Influence of Vegetation-growing Concrete on the Distribution and Anti-erodibility of Aggregates
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摘要: 为了定量评价人工混凝土壤生态护坡基材的抗蚀性，室内测定了其团聚体分布特征和各抗蚀性指标，并与立地条件相似的自然土壤进行了对照分析。结果表明：与自然土壤相比，人工混凝土壤中 > 0.25 mm机械稳定性团聚体含量、> 0.25 mm水稳性团聚体含量R0.25、平均重量直径MWD、几何平均直径GWD与有机质含量均显著提升，可蚀性因子K、结构破坏率PAD、分形维数D与分散率均显著降低；同时，抗蚀性主成分值提高了2.53倍。这均证实人工混凝土壤团聚状况和团聚度有所改善，抗蚀性较自然土壤有较大的提升。相关性分析表明 > 0.25 mm水稳性大团聚体含量R0.25和有机质含量与其他抗蚀性指标之间均存在极显著的相关性。综合分析可知，由于添加了水泥和天然有机物料，人工混凝土壤的水稳性大团聚体含量和有机质含量明显提升，因此导致其稳定性与抗蚀性显著优于原材料之一的自然土壤。Abstract: In order to quantitatively evaluate the erosion resistance of base materials on the ecological concrete protection slope, the aggregates distribution characteristics and various erosion resistance indices were analyzed in laboratory, compared with the natural soil with similar site conditions. The results showed that the proportions of > 0.25 mm mechanical stability aggregates and > 0.25 mm water-stable aggregates, mean weight diameter (MWD), geometric mean diameter (GWD), and organic matter in the vegetation-growing concrete were higher than those in the natural soil. However, the structural failure rate (PAD), erodibility factor (K), dispersion rate, and fractal dimension (D) in the vegetation-growing concrete were significantly lower than those in natural soil. The principal component value of anti-erodibility of vegetation-growing concrete was 2.5 times higher than that of natural soil, indicating that the vegetation-growing concrete improved aggregation degree, and increased its anti-erodibility. Correlation analysis showed that the proportion of > 0.25 mm water-stable macroaggregates and organic matter were closely related to the other anti-erodibility indicators. Hence, the addition of natural organic materials and cement significantly increased the content of organic matter and the proportion of water-stable macroaggregates of vegetation-growing concrete, resulting in significantly better aggregate stability and anti-erodibility compared with that of natural soil.
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我国是世界上土壤侵蚀与水土流失最严重的国家之一，其在边坡上的表现尤为明显。如何提高土壤的抗蚀性，减轻水土流失，一直是广大研究人员关注的热点。土壤的抗蚀性是土壤对侵蚀营力所表现出来的稳定性[1]，是反映水土流失的重要指标，除了与外在的气候条件、植被类型、耕作模式等有关外，还与其内在的物理和化学性质密切相关，如团聚体特性和有机质含量等[2]。土壤团聚体是指原生细小土粒通过凝聚、胶结等作用而形成的基本结构单元，其分布特征与土壤的侵蚀过程相关密切，是衡量土壤抗蚀性的有效指示因子[3~4]。人工混凝土壤由植生土、水泥、有机物料和绿化添加剂四种固相原材料按一定比例均匀混合后添加适量水而成。作为一种典型的人造复合土壤，其可在裸露岩质坡体表面营造适宜的植被生境，从而对边坡实施生态修复与浅层防护，现已广泛应用于全国各地[5]。现场应用实况已表明，人工混凝土壤的抗蚀性明显要高于自然土壤[6]，但其提高的确切程度与本质，尚缺乏具体的数据支撑与依据。
近年来，针对不同地区和不同类型土壤的团聚体特征及抗蚀性，前人已开展过众多研究，并取得一系列研究成果。白秀梅[7]选用有机质含量、土壤颗粒组成、水稳性指数、分散系数等抗蚀性指标，研究了关帝山林区土壤的抗蚀性能及内在影响因素。马帅等[8]选取土壤团聚体平均重量直径、团聚体破坏率、团聚度等多个评价指标综合评价了不同植被类型下的土壤团聚体特征及其抗蚀性。唐骏等[9]采用湿筛法测定了黄土区排土场土壤水稳性团聚特征，表明植被恢复提高了土壤团聚性。曾全超[10]对黄土高原典型草地的不同土壤团聚体分布特征与土壤可蚀性之间的关系进行了系统分析。谷忠元[11]揭示了南方湘东地区土壤团聚体的分布规律及其影响稳定性的因素，为土壤团聚体胶结机制和土壤侵蚀提供了理论依据。Delelegn[12]认为任何土壤的退化首先表现于土壤团聚体结构的破坏。Tang[13]运用土壤团聚体粒径参数和分形维数成功评估了土壤团聚体的稳定性。
众多研究为土壤抗蚀性的研究和评价提供了宝贵的经验，然而当前其研究对象多局限于自然土壤，鲜有在边坡上人造复合土壤团聚体及其抗蚀性定量分析的报道。因此，本文根据前人研究，针对人工混凝土壤选取了若干个具有代表性的抗蚀性指标，测定分析了其团聚体分布特征和各抗蚀性指标的具体情况，并与原材料之一的自然土壤相对比。本文旨在深入了解人工混凝土壤抗蚀性大小，期望为人造复合土壤团聚体的研究提供经验借鉴，为边坡生态修复中土壤的稳固提供科学依据。
1. 材料与方法
1.1 试验区概况
宜昌地处湖北省西南地区，介于110°15′ ~ 112°04′ E和29°56′ ~ 31°34′ N之间，属于中亚热地带，年平均降雨量992.1 ~ 1404.1 mm，多在夏季6 ~ 7月，雨热同期，全年积温较高，霜期较短，年平均气温14 ~ 19 ℃。
试验选取宜昌地区峡州大道一侧的边坡为研究坡地，该边坡基岩为浅红色泥岩，2015年夏末在坡面人工营造了一层厚约15 cm的人工混凝土壤。边坡施工时，植生土取自该泥岩边坡附近的一自然土坡，水泥为强度等级42.5的普通硅酸盐水泥，有机物料为粒径小于2 mm的杉木锯末，绿化添加剂为三峡大学专利产品LY-002型绿化添加剂，四种固相原材料依次按干质量比100∶10∶8∶5均匀混配[5]，再加入适量的水混合喷射在边坡上。经测定，制成的人工混凝土壤容重为1.45 g cm−3，天然含水率为16.3%，孔隙率为40.18%，pH值为7.4，对植物的生长无不良影响。试验同时选取植生土的取料场自然土坡为对照坡地，且所选取的对照坡地与人工混凝土壤坡地的立地条件大体一致，即两边坡坡位均朝北，坡度约58°，坡高约2.6 m，植被盖度约90%，植株高度变化幅度为30 ~ 100 cm。
1.2 采样方法
2018年4月分别在研究坡地与对照坡地中各选取6块植被生长良好的区域作为采样样地，单块样地大小设置为1.5 m × 1.5 m，在各样地土层深度0 ~ 15 cm范围内按S形随机采取5点组成一个样品，试验与测量结果取平均值。取样时采集大土块，用塑料盒子盛装，小心搬运至实验室，风干至土壤塑限（ωP = 21.9%）以下后沿土壤自然结构面小心剥成直径为10 ~ 12 mm的小土块，同时剔除植物根系及小石粒。
1.3 评价指标
表征土壤团聚体特征及抗蚀性的指标很多，单一指标仅能反映土壤对侵蚀营力的相对敏感性，多种指标的组合则能较全面地反应土壤抵抗侵蚀作用的实际能力。因此，本文从4个方面选用如下多种评价指标。
（1）机械稳定性团聚体类
$$ {M_{0.25}} = W({\rm{r}} > 0.25)/{W_T}$$ (1) 式中：M0.25表示 > 0.25 mm机械稳定性团聚体含量（%），W(r > 0.25)表示粒径大于0.25 mm的机械稳定性团聚体质量，WT表示机械稳定性团聚体各粒径质量之和。
（2）水稳性团聚体类
$$ {R_{0.25}} = M( {{\rm{r}} > 0.25} )/{M_T}$$ (2) 式中：R0.25表示 > 0.25 mm水稳性团聚体含量（%），M(r > 0.25)表示粒径大于0.25 mm的水稳性团聚体质量，MT表示水稳性团聚体各粒径质量之和。
团聚体平均重量直径MWD（mm）和几何平均直径GMD（mm）计算公式如下：
$$MWD = \sum\limits_i^n {\overline {{x_i}} } {w_i}$$ (3) $$GMD = {{\exp}}\left( {\sum\limits_{{{i}} = 1}^{{n}} {{\omega _{{i}}}{{\ln}}{{{x}}_{{i}}}} } \right)$$ (4) 团聚体结构破坏率PAD（%）表示大团聚体（> 0.25 mm）通过湿筛破碎的程度。
$$ PAD=\frac{ > 0.25\;{\rm{mm}}{\text{团聚体含量(干筛-湿筛)}}}{ > 0.25\;{\rm{mm}}{\text{干筛团聚体含量}}}\times 100\%$$ (5) 土壤分形维数D（Fractal dimension），其计算公式为：
$$\lg \left[ {\frac{{M\left( {r < \overline {{x_i}} } \right)}}{{{M_T}}}} \right] = \left( {3 - D} \right)\lg \left[ {\frac{{\overline {{x_i}} }}{{{x_{\max }}}}} \right]$$ (6) 用EPIC方程来计算土壤可蚀性因子K值，其公式为：
$$\!\!\!\!\!\! K = \left\{ {0.2 + 0.3{\rm{exp}}\left[ { - 0.0256{S_{\rm{a}}}\left( {1 - \frac{{{S_{\rm{i}}}}}{{100}}} \right)} \right]} \right\}{\left[ {\frac{{{S_{\rm{i}}}}}{{{C_1} + {S_{\rm{i}}}}}} \right]^{0.3}} \times \left[ {1 - \frac{{0.25C}}{{C + {\rm{exp}}\left( {3.72 - 2.95C} \right)}}} \right] \times \left[ {1 - \frac{{0.7{S_{\rm{n}}}}}{{{S_{\rm{n}}} + {\rm{exp}}\left( { - 5.51 + 22.9{S_{\rm{n}}}} \right)}}} \right] $$ (7) 式中：
$M\left( {r < \overline {{x_i}} } \right)$ 表示粒径小于$ \overline {{x_i}}$ 的水稳性团聚体质量；$ \overline {{x_i}}$ 表示i粒级下水稳性团聚体的平均直径（mm）；xmax表示水稳性团聚体的最大粒径，wi表示i粒径水稳性团聚体所占的比例。Sa为砂粒（2 ~ 0.05 mm）含量（%）；Si为粉粒（0.05 ~ 0.002 mm）含量（%）；C1为粘粒（< 0.002 mm）含量（%）；C为有机碳含量（%）；Sn为1 − Sa/100。K为国际制单位t hm2 h hm−2 MJ−1 mm−1。（3）微团聚体类
$$ {A_{\rm{c}}} = {M_a}\left( {{\rm{r}} > 0.05} \right) - {M_{\rm{c}}}\left( {{\rm{r}} > 0.05} \right) $$ (8) $$ {A_{\rm{d}}} = {A_{\rm{c}}}/{M_a}\left( {{\rm{r}} > 0.05} \right) \times 100\% $$ (9) $$ {D_{\rm{r}}} = {M_a}\left( {{\rm{r}} < 0.05} \right)/{M_{\rm{c}}}\left( {{\rm{r}} < 0.05} \right) \times 100\% $$ (10) 式中：Ac表示团聚状况（%），Ma(r > 0.05)表示 > 0.05 mm微团聚体分析值，Mc(r > 0.05)表示 > 0.05 mm土壤机械组成分析值；Ad表示团聚度（%）；Dr表示分散率（%），Ma(r < 0.05)表示 < 0.05 mm微团聚体分析值，Mc(r < 0.05)表示 < 0.05 mm土壤机械组成分析值。
（4）有机胶体类
有机质含量（%），为直接测得。
1.4 测定方法
机械稳定性团聚体粒径分布测定采用干筛法：每次称250 g风干土样放置于套筛最上层，套筛孔径依次为7 mm、5 mm、3 mm、2 mm、1 mm、0.5 mm和0.25 mm，将套筛放置在振筛机上振荡10 min，取筛上物称重。水稳性团聚体粒径分布测定采用Yoder湿筛法[14]：按干筛后各粒径土粒分布的质量百分比配制成50 g风干土样，小心放入5 mm、3 mm、2 mm、1 mm、0.5 mm和0.25 mm的套筛最上层，加水人工震荡10 min，取筛上物，烘干称重。土壤有机质采用重铬酸钾－外加热法测定，土壤微团聚体与机械组成采用吸管法测定。
1.5 数据处理
数据统计分析使用Excel 2013，采用SPSS 22.0进行单因素方差分析（P < 0.05）和Pearson相关分析（95%水平以下）。
2. 试验结果与分析
2.1 团聚体粒径分布特征
2.1.1 机械稳定性团聚体粒径分布特征
干筛法对土壤颗粒结构破坏较少，主要测定的是土壤在自然状态下团聚体粒径的分布情况[15]。自然土壤和人工混凝土壤机械稳定性团聚体的粒径分布如图1所示。其中人工混凝土壤 > 7 mm团聚体含量最高，占总数的52.9%，显著高于其他粒径（P < 0.05）；其次为7 ~ 5 mm和 < 0.25 mm团聚体含量，分别约占总数的15%和13%，两者均显著高于5 ~ 0.25 mm团聚体的含量（P < 0.05）；而5 ~ 0.25 mm含量中的5个不同粒径组之间差异不显著（P < 0.05），其中3 ~ 2 mm团聚体含量最少，不足2%。而自然土壤在粒径分布上同人工混凝土壤具有一定的差异，其中 > 7 mm团聚体含量比人工混凝土壤的含量少11%左右，< 0.25 mm和0.5 ~ 0.25 mm两粒径团聚体的含量比人工混凝土壤分别高约8%和3%（P < 0.05）；但在7 ~ 5 mm、5 ~ 3 mm、3 ~ 2 mm、2 ~ 1 mm、1 ~ 0.5 mm这5个粒径团聚体的含量上，人工混凝土壤与自然土壤无显著差异。说明人工混凝土壤相比自然土壤最主要的区别在于其 > 7 mm机械大团聚体含量显著提高，而 < 0.25 mm小团聚体含量显著降低。
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图 1 机械稳定性团聚体粒径分布Figure 1. Particle size distribution of mechanical stability aggregates2.1.2 水稳性团聚体粒径分布特征
水稳性团聚体粒径的分布情况主要反映土壤在水力侵蚀破坏下的稳定性[16]。如图2所示，人工混凝土壤 > 5 mm与 < 0.25 mm两种水稳性团聚体粒径的含量较高，分别占到总数的32%与50%左右，显著高于5 ~ 0.25 mm团聚体的含量（P < 0.05）；中间5个粒径组团聚体的含量均不超过5%，相互之间无显著差异（P < 0.05）。对比来看，自然土壤水稳性团聚体的粒径分布同人工混凝土壤存在较大的区别，其中 < 0.25 mm团聚体含量最高，达到74%左右，显著高于人工混凝土壤的含量；而 > 5 mm团聚体的含量仅为12%，显著低于人工混凝土壤含量（P < 0.05）；但在5 ~ 3 mm、3 ~ 2 mm、2 ~ 1 mm、1 ~ 0.5 mm、0.5 ~ 0.25 mm这5个团聚体的含量上，人工混凝土壤与自然土壤差异并不显著。表明相比自然土壤，人工混凝土壤 > 5 mm大粒径水稳性团聚体含量明显提高，而小粒径团聚体含量降低。
2.2 抗蚀性指标特征
经过测定，人工混凝土壤与自然土壤两种不同土壤的各抗蚀性指标如表1所示。由表1可知，人工混凝土壤与自然土壤的各抗蚀性指标间均存在差异显著（P < 0.05）。在团聚体粒径分布上，人工混凝土壤中 > 0.25 mm机械与水稳团聚体的含量分别比自然土壤高9.0%和97%。人工混凝土壤平均重量直径MWD和几何平均直径GMD分别比自然土壤高1.24和1.59倍。结构破坏率PAD和可蚀性因子K分别比自然土壤低38.1%和71.4%。人工混凝土壤在干、湿筛下的分形维数D分别比自然土壤低22%和24.4%。在微团聚体上，团聚状况与团聚度分别比自然土壤高63.9%和38.5%，而分散率比自然土壤低27.2%。此外，人工混凝土壤的有机质含量比自然土壤高65.2%。
表 1 人工混凝土壤与自然土壤抗蚀性特征Table 1. Anti-erodibility characteristics of vegetation-growing concrete and natural soil土壤类型
Soil type> 0.25 mm团聚体含量（%）
Proportion of > 0.25 mm aggregate结构破坏率
PAD Percentage
aggregate disruption
（%）平均重量直径
Mean weight
diameter
（mm）几何平均直径
Geometric mean
diameter
（mm）K（t hm2 h hm−2
MJ−1 mm−1）机械
Mechanical水稳
Water stability人工混凝土壤 87.01 a 50.25 a 42.4 b 2.84 a 0.75 a 0.02 b 自然土壤 79.86 b 25.51 b 68.5 a 1.27 b 0.29 b 0.07 a 变化率 9.0% 97.0% −38.1% 123.6% 158.6% −71.4% 土壤类型
Soil type有机质
Organic matter
(g kg−1)分形维数D
Fractal dimension团聚状况
Aggregate state
（%）团聚度
Aggregate degree
（%）分散率
Dispersion rate
（%）干筛
Dry sieving湿筛
Wet sieving人工混凝土壤 24.93 a 2.30 b 2.11 b 11.18 a 28.23 a 53.36 b 自然土壤 15.09 b 2.95 a 2.79 a 6.82 b 20.39 b 73.32 a 变化率 65.2% 22.0% −24.4% 63.9% 38.5% −27.2% 注：不同小写字母表示同一抗蚀性指标的不同土壤之间差异显著（P < 0.05），样本量n = 60。 结果表明，与自然土壤相比，人工混凝土壤的抗蚀性明显提升。如在团聚体粒径分布上，人工混凝土壤中 > 0.25 mm水稳性团聚体含量显著提升；在水稳性团聚体指标中，MWD与GWD均有较大提高，说明人工混凝土壤颗粒间团聚程度有所提高，土壤结构得以改善。可蚀性因子K、PAD、分形维数D和分散率有较明显下降，说明人工混凝土壤抗分散能力得到了加强，其抗蚀性与稳定性明显优于自然土壤。
2.3 抗蚀性指标间相关性分析
对本文前述的评价指标进行相关性分析，其结果见表2。结果显示，人工混凝土壤 > 0.25 mm水稳性团聚体含量R0.25（X2）和有机质含量（X11）与其它各抗蚀性指标均关系密切，是影响人工混凝土壤抗蚀性的两个最重要的指标。水稳性团聚体含量R0.25（X2）与MWD（X3）（r = 0.985**）、GWD（X4）（r = 0.966**）、有机质（X11）（r = 0.968**）极显著正相关，与可蚀性因子K（X5）（r = −0.983**）、分形维数D（X6）（r = −0.950**）极显著负相关。而有机质含量（X11）与MWD（X3）（r = 0.982**）、GWD（X4）（r = 0.974**）极显著正相关，与可蚀性因子K（X5）（r = −0.950**）极显著负相关，与分形维数D（X6）（r = −0.915*）、结构破坏率PAD（X7）（r = −0.906*）显著负相关。此外，其它各个指标之间也存在着不同程度的相关性。
表 2 抗蚀性指标间的相关性Table 2. Correlation between anti-erodibility indicesX1 X2 X3 X4 X5 X6 X7 X8 X9 X10 X11 X1 1.000 X2 0.954** 1.000 X3 0.961** 0.985** 1.000 X4 0.957** 0.966** 0.974** 1.000 X5 −0.853 −0.983** −0.864 −0.868 1.000 X6 −0.912* −0.950** −0.915* −0.907* 0.879 1.000 X7 −0.907* −0.923* −0.921* −0.913* 0.910* 0.864 1.000 X8 0.773 0.875 0.768 0.774 −0.562 −0.798 −0.865 1.000 X9 0.832 0.845 0.821 0.830 −0.764 −0.690 −0.675 0.903* 1.000 X10 −0.814 −0.891 −0.879 −0.871 0.745 0.619 0.902* −0.921* −0.911* 1.000 X11 0.914* 0.968** 0.982** 0.974** −0.950** −0.915* −0.906* 0.865 0.871 −0.821 1.000 注：**为0.01水平上极显著相关，*为0.05水平上显著相关，样本量n = 60。X1为 > 0.25 mm机械稳定性团聚体含量（%）；X2为 > 0.25 mm水稳性团聚体含量R0.25（%）；X3为平均重量直径MWD（mm）；X4为几何平均直径GWD（mm）；X5为可蚀性因子K（t hm2 h hm−2 MJ−1 mm−1）；X6为湿筛下的分形维数D；X7为结构破坏率PAD（%）；X8为团聚状况（%）；X9为团聚度（%）；X10为分散率（%）；X11为有机质含量（g kg−1）。下同。 2.4 抗蚀性指标主成分分析
衡量土壤抗蚀性的指标较多，相互之间信息重叠且有一定的关联性，为进一步揭示各抗蚀性指标对土壤抗蚀性的贡献，采用SPSS软件对本文2.3所述的11个指标进行主成分分析，结果见表3。根据主成分个数提取原则，上述11个指标可提取三个主成分，特征值分别为6.305，2.276和1.942，其中主成分Y1贡献率为57.32%，主成分Y2贡献率为20.69%，主成分Y3贡献率为17.66%，三者累积贡献率达95.67%，信息损失量仅为4.43%，满足主成分分析对信息损失量的要求。
表 3 抗蚀性指标PCA分析Table 3. PCA analysis of anti-erodibility index主成分
Principal
component各项指标因子载荷
Factor load of each index特征根
Characteristic
root累积贡献率
Cumulative
contribution rate
(%)X1 X2 X3 X4 X5 X6 X7 X8 X9 X10 X11 Y1 0.932 0.961 0.943 0.952 −0.858 −0.870 −0.822 0.231 0.425 −0.543 0.141 6.305 57.32 Y2 −0.03008 −0.013 0.024 0.026 0.167 0.015 0.264 0.874 0.852 −0.828 −0.015 2.276 78.01 Y3 −0.2103 0.254 0.289 0.249 −0.431 0.379 −0.469 −0.379 −0.142 0.086 0.983 1.942 95.67 由表3中各指标负荷量可知，对主成分Y1贡献较大的是 > 0.25 mm机械稳定性团聚体含量（X1）、> 0.25 mm水稳性团聚体含量R0.25（X2）、平均重量直径MWD（X3）与几何平均直径GWD（X4）；对主成分Y2贡献较大的是团聚状况（X8）、团聚度（X9）与分散率（X10）；对主成分Y3贡献最大的是有机质含量（X11）。其中 > 0.25 mm机械稳定性团聚体含量（X1）、> 0.25 mm水稳性团聚体含量R0.25（X2）、平均重量直径MWD（X3）、几何平均直径GWD（X4）、团聚状况（X8）、团聚度（X9）与有机质含量（X11）均为正向贡献，仅有分散率（X10）为负向贡献。情况表明，> 0.25 mm机械稳定性团聚体含量、> 0.25 mm水稳性团聚体含量R0.25、平均重量直径MWD、几何平均直径GWD、团聚状况、团聚度与有机质含量越大，分散率越小，土壤的抗蚀性就越好。
由表3中的主成分载荷与特征根，可分别得出第一、二、三主成分表达式，具体如下：
Y1 = 0.148X1 + 0.152X2 + 0.150X3 + 0.151X4 − 0.136X5 − 0.138X6 − 0.130X7 + 0.037X8 + 0.067X9 − 0.086X10 + 0.022X11
Y2 = −0.017X1 − 0.006X2 + 0.011X3 + 0.011X4 + 0.073X5 + 0.007X6 + 0.116X7 + 0.384X8 + 0.374X9 − 0.364X10 − 0.007X11
Y3 = −0.110X1 + 0.131X2 + 0.149X3 + 0.128X4 − 0.222X5 + 0.195X6 − 0.242X7 − 0.195X8 − 0.073X9 + 0.044X10 + 0.506X11
据此计算出人工混凝土壤与自然土壤抗蚀性的主成分值，如表4所示。
表 4 不同土壤抗蚀性主成分值Table 4. Main component values of soil anti-erodibility土壤类型
Soil type第一主成分Y1
First principal component第二主成分Y2
Second principal component第三主成分Y3
Third principal component综合主成分Y
Comprehensive principal component人工混凝土壤 0.249 0.006 0.361 0.617 自然土壤 −0.072 0.040 0.207 0.175 以每个主成分对应的特征值占所提取的主成分总特征值的比重作为权重得到综合主成分模型Y = 0.599 Y1 + 0.216 Y2 + 0.185 Y3，据此计算人工混凝土壤与自然土壤抗蚀性的综合主成分值。从表4中可以得知，通过综合主成分评价得出人工混凝土壤抗蚀性的综合主成分值为0.617，自然土壤抗蚀性的综合主成分值为0.175。
3. 讨论
已有众多学者对土壤抗蚀性的研究表明[17-18]，土壤中大团聚体与有机质含量越多，平均重量直径MWD与几何平均直径GMD越大，团聚状况与团聚度就越好；而结构破坏率PAD、可蚀性因子K、分形维数D及分散率越小，土壤稳定性与抗蚀性就越强。本文中人工混凝土壤各抗蚀性指标与自然土壤的对比情况表明，人工混凝土壤抗蚀性比自然土壤明显提升，其抗蚀性综合主成分值更是自然土壤的3.53倍。分析原因，人工混凝土壤在配制时添加了较多的有机物料和水泥。其一，作为天然有机物料，所加入的大量杉木锯末经过长时间的腐烂，可转化为有机质，使人工混凝土壤中有机质的含量大大高于其原材料之一的自然土壤。有机质中含有的有机胶体具有胶结和团聚作用[22]，能够促进土壤中大团聚体的形成，提高土粒之间的黏结力。而土壤的抗蚀性在很大程度上取决于有机胶结物质对土粒胶结的能力，窦森[19]曾指出大团聚体与有机质是土壤保持结构稳定的基础，Wagner和Yao等[20-21]的研究也表明有机质含量越高，越有利于土壤团聚体的形成与抗蚀性的增强。因此有机质含量的提升导致人工混凝土壤中机械稳定性大团聚体含量（X1）和水稳性团聚体含量R0.25（X2）提升，土壤抗蚀性得到增强。同时，有机质在微生物作用下分解产生有机酸，可防止团聚体消散，减少了团聚体破坏率（X7），也会增强土壤的抗蚀性。
其二，加入的水泥遇水发生水化反应，会直接转化为水化硅酸钙、水化铝酸钙凝胶及Ca(OH)2晶体等化合物，这些结晶化合物在较强化学键的作用下，将土壤微团聚体凝聚起来，相互胶结成结晶网与坚固致密的结构体[23]，使人工混凝土壤抗蚀性得到增强。这与张冠华[24]的研究结果认为添加土壤固化剂能提高边坡土壤的抗侵蚀性相似，人工混凝土壤中添加水泥后，实质上已成为一种水泥土，水泥与固化剂作用相似，可改善土壤中的团聚状况（X8），提高团聚度（X9），减少分散率（X10），提高土壤的抗蚀性。因此，人工混凝土壤中的水泥和锯末均能显著提升抗蚀性，导致其抗蚀性综合主成分值远高于自然土壤。有机质和水泥对比来看，有机质含量的提升主要促进了大团聚体形成，防止大团聚体消散；而水泥生成的结晶化合物主要增强微团聚体的凝聚性。由于大团聚体对土壤抗蚀性贡献更高，因此有机质对人工混凝土壤的抗蚀性贡献更大。
本研究还发现，在相关性分析中> 0.25 mm水稳性团聚体含量R0.25和有机质含量两个指标与其他抗蚀性指标均存在显著相关性，可最好的反映人工混凝土壤的抗蚀性。吴鹏[25]、Zhang[26]等通过对土壤抗蚀性的研究，亦认为上述两指标分别与平均重量直径MWD、可蚀性因子K、分形维数D等抗蚀性指标之间存在极显著的相关性。本文研究结果表明在这一点上人工混凝土壤与自然土壤基本一致。主成分分析也表明，团聚体类指标对人工混凝土壤抗蚀性的贡献率最高，所以在以后的研究中可用 > 0.25 mm大团聚体含量和有机质含量两个指标来评价人工混凝土壤这一生态基材的抗蚀性。
综上，对裸露岩质坡体开展生态修复工作，营造抗蚀能力强的植被生境是其前提条件，人工混凝土壤的抗蚀性显著高于自然土壤，在水力作用下的破坏程度更小，稳定性更好，从而在日后的工程应用中具备广阔的前景。
4. 结论
（1）在团聚体粒径分布特征上，相比自然土壤，人工混凝土壤的机械大团聚体和水稳性大团聚体含量均有显著提高，而 < 0.25 mm小粒径团聚体含量显著降低，且水稳性大团聚体含量提高更为明显。
（2）与自然土壤相比，人工混凝土壤各抗蚀性指标均有显著改善，表明其团聚程度提高，抗分散能力增强，抗蚀性与稳定性明显优于自然土壤。主成分分析表明，人工混凝土壤抗蚀性综合主成分值提高了252.6%。
（3）相关性分析表明，人工混凝土壤中的 > 0.25 mm水稳性团聚体含量R0.25和有机质含量与其他抗蚀性指标均存在显著相关性，且这两个指标对抗蚀性的贡献率较高，可较好反映和评价人工混凝土壤的抗蚀性。
（4）人工混凝土壤在配制时所添加的有机物料和水泥使其水稳性团聚体含量和有机质含量有较大的提升，导致其抗蚀性显著高于自然土壤，因此其更适宜于在裸露岩质坡体表面营造抗蚀能力强的植被生境。
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图 1 机械稳定性团聚体粒径分布
Figure 1. Particle size distribution of mechanical stability aggregates
表 1 人工混凝土壤与自然土壤抗蚀性特征
Table 1 Anti-erodibility characteristics of vegetation-growing concrete and natural soil
土壤类型
Soil type> 0.25 mm团聚体含量（%）
Proportion of > 0.25 mm aggregate结构破坏率
PAD Percentage
aggregate disruption
（%）平均重量直径
Mean weight
diameter
（mm）几何平均直径
Geometric mean
diameter
（mm）K（t hm2 h hm−2
MJ−1 mm−1）机械
Mechanical水稳
Water stability人工混凝土壤 87.01 a 50.25 a 42.4 b 2.84 a 0.75 a 0.02 b 自然土壤 79.86 b 25.51 b 68.5 a 1.27 b 0.29 b 0.07 a 变化率 9.0% 97.0% −38.1% 123.6% 158.6% −71.4% 土壤类型
Soil type有机质
Organic matter
(g kg−1)分形维数D
Fractal dimension团聚状况
Aggregate state
（%）团聚度
Aggregate degree
（%）分散率
Dispersion rate
（%）干筛
Dry sieving湿筛
Wet sieving人工混凝土壤 24.93 a 2.30 b 2.11 b 11.18 a 28.23 a 53.36 b 自然土壤 15.09 b 2.95 a 2.79 a 6.82 b 20.39 b 73.32 a 变化率 65.2% 22.0% −24.4% 63.9% 38.5% −27.2% 注：不同小写字母表示同一抗蚀性指标的不同土壤之间差异显著（P < 0.05），样本量n = 60。 
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表 2 抗蚀性指标间的相关性
Table 2 Correlation between anti-erodibility indices
X1 X2 X3 X4 X5 X6 X7 X8 X9 X10 X11 X1 1.000 X2 0.954** 1.000 X3 0.961** 0.985** 1.000 X4 0.957** 0.966** 0.974** 1.000 X5 −0.853 −0.983** −0.864 −0.868 1.000 X6 −0.912* −0.950** −0.915* −0.907* 0.879 1.000 X7 −0.907* −0.923* −0.921* −0.913* 0.910* 0.864 1.000 X8 0.773 0.875 0.768 0.774 −0.562 −0.798 −0.865 1.000 X9 0.832 0.845 0.821 0.830 −0.764 −0.690 −0.675 0.903* 1.000 X10 −0.814 −0.891 −0.879 −0.871 0.745 0.619 0.902* −0.921* −0.911* 1.000 X11 0.914* 0.968** 0.982** 0.974** −0.950** −0.915* −0.906* 0.865 0.871 −0.821 1.000 注：**为0.01水平上极显著相关，*为0.05水平上显著相关，样本量n = 60。X1为 > 0.25 mm机械稳定性团聚体含量（%）；X2为 > 0.25 mm水稳性团聚体含量R0.25（%）；X3为平均重量直径MWD（mm）；X4为几何平均直径GWD（mm）；X5为可蚀性因子K（t hm2 h hm−2 MJ−1 mm−1）；X6为湿筛下的分形维数D；X7为结构破坏率PAD（%）；X8为团聚状况（%）；X9为团聚度（%）；X10为分散率（%）；X11为有机质含量（g kg−1）。下同。
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表 3 抗蚀性指标PCA分析
Table 3 PCA analysis of anti-erodibility index
主成分
Principal
component各项指标因子载荷
Factor load of each index特征根
Characteristic
root累积贡献率
Cumulative
contribution rate
(%)X1 X2 X3 X4 X5 X6 X7 X8 X9 X10 X11 Y1 0.932 0.961 0.943 0.952 −0.858 −0.870 −0.822 0.231 0.425 −0.543 0.141 6.305 57.32 Y2 −0.03008 −0.013 0.024 0.026 0.167 0.015 0.264 0.874 0.852 −0.828 −0.015 2.276 78.01 Y3 −0.2103 0.254 0.289 0.249 −0.431 0.379 −0.469 −0.379 −0.142 0.086 0.983 1.942 95.67
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表 4 不同土壤抗蚀性主成分值
Table 4 Main component values of soil anti-erodibility
土壤类型
Soil type第一主成分Y1
First principal component第二主成分Y2
Second principal component第三主成分Y3
Third principal component综合主成分Y
Comprehensive principal component人工混凝土壤 0.249 0.006 0.361 0.617 自然土壤 −0.072 0.040 0.207 0.175
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