石漠化區(qū)多花木藍(lán)和雙莢決明根土復(fù)合體抗剪特性研究

張喬艷 唐麗霞 潘 露 黃同麗 陳 龍

( 貴州大學(xué)林學(xué)院，貴州 貴陽 550025)

石漠化現(xiàn)象在亞熱帶喀斯特地區(qū)分布廣泛。該區(qū)土壤成土速率慢，土壤流失量小但危害大，土質(zhì)疏松，孔隙度大，一旦流失會(huì)破壞土壤結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致石漠化的進(jìn)一步發(fā)生。作為全國第9個(gè)縣縣通高速的省份，貴州省共有13萬km2的喀斯特面積[1-2]，邊坡破壞不可避免，因此修復(fù)邊坡，保持水土，美化環(huán)境迫在眉睫。傳統(tǒng)的灰色景觀護(hù)坡技術(shù)已不適應(yīng)當(dāng)今社會(huì)的發(fā)展而被生態(tài)護(hù)坡取代。生態(tài)護(hù)坡就是利用植物的枝葉攔截降水、減緩雨滴直接對(duì)地面的擊濺；利用淺根加筋和深根錨固等作用使得邊坡達(dá)到穩(wěn)固[3-4]。具有抗拉而不具抗壓的根系和具有抗壓而不具抗拉的土體有機(jī)集合，使得根土復(fù)合體具有了抗拉和抗壓的性質(zhì)，從而改變?cè)瓲钔恋牧W(xué)性質(zhì)[5-6]。

根土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度特性的研究是解決根系固土機(jī)制的關(guān)鍵[7]。楊亞川等[8]首次提出并使用根土復(fù)合體的概念，為后來的研究提供了新的思路。格日樂等[9]和宋維峰等[6]的研究表明，根土復(fù)合體的抗剪強(qiáng)度不僅與植物的種類有關(guān)，還與土壤的含水率，干密度等物理性質(zhì)密切相關(guān)。郭維俊等[10]、王元戰(zhàn)等[11]提出根土復(fù)合體的抗剪強(qiáng)度與根系材料、形態(tài)及土粒與土粒間的黏聚力和摩擦力有關(guān)。Mao等[12]和Bourrier等[13]通過室內(nèi)直剪試驗(yàn)表明，抗剪強(qiáng)度的變化除受根系排列方式和剪切面夾角影響外，還與根土截面比的變化有關(guān)。王涵等[14]研究表明，根系傾角對(duì)抗剪強(qiáng)度影響顯著，表現(xiàn)為素土的抗剪強(qiáng)度＜根系與剪切面呈90°的抗剪強(qiáng)度＜根系與剪切面呈45°的抗剪強(qiáng)度＜根系與剪切面呈135°的抗剪強(qiáng)度。已有的研究大多數(shù)集中在植物種類、根系的抗拉、傾角、布根方式，且土壤多為黃壤等北方地區(qū)常見土壤，而對(duì)于石漠化地區(qū)土層淺薄且粘性不高的石灰土，植物根系以根徑為中心呈輻射狀分布[15]，其根系固土護(hù)坡特性的研究較少。貴州石漠化區(qū)生長的代表性灌木多花木藍(lán)（Indigofera amblyantha）及雙莢決明（Cassia bicapsularis）因其對(duì)生境要求不高，根系發(fā)達(dá)且具有較強(qiáng)的穿透力，花美且花期長，是良好的水土保持和邊坡綠化樹種[16]。本試驗(yàn)選取貴州石漠化區(qū)灌木樹種多花木藍(lán)和雙莢決明為對(duì)象，研究根徑、法向壓力、土壤含水率變化對(duì)復(fù)合體抗剪特性的影響，以期為石漠化區(qū)邊坡修復(fù)和生態(tài)恢復(fù)提供參考。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于貴州省貴陽市花溪區(qū)，地處東經(jīng)106°39′3″，北緯 26°27′11″，海拔 1 130 m，屬于亞熱帶濕潤溫和氣候，年均降水量為1 200 mm，無霜期246 d，極端最高氣溫均值32.2 ℃，最低氣溫-2.2 ℃[17]。年均氣溫為15.3 ℃，陰天多，日照少，年均相對(duì)濕度為77 %。研究區(qū)為撒種自然恢復(fù)邊坡，無高大喬木，僅草本及灌木，土層厚度7 cm左右，母巖為碳酸鹽，其土層中含大小不等的沙礫。基巖裸露率約45 %。主要植被類型有多花木藍(lán)、雙莢決明、火棘（Pyracantha fortuneana）、馬桑（Coriaria nepalensis）等。土壤類型為黑色石灰土，經(jīng)測定土壤pH為7.4。

2 材料與方法

2.1 根系及土體取樣

于2017年12月，選取邊坡（坡度23°）撒種自然生長了2 a，地徑2 cm長勢一致的多花木藍(lán)和雙莢決明，采用整株挖掘法進(jìn)行挖掘，在研究區(qū)內(nèi)隨機(jī)挖掘10株。選取生長正常，無病蟲害的根系清洗干凈，吸取多余水分將根分類編號(hào)并裝于密封裝中放于4 ℃的冷藏箱，并在24 h內(nèi)進(jìn)行試驗(yàn)。在相鄰約10 m的裸地，去除表面雜質(zhì)進(jìn)行土樣的獲取，取土厚度約6 cm，帶回實(shí)驗(yàn)室風(fēng)干并研磨過2 mm篩，分袋保存。土壤為壤質(zhì)粘土，其顆粒組成見表1。

2.2 根系分級(jí)

用精度為0.01 mm的游標(biāo)卡尺進(jìn)行根徑的測量，測根系3個(gè)等分點(diǎn)處的直徑，取其平均值作為根段的根徑。采集的多花木藍(lán)和雙莢決明根系集中分布在0.50～6.00 mm。為使根系徑級(jí)具有代表性，每隔1 mm根徑進(jìn)行分級(jí)，共分為6級(jí)。分 別 為 1（（ 1.00±0.50） mm）， 2（（ 2.00±0.50）mm），3（（3.00±0.50）mm），4（（4.00±0.50）mm），5（（5.00±0.50）mm），6（（6.00±0.50）mm）。將分級(jí)后每級(jí)根剪成2 cm長度，每個(gè)根土復(fù)合體試樣中分布根系數(shù)量為1。

表 1 試驗(yàn)土壤顆粒組成Table 1 Test soil particle composition

2.3 土樣制備

直剪試樣尺寸（直徑×高）為61.8 mm×20.0 mm，試樣截面積為2 998 mm2，根據(jù)野外測定的土壤含水率在11.2% ～22.4%，故而設(shè)定4個(gè)含水率梯度，分別為10.8%、14.3%、18.2%、23.1%。按照《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50123—1999）制備試樣，土樣含水率計(jì)算方法見式（1）。稱取一定質(zhì)量的風(fēng)干土于亞克力不透水的托盤中，通過式（1）計(jì)算所需的含水量，用噴霧裝置均勻噴灑混勻后蓋緊，靜置一晝夜備用。

2.4 試樣制備及試驗(yàn)方法

參照文獻(xiàn)[18-20] 制備試樣：

1）對(duì)照試樣的制備：由于石灰土含水率過低、粘性不高、易分散，無法壓實(shí)成型，且環(huán)刀壓土入直剪盒過程中會(huì)破壞土體，因此采用分層擊實(shí)的方法分3次將制備好的土壤倒入直剪盒中。

2）復(fù)合體試樣的制備及試驗(yàn)：將直剪盒固定，放入一層土，輕輕撫平按實(shí)，再將分級(jí)制備的根倒插入土體中，根的布置方式為垂直布置，再倒入一層土，輕輕按實(shí)。如此循環(huán)，將所有的土放入樣盒，擺放根的位置在試樣正中心。每組試驗(yàn)3次重復(fù)，不同根徑重復(fù)上述操作。用南京土壤儀器廠有限公司生產(chǎn)的ZJ型應(yīng)變控制式直剪儀（四聯(lián)剪）進(jìn)行試驗(yàn)，設(shè)定剪切速率為0.8 mm/min，每組試驗(yàn)在4個(gè)法向壓力（即50、100、150、200 kPa）下進(jìn)行，每個(gè)法向壓力下做3次重復(fù)試驗(yàn)。

3 結(jié)果與分析

3.1 根徑大小對(duì)根土復(fù)合體抗剪特性的影響

含水率為14.3 %，法向壓力為50 kPa時(shí)，多花木藍(lán)及雙莢決明根徑大小對(duì)根土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度的影響見表2。由表2可知，對(duì)于多花木藍(lán)，根徑大小對(duì)不同植物的根土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度的影響不一。其中素土（徑級(jí)為0）抗剪強(qiáng)度最低，表明根系的存在均不同程度的增加了土體的抗剪強(qiáng)度，表現(xiàn)為隨徑級(jí)的增加，抗剪強(qiáng)度呈增加-降低-增加的趨勢。根徑為3 mm時(shí)，多花木藍(lán)根土復(fù)合體具有最大抗剪強(qiáng)度36.13 kPa。根徑大小對(duì)根土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度增強(qiáng)效果不一，素土與各根徑間，根土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度差異顯著（P＜0.05）。表明根系的加入，無論根徑大小如何，均在一定程度增強(qiáng)了土體的抗剪強(qiáng)度。其中根徑2、4、5 mm根土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度差異不顯著，5、6 mm差異亦不顯著。

表 2 2種灌木根徑與根土復(fù)合體的關(guān)系Table 2 Relationship between 2 shrub root diameters and root-soil complex

對(duì)于雙莢決明，根土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度與根徑的關(guān)系與多花木藍(lán)相似，但不盡相同，根徑1、4、5 mm根土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度差異不顯著，根徑3、4 mm時(shí)，根土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度差異亦不顯著。根徑為2 mm時(shí)，雙莢決明根土復(fù)合體具有最大抗剪強(qiáng)度35.32 kPa。雙莢決明根徑1、2 mm對(duì)根土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度的增加值大于多花木藍(lán)，隨根徑的繼續(xù)增加，增強(qiáng)作用不如多花木藍(lán)；雙莢決明根徑為2 mm與根徑6 mm時(shí)，根土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度均較大，且差異顯著（P＜0.05）。

綜上，隨著根徑的增加，根土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度總體為先增加后降低再增加的趨勢，多花木藍(lán)根徑3 mm時(shí)效果最優(yōu)，而雙莢決明則為2 mm時(shí)。就根系的最大增強(qiáng)作用看，根徑大小對(duì)多花木藍(lán)和雙莢決明根土復(fù)合體剪抗強(qiáng)度變化影響差異顯著，進(jìn)一步表明根系的存在在一定程度上增強(qiáng)了土體抵抗剪切的能力。

3.2 法向壓力對(duì)根土復(fù)合體抗剪特性的影響

法向壓力的大小是復(fù)合體密實(shí)度大小的表征。以含水率14.3%，分析法向壓力對(duì)根土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度的影響，見圖1（多花木藍(lán)根徑3 mm，雙莢決明根徑2 mm）。由圖1可知，2種植物根土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度隨法向壓力的增加而顯著增大，呈顯著正相關(guān)關(guān)系（r=0.97，P＜0.05），且2種植物根土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度在不同法向壓力下差異性顯著（P＜0.05）。其次，對(duì)于雙莢決明，抗剪強(qiáng)度整體小于多花木藍(lán)，但在150 kPa時(shí)，略高于多花木藍(lán)。法向壓力以改變復(fù)合體的密實(shí)性來增加土體的抗剪強(qiáng)度，無論是多花木藍(lán)還是雙莢決明，法向壓力的變化對(duì)根土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度存在較大影響，且差異顯著。結(jié)合表2分析可知，就根土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度的增加大小而言，法向壓力的改變對(duì)根土復(fù)合抗剪強(qiáng)度的增強(qiáng)作用明顯大于根徑。

圖 1 法向壓力對(duì)抗剪強(qiáng)度的影響Fig. 1 Effects of normal stress on the shear strength

3.3 含水率對(duì)根土復(fù)合體抗剪特性的影響

含水率是影響根土復(fù)合體的一個(gè)重要因素。石漠化區(qū)土層淺薄，石灰土粘性不高，因此選取法向壓力相對(duì)較小（50 kPa），多花木藍(lán)根徑為3 mm，雙莢決明根徑2 mm的組合來分析含水率對(duì)根土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度的影響。由圖2可知，無論是根土復(fù)合體還是素土，抗剪強(qiáng)度均隨含水率的增加呈先增加后減小的趨勢。當(dāng)含水率為23.1%時(shí)，根土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度小于素土，含水率10.8%和18.2%時(shí)，根土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度差異不大；含水率為14.3%，根土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度相對(duì)最大，由此可知含水率為14.3%左右可能是最佳含水率。

此外，含水率為23.1%時(shí)，多花木藍(lán)和雙莢決明根土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度均小于素土。此含水率下，多花木藍(lán)根土復(fù)合體的抗剪強(qiáng)度為24.3 kPa，雙莢決明根土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度為23.17 kPa，素土抗剪強(qiáng)度25.10 kPa，有根存在的復(fù)合體抗剪強(qiáng)度卻小于素土。由此表明，對(duì)于粘性不高的石漠化區(qū)石灰土-根復(fù)合體，含水率過大，根系的存在會(huì)在一定程度降低根土復(fù)合體的抗剪強(qiáng)度。

圖 2 土壤含水率對(duì)土樣抗剪強(qiáng)度的影響Fig. 2 Effects of soil moisture contents on shear strength of soil-root composites

4 結(jié)論與討論

根徑的大小在一定程度上影響根系強(qiáng)度的空間分布[21]，測定其抗剪強(qiáng)度是定量評(píng)價(jià)植被穩(wěn)定邊坡的重要依據(jù)。根土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度隨根徑的增加總體上呈先增加后降低再增加趨勢，由于根徑的不同，增值不完全一致。對(duì)于雙莢決明根徑2 mm和6 mm時(shí)根土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度差值不大。原因在于：一是細(xì)根與土體膠結(jié)較好，在根徑2 mm左右時(shí)最佳；二是隨著根徑的增加，根系變粗，根系在土體中易松動(dòng)，根土膠結(jié)降低，但隨著根徑達(dá)到一定的程度，根系自身發(fā)揮了抵抗剪切破壞的作用，從而增加了根土復(fù)合體的抗剪強(qiáng)度；三是在土層淺薄的石漠化區(qū)，多花木藍(lán)最大抗剪強(qiáng)度僅為36.13 kPa，雙莢決明為35.32 kPa。這與Islam等[22]的研究結(jié)論——根對(duì)無粘性的土體難以發(fā)揮作用相符?？辜魪?qiáng)度隨根徑增加總體呈先增加后減小的趨勢，多花木藍(lán)復(fù)合體最大抗剪強(qiáng)度出現(xiàn)在根徑為3 mm，雙莢決明則在2 mm。主要原因是：1）粗根在密實(shí)性較差且粘性不高的土體中不易與土體形成一個(gè)整體而滑動(dòng)，在剪切破壞發(fā)生時(shí)，根系易滑動(dòng)導(dǎo)致未完全發(fā)揮其自身抵抗破壞的作用。2）根系材料具有多項(xiàng)非均勻及各向異性等復(fù)雜的生命特征，導(dǎo)致植物不同，最佳根徑范圍有所差異。

法向壓力的大小體現(xiàn)了復(fù)合體密實(shí)性的優(yōu)劣，土體密實(shí)性越好，抗剪強(qiáng)度也越大，這與廖晶晶等[23]、Fan等[24]的研究一致，同時(shí)也說明土體密實(shí)度越大，根系加筋效果越顯著。法向壓力對(duì)根土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度的增強(qiáng)作用顯著大于根徑。對(duì)于法向壓力150 kPa時(shí)，雙莢決明根土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度高于多花木藍(lán)，可能是在150 kPa時(shí)，土體密實(shí)性較好的前提下，雙莢決明根徑2 mm的根皮凹凸度相對(duì)較大，增加了根土接觸面積，進(jìn)而增加土體的抗剪強(qiáng)度。且由于法向壓力的增加，使土體密實(shí)性增大，根-土及土-土間膠結(jié)更為致密，在剪切破壞發(fā)生時(shí)，更能抵抗剪切破壞作用。

土壤含水量的增加，對(duì)根系性質(zhì)的影響較小，主要改變土壤膠結(jié)性[24]。但根系具有很強(qiáng)的可塑性，易受土壤性質(zhì)的改變而變化[25]。本試驗(yàn)中，抗剪強(qiáng)度隨含水率的增加呈先增加后減小的趨勢，這與格日樂等[9]和陳紅星等[26]的研究結(jié)果大體一致。土壤含水率達(dá)到23.1%時(shí)，素土抗剪強(qiáng)度略高于根土復(fù)合體的抗剪強(qiáng)度。原因在于根系的存在縱橫穿插，一方面能增大抗剪強(qiáng)度，但另一方面，根系的生長使得土壤滲透性增加，土壤性質(zhì)的改變使得水分的滲入從而破壞了土壤團(tuán)聚體，減小土體間的摩阻力[3]。其次，土壤含水率過大，使根系與土體接觸面存在大量水分，形成一層類似水膜的物質(zhì)，從而降低了根土間的膠結(jié)，進(jìn)一步減小了根土間的摩擦力。土壤性質(zhì)的改變使得根系難以發(fā)揮其作用，反而影響了根土間的膠結(jié)而減小復(fù)合體抗剪強(qiáng)度，因此在無法控制極端天氣的情況下，樹種根徑的控制是關(guān)鍵，其次是樹種的選擇。

石漠化區(qū)土少石多，對(duì)邊坡的修復(fù)與綠化，植物措施是關(guān)鍵。其中以根徑2～3 mm（數(shù)量或根長）占優(yōu)勢的適應(yīng)性強(qiáng)的灌木樹種，對(duì)于土壤的固持，減少淺層滑坡、水土流失等自然災(zāi)害的發(fā)生具有積極作用。研究采用室內(nèi)重塑根土復(fù)合體進(jìn)行定量探討影響根土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度的因素，從而忽略了野外實(shí)際土-土和根-土及土壤動(dòng)植物間的聯(lián)系，與實(shí)際情況存在一定的差異。但該試驗(yàn)?zāi)康男詮?qiáng)，為針對(duì)性探討影響根土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度因素提供了可行的方案。