黔中地區砂頁巖坡耕地的土力學性質研究

羅 爽，吳茂宏，高華端，楊克語

(1.銅仁市林業局，貴州 銅仁 554300；2.銅仁市林業科學院，貴州 銅仁 554300；3. 貴州大學 林學院，貴州 貴陽 550025；4.梵凈山國家級自然保護區，貴州 江口 554300)

1 引言

煤系地層的巖層間軟硬不均，層間膠結性弱，風化速度快，遇水易軟化，結構不穩定,且夾層中炭質泥巖或頁巖的強度低、易活化、易變性和滲透系數相對較小[1]。黔中地區的在耕坡耕地中，存在不少由煤系地層發育的坡耕地，且該地區年降水量在1100 mm以上。在梅雨季節或強降雨條件下，煤系地層坡耕地極易發生水土流失、甚至是地質災害。坡耕地的土力學性質是影響土壤侵蝕的主導因素，以黔中煤系地層砂頁巖坡耕地為研究對象，深入研究煤系地層砂頁巖坡耕地的土力學性質(緊實度、液限含水量、塑限指數)，總結煤系地層砂頁巖坡耕地土力學特征，對西南巖溶區零星分布的煤系地層坡耕地土壤侵蝕過程機理研究、水土流失防治具有重要意義。

目前，國內學者對土壤界限含水量與土壤侵蝕關系的研究，主要集中在界限含水量的影響因素及影響程度等方面，且研究區域多為南方崩崗區，而土壤緊實度的研究還是多集中在農業生產上，土壤緊實度與土壤侵蝕關系的研究較少，在鮮有的研究中，主要研究土壤緊實度對土壤抗沖性的影響程度。土壤界限含水量的決定因素包括土壤機械組成、有機質含量、土層、游離氧化鐵等[2，3]，砂粒與液限、塑性指數呈負相關，黏粒含量、有機質含量與界限呈正相關；有機質通過幫助土壤團粒結構的形成，改善土壤結構，提高砂土的界限含水量，降低黏土的界限含水量；崩壁土壤的土層越深，其界限含水量也就越低，有機質含量越高，其界限含水量也就越高[4]；黏粒含量、有機質含量、土壤容重及游離氧化鐵是影響花崗巖崩崗剖面界限含水量的因素，這些因素與液塑限均呈正相關關系，且不同土層界限含水量存在顯著差異[5]。土壤緊實度與坡度呈正相關，坡度越大，其抗蝕性增強[6，7]。土壤含水量與緊實度存在顯著的相關性，含水量越高，緊實度越低，隨著土壤深度的增加，含水量與緊實度的相關性隨之增加[8]。施用有機質肥料不僅能提高作物產量，還能改善土壤結構，降低土壤緊實度[9]。本文以煤系地層砂頁巖區坡耕地為研究對象，分析耕作擾動對土力學性質的影響程度，掌握砂頁巖母巖區坡耕地的土力學特征，從土力學角度闡明砂頁巖區坡耕地土壤侵蝕的過程機理。

2 材料與方法

2.1 研究區概況

研究區位于貴陽市花溪區(106 ° 27 ′～106 ° 52 ′ E，26 ° 11 ′～26 ° 34 ′ N)，東面接黔南州龍里縣，南面接黔南州惠水縣，西鄰清鎮市和安順地區平壩縣，北面接貴陽市南明區，地處云貴高原苗嶺山脈中段，位于長江水系烏江與珠江水系西江的分水嶺地帶，海拔1030～1326 m，以中低山丘陵、河谷、盆地為主，其地帶性土壤為黃壤，石灰土、紫色土、黃壤3種土壤呈復區分布，該區域的坡耕地主要由碳酸鹽巖石發育，少量由紫色砂巖、砂頁巖發育，還存在小部分水稻土。

2.2 采樣方法

根據貴陽市水文地質圖[10]，選取花溪區由煤系地層砂頁巖發育的坡耕地，采樣點位于孟關上板村(表1)，使用典型樣地取樣法隨機取樣，所有取樣點避開工業污染區且常年耕作，共調查了土壤剖面20個，并在耕作層、犁底層各取20個土樣。

表1 黔中地區煤系地層砂頁巖坡耕地調查取樣信息

2.3 試驗方法

(1)土壤機械組成的測定采用吸管法，蒸餾水和分散劑浸潤土樣，煮沸靜置冷卻，洗入沉降筒，烘干并稱重洗篩中的粗砂粒。根據Stokes定律計算出個粒徑沉降至指定深度所需時間，在指定時間吸取懸液，把懸液烘干、稱重、計算各粒徑的土粒重量百分含量值。按照國際制分級將土壤分為4個粒級，分別為粗砂粒(0.25 ～ 2 mm)、細砂粒(0.02 ～ 0.25 mm)、粉粒(0.002 ～ 0.02 mm)及黏粒(<0.002 mm)。

(2)土壤有機質含量采用重鉻酸鉀容量法測定。取風干土樣放入試管，先后加入重鉻酸鉀溶液、濃硫酸油浴，將油浴后的土樣溶液洗入廣口錐形瓶，加鄰菲羅啉指示劑，用硫酸亞鐵溶液滴定。按如下公式計算土壤中的有機質含量：

(1)

(2)

式(1)、(2)中，C表示土壤中有機質含量(%)，V0表示空白對照滴定所用的硫酸亞鐵溶液的體積，V表示滴定所用硫酸亞鐵溶液的體積，c表示重鉻酸鉀溶液濃度，5表示重鉻酸鉀溶液的體積。

(3)土壤穩定入滲率水率測定采用環刀法。使用環刀取原狀土帶回室內，在裝原狀土的環刀頂部接空環刀，用玻璃膠或防水膠帶密封環刀接觸點，將粘結后雙環刀放置在鐵架臺或三角架上，空環刀內注水，鐵架下方放置漏斗和燒杯，在單位時間內收集燒杯中下滲的水并記錄數據。待到燒杯中連續5次水量相同時，按如下公式計算穩定入滲率：

(3)

式(3)中，θ為燒杯中水量連續5次相同時的水溫(℃)，K10是水溫為θ時的土壤下滲速率(mm/min)，Kθ為滲透速率。

(4)土壤緊實度。采用美國DICKEY-john 6100 型土壤緊實度儀，在取樣點半徑1 m內測定土壤緊實度，根據土壤剖面情況，均勻用力將緊實度儀垂直插入土壤中部，讀取數值，為減少誤差和避免石礫影響的導致讀數偏大，測量5次，若5次測量值中出現異常值，則刪除重新測定，取5次的平均值作為該點的緊實度指標值。

(5)土壤界限含水量。采用液塑限聯合測定法(GB/T50123-1999)，使用LP-100D數顯式土壤液塑限測定儀測定下層深度3～4 mm、7～9 mm、15～17 mm土膏的下沉深度及含水量，根據試驗數據計算塑限(WP)、液限(WL)，按以下公式計算塑性指數(IP)：

IP=WL-WP

(4)

式(4)中，IP為塑性指數；WP為塑限(%)；WL為液限(%)。

利用WPS 2019進行數據統計分析和圖表繪制，利用SPSS 18.0進行數據差異性檢驗。

3 結果與分析

3.1 砂頁巖坡耕地土壤基本屬性

土壤機械組成受成土母巖的影響最大，受耕作活動影響較小，而耕作活動是改變坡耕地土壤有機質含量、土壤入滲率的主要原因。粗砂粒與液限含水量、塑性指數呈負相關，黏粒、有機質含量與土壤界限含水量呈正相關，農事活動增加土壤有機質含量，改變土壤孔隙度和土壤入滲率，增加了土壤營養元素易被下滲水溶解流失的幾率。黔中地區煤系地層砂頁巖坡耕地土壤機械組成、土壤有機質含量、土壤穩定入滲率測定結果的統計特征值如表2所示。

表2 砂頁巖區坡耕地土壤基本屬性特征

如表2所示，煤系地層砂頁巖坡耕地的耕作層粗砂粒均值為25.20 %，標準差7.45%，細砂粒均值為14.61 %，標準差2.67%，粉粒均值為33.15 %，標準差5.15%，黏粒均值為27.04 %，標準差4.81%；犁底層粗砂粒均值為23.52%，標準差7.91%，細砂粒含量為14.50%，標準差3.31%，粉粒含量為30.63%，標準差6.08%，黏粒含量為31.35%，標準差10.02%。耕作層有機質含量為45.12 g/kg，標準差9.66，平均穩定入滲率為0.1577 mm/min，標準差0.1093，犁底層平均有機質含量為20.67 g/kg，標準差6.42，穩定入滲率為0.0869 mm/min，標準差0.0776。

耕作層、犁底層的粗砂粒、細砂粒、粉粒均值或標準差之間的差值不大，表明農事耕作對砂頁巖母巖坡耕地的砂粒、粉粒影響較小，而黏粒、有機質和穩定入滲率的均值的差異較大。砂頁巖坡耕地土壤中砂粒含量高[11]，附著在砂粒上的黏粒在下滲水作用下，下沉到犁底層，使得犁地層黏粒含量標準差大；施用家禽家畜糞便、掩埋作物秸稈等農耕活動增加了土壤中有機質的含量；松土、翻耕改變土壤結構，降低容重，增加土壤總孔隙度，增加土壤入滲率。

3.2 土力學性質特征

土壤緊實度直接決定了坡耕地土壤的抗沖性，液限含水量反映的是坡耕地在坡面水蝕中力學狀態變化的臨界點，塑性指數為土壤可塑態的含水量范圍，持續降水會增加坡耕地土壤含水量，銅仁含水量增加到液限含水量這一臨界值時，土壤由可塑態轉變為流態后極易發生水土流失，因此，坡耕地的土力學特征在坡面水蝕過程中的研究至關重要。通過野外測量及室內試驗數據，處理后得出黔中喀斯特區坡耕地土壤土力學統計值，如表3。

表3 砂頁巖區坡耕地土力學特征

由表3可知，砂頁巖母巖坡耕地耕作層液限含水量均值為35.97%，標準差15.07%，塑性指數為0.1214，標準差0.0546，緊實度均值481.60 Pa，標準差164.78；犁底層液限均值29.64%，標準差12.13%，塑性指數均值0.1248，標準差0.0669，緊實度均值1384.25 kPa，標準差78.74。

為提高作物產量，農耕常伴隨著松土、犁地、施用土壤肥料及掩埋作物秸稈等系列活動。松土擾動土壤，土體結構發生變化，增加土壤的透水透氣性，有利于作物根系的生長和發育，便于吸取更多的營養元素。施用農家肥及掩埋秸稈的作用有三：一是農家肥可為作物提供生長發育所需營養元素；二是增加土壤有機質含量，幫助土壤形成團粒結構，增加土壤保水保肥性;三是有機質能提高土壤的液限含水量、塑性指數，進而增強土壤抗蝕性。

3.3 耕作層、犁地層土力學差異分析

坡耕地緊實度是土壤力學性質的直觀反映，土壤抗沖性在一定程度上由緊實度直接反應，土壤緊實度的影響因素包括土壤有機質、含水率、土壤結構體、土粒和土粒的級配條件等。土壤塑性指數也是重要的土力學指標，可一定程度上反應土壤的抗蝕性，受土壤機械組成、有機質含量的影響較大。根據試驗數據，采用差異分析的方法，重點分析耕犁層的液限含水量、塑性指數和緊實度的組間差異分析，如表4。

表4 砂頁巖區坡耕地耕作層、犁底層土力學性質差異性檢驗

由表3、4可知，砂頁巖區坡耕地犁底層的緊實度高于耕作層，說明犁地、翻耕、松土除草等活動會降低土壤緊實度，進而降低土壤抗沖性。耕作層、犁地層的液限含水量、塑性指數的差異并不顯著，這是由于黔中砂頁巖區坡耕地耕、犁兩層的機械組成的差異小，有研究表明，土壤有機質含量與土壤液限呈正相關[12]，說明黔中地區坡耕界限含水量對有機質的敏感程度低。在雨季，黔中地區常見的侵蝕類型是水力侵蝕、重力侵蝕和混合侵蝕，降雨形成坡面徑流，沖刷坡耕地土壤地面組成物質，而壤中流溶解土壤中的營養元素，在重力作用下產生移動，降低坡耕地生產力。

4 討論

成土母巖決定了坡耕地土壤的機械組成，農耕活動改變了土壤基本空間結構、有機質含量等理化性質，增加土壤有機質含量，導致土壤緊實度、界限含水量發生變化，進而改變土壤抗沖性和抗蝕性。耕犁作用改變了土壤顆粒間原始排列順序，土壤初始結構在耕犁作用下被機械破壞，在持續的耕作活動中，施用農家肥、掩埋作物秸稈降解后，增加耕作層有機質含量[13，14]，改善了土壤孔隙度，導致緊實度降低，土壤力學特征發生改變，耕作層緊實度低于犁底層的緊實度，農事活動會降低土壤抗沖性，這與孫泉忠等[15]研究一致。徐永服等[16]的研究表明，耕作層、犁底層的液限含水量和塑性指數存在顯著差異，本文的研究表明，耕作層、犁底層的液限含水量、塑性指數的差異并不顯著，其原因有二：一是耕犁作用對黔中地區砂頁巖區坡耕地的機械組成的影響程度較小，土壤機械組成是決定界限含水量的主要原因，造成了耕作層液限、塑性指數與犁底層差異不顯著；二是砂頁巖區坡耕地土壤中的砂粒含量占比高，耕作層增加的有機質并未能改善土壤結構，使得兩個層間的液限、塑性指數的并不顯著。

西南巖溶區的侵蝕類型主要為水力侵蝕、重力侵蝕、化學侵蝕、混合侵蝕，在持續降雨或強降雨條件下，坡耕地成為水土流失的頻發區，尤其是在汛期內，坡耕地的土壤顆粒、作物所需營養元素，在水蝕作用、重力作用、淋溶作用共同作用下，極易發生流失，土壤結構發生變化、營養元素下降，坡耕地的生產力持續下降。坡耕地的黏粒占比越高，土壤的液塑限也就越高。煤系地層砂頁巖坡耕地的粗砂含量高，土壤整體粘結力弱，團粒結構少，附著在砂粒上的小粒徑土粒、營養元素絡合物等物質在水流沖刷、下滲過程中極易流失。砂頁巖區坡耕地的砂粒含量在黔中常見坡耕地中最高[11]，其液限含水量和塑性指數均是最低，表明在發生持續降水后，砂頁巖坡坡耕地土壤達到液限含水量所需時間短，其蓄水保肥能力低于其他常見巖性坡耕地，在同等降雨條件、地形條件下，砂頁巖坡耕地發生水土流失的幾率最高。有機質幫助土壤形成保水蓄肥性能極佳的團粒結構，團粒結構有利于改良耕地土壤的保水保肥性，合理施用農家肥、掩埋作物落葉秸稈使之分解等人為活動，增加砂頁巖坡耕地的有機質含量，改善土壤結構，增加土壤界限含水量，優化土壤可蝕性。

5 結論

(1)煤系地層砂頁巖坡耕地的耕、犁層土力學性質存在差異。結果表現為，砂頁巖區坡耕地犁底層緊實度(1384.25 kPa) > 耕作層緊實度(481.60 kPa)。耕作層穩定入滲速率高于犁底層，降水后雨水下滲形成的壤中流，耕作層壤土流的速率也高于犁底層，增加土粒下滲和養分被溶蝕幾率，耕犁作用降低了土壤緊實度，土壤抵抗水流沖刷的能力降低，增加了地表土壤顆粒被水流沖刷產生移動造成面蝕的幾率。

(2)耕作活動是造成煤系地層坡耕地的耕、犁層理化性質差異和土力學性質差異的主要原因。同一個取樣點，成土母巖、成土氣候相同，而耕作層受農事活動影響較大，犁底層幾乎不受農耕活動干擾，耕犁作用增加了耕作的有機質含量，降低了土壤容重，改變了土粒排立結構，耕作層、犁底層的緊實度卻存在差異，表明耕作活動是造成同一坡耕地耕作層、犁底層的理化性質差異，進而導致土壤緊實度存在顯著差異。