浅层滑坡多发区典型灌木根系对边坡土体抗剪强度的影响

李 佳,汪 霞,2,*,贾海霞,赵云飞,欧延升,柳 洋

1 兰州大学资源环境学院, 兰州 730000 2 兰州大学西部环境教育部重点实验室, 兰州 730000

图1 研究区概况图Fig.1 Study area map

绿色、可持续发展是“一带一路”建设重要组成部分,尽可能减少对原生环境的影响,修复已破坏的生态系统,是“一带一路”建设中的环境基础和生态保障[1]。甘肃省地处丝绸之路核心地段,是“丝绸之路经济带”重要组成部分[2]。陇南市位于甘肃省东南部,地处陕甘川三省交界处,也是青藏高原、黄土高原和川西北高原交汇处,该区域地质条件复杂,是我国四大地质灾害多发区之一。

近年来,泥石流、滑坡等自然灾害频发,边坡土体稳定性已引起广泛关注[3]。自然界中滑坡主要有浅层和深层两种,深层滑坡属大型滑坡,发生频率较小,浅层滑坡虽滑坡体积小,但发生频率大,分布面积广[4]。研究表明除采用传统的工程措施外,生态工程护坡已广泛运用于防治浅层滑坡、水土流失等问题中,其中植被护坡既能起到固土作用又兼具美化边坡生态景观的效果,具有较高的环境价值[5]。潘声旺等[6- 7]研究表明重建边坡植被,增强裸露边坡稳定性是一种减少浅层滑坡、水土流失的重要生态固坡技术。Nilaweera等[8- 9]通过试验得出植物根系可以显著提高土壤抗剪强度,增强边坡稳定性。刘春霞[10]指出根系提高土壤抗剪强度效果还与土壤物理性质密切相关,根系通过缠绕、固结等作用改善土壤物理性质[11-13]。

目前关于植被护坡的相关研究尚处于理论研究阶段,对于具体运用植被固坡评价较少。陇南地区已针对浅层滑坡开展了大量的植被恢复工作[14-16],因此本文选取研究区四种典型灌木,杠柳(Periplocasepium)、胡枝子(Lespedezabicolor)、酸枣(Ziziphusjujube)和石榴(Punicagranatum),探讨灌木根系对土壤含水率、孔隙度和大团聚体的改善程度和护坡力学效应,旨在对这一区域灌木生态恢复效应予以评价。

1 研究区概况

陇南市地处甘肃省东南部,域内山地受白龙江长期冲刷,山势陡峭,海拔多在1000 m以上,坡度在25°—45°之间,山地岩土松散软弱,易发生泥石流等自然灾害,是我国泥石流、滑坡多发区之一[17]。区内年降水量400—900 mm,年均温8.4—14.9 ℃。据统计地质灾害隐患点三千余处,其中滑坡1120处,泥石流1033处,崩塌759处,地面塌陷、地裂缝等391处[18]。本文选取陇南市武都区两水镇段河坝为研究区,该研究区内主要植被覆盖类型为灌草丛,大部分滑坡体处植被覆盖率不足30%[19]。主要土壤类型为黄棕壤,成土母质多为千枚岩、花岗岩、片麻岩及各种沉积岩残积物和坡积物[20]。

2 研究方法

2.1 样品采集

2018年5月在研究区选取人工恢复十年的杠柳、胡枝子、酸枣和石榴的四个坡度为25°—30°的坡面,每个坡面各选取3株灌木,设置与采样点具有相似立地条件的裸地作为对照。选取距离树基50 cm下坡位处,开挖50 cm×50 cm见方土壤剖面[21],采集生长、发育正常根系作为样品,采集过程中尽可能避免机械外力对根系产生影响。

土样采集使用剖面法,在每个灌木采样点垂直剖面上,每10 cm分层采取土壤样品,采样深度为50 cm,在同一土壤深度采用混合采样法,土样用自封袋密封保存。

2.2 实验方法

2.2.1土壤物理性质

土壤含水率使用烘干法测定。土壤孔隙度在现场通过环刀测量后计算得到。土壤团聚体采用干筛法测定[22]。

2.2.2单根抗拉强度

选取根长约5—10 cm表皮完好根系,测定其直径后,将所有根系置于水中浸泡一夜[21,23]。使用电子万能试验机(型号：CSS- 4100,长春试验机研究所)测量单根抗拉强度。

2.2.3重塑土直剪试验

将采集土样烘干研磨后过1 mm筛,将筛后土样铺于不吸水铝盘中,喷洒预计加水量。加水量计算公式为[24]：

其中,mw土样需加水量(g),m风干含水率下土样质量(g),w0风干含水率(%),w′设计所需含水率(%)。

为使根-土复合体含水率接近自然状态,将其设置为10%,密封静置一昼夜后,将根系按照设计根系密度拌入土样。不同含水率重塑土按照试验设计加水量配制。采用击实法制取样品。使用应变控制式直剪仪(南京宁曦土壤仪器有限公司)测量抗剪强度,每组样品取四个试样,分别在100 kPa,200 kPa,300 kPa,400 kPa四级垂直压力下试验。每组处理重复三次。

2.2.4数据处理与分析

数据统计分析采用SPSS 22.0。图表使用Origin 2016制作。

3 结果与分析

3.1 土壤物理性质

3.1.1土壤含水率

土壤含水率排序为：胡枝子>酸枣>杠柳>石榴(图2),均高于对照组裸地,胡枝子在10—20 cm处含水率最高为14.7%,0—10 cm处含水率最低为9.8%；石榴含水率最高处在0—10 cm为5.8%,10—20 cm处含水率最低为3.8%。在垂直剖面上,含水率无明显变化规律。

3.1.2土壤孔隙度

垂直剖面上土壤总孔隙度变化范围介于43%—55.2%(图3),杠柳>石榴>酸枣>胡枝子,与裸地相比土壤孔隙度均得到改善。杠柳土壤孔隙度在表层0—10 cm处达最大值55.2%,在40—50 cm处有最小值：50.1%。土壤孔隙度均呈现出表层高,底层低的变化趋势。植被对表层土壤孔隙结构改善较明显。

3.1.3土壤大团聚体

四种灌木土壤团聚体含量差异显著,垂直剖面上变化趋势一致,均为表层土壤大团聚体含量较高,底层较低(图4)。裸地大团聚体含量变化范围为43.1%—39.2%,相比裸地,灌木的土壤大团聚体含量明显提高,依次为：胡枝子>酸枣>杠柳>石榴。胡枝子大团聚体含量变化范围为70.1%—74.2%,酸枣为39.3%—64.8%,杠柳为55.6%—61.9%,石榴为54.3%—57.2%。其中尤以大于7 mm大团聚体含量增加显著。

3.2 根系抗拉强度

选取直径小于10 mm的根系300根进行试验,成功160根,成功率达53%。四种灌木根系均有较强的抗拉强度,根系抗拉强度与根径之间有明显的幂函数关系(图5),随根径增大,抗拉强度减小。抗拉强度范围分别为：杠柳4.31 MPa—86.6 MPa,胡枝子25.8 MPa—158 MPa,酸枣6.74 MPa—48.6 MPa,石榴17.5 MPa—89.9 MPa,胡枝子抗拉强度较高,酸枣最低。当根径小于1 mm时,抗拉强度递减速率最快,四种灌木抗拉强度均较高,其中胡枝子毛根抗拉强度约为酸枣和杠柳的2倍。在1 mm—4 mm根径范围内,根系抗拉强度随根径变化平缓,胡枝子根系抗拉强度约为石榴2倍、酸枣和杠柳的3倍。四种灌木中胡枝子根系抗拉强度最好,根径小于1 mm的毛根抗拉强度较好。

图2 不同灌木垂直剖面土壤含水率Fig.2 Soil moisture content of different shrub vertical sections

图3 不同灌木垂直剖面土壤孔隙度Fig.3 Soil porosity of different shrubs vertical sections

图4 土壤团聚体含量Fig.4 Soil aggregate content

图5 四种灌木根系抗拉强度和根径的关系图及拟合曲线Fig.5 Relationship between tensile strength and root diameter and fitting curve of four shrub roots

3.3 重塑土抗剪强度

3.3.1土壤含水率对抗剪强度的影响

土壤抗剪强度随垂直正压力的增加呈线性增长,满足摩尔-库伦强度理论τ=C+δtanφ(图6)。在设定含水率范围10%—30%内,土壤抗剪强度均随含水率增加呈递减趋势,在10%的含水率条件下最高,抗剪强度依次为石榴>酸枣>杠柳>胡枝子。

依据摩尔-库伦强度理论,得到不同灌木在不同含水率下土壤粘聚力(C)和内摩擦角(φ)值如表1所示。四种灌木土壤粘聚力(C)和内摩擦角(φ)均随含水率增加而减小,粘聚力(C)减小幅度最大为杠柳,从22.46 kPa减小至4.35 kPa。内摩擦角(φ)减小幅度最大为酸枣,从32.62°减小到18.26°。胡枝子和石榴土壤粘聚力(C)和内摩擦角(φ)随含水率变化平缓。植物根系通过增加土壤含水率来增加粘聚力(C)和内摩擦角(φ)

图6 不同含水率土壤抗剪强度与垂直压力的关系Fig.6 Relationship between shear strength and vertical pressure of soil with different water content

植物类型Plant type重塑土含水率Remolding soil water content /%抗剪强度与正压力拟合关系Relationship between shear strength and positive pressure粘聚力CRoot cohesion/kPa内摩擦角φInternal friction angle/(°)R2杠柳P. sepium10y=22.46+0.51x22.4627.020.9620y=11.51+0.42x11.5122.780.9930y=-4.35+0.37x4.3520.300.98胡枝子L. bicolor10y=11.86+0.44x11.8623.750.9220y=9.27+0.37x9.2720.300.9930y=4.78+0.24x4.7813.500.95酸枣Z. jujube10y=12.18+0.64x12.1832.620.9620y=7.83+0.45x7.8324.230.9830y=3.57+0.33x3.5718.260.96石榴P. granatum10y=11.81+0.65x11.8133.020.9820y=8.47+0.60x8.4730.960.9430y=2.62+0.48x2.6225.640.98

以增强土壤抗剪强度。

3.3.2根系密度对土壤抗剪强度的影响

结合四种灌木天然根系密度,杠柳0.5 g/100 g土,胡枝子1.2 g/100 g土,酸枣0.85 g/100 g土,石榴0.52 g/100 g土,设置了三个根系密度梯度：天然根系密度、1.5倍天然根系密度和2.0倍天然根系密度。杠柳和胡枝子土壤抗剪强度随根系密度增加而减小(图7),石榴和酸枣根-土复合体抗剪强度为1.5倍天然根系密度>2.0倍天然根系密度>天然根系密度,根-土复合体抗剪强度依次为：酸枣>石榴>杠柳>胡枝子。

不同灌木不同根系密度根-土复合体抗剪强度随垂直正压力增加呈线性增加,符合摩尔-库伦强度理论(τ=C+δtanφ)。结合表2,每种灌木的土壤粘聚力(C)在加入根系后均有提高,增幅由大到小为：胡枝子12.06%—127.15%,石榴9.40%—65.62%,酸枣7.39%—47.59%,杠柳2.98%—29.70%,胡枝子根系对土壤抗剪强度增强效果最强固。土壤内摩擦角(φ)未表现出较强规律性。植物根系主要通过增加土壤粘聚力(C)来增强土壤抗剪强度以实现固土护坡效应。

图7 根-土复合体的抗剪强度与垂直压力的关系Fig.7 Relationship between shear strength and vertical pressure of root-soil composite

4 讨论

4.1 土壤物理性质

植物根系通过吸收、引流等作用影响土壤含水率,土壤含水率也会反作用于植物生长[25]。余冬立[20]在研究土地利用方式对土壤理化性质影响时发现,植物根系能在垂直方向改善土壤理化性质。本研究中种植灌木后土壤含水率、孔隙度和大团体含量均显著提高,因根系穿插在浅层坡体中能改变土壤孔隙结构,土壤孔隙结构对调节土壤水分、影响边坡稳定性具有重要的生态意义[26]。胡枝子对土壤含水率和大团聚体含量改善最明显,相对于裸地含水率提高了约2—4倍,大团聚体含量提高了约2倍。杠柳对土壤孔隙度改善最明显,相比于裸地土壤孔隙度增加了5%—10%。土壤孔隙度和大团聚体含量均呈现表层高、底层低的特点。表明灌木根系对表层土壤孔隙结构改善效果较好[27],植物根系分泌物能通过增加土壤有机质含量改善土壤结构、改变土壤孔隙度[28]。

表2 不同含根密度下根-土复合体直接剪切试验结果

4.2 根系抗拉强度及其影响因素

植物根系主要通过加筋、锚固两个作用实现防治浅层滑坡[29-30]。毛须根主要起加筋作用,根径较大的粗根主要起锚固作用,根系抗拉强度是衡量根系锚固作用的指标[31],抗拉强度越大,根系对土壤锚固作用越强。朱海丽等[32]对青藏高原黄土区四种灌木研究表明其抗拉强度范围为26 MPa—40 MPa,抗剪强度和根径关系主要为幂函数或指数函数,本研究中四种灌木根系抗拉强度与根径间为显著幂函数关系,根系抗拉强度随根径增加减小,其函数关系主要受植物种类影响[33]。王剑敏等[34]对三种中亚热带灌木研究发现,檵木和麂角杜鹃单根抗拉强度与根径呈递减的幂函数关系,而香港黄檀未表现出明显相关性,本文中不同灌木根径和抗拉强度变化趋势也各不相同,胡枝子根系抗拉强度最高,土壤锚固作用较好,其次为石榴、酸枣、杠柳,主要原因是它们根系化学组成和内部结构不同[21,35]。

4.3 根系对土壤抗剪强度的影响

土壤抗剪强度是土体边坡稳定性一个重要指标[36],本质是土粒间粘聚力和土粒间摩擦产生的内摩擦角共同作用,服从摩尔-库伦强度理论。在同一地区、同类土壤、相同条件下原状土与重塑土主要区别在于,原状土中的植物根系通过挤压和缠绕作用可以提高土壤团粒数量[37],故可通过调节土壤含水率、添加根系等方式使重塑土状态尽可能接近原状土[38-39]。蔡建[40]认为试验中重塑土试验条件与原状土差别较小时,可在一定程度上模拟实际情况下土壤的抗剪强度。当坡面土体发生滑移时,土壤产生的剪切力一部分转移到植物根系,根系的存在会改变土壤粘聚力和内摩擦角,影响土壤抗剪强度。倪九派等[41]研究得西南丘陵山地地区土壤粘聚力随着土壤含水率升高呈增大趋势,在10%含水率处土壤粘聚力有最大值,这与本研究结果一致。在本试验设计含水率范围内,含水率升高抗剪强度降低、土壤粘聚力和内摩擦角均减小。含水率增加使土粒粘结度降低,粘聚力减小土粒间摩擦减小,内摩擦角也减小,故土壤抗剪强度减弱[42]。石榴根系对土壤抗剪强度增强效果明显；杠柳粘聚力降幅最大,含水率从10%增加到30%时粘聚力约减小4倍；酸枣内摩擦角降幅最大,含水率从10%增加到30%时内摩擦角约减小1倍。

胡夏嵩等[43]研究了4种灌木根-土复合体抗剪强度,发现抗剪强度与垂直正压力之间呈线性正相关,符合摩尔-库仑定律,其根-土复合体粘聚力显著大于素土,内摩擦角无明显变化规律,这与本文研究结果相同；格日乐等[44]研究显示,植物种类不同,抗剪强度和粘聚力最优值对应根系密度和含水率各不相同,本研究设定的3个根系密度梯度,杠柳和胡枝子根-土复合体抗剪强度随根系密度增加而减小,石榴和酸枣在1.5倍天然根系密度下根-土复合体抗剪强度最高,均高于杠柳和胡枝子；Ghestem[45]认为根-土复合体抗剪强度受根系密度影响,在一定范围内正相关。本研究中根-土复合体粘聚力增值在2.98%—127.15%之间变化,均大于素土。不同植物抗剪强度最佳根系密度对应的含水率不同,当含水率或根系密度超出最优范围,根系对土壤抗剪强度增强效果会减小乃至消失,甚至对边坡稳定起到反作用。

5 结论

植物根系能改善土壤孔隙结构,相比裸地植物根系能显著改善土壤孔隙度和团聚体含量。杠柳对土壤孔隙结构改善效果明显,胡枝子对土壤含水率提高效果最好。

植物根系依靠自身抗拉强度分担土壤滑移时产生的剪切力,能通过增强土壤抗剪强度提高边坡稳定性。单根抗拉强度依次为胡枝子>石榴>酸枣>杠柳,根系抗拉强度随着根径增大以幂函数关系减小,根径<1 mm的毛根抗拉强度最大。当含水率减小时,土壤粘聚力和内摩擦角均增大,故土壤抗剪强度增强。在设定含水率范围内,10%土壤含水率下土壤抗剪强度最强。胡枝子和杠柳随着根系密度增加土壤抗剪强度增大,酸枣和胡枝子在1.5倍根系密度下对土壤抗剪强度增强最大,随着根系密度增加土壤粘聚力增长最快为胡枝子,故其对土壤抗剪强度增强效果明显。