黔中地区砂页岩坡耕地的土力学性质研究

罗 爽，吴茂宏，高华端，杨克语

(1.铜仁市林业局，贵州 铜仁 554300；2.铜仁市林业科学院，贵州 铜仁 554300；3. 贵州大学 林学院，贵州 贵阳 550025；4.梵净山国家级自然保护区，贵州 江口 554300)

1 引言

煤系地层的岩层间软硬不均，层间胶结性弱，风化速度快，遇水易软化，结构不稳定,且夹层中炭质泥岩或页岩的强度低、易活化、易变性和渗透系数相对较小[1]。黔中地区的在耕坡耕地中，存在不少由煤系地层发育的坡耕地，且该地区年降水量在1100 mm以上。在梅雨季节或强降雨条件下，煤系地层坡耕地极易发生水土流失、甚至是地质灾害。坡耕地的土力学性质是影响土壤侵蚀的主导因素，以黔中煤系地层砂页岩坡耕地为研究对象，深入研究煤系地层砂页岩坡耕地的土力学性质(紧实度、液限含水量、塑限指数)，总结煤系地层砂页岩坡耕地土力学特征，对西南岩溶区零星分布的煤系地层坡耕地土壤侵蚀过程机理研究、水土流失防治具有重要意义。

目前，国内学者对土壤界限含水量与土壤侵蚀关系的研究，主要集中在界限含水量的影响因素及影响程度等方面，且研究区域多为南方崩岗区，而土壤紧实度的研究还是多集中在农业生产上，土壤紧实度与土壤侵蚀关系的研究较少，在鲜有的研究中，主要研究土壤紧实度对土壤抗冲性的影响程度。土壤界限含水量的决定因素包括土壤机械组成、有机质含量、土层、游离氧化铁等[2，3]，砂粒与液限、塑性指数呈负相关，黏粒含量、有机质含量与界限呈正相关；有机质通过帮助土壤团粒结构的形成，改善土壤结构，提高砂土的界限含水量，降低黏土的界限含水量；崩壁土壤的土层越深，其界限含水量也就越低，有机质含量越高，其界限含水量也就越高[4]；黏粒含量、有机质含量、土壤容重及游离氧化铁是影响花岗岩崩岗剖面界限含水量的因素，这些因素与液塑限均呈正相关关系，且不同土层界限含水量存在显著差异[5]。土壤紧实度与坡度呈正相关，坡度越大，其抗蚀性增强[6，7]。土壤含水量与紧实度存在显著的相关性，含水量越高，紧实度越低，随着土壤深度的增加，含水量与紧实度的相关性随之增加[8]。施用有机质肥料不仅能提高作物产量，还能改善土壤结构，降低土壤紧实度[9]。本文以煤系地层砂页岩区坡耕地为研究对象，分析耕作扰动对土力学性质的影响程度，掌握砂页岩母岩区坡耕地的土力学特征，从土力学角度阐明砂页岩区坡耕地土壤侵蚀的过程机理。

2 材料与方法

2.1 研究区概况

研究区位于贵阳市花溪区(106 ° 27 ′～106 ° 52 ′ E，26 ° 11 ′～26 ° 34 ′ N)，东面接黔南州龙里县，南面接黔南州惠水县，西邻清镇市和安顺地区平坝县，北面接贵阳市南明区，地处云贵高原苗岭山脉中段，位于长江水系乌江与珠江水系西江的分水岭地带，海拔1030～1326 m，以中低山丘陵、河谷、盆地为主，其地带性土壤为黄壤，石灰土、紫色土、黄壤3种土壤呈复区分布，该区域的坡耕地主要由碳酸盐岩石发育，少量由紫色砂岩、砂页岩发育，还存在小部分水稻土。

2.2 采样方法

根据贵阳市水文地质图[10]，选取花溪区由煤系地层砂页岩发育的坡耕地，采样点位于孟关上板村(表1)，使用典型样地取样法随机取样，所有取样点避开工业污染区且常年耕作，共调查了土壤剖面20个，并在耕作层、犁底层各取20个土样。

表1 黔中地区煤系地层砂页岩坡耕地调查取样信息

2.3 试验方法

(1)土壤机械组成的测定采用吸管法，蒸馏水和分散剂浸润土样，煮沸静置冷却，洗入沉降筒，烘干并称重洗筛中的粗砂粒。根据Stokes定律计算出个粒径沉降至指定深度所需时间，在指定时间吸取悬液，把悬液烘干、称重、计算各粒径的土粒重量百分含量值。按照国际制分级将土壤分为4个粒级，分别为粗砂粒(0.25 ～ 2 mm)、细砂粒(0.02 ～ 0.25 mm)、粉粒(0.002 ～ 0.02 mm)及黏粒(<0.002 mm)。

(2)土壤有机质含量采用重铬酸钾容量法测定。取风干土样放入试管，先后加入重铬酸钾溶液、浓硫酸油浴，将油浴后的土样溶液洗入广口锥形瓶，加邻菲罗啉指示剂，用硫酸亚铁溶液滴定。按如下公式计算土壤中的有机质含量：

(1)

(2)

式(1)、(2)中，C表示土壤中有机质含量(%)，V0表示空白对照滴定所用的硫酸亚铁溶液的体积，V表示滴定所用硫酸亚铁溶液的体积，c表示重铬酸钾溶液浓度，5表示重铬酸钾溶液的体积。

(3)土壤稳定入渗率水率测定采用环刀法。使用环刀取原状土带回室内，在装原状土的环刀顶部接空环刀，用玻璃胶或防水胶带密封环刀接触点，将粘结后双环刀放置在铁架台或三角架上，空环刀内注水，铁架下方放置漏斗和烧杯，在单位时间内收集烧杯中下渗的水并记录数据。待到烧杯中连续5次水量相同时，按如下公式计算稳定入渗率：

(3)

式(3)中，θ为烧杯中水量连续5次相同时的水温(℃)，K10是水温为θ时的土壤下渗速率(mm/min)，Kθ为渗透速率。

(4)土壤紧实度。采用美国DICKEY-john 6100 型土壤紧实度仪，在取样点半径1 m内测定土壤紧实度，根据土壤剖面情况，均匀用力将紧实度仪垂直插入土壤中部，读取数值，为减少误差和避免石砾影响的导致读数偏大，测量5次，若5次测量值中出现异常值，则删除重新测定，取5次的平均值作为该点的紧实度指标值。

(5)土壤界限含水量。采用液塑限联合测定法(GB/T50123-1999)，使用LP-100D数显式土壤液塑限测定仪测定下层深度3～4 mm、7～9 mm、15～17 mm土膏的下沉深度及含水量，根据试验数据计算塑限(WP)、液限(WL)，按以下公式计算塑性指数(IP)：

IP=WL-WP

(4)

式(4)中，IP为塑性指数；WP为塑限(%)；WL为液限(%)。

利用WPS 2019进行数据统计分析和图表绘制，利用SPSS 18.0进行数据差异性检验。

3 结果与分析

3.1 砂页岩坡耕地土壤基本属性

土壤机械组成受成土母岩的影响最大，受耕作活动影响较小，而耕作活动是改变坡耕地土壤有机质含量、土壤入渗率的主要原因。粗砂粒与液限含水量、塑性指数呈负相关，黏粒、有机质含量与土壤界限含水量呈正相关，农事活动增加土壤有机质含量，改变土壤孔隙度和土壤入渗率，增加了土壤营养元素易被下渗水溶解流失的几率。黔中地区煤系地层砂页岩坡耕地土壤机械组成、土壤有机质含量、土壤稳定入渗率测定结果的统计特征值如表2所示。

表2 砂页岩区坡耕地土壤基本属性特征

如表2所示，煤系地层砂页岩坡耕地的耕作层粗砂粒均值为25.20 %，标准差7.45%，细砂粒均值为14.61 %，标准差2.67%，粉粒均值为33.15 %，标准差5.15%，黏粒均值为27.04 %，标准差4.81%；犁底层粗砂粒均值为23.52%，标准差7.91%，细砂粒含量为14.50%，标准差3.31%，粉粒含量为30.63%，标准差6.08%，黏粒含量为31.35%，标准差10.02%。耕作层有机质含量为45.12 g/kg，标准差9.66，平均稳定入渗率为0.1577 mm/min，标准差0.1093，犁底层平均有机质含量为20.67 g/kg，标准差6.42，稳定入渗率为0.0869 mm/min，标准差0.0776。

耕作层、犁底层的粗砂粒、细砂粒、粉粒均值或标准差之间的差值不大，表明农事耕作对砂页岩母岩坡耕地的砂粒、粉粒影响较小，而黏粒、有机质和稳定入渗率的均值的差异较大。砂页岩坡耕地土壤中砂粒含量高[11]，附着在砂粒上的黏粒在下渗水作用下，下沉到犁底层，使得犁地层黏粒含量标准差大；施用家禽家畜粪便、掩埋作物秸秆等农耕活动增加了土壤中有机质的含量；松土、翻耕改变土壤结构，降低容重，增加土壤总孔隙度，增加土壤入渗率。

3.2 土力学性质特征

土壤紧实度直接决定了坡耕地土壤的抗冲性，液限含水量反映的是坡耕地在坡面水蚀中力学状态变化的临界点，塑性指数为土壤可塑态的含水量范围，持续降水会增加坡耕地土壤含水量，铜仁含水量增加到液限含水量这一临界值时，土壤由可塑态转变为流态后极易发生水土流失，因此，坡耕地的土力学特征在坡面水蚀过程中的研究至关重要。通过野外测量及室内试验数据，处理后得出黔中喀斯特区坡耕地土壤土力学统计值，如表3。

表3 砂页岩区坡耕地土力学特征

由表3可知，砂页岩母岩坡耕地耕作层液限含水量均值为35.97%，标准差15.07%，塑性指数为0.1214，标准差0.0546，紧实度均值481.60 Pa，标准差164.78；犁底层液限均值29.64%，标准差12.13%，塑性指数均值0.1248，标准差0.0669，紧实度均值1384.25 kPa，标准差78.74。

为提高作物产量，农耕常伴随着松土、犁地、施用土壤肥料及掩埋作物秸秆等系列活动。松土扰动土壤，土体结构发生变化，增加土壤的透水透气性，有利于作物根系的生长和发育，便于吸取更多的营养元素。施用农家肥及掩埋秸秆的作用有三：一是农家肥可为作物提供生长发育所需营养元素；二是增加土壤有机质含量，帮助土壤形成团粒结构，增加土壤保水保肥性;三是有机质能提高土壤的液限含水量、塑性指数，进而增强土壤抗蚀性。

3.3 耕作层、犁地层土力学差异分析

坡耕地紧实度是土壤力学性质的直观反映，土壤抗冲性在一定程度上由紧实度直接反应，土壤紧实度的影响因素包括土壤有机质、含水率、土壤结构体、土粒和土粒的级配条件等。土壤塑性指数也是重要的土力学指标，可一定程度上反应土壤的抗蚀性，受土壤机械组成、有机质含量的影响较大。根据试验数据，采用差异分析的方法，重点分析耕犁层的液限含水量、塑性指数和紧实度的组间差异分析，如表4。

表4 砂页岩区坡耕地耕作层、犁底层土力学性质差异性检验

由表3、4可知，砂页岩区坡耕地犁底层的紧实度高于耕作层，说明犁地、翻耕、松土除草等活动会降低土壤紧实度，进而降低土壤抗冲性。耕作层、犁地层的液限含水量、塑性指数的差异并不显著，这是由于黔中砂页岩区坡耕地耕、犁两层的机械组成的差异小，有研究表明，土壤有机质含量与土壤液限呈正相关[12]，说明黔中地区坡耕界限含水量对有机质的敏感程度低。在雨季，黔中地区常见的侵蚀类型是水力侵蚀、重力侵蚀和混合侵蚀，降雨形成坡面径流，冲刷坡耕地土壤地面组成物质，而壤中流溶解土壤中的营养元素，在重力作用下产生移动，降低坡耕地生产力。

4 讨论

成土母岩决定了坡耕地土壤的机械组成，农耕活动改变了土壤基本空间结构、有机质含量等理化性质，增加土壤有机质含量，导致土壤紧实度、界限含水量发生变化，进而改变土壤抗冲性和抗蚀性。耕犁作用改变了土壤颗粒间原始排列顺序，土壤初始结构在耕犁作用下被机械破坏，在持续的耕作活动中，施用农家肥、掩埋作物秸秆降解后，增加耕作层有机质含量[13，14]，改善了土壤孔隙度，导致紧实度降低，土壤力学特征发生改变，耕作层紧实度低于犁底层的紧实度，农事活动会降低土壤抗冲性，这与孙泉忠等[15]研究一致。徐永服等[16]的研究表明，耕作层、犁底层的液限含水量和塑性指数存在显著差异，本文的研究表明，耕作层、犁底层的液限含水量、塑性指数的差异并不显著，其原因有二：一是耕犁作用对黔中地区砂页岩区坡耕地的机械组成的影响程度较小，土壤机械组成是决定界限含水量的主要原因，造成了耕作层液限、塑性指数与犁底层差异不显著；二是砂页岩区坡耕地土壤中的砂粒含量占比高，耕作层增加的有机质并未能改善土壤结构，使得两个层间的液限、塑性指数的并不显著。

西南岩溶区的侵蚀类型主要为水力侵蚀、重力侵蚀、化学侵蚀、混合侵蚀，在持续降雨或强降雨条件下，坡耕地成为水土流失的频发区，尤其是在汛期内，坡耕地的土壤颗粒、作物所需营养元素，在水蚀作用、重力作用、淋溶作用共同作用下，极易发生流失，土壤结构发生变化、营养元素下降，坡耕地的生产力持续下降。坡耕地的黏粒占比越高，土壤的液塑限也就越高。煤系地层砂页岩坡耕地的粗砂含量高，土壤整体粘结力弱，团粒结构少，附着在砂粒上的小粒径土粒、营养元素络合物等物质在水流冲刷、下渗过程中极易流失。砂页岩区坡耕地的砂粒含量在黔中常见坡耕地中最高[11]，其液限含水量和塑性指数均是最低，表明在发生持续降水后，砂页岩坡坡耕地土壤达到液限含水量所需时间短，其蓄水保肥能力低于其他常见岩性坡耕地，在同等降雨条件、地形条件下，砂页岩坡耕地发生水土流失的几率最高。有机质帮助土壤形成保水蓄肥性能极佳的团粒结构，团粒结构有利于改良耕地土壤的保水保肥性，合理施用农家肥、掩埋作物落叶秸秆使之分解等人为活动，增加砂页岩坡耕地的有机质含量，改善土壤结构，增加土壤界限含水量，优化土壤可蚀性。

5 结论

(1)煤系地层砂页岩坡耕地的耕、犁层土力学性质存在差异。结果表现为，砂页岩区坡耕地犁底层紧实度(1384.25 kPa) > 耕作层紧实度(481.60 kPa)。耕作层稳定入渗速率高于犁底层，降水后雨水下渗形成的壤中流，耕作层壤土流的速率也高于犁底层，增加土粒下渗和养分被溶蚀几率，耕犁作用降低了土壤紧实度，土壤抵抗水流冲刷的能力降低，增加了地表土壤颗粒被水流冲刷产生移动造成面蚀的几率。

(2)耕作活动是造成煤系地层坡耕地的耕、犁层理化性质差异和土力学性质差异的主要原因。同一个取样点，成土母岩、成土气候相同，而耕作层受农事活动影响较大，犁底层几乎不受农耕活动干扰，耕犁作用增加了耕作的有机质含量，降低了土壤容重，改变了土粒排立结构，耕作层、犁底层的紧实度却存在差异，表明耕作活动是造成同一坡耕地耕作层、犁底层的理化性质差异，进而导致土壤紧实度存在显著差异。