弃渣场边坡草本植物根系力学及土壤抗冲性特征

2023-01-12郑江坤曾倩婷

中国水土保持科学 2022年6期

郑江坤，张鸽，曾倩婷，朱琳

(四川农业大学林学院，长江上游林业生态工程四川省重点实验室，长江上游森林资源保育与生态安全国家林业和草原局重点实验室，611130，成都)

叠溪弃渣场位于茂县北部，因铁路修建开挖回填土方作业形成弃渣场边坡，渣场土体疏松，养分匮乏，在降雨条件下极易形成浅层滑坡、崩塌泥石流等严重地质灾害[1]。植被措施被广泛用于加固渣场边坡、防治水土流失、控制浅层滑坡[2-4]。这是因为植物根系与土壤形成复合介质能提高土体抗剪强度[5-7]，显著降低集中径流过程中的土壤侵蚀率[8]，对土壤加固、稳定易滑斜坡起到重要作用[9]。

根系的生物力学特征[10]、根土复合体的抗冲性[11]和渗透性[12]等是影响植物固土护坡的重要因素。邓珊珊等[13]和周萍等[14]分析下荆江芦苇(Phragmitesaustralis)和三峡库区草木植物根系力学性质，认为根- 土复合体的黏聚力随根系增多而增加。Wang等[7]发现刺槐(Robiniapseudoacacia)通过静态和动态应力为边坡稳定提供附加黏聚力。目前国内根系固土研究地域上主要集中在黄土高原[15-17]和三峡库区[14,18]，并集中在道路边坡和河湖水库边坡，但石质渣场边坡植物根系固土的研究较少。笔者选取川西茂县叠溪镇弃渣场边坡人工种植的黑麦草(Loliumperenne)和牛筋草(Eleusineindica)及自然恢复的芦苇、蒲公英(Taraxacummongolicum)和藜(Chenopodiumalbum)，通过比较5种草本植物生物力学以及土壤抗冲性特征，探讨草本植物固土护坡能力，为川西弃渣场堆置边坡筛选出适宜的固土护坡植物提供依据。

1 研究区概况

研究区地处四川省阿坝藏族羌族自治州茂县(E 103°41′7″～103°41′13″，N 32°1′45″～32°1′51″)，属高山峡谷地貌，平均海拔2 300 m，年均气温11.0 ℃，极端最低气温-11.6 ℃，极端最高气温32.2 ℃，无霜期215.4 d，年均日照时间1 549.4 h，年降水量486.3 mm[19]。土壤以暗棕壤、褐土、棕壤为主，植被以灌丛、草甸为主，草本植物以狼尾草(Pennisetumalopecuroides)、野菊(Dendranthemaindicum)、蒲公英等为主。

2 材料与方法

2.1 样地布设与样品采集

2019年4月，对叠溪渣场边坡(坡度为45°)进行工程防护，采用“人”型框格混凝土护坡措施，单元框格长宽为2.5 m×2.0 m，厚度为0.5 m，框格内填充质地均一的土壤，厚度约45 cm，填土前摊铺时，轻轻用铁锹均匀平整的铺在坡面，并按800 kg/亩(1 hm2=15亩)均匀施撒羊粪，土壤本底值见表1。2019年5月，将准备的黑麦草和牛筋草种子预先浸泡48 h，穴播于规定区域内，播完覆盖2 cm土壤，蒲公英、芦苇、藜由风等媒介传播并自然生长在新建渣场边坡。黑麦草根系发达致密，抗拉拔能力强；牛筋草是优良的水土保持植物；藜对环境适应性强，对土壤要求不严格；芦苇、蒲公英生命力顽强，适应于环境恶劣地区，有较强固土能力(图1)。2019年9月进行采样。采用制原状土取样器和普通环刀各取3个重复，直剪仪环刀取4个重复，取样过程中先剪去植物地上部分，再垂直取样。每种草本各取40个根系用于根系抗拉实验，按照根系生长方向采用完全挖掘法采集根系，用游标卡尺(精度0.01 mm)测定根系的3个等分点处直径，取其平均值作为该段的直径。

表1 不同草本样地土壤理化性质情况

图1 5种草本植物对比图Fig.1 Comparison of five herbs

2.2 指标测定及计算

土壤密度、最大持水量等采用环刀法进行测定[20]；土壤有机质、土壤全氮等化学性质采用国标测定；抗拉力测定采用自购的电子式万能试验机(FBS- 1000N)，准确度等级为Ⅰ级，规格1 000 N，拉拔速率为10 mm/min，此次试验只考虑根系直径变化与抗拉力和抗拉强度的关系，故采用相同标距固定根系。抗拉强度计算公式如下：

σe=4Pmax/(πd2)。

(1)

式中：σe为抗拉强度,MPa或N/mm2；Pmax为根系的最大抗拉力，N；d为断裂处2端根系直径的平均值，mm。

抗剪强度为环刀样品分别在50、100、150和200 kPa荷载、量力环率定系数1.695 kPa和0.01 mm 的条件下，采用ZJ型应变控制式直剪仪进行测定[9]。土壤抗冲性采用自制抗冲性装置，设计冲刷试验坡度为15°，流量为1.5 L/min，冲刷历时为34 min。前10 min每2 min取1次样，取5次，随后12 min每3 min取样1次，取4次，最后12 min 每4 min取样1次，取3次，共取12次泥沙样。冲刷结束后，将泥沙样静置5 h，澄清后，倒去上层清液，将泥水样倒入铝盒内，置于烘箱中烘干(105 ℃，12 h)，再称其泥沙质量(g)，烘干泥沙质量与浑水的比值为含沙量(g/L)。在一定流量下，采用冲走1 g土壤所需的时间t表示土壤抗冲性指数Na[21]，ΔNa为土壤抗冲性强化值，min/g，即为有根土壤抗冲性指数和无根土壤抗冲性指数之差。计算公式为：

Na=t/Sd。

(2)

式中：Na为土壤抗冲性指数，min/g；t为冲刷历时，min；Sd为冲失干土质量，g。

采用Origin 2018软件进行图表制作，用SPSS 20.0软件进行方差及相关性分析。

3 结果与分析

3.1 抗拉力、抗拉强度及其与直径的关系

由图2可知，蒲公英、芦苇、黑麦草、牛筋草、藜的抗拉力范围分别为9.63～13.6、6.50～9.32、3.15～5.41、2.01～4.6和9.89～14.26 N。蒲公英、芦苇、黑麦草、牛筋草、藜这5种草本植物的单根最大抗拉力随着直径的增大而增大，单根最大抗拉力与直径均呈现出幂函数正相关的关系。藜平均抗拉力在5种草本植物中最大，是蒲公英、芦苇、黑麦草、牛筋草的1.08、1.56、3.70和2.85倍，说明藜作为乡土草种在抗拉力上明显优于其余几种草本植物。5种草本植物单根平均抗拉强度为：黑麦草(62.6 MPa)>牛筋草(43.8 MPa)>芦苇(43.7 MPa)>蒲公英(32.2 MPa)>藜(27.2 MPa)。抗拉强度与抗拉力的变化规律有较大不同，这是由于各草本植物根径不同而影响的。通过分别对5种草本植物直径与抗拉强度关系进行函数拟合，5种草本植物的抗拉强度随着直径的增大而减小(图3)。通过曲线拟合得出，不同草本植物直径与抗拉力、抗拉强度之间呈幂函数关系。

图2 5种草本植物单根最大抗拉力与直径的关系Fig.2 Relationship between root diameter and maximum tensile resistance of a single root for 5 herbs

图3 5种草本植物根系抗拉强度与直径的关系Fig.3 Relationships between diameter and tensile strength for 5 herbs

3.2 抗剪性分析

5种草本植物均能够显著增强弃渣场浅层土体的抗剪强度。在50 kPa的垂直压力下，牛筋草的抗剪强度最大为(69.80±8.92) kPa，其次黑麦草、藜、蒲公英、芦苇、裸地。垂直压力100 kPa下，黑麦草、牛筋草、藜、蒲公英和芦苇抗剪强度值分别比裸地增加593.3%、531.6%、60.1%、60.9%和48.2%。垂直压力150和200 KPa下，黑麦草的抗剪强度值最大，分别为牛筋草、蒲公英、芦苇、藜的1.12、3.25、3.97、1.86和1.29倍、2.65倍、3.80倍、1.86倍。在100、150 和200 KPa荷载下黑麦草抗剪强度显著高于其余4种草本植物(表2)。

表2 草地根- 土复合体抗剪强度指数比较

根—土复合体的抗剪强度主要由内摩擦角φ和黏聚力c组成。与裸地相比，黑麦草、牛筋草、藜、蒲公英和芦苇的内摩擦角分别增加305%、119%、181%、105%和46%，黏聚力则分别增加1 326%、1 806%、323%、71%和50%。

3.3 土壤抗冲性及其影响因素

3.3.1 土壤抗冲性冲刷过程中不同草本植物的含沙量呈现出不同的变化规律，在前12 min内，不同草本植物根土复合体的径流含沙量变化幅度较大，随着时间的增加，逐渐趋于稳固，5种草本植物冲刷过程中含沙量均呈先快后慢逐步下降的趋势，其中裸地的含沙量均大于5种草本植物。各根- 土复合体34 min内含沙量表现为：裸地最大，其次是芦苇、蒲公英、藜、牛筋草、黑麦草。土壤的平均抗冲性指数随着冲刷时间的增长整体上均呈现出上升的趋势。各草本植物34 min土壤抗冲性指数均大于裸地(1.37±0.15) min/g，其中黑麦草(3.09±0.12) min/g与牛筋草(2.93±0.04) min/g抗冲性较大，藜(2.60±0.12) min/g优于蒲公英(2.19±0.61) min/g和芦苇(1.52±0.21) min/g(图4)。

图4 不同草本植物冲刷过程中含沙量及土壤抗冲性指数动态变化特征Fig.4 Dynamic change characteristics of sediment concentration and soil anti-scourability index on different herb lands during flushing

通过对34 min冲刷过程中不同草本植物根- 土复合体抗冲性分析，黑麦草、牛筋草、藜的含沙量差异性不显著，均显著小于裸地；芦苇和裸地的抗冲性指数显著小于牛筋草、蒲公英和藜；不同的草本植物根系分布对土壤的理化性质、土壤结构以及土壤的抗冲性产生一定的影响。不同植物根土复合体抗冲性指数Na(1.52～3.09 min/g)比相同土质上的裸地Na(1.37 min/g)大。不同的草本植物的根系的强化值ΔNa在0.15～1.72 min/g之间，具体表现为：黑麦草>牛筋草>藜>蒲公英>芦苇(表3)。

表3 不同草本植物土壤抗冲性特征

3.3.2 土壤抗冲性影响因素由表4可知，土壤抗冲性指数与土壤非毛管孔隙度、土壤总孔隙度、土壤最大持水量、速效钾呈极显著正相关；与土壤密度呈极显著负相关；与毛管孔隙度、总孔隙度、毛管持水量、pH、有机质、全氮、碱解氮、全磷、全钾无显著相关性。

表4 土壤抗冲性指数与影响影响因素的相关性

4 讨论

5种草本植物单根抗拉力均随着直径的增大而增大，抗拉强度随着直径的增大而减小，这与周萍等[14]、欧阳前超等[10]和Ettbed等[2]的结果一致。根系的抗拉力越强，则对抵抗边坡破坏的能力越强[2]。Teerawattanasuk等[22]和Genet等[23]提到木质素、纤维素等根系化学成分含量对根的抗拉力贡献较大，且在不同的物种和生长期存在差异；邓佳[24]也提出纤维素等根系化学成分含量随着根径的增大而增加。藜和蒲公英的单根抗拉力明显大于黑麦草和牛筋草，这可能是由于藜和蒲公英是当地乡土草种，对当地环境适应性较强，生长速度快、生命力极其旺盛，根径较粗，因而纤维素、木质素等含量较高，单根抗拉力较大，而牛筋草和黑麦草根径较小、木质素、纤维素等含量较少，因此单根抗拉力较小。宗全利等[25]测出的芦苇根系直径范围在0.8～2.8 mm，其抗拉力介于8～102 N，邓珊珊等[13]测出芦苇根径范围在0.14～1.38 mm，抗拉力在3～48 N之间，而笔者测出芦苇根茎范围在0.40～0.62 mm，抗拉力介于6.50～9.32 N，和前2位学者实测值相似。

植物根系的抗剪强度是植物护坡力学一项重要指标，抗剪强度的强弱反映抵抗外力破坏的能力。在同一垂直应力下，不同根系的根- 土复合体的抗剪强度均大于裸地，这与刘亚斌等[15]、Leung等[26]的研究结果大致相同。就根锚固作用而言，Noorasyikin等[27]认为香根草根系比百慕达草表现出更高的强度，这说明抗剪强度受植物类型影响较为显著。在本研究中，黑麦草、牛筋草无论是在哪一应力条件下抗剪强度都显著大于蒲公英、芦苇、藜，说明人工种植的草本植物较乡土草本植物的保土效益更高，黑麦草、牛筋草根系密集、多须根，因而抵抗剪切破坏的能力强。Fan等[28]提出不同植物根构型对抗剪强度增量不同，生长期和植物材料也是抗剪强度增量的影响因素。宗全利等[25]认为新疆塔里木河流域芦苇根—土复合体的黏聚力增量约3.15～7.15 kPa，邓珊珊等[13]得出下荆江河段芦苇根—土复合体的黏聚力增量可达9.10 kPa，而笔者得出的芦苇根系黏聚力增量仅1.54 kPa，这可能由于研究区植物生长年限较短，以及根系材料自身特性和土质等所致。

与裸地相比，5种草本植物均能提高土壤的抗冲性，这与谌芸等[18]、金晓等[16]、刘红岩等[21]得出的结果大致相同。草本相较于乔木和灌木对土壤的积聚速度更快，随着土壤水分条件和温度条件逐步稳定，土壤中细菌、真菌和小动物的活动也增强，进而土壤条件逐步改善，稳定性增强，故抵抗水流侵蚀能力增强[21]。笔者研究中黑麦草的抗冲性最强，这可能是由于黑麦草须根较多且分布密集，根系缠绕固结土壤，根系活动增加有机质积累，改良土壤，土壤的团聚能力和稳定性不断增强，进而土壤抗冲性较强。牛筋草和蒲公英稍差，藜和芦苇最差。藜抗冲性较差原因可能是它属于1年生单根植物，须根较少，固持能力较弱，而芦苇是湿生植物，对渣场边坡的适应性较差。根- 土复合体的土壤抗冲性与其抗剪特征表现出相同的规律，但与根系抗拉力的变化规律明显不同[14,18]，这是由于笔者所选择的5种草本植物根径相差较大，草本植物根系抗拉力主要受根径影响，而抗剪和抗冲性则主要受细根数量影响[21]。

影响土壤抗冲性的因素较多。李超等[29]提出土壤抗冲系数与土壤密度、根系生物量、土壤孔隙度均极显著相关；刘红岩等[21]认为抗冲性指数与有机质含量、根表面积密度、根重密度显著正相关；吕猛等[11]也认为土壤抗冲性指数与土壤孔隙度呈正相关。这是由于根系分泌物、微生物残体等促进土壤有机质的积累，有机质改善土壤孔隙，间接增强土壤水分的排泄能力，降低土壤密度，因此土壤抗冲性指数与土壤密度呈负相关，而与孔隙度、持水量正相关。但本研究中土壤抗冲性指数与有机质无显著性关系，这可能由于植物生长时间短，土壤有机质积累数量小所致。