喀斯特坡地2种地埂篱根-土复合体抗剪和抗冲性能综合评价

颜哲豪,谌 芸,刘枭宏,何丙辉,唐 菡,强娇娇

西南大学资源环境学院,岩溶环境重庆市重点实验室,重庆 400715

近年来,喀斯特地区特殊的岩溶地质环境引起了国内外学者的广泛关注,在长期不合理的人类活动影响下,其本就脆弱的生态系统遭到了严重的破坏,许多地方形成了石漠化的自然景观[1]。针对上述问题,有学者提出,以生态经济型物种为主的植被恢复措施(如经果林、地埂篱)能较好地平衡喀斯特地区生态与经济的矛盾[2—3]。已有研究表明,在贵州喀斯特地区种植地埂篱能明显延迟地表径流的产生,增加径流在喀斯特坡面入渗的时间和径流入渗量,从而减小坡面侵蚀产沙量[4—5]。同时,地埂篱根系可以缠绕串连黏结根土,改变土壤的入渗特性,增强土壤抗冲性能与抗蚀能力,从而起到提高梯坎稳定性的作用[6]。

植物根系的固土效应可以对土壤起到物理加固和化学改良的作用,增强土壤的抗侵蚀性能[7—9]。刘昌义等[10]在黄河源区发现随着草地植物根系含量显著降低,其复合体抗剪强度亦逐渐降低；刘红岩等[11]认为草本根系可以促使土壤团聚体形成,增强土壤结构间的稳定性,从而提高土壤抗冲性能。也有研究指出,植物根系自身的形态特征、化学成分、抗拉特性与根-土复合体的抗剪和抗冲性能都是研究植被固土力学机理的重要因素[12—14]。且不同植物种类在不同地形条件下的根系分布特征迥异,其根系生物力学性能对土壤抗剪和抗冲性能的影响差异显著[15—16]。

我国西南喀斯特地区分布广、地形条件复杂、裸岩率高、土层浅薄[17],该区植物根系生长主要受限于土壤厚度和水分,根系形态特征随着限制条件改变的同时,其纤维含量和抗拉特性也随之改变[18],进而影响土壤的抗剪和抗冲性能,但目前鲜少见到以该区域岩溶地貌为背景的相关研究。鉴于此,本文在重庆酉阳喀斯特坡地布设拉巴豆(DolichoslablabL.)和光叶苕子(Viciavillosa)2种地埂篱。拉巴豆和光叶苕子均为豆科草本植物,环境适应力强且根系发达,具有固氮功能,有利于改良土壤,提高土壤的保水保肥能力,茎叶可作为优质饲草。分析上述2种地埂篱根区土壤物理性质、根系形态、纤维含量、抗拉特性和复合体抗剪/冲性能的变化规律,明确喀斯特地区地埂篱根-土复合体抗剪和抗冲性能的评价因子,以期为喀斯特坡地水土流失治理中植物措施的科学推广应用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于重庆市酉阳土家族苗族自治县泔溪镇龙潭槽谷,东经108°58′,北纬28°58′。槽谷由背斜发育而来,谷底及坡面一侧为碳酸盐岩,土壤类型为黄壤,砂粒、粉粒和粘粒含量分别为12%、49%和39%。该区降雨主要集中于5—9月,年均降雨量1200 mm,年均气温14.6 ℃,年均日照时长1131 h,属典型的亚热带季风湿润气候,植被覆盖率约60%,主要为花椒经济林,另存在少量抗旱、耐瘠薄野生乔灌草,如马尾松(Pinusmassoniana)、沿阶草(Ophiopogonbodinieri)等。

1.2 地埂篱布设

试验区位于龙潭槽谷西侧坡地之上,坡向朝南,坡度约30°,海拔约350—550 m。依据海拔高度差异,坡面可划分为上、中、下三个坡位,相邻坡位间海拔相差约为50 m。在各坡位地埂上选取土层连续分布的地段布设草篱,上、中坡地埂土层平均厚度约25 cm,下坡土层平均厚度约30 cm。分别于2018年10月和2019年4月撒播光叶苕子(播种密度0.004 kg/m2,出苗率约75%)和拉巴豆(播种密度0.03 kg/m2,出苗率约80%),篱带长约200 m、宽约20 cm。于2019年5月采集光叶苕子试样、2019年7月采集拉巴豆试样,采样时植物均处于生长旺盛期,其根系类型均为直根系。光叶苕子平均株高和基径为30.5 cm、3.12 mm,覆盖率约60%；拉巴豆平均株高和基径为43.8 cm、4.45 mm,覆盖率约65%。

1.3 样品采集

土壤样品的采集:2种地埂篱加上对照土体(CK)共3种处理,每种处理每个坡位采集3个容重环刀、3个铝盒和3袋散土,地埂篱根区土壤的取样点位于植株周围20 cm以内,取土深度为10 cm。共计27个容重环刀、27个铝盒以及27袋散土。

单根样品的采集:将整株根系挖出,从中剪取顺直且直径较均一的根,根系直径用精度为0.01 mm的数显游标卡尺(型号CD-6 ASX)测量。在根两头包裹医用胶布,以此分散夹具周边应力增加摩擦力以提高试验成功率,包上胶布后样本标距为50 mm[19],共计制作单根样品188个。

抗剪土样的采集:每种处理在篱带的两端和中间分别取4个样点(每4个为一组,用来测定竖直荷载为100、200、300、400 KPa下的抗剪强度),每个样点采集1个抗剪环刀,采样深度为5 cm,3种处理共计采集108个抗剪土样。

抗冲土样的采集:每种处理在篱带的两端和中间分别取1个样点,每个样点采集1个抗冲环刀(10 cm×10 cm×20 cm),采样深度为10 cm,3种处理共计采集27个抗冲土样。具体采样方法与唐菡等[20]研究中的方法一致。

1.4 测定项目与方法

1.4.1土壤容重、孔隙度的测定

采用环刀法[21]测定土壤容重、孔隙度(总孔隙度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度)。

1.4.2根系指标和纤维含量

采用EPSON(PERFECTION C700)扫描仪进行根系灰度扫描(分辨率设置为4800×9600 dpi),WinRHIZO(Pro.2009)根系分析系统进行分析,测定根长、根表面积和根体积密度[22]。将扫描后的根系样本于80 ℃烘干至恒重,测定纤维素、半纤维素和木质素含量,计算木纤比,测定方法参考《植物生理生化实验原理和技术》[23]。

1.4.3单根抗拉特性指标

使用电子万能试验机(CMT6503,深圳)测定单根的极限抗拉力和抗拉强度。仪器测力范围0—5 KN,加载速率范围 0—60 MPa/s,最小分度值1×10-5N,夹具型号DSA502A,拉伸速率设置为7 mm/min,拉伸断裂点位于单根样品中部则视为试验成功。

(1)

式中,P为根系的抗拉强度(MPa)；F为最大抗拉力(N)；D为单根直径(mm)。

1.4.4抗剪强度指标和抗冲指数

土壤抗剪强度使用ZJ型应变控制式直剪仪测定并根据库伦定律计算内摩擦角φ和粘聚力c；土壤抗冲指数采用原状土冲刷水槽法测定,冲刷水槽长1.80 m,宽0.11 m,冲刷槽坡度定为30 °,土壤抗冲性能用抗冲指数ASI表示,即冲失1 g干土所需水量:

(2)

式中,ASIt为t时刻的抗冲指数(L/g)；Q为冲刷流量(L/min)；t为冲刷历时(min)；WLDSt为t时刻冲失干土重(g)。

1.5 数据处理

运用Microsoft Office Excel 2010 对数据进行统计处理,Origin 2018作图,IBM SPSS 23.0进行差异显著性检验(Duncan法,P﹤0.05)、协方差分析(ANCOVA)和主成分分析。

2 结果与分析

2.1 根区土壤物理性质

由表1可知,上、中坡拉巴豆和光叶苕子根区土壤容重显著低于CK,中、下坡光叶苕子总孔隙度最大,与拉巴豆和CK之间存在显著性差异,毛管孔隙度表现为光叶苕子﹥拉巴豆﹥CK。不同坡位,2种地埂篱根区土壤容重表现为上、下坡显著高于中坡,拉巴豆根区土壤总孔隙度和非毛管孔隙度均表现为中坡显著高于下坡。

表1 供试土样物理性质

2.2 根系形态、纤维含量和单根抗拉特性

2.2.1根系形态和纤维含量

由表2可知,抗剪复合体中根系的平均根长密度、根表面积密度均表现为拉巴豆高于光叶苕子,较之光叶苕子高出59.32%和16.86%。不同坡位,拉巴豆根长密度、根表面积密度表现为中、下坡显著高于上坡,光叶苕子根体积密度表现为下坡显著高于上、中坡。分析根系纤维含量发现,上坡光叶苕子根系的木质素含量和木纤比均显著高于拉巴豆。不同坡位,拉巴豆下坡根系的纤维素含量显著高于中坡。

表2 地埂篱根-土复合体内根系形态和纤维含量指标

抗冲复合体中拉巴豆平均根长密度、根表面积密度和根体积密度较之光叶苕子高出30.48%、57.78%、92.98%。不同坡位,仅拉巴豆根长密度表现为中、下坡显著高于上坡。分析根系纤维含量发现,拉巴豆根系的半纤维素含量均高于光叶苕子,木质素表现则恰好相反,光叶苕子上坡根系的纤维素含量和下坡根系的木纤比均显著高于拉巴豆。不同坡位,光叶苕子根系纤维素含量表现为上坡显著高于下坡。

2.2.2单根抗拉特性

拉巴豆和光叶苕子单根抗拉试验的样本总数为188,成功样本数为108,试验成功率为57.45%,根系直径范围分别为0.24—1.74 mm和0.14—1.93 mm。测试结果显示,拉巴豆根系极限抗拉力范围为0.45—16.59 N,均值3.82 N；抗拉强度范围为2.33—24.45 MPa,均值7.29 MPa。光叶苕子根系极限抗拉力范围为0.03—2.91 N,均值0.52 N；抗拉强度范围为0.28—8.97 MPa,均值1.61 MPa。

由图1可知,2种地埂篱根系极限抗拉力、抗拉强度随直径的变化趋势大致相同,皆为极限抗拉力随直径增大而增大,抗拉强度随直径增大而变小。拟合结果显示,抗拉特性与直径的拟合方程均为幂函数形式。其中极限抗拉力与直径的拟合效果较好,拉巴豆拟合方程决定系数为0.7441-0.8606,光叶苕子拟合方程决定系数为0.6480-0.9283；抗拉强度与直径的拟合效果较差,最高决定系数为0.739。

图1 不同坡位地埂篱根系极限抗拉力、抗拉强度与根径的关系

以直径为协变量进行协方差分析,结果表明,上、中、下坡2种地埂篱根系极限抗拉力均存在极显著差异(F=77.957,P<0.001；F=18.978,P<0.001；F=47.920,P<0.001),且表现为:拉巴豆>光叶苕子；各坡位2种地埂篱根系抗拉强度表现与极限抗拉力一致,二者之间均存在极显著差异(F=46.774,P<0.001；F=55.423,P<0.001；F=80.243,P<0.001)。不同坡位,拉巴豆根系极限抗拉力、抗拉强度(F=6.748,P<0.05；F=8.457,P<0.05)均存在显著差异,具体表现为下坡>上坡>中坡；光叶苕子根系抗拉强度存在显著差异(F=8.328,P<0.05),排序为上坡>下坡>中坡。

2.3 复合体抗剪和抗冲性能特征

2.3.1抗剪强度指标分析

殷明慌乱不已，他不知道离开那个熟悉的宿舍后，要去哪里，又会面对什么样的目光。恍惚间，仿佛又看到了向华杰的母亲撕打他时那恨不得杀死他的目光，看到郑云涛的爸爸抱着头蹲在地上无声哭泣的背影……他抓起他的那个灰扑扑的包，猛地向外跑去。

由图2可知,不同处理的粘聚力c均表现为:拉巴豆(26.69—39.71 KPa)﹥光叶苕子(23.23—28.45 KPa)﹥CK(12.42—18.64 KPa)。与CK相比,拉巴豆复合体的粘聚力c增强了113.06%—124.37%,光叶苕子复合体的粘聚力c增强了51.56%—87.12%。不同坡位,拉巴豆复合体的粘聚力c表现为下坡﹥中坡﹥上坡；下坡光叶苕子的粘聚力c显著高于上、中坡。

图2 地埂篱根-土复合体和对照土体的抗剪强度指标

不同处理的内摩擦角φ表现为:上、中、下坡拉巴豆和光叶苕子复合体的内摩擦角φ均高于CK,较之CK分别高出7.76%—71.17%和5.61%—51.43%。不同坡位,光叶苕子复合体和CK的内摩擦角φ表现为上、中坡显著高于下坡,拉巴豆复合体的内摩擦角φ在各坡位间差异不显著。将内摩擦角φ与粘聚力c的表现加以对比,可以看出根系提高土壤粘聚力c的程度更高。

2.3.2抗冲指数动态变化

土壤抗冲指数(ASI,Anti-scouring index)的动态变化如图3所示,抗冲指数的大小关系呈现为:拉巴豆﹥光叶苕子﹥CK。2种地埂篱复合体和对照土体的ASI均随冲刷时间(t)增加而呈对数函数型增大,并最终达到稳定,其拟合对数函数方程决定系数R2=0.661-0.979,说明本研究中的土壤ASI与t的关系可以用对数函数(ASI=alnt+b,a、b为常数,t=0—20 min)较好的拟合。在0—4 min,ASI增长较快,4 min之后,ASI增长趋势逐渐缓慢并趋于平缓。上坡4 min之后以及中、下坡所有观测时刻2种地埂篱复合体的ASI值均明显高于CK,其中,拉巴豆复合体在各坡位的ASI分别为CK的1.26—1.46倍、1.62—2.47倍和2.29—2.81倍；光叶苕子复合体在各坡位的ASI分别为CK的1.03—1.27倍、1.15—2.06倍和1.31—2.45倍。不同坡位,拉巴豆复合体ASI表现为下坡﹥中坡﹥上坡,光叶苕子在数值上排序为中坡﹥下坡﹥上坡。

图3 地埂篱根-土复合体和对照土体的抗冲指数动态变化

2.4 复合体抗剪和抗冲性能综合分析

为全面地评价2种地埂篱对根-土复合体抗剪/冲性能的影响,选择根区土壤物理性质、根系形态特征、根系纤维含量和根系抗拉特性四类因子进行主成分分析,提取最能反映复合体抗剪/冲性能强弱的指标。各类别因子包括的指标如下,土壤物理性质:容重、总孔隙度；根系形态特性:根长密度、根表面积密度、根体积密度；根系纤维含量:木质素、纤维素、半纤维素；根系抗拉特性:极限抗拉力、抗拉强度。

2.4.1复合体抗剪性能主成分分析

对复合体抗剪性能进行主成分分析后的方差分析结果如表3所示,第一主成分(F1)贡献率达50.307%,第二主成分(F2)贡献率达20.335%,第三主成分(F3)贡献率达19.813%,前三个主成分累计方差贡献率达91.455%,信息损失为8.345%,特征值均大于1,满足主成分分析最高信息损失量的标准。旋转后的因子荷载矩阵显示,F1中的高荷载指标包括根表面积密度、木质素、极限抗拉力、抗拉强度,其中根表面积密度、极限抗拉力、抗拉强度对F1具有较强的正向负荷。

表3 主成分方差贡献率和分析旋转后的因子载荷矩阵

将指标值经过z-score 法标准化后乘对应指标因子系数再进行加和得出各主成分得分,根据各主成分方差贡献率占累积贡献率的比重,确定各主成分的权重,乘以主成分得分并相加可以得出复合体抗剪性能综合评分,表达式为F=55.01% F1+23.33% F2+21.66% F3,各主成分及综合评分结果如表4所示。拉巴豆复合体抗剪性能综合评分均高于光叶苕子复合体；不同坡位,复合体抗剪性能综合评分均表现为下坡﹥上坡﹥中坡。

2.4.2复合体抗冲性能主成分分析

同样地,对复合体抗冲性能进行主成分分析后的方差分析结果显示,第一主成分(T1)贡献率达59.101%,第二主成分(T2)贡献率达20.704%,第三主成分(T3)贡献率达14.107%,前三个主成分累计方差贡献率达93.912%,信息损失为6.088%。在T1中, 根表面积密度、木质素、极限抗拉力、抗拉强度荷载较高,除木质素外,其余指标均对T1具有较强的正向负荷。T2 中纤维素荷载较高；T3中高荷载指标包括根长密度。

根据抗冲性能各主成分方差贡献率占累积贡献率的比重,计算出复合体抗冲性能综合评分表达式为:T=62.93% T1+22.05% T2+15.02% T3,具体得分如表4所示。拉巴豆复合体T1得分远远高于T2和T3,光叶苕子复合体T2得分最高,且T1、T2得分权重大于T3,可见,根表面积密度、木质素、纤维素、极限抗拉力和抗拉强度对复合体抗冲性能的解释力度较强。拉巴豆复合体抗冲性能综合评分高于光叶苕子复合体, 下坡2种地埂篱复合体抗冲性能综合评分最高。

表4 地埂篱根-土复合体抗剪和冲性能主成分得分及综合评分

3 讨论

本研究中,2种地埂篱根系类型均为直根系,主根明显且侧根发达,下坡根系均相较上、中坡发达,这可能是由于上坡地势高陡,水土向低地势移动从而使下坡土壤环境相较上坡更加良好,这种变化在土储量少的喀斯特地区表现更甚[24]。根-土复合体内的根长密度和根表面积密度均表现为拉巴豆高于光叶苕子,而本研究中2种植物虽然均在生长旺盛期进行取样,但其采样时间和植株大小存在一定差异,因此这种现象可能是由于植物生长时期和植株大小不同造成的,也可能是植物的生长发育速度或根系形态上的差异所造成的。拉巴豆根系平均极限抗拉力为3.82 N,平均抗拉强度为7.29 MPa,约为光叶苕子的7.35、4.53倍,协方差分析表明,直径相同时拉巴豆根系抗拉力学特性明显优于光叶苕子。植物通过其根系力学效应有效实现增强边坡土体抗剪强度和提高边坡稳定性的作用[25],可见拉巴豆相较于光叶苕子具有更好的固土护坡效应。本研究中拉巴豆和光叶苕子根系极限抗拉力随直径增大而增大,抗拉强度随直径增大而减弱,抗拉特性与直径的拟合方程均为幂函数,这与已有研究结果一致[26]。但不同坡位拟合方程的常数存在一定的差异,这可能是由于不同坡位地埂篱根系的根径所占比例和根系纤维含量不同所致[27]。

2种地埂篱复合体抗剪强度指标均高于对照土样,尤其是拉巴豆,且根系对内摩擦角的增幅效果低于粘聚力。可见拉巴豆和光叶苕子地埂篱根系提高土壤粘聚力的程度更高,这与大量研究结果类似[28—29]。2种地埂篱均能增强喀斯特坡地表土层的抗冲性能,其中拉巴豆地埂篱的增强效果高于光叶苕子,这与根系的生物力学特性表现一致。本文土壤抗冲指数动态变化能以对数函数进行较好的拟合,其拟合方程决定系数最高为0.979,而蒲玉琳[30]等认为土壤抗冲指数随冲刷时间增加呈幂函数型增大,这可能是由于其冲刷时间较短,且土壤结构类型不同导致根系分布特征不一所致。本文结合土壤物理性质、根系形态、纤维含量及抗拉特性等诸多指标,运用主成分分析对根-土复合体抗剪和抗冲性能进行了综合评价,结果显示根系形态类和抗拉特性类指标对复合体抗剪和抗冲性能的贡献度较高。这与已有研究认为根长密度、根表面积密度可作为表征根-土复合体抗剪和抗冲性能的重要参数的结论类似[31—32]。此外,根系力学特性受纤维素和木质素影响显著,而本文中拉巴豆根系以较低的木质素含量获得了较高的抗拉强度,根系抗拉特性与自身化学成分间的相互关系还有待进一步研究。

4 结论

拉巴豆和光叶苕子地埂篱均能显著提高喀斯特坡地土壤的粘聚力和抗冲指数。主成分分析表明,2种地埂篱下坡的根-土复合体抗剪和抗冲性能综合评分最高,根系形态类和抗拉特性类指标对复合体抗剪和抗冲性能的贡献度较高,根表面积密度、根系抗拉强度、根系木质素含量可以较好的反映复合体抗剪和抗冲性能的强弱。

与对照土体相比,拉巴豆和光叶苕子复合体粘聚力增强了113.06%—124.37%和51.56%—87.12%,抗冲指数最高达到对照土体的2.81倍和2.45倍。此外,拉巴豆根系力学特性优于光叶苕子,其根系极限抗拉力和抗拉强度均值为3.82 N和7.29 MPa,分别为光叶苕子的7.35、4.53倍。根长密度和根表面积密度均表现为拉巴豆高于光叶苕子,拉巴豆根系木质素含量低于光叶苕子,半纤维素含量表现相反。

拉巴豆复合体粘聚力和抗冲指数均表现为下坡﹥中坡﹥上坡,光叶苕子复合体则无明显规律；拉巴豆根系抗拉特性在下坡表现更优,光叶苕子在上坡表现较好；此外,下坡土壤环境较好,使得2种地埂篱的根系更为发达,二者的根长密度皆明显高于上、中坡。在喀斯特地区实施地埂篱措施时,尽量在地势低缓的下坡种植,更能发挥其水土保持效应。