紫色土坡耕地生物埂土壤抗剪强度对干湿作用的响应

史东梅，蒋 平，何文健，丁文斌，汪三树，彭旭东



紫色土坡耕地生物埂土壤抗剪强度对干湿作用的响应

史东梅1，蒋 平2，何文健3，丁文斌1，汪三树2，彭旭东4

（1.西南大学资源环境学院，重庆 400715；2.重庆市水利电力建筑勘测设计研究院，重庆400020； 3. 重庆市水土保持生态环境监测总站，重庆 401147；4. 贵州大学林学院，贵阳 550025）

生物埂土壤水分在次降雨中存在“干-湿-干”变化过程，这对生物埂土壤抗剪强度具有削弱作用。该文以紫色丘陵区花椒埂（HJ）和桑树埂（SS）为研究对象，通过根系现场挖掘法和土壤物理、力学性质测定等综合方法，研究生物埂土壤水分及抗剪强度在天然降雨干湿作用下的衰减-恢复效应。结果表明：1）生物埂土壤含水率随干湿作用表现出“急剧增加－急剧降低－稳定波动”趋势，小雨条件下生物埂0～20 cm土壤含水率变化明显；而在大雨和暴雨条件下，生物埂0～30 cm土壤含水率均变化明显，且分别在3种降雨发生后第5、7、9天土壤含水率趋于稳定；2）生物埂土壤黏聚力和内摩擦角均呈现“急剧衰减—相对稳定—逐渐恢复”趋势，小雨条件下生物埂对土壤黏聚力和内摩擦角具有增强效应且随垂直深度呈降低趋势；3）花椒埂、桑树埂在暴雨条件下能显著削弱干湿作用对土壤抗剪强度的劣化效应，2种生物埂的土壤黏聚力劣化率较对照埂分别降低44.03%、65.05%，而内摩擦角劣化率分别降低42.47%、45.70%。研究结果可为紫色丘陵区坡耕地生物埂措施设计和坡耕地耕层水土资源保护利用提供技术支持。

土壤；抗剪强度；降雨；生物埂；衰减—恢复效应；坡耕地；紫色丘陵区

0 引 言

生物埂作为紫色土坡耕地常见水土保持农业措施，是在梯田埂坎上种植乔木、灌木或草本植物而形成的一种农林复合系统。早在20世纪70年代，中国就开始研究了生物埂植物种类问题[1]，此后李文华等[2-3]对生物埂类型、配置方法及生态经济效应进行了较为系统性研究，王喜龙等[4]对比分析了乔木、灌木和草本植物生物埂生态效益，认为灌木生态效益较乔木好。生物埂不仅能提高坡耕地土壤质量，还可防治坡耕地水土流失、改善农田小气候[5-6]，Li Xia等[7]研究表明苜蓿生物埂措施可分别降低氮、磷流失量的42%～50%、68%～84%，从而有效降低三峡库区面源污染程度。相关研究表明，生物埂可有效改善坡面土壤结构、增加土壤蓄水、提高土壤抗剪抗蚀性能[8-9]。Everson等[10-11]通过田间试验对生物埂土壤水分变化及玉米产量关系观测表明，生物埂存在可有效补充浅根作物生长耗水量，显著提高土壤抵抗季节性干旱能力、同时可改善坡面土壤容重、孔隙状况、氮磷养分状况。张宇清等[12]研究表明生物埂根系分布范围内土壤水分呈现一定变化规律；在根系较少土层，其土壤水分明显降低。紫色丘陵区桑树、花椒生物埂对土壤孔隙结构等物理性质具有改良作用，同时也增强了土壤抗剪强度，保证了坡耕地土地生产力的稳定[13]。紫色土旱地资源集中分布在四川盆地，占全国紫色土面积51.28%，紫色土具有侵蚀性高、抗旱性差、土壤退化严重等问题[14]，紫色土坡耕地作为四川省和重庆市农业生产主体区域，在降雨、地形等自然因素和人为活动作用下，水土流失和面源污染生态问题十分突出[15]。坡耕地生物埂坎是当地常见的一种坡耕地利用类型，但坡耕地埂坎作为填方边坡在强降雨条件下容易失稳、垮塌，而降雨—蒸发循环作用容易导致边坡变形破坏[16]。土壤抗剪强度作为决定生物埂埂坎稳定性重要因素之一，受土壤结构、颗粒形态和含水率的较大影响。非饱和土体的抗剪强度随土壤含水率增加而降低，其对抗剪强度的影响主要是通过降低土壤黏聚力，而对内摩擦角影响较小[17-18]；土壤抗剪强度在干湿循环条件下呈衰减趋势[19-20]。目前，对土壤抗剪强度研究主要集中于土壤含水率、土壤容重、植物根系、土壤颗粒组成等单因素或多因素组合的室内模拟试验；而对于在天然降雨-蒸发循环的干湿作用下，生物埂土壤水分急剧增大、土壤抗剪强度急剧降低，导致大量坡耕地埂坎失稳、垮塌现象的原因尚待深入研究。因此本文以紫色丘陵区坡耕地花椒生物埂、桑树生物埂为研究对象，并以自然生草埂为对照，通过测定不同降雨条件下生物埂坎土壤水分、土壤抗剪强度指标变化和根系参数分布特征，主要研究：1）在不同天然降雨条件下，生物埂土壤水分垂直变化特征；2）不同生物埂类型对土壤干湿作用变化的影响；3）生物埂土壤黏聚力和内摩擦角对降雨-入渗-蒸发引起的干湿作用的响应特征。研究结果可为紫色丘陵区坡耕地生物埂措施设计和坡耕地耕层水土资源保护、合理利用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验地位于重庆市北碚区西南大学紫色丘陵区坡耕地水土流失监测基地（30°26′N，106°26′E），属亚热带季风性湿润气候，年均气温18.3 ℃，年均降雨量1 105.4 mm，5－9月降雨量可占全年雨量70%；土壤是在中生代侏罗系沙溪庙组灰棕紫色沙泥页岩母质上发育的中性紫色土，土层薄、易于崩解。紫色土坡耕地生物埂植物种类选择两种木本植物进行布设，分别将桑树（L.）、花椒（Maxim.）沿等高线布置在坡耕地田面外侧形成生物埂，并以自然生草埂为对照（对照埂）。两种坡耕地生物埂布置的典型剖面如图1所示，代表性生物埂生长情况如图2所示。

紫色土坡耕地两种生物埂布设条件具体见表1，在2005年种植花椒、桑树生物埂，定期清除生物埂杂草，在冬季对花椒、桑树进行修剪，自然生草埂以狗尾草为主。

表1 紫色土坡耕地生物埂布设

1.2 样品采集及测定方法

根据紫色丘陵区天然降雨特征，本文选取2014年6月19日（小雨，0.64 mm/h）、7月9日（大雨，2.37 mm/h）、9月29日（暴雨，3.46 mm/h）3种天然降雨条件对3种生物埂不同垂直深度（0～10、>10～20、>20～30 cm）隔天采集土样进行土壤水分和力学指标分析。土壤水分采样分别在降雨前1天（根据气象局发布天气状况确定）、降雨后第1、3、5、7、9天进行，直到土壤含水率再无明显变化的雨后天数为止；在距标准株外侧10 cm处用铝盒法重复采集3个土样并用薄膜密封处理后，带回实验室测定土壤含水率。同时在生物埂相同位置处用抗剪环刀（内径×高度=61.8 mm×20 mm）采集根-土复合体样品，每个土层采集4个环刀样品并薄膜密封处理，重复3次；将上述土壤样品带回实验室后，按照《土工试验规程SL1999》[21]采用 ZJ型应变控制式直剪仪进行剪切试验，围压分别为100、200、300和400 kPa，量力环率定系数1.695 kPa/0.01 mm，剪切速率0.8 mm/min，每组试验设置3次重复，取3次土壤抗剪强度平均值作为该荷载下的土壤剪应力；做出抗剪强度与垂直荷载的关系曲线图，根据库伦定律计算土壤抗剪相关指标（黏聚力、内摩擦角值），具体计算方法如下

式中为土的抗剪强度，kPa；为作用在剪切面上的法向应力，kPa；为土壤内摩擦角，(°)；为土壤黏聚力，kPa。

本文采用完全挖掘法采集花椒生物埂和桑树生物埂的根系生长指标。为使根样具有代表性，在花椒生物埂坎和桑树生物埂坎上分别选取3个标准株，开挖15 cm× 15 cm×5 cm土体，将此土体置于0. 25 mm土壤筛中冲洗，采用WinRHIZO 根系分析系统测定根径、根表面积、根体积等参数；扫描结束后将根系晾干并置于80 ℃烘箱中干燥72 h，然后用1/1 000电子天平测定根系生物量。

2 结果与分析

2.1 降雨特性对生物埂土壤水分变化的影响

在次降雨前后，生物埂土壤水分存在一个明显的“由干到湿、再由湿到干”的干湿变化过程，这种干湿作用对土壤结构恢复具有重要意义，对土壤力学性能影响很大。从图3、图4和图5可以看出，在不同天然降雨强度下，生物埂不同垂直层次土壤含水率变化与降雨后干湿作用时间趋势基本一致，0～10 cm表层土壤含水率随干湿作用时间呈现“急剧增加—急剧降低—波动稳定”趋势，且随降雨强度增加，其变化幅度和作用深度增大。在小雨（0.64 mm/h）、大雨（2.37 mm/h）、暴雨（3.46 mm/h）条件下，生物埂土壤含水率分别在0～20、0～30、0～30 cm土层呈现明显变化；在降雨第1天后，生物埂土壤含水率均达到峰值。由于生物埂土壤入渗能力的差异，雨强对生物埂土壤不同垂直深度水分变化也会产生一定影响，降雨强度越大，土壤水分变化幅度及深度就越大。在3种降雨强度条件下，雨后第1天生物埂0～30 cm土壤平均含水率较雨前增幅差异较大，如花椒埂、桑树埂、对照埂在小雨时土壤含水量分别增加11.35%、8.99%、14.20%；在大雨条件下其增加幅度依次为17.37%、21.04%、23.05%，而在暴雨条件下土壤含水率增加幅度最大，可分别达31.15%、32.10%、37.75%；这表明随着降雨强度越大，生物埂土壤含水率增加幅度越大，从而使得生物埂土壤软化、埂坎失稳的发生机率增加。

随着降雨干湿作用时间持续，生物埂土壤含水率达到峰值后又急剧降低，在小雨条件下花椒埂、桑树埂、对照埂0～30 cm土壤平均含水率在雨后第3天较第1天分别降低9.72%、6.04%、5.79%；在大雨条件下其土壤含水率依次降低9.86%、14.02%、10.69%；而在暴雨条件下生物埂土壤含水率降幅最大，分别为14.89%、14.35%、11.29%，这表明在不同雨强条件下土壤含水率下降幅度也差异较大。在不同降雨条件下，生物埂土壤含水率趋于稳定状态时间不同，在小雨、大雨、暴雨条件下，生物埂土壤含水率分别在第5、7、9天趋于稳定状态，这主要是降雨强度越大，径流冲刷土壤侵蚀程度增加，导致土壤结构稳定性、调节水分性能降低。

2.2 不同生物埂垂直深度的土壤干湿作用变化特征

不同生物埂措施对地埂土壤孔隙和透水性能改善效果差异较大，木本植物根系发达，土壤孔隙、土壤结构稳定性和土壤水分调节能力较强。由图3、4、5可知，不同生物埂各垂直深度土壤含水率与土壤干湿作用变化趋势基本相同，但其变化幅度因植物种类、降雨条件差异较大。在小雨条件下，花椒埂雨后第1天0～10、>10～>20、>20～30 cm土壤含水率较雨前各对应层次分别增加了14.99%、17.72%、1.33%，桑树埂3个垂直层次土壤含水率则增加了15.32%、8.76%、3.42%，而对照埂0～10、>10～20、>20～30 cm土壤含水率增幅较雨前分别为23.37%、18.81%、0.42%，表明花椒埂、桑树埂0～10、>10～20 cm土壤含水率增幅均较对照埂低，而>20～30 cm土壤含水率增幅则大于对照埂。这主要是由于桑树埂、花椒埂林冠层截留降雨量较大，且小雨条件下无径流产生，导致土壤水分入渗量低、增幅小；同时由于植物根系在土壤中形成大孔隙作用，使得生物埂土壤水分较对照埂湿润锋下移。在大雨条件下，花椒埂0～10、>10～20、>20～30 cm土壤含水率较雨前对应土层分别增加21.88%、20.30%、9.94%，桑树埂3个垂直层次土壤含水率增幅依次为26.22%、23.97%、12.93%，而对照埂垂直层次土壤含水率增幅则分别为29.24%、29.13%、10.764%，花椒埂、桑树埂0～10、>10～20 cm土壤含水率增幅同样均较对照埂低，而>20～30 cm土壤含水率增幅则大于或接近对照埂。在暴雨条件下，生物埂各垂直层次土壤含水率增加幅度较前两种降雨条件均达到最大，花椒埂各垂直层次增幅为36.98%、34.49%、27.81%，桑树埂增加了27.81%、32.65%、35.83%，而对照埂增幅为51.41%、44.81%、17.03%，花椒埂、桑树埂0～10、>10～20 cm土壤含水率增幅分别较对照埂分别低14.43%～23.6%，10.32%～12.16%，这说明生物埂在暴雨条件下对地表径流形成具有较大阻控作用。在次降雨前后，生物埂不同垂直深度土壤含水率的这种变化现象，表明花椒埂、桑树埂可有效调节土壤滞水现象，而对照埂因土壤孔隙状况较差、有机质含量低，土壤结构不良[13]，导致土壤滞水现象严重；同时也充分说明对于紫色土坡耕地，这两种生物埂坎较对照埂都起到了缓解埂坎土壤水分剧烈变化、有效阻控地表径流形成，从而发挥了重要的坡耕地水土流失防治作用。

在各种降雨条件下，生物埂0～10、>10～20、>20～30 cm垂直层次的土壤含水率均随着干湿作用持续时间而呈现急剧降低趋势，但不同生物埂土壤含水率在雨后第3天较第1天下降幅度差异明显（图3、图4、图5）。在小雨（0.64 mm/h）条件下，花椒埂0～10、>10～20、>20～30 cm土层土壤含水率分别降低12.84%、8.38%、7.96%，桑树埂3个垂直层次分别降低7.80%、6.25%、4.05%，而对照埂则分别降低13.43%、2.07%、1.86%，花椒埂土壤含水率下降幅度较大。在大雨（2.37 mm/h）条件下，花椒埂3个垂直层次土壤含水率分别降低13.18%、11.16%、5.24%，桑树埂各垂直层次土壤含水率分别降低25.70%、8.74%、7.61%，而对照埂土壤含水率降幅则分别为12.14%、9.89%、10.03%，桑树埂土壤含水率下降幅度较大。在暴雨（3.46 mm/h）条件下，生物埂各土层土壤含水率降幅最大，花椒埂各垂直层次分别降低15.06%、14.89%、14.71%，桑树埂依次降低17.02%、12.87%、13.14%，而对照埂降幅则为18.57%、7.79%、7.52%，2种生物埂>10～20、>20～30 cm土壤含水率下降幅度较大。这些现象表明生物埂土壤水分下降幅度随降雨强度增加而变大，随土层深度而呈减小趋势，花椒埂、桑树埂土壤水分降幅较对照埂高，这主要在于以下作用：1）夏季高温表层土壤水分蒸腾作用较强；2）花椒、桑树发达根系水分消耗较大；3）花椒埂、桑树埂土壤孔隙度高，土壤水分蒸发作用强。在小雨第3天后，生物埂0～20 cm土壤含水率均有小幅度下降并逐渐趋于稳定；而在大雨和暴雨条件下，>20～30 cm土层土壤含水率小幅增加，这主要是强降雨下土壤重力水下移造成的。

2.3 生物埂土壤抗剪强度对干湿作用的响应特征

2.3.1 土壤黏聚力衰减—恢复特征

在天然降雨条件下，生物埂土壤水分含量急剧增大，这将造成生物埂土壤力学性能明显降低，即存在不同程度劣化现象，其下降幅度可用劣化率表示。由图6可见，在不同降雨条件下生物埂土壤黏聚力随干湿作用变化趋势基本一致，均呈现“急剧衰减—相对稳定—逐渐恢复”趋势，在暴雨（3.46 mm/h）条件下存在较明显劣化现象；并随降雨强度增加，土壤黏聚力衰减幅度和作用土层深度也增大。在小雨（0.64 mm/h）、暴雨（3.46 mm/h）条件下，生物埂土壤黏聚力分别在0～20、0～30 cm土层呈现明显变化，这也与土壤含水率作用深度一致；生物埂土壤黏聚力最小衰减值分别出现在降雨后第1天、第3天。受降雨和植被综合作用，不同生物埂土壤黏聚力衰减幅度差异较大；在小雨（0.64 mm/h）条件下，生物埂0～30 cm土壤平均黏聚力在雨后第1天较雨前降幅差异明显，花椒埂、桑树埂、对照埂土壤黏聚力分别衰减8.33%、7.17%、12.33%，花椒埂、桑树埂土壤黏聚力降幅分别为对照埂的0.68、0.58倍；而在暴雨（3.46 mm/h）条件下，生物埂土壤在雨前到雨后第3天土壤平均黏聚力呈直线衰减趋势，花椒埂、桑树埂、对照埂降幅分别为28.14%、25.06%、50.37%，花椒埂、桑树埂的降幅分别为对照埂的0.56、0.50倍，这表明随着降雨强度增大，生物埂土壤黏聚力衰减幅度增大、衰减时间延长；花椒埂、桑树埂土壤较对照埂土壤黏聚力稳定性高，这主要是花椒埂、桑树埂土壤有机质含量高[5]，土壤胶结能力强，导致其衰减幅度较低。

随着雨后干湿作用时间的持续，生物埂土壤黏聚力衰减到最小值后开始逐渐恢复稳定，在不同降雨条件下生物埂土壤黏聚力恢复程度差异较大。生物埂0～30 cm土壤黏聚力在小雨后第9天较雨前存在增强效应，而在暴雨条件下其土壤黏聚力则存在劣化效应。在小雨（0.64 mm/h）条件下，花椒埂、桑树埂、对照埂土壤黏聚力分别增加2.46%、2.95%、0.66%，花椒埂、桑树埂增强效应分别为对照埂的3.75、4.49倍，增强效应随土层深度而呈现降低趋势；而在暴雨（3.46 mm/h）条件下，花椒埂、桑树埂、对照埂土壤黏聚力劣化率分别为13.82%、8.63%、24.69%，花椒埂、桑树埂劣化率较对照埂分别降低44.03%、65.05%，劣化作用随土层深度增大。这主要由于小雨条件下，生物埂土壤腐殖质在土壤低含水量干湿作用下分解速率加快，土壤有机质含量提高，进而土壤胶结力增大；而在暴雨条件下，生物埂土壤受降雨径流侵蚀作用，导致土壤结构破坏、土壤稳定性弱化，从而土颗粒间黏聚力降低。

2.3.2 土壤内摩擦角衰减—恢复特征

土壤内摩擦角即土壤颗粒表面摩擦力和颗粒间咬合力，这两部分与土壤颗粒结构、大小、形状以及密实程度有关。由图7可知，生物埂土壤内摩擦角随干湿作用持续时间表现为“急剧衰减—相对稳定—逐渐恢复”变化趋势，且土壤内摩擦角变化幅度和作用土层深度均随降雨强度呈正向变化。受降雨和植被综合作用，不同生物埂土壤内摩擦角衰减幅度差异明显。在小雨（0.64 mm/h）条件下，生物埂0～30 cm土壤平均内摩擦角在雨后第1天较雨前下降幅度差异明显，花椒埂、桑树埂、对照埂土壤内摩擦角分别降低13.81%、12.07%、14.85%，花椒埂、桑树埂土壤黏聚力降幅分别为对照埂的0.93、0.81倍；而在暴雨（3.46 mm/h）条件下，生物埂土壤在降雨前到雨后第3天土壤平均黏聚力均呈现衰减趋势，花椒埂、桑树埂、对照埂降幅分别为35.65%、35.40%、46.93%，花椒埂、桑树埂的降幅均为对照埂的0.76倍。这些现象均表明两种生物埂土壤内摩擦角衰减幅度随降雨强度增大而增加，但在各种降雨条件下其衰减幅度均小于对照埂的变化；这主要由于花椒、桑树较对照草本植物根系发达，在埂坎处根-土复合体这种土体构型的存在增强了土壤抵抗降雨干湿作用的能力，从而使得土壤内摩擦角衰减幅度降低。

随雨后干湿作用时间持续，生物埂土壤内摩擦角衰减到最小值后，开始逐渐增加并趋于稳定，不同降雨条件下土壤内摩擦角恢复程度差异较大。如图7所示，生物埂0～30 cm土壤内摩擦角变化趋势与土壤黏聚力变化一致，在小雨条件下表现为增强效应，在暴雨条件下表现为劣化效应。在小雨（0.64 mm/h）条件下，花椒埂、桑树埂、对照埂的土壤内摩擦角分别增加2.40%、3.17%、1.19%，花椒埂、桑树埂增强效应分别为对照埂的2.03、2.66倍，桑树埂的增强效应最高；同时这种生物埂增强效应随土层深度而降低，这主要是由于生物埂植物根系在土壤中穿插、缠绕，对土壤颗粒起到了固土加筋作用并增强了土壤内摩擦角；同时生物埂深层土壤不易蒸发，土壤含水率相对表层较高，故其增强效应随土壤深度而降低。结合表2可以看出，桑树埂的根长密度、根表面积密度均大于花椒埂，2种生物埂的根长密度、根表面积密度随着土层深度增加而降低。

表2 不同生物埂根系特征参数

注：表中不同小写字母表示同一生物埂不同土层根系特征参数在<0.05水平上的差异显著。

Note: different lowercase letters indicate significant difference of root system characteristic parameters in different soil layers of the same bio-embankment at the level of<0.05.

在暴雨（3.46 mm/h）条件下，花椒埂、桑树埂、对照埂土壤内摩擦角劣化率分别为12.84%、12.12%、22.32%，花椒埂、桑树埂土壤内摩擦角劣化率较对照埂分别降低42.47%、45.70%；劣化作用随土层深度而增大，这说明暴雨径流侵蚀作用强且由于土壤含水率相对较高，生物埂土壤结构弱化、土壤颗粒间咬合力降低，这些因素均可导致土颗粒间内摩擦角力急剧下降。

3 讨 论

3.1 植被对土壤水分调控性能的影响

植被是土壤水分最活跃、最积极的影响因素。本文研究结果表明，生物埂土壤含水率随干湿作用时间呈现“急剧增加—急剧降低—波动稳定”趋势，其变化幅度和作用深度随雨强增加而增大；在小雨（0.64 mm/h）、大雨（2.37 mm/h）、暴雨（3.46 mm/h）三种降雨条件下，生物埂土壤含水率分别在0～20、0～30、0～30 cm土壤深度呈现明显变化，且分别在雨后第5、7、9天趋于稳定；花椒埂和桑树埂可有效缓解暴雨条件下土壤滞水现象，这主要是花椒埂、桑树埂土壤有机质含量、土壤大孔隙显著高于对照埂[13]。刘效东等[22]认为土壤有机质可控制着土壤含水量及其有效性的原因，主要在于土壤有机质可起到改善土壤结构、降低土壤容重和增加土壤毛管孔隙度的作用，从而对土壤蓄水性和持水性产生作用[23]，土壤有机质深刻影响着木本植被土壤层水分持留作用[24]。彭舜磊等[25]发现土壤体积质量、非毛管孔隙度和粉粒含量是影响土壤饱和导水率的主要因素；草本植物能快速改善表层土壤物理性状，增强拦蓄能力；木本植物需要一定种植年限方可改良深层土壤入渗特性，增强降雨入渗性能；本研究中桑树埂和花椒埂已种植9 a，可有效改善生物埂土壤入渗性能和调控土壤水分。张扬等[26]指出次降雨可提高封育草地土壤含水率和贮水量，均表现出第1天>第3天>第7天的变化规律，这与本文次降雨下生物埂土壤水分动态变化趋势一致。本研究中花椒埂、桑树埂土壤含水率较对照埂高，这是由于植物根系在土壤中形成大孔隙作用，使得生物埂土壤水分较对照埂湿润锋下移；同时对照埂植被覆盖度低、降雨溅蚀作用强、径流携带土壤细颗粒堵塞土壤孔隙，从而导致土壤入渗率降低造成的。

3.2 干湿作用对土壤抗剪强度的影响

土壤抗剪强度作为生物埂埂坎稳定性重要决定因素之一，主要受土壤结构、土壤颗粒形态和土壤含水率的影响；本研究发现，生物埂土壤黏聚力和内摩擦角随土壤含水率急增而大幅降低。黄琨等[17]研究表明，非饱和土体抗剪强度随含水率增加而降低，土壤含水率对抗剪强度影响主要是通过降低土壤黏聚力，而内摩擦角变化较小；张晓明等[18]研究发现，崩岗侵蚀区土壤内摩擦角和黏聚力随干湿变化呈现非线性衰减趋势，土壤抗剪强度峰值出现在13%土壤含水率条件。Carrara等[27]研究表明土壤含水率、土壤结构等因素对土壤抗剪强度影响较大；倪九派等[19]发现土壤黏聚力和内摩擦角均随干湿循环次数的增加均呈减小趋势，黏土的黏聚力和内摩擦角均大于砂土。相关研究表明，桑树可以有效提高土壤抗剪强度[28]，其增加土壤抗剪强度方式有两种，一是通过根系在土体中交错、穿插，网络固持土壤；二是通过改善土壤物理性质，提高土壤自身水力学性质，从而增强土体抗侵蚀能力[29]。本研究发现，在暴雨（3.46 mm/h）条件下，花椒埂、桑树埂、对照埂土壤黏聚力降低幅度分别为13.82%、8.63%、24.69%，而土壤内摩擦角也分别下降12.84%、12.12%、22.32%，这表明花椒埂、桑树埂可以有效削弱降雨干湿作用对土壤抗剪强度的劣化作用。相关研究表明，边坡植被、岩石碎屑能有效削弱土壤含水率对土壤抗剪强度的不利影响。江浩浩等[30]研究表明，草地、裸地土壤抗剪强度峰值分别在含水率约为12%、10%时出现且草地土壤抗剪强度峰值显著大于裸地；峰值过后在土壤含水率继续增加至土壤饱和含水率过程中，草地土壤抗剪强度最大降幅为28.41%且明显小于裸地。在本文中，生物埂土壤抗剪强度没有出现随土壤含水率增加而下降的过程，这主要是次降雨后土壤含水率均较大；由于花椒埂、桑树埂植被覆盖度高、根系发达，其埂坎土壤结构稳定性高；紫色土岩石碎屑较多对照埂土壤抗剪强度最大降低幅度为24.69%。钟守琴等[31]通过在室内模拟<2 mm岩石碎屑在不同含水率下对紫色土抗剪强度影响，结果表明紫色土<2 mm岩石碎屑能降低土壤水分对黏聚力和内摩擦角的影响，从而降低土壤水分对土壤抗剪强度特性的影响。

4 结 论

1）生物埂土壤含水率随干湿作用时间持续表现出“急剧增加—急剧降低—波动稳定”变化趋势，其变化幅度和垂直深度均随雨强增加而增大；在小雨（0.64 mm/h）、大雨（2.37 mm/h）、暴雨（3.46 mm/h）条件下，生物埂土壤含水率分别在雨后第5、7、9天趋于稳定状态；植物根系形成的土壤大孔隙和地表径流冲刷差异性是主要原因。

2）生物埂土壤黏聚力和内摩擦角在降雨干湿作用下，均呈现“急剧衰减—相对稳定—逐渐恢复”趋势。小雨后第9天，生物埂措施对土壤黏聚力和内摩擦角均具有增强效应，花椒埂、桑树埂、对照埂的土壤黏聚力较雨前分别增加2.46%、2.95%、0.66%，而内摩擦角则分别增加2.40%、3.17%、1.19%；生物埂增强效应随土层深度而呈降低趋势。

3）花椒埂、桑树埂能显著削弱干湿作用对土壤抗剪强度的劣化效应。在暴雨后第9天，花椒埂、桑树埂土壤黏聚力劣化率较对照埂分别降低44.03%、65.05%，而土壤内摩擦角劣化率降低幅度为42.47%、45.70%；土壤抗剪强度劣化效应随土层深度而增大，生物埂对土壤力稳定性保持和恢复作用明显。

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Response of soil shear strength of bio-embankments for slope farmland to drying-wetting effect in Purple Hilly Area

Shi Dongmei1, Jiang Ping2, He Wenjian3, Ding Wenbin1, Wang Sanshu2, Peng Xudong4

(1400715,; 2.400020,; 3.401147,; 4.,,550025,)

As a typical agroforestry system, bio-embankments formed by planting trees, shrubs or herbaceous in terrace ridge are effective farming measures for soil and water conservation in Purple Hilly Area. Bio-embankments not only could prevent soil erosion from slope farmland, but also greatly improve the soil quality and agricultural production conditions for cultivated land. The bio-embankment of slope farmland is often prone to collapse under heavy rainfall condition, which mainly attributed to the deformation and failure of slope caused by soil drying-wetting effect during the continuous raining- infiltration-evaporating process. Soil shear strength is one of the important determinants for slope stability of bio-embankments, which mainly influenced by soil structure, soil particle morphology and soil moisture content. The soil moisture of bio-embankments is often constantly changing along with the drying-wetting-drying circulation under a single rainfall condition, which would greatly weaken stability of bio-embankments. Recently, soil shear strength mainly focused on indoor simulation experiment conducted under such single factor as soil water content, soil bulk density, root system, soil particle composition, and some multi-factor combination experiments were also carried out. However, the changing characteristics of soil content and soil shear strength under drying-wetting-drying circulations caused by a natural raining and evaporating effect is unclear. The study mainly discussed the following facts as: 1) the variation trend of soil moisture for different bio-embankment layers under three-types natural rainfall condition; 2) the effects of different bio-embankment types on soil moisture variation; 3) the response characteristics of soil cohesion and soil internal friction angle of different bio-embankments on wetting-drying effect of rainfall and evaporation. Taking the bio-embankments with mulberry (SS) and zanthoxylum (HJ) planted in terrace ridge of slope farmland in purple hilly area of Southwest University,Chongqing as objects and bio-embankment with natural grass as control (CK), the paper systematically analyzed the attenuation and recovery effect of soil moisture and soil shear strength of bio-embankments under drying-wetting condition of different natural rainfall. The method of field and laboratory tests were conducted to observe soil moisture, soil cohesion, soil internal friction angle and root characters before and after different natural rainfall intensity such as light rain (0.64 mm/h), heavy rain (1.37 mm/h) and rainstorm (3.46 mm/h) from the field experiments were carried out from June to September 2014. The results indicated that: 1) The soil moisture of bio-embankments under drying-wetting condition presented a variation trend as sharp increase—sharp decrease—fluctuation stable, of which the changes amplitude and interaction depth increased with increasing rainfall intensity. The soil moisture showed obvious change in soil layer of 0-20 cm under light rain (0.64 mm/h), and varied obviously in soil layer of 0-30 cm under heavy rain (2.37 mm/h) and rainstorm (3.46 mm/h), which tended to be stable in 5h,7h, 9thday after natural rainfall stopped, respectively. 2) Both the soil cohesive strength and soil internal friction angle of bio-embankments showed a change trend as decaying sharply—stabilizing relatively—recovering gradually under the condition of drying-wetting. The soil cohesion strength and soil internal friction angle of bio-embankments were enhanced in 9thday after light rain, of which the enhancement showed a decreasing trend with increasing soil depth. Compared with the state before the rain, the soil cohesion strength of HJ, SS and CK increased by 2.46%, 2.95% and 0.66% respectively; meanwhile, their internal friction angle increased by 2.40%, 3.17%, and 1.19%, respectively. 3) The soil cohesion and soil internal friction angle decreased in 9thday after rainstorm compared with the original state before rain. Bio-embankments with mulberry and zanthoxylum could significantly weaken the deterioration effect of drying-wetting on soil shearing strength, and the effect of mulberry measures was better than the other two. Compared with CK, the soil cohesion degradation rates of HJ and SS bio-bio-embankments decreased by 44.03% and 65.05%, respectively, and the degradation rates of soil internal friction angle of HJ and SS bio-embankments decreased by 42.47% and 45.70%, respectively. The research results could provide some technical supports for design of bio-embankment design and soil and water utilization of cultivated-layer for slope farmland in purple hilly area.

soils; shear strength; rain; bio-embankments; decaying-recovering effect; slope farmland; Purple Hilly Area

10.11975/j.issn.1002-6819.2016.24.018

TU416; S157.1

A

1002-6819(2016)-24-0139-08

2016-05-10

206-10-24

公益性行业（农业）科研专项“坡耕地合理耕层评价指标体系建立（201503119-01-01）”；重庆市水利局“重庆市水力侵蚀监测点背景侵蚀环境调查（2016）”

史东梅，女，汉族，教授，博士生导师，主要从事水土生态工程、土壤侵蚀与流域治理、生产建设项目土壤侵蚀与水土保持研究。重庆 西南大学资源环境学院，400715。Email：shidm_1970@126.com