土质对植被混凝土理化性质及植物生长的影响

2023-11-30刘大翔宋强兵龙丽珺杨悦舒丁瑜许文年

环境工程技术学报 2023年6期

刘大翔，宋强兵，龙丽珺，杨悦舒*，丁瑜，许文年

1.三峡库区地质灾害教育部重点实验室，三峡大学

2.水泥基生态修复技术湖北省工程研究中心，三峡大学

3.防灾减灾湖北省重点实验室，三峡大学

工程建设中存在大量边坡开挖问题，裸露边坡[1]导致生态环境破坏。传统边坡防护仅注重力学稳定，而缺乏景观与自我修复的生态功能。因此，生态护坡方法出现并迅速得到推广应用。其中，植被混凝土实现了力学稳定与生态功能的有机结合，从而成为应用广泛的生态护坡基材类型之一，也有利于生态可持续性发展[2-3]。植被混凝土由土壤、水泥、有机物料、生境基材改良剂、种子和水按一定比例混合，其比例是根据边坡特性和景观需求而综合确定的，利用喷播设备喷射到坡面，铺设铁丝网和固定锚钉，进行植被修复和浅层防护[4]。在工程实践应用中发现，不同土质配制的植被混凝土强度、保水性等差异很大，对植物生长也有影响，从而使不同土质植被混凝土边坡修复效果存在较大差异。

土由固体颗粒和孔隙组成，具有养分和水分的保蓄能力。土质差异即土壤质地差异，既影响土壤的养分供给，也影响土中孔隙水、热、气等环境条件[5]。有关植被混凝土的影响因素，有机物料的种类和比例会影响植被混凝土物理力学性能[6]，活性炭会对植被混凝土性能及狗牙根的生长产生影响[7]，水泥的含量会对植被混凝土生化特性产生影响[8]，不同物种会对植被混凝土土壤养分和微生物量产生影响[9]。然而现有植被混凝土的研究成果主要与外掺剂、水泥、有机物料和种子有关，研究过程中土质因素的影响未得到足够重视。不同地区土质差异较大，研究土质对植被混凝土性质的影响有一定意义。

选取粉土质砂、低液限粉土和低液限黏土分别作为配制植被混凝土的土壤。通过室内养护试验和室外盆栽试验相结合，探究不同土质对植被混凝土理化性质及黑麦草生长的影响。借助偏光显微镜对植被混凝土细观结构进行观察与分析，以探讨土质因素对植被混凝土性质的影响，并以细观角度阐释宏观现象。遴选出3 种土中最适宜作为配制植被混凝土的土质，以期为不同土质植被混凝土的工程实践运用提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

主要材料包括种植土、水泥、有机物料、生境基材改良剂和水。种植土选用宜昌地区常见的地表深度在1 m 内的黄棕壤土，剔除碎石和枯枝等杂物，经风干后过2 mm 筛备用。参考GB/T 50123—2019《土工试验方法标准》土的工程分类标准附录C.0.5、C.0.6 的规定制备土样。配制的植被混凝土各组分质量比见表1。水泥采用华新水泥（宜昌）有限公司生产的P.O 42.5 普通硅酸盐水泥。有机物料采用夜明珠华鑫木材厂提供的锯末，经风干后过2 mm 筛备用。生境基材改良剂采用三峡大学自主生产的产品（专利号01138343.7），可中和碱性环境，改善土壤养分状况。黑麦草种子购于江苏省沐阳县庙头镇种子经营部。水采用普通自来水。试样有粉土质砂配制的植被混凝土（SMVC）、低液限粉土配制的植被混凝土(MLVC)和低液限黏土配制的植被混凝土(CLVC) 3 种。不同土质植被混凝土基本特性见表2。

表1 植被混凝土各组分质量比Table 1 Quality ratio of each component of vegetation concrete

表2 不同土质植被混凝土的基本特性Table 2 Basic characteristics of vegetation concrete with different soil qualities

1.2 试验设计

室内养护试验中，各指标数据测定均设置3 组重复对照，渗透试验试样采用环刀制样（直径61.8 mm，高40 mm）；保水持水试验与直剪试验试样均采用相同的环刀制样（直径61.8 mm，高20 mm）；速效氮试验和柱淋溶试验试样采用环刀制样（直径50.46 mm，高50 mm）。将制备的试样用保鲜膜包装，置于养护室〔（25±3）℃〕，养护时间为30 d。

室外盆栽试验中，各指标数据测定亦均设置3 组重复对照，将植被混凝土拌匀后装入种植盆（盆口直径15 cm，高11.5 cm），形成近8 cm 厚的基层，随后将40 粒黑麦草种子均匀撒在基层面上，最后覆盖基材约2 cm 厚作为面层，期间根据天气情况适当浇水，测定黑麦草发芽率、发芽势、株高、地上/地下生物量。

1.3 测定及计算方法

渗透系数采用变水头法，利用TST-55 型渗透仪（南京土壤仪器厂）测定；水分保持通过饱和含水率与水分蒸发率来说明；利用ZJ 型应变控制式直剪仪（南京土壤仪器厂）测定剪切速率为0.8 mm/min，剪切至剪切位移为6 mm 时停止；速效氮含量使用SKALAR San++连续流动析仪（荷兰SKALAR 分析仪器公司）测定；养分淋溶流失率测定采用室内土柱淋溶法；发芽率从第10 天开始测定，计算方法为已发芽的种子除以试验总种子数；生长势从第5 天开始测定，计算方法为已发芽的种子数除以试验总种子数；株高从第10 天开始测量，取10 株计算平均值；地上生物量测定采用刈割法，将地上的植物齐地收获，带回实验室洗净后放入烘箱内105 ℃杀青30~60 min，再以85 ℃烘干至恒重，称重测定其生物量；地下生物量测定采用挖土块法，先挖掘一定体积的土块，将含有根系的植被混凝土块全部收集到容器内，再放入孔筛中用水冲洗，最后将冲洗出来的根进行烘干、称重获得生物量。制备不同土质植被混凝土薄片，利用Olympus BX53 型偏光显微镜对薄片进行观察，从细观结构角度阐释不同土质影响植被混凝土宏观特征的原因。

2 结果与分析

2.1 土质对植被混凝土渗透系数的影响

渗透系数可表示植被混凝土渗透性的大小。由表3 可见，SMVC 渗透系数最大、CLVC 渗透系数最小。植被混凝土中的孔隙是主要的渗流通道，孔隙结构与渗透性密切相关[10]。然而在其他条件相同、土质不同的情况下，水泥的水化情况可能会受到影响，会不同程度上堵塞孔隙，影响基材的渗透性，但由最后试验结果看出，土颗粒的级配情况决定着渗透性的大小[11]，水泥水化情况对植被混凝土渗透性的影响较小。渗透性与大孔径孔隙存在强相关性，与总孔隙量存在弱相关性[12]，在SMVC 中，可能是因为大孔径多，形成连通的通道，致使其渗透系数最大。MLVC 和CLVC中，土粒间黏结性相对较强，存在的孔隙孔径小，所以连通性均较差。此外，水在孔隙间流动时，黏粒黏着性强，能吸附水并形成较厚的结合水膜[13]，可能导致之后水继续流动需穿过较厚的水膜，此过程可进一步减小孔隙孔径，因此，CLVC 的渗透性最差。

表3 不同土质植被混凝土的渗透系数Table 3 Permeability coefficient of vegetation concrete with different soil qualities

2.2 土质对植被混凝土保水持水的影响

以饱和含水率表征植被混凝土的保水性（图1），CLVC 饱和含水率最大，SMVC 饱和含水率最小。研究表明，孔径越小，孔隙水毛细作用越强，保持水的能力越强[14]；毛细孔隙小，上升通道会受阻塞[15]，水分易于保存。CLVC 毛细孔隙数量多，总孔隙率高，所以水能借助毛细管引力保存在孔隙中；SMVC 以大连通孔为主，数量少，总孔隙率低，水分散失最多；MLVC 孔径和毛细孔数量居于SMVC 和CLVC 之中，所以MLVC 的饱和含水率居中。

图1 不同土质植被混凝土的饱和含水率和水分蒸发率Fig.1 Saturated moisture content and water evaporation rate of vegetation concrete with different soil qualities

以水分蒸发率表征不同土质植被混凝土持水性（图1），SMVC 水分蒸发率最大、CLVC 水分蒸发率最小。研究表明，基材水分较为充足时，一方面会减少水分蒸发，另一方面会阻碍水分向基材深层运移，将更多水分截留在植物根系周围，提高基材水分的保蓄能力[16]，本文也印证了基材含水率越高水分蒸发率越小的结论。基材总体的孔隙率不同，持水能力差异大[17]。根据结果分析，SMVC 持水性最差的原因可能是总孔隙率最小且大孔隙多，理论上水分更易蒸发出去。砂土易形成地表径流，不易拦蓄降水，水分更易蒸发[18]。推测CLVC 总孔隙率最大，孔隙直径最小，土粒多为黏粒，水分会包围在黏粒周围，水分蒸发率最少；MLVC 孔隙率和含水率居中，则水分蒸发率居中。

2.3 土质对植被混凝土抗剪性能的影响

不同土质植被混凝土黏聚力见图2。MLVC 黏聚力最大，SMVC 黏聚力最小。土壤由各种颗粒组成，粗粒与黏粒的比例决定土体的抗剪性能[19]，可能当粗粒含量低于某临界值时，大量黏粒覆盖在粗粒的棱角上，可使其黏聚力增大。理论来说从SMVC到CLVC 黏聚力应持续增大，但如果黏粒过多，水分增加，基材黏结性会随之变小，则CLVC 黏聚力小于MLVC。颗粒对水泥水化有一定影响，MLVC 中的土颗粒级配相对更优，植物根系在孔隙中的连通效果更好，有利于水泥水化胶结物包裹于土颗粒及植物根系上[20-21]，从而使MLVC 黏聚力最大。

图2 不同土质植被混凝土的黏聚力和内摩擦角Fig.2 Cohesion and internal friction angle of vegetation concrete with different soil qualities

不同土质植被混凝土内摩擦角见图2，SMVC 内摩擦角最大、CLVC 内摩擦角最小。可能是SMVC多为大颗粒、黏粒含量少的缘故，故土粒间咬合作用强；MLVC 粗粒质形成骨架，细粒质主要起填充作用，相对来说级配良好；CLVC 中含有大量黏土，会覆盖在少量粗粒质上，减小粗粒间的嵌锁咬合。颗粒逐渐变细、磨圆度变好，颗粒棱角的磨损程度越大[22]，由SMVC 到CLVC 内摩擦角越来越小，理论上磨圆程度逐渐变好。水泥水化产物越多，内摩擦角应越大，由上一段知SMVC 到CLVC 水化产物会增多，但内摩擦角却减小，究其原因，在本试验中对于内摩擦角，水泥水化产物植被混凝土的黏聚力有影响，但其最主要原因还是土颗粒本身的颗粒级配。

2.4 土质对植被混凝土养分含量及其固持能力的影响

氮素是植物生长最重要的养分，也是评价基材肥力的重要指标[23]。不同土质植被混凝土硝态氮和铵态氮含量见图3，淋失率见图4。从硝态氮含量来看，CLVC 最大，SMVC 最小；从硝态氮淋失率来看，SMVC 最大，CLVC 最小。CLVC 毛细孔隙丰富，使得有机质易于保存，其硝态氮含量最大。粗质地土壤的水分和硝态氮运移深度明显大于细质地土壤，易造成水氮流失[24]，由SMVC 到CLVC 粗质地土壤从多到少，则理论上淋失率呈下降趋势。但MLVC硝态氮淋失率为最小，可能是MLVC 级配较好，与水泥的胶结作用更好，使得部分硝态氮被包裹未发生淋失。

图3 不同土质植被混凝土的硝态氮和铵态氮含量Fig.3 Contents of nitrate nitrogen and ammonium nitrogen in vegetation concrete with different soil qualities

图4 不同土质植被混凝土的硝态氮和铵态氮淋失率Fig.4 Leaching rate of nitrate nitrogen and ammonium nitrogen in vegetation concrete with different soil qualities

从铵态氮含量来看，CLVC 最大，SMVC 最小；从铵态氮淋失率来看，SMVC 最大，CLVC 最小。CLVC 孔径较小的孔隙多，孔隙连通性差[25]，且多为黏土小颗粒，带负电荷，铵态氮带正电荷，对铵态氮的吸持作用更大，所以CLVC 铵态氮不易淋失。SMVC 孔径最大，固持养分能力最弱，则其淋失率最大，其本身的铵态氮含量也最少。总体来看，硝态氮含量大于铵态氮，可能是部分铵态氮转化成了硝态氮；硝态氮淋失大于铵态氮，可能是因为硝态氮相比铵态氮移动范围大。

2.5 土质对植被混凝土黑麦草生长的影响

黑麦草是禾本科多年生草本，根系可塑性高，适应性较强，可广泛种植于生态护坡基材上[26]。不同土质植被混凝土黑麦草的生长情况见表4。MLVC的5 个生长指标均最高，SMVC 次之，CLVC 最低。

表4 不同土质植被混凝土黑麦草的生长情况Table 4 Growth of vegetation concrete ryegrass with different soil qualities

植被混凝土不同基材配比对黑麦草生长性能的影响较大[27]，但是土的颗粒级配起着决定性作用。MLVC 级配较好，通气性好，保温效果、保水性、硝态氮和铵态氮含量在3 种植被混凝土中均居中。充足的水分是种子萌发的重要前提，透过种皮的氧气促进胚的呼吸，水分和氧气共同作用使胚易于突破种皮。此外，水分推动可溶性营养物质运输到幼芽幼根，促进其生长。CLVC 含水量最多，但毛细作用太强，水分难以下渗，出现表层局部滞水的情况，故水分不易被植物根系利用。CLVC 养分丰富，但基材相对黏结，有机质和生境基材改良剂易被包裹，不利于植物吸收利用。CLVC 通气性差，缺少植物生长所需的氧气，保温性太强，容易导致植物烧苗，不利于植物发芽。SMVC 的通气孔隙较多，导致基材保水性、保温性、保肥性差，相比CLVC 植物生长效果较好，但总体也不利于植物生长。因此，在MLVC中黑麦草生长情况最好。

2.6 不同土质植被混凝土的细观结构

土壤矿物质由粗粒质和细粒质组成，颗粒的搭配情况既反映土壤的质地，也反映土壤的风化程度。孔隙结构在一定程度上反映土壤结构和水分运动状态[28]。不同土质植被混凝土偏光显微镜图见图5。SMVC 大孔隙居多，孔径大，颗粒粒径多为大颗粒。水泥的水化产物包裹于粗粒质上，有机质填充于孔隙之中。MLVC 大颗粒明显少于SMVC，孔径也比较大，颗粒较为均匀，粗粒质与细粒质比例相当。水泥的水化产物胶结于粗粒质和黏粒之间，有机质填充于孔隙之中。CLVC 孔隙数量比较多，孔径较小，土颗粒多为细颗粒。水泥的水化产物包裹于细粒质上，有机质填充在毛细孔隙之中。

图5 不同土质植被混凝土的偏光显微镜图Fig.5 Polarized microscope images of vegetation concrete with different soil qualities

前文定性地对粗粒质进行了描述，但定量的数据更具说服力，易直观表明不同土质植被混凝土黏聚力和内摩擦角差别的原因。粗粒质状况使用Image-Pro Plus 图像分析软件测量，不同土质植被混凝土粗粒质状况见表5，将软件中求取的磨圆度记为RIPP，计算公式如下：

表5 不同土质植被混凝土粗粒质状况Table 5 Coarse-grained status of vegetation concrete with different soil qualities

式中：L为颗粒轮廓周长，m；A为颗粒轮廓面积，m2；RIPP取值为0~1，越接近1 表示颗粒圆度越好[29]。发现磨圆度与2.3 节描述的由SMVC 到CLVC 磨圆度应越来越小推测相悖，可能是SMVC 大颗粒之间磨损剧烈，使其磨圆度变好；MLVC 级配良好，大小颗粒之间契合，易形成不规则整体，其磨圆度最差。

不同土质植被混凝土孔隙状况如表6 所示。通过基材平均孔径、总孔隙占比和毛细孔隙占比可直观解释基材渗透性、保水性和持水性、通气性、保肥性、保温性等的差异。在试验设计中，水泥、有机物料、生境基材改良剂、水用量均相同，但由于基材孔隙情况的差异，导致部分水泥水化产物、有机质、生境基材改良剂中的营养物质和水的流失，无法发挥其本身的作用。这一点也可对基材指标差异做出一定解释，但就基材试验结果来看，最主要的原因还是土质本身。

表6 不同土质植被混凝土的孔隙状况Table 6 Porosity of vegetation concrete with different soil qualities

对单偏光显微镜图片进行二值化处理，结果如图6 所示。黑色代表颗粒，白色代表孔隙，从左至右分别为SMVC、MLVC、CLVC，可观察到混凝土质地由粗变细，孔隙面积由小变大，而孔隙直径由大变小，说明孔隙数量变多，但是大孔隙变少，小孔隙变多，其中毛细孔隙数量增加。这一结论通过表5、表6 也能得到进一步印证。

图6 不同土质植被混凝土的二值化图Fig.6 Binary map of vegetation concrete with different soil qualities

在土质不同，其他掺量、养护条件均一致的条件下，水泥的发育情况有所不同，说明水泥在粗粒与细粒2 种介质中的反应是不同的[11]。黏土颗粒具有强烈的吸附Ca2+的能力，即发生离子交换，影响孔隙水中Ca2+的含量，对水泥水化反应产生影响，从而影响水泥水化物的生成[30]。推测可能CLVC 颗粒小且多，比表面积较大，具有较强的吸附性，则水泥水化产物最多；SMVC 比表面积最小，水泥水化产物最少。

由于基材孔径太大，其营养物质会发生淋失。由SMVC 到MLVC 再到CLVC，其孔径越来越小，毛细孔越来越多，黏粒变多，颗粒比表面积变大，由前文可知其吸附能力增强，且总氮的淋失是减少的，其营养物质也应是减少的，推测有机质和生境基材改良剂与水泥水化产物一样，由SMVC 到CLVC 逐渐增多，填充于孔隙中并包裹颗粒。