾比色卡在單偏光下測(cè)定。

1.4 主成分分析

本文基于主成分分析構(gòu)建的評(píng)價(jià)公式參考了土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)指數(shù)模型[16]和多因素綜合評(píng)定法[17]。因子標(biāo)準(zhǔn)化分值乘以相應(yīng)特征根的算術(shù)平方根即為主成分得分，綜合主成分得分是每個(gè)主成分得分與其對(duì)應(yīng)貢獻(xiàn)率的乘積的總和。計(jì)算方式見(jiàn)公式1。

(1)

式中:SSI-(MDS/TDS)為評(píng)價(jià)單元全量指標(biāo)數(shù)據(jù)集(TDS)或最小數(shù)據(jù)集(MDS)得分指數(shù),值越大,表示土體就越穩(wěn)定性；Si表示主成分i的方差貢獻(xiàn)率；Aik表示第k個(gè)指標(biāo)在第i個(gè)主成分上的特征值；Zk表示評(píng)價(jià)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化值；n表示主成分個(gè)數(shù)；m表示評(píng)價(jià)指標(biāo)個(gè)數(shù)。其中SSI-MDS得分需要先對(duì)篩選出來(lái)的最小數(shù)據(jù)集再次進(jìn)行主成分分析,之后再通過(guò)公式(1)計(jì)算基于最小數(shù)據(jù)集的SSI-MDS。

2 結(jié)果與分析

2.1 崩壁不同深度土層微形態(tài)特征

2.1.1 土壤基質(zhì) 借助標(biāo)準(zhǔn)門(mén)塞爾比色卡，可以明顯觀察到土壤基質(zhì)顏色隨土層深度增加逐漸變淺，依次表現(xiàn)為暗紅(10 R 3/4)、紅(10 R 4/8)、棕紅(2.5 YR 4/8)、淡棕紅(2.5 YR 5/8)、淡橙紅(10 R 6/8)、灰白(5 Y 7/1)?；|(zhì)類(lèi)型顯示表土層TC1，紅土層TC2，TC3和TC4均為鐵質(zhì)—黏?；|(zhì)，主要是含有鐵氧化物的細(xì)粒物質(zhì)，粗基質(zhì)顆粒為一些風(fēng)化嚴(yán)重的次生礦物。TC1至TC4鐵質(zhì)侵染狀況明顯減弱，礦物顆粒大小逐漸增大。砂土層TC5為濁松基質(zhì)，是一種低級(jí)土壤基質(zhì)類(lèi)型，較為疏松，含有暗色礦物細(xì)屑和極少量鐵質(zhì)侵染物。砂土層TC6主要以原生礦物為主的基質(zhì)類(lèi)型，礦物物質(zhì)完整。

土壤基質(zhì)比是土壤薄片中土壤基質(zhì)與粗骨顆粒的比例(相關(guān)分布)，反映該土層總的顆粒組成特征[18]。土壤基質(zhì)比越低，表明黏粒含量越少。由表2可知，表土層TC1基質(zhì)比最高，為0.91；紅土層整體上基質(zhì)比(0.688 4，平均值)較表土層小；砂土層TC5和TC6主要以粗骨顆粒為主，細(xì)粒物質(zhì)的基質(zhì)較少，因此基質(zhì)比(0.248 7，平均值)顯著低于表土層和紅土層。

表2 崩壁各土層微形態(tài)指標(biāo)一般性描述

2.1.2 土壤結(jié)構(gòu)體 土壤結(jié)構(gòu)體是指土壤固液氣三相排列組合所表現(xiàn)的土壤物理性構(gòu)成[19]。由圖1可以明顯看出崩壁各土層的結(jié)構(gòu)體差異較為顯著。表土層TC1主要是疏松聚集的成熟團(tuán)聚體，呈現(xiàn)海綿狀微結(jié)構(gòu)。位于表土層下方的紅土層TC2為弱發(fā)育土壤，團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)不明顯，沒(méi)有分離的基塊，呈現(xiàn)整塊狀結(jié)構(gòu)。紅土層TC3和TC4土壤中砂礫大小的石英顆粒較多，且多數(shù)被細(xì)粒物質(zhì)包膜，呈現(xiàn)包粒結(jié)構(gòu)。砂土層TC5幾乎觀察不到團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)，主要以較大的石英、云母等礦物質(zhì)為主，它們之間被細(xì)物質(zhì)所橋接，土體呈現(xiàn)橋粒結(jié)構(gòu)。TC6由許多完整的光滑顆粒和粗糙面顆粒緊密連接，呈現(xiàn)緊粒結(jié)構(gòu)。

圖1 通城縣崩壁剖面各土層微形態(tài)特征

2.1.3 土壤孔隙 由表2可知，表土層TC1孔隙類(lèi)型主要為堆疊孔隙和部分孔道，是由單粒或團(tuán)聚體堆積而形成的一種開(kāi)放性孔隙，連通性較好。其孔隙壁就是單?；驁F(tuán)聚體的表面，發(fā)育較好的呈現(xiàn)復(fù)雜堆集狀，稍差的呈現(xiàn)簡(jiǎn)單堆集狀。紅土層TC2主要以囊孔和孔道為主，孔隙周?chē)侵旅艿耐寥?，孔道間不相連且分布有未完全分解的礦質(zhì)顆粒和無(wú)定形有機(jī)物質(zhì)。紅土層TC3和TC4較TC2孔隙逐漸增加，孔隙形態(tài)以裂隙和孔洞為主，且裂隙中含有風(fēng)化較強(qiáng)的細(xì)小礦物質(zhì)。砂土層TC5和TC6多為單粒形成的簡(jiǎn)單堆集性裂隙和部分孔洞結(jié)構(gòu)，孔隙主要為顆粒堆積在一起形成的顆粒與顆粒間的間隙，或者大顆粒礦物質(zhì)裂解形成的裂隙。孔隙定量分析結(jié)果(圖2)顯示，各土層總孔隙度除TC2外，均較高(45.59%～49.41%)且相差不大。毛管孔隙度顯示表土層和紅土層相差不大，砂土層毛管孔隙度最小，僅為12.24%。

2.1.4 土壤粗骨顆粒 粗骨顆粒是土壤中顆粒直徑大于>0.01 mm的礦物顆粒和巖屑，是物理風(fēng)化作用下的產(chǎn)物[20]。由表3可知，崩壁各土層中的粗骨顆粒分布特征差異較大。各土層粗骨顆粒平均面積范圍為392.30～3 410.39 μm2，隨著土層深度的增加，土體中粗骨顆粒的直徑和總面積都逐漸增大，這表明崩壁土體的風(fēng)化程度隨深度增加而減小。紅土層TC2粗骨顆粒總面積顯著大于表土層，但平均面積和表土層相當(dāng)。紅土層TC3和TC4顆粒大小和數(shù)量都明顯增大，磨圓度相對(duì)較高。砂土層TC5和TC6粗骨顆粒數(shù)量明顯減少，但是其粗骨顆粒所占總面積百分比明顯增大。

2.2 崩壁不同土層穩(wěn)定性微形態(tài)評(píng)價(jià)

2.2.1 指標(biāo)選取及標(biāo)準(zhǔn)化處理 根據(jù)崩壁土體特征，參考劉穎等[17]構(gòu)建的土壤微形態(tài)評(píng)價(jià)體系?；诖硇?、差異性、完整性原則，選取反映土壤基質(zhì)特征的基質(zhì)顏色、基質(zhì)類(lèi)型、基質(zhì)比，反映土壤結(jié)構(gòu)體特征的團(tuán)聚體、土壤微結(jié)構(gòu)，指示土壤孔隙特征的孔隙類(lèi)型、總孔隙百分比、毛管孔隙占比，表征粗骨顆粒特征的平均粒徑、磨圓系數(shù)、面積百分比，以及反映土壤中有機(jī)物質(zhì)特征的有機(jī)物質(zhì)類(lèi)型、有機(jī)物質(zhì)頻率，共計(jì)13個(gè)微形態(tài)評(píng)價(jià)指標(biāo)。實(shí)地調(diào)查發(fā)現(xiàn)僅表土層存在動(dòng)植物殘?bào)w，因此采用有機(jī)質(zhì)含量替換有機(jī)物質(zhì)頻率。

圖2 崩壁各土層孔隙度

崩壁剖面土壤微形態(tài)特征自上而下具有較為明顯的層次感?；诖耍⒖家延醒芯亢颓叭私?jīng)驗(yàn)[17]，本文對(duì)基質(zhì)類(lèi)型、基質(zhì)顏色、孔隙類(lèi)型、有機(jī)物質(zhì)類(lèi)型、土壤團(tuán)聚體、土壤微結(jié)構(gòu)這6個(gè)定性指標(biāo)依照等差數(shù)列進(jìn)行賦值，然后采用極差法進(jìn)行無(wú)量綱化處理，定量指標(biāo)直接進(jìn)行無(wú)量綱化處理。標(biāo)準(zhǔn)化分值見(jiàn)表4。

表4 微形態(tài)評(píng)價(jià)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化分值

2.2.2 主成分確定及分組 在本文中，通過(guò)主成分分析，將每個(gè)特征值>1的主成分和因子荷載>0.5的土壤微形態(tài)指標(biāo)劃分為一組，如果某個(gè)微形態(tài)指標(biāo)在兩個(gè)主成分中的因子荷載均>0.5，則將該指標(biāo)劃分到與其他參數(shù)相關(guān)性較小的另外一組。如果某一因素與該組中其他指標(biāo)相關(guān)性指數(shù)均較小，說(shuō)明組內(nèi)的其他指標(biāo)都不能代表該指標(biāo)所包含的土壤微形態(tài)指標(biāo)，則將該指標(biāo)單獨(dú)劃分為一組。

主成分分析和Norm值計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5。共提取出特征值大于1的主成分2個(gè)，其貢獻(xiàn)率分別為69.051%和15.439%，累計(jì)貢獻(xiàn)率為84.489%，表示2個(gè)主成分就可以解釋大部分微形態(tài)參評(píng)指標(biāo)。各個(gè)指標(biāo)中總孔隙百分比和粗骨顆粒磨圓指數(shù)在主成分1上的因子荷載分別為0.579，0.189，相比與其他指標(biāo)的因子載荷小，且這兩個(gè)指標(biāo)與其他指標(biāo)相關(guān)性較低，所以將這兩個(gè)指標(biāo)各劃分為一組。有機(jī)質(zhì)在兩個(gè)主成分中的因子荷載均>0.5，故將其單獨(dú)成組。其他高因子指標(biāo)都有較高的Norm值，故成一組。最終排序的結(jié)果為第1組為土壤基質(zhì)類(lèi)型、土壤基質(zhì)顏色、土壤基質(zhì)比、土壤微結(jié)構(gòu)、團(tuán)聚體、孔隙類(lèi)型、毛管孔隙占比、粗骨顆粒平均粒徑、粗骨顆粒面積百分比和有機(jī)物質(zhì)類(lèi)型；第2組中只有有機(jī)質(zhì)含量；第3組和第4組分別為總孔隙百分比和粗骨顆粒磨圓指數(shù)。

2.2.3 最小數(shù)據(jù)集(MDS)建立 運(yùn)用主成分分析對(duì)崩壁各土層穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)，選取的微形態(tài)指標(biāo)較多，而不同指標(biāo)間的相關(guān)性若較強(qiáng)必然會(huì)產(chǎn)生數(shù)據(jù)冗余。通過(guò)建立最小數(shù)據(jù)集，可以實(shí)現(xiàn)減少數(shù)據(jù)冗余和選出反映土壤信息的最少指標(biāo)集合[16]。由表5可知，所有指標(biāo)分為四組。其中3組和4組分別是總孔隙百分比和粗骨顆粒磨圓指數(shù)，盡管其N(xiāo)orm值較小，但每組只有一個(gè)因子指標(biāo)，故兩者都保留。而第2組中只有有機(jī)質(zhì)含量，并且有機(jī)含量具有較高的Norm值，故保留。第1組中具有較多的指標(biāo)，根據(jù)相關(guān)程度和Norm值大小，剔除孔隙類(lèi)型、粗骨顆粒面積百分比、粗骨顆粒粒徑大小、有機(jī)質(zhì)類(lèi)型。

表5 主成分荷載矩陣、指標(biāo)分組和各指標(biāo)Norm值

最終篩選后得到的微形態(tài)評(píng)價(jià)的最小數(shù)據(jù)集為土壤基質(zhì)顏色、土壤基質(zhì)類(lèi)型、土壤基質(zhì)比、土壤團(tuán)聚體、土壤微結(jié)構(gòu)、總孔隙百分比和有機(jī)質(zhì)含量7個(gè)指標(biāo)。

2.2.4 微形態(tài)評(píng)價(jià)得分及最小數(shù)據(jù)集驗(yàn)證 由圖3可知，SSI-TDS指數(shù)和SSI-MDS指數(shù)得分均顯示：表土層(TC1)>紅土層(TC2>TC3>TC4)>砂土層(TC5>TC6)，具有明顯的縱向?qū)哟芜f減特征。對(duì)兩種結(jié)果進(jìn)行線性擬合，擬合方程為：SSI-TDS=0.5739SSI-MDS-0.081，調(diào)整后的R2為0.993 2，擬合效果較好，這表明MDS可以反映崩壁土壤大部分信息。

圖3 崩壁各土層穩(wěn)定性指數(shù)

3 討 論

3.1 崩壁不同深度土層間的微形態(tài)差異

基質(zhì)顏色、類(lèi)型是反映土壤基質(zhì)特征的主要指標(biāo)[20]。本文中，表土層和紅土層基質(zhì)類(lèi)型均為鐵質(zhì)—黏?；|(zhì)，顏色以紅色為基調(diào)且隨深度增加逐漸變淺，這表明崩壁土體受鐵質(zhì)侵染，且侵染狀況隨深度增加而逐漸降低。原因在于崩崗發(fā)生區(qū)域雨熱同期，高溫氧化條件較為充分，鐵質(zhì)通過(guò)氧化還原反應(yīng)侵入土壤基質(zhì)，致使土體顯紅色[5]。同時(shí)，導(dǎo)致土體顏色逐漸變淺的原因有兩點(diǎn)：一是風(fēng)化程度越高，土體越易受鐵質(zhì)侵染，顏色就越深；二是Fe3+在土壤失水過(guò)程中易以鐵質(zhì)膠膜的方式沉積在孔道和周邊基質(zhì)中[12]，圖1可以明顯觀察到崩壁土體孔隙發(fā)育狀況隨深度增加而逐漸變差，可能導(dǎo)致鐵質(zhì)膠膜的沉積量逐漸減少，進(jìn)而導(dǎo)致土體顏色變淺。周藝紅等[5]在崩壁土體的化學(xué)性質(zhì)研究中也指出，鐵鋁氧化物屬積累值，越靠近地表，含量越高，反之則越低。

土壤結(jié)構(gòu)體是反映土壤微形態(tài)特征的重要組成部分[20]。本文中，僅表土層團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)發(fā)育成熟，這主要是因?yàn)楸硗翆踊|(zhì)比(0.91)較高，土壤細(xì)顆粒物質(zhì)較多，且植被提供了穩(wěn)定的有機(jī)質(zhì)來(lái)源，團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)的形成和發(fā)育具備必要的物質(zhì)基礎(chǔ)[21]。紅土層盡管基質(zhì)比也較高(0.69)，但有機(jī)質(zhì)含量較低(0.52%)，可能是因?yàn)榧t土層是崩壁崩塌的主要部位，植被生存受到脅迫，無(wú)法提供穩(wěn)定的膠結(jié)物質(zhì)來(lái)源，限制了土壤團(tuán)聚體的形成和發(fā)育。砂土層基質(zhì)比較低(0.25)，黏粒含量極少，且?guī)缀醪缓F氧化物和有機(jī)質(zhì)(0.11%)，土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)未發(fā)育。這和林敬蘭等[22]研究發(fā)現(xiàn)崩壁土壤的團(tuán)聚狀況和團(tuán)聚度是隨深度加深逐漸減小是一致的。

土壤孔隙是土壤單粒、團(tuán)聚體間或團(tuán)聚體內(nèi)部的空隙，其發(fā)育狀況受土壤結(jié)構(gòu)體影響較大[23]。由圖1可以明顯觀察到，僅表土層TC1孔隙發(fā)育較好，連通性較好，原因在于表土層土壤團(tuán)聚體發(fā)育成熟，相互堆疊會(huì)促使土壤孔隙具有小、多、連通性好等特點(diǎn)[24]。紅土層孔隙類(lèi)型以孔道和裂隙為主，主要是因?yàn)榧t土層團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)弱發(fā)育，受淋溶作用和土體干濕漲縮作用影響較大[12]。砂土層因?yàn)轱L(fēng)化程度較低，未形成團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)，孔隙類(lèi)型主要是礦物顆粒的裂隙和間隙。此外，裂隙的產(chǎn)生和發(fā)育是崩壁土體受干濕循環(huán)作用下的主要特征之一[25]。從圖1可以明顯觀察到，僅有紅土層TC3和TC4有裂隙產(chǎn)生。這周紅藝等[26]研究發(fā)現(xiàn)崩壁紅土層更容易產(chǎn)生裂隙一致，但和王佳妮等[25]研究發(fā)現(xiàn)在室內(nèi)干濕循環(huán)條件下表土層的裂隙發(fā)育速率要高于紅土層略有差異。自然干濕循環(huán)條件下，土壤裂隙為水分運(yùn)移的優(yōu)先通道，可將一些粗物質(zhì)帶入裂隙，從而對(duì)裂隙不斷填充，因而裂隙并不是隨干濕循環(huán)的次數(shù)增加而不斷發(fā)育。Monika等[27]也從微觀角度證實(shí)了細(xì)小物料可以有效填充土壤中的大孔隙。室內(nèi)試驗(yàn)雖然可以清晰的反映崩壁土體裂隙發(fā)育特征，但干濕循環(huán)的條件卻是恒定的，與自然狀況差別較大。因此，未來(lái)的研究應(yīng)該多著眼于崩壁原狀土樣的微觀觀測(cè)，得到的結(jié)果可能更貼近真實(shí)值。

粗骨顆粒主要來(lái)源于母質(zhì)，多為成壤過(guò)程中形成的比較穩(wěn)定的風(fēng)化礦物[28]。本文中，砂土層粗骨顆粒平均面積、總面積比、最大顆粒面積最大，紅土層次之，表土層最小，這表明崩壁土體的風(fēng)化程度隨深度增加而逐漸減弱，和已有研究結(jié)果一致[29]。

3.2 崩壁不同深度土體穩(wěn)定性的微形態(tài)影響因素

基于主成分分析得到的崩壁土體的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)結(jié)果顯示，土體穩(wěn)定性隨深度增加而降低，和已有研究結(jié)果一致[30]。將評(píng)價(jià)結(jié)果與13個(gè)微形態(tài)指標(biāo)在置信度為95%水平下進(jìn)行Pearson相關(guān)性分析(表6)，結(jié)果顯示最小數(shù)據(jù)集穩(wěn)定性指數(shù)與土壤基質(zhì)顏色、基質(zhì)類(lèi)型、基質(zhì)比、土壤團(tuán)聚體、土壤結(jié)構(gòu)體、孔隙類(lèi)型、粗骨顆粒面積百分比、粗骨顆粒粒徑大小、有機(jī)質(zhì)類(lèi)型9個(gè)指標(biāo)間均呈現(xiàn)顯著正相關(guān)(p<0.05)，這表明崩壁不同深度土層穩(wěn)定性狀況和微形態(tài)特征有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，接下來(lái)應(yīng)進(jìn)一步探討影響崩壁不同深度土體穩(wěn)定性的微形態(tài)因素。

表6 SSI-MDS指數(shù)與微形態(tài)指標(biāo)間的相關(guān)性分析

崩壁失穩(wěn)是以水力侵蝕為誘因，重力侵蝕為結(jié)果的特殊侵蝕機(jī)制，幾乎所有的土壤性質(zhì)直接或間接影響崩壁土體的穩(wěn)定性[31-32]。從土壤基質(zhì)而言，土壤基質(zhì)類(lèi)型、顏色和基質(zhì)比可以很好的鑒定土壤鐵質(zhì)侵染狀況、鐵氧化物含量和顆粒組成等[20,28]。鐵氧化物作為紅壤中重要膠結(jié)物質(zhì)之一，含量越高，土壤顆粒間黏聚力就越強(qiáng)，土壤穩(wěn)定性就越好[2,33]。此外，土壤基質(zhì)比越小，表明土壤黏粒含量較少，粘化作用就越弱，水土流失現(xiàn)象就越嚴(yán)重[20]。前文已經(jīng)討論到崩壁土體鐵氧化物含量、基質(zhì)比隨深度增加而減少，這可能是導(dǎo)致崩壁土體穩(wěn)定性隨深度增加而減小的重要因素之一。

從土壤結(jié)構(gòu)體而言，土壤團(tuán)聚體作為土壤單?；驁F(tuán)粒在膠結(jié)物質(zhì)作用下形成的自然結(jié)構(gòu)體，其發(fā)育狀況對(duì)崩壁土體穩(wěn)定性影響較大[34]。已有研究表明，土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)發(fā)育越成熟，水穩(wěn)性越好，土體就越穩(wěn)定[24]。本文崩壁土體團(tuán)聚體發(fā)育狀況隨深度增加而變差，同樣是導(dǎo)致崩壁土體穩(wěn)定性隨深度增加而減小的重要因素之一。表土層土壤團(tuán)聚體發(fā)育成熟，本身具備一定的重量和粗糙的表面，團(tuán)粒間的摩擦力較大，只有當(dāng)降雨產(chǎn)生的徑流沖刷力和濺蝕力超過(guò)團(tuán)粒本身的重力和團(tuán)粒間的摩擦力，土體才可能發(fā)生侵蝕并失穩(wěn)。紅土層團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)發(fā)育不明顯，主要是鐵鋁氧化物等無(wú)機(jī)膠體膠結(jié)了較多細(xì)小土壤顆粒，形成鐵質(zhì)凝團(tuán)，但這種結(jié)構(gòu)極易水解并釋放大量黏粒[12]，形成土壤結(jié)皮，顯著提升紅土層的抗蝕性，這可能是導(dǎo)致紅土層失穩(wěn)現(xiàn)象為整體滑移而非面蝕的重要原因之一。砂土層無(wú)土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)，主要以未風(fēng)化完全的礦物顆粒為主，當(dāng)水分進(jìn)入顆粒間隙，導(dǎo)致顆粒與顆粒間的摩擦力急劇減弱，穩(wěn)定性較差。

從土壤孔隙特征而言，嚴(yán)重的水土流失會(huì)導(dǎo)致崩壁土體長(zhǎng)期處于不穩(wěn)定的環(huán)境中，進(jìn)而影響孔隙發(fā)育，因而孔隙發(fā)育狀況可以很好的反映土壤發(fā)育環(huán)境的穩(wěn)定性程度[12,35]。本文中，除表土層TC1外，孔隙發(fā)育狀況普遍不好，這表明紅土層和砂土層水土流失較為嚴(yán)重，穩(wěn)定性狀況較差。同時(shí)，受孔隙類(lèi)型的影響，崩壁不同深度土層間的大孔隙和毛管孔隙度差異明顯(圖2)。有研究指出，大孔隙(非毛管孔隙)在降雨條件下轉(zhuǎn)變?yōu)樗诌\(yùn)移的優(yōu)先通道，導(dǎo)致水分運(yùn)動(dòng)速率要遠(yuǎn)高于毛管孔隙[22]，而水分劇烈變化會(huì)擠壓土體內(nèi)部空氣，即產(chǎn)生消散作用加速土體結(jié)構(gòu)破壞[36]。本文中，受孔隙類(lèi)型和黏粒含量的影響，表土層和紅土層毛管孔隙度高，水分?jǐn)U散速率相對(duì)較慢，消散作用的影響可能較小。辜婧瑤等[8]人的研究也表明毛管作用力增強(qiáng)會(huì)顯著降低水分?jǐn)U散速率，進(jìn)而降低紅土層的崩解速率。相反，砂土層粗骨顆粒占比高、粒徑大，導(dǎo)致大孔隙較多，當(dāng)水分進(jìn)入土體，水分變化速率較快，擠壓土體內(nèi)部空氣而產(chǎn)生的消散作用就越強(qiáng)烈，因而穩(wěn)定性較差。

崩壁土體穩(wěn)定性的影響因素眾多，不同的因素對(duì)土體穩(wěn)定性的影響程度各不相同，且崩壁穩(wěn)定性綜合評(píng)價(jià)體系的建立及應(yīng)用是一個(gè)極其復(fù)雜的工程，牽涉面較廣，本文僅提供了土壤微形態(tài)特征作為評(píng)價(jià)體系的指標(biāo)，這樣只是有利于積累豐富的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，為評(píng)價(jià)體系的深入研究提供基礎(chǔ)，怎樣將微形態(tài)特征和土壤表觀特性更好的有機(jī)結(jié)合還需進(jìn)一步研究。

4 結(jié) 論

(1) 崩壁土體微形態(tài)特征隨深度變化呈現(xiàn)層次分異性。沿剖面自上而下，土壤基質(zhì)顏色由紅向淺白逐漸變化，對(duì)崩壁土體受鐵質(zhì)侵染狀況有較好的指示作用。除表土層外，崩壁土壤團(tuán)聚體和孔隙發(fā)育狀況普遍不好，表土層土壤團(tuán)聚體發(fā)育狀況成熟，孔隙類(lèi)型以堆疊孔隙和部分孔道為主，連通性較好；紅土層土壤團(tuán)聚體發(fā)育不明顯，孔隙類(lèi)型以以囊孔和裂隙為主，連通性較差；砂土層團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)不發(fā)育，孔隙類(lèi)型以礦物顆粒間隙為主。

(2) 本文基于主成分分析得到的崩壁土體穩(wěn)定性指數(shù)SSI-MDS顯示：表土層(TC1)>紅土層(TC2>TC3>TC4)>砂土層(TC5>TC6)，隨土層深度增加而逐漸降低，且與團(tuán)聚體發(fā)育狀況、膠結(jié)物質(zhì)類(lèi)型、孔隙和裂隙發(fā)育特征等有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系(p<0.05)。崩壁不同深度土層微形態(tài)特征差異是土體穩(wěn)定性具有層次分異性的重要因素之一?；谥鞒煞址治鰳?gòu)建的微形態(tài)評(píng)價(jià)體系可以很好地指示崩壁不同深度土層的穩(wěn)定性。

(3) 崩壁土體穩(wěn)定性微形態(tài)綜合評(píng)價(jià)的最小數(shù)據(jù)集(MDS)由土壤基質(zhì)顏色、土壤基質(zhì)類(lèi)型、土壤基質(zhì)比、土壤團(tuán)聚體、土壤結(jié)構(gòu)體、總孔隙百分比和有機(jī)質(zhì)含量7個(gè)指標(biāo)構(gòu)成。最小數(shù)據(jù)集和全量指標(biāo)數(shù)據(jù)集得分結(jié)果線性擬合方程為：SSI-TDS=1.7305SSI-MDS+0.1633，調(diào)整后的R2為0.993 2。因而實(shí)際對(duì)崩壁土體穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)，最小數(shù)據(jù)集7個(gè)微形態(tài)指標(biāo)可以代替原始的13個(gè)微形態(tài)指標(biāo)反映崩壁土體穩(wěn)定性狀況。