李 佳,汪 霞,2,*,賈海霞,趙云飛,歐延升,柳 洋

1 蘭州大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院, 蘭州 730000 2 蘭州大學(xué)西部環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 蘭州 730000

圖1 研究區(qū)概況圖Fig.1 Study area map

綠色、可持續(xù)發(fā)展是“一帶一路”建設(shè)重要組成部分,盡可能減少對(duì)原生環(huán)境的影響,修復(fù)已破壞的生態(tài)系統(tǒng),是“一帶一路”建設(shè)中的環(huán)境基礎(chǔ)和生態(tài)保障[1]。甘肅省地處絲綢之路核心地段,是“絲綢之路經(jīng)濟(jì)帶”重要組成部分[2]。隴南市位于甘肅省東南部,地處陜甘川三省交界處,也是青藏高原、黃土高原和川西北高原交匯處,該區(qū)域地質(zhì)條件復(fù)雜,是我國(guó)四大地質(zhì)災(zāi)害多發(fā)區(qū)之一。

近年來(lái),泥石流、滑坡等自然災(zāi)害頻發(fā),邊坡土體穩(wěn)定性已引起廣泛關(guān)注[3]。自然界中滑坡主要有淺層和深層兩種,深層滑坡屬大型滑坡,發(fā)生頻率較小,淺層滑坡雖滑坡體積小,但發(fā)生頻率大,分布面積廣[4]。研究表明除采用傳統(tǒng)的工程措施外,生態(tài)工程護(hù)坡已廣泛運(yùn)用于防治淺層滑坡、水土流失等問(wèn)題中,其中植被護(hù)坡既能起到固土作用又兼具美化邊坡生態(tài)景觀的效果,具有較高的環(huán)境價(jià)值[5]。潘聲旺等[6- 7]研究表明重建邊坡植被,增強(qiáng)裸露邊坡穩(wěn)定性是一種減少淺層滑坡、水土流失的重要生態(tài)固坡技術(shù)。Nilaweera等[8- 9]通過(guò)試驗(yàn)得出植物根系可以顯著提高土壤抗剪強(qiáng)度,增強(qiáng)邊坡穩(wěn)定性。劉春霞[10]指出根系提高土壤抗剪強(qiáng)度效果還與土壤物理性質(zhì)密切相關(guān),根系通過(guò)纏繞、固結(jié)等作用改善土壤物理性質(zhì)[11-13]。

目前關(guān)于植被護(hù)坡的相關(guān)研究尚處于理論研究階段,對(duì)于具體運(yùn)用植被固坡評(píng)價(jià)較少。隴南地區(qū)已針對(duì)淺層滑坡開(kāi)展了大量的植被恢復(fù)工作[14-16],因此本文選取研究區(qū)四種典型灌木,杠柳(Periplocasepium)、胡枝子(Lespedezabicolor)、酸棗(Ziziphusjujube)和石榴(Punicagranatum),探討灌木根系對(duì)土壤含水率、孔隙度和大團(tuán)聚體的改善程度和護(hù)坡力學(xué)效應(yīng),旨在對(duì)這一區(qū)域灌木生態(tài)恢復(fù)效應(yīng)予以評(píng)價(jià)。

1 研究區(qū)概況

隴南市地處甘肅省東南部,域內(nèi)山地受白龍江長(zhǎng)期沖刷,山勢(shì)陡峭,海拔多在1000 m以上,坡度在25°—45°之間,山地巖土松散軟弱,易發(fā)生泥石流等自然災(zāi)害,是我國(guó)泥石流、滑坡多發(fā)區(qū)之一[17]。區(qū)內(nèi)年降水量400—900 mm,年均溫8.4—14.9 ℃。據(jù)統(tǒng)計(jì)地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)三千余處,其中滑坡1120處,泥石流1033處,崩塌759處,地面塌陷、地裂縫等391處[18]。本文選取隴南市武都區(qū)兩水鎮(zhèn)段河壩為研究區(qū),該研究區(qū)內(nèi)主要植被覆蓋類型為灌草叢,大部分滑坡體處植被覆蓋率不足30%[19]。主要土壤類型為黃棕壤,成土母質(zhì)多為千枚巖、花崗巖、片麻巖及各種沉積巖殘積物和坡積物[20]。

2 研究方法

2.1 樣品采集

2018年5月在研究區(qū)選取人工恢復(fù)十年的杠柳、胡枝子、酸棗和石榴的四個(gè)坡度為25°—30°的坡面,每個(gè)坡面各選取3株灌木,設(shè)置與采樣點(diǎn)具有相似立地條件的裸地作為對(duì)照。選取距離樹(shù)基50 cm下坡位處,開(kāi)挖50 cm×50 cm見(jiàn)方土壤剖面[21],采集生長(zhǎng)、發(fā)育正常根系作為樣品,采集過(guò)程中盡可能避免機(jī)械外力對(duì)根系產(chǎn)生影響。

土樣采集使用剖面法,在每個(gè)灌木采樣點(diǎn)垂直剖面上,每10 cm分層采取土壤樣品,采樣深度為50 cm,在同一土壤深度采用混合采樣法,土樣用自封袋密封保存。

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

2.2.1土壤物理性質(zhì)

土壤含水率使用烘干法測(cè)定。土壤孔隙度在現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)環(huán)刀測(cè)量后計(jì)算得到。土壤團(tuán)聚體采用干篩法測(cè)定[22]。

2.2.2單根抗拉強(qiáng)度

選取根長(zhǎng)約5—10 cm表皮完好根系,測(cè)定其直徑后,將所有根系置于水中浸泡一夜[21,23]。使用電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)(型號(hào)：CSS- 4100,長(zhǎng)春試驗(yàn)機(jī)研究所)測(cè)量單根抗拉強(qiáng)度。

2.2.3重塑土直剪試驗(yàn)

將采集土樣烘干研磨后過(guò)1 mm篩,將篩后土樣鋪于不吸水鋁盤(pán)中,噴灑預(yù)計(jì)加水量。加水量計(jì)算公式為[24]：

其中,mw土樣需加水量(g),m風(fēng)干含水率下土樣質(zhì)量(g),w0風(fēng)干含水率(%),w′設(shè)計(jì)所需含水率(%)。

為使根-土復(fù)合體含水率接近自然狀態(tài),將其設(shè)置為10%,密封靜置一晝夜后,將根系按照設(shè)計(jì)根系密度拌入土樣。不同含水率重塑土按照試驗(yàn)設(shè)計(jì)加水量配制。采用擊實(shí)法制取樣品。使用應(yīng)變控制式直剪儀(南京寧曦土壤儀器有限公司)測(cè)量抗剪強(qiáng)度,每組樣品取四個(gè)試樣,分別在100 kPa,200 kPa,300 kPa,400 kPa四級(jí)垂直壓力下試驗(yàn)。每組處理重復(fù)三次。

2.2.4數(shù)據(jù)處理與分析

數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析采用SPSS 22.0。圖表使用Origin 2016制作。

3 結(jié)果與分析

3.1 土壤物理性質(zhì)

3.1.1土壤含水率

土壤含水率排序?yàn)椋汉ψ?酸棗>杠柳>石榴(圖2),均高于對(duì)照組裸地,胡枝子在10—20 cm處含水率最高為14.7%,0—10 cm處含水率最低為9.8%；石榴含水率最高處在0—10 cm為5.8%,10—20 cm處含水率最低為3.8%。在垂直剖面上,含水率無(wú)明顯變化規(guī)律。

3.1.2土壤孔隙度

垂直剖面上土壤總孔隙度變化范圍介于43%—55.2%(圖3),杠柳>石榴>酸棗>胡枝子,與裸地相比土壤孔隙度均得到改善。杠柳土壤孔隙度在表層0—10 cm處達(dá)最大值55.2%,在40—50 cm處有最小值：50.1%。土壤孔隙度均呈現(xiàn)出表層高,底層低的變化趨勢(shì)。植被對(duì)表層土壤孔隙結(jié)構(gòu)改善較明顯。

3.1.3土壤大團(tuán)聚體

四種灌木土壤團(tuán)聚體含量差異顯著,垂直剖面上變化趨勢(shì)一致,均為表層土壤大團(tuán)聚體含量較高,底層較低(圖4)。裸地大團(tuán)聚體含量變化范圍為43.1%—39.2%,相比裸地,灌木的土壤大團(tuán)聚體含量明顯提高,依次為：胡枝子>酸棗>杠柳>石榴。胡枝子大團(tuán)聚體含量變化范圍為70.1%—74.2%,酸棗為39.3%—64.8%,杠柳為55.6%—61.9%,石榴為54.3%—57.2%。其中尤以大于7 mm大團(tuán)聚體含量增加顯著。

3.2 根系抗拉強(qiáng)度

選取直徑小于10 mm的根系300根進(jìn)行試驗(yàn),成功160根,成功率達(dá)53%。四種灌木根系均有較強(qiáng)的抗拉強(qiáng)度,根系抗拉強(qiáng)度與根徑之間有明顯的冪函數(shù)關(guān)系(圖5),隨根徑增大,抗拉強(qiáng)度減小?？估瓘?qiáng)度范圍分別為：杠柳4.31 MPa—86.6 MPa,胡枝子25.8 MPa—158 MPa,酸棗6.74 MPa—48.6 MPa,石榴17.5 MPa—89.9 MPa,胡枝子抗拉強(qiáng)度較高,酸棗最低。當(dāng)根徑小于1 mm時(shí),抗拉強(qiáng)度遞減速率最快,四種灌木抗拉強(qiáng)度均較高,其中胡枝子毛根抗拉強(qiáng)度約為酸棗和杠柳的2倍。在1 mm—4 mm根徑范圍內(nèi),根系抗拉強(qiáng)度隨根徑變化平緩,胡枝子根系抗拉強(qiáng)度約為石榴2倍、酸棗和杠柳的3倍。四種灌木中胡枝子根系抗拉強(qiáng)度最好,根徑小于1 mm的毛根抗拉強(qiáng)度較好。

圖2 不同灌木垂直剖面土壤含水率Fig.2 Soil moisture content of different shrub vertical sections

圖3 不同灌木垂直剖面土壤孔隙度Fig.3 Soil porosity of different shrubs vertical sections

圖4 土壤團(tuán)聚體含量Fig.4 Soil aggregate content

圖5 四種灌木根系抗拉強(qiáng)度和根徑的關(guān)系圖及擬合曲線Fig.5 Relationship between tensile strength and root diameter and fitting curve of four shrub roots

3.3 重塑土抗剪強(qiáng)度

3.3.1土壤含水率對(duì)抗剪強(qiáng)度的影響

土壤抗剪強(qiáng)度隨垂直正壓力的增加呈線性增長(zhǎng),滿足摩爾-庫(kù)倫強(qiáng)度理論τ=C+δtanφ(圖6)。在設(shè)定含水率范圍10%—30%內(nèi),土壤抗剪強(qiáng)度均隨含水率增加呈遞減趨勢(shì),在10%的含水率條件下最高,抗剪強(qiáng)度依次為石榴>酸棗>杠柳>胡枝子。

依據(jù)摩爾-庫(kù)倫強(qiáng)度理論,得到不同灌木在不同含水率下土壤粘聚力(C)和內(nèi)摩擦角(φ)值如表1所示。四種灌木土壤粘聚力(C)和內(nèi)摩擦角(φ)均隨含水率增加而減小,粘聚力(C)減小幅度最大為杠柳,從22.46 kPa減小至4.35 kPa。內(nèi)摩擦角(φ)減小幅度最大為酸棗,從32.62°減小到18.26°。胡枝子和石榴土壤粘聚力(C)和內(nèi)摩擦角(φ)隨含水率變化平緩。植物根系通過(guò)增加土壤含水率來(lái)增加粘聚力(C)和內(nèi)摩擦角(φ)

圖6 不同含水率土壤抗剪強(qiáng)度與垂直壓力的關(guān)系Fig.6 Relationship between shear strength and vertical pressure of soil with different water content

植物類型Plant type重塑土含水率Remolding soil water content /%抗剪強(qiáng)度與正壓力擬合關(guān)系Relationship between shear strength and positive pressure粘聚力CRoot cohesion/kPa內(nèi)摩擦角φInternal friction angle/(°)R2杠柳P. sepium10y=22.46+0.51x22.4627.020.9620y=11.51+0.42x11.5122.780.9930y=-4.35+0.37x4.3520.300.98胡枝子L. bicolor10y=11.86+0.44x11.8623.750.9220y=9.27+0.37x9.2720.300.9930y=4.78+0.24x4.7813.500.95酸棗Z. jujube10y=12.18+0.64x12.1832.620.9620y=7.83+0.45x7.8324.230.9830y=3.57+0.33x3.5718.260.96石榴P. granatum10y=11.81+0.65x11.8133.020.9820y=8.47+0.60x8.4730.960.9430y=2.62+0.48x2.6225.640.98

以增強(qiáng)土壤抗剪強(qiáng)度。

3.3.2根系密度對(duì)土壤抗剪強(qiáng)度的影響

結(jié)合四種灌木天然根系密度,杠柳0.5 g/100 g土,胡枝子1.2 g/100 g土,酸棗0.85 g/100 g土,石榴0.52 g/100 g土,設(shè)置了三個(gè)根系密度梯度：天然根系密度、1.5倍天然根系密度和2.0倍天然根系密度。杠柳和胡枝子土壤抗剪強(qiáng)度隨根系密度增加而減小(圖7),石榴和酸棗根-土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度為1.5倍天然根系密度>2.0倍天然根系密度>天然根系密度,根-土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度依次為：酸棗>石榴>杠柳>胡枝子。

不同灌木不同根系密度根-土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度隨垂直正壓力增加呈線性增加,符合摩爾-庫(kù)倫強(qiáng)度理論(τ=C+δtanφ)。結(jié)合表2,每種灌木的土壤粘聚力(C)在加入根系后均有提高,增幅由大到小為：胡枝子12.06%—127.15%,石榴9.40%—65.62%,酸棗7.39%—47.59%,杠柳2.98%—29.70%,胡枝子根系對(duì)土壤抗剪強(qiáng)度增強(qiáng)效果最強(qiáng)固。土壤內(nèi)摩擦角(φ)未表現(xiàn)出較強(qiáng)規(guī)律性。植物根系主要通過(guò)增加土壤粘聚力(C)來(lái)增強(qiáng)土壤抗剪強(qiáng)度以實(shí)現(xiàn)固土護(hù)坡效應(yīng)。

圖7 根-土復(fù)合體的抗剪強(qiáng)度與垂直壓力的關(guān)系Fig.7 Relationship between shear strength and vertical pressure of root-soil composite

4 討論

4.1 土壤物理性質(zhì)

植物根系通過(guò)吸收、引流等作用影響土壤含水率,土壤含水率也會(huì)反作用于植物生長(zhǎng)[25]。余冬立[20]在研究土地利用方式對(duì)土壤理化性質(zhì)影響時(shí)發(fā)現(xiàn),植物根系能在垂直方向改善土壤理化性質(zhì)。本研究中種植灌木后土壤含水率、孔隙度和大團(tuán)體含量均顯著提高,因根系穿插在淺層坡體中能改變土壤孔隙結(jié)構(gòu),土壤孔隙結(jié)構(gòu)對(duì)調(diào)節(jié)土壤水分、影響邊坡穩(wěn)定性具有重要的生態(tài)意義[26]。胡枝子對(duì)土壤含水率和大團(tuán)聚體含量改善最明顯,相對(duì)于裸地含水率提高了約2—4倍,大團(tuán)聚體含量提高了約2倍。杠柳對(duì)土壤孔隙度改善最明顯,相比于裸地土壤孔隙度增加了5%—10%。土壤孔隙度和大團(tuán)聚體含量均呈現(xiàn)表層高、底層低的特點(diǎn)。表明灌木根系對(duì)表層土壤孔隙結(jié)構(gòu)改善效果較好[27],植物根系分泌物能通過(guò)增加土壤有機(jī)質(zhì)含量改善土壤結(jié)構(gòu)、改變土壤孔隙度[28]。

表2 不同含根密度下根-土復(fù)合體直接剪切試驗(yàn)結(jié)果

4.2 根系抗拉強(qiáng)度及其影響因素

植物根系主要通過(guò)加筋、錨固兩個(gè)作用實(shí)現(xiàn)防治淺層滑坡[29-30]。毛須根主要起加筋作用,根徑較大的粗根主要起錨固作用,根系抗拉強(qiáng)度是衡量根系錨固作用的指標(biāo)[31],抗拉強(qiáng)度越大,根系對(duì)土壤錨固作用越強(qiáng)。朱海麗等[32]對(duì)青藏高原黃土區(qū)四種灌木研究表明其抗拉強(qiáng)度范圍為26 MPa—40 MPa,抗剪強(qiáng)度和根徑關(guān)系主要為冪函數(shù)或指數(shù)函數(shù),本研究中四種灌木根系抗拉強(qiáng)度與根徑間為顯著冪函數(shù)關(guān)系,根系抗拉強(qiáng)度隨根徑增加減小,其函數(shù)關(guān)系主要受植物種類影響[33]。王劍敏等[34]對(duì)三種中亞熱帶灌木研究發(fā)現(xiàn),檵木和麂角杜鵑單根抗拉強(qiáng)度與根徑呈遞減的冪函數(shù)關(guān)系,而香港黃檀未表現(xiàn)出明顯相關(guān)性,本文中不同灌木根徑和抗拉強(qiáng)度變化趨勢(shì)也各不相同,胡枝子根系抗拉強(qiáng)度最高,土壤錨固作用較好,其次為石榴、酸棗、杠柳,主要原因是它們根系化學(xué)組成和內(nèi)部結(jié)構(gòu)不同[21,35]。

4.3 根系對(duì)土壤抗剪強(qiáng)度的影響

土壤抗剪強(qiáng)度是土體邊坡穩(wěn)定性一個(gè)重要指標(biāo)[36],本質(zhì)是土粒間粘聚力和土粒間摩擦產(chǎn)生的內(nèi)摩擦角共同作用,服從摩爾-庫(kù)倫強(qiáng)度理論。在同一地區(qū)、同類土壤、相同條件下原狀土與重塑土主要區(qū)別在于,原狀土中的植物根系通過(guò)擠壓和纏繞作用可以提高土壤團(tuán)粒數(shù)量[37],故可通過(guò)調(diào)節(jié)土壤含水率、添加根系等方式使重塑土狀態(tài)盡可能接近原狀土[38-39]。蔡建[40]認(rèn)為試驗(yàn)中重塑土試驗(yàn)條件與原狀土差別較小時(shí),可在一定程度上模擬實(shí)際情況下土壤的抗剪強(qiáng)度。當(dāng)坡面土體發(fā)生滑移時(shí),土壤產(chǎn)生的剪切力一部分轉(zhuǎn)移到植物根系,根系的存在會(huì)改變土壤粘聚力和內(nèi)摩擦角,影響土壤抗剪強(qiáng)度。倪九派等[41]研究得西南丘陵山地地區(qū)土壤粘聚力隨著土壤含水率升高呈增大趨勢(shì),在10%含水率處土壤粘聚力有最大值,這與本研究結(jié)果一致。在本試驗(yàn)設(shè)計(jì)含水率范圍內(nèi),含水率升高抗剪強(qiáng)度降低、土壤粘聚力和內(nèi)摩擦角均減小。含水率增加使土粒粘結(jié)度降低,粘聚力減小土粒間摩擦減小,內(nèi)摩擦角也減小,故土壤抗剪強(qiáng)度減弱[42]。石榴根系對(duì)土壤抗剪強(qiáng)度增強(qiáng)效果明顯；杠柳粘聚力降幅最大,含水率從10%增加到30%時(shí)粘聚力約減小4倍；酸棗內(nèi)摩擦角降幅最大,含水率從10%增加到30%時(shí)內(nèi)摩擦角約減小1倍。

胡夏嵩等[43]研究了4種灌木根-土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度,發(fā)現(xiàn)抗剪強(qiáng)度與垂直正壓力之間呈線性正相關(guān),符合摩爾-庫(kù)侖定律,其根-土復(fù)合體粘聚力顯著大于素土,內(nèi)摩擦角無(wú)明顯變化規(guī)律,這與本文研究結(jié)果相同；格日樂(lè)等[44]研究顯示,植物種類不同,抗剪強(qiáng)度和粘聚力最優(yōu)值對(duì)應(yīng)根系密度和含水率各不相同,本研究設(shè)定的3個(gè)根系密度梯度,杠柳和胡枝子根-土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度隨根系密度增加而減小,石榴和酸棗在1.5倍天然根系密度下根-土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度最高,均高于杠柳和胡枝子；Ghestem[45]認(rèn)為根-土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度受根系密度影響,在一定范圍內(nèi)正相關(guān)。本研究中根-土復(fù)合體粘聚力增值在2.98%—127.15%之間變化,均大于素土。不同植物抗剪強(qiáng)度最佳根系密度對(duì)應(yīng)的含水率不同,當(dāng)含水率或根系密度超出最優(yōu)范圍,根系對(duì)土壤抗剪強(qiáng)度增強(qiáng)效果會(huì)減小乃至消失,甚至對(duì)邊坡穩(wěn)定起到反作用。

5 結(jié)論

植物根系能改善土壤孔隙結(jié)構(gòu),相比裸地植物根系能顯著改善土壤孔隙度和團(tuán)聚體含量。杠柳對(duì)土壤孔隙結(jié)構(gòu)改善效果明顯,胡枝子對(duì)土壤含水率提高效果最好。

植物根系依靠自身抗拉強(qiáng)度分擔(dān)土壤滑移時(shí)產(chǎn)生的剪切力,能通過(guò)增強(qiáng)土壤抗剪強(qiáng)度提高邊坡穩(wěn)定性。單根抗拉強(qiáng)度依次為胡枝子>石榴>酸棗>杠柳,根系抗拉強(qiáng)度隨著根徑增大以冪函數(shù)關(guān)系減小,根徑<1 mm的毛根抗拉強(qiáng)度最大。當(dāng)含水率減小時(shí),土壤粘聚力和內(nèi)摩擦角均增大,故土壤抗剪強(qiáng)度增強(qiáng)。在設(shè)定含水率范圍內(nèi),10%土壤含水率下土壤抗剪強(qiáng)度最強(qiáng)。胡枝子和杠柳隨著根系密度增加土壤抗剪強(qiáng)度增大,酸棗和胡枝子在1.5倍根系密度下對(duì)土壤抗剪強(qiáng)度增強(qiáng)最大,隨著根系密度增加土壤粘聚力增長(zhǎng)最快為胡枝子,故其對(duì)土壤抗剪強(qiáng)度增強(qiáng)效果明顯。