鄂东南花岗岩崩岗剖面土壤液塑限特征及影响因子分析

朱慧鑫，邓羽松，夏振刚，赵媛，丁树文

（华中农业大学资源与环境学院，430070，武汉）

鄂东南花岗岩崩岗剖面土壤液塑限特征及影响因子分析

朱慧鑫，邓羽松，夏振刚，赵媛，丁树文†

（华中农业大学资源与环境学院，430070，武汉）

崩岗是鄂东南花岗岩地区普遍存在的土壤侵蚀现象，给农业生态与经济发展带来了严重影响。研究崩岗剖面土壤液塑限特征不仅有利于崩岗侵蚀机理的研究，也为崩岗水土流失的防治改良提供理论依据。以通城县五里镇典型的花岗岩崩岗剖面为对象，通过室外采样结合室内液塑限联合测定实验，以及土壤理化性质测定，分析花岗岩崩岗剖面土壤液塑限规律及其影响因子，并探讨其与崩岗发育的关系。结果表明：花岗岩崩岗不同层次间的土壤液塑限差异显著，淋溶层和淀积层的液限值均大于50％，塑限值为30％左右，显著高于母质层；土壤液塑限值受黏粒质量分数、有机质质量分数、容重、游离氧化铁质量分数等影响，并随各因子的增大而增大，均呈正相关关系；其中，黏粒质量分数、游离氧化铁质量分数对土壤液塑限的影响更加显著（R2=0.860**，R2=0.908**）。花岗岩崩岗土壤液塑限过渡层、母质层相对较低，在遇到降雨冲刷时，土体状态极易发生改变，易发生水土流失。利用土壤基本理化性质，可以对土壤液塑限进行预测，并为加强崩岗侵蚀机理研究及其治理提供依据。

花岗岩；崩岗；液限；塑限；影响因子

崩岗是发生在我国南方花岗岩地区相当严重的土壤侵蚀现象，主要是山坡土体在水力和重力的共同作用下，受破坏致崩塌和冲刷而造成的［1-2］，集中分布在湖北、安徽、江西、广东、湖南、福建、广西7省（自治区）的花岗岩风化壳深厚的丘陵区［3］。崩岗侵蚀模数大，侵蚀危害严重，侵蚀泥沙堆积掩埋农田、损毁水利交通设施、淤积江河湖塘，极大地制约着生态环保可持续发展［4］。

近年来，崩岗的研究深得广泛重视，取得了一定的研究成果。在现有研究中，众多的学者将研究点放在了崩岗水分运移上。如牛德奎等［5］、邱世钧［6］、吴志峰［7］、邓羽松［8］等众多学者描述了崩岗侵蚀的内在机理，提出水分对崩岗土壤入渗能力、抗蚀性和抗剪能力等均有影响。土壤液限和塑限即界限含水量，分别是土壤处于塑性状态时的最高含水量和最低含水量［9］，它可以表征土壤状态随含水量的变化而改变的能力，是土壤力学性质的直观反映，对预测地表径流及降雨对崩岗侵蚀的影响有重要意义；因此，探讨土壤液塑限性质对崩岗的深入研究是有价值的。

目前，国际上关于土壤液塑限的研究主要集中在建筑工程、施工技术方面，用于分析岩土力学［10-11］，已为施工所用。对于探讨土壤液塑限影响因子及其与崩岗侵蚀关系的研究报道甚少，且相关研究大都集中在土壤颗粒和有机质质量分数2个因子上。如花可可等［12］对低有机质质量分数的土壤紫色土和水稻土进行研究，并简述有机质与液塑限的关系，表明土壤液限值与有机质和黏粒质量分数成正比。李卓等［13］研究发现，黏粒质量分数有利于土壤持水，从而可以提高土壤液限值。庄雅婷等［14］说明了崩岗红土层的颗粒组成与有机质对土壤液塑限的影响。这些研究虽各自从不同的土壤类型和土壤层次进行研究，阐述土壤液塑限的影响因子，但土壤液塑限作为受多因素影响的指标，其影响因子容重和游离氧化铁对其的具体作用却受到了忽略。对崩岗剖面各层次间液塑限存在的差异性和规律性，在现有研究中并未涉及；因此，本研究以分析崩岗剖面各层次间的土壤液塑限特征，并丰富其影响因子的探究为创新点，对鄂东南典型花岗岩崩岗剖面各层次土体，采用液塑限联合测定法，进行液塑限测定，描述研究区土壤液塑限特征，比较各层次土壤液塑限之间的差异，结合土壤的基本理化性质（黏粒质量分数、有机质质量分数、容重、游离氧化铁质量分数），深入分析液塑限的影响因子及其对崩岗侵蚀的作用。

1 研究区概况

研究区通城县位于鄂东南地区（E 113°36′～114°47′，N 29°21′～29°25′），属于北亚热带季风气候区，气候温和，雨量充沛，年平均气温15.5～16.7℃，最低气温-15.2℃，最高气温39.7℃，无霜期为260 d，年平均降水量1 550mm。研究区崩岗主要发生在低丘的花岗岩风化壳上，土壤类型为红壤。通城县是湖北省崩岗集中分布的典型地区，全县共有崩岗1 102处，占湖北省崩岗总数的47％，崩岗侵蚀总面积占通城水土流失面积的58.4％［15］。

2 材料与方法

本研究分别选取通城县五里镇的2处活动型崩岗（BG1和BG2，见图1）。BG1是位于E 113°36′41″，N 29°21′04″，海拔125.95 m的瓢型崩岗，BG2分布在E 114°46′31″，N 29°24′09″，海拔123.89 m，是弧形崩岗。对2崩岗侵蚀剖面依照颜色、质地进行层次的划分，记录形态特征和厚度。采样层次分别为淋溶层、淀积层、过渡层和母质层。采样内容包括散土和原状土，原状土采用环刀取样，用胶带密封防止水分蒸发，散土采样采取多点混合进行，在各个层次剖面上采集混合样。各采集点土壤各层基本理化性质见表1。

图1 活动型崩岗侵蚀剖面Fig.1 Erosion profiles of active collapse slope

表1 崩岗各层次基本理化性质Tab.1 Physical and chemical properties of different layers in collapse slope

土壤液塑限值采用液塑限联合测定方法，试验土壤过0.5mm筛后，取200 g代表性土样加不等量纯水，调制3种不同稠度试样，采用电磁落锥法，分别测圆锥自重下沉入试样5 s时的下沉深度，3点圆锥入土深度大约分别为3～4、7～9和15～17 mm。按标准规定：下沉深度17mm所对应的含水量为17 mm液限，沉入2 mm所对应的含水量为塑限；土壤颗粒组成采用吸管法测定；密度采用环刀、烘干称量法测得；土壤有机质采用重铬酸钾（K2Cr2O7）-硫酸亚铁（FeSO4）法测定；游离氧化铁质量分数采用二亚硫酸钠-柠檬酸钠-重碳酸钠（DCB法）测定。

利用所测的土壤液限、塑限值计算塑性指数

式中：Ip为塑性指数；wL为液限，％；wp为塑限，％。

试验数据处理，采用Excel2007进行数据统计与分析，并绘制相应的图表进行比对，利用SPSS 18.0进行相关性分析。

3 结果与讨论

3.1 崩岗剖面土壤液塑限特征

如表2所示，2处崩岗各层次间的界限含水量都有较明显的差别，淋溶层、淀积层远高于母质层，2处崩岗淋溶层塑限值分别为32.3％和26.5％，液限值为57.1％和50.8％；淀积层塑限值分别为31.3％和35.8％，液限值为58.2％和55.3％。2处崩岗淋溶层、淀积层液限值均大于50％，塑限值均在30％左右，说明这2层的土体具有较好的抵抗外力变形的能力。母质层的液塑限均为最低值，塑限值分别为21.7％和26.2％；液限值分别为34.6％和36.1％。BG1过渡层液塑限值较低，BG2其值较高，与淀积层接近，液限值近55％，塑限值近35％。这说明含水量的变化，对上面的土层影响较小，当遇到降雨冲刷时，土体状态不易转变为流动状态，可谓更加坚实，不易流失；相反，含水量的变化对母质层土体的状态影响很大，一旦水分质量分数稍有增加，土体就可从固体状态转变为流动状态，非常容易发生流失。

表2 崩岗各层次界限含水率及质地Tab.2 Moisture content of boundaries and texture of different layers in collapse slope

塑性指数是液塑限之差值，可用于土体分类。根据GB/T 50145—2007《土的工程分类标准》［16］，2处崩岗的母质层的塑性指数介于9.9％～12.9％之间，均属于含细粒土砂，其余层次均在18％以上，属于粉土质砂。土体的性质不同，使得土壤抵抗侵蚀的能力也有所不同。此地崩岗上2层土壤塑性指数较高，在小雨和中雨、降雨持续时间短的情况下，塑性状态不易改变，土壤相对紧实，土体强度较高，不容易出现崩塌和流失等现象；但若降雨持续时间足够长，土壤的含水量达到一个较高的水平，导致土壤自重明显增加，土壤抗剪强度下降，就可能发生崩塌现象［17］。而此地崩岗母质层的土壤液限和塑限值比上2层土壤的相同指标小很多，塑性指数也很低；因此，在短时间下小雨的情况下，土壤很容易达到塑限值，加之土壤松散，土体强度小，极易发生崩塌及水土流失。由于液塑限低的土壤层次处于崩岗下部，在长时间的雨水冲刷下，母质层土体抗剪强度迅速下降，形成软弱面，渐渐流失，侵蚀情况比淋溶层、淀积层严重很多，导致下层土体掏空，形成内凹的跌坑，工程上称为“龛”。龛的形成与发育是崩岗形成的初步阶段［18］。龛形成后，其上层土体少了下层支撑，在土壤自重的影响下，更易发生溯源侵蚀，发生土体的全面崩塌。

3.2 土壤液塑限与理化性质相关性分析

为了探究土壤各基本理化性质对液塑限的影响，利用SPSS对土壤液塑限、塑性指数与黏粒质量分数、有机质质量分数、密度、游离氧化铁质量分数的数据进行相关性分析，结果见表3。

3.2.1 黏粒质量分数对土壤液塑限的影响 土壤黏粒质量分数是土壤可蚀性的重要影响因素。由表1可知，2处采样崩岗黏粒质量分数的变化规律都为淋溶层、淀积层黏粒质量分数高，随采样深度的增加而逐渐减小，母质层几乎不含黏粒。对比2处崩岗的土壤液塑限变化规律，通过相关性分析得知土壤液塑限值与土壤黏粒质量分数成正相关，达到极显著水平（表3），适当提高土壤黏粒质量分数，可以使土壤液塑限值增大。这可能是由于崩岗试验区淀积层的花岗岩分化程度较强，高岭石等黏土矿物质量分数较多［19］，在降雨过程中，水分入渗，淋溶层中的黏粒被携带向下运移，淀积在淀积层，堵塞了通气孔隙，使土壤的疏水性能和排水性能降低，渗透系数变小，保水性能增加，地表容易产流，进而相应提高土壤液塑限值［20］。淋溶层的液限值比淀积层的低，是因淋溶层土壤中根系发育，黏粒质量分数少，土体较为疏松，使得渗透系数较大，保水性能有所降低，液塑限值也随之减小。反之，母质层的黏粒质量分数极低，2处崩岗分别为3.68％与4.04％，远远小于其他土层，与其他土层的黏粒质量分数差异达到显著水平，且塑性指数低，属含细粒土砂。这可以说明母质层的土体非常疏松，孔隙度很大，透水性强，致使该层土壤液塑限值较其他土壤层次都低；因此，松散的母质层非常容易被破坏，在地表径流、雨滴的作用下也很容易冲刷形成空洞，形成龛，进而崩塌。再者，吸附作用是土壤水保持的主要依靠，土壤比表面积愈大，吸附能力就愈强，持水能力就愈高。黏粒作为土粒中最细部分，其比表面积较其他粒径土粒大，具有很强的吸附能力，当土壤中的水流通过土壤孔隙时，巨大的吸附作用形成较厚的吸附水膜，致使水流速度减缓，细微黏粒及在毛管力作用下的水膜可能填充细微孔隙，对水流起到一定的阻挡作用，进而影响土壤的液限性质。

表3 土壤液塑限和各理化性质间的相关系数整合Tab.3 Correlation coefficient between liquid and plastic limits of soil and the physical and chemical properties

3.2.2 有机质对土壤液塑限的影响 有机质是土壤的重要组成部分，其质量分数的高低，对土壤的液塑限有着很大的影响，有机质质量分数过高，会引起土的高塑性［21］。由表1可知，2处崩岗的土壤有机质质量分数自上而下均呈递减趋势：最高为淋溶层，有机质质量分数分别为17.32和19.50 g/kg；最低为母质层，有机质质量分数分别为5.78和1.54 g/ kg。根据表3 SPSS相关性分析数据发现，土壤液塑限值与有机质质量分数呈正相关，随有机质质量分数的增加相应增长。这可能是由于土壤有机质质量分数的增加，改善了土壤结构，使土壤孔隙度增加，同时又改变了土壤的胶体状况，使土壤吸附作用增强，这都有利于土壤水分的保持，进而提高土壤的液限值。而淋溶层的有机质质量分数虽高，其液塑限值却比淀积层低，可能是因为淋溶层具有根系到达和最表层的植物体堆积，由于根系发育，土壤结构较松散，土壤容重较小，渗透系数较大［14］，持水能力不高，导致土壤液塑限值有所降低。此外，也有研究表明，土壤有机质质量分数越高，土壤有效水量越高［22］，土壤液塑限值也相应越高，这与土壤液塑限值与有机质质量分数呈正相关相一致。以上都可以说明，土壤有机质质量分数越高，土壤液塑限值越高，土壤越不容易被冲刷侵蚀，越不容易失稳崩塌。这为崩岗区水土流失防治提供了理论依据，适当的通过种植绿肥等措施，提高崩岗区底层土壤有机质，可改善土壤质量，增加其抗冲性，防止龛的形成及土壤侵蚀的恶化。

3.2.3 土壤密度对土壤液塑限的影响 土壤密度是土壤的一个基本物理性质，是衡量土壤松紧程度的指标，对土壤的透气性、入渗性能、持水能力以及土壤的抗侵蚀能力都有非常大的影响［23］。根据表1、表2数据，经相关性分析可知，土壤液塑限与密度呈正相关关系（表3）。土壤密度主要通过影响土壤水分入渗，造成土壤持水能力上的差异，进而影响土壤液塑限值。有研究表明，土壤密度增大，土壤团粒结构丧失，土壤孔隙减少，导致入渗能力降低［24］。在同一入渗历时下，入渗率随密度的增加而减小［23］。由于入渗率低，水分难以进入土壤，减缓了土壤含水量的增加速度，使得液塑限值较高。采样崩岗为典型的红壤，有较多土壤腐殖质，结构较好，密度较高，总体持水能力较好，液塑限值较高，不易崩塌流失。虽然整体的抗蚀、持水能力较好，但各层之间存在一定差异，且呈一定规律。经分析，淋溶层密度最大，土壤孔隙少，水分入渗率低，使得液限值提高；母质层密度较小，土壤孔隙大，水分入渗率较高，导致液限值小。说明密度对土壤液塑限的影响很大。

3.2.4 游离氧化铁质量分数对土壤液塑限的影响游离氧化铁是花岗岩风化土中的重要物质，也是母岩在成土过程中风化所形成的次生产物［1］。游离氧化铁的质量分数不同，土壤的胶结能力会发生较大变化，其质量分数也会影响土壤的中小孔隙和比表面积的分布，小孔隙数量越多，其比表面积越大，进而影响土壤的蓄水能力。在各层次土壤中，淀积层的游离氧化铁质量分数最高，2处崩岗均超过30％，母质层最低，只有15％左右。其他各层次呈现，淋溶层较高，过渡层较小。经相关性分析，液塑限、游离氧化铁两者也呈正相关（见表3），其中与液限相关性极显著（R2=0.908**）。可能是随游离氧化铁质量分数的增多，土壤孔隙和比表面积增大，使土壤具有更强的吸附和胶结能力，影响水流速度，从而影响土壤的液塑限性质。液塑限值较低的土体底部，当遇到降雨或发生其他地质变化时，就容易崩塌，导致龛的形成、崩岗的发生。

4 结论

1）鄂东南花岗岩崩岗土壤液塑限值在层次上具有一定规律，淋溶层、淀积层较高，过渡层次之，母质层最低。但整体来讲，各层次液塑限值均较高，液限值最高为58.2％，最低为34.6％，塑限值最高为35.8％，最低为21.7％。依据塑性指数，可将崩岗剖面进行土体划分，母质层属于含细粒土砂，淋溶层、淀积层、过渡层属于粉土质砂。

2）黏粒质量分数与游离氧化铁质量分数此类胶结物，对土壤液塑限有较大的影响，特别是对液限值相关性极显著。具体表现为黏粒质量分数、游离氧化铁质量分数越高，土壤保水蓄水能力越强，液塑限值越高。土壤有机质质量分数及土壤密度，对液塑限影响大体表现为有机质改变土壤结构，进而影响胶结作用，密度影响水分入渗率，均与土壤液塑限成正相关关系，其质量分数越高，土壤液塑限值越高，抗侵蚀能力越强。

3）土壤液塑限值的高低，在一定程度上可以影响崩岗的可蚀性，母质层的液塑限很低，极易被侵蚀，需引起高度重视，并采取多种工程措施加以防治。该研究结果为崩岗侵蚀机理的深入研究，以及龛的防治提供可靠依据。

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Liquid and plastic limits and influencing factors for the profiles of collapse slope in Southeast of Hubei Province

Zhu Huixin，Deng Yusong，Xia Zhengang，Zhao Yuan，Ding Shuwen

（College of Resources and Environment，Huazhong Agricultural University，430070，Wuhan，China）

［Background］Slope collapse，a serious soil erosion phenomenon in granite areas of South China，occursmainly on mound or hill slopes under the interaction of water and gravity，causing severe destruction and threats in a wide range，including Hubei，Jiangxi，Anhui，Fujian，Guangdong，and Guang xi，mainly south to the Yangtze River，and hence a grave impact on the economy in these hilly regions.The study of liquid and plastic limits not only has beneficial for the corrosion mechanism of slope collapse，but also provides theoretic basis for the prevention and control of soil and water loss.［Methods］In order to explore the objective law and influencing factors of liquid and plastic limits in different soil layers，a joint investigation of field survey and indoor analysis was used to study the relationships between liquid-plastic limits and some physical and chemical properties（such as bulk density，soil particle composition，organicmatter and free iron oxides）of soil.In this study，we selectedthe typical granite slope collapse from the town ofWuli in Tongcheng County as the objects，taking profile samples（eluvial horizon，illuvial horizon，cambic horizon，and parent material layer），and measuring their liquid and plastic limits with liquid-plastic combine tester.The physical and chemical properties weremeasured using reference method.The relationship followed from correlation calculations by using SPSS.Moreover，the characteristics and influencing factors of liquid limits and plastic limits，aswell as their relationships were analysed and discussed.［Results］The liquid limits of eluvial and illuvial horizons were both higher than 50％，while the plastic limits were about 30％.All of them are significantly higher than those of the parent material layer.We also discovered that the higher the soil clay content，organic matter content，bulk density and free iron oxides in the profile of slope collapse were，the higher the liquid limits and plastic limits were.This indicated significant positive correlation between these parameters.We noticed that the influence from soil clay content and from free iron oxides were specially remarkable（R2=0.860**，R2=0.908**）.［Conculsions］There are the objective laws in different soil layers between the liquid and plastic limits of collapse slope.Eluvial horizon's and illuvial horizon's liquid and plastic limits of granite collapse slope are higher.As the consequence，the original soil state is quite easy to change and thus which causes loss of soil and water，when rains wash. Furthermore，liquid and plastic limits are closely correlated with soil clay content，organic matter content，bulk density and free iron oxides.Onemay predict and improve the liquid and plastic limits with aids of physical and chemical properties of soil.These results provide evidences for studying the erosion mechanism and the methods of prevention of slope collapse.

granite；collapse slope；liquid limit；plastic limit；influencing factor

S157.1

A

1672-3007（2016）05-0001-07

10.16843/j.sswc.2016.05.001

2016- 02- 20

2016- 07- 04

项目名称：国家自然科学基金“花岗岩红壤优先流及其与崩岗侵蚀发育的关系”（41571258）；华中农业大学国家级大学生创新创业训练计划“花岗岩崩岗不同层次土壤可蚀性与抗冲性对龛形成的影响”（201510504021）

朱慧鑫（1995—），女，本科生。主要研究方向：水土保持与环境生态。E-mail：vincyicon@163.com

†通信作者简介：丁树文（1964—），男，副教授，硕士生导师。主要研究方向：水土保持与农业生态。E-mail：dingshuwen@ mail.hzau.edu.cn