土壤崩解研究進展

保銳琴， 和貴祥， 黃廣杰， 段青松

(1.云南農業大學 資源與環境學院，云南 昆明650201； 2.大理農林職業技術學院， 云南 大理 671003； 3.云南農業大學機電工程學院，云南 昆明 650201)

0 引言

我國土壤侵蝕過程復雜，侵蝕類型多樣，土壤侵蝕相關研究在生態文明大背景下迎來了新的發展機遇和挑戰[1-2]。部分學者在評價指標、影響因素、測定方法等方面取得一定研究成果，為土壤侵蝕防治提供了新的方法[3-9]。土壤崩解是指土壤在靜水中發生分散、碎裂、塌落和解體且不可逆的物理過程[10-11]，可用來反映土壤可蝕性，在土工試驗規范中亦被稱為濕化[12-13]，是土壤普遍存在的一種水理現象[14]。土壤崩解是土壤侵蝕發生的必要條件，為進一步侵蝕提供了物質基礎和前提條件[15]。土壤崩解是研究土壤侵蝕機理的方法之一，被用來作為衡量土壤抗蝕程度的指標，土壤崩解性體現了土壤抗侵蝕能力，對土壤侵蝕防治具有重要意義[16-22]。因此，研究土壤的崩解特性及其崩解機理對保護土地資源及尋求土壤侵蝕防治措施等均具有重要的理論和現實意義。通過對土壤崩解相關研究文獻進行總結，從土壤崩解測試方法、崩解過程特征、主要影響因素以及崩解機理等方面進行綜述，提出近年來土壤崩解的研究方向和熱點，為有針對性地開展土壤崩解研究、尋求土壤侵蝕防治措施提供參考。

1 土壤崩解測試方法

1.1 浮筒法

蔣定生等[23]在20世紀90年代利用浮筒原理，自制測定土壤崩解的簡易儀器，方法原理為阿基米德浮力原理，即土壤浸水散落，網板上土體質量下降、體積減小，使浮筒上浮，通過浮筒體積之差計算崩解速率。通過該儀器可獲得試樣體積隨崩解時間的變化情況，因此，該方法亦稱為體積法。水利部《土工試驗規程》(SL237-1999)[24]、交通部《公路土工試驗規程》(JTGE40-2007)[25]以及電力行業《水電水利工程土工試驗規程》(DL/T5355-2006)[26]中規定的崩解試驗方法均為此方法，在之后的土壤崩解研究中，大多學者也都參考這種方法[27]。具體測試方法：開始測試時，將土壤樣品放置在金屬網板上，手持浮筒上部將樣品沉浸到玻璃容器中，浸入過程中保持勻速，放入完成后記下浮筒初始讀數同時秒表計時開始。測試開始后，每30 s記錄浮筒齊水面的刻度讀數，也可根據樣品崩解的速度快慢適當縮短或延長記錄讀數的時間間隔，同時記錄樣品的崩解特征。觀測時長依試驗需要而定，一般為30 min，或當試樣完全崩解后，測試結束。

傳統的浮筒法依托排開水的體積測定土壤崩解速率，若土樣處于非飽和狀態，內部有空隙，隨著崩解進行，土體吸水后內部氣體逸出，造成體積測量不準確。且浮筒上下浮動難以穩定，讀數困難，精確度下降，因此選用體積法測定土樣崩解的誤差比較大。

1.2 天平法

天平法采用質量法進行測試，相較于浮筒法，天平法解決了土樣內部空氣對試驗的影響，簡化了測試程序，克服了浮筒法數據校正難、浮筒刻度粗、測定費時費力等問題，且天平結構簡單，讀數準確，近年來室內土壤崩解試驗越來越多采用天平法。其測試過程與浮筒法一致，天平讀數為某時刻崩解后的剩余質量，注意每次試驗時應保證水面在同一位置[28]。

1.3 拉力計法

土壤崩解野外測試情況復雜，不可抗因素較多，與其他崩解裝置相比下，拉力計法精度較高、攜帶方便、操作簡單且無須額外電力支持，近年來學者結合自制崩解網架、崩解槽使用拉力計法在土壤崩解速率測定中應用也越來越多。電子拉力計可通過數據線將測試數據輸入電腦，同步顯示測試曲線圖及測試過程，簡化數據處理步驟，更能準確描繪出崩解過程，具有較大優勢。測試過程與浮筒法一致，通過拉力計讀數即可計算出土壤崩解速率。

2 土壤崩解過程與形式

2.1 土壤崩解過程

王健等[19，29]研究表明，土壤崩解可分為緩慢崩解、指數崩解和崩解完成3個階段。肖海等[30-31]研究認為，土壤累計崩解量隨試驗進程推進呈先快速增加、再緩慢增加至最后逐漸趨于平穩趨勢。崩解是從表層向里層漸進的侵入破壞過程，并非均勻過程[32]。在緩慢崩解階段，土壤崩解量呈波動變化，當土樣浸水后，立即產生大量氣泡，土粒崩落，質量減輕的同時土壤吸收水分質量增大，崩解掉的顆粒質量與土壤吸水增加的質量基本相抵，拉力計數值僅有微小波動；到達指數崩解階段時，土壤吸水達到飽和，土體開始大量破裂、脫離，迅速崩解，土壤內部的膠結鍵在水分子作用下削弱或斷裂，內聚力降低，土壤崩解較為劇烈，這個階段崩解量占總崩解量的絕大部分且累計崩解量呈指數增加；在崩解完成階段，剩余的部分土粒在水中呈現穩定狀態，僅有少量土粒散落，崩解較為緩慢，呈現穩定狀態，直至崩解停止。

2.2 土壤崩解形式

土樣浸水開始后，表層土顆粒會迅速擴散，隨即產生大量氣泡，土樣邊界開始產生裂縫，邊緣土體沿裂縫崩落形成碎粒，清水變渾濁[22,33]。觀察發現，試樣先從底部開始崩解，崩解速率逐步加快，區域擴大延伸到頂部，頂部表面開始出現縫隙，中后期氣泡直徑較小但密集，偶爾伴有大氣泡，崩解速率逐步緩慢[34-35]。一般來說，土壤崩解主要呈粉狀、散粒狀、鱗片狀、碎塊狀或崩解狀等多種形式[36]。

3 土壤崩解影響因素

根據文獻資料統計顯示，我國各類土壤崩解影響因素的研究包括黃土、紫色土、花崗巖發育土、邊坡土及其他土類(表1)。由于土壤形成因素和土壤形成過程不同，土壤崩解直接受土壤顆粒組成礦物成分[37-40]、土壤pH[41-42]、前期含水率[43-46]、溫度[17，47-48]、植物根系[30-31，49]、坡度[30-31，35]、農業耕作[23]、干濕交替[10，19，34，41]、凍融循環[18，50-51]、水熱環境[52]、成土過程[23]、干密度[35，53]等多種因素的影響[54-55]。已有研究中不僅礦物成分、土壤黏粒含量等土壤自身特性被關注，干濕交替、植物根系、土壤前期含水率等外部環境也被廣泛研究。統計發現，在土壤崩解研究中，對土壤前期含水率、干濕交替和植物根系等因素的研究較為集中。

3.1 土壤初始含水率因素

水在土壤崩解中扮演著重要的角色，初始含水率是直接決定土壤發生崩解的關鍵因素之一[71-72]。黎澄生等[44]對不同含水率的花崗巖殘積土進行崩解試驗，利用平行試樣的浮力比分析方法修正實時崩解曲線，結果表明：初始含水率越低崩解速率越快，分段性也越顯著。李喜安等[57]研究發現，當黃土初始含水率增大到一定程度時其崩解性會急劇減小乃至消失，因為初始含水率越高的土壤其持水能力越強，滲透性降低，導致試樣崩解速率也降低，即土壤崩解速率隨初始含水率的增加而降低[73]。李建新等[46]也發現，在壓實度相同情況下，土樣含水率越高，崩解率越小，崩解時間越長。

對土樣崩解速率隨初始含水率的增加而降低原因，學者根據相關研究作出了解釋。沙琳川等[28，35]認為，在其他條件相同情況下，初始含水率增大，土壤塑性增大的同時基質吸力、滲水量及孔隙率反而減小，因土壤中已經存在一定水分，遇水時浸水速度變得緩慢而均勻，不利于崩解作用的發生。王菁莪等[56-57]認為，初始含水率增加，土粒周圍水膜增厚，再浸水時水膜增厚過程均勻且增量有限，同時會把土體中的氣體壓縮并分隔開，形成內部應力平衡，崩解的過程中水不容易進入，不利于土壤崩解。張抒等[65]認為，隨著初始含水率增大，黏土礦物吸水膨脹使其塑性增強，同時起膠結作用的黏土礦物在原始地應力及邊界限制條件下已發生過膨脹，殘余膨脹能減少，此時膠結力因膠結面積增大而更為均勻，再浸水時不易產生應力集中，不利于土壤崩解發生。

3.2 土壤干濕交替因素

土壤干濕交替是指土壤系統熱力學和水文學視角短期變異較大的過程[74]。20世紀以來，干旱和極端降水天氣頻發，直接影響降雨、蒸發、徑流的時空分布，改變全球水文循環現狀，引起土壤干濕交替現象頻發[75]。在一年中土壤受降雨蒸發的周期性干濕交替過程多次發生，會改變土壤孔隙度的分布，造成土壤中裂縫發育等形態變化，并改變土壤理化性質和有機質含量，也會引起膠體礦物的遷移，土粒之間重新結合，土壤結構得到重組，干濕交替已成為影響土壤抗蝕性不可忽略的外在因素[76-79]。王健等[19]基于Richards 模型針對黃土的崩解性進行量化分割，結果表明，土壤崩解速率與干濕交替次數相關，土壤經干濕交替處理后緩慢崩解階段延長，指數崩解階段推遲發生且崩解量顯著降低，可有效減緩土壤崩解速率。申培武等[80]開展紅層泥巖干濕循環崩解性質的研究發現，干濕交替會改變土壤粒徑大小從而影響土壤崩解速率，且在前 8次干濕循環中變化顯著，而呂海波等[81]認為，干濕交替延長了膨脹土崩解過程的時長。張素等[34]在干濕交替處理下對干熱河谷沖溝不同土層的抗崩解性能進行模擬研究，就Ⅰ層、Ⅱ層、Ⅳ層和Ⅴ層(由上至下)而言，隨著干濕交替次數增加，其平均崩解速度逐漸減小并趨于穩定，而Ⅲ層和Ⅵ層的平均崩解速度隨干濕交替次數增加而增大。

干濕交替對土壤崩解的影響表現為促進與抑制兩個方面。促進作用體現為干濕交替會引起土壤中膠體物質遷移流失而造成土壤粘聚力降低，破壞土壤整體結構性，影響土壤力學強度并導致崩解發生。抑制作用體現為干濕交替后土壤顆粒在水分子壓力作用下得以重組，隨著土壤干濕交替次數的增加，土壤容重緩慢增長，使得土壤變得緊實，水分進入土體使土壤顆粒崩解的能力變弱，土壤崩解速度降低[34]。由于土壤崩解性直接受機械組成、成土過程、干密度、脹縮性、濕化速度和入滲率等差異性因素影響，所以干濕交替針對不同土壤的崩解促進或抑制作用需要進一步具體研究。

3.3 植物根系因素

植被是減少地表土壤侵蝕常見的水土保持生物措施，具有明顯的減流減沙效果[82-83]。植被根系與土壤形成根土復合體，在農業土壤資源化利用、植被恢復和生態環境建設中扮演著極為重要的角色[84-86]。為闡明植物根系影響土壤崩解性能的作用機理，肖海等[30-31]以消落帶紫色土和狗牙草根為研究對象，開展無根對照試樣、活根試樣和死根試樣3種處理土壤崩解試驗，結果表明：根系的存在能夠有效減少土壤崩解量并降低其崩解速率；根系的作用機理又可分為物理作用和化學作用兩個方面，且以物理作用為主。肖宏彬等[49，67]根據根系對坡面土抗崩解能力的試驗得出：雨水入滲時坡面土粒間的結合力小于孔隙氣壓是土體崩解的主要原因，而植物根系能降低雨水入滲產生的孔隙氣壓，還能提高土體結合力，這是植被根系能夠顯著提高土體抗崩解能力的原因。另有學者研究認為[87-89]，植被根系提高土體抗崩解能力的原因在于：一方面植物根系能夠在表層土壤中以纏繞、穿插、加筋等作用形式形成根系網絡，利用根系物理作用對土壤進行機械固結，極大地提高了土體的抗剪強度；另一方面能夠分泌形成大量的膠結物質，利用其化學作用結合土壤顆粒膠，也能為土壤內部創造良好的團聚結構和孔隙分布，提高土壤抗蝕能力。

3.4 其他因素

GAMBLE[90]認為，濕度和溫度變化是巖土崩解的主要因素影響，且以濕度變化為主。YAMAGUCHI等[91]研究也表明，若沒有水的擠壓作用，改變溫度不會對巖土的崩解產生影響。肖海等[30-31，35]發現，崩解速率隨坡度增加而增加，整體崩解速率隨時間延長呈先增加后減緩趨勢。張抒等[65]從微觀角度研究崩解機制表明，非飽和土崩解性的主要控制因素為土中孔隙氣壓和基質吸力。王菁莪等[56]對土-水特征曲線進行擬合，得到土樣不同含水率時的基質吸力，再進行土壤崩解，結果表明，隨著初始基質吸力增大，土壤崩解速率也增大，兩者之間存在對數關系。張丹等[92]運用分維方法研究發現，干濕冷熱處理比干濕處理更容易崩解，而干濕處理又比冷熱處理更容易崩解。鄒翔等[93]針對云南小江流域內不同土壤類型和土地利用類型對土壤進行抗崩解性研究，測定土壤平均崩解速率，結果表明：從不同的土壤類型上，土壤平均崩解速率為棕壤>紫色土>褐紅壤>黃紅壤，從土地利用角度看，土壤平均崩解速率為裸坡>灌叢>林草地。另有研究表明[62，94]，土壤壓實度越高，土壤崩解速率越小，增加到一定高時，崩解特性基本消失。

4 土壤崩解機理

CASSELL[95]是最早針對巖土體崩解展開研究的學者之一，其認為軟巖遇水崩解是巖土材料抗剪強度嚴重降低的原因。TERZAGHI等[96-97]認為，壓力是導致巖土崩解的主要原因，孔隙中的氣體會在巖土體中形成裂隙，當干燥巖土浸水后，裂隙內部壓力上升，導致巖土體骨架沿薄弱的地方破裂而逐漸崩解散體，提出“氣致崩潰力學”來解釋崩解現象。CARON等[98]認為，土體吸水以及吸水導致的氣體對土體的擠壓作用是土體穩定性減弱的主要原因。 MORIWAKI[99]總結了崩解的三種破壞機理即氣體壓縮產生張應力、膨脹不均勻產生張應力或剪應力及礦物顆粒間膠結力削弱。國內許多學者對巖土體的崩解機理進行研究，劉長武等[100]認為，紅層軟巖的崩解是由于粘土礦物體積膨脹，產生不均勻應力以及部分膠結物被稀釋、軟化或溶解引起的。譚羅榮等[101]分析國內大量崩解試驗認為，崩解是由于巖土浸水出現表里不均勻膨脹，這種不均勻膨脹也導致巖土體表層出現拉應力，從而產生崩解，與膨脹性礦物含量也有直接關系。吳能森[102]從土體結構性與損傷角度研究認為，花崗巖殘土崩解的根本原因是軟化。張抒等[65]從微觀角度研究崩解機制表明，非飽和土的崩解本質上是由于氣體空洞產生的斥力超過顆粒間的吸力造成的。崩解產生必須具備以下條件：一是水的存在；二是土體表面存在裂隙,或在水力作用下易產生裂隙；三是土壤浸水過程導致結構損傷，且破壞過程不可逆；四是土壤顆粒之間的膠結物水穩性不強，易溶解；五是土體存在不穩定的臨空面，若無臨空面，側向應力卸荷、膨脹收縮等損傷及動水力作用也不存在，崩解也無法延伸至土體內部發展[10，13，32]。各要素之間互為因果，同時發生且彼此之間相互促進，共同加劇土體崩解的發展[103]。不同土體類型崩解機理不同。

4.1 黃土崩解機理

黃土長期處于非飽和狀態，含水量相對較低，基質吸力較大，土體浸水后產生一種力學破壞能，即“楔裂壓力”，其可促使裂隙發展，擴大孔隙通道，導致土體軟化，強度降低[104-105]；其次，黃土土壤顆粒之間的膠結物水穩性不強，遇水易溶解，黃土中常見的膠結物有黏土礦物、各種鹽類、有機質等，其通過與骨架顆粒之間的各種力作用將顆粒粘結在一起，而黃土易溶鹽含量高，黏土礦物含量少，膠結弱，在水的作用下，膠結物被快速稀釋溶解，造成顆粒間粘結強度降低，浸水時極易發生崩解。黃土中各種物質的溶解還會改變水溶液的成分及濃度，甚至在水中發生化學反應，加劇土體軟化崩解；最后，黃土的自重力也會破壞土體微結構的穩定性[61]。

4.2 花崗巖殘積土崩解機理

花崗巖殘積土是花崗巖風化后經歷漫長而復雜的各種外力作用下，以及在特定的氣候和環境條件下所形成的土體，具有特殊的構造，主要成分為石英，構成土體骨架，而其他粘土礦物和游離氧化物充填在骨架之間，起膠結作用[66]。土體的基本單元以砂粒為主，同時也包含一定的粘粒成分、粘粒聚集體等，土體結構連結復雜，表面的結構裂隙和土體內部的微孔隙為水浸入土體提供通道。土體浸水以后，土體中的氣體來不及完全排出，空氣壓縮變小，氣壓增大，進而發生崩解破壞[65]；其次，花崗巖殘積土經過強烈淋濾作用，含有較多膠結物，存在少量可溶性鹽及有機質，水穩定性較差，土體遇水時，可溶性物質與水發生水化反應，而被稀釋或者溶解到水中，使土體顆粒之間失去聯結導致整個土體的結構隨強度降低而軟化，從而加速土體崩解[13，32，45]。

4.3 其他土類崩解機理

張晗秋[10]認為，煤系土的崩解機理可從兩方面進行解釋：一方面，煤系土先存裂隙豐富，遇水后會產生力學破壞能，使得土體發生變形和破壞；另一方面，煤系土中的石英和親水性強、顆粒較小的高嶺石、伊利石在浸水過程中水膜增厚引起土體不均勻膨脹，土體內部產生不均勻應力而導致土壤顆粒碎裂解體，但煤系土中親水性礦物含量相對較低，其影響較小，所以煤系土的先存裂隙是其發生崩解的主要原因。劉戰峰[69]認為，粘粒含量較多的雜色粘土，如出露的灰綠色與紫褐色粘土崩解是由膨脹性粘土礦物的吸水水合、膨脹作用引起，因此可稱為“水合-膨脹擠壓軟化、崩解”；而含有非膨脹性粘土礦物以及較多的可溶鹽與有機質的雜色粘土，如出露的灰黑色粘土的崩解破壞過程可概括為“吸水-膠結軟化、崩解”，因此，雜色粘土的崩解機理可概括為膨脹性礦物的膨脹擠壓作用為主的崩解破壞形式和以顆粒間膠結物質的軟化作用為主的崩解破壞形式。周翠英等[33]研究發現，華南紅層風化土的崩解破壞機理由土體礦物成分及其物理化學性質、結構特性、膠結物特性等構成，其相互之間共同作用使得紅層風化土具有顯著崩解性。

5 問題與展望

在土壤崩解研究手段和對象方面，目前常規采用的方法是將小尺寸的土體浸入水中進行崩解試驗，由于試樣尺寸的限制，不能對有稍大孔隙的土樣進行試驗，且小尺寸土樣浸水比表面大于實際比表面，造成試驗結果與實際情況不符。另外，崩解試驗土樣多采用重塑土，重塑土可以模擬出原塑土基本特征，且試樣較均一，易獲得，然而土壤具有結構性，各類土壤經回填重塑或其他擾動后失去原有結構，不具有代表性。因此，應盡量模擬出土壤在自然狀態下的崩解狀態，修正重塑土試驗結果，使試驗結果更能反映土壤崩解的客觀實際。

土體浸水過程中可能發生化學反應，也可能對土體崩解產生影響，針對土壤礦物化學成分的研究還不夠深入，后續研究應加強土壤礦物及水溶液化學成分改變方面的深入探索。土壤顆粒和團聚體的固相以及孔隙相組成了土壤結構，土壤結構對邊界條件和外界擾動非常敏感，對土壤崩解過程中土壤結構與微結構變化、土壤崩解同土壤結構之間精確的量化表征仍需深入研究。同時，由于不同區域自然條件差異大且土壤崩解涉及的面積廣，在不同成土過程、礦物成分、含水率等影響因子的共同作用下的土壤性質各異，全部開展人工監測在科學試驗上不合理且不經濟，因此亟須建立土壤崩解模型用以預測不同條件下土壤崩解。

加強土壤抗崩解措施研究，并結合措施的經濟性、可操作性等開展綜合評估,針對不同自然條件下土壤崩解提出適宜的治理措施，為控制土壤遇水崩解破壞提供治理思路。