崩岗是指山坡土体受水力、重力共同作用出现崩塌侵蚀而导致岩土稳定性下降的现象，主要发生在我国南方花岗岩地区，是造成生态环境恶化的重要原因，常被形象地称为“生态溃疡”^[1-2]。根据2005年水利部的崩岗调查结果可知，我国南方崩岗集中分布在湖北、湖南、江西、安徽、福建、广东、广西等7省，其中崩塌面积在60 m²以上的崩岗有23.91万个，崩塌总面积达到1 220 km²，防治总面积在2 436 km^{2 [3-5]}。崩岗侵蚀造成表土流失，导致土壤贫瘠，严重毁坏土地资源，危害当地民众生产生活。花岗岩崩岗的原生节理与风化壳中次生裂缝、松散的土壤结构以及降雨造成的水力侵蚀可归为崩岗的三大成因^[6-8]。土壤抗剪强度是指土体抵抗剪切破坏的最大能力，是表征土体力学的一个重要指标，也是水力侵蚀中基于过程的土壤侵蚀模型的重要参数，当土体剪应力大于土体自身抗剪强度时，土体将被剪切破坏，土体稳定性也因此降低^[9-12]。

近年来相关研究者在土壤抗剪强度变化规律及其影响因素方面做了大量研究，主要集中于不同剪切速率、含水量、土壤碱度等条件下的抗剪强度变化^[13-16]。陈红星等^[14]研究了土壤含水率与土壤抗剪强度参数之间的关系，结果表明，土壤黏聚力随着土壤含水率增加呈现出先增后减的趋势，内摩擦角则一直呈现降低趋势，说明含水率是影响抗剪强度指标的重要参数。但Singh和Thompson^[17]发现，多草的排水沟壤土和农田壤土的抗剪强度随含水量的增加而增加。陈晓安^[18]和冯舒悦等^[19]对南方红壤区的崩岗土壤进行研究，发现相同条件下，抗剪强度随土壤中细颗粒含量的上升而增大，其中根系密度、砾石含量、粉粒含量以及黏粒含量是影响抗剪强度的主要因素。Zhang等^[20]以华北东部风蚀区未饱和、未扰动表土为研究对象，发现砾石含量、有机物、碳酸钙和土壤容重均与表土抗剪强度密切相关。此外，陈旭等^[21]和李建兴等^[22]通过分析不同植被类型对土壤抗剪强度的影响，发现乔灌混载林的土壤抗剪强度最高，农田土壤抗剪强度较乔灌混载林降低了31.6%，香根草、百喜草、狗牙根、紫花苜蓿对黏聚力和内摩擦角均有显著增强作用，且对后者的增强作用大于前者。

崩岗治理后，植被对土壤理化性质的影响还需进一步研究。因此，本文以江西赣县金钩形小流域不同植被类型崩岗土壤为研究对象，通过土壤抗剪强度参数呈现出的规律性变化，及恢复过程中土壤基本理化性质对抗剪强度的影响，以期进一步了解崩岗的恢复情况。

1 材料与方法 1.1 研究区概况

研究区位于江西省赣县北部金钩形小流域，介于26°10′—26°13′N，115°9′—115°12′E，属亚热带丘陵山区季风湿润气候区，年均气温19.3℃，年平均降雨量1 076 mm。该地崩岗的成土母质以花岗岩类风化物为主，花岗岩风化壳厚，含沙量大，土壤颗粒较粗，由此形成的土壤结构松散、透水性强等，极易产生崩岗侵蚀。赣南山地丘陵属强度侵蚀区，主要以崩岗侵蚀为主，而金钩形小流域崩岗侵蚀面积达95.8 hm²，分布广，侵蚀类型丰富，单个崩岗年土壤流失量可达到1.2万吨，是一个崩岗发育明显、侵蚀较大的典型区域^[5]。流域内植被物种以马尾松纯林为主，辅以针阔混交林、针叶林和荒山灌草等其他植被类型。对其进行研究，能够进一步了解崩岗的恢复情况，可为不同地区崩岗侵蚀的生态环境恢复工作提供一定的参考。

1.2 样点布设与样品采集

前期调查研究将金钩形流域内崩岗分为三种不同治理模式（生态防护型、产业经济型、修复完善型）^[8]。本试验在此基础上，选取流域内生态防护型治理模式的崩岗，该治理模式为发育初期，崩口较小的崩岗，主要通过拦截坡面径流，通过人工种植农作物和结合林草措施，达到生态环境保护和经济发展兼顾的目的。选取的7个崩岗代表该地区所有种植的植被类型，海拔高度相似，并且均在保持原地貌的基础上，实施相同的治理措施：3个崩岗治理后柑橘地（RA）；2个灌木地（RS）；1个草地（AG2），1个林地（NF30）和一个崩岗侵蚀区（EA）作为参考（表 1、图 1）。于2018年7月以坡面为单位，采集每个崩岗（坡上、坡中和坡下）的表层（5~10 cm）土壤样品，按照“S”路线，能够较好地克服耕作、施肥等所造成的误差，每个部位采集3~4个样点，3个100 cm³普通环刀和12个直剪环刀样（Ф 61.8 mm× 20.0 mm），同时采集1~2 kg左右散土样装入自封袋带回实验室，土壤基本性质采用常规方法测定^[23-24]。

1.3 试验方法与数据处理

土壤抗剪强度采用ZJ型应变控制式四联直剪仪测定，在不同剪切垂直压力（50、100、150、200 kPa）下进行直剪试验，试验前将环刀放在吸水石（79.8×10 mm）上，加水泡24 h至完全饱和。剪切速率为0.8 mm·min^–1，量力环系数C为154.1 kPa·mm^–1，施加剪切力进行不排水快剪，每组进行3次重复实验，采用Mohr-Coulomb强度理论，准确测定土壤抗剪强度。Mohr-Coulomb公式如下：

$S = C + P\tan \varphi$

(1)

式中，S为土壤抗剪强度（kPa）；C为黏聚力（kPa）；P为垂直压力（kPa）；φ为内摩擦角（º）。

采用决定系数（R²）、均方根误差（RMSE）来衡量拟合函数的有效性。试验数据采用Excel 2019、Canoco 5.02、Origin 2021和SPSS 21.0进行数据统计分析和处理。

2 结果 2.1 不同植被类型各部位土壤基本性质的变化特征

崩岗不同植被类型下土壤采样点的基本性质如表 2所示。土壤机械组成中粉粒含量居多，范围介于38.01%~81.69%，黏粒含量和砂粒含量较低，土壤质地主要属于粉砂质黏土和粉砂质壤土。其中，草地（AG2）土壤的黏粒含量则显著低于其他植被土壤，主要是因为该区域崩岗处于初始治理阶段，人工松动土壤、种植草坪对土体扰动较大，致使前两年的土壤质量恢复较慢，土壤黏粒含量也较低。土壤容重变化范围介于1.19~1.46 g·cm^–3，灌木地（RS3）土壤容重在坡下部位最大达1.46 g·cm^–3。pH的变化范围为4.01~5.56，呈中-强酸性。土壤饱和导水率的变化范围为0.014~0.123 cm·min^–1，与侵蚀区相比，林地、柑橘地和灌木地的土壤饱和导水率均较高，其中林地的土壤饱和导水率值最高为0.123 cm·min^–1。灌木地（RS9、RS3）的有机质含量明显高于柑橘地（RA10、RA8），说明在一定时间内灌木地恢复积累有机质的效果优于柑橘地，并且见效更快。除RS9和RS3之外，土壤饱和导水率随着部位的降低，呈现出先减少后增加的趋势，且柑橘地的入渗能力优于灌木地^[25-26]。不同植被类型的毛管孔隙度随地势降低而整体呈显著上升趋势，黏粒、粉粒等细颗粒物质占比也呈升高趋势，汇聚于下坡。在崩岗治理恢复过程中，柑橘地（RA13）土壤性质恢复较好，植被覆盖率明显提高，土壤有机质含量也得到逐渐恢复，从而推进土壤质量的提高。

2.2 不同植被类型各部位抗剪强度分布特征

土壤抗剪强度是表征土壤抗侵蚀力的重要指标，被广泛应用于土壤侵蚀研究中，其大小受黏聚力、内摩擦角及法向应力3个因素的影响。如图 2所示，林地坡下土壤黏聚力最高，达到14.28 kPa，整体黏聚力大小表现为林地 > 柑橘地 > 灌木地 > 侵蚀区 > 草地。柑橘地崩岗的土壤各部位黏聚力显著大于灌木地的崩岗土壤黏聚力，可能是因为柑橘地种植时间较长，根系缠绕固结程度较深，随着生态恢复和土壤养分含量逐渐上升，崩岗土体形成稳定的土壤结构形式，增强了土壤颗粒的聚合能力。其中，柑橘地（RA13）的黏聚力为灌木地（RS9）的1.15倍~1.90倍，并表现为坡下 > 坡上 > 坡中，草地（AG2）的土壤黏聚力最低。。不同植被类型下崩岗土壤的内摩擦角随恢复时间的增长出现缓慢下降趋势，即随着恢复时间的增长，孔隙度增加、容重减小，土壤紧密程度下降，颗粒间摩擦相对减弱，内摩擦角随之降低。柑橘地较灌木地土壤抗剪强度提高较快，陈旭等^[21]研究表明，灌木林 > 草地 > 乔木地，这与本研究结果不一致。可能是因为南北地区土壤性质差异的影响，乔木地的容重大于草地和灌木，辽西沙化地区受风蚀影响，土壤沙化严重。

不同空间部位的抗剪强度参数见表 3，土壤黏聚力变化范围介于2.78~14.28 kPa之间，变异系数介于44.59%~62.91%，属于中等变异。内摩擦角的值在34.04°~49.75°之间，变异系数介于4.33%~6.14%，内摩擦角均表现为上坡最大，随地势降低呈缓慢下降的趋势，这是由于土壤的饱和含水量较大，土壤中被水软化的胶结物质在颗粒间发挥了润滑作用，土壤中的细颗粒物质随水流冲刷沉降在坡脚，导致坡下土壤的颗粒间摩擦减弱，进而降低了内摩擦角。其中，中坡的抗剪强度最低，与其他空间部位存在显著差异，原因是坡地位置差异导致土壤的基本理化性质产生区别，中坡植被覆盖度较低，农业实施时，受人为扰动较大。

2.3 不同植被类型崩岗抗剪强度的影响因素

土壤抗剪强度主要受内摩擦角和黏聚力的影响，而这些因素与土壤的理化性质存在紧密联系。根据崩岗治理后的周围环境条件，本文采用约束性排序方法分析不同植被类型土壤基本性质与黏聚力和内摩擦角之间的关系。RDA排序结果显示了黏聚力与内摩擦角和土壤基本性质之间的相关关系：箭头长短，表示两者之间相关性的大小。由图 3可知，土壤黏聚力与有机质、土壤饱和导水率和毛管孔隙度呈显著正相关（P < 0.01），其次是容重和砂粒含量，与持水量相关性最小，土壤黏聚力含量表现为，NF30 > RA13 > RA10 > RS9 > RA8 > RS3 > AG 2 > EA，土壤有机质通过胶结作用使土壤结构更加稳定；土壤内摩擦角与粉粒含量、土壤容重呈显著正相关（P < 0.01），与土壤黏粒、饱和导水率和毛管孔隙呈显著负相关，受植被类型变化影响较大。RDA分析表明，第一、第二排序轴特征值之和占全部排序轴特征值总和的99.93%、99.11%，反映了排序的绝大部分信息，能够用来反映土壤基本性质之间的关系。张晓明等^[27]研究表明，干密度、团聚体干筛MWD值是影响土壤抗剪强度的主要因素，对于灌木林和混交林而言，总孔隙度影响最大，可能是由于植物的根系作用，通过影响土壤内摩擦角大小来影响土壤抗剪强度。也有研究表明，容重是土壤的物质组成，容重越大土壤结构就越密实，进而影响土壤中孔隙的分布，是影响土壤抗剪强度的主要因素^[28-30]，而本文是在测定多种基本性质的前提下，利用数理统计方法选取贡献度最大的因素。其中，土壤容重与土壤饱和导水率呈显著负相关，可以通过影响饱和导水率来间接影响土壤抗剪强度。

将上述参数与两个抗剪强度指标分别进行逐步回归分析，根据结果选定了总孔隙度、毛管孔隙、黏粒含量和饱和导水率作为最适参数指标与土壤抗剪强度参数进行拟合。用上述四个参数来描述抗剪强度变化特征，并对它们进行拟合，分别呈现出如图 4的幂函数和线性函数关系。发现饱和导水率和黏聚力之间存在较优的幂函数关系（R²=0.88），黏粒含量、毛管孔隙和内摩擦角之间也存在较优的幂函数关系（R² > 0.51），而总孔隙度和黏聚力则存在较优的线性相关关系（R²=0.55）。

2.4 土壤抗剪强度影响因子的拟合

通过土壤基本理化性质来定量分析抗剪强度指标，采用拟合结果较优的黏粒含量与毛管孔隙为自变量，构造以黏聚力和内摩擦角为因变量的多元回归模型：采用决定系数（R²）、均方根误差（RMSE）对拟合方程的有效性进行评价，其中R²为0.74，RMSE为0.97，拟合结果较好。综合试验结果可知，土壤黏粒是影响土壤内摩擦角的主要因素，其次为毛管孔隙，相同条件下土壤细颗粒含量越大，土壤间黏结性越强，土壤抗剪强度越大^[31-32]。土壤中孔隙大小分布直接影响土壤中的水分状况以及养分的转化，水分影响土壤黏结作用，进而影响农作物的生长状况^[19]。土壤入渗率越高，降雨时水分易入渗到深层土壤，随着土体饱和度的逐渐增大，表面张力的逐渐消失，从而减小土粒间摩擦作用，导致黏聚力也进一步降低^[27]。

$\begin{aligned} &\quad\quad S=0.06 \mathrm{Ks}^{1.59} \mathrm{TP}^{0.63}+P \tan \left(-8.54 \mathrm{Clay}^{-1.08} \mathrm{CP}^{-1.06}\right) \\ &+44.54 \end{aligned}$

式中，P表示垂直压力，Ks表示土壤饱和导水率，TP表示土壤总孔隙度，Clay表示土壤黏粒含量，CP表示毛管孔隙。结果表明，土壤基本性质对于抗剪强度有较好的预测能力（R²=0.89，P < 0.01），黏粒含量对提高土壤稳定性具有重要作用，土壤中细颗粒增多，使得土体密度增加，整体结构性能提升。其中，土壤饱和导水率与毛管孔隙、黏粒含量呈负相关关系。崩岗黏粒含量低，土质松散、水稳性差，进而影响土壤饱和导水率和孔隙大小，导致其在降雨作用下极易发生侵蚀。

通过测量饱和状态下不同恢复年限崩岗的土壤抗剪强度，基于土壤基本性质，建立崩岗土壤侵蚀预报模型。预测值与实测值具有良好的重叠度（R²=0.80，P < 0.01，RMSE=5.95），表明构建的抗剪强度预测方程可信度较高，预测效果较好。

3 结论

崩岗系统内土壤粉粒含量高，持水能力弱，土壤养分低。从空间角度看，随地势降低，毛管孔隙度总体呈升高趋势，黏粒、粉粒等细颗粒物质占比也不断上升，汇聚于下坡。土壤养分含量上升，保水保肥能力提高。此外，土壤黏聚力随地势降低而升高，内摩擦角则随恢复时间的增长出现缓慢下降趋势，并且柑橘地的土壤抗剪能力优于灌木地。总孔隙、毛管孔隙、黏粒含量和饱和导水率构建的多元回归模型，能够在不通过抗剪切实验基础上，仅利用土壤基本性质，有效、方便地预测崩岗的土壤抗剪强度。但缺少对植物根系的研究，对于土壤性质的差异存在一定的不确定性。因此，在后期试验中需要对植被根系特征进行更为深入的研究，以及对0~20 cm范围内不同土层的原状土进行样本分析，以期为南方崩岗侵蚀区治理恢复技术提供更有效的参考。