崩崗紅土層土壤液塑限特性及影響因素研究

莊雅婷，黃炎和，林金石，蔣芳市，鄭 藝，孫紹希，丁子琪，楊 宇

（福建農(nóng)林大學(xué)，福州350002）

崩崗是我國南方特有的侵蝕現(xiàn)象，侵蝕危害十分嚴(yán)重［1－3］。水分在崩崗侵蝕的發(fā)生過程中扮演著重要角色，它對(duì)崩崗?fù)寥廊霛B能力、抗沖性、抗蝕性以及抗剪能力等都有影響，土壤塑限和液限分別是土壤處于塑性狀態(tài)時(shí)的最低含水量和最高含水量，它可以表征土壤能達(dá)到的最高含水量，對(duì)于預(yù)測降雨對(duì)崩崗侵蝕的影響具有重要作用，因此對(duì)崩崗?fù)寥赖囊核芟捱M(jìn)行相關(guān)研究，對(duì)于闡述土壤液塑限與崩崗侵蝕之間的關(guān)系具有重要意義。

關(guān)于土壤塑限和液限的研究目前主要集中在巖土力學(xué)、建筑工程和路橋等工程上的應(yīng)用以及施工技術(shù)研究，也有少量學(xué)者對(duì)土壤塑限和液限的影響因素進(jìn)行研究，且大多集中在黏粒含量和有機(jī)質(zhì)含量兩個(gè)因素上。如吳宏等［4］對(duì)砂質(zhì)粉土、黏質(zhì)粉土、粉質(zhì)黏土等不同分類土壤進(jìn)行研究，結(jié)果表明黏粒含量越高，塑性指數(shù)越大；花可可等［5］對(duì)紫色土和水稻土這兩種耕作土壤的研究表明土壤液限值隨有機(jī)質(zhì)和黏粒含量的增加而變大；劉艷華［6］對(duì)有機(jī)質(zhì)土的液塑限進(jìn)行研究，得到有機(jī)質(zhì)土區(qū)的液塑限關(guān)系公式；李卓等［7］對(duì)土壤中黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)水分蓄持能力影響的研究表明，黏粒含量有助于土壤保持水分，從而可以提高土壤液限值。在這些研究中，大家只關(guān)注了黏粒和有機(jī)質(zhì)兩個(gè)因素，忽略了其他土壤顆粒組成對(duì)土壤液塑限的作用，且關(guān)于崩崗?fù)馏w的液塑限性質(zhì)還未有相關(guān)報(bào)道。南方崩崗數(shù)量多，而紅土層為崩崗表層土壤，對(duì)整個(gè)崩崗具有保護(hù)作用，一旦紅土層被侵蝕，將會(huì)加快整個(gè)崩崗的水土流失，因此對(duì)紅土層土壤的塑限和液限性質(zhì)進(jìn)行研究，對(duì)于闡明紅土層土壤液塑限性質(zhì)對(duì)整個(gè)崩崗侵蝕的影響具有重要作用。本研究對(duì)崩崗紅土層土壤進(jìn)行液塑限分析，并對(duì)有機(jī)質(zhì)和不同粒徑土壤含量對(duì)土壤液塑限的影響進(jìn)行研究，豐富崩崗侵蝕預(yù)防和治理的科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于福建省安溪縣龍門鎮(zhèn)，屬于中、南亞熱帶氣候區(qū)，年平均氣溫16～22℃，年平均降水量1 600～2 000mm。安溪縣位于福建省東南部，東經(jīng)117°35′—118°17′，北緯24°50′—25°26′。安溪縣崩崗面積占全省崩崗總面積的35.99%，達(dá)2 305.43 hm2，崩崗數(shù)量也最高，達(dá)12 828個(gè)，占全省崩崗總數(shù)的49.28%，接近全省崩崗總數(shù)的一半。而龍門鎮(zhèn)又是安溪縣崩崗集中的區(qū)域，其崩崗具有典型性［3］。研究區(qū)崩崗區(qū)土體發(fā)育于晚侏羅世、早白堊世燕山晚期的侵入體之上，且都是酸性侵入體，屬花崗巖類，巖石結(jié)構(gòu)為中—粗粒，似斑狀架構(gòu)，礦物成分以長石為主，其次為石英、云母。

1.2 樣品采集

本研究選取3個(gè)崩崗紅土層進(jìn)行研究，在崩崗紅土層上，按30cm為一層進(jìn)行取樣，具體采集點(diǎn)情況和采樣點(diǎn)個(gè)數(shù)見表1。采樣時(shí)自下而上分層采取，以避免采取上層樣品時(shí)對(duì)下層土壤的混雜污染。

表1 樣品采集點(diǎn)基本情況和采樣點(diǎn)個(gè)數(shù)

1.3 測定方法

試驗(yàn)土壤過0.5mm篩后采用液、塑限聯(lián)合測定方法對(duì)土壤塑限和液限值進(jìn)行測定。試驗(yàn)時(shí)取代表性試樣，加不同量的純水，調(diào)成3種不同稠度的試樣，用電磁落錐法分別測定圓錐在自重下沉入試樣5s時(shí)的下沉深度，三點(diǎn)圓錐的入土深度大概分別在3～4mm，7～9mm，15～17mm。試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)按照沉入深度17mm所對(duì)應(yīng)的含水量為17mm液限，沉入2mm所對(duì)應(yīng)的含水量為塑限。另外土壤顆粒分析采用粒度儀進(jìn)行分析，有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀外加熱法進(jìn)行測定。各項(xiàng)目測定均進(jìn)行三次重復(fù)試驗(yàn)。

1.4 指標(biāo)選擇與計(jì)算

式中：IP——塑性指數(shù)；wL——液限（%）；wP——塑限（%）；w——天然含水率（%）；IL——液性指數(shù)。

1.5 數(shù)據(jù)處理及分析

數(shù)據(jù)處理采用Excel 2003和SPSS 18.0進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 崩崗紅土層土壤液塑限特征

對(duì)崩崗紅土層的土壤進(jìn)行塑限和液限測定，結(jié)果見表2。由表2可以看出，3個(gè)崩崗中，紅土層土壤的塑限（wp）值平均最低為26.1%，最高為30.0%；液限（wL）值平均最低為52.5%，最高為59.7%；塑性指數(shù)（Ip）平均最小為26.0%，最大為29.8%；液性指數(shù)（wL）均小于0。這與花可可等［5］研究中紫色土和水稻土的液塑限性質(zhì)有一定的差異，崩崗紅土層土壤的塑限值和液限值都比紫色土和水稻土高，說明崩崗紅土層土壤在小雨和中雨條件下較這兩種土壤不容易發(fā)生流失。

表2 崩崗紅土層土壤液塑限性質(zhì)

由上面分析可知塑性指數(shù)（Ip）均大于17%，且土壤液限（wL）均大于50%，屬于高液限黏土；因此，在小雨和中雨條件下，若降雨持續(xù)時(shí)間較短，崩崗紅土層土壤不容易達(dá)到塑限值，紅土層不容易出現(xiàn)土壤流失和崩塌現(xiàn)象，但是如果降雨持續(xù)的時(shí)間足夠長，紅土層土壤的含水量就會(huì)達(dá)到一個(gè)較高水平，此時(shí)土壤自重增加明顯，土壤抗剪性下降，就可能出現(xiàn)崩塌現(xiàn)象。而土壤液性指數(shù)與土壤的自然含水量呈正比關(guān)系，它可以較好地反映出土壤中水分的變化情況［8］。從上面的分析還可以看出，土壤液性指數(shù)（IL）均小于0，說明試驗(yàn)土壤狀態(tài)為堅(jiān)硬，說明土壤滲透能力差，且不利于植被生長。因此，在大暴雨條件下，由于紅土層土壤沒有足夠的植被覆蓋，遮擋能力差，且降雨過程中水分不易下滲，從而容易產(chǎn)生徑流，導(dǎo)致徑流沖刷。

2.2 土壤液塑限與各因素相關(guān)性分析

2.2.1 有機(jī)質(zhì)對(duì)土壤液塑限的影響 有機(jī)質(zhì)的含量對(duì)土壤的液塑限有很大的影響，有機(jī)質(zhì)含量過高會(huì)引起土的高塑性［6］。從圖1可以看出，土壤有機(jī)質(zhì)含量與土壤液限和塑限值呈二項(xiàng)式函數(shù)關(guān)系，且相關(guān)性都達(dá)到顯著水平。這可能是因?yàn)橥寥烙袡C(jī)質(zhì)含量高低會(huì)影響土壤顆粒的比表面積和持水率，從而影響土壤的液限性質(zhì)。隨著有機(jī)質(zhì)含量的增高，有機(jī)膠體也增多，土壤的持水率越大，液限值也升高［9］。試驗(yàn)土壤為崩崗紅土層土壤，有機(jī)質(zhì)含量較低，均低于1%，這與Abdallah等［10］的研究（當(dāng)土壤有機(jī)質(zhì)的含量低于10%時(shí)，土壤的液限值與有機(jī)質(zhì)之間具有明顯的正相關(guān)性）結(jié)果一致。說明土壤有機(jī)質(zhì)含量越高，土壤液塑限值越高，土壤越不容易達(dá)到泥狀，即土壤越不容易被沖刷，越不易造成水土流失。

圖1 有機(jī)質(zhì)對(duì)土壤塑限和液限的影響

2.2.2 土壤顆粒對(duì)土壤液塑限的影響 土壤顆粒組成狀況是影響土壤抗蝕性的重要因素。顆粒組成越細(xì)的土壤，粘結(jié)力越強(qiáng)，在一定程度上使土壤形成團(tuán)狀結(jié)構(gòu)體，其抗打擊的能力也越高［11－12］。經(jīng)分析，土壤液塑限值與粗砂粒、細(xì)砂粒和粉粒含量相關(guān)性不明顯，與極細(xì)砂粒和黏粒含量呈二項(xiàng)式關(guān)系，其中極細(xì)砂粒含量與土壤液塑限呈負(fù)相關(guān)；黏粒含量與土壤液塑限均呈顯著正相關(guān)關(guān)系，具體見圖2。這可能是因?yàn)樯傲？紫洞?，粘結(jié)性小，因此這部分顆粒含量增加，必然會(huì)影響土壤孔隙狀況和比表面積大小，使土壤孔隙率增大，比表面積減小，從而利于水分通過，蓄水性質(zhì)較差，而且其粘性小，遇水膨脹性也小，干燥時(shí)松散，毛細(xì)水上升高度不大，因此這部分含量增加，會(huì)使土壤液塑限值降低，從而增加土壤被沖刷和侵蝕的可能性，但是極細(xì)砂粒在總的砂粒含量中比重較大，因此對(duì)土壤液塑限的影響較顯著；而粉粒雖然在土壤顆粒中分布最多，但是各土壤間差異不明顯，因此就可能對(duì)土壤液塑限性質(zhì)表現(xiàn)出不明顯的相關(guān)關(guān)系。

此外由以上分析可知，土壤黏粒含量與土壤液塑限值呈顯著正相關(guān)，說明其含量增加可以使土壤液限和塑限值提高。這可能是因?yàn)轲ち：靠梢杂行У馗淖兺寥李w粒和水分的分布狀況，黏粒能夠通過影響土壤顆粒排列形式來影響土壤的可塑性［13－14］。黏粒含量不同，土壤顆粒間的連接形式、排列方式及孔隙大小均會(huì)發(fā)生較大變化［15］。其次，土壤黏粒是土粒中最細(xì)的部分，具有極大的比表面積大小，土壤中黏粒含量的多少勢必影響整個(gè)土壤的孔隙狀況及比表面積，進(jìn)而影響土壤的蓄水能力［6］。所以黏粒巨大的比表面積使其具有很強(qiáng)的吸附能力，從而影響土壤中的水流速度，細(xì)小黏粒對(duì)較大孔隙的鑲嵌填充也對(duì)土壤中的水流通道有阻擋作用，從而影響土壤的液限性質(zhì)。黏粒含量較高時(shí)，粗顆粒較均勻地分布在黏?；|(zhì)中，土粒間被黏粒充填，粗顆粒被隔開，并有利于顆粒的定向排列，弱結(jié)合水含量升高，從而增加土壤的液限［8］。

圖2 土壤顆粒對(duì)土壤液限和塑限的影響

2.2.3 土壤液塑限與各影響因素方程擬合 為了了解各因素對(duì)土壤液塑限的影響，利用SPSS對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行多元回歸分析，結(jié)果見表3。

由表3可以看出，在各因素一起作用于土壤液塑限條件下，粉粒對(duì)土壤液塑限沒有明顯影響，其余5個(gè)因素對(duì)土壤液塑限值均有影響。這可能是因?yàn)椋弘m然粉粒在土壤顆粒中的比重大，均在一半左右，但是粉粒的特征不明顯，且每個(gè)樣點(diǎn)間土壤粉粒含量差異性不大，因此在總體的影響分析中，粉粒的作用就可能不明顯，而其他因素對(duì)土壤液塑限均有明顯的影響。另外，從表3可以看出，模擬的兩個(gè)方程的相關(guān)系數(shù)R2分別為0.946和0.909，說明擬合的方程可以較準(zhǔn)確地描述土壤塑限和液限值與各因素之間的相關(guān)關(guān)系。

表3 土壤液塑限和各影響因素?cái)M合關(guān)系

3 結(jié)論

從以上結(jié)果分析可知，崩崗紅土層土壤為高液限黏土，土壤狀態(tài)為堅(jiān)硬。土壤有機(jī)質(zhì)含量以及土壤顆粒組成對(duì)土壤液塑限有明顯影響，具體為：有機(jī)質(zhì)含量、黏粒含量和粉粒含量與土壤液塑限值為正相關(guān)，粗砂粒含量、細(xì)砂粒和極細(xì)砂粒含量對(duì)土壤液塑限值為負(fù)相關(guān)。土壤液塑限與各影響因素的關(guān)系符合SPSS模擬的方程，方程R2分別為0.946和0.909，說明模擬的方程可以較準(zhǔn)確地預(yù)測土壤塑限和液限值與各影響因素的關(guān)系。土壤有機(jī)質(zhì)和顆粒分布對(duì)土壤液塑限的相關(guān)性確定能夠?yàn)楸缻徠渌卣鞯拇_定提供一些依據(jù)，但是對(duì)于崩崗崩壁剖面土壤液塑限與其他物理性質(zhì)，如抗剪強(qiáng)度、滲透等的具體關(guān)系還有待進(jìn)一步研究。

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