李 強(qiáng)，張 正，孫 會(huì)，徐偉洲

（1.榆林學(xué)院，陜西 榆林719000；2.西北農(nóng)林科技大學(xué) 水土保持研究所，陜西 楊凌712100）

土壤崩解，土工上稱之為濕化，是指土壤在靜水中發(fā)生分散、碎裂解體、塌落或強(qiáng)度減弱的現(xiàn)象［1］。土壤崩解強(qiáng)度一般用土壤崩解速率表示，即單位時(shí)間內(nèi)土壤崩解的體積數(shù)或質(zhì)量數(shù)。土壤崩解速率大，表示土壤在靜水中被分散、碎裂、塌落的越快，即土壤抗沖性小，產(chǎn)生土壤侵蝕的幾率就越高。因此，土壤崩解速率是評(píng)價(jià)土壤侵蝕嚴(yán)重程度的重要指標(biāo)之一［2］。然而，土壤崩解速率的測定和計(jì)算一直是土壤侵蝕研究的薄弱環(huán)節(jié)［3］。20世紀(jì)60年代，朱顯謨用靜水崩解法的結(jié)果，提出土體在靜水中的崩解情況可以作為評(píng)價(jià)土壤可蝕性的重要指標(biāo)［4］。90年代中期，蔣定生等利用浮筒原理，自制了一套測定土壤崩解的簡易儀器，根據(jù)土壤崩解速率大小，將黃土高原分為5個(gè)區(qū)。隨后的土壤崩解研究大都參考這種方法［5－6］，該方法計(jì)算土壤崩解速率公式為：

式中：v——單位時(shí)間內(nèi)所崩解的試樣體積（cm3/min）；l0——試樣浸入水中時(shí)浮筒的起始讀數(shù)，或是浮筒沉降穩(wěn)定時(shí)的最大讀數(shù)；lt——土樣完全崩解時(shí)或第30 min時(shí)浮筒的讀數(shù)；t——土壤完全崩解時(shí)的時(shí)間，未崩解完則為30min；a——體積換算系數(shù)，為1.276。

近些年來，部分學(xué)者將普通電子推拉力計(jì)，結(jié)合自制網(wǎng)架應(yīng)用到土壤崩解速率的測定，并評(píng)價(jià)了黃土丘陵區(qū)不同土地利用類型下的崩解速率狀況，取得了較好的成果［7］。與此同時(shí)，市面上也出現(xiàn)了精密的土壤崩解速率儀。然而，浮筒法因浮筒刻度較粗，測定費(fèi)時(shí)費(fèi)力而應(yīng)用越來越少，精密的土壤崩解速率儀因價(jià)格昂貴在試驗(yàn)研究領(lǐng)域應(yīng)用也較少［8］。普通電子推拉力計(jì)法正是克服了以上的缺點(diǎn)，在土壤崩解速率測定中應(yīng)用越來越多［7］。

普通電子推拉力計(jì)法是利用方形環(huán)刀（5cm×5cm×5cm）取原狀土樣并稱重，然后將數(shù)顯推拉力計(jì)HP－500與電腦連接，運(yùn)行軟件，并將推拉力計(jì)的模式選擇重量。調(diào)試完成后，將已取原狀土樣輕輕放到網(wǎng)板上，而后將網(wǎng)板架懸掛在拉力計(jì)下的固定掛鉤上，隨即將網(wǎng)板架緩緩地放入盛有清水的崩解水缸中，待其穩(wěn)定立即點(diǎn)擊軟件“開始”按鈕，同時(shí)用秒表開始記時(shí)。

一次土壤崩解試驗(yàn)時(shí)間為30min，若不到30 min土樣已全部崩解，則應(yīng)記錄下全部崩解時(shí)推拉力計(jì)相應(yīng)的讀數(shù)和時(shí)間。其計(jì)算公式為：

式中：v——崩解速率（g/min）；Δt——崩解時(shí)間，Δt＝t1－t2（min）。

假設(shè)待試土壤為一均質(zhì)土塊，土壤容重為ρs，在靜水中崩解時(shí)間t后（0＜t≤30min），對(duì)該土塊在靜水中的受力分析可知：

式中：ft——t時(shí)刻推拉力計(jì)顯示讀數(shù)，即合力（N）；Gt——t時(shí)刻土塊所受的重力；Ft——t時(shí)刻土塊所受的浮力。

由公式（2）可得：

式中：Gt1，Gt2，F(xiàn)t1，F(xiàn)t2——t1，t2時(shí)刻土塊所受重力、浮力。

通過以上公式可以發(fā)現(xiàn)，按照定義，土壤崩解速率的真實(shí)值應(yīng)是公式（4）展開式中的第一項(xiàng)，而拉力計(jì)法在土壤崩解速率的計(jì)算中忽略了浮力的動(dòng)態(tài)變化，即公式（4）展開式的第二項(xiàng)，這在一定程度上會(huì)影響土壤崩解速率的計(jì)算精度?；诖耍疚慕柚又奁赂赝寥罉悠?，通過土塊在崩解過程中的受力分析，對(duì)比了忽略和考慮浮力的土壤崩解速率，期望獲得更為準(zhǔn)確的土壤崩解速率算法。

1 材料與方法

1.1 供試土壤及測定

供試土壤來自子洲縣坡耕地，共計(jì)20個(gè)樣點(diǎn)。土壤基本特征見表1。土壤容重采用環(huán)刀法［9］，土壤密度采用國際通用土壤密度2.65g/cm3。土壤孔隙度（P）是由土壤容重和土壤密度推導(dǎo)獲得。其計(jì)算公式為：

土壤有機(jī)質(zhì)測定采用重鉻酸鉀容量法［10］。另外，每個(gè)樣點(diǎn)利用方形環(huán)刀（5cm×5cm×5cm）取原狀土樣并稱重，分別用拉力計(jì)法和修正的拉力計(jì)算方法測定并計(jì)算處土壤崩解速率。其中，浮筒法數(shù)據(jù)是經(jīng)過土壤容重轉(zhuǎn)化獲得的。

1.2 公式推導(dǎo)

土塊在水中的受力分析可得公式（3）：

在崩解的過程中，土塊由于分散、碎裂、塌落，體積不斷減小，因此，所受的浮力和重力都是變量，但二者在變化過程中仍存在恒定的比例關(guān)系：

由公式（6）與公式（7）可得：

式中：vt——t時(shí)刻土塊體積（cm3）；ρw——水的密度；ρs（1＋β）——對(duì)于某一特定均勻土壤，表示一個(gè)常數(shù)；β——土壤飽和含水量。

由公式（3）和公式（8）可知：

式中：Mt——t時(shí)刻土塊質(zhì)量（g）；

設(shè)土壤崩解速率的真實(shí)值為v0：

式中：mt1，mt1——t1，t2時(shí)刻土塊質(zhì)量

由公式（9），（10）可得：

故拉力計(jì)法計(jì)算土壤崩解速率的公式（2）乘以校正系數(shù)k才是真正的土壤崩解速率。

表1 供試土壤的基本特征

1.3 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)分析采用 Excel 2003和 SPSS 15.0統(tǒng)計(jì)軟件，差異顯著性檢驗(yàn)采用配對(duì)t檢驗(yàn)（p＜0.05，雙尾）。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤崩解過程

圖1是20個(gè)樣本土壤崩解速率的動(dòng)態(tài)過程。每6秒一次讀數(shù)，共計(jì)10分鐘。可以看出，用拉力計(jì)方法測定土壤崩解速率過程中土壤樣品在放入水中前110s呈先吸水膨脹，拉力計(jì)度數(shù)迅速增加，而后土壤開始崩解，拉力計(jì)度數(shù)逐步減小，并趨于穩(wěn)定。這一結(jié)果說明土壤自身含水量對(duì)土壤崩解過程有重要的影響。類似的研究結(jié)果表明，含水率大的土樣，愈接近飽和密度，土樣越容易崩解［11］。然而對(duì)粘性土而言，當(dāng)土壤含水量增大到22%時(shí)，基本無崩解性［12］，這可能與不同土壤的滲透性、吸水量和吸水速度差異有關(guān)［13－14］。因此，在不同處理之間進(jìn)行土壤崩解速率比較時(shí)要先自下而上浸潤土壤，直至土壤達(dá)到飽和后方可進(jìn)行崩解試驗(yàn)。

圖1 土壤崩解過程

2.2 不同方法計(jì)算土壤崩解速率

表2是拉力計(jì)法和修正的拉力計(jì)法計(jì)算了待測20組土壤崩解速率。由表可以看出，修正的拉力計(jì)算法比原先算法高出2.16～2.76倍。然而，當(dāng)土壤崩解速率轉(zhuǎn)化成浮筒法后，與該區(qū)20世紀(jì)90年代農(nóng)地土壤崩解速率相比（表3），修正的拉力計(jì)算法所得的土壤崩解速率更接近于已有數(shù)據(jù)，其變異性較未改進(jìn)前有所減小。同時(shí)，這一結(jié)果一定程度上可以說明該區(qū)農(nóng)地土壤與90年代相比，其結(jié)構(gòu)趨于穩(wěn)定，發(fā)生水土流失的幾率變?。?5］。可見，修正的拉力計(jì)算法所得的土壤崩解速率可能更接近于真實(shí)值。然而，雖然黃綿土質(zhì)地較為均一，但本文在受力分析中假定待測土壤為一理想均質(zhì)土塊，這在一定程度上會(huì)帶來計(jì)算結(jié)果的誤差。因此，本研究結(jié)果還需要在不同土壤類型和土地利用類型上進(jìn)行驗(yàn)證。

表2 不同方法計(jì)算的土壤崩解速率

表3 黃土丘陵區(qū)農(nóng)地表層（0－5cm）土壤崩解速率［1］

2.3 兩種算法在不同容重上的土壤崩解速率

黃土丘陵區(qū)以黃綿土為主要土壤類型。農(nóng)地黃綿土土壤容重處于1.10～1.35g/cm3。因此，為了驗(yàn)證拉力計(jì)法和修正的拉力算法所得的土壤崩解速率在不同土壤容重上的差異，本文將待測的20組土壤樣品按照容重小于1.15g/cm3和大于1.20g/cm3進(jìn)行分類，各自均有8個(gè)重復(fù)。將傳統(tǒng)拉力計(jì)算法和修正的拉力算法所得到的土壤崩解速率數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)配對(duì)t檢驗(yàn)。由表4可以看出兩種梯度的土壤容重按照傳統(tǒng)的拉力計(jì)算法和修正的拉力算法所得到的土壤崩解速率均達(dá)到極顯著差異。因此，在以后利用拉力計(jì)計(jì)算土壤崩解速率時(shí)需要考慮浮力動(dòng)態(tài)變化，即乘以修正系數(shù)k。

表4 不同容重土壤崩解速率

3 結(jié) 論

本文借助子洲坡耕地土壤樣品，通過土塊在水中的受力分析，對(duì)比了傳統(tǒng)拉力計(jì)算法和修正的拉力計(jì)算法計(jì)算的土壤崩解速率，期望獲得更為準(zhǔn)確的土壤崩解速率算法。結(jié)果表明，拉力計(jì)方法測定土壤崩解速率中土壤自身含水量對(duì)崩解過程有重要的影響。修正的拉力計(jì)算法所得的土壤崩解速率更接近于已有報(bào)道，其變異性較未修正前有所減小。不同土壤容重計(jì)算土壤崩解速率均需要考慮浮力動(dòng)態(tài)變化，即乘以校正系數(shù)k。另外，本文選取的黃綿土因顆粒較細(xì)、質(zhì)地均一，結(jié)果規(guī)律性較為理想，在我國土石山區(qū)或紅壤區(qū)（質(zhì)地粘重）該方法的實(shí)用性需要進(jìn)一步研究。因此，本文認(rèn)為，在以后黃土高原的土壤崩解速率測定和計(jì)算中應(yīng)按以下步驟：（1）利用方形環(huán)刀在野外取原狀土樣并用塑料薄膜密封；（2）將土樣帶回實(shí)驗(yàn)室稱重，下面墊上濾紙，用淺層水盤自下而上浸潤土壤，直至土壤飽和；（3）將飽和的土樣放置在一鐵架臺(tái)上去除重力水后再次稱重；（4）輕輕移開方形環(huán)刀，將土樣放置在拉力計(jì)的吊盤網(wǎng)板上測定；（5）計(jì)算需乘以校正系數(shù)k。

［1］ 蔣定生，李新華，范興科，等.黃土高原土壤崩解速率變化規(guī)律及影響因素研究［J］.水土保持通報(bào)，1995，15（3）：20－27.

［2］ 鄒翔，張平倉，陳杰.小江流域土壤抗崩性試驗(yàn)研究［J］.水土保持研究，2008，15（1）：244－246.

［3］ 袁勇，高華端，孫泉忠.黔中喀斯特地區(qū)不同地類土壤侵蝕研究［J］.中國水土保持，2010（6）：50－51.

［4］ 朱顯謨，張相麟，雷文進(jìn).涇河流域土壤侵蝕現(xiàn)象及其演變［J］.土壤學(xué)報(bào)，1954，2（4）：209－222.

［5］ 曾光，楊勤科，姚志宏.黃土丘陵溝壑區(qū)不同土地利用類型土壤抗蝕性研究［J］.水土保持通報(bào)，2008，28（1）：6－9.

［6］ 張愛國，李銳，楊勤科，等.水蝕土壤因子野外測試問題討論［J］.人民黃河，2002，24（2）：28－29.

［7］ 楊曉芬，吳發(fā)啟.坡耕地玉米作物根系對(duì)土壤侵蝕的影響研究［J］.西北農(nóng)林科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2012（2）：13－17.

［8］ 李家春，崔世富，田偉平.公路邊坡降雨侵蝕特征及土的崩解試驗(yàn)［J］.長安大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，27（1）：23－26.

［9］ 周雪青，李洪文，何進(jìn)，等.土壤容重測定用分段式原狀取土器的設(shè)計(jì)［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2008，24（8）：127－130.

［10］ Nelson D W，Sommers L E.Total carbon，organic carbon，and organic matter［J］.Methods of Soil Analysis，1982：539－579.

［11］ 譚饉益.廣西覆蓋型巖溶區(qū)土層崩解機(jī)理研究［J］.工程地質(zhì)學(xué)報(bào).2001（3）：272－276.

［12］ 李家春，田偉平.工程壓實(shí)黃土崩解試驗(yàn)研究［J］.重慶交通學(xué)院學(xué)報(bào)，2005，24（5）：74－77.

［13］ 許明祥，劉國彬，卜崇峰等.圓盤入滲儀法測定不同利用方式土壤滲透性試驗(yàn)研究［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2002，18（4）：54－58.

［14］ 閆永利，于健，魏占民，等.土壤特性對(duì)保水劑吸水性能的影響［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2007，23（7）：76－79.

［15］ 李強(qiáng)，劉國彬，許明祥，等.黃土丘陵區(qū)撂荒地土壤抗沖性及相關(guān)理化性質(zhì)［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2013，29（10）：153－159.