排土场土体裂缝区植被根系及抗剪强度分布特征

2022-07-03李叶鑫宁宝宽陈四利王道涵魏忠平

水土保持研究 2022年4期

李叶鑫, 吕刚, 宁宝宽, 陈四利, 王道涵, 魏忠平

(1.沈阳工业大学建筑与土木工程学院, 沈阳 110870; 2.辽宁工程技术大学环境科学与工程学院, 辽宁阜新 123000; 3.辽宁省林业科学研究院, 沈阳 110032)

我国大型煤矿多位于干旱半干旱地区的内蒙古高原、黄土高原及沙漠化地带[1]，生态环境极其脆弱，降雨量少且分布不均匀、蒸发量大，存在较为严重的土壤和植被水分亏缺问题。排土场是露天煤矿水土流失最为严重的区域，具有物质组成复杂、孔隙发达、边坡松散高陡、平台紧实、沉陷不均匀等特性[2]，不仅土壤水分和养分流失严重，还容易诱发滑坡、泥石流等水土流失灾害，不利于植被恢复。目前，人工植被构建是生态恢复的主要措施，也是最有效的恢复方法之一，它可通过整治改造使丧失的生产能力重新得到利用，有效地恢复受损的生态系统，提高植物多样性和植被覆盖度，其根系的分布、穿插和固结作用可以提高土壤抗剪强度和抗拉强度[3]，从而提高生态系统的稳定性、防治水土流失、增强土壤水源涵养功能，被广泛应用于矿区生态恢复[4]。马红燕等[5]指出柠条和沙棘是内蒙古准格尔露天矿排土场的先锋树种。高英旭[6]研究了海州露天煤矿排土场不同植被措施的根系分布特征，认为根系主要分布在0—40 cm土层范围内。杨波等[7]以内蒙古永利煤矿排土场为例，研究了不同植被配置对排土场土壤侵蚀的影响，结果表明，植被措施可以有效地抵御持续暴雨径流的冲刷袭击。周林虎等[8]研究高寒矿区排土场边坡草本植物根-土复合体抗剪强度特征及其影响因素，指出抗剪强度与土体密度、含水率和根系含量关系密切。然而，对于土地复垦与植被恢复后排土场土体裂缝区植被根系分布特征的研究关注较少。排土场土体裂缝的出现会破坏土体连续性和完整性，改变土壤结构，严重影响植物正常生长发育，拉断植物根系，造成植物受损死亡[9]，导致植被退化[10-12]。因此，研究排土场土体裂缝区植被根系和抗剪强度随土层深度的变化特征对排土场植被恢复与重建具有重要意义。基于此，本文以植被恢复5 a的排土场为研究对象，分析土体裂缝区植被根系分布特征，研究不同土体裂缝根系特征参数的差异，揭示抗剪强度随土层深度的变化规律，以期为排土场植被恢复与重建提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于内蒙古锡林郭勒盟锡林浩特市大唐国际胜利东二号露天煤矿南排土场，地处东经116°06′—116°14′，北纬44°02′—44°07′，位于矿区的东南部，总面积13.66 km2，属中温带干旱半干旱气候，年均气温1.7℃，年均降水量284.74 mm，主要集中在6—8月份，占全年降雨量的71%以上，暴雨多发生在此3个月内，7月中旬—8月中旬则更是暴雨集中频发时段，多年平均24 h最大降水量为46.8 mm。年平均蒸发量1 794.6 mm，年均风速3.4 m/s，冻结期为10月初—12月上旬，解冻期为3月末—4月中旬，最大冻土深度2.89 m，土壤为典型栗钙土。排土场位于采区南侧，使用年限为20 a，排土场总排弃高度、台阶高度、平台宽度依次为100，25，20 m，排土场容量为5.92×107m3，最终松散系数为1.15。为尽快恢复排土场的植被，平台和边坡复垦采取覆土措施(土壤质地为砂质壤土)，平台覆土厚度约为1 m，边坡覆土厚度约为0.5 m，复垦植被有柠条(Caraganakorshinskii)、沙柳(Salixpsammophila)、沙棘(Hippophaerhamnoides)、沙打旺(Astragalusadsurgens)、草木樨(Melilotusofficinalis)等灌木或草本。

1.2 研究方法

本试验于2017年8月全面调查排土场1 105平盘土体裂缝分布特征，测定每条土体裂缝的长度、宽度和深度，根据数理统计原理和描述性统计结果(表1)从中选取3条典型土体裂缝(GFⅠ，GFⅡ，GFⅢ)作为研究对象，在土体裂缝区按照0—10，10—20，20—30，30—40，40—50，50—60 cm土层深度处分别采集土壤样品，以测定土壤物理性质和力学性质。根据土壤砂粒、粉粒和黏粒含量(表2)，按照国际制划分标准将土壤质地定为砂质土壤。在采集土壤样品的同时，利用自制环刀(内径10 cm高10 cm)采集植物根系，采样深度与土壤样品相同。将采集的植物根系放入布袋内并带回实验室，用清水将根系洗净，挑出并记录死亡腐烂根系的数量，将剩下的生长根按照≤0.1，0.1～0.3，0.3～0.5，0.5～1，>1 mm进行分类，记录各个径级植物根系的数量，采用沈阳农业大学农学院WinRHIZO根系分析系统(2016)对各个径级根系的长度、表面积、体积进行分析，最后测定根系生物量。根系通过调节其直径的粗细来适应环境，对于多年生草本而言，根系以径级≤1 mm为主，这部分根系可以有效地固结土壤、提高土壤抗侵蚀性能[13]。参照国内外对草本根系径级划分的研究成果[14-16]，本研究将根系划分为d≤0.1 mm，0.1 mm1.0 mm，分析不同径级根系分布特征。采用ZJ型应变控制式直剪仪(便携式)测定黏聚力和内摩擦角，荷载条件为100，200，300，400 kPa，量力环率定系数为1.623 kPa/0.01 mm。

2 结果与分析

2.1 根系垂直分布特征

植物根系可以有效地网络固持土壤，改善土壤结构，增强土壤抗侵蚀能力，提高土体稳定性[17]。与林木根系相比，草本植物根系一般没有强大的主根，通常以须根或细根为主，大部分根系直径≤1 mm[18]。由于草本植物的密度大、数量多且根系抗拉强度比粗根大等特点，须根对土壤剪切强度增加值是乔、灌木根系的2～3倍[18-19]。由表3可知，3个土体裂缝根密度表现为GFⅡ>GFⅢ>GFⅠ，根重密度表现为GFⅢ>GFⅠ>GFⅡ，根长密度和根表面积密度表现为GFⅡ>GFⅠ>GFⅢ，根体积密度表现为GFⅠ>GFⅡ>GFⅢ。GFⅠ，GFⅡ，GFⅢ的0—60 cm土层的根重密度依次为4.04，3.51，4.11 mg/cm3，明显小于林木根系的根重密度。这是由于草本根系以须根为主，数量多且质量轻，表现为根密度大、根重密度小的特征。

表1 排土场土体裂缝统计特征

表2 排土场土体裂缝区与非裂缝区土壤物理性质

表3 排土场0-60 cm土层根系特征参数

不同裂缝根系特征参数呈现不同的变化特征，但总体上呈现随土层深度增加而减小的变化规律，根系主要分布在0—20 cm土层(图1)。对于0—60 cm土层，GFⅠ，GFⅡ，GFⅢ根密度依次为88.81～208.81，120.96～303.03，99.31～266.11个/103cm3；随着土层深度的增大，3个样地根密度的变化规律不同，0—10 cm土层根密度依次为143.88，160.43，266.11个/103cm3，分别占0—60 cm土层的16.13%，13.67%，26.62%。GFⅠ，GFⅡ，GFⅢ根重密度依次为0.45～0.94，0.33～0.91，0.15～2.69 mg/cm3，且随着土层深度的增大表现为减小的变化趋势，根重密度与土层深度具有较好的幂函数关系(表4)；3个样地0—10 cm土层根重密度依次为0.45，0.86，2.69 mg/cm3，分别占0—60 cm土层的11.22%，24.52%，65.44%，GFⅢ显著大于GFⅠ和GFⅡ(p<0.05)，这不仅与根系数量有关，而且还与3个样地根系生长状态关系密切。GFⅠ，GFⅡ，GFⅢ根长密度依次为3.24～6.24，3.81～7.74，3.91～6.35 cm/cm3，随着土层深度的增大而减小，且根长密度与土层深度具有较好的指数关系(表4)；3个样地0—20 cm土层根长密度可达10.92～13.03 cm/cm3，分别占总根长密度的37.35%，41.93%，40.79%。GFⅠ，GFⅡ，GFⅢ根表面积密度依次为1.50～2.53，1.91～2.65，1.84～2.60 cm2/cm3，随着土层深度的增加，GFⅠ和GFⅡ表现为先增大后减小，且在10—20 cm土层达到最大，其数值分别为2.53，2.65 cm2/cm3；GFⅢ表现为减小的变化趋势，最大值为2.60 cm2/cm3，出现为0—10 cm土层。

3个样地根表面积密度平均值依次为2.09，2.15，2.02 cm2/cm3，其数值范围与已有研究结果相一致[20-22]，草本植物根表面积密度为0.36～3.33 cm2/cm3。GFⅠ，GFⅡ，GFⅢ根体积密度依次为56.34～97.61，61.45～92.30，62.79～86.53 cm3/103cm3，随着土层深度的增加，GFⅠ根体积密度呈现先增大后减小的变化趋势，在20—30 cm土层达到最大值；GFⅡ和GFⅢ根体积密度表现为逐渐减小的变化趋势，最大值出现在0—10 cm土层；3个样地0—10 cm土层根体积密度大小为GFⅡ>GFⅢ>GFⅠ，其变化规律与根密度、根重密度、根长密度和根表面积密度均不同，这是根密度、根系长度和根系直径共同作用的结果。

图1 排土场土体裂缝区根系垂直分布特征

表4 根系特征参数(y)与土层深度(x)的关系

2.2 不同径级根系分布特征

由图2可知，不同土层各个径级根系特征参数存在差异。对于根密度，3个样地0—60 cm土层以径级d≤0.1 mm和0.1 mm1.0 mm根系的根密度最大值出现在10—20 cm土层，0.3 mm1.0 mm依次为0.07，0.16，0.16，0.21，0.16 mg/cm3，d≤0.1 mm根重密度最小，这主要是由于该径级根系直径小、质量轻；d>1 mm根系仅出现0—30 cm土层范围内，其中GFⅢ根系直径均小于1 mm，GFⅠ和GFⅡ的0—30 cm土层根重密度为0.17，0.15 mg/cm3，由于d>1 mm根系数量少且仅出现在部分土层，进而导致该径级根重密度偏小。不同径级根长密度依次为1.28，1.34，1.06，0.99，0.98 cm/cm3，随着根系径级的增大，根长密度呈减小的变化规律。d≤0.1 mm和0.1 mm0.05)，不同径级根系随着土层深度的增大而减小。不同径级根体积密度依次为15.59，15.35，18.12，19.12，20.58 cm3/103cm3，根体积密度随根系径级的增大而减小；对于d≤0.1 mm根系，随着土层深度的增加，根体积密度呈现减小的变化规律；对于0.1 mm

注：不同小写字母表示不同土层之间差异显著(p<0.05)。

2.3 不同根系参数的相关性

表5为排土场土体裂缝区根系特征参数与土层深度之间的Spearman相关分析。由表5可知，根密度、根重密度、根长密度、根表面积密度、根体积密度之间相互呈正相关，根长密度与根表面积密度之间为极显著正相关关系，相关系数为0.903。根重密度、根长密度、根表面积密度与土层深度之间呈显著或极显著负相关关系(p<0.05)，根长密度与土层深度的相关性最高，为0.737；根密度和根体积密度与土层深度呈负相关关系，但未达到显著水平(p>0.05)。

2.4 土壤抗剪强度特征

土壤抗剪强度直接反映土体在外力作用下发生剪切变形破坏的难易程度[23-24]。由图3可知，3个样地均有相似的变化规律。GFⅠ0—10 cm土层在100，200，300，400 kPa的剪应力依次为52.88，95.25，124.69，175.65 kPa；10—20 cm土层依次为53.38，109.85，136.57，186.53 kPa；20—30 cm土层依次为86.13，134.29，198.57，268.57 kPa；30—40 cm土层依次为81.54，154.80，216.66，226.87 kPa；40—50 cm土层依次为79.58，124.58，198.67，236.86 kPa；50—60 cm土层依次为82.54，118.54，190.60，240.21 kPa。GFⅠ，GFⅡ，GFⅢ3个样地不同土层的剪应力均随着法向应力的增大而呈线性增大。当法向应力由100 kPa增加到400 kPa时，0—10 cm土层3个裂缝土壤剪应力的增加量为122.77～175.38 kPa，增加幅度为228.96%～234.87%，20—30 cm土层3个裂缝的增加量为173.89～182.45 kPa，增加幅度为211.84%～272.62%。

图4为各样地不同土层深度下土壤黏聚力和内摩擦角的分布特征。由图4可知，GFⅠ不同土层土壤黏聚力和内摩擦角为12.68～45.51 kPa和21.69°～31.45°，GFⅡ为5.56～22.72 kPa和25.69°～29.75°，GFⅢ为12.37～41.40 kPa和25.92°～31.67°。随着土层深度的增加，土壤黏聚力呈现先增大后减小的变化趋势，最大值出现在30—40 cm土层，位于土体裂缝深度以下，随后土壤黏聚力减小；与30 cm土层以下的土壤相比，土体裂缝深度范围内(0—30 cm)的土壤黏聚力均偏小，这可能由于土体裂缝的出现打断土体连续性，增加土壤结构的松散程度，极大程度上地降低土壤黏聚力。内摩擦角随土层深度没有明显的变化规律。

土壤含水率是影响土壤黏聚力和内摩擦角的关键因素。相关研究表明，随着土壤含水率的增大，土壤抗剪强度降低，土壤黏聚力和内摩擦角均有所减小[25-26]。图5为土壤黏聚力和内摩擦角与土壤含水率的关系。由图5可知，黏聚力和内摩擦角均随土壤含水率的增大而衰减，黏聚力与土壤含水率之间具有较好的指数函数关系，其回归方程的决定系数R2=0.107，F=29.175，p<0.01，拟合结果达到极显著水平，具有统计学意义，说明土壤含水率的变化会显著影响土壤黏聚力；而内摩擦角随土壤含水率无明显变化，其拟合结果较差，未达到显著水平(p>0.05)。黏聚力的衰减程度显著大于内摩擦角，说明含水率对黏聚力的影响显著大于内摩擦角，这与黄琨等[27]研究结果相一致。

表5 根系特征参数与土层深度相关分析

图3 土壤剪应力与法向应力的关系

图4 不同土层深度土壤黏聚力和内摩擦角分布

图5 土壤黏聚力和内摩擦角与土壤含水率的关系

3 讨论

排土场在不均匀沉降作用下形成土体裂缝和土层错位，进而导致排土场植物根系损伤和死亡。相关研究表明，从形态上可以将根系损伤分为扯断、劈裂、扭曲、拉出4类[28]。从排土场现场调查和根系样品采集可知，排土场土体裂缝区植被根系的损伤形式多为扯断，且裂缝区域出现数量不等的死根系，这是由于土体裂缝导致土层发生错位或拉张，使得一定范围内的根系暴露在外；蒙仲举等[29]也认为扯断是根系损伤的主要类型，其比例高达75%，且根系损伤率随着距土体裂缝距离的增大而减小。在本研究中，3个样地根重密度为依次为4.04，3.51，4.11 mg/cm3，其数值低于已有研究成果，周林虎等[8]研究结果表明排土场0—10 cm土层含根量为9.1～13.1 mg/cm3，10—20 cm土层为6.5～11.7 mg/cm3。相关研究表明，土体塌陷、错位会拉裂根系，是造成根系损伤的主要原因[29]，其土体裂缝附近的植物枯萎、死亡或盖度明显降低[30-34]。土体裂缝不仅造成根系损伤，降低根系抗拉强度，还会加快土壤水分蒸发，导致根系由于缺水而死亡。由本研究可知，3个样地土体裂缝区土壤含水率依次为4.14%～6.36%，4.29%～7.16%，4.89%～7.42%，低于排土场非裂缝区，说明土体裂缝的出现会加快土壤水分流失，阻碍植物生长、发育以及自修复；张延旭[32]、杜国强[33]、台晓丽[34]等研究结果也表明土体裂缝会降低土壤含水率。本文初步研究了排土场土体裂缝区植被根系和抗剪强度分布特征，但并未涉及到整株植物和单根根系的抗拉强度以及根系损伤机理等，今后应加强这方面的研究。