三峡库区消落带是由于水库库容调度而引起库区水位上下变动，使库区两岸土地周期性地露出水面，形成高差约为30 m的一段过渡性区域，这段过渡性区域是由水生态系统与陆生生态系统交替控制^[1]。三峡库区消落带面积约为348.9 km²，它是水、陆生态系统物质相交换较活跃的区域，是典型的生态脆弱区。该区域周期性的水位涨落使水土流失加剧，这对三峡库区的生态环境和长江航运具有相当不利的影响^[2]。土壤崩解可能是库区消落带水土流失的主要原因之一。紫色土是长江流域上一种具有代表性的侵蚀性土壤，紫色土的成土母岩构造疏松，层理发育，易于风化，并且紫色土区域大多地形起伏，降雨充足，加上开发利用中缺少相应的水土保持措施，导致水土流失非常严重。成土母质风化后很快被侵蚀，使得露出地表的母质层持续刷新，这种恶性循环使土壤发育始终处在相对幼年阶段，不利于紫色土资源的可持续利用^[3]。由于坡度是地貌形态特征的一个重要因子, 在自然界中地貌坡度差异巨大。紫色土的崩解对库区边坡水土流失以及滑坡、泥石流等地质灾害的形成都具有重要影响。研究^[4-5]表明，土壤崩解性能与其抗水侵蚀的能力有关。在土工试验中土壤崩解试验往往被称为湿化，指土体浸泡水中之后，土体发生碎散崩溃、塌落的现象，这是由于水分子进入土体试样空隙中渗挤压气体，这样引发土体试样内部应力集中，至使土体试样自身的斥力超过其吸力，进而造成土体试样的崩落瓦解^[6]。

三峡库区属丘陵地段，通过紫色土形成的边坡，是由于坡度不一致，表现出更多的重力侵蚀特征；同时, 也由于坡度大，土壤颗粒的分散方式也不同，特别在研究坡面侵蚀时。这2方面 (坡度不一致和坡度不一致引起颗粒分散方式都会影响) 对侵蚀强度有重要影响^[7]。本文利用室内试验，以阐明紫色土崩解速率特征与干密度、初始含水率及消落带坡度之间的关系。

试验土壤选用三峡库区代表性紫色土。土壤采自湖北省宜昌市秭归县茅坪镇 (E 110°40′17″，N 31°12′35″，海拔271 m) 某橘园，去除地表层30 cm腐殖质含量较高的土层后进行取土，运至三峡大学翠屏山植物繁育基地备用。采用烘干法、环刀法和电位法分别测定土壤天然含水量、土壤干密度和土壤pH值，并采用筛分法测定土样的颗粒组成。试样基本物理性质指标为表 1。

表 1(Table 1)

表 1 紫色土的基本物理性质指标 Table 1 Fundamental physical property indexes of purple soil 土壤干密度 Dry density/ (g·cm-3) 土壤天然含水率 Natural water content/% pH 土颗粒组成Composition of soil particle/% 60~20 20~5 5~2 2~0.5 0.5~ 0.25 0.25~ 0.075 0.075~ 0.002 ＜0.002 1.32 14.05~21.45 6.1 — — 28.49 26.46 21.75 11.89 6.54 4.87

表 1 紫色土的基本物理性质指标 Table 1 Fundamental physical property indexes of purple soil

根据土样基本物理性质，崩解实验设定土壤干密度分别为1.30、1.35和1.40 g/cm³，初始含水率分别为8%、18%和28%，以研究土壤干密度、初始含水率对紫色土崩解特性的影响；根据三峡消落带坡度特征^[8]，设置10°、20°和30° 3种坡度，以研究不同坡地条件对紫色土崩解特性的影响。

参照土工实验标准^[9]，实验试样制作前捏碎土样中大块土，并剔除土样中未分解的植物根系及残体、昆虫尸体、石块等杂物。将土样置于80 ℃恒温烘箱中烘干24 h，称取土体质量，根据实验设计3种初始含水率，加入一定的蒸馏水后并搅拌均匀，置入恒温恒湿箱24 h，使试样的土体的水分均匀；取出3种含水率试样，根据需要设定干密度，采用静压法制成10 cm×10 cm×10 cm的试样。根据实验设计，每种工况重复3次，共制作81个试样。

消落带土壤崩解过程中，仅有迎水坡面与水体接触，其他面与水体不发生直接接触，这与土工实验规程中湿化实验^[9]的条件不一致。本文采用自制崩解装置，并对崩解试样盒进行处理，以模拟天然状况消落带的土壤崩解情况。如图 1所示，在崩解水槽内底部分别置10°、20°和30°的楔形体，内空尺寸10 cm×10 cm×10 cm的试样盒置于楔形体之上，试样置于试样盒中；为防止试样盒在实验过程中滑动，在楔形体尖端设置防滑钉；为模拟消落带土体与水体的接触关系，试样盒的四面有盒板，即土样崩解过程中其顶面及右前面与水体接触，其中顶面为消落带坡面斜面，右前面为消落带分层侵蚀后出现的垂直面。每组实验完成之后，通过烘干崩解土的质量来判断土壤的崩解程度。

图 1(Figure 1)

图 1 自制崩解装置示意图 Figure 1 Schematic drawing of self-mode disintegration device

每个试样的崩解实验分7次在崩解水槽中进行。实验开始时，准备7个大小一致的崩解水槽，往崩解水槽中注水至相同水位高度，然后水槽底部放置相同的楔形体。将土壤试样置于试样盒中，并于图 1所示置于第1个崩解水槽的楔形体上，开始计时；浸泡1 min时，暂停计时，并将试样盒取出置于第2个崩解水槽的楔形体上，恢复计时，浸泡至3 min时，暂停计时；将试样盒取出置于第3个崩解水槽的楔形体上，恢复计时，浸泡至6 min时，暂停计时……；按此方法依次进行，其中在第4、5、6、7个崩解水槽中的浸泡累计时间分别为12、18、24、30 min。实验过程中，试样盒的取出和放置务必保证不扰动其中的试样。单个试样的实验结束后，将7个崩解水槽静置24 h后，倒掉上层清水，并将剩下的水土放入烘干箱中烘干，进行称量，能得到每个时间段试样的崩解量。

根据实验过程中试样累积崩解量与崩解时间的关系，可计算土壤崩解速率

式中: v为崩解速率，g/min；H_j, H_i分别为j、i2点对应的累积崩解量，g, ；T_j，T_i分别为j、i2点对应的崩解时间，min。

根据土壤崩解速率与崩解时间的关系，可绘制土壤崩解曲线，运用excel软件对数据进行处理和制图，利用SPSS软件进行数据相关性分析。

当试样浸水之后，试样表面产生大量的气泡，并且实验过程中试样表层土颗粒会迅速扩散，这样使得崩解水槽中的清水变得浑浊，同时观察发现试样首先从底部产生颗粒状、块状的崩解。试样从底部崩解慢慢延伸到顶部，且顶部表面慢慢出现缝隙，底部崩解的速率在加快。当室内土体试验到中后期，发现气泡的直径较小但数量较密集，偶尔伴随有大气泡，崩解速率变得缓慢 (图 2)。

图 2(Figure 2)

图 2 紫色土试样崩解过程示意图 Figure 2 Process sketch of disintegration of purple soil samples

试样从底部的崩解，随着时间的增长，底部慢慢掏空，并且试样从底部开始延伸到顶部，崩解的区域慢慢的扩大；开始崩解时有小颗粒掉下，慢慢转为块状的掉下。试样从底部开始崩解主要原因为底部较水位顶部深，因而底部承受的水压比顶部大，引起底部与顶部的压力不一致，加速底部的水分子进入试样的空隙，试样底部的崩解较快，底部的崩解量比上部大。

在试样含水率相同、坡度一致的情况下，以试样的崩解时间为横坐标、试样崩解速率为纵坐标，得到3组不同干密度试样崩解曲线 (图 3)。

图 3(Figure 3)

ρd为干密度。 ρd is the dry density. 图 3 初始含水率18%、坡度为20°时不同干密度紫色土试样崩解曲线 Figure 3 Disintegration curves of purple soil samples with different dry densities under initial water content of 18% and slepe gradient of 20°

可见，紫色土试样的崩解速率随着干密度的增加而增加，试样崩解过程可分为3个阶段。OA段的加速度一直在增大，加快崩解的速率；AB段的加速度慢慢减小，随着时间的增加加速度恒定，崩解速率为1个定值；BC段已经是崩解实验的后期，随着时间的增加，崩解加速度减小，崩解速度也减小。OA段: 由于试样刚开始放入水槽中，水分子进入到试样空隙中，虽然开始土壤的胶结力较大，但是水分子随着时间的增加，加快进入土壤空隙中，并且看到一个现象，试样的表面有气泡溢出，由少变多，崩解速率由慢变快；AB: 段随着时间的增加，水分子进入空隙的速度一定时，促成了土壤的胶结力由大变小慢慢恒定，这样试样的崩解速率变成恒定；BC段: 由于在崩解实验的后期，试样土体的空隙中的水分子越来越多，这样土体颗粒会受到水分子压力，不利于土体的崩解，后期的崩解速率越来越小。

在试样干密度相同、坡度一致的情况下，以试样的崩解时间为横坐标、试样崩解速率为纵坐标，得到3组不同初始含水率试样崩解曲线 (图 4)。

图 4(Figure 4)

w为含水率。 Note: w is the rate of water content. 图 4 干密度1.35 g/cm3、坡度为20°时不同初始含水率紫色土崩解曲线 Figure 4 Disintegration curves of purple soil samples with different initial water content under dry density of 1.35 g/cm3 and slope gradient of 20°

可见，紫色土，试样的崩解速率的快慢随着初始含水率的增加而减小，到崩解最后阶段，崩解速率趋于稳定，试样崩解过程可分为3个阶段。OA段初始含水率不同，含水率越低，空隙越多，有利于水的进入，这样崩解的加速度加快；AB段加速度趋于稳定这是由于随着水与试样的接触面积的变为恒定，崩解的速率达到最大；到BC段，崩解的加速度减小，崩解速度降低，这是随着时间的增加，由于试样最终都达到饱和的含水率，初始含水率不再是影响试样的崩解速率。实验过程发现，初始含水率大，试样崩解时间要远远大于初始含水量较小的试样，崩解过程较慢。

在试样干密度、初始含水率均相同的情况下，以试样的崩解时间为横坐标、试样崩解速率为纵坐标，得到3组不同坡度条件的试样崩解曲线 (图 5)。

图 5(Figure 5)

图 5 干密度1.40 g/cm3、含水率28%时不同的坡度紫色土崩解曲线 Figure 5 Disintegration curves of purple soil samples with different slope gradient under dry density of 1.35 g/cm3 and initial water content of 28%

可见，紫色土试样的崩解速率随着坡度的增加而增加，整体崩解速率随时间的变化仍为先增加后减缓的过程。

当试样从放入水中，土样从底部开始崩解，随着时间的增长，底部慢慢掏空，并且试样从底部开始延伸到顶部，崩解的区域慢慢的扩大，由小颗粒慢慢转变为块状的掉下。

试样干密度的大小决定其自身崩解速率快慢的主要因素，如果干密度不同，试样的微观空隙结构和渗透性也不相同，从而决定了其自身崩解的快慢也不相同。土被压密后，孔隙率减小，有一部分留在孔隙中气体被挤出，这样孔隙会减少，同时有些孔隙会成为封闭的孔隙，浸泡时水很难渗入，这样渗透性也随之减小^[10]。由于试样的体积一定，干密度较大空隙较小，这样土壤颗粒之间的接触更充分，在干密度增加的过程中，也加速了颗粒间形成较大的胶结力^[11]。通过运用SPSS软件对崩解速率与土壤的干密度进行相关性分析，结果可以得出，在水平α=0.01，崩解速率与干密度的相关系数为0.517, 崩解速率与干密度的Pearson相关性为-0.15，即在试样含水率一定的条件下，土壤崩解速率与干密度的相关性不显著。此结论与张晓媛等^[12]对砂质黏壤土静水崩解速率的影响研究相似。

土壤初始含水率直接决定土壤颗粒胶结的状态，所以初始含水率的大小直接决定其发生崩解的关键因素之一。土壤颗粒间的连结的力本质是原子、正离子和负离子之间的相互形成的连接力^[13]。初始含水率影响土壤的本质即为土壤中的原子、正离子和负离子的连接力的大小；在崩解的过程中，随着水不断浸润土体表面，水分子会不断进入到土体内部，这样不断进入水分子与土壤中的原子、正离子和负离子相互作用，影响它们之间的连接力的大小，土体中的亲水的离子会和水作用，就导致原来土体的原子、正离子和负离子的连接力减弱或消失。李喜安等^[14]的研究表明，如果其他的条件保持一致的情况下，土壤试样速率崩解快慢随着初始含水率的减小而崩解速率增加。由于土体有土颗粒、气孔、水蒸气，随着初始含水率的增加时，土颗粒周围会布满水分，这样会把土体中的气体压缩并且会把气体分隔开，形成内部应力的平衡，在崩解的过程中，水不容易进入，这样不利于试样的崩解。

运用SPSS软件对崩解速率与土壤初始含水率进行相关性分析。由分析结果可知: 在水平α=0.05，崩解速率与含水率的Pearson相关性系数为-0.406，即在土样干密度相同的条件下，土壤崩解的速率与初始含水率在0.05水平下是相关性显著。此结论与张晓媛等^[12]对砂质黏壤土静水崩解速率的影响研究相似。

按照土壤侵蚀的“动力”划分，土壤侵蚀主要划分水力侵蚀、重力侵蚀、和风力侵蚀3种类型。重力侵蚀主要是由于土壤和自身的重力作用下，不能继续存在原来的位置，这样就能够形成分散地或成片地塌落^[15]。土壤崩解是评价土壤抵抗侵蚀能力的重要参数^[16]。

假如把每个土壤颗粒作为质点，把这个质点放在一定的坡度上，在上面可将质点分为重力切向分力、重力垂直于斜面的分力。由于坡度越大，重力切向分力越大，重力也就越大，切向的速率也越大；坡度越小，重力切向分力越小，切向的速率也越小。坡度不同导致土壤颗粒受到的重力和切向分力不一致。

由于坡度不同土壤颗粒崩解速率不一致，土壤颗粒的崩解速率受到坡度的影响，坡度较小，土壤颗粒脱离母体较慢，影响后续崩解；但是达到一定的坡度之后，此时虽脱离母体较快，但土壤颗粒静水崩解速率慢。这就是前期坡度能提高土壤颗粒崩解速率，坡度达到一定之后，崩解速率反而减小的原因所在。斜面坡度增大到一定值时，侵蚀量转为下降趋势，称为“侵蚀转折坡度”，且这与席有关于坡度影响土壤侵蚀研究中的论证观点“黄土丘陵沟壑区，侵蚀转折坡度值大约为25°~28.5°之间”^[17]基本相同。

由利用软件对不同坡度与崩解速率相关性分析可见: 在水平α=0.01，不同坡度与崩解速率的Pearson相关性系数是0.250，即在初始含水率和干密度条件一致的情况下，土壤的不同坡度与崩解速率在0.01水平下的相关性不显著。可能的原因在于本实验设置的坡度为10°、20°和30°，在实验坡度范围内崩解速率与坡度的相关性不显著。

1) 崩解速率与干密度的相关性不明显，但是随着干密度的增大，试样的崩解速率先增大后减小。

2) 崩解速率随初始含水率的增加而降低。下降趋向较明显，SPSS分析相关性较好。说明消落带下部长期浸泡在水中，反而崩解量较少，而在消落区上下波动的区域而容易崩解。

3) 崩解速率随坡度的增大而增大。这是试样在水槽中的上下的压力不一致，会导致试样从底部开始崩解；同时最主要的是由于坡度越大，试样的土颗粒更容易脱离母体，这样能够加速试样的崩解速率，随着时间的增加，试样的崩解区域变得越来越大，随着崩解区域的增大，会加快形成滑坡、泥石流的形成。