外摻磷石膏改性植被混凝土護坡植生性能研究

摘要：為有效利用固體廢棄物資源，探究磷石膏對植被混凝土根系生長和固土護坡效果的影響，將不同含量磷石膏摻入到植被混凝土中，采用室內(nèi)試驗與室外試驗相結(jié)合的方法，測定植被混凝土物理力學特性、高羊茅根系生長特征以及植被混凝土根土復合體的抗剪強度。結(jié)果表明：① 與對照組相比，磷石膏含量為2%，4%，6%，8%，10%的組，基材容重降低了3.72%～11.66%，孔隙率提高了2.54%～11.79%，黏聚力提高了4.46%～28.76%，內(nèi)摩擦角降低了3.68%～11.91%。② 磷石膏含量對高羊茅根系生長具有顯著影響，隨著磷石膏含量的增加，高羊茅的根系表面積、根平均直徑、根總長以及根地下生物量呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，均在磷石膏含量為6%時達到最大值，根系表面積、根平均直徑、根總長以及根地下生物量分別提升了58.08%，17.19%，34.88%，23.53%。③ 隨著磷石膏含量的增加，植被混凝土根土復合體的抗剪強度呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢，也在磷石膏含量為6%時達到最大值；隨著土層深度的增加，植被混凝土抗剪強度呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢，表現(xiàn)為中層的抗剪強度最大。相關(guān)性分析和 PLS-PM 綜合分析表明，在磷石膏的直接作用和基材物理特性的間接作用下，植物植生特性各指標方差均大于0.7，總體植生情況能夠滿足邊坡生態(tài)修復的要求。

關(guān) 鍵 詞：植被混凝土；磷石膏；根系特征；物理力學性質(zhì)；植生性能；生態(tài)護坡

中圖法分類號：TV223；X171.4

文獻標志碼：ADOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.10.032

0 引 言

基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)不可避免地破壞了原有的地形地貌，形成了大量裸露邊坡^［1］。為解決工程擾動區(qū)裸露邊坡地質(zhì)災害頻發(fā)和生態(tài)環(huán)境破壞的問題，科研和工程技術(shù)人員進行了大量的研究和實踐，研發(fā)出液壓噴播護坡技術(shù)^［2］、客土噴播技術(shù)^［3］、厚層基材噴播技術(shù)^［4］、植被混凝土生態(tài)防護技術(shù)^［5］等。其中，植被混凝土生態(tài)防護技術(shù)以水泥作為膠結(jié)和骨架材料，因能在高陡邊坡上構(gòu)建穩(wěn)固的生境，能抵抗暴雨的沖刷，被廣泛應(yīng)用。

近年來，研究人員在固廢資源化利用方面對植被混凝土基材的配制進行了一些嘗試。譬如，通過添加粉煤灰、生物炭和磷石膏等外摻料來提升植被混凝土的相關(guān)性能。研究表明，適量磷石膏可以改善土壤性質(zhì)并促進植物的生長發(fā)育^［6］。李旭霖等研究發(fā)現(xiàn)，磷石膏對土壤物理特性有顯著影響，能夠明顯降低土壤容重，提高土壤通透性，更有利于植物的生長發(fā)育^［7］。水泥是植被混凝土的重要組成部分，水泥的加入導致基材氣密性下降，孔隙率減小，植物生長受限。而磷石膏中的硫酸根離子與水泥水化產(chǎn)物鋁酸鈣發(fā)生反應(yīng)，生成鈣礬石，能阻止水泥的水化反應(yīng)^［8］。已有研究表明，磷石膏的添加使植被混凝土容重、pH下降，對植物生長有一定促進作用^［9-10］。此外，磷石膏具備強大的靜電場和較大的比表面積，能夠?qū)⒅車耐寥李w粒聚集成團，從而促進土壤團聚體的形成，進而加固土壤并防止水土流失^［11-12］。植被混凝土的護坡功能不僅與基材的理化性質(zhì)相關(guān)，還與植被根系的生長密切相關(guān)，植被根系具有加固土壤的作用^［13］。根土復合體的抗剪強度是評估土體抵抗外力剪切形變能力的重要指標，提高根土復合體的抗剪強度對于防治水土流失和保持坡體穩(wěn)定性具有重要意義^［14-15］。夏振堯等研究發(fā)現(xiàn)，植物根系扎入土體后能增強植被混凝土抗剪強度^［16］。熊丹偉等研究表明，紫羊茅根系能增強植被混凝土基材的固土性能，增強土體的抗剪性能^［17］。

但目前，有關(guān)磷石膏摻入植被混凝土的研究主要側(cè)重于基材的物理性能和力學性能，而對于植物地下部的生長以及根土復合體的護坡性能方面的研究報道不多。為有效利用廢棄物資源，研究磷石膏對植被混凝土根系生長和固土護坡的效果，將不同量的磷石膏摻入植被混凝土基材中，通過測定高羊茅的根系生長指標、植被混凝土基材的物理性質(zhì)以及根土復合體的抗剪強度等參數(shù)，優(yōu)選出最佳的磷石膏摻量。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

主要材料包括種植土、水泥、生境基材有機質(zhì)物料、生境基材改良劑、高羊茅、磷石膏。種植土為宜昌地區(qū)常見黃棕壤，選用地表深度在1 m以內(nèi)的土壤，經(jīng)風干后過2 mm篩備用，種植土的基本理化性質(zhì)見表1。水泥為宜昌華新水泥有限公司生產(chǎn)的普通硅酸鹽水泥（P·O 42.5），用于增加基材的強度。生境基材有機物料采用夜明珠華鑫木材廠提供的鋸末，以增大土壤的孔隙率，并為植物生長提供營養(yǎng)。生境基材改良劑為湖北潤智生態(tài)科技有限公司提供的潤智生態(tài)劑，其作用是調(diào)節(jié)水泥水化產(chǎn)生的堿性環(huán)境。高羊茅種子購于江蘇省沫陽縣廟頭鎮(zhèn)種子經(jīng)營部。磷石膏由湖北省中孚化工集團有限公司提供，其堆積密度為1.62 g/cm³，pH為3.31。

1.2 試驗設(shè)計

植被混凝土基材配比參考NB/T 35082—2016《水電工程邊坡植被混凝土生態(tài)修復技術(shù)規(guī)范》所規(guī)定的比例，分別選取一定量的種植土、水泥、生境基材有機物料、生境基材改良劑，再加入不同量的磷石膏共同構(gòu)建植被混凝土基材。以不同含量的磷石膏設(shè)置了P1（0）、P2（2%）、P3（4%）、P4（6%）、P5（8%）、P6（10%）共計6組試驗組（表2）。其中，磷石膏含量為0的P1組為對照組，每個處理組設(shè)置3個重復，將植被混凝土攪拌均勻后裝入花盆（盆口直徑20 cm，高14 cm），基層裝入8 cm厚。然后用磷石膏配比一致而水泥與生境基材改良劑減半的植被混凝土基材作為植被混凝土面層（含種子）材料，厚度2 cm。室內(nèi)試驗中，各指標數(shù)據(jù)均設(shè)置3組重復，容重、孔隙率試驗試樣采用環(huán)刀制樣，環(huán)刀直徑為6.18 cm，高度4 cm；黏聚力、內(nèi)摩擦角試驗試樣也采用環(huán)刀制樣，環(huán)刀直徑為6.18 cm，高度2 cm。將制備的試樣用保鮮膜包裝，置于養(yǎng)護室（25±3）℃。利用WinRHIZO根系掃描儀測定植物根系表面積、根系平均直徑和總根長。利用環(huán)刀將根土復合體垂直切分成上層（0～3 cm）、中層（3～6 cm）和下層（6～9 cm），測定3層根土復合體的抗剪強度。試驗于2023年2月15日開始，90 d后對各單元進行取樣及指標測定。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

采用IBM SPSS Statics 26和Origin軟件進行數(shù)據(jù)分析。采用單因素方差分析（One-wayANOVA） 和Duncan多重比較，分析各處理水平間差異的顯著性。采用SmartPLS3軟件中的“PLS”程序包對基材物理、力學及植生特征進行偏最小二乘路徑回歸分析（PLS-PM）。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同磷石膏含量對植被混凝土物理性能的影響

由圖1可知，磷石膏摻入對植被混凝土基材容重、孔隙率產(chǎn)生顯著性（p<0.05）影響。隨著磷石膏含量增加植被混凝土容重逐漸降低，P2、P3、P4、P5與P6處理組均低于P1組（p<0.05），與對照組相比分別降低了3.72%，4.96%，8.19%，10.17%，11.66%。植被混凝土孔隙率隨磷石膏含量的增加呈上升趨勢，其中P6處理組植被混凝土孔隙率最高，為51.95%。施加磷石膏對植被混凝土基材容重、孔隙率產(chǎn)生一定變化，能夠改善土壤結(jié)構(gòu)及土壤物理性狀，促進土壤呼吸。

2.2 不同磷石膏含量對植被混凝土抗剪性能的影響

圖2為不同磷石膏含量下反映植被混凝土抗剪強度的兩個指標，即黏聚力和內(nèi)摩擦角的變化趨勢。隨著磷石膏含量的增加，植被混凝土黏聚力逐漸增大，P1、P2、P3、P4、P5與P6的黏聚力分別為46.3，48.36，52.02，55.81，57.36 kPa和59.61 kPa。磷石膏的摻入使植被混凝土內(nèi)摩擦角降低，各處理組與對照組相比差異均顯著（p<0.05），變化最大的是磷石膏含量為10%的組，降低了11.91%?？傮w上來說，隨著磷石膏的摻入，植被混凝土的抗剪強度得到提升。

2.3 不同磷石膏含量對高羊茅根系生長的影響

由圖3可知，不同磷石膏含量對高羊茅根系生長的影響顯著（p<0.05）。高羊茅根系表面積、根平均直徑、根總長及根地下生物量隨著磷石膏含量的增加呈先增后降的變化趨勢，當磷石膏含量為6%時，植被混凝土中的磷石膏含量達到臨界值，繼續(xù)添加磷石膏對高羊茅根系生長產(chǎn)生抑制作用。研究表明：當磷石膏含量為6%時，對促進高羊茅根系生長發(fā)育的效果最好，分別比對照組提高了58.08%，17.19%，34.88%，23.53%。磷石膏的加入對植被混凝土基材的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，植被生長隨著土壤環(huán)境的改變也發(fā)生一定的變化。

2.4 不同磷石膏含量對根土復合體抗剪強度的影響

圖4是在100 kPa荷載下，磷石膏含量對植被混凝土根土復合體抗剪強度的影響。隨著土層深度的增加，根土復合體的抗剪強度均表現(xiàn)為中層>下層>上層，當磷石膏含量為6%時，植被混凝土上層、中層和下層抗剪強度分別為165.26，193.11 kPa和184.81 kPa。隨著磷石膏含量的增加根土復合體的抗剪強度呈先增加后降低的趨勢，與對照組相比，各組均有顯著變化（p<0.05）。當磷石膏含量為6%時，植被混凝土根土復合體的抗剪強度達到最大值，繼續(xù)增加磷石膏含量會導致植被混凝土抗剪強度下降。過高的磷石膏含量改變了土壤環(huán)境，對植物根系的生長產(chǎn)生抑制作用，進而間接影響植被混凝土中根土復合體的抗剪強度。

2.5 植被混凝土基材物理力學性質(zhì)與根系特性的相關(guān)性分析

由相關(guān)性分析可知（圖5），植被混凝土基材容重與孔隙率、黏聚力、內(nèi)摩擦角、根土復合體（上層、中層、下層）、根系平均直徑存在極顯著相關(guān)（p<0.01），而與高羊茅根系長度和地下生物量相關(guān)性不顯著（p>0.05）。內(nèi)摩擦角與根土復合體、植物根系生長狀況（根系表面積、根系直徑、根系長度、地下生物量）相關(guān)性不顯著（p>0.05）。黏聚力與根土復合體（上層、中層、下層）存在極顯著相關(guān)（p<0.01），說明黏聚力對植被混凝土的抗剪性能產(chǎn)生影響，起到加固土壤的作用。高羊茅根系生長狀況（根系表面積、根系直徑、根系長度、地下生物量）與植被混凝土根土復合體存在極顯著相關(guān)（p<0.01），表明高羊茅根系的生長對植被混凝土的固土作用有顯著影響。

2.6 不同磷石膏含量對植被混凝土物理性能的影響

通過PLS-PM分析結(jié)果表明（圖6），磷石膏含量分別解釋了植被混凝土基材物理、力學及植生特征子系統(tǒng)總方差的94.4%，77.4%和96.6%。分析表明，磷石膏含量與基材力學特征呈極顯著正相關(guān)（路徑系數(shù)=0.88，p<0.01）；磷石膏含量對基材物理特征和植生特征均呈顯著負相關(guān)（路徑系數(shù)=-0.972，p<0.05；路徑系數(shù)=-0.842，p<0.05）；力學特征與植生特征呈極顯著正相關(guān)（路徑系數(shù)=1.738，p<0.01）。磷石膏含量與植物植生特征對基材的護坡性能有一定促進作用。

3 討 論

土壤容重和孔隙率是衡量土壤透氣性和入滲性的關(guān)鍵指標。有研究表明，添加磷石膏能夠改變土壤結(jié)構(gòu)，降低土壤容重，增加土壤孔隙率^［11］。磷石膏是一種多孔材料，其含有鈣質(zhì)膠體，能夠促進土壤團聚體的形成，從而改變土壤的結(jié)構(gòu)，導致土壤容重降低。本次試驗研究結(jié)果顯示，隨著磷石膏含量的增加，植被混凝土容重逐漸降低，孔隙率逐漸升高，這與王凱等^［18］的研究結(jié)果一致，磷石膏的添加使土體中方鈣離子增加，取代了土壤膠體上的鈉離子，形成鈣膠體，促進了土壤團粒的形成，從而改變了土壤的物理性狀。白勇興等^［19］研究發(fā)現(xiàn)，添加磷石膏的改良基質(zhì)對土壤物理性狀改變效果比未添加的情況更為顯著。本次研究中，不同磷石膏含量均能提高植被混凝土的孔隙率，這是因為磷石膏遇水后釋放電解質(zhì)，吸附周圍土壤的微小顆粒，促進土壤顆粒結(jié)合，從而增大了土壤的孔隙率。

黏聚力是同種物質(zhì)內(nèi)部相鄰各部分之間的相互吸引力^［20］，主要源于土壤顆粒之間的膠結(jié)作用、靜電作用和電磁力等。本次研究中，隨著磷石膏含量的增加，植被混凝土黏聚力逐漸增大，主要是因為磷石膏含有活性氧化物如CaO、SiO、AlO等，這些成分能夠生成少量具有一定強度和硬化性質(zhì)的水化膠凝物質(zhì)，從而使土壤黏聚力增大^［21］。此外，磷石膏具有較強的靜電場和比表面積，能將土壤中的細小顆粒吸附到周圍，防止土壤顆粒分散，進而促進了土壤顆粒之間的相互結(jié)合，因此增強了土壤的黏聚力。

內(nèi)摩擦角是由土壤顆粒間發(fā)生相對滑動和滾動而產(chǎn)生的摩擦阻力以及土體顆粒由于接觸擠壓與其他顆粒鑲嵌結(jié)合而產(chǎn)生的咬合力組成的，內(nèi)摩擦角主要與土壤顆粒性質(zhì)、密實度、土壤團聚體穩(wěn)定性、含水率等因素有關(guān)^［22-23］。研究表明，隨著土壤含水率的增加，內(nèi)摩擦角減?。欢谕寥浪州^低時，內(nèi)摩擦角相對較大^［24］。這是因為過高的水分使土壤顆粒之間的孔隙被填滿，增加了土壤顆粒之間的潤滑，從而導致顆粒之間的摩擦力減小^［25］。本次研究中，磷石膏的摻入導致植被混凝土孔隙率增大，使土壤顆粒之間的90a50039c9cd1e06a347f7514fe118cba6f9984ad06d09c30256abbd92c7d852相互接觸面積減小，顆粒之間易發(fā)生滑動，抗摩擦力減弱，最終導致內(nèi)摩擦力下降。

高羊茅根系在植被混凝土中起到加筋的作用，能夠提升土體的穩(wěn)定性。磷石膏含有植物所需的營養(yǎng)元素，施加磷石膏可為植物提供必要的養(yǎng)分。此外，磷石膏具有改善土壤結(jié)構(gòu)的作用，為植物的生長發(fā)育提供良好的環(huán)境。磷石膏水化后的膠凝物質(zhì)具有保水功能，形成的保護層有助于減少水分的蒸發(fā)。楊嘉槊等^［10］研究發(fā)現(xiàn)，施加磷石膏后，狗牙根的根表面積、根總長、根體積均出現(xiàn)增長。本次研究中，隨著磷石膏含量的增加，高羊茅的根系表面積、根總長、根平均直徑和地下生物量均呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，這是因為磷石膏中含毒物質(zhì)，過量的磷石膏對植物生長產(chǎn)生了抑制作用^［26］。大量研究也證明了磷石膏可能對土壤產(chǎn)生污染進而影響植物的生長^［27］。

草類的根系與土壤接觸面之間的摩擦力能夠抵抗土體的剪切變形，從而提高土體的抗剪強度。土體中植物根系的含量決定了根土之間的接觸面積，從而影響根土復合體的抗剪強度。植物根系在土體中可以發(fā)揮加固土壤的作用，從而提高土壤的抗剪強度。Mahannopoul等^［28］研究了香根草根土復合體的抗剪強度，研究結(jié)果表明根系含量越大，土體的抗剪強度越大。本次研究中，高羊茅根系的生長（根系表面積、根總長、根平均直徑和地下生物量）與根土復合體的抗剪強度呈極顯著的相關(guān)性（p<0.01），說明植物根系越發(fā)達，土體的抗剪強度越大，這與趙巖^［29］、Ye^［30］等的研究結(jié)果相似。本次研究中，植被混凝土根土復合體的抗剪強度隨磷石膏含量的增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，這是因為植被混凝土基材的容重、孔隙率及植物根系等因素對土壤的抗剪性能產(chǎn)生一定影響^［31］。植被根系不僅具有較強的抗拉力，且根系能夠分泌有機黏結(jié)物質(zhì)，將根系周圍的土壤顆粒連接一起，形成一定結(jié)構(gòu)性團粒，從而提高了根土復合體的抗剪強度^［32-33］。磷石膏具有改變土壤物理性質(zhì)的能力，能夠為植物提供營養(yǎng)元素，并促進高羊茅根系的發(fā)育。密集根系形成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與周圍土壤形成了根土復合體，進而提高了該部分土壤的抗剪強度^［34］。

4 結(jié) 論

（1）磷石膏的添加顯著影響植被混凝土基材的物理性質(zhì)。隨著磷石膏含量的增加，植被混凝土的容重逐漸降低，孔隙率逐漸增加。

（2）磷石膏的添加顯著影響植被混凝土基材的力學性質(zhì)。隨著磷石膏含量的增加，植被混凝土的黏聚力逐漸增大，而內(nèi)摩擦角均小于未添加磷石膏的組。

（3）磷石膏的添加對高羊茅根系生長具有顯著影響。磷石膏含量為6%時，對高羊茅根系生長的促進效果最好，根系表面積、根平均直徑、根總長以及根地下生物量分別提升了58.08%，17.19%，34.88%，23.53%。

（4）磷石膏的添加對植被混凝土根土復合體的抗剪強度具有顯著影響。隨著磷石膏含量的增加，植被混凝土根土復合體的抗剪強度呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢，磷石膏含量為6%時，植被混凝土的抗剪強度達到最大值。同時，隨著土層深度的增加，植被混凝土抗剪強度也呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢，表現(xiàn)為中層的抗剪強度最大。

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（編輯：黃文晉）

Research on vegetative performance of externally mixed phosphogypsum

modified vegetative concrete slope protectionLIU Zhenzhong¹，DUAN Rongfeng²，WANG Ming¹，DONG Wenhao^3，4，HAO Xiansheng⁴，LIU Liming⁴

（1.Shenzhen Comprehensive Transportation and Municipal Engineering Design and Research Institute Co.，Ltd.，Shenzhen 518003，China； 2.Southwest Design and Research Institute of China Municipal Engineering，Chengdu 610000，China； 3.Hubei Runzhi Ecological Technology Co.，Ltd.，Yichang 443002，China； 4.Hubei Provincial Engineering Research Center of Cement-based Ecological Restoration Technology，China Three Gorges University，Yichang 443002，China ）

Abstract： To effectively utilize waste resources and investigate the effect of phosphogypsum on root growth of vegetated concrete and soil stabilization of slopes，different contents of phosphogypsum were mixed into the vegetated concrete，and indoor and outdoor tests were conducted to determine the physical and mechanical properties of the vegetated concrete，the growth characteristics of root system of tall fescue as well as shear strength of the root-soil composite of the vegetated concrete.The results showed that compared with the controlling group，the groups with phosphogypsum contents of 2%，4%，6%，8%，and 10% showed a reduction of the substrate’ bulk weight by 3.72% to 11.66%，an increase of substrate’s porosity by 2.54% to 11.79%，an increase of adhesive cohesion by 4.46% to 28.76%，and a reduction of internal friction angle by 3.68% to 11.91%.Phosphogypsum content had a significant effect on the root growth of tall fescue，with the increase of phosphogypsum content，the surface area of the root system，the average diameter of the root，the total length of the root，and the root subsurface biomass of tall fescue increased at first then decreased，and when it reached the maximum phosphogypsum content of 6%，and the surface area of the root system，the average diameter of the root，the total root length，and the root subsurface biomass were enhanced by 58.08%，17.19%，and 34.88%，and 23.53%，respectively.With the increase of phosphogypsum content，the shear strength of the vegetated concrete root-soil composite also increased at first then decreased，and it reached the maximum value at the maximum phosphogypsum dosage of 6%.With increase of depth of the soil layer，the shear strength of the vegetated concrete increased at first then decreased，which manifested the middle layer possesses the maximum shear strength.Correlation analysis and PLS-PM comprehensive analysis showed that the plant vegetation characteristics under the direct effect of phosphogypsum and the indirect effect of the physical properties of the substrate，the variance of each index is >0.7，and the overall vegetation situation can meet the requirements of ecological restoration of slopes.

Key words： vegetation concrete；phosphogypsum；root characteristics；physical and mechanical properties; vegetative performance; ecological slope protection