崩崗紅土層土壤液塑限特性及影響因素研究

莊雅婷，黃炎和，林金石，蔣芳市，鄭 藝，孫紹希，丁子琪，楊 宇

（福建農林大學，福州350002）

崩崗是我國南方特有的侵蝕現象，侵蝕危害十分嚴重［1－3］。水分在崩崗侵蝕的發生過程中扮演著重要角色，它對崩崗土壤入滲能力、抗沖性、抗蝕性以及抗剪能力等都有影響，土壤塑限和液限分別是土壤處于塑性狀態時的最低含水量和最高含水量，它可以表征土壤能達到的最高含水量，對于預測降雨對崩崗侵蝕的影響具有重要作用，因此對崩崗土壤的液塑限進行相關研究，對于闡述土壤液塑限與崩崗侵蝕之間的關系具有重要意義。

關于土壤塑限和液限的研究目前主要集中在巖土力學、建筑工程和路橋等工程上的應用以及施工技術研究，也有少量學者對土壤塑限和液限的影響因素進行研究，且大多集中在黏粒含量和有機質含量兩個因素上。如吳宏等［4］對砂質粉土、黏質粉土、粉質黏土等不同分類土壤進行研究，結果表明黏粒含量越高，塑性指數越大；花可可等［5］對紫色土和水稻土這兩種耕作土壤的研究表明土壤液限值隨有機質和黏粒含量的增加而變大；劉艷華［6］對有機質土的液塑限進行研究，得到有機質土區的液塑限關系公式；李卓等［7］對土壤中黏粒質量分數對水分蓄持能力影響的研究表明，黏粒含量有助于土壤保持水分，從而可以提高土壤液限值。在這些研究中，大家只關注了黏粒和有機質兩個因素，忽略了其他土壤顆粒組成對土壤液塑限的作用，且關于崩崗土體的液塑限性質還未有相關報道。南方崩崗數量多，而紅土層為崩崗表層土壤，對整個崩崗具有保護作用，一旦紅土層被侵蝕，將會加快整個崩崗的水土流失，因此對紅土層土壤的塑限和液限性質進行研究，對于闡明紅土層土壤液塑限性質對整個崩崗侵蝕的影響具有重要作用。本研究對崩崗紅土層土壤進行液塑限分析，并對有機質和不同粒徑土壤含量對土壤液塑限的影響進行研究，豐富崩崗侵蝕預防和治理的科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于福建省安溪縣龍門鎮，屬于中、南亞熱帶氣候區，年平均氣溫16～22℃，年平均降水量1 600～2 000mm。安溪縣位于福建省東南部，東經117°35′—118°17′，北緯24°50′—25°26′。安溪縣崩崗面積占全省崩崗總面積的35.99%，達2 305.43 hm2，崩崗數量也最高，達12 828個，占全省崩崗總數的49.28%，接近全省崩崗總數的一半。而龍門鎮又是安溪縣崩崗集中的區域，其崩崗具有典型性［3］。研究區崩崗區土體發育于晚侏羅世、早白堊世燕山晚期的侵入體之上，且都是酸性侵入體，屬花崗巖類，巖石結構為中—粗粒，似斑狀架構，礦物成分以長石為主，其次為石英、云母。

1.2 樣品采集

本研究選取3個崩崗紅土層進行研究，在崩崗紅土層上，按30cm為一層進行取樣，具體采集點情況和采樣點個數見表1。采樣時自下而上分層采取，以避免采取上層樣品時對下層土壤的混雜污染。

表1 樣品采集點基本情況和采樣點個數

1.3 測定方法

試驗土壤過0.5mm篩后采用液、塑限聯合測定方法對土壤塑限和液限值進行測定。試驗時取代表性試樣，加不同量的純水，調成3種不同稠度的試樣，用電磁落錐法分別測定圓錐在自重下沉入試樣5s時的下沉深度，三點圓錐的入土深度大概分別在3～4mm，7～9mm，15～17mm。試驗方法標準按照沉入深度17mm所對應的含水量為17mm液限，沉入2mm所對應的含水量為塑限。另外土壤顆粒分析采用粒度儀進行分析，有機質采用重鉻酸鉀外加熱法進行測定。各項目測定均進行三次重復試驗。

1.4 指標選擇與計算

式中：IP——塑性指數；wL——液限（%）；wP——塑限（%）；w——天然含水率（%）；IL——液性指數。

1.5 數據處理及分析

數據處理采用Excel 2003和SPSS 18.0進行分析。

2 結果與分析

2.1 崩崗紅土層土壤液塑限特征

對崩崗紅土層的土壤進行塑限和液限測定，結果見表2。由表2可以看出，3個崩崗中，紅土層土壤的塑限（wp）值平均最低為26.1%，最高為30.0%；液限（wL）值平均最低為52.5%，最高為59.7%；塑性指數（Ip）平均最小為26.0%，最大為29.8%；液性指數（wL）均小于0。這與花可可等［5］研究中紫色土和水稻土的液塑限性質有一定的差異，崩崗紅土層土壤的塑限值和液限值都比紫色土和水稻土高，說明崩崗紅土層土壤在小雨和中雨條件下較這兩種土壤不容易發生流失。

表2 崩崗紅土層土壤液塑限性質

由上面分析可知塑性指數（Ip）均大于17%，且土壤液限（wL）均大于50%，屬于高液限黏土；因此，在小雨和中雨條件下，若降雨持續時間較短，崩崗紅土層土壤不容易達到塑限值，紅土層不容易出現土壤流失和崩塌現象，但是如果降雨持續的時間足夠長，紅土層土壤的含水量就會達到一個較高水平，此時土壤自重增加明顯，土壤抗剪性下降，就可能出現崩塌現象。而土壤液性指數與土壤的自然含水量呈正比關系，它可以較好地反映出土壤中水分的變化情況［8］。從上面的分析還可以看出，土壤液性指數（IL）均小于0，說明試驗土壤狀態為堅硬，說明土壤滲透能力差，且不利于植被生長。因此，在大暴雨條件下，由于紅土層土壤沒有足夠的植被覆蓋，遮擋能力差，且降雨過程中水分不易下滲，從而容易產生徑流，導致徑流沖刷。

2.2 土壤液塑限與各因素相關性分析

2.2.1 有機質對土壤液塑限的影響 有機質的含量對土壤的液塑限有很大的影響，有機質含量過高會引起土的高塑性［6］。從圖1可以看出，土壤有機質含量與土壤液限和塑限值呈二項式函數關系，且相關性都達到顯著水平。這可能是因為土壤有機質含量高低會影響土壤顆粒的比表面積和持水率，從而影響土壤的液限性質。隨著有機質含量的增高，有機膠體也增多，土壤的持水率越大，液限值也升高［9］。試驗土壤為崩崗紅土層土壤，有機質含量較低，均低于1%，這與Abdallah等［10］的研究（當土壤有機質的含量低于10%時，土壤的液限值與有機質之間具有明顯的正相關性）結果一致。說明土壤有機質含量越高，土壤液塑限值越高，土壤越不容易達到泥狀，即土壤越不容易被沖刷，越不易造成水土流失。

圖1 有機質對土壤塑限和液限的影響

2.2.2 土壤顆粒對土壤液塑限的影響 土壤顆粒組成狀況是影響土壤抗蝕性的重要因素。顆粒組成越細的土壤，粘結力越強，在一定程度上使土壤形成團狀結構體，其抗打擊的能力也越高［11－12］。經分析，土壤液塑限值與粗砂粒、細砂粒和粉粒含量相關性不明顯，與極細砂粒和黏粒含量呈二項式關系，其中極細砂粒含量與土壤液塑限呈負相關；黏粒含量與土壤液塑限均呈顯著正相關關系，具體見圖2。這可能是因為砂粒孔隙大，粘結性小，因此這部分顆粒含量增加，必然會影響土壤孔隙狀況和比表面積大小，使土壤孔隙率增大，比表面積減小，從而利于水分通過，蓄水性質較差，而且其粘性小，遇水膨脹性也小，干燥時松散，毛細水上升高度不大，因此這部分含量增加，會使土壤液塑限值降低，從而增加土壤被沖刷和侵蝕的可能性，但是極細砂粒在總的砂粒含量中比重較大，因此對土壤液塑限的影響較顯著；而粉粒雖然在土壤顆粒中分布最多，但是各土壤間差異不明顯，因此就可能對土壤液塑限性質表現出不明顯的相關關系。

此外由以上分析可知，土壤黏粒含量與土壤液塑限值呈顯著正相關，說明其含量增加可以使土壤液限和塑限值提高。這可能是因為黏粒含量可以有效地改變土壤顆粒和水分的分布狀況，黏粒能夠通過影響土壤顆粒排列形式來影響土壤的可塑性［13－14］。黏粒含量不同，土壤顆粒間的連接形式、排列方式及孔隙大小均會發生較大變化［15］。其次，土壤黏粒是土粒中最細的部分，具有極大的比表面積大小，土壤中黏粒含量的多少勢必影響整個土壤的孔隙狀況及比表面積，進而影響土壤的蓄水能力［6］。所以黏粒巨大的比表面積使其具有很強的吸附能力，從而影響土壤中的水流速度，細小黏粒對較大孔隙的鑲嵌填充也對土壤中的水流通道有阻擋作用，從而影響土壤的液限性質。黏粒含量較高時，粗顆粒較均勻地分布在黏粒基質中，土粒間被黏粒充填，粗顆粒被隔開，并有利于顆粒的定向排列，弱結合水含量升高，從而增加土壤的液限［8］。

圖2 土壤顆粒對土壤液限和塑限的影響

2.2.3 土壤液塑限與各影響因素方程擬合 為了了解各因素對土壤液塑限的影響，利用SPSS對數據進行多元回歸分析，結果見表3。

由表3可以看出，在各因素一起作用于土壤液塑限條件下，粉粒對土壤液塑限沒有明顯影響，其余5個因素對土壤液塑限值均有影響。這可能是因為：雖然粉粒在土壤顆粒中的比重大，均在一半左右，但是粉粒的特征不明顯，且每個樣點間土壤粉粒含量差異性不大，因此在總體的影響分析中，粉粒的作用就可能不明顯，而其他因素對土壤液塑限均有明顯的影響。另外，從表3可以看出，模擬的兩個方程的相關系數R2分別為0.946和0.909，說明擬合的方程可以較準確地描述土壤塑限和液限值與各因素之間的相關關系。

表3 土壤液塑限和各影響因素擬合關系

3 結論

從以上結果分析可知，崩崗紅土層土壤為高液限黏土，土壤狀態為堅硬。土壤有機質含量以及土壤顆粒組成對土壤液塑限有明顯影響，具體為：有機質含量、黏粒含量和粉粒含量與土壤液塑限值為正相關，粗砂粒含量、細砂粒和極細砂粒含量對土壤液塑限值為負相關。土壤液塑限與各影響因素的關系符合SPSS模擬的方程，方程R2分別為0.946和0.909，說明模擬的方程可以較準確地預測土壤塑限和液限值與各影響因素的關系。土壤有機質和顆粒分布對土壤液塑限的相關性確定能夠為崩崗其他特征的確定提供一些依據，但是對于崩崗崩壁剖面土壤液塑限與其他物理性質，如抗剪強度、滲透等的具體關系還有待進一步研究。

［1］ 牛德奎.華南紅壤丘陵區崩崗發育的環境背景與侵蝕機理研究［D］.南京：南京林業大學，2009.

［2］ 梁音，寧堆虎，潘賢章，等.南方紅壤區崩崗侵蝕的特點與治理［J］.中國水土保持，2009，29（1）：31－34.

［3］ 林敬蘭，黃炎和.崩崗侵蝕的成因機理研究與問題［J］.水土保持研究，2010，17（2）：1－4.

［4］ 吳宏，劉銀寶.土的分類中塑性指數與黏粒含量的關系［J］.中國市政工程，2008（1）：62－67.

［5］ 花可可，魏朝富，任鎮江.土壤液限和抗剪強度特征值及其影響因素研究：基于紫色土區［J］.農機化研究，2011，33（6）：105－109.

［6］ 劉艷華.區域土的液限和塑限的相關性分析［J］.長江科學院院報，2001，18（1）：28－30.

［7］ 李卓，吳普特，馮浩，等.黏粒質量分數對土壤水分蓄持能力影響的模擬試驗［J］.中國水土保持科學，2009，7（5）：94－99.

［8］ 蔣建平，羅國煜.蘇通大橋地基粉質黏土物性指標相關關系試驗研究［J］.巖土力學，2008，29（6）：1670－1676.

［9］ 艾海艦.土壤持水性及孔性的影響因素淺析［J］.干旱地區農業研究，2002，20（3）：75－77.

［10］ Husein Malkawi A I，Alawneh A S，Abu－Safaqah O T.Effects of organic matter on the physical and the physicochemical properties of an illitic soil［J］.Applied Clay Science，1999，14（5）：257－278.

［11］ 鄭粉莉，唐克麗，周佩華.坡耕地細溝侵蝕影響因素的研究［J］.土壤學報，1989，26（2）：109－116.

［12］ 趙西寧，吳普特，馮浩，等.坡面土壤侵蝕產沙的神經網絡模擬［J］.土壤學報，2006，43（2）：324－327.

［13］ 曹成林，孫永福，董斌.不同粘粒含量粉質土的動力強度特性研究［J］.海岸工程，2009，28（3）：27－32.

［14］ 胡華.黏粒含量對淤泥質軟土流變參數的影響極其機理分析［J］.巖土工程界，2005，8（11）：32－35.

［15］ 陳鐵林，周成，沈珠江.粘土變形特性分析［J］.巖土力學，2004，25（4）：522－528.