棄渣場邊坡草本植物根系力學及土壤抗沖性特征

鄭江坤， 張 鴿， 曾倩婷，朱 琳

(四川農(nóng)業(yè)大學林學院，長江上游林業(yè)生態(tài)工程四川省重點實驗室，長江上游森林資源保育與生態(tài)安全國家林業(yè)和草原局重點實驗室，611130，成都)

疊溪棄渣場位于茂縣北部，因鐵路修建開挖回填土方作業(yè)形成棄渣場邊坡，渣場土體疏松，養(yǎng)分匱乏，在降雨條件下極易形成淺層滑坡、崩塌泥石流等嚴重地質(zhì)災害[1]。植被措施被廣泛用于加固渣場邊坡、防治水土流失、控制淺層滑坡[2-4]。這是因為植物根系與土壤形成復合介質(zhì)能提高土體抗剪強度[5-7]，顯著降低集中徑流過程中的土壤侵蝕率[8]，對土壤加固、穩(wěn)定易滑斜坡起到重要作用[9]。

根系的生物力學特征[10]、根土復合體的抗沖性[11]和滲透性[12]等是影響植物固土護坡的重要因素。鄧珊珊等[13]和周萍等[14]分析下荊江蘆葦(Phragmitesaustralis)和三峽庫區(qū)草木植物根系力學性質(zhì)，認為根- 土復合體的黏聚力隨根系增多而增加。Wang等[7]發(fā)現(xiàn)刺槐(Robiniapseudoacacia)通過靜態(tài)和動態(tài)應力為邊坡穩(wěn)定提供附加黏聚力。目前國內(nèi)根系固土研究地域上主要集中在黃土高原[15-17]和三峽庫區(qū)[14,18]，并集中在道路邊坡和河湖水庫邊坡，但石質(zhì)渣場邊坡植物根系固土的研究較少。筆者選取川西茂縣疊溪鎮(zhèn)棄渣場邊坡人工種植的黑麥草(Loliumperenne)和牛筋草(Eleusineindica)及自然恢復的蘆葦、蒲公英(Taraxacummongolicum)和藜(Chenopodiumalbum)，通過比較5種草本植物生物力學以及土壤抗沖性特征，探討草本植物固土護坡能力，為川西棄渣場堆置邊坡篩選出適宜的固土護坡植物提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)地處四川省阿壩藏族羌族自治州茂縣(E 103°41′7″～103°41′13″，N 32°1′45″～32°1′51″)，屬高山峽谷地貌，平均海拔2 300 m，年均氣溫11.0 ℃，極端最低氣溫-11.6 ℃，極端最高氣溫32.2 ℃，無霜期215.4 d，年均日照時間1 549.4 h，年降水量486.3 mm[19]。土壤以暗棕壤、褐土、棕壤為主，植被以灌叢、草甸為主，草本植物以狼尾草(Pennisetumalopecuroides)、野菊(Dendranthemaindicum)、蒲公英等為主。

2 材料與方法

2.1 樣地布設與樣品采集

2019年4月，對疊溪渣場邊坡(坡度為45°)進行工程防護，采用“人”型框格混凝土護坡措施，單元框格長寬為2.5 m×2.0 m，厚度為0.5 m，框格內(nèi)填充質(zhì)地均一的土壤，厚度約45 cm，填土前攤鋪時，輕輕用鐵鍬均勻平整的鋪在坡面，并按800 kg/畝(1 hm2=15畝)均勻施撒羊糞，土壤本底值見表1。2019年5月，將準備的黑麥草和牛筋草種子預先浸泡48 h，穴播于規(guī)定區(qū)域內(nèi)，播完覆蓋2 cm土壤，蒲公英、蘆葦、藜由風等媒介傳播并自然生長在新建渣場邊坡。黑麥草根系發(fā)達致密，抗拉拔能力強；牛筋草是優(yōu)良的水土保持植物；藜對環(huán)境適應性強，對土壤要求不嚴格；蘆葦、蒲公英生命力頑強，適應于環(huán)境惡劣地區(qū)，有較強固土能力(圖1)。2019年9月進行采樣。采用制原狀土取樣器和普通環(huán)刀各取3個重復，直剪儀環(huán)刀取4個重復，取樣過程中先剪去植物地上部分，再垂直取樣。每種草本各取40個根系用于根系抗拉實驗，按照根系生長方向采用完全挖掘法采集根系，用游標卡尺(精度0.01 mm)測定根系的3個等分點處直徑，取其平均值作為該段的直徑。

表1 不同草本樣地土壤理化性質(zhì)情況

圖1 5種草本植物對比圖Fig.1 Comparison of five herbs

2.2 指標測定及計算

土壤密度、最大持水量等采用環(huán)刀法進行測定[20]；土壤有機質(zhì)、土壤全氮等化學性質(zhì)采用國標測定；抗拉力測定采用自購的電子式萬能試驗機(FBS- 1000N)，準確度等級為Ⅰ級，規(guī)格1 000 N，拉拔速率為10 mm/min，此次試驗只考慮根系直徑變化與抗拉力和抗拉強度的關(guān)系，故采用相同標距固定根系?？估瓘姸扔嬎愎饺缦拢?/p>

σe=4Pmax/(πd2)。

(1)

式中：σe為抗拉強度,MPa或N/mm2；Pmax為根系的最大抗拉力，N；d為斷裂處2端根系直徑的平均值，mm。

抗剪強度為環(huán)刀樣品分別在50、100、150和200 kPa荷載、量力環(huán)率定系數(shù)1.695 kPa和0.01 mm 的條件下，采用ZJ型應變控制式直剪儀進行測定[9]。土壤抗沖性采用自制抗沖性裝置，設計沖刷試驗坡度為15°，流量為1.5 L/min，沖刷歷時為34 min。前10 min每2 min取1次樣，取5次，隨后12 min每3 min取樣1次，取4次，最后12 min 每4 min取樣1次，取3次，共取12次泥沙樣。沖刷結(jié)束后，將泥沙樣靜置5 h，澄清后，倒去上層清液，將泥水樣倒入鋁盒內(nèi)，置于烘箱中烘干(105 ℃，12 h)，再稱其泥沙質(zhì)量(g)，烘干泥沙質(zhì)量與渾水的比值為含沙量(g/L)。在一定流量下，采用沖走1 g土壤所需的時間t表示土壤抗沖性指數(shù)Na[21]，ΔNa為土壤抗沖性強化值，min/g，即為有根土壤抗沖性指數(shù)和無根土壤抗沖性指數(shù)之差。計算公式為：

Na=t/Sd。

(2)

式中：Na為土壤抗沖性指數(shù)，min/g；t為沖刷歷時，min；Sd為沖失干土質(zhì)量，g。

采用Origin 2018軟件進行圖表制作，用SPSS 20.0軟件進行方差及相關(guān)性分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 抗拉力、抗拉強度及其與直徑的關(guān)系

由圖2可知，蒲公英、蘆葦、黑麥草、牛筋草、藜的抗拉力范圍分別為9.63～13.6、6.50～9.32、3.15～5.41、2.01～4.6和9.89～14.26 N。蒲公英、蘆葦、黑麥草、牛筋草、藜這5種草本植物的單根最大抗拉力隨著直徑的增大而增大，單根最大抗拉力與直徑均呈現(xiàn)出冪函數(shù)正相關(guān)的關(guān)系。藜平均抗拉力在5種草本植物中最大，是蒲公英、蘆葦、黑麥草、牛筋草的1.08、1.56、3.70和2.85倍，說明藜作為鄉(xiāng)土草種在抗拉力上明顯優(yōu)于其余幾種草本植物。5種草本植物單根平均抗拉強度為：黑麥草(62.6 MPa)>牛筋草(43.8 MPa)>蘆葦(43.7 MPa)>蒲公英(32.2 MPa)>藜(27.2 MPa)。抗拉強度與抗拉力的變化規(guī)律有較大不同，這是由于各草本植物根徑不同而影響的。通過分別對5種草本植物直徑與抗拉強度關(guān)系進行函數(shù)擬合，5種草本植物的抗拉強度隨著直徑的增大而減小(圖3)。通過曲線擬合得出，不同草本植物直徑與抗拉力、抗拉強度之間呈冪函數(shù)關(guān)系。

圖2 5種草本植物單根最大抗拉力與直徑的關(guān)系Fig.2 Relationship between root diameter and maximum tensile resistance of a single root for 5 herbs

圖3 5種草本植物根系抗拉強度與直徑的關(guān)系Fig.3 Relationships between diameter and tensile strength for 5 herbs

3.2 抗剪性分析

5種草本植物均能夠顯著增強棄渣場淺層土體的抗剪強度。在50 kPa的垂直壓力下，牛筋草的抗剪強度最大為(69.80±8.92) kPa，其次黑麥草、藜、蒲公英、蘆葦、裸地。垂直壓力100 kPa下，黑麥草、牛筋草、藜、蒲公英和蘆葦抗剪強度值分別比裸地增加593.3%、531.6%、60.1%、60.9%和48.2%。垂直壓力150和200 KPa下，黑麥草的抗剪強度值最大，分別為牛筋草、蒲公英、蘆葦、藜的1.12、3.25、3.97、1.86和1.29倍、2.65倍、3.80倍、1.86倍。在100、150 和200 KPa荷載下黑麥草抗剪強度顯著高于其余4種草本植物(表2)。

表2 草地根- 土復合體抗剪強度指數(shù)比較

根—土復合體的抗剪強度主要由內(nèi)摩擦角φ和黏聚力c組成。與裸地相比，黑麥草、牛筋草、藜、蒲公英和蘆葦?shù)膬?nèi)摩擦角分別增加305%、119%、181%、105%和46%，黏聚力則分別增加1 326%、1 806%、323%、71%和50%。

3.3 土壤抗沖性及其影響因素

3.3.1 土壤抗沖性 沖刷過程中不同草本植物的含沙量呈現(xiàn)出不同的變化規(guī)律，在前12 min內(nèi)，不同草本植物根土復合體的徑流含沙量變化幅度較大，隨著時間的增加，逐漸趨于穩(wěn)固，5種草本植物沖刷過程中含沙量均呈先快后慢逐步下降的趨勢，其中裸地的含沙量均大于5種草本植物。各根- 土復合體34 min內(nèi)含沙量表現(xiàn)為：裸地最大，其次是蘆葦、蒲公英、藜、牛筋草、黑麥草。土壤的平均抗沖性指數(shù)隨著沖刷時間的增長整體上均呈現(xiàn)出上升的趨勢。各草本植物34 min土壤抗沖性指數(shù)均大于裸地(1.37±0.15) min/g，其中黑麥草(3.09±0.12) min/g與牛筋草(2.93±0.04) min/g抗沖性較大，藜(2.60±0.12) min/g優(yōu)于蒲公英(2.19±0.61) min/g和蘆葦(1.52±0.21) min/g(圖4)。

圖4 不同草本植物沖刷過程中含沙量及土壤抗沖性指數(shù)動態(tài)變化特征Fig.4 Dynamic change characteristics of sediment concentration and soil anti-scourability index on different herb lands during flushing

通過對34 min沖刷過程中不同草本植物根- 土復合體抗沖性分析，黑麥草、牛筋草、藜的含沙量差異性不顯著，均顯著小于裸地；蘆葦和裸地的抗沖性指數(shù)顯著小于牛筋草、蒲公英和藜；不同的草本植物根系分布對土壤的理化性質(zhì)、土壤結(jié)構(gòu)以及土壤的抗沖性產(chǎn)生一定的影響。不同植物根土復合體抗沖性指數(shù)Na(1.52～3.09 min/g)比相同土質(zhì)上的裸地Na(1.37 min/g)大。不同的草本植物的根系的強化值ΔNa在0.15～1.72 min/g之間，具體表現(xiàn)為：黑麥草>牛筋草>藜>蒲公英>蘆葦(表3)。

表3 不同草本植物土壤抗沖性特征

3.3.2 土壤抗沖性影響因素 由表4可知，土壤抗沖性指數(shù)與土壤非毛管孔隙度、土壤總孔隙度、土壤最大持水量、速效鉀呈極顯著正相關(guān)；與土壤密度呈極顯著負相關(guān)；與毛管孔隙度、總孔隙度、毛管持水量、pH、有機質(zhì)、全氮、堿解氮、全磷、全鉀無顯著相關(guān)性。

表4 土壤抗沖性指數(shù)與影響影響因素的相關(guān)性

4 討論

5種草本植物單根抗拉力均隨著直徑的增大而增大，抗拉強度隨著直徑的增大而減小，這與周萍等[14]、歐陽前超等[10]和Ettbed等[2]的結(jié)果一致。根系的抗拉力越強，則對抵抗邊坡破壞的能力越強[2]。Teerawattanasuk等[22]和Genet等[23]提到木質(zhì)素、纖維素等根系化學成分含量對根的抗拉力貢獻較大，且在不同的物種和生長期存在差異；鄧佳[24]也提出纖維素等根系化學成分含量隨著根徑的增大而增加。藜和蒲公英的單根抗拉力明顯大于黑麥草和牛筋草，這可能是由于藜和蒲公英是當?shù)剜l(xiāng)土草種，對當?shù)丨h(huán)境適應性較強，生長速度快、生命力極其旺盛，根徑較粗，因而纖維素、木質(zhì)素等含量較高，單根抗拉力較大，而牛筋草和黑麥草根徑較小、木質(zhì)素、纖維素等含量較少，因此單根抗拉力較小。宗全利等[25]測出的蘆葦根系直徑范圍在0.8～2.8 mm，其抗拉力介于8～102 N，鄧珊珊等[13]測出蘆葦根徑范圍在0.14～1.38 mm，抗拉力在3～48 N之間，而筆者測出蘆葦根莖范圍在0.40～0.62 mm，抗拉力介于6.50～9.32 N，和前2位學者實測值相似。

植物根系的抗剪強度是植物護坡力學一項重要指標，抗剪強度的強弱反映抵抗外力破壞的能力。在同一垂直應力下，不同根系的根- 土復合體的抗剪強度均大于裸地，這與劉亞斌等[15]、Leung等[26]的研究結(jié)果大致相同。就根錨固作用而言，Noorasyikin等[27]認為香根草根系比百慕達草表現(xiàn)出更高的強度，這說明抗剪強度受植物類型影響較為顯著。在本研究中，黑麥草、牛筋草無論是在哪一應力條件下抗剪強度都顯著大于蒲公英、蘆葦、藜，說明人工種植的草本植物較鄉(xiāng)土草本植物的保土效益更高，黑麥草、牛筋草根系密集、多須根，因而抵抗剪切破壞的能力強。Fan等[28]提出不同植物根構(gòu)型對抗剪強度增量不同，生長期和植物材料也是抗剪強度增量的影響因素。宗全利等[25]認為新疆塔里木河流域蘆葦根—土復合體的黏聚力增量約3.15～7.15 kPa，鄧珊珊等[13]得出下荊江河段蘆葦根—土復合體的黏聚力增量可達9.10 kPa，而筆者得出的蘆葦根系黏聚力增量僅1.54 kPa，這可能由于研究區(qū)植物生長年限較短，以及根系材料自身特性和土質(zhì)等所致。

與裸地相比，5種草本植物均能提高土壤的抗沖性，這與諶蕓等[18]、金曉等[16]、劉紅巖等[21]得出的結(jié)果大致相同。草本相較于喬木和灌木對土壤的積聚速度更快，隨著土壤水分條件和溫度條件逐步穩(wěn)定，土壤中細菌、真菌和小動物的活動也增強，進而土壤條件逐步改善，穩(wěn)定性增強，故抵抗水流侵蝕能力增強[21]。筆者研究中黑麥草的抗沖性最強，這可能是由于黑麥草須根較多且分布密集，根系纏繞固結(jié)土壤，根系活動增加有機質(zhì)積累，改良土壤，土壤的團聚能力和穩(wěn)定性不斷增強，進而土壤抗沖性較強。牛筋草和蒲公英稍差，藜和蘆葦最差。藜抗沖性較差原因可能是它屬于1年生單根植物，須根較少，固持能力較弱，而蘆葦是濕生植物，對渣場邊坡的適應性較差。根- 土復合體的土壤抗沖性與其抗剪特征表現(xiàn)出相同的規(guī)律，但與根系抗拉力的變化規(guī)律明顯不同[14,18]，這是由于筆者所選擇的5種草本植物根徑相差較大，草本植物根系抗拉力主要受根徑影響，而抗剪和抗沖性則主要受細根數(shù)量影響[21]。

影響土壤抗沖性的因素較多。李超等[29]提出土壤抗沖系數(shù)與土壤密度、根系生物量、土壤孔隙度均極顯著相關(guān)；劉紅巖等[21]認為抗沖性指數(shù)與有機質(zhì)含量、根表面積密度、根重密度顯著正相關(guān)；呂猛等[11]也認為土壤抗沖性指數(shù)與土壤孔隙度呈正相關(guān)。這是由于根系分泌物、微生物殘體等促進土壤有機質(zhì)的積累，有機質(zhì)改善土壤孔隙，間接增強土壤水分的排泄能力，降低土壤密度，因此土壤抗沖性指數(shù)與土壤密度呈負相關(guān)，而與孔隙度、持水量正相關(guān)。但本研究中土壤抗沖性指數(shù)與有機質(zhì)無顯著性關(guān)系，這可能由于植物生長時間短，土壤有機質(zhì)積累數(shù)量小所致。

5 結(jié)論

根系抗拉力隨著直徑的增加而增大，抗拉強度隨著直徑的增加而減??；黑麥草根—土復合體抗剪強度和抗沖性指數(shù)均最大，蘆葦最小。土壤非毛管孔隙度、土壤總孔隙度、土壤最大持水量、速效鉀與土壤抗沖性呈極顯著正相關(guān)，土壤密度則呈極顯著負相關(guān)。藜和黑麥草固土能力較優(yōu)，可在該區(qū)邊坡植被修復中推廣應用。