孫術(shù)發(fā)王敬凱趙浩然張繼文

(東北林業(yè)大學(xué) 工程技術(shù)學(xué)院, 哈爾濱 150040)

0 引言

土壤是森林生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分,土壤的抗剪性即土體在外界干擾(如:降雨沖刷、重力壓實(shí)等)的作用下離開(kāi)母體發(fā)生相對(duì)位移的過(guò)程中,土壤表現(xiàn)出的抵抗剪切破壞的位移阻力,通常用土壤抗剪強(qiáng)度來(lái)表示[1]。土壤抗剪強(qiáng)度由土壤顆粒間發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)而產(chǎn)生的內(nèi)摩擦力和土粒之間的膠結(jié)作用及電子吸引微小顆粒而產(chǎn)生的黏聚力構(gòu)成[2],為土壤力學(xué)特征的一個(gè)重要指標(biāo)。土壤抗剪強(qiáng)度越大,則土壤發(fā)生變形和活動(dòng)時(shí)所具有的抵抗剪切破壞的極限程度也就越高,在外力作用下,土壤抵抗剪切徑流的剪切破壞能力也就越大,從而可以減緩?fù)寥狼治g及漏失現(xiàn)象的發(fā)生[3]。

土壤容重、含水率、有機(jī)物含量、機(jī)械組成和樹(shù)木根系等均會(huì)對(duì)土壤抗剪強(qiáng)度產(chǎn)生不同程度的影響[4]。目前,國(guó)內(nèi)外學(xué)者也針對(duì)土壤抗剪強(qiáng)度的影響因素進(jìn)行了分析。王楠等[5]通過(guò)探究邊坡土壤的含水率和干容重對(duì)土壤抗剪強(qiáng)度的影響,得出土壤黏聚力的對(duì)數(shù)與含水率呈顯著負(fù)相關(guān),與干容重呈顯著正相關(guān),含水率對(duì)內(nèi)摩擦角影響不嚴(yán)重的結(jié)論。楊永紅等[6]研究發(fā)現(xiàn),隨著含水量的增加,非飽和土的黏聚力與內(nèi)摩擦角均減小,黏聚力有較大變化而內(nèi)摩擦角變化較小。此外土壤的顆粒大小、結(jié)構(gòu)及密實(shí)程度通過(guò)影響土壤內(nèi)部結(jié)構(gòu),對(duì)土壤內(nèi)摩擦角造成一定的影響[7-10],進(jìn)而影響土壤的抗剪強(qiáng)度。有機(jī)物的含量也會(huì)對(duì)土體產(chǎn)生一定的影響,N(氮)、P(磷)含量與抗剪強(qiáng)度呈顯著性正相關(guān)[11],在一定范圍內(nèi)有機(jī)物含量的增加有利于提高土壤的抗剪強(qiáng)度。植物根系能夠提供給土壤額外的抗剪能力和通過(guò)抵抗土體變形來(lái)增強(qiáng)土體的抗剪強(qiáng)度,但植物根系對(duì)土體抗剪強(qiáng)度的增強(qiáng)是有限的[12-15]。適宜含量的根系有助于土壤抗剪強(qiáng)度的提高。但整體來(lái)看,國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行的土壤抗剪強(qiáng)度研究多集中在紫土、紅土等土壤,針對(duì)我國(guó)東北地區(qū)典型黑土的抗剪強(qiáng)度研究存在一定的缺失,對(duì)于大興安嶺地區(qū)土壤抗剪強(qiáng)度的研究也主要集中于凍融狀態(tài)對(duì)黑土抗剪強(qiáng)度方面的影響[16-17]。

因此,本文以大興安嶺地區(qū)典型土壤為研究對(duì)象,進(jìn)行三軸剪切試驗(yàn),深入分析土壤含水率、土壤容重、機(jī)械組成和根系對(duì)大興安嶺土壤抗剪強(qiáng)度的影響,以此來(lái)彌補(bǔ)黑土抗剪強(qiáng)度方面研究的不足,為大興安嶺地區(qū)防治土壤流失提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況及研究樣地選取

研究區(qū)位于中國(guó)東北部,呼中區(qū)西南50 km處(123°51′21″E、51°37′13″N),是我國(guó)森林資源儲(chǔ)備地之一。該地位屬大興安嶺地區(qū),氣候?yàn)楹疁貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候,平均海拔810 m,年平均氣溫-4.3 ℃,最低氣溫-52 ℃,最高氣溫32 ℃,年平均降水量為497.7 mm,年日照時(shí)長(zhǎng)為2 326.4 h,森林覆蓋率為96.24%,主要森林植被類型有興安落葉松、樟子松、紅皮云杉、白樺、蒙古櫟和山楊等,土壤類型主要有棕色針葉林土、暗棕壤、灰黑土、草甸土和沼澤土。

本研究選擇該地區(qū)立地條件相似的棕色針葉林土(以下簡(jiǎn)稱棕針)和暗棕壤土各3個(gè)為研究樣地(20 m×20 m)。棕針天然植被主要為明亮針葉林,是寒溫帶濕潤(rùn)氣候針葉林下發(fā)育的具有酸性淋溶特征的土壤,其pH為5.0～5.5,鹽基飽和度為50%～70%,水解酸性較高,鐵、鋁活動(dòng)性強(qiáng)。暗棕壤又名暗棕色森林土,是在溫帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候和針闊混交林下發(fā)育形成的,表層腐殖質(zhì)積聚,土壤全剖面呈中至微酸性反應(yīng),鹽基飽和度為60%～80%,剖面中部黏粒和鐵錳含量均高于其上下兩層的淋溶土。

2 研究方法

2.1 土壤樣品的采集

2020年9月,在研究樣地進(jìn)行棕針采集和暗棕壤土采集。在選定的樣地中,根據(jù)對(duì)土壤顆粒特點(diǎn)的認(rèn)識(shí),利用剖面刀將土壤剖面進(jìn)行修整。通過(guò)實(shí)地采集發(fā)現(xiàn)大興安嶺地區(qū)的棕針在0～50 cm的表土層范圍內(nèi)存在明顯的分層現(xiàn)象,如圖1(a)所示。腐殖層內(nèi)多為植物根系,土壤占比小,所以對(duì)腐殖層下2層土壤分別進(jìn)行取土,即為腐殖層和淀積層的過(guò)渡層以及淀積層。取土?xí)r先用取土環(huán)刀在每層土層取12個(gè)土樣放入事先稱好質(zhì)量的鋁盒(80 mm×60 mm)內(nèi),用膠帶密封好,裝入密封袋中,鋁盒土樣用于測(cè)量土壤容重、初始含水率和土粒含量等基本物理性質(zhì),待鋁盒取土完畢后,再每層取2袋土用于試驗(yàn)。暗棕壤的土壤刨面不具備明顯的分層,如圖1(b)所示,腐殖層內(nèi)多為植物根系,土壤占比小,故按上述取樣方法取得暗棕壤的過(guò)渡層和淀積層土樣作為試驗(yàn)對(duì)象。

圖1 試驗(yàn)土樣Fig.1 Test soil samples

2.2 初始含水率測(cè)定

將裝有新鮮土樣的鋁盒進(jìn)行清潔處理,去除表面攜帶的土粒,保證所測(cè)含水率的精確性。將清潔后的鋁盒置于分析天平上稱重并記錄相關(guān)數(shù)據(jù)。稱重完畢,將鋁盒打開(kāi),盒蓋放在盒底,置于已預(yù)加熱至105 ℃±2 ℃的烤箱中烘烤12 h。烘烤結(jié)束后取出鋁盒將蓋子蓋好,移入干燥器內(nèi)冷卻至室溫,立即稱重,根據(jù)公式(1)計(jì)算初始含水率,試驗(yàn)進(jìn)行3組,以平均結(jié)果作為實(shí)驗(yàn)最終數(shù)據(jù)。

式中:M0為烘干空鋁盒質(zhì)量;M1為烘干前鋁盒及土樣質(zhì)量;M2為烘干后鋁盒及土樣質(zhì)量。

2.3 土壤容重及機(jī)械組成測(cè)定

將土樣在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)環(huán)刀樣的制備。待土樣制備完成并經(jīng)過(guò)試驗(yàn)準(zhǔn)備后進(jìn)行環(huán)刀法測(cè)量土壤的容重。將土壤試樣進(jìn)行2 mm過(guò)篩處理,留作測(cè)量土壤機(jī)械組成的試驗(yàn)用土。依據(jù)鮑氏比重法進(jìn)行土壤機(jī)械組成的試驗(yàn)操作,土壤顆粒分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行,將土壤顆粒分為黏粒(＜0.002 mm)、粉粒(0.002～0.05 mm)和砂粒(0.05～2 mm)3種[18]。試驗(yàn)進(jìn)行3組,以平均結(jié)果作為試驗(yàn)最終數(shù)據(jù)。記錄棕針樣為Z,其過(guò)渡層土樣為Z1,淀積層土樣為Z2,暗棕壤土樣為A,其過(guò)渡層土樣為A1,淀積層土樣為A2。

各試驗(yàn)土樣的基本物理性質(zhì)見(jiàn)表1,表中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差,大寫(xiě)字母表示土樣間自然含水率差異顯著(P＜0.05),小寫(xiě)字母表示土樣間土壤容重差異顯著(P＜0.05)。

表1 試驗(yàn)土樣的基本物理性質(zhì)Tab.1 Basic physical properties of test soil samples

2.4 土壤的三軸剪切試驗(yàn)

2.4.1 三軸剪切試樣制備

為避免采樣過(guò)程中由于操作原因造成土樣的破壞以及重塑土樣與原狀土樣之間存在的土壤顆粒結(jié)構(gòu)、黏結(jié)和排列等的差異,本試驗(yàn)統(tǒng)一采用重塑土樣來(lái)進(jìn)行,重塑土樣制備要求高度為8 cm,直徑為3.91 cm,三軸剪切試驗(yàn)的土樣的制備按照《土木實(shí)驗(yàn)規(guī)程》進(jìn)行。將取得的棕針及暗棕壤置于烘箱中進(jìn)行烘干處理,烘箱溫度控制在105 ℃±2 ℃,烘干時(shí)長(zhǎng)控制在16 h。烘干處理后將土樣過(guò)2 mm篩處理,過(guò)濾掉較大的根系及雜質(zhì)備用。

實(shí)驗(yàn)將各層土樣分別進(jìn)行濾去根系的純土土樣配置,及添加根系的對(duì)照土樣配置。其中,純土土樣記錄為P,添加根系的土樣記錄為R,共計(jì)8種土樣。此外按照土壤刨面結(jié)構(gòu)及土樣分層的特性,分別配置Z1+Z2及A1+A2的純土和添加根系的土樣來(lái)模仿實(shí)際土樣的存在情況,共計(jì)4種土樣。由表1中的各種土樣的自然含水率可知,4種土樣的自然含水率分布為13.31%～15.83 %,故12種土樣的配置含水率均設(shè)置在15%。

2.4.2 三軸剪切試驗(yàn)

為得到土樣的庫(kù)倫強(qiáng)度線,采用室內(nèi)三軸壓縮試驗(yàn),三軸壓縮儀選擇為美國(guó)GCTS公司生產(chǎn)的GDS非飽和三軸儀。實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前,排除三軸壓縮儀器孔壓傳感器內(nèi)部的殘余空氣。將預(yù)先制備好的高度為8 cm、直徑為3.91 cm的三軸剪切標(biāo)準(zhǔn)土樣經(jīng)由橡皮膜、抽氣裝置裝入裝樣器中。將土樣裝入三軸剪切儀器內(nèi)部,設(shè)置剪切速度為0.8 mm/min,分別在100、200、300 kPa的徑向圍壓下進(jìn)行不排水不固結(jié)的三軸剪切試驗(yàn),以此得到相關(guān)土樣的抗剪強(qiáng)度包線。當(dāng)剪切過(guò)程中出現(xiàn)剪切峰值后,試驗(yàn)繼續(xù)進(jìn)行,直至超過(guò)15%的軸向應(yīng)變?yōu)橹?若無(wú)峰值出現(xiàn)時(shí),剪切應(yīng)進(jìn)行到軸向應(yīng)變?yōu)?0%時(shí)停止,取軸向應(yīng)變15%時(shí)的主應(yīng)力作為破壞點(diǎn)。GDS非飽和三軸儀配備有專用的土工試驗(yàn)微機(jī)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng),實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)經(jīng)由該系統(tǒng)采集儲(chǔ)存[18]。土壤的抗剪強(qiáng)度計(jì)算公式為

式中:τ為抗剪強(qiáng)度;Cu為土壤黏聚力;σ為徑向圍壓;φu為土壤內(nèi)摩擦角。

2.5 數(shù)據(jù)處理

土壤的三軸剪切數(shù)據(jù)由土工試驗(yàn)微機(jī)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)采集獲得,應(yīng)用Excel 2019進(jìn)行數(shù)據(jù)的預(yù)處理,采用Origin 2021和matlab 2021分別進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和圖像繪制,利用SPSS 26.0進(jìn)行顯著性和相關(guān)性分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 研究對(duì)象理化性質(zhì)變化特征

(1)自然含水率。隨著土層深度的增加,2種研究土樣自然含水率均表現(xiàn)為下降的趨勢(shì)。棕針自然含水率為14.00%～16.35%,暗棕壤自然含水率為13.13%～15.10%。棕針過(guò)渡層、淀積層與暗棕壤過(guò)渡層之間自然含水率不存在顯著性差異,暗棕壤淀積層與其他3層土樣之間存在顯著性差異(P＜0.05),如圖2所示(條形圖繪制為該對(duì)象的均值,工形為對(duì)象測(cè)定誤差)。

(2)容重。隨土層深度的加深,2種 研究土樣的土壤容重均增大,淀積層的土壤容重均大于過(guò)渡層。棕針的土壤容重為1.30～1.41 g/cm3,暗棕壤的土壤容重為1.13～1.25 g/cm3。同一土樣不同土層之間的土壤容重的差異性不大,不同土樣各土層土壤容重存在顯著性差異(P＜0.05),暗棕壤土壤容重均小于棕針,如圖2所示(條形圖繪制為該對(duì)象的均值,工形為對(duì)象測(cè)定誤差)。

圖2 研究對(duì)象自然含水率及容重情況Fig.2 Natural moisture content and bulk density of the research objects

(3)機(jī)械組成。研究對(duì)象的機(jī)械組成情況,如圖3所示。由圖3可知,2個(gè)研究對(duì)象各土層砂粒占比在半成左右(48.0%～51.1%),與粉粒、黏粒占比成顯著性差異(P＜0.05);粉粒和黏粒占比相差不大,為20.3%～31.20%,暗棕壤及棕針淀積層粉粒占比大于黏粒,棕針過(guò)渡層土樣粉粒占比略低于黏粒。2個(gè)研究對(duì)象不同土層之間機(jī)械組成不存在顯著性差異。

圖3 研究對(duì)象機(jī)械組成情況Fig.3 Mechanical composition of research object

3.2 研究對(duì)象不同土層抗剪強(qiáng)度比較

3.2.1 同一土壤純土與添加根系比較

設(shè)置純土和添加根系的對(duì)照組。隨著土層深度的增加,棕針各實(shí)驗(yàn)組均表現(xiàn)出內(nèi)摩擦角增大、土壤黏聚力減少的特點(diǎn)。與純土相比,添加根系對(duì)照組的棕針過(guò)渡層內(nèi)摩擦角減小,淀積層內(nèi)摩擦角增大,各土層均表現(xiàn)出黏聚力減小的趨勢(shì),如圖4(a)所示。三軸剪切實(shí)驗(yàn)中隨著徑向圍壓的增大,棕針在純土和添加根系狀態(tài)下,過(guò)渡層抗剪強(qiáng)度均大于淀積層。當(dāng)徑向圍壓達(dá)到350～400 kPa時(shí),添加根系狀態(tài)下棕針抗剪強(qiáng)度逐漸大于純土狀態(tài)下的棕針抗剪強(qiáng)度,如圖 4(b)所示。

隨著土層深度的增加,暗棕壤各實(shí)驗(yàn)組均表現(xiàn)出內(nèi)摩擦角增大的現(xiàn)象,這一特征與棕針表現(xiàn)相似。但暗棕壤黏聚力隨著土層深度的增加表現(xiàn)出增大的趨勢(shì),這點(diǎn)與棕針表現(xiàn)相反。與純土狀態(tài)相比,添加根系后暗棕壤過(guò)渡層內(nèi)摩擦角減小,淀積層內(nèi)摩擦角增大,各土層黏聚力均增大,如圖5(a)所示。三軸剪切試驗(yàn)中,隨著徑向圍壓的增大,暗棕壤在純土或添加根系狀態(tài)下,過(guò)渡層抗剪強(qiáng)度均小于淀積層。

對(duì)純土狀態(tài)和添加根系狀態(tài)進(jìn)行對(duì)比分析,結(jié)果如圖6所示。經(jīng)圖6對(duì)照比較可以看出,添加根系狀態(tài)下,土壤的內(nèi)摩擦角增大,抗剪強(qiáng)度線的斜率增大,單位徑向圍壓增大時(shí),土壤的抗剪強(qiáng)度增長(zhǎng)速度均大于純土狀態(tài)。

圖4 棕針土壤內(nèi)摩擦角、黏聚力及抗剪強(qiáng)度情況Fig.4 Soil internal friction angle, cohesion and shear strength of brown coniferous forest

圖5 暗棕壤內(nèi)摩擦角、黏聚力及抗剪強(qiáng)度情況Fig.5 Internal friction angle, cohesion and shear strength of dark brown soil

圖6 研究土樣純土與添加根系抗剪強(qiáng)度情況Fig.6 Study on shear strength of pure soil and added root

3.2.2 不同土壤抗剪強(qiáng)度比較

對(duì)棕針、暗棕壤各土層純土和添加根系分別進(jìn)行對(duì)照比較。除土壤淀積層添加根系狀態(tài)外,棕針的土壤黏聚力均大于暗棕壤。內(nèi)摩擦角在純土或添加根系狀態(tài)下均表現(xiàn)為棕針較大的結(jié)果。暗棕壤純土和添加根系狀態(tài)下,淀積層黏聚力均大于過(guò)渡層,與棕針表現(xiàn)相反。添加根系均會(huì)造成棕針和暗棕壤內(nèi)摩擦角的增大,如圖7所示。

圖7 棕針土壤、暗棕壤內(nèi)摩擦角、黏聚力對(duì)比Fig.7 Comparison of internal friction angle and cohesion between brown coniferous forest soil and dark brown soil

隨著土壤徑向圍壓的增大,純土狀態(tài)下,棕針的抗剪強(qiáng)度均大于暗棕壤。根據(jù)抗剪強(qiáng)度線的發(fā)展趨勢(shì),可以預(yù)測(cè)出,棕針純土狀態(tài)下過(guò)渡層土壤抗剪強(qiáng)度均大于淀積層,暗棕壤純土狀態(tài)下過(guò)渡層抗剪強(qiáng)度會(huì)在徑向圍壓接近500 kPa時(shí),與淀積層抗剪強(qiáng)度相差不大,之后隨著徑向圍壓的增大,其抗剪強(qiáng)度將會(huì)遠(yuǎn)大于淀積層。添加根系狀態(tài)下,當(dāng)徑向圍壓大于308 kPa時(shí),棕針過(guò)渡層在抗剪強(qiáng)度方面有一個(gè)較好的表現(xiàn),如圖8所示。

圖8 各土層純土、添加根系抗剪強(qiáng)度線Fig.8 Shear strength lines of pure soil and roots in each soil layer

3.3 研究對(duì)象與還原土樣抗剪強(qiáng)度比較

按照土壤實(shí)際存在的情況,配置上層為過(guò)渡層,下層為淀積層的還原土樣,以此來(lái)模擬土壤的真實(shí)存在情況。各土層與還原土樣黏聚力、內(nèi)摩擦角情況如圖9所示。還原土樣的黏聚力介于過(guò)渡層和淀積層之間,除暗棕壤純土實(shí)驗(yàn)組外,還原土壤也表現(xiàn)出內(nèi)摩擦角大小介于過(guò)渡層和淀積層之間的情況。

由圖10抗剪強(qiáng)度情況可以看出,棕針還原土樣,在純土和添加根系狀態(tài)下,還原土樣隨著土壤徑向圍壓的增大均表現(xiàn)為抗剪強(qiáng)度大于淀積層,小于過(guò)渡層的態(tài)勢(shì)。暗棕壤在純土狀態(tài)下,還原土樣的抗剪強(qiáng)度有一個(gè)較好的表現(xiàn);在添加根系的狀態(tài)下,隨著土壤徑向圍壓的增大,抗剪強(qiáng)度小于淀積層,大于過(guò)渡層。

圖9 各土層與還原土樣內(nèi)摩擦角、黏聚力對(duì)比Fig.9 Comparison of internal friction angle and cohesion of layered and reduced soils

圖10 各土層與還原土樣抗剪強(qiáng)度線Fig.10 Shear strength line of layered and reduced soil samples

3.4 研究對(duì)象土壤理化性質(zhì)與抗剪強(qiáng)度相關(guān)性分析

土壤的抗剪強(qiáng)度受到土壤的多種性質(zhì)的影響,本文選取土壤容重和土壤機(jī)械組成為主要分析對(duì)象,探究其與土壤抗剪強(qiáng)度(徑向圍壓為200 kPa狀態(tài))之間的關(guān)系,基礎(chǔ)物理性質(zhì)測(cè)定數(shù)據(jù)見(jiàn)表2,相關(guān)性分析結(jié)果見(jiàn)表3。

由表3中的數(shù)據(jù)可知,土壤抗剪強(qiáng)度與砂粒含量存在極顯著相關(guān)性關(guān)系(P＜0.01),與粉粒含量存在顯著相關(guān)關(guān)系(P＜0.05)。粉粒含量與抗剪強(qiáng)度呈顯著負(fù)相關(guān),相關(guān)系數(shù)R=-0.755 3;砂粒含量與抗剪強(qiáng)度呈極顯著正相關(guān),相關(guān)系數(shù)R=0.978 4。繪制散點(diǎn)圖來(lái)確定粉粒含量和砂粒含量與抗剪強(qiáng)度之間的關(guān)系是否為線性,圖像繪制結(jié)果如圖11所示。

表2 基礎(chǔ)物理性質(zhì)測(cè)定數(shù)據(jù)Tab.2 Basic physical properties measurement data

表3 相關(guān)性分析表Tab.3 Correlation analysis table

圖11 粉粒含量和砂粒含量與抗剪強(qiáng)度關(guān)系散點(diǎn)圖Fig.11 The scatter diagram of the relationship between silt content, clay content and shear strength

由圖11可知,粉粒含量和砂粒含量均與抗剪強(qiáng)度呈現(xiàn)明顯的線性關(guān)系,故采用線性擬合的方式對(duì)抗剪強(qiáng)度進(jìn)行擬合公式的求解。擬合結(jié)果計(jì)算公式為

式中:y為土壤抗剪強(qiáng)度(徑向圍壓為200 kPa狀態(tài));x1為粉粒含量;x2為砂粒含量。

均方誤差(Mean Squared,MSE,公式中用MSE表示)為回歸問(wèn)題的性能指標(biāo),是預(yù)測(cè)值與真實(shí)值間的差距,是測(cè)量誤差的方差。MSE值越小,模型精度越高。

調(diào)整后的決定系數(shù)將自變量的個(gè)數(shù)考慮在內(nèi),在一定程度上解決了因?yàn)樽宰兞總€(gè)數(shù)較多造成的決定系數(shù)較大,和實(shí)際情況不相符的結(jié)果,能較好地進(jìn)行回歸方程擬合效果的評(píng)判,計(jì)算公式如下

式中:SST為總平方和;SSR為回歸平方和;SSE為殘差平方和;adjustedR2為調(diào)整后的決定系數(shù);yi為原始序列中的第i個(gè)數(shù)據(jù);y-為原始序列的均值;y︿i為第i個(gè)數(shù)據(jù)的預(yù)測(cè)值。

adjustedR2越接近1模型的精度越高。此外對(duì)該模型進(jìn)行F檢驗(yàn)、T檢驗(yàn)以及殘差檢驗(yàn)。檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4,殘差分析如圖12所示。

由表4及圖12結(jié)果可知,足夠的抗剪強(qiáng)度線性擬合模型精度,可為土壤抗剪強(qiáng)度的求解提供一定的理論依據(jù)。

表4 模型檢驗(yàn)Tab.4 Model checking

圖12 殘差個(gè)案次序圖Fig.12 Residual case sequence diagram

4 討論

研究對(duì)象選擇為棕針和暗棕壤的過(guò)渡層和淀積層,2種土壤均呈現(xiàn)出淀積層含水率低于過(guò)渡層,土壤容重高于過(guò)渡層的特點(diǎn)。這與各土層的特性息息相關(guān),過(guò)渡層中含有少量腐殖層土壤,腐殖層中存在較多的枯枝落葉,土壤的孔隙度較大,便于微生物的生命活動(dòng),因此,過(guò)渡層的土壤容重與淀積層相比較小。此外,過(guò)渡層與土壤表層相距較近,與淀積層相比更容易受到外界環(huán)境的影響。淀積層離地表較遠(yuǎn),不易受到表層變化的影響,保持了土樣原有的理化特征,故在自然含水率方面,其測(cè)定值大于淀積層。

對(duì)2種研究土樣各土層分別進(jìn)行機(jī)械組成 測(cè)定,黏粒、粉粒、砂粒含量在各土層中的占比均存在一定程度的差異。從整體上看,土壤中的砂粒含量處于較高水平,約占土壤的50%,不同土樣不同土層在黏粒和粉粒占比之間也有不同的表現(xiàn)。棕針過(guò)渡層和暗棕壤淀積層土壤黏粒占比和粉粒占比存在顯著性差異。

試驗(yàn)中設(shè)置添加根系的對(duì)照試驗(yàn)以及還原土層原始存在狀態(tài)的還原對(duì)照試驗(yàn)。根據(jù)三軸試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看,添加根系后,與純土狀態(tài)相比棕針表現(xiàn)為內(nèi)摩擦角增大,黏聚力下降。低徑向圍壓狀態(tài)下,土壤抗剪強(qiáng)度與純土狀態(tài)相比減小,但隨著徑向圍壓的增大,棕針添加根系的抗剪強(qiáng)度逐漸大于純土狀態(tài)。暗棕壤表現(xiàn)出內(nèi)摩擦角增大,黏聚力增大,土壤抗剪強(qiáng)度增大的狀態(tài),不受徑向圍壓的影響。整體來(lái)看,根系對(duì)土壤產(chǎn)生“加筋”[20]作用,添加根系有助于黑土抗剪強(qiáng)度的提高,這與黃鋼等[21]的研究結(jié)果相符。

還原試驗(yàn)顯示,土壤的黏聚力、內(nèi)摩擦角和抗剪強(qiáng)度大體上表現(xiàn)出過(guò)渡層和淀積層的中和趨勢(shì)。還原土樣由多個(gè)土層疊加而成,具有多個(gè)土層的特性,使得土壤最終抗剪強(qiáng)度表現(xiàn)出向兩土層的中間狀態(tài)發(fā)展。

對(duì)影響土壤抗剪強(qiáng)度的因素進(jìn)行相關(guān)性分析,研究結(jié)果顯示,土壤的抗剪強(qiáng)度與粉粒含量、砂粒含量存在顯著相關(guān)[22],黏聚力與砂粒含量存在顯著相關(guān),內(nèi)摩擦角與黏粒含量、粉粒含量存在顯著相關(guān)。這也進(jìn)一步證明了土壤的理化性質(zhì)為土壤抗剪強(qiáng)度的重要影響因素[23]。但試驗(yàn)未將土壤成土條件、所處環(huán)境及土壤內(nèi)部微生物和有機(jī)物含量作為抗剪強(qiáng)度的影響因素考慮在內(nèi),在之后的研究中仍需不斷補(bǔ)充。

5 結(jié)論

(1) 2種研究土樣均隨著土層深度增加,含水率減少,土壤容重增大。機(jī)械組成方面均表現(xiàn)為砂粒占比約50%,黏粒和粉粒含量相差不大的狀態(tài)。

(2) 徑向圍壓為200 kPa時(shí),棕針壤純土狀態(tài)的抗剪強(qiáng)度為348.31～382.81 kPa,暗棕壤純土狀態(tài)的抗剪強(qiáng)度為205.95～257.63 kPa,兩者存在顯著性差異(P＜0.05)(表2)?？辜魪?qiáng)度在兩土樣不同土層深度時(shí)表現(xiàn)不同,土壤抗剪強(qiáng)度的大小并不絕對(duì)隨土層深度的增加而變大。

(3) 根系通過(guò)影響土壤的內(nèi)摩擦角和黏聚力進(jìn)而改變土壤抗剪強(qiáng)度,高徑向圍壓下根系表現(xiàn)出的“加筋”效果,有助于土壤抗剪強(qiáng)度的提高。還原土樣具備不同土層的中和特征,抗剪強(qiáng)度表現(xiàn)為向過(guò)渡層、淀積層中和方向發(fā)展。

(4) 土壤抗剪強(qiáng)度與砂粒含量存在極顯著正相關(guān)性關(guān)系(P＜0.01),相關(guān)系數(shù)R=0.978 4;與粉粒含量呈顯著負(fù)相關(guān)(P＜0.05),相關(guān)系數(shù)R=-0.755 3。黏聚力與砂粒含量呈顯著正相關(guān)(P＜0.05),相關(guān)系數(shù)R=0.760 1。內(nèi)摩擦角與黏粒含量呈顯著正相關(guān)(P＜0.05),相關(guān)系數(shù)R=0.836 0;與粉粒含量呈顯著負(fù)相關(guān)(P＜0.05),相關(guān)系數(shù)R=-0.815 9。