保水剂添加对刺槐根土力学特性的影响

聂 晖，李 翀，张金池，贾赵辉，马仕林，曾婧祎，陈美玲

保水剂添加对刺槐根土力学特性的影响

聂 晖，李 翀，张金池*，贾赵辉，马仕林，曾婧祎，陈美玲

(南京林业大学南方现代林业协同创新中心，江苏省水土保持与生态修复重点实验室，南京 210037)

为探究保水剂对根系生长和根土复合体力学特性的影响，为促进矿山植被恢复提供理论依据，在刺槐盆栽土中加入保水剂，3个处理分别为B1(0％)，B2(0.3％)和B3(0.5％)。通过对比分析土壤养分，土壤酶活性，根系生长参数，根系抗拉力和根土复合体抗剪强度，以及它们之间的相关性，探究保水剂添加对根土复合体稳定性的影响。结果表明：(1)在0.3%和0.5%保水剂浓度梯度下，保水剂添加降低了刺槐根系的抗拉力；(2)不同保水剂浓度对刺槐根土复合体抗剪强度有不同效果，在0.3％保水剂浓度处理下，刺槐根土复合体抗剪强度显著降低，而在0.5％保水剂浓度处理下，刺槐根土复合体抗剪强度没有显著变化；(3)抗拉力、抗剪强度与纤维素，半纤维素呈负相关关系，与木质素呈正相关关系，刺槐根土复合体抗剪强度主要受内聚力影响。可见在0.3%和0.5%保水剂浓度梯度下，保水剂添加降低了刺槐根系拉伸性能，根土力学特性与根系内部成分显著相关。

保水剂；矿山修复；根系生长；根土力学性质

由于对矿产资源的过度采掘，我国废弃矿山的数量迅速增加[1]。废弃矿山经自然演替恢复的时间较长，需通过人工修复技术缩短恢复时间。客土喷播技术从日本引进后在我国得到广泛应用[2]。保水剂能够增加土壤含水量，是客土喷播技术的典型组成部分[3]。与土壤结合使用的保水剂能够提高土壤吸收和保持水分的能力[4]。保水剂是一种具有强大吸水和保水功能的高分子树脂材料，它能够吸收自身重量数百甚至数千倍的纯水，其吸收的水分可以缓慢释放给植物利用[5]。此外，保水剂还有促进植物生长，提高根系活力的作用[6-7]。

然而，保水剂的添加对边坡土壤稳定性的影响研究较少。土壤抗剪强度对于边坡的物理稳定性至关重要[8]，根系抗拉特性是根土复合体抗剪强度的决定因素[9]。许多研究表明，植物根系可以增强土壤抗剪强度[10]，因此，植物根系的抗拉性能对于边坡稳定性至关重要，其大小直接决定了根系材料的受力潜能。根系增强抗剪强度和根系抗拉力取决于与土壤密切相关的根系生长（根系内部成分）[11]，土壤水分的分布和含量明显影响根系生长[12]。因此，研究保水剂的添加对土壤稳定性的影响至关重要。本研究探讨保水剂与土壤抗拉、抗剪的关系，抗拉、抗剪与根系内部成分、土壤养分，土壤酶之间的相互关系，以及保水剂对根系生长、土壤养分的影响，以期为矿区修复提供基础。

1 材料与方法

1.1 研究地概况

盆栽试验于2018年12月—2019年11月在江苏省南京林业大学下蜀林场温室（31°7′ N，119°12′ E）内进行。温室温度保持在18～35 ℃，相对湿度为40%至80%，日光照周期为10至14 h，中午光合光子通量密度（PPFD）约为1 000 μmol·m-2·s-1。

1.2 植物种子、保水剂和土壤

刺槐种子购自天河苗圃公司（中国江苏）。用苗圃基质培育发芽的种子。将种子置于60 ℃水中搅拌5 min左右，然后用冷水浸泡种子24 h，之后用蒸馏水清洗种子。清洗完毕后，将种子与湿沙按1∶3配比混合，然后放置在20 ℃的培养箱中。之后种子用湿草片覆盖，使其发育3～5 d，在此期间种子用30 ℃温水喷洒使其湿润。保水剂由南京林业大学理学院提供，制得的保水剂的吸水倍数为821 g·g-1、在0.9％的盐水条件下吸水倍数为81 g·g-1[13]。试验中测得保水剂的酸碱度为5.9。试验所需土壤取自南京林业大学下蜀林场，取表土，通过2 mm筛，并与木质纤维、有机肥、泥炭土和石粉混合作为苗圃基质（土壤∶木质纤维∶有机肥∶泥炭土∶石粉，92∶0.7∶5∶2∶0.3）。

1.3 试验处理

之前的研究表明，0.3%和0.5%的保水剂梯度对植物的促进作用较好，因此选用这两种梯度进行根系抗拉抗剪试验。试验包括3个保水剂处理：B1（0％，每盆0 g）、B2（0.3％，每盆0.15 g），B3（0.5％，每盆0.25 g），选用刺槐作为树种，每个处理设置10盆，总共为30盆，随机选择每个处理的5盆进行测量。每个盆中装满5 kg的育苗基质和相应浓度的保水剂。

首先在盆中填充2/3的混合底物，然后将种子，保水剂加入盆中，最后将剩下的1/3的底物加入到盆中。从2018年12月到2019年11月在温室中培养幼苗，每盆1株苗，每2周浇1次水，采用称重法控制土壤水分含量（确保每盆含水量达到田间持水量的70％至80％）。在11月提取根样品和鲜土样品，并快速转移到实验室中以保持新鲜度。用于土壤理化性质测定的土壤取自根系土壤，将植物从盆栽中取出，去除附着在根系上的土壤，剪断根系，在实验室中清洗根部，土壤抗剪试验保留原始土壤。

1.4 土壤性质

土壤pH值使用PB-10酸度计（Sartorius GmbH，德国哥廷根）以1∶2.5的土水比（在去离子水中）测定。土壤总碳、总硫和总氮使用元素分析仪（Vario EL III，ELementar，德国）测定。土壤有效磷采取钼锑抗比色法测定[14]。土壤速效钾采取火焰光度计法测定[15]。土壤脲酶活性采取苯酸钠-次氯酸钠比色法测定[16]。土壤磷酸酶活性采用苯基磷酸二钠比色法测量[17]，土壤蔗糖酶活性通过3, 5-二硝基水杨酸比色法测定[18]。土壤过氧化氢酶活性采取高锰酸钾滴定法测定[19]。

1.5 植物根系生长指数和抗拉强度特性

根系经过清洗后，使用LA2400扫描仪对已洗净的根系进行扫描并对刺槐的总根长、平均直径、总表面积以及总体积进行分析。根系的木质素、纤维素和半纤维素使用微量法测定[20]。

对根系指标进行分析后，选取侧根测量其直径，便于进行抗拉试验。使用精度为0.01 mm的游标卡尺，在30 mm长的根上取3个位置进行测量，3个位置分别是距离两端5 mm的两个点和中点。3个点的平均值被认为是根直径。将不同处理的刺槐根系按照根直径升序排列，使用精度为0.01 N的测力计进行根部拉伸试验，顶部和底部间隔设置为30 mm。为保证根样断裂是由于拉力而非其他因素，在中心位置10 mm内断裂的根部被认为是有效试验，因为夹具附近的根部破坏有可能是由机械损伤引起。每个根样品共获得了20个有效数据。

1.6 根土复合体的抗剪强度特性

在100、200、300和400 kPa荷载下，使用应变控制直剪仪（ZJ-2，南京土壤仪器公司，中国南京）进行剪切试验，以0.2 mm·min-1的速度进行。为了比较无根土壤（CK）与根土复合体在不同荷载下的抗剪强度，制作了无根土壤和根土复合体两种样品。将土壤样品放置在标准铝箔采样器（D 61.8 mm ×H 20 mm）中，利用压样法制作样品，参照《土工试验方法标准》[21]进行，具体操作流程如下：（1）将取回来的原状土在105 ℃条件下烘干，降至室温后过2 mm筛；（2）根据原状土的干密度和天然含水率计算所需干土质量及所需加水量；（3）将干土放置在干燥不吸水的平台上，然后用喷壶喷水，使其达到所需含水量。（4）将土壤与水充分混合后置于干燥容器中，放置24 h根据取样器尺寸和干密度，将根系（5根40 mm长的根段）与土体放入采样器中，根系与根系平行，与剪切面垂直，最后分层压实。

使用以下公式计算抗剪强度：

C（1）

其中是剪切应力/kPa ，C是剪切设备的校准系数（kPa/0.01mm），在本研究中为1.825 kPa/0.01mm，是剪切设备的结果（0.01mm）。

土壤内聚力和内摩擦角的计算公式如下：

tan（2）

其中是初试垂直荷载（kPa）。

1.7 统计分析

使用Excel进行数据处理；使用SPSS 21.0进行单因素方差分析（ANOVA，Duncan检验）以检验保水剂对各项指标的影响；使用R语言分析根系抗拉力，根系抗剪强度与各指标之间的关系。其余图利用Origin 2015绘制。

2 结果与分析

2.1 保水剂添加对刺槐土壤特性的影响

保水剂添加对刺槐土壤特性的影响如图1所示。保水剂的添加降低了土壤的pH值，并且随着保水剂浓度的上升，土壤pH值逐渐下降，其中pH值在B3处理下显著小于B1处理（＜0.05），B2和B3处理较B1分别降低了6.8％和9.3％。保水剂的添加对土壤AP、AK含量无显著影响。B2、B3保水剂显著降低了土壤TC含量（＜0.05）。B2保水剂处理显著降低了土壤TN含量（＜0.05），但B3保水剂处理与B1处理无显著差异。保水剂的添加对土壤中TS含量无显著影响。

图中B1，B2，B3分别表示0％，0.3％，0.5％保水剂浓度下处理。不同小写字母代表处理间差异显著（P＜0.05）。下同。

Figure 1 Effects of water retaining agent on soil nutrients ofroots

图2 保水剂添加对刺槐根系土壤酶活性的影响

Figure 2 Effects of water retaining agent on soil enzyme activities ofroots

图3 保水剂添加对刺槐根系生长指标的影响

Figure 3 Effects of water retaining agent on root growth index of

保水剂添加对土壤酶活性的影响如图2所示。保水剂的添加对土壤脲酶、酸性磷酸酶和过氧化氢酶的活性没有显著影响，但对蔗糖酶的活性有显著促进作用（＜0.05）。

2.2 保水剂添加对刺槐根系生长指标的影响

2.2.1 保水剂添加对根系生长指标的影响 保水剂添加对刺槐根系生长指标的影响如图3所示。添加保水剂对刺槐根系生长有一定的促进作用，但并不显著。B3保水剂处理对总根长、根表面积、根平均直径和根总体积的促进作用较B2强。对于总根长，B3保水剂处理较B1处理增加了30.23％；对于根表面积，B3处理较B1处理增加了35.23％；对于根平均直径，B3保水剂处理较B1处理增加了5.4％；对于根总体积，B3保水剂处理较B1处理增加了44.2％。

2.2.2 保水剂添加对根系木质素、纤维素、半纤维素含量影响 各保水剂处理对木质素、纤维素和半纤维素的影响如图4所示。各保水剂处理对刺槐根系木质素、纤维素的影响无显著差异。在B2保水剂处理下，对半纤维素含量有显著促进作用（＜0.05）。木纤比是指木质素与纤维素的比值，可以反映二者的综合特性。保水剂的添加对木纤比无显著影响。

图4 刺槐根系木质素、纤维素和半纤维素的变化

Figure 4 Changes of lignin, cellulose and hemicellulose in roots of

图5 不同保水剂处理下刺槐根系直径与抗拉力之间关系

Figure 5 Relationship between root diameter and tensile strength ofunder different water retaining agent treatments

2.3 保水剂添加对刺槐单根抗拉特性的影响

2.3.1 保水剂添加对刺槐单根极限抗拉力的影响

不同保水剂处理下刺槐根系直径与抗拉力之间的关系如图5所示。单根极限抗拉力随着根系直径的增加而提高。保水剂的添加降低了根系的极限抗拉力，在同一根系直径下，随着保水剂浓度的增加，其单根极限抗拉力也随之减少。

2.3.2 根系抗拉力与土壤特性、土壤根系指标之间的关系 刺槐根系抗拉力与土壤特性、土壤根系指标之间的关系如图6所示。根系抗拉力与纤维素，半纤维素呈显著负相关关系（＜0.05），与木质素，木纤比，pH呈正相关关系。同时，根系抗拉力与土壤全氮（TN）呈显著正相关关系（＜0.05），与土壤全碳（TC）呈极显著正相关关系（＜0.01），与蔗糖酶呈极显著负相关关系（＜0.01）。木质素与土壤TN呈极显著正相关关系（＜0.01），纤维素、半纤维素与土壤TN呈极显著负相关关系（＜0.01）。半纤维素与有效磷（AP）相关性显著（＜0.05）。而土壤中蔗糖酶与土壤AP呈显著正相关关系（＜0.05），与土壤TC、TN呈显著负相关关系（＜0.05），与土壤AK呈极显著正相关关系 （＜0.01）。土壤TC与土壤pH相关性显著（＜0.05）。过氧化氢酶与刺槐总根长、根表面积和根体积呈显著正相关关系（＜0.05）。

2.4 保水剂添加对根土复合体抗剪特性的影响

2.4.1 保水剂添加对根土复合体抗剪特性的影响

保水剂对刺槐根土复合体抗剪强度的影响如图7所示。有根土壤的抗剪强度显著大于无根土壤（＜0.05）。在不同垂直荷载下，保水剂对根土复合体的抗剪强度的影响有所不同。在100 kPa垂直荷载下，B2保水剂处理显著小于B3处理（＜0.05），在200和300 kPa垂直荷载下，B2保水剂处理显著小于B1，B3处理（＜0.05）。在400 kPa垂直荷载下，B2保水剂处理显著小于B1处理（＜0.05）。

2.4.2 不同保水剂处理对于内聚力和内摩擦角影响

不同保水剂处理对于内聚力和内摩擦角的影响如图8所示。对于内摩擦角来说，B2保水剂处理显著大于无根土壤（＜0.05），而B2保水剂处理显著大于B3处理（＜0.05）。对于内聚力来说，各保水剂处理对于内聚力的影响趋势与对根土复合体抗剪强度的影响趋势一致，在B1，B3保水剂处理下，抗剪强度显著大于无根土壤（＜0.05），而B2处理对内聚力的影响显著小于B3处理（＜0.05）。

*表示在（P＜0.05）水平下显著相关，**表示在（P＜0.01）水平下极显著相关。

Figure 6 The relationship between the root tensile strength ofand soil characteristics, soil root index, and soil shear strength

CK是指无根土壤的抗剪强度，B1，B2，B3是指不同保水剂浓度（0％、0.3％和0.5％）处理下根土复合体的抗剪强度(P＜0.05)。下同。

Figure 7 Effects of different treatments onroot-reinforced soil shear strength

图8 不同保水剂处理下刺槐根土复合体的内摩擦角和内聚力

Figure 8 Internal friction angle and cohesion ofroot-reinforced soil under different water retaining agent treatments

2.4.3 根土复合体抗剪强度与内聚力、内摩擦角之间的关系 根土复合体抗剪强度与内聚力、内摩擦角之间的相关性如图9所示。在各垂直荷载下，内聚力与抗剪强度呈极显著正相关关系（＜0.01），内摩擦角与抗剪强度没有显著相关性。

**表示在（P＜0.01）水平下极显著相关。

Figure 9 Correlation among shear strength, cohesion and internal friction angle of root-reinforced soil

2.4.4 根土复合体抗剪强度与土壤特性、根系指标之间的关系 根土复合体抗剪强度与土壤特性、根系指标的相关性如图6所示。总体上来说，根土复合体抗剪强度与木质素呈正相关关系，与纤维素、半纤维素呈负相关关系。其中，在100、400 kPa垂直荷载下，抗剪强度与半纤维素呈显著负相关关系（＜0.05），在400 kPa垂直荷载下，根土复合体抗剪强度与木质素呈显著正相关关系（＜0.05）。在400 kPa垂直荷载下，根土复合体抗剪强度与AP呈显著负相关关系（＜0.05），其余荷载压力下，抗剪强度与AP呈负相关关系。在100 kPa垂直荷载下，抗剪强度与土壤TN呈显著正相关关系（＜0.05），400 kPa垂直荷载下，抗剪强度与土壤TN呈极显著正相关关系（＜0.01），其余荷载压力下，抗剪强度与土壤TN呈正相关关系。在200、300 kPa垂直荷载下，抗剪强度与过氧化氢酶活性呈显著正相关关系（＜0.05）。而土壤养分，土壤酶与根系生长指标，根系内部成分的关系在2.3.2已经讨论。

3 讨论与结论

盆栽土壤中的pH值变化原因是多方面的，不仅受到土壤中水分的影响，还可能受到气候、母质等自然因素的影响[22]。本研究中土壤pH值随着保水剂浓度的增加而降低，很可能是因为保水剂本身的酸性。在本研究中，除蔗糖酶，土壤TN和TC外，保水剂的加入对土壤养分和土壤酶活性没有显著影响。保水剂对于土壤养分和土壤酶活性的影响，在前人的研究中不尽相同。在马焕成等[23]的研究中，保水剂的添加显著提高了土壤中氮磷钾的含量。李倩等[24]的研究表明，保水剂能够显著促进土壤中脲酶、磷酸酶、过氧化氢酶、蔗糖酶的活性，而在曲贵伟等[25]的研究中，保水剂添加显著降低了土壤脲酶活性。分析其原因可能是因为保水剂种类和浓度不同以及不同植物养分吸收策略的差异。

保水剂的添加对根系生长的影响总体来说并不显著。在张宇君等[26]的研究中，保水剂的添加能够显著促进白刺花幼苗的根长、根体积和根表面积，而在武毅等[27]的研究中，保水剂浓度较高时会对油松根系生长产生抑制作用。在本研究中，保水剂浓度可能没有达到会对根系生长产生促进作用的临界值，因此保水剂的添加对根系生长没有明显的促进作用。而木质素、纤维素、半纤维素构成了根的内部成分。因此在本研究中，除0.3％保水剂处理对半纤维素有显著促进作用外，保水剂对根系内部成分无显著促进作用。

刺槐的根系抗拉力随着直径的增加而增加，这与李谦等[28]的研究结果一致。添加保水剂后，同一根系直径上，根系的抗拉力有所降低，这是由于水分含量的变化，导致皮层组织的膨胀和收缩[29]，张永亮[30]的研究结果也有相似的结论。

抗剪强度随着保水剂浓度的变化有所不同。在200、300和400 kPa荷载下，0.3％保水剂处理下，根土复合体的抗剪强度显著降低。而在0.5％的保水剂处理下，保水剂对土壤抗剪强度没有显著影响。这可能是因为保水剂的添加改变了根部皮质组织的含水量，导致植物根系皮质组织膨胀[31-32]，使同一根系直径下根系韧性降低，从而引起了根土复合体抗剪强度的变化。而在高保水剂浓度下，更多的水分被挤压出土壤，提高了复合体的抗剪强度，因此在0.5％保水剂处理下，保水剂的添加对土壤抗剪强度没有显著影响。

土壤的抗剪强度主要取决于颗粒之间的相互作用，因此，土壤基质之间的抗剪强度是颗粒接触水平上运动阻力的结果，主要受内聚力和内摩擦角的影响[33]。相关性分析表明，根土复合体抗剪强度的变化主要是由内聚力引起的，内摩擦角也起到一定作用。保水剂的添加对内聚力的影响趋势与保水剂对根土复合体抗剪强度的影响趋势相同，对内摩擦角无显著影响。这与之前的研究结果相似[34]。这表明根土复合体抗剪强度主要受内聚力的影响，内摩擦角对抗剪强度的影响并不显著。

木质化过程是根系生长的重要一步，木质素的积累可以增强植物细胞壁的强度[35]。木质素和半纤维素填充在细胞壁细纤维之间，能够提高细胞壁的坚固程度，阻止微生物的侵扰，并且当木质素存在于细胞与细胞之间时，能够把相邻细胞粘接起来，增加茎干的抗压强度。木质化还能减小细胞壁的透水性，促进植物疏导水分[36]。从根系单根极限抗拉力、抗剪强度与土壤特性和根系生长指标的关系可以看出，抗拉力、抗剪强度与纤维素，半纤维素呈显著负相关关系，与木质素呈正相关关系。这在王博[37]关于黑沙嵩的研究中得到验证，赵丽兵等[38]、叶超等[39]的研究也有类似结果。刺槐根系抗拉力、抗剪强度与土壤养分和土壤酶活性之间关系密切。而木质素、纤维素，半纤维素含量的变化与土壤中TN、AP的含量变化有关。而TN、AP与土壤酶和土壤养分之间也有一定的关系，而土壤酶活性与土壤特性，根系生长指标之间也有一定的联系。因此土壤养分和土壤酶可能通过影响根系内部成分，间接影响了根系抗拉力和抗剪强度。

综上，在0.3%和0.5%保水剂浓度梯度下，保水剂的添加降低了根系抗拉力。不同保水剂浓度对根土复合体抗剪强度有不同效果，在0.3％保水剂浓度处理下，刺槐根土复合体抗剪强度显著降低，而在0.5％保水剂浓度处理下，刺槐根土复合体抗剪强度没有显著变化。刺槐根系抗拉力与抗剪强度与根系内部成分显著相关，根土复合体抗剪强度的变化主要是由内聚力引起的，内摩擦角也起到一定作用。目前，还没有可行的方法来量化保水剂的积极和消极影响。因此，需要原位测量拉伸和剪切性质

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Effects of water retaining agent on root soil mechanical properties of

NIE Hui, LI Chong, ZHANG Jinchi, JIA Zhaohui, MA Shilin, ZENG Jingyi, CHEN Meiling

(Jiangsu Province Key Laboratory of Soil and Water Conservation and Ecological Restoration, Co-Innovation Center for the Sustainable Forestry in Southern China, College of Forestry, Nanjing Forestry University, Nanjing 210037)

To explore the effects of water-retaining agent on root growth and root-reinforced soil mechanical properties, and provide a theoretical basis for promoting mine restoration, a water-retaining agent was added to the potting soil of, and three treatments were: B1 (0%), B2 (0.3%) and B3 (0.5%),respectively. The effects of water retention agent addition on the stability of root-soil complex were investigated by comparing and analyzing soil nutrients, soil enzyme activity, root growth parameters, root tensile strength and root-soil complex shear strength, and the correlation between them. The results showed that: (1) Under the concentration gradients of 0.3% and 0.5 % water retention agents, the addition of water retention agents reduced the tensile strength ofroots; (2)There were different effects on root-reinforced soil shear strength with different water-retaining agent concentrations, under the treatment of 0.3% water-retaining agent concentration, the root-reinforced soil shear strength was significantly reduced, while under the treatment of 0.5% water-retaining agent concentration, the root-reinforced soil shear strength did not change significantly; (3)Tensile strength and shear strength were negatively correlated with cellulose and hemicellulose, and positively correlated with lignin. The root-reinforced soil shear strength was mainly affected by cohesion. In conclusion, at the concentration gradient of 0.3% and 0.5%, the addition of water retaining agent decreased the tensile properties ofroots, and the mechanical properties of roots were significantly related to the internal components of roots.

water-retaining agent; mine restoration; root growth; mechanical properties of root-reinforced soil

S714.7

A

1672-352X (2022)05-0707-09

10.13610/j.cnki.1672-352x.20221111.003

2022-11-14 15:39:05

[URL] https://kns.cnki.net/kcms/detail/34.1162.s.20221111.1101.006.html

2021-12-21

江苏省林业科技创新与推广项目(LYKJ[2021]30)，百山祖国家公园科学研究项目(2021ZDLY01)，江苏高校优势学科建设工程资助项目(PAPD)和江苏省科技计划项目(BE2022420)共同资助。

聂 晖，硕士研究生。E-mail：nh1263179511@163.com

张金池，博士，教授。E-mail：zhang8811@njfu.edu.cn