石漠化区多花木蓝和双荚决明根土复合体抗剪特性研究
2019-07-03张乔艳唐丽霞黄同丽
张乔艳 唐丽霞 潘 露 黄同丽 陈 龙
( 贵州大学林学院,贵州 贵阳 550025)
石漠化现象在亚热带喀斯特地区分布广泛。该区土壤成土速率慢,土壤流失量小但危害大,土质疏松,孔隙度大,一旦流失会破坏土壤结构,导致石漠化的进一步发生。作为全国第9个县县通高速的省份,贵州省共有13万km2的喀斯特面积[1-2],边坡破坏不可避免,因此修复边坡,保持水土,美化环境迫在眉睫。传统的灰色景观护坡技术已不适应当今社会的发展而被生态护坡取代。生态护坡就是利用植物的枝叶拦截降水、减缓雨滴直接对地面的击溅;利用浅根加筋和深根锚固等作用使得边坡达到稳固[3-4]。具有抗拉而不具抗压的根系和具有抗压而不具抗拉的土体有机集合,使得根土复合体具有了抗拉和抗压的性质,从而改变原状土的力学性质[5-6]。
根土复合体抗剪强度特性的研究是解决根系固土机制的关键[7]。杨亚川等[8]首次提出并使用根土复合体的概念,为后来的研究提供了新的思路。格日乐等[9]和宋维峰等[6]的研究表明,根土复合体的抗剪强度不仅与植物的种类有关,还与土壤的含水率,干密度等物理性质密切相关。郭维俊等[10]、王元战等[11]提出根土复合体的抗剪强度与根系材料、形态及土粒与土粒间的黏聚力和摩擦力有关。Mao等[12]和Bourrier等[13]通过室内直剪试验表明,抗剪强度的变化除受根系排列方式和剪切面夹角影响外,还与根土截面比的变化有关。王涵等[14]研究表明,根系倾角对抗剪强度影响显著,表现为素土的抗剪强度<根系与剪切面呈90°的抗剪强度<根系与剪切面呈45°的抗剪强度<根系与剪切面呈135°的抗剪强度。已有的研究大多数集中在植物种类、根系的抗拉、倾角、布根方式,且土壤多为黄壤等北方地区常见土壤,而对于石漠化地区土层浅薄且粘性不高的石灰土,植物根系以根径为中心呈辐射状分布[15],其根系固土护坡特性的研究较少。贵州石漠化区生长的代表性灌木多花木蓝(Indigofera amblyantha)及双荚决明(Cassia bicapsularis)因其对生境要求不高,根系发达且具有较强的穿透力,花美且花期长,是良好的水土保持和边坡绿化树种[16]。本试验选取贵州石漠化区灌木树种多花木蓝和双荚决明为对象,研究根径、法向压力、土壤含水率变化对复合体抗剪特性的影响,以期为石漠化区边坡修复和生态恢复提供参考。
1 研究区概况
研究区位于贵州省贵阳市花溪区,地处东经106°39′3″,北纬 26°27′11″,海拔 1 130 m,属于亚热带湿润温和气候,年均降水量为1 200 mm,无霜期246 d,极端最高气温均值32.2 ℃,最低气温-2.2 ℃[17]。年均气温为15.3 ℃,阴天多,日照少,年均相对湿度为77 %。研究区为撒种自然恢复边坡,无高大乔木,仅草本及灌木,土层厚度7 cm左右,母岩为碳酸盐,其土层中含大小不等的沙砾。基岩裸露率约45 %。主要植被类型有多花木蓝、双荚决明、火棘(Pyracantha fortuneana)、马桑(Coriaria nepalensis)等。土壤类型为黑色石灰土,经测定土壤pH为7.4。
2 材料与方法
2.1 根系及土体取样
于2017年12月,选取边坡(坡度23°)撒种自然生长了2 a,地径2 cm长势一致的多花木蓝和双荚决明,采用整株挖掘法进行挖掘,在研究区内随机挖掘10株。选取生长正常,无病虫害的根系清洗干净,吸取多余水分将根分类编号并装于密封装中放于4 ℃的冷藏箱,并在24 h内进行试验。在相邻约10 m的裸地,去除表面杂质进行土样的获取,取土厚度约6 cm,带回实验室风干并研磨过2 mm筛,分袋保存。土壤为壤质粘土,其颗粒组成见表1。
2.2 根系分级
用精度为0.01 mm的游标卡尺进行根径的测量,测根系3个等分点处的直径,取其平均值作为根段的根径。采集的多花木蓝和双荚决明根系集中分布在0.50~6.00 mm。为使根系径级具有代表性,每隔1 mm根径进行分级,共分为6级。分 别 为 1(( 1.00±0.50) mm), 2(( 2.00±0.50)mm),3((3.00±0.50)mm),4((4.00±0.50)mm),5((5.00±0.50)mm),6((6.00±0.50)mm)。将分级后每级根剪成2 cm长度,每个根土复合体试样中分布根系数量为1。
表 1 试验土壤颗粒组成Table 1 Test soil particle composition
2.3 土样制备
直剪试样尺寸(直径×高)为61.8 mm×20.0 mm,试样截面积为2 998 mm2,根据野外测定的土壤含水率在11.2% ~22.4%,故而设定4个含水率梯度,分别为10.8%、14.3%、18.2%、23.1%。按照《土工试验方法标准》(GB/T 50123—1999)制备试样,土样含水率计算方法见式(1)。称取一定质量的风干土于亚克力不透水的托盘中,通过式(1)计算所需的含水量,用喷雾装置均匀喷洒混匀后盖紧,静置一昼夜备用。
2.4 试样制备及试验方法
参照文献[18-20] 制备试样:
1)对照试样的制备:由于石灰土含水率过低、粘性不高、易分散,无法压实成型,且环刀压土入直剪盒过程中会破坏土体,因此采用分层击实的方法分3次将制备好的土壤倒入直剪盒中。
2)复合体试样的制备及试验:将直剪盒固定,放入一层土,轻轻抚平按实,再将分级制备的根倒插入土体中,根的布置方式为垂直布置,再倒入一层土,轻轻按实。如此循环,将所有的土放入样盒,摆放根的位置在试样正中心。每组试验3次重复,不同根径重复上述操作。用南京土壤仪器厂有限公司生产的ZJ型应变控制式直剪仪(四联剪)进行试验,设定剪切速率为0.8 mm/min,每组试验在4个法向压力(即50、100、150、200 kPa)下进行,每个法向压力下做3次重复试验。
3 结果与分析
3.1 根径大小对根土复合体抗剪特性的影响
含水率为14.3 %,法向压力为50 kPa时,多花木蓝及双荚决明根径大小对根土复合体抗剪强度的影响见表2。由表2可知,对于多花木蓝,根径大小对不同植物的根土复合体抗剪强度的影响不一。其中素土(径级为0)抗剪强度最低,表明根系的存在均不同程度的增加了土体的抗剪强度,表现为随径级的增加,抗剪强度呈增加-降低-增加的趋势。根径为3 mm时,多花木蓝根土复合体具有最大抗剪强度36.13 kPa。根径大小对根土复合体抗剪强度增强效果不一,素土与各根径间,根土复合体抗剪强度差异显著(P<0.05)。表明根系的加入,无论根径大小如何,均在一定程度增强了土体的抗剪强度。其中根径2、4、5 mm根土复合体抗剪强度差异不显著,5、6 mm差异亦不显著。
表 2 2种灌木根径与根土复合体的关系Table 2 Relationship between 2 shrub root diameters and root-soil complex
对于双荚决明,根土复合体抗剪强度与根径的关系与多花木蓝相似,但不尽相同,根径1、4、5 mm根土复合体抗剪强度差异不显著,根径3、4 mm时,根土复合体抗剪强度差异亦不显著。根径为2 mm时,双荚决明根土复合体具有最大抗剪强度35.32 kPa。双荚决明根径1、2 mm对根土复合体抗剪强度的增加值大于多花木蓝,随根径的继续增加,增强作用不如多花木蓝;双荚决明根径为2 mm与根径6 mm时,根土复合体抗剪强度均较大,且差异显著(P<0.05)。
综上,随着根径的增加,根土复合体抗剪强度总体为先增加后降低再增加的趋势,多花木蓝根径3 mm时效果最优,而双荚决明则为2 mm时。就根系的最大增强作用看,根径大小对多花木蓝和双荚决明根土复合体剪抗强度变化影响差异显著,进一步表明根系的存在在一定程度上增强了土体抵抗剪切的能力。
3.2 法向压力对根土复合体抗剪特性的影响
法向压力的大小是复合体密实度大小的表征。以含水率14.3%,分析法向压力对根土复合体抗剪强度的影响,见图1(多花木蓝根径3 mm,双荚决明根径2 mm)。由图1可知,2种植物根土复合体抗剪强度随法向压力的增加而显著增大,呈显著正相关关系(r=0.97,P<0.05),且2种植物根土复合体抗剪强度在不同法向压力下差异性显著(P<0.05)。其次,对于双荚决明,抗剪强度整体小于多花木蓝,但在150 kPa时,略高于多花木蓝。法向压力以改变复合体的密实性来增加土体的抗剪强度,无论是多花木蓝还是双荚决明,法向压力的变化对根土复合体抗剪强度存在较大影响,且差异显著。结合表2分析可知,就根土复合体抗剪强度的增加大小而言,法向压力的改变对根土复合抗剪强度的增强作用明显大于根径。
图 1 法向压力对抗剪强度的影响Fig. 1 Effects of normal stress on the shear strength
3.3 含水率对根土复合体抗剪特性的影响
含水率是影响根土复合体的一个重要因素。石漠化区土层浅薄,石灰土粘性不高,因此选取法向压力相对较小(50 kPa),多花木蓝根径为3 mm,双荚决明根径2 mm的组合来分析含水率对根土复合体抗剪强度的影响。由图2可知,无论是根土复合体还是素土,抗剪强度均随含水率的增加呈先增加后减小的趋势。当含水率为23.1%时,根土复合体抗剪强度小于素土,含水率10.8%和18.2%时,根土复合体抗剪强度差异不大;含水率为14.3%,根土复合体抗剪强度相对最大,由此可知含水率为14.3%左右可能是最佳含水率。
此外,含水率为23.1%时,多花木蓝和双荚决明根土复合体抗剪强度均小于素土。此含水率下,多花木蓝根土复合体的抗剪强度为24.3 kPa,双荚决明根土复合体抗剪强度为23.17 kPa,素土抗剪强度25.10 kPa,有根存在的复合体抗剪强度却小于素土。由此表明,对于粘性不高的石漠化区石灰土-根复合体,含水率过大,根系的存在会在一定程度降低根土复合体的抗剪强度。
图 2 土壤含水率对土样抗剪强度的影响Fig. 2 Effects of soil moisture contents on shear strength of soil-root composites
4 结论与讨论
根径的大小在一定程度上影响根系强度的空间分布[21],测定其抗剪强度是定量评价植被稳定边坡的重要依据。根土复合体抗剪强度随根径的增加总体上呈先增加后降低再增加趋势,由于根径的不同,增值不完全一致。对于双荚决明根径2 mm和6 mm时根土复合体抗剪强度差值不大。原因在于:一是细根与土体胶结较好,在根径2 mm左右时最佳;二是随着根径的增加,根系变粗,根系在土体中易松动,根土胶结降低,但随着根径达到一定的程度,根系自身发挥了抵抗剪切破坏的作用,从而增加了根土复合体的抗剪强度;三是在土层浅薄的石漠化区,多花木蓝最大抗剪强度仅为36.13 kPa,双荚决明为35.32 kPa。这与Islam等[22]的研究结论——根对无粘性的土体难以发挥作用相符。抗剪强度随根径增加总体呈先增加后减小的趋势,多花木蓝复合体最大抗剪强度出现在根径为3 mm,双荚决明则在2 mm。主要原因是:1)粗根在密实性较差且粘性不高的土体中不易与土体形成一个整体而滑动,在剪切破坏发生时,根系易滑动导致未完全发挥其自身抵抗破坏的作用。2)根系材料具有多项非均匀及各向异性等复杂的生命特征,导致植物不同,最佳根径范围有所差异。
法向压力的大小体现了复合体密实性的优劣,土体密实性越好,抗剪强度也越大,这与廖晶晶等[23]、Fan等[24]的研究一致,同时也说明土体密实度越大,根系加筋效果越显著。法向压力对根土复合体抗剪强度的增强作用显著大于根径。对于法向压力150 kPa时,双荚决明根土复合体抗剪强度高于多花木蓝,可能是在150 kPa时,土体密实性较好的前提下,双荚决明根径2 mm的根皮凹凸度相对较大,增加了根土接触面积,进而增加土体的抗剪强度。且由于法向压力的增加,使土体密实性增大,根-土及土-土间胶结更为致密,在剪切破坏发生时,更能抵抗剪切破坏作用。
土壤含水量的增加,对根系性质的影响较小,主要改变土壤胶结性[24]。但根系具有很强的可塑性,易受土壤性质的改变而变化[25]。本试验中,抗剪强度随含水率的增加呈先增加后减小的趋势,这与格日乐等[9]和陈红星等[26]的研究结果大体一致。土壤含水率达到23.1%时,素土抗剪强度略高于根土复合体的抗剪强度。原因在于根系的存在纵横穿插,一方面能增大抗剪强度,但另一方面,根系的生长使得土壤渗透性增加,土壤性质的改变使得水分的渗入从而破坏了土壤团聚体,减小土体间的摩阻力[3]。其次,土壤含水率过大,使根系与土体接触面存在大量水分,形成一层类似水膜的物质,从而降低了根土间的胶结,进一步减小了根土间的摩擦力。土壤性质的改变使得根系难以发挥其作用,反而影响了根土间的胶结而减小复合体抗剪强度,因此在无法控制极端天气的情况下,树种根径的控制是关键,其次是树种的选择。
石漠化区土少石多,对边坡的修复与绿化,植物措施是关键。其中以根径2~3 mm(数量或根长)占优势的适应性强的灌木树种,对于土壤的固持,减少浅层滑坡、水土流失等自然灾害的发生具有积极作用。研究采用室内重塑根土复合体进行定量探讨影响根土复合体抗剪强度的因素,从而忽略了野外实际土-土和根-土及土壤动植物间的联系,与实际情况存在一定的差异。但该试验目的性强,为针对性探讨影响根土复合体抗剪强度因素提供了可行的方案。