干濕作用對(duì)紫色土坡耕地生物埂土壤抗剪強(qiáng)度衰減-恢復(fù)效應(yīng)

丁文斌，何文健，史東梅*，蔣光毅，蔣平，常松果

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干濕作用對(duì)紫色土坡耕地生物埂土壤抗剪強(qiáng)度衰減-恢復(fù)效應(yīng)

丁文斌1，何文健2，史東梅1*，蔣光毅2，蔣平3，常松果1

(1.西南大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，西南大學(xué)水土保持生態(tài)環(huán)境研究所，重慶 400715；2.重慶市水土保持生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站，重慶 401147；3.重慶市水利電力建筑勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，重慶 400020)

在次降雨過(guò)程中，生物埂土壤內(nèi)部經(jīng)歷了干燥-濕潤(rùn)-再干燥的干濕循環(huán)過(guò)程，對(duì)生物埂坎土壤抗剪強(qiáng)度和穩(wěn)定性造成潛在影響；本文主要研究次降雨后干濕作用對(duì)桑樹(shù)生物埂土壤抗剪強(qiáng)度衰減-恢復(fù)效應(yīng)。采用根系挖掘法、室內(nèi)直剪試驗(yàn)和土壤理化性質(zhì)分析等綜合性研究手段，全面研究了桑樹(shù)生物埂根系分布、在次降雨前后(降雨第0～9天)干濕循環(huán)過(guò)程中生物埂土壤理化變化及抗剪強(qiáng)度響應(yīng)特征、根系對(duì)土壤抗剪強(qiáng)度增強(qiáng)效應(yīng)。結(jié)果表明：(1)不同徑級(jí)根系隨土層深度變化顯著，根徑級(jí)≤1 mm的根系集中于土層深度較淺(0～20 cm)位置，而2 mm<根徑級(jí)≤5 mm的根系在較深層次(20～40 cm)土壤中穿插生長(zhǎng)。(2)桑樹(shù)生物埂土壤垂直層次土壤容重、土壤孔隙在次降雨前后均存在顯著差異(P<0.05)。除30～40 cm土層外，土壤容重在經(jīng)過(guò)一次干濕循環(huán)作用后有所增加，增加幅度為5.47%～5.88%，且在第5天時(shí)土壤容重達(dá)到最大值(各層次依次為1.39，1.37，1.44 g/cm3)；土壤總孔隙度、毛管孔隙度隨干濕作用時(shí)間呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，在第1 天(峰值點(diǎn))發(fā)生轉(zhuǎn)折變化。(3)生物埂土壤粘聚力和內(nèi)摩擦角隨著含水率增加呈現(xiàn)出一階指數(shù)衰減變化，各層次土壤粘聚力和內(nèi)摩擦角在干濕作用過(guò)程呈現(xiàn)出先衰減后恢復(fù)的“V”型變化趨勢(shì)；粘聚力與含水率的相關(guān)系數(shù)為0.68，內(nèi)摩擦角與含水率的相關(guān)系數(shù)為0.73。(4)桑樹(shù)生物埂不同根系徑級(jí)土體的粘聚力、內(nèi)摩擦角和抗剪強(qiáng)度與根長(zhǎng)密度和根表面積密度呈正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)在0.30～0.79之間。土壤粘聚力和內(nèi)摩擦角隨含水率增加呈線性衰減的趨勢(shì)，在次降雨前后生物埂土壤容重、土壤孔隙特征表現(xiàn)為顯著性變化；土壤粘聚力和內(nèi)摩擦角的變化與根長(zhǎng)密度、根表面積密度呈正相關(guān)關(guān)系。生物埂能夠改善土壤結(jié)構(gòu)及其土壤通氣性，提高土壤養(yǎng)分含量，降低土壤容重，增加土壤孔隙度，為坡耕地耕層作物的生長(zhǎng)發(fā)育、產(chǎn)量的提高創(chuàng)造有利的條件。

生物??；粘聚力；內(nèi)摩擦角；抗剪強(qiáng)度；干濕作用；衰減-恢復(fù)效應(yīng)

生物埂作為坡耕地常見(jiàn)的水土保持農(nóng)業(yè)措施，不僅能提高坡耕地土地生產(chǎn)力，而且還能防止坡耕地水土流失，保護(hù)水土資源，改善農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件[1-2]。相關(guān)研究表明，生物埂通過(guò)機(jī)械阻擋作用來(lái)減少土壤侵蝕、增加土壤貯水、改善土壤結(jié)構(gòu)、提高土壤的抗剪抗蝕能力[3-4]。生物埂作為農(nóng)林復(fù)合林業(yè)措施由國(guó)際林業(yè)委員會(huì)(ICRAF)第一任主席King及同事在20世紀(jì)60年代首次提出；在我國(guó)，在20世紀(jì)80年代黃秉維[5]先生提出復(fù)合農(nóng)林業(yè)并呼吁在中國(guó)推廣；Oyedele等[6]通過(guò)對(duì)生物埂土壤理化性質(zhì)的變化情況連續(xù)觀測(cè)，認(rèn)為生物埂能有效改良土壤理化性質(zhì)，特別對(duì)土壤孔隙結(jié)構(gòu)方面效益顯著；Sudhishri等[7]利用生物埂孔隙結(jié)構(gòu)的變化評(píng)價(jià)了生物埂措施對(duì)土壤肥力作用的影響，研究表明，生物埂措施通過(guò)改良土壤結(jié)構(gòu)特征來(lái)促使土壤肥力的增加；龐有祝[8]認(rèn)為生物埂各土層均出現(xiàn)不同程度土壤水分虧缺，土壤含水率隨土層深度呈現(xiàn)先增加后降低的變化；秦川等[9]研究了生物根系對(duì)土壤養(yǎng)分的影響特征。胡昕等[10]通過(guò)含水率對(duì)煤系土抗剪強(qiáng)度的影響研究表明，煤系土抗剪強(qiáng)度與土壤起始含水率具有明顯的相關(guān)關(guān)系，且含水率對(duì)粘聚力的變化影響存在臨界值；黃琨等[11]對(duì)非飽和土抗剪強(qiáng)度與含水率關(guān)系的試驗(yàn)研究顯示，隨著含水率的增加，土體的抗剪強(qiáng)度降低，含水率對(duì)抗剪強(qiáng)度的影響主要表現(xiàn)在降低了土的粘聚力，對(duì)內(nèi)摩擦角的影響較小；蒲玉琳等[12]通過(guò)對(duì)紫色土區(qū)植物籬模式對(duì)坡耕地抗剪強(qiáng)度的影響研究指出，植物籬模式明顯或顯著地提高土壤抗剪強(qiáng)度；張曉明等[13]研究了不同干濕效應(yīng)對(duì)崩崗侵蝕區(qū)巖土抗剪強(qiáng)度的影響，倪九派等[14]通過(guò)室內(nèi)三軸剪切試驗(yàn)研究了干濕循環(huán)條件下重慶地區(qū)3種土壤抗剪強(qiáng)度的動(dòng)態(tài)變化，楊和平等[15]對(duì)寧明原狀膨脹土進(jìn)行了加荷條件下的干濕循環(huán)試驗(yàn)；這些研究表明隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，土壤抗剪強(qiáng)度指標(biāo)會(huì)發(fā)生衰減。目前，對(duì)土壤抗剪強(qiáng)度的研究主要集中于單一因素(如含水率或根系)的影響及作用，并且試驗(yàn)主要通過(guò)室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)進(jìn)行；在現(xiàn)實(shí)中由于劇烈的干濕變化(如雨旱交替)，引起生物埂土體抗剪強(qiáng)度呈突發(fā)性降低，進(jìn)而導(dǎo)致大量埂坎失穩(wěn)等現(xiàn)象的研究尚待深入。本文以紫色丘陵區(qū)坡耕地桑樹(shù)生物埂為研究對(duì)象，通過(guò)對(duì)根系全部挖掘和室內(nèi)直剪法，主要研究：(1)桑樹(shù)生物埂根系分布對(duì)土壤抗剪強(qiáng)度的影響；(2)次降雨對(duì)桑樹(shù)生物埂土壤物理性質(zhì)變化的干濕作用；(3)生物埂土壤抗剪強(qiáng)度對(duì)干濕作用的響應(yīng)特征。研究結(jié)果可為生物埂埂坎穩(wěn)定、坡耕地耕層穩(wěn)定提供科學(xué)支撐以及水土環(huán)境的保護(hù)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

研究于2014年3-9月在重慶西南大學(xué)紫色丘陵區(qū)坡耕地水土流失監(jiān)測(cè)基地開(kāi)展。該監(jiān)測(cè)基地地處北碚向斜中部，土壤主要以中生代侏羅系沙溪廟組灰棕紫色沙泥頁(yè)巖母質(zhì)上發(fā)育的中性紫色土為主，紫色土作為一種幼年土，受母巖影響明顯，其具有物理風(fēng)化強(qiáng)烈、化學(xué)風(fēng)化微弱、碳酸鈣不斷淋溶等特點(diǎn)；位于東經(jīng)106°26′、北緯30°26′，海拔230 m，年平均氣溫為18.3 ℃，年降雨量1105.4 mm，以5-9月的降雨量最大，占全年雨量的70%。桑樹(shù)是紫色丘陵區(qū)主要的經(jīng)濟(jì)林樹(shù)種，發(fā)展至今已形成大規(guī)模的桑樹(shù)地埂模式，因此，選擇在具有代表性的桑樹(shù)地埂為研究對(duì)象，采樣點(diǎn)位于桑樹(shù)根系外側(cè)生物梗10 cm處，具體布設(shè)如圖1所示，桑樹(shù)株高3.5 m，株間距0.8 m，樹(shù)齡8年，埂坎坡度70°，埂坎高3.5 m，坡長(zhǎng)4.0 m。

圖1 試驗(yàn)采樣點(diǎn)布設(shè)Fig.1 Layout of field test sampling point

1.2 生物埂土壤物理及力學(xué)指標(biāo)測(cè)定

本研究生物埂上選取3棵桑樹(shù)標(biāo)準(zhǔn)株，共選擇4種降雨類型，分別為小雨、中雨、大雨、暴雨，對(duì)應(yīng)降雨強(qiáng)度分別為0.64、1.42、2.37、3.46 mm/min；在降雨前1 d和降雨后第1、3、5、7、9天6個(gè)時(shí)間點(diǎn)，分層(0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm、30～40 cm)采集距標(biāo)準(zhǔn)株外側(cè)10 cm土樣(圖1)；各層次分別用鋁盒法測(cè)定含水率，環(huán)刀法測(cè)定土壤容重、孔隙度、飽和含水率等[16]，樣品用塑料薄膜密封，以上試驗(yàn)重復(fù)3次。在采集測(cè)定土壤物理性質(zhì)樣品的同時(shí)，采集桑樹(shù)生物埂根-土復(fù)合體抗剪環(huán)刀(直徑61.8 mm×高20.0 mm)樣品，每層采集4個(gè)，重復(fù)3次，樣品采集完后用塑料薄膜密封并編號(hào)分組包裝好。樣品帶回實(shí)驗(yàn)室后，采用 ZJ 型應(yīng)變控制式直剪儀進(jìn)行剪切試驗(yàn)，分別在 100，200，300和 400 kPa 荷 載 、 量 力 環(huán) 率 定 系 數(shù) 為1.695 kPa/0.01 mm 的條件下，測(cè)定土樣的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)(內(nèi)摩擦角φ和粘聚力c)，試驗(yàn)方法按照《土工試驗(yàn)規(guī)程SL1999》要求進(jìn)行[17]。

土壤抗剪強(qiáng)度采用荷蘭產(chǎn)便攜式 14.10Pocket Vane Tester 型三頭抗剪儀，采用 CLl02 型(小號(hào)) 旋頭進(jìn)行測(cè)試，在試驗(yàn)點(diǎn)開(kāi)挖約為 10 cm×15 cm 的試坑，分別于 5，15，25，35 cm 的深度平面，用小鐵鏟將之整平，并注意保持土壤結(jié)構(gòu)完整，不受破壞。根據(jù)該試驗(yàn)土壤的性質(zhì)(壤質(zhì)土)選擇 CL100 型(中號(hào))抗剪旋頭，將三頭抗剪儀先將指針歸0，抗剪儀頭部放至預(yù)定試驗(yàn)深度。用手摁壓使抗剪儀徐徐壓入土中至預(yù)定試驗(yàn)深度，并靜置 2～3 min。旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)盤，直至土體開(kāi)始被切斷時(shí)(即表示土體已被剪損)，記錄儀表盤上的X。土壤抗剪強(qiáng)度計(jì)算公式為：

Y=2.734X

式中:X為實(shí)測(cè)值，kg/cm2；Y為轉(zhuǎn)換后的土壤抗剪強(qiáng)度，kg/cm2。

1.3 生物埂根系分布采樣

本研究采用完全挖掘法采集桑樹(shù)生物埂根系，在采掘過(guò)程中盡量避免對(duì)根系的機(jī)械損傷。為使根樣具有代表性，選取生物埂上3棵桑樹(shù)標(biāo)準(zhǔn)株，開(kāi)挖15 cm×15 cm×5 cm土坑，將挖出土壤置于 0.25 mm 的篩中沖洗，根徑、根表面積、根體積等根系參數(shù)均采用北京易科泰生態(tài)技術(shù)有限公司提供WinRHIZO根系分析系統(tǒng)進(jìn)行分析測(cè)定。將掃描后的根系晾干并置于80 ℃干燥箱中干燥72 h，然后置于精密度1/1000的電子天平上稱量，進(jìn)行根系生物量測(cè)定。

2 結(jié)果與分析

2.1 桑樹(shù)生物埂根系垂直分布特征

植物根系具有強(qiáng)大的固持水土功能，根系對(duì)土壤固持作用的大小主要取決于根系的空間分布特征和根系的抗拉力學(xué)特性。桑樹(shù)生物埂中不同徑級(jí)根系隨土層深度變化顯著(圖2)，桑樹(shù)根系根徑級(jí)≤1 mm的根長(zhǎng)密度在0～10 cm層的根長(zhǎng)密度(1.763 cm/cm3)顯著大于其他土壤層，其大小表現(xiàn)為0～10 cm>10～20 cm>20～30 cm>30～40 cm；1 mm<根徑級(jí)≤2 mm的根長(zhǎng)密度主要集中于20～30 cm(0.034 cm/cm3)的土壤層，而2 mm<根徑級(jí)≤5 mm在0～10 cm(0.014 cm/cm3)和20～30 cm(0.013 cm/cm3)的根長(zhǎng)密度顯著高于10～20 cm(0.009 cm/cm3)和30～40 cm(0.004 cm/cm3)。根徑級(jí)≤1 mm的根表面積密度隨著土層深度的增加而遞減(圖3)，0～10 cm的根表面積密度是30～40 cm的4.78倍；而1 mm<根徑級(jí)≤2 mm的根表面積密度最大值出現(xiàn)在20～30 cm的土壤層，值為0.015 cm2/cm3，顯著高于其他土壤層(P<0.001)；2 mm<根徑級(jí)≤5 mm的根表面積密度除30～40 cm(0.005 cm2/cm3)外，在其他土層分布比較均勻，數(shù)值在0.012～0.014 cm2/cm3之間。說(shuō)明根徑級(jí)越小的根系集中于土壤表層(0～20 cm)附近的位置，而20～40 cm層土壤主要由較粗根徑級(jí)的根系穿插生長(zhǎng)。

圖2 桑樹(shù)各徑級(jí)根長(zhǎng)密度的垂直空間分布Fig.2 Vertical spatial distribution of root length density in mulberry tree diameter class

圖3 桑樹(shù)各徑級(jí)根表面積密度的垂直空間分布Fig.3 Vertical spatial distribution of root surface area density in mulberry tree diameter class

生物埂根系的空間分布與植物生物學(xué)特性、土層厚度、土壤容重等植物土壤因子的關(guān)系密切[9]，在0～10 cm的土壤層中，生物根系中以根徑級(jí)≤1 mm的細(xì)根分布為主，這主要是由于植物為了吸收其生長(zhǎng)所需的水分和養(yǎng)分，同時(shí)細(xì)須根根系提高了生物埂的抗沖性能；2 mm<根徑級(jí)≤5 mm的粗根系在土壤主要起支撐和錨固的作用，在生物埂坎發(fā)生垮塌和崩塌過(guò)程中發(fā)揮主要的力學(xué)特性，維持生物埂坎的穩(wěn)定性。

2.2 次降雨對(duì)桑樹(shù)生物埂土壤物理性質(zhì)變化的干濕作用

2.2.1 生物埂土壤物理性質(zhì)變化對(duì)暴雨的響應(yīng) 自然狀態(tài)下的土壤在次降雨后，土壤含水率增加而緊實(shí)度降低，極易發(fā)生崩解；隨著降雨結(jié)束時(shí)間的延長(zhǎng)，土壤收縮緊實(shí)度增大；在干燥-濕潤(rùn)-干燥的干濕循環(huán)過(guò)程中，土壤物理特性會(huì)經(jīng)歷衰減—恢復(fù)過(guò)程[14]。紫色土主要由石英、斜長(zhǎng)石、蒙脫石、伊利石和部分含鐵的礦物質(zhì)組成，由于紫色土含有一定的蒙脫石和伊利石(10%～20%)成分[18]，決定了紫色土具有膨脹特性，因此，紫色土結(jié)構(gòu)會(huì)因干濕循環(huán)反復(fù)脹縮變形而破壞。次降雨前后桑樹(shù)生物埂土壤容重、孔隙度隨干濕作用變化差異顯著(表1)。

表1 不同干濕作用下土壤物理性質(zhì)的變化特征Table 1 Changes of soil physical properties under different dry and wet conditions

注：在此處0、1、3、5、7、9分別代表降雨前1天和降雨后第1，3，5，7，9天6個(gè)干濕作用時(shí)間；同一土層同列數(shù)據(jù)不同字母表示處理在P<0.05水平差異顯著。
Note:Where 0,1,3,5,7,9,respectively represent 1 day before rainfall and rainfall after the 1,3,5,7,9 days of six dry and wet time;the same soil with the different letters mean there was significant difference inP<0.05 level.

土壤容重和孔隙結(jié)構(gòu)是反映土壤松緊程度的重要指標(biāo)，其大小與土壤抗剪強(qiáng)度數(shù)值緊密相連[19]。在次降雨前，各層次桑樹(shù)生物埂土壤容重在1.19～1.38 g/cm3之間，且隨土層深度的增加而增大。在次降雨之后隨干濕水平的變化，土壤容重呈現(xiàn)先逐漸增大后減小的變化趨勢(shì)。在干濕作用時(shí)間第0～1天，土壤容重降低幅度分別為1%(0～10 cm)、6%(10～20 cm)、7%(20～30 cm)、7%(30～40 cm)，這主要是暴雨后，土壤含水量急劇增加，土顆粒間結(jié)合水膜增厚，土體膨脹導(dǎo)致土壤容重下降。除30～40 cm土層外，其余3個(gè)土層容重均在干濕水平第5天達(dá)到最大值，從上到下依次為1.39，1.37，1.44 g/cm3，說(shuō)明土壤水分蒸發(fā)導(dǎo)致土體發(fā)生干縮，土壤容重增加。在經(jīng)過(guò)一次干濕循環(huán)過(guò)程后，除30～40 cm土層外，土壤容重與降雨前相比增加，增加幅度為5.47%～5.88%，表明干濕循環(huán)作用會(huì)導(dǎo)致紫色土容重增加。

土壤總孔隙度、毛管孔隙度隨干濕作用時(shí)間的延長(zhǎng)均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，非毛管孔隙度呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)(表1)。在次降雨前，毛管孔隙度隨土壤深度的增加而減小，最小為26.36%(30～40 cm土層)；而非毛管孔隙度在30～40 cm土層達(dá)到最大(22.05%)，說(shuō)明較大的非毛管孔隙是導(dǎo)致30～40 cm土層土壤疏松的主要原因之一。毛管孔隙和非毛管孔隙數(shù)量在干濕水平第0～1天差異顯著(P<0.05)，在隨后的干濕水平時(shí)間(干濕水平第3～9天)無(wú)顯著性差異。

2.2.2 不同干濕作用下土壤抗剪強(qiáng)度變化特征 土體抗剪強(qiáng)度是表征土體力學(xué)性質(zhì)的一個(gè)重要指標(biāo)，主要受土體的種類、結(jié)構(gòu)以及含水率的影響[20-22]，其中以土壤含水率對(duì)抗剪強(qiáng)度的影響尤為明顯。在不同強(qiáng)度的降雨作用下，土壤含水率均呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢(shì)(表2)，且不同降雨強(qiáng)度條件下的含水率最大值出現(xiàn)在小雨后第1天(29.39%)；在經(jīng)歷干濕水平第1～9天時(shí)間段后，以小雨和大雨條件下的失水程度較大，失水程度分別為44.30%和48.51%，而以中雨條件的失水程度最小，為38.09%。

表2 不同降雨條件下桑樹(shù)生物埂土壤干濕作用變化特征Table 2 Changes of soil moisture content after rain mulberry bio-bank

對(duì)粘聚力和內(nèi)摩擦角進(jìn)行一階指數(shù)衰減擬合(圖4)，粘聚力和內(nèi)摩擦角隨著含水率的增加而呈一階指數(shù)衰減，粘聚力和內(nèi)摩擦角的相關(guān)系數(shù)分別為0.6820和0.7251，說(shuō)明桑樹(shù)生物埂粘聚力和內(nèi)摩擦角與含水率具有較好的擬合度；粘聚力衰減幅度顯著大于內(nèi)摩擦角衰減幅度，粘聚力和內(nèi)摩擦角與含水率分別呈y=57.218e-0.0806x和y=29.82e-0.0206x的冪函數(shù)關(guān)系。

2.3 生物埂土壤抗剪強(qiáng)度對(duì)干濕作用的響應(yīng)特征

干濕水平的變化可以引起土壤水分性能、土壤體積的脹縮變形及抗剪強(qiáng)度特性的變化。不同干濕作用時(shí)間的土壤粘聚力和內(nèi)摩擦角的變化特征見(jiàn)圖5。

由圖5可知，各層次土壤粘聚力和內(nèi)摩擦角在干濕效應(yīng)作用下呈先衰減后恢復(fù)的“V”型變化趨勢(shì)。各層次土壤粘聚力在衰減-恢復(fù)的過(guò)程存在明顯差異，0～10 cm、10～20 cm的土壤粘聚力在干濕作用第5天達(dá)到最小值，分別為11.55，11.61 kPa，而20～30 cm、30～40 cm的土壤粘聚力最小值分別出現(xiàn)在干濕作用第7天(17.07 kPa)和第3天(6.26 kPa)；各層次土壤粘聚力衰減程度依次為30～40 cm(18.11 kPa)>0～10 cm(15.80 kPa)>10～20 cm(15.28 kPa)>20～30 cm(6.99 kPa)，粘聚力恢復(fù)程度以30～40 cm(14.24 kPa)最大，20～30 cm(0.99 kPa)最小，粘聚力恢復(fù)后均未達(dá)到降雨前的水平，說(shuō)明經(jīng)過(guò)土壤干濕循環(huán)過(guò)程對(duì)土壤粘聚力產(chǎn)生弱化的作用。

土壤各層次內(nèi)摩擦角衰減-恢復(fù)過(guò)程基本一致，各層次內(nèi)摩擦角在干濕作用第1天均衰減到最小值，分別為0～10 cm(9.41°)、10～20 cm(8.78°)、20～30 cm(9.08°)、30～40 cm(9.02°)；各層次土壤內(nèi)摩擦角的衰減程度差異較小，以0～10 cm層土壤衰減程度最大，為14.69°，30～40 cm的衰減程度最小，為12.84°；內(nèi)摩擦角的恢復(fù)過(guò)程以第1～3天的時(shí)間段最為明顯，之后的恢復(fù)過(guò)程較為緩慢；內(nèi)摩擦角恢復(fù)程度的順序?yàn)?～10 cm(13.33°)>10～20 cm(11.71°)>20～30 cm(11.02°)>30～40 cm(9.54°)，但均未恢復(fù)到降雨之前的水平，說(shuō)明干濕循環(huán)過(guò)程對(duì)內(nèi)摩擦角同樣具有弱化作用。

圖4 土壤粘聚力和內(nèi)摩擦角與含水率的變化關(guān)系Fig.4 The relationship between soil cohesion,internal friction angle and water content

圖5 不同干濕水平土壤粘聚力和內(nèi)摩擦角變化特征Fig.5 Variation characteristics of cohesion and internal friction angle of soil in different dry and wet levels干濕變化水平0，1，3，5，7，9分別代表降雨前1天和降雨后第1，3，5，7，9天6個(gè)干濕作用時(shí)間。The level of wet and dry change 0,1,3,5,7,9,respectively represent 1 day before rainfall and rainfall after the 1,3,5,7,9 days six wet and dry time.

不同降雨強(qiáng)度條件下，土壤粘聚力和內(nèi)摩擦角隨干濕作用時(shí)間的變化差異明顯(圖6)。土壤粘聚力除暴雨條件(先降后升)外，其他不同降雨強(qiáng)度下呈逐漸增大的趨勢(shì)，隨干濕作用時(shí)間的增長(zhǎng)，不同降雨強(qiáng)度條件下的土壤粘聚力逐漸恢復(fù)，恢復(fù)程度以中雨(1.42 mm/h)最大，恢復(fù)度達(dá)到8.71 kPa，大雨(2.37 mm/h)的恢復(fù)程度最小，為4.74 kPa。土壤粘聚力的變化呈現(xiàn)峰谷交織的變化形式，總體而言，不同降雨強(qiáng)度下的內(nèi)摩擦角在干濕作用后恢復(fù)，恢復(fù)程度最大值出現(xiàn)在暴雨條件(3.46 mm/h)下，為13.33°。主要原因是小雨、中雨條件下降雨強(qiáng)度小于土壤穩(wěn)定入滲率，導(dǎo)致降雨全部被土壤吸收，隨后土壤失水收縮導(dǎo)致粘聚力和內(nèi)摩擦角恢復(fù)，而大雨、暴雨條件由于降雨強(qiáng)度較大，導(dǎo)致土壤孔隙阻塞，土壤不能完全吸收降雨水分，故粘聚力和內(nèi)摩擦角變化出現(xiàn)差異。

圖6 不同降雨條件下土壤粘聚力和土壤內(nèi)摩擦角隨干濕作用時(shí)間的變化特征Fig.6 Soil change characteristics with dry time of soil cohesion and internal friction angle under different rainfall conditions1,3,5,7,9分別表示次第1，3，5，7，9天5個(gè)干濕作用時(shí)間。1,3,5,7,9,respectively represent the 1,3,5,7,9 days five wet and dry time.

2.4 桑樹(shù)根系分布特征對(duì)土壤抗剪強(qiáng)度的影響

土壤抗剪強(qiáng)度由粘聚力和內(nèi)摩擦角兩部分組成，且根系的存在能夠增加土體的抗剪強(qiáng)度[20-22]。桑樹(shù)生物埂不同根系徑級(jí)土壤的粘聚力、內(nèi)摩擦角和抗剪強(qiáng)度與根長(zhǎng)密度和根表面積密度達(dá)到顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)在0.301～0.793之間(表3)，說(shuō)明根系的存在能夠顯著提高土壤的抗剪強(qiáng)度。原因在于植物根系的存在，一方面是生物埂土壤具有類似“鋼筋混凝土”的結(jié)構(gòu)，粗根的“錨固”作用與細(xì)根的“固持”作用相結(jié)合，使生物埂土壤抗剪強(qiáng)度增大；另一方面是根-土相互作用不僅產(chǎn)生土粒與土粒之間的摩擦作用，同時(shí)還產(chǎn)生土粒與根系之間的摩擦作用，從而增加根-土復(fù)合體的內(nèi)摩擦角[2]。

生物埂根系徑級(jí)<1 mm土壤抗剪強(qiáng)度與RLD(根長(zhǎng)密度)和RSAD(根表面積密度)呈極顯著相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.756和0.653；這是由于桑樹(shù)徑級(jí)<1 mm的根系相互纏繞、擠壓作用提高了土壤的粘聚力和內(nèi)摩擦角，進(jìn)而增強(qiáng)了土壤抗剪強(qiáng)度。桑樹(shù)生物埂根系徑級(jí)1～2 mm的RLD(R2=0.721)對(duì)抗剪強(qiáng)度(τ)顯著，而RSAD對(duì)抗剪強(qiáng)度(τ)不顯著(R2=0.402)；根系徑級(jí)2～5 mm的RLD(R2=0.607)和RSAD(R2=0.633)對(duì)抗剪強(qiáng)度顯著。

表3 土壤抗剪強(qiáng)度指標(biāo)與桑樹(shù)根系分布特征的相關(guān)性Table 3 Correlation between the soil shear strength index and the root distribution characteristics of mulberry trees

注：RLD，根長(zhǎng)密度。RSAD，根表面積密度。*表示在P<0.05水平下檢驗(yàn)相關(guān)性顯著，**表示在P<0.01水平下檢驗(yàn)相關(guān)性顯著。
Note:RLD,Root length density.RSAD,Root surface area density.* indicates a significant correlation at theP<0.05 level,and ** indicates a significant correlation atP<0.01.

3 討論

3.1 土壤含水量及土壤容重對(duì)抗剪強(qiáng)度的作用

土壤抗剪強(qiáng)度是土壤力學(xué)性質(zhì)的重要指標(biāo)，研究顯示，抗剪強(qiáng)度與含水量的大小密切相關(guān)。張曉明等[23]對(duì)干濕效應(yīng)下崩崗區(qū)巖土抗剪強(qiáng)度的衰減研究表明，粘聚力和內(nèi)摩擦角隨干濕變化呈非線性衰減趨勢(shì)，抗剪強(qiáng)度指標(biāo)在13%左右呈現(xiàn)“峰值”；陳紅星等[24]通過(guò)含水率對(duì)抗剪強(qiáng)度的影響研究表明，粘聚力隨著含水率的增加基本呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，內(nèi)摩擦角隨含水率的增加而線性減小；本研究基于野外降雨條件下土壤水分變化，研究顯示(圖5)，下雨后隨著土壤水分增加粘聚力和內(nèi)摩擦角衰減，衰減程度分別為15.28～18.11 kPa和12.84°～14.69°，而后隨干濕作用時(shí)間的增長(zhǎng)，含水量變少則土壤粘聚力和內(nèi)摩擦角隨之恢復(fù)，恢復(fù)程度分別為0.99～14.24 kPa和9.54°～13.33°。原因在于次降雨之后土體中礦物、膠結(jié)物質(zhì)遇水發(fā)生溶解、水化、水解等化學(xué)反應(yīng)，部分礦物溶解于水中并隨水流運(yùn)動(dòng)，造成土體孔隙增大；而膠結(jié)物質(zhì)的喪失將使粒間粘聚力大幅降低；土體的膨脹與水土化學(xué)作用的結(jié)果導(dǎo)致土的物理力學(xué)性質(zhì)的改變，造成土體軟化，因此造成抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的降低；而后隨干濕作用時(shí)間的增長(zhǎng)，土粒間水膜逐漸由原來(lái)連續(xù)性水膜過(guò)渡到間斷性水膜，固液態(tài)比例減少，相應(yīng)地固氣態(tài)比例增加，產(chǎn)生土壤收縮，導(dǎo)致抗剪強(qiáng)度在水分減小過(guò)程中增大[23]。

表4 植物根系對(duì)抗剪強(qiáng)度的效應(yīng)Table 4 Effects of plant roots on the shear strength

呂海波等[25]對(duì)南寧地區(qū)原狀膨脹土干濕循環(huán)試驗(yàn)研究表明，膨脹土抗剪強(qiáng)度隨干濕循環(huán)次數(shù)增加而衰減，最終趨于穩(wěn)定，且穩(wěn)定時(shí)所需循環(huán)次數(shù)均隨含水率變化幅度的增加而減小；倪九派等[14]在干濕循環(huán)條件下重慶地區(qū)3種土壤抗剪強(qiáng)度的動(dòng)態(tài)變化研究顯示，粘聚力和內(nèi)摩擦角在干濕循環(huán)后總體呈減小趨勢(shì)。本研究表明，土壤容重和土壤含水量的交互作用對(duì)粘聚力和內(nèi)摩擦角的作用較小，相對(duì)而言，土壤含水量對(duì)粘聚力和內(nèi)摩擦角的影響更明顯。本研究基于小雨、中雨、大雨、暴雨4種自然降雨條件，但由于在長(zhǎng)期的干濕循環(huán)交替變化下，地埂土體已基本趨于穩(wěn)定，所以抗剪強(qiáng)度指標(biāo)在干旱交替下的變化不存在明顯差異。

3.2 地埂根系對(duì)抗剪強(qiáng)度的增強(qiáng)效應(yīng)

植物根系增強(qiáng)抗剪強(qiáng)度的作用與植物根系的類型密切相關(guān)。草本植物的根系主要分布在邊坡土體的表層，由于根系與表層土體緊密結(jié)合，增強(qiáng)了土體抗剪強(qiáng)度及其邊坡整體穩(wěn)定性，草本根系增強(qiáng)邊坡土體穩(wěn)定性效應(yīng)主要表現(xiàn)在淺層根系的加筋固土作用；木本植物由于主根系粗壯、進(jìn)入土層較深，能顯著提高根-土復(fù)合體的抗剪強(qiáng)度，主要表現(xiàn)在根系的錨固作用。植物根系對(duì)抗剪強(qiáng)度的增強(qiáng)效應(yīng)見(jiàn)表4。

為了明確根系對(duì)抗剪強(qiáng)度的影響因素，本文對(duì)根長(zhǎng)密度和根表面積密度與抗剪強(qiáng)度之間的關(guān)系進(jìn)行分析，結(jié)果顯示根長(zhǎng)密度和根表面積密度與抗剪強(qiáng)度呈顯著正相關(guān)(R2=0.695和R2=0.563)，且根長(zhǎng)密度對(duì)抗剪強(qiáng)度的增強(qiáng)作用大于根表面積密度，這與劉窯軍等[31]的研究結(jié)果相一致。有關(guān)研究表明，根系對(duì)土壤抗剪強(qiáng)度的影響主要是顯著提高土壤粘聚力，而內(nèi)摩擦角的變化不明顯[29,34]。本文分別對(duì)根長(zhǎng)密度和根表面積密度與土壤粘聚力和內(nèi)摩擦角的關(guān)系進(jìn)行擬合，研究表明根長(zhǎng)密度和根表面積密度對(duì)土壤內(nèi)摩擦角的提高程度大于對(duì)土壤粘聚力的提高程度，與之前學(xué)者的研究結(jié)果出現(xiàn)差異。可能原因是由于土壤結(jié)構(gòu)因干濕循環(huán)反復(fù)脹縮變形而破壞，導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果出現(xiàn)差異。

4 結(jié)論

1)不同土壤層根系分布存在差異，在0～10 cm的土壤層中，生物根系中以根徑級(jí)≤1 mm的細(xì)根分布為主，1 mm<根徑級(jí)≤2 mm的根系以20～30 cm的土壤層中最多，2 mm<根徑級(jí)≤5 mm的根系在各土層的分布較均勻。

2)生物埂土壤容重、孔隙度特征、田間持水量隨干濕作用時(shí)間變化差異顯著。隨著干濕作用時(shí)間的增長(zhǎng)，土壤容重呈現(xiàn)先減小后增大并逐漸穩(wěn)定；毛管孔隙和非毛管孔隙數(shù)量的變化主要發(fā)生在干濕作用第0～1天時(shí)間。

3)各層次土壤粘聚力和內(nèi)摩擦角在干濕效應(yīng)作用下呈現(xiàn)出先衰減后恢復(fù)的“V”型變化趨勢(shì)。土壤粘聚力衰減程度依次為30～40 cm(18.11 kPa)>0～10 cm(15.80 kPa)>10～20 cm(15.28 kPa)>20～30 cm(6.99 kPa)，土壤內(nèi)摩擦角以0～10 cm層土壤衰減程度最大，為14.69°，30～40 cm的衰減程度最小，為12.84°；在干濕循環(huán)過(guò)程中，土壤粘聚力和內(nèi)摩擦角均有所恢復(fù)，但均未達(dá)到降雨之前的水平，粘聚力恢復(fù)程度以30～40 cm(14.24 kPa)最大，20～30 cm(0.99 kPa)最小，內(nèi)摩擦角恢復(fù)程度的順序?yàn)?～10 cm(13.33°)>10～20 cm(11.71°)>20～30 cm(11.02°)>30～40 cm(9.54°)；桑樹(shù)生物埂不同根系徑級(jí)土體的粘聚力、內(nèi)摩擦角和抗剪強(qiáng)度與根長(zhǎng)密度和根表面積密度達(dá)到顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)在0.301～0.793之間。

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Effect of drying-wetting condition on attenuation-recovery of soil shear strength of bio-embankment on sloping farmland comprising purple soil

DING Wen-Bin1,HE Wen-Jian2,SHI Dong-Mei1*,JIANG Guang-Yi2,JIANG Ping3,CHANG Song-Guo1

1.CollegeofResourcesandEnvironment,InstituteofSoilandWaterConservationandEco-environment,SouthwestUniversity,Chongqing400715,China;2.ChongqingEco-environmentMonitoringStationofSoilandWaterConservation,Chongqing401147,China;3.ChongqingSurveyingandDesignInstituteofWaterResources,ElectricPowerandArchitecture,Chongqing400020,China

During rainfall the soil in bio-embankments undergoes a drying-wetting-re-drying process which may potential influence the shear strength and stability of bio-embankment soil.This study investigated the attenuated recovery of soil shear strength in a mulberry bio-embankment under drying-wetting conditions.The main purpose of the study was to undertake a comprehensive study of mulberry hedge root distribution before and after rainfall (rainfall 0-9 d),the wetting and drying process in bio-embankment soil,physicochemical changes and the influence of roots on soil shear strength.The results show:(1) Roots with root diameter ≤1 mm were concentrated at shallow depths (0-20 cm),while the roots with 2 mm

bio-embankment;cohesion;internal friction angle;shear strength;drying-wetting condition;attenuation-recovery effect

10.11686/cyxb2016298 http://cyxb.lzu.edu.cn

丁文斌,何文健,史東梅,蔣光毅,蔣平,常松果.干濕作用對(duì)紫色土坡耕地生物埂土壤抗剪強(qiáng)度衰減-恢復(fù)效應(yīng).草業(yè)學(xué)報(bào),2017,26(6):56-67.

DING Wen-Bin,HE Wen-Jian,SHI Dong-Mei,JIANG Guang-Yi,JIANG Ping,CHANG Song-Guo.Effect of drying-wetting condition on attenuation-recovery of soil shear strength of bio-embankment on sloping farmland comprising purple soil.Acta Prataculturae Sinica,2017,26(6):56-67.

2016-08-17；改回日期：2016-11-17

公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項(xiàng)“坡耕地合理耕層評(píng)價(jià)指標(biāo)體系建立(201503119-01-01)”和重慶市水利局科技項(xiàng)目 “紫色丘陵區(qū)面源污染防治措施效應(yīng)評(píng)價(jià)(2012)”資助。

丁文斌(1991-)，男，甘肅天水人，碩士。E-mail:dingwenbin88@126.com

*通信作者Corresponding author.E-mail:shidm_1970@126.com