黑沙蒿与粉土质砂根-土及土-土界面摩阻特性

张 强，刘 静，李 强，孙 旭，庞景文，张 欣

(1.内蒙古农业大学 沙漠治理学院，呼和浩特 010019；2.神东煤炭集团环保管理处，内蒙古伊金霍洛 017200；3.水利部牧区水利科学研究所，呼和浩特 010019)

水土保持植物措施具有保持水土、防风固沙、改善环境的生态功能[1-2]。植物根系在为植株提供生长所需营养的同时，会随植物生长在地下纵横发展，紧密穿插于周围土壤中，形成根-土复合体。土层深处的粗根与土层浅层细根分别对土体起到锚固作用和加筋作用，增强了土体结构稳定性[3-5]。当植物在受到强风侵袭、地表塌陷、滑坡等外力作用时，根系与土壤之间会产生相对滑动趋势，根-土界面之间产生的摩擦阻力在抵抗滑动位移发生的同时将植物根系的抗拉强度与土体的抗剪强度结合，有效提高根-土复合体强度，减少土体形变的发生[6]。因此，对植物根系与土壤之间的摩擦特性的研究已成为根系固土领域的热点。

目前有关根-土界面摩擦的研究途径主要有拉拔试验和直剪试验。曹云生等[7]和杨闻达等[8]分别对4种乔木根和山矾主直根进行室内单根拉拔试验后发现，根系拉拔力随土壤含水率的增大呈先增大后减小的趋势；邢会文等[9]用剥根皮制样法以柠条、沙柳根系和黄土为研究对象，对比分析柠条根-土界面与沙柳根-土界面之间的摩擦特性差异；刘亚斌等[10]采用电镜扫描法从微观结构角度分析了根系表面差异对柠条锦鸡儿和霸王根-土面摩擦特性的影响。

黑沙蒿(Artemisiaordosica)又名油蒿，是一种具有抗风蚀、耐沙埋特点的固沙植物，广泛分布于内蒙古中西部、甘肃、陕西、宁夏地区的固定和半固定沙丘，在中国水土保持建设与沙漠化防治过程中发挥显著作用，而有关黑沙蒿根固土的研究则鲜有报道。因此，本研究以鄂尔多斯上湾矿区常见的水土保持先锋灌木黑沙蒿及其生长地土壤为研究对象，通过室内根-土界面直剪试验和室内拉拔摩阻试验探究黑沙蒿根-土界面摩阻特性及影响因素，以期为植物根系固土提供理论依据和数据基础。

1 材料与方法

1.1 试验材料的采集

取样地位于内蒙古鄂尔多斯市伊金霍洛旗上湾矿区，在2017年7月份选取地形平坦，黑沙蒿长势良好的样地，按照本根系固土力学实验室[11]测得的黑沙蒿标准株指标选取黑沙蒿根系装入黑色塑料袋覆盖湿土后用保温包带回实验室，放入4 ℃(与土温近似)低温培养箱保存，并开展室内试验。

试验土壤取自采根地，就地开挖一个100 cm深土层剖面，以每20 cm为一层，共5层，每层用直径50.46 mm×高50 mm环刀按品字形分布取土3次，每剖面取15个土样，共30个土样，所测结果如表1。另取3 kg土作为试验用土。用烘干法和环刀法测其土壤质量含水率、土壤干体积质量，并计算饱和含水率。土样的粒径成分使用Mastersizer 3000激光粒度分析仪测试，结果如表2。根据《土的工程分类》GB/50145-2007[12]中土的工程分类，将试验土样命名为粉土质砂(SM)。

表1 不同深度原状土土壤与土壤质量含水率Table 1 Soil mass moisture content and soil of undisturbed soil at different depths

表2 原状土土样粒径组成Table 2 Soil particle size distribution of undisturbed soil

1.2 试样制备

1.2.1 直剪摩阻试验 选取3～5 mm径级、长度>7 cm的黑沙蒿直根，用刀片沿根轴方向剥离根表皮，用‘哥俩好’装饰胶将完整的根皮粘贴于直径为6.1 cm、厚0.9 cm圆形木片上，使每块根皮相互平行且表面平整无凹凸，如图1-A。为还原自然状态，制好试样用微湿毛巾遮盖，备用。

黑沙蒿生理特性的研究表明黑沙蒿可在土壤质量含水率小于3%的环境中生存[13]，因此将重塑土的质量含水率设为3.94%、7.94%(自然质量含水率)、11.94%、15.94%、19.94%(近似饱和)共5个等差梯度，并按照《土工试验规程》SL237-1999[14]中要求制备。上、下剪切盒各深2cm，下盒放1cm厚透水石与试验根样，根据土壤干体积质量与设定质量含水率，称取适量重塑土分次放入直径61 mm、高20 mm的环刀并用1 cm 厚透水石依次均匀压实成1 cm厚土样，挤压透水石，使土样与透水石进入剪切上盒，如图1-B。土-土界面试样与根-土界面土样制作类似，其压实厚度为2 cm。

A. 试验根样 Root sample；B.直剪摩阻试验结构剖面 Structure section of direct shear friction test

1.滚珠 Roll balls；2.剪切力 Shear direction；3.根皮 Root epidermis； 4.木块 Wood brick；5.加压板 Press plate ；6.竖向压力 Vertical load；7.透水石 Porous stone；8.土样 Soil；9.剪切上盒 Up box；10.剪切下盒 Down box

图1试验根样与直剪摩阻结构剖面图
Fig.1Finishedtestrootandstructuresectionofdirectshearfrictiontest

1.2.2 拉拔摩阻试验 选取长势较直、表皮完好的已采集黑沙蒿根系，量取根长为8 cm，根径在1～5 mm的根作为试验根系。如图2，把距离根端2 cm处设为夹口端，剩余部分根段用精度为0.01 mm游标卡尺等距测量5次根径后取平均值，按照径级在1～2 mm、2～3 mm、3～ 4 mm、4～5 mm分为4个梯度。

用内径为6 cm，长为11 cm的PVC管中部对称开直径为1 cm的圆孔，用厚度为1 cm圆形木片封紧一侧管口，添加重塑土(土壤质量含水率7.94%)，土到达圆孔时将根穿过圆孔，露出夹口端，继续填土将PVC管填满再加盖圆形木片压实，打开另一端木片继续加土，在管口两端重复加土，确保试验根处于圆孔中央，避免与圆孔边缘摩擦。当PVC管内土的体积质量达到试验要求(1.77 g·cm-3)，将根-土复合体试样固定于自制夹具备用。

图2 试验根Fig.2 Root tested

1.3 试验仪器及方法

1.3.1 直剪摩阻试验 采用ZJ型四联应变控制式直剪仪，按照《土工试验规程》SL237-1999的要求进行，将制好的试验木块以根轴线平行于剪切力方向放入剪切盒，设置剪切速率为0.8 mm·min-1以模拟土壤孔隙水承压情况下的土体滑动状态。黑沙蒿根系集中在0～170 cm土层中[15]，根据土力学[16]自重应力公式：

(1)

式中，σcz为地下深度为z处土层的自重应力，kPa；hi为第i层土的厚度，m;ri为第i层土的天然重度，kN;n为从地表到深度z处的土层数。

由此测得根系在72 cm处的自重应力为12.5 kPa,144 cm处自重应力为25 kPa，参照直剪试验要求，另取2级压力为50 kPa、100 kPa。

每组试验重复3次，利用数采软件记录试验剪切位移与抗剪强度，内摩擦角和黏聚力按照库伦公式计算得出：

τ= tanφ·p+c

(2)

式中，τ为土体的抗剪强度，kPa；φ为土体内摩擦角，°;p为法向应力，kPa;c为土体黏聚力，kPa。

将内摩擦角正切值tanφ设为摩擦系数f[17]；c为根-土界面黏聚力；p为法向应力(垂直荷载)用来分析黑沙蒿根-土界面摩擦特性，所得公式如下：

τ= tanφ·p+c=f·p+c

(3)

土-土界面试验与根-土界面方法一致。

1.3.2 拉拔摩阻试验 选用TY8000伺服强力机，设置加载速度为10 mm·min-1,通过夹具固定根-土复合体式样的夹口处匀速竖直向上拉拔，直至试验根从土中完全拔出，通过软件记录拉拔过程中最大拉拔力，每根径重复6次。根-土复合体单根拉拔试验有2个假定：一个是拉根过程中，根与土体的界面摩擦应力分布均匀；另一个是根与土体界面均匀分布的摩擦应力与拉拔剪应力大小一致，合力为零，即：

τπdl-F=0

(4)

式中，τ为根-土界面拉拔剪应力，kPa；F为根被拔出时的最大拉力,N；d为根系的平均直径，mm;l为根系在土中的长度,mm。公式(4)可变为：

τ=F/(πdl)

(5)

将根-土界面拉拔剪应力设为根-土界面抗剪强度τf[17]，即：

τf=F/(πdl)

(6)

2 结果与分析

2.1 土壤质量含水率对2种剪切界面抗剪强度的影响

黑沙蒿根-土界面与土-土界面抗剪强度受土壤质量含水率变化影响见表3。对不同土壤质量含水率条件下的黑沙蒿根-土界面与土-土界抗剪强度进行分析，随着垂直荷载增大，抗剪强度增大。当抗剪强度在垂直荷载为12.5 kPa和25 kPa的条件下，2种剪切界面抗剪强度随着土壤质量含水率的增大呈现出先增大后减小的变化趋势。在土壤质量含水率为11.94%时根-土界面与土-土界面抗剪强度均达到极大值，土壤质量含水率为19.94%时，2种剪切界面抗剪强度值最小；当土壤质量含水率从3.94%增长到11.94%时，12.5 kPa和25 kPa所对应得根-土界面抗剪强度分别增加7.69%和14.53%，土-土界面抗剪强度分别增加15.23%和10.25%；土壤质量含水率由11.94%增加到19.94%时，12.5 kPa和25 kPa所对应的根-土界面抗剪强度分别减少10.54%和17.42%，土-土界面抗剪强度分别减少17.01%和23.52%。在垂直荷载为50 kPa和100 kPa时，2剪切界面抗剪强度随土壤质量含水率的增加而减小，土壤质量含水率土由3.94%增加到19.94%，所对应的根-土界面抗剪强度值分别减少26.43%和17.19%，土-土界面抗剪强度分别减小20.43%和16.23%。同等垂直荷载与质量含水率条件下，黑沙蒿根-土界面抗剪强度均大于土-土界面。

表3 不同土壤质量含水率下2种剪切界面抗剪强度Table 3 Shear strength of two types of shear interfaces with different soil mass moisture contents kPa

2.2 土壤质量含水率对2种剪切界面摩擦系数的影响

2种剪切界面摩擦系数与土壤质量含水率关系如下图3所示，随着土壤质量含水率的增加，2种剪切界面摩擦系数均呈现下降趋势，且黑沙蒿根-土界面摩擦系数均大于土-土界面。当土壤质量含水率从3.94%增加到19.94%时，黑沙蒿根-土界面与土-土界面所对应的摩擦系数分别由0.48和0.43降到0.38和0.35，降幅分别达到20.83%和18.60%。由图4可以看出，在质量含水率递增幅度相同情况下，黑沙蒿根-土界面摩擦系数减小率分别为5.88%、8.48%、6.34%、2.08%，表现出先增后减的趋势；土-土界面摩擦系数减小率分别为8.60%、8.91%、1.68%、1.70%，在质量含水率区间为3.94%～11.94%时的减小率大于黑沙蒿根-土界面，在11.94%～19.94%时的减少率小于黑沙蒿根-土界面。

图3 摩擦系数与土壤质量含水率关系Fig.3 Relationship between friction coefficient and soil mass moisture content

图4 摩擦系数减小率与土壤质量含水率区间关系Fig.4 Relationship between reduction rate of friction coefficient and soil mass moisture content interval

2.3 土壤质量含水率对2种剪切界面黏聚力的影响

对不同土壤质量含水率与2种剪切界面黏聚力进行Duncan’s检验(P<0.05)后得图5，由图5可知，除根-土界面土壤质量含水率为3.94%与19.94%的粘聚力与土壤质量含水率无显著差异外，土壤质量含水率的变化对黑沙蒿根-土界面和土-土界面黏聚力影响显著，在土壤质量含水率为3.94%～11.94%时，对各土壤质量含水率梯度下2种剪切界面进行单因素方差分析(a=0.05)后发现，相同质量含水率下黑沙蒿根-土界面黏聚力和土-土界面黏聚力根无明显差异，质量含水率为15.94%～19.94%时，相同质量含水率下黑沙蒿根-土界面黏聚力和土-土界面黏聚力存在显著差异；土壤质量含水率与2种剪切界面黏聚力关系如图5所示，黑沙蒿根-土界面与土-土界面黏聚力均随土壤质量含水率增大表现出先增大后减小的变化规律，在土壤质量含水率为3.94%时，黑沙蒿根-土界黏聚力最低值为2.40 kPa,质量含水率为11.94%时对应的黏聚力为4.51 kPa(峰值),较3.94%时增长87.92%，质量含水率由11.94%增加至19.94%时，黏聚力减小为2.61 kPa，降低42.13%；相同质量含水率变化条件下，土-土界面的黏聚力从2.42 kPa增长至4.56 kPa(峰值),增长88.43%，最终减小为2.07 kPa,降低54.61%。对2种剪切界面的的黏聚力与土壤质量含水率之间进行函数拟合后得出：根-土界面y=-0.026 2x2+0.668 5x+0.008 2，R2=0.91；土-土界面y=-0.030 9x2+0.701 2x+0.186 2，R2=0.89。

不同剪切界面之间，不同大写字母表示差异显著(P<0.05) Indifferent shearing interfaces,different uppercase letters indicate significant difference (P<0.05);不同含水率之间，不同小写字母表示差异显著(P<0.05) In different water contents,different lowercase letters indicate significant difference (P<0.05)

图5黏聚力随土壤质量含水率变化关系
Fig.5Relationshipbetweencohesionandsoilmassmoisturecontent

2.4 根径对黑沙蒿单根拉拔摩阻特性的影响

通过根-土复合体拉拔试验进一步验证根径对黑沙蒿根-土界面摩擦特性的影响。在自然质量含水率(7.94%)条件下1～5 mm根径对黑沙蒿根-土界面拉拔摩阻的影响结果如图6所示，黑沙蒿根径与拉拔力之间呈明显线性正相关关系,拟合方程为y=5.939 2x+2.675 2,R2=0.956。黑沙蒿根-土界面拉拔试验所得抗剪强度与根径关系如图7所示，黑沙蒿根-土界面拉拔试验所得抗剪强度随根径增大而减小，当根径从1～2 mm增加到2～3 mm时，根-土界面抗剪强度由40.05 kPa减小到37.40 kPa，降低6.62%；根径从2～3 mm增加到3～4 mm，根-土界面抗剪强度减小1.84 kPa，降低5.17%；根径从3～4 mm增加到4～5 mm，根-土界面抗剪强度减小1.23 kPa，降低3.46%，抗剪强度相比前一径级组的减小幅度随径级组增加而降低。对抗剪强度随根径变化关系进行函数拟合得出y=0.355x2-3.675x+43.363,R2=0.999。

图6 拉拔力与根径关系Fig.6 Relationship between pulling force and root diameter

图7 抗剪强度与根径关系Fig.7 Relationship between shear strength and root diameter

3 讨 论

在黑沙蒿根系埋深72 cm、144 cm左右(即垂直载荷12.5 kPa、25 kPa)，随着土壤质量含水率的不断增加，2种剪切界面的抗剪强度均呈现出先增后减的变化趋势。这与朱宏慧[18]研究4类土根-土界面摩擦特性的结果类似，因为从公式(3)可知，剪切界面抗剪强度由剪切界面摩擦强度和黏聚力组成，摩擦强度为摩擦系数与法向应力的乘积，由图3可知摩擦系数随土壤质量含水率的增大而减小，其原因是土壤质量含水率增加后，最初干燥粗糙的剪切界面随水分的增加渐变光滑，过多的水分在垂直荷载的压迫下在土粒间形成自由水，对剪切界面起润滑作用，最终导致剪切面摩擦强度值减小[19]；在土壤体积质量不变情况下，起初存在于剪切界面间较为松散的土壤颗粒因土壤质量含水率的增加，土粒周围增多的水分形成了水膜并附着于土粒周围，致使土粒与水之间因结合水膜的存在而产生水交结作用增强剪切界面黏聚力[20-21]，随着质量含水率增加，土粒与水的接触机会增大，促使结合水膜作用面积上升，提高黏聚力，当土壤质量含水率继续增大后，土粒周围结合水膜增厚，水交结作用减弱，过量的水分与土壤中部分有机物质发生溶解水化，对剪切界面黏聚力产生削弱效果[22]。因此，土壤质量含水率增长的同时对剪切界面摩擦强度与黏聚力产生影响，最终影响到剪切界面抗剪强度。

剪切界面抗剪强度与黏聚力均随土壤质量含水率增加表现出先增后减的变化趋势，且均在土壤质量含水率为11.94%时到达峰值，这说明在7.94%～15.94%的土壤质量含水率范围内存在一个最优土壤质量含水率(w),使剪切界面的摩擦强度值与黏聚力值之和达到最大[3,21,23]，即剪切界面抗剪强度最大值。因此，根据表4分别取黑沙蒿根系较为丰富的浅土层(埋深72 cm左右，垂直荷载12.5 kPa)，且土壤含水率在3.94%～19.94%的抗剪强度值进行函数拟合得到结果如表4。

求得表4函数的一阶导数，并算得其最优质量含水率如表5 。

表4 12.5 kPa垂直荷载下2种剪切界面抗剪强度随土壤质量含水率变化拟合函数Table 4 Simulation function of two types of shear interfaces with soil mass moisture content under a vertical load of 12.5 kPa

表5 拟合函数一阶导数与最优质量含水率Table 5 First derivative of simulation function and the best mass moisture content

将根-土界面与土-土界面最优质量含水率带入表4各自对应拟合函数中求得最优含质量水率下土-土界与根-土面抗剪强度理论峰值分别为8.07 kPa、8.51 kPa，与试验结果土壤质量含水率11.94%所对应的土-土界与根-土面抗剪强度值8.17 kPa、8.54 kPa近似。这一结果与Zhou等[24]的研究结果相一致。

4 结 论

土壤质量含水率从3.94%增至19.94%,根系埋深144 cm以内的黑沙蒿与粉土质砂根-土界面和土-土界面的摩擦系数随土壤含水率增大而减小，2种界面的黏聚力、抗剪强度均先增大后减小，且在土壤质量含水率为11.94%时达到峰值。随着土壤质量含水率增加，2种界面的黏聚力对抗剪强度的影响大于摩擦系数。土壤含水率与土壤体积质量不变情况下，在1～5 mm根径范围的黑沙蒿根-土界面抗剪强度与根径呈二项式函数负相关，细根的抗剪强度大于粗根。