草本植物根系對(duì)黃河故道區(qū)非飽和土特性的影響

張偉偉,江朝華,程 星,凌 成,金 秋

(1.河海大學(xué)港口海岸與近海工程學(xué)院,江蘇 南京 210098; 2.蘇交科股份集團(tuán)有限公司,江蘇 南京 210017;3.南京市長江河道管理處,江蘇 南京 210011; 4.江蘇省水利科學(xué)研究院,江蘇 南京 210017)

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草本植物根系對(duì)黃河故道區(qū)非飽和土特性的影響

張偉偉1,2,江朝華1,程 星2,凌 成3,金 秋4

(1.河海大學(xué)港口海岸與近海工程學(xué)院,江蘇 南京 210098; 2.蘇交科股份集團(tuán)有限公司,江蘇 南京 210017;3.南京市長江河道管理處,江蘇 南京 210011; 4.江蘇省水利科學(xué)研究院,江蘇 南京 210017)

為研究草本植物根系對(duì)沙質(zhì)土壤非飽和特性的影響,試驗(yàn)測定了黃河故道區(qū)3種含草本植物(狗牙根、高羊茅、香根草)根系土體和裸地素土的土-水特征曲線,將得到的土-水特征曲線與Brooks-Corey公式進(jìn)行了擬合,并據(jù)此推導(dǎo)了含草本植物根系沙土的孔隙半徑變化指數(shù)和非飽和滲透系數(shù)函數(shù)。結(jié)果表明:相比裸地素土,含草本植物根系沙土的進(jìn)氣值降低,持水性增強(qiáng),含狗牙根、高羊茅、香根草根系的沙土平均孔隙半徑分別是裸地素土的26倍、12倍、59倍,當(dāng)飽和度為25%～70%時(shí),在相同飽和度下,含草本植物根系沙土比裸地素土的滲透系數(shù)提高了2～3個(gè)數(shù)量級(jí);草本植物根系使黃河故道區(qū)沙土產(chǎn)生了團(tuán)聚體效應(yīng)。

根-土復(fù)合體;非飽和土;土-水特征曲線;草本植物根系；滲透系數(shù)函數(shù);黃河故道

植物根系與土壤相互作用機(jī)理一直是土壤學(xué)研究的熱點(diǎn),國內(nèi)外學(xué)者大多從力學(xué)效應(yīng)和水文效應(yīng)兩個(gè)方面開展研究,力學(xué)效應(yīng)研究方面主要通過拉拔錨固試驗(yàn)測定根系的抗拉特性,通過直剪試驗(yàn)或三軸試驗(yàn)測定根-土復(fù)合體強(qiáng)度指標(biāo)。李建興等[1-2]等通過試驗(yàn)分別揭示了根-土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度與草本植物根系分布特征(根長密度、根表面積密度等)、分形維數(shù)等因素的關(guān)系;而王元戰(zhàn)等[3-4]在重塑含草根土的強(qiáng)度特性研究中,發(fā)現(xiàn)存在最優(yōu)含根率,使土壤在該含根率下強(qiáng)度最高。除了根系含量的影響,Docker等[5]注意到,對(duì)于粉質(zhì)黏土,植物根系對(duì)土體抗剪強(qiáng)度增強(qiáng)效應(yīng)還與土體的含水量有關(guān)。

在水文效應(yīng)方面的作用研究則多集中于植物根系如何增加土坡入滲和抑制徑流。張瑩等[6]通過試驗(yàn)測定了黃土區(qū)4種草本、4種灌木根-土復(fù)合體的滲透系數(shù),發(fā)現(xiàn)在表層土中,草本植物根系的導(dǎo)水作用強(qiáng)于灌木。肖本林等[7]在灌木對(duì)黃土邊坡的加固效應(yīng)研究中認(rèn)為,植物根系對(duì)邊坡穩(wěn)定性的水文效應(yīng)包括根系吸水消耗孔隙水壓力,據(jù)此建立了依賴于根系密度和土壤含水率的根-土復(fù)合體的抗剪強(qiáng)度函數(shù)。

上述研究大都基于飽和土強(qiáng)度和滲流理論,只考慮植物根系對(duì)飽和土壤特性的影響,然而在涉及多因素耦合影響的實(shí)際問題中,如降雨入滲下生態(tài)邊坡的穩(wěn)定性分析[8-10]以及植被發(fā)育岸坡在水位變動(dòng)下的穩(wěn)定分析[11-12]等,均應(yīng)考慮植物根系作用下的非飽和土強(qiáng)度和飽和-非飽和滲流。隨著非飽和土理論在巖土工程界的應(yīng)用日趨成熟,有必要在植物根系與土顆粒相互作用研究中分析土壤基質(zhì)吸力的變化影響和非飽和滲透系數(shù)的變化規(guī)律。

筆者在前人研究應(yīng)力狀態(tài)[13]、吸力范圍[14]、溫度[15]等因素對(duì)土壤非飽和特性影響的基礎(chǔ)上,開展黃河故道區(qū)含草本植物根系沙土和裸地素土的基質(zhì)吸力特性試驗(yàn),試圖從土壤結(jié)構(gòu)變形角度對(duì)草本植物根系影響沙土非飽和特性的機(jī)制作出分析。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)依托淮安市黃河故道干河下段(二河至漣水石湖段)治理工程。黃河故道西起河南省蘭考東壩頭,流經(jīng)豫、魯、皖、蘇4省,至江蘇省濱?？h套子口入黃海。黃河裹挾的泥沙造就了黃河故道地區(qū)沖積平原的地貌,其中沙土約占黃河故道地區(qū)土地總面積的30%,是以黃泛沉積物母質(zhì)發(fā)育而成,屬黃潮土亞類,其土質(zhì)松散、黏結(jié)性差、透水性強(qiáng)。以沙土為主要成分的河坡縱向高差大,流速大,水流挾沙能力強(qiáng),在暴雨和徑流沖刷下,堤坡、灘面、河坡面雨淋溝隨處可見,構(gòu)成邊坡淺層失穩(wěn)的隱患。為治理當(dāng)?shù)厣惩临|(zhì)岸坡的水土流失問題,考慮采用植草護(hù)坡。根據(jù)工程前期地質(zhì)勘察資料,試驗(yàn)區(qū)裸地土壤主要理化指標(biāo)如下:土體濕密度1.91 g/cm3,孔隙率44.75%,天然含水率13.6%,現(xiàn)場土質(zhì)以砂壤土為主。

1.2 試驗(yàn)草本植物

試驗(yàn)區(qū)地處暖溫帶與亞熱帶交匯處,多年平均氣溫14℃,日照1 907～2 531 h,多年平均降雨量945.7 mm,降雨分布不均,70%的降雨量集中在7—9月,多年平均水面蒸發(fā)量851.4 mm。遵循因地制宜的原則,選擇狗牙根、高羊茅、香根草3種適應(yīng)性好、根系發(fā)達(dá)、抗逆性較強(qiáng)的草本植物作為研究對(duì)象。

a. 狗牙根。狗牙根為多年生草本植物,根系呈根狀莖和匍匐枝,節(jié)間長短不一,分蘗節(jié)在發(fā)達(dá)的匍匐莖上不斷分生,而分蘗節(jié)上又生成走莖,新老莖節(jié)交織成網(wǎng),在土壤中互相穿插。該草種為鄉(xiāng)土植物,喜光稍耐陰,在輕鹽堿地上生長較快,覆蓋度高,耐踐踏[16]。

b. 高羊茅。高羊茅為多年生草本植物,冷季型草坪草之一,適宜生長在寒冷潮濕和溫暖潮濕過渡帶,在肥沃、潮濕的土壤條件下生長最好,最適宜pH值為5.5～7.5[17]。由于其耐旱和耐踐踏的特性,多用作公園、運(yùn)動(dòng)場等固土護(hù)坡草坪草。

c. 香根草。香根草為多年生草本植物,原產(chǎn)于地中海地區(qū),目前我國江蘇、浙江、福建及四川等地均有引種。根系網(wǎng)絡(luò)3～4個(gè)月可生長至l m,一年可達(dá)2～3 m,是目前世界上根系最長的草本植物。香根草對(duì)土壤的適應(yīng)能力非常強(qiáng),能在缺乏黏粒的砂土和鹽分濃度很高的鹽堿土中正常生長[18]。

1.3 試樣采集與制備

試驗(yàn)需要含草本植物根系復(fù)合土體試樣,在研究區(qū)選定一塊常年撂荒地,其上僅有部分雜草,大部分表土裸露,除去雜草后,劃定3塊草本植物生長的10 m×10 m的試驗(yàn)小區(qū),狗牙根、高羊茅通過播撒草種種植,香根草通過截枝無性繁殖,在河坡上建植草坪,將其用于含草本植物根系沙土特性研究的試驗(yàn)材料。

經(jīng)過1a生長期后,在試驗(yàn)區(qū)通過取土鉆不斷深挖,將狗牙根、高羊茅、香根草的根系完整取出,小心除去根系周圍土顆粒,觀測3種草本植物的根系長度和根系特征(表1),再用取土器取出直徑約為200 mm、高度約為300 mm的近圓柱形含草本植物根系沙土試樣,采用保鮮膜密封,保證根系新鮮、完整,土壤水分接近現(xiàn)場,帶回實(shí)驗(yàn)室后立即放在切土盤上,用削土刀切削土樣，同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)切土盤，將土樣削成直徑61.8 mm、高度150 mm的標(biāo)準(zhǔn)試樣。

表1 試驗(yàn)區(qū)3種草本植物的根系特征參數(shù)

1.4 含草本植物根系沙土基質(zhì)吸力特性試驗(yàn)

采用張力板法(軸平移)直接測量土體基質(zhì)吸力,在一受大氣壓力的水容器底部裝一陶瓷板,其上放置試樣,由于土中的水壓力等于水容器中的水壓力,只需控制孔隙氣壓力值,再測定其對(duì)應(yīng)吸力下的含水量,即可得到相應(yīng)土體試樣的土-水特征曲線。

試驗(yàn)裝置如圖1所示,其中壓力板儀采用美國 Soil Moisture 設(shè)備公司生產(chǎn)的1600型壓力板儀,內(nèi)有高進(jìn)氣值陶瓷板,本次試驗(yàn)中所用高進(jìn)氣值陶瓷板進(jìn)氣值為500 kPa。

圖1 軸平移測定基質(zhì)吸力試驗(yàn)裝置

將陶瓷板下面的空氣排凈,并充滿水,以保證試樣水量變化可由量管讀數(shù)讀出,且試樣內(nèi)孔隙水壓力為零。再將試驗(yàn)土樣放入壓力室,使飽和土樣與飽和高進(jìn)氣值陶瓷板充分接觸,飽和的高進(jìn)氣值陶瓷針頭一端插入土中,另一端由充滿蒸餾水的連接管連到壓力室外的壓力量測系統(tǒng)上。

針頭插入非飽和土后迅速封閉壓力室,增加壓力室內(nèi)的氣壓,防止量測系統(tǒng)中的水受到進(jìn)一步張拉,直到作為零讀器的水銀塞保持不動(dòng),達(dá)到平衡,讀出量管讀數(shù)。逐級(jí)施加空氣氣壓并測量量管水量,以便反算含水量。施加最后一級(jí)空氣壓力后,稱量試樣質(zhì)量,烘干后計(jì)算含水量,再利用兩次量管體積讀數(shù)差,反算不同吸力值下的試樣含水量。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 含草本植物根系沙土的土-水特征曲線

計(jì)算孔隙水壓力與孔隙氣壓力的差值作為基質(zhì)吸力值u,對(duì)應(yīng)的含水量換算為土壤的飽和度S,將結(jié)果繪制在半對(duì)數(shù)坐標(biāo)中(圖2),以方便觀察每種試驗(yàn)土樣的進(jìn)氣值和殘余飽和度。

圖2 4種試驗(yàn)土樣的土-水特征曲線

含草本植物根系沙土較裸地素土進(jìn)氣值有所減小,土-水特征曲線更陡,即當(dāng)吸力增大時(shí)飽和度呈現(xiàn)出較快的變化趨勢;而含草本植物根系沙土相較裸地素土的殘余飽和度增加,說明其持水性增強(qiáng)。

為利用土-水特征曲線進(jìn)一步推定試樣土樣的滲透系數(shù)函數(shù),需要用數(shù)學(xué)模型刻畫曲線。土-水特征曲線常用的數(shù)學(xué)擬合模型有3參數(shù)的Brooks-Corey模型(BC模型)和4參數(shù)的van Genuchten模型(VG模型)、Fredlund-Xing模型(FX模型)[19-21],其中,VG模型和FX模型在精度上優(yōu)于BC模型,但是BC模型形式簡潔,且物理意義明確,故采用BC模型擬合試驗(yàn)所得土-水特征曲線,BC模型為

(1)

式中:Sr為殘余飽和度;ua為進(jìn)氣值;λ為孔隙半徑分布指數(shù),λ越大,孔隙結(jié)構(gòu)越豐富,反之孔隙結(jié)構(gòu)越單一。

將試驗(yàn)數(shù)據(jù)導(dǎo)入Origin軟件,基于式(1),采用非線性擬合算法,計(jì)算得出相應(yīng)的擬合參數(shù)和相關(guān)系數(shù)如表2所示。

表2 4種試驗(yàn)土樣土-水特征曲線擬合參數(shù)

表2擬合結(jié)果表明,4種試驗(yàn)土樣的擬合相關(guān)系數(shù)均在0.90以上,說明BC模型可以有效應(yīng)用于黃河故道區(qū)植被發(fā)育土壤的土-水特征的定量描述。由于ua值表征的是空氣剛進(jìn)入土壤孔隙時(shí)的對(duì)應(yīng)吸力,所以與土壤最大孔隙半徑呈負(fù)相關(guān),可以得出4種土壤的最大孔隙半徑大小順序?yàn)楹愀莞痢⒑费栏?、含高羊茅根土、裸地素?λ值反映的孔隙結(jié)構(gòu)豐富度大小順序?yàn)楹愀莞?、含高羊茅根土、含狗牙根根土、裸地素土?/p>

2.2 草本植物根系對(duì)土壤孔隙結(jié)構(gòu)的影響

(2)

式中:r為土壤孔隙半徑;f(r)為土壤孔隙體積分布的概率密度,即孔徑分布在r附近單位區(qū)間的概率;Rmax、Rmin分別為土壤中最大、最小孔隙半徑。

結(jié)合毛細(xì)定律:

(3)

(4)

將式(1)作為式(4)的補(bǔ)充方程,推導(dǎo)可得

(5)

(6)

式中:uba、λb分別為裸地素土的進(jìn)氣值和孔隙半徑分布指數(shù);uha、λh分別為含草本植物根系沙土的進(jìn)氣值和孔隙半徑分布指數(shù)。

根據(jù)表2數(shù)據(jù)計(jì)算得含狗牙根根、高羊茅根、香根草根的沙土平均孔隙半徑變化指數(shù)分別為26、12和59,結(jié)合表2中孔隙結(jié)構(gòu)豐富度結(jié)果可以認(rèn)為,試驗(yàn)草本植物根系改善了沙土松散的結(jié)構(gòu),形成了豐富的大空隙,這源于植物根系通過聯(lián)結(jié)、纏繞等作用在土壤中形成一定量的團(tuán)聚體,相比裸地素土顆粒,團(tuán)聚體之間形成的是大孔隙。大孔隙受的吸力小,在吸濕過程中優(yōu)先吸水。所以,土壤團(tuán)聚體較好時(shí),大孔隙數(shù)量多,孔隙中水分排出時(shí),土壤基質(zhì)吸力僅發(fā)生較小的增加;與之相反,當(dāng)土體比較松散時(shí),低吸力下保持的水分?jǐn)?shù)量少,水分較難排出,一旦這些水分排出時(shí),吸力就有較大的增加,香根草和狗牙根是網(wǎng)狀根系,所以相比高羊茅的深直根,這種“團(tuán)聚效應(yīng)”更為明顯。

2.3 草本植物根系對(duì)非飽和滲透系數(shù)的影響

土樣飽和時(shí)的滲透系數(shù)用室內(nèi)環(huán)刀法可簡單測得,裸地素土、含狗牙根根土、含高羊茅根土、含香根草根土的飽和滲透系數(shù)分別為18.15 mm/h、37.80 mm/h、48.39 mm/h和68.66 mm/h,而非飽和滲透系數(shù)隨土體飽和度變化且變動(dòng)范圍很大而難以直接精確測量,所以考慮采用其他方法間接推測非飽和滲透系數(shù)隨飽和度的變化關(guān)系。

Mualem[20]提出土壤非飽和滲透系數(shù)與基質(zhì)吸力之間有如下關(guān)系:

(7)

式中:kr為相對(duì)滲透系數(shù);ks為飽和滲透系數(shù);Se為相對(duì)飽和度。將式(1)代入式(7)積分,可得基于BC模型和Mealum理論的非飽和土滲透系數(shù)函數(shù):

(8)

根據(jù)表2數(shù)據(jù)可計(jì)算得黃河故道區(qū)4種試驗(yàn)土樣的滲透系數(shù)曲線如圖3所示。圖3表明,4種非飽和試驗(yàn)土樣的滲透系數(shù)隨飽和度呈非線性增長。當(dāng)飽和度低于25%時(shí),4種試驗(yàn)土樣的滲透性差異較小,而當(dāng)飽和度為25%～70%時(shí),3種含草本植物根系沙土比裸地素土的滲透系數(shù)提高了2～3個(gè)數(shù)量級(jí),香根草最高可提高土壤滲透系數(shù)3個(gè)數(shù)量級(jí)。可見草本植物根系顯著增強(qiáng)了土體的滲透性,這與Docker等[5,21-22]關(guān)于非飽和土滲透特性的試驗(yàn)和觀測結(jié)果基本一致,說明草本植物根系增加雨水入滲的效應(yīng)不可忽略。而隨著飽和度逐漸提高至70%以上,含草本植物根系沙土的滲透系數(shù)仍高于裸地素土,但提高幅度已大大降低。

圖3 含草本植物根系沙土與裸地素土的滲透系數(shù)曲線

根據(jù)上述結(jié)果，分析其原因?yàn)椋涸谌霛B初期,由根系腐爛、穿插形成的根孔,在土壤中形成廣泛連續(xù)的大孔徑孔隙,使得土壤水分和溶質(zhì)形成優(yōu)先水流,導(dǎo)致水分在運(yùn)動(dòng)過程中不與土體發(fā)生充分的相互作用,而是直接快速地進(jìn)入土壤深層,所以低飽和度時(shí),植物根系增加入滲的效應(yīng)并不明顯,隨著孔隙水壓力的增大,飽和度為25%～70%時(shí),草本植物根系在土壤中形成的大量大孔隙逐漸體現(xiàn)優(yōu)勢,使含草本植物根系沙土的滲透系數(shù)大幅增加,但是隨著含草本植物根系沙土中大孔隙逐漸趨于飽和(飽和度達(dá)70%以上),入滲水流轉(zhuǎn)向小孔隙運(yùn)動(dòng),此時(shí)含草本植物根系沙土的孔隙優(yōu)勢被削弱,其與裸地素土的滲透系數(shù)的差距逐漸縮小。

3 結(jié) 論

a. 含草本植物根系沙土比裸地素土進(jìn)氣值降低,殘余飽和度提高;4種試驗(yàn)土樣BC模型的擬合相關(guān)系數(shù)均在0.9以上,說明BC模型可以應(yīng)用于黃河故道區(qū)植被發(fā)育土壤的土-水特征曲線模擬。

b. 草本植物根系影響沙土基質(zhì)吸力和滲透系數(shù)的機(jī)理在于根系通過纏繞、穿插等作用在土壤中形成了豐富的團(tuán)聚體和大孔隙,改變了黃河故道區(qū)沙土的松散結(jié)構(gòu)。

c. 優(yōu)勢大孔隙使含草本植物根系沙土在中飽和度(25%～70%)時(shí)對(duì)土體的滲透性增強(qiáng)顯著,植物根系增加雨水入滲的效應(yīng)在飽和-非飽和滲流研究中不可忽略。

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Effects of root systems of herbs on characteristics of unsaturated soil in old course of Yellow River//

ZHANG Weiwei1,2, JIANG Chaohua1, CHENG Xing2, LING Cheng3, JIN Qiu4

(1.CollegeofHarbor,CoastalandOffshoreEngineering,HohaiUniversity,Nanjing210098,China; 2.JiangsuTransportationInstituteCo.,Ltd.,Nanjing210017,China; 3.NanjingYangtzeRiverManagementBureau,Nanjing210011,China; 4.JiangsuResearchInstituteofWaterConservation,Nanjing210017,China)

In order to study the effects of root systems of herbs on unsaturated characteristics of the sandy soil, experiments were conducted to determine the soil-water characteristic indices of bare soil and vegetated soil around the root systems of three herbs (Cynodondactylon,Festucaarundinace, andVetiveriazizanioides) in the old course area of the Yellow River. Based on the soil-water characteristic curves fitted with the Brooks-Corey equation, functions of the pore radius change index and the unsaturated permeability coefficient were established. The results show that, compared with the bare soil, the air-entry value of the vegetated soil decreased, and the water-holding capacity increased. The average values of the soil pore radius of the vegetated sandy soil withCynodondactylon,Festucaarundinace, andVetiveriazizanioideswere 26 times, 12 times, and 59 times that of the bare soil, respectively. The permeability coefficients of the vegetated soil were two to three orders of magnitude higher than that of the bare soil with the same saturation within a range from 25% to 70%. The results show that the root systems of herbs formed aggregates in unsaturated sandy soil in the old course of the Yellow River.

root-soil composite system; unsaturated soil; soil-water characteristic curve; root systems of herbs; permeability coefficient function; old course of Yellow River

水利部公益性行業(yè)科研專項(xiàng)(201101054)；江蘇省水利科技重點(diǎn)項(xiàng)目(201402)；江蘇省自然科學(xué)基金(BK20151496)

張偉偉(1992—)，男，碩士研究生，主要從事航道護(hù)岸結(jié)構(gòu)與材料研究。E-mail：zww395@jsti.com

江朝華(1972—)，女，副教授，博士，主要從事港工新材料與新技術(shù)研究。E-mail：chaohuajiang@hhu.edu.cn

10.3880/j.issn.1006-7647.2017.01.013

TU411.91

A

1006-7647(2017)01-0073-06

2016-07-21 編輯：熊水斌)