張珉瑞，朱少東，李 盼，段青松，楊苑君

（云南農業(yè)大學 水利學院，云南 昆明 650201）

【研究意義】金沙江流域干熱河谷地區(qū)是長江流域典型的生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū)，該地區(qū)土壤侵蝕嚴重，其獨特的氣候類型、復雜多變的地質條件使該流域地區(qū)水土流失、生態(tài)環(huán)境破壞嚴重，具有難以恢復的特點[1-2]。據相關報道，2021 年金沙江流域水土流失面積約8.34 萬km2，占土地總面積16.68%。其中，水力侵蝕面積約6.89萬km2，占水土流失總面積82.56%[3]。大量的水土流失導致土壤中營養(yǎng)元素含量逐漸降低，嚴重影響植被的生長發(fā)育，直接影響金沙江流域干熱河谷地區(qū)的生態(tài)安全和可持續(xù)發(fā)展。此外，土壤抗剪性能可以從力學角度表征土壤穩(wěn)定性，探究其與土壤理化性質之間的關系，對研究金沙江干熱河谷地區(qū)水土保持、控制土壤侵蝕、減少淺層滑坡等具有重要意義?！厩叭搜芯窟M展】現(xiàn)有研究[4]表明，植被恢復是減少土壤侵蝕和防治水土流失的有效途徑。地上部分植被莖葉具有攔截降雨、涵養(yǎng)土壤水源、改善土壤綜合質量、減少土壤侵蝕的功能[5]。當土壤結構發(fā)生變化，土壤容重、含水率等理化性質的變化會直接影響土壤抗剪性能[6-8]。地下部分植物根系與土壤相互纏繞形成根土復合體增加土壤間的固結力，改變土壤結構，增加土壤水穩(wěn)性團聚體的數量和粒徑，提高土壤的穩(wěn)定性，減少土壤侵蝕[9-13]。土壤抗剪強度是指土體抵抗外力剪切變形的能力，土壤抗剪強度指標（粘聚力c和內摩擦角φ）是土壤抗剪強度的重要參數。在實際工程中，土壤抗剪強度通常用于評價邊坡穩(wěn)定性，也是研究土壤侵蝕過程的一個重要指標[14]。大量研究[15-22]表明，土壤理化性質、干濕交替、凍融循環(huán)、植物根系等因素對土壤抗剪強度有顯著性影響，土壤抗剪強度隨容重的增加而增加，隨含水率的增大而減小，土壤抗剪性能與土壤的機械組成分形維數和微團聚體分形維數有顯著相關關系[23-24]。

【本研究切入點】目前關于影響土壤抗剪強度因素的研究多集中在土壤的物理性質方面，而土壤有機質、氮、磷、鉀、鎂等營養(yǎng)物質對土壤抗剪性能的研究成果尚不充分?！緮M解決的關鍵問題】土壤有機質、氮、磷、鉀等營養(yǎng)物質作為評價土壤質量的重要指標，對植被的生長發(fā)育有著及其重要的影響，但不同植被土壤結構和質地存在顯著差異性，因此研究金沙江干熱河谷地區(qū)不同植被土壤抗剪性能與土壤理化性質之間的關系為該地區(qū)水土流失，淺層滑坡等災害現(xiàn)象提供有效防治理論和技術支持。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

本研究區(qū)域位于云南省北部（25°51′～26°06′N，101°14′～101°49′E）的楚雄彝族自治州永仁縣，該地區(qū)多年平均日照2 828.4 h，氣溫在10～43 ℃。年蒸發(fā)量為年降水量的4.17倍，是云南段金沙江干熱河谷典氣候區(qū)。植被以稀疏灌草叢為主，主要有錐連櫟（Quercus franchetii）、余甘子（Phyllantthus emblica）、臺灣相思（Acacia confusa）、云南松（Pinus yunnanensis）、銀合歡（Leucaena leucocephala）、山槐（Albizia kalkora）。其中，臺灣相思屬于人工造林樹種，錐連櫟、余甘子、云南松、銀合歡、山槐是云南段金沙江干熱河谷地區(qū)典型植被。

1.2 試驗材料

本研究于2022 年9 月進行野外取樣，選取永仁縣，錐連櫟（Quercus franchetii）、余甘子（Phyllantthus emblica）、臺灣相思（Acacia confusa）、云南松（Pinus yunnanensis）4種典型植被進行研究。

表1 樣地基本情況Tab.1 Basic situation of sample plots

1.3 試驗方法

1.3.1 原狀試樣制取 通過野外調查方法選擇生長狀況良好的植被，然后在選定植被樣地內隨機選擇1 m×1 m 的小樣方取樣，去除土層表面的枯枝落葉層，挖掘30 cm 土層剖面，以0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm 分層取樣，每層用60 cm3的環(huán)刀和鋁盒取各層的原狀土，每層至少用環(huán)刀取4 個樣。取樣完成后，用保鮮膜密封環(huán)刀使其保持水分，試驗使用土樣84 個，取樣過程參照《土工試驗方法標準GB∕T 50123—2019》[25]。

1.3.2 土壤理化性質指標測定 在試驗前，清除土壤中的枯枝落葉、腐殖質、大石塊等雜質，將土壤進行風干處理。土壤含水率測定采用烘干法；土壤容重測定采用環(huán)刀法；土壤有機質采用重鉻酸鉀容量法測定；土壤全氮采用半開微量開氏法測定；土壤水解氮采用紫外可見分光光度計測定；土壤交換鎂采用原子吸收分光光度計測定；土壤全磷采用鉬銻抗比色法測定；土壤全鉀采用火焰光度法測定。以上方法參考《土壤農業(yè)化學分析方法》《森林土壤定位研究方法》進行測定[26-27]。

1.3.3 土壤抗剪強度測定 試驗采用ZJ-4A型應變控制式直剪儀進行快剪試驗，每組試驗設置4個剪切試樣，控制法向應力50，100，150，200 kPa，設置剪切速率0.8 mm∕min，量力環(huán)系數分別為1.600、1.439、1.585、1.449，取剪切位移為4 mm 所對應的剪應力作為抗剪強度，測得土壤抗剪強度指標（內摩擦角φ和粘聚力c）。試驗過程中的具體操作均參照《土工試驗方法標準 GB∕T 50123—2019》[25]。

試樣剪應力按下式計算：

式中：τ為剪應力（kPa），C為量力環(huán)系數（kPa∕0.01 mm），R為測力計讀數，單位（0.01 mm）。

根據所得的不同壓力下的剪應力，按照庫倫公式，計算出每組試樣的粘聚力c（kPa）和內摩擦角φ（°）。

1.3.4 數據處理 運用Excle2021 軟件進行數據分析，采用SPSS26 軟件進行土壤容重、含水率、有機質、全氮、全磷、全鉀、水解氮、交換鎂和不同植被土壤抗剪強度指標（粘聚力c、內摩擦角φ）的單因素方差分析，不同植被土壤抗剪強度指標與土壤理化性質（土壤容重、含水率、有機質、全氮、全磷、全鉀、水解氮、交換鎂）Pearson相關性分析，采用4次極大冪旋轉法對土壤理化性質進行因子分析，Origin2021作圖。

2 結果與分析

2.1 不同植被土壤理化性質變化

不同植被土壤理化性質的測定結果見表2。分析不同植被土壤的物理性質差異，由表2可知，4種植被類型土壤含水率存在顯著差異（P<0.05）：其中，隨著土壤深度的增加，臺灣相思和余甘子植被土壤的含水率呈現(xiàn)遞減的趨勢，分別減少了14.47%和9.62%；而錐連櫟和云南松植被土壤含水率變化幅度不大。土壤容重作為評價土壤結構的重要指標，主要受土壤質地、植被根系、有機質含量等的影響。土壤容重較小，則土壤較松散，透氣性較好，植被根系能更好的在土壤中伸展。反之，土壤較為密實，則植被根系不易向下延伸。在0～20 cm土層，余甘子植被土壤容重顯著低于其他3種植被土壤（P<0.05），在20～30 cm 土層，錐連櫟植被土壤容重顯著低于其他3 種植被（P<0.05）。不同植被類型土壤容重隨土層深度的變化存在差異性：總體上，臺灣相思、余甘子植被類型土壤的容重隨土層深度的變化呈“V”字型，變化了16%、12.9%；錐連櫟植被土壤容重隨土層深度的增加而減小，云南松植被土壤容重隨土層深度的增加而增加，增加了10.2%；4 種植被類型土壤容重在0～30 cm 土層最大值出現(xiàn)在臺灣相思樣地（1.74 g∕cm3），最小值出現(xiàn)在余甘子樣地（1.39 g∕cm3）。

表2 不同植被土層深度下的土壤理化性質Tab.2 Soil physical and chemical properties under different vegetation depths

此外，由表2還可分析不同植被土壤的化學性質差異，土壤中有機質、氮、磷、鉀、鎂等微量元素作為評價土壤質量的關鍵性指標，對植物的生長發(fā)育具有促進作用。4 種植被類型土壤有機質、全氮、全磷、全鉀、交換鎂、水解氮等元素含量存在顯著差異（P<0.05）。在0～30 cm 土層，臺灣相思植被土壤有機質、全氮、水解氮、交換鎂含量土層深度的增加逐漸減少，分別減少了3.54%、25.66%、23.4%、63.77，全氮、全鉀隨土層深度的變化呈倒“V”型；錐連櫟植被土壤全氮、全磷、全鉀、水解氮含量隨土層深度的增加逐漸增加，增加了30.12%、21.3%、47.74%、25.55%，土壤交換鎂隨土層深度的增加逐漸減少，減少了28.24%，土壤有機質隨土層深度的變化呈倒“V”型；余甘子植被土壤有機質、全氮、全磷，水解氮、交換鎂含量隨土層深度的變化呈倒“V”型，而全鉀隨土層深度的增加逐漸減少，減少了20.42%；云南松植被土壤全磷、水解氮、全氮含量隨土層深度的變化呈倒“V”型，土壤全鉀隨土層深度的增加逐漸減少，減少了5.71%，土壤有機質含量隨土層深度的增加逐漸增加，增加了15.04%。

2.2 不同植被類型土壤抗剪強度的垂直變化規(guī)律

2.2.1 土壤抗剪強度的變化規(guī)律 通過室內直剪試驗，測定4種植被類型土壤在不同土層和垂直壓力下抗剪強度的變化，結果如圖1所示。對臺灣相思，在4種垂壓下，總體上土壤的抗剪強度隨土層深度的增加而增大，分別增大了25%、55.19%、30.56%、30.59%。對錐連櫟，在4種垂壓下，土壤的抗剪強度總體上隨土層深度的增加而減小，分別減小了44%、23.9%、35.39%、43.48%。對余甘子，在50、100 kPa 垂壓下，土壤抗剪強度隨土層深度的增加呈“V”型；在150和200 kPa垂壓下，土壤抗剪強度隨土層深度的增加而增加，但增加幅度不大，分別為5.84%、8.11%。對云南松，在50 和200 kPa 垂壓下，土壤抗剪強度隨土層深度的增大呈現(xiàn)倒“V”型；在100 kPa 垂壓下，土壤抗剪強度隨土層深度的增大而減小，減小了17.72%；在150 kPa 垂壓下，土壤抗剪強度隨土層深度的增加呈現(xiàn)“V”型。造成上述結果可能是因為臺灣相思屬于常見的人工造林樹種，扎根較深且根系發(fā)達，在取土范圍內，隨著土層的加深，根系數量增多、分布形式復雜，對深層土壤的粘結力大于表層土壤，從而表現(xiàn)出土壤抗剪強度隨土層深度的增加而增大。而錐連櫟根系隨著土層深度的增加數量減少、分布形式單一，導致對土壤的粘結力下降，表現(xiàn)出土壤抗剪強度隨土層深度的增加而減小，其余兩種植被根系數量和分布形式隨土層深度的變化較復雜，因此土壤抗剪強度表現(xiàn)出不同的變化趨勢。

2.2.2 土壤粘聚力和內摩擦角的垂直變化規(guī)律 土壤粘聚力和內摩擦角是評價土壤抗剪強度的指標。由表3 可知，不同植被土壤抗剪強度指標存在顯著差異（P<0.05），且隨深度的變化顯著差異（P<0.05）。在0～10 cm 土層，4 種植被土壤粘聚力較裸地分別提高了92.1%、25.32%、245.61%、108.77%，分別是裸地粘聚力的1.92倍、1.26倍、3.45倍、2.08倍。對各植被土壤粘聚力隨土層深度變化分析發(fā)現(xiàn)：4種植被土壤粘聚力隨深度的變化各不相同，其中臺灣相思植被土壤粘聚力隨土層的增加逐漸增大，增大了24.98%，其余3種植被土壤粘聚力均隨土層的增加而減小，減小了18.57%、18.62%、50.91%。在10～30 cm土層深度下，云南松和錐連櫟植被土壤粘聚力已較為接近裸地，而臺灣相思和余甘子植被土壤仍然有較強的粘聚力。在0～10 cm土層，土壤內摩擦角由大到小依次為錐連櫟（28.97°）、云南松（27.80°）、余甘子（19.00°）和臺灣相思≈裸地（17.39°），在20～30 cm 土層，土壤內摩擦角由大到小依次為云南松（30.58°）、臺灣相思（22.7°）、余甘子（21.24°）、錐連櫟（19.30°）和裸地（18.26°）。其中錐連櫟和云南松植被土壤內摩擦角在0～20 cm 土層深度范圍內顯著高于其他兩種植被（P<0.05）。對各植被類型土壤內摩擦角隨土層深度變化分析發(fā)現(xiàn)：臺灣相思、余甘子、云南松植被土壤內摩擦隨土壤深度的變化不大，錐連櫟植被土壤內摩擦角隨土層深度的增加而減小，減小了37.96%。

表3 不同植被類型不同土層的土壤內摩擦角與粘聚力Tab.3 Soil internal friction angle and cohesion of different vegetation types and different soil layers

3 土壤理化性質與抗剪強度的關系

3.1 土壤理化性質與土壤抗剪強度指標的相關性分析

土壤的抗剪強度受多種因素的綜合影響，土壤理化性質對土壤抗剪強度存在直接或間接的影響，為了研究土壤抗剪強度與土壤理化性質之間的關系，對土壤粘聚力（Y1）和內摩擦角（Y2）與8個土壤理化參數（含水率x1、容重x2、全氮x3、全鉀x4、全磷x5、交換鎂x6、水解氮x7、有機質x8）進行Pearson 相關性分析，結果圖2 所示。4 種植被類型土壤粘聚力和內摩擦角均與土壤容重、含水率、有機質、全氮、全磷、全鉀、水解氮、交換鎂等8種土壤理化因素顯著相關，但具體表現(xiàn)不一致。例如，土壤容重與錐連櫟、余甘子、云南松植被土壤粘聚力呈顯著負相關關系，相關系數分別：0.720、0.740、0.983，與臺灣相思植被土壤粘聚力呈顯著正相關關系，相關系數為：0.997；土壤含水率與臺灣相思、余甘子、云南松土壤內摩擦角呈顯著負相關關系，相關系數分別為：0.988、0.993、0.759，與錐連櫟植被土壤內摩擦角呈顯著正相關關系，相關系數為：0.764；土壤有機質與臺灣相思植被土壤抗剪強度指標呈顯著負相關關系，相關系數分別為：0.902、0.981，與余甘子植被土壤粘聚力呈顯著正相關關系，與土壤內摩擦角呈顯著負相關關系，相關系數分別為：0.629、0.702。土壤全氮、全磷、全鉀、水解氮、交換鎂等土壤理化性質對不同植被土壤抗剪強度指標也有不同的影響。以上結果表明：與抗剪強度指標具有顯著相關關系的理化性質指標，二者之間的相關程度均較強（R>0.6，P<0.05）。

圖2 4種植被土壤抗剪強度指標與土壤理化性質相關性熱力圖Fig.2 Correlation heat map of soil shear strength index and soil physical and chemical properties of 4 vegetations

3.2 土壤抗剪強度指標與土壤理化性質的因子分析

基于以上分析，已知土壤含水率、容重、全磷、全鉀、全氮等8種理化性質均與土壤抗剪強度指標顯著相關，表明這8 種土壤理化性質綜合作用于土壤的抗剪強度，利用KMO 和Bartlett 球形檢驗法進行因子適用性分析，得出KMO 值為0.605，Bartlett 球形檢驗（P<0.01），3 個公因子累積貢獻率為85.636%。因此進一步采用因子分析法分析對這8種土壤理化性質（含水率x1、容重x2、全氮x3、全鉀x4、全磷x5、交換鎂x6、水解氮x7、有機質x8）對土壤抗剪強度的影響。為了更好的解釋這8 種因子的意義，通過4 次極大冪旋轉法得到正交變換矩陣。結果見表4。

表4 土壤理化性質因子分析Tab.4 Factor analysis of soil physical and chemical properties

因子分析結果顯示，第一公因子貢獻率為40.485%，主導因子為：土壤容重、全鉀、全磷，因子負荷量均在0.712 以上。第二公因子貢獻率為31.765%，主導因子為：水解氮、全氮、有機質。因子負荷量在0.611以上。第三公因子貢獻率13.385%，主導因子為：含水率、交換鎂，因子負荷在0.830以上。

通過表5得到第一主成分、第二主成分、第三主成分的函數表達式：

表5 公因子得分系數矩陣Tab.5 Common factor score coefficient matrix

式中x1、x2、x3、x4、x5、x6、x7、x8分別表示含水率、容重、全氮、全鉀、全磷、交換鎂、水解氮、有機質經過標準化后的值。

用3個公因子得分與抗剪強度指標（粘聚力c和內摩擦角φ）做Pearson相關性分析。如表6所示，F(xiàn)1、F2、F3對土壤粘聚力沒有顯著線性相關，而土壤內摩擦角與F1公因子極顯著相關（P<0.01），與F3公因子顯著相關（P<0.05），說明它們對土壤抗剪強度的影響主要是通過影響土壤內摩擦角來實現(xiàn)的。

表6 公因子與抗剪強度指標相關性矩陣Tab.6 Common factor and shear strength index correlation matrix

進一步用3 個公因子得分為自變量，以土壤內摩擦角為因變量做線性回歸分析，回歸方程為：φ=-0.751F1-0.064F2-0.113F3（R2=0.584，P<0.05），從回歸方程可以看出3 個公因子對土壤內摩擦角均為負影響，且影響大小為：F1>F3>F2。

4 討論與結論

4.1 討論

不同植被類型土壤理化性質存在顯著差異（P<0.05），這與植被地下根系的結構和分布特征有關，植被地下根系結構和分布特征直接影響植被對土壤中養(yǎng)分的吸收。另一方面，植被根系能改善土壤結構，增加土壤的通氣性及透水性，影響土壤中微生物的活動，從而影響土壤的理化性質[28]。本研究發(fā)現(xiàn)，隨著土層深度的增加，各植被類型土壤理化性質的變化趨勢各不相同。這是因為土層表面枯落物較多，土壤容重較小，微生物活動頻繁，有利于有機質的累積，而下層土壤容重增加、含水率減少，土壤孔隙率降低，微生物活動降低，植物根系分布數量少，所以下層土壤理化性質與表層土壤存在差異[29]。

不同植被土壤抗剪性能存在不同，隨著土層深度的增加，土壤抗剪性能也隨之發(fā)生變化。這可能是因為不同植被的生長特性存在差異，地下根系分布數量與結構不同，故而對土壤抗剪性能的影響也不同，相關研究表明[30-32]，土壤粘聚力與植被根密度、根表面積密度、根表面積比具有顯著相關性，植被一級根對土壤起錨固作用，二級根和三級根起對土壤起加筋作用。本研究發(fā)現(xiàn)，臺灣相思與余甘子植被土壤在20～30 cm 土層處土壤粘聚力顯著大于其余兩種植被（P<0.05），說明臺灣相思與余甘子植被在深層土壤中根系對土壤的錨固和加筋效果強于其他兩種植被，表明這兩種植物適用于提升深層土壤的粘聚力。在0～20 cm 土層，云南松和錐連櫟土壤內摩擦角顯著高于其余兩種植被（P<0.05），說明了錐連櫟和云南松兩種植被能顯著提升表層土壤的內摩擦角。土壤抗剪強度除了受植被根系的影響外，還與土壤理化性質存在顯著相關性[33]。本研究發(fā)現(xiàn)，4種植被土壤抗剪強度指標（粘聚力c和內摩擦角φ）與8種土壤理化性質（含水率、容重、全氮、全鉀、全磷、交換鎂、水解氮、有機質）呈顯著相關關系，這是因為土壤容重和含水率對土壤結構、孔隙度等有著重要影響，二者通過改變土壤結構直接影響土壤的抗剪強度，而土壤氮、磷、鉀、鎂等營養(yǎng)元素作為植被生長發(fā)育的主要養(yǎng)分，對植被根系的形成和生長具有促進作用，有利于植被進行光合作用獲取營養(yǎng)物質，促使植株莖稈粗壯，提升植被抵抗惡劣環(huán)境的能力，從而間接提升土壤的穩(wěn)定性[34-37]。

本研究只選取了土壤容重、含水率、全磷、全氮、全鉀等8個土壤理化性質指標，而影響土壤抗剪性能的因素眾多，特別是土壤中陰陽離子對金沙江干熱河谷典型植被土壤抗剪性能的影響，本文對這8種理化性質對土壤抗剪性能的影響機理做了一定的解釋，但微觀層面上還需進一步的研究。

4.2 結論

（1）4種植被類型土壤理化性質存在顯著差異（P<0.05），且隨土層深度的變化存在差異顯著。

（2）不同植被土壤抗剪強度和抗剪強度指標隨土層深度的變化存在差異，臺灣相思植被土壤抗剪強度和土壤粘聚力隨土層深度的增加逐漸增大，內摩擦角隨土層深度的增加變化不大；錐連櫟植被土壤抗剪強度和抗剪強度指標隨土層深度的增加逐漸減??；其余兩種植被土壤在不同垂壓下土壤抗剪強度隨深度的變化不一致，余甘子植被土壤內摩擦角隨土層深度的增加逐漸增大，土壤粘聚力隨土層深度的增加逐漸減小；云南松土壤內摩擦角隨土層深度的增加變化不大，土壤粘聚力隨土層深度的增加顯著減小。

（3）土壤理化性質顯著影響土壤抗剪強度，對8個土壤理化性質與土壤抗剪強度指標進行Pearson相關性分析，土壤抗剪強度指標與這8種理化性質關系顯著，表明土壤的抗剪強度指標受土壤理化性質的綜合影響，從而直接影響土壤的抗剪強度。對這8種理化性質進行因子分析提取出3個公因子，對3個公因子綜合得分與土壤抗剪強度指標進行Pearson 相關性分析發(fā)現(xiàn)，3 個公因子對土壤粘聚力沒有顯著線性相關關系，而是通過影響土壤內摩擦角來影響土壤抗剪強度。

（4）綜上所述，云南松和錐連櫟兩種植被可用來加強淺層土壤的穩(wěn)定性，臺灣相思和余甘子兩種植被更適用于提升深層土壤的穩(wěn)定性。