何 停, 范 弢, 徐宗恒, 李河辉, 陈培云

(云南省高原地理过程与环境变化重点实验室, 云南师范大学 地理学部, 昆明 650500)

滇东岩溶断陷盆地地区石漠化面积占滇东岩溶区总面积的40.11%[1]，重石漠化地区。其垂直裂隙发育，丰富的降水和水文过程使其下伏基岩受到水化学作用，逐渐形成地下岩溶管道系统，一些紧密闭合的裂隙常被地表土壤或受到流水的侵蚀溶蚀残积物所填充，在重力的作用下通过倾泻、蠕滑或塌陷的土壤被径流沿着地下管道发生垂直迁移，使得土壤漏失成为土壤流失的重要途径，也是造成喀斯特石漠化的主要原因[2-6]。随着土层深度的加深，浅层裂隙土壤黏聚力总体随土层深度不断增大，土壤内摩擦角先增大后减小，土壤抗剪强度减小[7]。土壤抗剪强度是土体力学性质的一个重要指标，土壤抗剪强度大，则在外作用力下，土壤抵抗径流的剪切破坏能力也就增加，从而可以减缓土壤侵蚀及漏失的发生[7-8]，因此研究土壤抗剪强度对减缓土壤漏失有重要意义。

喀斯特石漠化地区，植被破坏、土壤渗漏严重，植物—土壤系统恢复是喀斯特裂隙地区主要的问题[8-9]。随着植被的逐渐恢复，林下表层凋落物返还增多、根系含量日益发育，改善土壤结构，土壤漏失得到减缓[10-14]。此外，植被群落垂直分层有助于水土保持，高大的乔木有助于截留降雨，减缓雨水对土壤的溅蚀和淋溶，乔林下植被对降雨能够形成二次缓冲带，减轻林下土壤侵蚀的发生；同时林下植被的根系增多，能固结土壤，减缓土壤沿裂隙土—石界面发生漏失，从而有助于土壤恢复[15-16]。浅层裂隙具有改良小生境、水分和养分积累的功能，为表层植物的生长提供了生长所需的空间和养分。植被恢复有助于其形成相对较好的“裂隙—土壤—植物”系统，因而植被恢复改善理化性质的正效应在浅层裂隙更能得到突显。

喀斯特断陷盆地是滇东典型的地貌特征，其复杂的地理环境要素和剧烈变化的“盆—山”地形，导致植被立地条件差[17]。云南松是滇东的主要恢复树种，其深根系可以渗透到喀斯特裂隙中，增加根系与土壤的接触面积，扩大水分和养分吸收的来源，改善土壤理化性质[18]，但目前对云南松的研究主要集中在对表层土壤的改善作用，减少降雨对表层土壤的侵蚀程度[18-20]，云南松对浅层裂隙土壤是否具有相同的协同作用以及对土壤抗剪性能的机理尚未清楚。因此，本文选择滇东海峰岩溶断陷盆地坡地区，对比普遍发育的云南松次生林、小铁仔灌丛群落两类典型裂隙来探讨植被恢复对浅层裂隙土壤抗剪性能的影响，以期为滇东岩溶断陷盆地石漠化坡地地区植被恢复改善土壤理化性质，增强土壤抗剪性能，减缓土壤漏失的治理措施提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于云南省曲靖市沾益县西部海峰自然保护区(103°29′—103°39′E，25°35′—25°57′N)，地处滇东高原北部，是岩溶断陷盆地发育最典型的地区之一，裂隙发育，漏失严重。海拔1 783～2 414 m，相对高差631 m，境内东西宽22 km，南北长41 km，总面积27 846 hm2，属于亚热带高原季风气候类型，干湿季分明，全年平均气温13.8～14℃，无霜期256 d，年均日照时数2 098 h，年降水量1 073～1 089.7 mm。该区具有较好的森林植被类型，森林覆盖率75.7%，云南松生林分布广泛(占83.0%以上)，具有完备的云南松群落演替序列，石灰岩灌丛占3.4%。该区以红壤土类为主，约占总面积的85%。

本研究选择裂隙比较发育的云南松(Pinusyunnanensis)次生林、小铁仔灌丛(Myrsineafricanan)两个典型群落(表1)，其两个裂隙属于狭长型裂隙，云南松次生林裂隙露出总体长为330 cm，小铁仔灌丛裂隙长295 cm。小铁仔灌丛浅根系，其根系长约20 cm，云南天然次生林属于深根系植被，枯落物总蓄积量9.93 t/hm2，是小铁仔灌丛的2.15倍，云南松根系多，根系生物量总量为18.91 t/hm2，小铁仔根系少，仅4.06 t/hm2。

表1 样地基本特征

1.2 样品采集与测定

2019年5月，在岩溶盆地海峰湿地的核心区兰石坡海子(103°35′—103°37′E，25°46′—25°48′N)岩溶小流域内建立云南松次生林、小铁仔灌丛两块典型监测样地(20 m×20 m)，根据两个群落裂隙根系的特征以及前期对土壤颗粒特点的认识，用剖面刀修整土壤剖面，每个裂隙以40 cm为一层，自下而上分层采集裂隙土壤样品，共8层(0—280 cm)。将土样装入自封袋中带回实验室，自然风干后，将土样中的植物落叶、残根、砾石、动物残体等挑出，用于机械组成、有机质、抗剪强度的测定。

土壤的机械组成试验步骤按照鲍氏比重计法[21]的要求进行试验，采用国际制土壤颗粒分级标准将土壤颗粒分为黏粒(<0.002 mm)、粉粒(0.05～0.002 mm)、砂粒(2～0.05 mm)。有机质采用重铬酸钾容量法[22]进行检测。

土壤团聚体水稳性采用湿筛方法进行，并将其分为>5，5～2，2～1，1～0.5，0.5～0.25 mm以及<0.25 mm，共6个粒级。测定土壤抗剪强度所用仪器为南京土壤仪器厂ZJ型应变控制式直剪仪，试验操作参照《土工试验方法标准GB/T50123-1999》的标准[7]进行，采用4 r/min的速度以及4个竖向压力(100，200，300，400 kPa)条件下对相同含水率30%的重塑土样进行直接剪切试验。

1.3 数据处理

根据直剪试验得到抗剪强度，利用库伦公式计算相关指标：

t=c+σtanφ

式中：τ为土体抗剪强度；c为黏聚力；σ为作用在剪切面上的法向压力；φ为内摩擦角。使用Excel 2013进行抗剪指标、土壤基本性质的数据处理，SPSS 21.0软件进行数据统计、相关性、差异性分析，Origin 2018进行绘图。

2 结果与分析

2.1 两对比群落浅层裂隙土壤理化性质的变化特征

(1) 土壤颗粒。随着土层深度的加深，土壤砂粒含量都逐渐减少，黏粒含量逐渐增多，粉粒含量时增时减，规律不明显(图1)。云南松次生林裂隙砂粒变化范围在49.36%～58.22%之间，粉粒在16.03%～21.03%之间，黏粒在23.92%～29.61%之间，小铁仔灌丛裂隙砂粒在43.63%～58.70%之间，粉粒在16.36%～25.86%之间，黏粒在24.56%～30.86%之间，表明云南松次生林裂隙砂粒多于小铁仔灌丛裂隙，粉粒和黏粒相反。在0—40 cm土层内(图2a)，两对比群落裂隙土壤机械组成含量差异较小。在40—240 cm土层内(图2b)，随着土层深度的加深，两对比群落裂隙砂粒缓慢都减小，黏粒缓慢都增大，粉粒时增时减，但云南松次生林裂隙砂粒明显多于小铁仔灌丛裂隙，粉砂粒相反，黏粒差异不明显。在240—280 cm土层内(图2c)，随着土层深度的加深，两对比群落裂隙砂粒缓慢减少，粉粒、黏粒缓慢增多，云南松次生林裂隙砂粒多于小铁仔灌丛裂隙，黏粒、粉粒相反。两对比群落裂隙的砂粒、粉粒差异显著(p<0.05)，黏粒差异性不显著(p>0.05)；同一群落裂隙砂粒、黏粒、黏粒之间差异性极显著(p<0.01)(图2d)。

注：不同大写字母表示同一粒级不同群落差异显著(p<0.05)，不同小写字母表示同一群落不同粒级差异显著(p<0.05)。

图1 两对比群落浅层裂隙土壤机械组成的垂直变化

(2) 土壤水稳性团聚体。云南松次生林裂隙水稳性大颗粒团聚体随土层深度加深而减小，水稳性细颗粒增多(图3)。云南松次生林裂隙水稳性团聚体>0.25 mm质量分数在70.37%～85.91%之间，小铁仔灌丛裂隙在55.02%～83.78%之间，云南松次生林裂隙水稳性团聚体<0.25 mm质量分数在14.06%～29.63%之间，小铁仔灌丛裂隙在16.22%～44.98%之间，表明云南松次生林裂隙大颗粒团聚体多于小铁仔灌丛裂隙。

图3 两对比群落浅层裂隙土壤水稳性团聚体垂直变化

在0—40 cm土层内(图4a)，两对比群落裂隙大颗粒团聚体快速减小，小颗粒团聚体快速增大，小铁仔灌丛裂隙大颗粒团聚体多于云南松次生林裂隙。在40—240 cm土层内(图4b)，随着土层深度的继续加深，两对比群落裂隙大颗粒团聚体减少，细颗粒团聚体逐渐增多，且云南松次生林裂隙大颗粒团聚体多于小铁仔灌丛裂隙。在240—280 cm土层内(图4c)，两对比群落裂隙大颗粒团聚体缓慢减小，小颗粒团聚体都缓慢增大，云南松次生林裂隙大颗粒团聚体明显多于小铁仔石灰岩灌丛裂隙，小颗粒团聚体相反，两对比群落裂隙粒水稳性大颗粒团聚体和水稳性小颗粒团聚体都差异性显著(p<0.05)(图4d)。

注：不同大写字母表示两对比群落土壤水稳性团聚体差异显著(p<0.05)。

(3) 土壤有机质。云南松次生林和小铁仔灌丛裂隙的有机质都随着土层深度的加深而逐渐降低(图5)。云南松次生林裂隙土壤有机质含量在11.60～32.85 g/kg之间；小铁仔灌丛含量在6.15～21.69 g/kg之间，表明云南松次生林裂隙的有机质多于小铁仔灌丛有机质。

图5 两对比群落浅层裂隙不同深度土壤有机质差异性

如图6所示，在0—40 cm土层内，随着土层深度的加深，两对比群落裂隙土壤有机质快速减小云南松次生林裂隙有机质相对较多。在160—240 cm土层内，随着土层深度继续加深，两对比群落裂隙有机质含量继续减小，但云南松有机质明显多于小铁仔灌丛裂隙。在240—280 cm土层内，两对比群落裂隙缓慢减小，云南松次生林裂隙有机质在各层明显都多于小铁仔灌丛。两对比群落裂隙土壤有机质存在显著性差异(p<0.05)。

注：不同大写字母表示两对比群落土壤有机质差异显著(p<0.05)。

2.2 两对比群落浅层裂隙土壤抗剪强度垂直变化特征

2.2.1 土壤黏聚力的垂直变化特征 土壤黏聚力是由于颗粒间的胶结作用以及电子吸引微小颗粒所产生的[23]。本研究结果显示云南松次生林、小铁仔灌丛裂隙土壤黏聚力都随着土层深度的加深而增大(图7)。

图7 两对比群落浅层裂隙不同深度土壤黏聚力垂直变化

云南松次生林裂隙土壤黏聚力在8.00～28.32 kPa之间，小铁仔灌丛裂隙的黏聚力在15.70～45.50 kPa之间，表明云南松次生林裂隙黏聚力小于小铁仔灌丛裂隙(图8)。在0—40 cm土层内，两对比群落裂隙土壤黏聚力随着土层深度加深缓慢增大，小铁仔黏聚力更大。在40—240 cm土层内，随着土层深度的加深，云南松次生林裂隙土壤黏聚力先缓慢增大，后快速增大，小铁仔灌丛裂隙深缓慢增长。在240—280 cm土层内，两对比群落裂隙土壤黏聚力随着土层深度的继续加深缓慢增大。总之小铁仔灌丛裂隙土壤黏聚力在每一层都明显大于云南松次生林裂隙，两对比群落裂隙土壤黏聚力差异性极显著(p<0.01)。

注：不同大写字母表示两对比群落土壤黏聚力差异显著(p<0.05)。

2.2.2 土壤内摩擦角的垂直变化特征 内摩擦角主要由于土粒间发生相对滑动和颗粒间咬合而产生的摩擦力形成[24]。两对比群落裂隙土壤内摩擦角都随着土层深度的加深而缓慢减小(图9)。云南松次生林裂隙土壤内摩擦角在19.39°～28.80°之间，小铁仔灌丛土壤内摩擦角在2.52°～17.97°之间，表明云南松次生林裂隙土壤内摩擦角大于小铁仔灌丛裂隙。

图9 两对比群落浅层裂隙不同深度土壤内摩擦角垂直变化

云南松次生林裂隙土壤内摩擦角在每一层都明显大于小铁仔灌丛裂隙，但其减小速度随土层深度变化有差异(图10)。在0—40 cm土层内，两对比群落裂隙土壤内摩擦角都缓慢减小，云南松次生林裂隙土壤内摩擦角相对较大；在80—240 cm土层内，随着土层深度的加深，云南松次生林裂隙土壤内摩擦角持续缓慢减小，小铁仔灌丛裂隙快速减小，云南松次生林裂隙土壤内摩擦角明显大于小铁仔灌丛裂隙；在240—280 cm土层内，两对比群落裂隙土壤内摩擦角都缓慢减小，云南松次生林裂隙土壤内摩擦角依然大于小铁仔灌丛裂隙。两对比群落裂隙土壤内摩擦角差异性显著(p<0.01)。

注：不同大写字母表示两对比群落土壤内摩擦角差异显著(p<0.05)。

2.2.3 土壤抗剪强度的垂直变化特征 从垂向力100 kPa增至400 kPa，云南松次生林、小铁仔灌丛裂隙土壤抗剪强度不断增大(图11)。

图11 两对比群落浅层裂隙不同深度土壤抗剪强度垂直变化

在垂向力200 kPa下，在0—40 cm土层内，云南松次生林裂隙土壤抗剪强度缓慢减小，小铁仔灌丛裂隙土壤抗剪强度增大，两对比群落抗剪强度差异不明显；在40—240 cm土层内，随着土层深度的继续加深，小铁仔灌丛裂隙土壤抗剪强度快速减小，云南松次生林裂隙土壤抗剪强度时增时减，其抗剪强度大于小铁仔灌丛裂隙。在240—280 cm土层内，两对比群落裂隙都缓慢减小，其云南松次生林抗剪强度依然大于小铁仔灌丛裂隙。总体来看，表层两对比群落抗剪强度差异不明显，但随着土层深度的加深，云南松次生林的抗剪强度在中层和深层都大于小铁仔灌丛抗剪强度，两对比群落裂隙土壤抗剪强度差异极显著(p<0.01)(图12)。

注：不同大写字母表示两对比群落土壤抗剪强度差异显著(p<0.05)。

2.3 两对比群落浅层裂隙土壤理化性质与抗剪强度指标的相关性分析

土壤抗剪强度的大小受多种因素的综合影响，本文选取有机质、砂粒、粉粒、黏粒、水稳性性团聚体与土壤在含水率为30%时的内摩擦角、黏聚力、土壤抗剪强度(200 kPa)进行相关分析，分析表明土壤粉粒、小颗粒水稳性团聚体与土壤抗剪强度呈极显著负相关关系，土壤有机质、砂粒含量、大颗粒水稳性团聚体与土壤抗剪强度及土壤内摩擦角呈显著的正相关关系，与黏聚力呈极显著负相关关系(表2)。

表2 两对比群落浅层裂隙土壤抗剪强度与土壤理化性质的相关性分析

3 讨 论

3.1 两对比群落根系及土壤理化性质对浅层裂隙土壤抗剪强度的影响

3.1.1 土壤根系及土壤理化性质的差异性 通过数据分析发现，两对比群落裂隙表层土壤有机质含量高，土壤大颗粒团聚体多，但随着土层深度的加深，两对比群落的有机质、大颗粒团聚体都逐渐减少[21,25-28]，说明岩溶裂隙遵循土壤养分表层汇聚特性，因两对比群落凋落物在土壤表层比较多，枯枝落叶死亡后分解形成的腐殖质，增加了表层土壤有机质含量，造成土壤有机质有表聚现象，从而大颗粒团聚体比较多，所以二者在表层差异不大。但在滇东岩溶断陷盆的地质背景下，裂隙比较发育，因此随着土层深度的加深，两对比群落土壤有机质、砂粒、大颗粒水稳性团聚体等在中层沿裂隙岩—土界面流失而减少，细颗粒团聚体、黏粒在深层增多，形成“反序粒”结构，地表土壤出现粗颗粒化，底层土壤黏化的现象。云南松次生林属于二态根系植被，除岩—土界面外，其发育的深根系使得土壤水沿着根—土界面形成优先流，推动表层的土壤有机质(SOM)及大团聚体向中层和深层流动，其深根在生长过程或死亡过程中易形成孔道，导致云南松次生林裂隙土壤“筛滤效应”强于小铁仔灌丛裂隙，同时云南松次生林裂隙凋落物多、深根系生物量多，其总根系生物量为18.91 t/hm2，约是小铁仔灌丛裂隙根系生物量的5倍，其中云南松粗根生物量占整个根系生物量的64.8%，在微生物活动频繁分解下，为土壤提供了大量的营养物质，使得有机质、砂粒、大颗粒水稳性团聚体都多于小铁仔灌丛裂隙，土壤性质相对较好，结构稳定。

3.1.2 植被根系及土壤基本性质对土壤抗剪强度的影响 土壤抗剪强度的大小主要来源于土粒颗粒之间剪切过程的滑动摩擦以及嵌入产生的咬合力和来源黏粒的胶结作用的黏聚力[29]，因而植被根系及土壤基本性质对土壤抗剪强度的影响来源于对土壤黏聚力和土壤内摩擦角的影响。通过数据分析发现，随着土层深度的加深，两对比群落土壤抗剪强度都逐渐减小，说明虽然滇东岩溶断陷盆地有表层集聚养分的功能，但其本身性质导致地下裂隙纵横，土壤渗漏严重，因此两对比群落裂隙土壤砂粒、有机质、大颗粒团聚体随着土层深度的加深都减少，土壤黏粒小颗粒团聚体都增多。黏粒和小颗粒团聚体的增加，降低了土壤颗粒间的粗糙度，减少了土粒间的镶嵌和锁套能力，土壤内摩擦角减小；有机质降低，土壤密度增大，土壤间的距离减小，加上土壤黏粒、小颗粒团聚体含量增多，单位面积上土粒的接触点多，黏结力增强，土壤黏聚力增大[7,30-31]，两对比群落裂隙因土壤颗粒间的滑动摩擦力以及嵌入产生的咬合力占主导，导致土壤抗剪整体减小。

两对比群落裂隙表层都有汇聚功能，故而土壤抗剪强度在表层差异不明显。随着土层深度的加深，土壤渗漏严重，土壤沿着裂隙土—石界面流失，云南松发育的深根系残体为中层和深层裂隙土壤提供土壤有机碳(SOC)，但沿根—土界面的土壤水优先流也带动SOC及大颗粒团聚体的下移，导致沿土壤剖面中层和深层云南松次生林裂隙的砂粒、大颗粒团聚体、有机质多于小铁仔灌丛裂隙，土壤抗剪强度大于小铁仔灌丛裂隙。此外，相比小铁仔灌丛群落，云南松的侧根和主根明显比灌木和草本植物的粗、深，因此，根系通过牵引力和竖向锚定穿插、缠绕在土壤中，土体在更深更广的范围内固结，使得根系与土壤颗粒间咬合力增大，加上云南松次生林裂隙土壤砂粒、大颗粒团聚体相对较多，粗糙的表面及稳定的结构会引起颗粒间镶嵌和锁套能力增大，土粒间的摩擦力增强，内摩擦角大[18,20]，导致云南松次生林裂隙土壤抗剪强度在中层和深层明显大于小铁仔灌丛裂隙。

3.2 两对比群落土壤抗剪强度对浅层裂隙土壤漏失的影响

土体中的应力在外作用力下会发生变化，当剪应力超过土体的抗剪强度时，土体会沿其中一个裂缝面滑动，土壤整体稳定性丧失[32]，土壤易流失。土壤抗剪强度越大，稳定性越强，反之土壤抗剪性能越差[29-30]。随着土层深度的加深，土壤养分、水分、颗粒等会沿着裂隙岩—土界面、根—土界面流失而减少，理化性质随深度的加深而变差，导致两对比群落裂隙土壤抗剪强度随深度的加深都减小，其减缓土壤漏失的能力随土层深度的加深而减弱。但两对比群落在垂向力不断增大时，其抗剪强度都增大，说明两对比群落都有助于提高土壤抗剪强度，在外力作用下，两对比群落浅层裂隙土壤不易随着岩土界面或根土复合界面发生土壤漏失。此外，云南松次生林大颗粒团聚体多，结构稳定，垂直深根系的“加筋”作用导致云南松林群落在提升浅层裂隙土壤抗剪性能上要优于灌丛群落，尤其在提升中层和深层裂隙土壤抗剪强度更突出，更有助于减缓裂隙土壤漏失。裂隙具有汇聚养分的功能，成为了滇东岩溶断陷盆地植被生长的重要小生境，因此在以后可以加强对不同群落下裂隙土壤的理化性质及其抗剪性能机理的研究，进一步提升对生物工程增强土壤抗剪强度，缓解裂隙土壤漏失机理的认识。

4 结 论

(1) 云南松天然次生林、小铁仔灌丛裂隙土壤黏聚力都随着土壤黏粒、细颗粒水稳性团聚体的增多而增大(p<0.05)，土壤内摩擦角随着砂粒、粗颗粒水稳性团聚体、有机质的减少而减小(p<0.05)，土壤抗剪强度总体逐渐减小。因两对比群落土壤基本性质差异显著(p<0.05)，导致土壤抗剪强度差异极其显著(p<0.01)。

(2) 云南松林群落、灌丛群落都具有改善土壤理化性质，提升土壤抗剪强度的作用，但灌丛群落提升土壤抗剪强度作用体现在表层，云南松林群落更有助于提升浅层裂隙中层和深层的土壤抗剪强度。

(3) 在滇东岩溶断陷盆地，裂隙发育的立地条件下，可种植云南松等二态根系植被提高土壤抗剪性能，逆转滇东岩溶断陷盆地坡地裂隙地区加剧的石漠化态势。