錢塘江源頭主要植被類型土壤抗剪強度研究

張曉勉, 張金池, 王云南, 陳茂青, 岳春雷, 田 剛, 李世鋒

(1.浙江省林業科學研究院, 杭州 310023; 2.南京林業大學 南京 210037;3.浙江省水利廳, 杭州310009;4.浙江省水利水電勘測設計院, 杭州 310002; 5.浙江廣川工程咨詢有限公司, 杭州 310020)

?

錢塘江源頭主要植被類型土壤抗剪強度研究

張曉勉1, 張金池2, 王云南3, 陳茂青4, 岳春雷1, 田 剛5, 李世鋒3

(1.浙江省林業科學研究院, 杭州 310023; 2.南京林業大學 南京 210037;3.浙江省水利廳, 杭州310009;4.浙江省水利水電勘測設計院, 杭州 310002; 5.浙江廣川工程咨詢有限公司, 杭州 310020)

對錢塘江源頭地區6種不同林分類型及2個對照類型(茶園、農田)不同土層深度土壤抗剪強度及土壤理化性質和土壤根系特性進行了測定。相關分析結果表明：土壤有機質含量與土壤抗剪強度、土壤粘聚力和內摩擦角呈顯著的正相關關系；土壤容重與土壤粘聚力呈顯著的正相關關系；粉粒/粘粒與土壤抗剪強度、土壤粘聚力呈顯著的負相關關系。抗剪強度與植物根系各指標之間是顯著的正相關關系，其中與根體積和根表面積相關性達到極顯著水平，與根長和根質量相關性達到顯著水平。通過對研究區8種植被類型抗剪強度和影響因子聚類分析得出：毛竹林和灌木林土壤抗剪性能最強；馬尾松林、針闊混交林、麻櫟林和杉木林次之；茶園和農田土壤抗剪性能較弱。建立了不同等級土壤抗剪強度與影響因子的回歸模型，精度達80%～85%。

土壤抗剪強度; 理化性質; 根系特性; 回歸模型; 錢塘江源頭地區

從土壤力學上看，水蝕是雨滴對土粒的濺擊剪切作用和徑流對土粒的沖刷剪切作用的過程綜合，所以土壤的抗剪強度是區域水土流失評價中反映土壤力學特性的重要指標之一[1]。在土壤侵蝕宏觀研究中，土壤作為被侵蝕的對象，是影響土壤侵蝕過程和決定流失量的重要因素，土壤抗剪強度則是最能體現出區域水土流失過程中土壤抵抗徑流沖刷剪切能力的“指示指標”[1]。因此，進行水土流失土壤抗剪強度規律的研究，對于區域和全國水土流失整治的宏觀決策(如防止重力侵蝕、增加斜坡穩定性)十分重要。

傳統的邊坡災害防治大多采用工程措施護坡，在初期防護效果很好，但隨著時間推移，混凝土逐漸老化，鋼筋銹蝕加劇，從而導致防護工程的強度降低，防護效果越來越差[2-5]。植被可通過改變土壤水分情況，利用根系對土壤的穿插、纏繞、網絡以及固結作用，增加土壤的抗蝕性、抗沖性以及固定作用，提高土壤的抗剪強度，起到固土護坡的作用。植被在發揮固土護坡作用的同時還發揮改良土壤和改善生態環境的作用。因此植被固土護坡是近年來在國內外比較流行的邊坡災害防治技術，植被恢復被認為是治理水土流失的根本措施[6-9]。

1　研究區概況

研究區位于錢塘江源頭浙江省開化縣，坐標為東經118°23，北緯29°07′，屬亞熱帶季風性氣候，年平均氣溫16.3℃，年平均降水量1 762.1 mm，森林覆蓋率79.2%。全縣土壤分為五個土類、九個亞類、二十一個土屬、四十五個土種。低山丘陵以紅壤土為主，谷地平畈多水稻土。土層厚度薄至中，土壤質地為輕壤至重壤，pH值平均7.5[10]。

2　材料與方法

2.1樣地設置

在研究區內選取馬尾松林、針闊混交林(馬尾松、木荷、香樟混交)、毛竹林、麻櫟林、杉木林、灌木林6種具有代表性的生態公益林類型，以當地分布比較廣的茶園、農田為對照進行研究。選擇能夠反映區內植被基本特征，具有代表性的地段，盡量選擇坡向一致，坡度、坡位大致相似的地段設置樣地，每個類型各設3個樣地。各樣地基本情況見表1。

2.2樣品采集

在各植被類型樣地內選擇典型地段(離道路、橋梁、林緣較遠，人為干擾較少的地方)，設置20 m×20 m的標準樣地進行調查。在每一種類型的典型地段挖取土壤剖面2個，分別在0—10 cm，10—20 cm，20—30 cm，30—40 cm土層進行取樣。細根調查采用土柱法，根系帶回室內浸泡清洗后風干，用WinRHIZO根系分析系統測定各徑級細根根長、根表面積、根體積，再將風干根系置于烘箱6 h(90℃)烘干后稱量，并計算各徑級根質量，公式為：徑級根質量=各徑級根體積/根樣總體積×根樣總質量。土壤容重采用環刀法測定[11]。顆粒分析采用甲種比重計法[11]。有機質測定采用重鉻酸鉀—硫酸氧化法[12]。

表1　樣地情況統計

2.3土壤剪切試驗

土樣制作按照《土木試驗方法標準》(GB/T50123—1999)[13]配制相應含水量試樣，試樣高度為2 cm，直徑為6.18 cm，試樣含水量等級為：30%，35%，40%。

試驗所用的剪切儀為ZJ型應變控制式直剪儀。直剪試驗采用不排水快剪試驗方法，速度為0.8 mm/min，嚴格按《土木試驗方法標準》(GB/T50123—1999)[13]進行操作。剪切時用50，100，150，200 kPa四種垂直壓力，量力環率定系數分別為1.692，1.892，1.773，1.686。

抗剪強度取剪切位移4 mm所對應的剪應力。以抗剪強度為縱坐標，垂直壓力為橫坐標，繪制抗剪強度與垂直壓力關系曲線，直線的傾角為摩擦角，直線在縱坐標上的截距為粘聚力[13]。

3　結果與分析

由庫侖抗剪強度公式[14]：

τ=c+σtgφ

式中：τ——土的抗剪強度(kPa)；c——土的強度指標之一，稱之為土壤粘聚力(kPa)；σ——作用在剪切面上的法向應力(垂直壓力)(kPa)；φ——土的強度指標之一，稱之為內摩擦角(°)。

可得土壤抗剪強度由摩擦強度σtgφ和粘聚力c兩部分構成。通常認為影響土壤抗剪強度的因素包括含水率、容重、有機質、顆粒組成、根密度等方面[1,6,15-17]。

表2　不同林分類型土壤理化性質及抗剪指標統計

3.1土壤理化性質對土壤抗剪強度的影響

由材料學相關理論可知，材料的力學性質主要決定于其物質組成和分子結構，土壤是由大量不同粒徑的礦物質和極其少量的有機質、無機鹽等借助于礦物顆粒間的吸引力、土壤膠體及土壤水分組合而構成的多相體材料，因此礦物顆粒的粒徑大小、組成比例等因素對土體的結構和性質影響較大[7]。有研究表明影響土壤抗剪強度的因素很多，包括容重、含水率、有機質、土壤質地、顆粒組成等方面的理化性質[1,12,18]。本文選取容重(X1)、有機質含量(X2)、土壤粉粒/粘粒(X3)作為指標與土壤在含水率為35%時的內摩擦角(X4)、粘聚力(X5)、土壤抗剪強度(100 kPa)(X6)(表2)，進行相關分析，分析結果見表3。

由表3可以得出，土壤有機質含量與土壤抗剪強度及反映土壤抗剪性能的土壤粘聚力和內摩擦角呈顯著的正相關關系；土壤容重與土壤粘聚力呈顯著的正相關關系而與內摩擦角關系不明顯；粉粒/黏粒與土壤抗剪強度和土壤粘聚力呈顯著的負相關關系。分析原因為：

有機質含量對土壤抗剪強度的影響一方面是由于大量土壤根系的存在增強了土壤的粘聚力(稱為“根粘聚力”)[6-8]；另一方面，有機質含量較高表明了土壤中本身的膠結物質含量比較多，增大了土壤的粘聚力和內摩擦角。

有研究表明土壤容重與內摩擦角之間關系不甚明顯，但對原始凝聚力及加固凝聚力有重大影響[19]。土壤容重是對土壤物質組成、結構密實程度的綜合反映[15]，對于同一土質(土壤的礦物成份、顆粒組成及土壤結構基本一致)在含水率相同的情況下，容重越大，土體的結構就越密實，表明土體中孔隙含量少，土體顆粒間距小，引力大，同時顆粒間的接觸面積也相對較大，從而增大了相對滑動時的摩擦力，使土壤粘聚力變大，增大了土體抗剪強度。

粉粒/黏粒反映了土壤的顆粒組成特性，粉粒/黏粒越小，表明土壤質地越粘重，從而使土壤抗剪強度越大，所以粉粒/黏粒與土壤抗剪強度呈負相關關系[1]。

表3　各變量之間相關系數矩陣

注：*p<0.05水平，**p<0.01，下表同。

3.2植物根系對土壤抗剪強度的影響

土壤中的根系與土壤抗剪強度關系密切，有研究表明土壤根系的存在可以增強土壤的抗剪切強度[14]。為了深入研究根系對土壤抗剪強度的影響，選擇根長(X1)，根表面積(X2)，根體積(X3)，根質量(X4)，抗剪強度X5(w=35%，σ=100 kPa)(表4)，運用SPSS軟件進行相關分析，各變量之間相關矩陣列于表5。

由表5可以看出抗剪強度與根系各指標之間是顯著的正相關關系，其中與根體積和根表面積相關性達到極顯著水平，與根長和根質量相關性達到顯著水平。土壤中的植物根系通過改善土壤的結構性和土壤的理化性質等方面來提高土體的抗剪切性能。

土體中的任何顆粒與根表面接觸，無論是以邊相接，還是以面相接，較之土粒，根周的表面是以面與土壤接觸為主，根面(主要是根表面)總是凹凸不平，加之叉根、根節及根毛(根表皮細胞的突起物，直徑約5～15 μm，長約5～10mm)眾多，大大增加了根和土之間的接觸面積，使兩者之間的摩擦力增強，根表面積和根體積可以很好的表達根系的這方面性質[20]。因此根系的表面積和體積越大，土壤的抗剪強度越強。

另一方面，根系在土壤中穿插、纏繞就如同在土壤中增設了許多微細鋼筋，即根系對土壤產生顯著的“加筋”作用，使土壤的整體強度增大，有研究表明[21]直徑0.6 mm 根的抗拉強度可高達22.32 MPa，約為Ⅰ級鋼筋抗拉強度的10%。土壤根系的根長和根質量這兩個指標很好反映了根系的穿插、纏繞特性，根系越長，根質量越大，這種穿插、纏繞效果就越明顯，土壤抗剪強度就越大。另外，根系表面上存在的大量根毛也增加了根系對土體的網絡固持作用，根毛的直徑和長度要比主根小得多，根毛增加了根土之間的接觸，起到固結和纏繞周圍土體的作用。土壤中植物根系的這種固持、“加筋”作用使土壤和根系形成了互相依存、共同工作的集合體，即“土壤—根系復合體”。

“土壤—根系復合體”的提出對土壤抗剪強度的研究有重大影響，因為由于根系的“加筋”錨固作用，使土壤抗剪強度、粘結力和內摩擦角都有了不同的意義。當復合體受剪力作用時，不僅產生土粒與土粒之間的摩擦作用，同時還產生土粒和根系之間的摩擦作用，這對復合體來講，都屬于內摩擦力，故φ值可理解為“土壤—根系復合體”的綜合摩擦角，比單純的土粒摩擦力有較大增強。同樣c值不僅包括土粒與土粒之間的凝聚力，同時還包括土粒和根系之間的凝聚力，以及由土粒的剪應力傳遞給根系而引起的根系剪應力或錨固力。當錨固力大于根系剪應力時以根系剪應力為主，反之以錨固力為主，故c值可理解為“土壤—根系復合體”的凝聚力與根系剪應力或錨固力之和，其中根系的抗剪力或錨固力是c值的重要組成部分[21]。由此可以看出“土壤—根系復合體”對土壤的抗剪強度有很大的增強作用。

根系的存在對土壤的理化性質也有一定的改善作用。土壤中的根系提高了土壤的容重，根系在生長過程中對四周土體產生的軸向壓力以及對根周土壤的膨壓，使根系四周的土體容重增大，根和土之間的接觸更加緊密，增大了根和土體之間的摩擦力；根系在生長過程中會分泌一些化學物質，主要包括低分子分泌物如有機酸、糖類、氨基酸和高分子分泌物如黏膠、外酶等，這些物質與土壤發生化學反應，有利于土壤顆粒的膠結，提高了土壤的粘聚力[6]。

表4　不同林分類型根系特性與抗剪強度統計

表5　 根系特性與抗剪強度相關分析

3.3不同植被類型土壤抗剪切性能評價

選擇容重(X1)等10個指標(表6)，對研究區8種植被進行聚類分析以評價研究區不同林分類型土壤抗剪切性能的強弱，聚類結果見圖1。

綜合對10個指標的分析可以看出，毛竹林和灌木林劃為同一類型，屬于抗剪性能最強的一類。馬尾松林、針闊混交林、麻櫟林和杉木林歸為一類，屬于抗剪性能較強的一類。茶園和農田歸為一類，屬于抗剪性能較弱的一類。分析其原因為：毛竹林根系極為豐富，竹鞭竹根盤根錯結，對土壤的網絡固持作用最強。灌木林根系也極為發達，特別是小于1 mm的根系極多，對土壤的加筋作用很強。馬尾松林、針闊混交林、麻櫟林和杉木林為當地的主要生態公益林類型，這些林分土壤中植物根系豐富，無論根表面積、根體積等根系特性都很好，根系在土壤中的錨固“加筋”作用很明顯，所以抗剪強度較好。農田和茶園為人為經營，但當地土壤總體比較貧瘠，農田20 cm以下土壤中石礫含量就很大，茶園中由于人為除草等因素使土壤中根系含量不是很大，所以農田茶園歸為較弱類。

表6　相關指標統計

為了深入研究不同林分類型土壤抗剪強度與土壤理化性質和根系特性的關系，以土壤抗剪強度為因變量Y，容重X1，有機質含量X2，粉粒/黏粒X3，根長X4，根表面積X5，根體積X6，根質量X7為自變量，應用SPSS統計軟件進行多元回歸分析，得到開化縣不同等級土壤抗剪強度與影響因子的回歸模型：

最強類：毛竹林、灌木林Y=-20.779X1+1.313X2-33.018X3-3.53e-3X4+4.515e-2X5-3.22X6+0.262X7+69.436 (R2=0.99)

較強類：馬尾松林、杉木林、麻櫟林、針闊混交林

Y=4.558X1+2.231X2-1.505X3+1.427e-2X4-0.228X5+12.399X6-6.393X7-1.564 (R2=0.922)

較弱類：農田、茶園Y=10.651X1+0.188X2-0.113X3+6.131e-4X4+0.652X6-15.826X7-6.793 (R2=0.989)

經過對各林分類型實測值和理論估計值誤差分析,其精度達80%～85%,平均誤差率為15%～20%。

圖1　Ward法得到的聚類圖

4　結 論

(1) 土壤理化性質對抗剪強度有重要影響，土壤有機質含量與土壤抗剪強度及反映土壤抗剪性能的土壤粘聚力和內摩擦角呈顯著的正相關關系，土壤容重與土壤粘聚力呈顯著的正相關關系而與內摩擦角關系不明顯，粉粒/黏粒與土壤抗剪強度和土壤粘聚力呈顯著的負相關關系。

(2) 植物對土壤抗剪強度有重要影響，植物根系對土壤有明顯的“加筋”作用，根系與土壤構成“土壤—根系復合體”有效的增強了土壤抗侵蝕能力。植物根系各指標與土壤抗剪強度之間有顯著的正相關關系，其中根體積和根表面積與土壤抗剪強度相關性達到極顯著水平，根長和根質量與土壤抗剪強度相關性達到顯著水平。

(3) 對研究區8種植被類型土壤抗剪切性能進行聚類分析可得：毛竹林和灌木林歸為一個類，屬于土壤抗剪性能最強的一類。馬尾松林、針闊混交林、麻櫟林和杉木林歸為一類，屬于土壤抗剪性能較強的一類。茶園和農田歸為一類，屬于土壤抗剪性能較弱的一類。按聚類結果對不同植被類型土壤抗剪強度進行回歸分析，建立了開化縣不同等級土壤抗剪強度與影響因子的回歸模型。

[1]張愛國,李銳,楊勤科.中國水蝕土壤抗剪強度研究[J].水土保持通報,2001,21(3):5-9.

[2]周德培,張俊云.植被護坡工程技術[M].北京:人民交通出版社,2003.

[3]崇婧,李徐生,楊達源,等.鎮江市邊坡地質災害及防治對策[J].災害學,2002,17(1):20-25.

[4]候東奇,羅啟先.水庫型滑坡綜合災情評價模型研究[J].災害學,2005,20(1):26-30.

[5]李同錄,趙劍麗,李萍,等.川藏公路102滑坡群2#滑坡發育特征及穩定性分析[J].災害學,2003,18(4):40-45.

[6]楊永紅,劉淑珍,王成華.土壤含水量和植被對淺層滑坡土體抗剪強度的影響[J].水土保持研究,2006,21(2):50-54.

[7]毛珞,孟廣濤,周躍.植物根系對土壤侵蝕控制機理的研究[J].水土保持研究,2006,13(2):241-243.

[8]李鵬,李占斌,鄭良勇.植被保持水土有效性研究進展[J].水土保持研究,2002,9(1):76-80.[9]王彥麗.不同植被恢復措施下剖面根系與SOC的分布特征[J].水土保持研究,2013,20(6):20-23.

[10]黃進,張曉勉,張金池.開化生態公益林主要森林類型水土保持功能綜合評價[J].水土保持研究,2010,17(3):87-91.

[11]中國科學院南京土壤研究所.土壤理化分析[M].上海:上海科科學技術出版社,1978.

[12]南京農業大學.土壤農化分析[M].2版.北京:農業出版社,1988.

[13]中華人民共和國水利部.土工試驗方法標準[S]. 中國計劃出版社,GB/T50123—1999,1999.

[14]胡建民,左長清.關于江西省水塵土流失動態監測的構想[J].水土保持通報,2002,22(1):51-53.

[15]范興科,蔣定生,趙合理.黃土高原淺層原狀土抗剪強度淺析[J].水土保持學報,1997,11(4):69-75.

[16]侍倩.土工試驗與測試技術[M].北京:化學工業出版社,2004.

[17]陳仲頤,周景星,王洪瑾.土力學[M].北京:清華大學出版社,1992.

[18]張曉明,王玉杰,夏一平,等.重慶縉云山典型植被原狀土抗剪強度的灰色關聯度分析與評價[J].水土保持研究,2007,14(2):145-147.

[19]蔣定生.黃土高原水土流失與治理模式[M].北京:中國水利水電出版社,1997.

[20]王治國,張云龍,劉徐師,等.林業生態工程學[M].北京:中國林業出版社,2000.

[21]楊亞川,莫永京,王芝芳,等.土壤一草本植被根系復合體抗水蝕強度與抗剪強度的試驗研究[J].中國農業大學學報,1996,1(2):31-38.

Research on Soil Shear Strength of the Major Forest Types in Headwaters of Qiantang River

ZHANG Xiaomian1, ZHANG Jinchi2, WANG Yunnan3,CHEN Maoqing4, YUE Chunlei1, TIAN Gang5, LI Shifeng3

(1.Zhejiang Forestry Academy, Hangzhou 310023, China; 2.Nanjing Forest University,Nanjing210037,China; 3.DepartmentofWaterResourcesofZhejiangProvince,Hangzhou310009,China; 4.ZhejiangDesignInstituteofWaterConservancyandHydroelectricPower,Hangzhou310002,China; 5.Zhejiang-basedGuangchuanEngineeringConsultingCo.,Ltd,Hangzhou310020,China)

Soil shear strength, physical and chemical properties and root system traits at different soil layers in 6 forest types and two controls (tea plantation and farmland) were determined in the headwaters of Qiantang River, Zhejiang Province. The relative analysis demonstrated that soil organic matter content had evident positive relation with soil shear strength, cohesion and internal friction angle, soil bulk density had significant relation with cohesion, and ratio of powder to viscosity had negative relation with soil shear strength and cohesion. Soil shear strength had evident positive relation with each root system trait (root length, surface area, volume and weight). Cluster analysis on soil shear strength of 8 tested forest types and influencing factors showed that soil shear strength was the highest inPhyllostachysheterocyclacv.pubescensforest and shrub, followed byPinusmassonianaplantation, coniferous and broad-leaved mixed forest,Quercusacutissimaforest andCunninghamialanceolataforest, and it was the least in tea garden and farmland. The regression models describing the relation between soil shear strength of different forest types and influencing factors were established for different grades of soil shear strength with accuracy of 80%～85%.

soil shear strength; physical and chemical properties; root characteristics; regression model; headwaters of Qiantang River

2014-05-13

2014-08-06

浙江省水利科研項目“浙江省水土保持項目效益監測評價和可持續治理模式研究”

張曉勉(1983—),男,河南省鎮平縣人,助理研究員,博士,主要從事水土保持、森林生態等研究。E-mail:zhangxmzjfa@sina.com.cn

張金池(1962—),男,山東省安丘縣人,教授,博士生導師,主要從事林業生態工程、水土保持與荒漠化防治研究。E-mail：zhang8811@njfu.edu.cn

S157.5

A

1005-3409(2015)04-0079-06