2022, Vol. 59
表1(Table 1)
地表径流造成的沟谷侵蚀在红壤丘陵区普遍存在，是全世界共同关注的环境问题之一，被认为是造成土地退化的主要原因[1-2]。崩岗是一种特殊的沟谷侵蚀类型，是由强烈径流冲刷和重力侵蚀共同作用下的边坡崩塌引起的[3-4]。夏季连续强降雨作用下，花岗岩红壤丘陵区会发生崩岗侵蚀[5-6]。根据中国水土保持监测中心2005年的调查数据，中国南方花岗岩红壤丘陵区约有23.91万个崩岗[5, 7]。崩岗地区的年平均侵蚀量为59 000 T·km–2，是平缓坡地水力侵蚀量的50多倍[8]。崩岗是一种危害性极强的水土流失现象，其危害主要包括：破坏土地资源，威胁生命财产安全、水库库容下降、引发洪涝灾害等[7]。因此，崩岗严重危害了华南红壤丘陵区的生态环境，有必要对崩岗的发生和发展进行控制和预防。
Xu[9]较早对崩岗的侵蚀因素进行研究，发现崩岗残积土的抗剪强度随着含水率的增加而迅速下降。张晓明等[10]对湖北省东南地区崩岗开展研究，表明随水分含量的增加，花岗岩发育红土的黏聚力和内摩擦角呈非线性衰减趋势，土壤含水率达到13%左右时，对应的抗剪强度指标出现峰值。林敬兰等[11]研究表明，崩岗土体红土层和砂土层的黏聚力随含水量的增加先增大后减小，不同土层的内摩擦角均随含水量的增加而减小。刘希林等[12]研究发现崩壁不同层位土体浸水后，水呈非均衡态进入土体孔隙，粒间斥力超过吸力，使土体结构受到破坏。由此可见，水分是崩岗发生的重要影响因素，会对崩岗土壤的物理力学性质产生显著影响，进而影响崩壁的稳定性。
土壤的液塑限是土壤力学性质的直观反映指标之一[13-14]，因此，液塑限的变化必然会引起崩壁稳定性的变化。土壤液限和塑限即界限含水量，分别是土壤处于塑性状态时的上限含水量和下限含水量，与土壤的侵蚀强度、滑坡以及地基的承载力密切相关[13, 15]。谢炎敏[16]探究了长汀崩岗崩壁不同深度土层土壤的液塑限特征及其影响因子，发现界限含水率受土壤粒径分布与有机质含量的共同影响，随着黏粒含量与有机质含量的增加，土壤液限和塑限变大。花可可等[15]对紫色土和水稻土进行研究，发现土壤液限与有机质和黏粒含量呈线性正相关，有机质的作用更为显著。庄雅婷等[17]研究了崩岗红土层的颗粒组成与有机质含量对土壤液塑限的影响，发现有机质、黏粒和粉粒含量与土壤液塑限值呈正相关关系。朱慧鑫等[18]研究发现花岗岩崩岗土壤的液限主要受土壤黏粒和氧化铁含量的影响，黏粒和游离氧化铁的含量越高，土壤保水蓄水能力越强，液限值越高。当前，在全球变暖和气候异常事件多发的大背景下，探究土壤界限含水率时应该考虑温度的影响。温度作为一个基本物理场，对土壤的水文、力学性质会产生重要影响。朱晨光等[19]通过实验测定结合模型拟合分析，发现对于高含水量的土体，高温对边坡稳定性具有负面作用。邵玉娴等[20]研究发现温度升高时，黏性土液限减小，塑限变化很小，液塑限的变化主要是由吸附结合水含量的变化引起的。但是，目前有关崩壁土壤液塑限的研究忽视了温度效应。南方地区夏季高温炎热，部分地区地表温度会高达70℃[21]。因此，亟待进一步探究高温下崩壁不同土层土壤液塑限的变化规律。
本研究分析崩岗剖面三个土层土壤的液塑限特征，并探究温度因子对土壤液塑限的影响。采用液塑限联合测定仪，测定不同温度下三个土层土壤的液塑限，结合土壤的粒径分布、有机质、氧化铁、结合水含量等指标，深入分析温度对土壤液塑限的作用，该研究可为崩岗的发生提供新的理解途径。
1 材料与方法 1.1 研究区域研究区位于福建省安溪县龙门镇（118°05′E，24°57′N）。安溪县是典型的崩岗侵蚀区，该地区为丘陵山地，气候类型为亚热带季风性气候，年平均气温和降水量分别为18℃和1 800 mm，降雨主要集中在5月至9月。研究区土壤类型主要为铁铝土，是华南地区广泛分布的土壤类型。土壤由酸性花岗岩发育形成，黏土矿物组成以高岭石为主。
1.2 试验方法根据土壤的颜色和结构特征，研究区土壤剖面可划分为红土层、砂土层和碎屑层3个土层（图 1）：红土层呈红色，颜色较均一，土体细腻且有黏着性；砂土层呈黄色，混有白色点状物，土体易松散；碎屑层呈灰白色，混有红色、黑色点状物，粗颗粒较多，土体易松散。在崩壁上不同高度处自下而上分别采集碎屑层、砂土层和红土层3个混合土壤样品2 kg左右，带回室内风干过筛以后用于液塑限和基本理化性质的测定。同时用环刀采集红土层、砂土层和碎屑层的原状土壤样品用于土壤容重的测定。土壤液塑限值采用液塑限联合测定仪（Shanghai Luda Experimental Instrumental Company，Shanghai，China）进行分析，试验方法根据《土工试验方法标准》（GB/T 50123-2019）进行：试验土壤过0.5 mm筛后，取100 g土样加定量纯水，调制3种不同含水量的试样，制备的土样需充分调拌均匀，分层填入试样杯中，填样时不应留有空隙。对于较干的土膏应充分搓揉，用调土刀反复压实，使空气逸出。试杯装满后，刮成与杯边齐平。将试样杯用保鲜膜包好防止水分散失，土壤样品需要在恒温培养箱密封保存8 h，保证液塑限的测定在特定土壤温度下进行。由于夏季晴热条件下，南方红壤地表实测温度可接近60℃，所以本试验土壤温度设定为15、25、40和60℃四个梯度。试样准备好后，采用电磁落锥法，分别测圆锥自重沉入试样的深度，3个含水量水平下圆锥入土深度分别在3~4、7~9和15~17 mm范围内。每次试样的测定时间保持在20 s以内，以防止测定过程中温度的显著变化。重复以上的步骤，完成4个温度条件下土壤样品液塑限的测定，每个样品重复4次。按标准规定：锥入深度17 mm所对应的含水量为土壤液限，锥入2 mm所对应的含水量为土壤塑限。
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图 1 采样区典型崩岗侵蚀土壤剖面 Fig. 1 Soil profile of a typical collapsing gully in this study |
土壤颗粒组成采用激光粒度仪（BT-9300ST，Bettersize Instruments Ltd.，Liaoning Province，China）测定；土壤有机质采用重铬酸钾外加热法测定；游离氧化铁含量采用连二亚硫酸钠-柠檬酸钠-重碳酸钠（DCB法）测定；土壤pH采用pH计（STARTER 2100，OHAUS Instruments Co.，Ltd.，Shanghai，China）测定，土液比为1：2.5[22]。试验土样的基本理化性质表 1所示。根据中国土壤质地分级，将试验土样的颗粒组成进一步进行划分，如表 2所示。土壤矿物组成使用X-射线衍射仪（Ultima IV，Rigaku Corporation，Tokyo，Japan）测定，发现三个土层土壤中石英的含量均超过85%，进一步提取每个土层土壤中的黏粒部分，使用X-射线衍射仪测定黏土矿物的衍射图谱，根据各矿物主要特征峰的峰强与基底值的差值之比进行半定量分析[23]。分析结果如表 3所示，试验土样的黏土矿物组成以高岭石为主，还含有少量针铁矿、三水铝石和伊利石。
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表 1 试验土样的基本理化性质 Table 1 Physical and chemical properties of the soil relative to soil layer in the collapsing gully |
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表 2 液塑限分析土样的颗粒分布 Table 2 Particle size distribution of the soil samples for liquid and plastic limit test |
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表 3 试验土样黏土矿物的半定量分析 Table 3 Semi-quantitative analysis of clay compositions in the tested soil relative to soil layer |
采用容量法进行吸附结合水测量[24]：取红土层、砂土层和碎屑层土样（< 0.5 mm）各8.00 g，烘干后缓缓注入装有溶液的250 mL特制容量瓶中，记录凹液面刻度；放入温度恒定（15、25、40和60℃）的培养箱，保持在设定温度下24 h，待容量瓶凹液面刻度不变时结束试验并记录相应刻度。根据式（3）计算吸附结合水量。
1.3 数据分析土壤塑性指数（IP，%）的计算：
| $ I_{\mathrm{P}}=w_{\mathrm{L}}-w_{\mathrm{P}} $ | (1) |
式中，wL为土壤液限，%；wP为土壤塑限，%。
土壤分形维数（D）的计算[25]：
| $ D = 3 - \lg \left[ {\frac{{{w_{\left( {d < {{\bar d}_i}} \right)}}}}{{{w_0}}}} \right]/\lg \frac{{{{\bar d}_i}}}{{{{\bar d}_{\max }}}} $ | (2) |
式中，di为粒径i的平均直径，mm；dmax为平均直径最大的粒径，mm；w(d < di) 为粒径小于di的土壤颗粒总质量，g；w0为土壤总质量，g。
土壤结合水含量的计算：
| $ \omega=\frac{\Delta V\left(\rho_{e} \rho_{T}\right)}{m_{S}\left(\rho_{e}-\rho_{T}\right)} $ | (3) |
式中，ρe为吸附结合水平均密度，试验中取值1.3 g·cm–3；ρT为温度T时自由水密度，g·cm–3，按表 4取值；∆V为自由水转化为结合水时水体积变化量，cm3；mS为土壤质量，g。
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表 4 试验温度下水的密度 Table 4 Water density under the experimental temperature |
采用Excel 2010软件进行数据整理与绘图，采用SPSS 18.0软件进行单因素方差分析和相关性分析，不同处理间的多重比较采用Duncan方法，显著性水平为P < 0.05，相关性分析采用Pearson双侧检验。
2 结果 2.1 不同土层液塑限特征25℃条件下，三个土层土壤的液塑限差异显著（图 2）。整体上，红土层土壤液限、塑限和塑性指数显著高于砂土层和碎屑层，碎屑层土壤的液塑限最小。根据《土的工程分类标准》（GB/T 50145-2007），红土层土壤属于高液限粉土，砂土层土壤属于低液限粉土，碎屑层土壤属于粉土质砂。红土层的液限显著高于饱和含水量，碎屑层的液限则接近饱和含水量。说明在相同含水量变化范围内，水分对红土层土体状态的影响较小，当遇到降雨冲刷时，红土层土体状态不易转变为流动状态；相反，水分变化对碎屑层土体的状态影响很大，一旦遇到长时间降雨，土体含水量很容易达到液限，从固体状态转变为流动状态，非常容易发生崩塌。
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图 2 崩壁三个土层土壤的液塑限差异 Fig. 2 Differences in liquid and plastic limits between the three soil layers in the collapsing gully wall |
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图 3 土壤液塑限与基本理化性质的关系 Fig. 3 Relationship of soil liquid and plastic limits with physical and chemical properties |
崩岗土壤的液塑限与其基本理化性质的相关性分析表明（表 5），花岗岩风化土壤的液塑限与粗粉粒、细砂粒和粗砂粒的含量呈负相关，与分形维数、pH、细黏粒、粗黏粒、细粉粒、中粉粒、有机质、游离氧化铁的含量呈正相关。由于本研究数据较少，与土壤液塑限相关性达到显著水平（P < 0.05）的土壤性质只有细黏粒、粗粉粒、有机质和游离氧化铁含量。对土壤液塑限与细黏粒、粗粉粒、有机质和游离氧化铁含量进行曲线拟合，可以发现土壤液塑限与细黏粒、粗粉粒、有机质和游离氧化铁含量呈线性关系，决定系数均高于0.95。
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表 5 土壤液塑限与基本理化性质的相关性 Table 5 Correlation analysis of soil liquid limits with basic physical and chemical properties |
图 4表明，红土层土壤的塑限首先随温度升高而下降，当温度从40℃升高至60℃时，土壤塑限从36.66%增加至39.58%。碎屑层土壤塑限随温度变化的规律与红土层相似，也是先减小后增加，在40℃条件下表现出最小值，较15℃和60℃条件下分别降低12.25%和10.32%。温度升高，砂土层土壤的塑限有降低的趋势，当温度从15℃升高至60℃时，土壤塑限降低了9.07%。
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图 4 不同温度下崩岗土壤塑限的差异 Fig. 4 Effects of temperature on soil plastic limit in the collapsing gully wall |
图 5表明，红土层土壤的液限与温度的变化关系与塑限变化规律相似，均是先降低后增加，在40℃条件下表现出最小值，较60℃条件下降低了4.14%。砂土层土壤液限随温度的变化关系与红土层相似，40℃下土壤液限较15℃下降低了6.98%。碎屑层土壤液限随温度的升高逐渐降低，温度从25℃升高至60℃时，液限降低了6.44%。
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图 5 不同温度下崩岗土壤液限的差异 Fig. 5 Effects of temperature on soil liquid limit in the collapsing gully wall |
由图 6可知，低温（< 25℃）条件下，红土层的结合水含量显著高于砂土层和碎屑层，砂土层和碎屑层的结合水含量差异不大。整体上，低温区的土壤结合水含量高于高温区。温度对红土层土壤的结合水含量的影响最为显著，温度大于25℃下，红土层结合水含量显著降低。温度从15℃升高至40℃，砂土层和碎屑层的土壤结合水含量有降低的趋势，40℃后又会出现小幅度升高，但整体变化并不显著。不同温度下崩壁土壤结合水的变化规律与液塑限的变化规律相似，说明温度改变土壤吸附结合水的含量有可能引起崩壁土壤液塑限的变化。
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图 6 不同温度下崩岗土壤结合水含量的差异 Fig. 6 Effects of temperature on soil bound water content in the collapsing gully wall |
崩壁三个土层土壤液塑限的大小顺序为：红土层大于砂土层大于碎屑层，这与Deng等[13]研究结果相一致。崩岗土壤的液塑限与细黏粒含量、游离氧化铁和有机质含量呈线性正相关，与粗粉粒含量呈线性负相关。通常情况下，土壤中的黏粒含量、亲水矿物和有机质的含量是影响土壤界限含水率大小的主要因素[14]。黏粒作为土粒中最细的部分，其比表面积很大，具有很强的吸附能力，巨大的吸附作用形成较厚的吸附水膜，进而影响土壤的液塑限特性[20, 26]。土壤中的有机质组分比表面积巨大，表现很强的胶体特性，对水的吸附能力很强，会使界限含水率增加[27]。此外，有机质含量的增加，使土壤颗粒间的胶结作用加强、土壤的强度增加[28]。因此，红土层土壤的液塑限显著大于砂土层和碎屑层的原因也与红土层有机质含量较高有关。但是，在花岗岩风化红壤中，游离氧化铁也会显著影响液塑限的大小。游离氧化铁是红壤中重要的胶结物质，氧化铁含量越高，土壤的结构稳定性越好，因此会增加土壤的液塑限[29-30]。本研究中，红土层土壤黏粒、游离氧化铁和有机质均显著高于砂土层和碎屑层，所以红土层的液塑限最高。砂土层和碎屑层的液限接近土壤的饱和含水量，在降雨较多的季节，一旦水分渗透红土层而进入砂土层或者碎屑层，或者雨水沿着崩壁壁面进入砂土层或者碎屑层，可能会造成砂土层和碎屑层水分达到液限，引起崩壁底部强度变弱，导致整体稳定性降低。
3.2 温度对崩壁不同土层土壤吸附结合水含量的影响崩壁三个土层土壤的结合水含量均较低，特别是砂土层和碎屑层土壤。一方面，本研究区土壤中的黏土矿物以高岭石为主（表 3），高岭石的亲水性相对较弱[20]；另一方面，砂土层和碎屑层土壤的黏粒含量低（表 1）。因此，崩壁三个土层土壤结合水含量均较小。土壤中的有机质也会影响土壤对水分子的吸附作用。当有机质含量低于10%时，其吸水作用占主导作用[27]。由于红土层土壤的黏粒和有机质含量显著高于砂土层和碎屑层。因此，常温下红土层土壤的结合水含量显著高于砂土层和碎屑层。本研究发现温度从15℃升至40℃时，崩壁红土层土壤吸附结合水含量显著降低，砂土层和碎屑层土壤的结合水含量也有降低的趋势。通常情况下，温度升高时，吸附结合水中的水分子摆脱黏土矿物表面的吸引力，由吸附结合水变为弱结合水和自由水，导致吸附结合水量减少[31]。但是，部分学者认为土壤胶体双电层厚度与结合水含量呈正相关，土壤结合水含量随温度的升高而增加[32]。根据van Olphen[33]提出的土壤胶体双电层厚度的理论计算公式，双电层的厚度与温度呈正相关。但是，温度本身也会影响土壤溶液的介电常数，温度越高介电常数越低，也会导致双电层厚度降低。一般认为0~60℃温度和介电常数变化的总效应对双电层厚度的影响较小[32]。这与本研究中观察到砂土层和碎屑层土壤的结合水含量在不同温度下无显著变化的结果相一致。
3.3 温度对崩壁不同土层土壤液塑限的影响温度对各土层土壤的液塑限均有影响，温度低于40℃时，随着温度的升高，三个土层土壤的液塑限均呈现降低的趋势。在60℃条件下，红土层土壤的液塑限和碎屑层土壤的塑限显著增大，说明崩岗区土壤的液塑限随温度的变化规律并不是连续的。黏土矿物的组成显著影响其液塑限与温度的关系。高触变膨润土的液塑限通常随温度的升高而增加，而以高岭石为主的土壤，其液塑限随温度的变化并不具有一致性[14]。本研究的崩岗位于红壤丘陵区，黏土矿物组成以高岭石为主（表 3），因此崩岗区土壤的液塑限随温度的变化规律比较复杂。宏观上土壤的液塑限是由其微观土水关系决定的，土壤的液塑限与土壤吸附结合水含量呈正相关关系[20]。本研究发现温度从15℃升至40℃时，崩岗红土层、砂土层和碎屑层土壤的结合水含量均降低。此外，土壤液塑限的大小还与土壤孔隙水的性质有关[14, 34]。温度升高，孔隙水的黏滞系数降低，也会导致液塑限降低。因此，温度从15℃升至40℃时，崩岗三个土层土壤的液塑限均显著降低。但是在60℃条件下，土壤矿物可能会发生不同程度的膨胀，导致土壤颗粒之间空隙变小，结构更加紧实，土壤强度增加，由固态转化为塑态和流动状态的含水量增加[35]。另有研究表明，温度升高还会导致土壤颗粒的凝聚或者结构重排，以及土壤有机质活化能增大、吸附能力增强，这些均会增加土壤的强度[14, 36]。此外，本研究区土壤为花岗岩发育形成的红壤，盐基离子大量淋失，主要以钾离子为主[37-38]。温度升高时，溶液中钾离子的活度会增加，进而导致弱结合水的厚度增加[39]。所以，60℃条件下红土层土壤的液塑限和碎屑层土壤的塑限有所增大。总体可以看出，温度对土壤液塑限的影响很复杂，土壤液塑限随温度的变化关系由矿物学特性、颗粒组成、孔隙水性质、有机质等多种因素共同决定。
在夏季高温条件下，土壤含水量与表层土壤温度成反比[40]。土壤水分状态高于塑限时，含水量已较高，土壤温度上升有限（远远小于60℃），在此范围内温度升高，将导致崩壁三个土层土壤的液塑限均降低。由于砂土层和碎屑层的土壤比较松散，崩壁的稳定性主要由砂土层和碎屑层的土壤力学状态决定。崩壁三个土层中，碎屑层的液塑限显著低于红土层和砂土层，且碎屑层的液限与饱和含水量接近。温度升高时，碎屑层的土壤液限会进一步降低。因此，在高温多雨的季节，水分和温度的双重因素有可能导致碎屑层的土壤含水量达到液限，碎屑层土壤由可塑态转化为流动态，进而引起崩壁底部失稳崩塌。
4 结论本研究通过测定不同温度下崩岗土壤的液塑限和结合水含量，发现崩岗土壤三个土层液塑限差异显著，红土层土壤的液塑限明显高于砂土层和碎屑层，随着风化程度的增加，土壤的液塑限增加。在一定温度范围内（小于40℃），三个土层的液塑限均随着温度的升高而降低，但是在60℃条件下红土层的液塑限出现增加的现象，土壤结合水含量随温度的变化规律与液塑限相似，温度影响土壤液塑限的原因之一是土壤结合水含量的变化。在崩岗发生地区，碎屑层的土壤液限较低，且接近于饱和含水量，在夏季高温多雨的情况下更容易发生流动变形，导致崩壁崩塌。未来可以进一步在野外条件研究自然状态下崩壁土壤水-热动态对土体力学状态的影响。
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