火燒跡地土壤根系特征及其對抗剪強度的影響

胡卸文，侯羿騰，王 嚴，楊 瀛

(1.西南交通大學地球科學與環(huán)境工程學院，四川 成都 610031；2.西南交通大學高速鐵路運營安全空間信息技術國家地方聯(lián)合工程實驗室，四川 成都 610031)

大量的森林火災區(qū)顯示，林火會改變土壤結構和植被根系特征，且在火燒跡地部位易形成淺表層滑坡，為火后泥石流提供大量的起動物源[1-3]。查明林火對植被根系影響程度及火燒前后根-土復合體抗剪強度變化特征，對揭示火燒跡地泥石流物源起動機理具有重要意義。

國外學者對火燒跡地植物根系及其復合土體強度曾做過研究，Wondzell等[1]表明太平洋西北部的火后泥石流物源起動以淺表層滑坡為主，主要由于土體飽水和植物根須腐爛造成的土體抗剪強度下降而觸發(fā)。Parise等[2]統(tǒng)計指出，有12%火后泥石流是由淺層滑坡所觸發(fā)，滑坡厚度可能為幾十厘米～6 m，淺層滑坡可能發(fā)生在火災后的第一個雨季，也有可能是火災后1～2年、10年甚至30年。國內對火燒跡地土壤物理力學性質研究尚處空白，但在非火燒區(qū)常規(guī)土體根系固土方面開展了大量的研究，楊亞川等[4]認為草本植物的根系對土壤產(chǎn)生了明顯的“加筋作用”，提出了“根-土復合體”的觀點，并指出根系錨固并凝聚于土壤之內，使土壤整體強度增大。封金財?shù)萚5-6]通過研究證實了根-土復合體的應力-應變與抗剪強度的關系也滿足庫倫定律，根-土復合體的抗剪強度會隨著土體中根系含量的增加而增大。胡夏嵩等[7-9]通過拉拔試驗和室內直剪試驗，證實了草本根系能顯著增強邊坡淺層土體穩(wěn)定性。X.S.Hu等[10]通過直接剪切試驗和三軸壓縮試驗，得出了根-土復合體中根系提供了附加黏聚力c的結論。但是針對火燒跡地土壤，由于山火對植被根系的燒焙作用，往往致使表部根系燒焦而后腐爛，將會對所在部位土體物理力學性質產(chǎn)生劣化作用。

本文結合四川省甘孜州鄉(xiāng)城縣正斗鄉(xiāng)仁額擁溝流域火燒區(qū)與非火燒區(qū)土壤植物根系及根-土復合體抗剪強度對比試驗研究，以揭示火燒跡地淺表層土壤的力學劣化機制。

1 研究區(qū)概況

試驗研究區(qū)位于四川省甘孜州鄉(xiāng)城縣正斗鄉(xiāng)仁額擁溝泥石流溝域，海拔高度3 270～3 670 m。溝域內出露地層主要有三迭系上統(tǒng)圖姆溝組(T3t)、拉納山組下段(T3l1)、曲噶寺組上段(T3q3)，區(qū)域地貌為侵蝕高山峽谷地貌。仁額擁溝流域面積24.28 km2，主溝長8.35 km，溝道平均縱比降為145.9‰，流域內植被覆蓋度高達86%，流域植被類型為喬木、灌木和草本植物混生，以草本植物為主。2014年6月1日，由于當?shù)毓ぷ魅藛T用火處理不當，造成森林大火，過火面積達6.9 km2，火燒跡地表層坡殘積覆蓋層為砂壤質土，厚度10～20 cm，火后當年及后續(xù)三年里火燒跡地物源因起動補給，持續(xù)暴發(fā)火后泥石流，對溝口正斗鄉(xiāng)政府造成嚴重危害。

2 取樣與試驗

2.1 試樣采集

為保證試驗效果，分別在嚴重火燒區(qū)和未火燒區(qū)選取試驗樣本，取樣部位的地形坡度、土壤性質和植被類型均相似(圖1)。每個取樣部位隨機選取相鄰2個區(qū)域(約5 m×5 m)，分別開展根系特征統(tǒng)計和根-土復合體取樣工作，以下簡稱1號區(qū)域和2號區(qū)域。在1號區(qū)域隨機選取4個采集點，使用自制正方形取樣器(長、寬、高均為10 cm，頂面封頂，并在四個角做加厚處理，底面未封，并做銳化處理)取樣，在取樣前用小刀和刷子清理坡表少量枯枝落葉和小碎石，方便下環(huán)。將環(huán)刀刃口向下，用靜力緩緩施壓環(huán)刀，待刃口完全嵌入土體后，用地質錘依次錘擊環(huán)刀頂面四個角，直至環(huán)刀完全嵌入土體，隨后用鏟子將環(huán)刀與其周邊土一起鏟出，并用削土刀削去環(huán)刀周邊多余土體，用保鮮袋包裹密封，帶回實驗室做進一步處理，取樣部位根系分布如圖2所示。在2號區(qū)域隨機選取4個采集點，使用標準環(huán)刀(內徑61.8 mm、高20 mm)在土壤表層、土壤下5 cm和土壤下10 cm取樣，每1層各取4個土樣，其余步驟同1號區(qū)域類似。

2.2 試驗方法

2.2.1火燒跡地土壤根系特征

反映土壤根系特征的表征參數(shù)包含根系數(shù)量、根系直徑、根重、根長，以及通過后續(xù)計算出的土壤根質量(重)密度和根長密度。土壤根質量(重)密度和根長密度是表示土壤中根系數(shù)量多少的重要指標，與土壤根系復合體抗剪強度密切相關[11]。土壤根質量(重)密度和根長密度分別用以式計算[12]：

ρ根質量=m/v

ρ根長=l/v

式中：ρ根質量——根質量(重)密度/(mg·cm-3)；

ρ根長——根長密度/(mm·cm-3)；

m——土樣中根系總干質量/mg；

l——土樣內總根長/mm；

v——土樣體積/cm3。

根系直徑、根重、根長分別用螺旋測微器、電子秤和鋼尺測定。

圖1 未火燒區(qū)(a)和嚴重火燒區(qū)(b)取樣部位Fig.1 The sampling area of the (a) unburned area and (b) burned area

圖2 未火燒區(qū)(a)和嚴重火燒區(qū)(b)根系特征Fig.2 Root system characteristics in the (a) unburned area and (b) burned area

2.2.2土壤根系單根抗拉強度試驗

單根抗拉力是表征植物根系對土壤“加筋”作用效果的重要參數(shù)[13-14]。根系抗拉強度是反映根系材料力學性能的重要參數(shù)，是評價根系固土護坡能力的一個重要力學指標[15]。測量土壤根系單根抗拉力采用的儀器為NK指針式推拉力計(量程50 N，精度0.01 N)，并配合相應的臥式手搖機架和夾具使用(圖3、圖4)。根據(jù)拉力試驗規(guī)程，試驗所選取的根系長度應為5～10倍根系直徑，因此實驗所選取長度為2～10 cm根段作為具體受力對象。將符合條件的根系放置在工作臺上，并利用夾具固定根系，緩慢勻速地拉伸根系直至根系拉斷，記錄根系被拉斷時的最大抗拉力和拉斷處的根徑。為保證抗拉試驗數(shù)據(jù)的可靠度，剔除根系斷裂處明顯靠近夾具邊緣的根系樣本(圖5)。根系的抗拉強度可用下式進行計算[15-16]：

圖3 單根抗拉試驗裝置Fig.3 Plant root tensile test device

圖4 單根抗拉試驗測試示意圖Fig.4 Schematic diagram of the root tensile test

圖5 火燒區(qū)(a)與未火燒區(qū)(b)植物根系對比Fig.5 Contrast of root system between theunburned and burned areas

P=4F/πD2

(3)

式中：P——根系抗拉強度/MPa；

F——最大抗拉力/N；

D——根系拉斷處的根系直徑(測量3次取平均值)/mm。

2.2.3土壤-根系復合體抗剪強度試驗

測定火燒跡地土壤-根系復合體抗剪強度按常規(guī)直剪試驗方法進行[17-18]。

3 試驗結果及分析

3.1 土壤根系特征

火燒跡地與非火燒區(qū)所取土樣測量的根系特征參數(shù)(根系數(shù)量、根系直徑、根質量密度、根長密度)見表1、表2。通過對比分析，可見林火對根系特征影響極為顯著，具體表現(xiàn)在火燒后土壤中的根系特征參數(shù)相較于火燒前土壤均有不同程度的減小，火燒后土壤每1 000 cm3所含根系平均數(shù)量為229根，與火燒前土壤相比減少了約23.15%，其原因是林火燒毀了地表植被，導致土壤中出現(xiàn)部分“死根”，同時部分“死根”被土壤中的微生物侵蝕，導致根系腐爛，數(shù)量減少。火燒前土壤的平均根系直徑為0.74 mm，而火燒后土壤的平均根系直徑為0.36 mm，前者是后者的2.05倍，這是林火使得部分根系在高溫作用下失水收縮所致。對比兩地的根質量密度和根長密度，表明火燒后土壤根質量密度比火燒前土壤的小62.98%，火燒后土壤根長密度比火燒前土壤的小29.10%，根質量密度相較于根長密度下降幅度大的原因是由于根系的腐爛以及新生根系生長年限短，根系直徑較小造成。

表1 嚴重火燒區(qū)土壤根系特征

表2 未火燒區(qū)土壤根系特征

3.2 植物根系單根抗拉力與抗拉強度

本次抗拉試驗共成功測試了30條未火燒區(qū)根樣和30條火燒區(qū)根樣，以對比火燒區(qū)和未火燒區(qū)的根系抗拉特征(圖6)。根系抗拉強度根據(jù)實測單根抗拉力通過公式(3)計算所得，試驗數(shù)據(jù)見表3。

圖6表明，兩地根樣的單根抗拉力都隨著根系直徑的增加而增大，而根系抗拉強度則隨著根系直徑的增加而減小，這與已有的研究結論基本一致[15-16,19]。但是在同等根徑條件下，火燒區(qū)的根系抗拉強度和單根抗拉力均小于未火燒區(qū)，這是因為林火對土壤中根系的烘烤而致使根系失水收縮，同時新生長的根系生長年限較短，從而導致火燒后土壤單根抗拉力和抗拉強度明顯降低。

圖6 研究區(qū)根系抗拉強度、單根抗拉力與直徑關系Fig.6 Relationship between the roots’ ultimate tensile strength and the largest root anti-rally with diameter in the study area

表3 未火燒區(qū)與火燒區(qū)植物根系抗拉力及抗拉強度

表3數(shù)據(jù)顯示火燒區(qū)根系平均直徑相較于未火燒區(qū)幾乎減小了一半，根系直徑減小造成測得的平均單根抗拉強度較未火燒區(qū)高，但是根系直徑過小反而造成單根抗拉力均值減小，樣本數(shù)據(jù)顯示火燒區(qū)土壤根系平均單根抗拉力僅為未火燒土壤根系的38%左右。

3.3 土壤抗剪強度

圖7顯示，由于林火過后土壤中根系特征的變化，導致在0 cm，5 cm，10 cm三種土壤深度條件下，火燒區(qū)根-土復合體的抗剪強度均小于未火燒區(qū)。與未火燒區(qū)相比，火燒區(qū)0，5，10 cm處根-土復合體抗剪強度分別減小了約27%，25%和16%。可以看出越接近土壤表層，林火對土壤的抗剪強度影響越大，這與越往表層，土壤根系受燒焙影響程度越高有關，同時也說明火燒區(qū)土壤根系特征變化對其抗剪強度的影響是顯著的。

進一步的對比研究發(fā)現(xiàn)，火燒區(qū)和未火燒區(qū)的根-土復合體黏聚力均隨著土壤深度的增加而增大，但在不同土壤深度處(0 cm，5 cm，10 cm)，火燒區(qū)根-土復合體的黏聚力相比于未火燒區(qū)分別減小了41%，33%，47%，而兩者的內摩擦角相差不大，在0.5°～2.0°之間(圖8)。

圖7 0 cm，5 cm和10 cm土壤法向應力-抗剪強度關系Fig.7 Relationship between normal stress and shear strength of 0, 5, 10 cm

圖8 火燒區(qū)和未火燒區(qū)土壤黏聚力和內摩擦角對比Fig.8 Comparison of soil cohesion and internal friction angle between the burned and unburned areas

以上結果表明，相較于未火燒區(qū)，火燒區(qū)根系特征的改變對根-土復合體抗剪強度的影響，主要體現(xiàn)在黏聚力減小，而對內摩擦角的影響相對較小。

4 結論

(1)一次森林大火后，嚴重火燒區(qū)淺表層土壤內植物根系的數(shù)量、根徑、根質量密度和根長密度相較于未火燒區(qū)均表現(xiàn)出顯著減小的特點，其中根數(shù)與火燒前土壤相比減少了約23.15%，土壤根質量密度比火燒前小62.98%，土壤根長密度比火燒前小29.10%。

(2)火燒前后土壤根系單根抗拉力均隨著根系直徑的增加而增大，但火燒后土壤根系的平均抗拉力僅為火燒前土壤的38%，在根徑相同的條件下，火燒后土壤根系的抗拉力僅為火燒前的90%。

(3)火燒前后土壤單根抗拉強度均隨著根系直徑的增加而減小，在根徑相同的條件下，火燒區(qū)根系的抗拉強度為未火燒區(qū)根系抗拉強度的60%。

(4)在0 cm，5 cm和10 cm不同土壤深度處，火燒區(qū)根-土復合體抗剪強度均小于未火燒區(qū)，分別減少了27%，25%和16%。具體表現(xiàn)為林火后土壤的黏聚力出現(xiàn)明顯下降，而內摩擦角影響較小。三種土壤深度條件下，火燒區(qū)根-土復合體的黏聚力相比于未火燒區(qū)分別減小了41%，33%，47%，而內摩擦角相差不大，在0.5°～2.0°之間。