多花木藍(lán)和雙莢決明根-土界面摩擦特性

張喬艷，唐麗霞，冉 潔，譚瑋頤

(1.貴州大學(xué) 林學(xué)院，貴陽(yáng) 550025； 2.貴州省國(guó)有扎佐林場(chǎng)，貴陽(yáng) 550299)

1 研究背景

有關(guān)植物根系固土護(hù)坡的研究多集中在兩個(gè)方面，一是根系力學(xué)特性，二是根-土相互作用機(jī)制。對(duì)于根系力學(xué)特性的研究多集中在根徑、樹(shù)種[1]、化學(xué)組成[2-4]、根截面微觀特性[5-7]、根系含水率[8]、拉伸速率[9]等方面，測(cè)定根系的力學(xué)特性來(lái)評(píng)估根系固土效果[10]。但根-土間相互作用包括根-土復(fù)合體的抗剪特性、根系構(gòu)型的變化及其與土壤的相互作用[11]、根-土界面摩擦特性和根土面積比RAR的變化[12]等。當(dāng)土體發(fā)生變形時(shí)，根系的存在將有效提高抗剪強(qiáng)度[13]，這是根-土界面產(chǎn)生的摩擦力調(diào)動(dòng)根系的抗拉強(qiáng)度來(lái)增強(qiáng)根-土復(fù)合體強(qiáng)度的結(jié)果[14-15]，因此，研究根-土界面摩阻特性有助于揭示根系固土護(hù)坡機(jī)制[16]。

根-土間摩擦是由黏結(jié)型摩擦力、非黏結(jié)型摩擦力以及剪切型摩擦力綜合作用的結(jié)果[17-18]。黏結(jié)型摩擦力與土壤理化性質(zhì)關(guān)系較大，而剪切型摩擦在抵抗土體變形時(shí)能調(diào)動(dòng)根系抗拉強(qiáng)度來(lái)增強(qiáng)根-土復(fù)合體的抗剪強(qiáng)度。劉亞斌等[19]研究表明，灌木檸條錦雞兒的主根主要提供根-土間靜摩擦；而土壤含水率的增加會(huì)降低根-土界面的摩擦系數(shù)[20]。此外，根徑、埋置深度、加載速率均會(huì)對(duì)根-土摩擦特性產(chǎn)生影響[21-23]。為了揭示這一內(nèi)因，劉亞斌等[19，24]通過(guò)掃描電鏡從微觀的角度計(jì)算了根皮的粗糙度，闡釋了不同植物根系不同根徑摩擦性能產(chǎn)生差異的內(nèi)因在于根皮的凹槽和凸起數(shù)目及長(zhǎng)度比和寬度比的不同。邢會(huì)文等[25]研究亦表明，根系表皮凹凸度增大，會(huì)增加根系與土體的接觸面積，使得根-土間的摩擦力增大。田佳等[26]進(jìn)一步證實(shí)了根-土摩擦角的大小取決于根皮的凹凸度。

以上研究集中在：①以電子顯微鏡為基礎(chǔ)獲取根橫截面特征，基于ArcGIS軟件進(jìn)行勾繪，計(jì)算其根皮凹凸度；②以不同根徑、樹(shù)種、土壤粒徑及其含水率為影響因素研究根-土界面的摩阻特征。以上研究填補(bǔ)了根系固土護(hù)坡中根-土界面摩阻特性的空白，為后續(xù)研究提供了一定的理論指導(dǎo)，但依然存在以下不足：①對(duì)于根截面凹凸度的提取較為粗糙，電子顯微鏡無(wú)法精準(zhǔn)獲取根截面微觀形貌；②未將根-土界面摩阻進(jìn)行系統(tǒng)的研究，形成宏觀辨識(shí)→微觀定量→實(shí)驗(yàn)論證體系。鑒于此，本文以喀斯特地區(qū)常見(jiàn)固土護(hù)坡樹(shù)種多花木藍(lán)和雙莢決明根系為研究對(duì)象，通過(guò)根皮宏觀特征的描述、結(jié)合電鏡掃描對(duì)根截面凹凸度的定量，再通過(guò)直剪摩擦試驗(yàn)進(jìn)一步論證，以期解析根系的固土護(hù)坡力學(xué)機(jī)理。

2 研究方法

2.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)域位于貴州省貴陽(yáng)市花溪區(qū)，地理位置為26°27′11″N、106°39′3″E，海拔1 130 m，屬于亞熱帶濕潤(rùn)氣候。該區(qū)年均降雨量約1 200 mm，雨季集中在5—10月份；年均氣溫15.3 ℃，陰天多，日照少，年平均日照時(shí)數(shù)1 164.9 h，無(wú)霜期301 d，年均相對(duì)濕度為77%。該區(qū)域平均土層厚度約 6 cm，基巖裸露率約45%[4]。

2.2 根系樣品采集與制備

選取邊坡(坡度23°)撒種生長(zhǎng)4 a、地徑約2 cm、長(zhǎng)勢(shì)一致的多花木藍(lán)和雙莢決明。采用全挖法各挖掘10株，選取生長(zhǎng)正常、無(wú)病蟲(chóng)害的根系清洗干凈，汲取根表皮多余水分后立即開(kāi)展試驗(yàn)，當(dāng)日未完成試樣于4 ℃冰箱保鮮，并在7 d內(nèi)完成測(cè)試。

2.3 土壤樣品采集與制備

將挖掘根系產(chǎn)生的土壤，去除土壤表面雜質(zhì)(枯枝落葉等)裝袋并帶回實(shí)驗(yàn)室，風(fēng)干并研磨過(guò)2 mm 篩，裝袋密封保存。采用pH計(jì)測(cè)定土壤pH值為7.4，液限為56.3 %，塑限為30.49 %。

2.4 根皮微觀特征辨識(shí)

為直觀辨識(shí)多花木藍(lán)和雙莢決明根皮凹凸特征，將1～5 mm根徑的根剝皮后，于體視鏡下放大20倍至清晰，以獲取根皮凹凸表觀圖片，每個(gè)徑級(jí)取3次重復(fù)，選取具有代表性的圖片進(jìn)行分析。

2.5 根皮凹凸度的測(cè)定

參照邢會(huì)文[20]和夏振堯等[27]試驗(yàn)方法，將根系分為5級(jí)，即1(1±0.5 mm)、2(2±0.5 mm)、3(3±0.5 mm)、4(4±0.5 mm)、5(5±0.5 mm)。具體操作已另文發(fā)表[28]。采用S-3400 N電鏡進(jìn)行掃描，獲取根系橫截面SEM圖。采用ArcGIS軟件對(duì)其進(jìn)行勾繪，參照公式(1)計(jì)算根截面凹凸度。

(1)

2.6 根-土界面摩擦試驗(yàn)方法

2.6.1 不同含水率土壤的制備

根據(jù)野外測(cè)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，通過(guò)式(2)計(jì)算所需水的質(zhì)量，用噴霧裝置均勻噴灑混勻后蓋緊，靜置一晝夜備用。

(2)

式中：mw為制備試樣所需水的質(zhì)量(g)；m0為風(fēng)干土質(zhì)量(g)；w0為風(fēng)干土含水率(%)；w1為配制目標(biāo)含水率(%)。

2.6.2 根-土摩擦試驗(yàn)

參照試驗(yàn)儀器(ZJ型應(yīng)變式直剪儀(四聯(lián)剪))透水石尺寸(直徑×高)為61.8 mm×20 mm，試樣截面積為2 998 mm2，裁制大小相同的木塊，用于粘貼根皮。為了減小誤差，僅選取根徑3、4、5 mm進(jìn)行摩擦試驗(yàn)。本試驗(yàn)取56 g根皮倒于四聯(lián)剪的上盒，撫平土壤，蓋上直剪儀上盒。根皮處理及放置如圖1所示。

圖1 根-土界面摩擦試驗(yàn)Fig.1 Frictional test on root-soil interface

3 研究結(jié)果

3.1 多花木藍(lán)和雙莢決明根系根皮微觀特征

植物根系發(fā)揮固土護(hù)坡作用，不僅取決于根系的力學(xué)特性，還取決于根-土界面摩擦形成“鋼筋混凝土”的效果[29]。由表1可知，對(duì)于多花木藍(lán)，根徑1～2 mm時(shí)，根表皮較為光滑，隨根徑的增大，根表皮出現(xiàn)溝壑和凸起，根徑5 mm時(shí)根表皮凸起明顯。對(duì)于雙莢決明，根系根皮總體呈黑褐色，隨根徑的增大，顏色進(jìn)一步加深。根徑較小時(shí)，根表皮有較小的凹槽；隨根徑的增加，凹槽逐漸變大，根表皮呈現(xiàn)柵格型溝壑。值得注意的是，隨根徑的增大，多花木藍(lán)根表皮特征以溝壑型為主，且溝壑逐漸加寬變深。而雙莢決明根皮特征總體呈柵格狀，隨根徑的增大，柵格進(jìn)一步被放大。

表1 多花木藍(lán)和雙莢決明不同根徑下根表皮特征Table 1 Characteristics of root skin of Indigofera amblyantha and Cassia bicapsularis of varying diameter

3.2 多花木藍(lán)和雙莢決明根皮凹凸度

為定量分析根系表面粗糙程度，采用根系表面粗糙程度的評(píng)價(jià)指標(biāo)——凹凸度進(jìn)一步表征。

由表2可知，對(duì)于多花木藍(lán)，根皮凹凸度隨根徑的增加呈線性增加，相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.996 5。根徑1 mm 時(shí)，根皮凹凸度為0.26；根徑5 mm時(shí)，根皮凹凸度是根徑1 mm的1.85倍。

表2 多花木藍(lán)、雙莢決明根皮凹凸度特征Table 2 Roughness feature of root skin of Indigofera amblyantha and Cassia bicapsularis

對(duì)于雙莢決明，根徑1 mm時(shí)，根皮凹凸度僅為0.24，而根徑增大至5 mm時(shí)，凹凸度高達(dá)0.66，是1 mm 根徑的2.75倍；且凹凸度與根徑間呈指數(shù)函數(shù)增加(R2=0.926 1)。

綜上可知，在宏觀視角上，隨根徑的增大，根表皮凹槽和凸起增多，在一定程度上對(duì)根皮-土摩擦產(chǎn)生較大的影響。由表2可知，根皮特征呈縱向溝壑型(多花木藍(lán))時(shí)，根表皮與根系接觸較為緊密，起伏較小。而根皮呈柵格型(雙莢決明)時(shí)，根表皮出現(xiàn)較大凹槽，這是多花木藍(lán)根皮凹凸度小于雙莢決明的原因之一。值得注意的是，根徑3 mm時(shí)，多花木藍(lán)表皮凹凸度高達(dá)0.37，這與夏振堯等[27]研究多花木藍(lán)根系(根徑3 mm)的最大凹凸度(5.17 %)差異較大；且較之沙地柏最大凹凸度(20.9 %)、沙柳最大凹凸度(18.5 %)相差較大[20]。原因可能在于：①根截面表觀形貌獲取存在差異，本文通過(guò)日立SN-4300型掃描電子顯微鏡獲取根皮的凹凸特征，而上述研究基于電子顯微鏡獲取圖片進(jìn)行提取，而電子顯微鏡因其成像為二維而掃描電鏡成像為三維，使得電子顯微鏡下根皮更為微觀的凹凸特征未能完全獲取。②植物不同、生境不一致也是導(dǎo)致差異的原因，該研究區(qū)域?qū)儆诳λ固氐貐^(qū)，屬于土石混合堆積邊坡，這一生境使得根皮產(chǎn)生部分凸起，在一定程度增大了根皮凹凸度。

3.3 不同根徑下多花木藍(lán)和雙莢決明根-土摩擦性能

鑒于研究區(qū)屬于喀斯特石漠化區(qū)，區(qū)域內(nèi)土層淺薄，且石灰土黏性較小。為使研究結(jié)果更切合貴州邊坡修復(fù)與治理，結(jié)合野外測(cè)定結(jié)果(土壤平均含水率為14.3%)，選取法向壓力100 kPa和含水率14.3%，定量研究不同根徑(凹凸度)下根-土界面摩擦特性。

由圖2可知，多花木藍(lán)和雙莢決明摩擦強(qiáng)度均隨根徑增大而增加，其中雙莢決明根-土摩擦強(qiáng)度顯著大于多花木藍(lán)。這是因?yàn)楦ち鸭y呈柵格形時(shí)，其根表皮出現(xiàn)凹槽較大，凹凸度也較大，這更有利于與土壤的膠結(jié)，從而增加根-土摩擦強(qiáng)度。

圖2 多花木藍(lán)和雙莢決明根系根徑對(duì)根-土摩擦特性的影響Fig.2 Effect of root diameter on frictional characteristics of root-soil interface of Indigofera amblyantha and Cassia bicapsularis

綜上所述，根徑的增加，根皮微觀特征發(fā)生變化，根皮凹凸度增大，根-土界面摩擦強(qiáng)度增大，其實(shí)質(zhì)是根-土接觸面積的增加。這是因?yàn)楦?土界面摩擦強(qiáng)度的大小主要取決于：①根皮特征差異導(dǎo)致根-土膠結(jié)的差異；②根-土界面實(shí)質(zhì)接觸面積的大小。

4 結(jié) 論

(1)多花木藍(lán)根表皮形成溝壑型凸起，隨根徑的增大，溝壑逐漸加寬變深。而雙莢決明根表皮特征則呈柵格狀，隨根徑的增大，柵格逐漸變大。

(2)隨根徑的增加，根表皮凹凸度逐漸增大，根徑由1 mm增加到5 mm時(shí)，多花木藍(lán)根皮凹凸度從0.26增加到0.48，雙莢決明從0.24增加到0.66，從數(shù)值上看，雙莢決明根皮凹凸度大于多花木藍(lán)，表明柵格型根皮優(yōu)于溝壑型。

(3)根皮呈格柵形的雙莢決明摩擦強(qiáng)度優(yōu)于根皮呈溝壑型的多花木藍(lán)，即根表皮凹起和凹槽越明顯，凹凸度越大，進(jìn)一步根-土接觸面積越大，使得根-土摩擦強(qiáng)度越大。