格日樂, 郝需婷, 蘇日娜, 孫保平, 黃 靜, 崔天民

(1.內蒙古農業(yè)大學 沙漠治理學院, 內蒙古 呼和浩特 010019; 2.北京林業(yè)大學 水土保持學院, 北京 10083)

土壤結皮是干旱、半干旱以及半濕潤地區(qū)土壤普遍存在的現(xiàn)象[1-7]。中國土壤類型眾多，土壤理化性質差異很大，相應的土壤結皮發(fā)育亦有很大差異[8-14]?，F(xiàn)在針對中國4類典型土壤，黃土、紫色土、紅壤、黑土等土壤結皮的發(fā)育及形成、結構特征、影響因素以及對土壤侵蝕的影響等方面的相關研究較多[15-24]。而關于土壤結皮力學性質的研究鮮見報道。

土壤結皮在降雨引起的侵蝕過程中一方面通過壓實土表增強其抗剪切應力，從而減少土表濺蝕量；另一方面，通過減少入滲增加徑流，使產流產沙的臨界雨強顯著降低，從而加大產流產沙，并增加了產生細溝的可能性，使侵蝕量劇增。

黃土高原位于干旱半干旱的氣候條件下，氣候變化劇烈，干濕交替頻繁發(fā)生，土壤脹縮交替進行，土壤表層結構很難得到進一步發(fā)育，土壤結構的穩(wěn)定性通常很差，在暴雨或大暴雨的條件下，土壤極易遭受侵蝕，表層土壤水土流失是困擾黃土高原農林業(yè)生產的一大難題。

土壤抗蝕性指標很多，主要有土壤腐殖質的含量、水穩(wěn)性團粒結構、土壤分散性和土壤侵蝕系數(shù)等。土壤水穩(wěn)性團聚體的形成，要求有一定數(shù)量的膠結物質，又要求這種膠結物質遇到水后分散性小，而腐殖質就是具有這種性能的膠結物質。森林由于提高土壤腐殖質，必然會提高水穩(wěn)性團粒的含量。林草覆蓋的土壤，具有較強的抗蝕能力，從整個剖面來看，土壤結皮的抗蝕性比下層強，即越向深層土壤越易遭到侵蝕[25]。

林分水土保持作用大小取決于森林植被的類型、結構、林齡、郁閉度以及降雨特征等。林分組成和結構對降水影響很大。樹種不同，其枝葉密度及吸水能力、樹冠大小和形狀不同，截留率亦有差異?？葜β淙~層覆蓋于林地地表不僅防止了雨滴擊濺，維持土壤結構的穩(wěn)定，腐爛分解后又增加土壤有機質，改良土壤結構，提高土壤肥力。

本文選取半干旱的內蒙古黃土丘陵溝壑區(qū)準格爾煤田礦區(qū)排土場相同立地條件下生物復墾土地不同同齡植被類型下表層土壤(0—2 cm)為研究對象，通過室內直剪試驗，研究不同植被類型下表土抗剪強度、黏聚力及內摩擦角等指標，及這些指標對表層土壤水分的響應，以期為該區(qū)域及其相似地區(qū)生態(tài)修復中植物種的選擇及其配置提供科學依據(jù)，也為土壤侵蝕機理的研究提供科學依據(jù)。

1 材料及方法

1.1 研究區(qū)自然概況

黑岱溝露天煤礦位于內蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市準格爾旗東部，海拔在1 025～1 302 m之間，地理坐標東經111°13′—111°20′，北緯39°43′—39°49′，屬于晉、陜、蒙接壤黃土地區(qū)一部分。因侵蝕較強烈，礦區(qū)的地帶性土壤不明顯，非地帶性黃綿土廣泛分布。排土場臺階上的土壤為復填土，經排土車輛碾壓較緊密。

1.2 試驗方法

1.2.1 表土采集及其試樣制備 不同植被類型表土抗剪力學特性的研究選擇在黑岱溝露天煤礦的內排土場平臺(海拔高度1 255 m)復墾土地上相同立地條件下在8～10 a生檸條+楊樹混交林、楊樹純林、檸條純林和油松純林等不同植被群落內選擇典型樣地以及未復墾土地做對照樣地，于2017年8月末在每個植被類型下以及對照裸地選取3塊未受擾動典型樣地，樣地大小5 m×5 m，每個樣地內隨機選取3個點，且樣點之間距離至少大于80 cm以保證采樣點間采樣時避免造成互相影響。采用高20 mm，直徑61.8 mm的環(huán)刀取樣，取樣時先將樣點處植物地上部輕輕剪除，盡量避免對表層土壤的擾動，選取表層平整處進行取樣，取得的樣品用塑料薄膜密封，置于減震箱內，帶回實驗室分別用于測定土壤的抗剪強度、含水率、干密度等。植物樣地天然含水率和密度測定方法已另文發(fā)表[26]，這里不再贅述。測定結果為天然含水率5.02%，干密度1.42 g/cm3。

不同土壤含水率下試樣的制備根據(jù)土工試驗規(guī)程[27]進行：野外實測表層土壤天然含水率為5.02%，干密度1.42 g/cm3，據(jù)此選擇小于實測天然含水率的值2.5%和大于天然含水率的值7.5%，10%，12.5%的4個含水率，共設置5個梯度，分別為：2.5%,5.0%,7.5%,10.0%,12.5%進行不同含水率下直剪試驗。

1.2.2 試驗儀器及方法 使用ZJ型四聯(lián)應變控制式電動直剪儀進行，嚴格按照土工試驗規(guī)程[27]進行剪切試驗。天然狀態(tài)下表層土壤抗剪強度的測定，要保證環(huán)刀內的土樣基本保持天然的干密度與含水率。剪切速率為0.8 mm/min，每組試驗做4個荷載的試樣，每個荷載下做3個平行，按土工試驗規(guī)范進行。

2 結果與分析

2.1 垂直荷載與抗剪強度的關系

圖1為天然狀態(tài)下土壤含水率5.0%，干密度1.42 g/cm3下4種不同植被類型及裸地樣地土壤表層(結皮)的直剪試驗結果。從圖1中可以看出土壤表層抗剪強度均隨著垂直荷載的增大而增大，且在0.05的顯著水平下抗剪強度與垂直荷載呈線性正相關，其它4個不同土壤含水率2.5%，7.5%，10%，12.5%下直剪試驗結果與5%下的結果一致(圖略)，均在0.05的顯著水平下抗剪強度與垂直荷載呈線性正相關。證明供試不同植被類型(生物土壤結皮，簡稱生物結皮)及裸地樣地土壤表層(物理結皮)的剪切關系均服從土力學上的摩爾—庫倫強度破壞準則，據(jù)此可以采用摩爾—庫倫強度破壞準則推求供試土壤表層(結皮)的黏聚力和內摩擦角。

2.2 不同植被類型下表土抗剪強度

圖2為4種不同植被類型及裸地表層土壤抗剪強度隨著土壤含水率的變化特征，LSD多重比較結果顯示，在0.05的顯著水平下圖中字母不同則表示差異性顯著，包含有相同字母的則表示差異性不顯著。從圖2中可以看出，4種不同植被類型及裸地樣表土均隨著含水率的增加抗剪強度總體呈增大的趨勢。

從圖3中可以看出，在0.05水平下5個測試土壤含水率梯度下裸地樣地表層土壤抗剪強度均最小，而檸條+楊樹混交林下表層土壤抗剪強度最大。在天然含水率5%時表土抗剪強度大小為檸條+楊樹混交林(11.35D±1.74)>楊樹純林(8.28C±0.92)，而楊樹純林和油松針葉林(7.38BC±1.01)二者則在0.05的顯著水平下無顯著性差異，油松純林與檸條純林(6.54B±0.79)表土抗剪強度的值在0.05的顯著水平下又無顯著性差異，4種不同植被群落類型表土抗剪強度的值均顯著大于裸地(2.72A±0.46)的值。這說明水土保持的林草措施對表層土壤結構的改善起到了積極的作用，從而提高了表層土壤的抗侵蝕能力，且表土含水率、植被群落類型不同則對表土抗剪強度的提高值則不同。

圖1 不同植被類型及裸地表層土壤抗剪強度與垂直荷載的關系

注：圖中不同大寫字母表示差異顯著(p<0.05)。下同。圖2 4種不同植被類型及裸地土壤結皮抗剪強度隨著土壤含水率的變化

從表1中可以看出隨著含水率的增加4種不同植被類型及裸地樣地表土黏聚力總體呈增加的趨勢。這是因為當土壤含水率較小時，土粒之間較松散，尚未形成較強的聯(lián)結，從而使土體間的聯(lián)結較弱。隨著土壤含水率的增加，土粒與水之間形成結合水膜，水膠結逐漸增強，從而提高了土顆粒間的咬合能力。表明在一定范圍內隨著表土濕潤程度的增加對提高土壤表層抗蝕能力起到積極的作用。

圖3 相同含水率下4種不同植被類型及裸地樣地抗剪強度比較結果

表1 相同植被類型在不同土壤含水率下土壤結皮黏聚力的方差分析結果

注：不同大寫字母表示差異性顯著,相同字母表示差異性不顯著,(p<0.05)。下同。

另外在0.05水平下對相同含水率下不同植被類型及裸地對照樣地表土黏聚力進行方差分析，結果如表2所示。由表2可知檸條+楊樹混交林下表土黏聚力在測試含水率5%，10%和12%下黏聚力值均為最大，其次為楊樹純林下的值。在含水率2.5%和7.5%時檸條+楊樹混交林和楊樹純林下表土黏聚力的值顯著大于其他樣地的值，且二者無顯著性差異。在測試的5個含水率梯度下4種不同植被群落類型表土黏聚力的值均顯著大于無植物生長的裸地樣地的值。

表2 相同含水率下4種不同植被類型及裸地樣地表土黏聚力方差分析結果

2.3 不同植被類型下表土的內摩擦角

表3為相同植被類型在不同含水率下的內摩擦角方差分析結果。從表3中可以看出，隨著表土含水率的增加，內摩擦角無明顯的變化規(guī)律，這與黏聚力隨著含水率的增加而增加的結果不同。

表4為相同含水率下不同植被類型及裸地表土內摩擦角的方差分析結果。從表4中可以看出，在5種表土含水率下，檸條純林與油松針葉林下的表土內摩擦角無顯著性差異(p<0.05)，而二者與其他3種樣地表土內摩擦角存在顯著性差異(p<0.05)，且油松純林和檸條純林下表土內摩擦角顯著大于其他3種樣地的值。

表3 相同植被類型在不同含水率下的表土內摩擦角方差分析

表4 相同含水率下4種不同植被類型及裸地樣地內表土摩擦角的方差分析

3 結論與討論

4種不同植被類型及裸地樣地表土剪切關系服從土力學上的摩爾—庫倫強度破壞準則，可以采用摩爾—庫倫強度破壞準則推求表土的黏聚力和內摩擦角。4種不同植被類型及裸地樣地表土抗剪強度和黏聚力在測試含水率2.5%～12.5%范圍內均隨著土壤含水率的增加總體呈增大的趨勢，表明在一定范圍內隨著表土濕潤程度的增加對提高土壤表層抗蝕能力起到促進的作用；在測試含水率2.5%～12.5%范圍內4種不同植被群落類型表土抗剪強度、黏聚力的值均顯著大于裸地的值，這與其它研究者的結論一致[26，28-30]：解明曙[31]采用根系拉拔試驗法，研究了白榆(Ulmuspumila)根系的固土能力，結果認為根—土復合體的抗剪強度遠高于素土；Waldron和Dakessian[32]、陳昌富[33]及劉秀萍[34]通過試驗比較了有根系土壤與無根系土壤的抗剪強度，結果均表明根—土復合體可以明顯提高土體的抗剪強度，同時，根系的存在增加了土體的抗侵蝕能力。這說明水土保持的林草措施對表層土壤結構的改善起到了積極的作用，從而提高了表層土壤的抗侵蝕能力。4種不同植被群落類型相比較其中檸條+楊樹混交林下表土抗剪強度、黏聚力總體表現(xiàn)最大，這也從另外一方面說明了水土保持的林草措施中營造混交林優(yōu)于純林，體現(xiàn)了混交林的優(yōu)越性。各樣地表土含水率、植被群落類型不同則對表土抗剪強度和黏聚力的提高幅度不同，反映了水土保持的林草措施中植物種選擇和搭配的重要性。在測試含水率2.5%～12.5%范圍內隨著表土含水率的增加，內摩擦角則無明顯的變化規(guī)律，這與抗剪強度和黏聚力隨著含水率的增加而增加的結果不同。關于這點還需要結合土壤理化性質進行進一步分析研究。

4種不同植被類型及裸地樣地表土抗剪強度和黏聚力在測試含水率2.5%～12.5%范圍內均隨著土壤含水率的增加總體呈增大的趨勢，這與格日樂等[26]對檸條、沙棘和楊柴根土復合體抗剪強度的研究中隨著土壤含水率的增高根土復合體的抗剪強度和黏聚力呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢的研究結論不同，分析原因格日樂等人對3種植物根土復合體抗剪特性的研究中含水率范圍為1.44%～24.50%，而本文對表土含水率的研究范圍為2.5%～12.5%，即本文中含水率取值范圍較小的緣故。