火烧迹地土壤根系特征及其对抗剪强度的影响

胡卸文，侯羿腾，王 严，杨 瀛

(1.西南交通大学地球科学与环境工程学院，四川 成都 610031；2.西南交通大学高速铁路运营安全空间信息技术国家地方联合工程实验室，四川 成都 610031)

大量的森林火灾区显示，林火会改变土壤结构和植被根系特征，且在火烧迹地部位易形成浅表层滑坡，为火后泥石流提供大量的起动物源[1-3]。查明林火对植被根系影响程度及火烧前后根-土复合体抗剪强度变化特征，对揭示火烧迹地泥石流物源起动机理具有重要意义。

国外学者对火烧迹地植物根系及其复合土体强度曾做过研究，Wondzell等[1]表明太平洋西北部的火后泥石流物源起动以浅表层滑坡为主，主要由于土体饱水和植物根须腐烂造成的土体抗剪强度下降而触发。Parise等[2]统计指出，有12%火后泥石流是由浅层滑坡所触发，滑坡厚度可能为几十厘米～6 m，浅层滑坡可能发生在火灾后的第一个雨季，也有可能是火灾后1～2年、10年甚至30年。国内对火烧迹地土壤物理力学性质研究尚处空白，但在非火烧区常规土体根系固土方面开展了大量的研究，杨亚川等[4]认为草本植物的根系对土壤产生了明显的“加筋作用”，提出了“根-土复合体”的观点，并指出根系锚固并凝聚于土壤之内，使土壤整体强度增大。封金财等[5-6]通过研究证实了根-土复合体的应力-应变与抗剪强度的关系也满足库伦定律，根-土复合体的抗剪强度会随着土体中根系含量的增加而增大。胡夏嵩等[7-9]通过拉拔试验和室内直剪试验，证实了草本根系能显著增强边坡浅层土体稳定性。X.S.Hu等[10]通过直接剪切试验和三轴压缩试验，得出了根-土复合体中根系提供了附加黏聚力c的结论。但是针对火烧迹地土壤，由于山火对植被根系的烧焙作用，往往致使表部根系烧焦而后腐烂，将会对所在部位土体物理力学性质产生劣化作用。

本文结合四川省甘孜州乡城县正斗乡仁额拥沟流域火烧区与非火烧区土壤植物根系及根-土复合体抗剪强度对比试验研究，以揭示火烧迹地浅表层土壤的力学劣化机制。

1 研究区概况

试验研究区位于四川省甘孜州乡城县正斗乡仁额拥沟泥石流沟域，海拔高度3 270～3 670 m。沟域内出露地层主要有三迭系上统图姆沟组(T3t)、拉纳山组下段(T3l1)、曲噶寺组上段(T3q3)，区域地貌为侵蚀高山峡谷地貌。仁额拥沟流域面积24.28 km2，主沟长8.35 km，沟道平均纵比降为145.9‰，流域内植被覆盖度高达86%，流域植被类型为乔木、灌木和草本植物混生，以草本植物为主。2014年6月1日，由于当地工作人员用火处理不当，造成森林大火，过火面积达6.9 km2，火烧迹地表层坡残积覆盖层为砂壤质土，厚度10～20 cm，火后当年及后续三年里火烧迹地物源因起动补给，持续暴发火后泥石流，对沟口正斗乡政府造成严重危害。

2 取样与试验

2.1 试样采集

为保证试验效果，分别在严重火烧区和未火烧区选取试验样本，取样部位的地形坡度、土壤性质和植被类型均相似(图1)。每个取样部位随机选取相邻2个区域(约5 m×5 m)，分别开展根系特征统计和根-土复合体取样工作，以下简称1号区域和2号区域。在1号区域随机选取4个采集点，使用自制正方形取样器(长、宽、高均为10 cm，顶面封顶，并在四个角做加厚处理，底面未封，并做锐化处理)取样，在取样前用小刀和刷子清理坡表少量枯枝落叶和小碎石，方便下环。将环刀刃口向下，用静力缓缓施压环刀，待刃口完全嵌入土体后，用地质锤依次锤击环刀顶面四个角，直至环刀完全嵌入土体，随后用铲子将环刀与其周边土一起铲出，并用削土刀削去环刀周边多余土体，用保鲜袋包裹密封，带回实验室做进一步处理，取样部位根系分布如图2所示。在2号区域随机选取4个采集点，使用标准环刀(内径61.8 mm、高20 mm)在土壤表层、土壤下5 cm和土壤下10 cm取样，每1层各取4个土样，其余步骤同1号区域类似。

2.2 试验方法

2.2.1火烧迹地土壤根系特征

反映土壤根系特征的表征参数包含根系数量、根系直径、根重、根长，以及通过后续计算出的土壤根质量(重)密度和根长密度。土壤根质量(重)密度和根长密度是表示土壤中根系数量多少的重要指标，与土壤根系复合体抗剪强度密切相关[11]。土壤根质量(重)密度和根长密度分别用以式计算[12]：

ρ根质量=m/v

ρ根长=l/v

式中：ρ根质量——根质量(重)密度/(mg·cm-3)；

ρ根长——根长密度/(mm·cm-3)；

m——土样中根系总干质量/mg；

l——土样内总根长/mm；

v——土样体积/cm3。

根系直径、根重、根长分别用螺旋测微器、电子秤和钢尺测定。

图1 未火烧区(a)和严重火烧区(b)取样部位Fig.1 The sampling area of the (a) unburned area and (b) burned area

图2 未火烧区(a)和严重火烧区(b)根系特征Fig.2 Root system characteristics in the (a) unburned area and (b) burned area

2.2.2土壤根系单根抗拉强度试验

单根抗拉力是表征植物根系对土壤“加筋”作用效果的重要参数[13-14]。根系抗拉强度是反映根系材料力学性能的重要参数，是评价根系固土护坡能力的一个重要力学指标[15]。测量土壤根系单根抗拉力采用的仪器为NK指针式推拉力计(量程50 N，精度0.01 N)，并配合相应的卧式手摇机架和夹具使用(图3、图4)。根据拉力试验规程，试验所选取的根系长度应为5～10倍根系直径，因此实验所选取长度为2～10 cm根段作为具体受力对象。将符合条件的根系放置在工作台上，并利用夹具固定根系，缓慢匀速地拉伸根系直至根系拉断，记录根系被拉断时的最大抗拉力和拉断处的根径。为保证抗拉试验数据的可靠度，剔除根系断裂处明显靠近夹具边缘的根系样本(图5)。根系的抗拉强度可用下式进行计算[15-16]：

图3 单根抗拉试验装置Fig.3 Plant root tensile test device

图4 单根抗拉试验测试示意图Fig.4 Schematic diagram of the root tensile test

图5 火烧区(a)与未火烧区(b)植物根系对比Fig.5 Contrast of root system between theunburned and burned areas

P=4F/πD2

(3)

式中：P——根系抗拉强度/MPa；

F——最大抗拉力/N；

D——根系拉断处的根系直径(测量3次取平均值)/mm。

2.2.3土壤-根系复合体抗剪强度试验

测定火烧迹地土壤-根系复合体抗剪强度按常规直剪试验方法进行[17-18]。

3 试验结果及分析

3.1 土壤根系特征

火烧迹地与非火烧区所取土样测量的根系特征参数(根系数量、根系直径、根质量密度、根长密度)见表1、表2。通过对比分析，可见林火对根系特征影响极为显著，具体表现在火烧后土壤中的根系特征参数相较于火烧前土壤均有不同程度的减小，火烧后土壤每1 000 cm3所含根系平均数量为229根，与火烧前土壤相比减少了约23.15%，其原因是林火烧毁了地表植被，导致土壤中出现部分“死根”，同时部分“死根”被土壤中的微生物侵蚀，导致根系腐烂，数量减少。火烧前土壤的平均根系直径为0.74 mm，而火烧后土壤的平均根系直径为0.36 mm，前者是后者的2.05倍，这是林火使得部分根系在高温作用下失水收缩所致。对比两地的根质量密度和根长密度，表明火烧后土壤根质量密度比火烧前土壤的小62.98%，火烧后土壤根长密度比火烧前土壤的小29.10%，根质量密度相较于根长密度下降幅度大的原因是由于根系的腐烂以及新生根系生长年限短，根系直径较小造成。

表1 严重火烧区土壤根系特征

表2 未火烧区土壤根系特征

3.2 植物根系单根抗拉力与抗拉强度

本次抗拉试验共成功测试了30条未火烧区根样和30条火烧区根样，以对比火烧区和未火烧区的根系抗拉特征(图6)。根系抗拉强度根据实测单根抗拉力通过公式(3)计算所得，试验数据见表3。

图6表明，两地根样的单根抗拉力都随着根系直径的增加而增大，而根系抗拉强度则随着根系直径的增加而减小，这与已有的研究结论基本一致[15-16,19]。但是在同等根径条件下，火烧区的根系抗拉强度和单根抗拉力均小于未火烧区，这是因为林火对土壤中根系的烘烤而致使根系失水收缩，同时新生长的根系生长年限较短，从而导致火烧后土壤单根抗拉力和抗拉强度明显降低。

图6 研究区根系抗拉强度、单根抗拉力与直径关系Fig.6 Relationship between the roots’ ultimate tensile strength and the largest root anti-rally with diameter in the study area

表3 未火烧区与火烧区植物根系抗拉力及抗拉强度

表3数据显示火烧区根系平均直径相较于未火烧区几乎减小了一半，根系直径减小造成测得的平均单根抗拉强度较未火烧区高，但是根系直径过小反而造成单根抗拉力均值减小，样本数据显示火烧区土壤根系平均单根抗拉力仅为未火烧土壤根系的38%左右。

3.3 土壤抗剪强度

图7显示，由于林火过后土壤中根系特征的变化，导致在0 cm，5 cm，10 cm三种土壤深度条件下，火烧区根-土复合体的抗剪强度均小于未火烧区。与未火烧区相比，火烧区0，5，10 cm处根-土复合体抗剪强度分别减小了约27%，25%和16%。可以看出越接近土壤表层，林火对土壤的抗剪强度影响越大，这与越往表层，土壤根系受烧焙影响程度越高有关，同时也说明火烧区土壤根系特征变化对其抗剪强度的影响是显著的。

进一步的对比研究发现，火烧区和未火烧区的根-土复合体黏聚力均随着土壤深度的增加而增大，但在不同土壤深度处(0 cm，5 cm，10 cm)，火烧区根-土复合体的黏聚力相比于未火烧区分别减小了41%，33%，47%，而两者的内摩擦角相差不大，在0.5°～2.0°之间(图8)。

图7 0 cm，5 cm和10 cm土壤法向应力-抗剪强度关系Fig.7 Relationship between normal stress and shear strength of 0, 5, 10 cm

图8 火烧区和未火烧区土壤黏聚力和内摩擦角对比Fig.8 Comparison of soil cohesion and internal friction angle between the burned and unburned areas

以上结果表明，相较于未火烧区，火烧区根系特征的改变对根-土复合体抗剪强度的影响，主要体现在黏聚力减小，而对内摩擦角的影响相对较小。

4 结论

(1)一次森林大火后，严重火烧区浅表层土壤内植物根系的数量、根径、根质量密度和根长密度相较于未火烧区均表现出显著减小的特点，其中根数与火烧前土壤相比减少了约23.15%，土壤根质量密度比火烧前小62.98%，土壤根长密度比火烧前小29.10%。

(2)火烧前后土壤根系单根抗拉力均随着根系直径的增加而增大，但火烧后土壤根系的平均抗拉力仅为火烧前土壤的38%，在根径相同的条件下，火烧后土壤根系的抗拉力仅为火烧前的90%。

(3)火烧前后土壤单根抗拉强度均随着根系直径的增加而减小，在根径相同的条件下，火烧区根系的抗拉强度为未火烧区根系抗拉强度的60%。

(4)在0 cm，5 cm和10 cm不同土壤深度处，火烧区根-土复合体抗剪强度均小于未火烧区，分别减少了27%，25%和16%。具体表现为林火后土壤的黏聚力出现明显下降，而内摩擦角影响较小。三种土壤深度条件下，火烧区根-土复合体的黏聚力相比于未火烧区分别减小了41%，33%，47%，而内摩擦角相差不大，在0.5°～2.0°之间。