土壤物理力学性质与土壤侵蚀关系研究进展

第6卷第2期水土保持研究V o l.6N o.2 1999年6月R esearch of So il and W ater Con servati on Jun.,1999Ξ土壤物理力学性质与土壤侵蚀关系研究进展查小春　贺秀斌(中国科学院水　利　部水土保持研究所　陕西杨陵　712100)摘　要　综述评价了近年来从土壤物理力学性质对土壤侵蚀的研究概况,指出应从土壤物理力学性质方面对土壤侵蚀进行系统研究,使其标准化和定量化,为预测土壤侵蚀和防治水土流失服务。

关键词　土壤物理力学性质　土壤侵蚀　研究进展Progress on the Study of So il Erosion from So il Physica lProperty and Erosive ForceZ ha X iaochun　H e X iubin(Institu te of S oil and W a ter Conserva tion,Ch inese A cad e m y of S ciencesand M in istry of W a ter R esou rces　Y ang ling S haanx i　712100)Abstract　T he p rogress of the so il ero si on w as review ed from the so il p hysical and fo rce p rop2 erties acco rding to the study in recen t years.T he au tho rs po in ted ou t that so il ero si on shou ld be studied system atically and m ade it standardly and quan titatively to serve fo r the p redicti on and con tro l of the so il and w ater con servati on.Key words　so il p hysical and fo rce p rop erties　so il ero si on　p rogress土壤侵蚀[1,2]的含义通常是指降雨径流力、风力、重力等侵蚀营力对地表土壤的破坏、搬运和沉积的过程,包括了地球表面上发生的所有侵蚀,其产生和发展与土壤的理化和力学特性密切相关。

早在60年代,朱显谟[3]通过对土壤侵蚀机制的研究,将土壤抗侵蚀能力分为抗蚀性和抗冲性,并为之下了定义,指出:抗蚀性是指土壤抵抗径流的分散和悬浮的能力,它主要取决于土粒和水的亲和力,与土壤内在的物理和化学因素有关;抗冲性是指土壤抵抗径流的机械破坏和推动下移的能力,它主要取决于土粒间和微结构间的胶结力和土壤结构体间的抵抗离散力。

同时,也有许多学者将土壤的抗侵蚀能力称之为可蚀性,H udson[4]定义为:是指土壤对侵蚀的易损性或敏感性,即土壤对侵蚀抵抗力的倒数。

对于土壤的可蚀性,它是一个复杂的概念,受着土壤自身特性和处理情况等许多因素的影响,在土壤侵蚀过程中,由于侵蚀营力只是土壤侵蚀过程的外部因素,而土壤自身的性质才是其内在的因素,因此,对于土壤可蚀性研究,是认识和探索土壤侵蚀机Ξ收稿日期:1999-04-15理的一个重要环节。

现就对土壤侵蚀研究进展从土壤物理和力学性质两方面作一回顾。

1　根据土壤物理性质对土壤侵蚀的研究进展在土壤侵蚀研究过程中,研究者常用试验中所测定的土壤各种物理性质,来说明所测定的土壤侵蚀量,直接或间接地评价土壤侵蚀的相对敏感程度,并提出了许多的指标。

其中大多数指标是评价土壤耐溅击的能力或抗分散的能力。

在国外,M iddleton [6]在1930年根据试验结果,提出用分散率(D isp ersi on rati o )作为估价土壤可蚀性的指标;B aver [7]于1933年提出了分散——渗透性的指标;L u tz [8]于1934年提出,最细部分团聚体含量对土壤可蚀性影响很大;Bouyouco s [9]于1935年提出用黏粒率作为土壤可蚀性指标;黏粒率越小,土壤越不容易侵蚀;A nderson [10]于1954年提出团聚体表面率可作为土壤可蚀性指标,团聚体表面率≤0.05mm 颗粒表面积(粉砂+黏土)团聚表面积;L eenheer D e 和D e 2boodt M [11]于是1959年提出了团聚体不稳定性指标;川村学者[]于60年代提出了水稳性团聚体风干率指标;Rou sseva [13]于1989年提出可用土壤团聚体稳定性来作为土壤可蚀性指标。

在我国,也有大量的研究者在土壤可蚀性方面做过大量的工作,如郭培才[14]、王佑民[15]等,他们也从土壤物理性质上提出了抗蚀性指标,来评价土壤抗侵蚀的强弱。

郭培才等[14]通过对不同土壤剖面(0～10c m ,20～30c m ,40～50c m )层次的草地、林地、农地的采样分析得出水稳性团粒含量是反映土壤抗蚀性的最佳指标,并对土地类型作了定性定量分析,将土壤抗蚀性划分为极弱、弱、中等、强、极强五个等级(表1)。

王佑民等[15]对不同腐殖质含量和水稳性团粒含量的土壤作抗蚀性评价,以腐殖质和水稳性团粒作为土壤抗蚀性的指标,并根据二者的含量,将黄土高原的土壤抗蚀性分为极弱、弱、中等、较强、强、极强六个等级(表2)。

赵兴实[16]对黑土地区的土壤抗蚀性进行分析,认为可利用结构系数和分散系数来表示土壤的抗蚀性指标。

张启昌等[17]得出在侵蚀外营力一定时,土壤侵蚀状况与地面物质的抗蚀性能力有关,因此,可以把一定粒径的土壤自然颗粒抗均匀水滴击溅而被分散的性能作为土壤抗蚀性能指标。

唐克丽、查轩等[18]对子午岭林区林草地不同地形部位土壤剖面的水稳性团粒含量分析后得出,水稳性团粒含量是反映土壤抗蚀性的重要参数,因此强调恢复和重建植被在防治黄土高原水土流失具有重要意义。

表1　土壤抗蚀性强弱等级表(据郭培才等)等级极弱弱中等强极强大于0.25mm 风干土水稳性团粒含量 %<1515～2222～4343～57>57表2　黄土高原土壤抗蚀性分级(据王佑民等)级别极弱弱中等较强强极强大于0.25mm 土水稳性团聚体含量 %<33～1010～2020～3030～50>50土壤腐殖质含量 %<0.5>0.6>1.0>2.0>2.5>42　根据土壤侵蚀营力对土壤侵蚀的研究进展除了从土壤物理性质来研究土壤可蚀性外,一些研究者也从土壤侵蚀力学的角度进行研究来评价土壤的可蚀性,这包括土壤的抗冲性和抗剪性。

2.1　对土壤抗冲性的研究进展对抗冲性的研究,最早是前苏联的古萨克于1949年采用流水对磨碎过的过筛土样进行冲刷99第2期查小春等:土壤物理力学性质与土壤侵蚀关系研究进展001水土保持研究第6卷作试验,尔后又用人工降雨的方法在室内冲刷整段土样标本作试验。

当他用水槽放水冲刷作试验时,提出用冲走100c m3土样所需的水量来评价土样的抗冲性;当用人工降雨的方法冲刷整段土样标本作试验时,采用每平方米面积上冲走土样的克数来评价土壤的抗冲性。

随后,考斯加柯夫于1960年从泥沙起动的角度出发,采用每平方米面积上所需的冲刷力来评价土壤的抗冲性等[19]。

如今,我国的研究者从土壤力学的角度,在抗冲性方面已经做了大量的工作,开辟了新的研究领域,并对土壤侵蚀有了深入的认识。

研究的方法主要采用原状土冲刷土槽法[20,21]和C.C索波列夫仪用恒压水性直接冲刷土层法[22]。

他们先后就这两种方法进行了不同程度的改进和引用,对黄土区土壤的抗冲性进行了研究,并提出了土壤抗冲性指标。

朱显谟[19]曾采用土样(5c m×5c m×5c m)在流水中的冲失率,并以土样在流水中的冲刷时间为附加指标来评价土样的抗冲性,周佩华等[23]用单位径流深的冲刷量作为土壤抗冲性指标,并将黄土高原的土壤抗冲性划分为五个级别(表3)。

蒋定生[19,24]在研究土壤抗侵蚀性能时,先后采用了三个评价土壤抗冲性指标:(1)单位水体对土壤的冲刷值,M(g L);(2)每平方米面积上所需的冲刷力,(N m2);(3)土壤抗冲刷指数C,即冲走1g土壤所需的水量和时间(L.s g),并且蒋定生还利用他所提出的抗冲性指标——抗冲性指数C研究了黄土高原土壤抗冲性变化规律,得出抗冲性在水平上自北向南有递增的变化规律趋势。

李勇[25]则利用在一定坡度、一定雨强(或冲刷流量)下,以冲刷1g土所需要时间来表示抗冲性能的指标,用A s表示,单位:s g,A s愈大,则土壤抗冲性能愈强;赵兴实[16]以冲走1g土所需的力(kg)作为抗冲性能指标;吴普特[26]则以单位径流深的冲刷侵蚀力k w(kg m2・mm)作为土壤抗冲性指标。

表3 黄土高原土壤抗冲性分级(据周佩华等)土壤抗冲性分级极弱弱中等强极强土壤抗冲性指标>0.300.10～0.300.05～0.100.02～0.05<0.02对影响土壤抗冲性的因素方面,周佩华[23]认为,影响土壤抗冲性的因素为地面坡度和土地利用情况;王万忠等[24]指出,影响土壤抗冲性强度取决于两个方面:一是植物根系的分布、盘绕、固结作用,二是有机无机复合体的胶结作用的影响;查轩、唐克丽等[2,18]对子午岭林区的研究表明,抗冲性与植被有着密切的关系,当地面林草植被遭到破坏和耕垦后,土壤的理化性质会严重恶化,抗冲性能明显减弱,侵蚀由轻微突变为强烈侵蚀。

除了对黄土区土壤的抗冲性研究外,近年来,对植物根系和土壤抗冲性关系的研究发展也较快,刘秉正[28]、郭培才[29]、汪有科[30]、吴钦孝[31]、李勇[25,32]等都作了有关的论述,得出植物根系在维持土壤稳定性,抵抗径流对土壤冲刷起决定性作用。

2.2　对土壤抗剪强度的研究进展当外力作用于土壤时,土壤的力学性质主要表现为抗压和抗剪力。

对于土壤的抗剪强度,在计算土工建筑物地基的强度和土壤边坡稳定时,采用的定义为[33]:是在极限应力条件下,土体一部分对另一部分相对滑动(剪切)时土体抵抗剪切破坏的极限强度,对粘性土抗剪强度用库伦公式表示为:Σ=c+∆tgΥ(1)式中,Σ——土壤抗剪强度(kPa);∆——垂直压力(kp a);c——黏聚力(kPa);Υ——内摩擦角(°)。

该定义从宏观的角度考虑了土体的剪切破坏。

当把抗剪强度与土壤侵蚀联系起来,从侵蚀的角度考虑土粒或土团的剪切破坏时,Jum ics 和B arer [34]把抗剪强度定义为:在剪应力的作用下,抵抗土粒或土团持续剪切而引起的剪切变形破坏的阻力,并指出它由以下三部分组成:①土粒间的黏聚力;②颗粒间相互联结的抵抗变形力;③颗粒表面间的抗滑力。