基于Le Bissonnais法的植被混凝土團(tuán)聚體穩(wěn)定性研究

李天齊，周明濤，許文年，高家禎，鄭旭超，李鴻銘

(1. 三峽大學(xué)防災(zāi)減災(zāi)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北 宜昌 443002；2.三峽大學(xué) 水利與環(huán)境學(xué)院，湖北 宜昌 443002)

植被混凝土是典型的人造復(fù)合生態(tài)基材，具備一定的強(qiáng)度和抗侵蝕性能，可直接作為邊坡的防護(hù)材料[1]。該生態(tài)基材自發(fā)明以來，已在眾多地區(qū)廣泛應(yīng)用，取得了較大的生態(tài)和經(jīng)濟(jì)效益。植被混凝土邊坡植被群落與初期噴播的植物種子及后期植被的演替密切相關(guān)，常見的修復(fù)邊坡內(nèi)有草本、草灌、草灌喬三種植被類型。不同植被類型下，地上和地下生物量的差異使得植被混凝土有機(jī)物含量不同，從而引起其物理、化學(xué)和生物性質(zhì)的變化，對(duì)植被混凝土穩(wěn)定性造成直接影響[2-3]。

土壤團(tuán)聚體是土壤顆粒經(jīng)凝聚膠結(jié)作用后形成的個(gè)體，是衡量土質(zhì)的重要物理性質(zhì)[4]。針對(duì)土壤團(tuán)聚體的分布特征及穩(wěn)定性，國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者已開展了較多研究，如唐駿[5]、楊如萍[6]等測(cè)定了不同耕作模式下土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體組成，研究了植被類型及土地利用模式對(duì)土壤團(tuán)聚體的影響；Lal R[7]認(rèn)為任何土壤的退化首先表現(xiàn)于土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)的破壞；Le Bissonnais[8]在前人研究土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性基礎(chǔ)上，提出了測(cè)定土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的Le Bissonnais(LB)法。眾多研究為土壤團(tuán)聚體理論的豐富提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)，然而當(dāng)前其研究對(duì)象一般圍繞于自然土壤，缺乏人造復(fù)合土壤團(tuán)聚體的專題報(bào)道。

因此，本研究選取植被混凝土作為對(duì)象，應(yīng)用LB法和傳統(tǒng)濕篩法(Yoder法)測(cè)定不同植被類型下團(tuán)聚體含量并計(jì)算團(tuán)聚體平均重量直徑(MWD)和幾何平均直徑(GMD)，以此探討植被類型與植被混凝土團(tuán)聚體含量之間的關(guān)系，分析植被混凝土團(tuán)聚體的破碎機(jī)制，為正確評(píng)價(jià)植被類型對(duì)植被混凝土抗蝕性的影響提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

宜昌地處于湖北省西南部、長(zhǎng)江上中游分界處，該區(qū)為中亞熱帶，年平均降雨量942.8～1343.4 mm，平均相對(duì)濕度78%，年平均日照時(shí)數(shù)為1203.4～1628.2 h，年平均氣溫15.2～19.0 ℃。

實(shí)驗(yàn)選取宜昌地區(qū)高壩州水電站壩肩右岸邊坡(A)、清江水布埡三友坪公路邊坡(B)、三峽大學(xué)信息技術(shù)樓側(cè)邊坡(C)為研究坡地，研究樣地描述如表1所示，三處均為巖質(zhì)邊坡，均采用植被混凝土生態(tài)防護(hù)施工工藝，邊坡初始條件及后期管理養(yǎng)護(hù)條件等無(wú)較大差異。

表1 研究樣地描述

1.2 樣品采集與測(cè)定

基于野外調(diào)查，按代表性植被的分布在三處邊坡中選取草本植被、草灌植被、草灌喬植被各兩個(gè)樣地，樣地大小按1 m2(草本植被)、10 m2(草灌植被)和100 m2(草灌喬植被)設(shè)置，以S形在同一樣地內(nèi)采取5個(gè)樣品。采集0～10 cm土層原狀土，裝入鋁盒內(nèi)帶回實(shí)驗(yàn)室，風(fēng)干后，沿土壤自然結(jié)構(gòu)面人工剝成直徑為10～12 mm的小土塊，并剔除土中的植物根系及小石粒。

土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性試驗(yàn)在采樣后7 d內(nèi)完成，每個(gè)樣品每種處理重復(fù)3次。

LB法三種處理方式,有濕潤(rùn)振蕩(WS)、慢速濕篩(SW)、快速濕篩(FW)和Yoder法測(cè)定方式見文獻(xiàn) [8-9]。

1.3 分析方法及數(shù)據(jù)處理

土壤團(tuán)聚體平均重量直徑 (MWD，mm)值，幾何平均直徑 (GMD，mm)值，>0.25 mm團(tuán)聚體含量(R0.25，%)計(jì)算公式如式(1)～式(3)[10]：

(1)

(2)

R0.25=Mi>0.25

(3)

LB法三種處理與Yoder法之間的比較應(yīng)用最小顯著性差異(LSD)進(jìn)行分析，數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析使用EXCEL2010和SPSS18.0。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同植被類型下植被混凝土團(tuán)聚體粒徑分布

同一植被類型下植被混凝土經(jīng)LB法三種處理后，R0.25均值表現(xiàn)為SW>FW>WS，而粒徑<0.05 mm團(tuán)聚體含量為WS>FW>SW。SW處理下，植被混凝土團(tuán)聚體以>2 mm粒級(jí)為主；FW處理下，粒徑>2 mm和<0.05 mm團(tuán)聚體含量較高；WS處理下，植被混凝土團(tuán)聚體粒徑以<0.05 mm為主。對(duì)不同植被類型而言，F(xiàn)W和WS處理下，R0.25均值表現(xiàn)為草灌喬植被>草灌植被>草本植被，而SW處理下>0.25 mm粒級(jí)的團(tuán)聚體含量均值表現(xiàn)為草灌喬植被>草本植被>草灌植被，其主要原因可能是SW處理將團(tuán)聚體放入蒸發(fā)皿時(shí)溶液由水變成了乙醇，減小了消散及差異膨脹的影響。

植被類型不同會(huì)造成土壤團(tuán)聚體組成和數(shù)量上的差異，從而對(duì)土壤團(tuán)聚體的顆粒分布造成影響。本研究結(jié)果表明：LB法各處理下粒徑>2 mm的植被混凝土團(tuán)聚體含量整體表現(xiàn)為草灌喬植被>草灌植被>草本植被，而粒徑<0.05 mm的植被混凝土團(tuán)聚體含量整體表現(xiàn)為草本植被>草灌植被>草灌喬植被。在本研究中，LB法三種處理下草灌喬和草灌植被土壤團(tuán)聚體R0.25均值顯著高于草本植被，而草灌喬植被略大于草灌植被，這是由于地表覆蓋物的增加，可增加表層土壤入滲率，一定程度上減緩雨水對(duì)土壤的擊打，從而也有利于大團(tuán)聚體的形成和保持。此外，喬木和灌木的枯葉和植物根系在土壤團(tuán)聚體構(gòu)成過程中起到了粘合劑的作用，使大團(tuán)聚體數(shù)量增加。

2.2 MWD和GMD對(duì)土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)

植被混凝土采用LB法和Yoder法處理，計(jì)算出的團(tuán)聚體MWD和GMD值如表2所示。由表2可知，三種植被類型下植被混凝土在Yoder和LB法處理下，其MWD值均表現(xiàn)為SW>FW>Yoder >WS，不同植被類型的植被混凝土在相同處理下的MWD值存在一定差異，草灌喬植被和草灌植被的植被混凝土在相同的處理方式下較草本植被MWD值提升，且以Yoder法和WS處理較明顯，而SW和FW處理下MWD值提升相對(duì)較小。在相同處理方式下，植被混凝土團(tuán)聚體MWD值規(guī)律表現(xiàn)為草灌喬植被>草灌植被>草本植被。LB法和Yoder法處理下，各樣地GMD值均表現(xiàn)為SW>Yoder>FW>WS，其規(guī)律與MWD值一致。不同植被類型土壤在相同處理下其GMD值存在較大差異，四種處理方法下GMD值均表現(xiàn)為草灌喬植被>草灌植被>草本植被。草灌喬植被和草灌植被的植被混凝土在相同的處理方式下較草本植被GMD值提升，并以Yoder法處理下GMD值最大，SW處理下GMD值提升最小。

表2 植被混凝土團(tuán)聚體在Yoder法與LB法處理下的MWD和GMD值

注：不同小寫字母代表同列同一處理方式下不同植被類型間差異顯著(P<0.05)；樣地編號(hào)中A代表草本植被，B代表草灌植被，C代表草灌喬植被。

LB法和Yoder法處理下的植被混凝土團(tuán)聚體GMD和MWD平均值大小順序均呈現(xiàn)為草灌喬植被>草灌植被>草本植被。植被的正向演替，促進(jìn)了土壤的團(tuán)聚作用，增強(qiáng)了植被混凝土抗蝕性能。LB法中SW模擬了黏土在輕降雨作用下的膨脹作用，F(xiàn)W對(duì)應(yīng)暴雨或灌溉過程中土壤的崩解過程，WS則模擬了機(jī)械破碎過程。MWD和GMD值基本表現(xiàn)為SW>FW>WS，表明植被混凝土受到機(jī)械擾動(dòng)作用破壞最大，其次為暴雨和灌溉的作用，在輕降雨作用下團(tuán)聚體破碎程度最低。因此，對(duì)植被混凝土邊坡應(yīng)施用滴灌并重視雨季的有效防護(hù)，以提高植被混凝土邊坡的抗侵蝕性和穩(wěn)定性。

2.3 Yoder法和LB法測(cè)定植被混凝土團(tuán)聚體水穩(wěn)性的相關(guān)性分析

由表3可知：Yoder法與WS處理測(cè)定的MWD呈極顯著相關(guān)，與FW、WS處理呈顯著相關(guān)；Yoder法和FW處理測(cè)定的GMD呈顯著相關(guān)，F(xiàn)W處理與WS、SW處理呈顯著相關(guān)，其他處理間相關(guān)性不顯著；Yoder法和SW處理測(cè)定的R0.25值相關(guān)性顯著，WS處理與FW處理也呈顯著相關(guān)，其他處理間相關(guān)性不顯著?？梢钥闯觯和ㄟ^Yoder法測(cè)定的MWD、GMD、R0.25值與FW處理均有相關(guān)性，LB法三種處理測(cè)定的MWD、GMD、R0.25值大部分呈顯著相關(guān)，說明植被混凝土團(tuán)聚體在機(jī)械擾動(dòng)下的崩解作用與消散作用顯著正相關(guān)，LB法中團(tuán)聚體崩解的三種機(jī)制之間有內(nèi)在的聯(lián)系。

表3 植被混凝土在Yoder法與LB法處理下團(tuán)聚體MWD、GMD和R0.25值的相關(guān)性

注：*表示檢驗(yàn)相關(guān)性顯著(P<0.05)，**表示檢驗(yàn)相關(guān)性極顯著(P<0.01)。

3 結(jié) 論

(1)植被混凝土在WS處理下團(tuán)聚體粒徑以<0.05 mm為主，SW處理下粒徑以>2 mm為主，F(xiàn)W處理下粒徑>2 mm和<0.05 mm的植被混凝土團(tuán)聚體含量相對(duì)較高。

(2) LB法及Yoder法四種處理下所得MWD、GMD、R0.25值基本表現(xiàn)為草灌喬植被>草灌植被>草本植被。

(3)植被混凝土團(tuán)聚體在Yoder法及LB法處理下其MWD、GMD值和R0.25基本表現(xiàn)為SW>Yoder>FW>WS，其中濕潤(rùn)振蕩處理的測(cè)定結(jié)果與Yoder法更接近。