紫色土坡耕地生物埂土壤抗剪強(qiáng)度對(duì)干濕作用的響應(yīng)

史東梅，蔣 平，何文健，丁文斌，汪三樹(shù)，彭旭東

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紫色土坡耕地生物埂土壤抗剪強(qiáng)度對(duì)干濕作用的響應(yīng)

史東梅1，蔣 平2，何文健3，丁文斌1，汪三樹(shù)2，彭旭東4

（1.西南大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，重慶 400715；2.重慶市水利電力建筑勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，重慶400020； 3. 重慶市水土保持生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站，重慶 401147；4. 貴州大學(xué)林學(xué)院，貴陽(yáng) 550025）

生物埂土壤水分在次降雨中存在“干-濕-干”變化過(guò)程，這對(duì)生物埂土壤抗剪強(qiáng)度具有削弱作用。該文以紫色丘陵區(qū)花椒埂（HJ）和桑樹(shù)?。⊿S）為研究對(duì)象，通過(guò)根系現(xiàn)場(chǎng)挖掘法和土壤物理、力學(xué)性質(zhì)測(cè)定等綜合方法，研究生物埂土壤水分及抗剪強(qiáng)度在天然降雨干濕作用下的衰減-恢復(fù)效應(yīng)。結(jié)果表明：1）生物埂土壤含水率隨干濕作用表現(xiàn)出“急劇增加－急劇降低－穩(wěn)定波動(dòng)”趨勢(shì)，小雨條件下生物埂0～20 cm土壤含水率變化明顯；而在大雨和暴雨條件下，生物埂0～30 cm土壤含水率均變化明顯，且分別在3種降雨發(fā)生后第5、7、9天土壤含水率趨于穩(wěn)定；2）生物埂土壤黏聚力和內(nèi)摩擦角均呈現(xiàn)“急劇衰減—相對(duì)穩(wěn)定—逐漸恢復(fù)”趨勢(shì)，小雨條件下生物埂對(duì)土壤黏聚力和內(nèi)摩擦角具有增強(qiáng)效應(yīng)且隨垂直深度呈降低趨勢(shì)；3）花椒埂、桑樹(shù)埂在暴雨條件下能顯著削弱干濕作用對(duì)土壤抗剪強(qiáng)度的劣化效應(yīng)，2種生物埂的土壤黏聚力劣化率較對(duì)照埂分別降低44.03%、65.05%，而內(nèi)摩擦角劣化率分別降低42.47%、45.70%。研究結(jié)果可為紫色丘陵區(qū)坡耕地生物埂措施設(shè)計(jì)和坡耕地耕層水土資源保護(hù)利用提供技術(shù)支持。

土壤；抗剪強(qiáng)度；降雨；生物?。凰p—恢復(fù)效應(yīng)；坡耕地；紫色丘陵區(qū)

0 引 言

生物埂作為紫色土坡耕地常見(jiàn)水土保持農(nóng)業(yè)措施，是在梯田埂坎上種植喬木、灌木或草本植物而形成的一種農(nóng)林復(fù)合系統(tǒng)。早在20世紀(jì)70年代，中國(guó)就開(kāi)始研究了生物埂植物種類(lèi)問(wèn)題[1]，此后李文華等[2-3]對(duì)生物埂類(lèi)型、配置方法及生態(tài)經(jīng)濟(jì)效應(yīng)進(jìn)行了較為系統(tǒng)性研究，王喜龍等[4]對(duì)比分析了喬木、灌木和草本植物生物埂生態(tài)效益，認(rèn)為灌木生態(tài)效益較喬木好。生物埂不僅能提高坡耕地土壤質(zhì)量，還可防治坡耕地水土流失、改善農(nóng)田小氣候[5-6]，Li Xia等[7]研究表明苜蓿生物埂措施可分別降低氮、磷流失量的42%～50%、68%～84%，從而有效降低三峽庫(kù)區(qū)面源污染程度。相關(guān)研究表明，生物埂可有效改善坡面土壤結(jié)構(gòu)、增加土壤蓄水、提高土壤抗剪抗蝕性能[8-9]。Everson等[10-11]通過(guò)田間試驗(yàn)對(duì)生物埂土壤水分變化及玉米產(chǎn)量關(guān)系觀測(cè)表明，生物埂存在可有效補(bǔ)充淺根作物生長(zhǎng)耗水量，顯著提高土壤抵抗季節(jié)性干旱能力、同時(shí)可改善坡面土壤容重、孔隙狀況、氮磷養(yǎng)分狀況。張宇清等[12]研究表明生物埂根系分布范圍內(nèi)土壤水分呈現(xiàn)一定變化規(guī)律；在根系較少土層，其土壤水分明顯降低。紫色丘陵區(qū)桑樹(shù)、花椒生物埂對(duì)土壤孔隙結(jié)構(gòu)等物理性質(zhì)具有改良作用，同時(shí)也增強(qiáng)了土壤抗剪強(qiáng)度，保證了坡耕地土地生產(chǎn)力的穩(wěn)定[13]。紫色土旱地資源集中分布在四川盆地，占全國(guó)紫色土面積51.28%，紫色土具有侵蝕性高、抗旱性差、土壤退化嚴(yán)重等問(wèn)題[14]，紫色土坡耕地作為四川省和重慶市農(nóng)業(yè)生產(chǎn)主體區(qū)域，在降雨、地形等自然因素和人為活動(dòng)作用下，水土流失和面源污染生態(tài)問(wèn)題十分突出[15]。坡耕地生物埂坎是當(dāng)?shù)爻Ｒ?jiàn)的一種坡耕地利用類(lèi)型，但坡耕地埂坎作為填方邊坡在強(qiáng)降雨條件下容易失穩(wěn)、垮塌，而降雨—蒸發(fā)循環(huán)作用容易導(dǎo)致邊坡變形破壞[16]。土壤抗剪強(qiáng)度作為決定生物埂埂坎穩(wěn)定性重要因素之一，受土壤結(jié)構(gòu)、顆粒形態(tài)和含水率的較大影響。非飽和土體的抗剪強(qiáng)度隨土壤含水率增加而降低，其對(duì)抗剪強(qiáng)度的影響主要是通過(guò)降低土壤黏聚力，而對(duì)內(nèi)摩擦角影響較小[17-18]；土壤抗剪強(qiáng)度在干濕循環(huán)條件下呈衰減趨勢(shì)[19-20]。目前，對(duì)土壤抗剪強(qiáng)度研究主要集中于土壤含水率、土壤容重、植物根系、土壤顆粒組成等單因素或多因素組合的室內(nèi)模擬試驗(yàn)；而對(duì)于在天然降雨-蒸發(fā)循環(huán)的干濕作用下，生物埂土壤水分急劇增大、土壤抗剪強(qiáng)度急劇降低，導(dǎo)致大量坡耕地埂坎失穩(wěn)、垮塌現(xiàn)象的原因尚待深入研究。因此本文以紫色丘陵區(qū)坡耕地花椒生物埂、桑樹(shù)生物埂為研究對(duì)象，并以自然生草埂為對(duì)照，通過(guò)測(cè)定不同降雨條件下生物埂坎土壤水分、土壤抗剪強(qiáng)度指標(biāo)變化和根系參數(shù)分布特征，主要研究：1）在不同天然降雨條件下，生物埂土壤水分垂直變化特征；2）不同生物埂類(lèi)型對(duì)土壤干濕作用變化的影響；3）生物埂土壤黏聚力和內(nèi)摩擦角對(duì)降雨-入滲-蒸發(fā)引起的干濕作用的響應(yīng)特征。研究結(jié)果可為紫色丘陵區(qū)坡耕地生物埂措施設(shè)計(jì)和坡耕地耕層水土資源保護(hù)、合理利用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)地位于重慶市北碚區(qū)西南大學(xué)紫色丘陵區(qū)坡耕地水土流失監(jiān)測(cè)基地（30°26′N(xiāo)，106°26′E），屬亞熱帶季風(fēng)性濕潤(rùn)氣候，年均氣溫18.3 ℃，年均降雨量1 105.4 mm，5－9月降雨量可占全年雨量70%；土壤是在中生代侏羅系沙溪廟組灰棕紫色沙泥頁(yè)巖母質(zhì)上發(fā)育的中性紫色土，土層薄、易于崩解。紫色土坡耕地生物埂植物種類(lèi)選擇兩種木本植物進(jìn)行布設(shè)，分別將桑樹(shù)（L.）、花椒（Maxim.）沿等高線布置在坡耕地田面外側(cè)形成生物埂，并以自然生草埂為對(duì)照（對(duì)照?。?。兩種坡耕地生物埂布置的典型剖面如圖1所示，代表性生物埂生長(zhǎng)情況如圖2所示。

紫色土坡耕地兩種生物埂布設(shè)條件具體見(jiàn)表1，在2005年種植花椒、桑樹(shù)生物埂，定期清除生物埂雜草，在冬季對(duì)花椒、桑樹(shù)進(jìn)行修剪，自然生草埂以狗尾草為主。

表1 紫色土坡耕地生物埂布設(shè)

1.2 樣品采集及測(cè)定方法

根據(jù)紫色丘陵區(qū)天然降雨特征，本文選取2014年6月19日（小雨，0.64 mm/h）、7月9日（大雨，2.37 mm/h）、9月29日（暴雨，3.46 mm/h）3種天然降雨條件對(duì)3種生物埂不同垂直深度（0～10、>10～20、>20～30 cm）隔天采集土樣進(jìn)行土壤水分和力學(xué)指標(biāo)分析。土壤水分采樣分別在降雨前1天（根據(jù)氣象局發(fā)布天氣狀況確定）、降雨后第1、3、5、7、9天進(jìn)行，直到土壤含水率再無(wú)明顯變化的雨后天數(shù)為止；在距標(biāo)準(zhǔn)株外側(cè)10 cm處用鋁盒法重復(fù)采集3個(gè)土樣并用薄膜密封處理后，帶回實(shí)驗(yàn)室測(cè)定土壤含水率。同時(shí)在生物埂相同位置處用抗剪環(huán)刀（內(nèi)徑×高度=61.8 mm×20 mm）采集根-土復(fù)合體樣品，每個(gè)土層采集4個(gè)環(huán)刀樣品并薄膜密封處理，重復(fù)3次；將上述土壤樣品帶回實(shí)驗(yàn)室后，按照《土工試驗(yàn)規(guī)程SL1999》[21]采用 ZJ型應(yīng)變控制式直剪儀進(jìn)行剪切試驗(yàn)，圍壓分別為100、200、300和400 kPa，量力環(huán)率定系數(shù)1.695 kPa/0.01 mm，剪切速率0.8 mm/min，每組試驗(yàn)設(shè)置3次重復(fù)，取3次土壤抗剪強(qiáng)度平均值作為該荷載下的土壤剪應(yīng)力；做出抗剪強(qiáng)度與垂直荷載的關(guān)系曲線圖，根據(jù)庫(kù)倫定律計(jì)算土壤抗剪相關(guān)指標(biāo)（黏聚力、內(nèi)摩擦角值），具體計(jì)算方法如下

式中為土的抗剪強(qiáng)度，kPa；為作用在剪切面上的法向應(yīng)力，kPa；為土壤內(nèi)摩擦角，(°)；為土壤黏聚力，kPa。

本文采用完全挖掘法采集花椒生物埂和桑樹(shù)生物埂的根系生長(zhǎng)指標(biāo)。為使根樣具有代表性，在花椒生物埂坎和桑樹(shù)生物埂坎上分別選取3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)株，開(kāi)挖15 cm× 15 cm×5 cm土體，將此土體置于0. 25 mm土壤篩中沖洗，采用WinRHIZO 根系分析系統(tǒng)測(cè)定根徑、根表面積、根體積等參數(shù)；掃描結(jié)束后將根系晾干并置于80 ℃烘箱中干燥72 h，然后用1/1 000電子天平測(cè)定根系生物量。

2 結(jié)果與分析

2.1 降雨特性對(duì)生物埂土壤水分變化的影響

在次降雨前后，生物埂土壤水分存在一個(gè)明顯的“由干到濕、再由濕到干”的干濕變化過(guò)程，這種干濕作用對(duì)土壤結(jié)構(gòu)恢復(fù)具有重要意義，對(duì)土壤力學(xué)性能影響很大。從圖3、圖4和圖5可以看出，在不同天然降雨強(qiáng)度下，生物埂不同垂直層次土壤含水率變化與降雨后干濕作用時(shí)間趨勢(shì)基本一致，0～10 cm表層土壤含水率隨干濕作用時(shí)間呈現(xiàn)“急劇增加—急劇降低—波動(dòng)穩(wěn)定”趨勢(shì)，且隨降雨強(qiáng)度增加，其變化幅度和作用深度增大。在小雨（0.64 mm/h）、大雨（2.37 mm/h）、暴雨（3.46 mm/h）條件下，生物埂土壤含水率分別在0～20、0～30、0～30 cm土層呈現(xiàn)明顯變化；在降雨第1天后，生物埂土壤含水率均達(dá)到峰值。由于生物埂土壤入滲能力的差異，雨強(qiáng)對(duì)生物埂土壤不同垂直深度水分變化也會(huì)產(chǎn)生一定影響，降雨強(qiáng)度越大，土壤水分變化幅度及深度就越大。在3種降雨強(qiáng)度條件下，雨后第1天生物埂0～30 cm土壤平均含水率較雨前增幅差異較大，如花椒埂、桑樹(shù)埂、對(duì)照埂在小雨時(shí)土壤含水量分別增加11.35%、8.99%、14.20%；在大雨條件下其增加幅度依次為17.37%、21.04%、23.05%，而在暴雨條件下土壤含水率增加幅度最大，可分別達(dá)31.15%、32.10%、37.75%；這表明隨著降雨強(qiáng)度越大，生物埂土壤含水率增加幅度越大，從而使得生物埂土壤軟化、埂坎失穩(wěn)的發(fā)生機(jī)率增加。

隨著降雨干濕作用時(shí)間持續(xù)，生物埂土壤含水率達(dá)到峰值后又急劇降低，在小雨條件下花椒埂、桑樹(shù)埂、對(duì)照埂0～30 cm土壤平均含水率在雨后第3天較第1天分別降低9.72%、6.04%、5.79%；在大雨條件下其土壤含水率依次降低9.86%、14.02%、10.69%；而在暴雨條件下生物埂土壤含水率降幅最大，分別為14.89%、14.35%、11.29%，這表明在不同雨強(qiáng)條件下土壤含水率下降幅度也差異較大。在不同降雨條件下，生物埂土壤含水率趨于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)間不同，在小雨、大雨、暴雨條件下，生物埂土壤含水率分別在第5、7、9天趨于穩(wěn)定狀態(tài)，這主要是降雨強(qiáng)度越大，徑流沖刷土壤侵蝕程度增加，導(dǎo)致土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、調(diào)節(jié)水分性能降低。

2.2 不同生物埂垂直深度的土壤干濕作用變化特征

不同生物埂措施對(duì)地埂土壤孔隙和透水性能改善效果差異較大，木本植物根系發(fā)達(dá)，土壤孔隙、土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和土壤水分調(diào)節(jié)能力較強(qiáng)。由圖3、4、5可知，不同生物埂各垂直深度土壤含水率與土壤干濕作用變化趨勢(shì)基本相同，但其變化幅度因植物種類(lèi)、降雨條件差異較大。在小雨條件下，花椒埂雨后第1天0～10、>10～>20、>20～30 cm土壤含水率較雨前各對(duì)應(yīng)層次分別增加了14.99%、17.72%、1.33%，桑樹(shù)埂3個(gè)垂直層次土壤含水率則增加了15.32%、8.76%、3.42%，而對(duì)照埂0～10、>10～20、>20～30 cm土壤含水率增幅較雨前分別為23.37%、18.81%、0.42%，表明花椒埂、桑樹(shù)埂0～10、>10～20 cm土壤含水率增幅均較對(duì)照埂低，而>20～30 cm土壤含水率增幅則大于對(duì)照埂。這主要是由于桑樹(shù)埂、花椒埂林冠層截留降雨量較大，且小雨條件下無(wú)徑流產(chǎn)生，導(dǎo)致土壤水分入滲量低、增幅??；同時(shí)由于植物根系在土壤中形成大孔隙作用，使得生物埂土壤水分較對(duì)照埂濕潤(rùn)鋒下移。在大雨條件下，花椒埂0～10、>10～20、>20～30 cm土壤含水率較雨前對(duì)應(yīng)土層分別增加21.88%、20.30%、9.94%，桑樹(shù)埂3個(gè)垂直層次土壤含水率增幅依次為26.22%、23.97%、12.93%，而對(duì)照埂垂直層次土壤含水率增幅則分別為29.24%、29.13%、10.764%，花椒埂、桑樹(shù)埂0～10、>10～20 cm土壤含水率增幅同樣均較對(duì)照埂低，而>20～30 cm土壤含水率增幅則大于或接近對(duì)照埂。在暴雨條件下，生物埂各垂直層次土壤含水率增加幅度較前兩種降雨條件均達(dá)到最大，花椒埂各垂直層次增幅為36.98%、34.49%、27.81%，桑樹(shù)埂增加了27.81%、32.65%、35.83%，而對(duì)照埂增幅為51.41%、44.81%、17.03%，花椒埂、桑樹(shù)埂0～10、>10～20 cm土壤含水率增幅分別較對(duì)照埂分別低14.43%～23.6%，10.32%～12.16%，這說(shuō)明生物埂在暴雨條件下對(duì)地表徑流形成具有較大阻控作用。在次降雨前后，生物埂不同垂直深度土壤含水率的這種變化現(xiàn)象，表明花椒埂、桑樹(shù)埂可有效調(diào)節(jié)土壤滯水現(xiàn)象，而對(duì)照埂因土壤孔隙狀況較差、有機(jī)質(zhì)含量低，土壤結(jié)構(gòu)不良[13]，導(dǎo)致土壤滯水現(xiàn)象嚴(yán)重；同時(shí)也充分說(shuō)明對(duì)于紫色土坡耕地，這兩種生物埂坎較對(duì)照埂都起到了緩解埂坎土壤水分劇烈變化、有效阻控地表徑流形成，從而發(fā)揮了重要的坡耕地水土流失防治作用。

在各種降雨條件下，生物埂0～10、>10～20、>20～30 cm垂直層次的土壤含水率均隨著干濕作用持續(xù)時(shí)間而呈現(xiàn)急劇降低趨勢(shì)，但不同生物埂土壤含水率在雨后第3天較第1天下降幅度差異明顯（圖3、圖4、圖5）。在小雨（0.64 mm/h）條件下，花椒埂0～10、>10～20、>20～30 cm土層土壤含水率分別降低12.84%、8.38%、7.96%，桑樹(shù)埂3個(gè)垂直層次分別降低7.80%、6.25%、4.05%，而對(duì)照埂則分別降低13.43%、2.07%、1.86%，花椒埂土壤含水率下降幅度較大。在大雨（2.37 mm/h）條件下，花椒埂3個(gè)垂直層次土壤含水率分別降低13.18%、11.16%、5.24%，桑樹(shù)埂各垂直層次土壤含水率分別降低25.70%、8.74%、7.61%，而對(duì)照埂土壤含水率降幅則分別為12.14%、9.89%、10.03%，桑樹(shù)埂土壤含水率下降幅度較大。在暴雨（3.46 mm/h）條件下，生物埂各土層土壤含水率降幅最大，花椒埂各垂直層次分別降低15.06%、14.89%、14.71%，桑樹(shù)埂依次降低17.02%、12.87%、13.14%，而對(duì)照埂降幅則為18.57%、7.79%、7.52%，2種生物埂>10～20、>20～30 cm土壤含水率下降幅度較大。這些現(xiàn)象表明生物埂土壤水分下降幅度隨降雨強(qiáng)度增加而變大，隨土層深度而呈減小趨勢(shì)，花椒埂、桑樹(shù)埂土壤水分降幅較對(duì)照埂高，這主要在于以下作用：1）夏季高溫表層土壤水分蒸騰作用較強(qiáng)；2）花椒、桑樹(shù)發(fā)達(dá)根系水分消耗較大；3）花椒埂、桑樹(shù)埂土壤孔隙度高，土壤水分蒸發(fā)作用強(qiáng)。在小雨第3天后，生物埂0～20 cm土壤含水率均有小幅度下降并逐漸趨于穩(wěn)定；而在大雨和暴雨條件下，>20～30 cm土層土壤含水率小幅增加，這主要是強(qiáng)降雨下土壤重力水下移造成的。

2.3 生物埂土壤抗剪強(qiáng)度對(duì)干濕作用的響應(yīng)特征

2.3.1 土壤黏聚力衰減—恢復(fù)特征

在天然降雨條件下，生物埂土壤水分含量急劇增大，這將造成生物埂土壤力學(xué)性能明顯降低，即存在不同程度劣化現(xiàn)象，其下降幅度可用劣化率表示。由圖6可見(jiàn)，在不同降雨條件下生物埂土壤黏聚力隨干濕作用變化趨勢(shì)基本一致，均呈現(xiàn)“急劇衰減—相對(duì)穩(wěn)定—逐漸恢復(fù)”趨勢(shì)，在暴雨（3.46 mm/h）條件下存在較明顯劣化現(xiàn)象；并隨降雨強(qiáng)度增加，土壤黏聚力衰減幅度和作用土層深度也增大。在小雨（0.64 mm/h）、暴雨（3.46 mm/h）條件下，生物埂土壤黏聚力分別在0～20、0～30 cm土層呈現(xiàn)明顯變化，這也與土壤含水率作用深度一致；生物埂土壤黏聚力最小衰減值分別出現(xiàn)在降雨后第1天、第3天。受降雨和植被綜合作用，不同生物埂土壤黏聚力衰減幅度差異較大；在小雨（0.64 mm/h）條件下，生物埂0～30 cm土壤平均黏聚力在雨后第1天較雨前降幅差異明顯，花椒埂、桑樹(shù)埂、對(duì)照埂土壤黏聚力分別衰減8.33%、7.17%、12.33%，花椒埂、桑樹(shù)埂土壤黏聚力降幅分別為對(duì)照埂的0.68、0.58倍；而在暴雨（3.46 mm/h）條件下，生物埂土壤在雨前到雨后第3天土壤平均黏聚力呈直線衰減趨勢(shì)，花椒埂、桑樹(shù)埂、對(duì)照埂降幅分別為28.14%、25.06%、50.37%，花椒埂、桑樹(shù)埂的降幅分別為對(duì)照埂的0.56、0.50倍，這表明隨著降雨強(qiáng)度增大，生物埂土壤黏聚力衰減幅度增大、衰減時(shí)間延長(zhǎng)；花椒埂、桑樹(shù)埂土壤較對(duì)照埂土壤黏聚力穩(wěn)定性高，這主要是花椒埂、桑樹(shù)埂土壤有機(jī)質(zhì)含量高[5]，土壤膠結(jié)能力強(qiáng)，導(dǎo)致其衰減幅度較低。

隨著雨后干濕作用時(shí)間的持續(xù)，生物埂土壤黏聚力衰減到最小值后開(kāi)始逐漸恢復(fù)穩(wěn)定，在不同降雨條件下生物埂土壤黏聚力恢復(fù)程度差異較大。生物埂0～30 cm土壤黏聚力在小雨后第9天較雨前存在增強(qiáng)效應(yīng)，而在暴雨條件下其土壤黏聚力則存在劣化效應(yīng)。在小雨（0.64 mm/h）條件下，花椒埂、桑樹(shù)埂、對(duì)照埂土壤黏聚力分別增加2.46%、2.95%、0.66%，花椒埂、桑樹(shù)埂增強(qiáng)效應(yīng)分別為對(duì)照埂的3.75、4.49倍，增強(qiáng)效應(yīng)隨土層深度而呈現(xiàn)降低趨勢(shì)；而在暴雨（3.46 mm/h）條件下，花椒埂、桑樹(shù)埂、對(duì)照埂土壤黏聚力劣化率分別為13.82%、8.63%、24.69%，花椒埂、桑樹(shù)埂劣化率較對(duì)照埂分別降低44.03%、65.05%，劣化作用隨土層深度增大。這主要由于小雨條件下，生物埂土壤腐殖質(zhì)在土壤低含水量干濕作用下分解速率加快，土壤有機(jī)質(zhì)含量提高，進(jìn)而土壤膠結(jié)力增大；而在暴雨條件下，生物埂土壤受降雨徑流侵蝕作用，導(dǎo)致土壤結(jié)構(gòu)破壞、土壤穩(wěn)定性弱化，從而土顆粒間黏聚力降低。

2.3.2 土壤內(nèi)摩擦角衰減—恢復(fù)特征

土壤內(nèi)摩擦角即土壤顆粒表面摩擦力和顆粒間咬合力，這兩部分與土壤顆粒結(jié)構(gòu)、大小、形狀以及密實(shí)程度有關(guān)。由圖7可知，生物埂土壤內(nèi)摩擦角隨干濕作用持續(xù)時(shí)間表現(xiàn)為“急劇衰減—相對(duì)穩(wěn)定—逐漸恢復(fù)”變化趨勢(shì)，且土壤內(nèi)摩擦角變化幅度和作用土層深度均隨降雨強(qiáng)度呈正向變化。受降雨和植被綜合作用，不同生物埂土壤內(nèi)摩擦角衰減幅度差異明顯。在小雨（0.64 mm/h）條件下，生物埂0～30 cm土壤平均內(nèi)摩擦角在雨后第1天較雨前下降幅度差異明顯，花椒埂、桑樹(shù)埂、對(duì)照埂土壤內(nèi)摩擦角分別降低13.81%、12.07%、14.85%，花椒埂、桑樹(shù)埂土壤黏聚力降幅分別為對(duì)照埂的0.93、0.81倍；而在暴雨（3.46 mm/h）條件下，生物埂土壤在降雨前到雨后第3天土壤平均黏聚力均呈現(xiàn)衰減趨勢(shì)，花椒埂、桑樹(shù)埂、對(duì)照埂降幅分別為35.65%、35.40%、46.93%，花椒埂、桑樹(shù)埂的降幅均為對(duì)照埂的0.76倍。這些現(xiàn)象均表明兩種生物埂土壤內(nèi)摩擦角衰減幅度隨降雨強(qiáng)度增大而增加，但在各種降雨條件下其衰減幅度均小于對(duì)照埂的變化；這主要由于花椒、桑樹(shù)較對(duì)照草本植物根系發(fā)達(dá)，在埂坎處根-土復(fù)合體這種土體構(gòu)型的存在增強(qiáng)了土壤抵抗降雨干濕作用的能力，從而使得土壤內(nèi)摩擦角衰減幅度降低。

隨雨后干濕作用時(shí)間持續(xù)，生物埂土壤內(nèi)摩擦角衰減到最小值后，開(kāi)始逐漸增加并趨于穩(wěn)定，不同降雨條件下土壤內(nèi)摩擦角恢復(fù)程度差異較大。如圖7所示，生物埂0～30 cm土壤內(nèi)摩擦角變化趨勢(shì)與土壤黏聚力變化一致，在小雨條件下表現(xiàn)為增強(qiáng)效應(yīng)，在暴雨條件下表現(xiàn)為劣化效應(yīng)。在小雨（0.64 mm/h）條件下，花椒埂、桑樹(shù)埂、對(duì)照埂的土壤內(nèi)摩擦角分別增加2.40%、3.17%、1.19%，花椒埂、桑樹(shù)埂增強(qiáng)效應(yīng)分別為對(duì)照埂的2.03、2.66倍，桑樹(shù)埂的增強(qiáng)效應(yīng)最高；同時(shí)這種生物埂增強(qiáng)效應(yīng)隨土層深度而降低，這主要是由于生物埂植物根系在土壤中穿插、纏繞，對(duì)土壤顆粒起到了固土加筋作用并增強(qiáng)了土壤內(nèi)摩擦角；同時(shí)生物埂深層土壤不易蒸發(fā)，土壤含水率相對(duì)表層較高，故其增強(qiáng)效應(yīng)隨土壤深度而降低。結(jié)合表2可以看出，桑樹(shù)埂的根長(zhǎng)密度、根表面積密度均大于花椒埂，2種生物埂的根長(zhǎng)密度、根表面積密度隨著土層深度增加而降低。

表2 不同生物埂根系特征參數(shù)

注：表中不同小寫(xiě)字母表示同一生物埂不同土層根系特征參數(shù)在<0.05水平上的差異顯著。

Note: different lowercase letters indicate significant difference of root system characteristic parameters in different soil layers of the same bio-embankment at the level of<0.05.

在暴雨（3.46 mm/h）條件下，花椒埂、桑樹(shù)埂、對(duì)照埂土壤內(nèi)摩擦角劣化率分別為12.84%、12.12%、22.32%，花椒埂、桑樹(shù)埂土壤內(nèi)摩擦角劣化率較對(duì)照埂分別降低42.47%、45.70%；劣化作用隨土層深度而增大，這說(shuō)明暴雨徑流侵蝕作用強(qiáng)且由于土壤含水率相對(duì)較高，生物埂土壤結(jié)構(gòu)弱化、土壤顆粒間咬合力降低，這些因素均可導(dǎo)致土顆粒間內(nèi)摩擦角力急劇下降。

3 討 論

3.1 植被對(duì)土壤水分調(diào)控性能的影響

植被是土壤水分最活躍、最積極的影響因素。本文研究結(jié)果表明，生物埂土壤含水率隨干濕作用時(shí)間呈現(xiàn)“急劇增加—急劇降低—波動(dòng)穩(wěn)定”趨勢(shì)，其變化幅度和作用深度隨雨強(qiáng)增加而增大；在小雨（0.64 mm/h）、大雨（2.37 mm/h）、暴雨（3.46 mm/h）三種降雨條件下，生物埂土壤含水率分別在0～20、0～30、0～30 cm土壤深度呈現(xiàn)明顯變化，且分別在雨后第5、7、9天趨于穩(wěn)定；花椒埂和桑樹(shù)埂可有效緩解暴雨條件下土壤滯水現(xiàn)象，這主要是花椒埂、桑樹(shù)埂土壤有機(jī)質(zhì)含量、土壤大孔隙顯著高于對(duì)照埂[13]。劉效東等[22]認(rèn)為土壤有機(jī)質(zhì)可控制著土壤含水量及其有效性的原因，主要在于土壤有機(jī)質(zhì)可起到改善土壤結(jié)構(gòu)、降低土壤容重和增加土壤毛管孔隙度的作用，從而對(duì)土壤蓄水性和持水性產(chǎn)生作用[23]，土壤有機(jī)質(zhì)深刻影響著木本植被土壤層水分持留作用[24]。彭舜磊等[25]發(fā)現(xiàn)土壤體積質(zhì)量、非毛管孔隙度和粉粒含量是影響土壤飽和導(dǎo)水率的主要因素；草本植物能快速改善表層土壤物理性狀，增強(qiáng)攔蓄能力；木本植物需要一定種植年限方可改良深層土壤入滲特性，增強(qiáng)降雨入滲性能；本研究中桑樹(shù)埂和花椒埂已種植9 a，可有效改善生物埂土壤入滲性能和調(diào)控土壤水分。張揚(yáng)等[26]指出次降雨可提高封育草地土壤含水率和貯水量，均表現(xiàn)出第1天>第3天>第7天的變化規(guī)律，這與本文次降雨下生物埂土壤水分動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)一致。本研究中花椒埂、桑樹(shù)埂土壤含水率較對(duì)照埂高，這是由于植物根系在土壤中形成大孔隙作用，使得生物埂土壤水分較對(duì)照埂濕潤(rùn)鋒下移；同時(shí)對(duì)照埂植被覆蓋度低、降雨濺蝕作用強(qiáng)、徑流攜帶土壤細(xì)顆粒堵塞土壤孔隙，從而導(dǎo)致土壤入滲率降低造成的。

3.2 干濕作用對(duì)土壤抗剪強(qiáng)度的影響

土壤抗剪強(qiáng)度作為生物埂埂坎穩(wěn)定性重要決定因素之一，主要受土壤結(jié)構(gòu)、土壤顆粒形態(tài)和土壤含水率的影響；本研究發(fā)現(xiàn)，生物埂土壤黏聚力和內(nèi)摩擦角隨土壤含水率急增而大幅降低。黃琨等[17]研究表明，非飽和土體抗剪強(qiáng)度隨含水率增加而降低，土壤含水率對(duì)抗剪強(qiáng)度影響主要是通過(guò)降低土壤黏聚力，而內(nèi)摩擦角變化較小；張曉明等[18]研究發(fā)現(xiàn)，崩崗侵蝕區(qū)土壤內(nèi)摩擦角和黏聚力隨干濕變化呈現(xiàn)非線性衰減趨勢(shì)，土壤抗剪強(qiáng)度峰值出現(xiàn)在13%土壤含水率條件。Carrara等[27]研究表明土壤含水率、土壤結(jié)構(gòu)等因素對(duì)土壤抗剪強(qiáng)度影響較大；倪九派等[19]發(fā)現(xiàn)土壤黏聚力和內(nèi)摩擦角均隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加均呈減小趨勢(shì)，黏土的黏聚力和內(nèi)摩擦角均大于砂土。相關(guān)研究表明，桑樹(shù)可以有效提高土壤抗剪強(qiáng)度[28]，其增加土壤抗剪強(qiáng)度方式有兩種，一是通過(guò)根系在土體中交錯(cuò)、穿插，網(wǎng)絡(luò)固持土壤；二是通過(guò)改善土壤物理性質(zhì)，提高土壤自身水力學(xué)性質(zhì)，從而增強(qiáng)土體抗侵蝕能力[29]。本研究發(fā)現(xiàn)，在暴雨（3.46 mm/h）條件下，花椒埂、桑樹(shù)埂、對(duì)照埂土壤黏聚力降低幅度分別為13.82%、8.63%、24.69%，而土壤內(nèi)摩擦角也分別下降12.84%、12.12%、22.32%，這表明花椒埂、桑樹(shù)埂可以有效削弱降雨干濕作用對(duì)土壤抗剪強(qiáng)度的劣化作用。相關(guān)研究表明，邊坡植被、巖石碎屑能有效削弱土壤含水率對(duì)土壤抗剪強(qiáng)度的不利影響。江浩浩等[30]研究表明，草地、裸地土壤抗剪強(qiáng)度峰值分別在含水率約為12%、10%時(shí)出現(xiàn)且草地土壤抗剪強(qiáng)度峰值顯著大于裸地；峰值過(guò)后在土壤含水率繼續(xù)增加至土壤飽和含水率過(guò)程中，草地土壤抗剪強(qiáng)度最大降幅為28.41%且明顯小于裸地。在本文中，生物埂土壤抗剪強(qiáng)度沒(méi)有出現(xiàn)隨土壤含水率增加而下降的過(guò)程，這主要是次降雨后土壤含水率均較大；由于花椒埂、桑樹(shù)埂植被覆蓋度高、根系發(fā)達(dá)，其埂坎土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性高；紫色土巖石碎屑較多對(duì)照埂土壤抗剪強(qiáng)度最大降低幅度為24.69%。鐘守琴等[31]通過(guò)在室內(nèi)模擬<2 mm巖石碎屑在不同含水率下對(duì)紫色土抗剪強(qiáng)度影響，結(jié)果表明紫色土<2 mm巖石碎屑能降低土壤水分對(duì)黏聚力和內(nèi)摩擦角的影響，從而降低土壤水分對(duì)土壤抗剪強(qiáng)度特性的影響。

4 結(jié) 論

1）生物埂土壤含水率隨干濕作用時(shí)間持續(xù)表現(xiàn)出“急劇增加—急劇降低—波動(dòng)穩(wěn)定”變化趨勢(shì)，其變化幅度和垂直深度均隨雨強(qiáng)增加而增大；在小雨（0.64 mm/h）、大雨（2.37 mm/h）、暴雨（3.46 mm/h）條件下，生物埂土壤含水率分別在雨后第5、7、9天趨于穩(wěn)定狀態(tài)；植物根系形成的土壤大孔隙和地表徑流沖刷差異性是主要原因。

2）生物埂土壤黏聚力和內(nèi)摩擦角在降雨干濕作用下，均呈現(xiàn)“急劇衰減—相對(duì)穩(wěn)定—逐漸恢復(fù)”趨勢(shì)。小雨后第9天，生物埂措施對(duì)土壤黏聚力和內(nèi)摩擦角均具有增強(qiáng)效應(yīng)，花椒埂、桑樹(shù)埂、對(duì)照埂的土壤黏聚力較雨前分別增加2.46%、2.95%、0.66%，而內(nèi)摩擦角則分別增加2.40%、3.17%、1.19%；生物埂增強(qiáng)效應(yīng)隨土層深度而呈降低趨勢(shì)。

3）花椒埂、桑樹(shù)埂能顯著削弱干濕作用對(duì)土壤抗剪強(qiáng)度的劣化效應(yīng)。在暴雨后第9天，花椒埂、桑樹(shù)埂土壤黏聚力劣化率較對(duì)照埂分別降低44.03%、65.05%，而土壤內(nèi)摩擦角劣化率降低幅度為42.47%、45.70%；土壤抗剪強(qiáng)度劣化效應(yīng)隨土層深度而增大，生物埂對(duì)土壤力穩(wěn)定性保持和恢復(fù)作用明顯。

[1] 陜西省水土保持局，西北水土保持生物土壤研究所編. 水土保持林草措施[M]. 北京：農(nóng)業(yè)出版社，1979.

[2] 李文華，賴(lài)世登主編. 中國(guó)農(nóng)林復(fù)合經(jīng)營(yíng)[M]. 北京：科學(xué)出版社，1994.

[3] 曹世雄，陳莉，高旺盛，等. 黃土丘陵區(qū)軟埂梯田復(fù)式配置技術(shù)[J]. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，2005，16(8)：1443－1449.

Cao Shixiong, Chen Li, Gao Wangsheng, et al. Soft-ridged bench terrace design in hilly loss region[J]. Chinese journal of applied ecology, 2005, 16(8): 1443－1449. (in Chinese with English abstract)

[4] 王喜龍，蔡強(qiáng)國(guó)，王忠科，等. 不同生物埂生態(tài)效益的模糊對(duì)比分析與評(píng)價(jià)[J]. 水土保持學(xué)報(bào)，1999，5(3)：27.

Wang Xilong, Cai Qiangguo, Wang Zhongke, et al. Fuzzy comparison analysis and evaluation on ecological benefits of various bunds planted with vegetation[J]. Journal of Soil and Water Conservation,1999, 5(3): 27. (in Chinese with English abstract)

[5] 汪三樹(shù)，史東梅，蔣光毅，等. 紫色丘陵區(qū)坡耕地生物埂的土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性與抗蝕性分析[J]. 水土保持學(xué)報(bào)，2012，26(6)：31－35，40.

Wang Sanshu, Shi Dongmei, Jiang Guangyi, et al. Analysis of soil structure stability and corrosion resistance of slop land bio-bank in Purple Hilly Area[J]. Journal of Soil and Water Conservation, 2012, 26(6): 31－35, 40. (in Chinese with English abstract)

[6] Sudhishri S, Dass A, Lenka N K. Efficacy of vegetative barriers for rehabilitation of degraded hill slopes in eastern India[J]. Soil and Tillage Research, 2008, 99(1): 98－107.

[7] Li Xia, Georg Hoermannb, Li Ma, et al. Reducing nitrogen and phosphorus losses from arable slope land with contour hedgerows and perennial alfalfa mulching in Three Gorges Area, China[J]. CATENA, 2013, 110(11): 86－94.

[8] Sitzia T, Pizzeghello D, Dainese M, et al. Topsoil organic matter properties in contrasted hedgerow vegetation types[J]. Plant and Soil, 2014, 383(1/2): 337－348.

[9] Shively G E. Impact of contour hedgerows on upland maize yields in the Philippines[J]. Agroforestry Systems, 1997, 39(1): 59－71.

[10] Everson C S, Everson T M, Niekerk W V. Soil water competition in a temperate hedgerow agroforestry system in South Africa[J]. Agroforestry Systems, 2009, 75(3): 211－221.

[11] Oyedele D J, Awotoye O O, Popoola S E. Soil physical and chemical properties under continuous maize cultivation as influenced by hedgerow trees species on an alfisol in south western Nigeria[J]. African Journal of Agricultural Research, 2009, 4(8): 736－739.

[12] 張宇清，朱清科，齊實(shí). 梯田埂坎立地植物根系分布特征及其對(duì)土壤水分的影響[J]. 生態(tài)學(xué)報(bào)，2005，25(3)：500－506.

Zhang Yuqing, Zhu Qingke, Qi Shi. Root system distribution characteristics of plants on the terrace banks and their impact on soil moisture[J]. Acta Ecologica Sinica, 2005, 25(3): 500－506. (in Chinese with English abstract)

[13] 汪三樹(shù)，劉德忠，史東梅，等. 紫色丘陵區(qū)坡耕地生物埂的蓄水保土效應(yīng)[J]. 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)，2013，46(19)：4091－4100.

Wang Sanshu, Liu Dezhong, Shi Dongmei, et al. Analysis on the soil and water conservation benefits of four bunds at edges of sloping land in purple hilly area[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2013, 46(19): 4091－4100. (in Chinese with English abstract)

[14] 何毓蓉. 中國(guó)紫色土[M]. 下篇. 北京：科學(xué)出版社，2003.

[15] 史東梅. 基于RUSLE模型的紫色丘陵區(qū)坡耕地水土保持研究[J]. 水土保持學(xué)報(bào)，2010，24(3)：39－44，251.

Shi Dongmei. Soil and water conservation on cultivated slope land in purple hilly area based on RUSLE model[J]. Journal of Soil and Water Conservation, 2010, 24(3): 83－87. (in Chinese with English abstract)

[16] 趙金剛，王家鼎，谷天峰，等. 降雨-蒸發(fā)循環(huán)作用下膨脹土填方邊坡變形特征與機(jī)理研究[J]. 自然災(zāi)害學(xué)報(bào)，2013，22(6)：116－124.

Zhao Jingang, Wang Jiading, Gu Tianfeng, et al. Study on deformation characteristic and mechanism of expansive soil fill slope under precipitation-evaporation cycle[J]. Journal of Natural Disasters, 2013, 22(6): 116－124. (in Chinese with English abstract)

[17] 黃琨，萬(wàn)軍偉，陳剛，等.非飽和土的抗剪強(qiáng)度與含水率關(guān)系的試驗(yàn)研究[J]. 巖土力學(xué)，2012，33(9)：3600－2604.

Hang Kun, Wan Junwei, Chen Gang, et al. Testing study of relationship between water content and shear strength of unsaturated soils[J]. Rock and Soil Mechanics, 2012, 33(9): 3600－2604. (in Chinese with English abstract)

[18] 張曉明，王玉杰，夏一平，等. 重慶縉云山典型植被原狀土抗剪強(qiáng)度的灰色關(guān)聯(lián)度分析與評(píng)價(jià)[J].水土保持研究，2007，14(2)：145－147，151.

Zhang Xiaoming, Wang Yujie, Xia Yiping, et al. Grey relational analysis and evaluation on anti-shear strength of the undisturbed soil of typical vegetations in Jinyun mountain in Chongqing city[J]. Research of Soil and Water Conservation, 2007, 14(2): 145－147, 151. (in Chinese with English abstract)

[19] 倪九派，高明，魏朝富，等.干濕循環(huán)條件下重慶地區(qū)三種土壤抗剪強(qiáng)度的動(dòng)態(tài)變化[J].土壤學(xué)報(bào)，2013，50(6)：1091－1098.

Ni Jiupai, Gao Ming, Wei Chaofu, et al. Dynamics of soil shearing strength of three types of soils under wetting-drying alternation in Chongqing area[J]. Acta Pedologica Sinica, 2013, 50(6): 1091－1098. (in Chinese with English abstract)

[20] 王云琦，王玉杰，張洪江，等. 重慶縉云山不同土地利用類(lèi)型土壤結(jié)構(gòu)對(duì)土壤抗剪性能的影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2006，22(3)：40－45.

Wang Yunqi, Wang Yujie, Zhang Hongjiang, et al. Impacts of soil structure on shear-resistantance of soil under different land uses in Jinyun Mountain of Chongqing City[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2006, 22(3): 40－45. (in Chinese with English abstract)

[21] 國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范.土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)GB/T 50123-1999[S]. 北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，1999.

[22] 劉效東，喬玉娜，周?chē)?guó)逸. 土壤有機(jī)質(zhì)對(duì)土壤水分保持及其有效性的控制作用[J]. 植物生態(tài)學(xué)報(bào)，2011，35(12)：1209－1218.

Liu Xiaodong, Qiao Yuna, Zhou Guoyi. Controlling action of soil organic matter on soil moisture retention and its availability[J]. Chinese Journal of Plant Ecology, 2011, 35(12): 1209－1218. (in Chinese with English abstract)

[23] 王凱博，時(shí)偉宇，上官周平.黃土丘陵區(qū)天然和人工植被類(lèi)型對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響[J] .農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2012，28(15)：80－86.

Wang Kaibo, Shi Weiyu, Shangguan Zhouping. Effects of natural and artificial vegetation types on soil properties in Loess Hilly region[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2012, 28(15): 80－86. (in Chinese with English abstract)

[24] Ouattara K, Ouattara B, Assa A, et al. Long-term effect of ploughing, and organic matter input on soil moisture characteristics of a Ferric Lixisol in Burkina Faso[J]. Soil and Tillage Research, 2006, 88(1/2): 217－224.

[25] 彭舜磊，由文輝，沈會(huì)濤. 植被群落演替對(duì)土壤飽和導(dǎo)水率的影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2010，26(11)：78－84.

Peng Shunlei, You Wenhui, Shen Huitao. Effect of syndynamic on soil saturated hydraulic conductivity[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2010, 26(11): 78－84. (in Chinese with English abstract)

[26] 張揚(yáng)，趙世偉，侯慶春. 草地植被恢復(fù)對(duì)次降雨土壤水分動(dòng)態(tài)的影響分析[J]. 水土保持研究，2009，16(3)：70－73.

Zhang Yang, Zhao Shiwei, Hou Qingchun. Effects of vegetation restoration on soil water dynamics of individual rainfall in typical steppe[J]. Research of Soil and Water Conservation, 2009, 16(3): 70－73. (in Chinese with English abstract)

[27] Carrara A, Pike R J. GIS technology and models for assessing landslide hazard and risk[J]. Geomorphology, 2008, 93(3): 257－260.

[28] 南宏偉，賀秀斌，鮑玉海，等. 桑樹(shù)根系對(duì)紫色土土壤抗剪強(qiáng)度的影響[J].中國(guó)水土保持，2011(8)：48－51.

Nan Hongwei, He Xiubin, Bao Yuhai, et al. Influence of root system of morus alba to shearing resistance of purple soil[J]. Soil and Water Conservation in China, 2011(8): 48－51. (in Chinese with English abstract)

[29] 朱錦奇，王云琦，王玉杰，等. 基于試驗(yàn)與模型的根系增強(qiáng)抗剪強(qiáng)度分析[J]. 巖土力學(xué)，2014(2)：449－458.

Zhu Junqi, Wang Yunqi, Wang Yujie, et al. Analysis of root system enhancing shear strength based on experiment and model[J]. Rock and Soil Mechanics, 2014(2): 449－458. (in Chinese with English abstract)

[30] 江浩浩，董希斌，王海飆. 邊坡土壤含水率對(duì)不同植被土壤抗剪強(qiáng)度的影響[J]. 森林工程，2009，25(3)：77－80，124.

Jiang Haohao, Dong Xibin, Wang Haibiao. Effects of slope soil water content on soil shear strength of different vegetation[J]. Forest Engineering, 2009, 25(3): 77－80, 124. (in Chinese with English abstract)

[31] 鐘守琴，劉波，魏朝富，等. 紫色泥巖土壤<2mm巖屑及其對(duì)抗剪強(qiáng)度的作用機(jī)制[J]. 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)，2015(23)：4846－4858.

Zhong Shouqin, Liu Bo, Wei Chaofu, et al. The rock fragments (<2 mm) and their action mechanism on the shear strength of purple mudstone-developed soils[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2015(23): 4846－4858. (in Chinese with English abstract)

Response of soil shear strength of bio-embankments for slope farmland to drying-wetting effect in Purple Hilly Area

Shi Dongmei1, Jiang Ping2, He Wenjian3, Ding Wenbin1, Wang Sanshu2, Peng Xudong4

(1400715,; 2.400020,; 3.401147,; 4.,,550025,)

As a typical agroforestry system, bio-embankments formed by planting trees, shrubs or herbaceous in terrace ridge are effective farming measures for soil and water conservation in Purple Hilly Area. Bio-embankments not only could prevent soil erosion from slope farmland, but also greatly improve the soil quality and agricultural production conditions for cultivated land. The bio-embankment of slope farmland is often prone to collapse under heavy rainfall condition, which mainly attributed to the deformation and failure of slope caused by soil drying-wetting effect during the continuous raining- infiltration-evaporating process. Soil shear strength is one of the important determinants for slope stability of bio-embankments, which mainly influenced by soil structure, soil particle morphology and soil moisture content. The soil moisture of bio-embankments is often constantly changing along with the drying-wetting-drying circulation under a single rainfall condition, which would greatly weaken stability of bio-embankments. Recently, soil shear strength mainly focused on indoor simulation experiment conducted under such single factor as soil water content, soil bulk density, root system, soil particle composition, and some multi-factor combination experiments were also carried out. However, the changing characteristics of soil content and soil shear strength under drying-wetting-drying circulations caused by a natural raining and evaporating effect is unclear. The study mainly discussed the following facts as: 1) the variation trend of soil moisture for different bio-embankment layers under three-types natural rainfall condition; 2) the effects of different bio-embankment types on soil moisture variation; 3) the response characteristics of soil cohesion and soil internal friction angle of different bio-embankments on wetting-drying effect of rainfall and evaporation. Taking the bio-embankments with mulberry (SS) and zanthoxylum (HJ) planted in terrace ridge of slope farmland in purple hilly area of Southwest University,Chongqing as objects and bio-embankment with natural grass as control (CK), the paper systematically analyzed the attenuation and recovery effect of soil moisture and soil shear strength of bio-embankments under drying-wetting condition of different natural rainfall. The method of field and laboratory tests were conducted to observe soil moisture, soil cohesion, soil internal friction angle and root characters before and after different natural rainfall intensity such as light rain (0.64 mm/h), heavy rain (1.37 mm/h) and rainstorm (3.46 mm/h) from the field experiments were carried out from June to September 2014. The results indicated that: 1) The soil moisture of bio-embankments under drying-wetting condition presented a variation trend as sharp increase—sharp decrease—fluctuation stable, of which the changes amplitude and interaction depth increased with increasing rainfall intensity. The soil moisture showed obvious change in soil layer of 0-20 cm under light rain (0.64 mm/h), and varied obviously in soil layer of 0-30 cm under heavy rain (2.37 mm/h) and rainstorm (3.46 mm/h), which tended to be stable in 5h,7h, 9thday after natural rainfall stopped, respectively. 2) Both the soil cohesive strength and soil internal friction angle of bio-embankments showed a change trend as decaying sharply—stabilizing relatively—recovering gradually under the condition of drying-wetting. The soil cohesion strength and soil internal friction angle of bio-embankments were enhanced in 9thday after light rain, of which the enhancement showed a decreasing trend with increasing soil depth. Compared with the state before the rain, the soil cohesion strength of HJ, SS and CK increased by 2.46%, 2.95% and 0.66% respectively; meanwhile, their internal friction angle increased by 2.40%, 3.17%, and 1.19%, respectively. 3) The soil cohesion and soil internal friction angle decreased in 9thday after rainstorm compared with the original state before rain. Bio-embankments with mulberry and zanthoxylum could significantly weaken the deterioration effect of drying-wetting on soil shearing strength, and the effect of mulberry measures was better than the other two. Compared with CK, the soil cohesion degradation rates of HJ and SS bio-bio-embankments decreased by 44.03% and 65.05%, respectively, and the degradation rates of soil internal friction angle of HJ and SS bio-embankments decreased by 42.47% and 45.70%, respectively. The research results could provide some technical supports for design of bio-embankment design and soil and water utilization of cultivated-layer for slope farmland in purple hilly area.

soils; shear strength; rain; bio-embankments; decaying-recovering effect; slope farmland; Purple Hilly Area

10.11975/j.issn.1002-6819.2016.24.018

TU416; S157.1

A

1002-6819(2016)-24-0139-08

2016-05-10

206-10-24

公益性行業(yè)（農(nóng)業(yè)）科研專(zhuān)項(xiàng)“坡耕地合理耕層評(píng)價(jià)指標(biāo)體系建立（201503119-01-01）”；重慶市水利局“重慶市水力侵蝕監(jiān)測(cè)點(diǎn)背景侵蝕環(huán)境調(diào)查（2016）”

史東梅，女，漢族，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事水土生態(tài)工程、土壤侵蝕與流域治理、生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目土壤侵蝕與水土保持研究。重慶 西南大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，400715。Email：shidm_1970@126.com