熊壽德,段青松,方雪峰,李建興,黃廣杰,劉宇飛,劉武江,張立蕓,*

1 云南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院,昆明 650201 2 云南農(nóng)業(yè)大學(xué)水利學(xué)院,昆明 650201 3 云南農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,昆明 650201 4 中國(guó)電建昆明勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,昆明 650201

消落帶因水庫周期性的水位漲落而形成,該區(qū)域土壤侵蝕嚴(yán)重、生態(tài)環(huán)境敏感等問題威脅著水庫的安全運(yùn)行和庫區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展[1]。黃登水電站位于云貴高原的瀾滄江上游,處于三江并流的核心區(qū)域,該電站水庫消落帶因人為干擾使水位不定期的漲落波動(dòng),進(jìn)一步導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)失衡和功能紊亂,其原生植物因不能忍受反復(fù)淹水而死亡[2],適生植物逐年減少,加劇了生態(tài)環(huán)境的退化,亟待進(jìn)行生態(tài)治理。

研究表明,消落帶生態(tài)治理以植被恢復(fù)為主[3—4]。當(dāng)前消落帶適生植物的研究主要集中于植物在水淹[5]、干旱[6]、貧瘠[7]、泥沙掩埋[8]等脅迫下的適應(yīng)性和生理生化特征。植物根系在固結(jié)土壤、提高土壤抗侵蝕能力方面有重要作用[9—10],評(píng)價(jià)根系固土能力的重要指標(biāo)是根系對(duì)土體抗剪強(qiáng)度的增強(qiáng)作用[11]。草本植物根系作為天然生物纖維,具有一定抗拉強(qiáng)度,在土體中發(fā)揮加筋效應(yīng)來增強(qiáng)土體抗剪強(qiáng)度[11]；根系也通過增加土壤顆粒與根表面之間的摩擦力、土粒之間的黏聚力來增大土壤抗剪強(qiáng)度[9—10]。前人在三峽庫區(qū)消落帶對(duì)不同適生植物根系提高土體抗剪強(qiáng)度進(jìn)行了研究。如李建興等[12]用直接剪切試驗(yàn)測(cè)定了香根草等4種草本植物根土復(fù)合體的抗剪強(qiáng)度,發(fā)現(xiàn)香根草和百喜草的根系固土能力最強(qiáng)；徐少君等[13]對(duì)4種耐水淹植物的根土復(fù)合體進(jìn)行了直剪試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)灌木、林木和草本植物根系對(duì)不同深度土體強(qiáng)度的提高程度不同；但以上研究均使用室內(nèi)直接剪切試驗(yàn)來測(cè)定抗剪強(qiáng)度。原位剪切試驗(yàn)也是測(cè)定土體抗剪強(qiáng)度的主要方法之一,該試驗(yàn)可以在野外對(duì)體量較大的原狀含根土進(jìn)行剪切,對(duì)土樣的擾動(dòng)較小,可以忽略不計(jì)[14],因此所測(cè)數(shù)據(jù)相較于室內(nèi)直剪試驗(yàn)更具有實(shí)際意義[15]；同時(shí),現(xiàn)有庫周消落帶適生植物根系固土能力的研究集中于三峽庫區(qū),針對(duì)云貴高原上三江并流區(qū)消落帶適生植物根系固土能力的研究鮮有報(bào)道。

在根系固土模型研究方面,主要有Wu和Waldron模型(WWM模型)[16—17]、纖維束根增強(qiáng)模型(FBM)[18]和根束增強(qiáng)模型(RBM)[19],這些模型主要建立了根系抗拉強(qiáng)度、剪切面根面積比等參數(shù)與抗剪強(qiáng)度增量的關(guān)系,其中Wu和Waldron模型因基本概念清晰且理論成熟而被廣泛應(yīng)用。本文使用Wu和Waldron模型進(jìn)行預(yù)測(cè),以明確該模型對(duì)消落帶適生植物的適用性及預(yù)測(cè)精度。

綜上,本研究使用自行設(shè)計(jì)改進(jìn)的大型原位剪切儀測(cè)定了黃登水電站庫周消落帶4種適生草本植物根土復(fù)合體的抗剪強(qiáng)度,并利用WWM模型進(jìn)行預(yù)測(cè),從固土抗蝕的角度為消落帶篩選優(yōu)勢(shì)物種,研究結(jié)果可為黃登水電站庫周及三江并流區(qū)消落帶的植被修復(fù)和生態(tài)重建提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

黃登水電站是瀾滄江上游的古水至苗尾河段水電梯級(jí)開發(fā)的第五級(jí)水電站,位于云南省蘭坪縣境內(nèi),地處三江并流區(qū)的核心地帶,壩址地理坐標(biāo)約為99°07′11″E,26°33′35″N。該水電站于2018年6月底首臺(tái)機(jī)組投產(chǎn)發(fā)電,2019年6月工程完建。水庫最低運(yùn)行水位1586 m,最高水位1619 m,運(yùn)行過程中形成了水位差達(dá)33 m的消落帶。黃登水電站庫區(qū)地勢(shì)陡峭、河谷深切、基巖風(fēng)化度高,水土流失嚴(yán)重。據(jù)姚鑫等[20]在2020年的分析統(tǒng)計(jì)結(jié)果,沿江88 km長(zhǎng)度范圍的庫岸在該年度內(nèi)發(fā)生了近60處活動(dòng)性滑坡,超過了怒江、瀾滄江和金沙江三江干流流域滑坡總數(shù)的10%,是三江并流區(qū)沿江滑坡發(fā)育最頻繁、最密集的區(qū)段,生態(tài)極度脆弱,在該地區(qū)開展實(shí)驗(yàn)有較強(qiáng)的代表性。

研究區(qū)位于黃登水電站庫尾,海拔為1618—1620 m,屬中溫帶低緯季風(fēng)氣候區(qū),平均氣溫11.4 ℃,年平均降雨量為945.7 mm,一年中5—10月份的降雨量約占全年的66%,坡度1—3°,土壤質(zhì)地為黏土,具體位置見圖1。

圖1 研究區(qū)位置圖Fig.1 Location map of the study area

1.2 試驗(yàn)地點(diǎn)及材料

圖2 試驗(yàn)小區(qū)布置圖Fig.2 Layout of the test plot

本實(shí)驗(yàn)在迪慶藏族自治州維西傈僳族自治縣維登鄉(xiāng)小莊社(27°6′56″N, 99°10′29″E)進(jìn)行,處于黃登水電站庫尾左岸平緩開闊的消落帶。風(fēng)車草(CyperusalternifoliusL)、美人蕉(CannaindicaL.)、花葉蘆竹(Arundodonaxvar.versicolor)和菖蒲(AcoruscalamusL.)均為典型的多年生濕地草本植物,是用于生態(tài)修復(fù)的先鋒物種。課題組前期的根系調(diào)查結(jié)果表明4種草本均為須根系植物,參考Yen于1987年提出的根系結(jié)構(gòu)類型分類方法[21],4種草本均為M型根系(無主根,須根發(fā)達(dá)),該分類為揭示不同根系結(jié)構(gòu)對(duì)土壤加固作用提供了很好的基礎(chǔ)[22—23]。但4種草本的根系形態(tài)又有一定差別,風(fēng)車草和花葉蘆竹根系分支多而密,根毛發(fā)達(dá),呈團(tuán)網(wǎng)狀分布；美人蕉和菖蒲的根系結(jié)構(gòu)相對(duì)較為特殊,含有根狀莖,其中美人蕉的須根呈散射狀分布于地下根狀莖上；而菖蒲則有長(zhǎng)條型根狀莖,其根狀莖沿地面匍匐生長(zhǎng),須根均勻向下生長(zhǎng)于根狀莖上且根系較粗,方向單一,根毛稀疏不發(fā)達(dá)。

2019年3月15日—4月30日在試驗(yàn)區(qū)平整場(chǎng)地后,按照30 cm深度對(duì)土地進(jìn)行翻耕。于2019年5月1—15日栽植風(fēng)車草、美人蕉、花葉蘆竹和菖蒲；試驗(yàn)小區(qū)寬4 m,長(zhǎng)10 m,各試驗(yàn)小區(qū)布置如圖2所示,栽培株距和行距均為0.3 m。

1.3 研究方法

1.3.1原位剪切試驗(yàn)

試驗(yàn)裝置參照Comino E等[14]和段青松等[15]自行設(shè)計(jì)(圖3)。主要由三部分組成,一是剪切單元,主要包括剪切盒、支架,支架上有與剪切盒連接的導(dǎo)軌,以降低剪切過程中的摩擦力；二是液壓系統(tǒng),主要由小型液壓站、控制閥和液壓缸組成,提供可控的水平剪力；三是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),主要由精度為0.01 mm的拉繩位移傳感器、精度為0.01 N的S型壓力傳感器(布置在液壓缸和剪切盒間)和數(shù)據(jù)采集箱(內(nèi)置位移傳感器和壓力傳感器等)組成,數(shù)據(jù)采集箱與電腦連接,自編程序,每秒采集一次。原位剪切實(shí)驗(yàn)裝置長(zhǎng)寬為1300 mm×590 mm,機(jī)架由等邊角鋼焊接而成,由于橫梁在試驗(yàn)中為受力構(gòu)件,角鋼規(guī)格為L(zhǎng) 100 mm×8 mm,兩側(cè)則用L 100 mm×6 mm的角鋼。剪切盒尺寸為300 mm×300 mm×100 mm(長(zhǎng)×寬×高),液壓缸的一端采用法蘭固定在機(jī)架橫梁上,另一端作用于固定在剪切盒上的壓力傳感器上,定位板和導(dǎo)向板起到固定機(jī)架和防止液壓缸錯(cuò)位的作用。

圖3 原位剪切試驗(yàn)裝置示意圖Fig.3 Device schematic diagram of in situ shear measurement

試驗(yàn)設(shè)5個(gè)處理,素土(不含根土體)和4種草本的根土復(fù)合體,每個(gè)處理3次重復(fù)；于2020年11月下旬,在試驗(yàn)地選取長(zhǎng)勢(shì)良好的植株作為供試樣株,去掉地上部分,用取樣框小心打入地下150 mm并清理周圍土壤,盡量減少對(duì)土體的擾動(dòng)。隨后將剪切盒套在根土復(fù)合體上,固定之后開始加載至土體破壞。剪切時(shí),加載速率控制為2 mm/s,加載過程中數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)自動(dòng)采集荷載(F)及位移(S)數(shù)據(jù),生成F-S關(guān)系曲線,荷載出現(xiàn)峰值后,繼續(xù)加載直至荷載基本穩(wěn)定不變或位移達(dá)到220 mm,試驗(yàn)結(jié)束。在破壞土樣中用環(huán)刀取余土測(cè)定濕密度和容重,并裝入鋁盒密封帶回實(shí)驗(yàn)室用烘干法測(cè)定含水量。

作用在剪切面上的剪應(yīng)力計(jì)算公式[15]如下：

(1)

式中：τ為剪切面上的應(yīng)力,kPa；F為推力,N；A為試樣受剪面積,A=90000 mm2。

以剪應(yīng)力為縱坐標(biāo),應(yīng)變?yōu)闄M坐標(biāo),繪制試樣的剪應(yīng)力-應(yīng)變曲線,曲線的峰值應(yīng)力即為試樣的抗剪強(qiáng)度。

根系提高土體抗剪強(qiáng)度的計(jì)算公式[24—25]如下：

Cr=τrmax-τsmax

(2)

式中：Cr為根系提高土體抗剪強(qiáng)度的實(shí)測(cè)值,kPa；τrmax為含根土試樣的抗剪強(qiáng)度實(shí)測(cè)值,kPa；τsmax為素土試樣的抗剪強(qiáng)度實(shí)測(cè)值,kPa。

根面積比(RAR)和剪切面根數(shù)的測(cè)定。試驗(yàn)結(jié)束后用精度0.01 mm的數(shù)顯游標(biāo)卡尺測(cè)定根土復(fù)合體破壞面的根系直徑并且記錄破壞面內(nèi)的根數(shù)。RAR計(jì)算公式[17]如下：

RAR=Ar/A

(3)

式中：Ar為破壞面根系的總橫截面積,mm2；A為試樣受剪面積,A=90000 mm2。

1.3.2根系抗拉強(qiáng)度的測(cè)定

每種植物在實(shí)驗(yàn)地按照S型取樣法選取5叢植株,采用全挖掘法連根帶土運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室,去除土壤并洗凈根系后,每種植物選取100根不同直徑、順直無損壞的根系進(jìn)行單根拉伸試驗(yàn)。用精度為0.01 mm的數(shù)顯游標(biāo)卡尺測(cè)定根系直徑,用量程為100.00 N、精度為0.05 N的山度牌SN100數(shù)顯拉力試驗(yàn)機(jī)測(cè)定單根抗拉強(qiáng)度。試驗(yàn)時(shí),將根系兩端纏上膠布避免根系與夾具之間產(chǎn)生滑移,并用上下端夾具夾緊,標(biāo)距為50 mm,調(diào)整夾具位置使根系在軸向受拉狀態(tài)下被拉斷；勻速轉(zhuǎn)動(dòng)手輪,對(duì)根緩慢施加拉力直至拉斷并記錄拉力峰值F。破壞時(shí)根系斷裂處靠近夾具的樣根數(shù)據(jù)視為無效。根系單根抗拉強(qiáng)度按下式計(jì)算[17]：

Tr=4F/3.14D2

(4)

式中：Tr為單根抗拉強(qiáng)度,MPa；F為單根抗拉力,N；D為單根直徑,mm。

1.3.3Wu和Waldron模型預(yù)測(cè)

WWM模型假設(shè)土體剪切區(qū)有足夠厚度且厚度恒定,植物根系為垂直穿插剪切面且沿根長(zhǎng)方向受拉的桿件,且根系的線彈性、柔軟性、直徑隨著長(zhǎng)度變化不變,剪切面的所有根系達(dá)到抗拉極限時(shí)同時(shí)斷裂,無拔出現(xiàn)象[25—26]。根系提高土體抗剪強(qiáng)度值計(jì)算如下式所示[16,24]：

(5)

(6)

模型中的根系抗拉強(qiáng)度(Tr)可通過其與根系直徑(D)的擬合函數(shù)關(guān)系計(jì)算得出,二者的關(guān)系為如下式所示[16,24]：

Tr=aDb

(7)

式中：Tr為根系單根抗拉強(qiáng)度,MPa；D為根系直徑,mm；a、b由抗拉強(qiáng)度與根徑的擬合函數(shù)得出。

1.4 數(shù)據(jù)處理及統(tǒng)計(jì)分析

本研究數(shù)據(jù)使用Excel 2010和SPSS 25進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,使用Origin 2017和Excel 2010進(jìn)行繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 消落帶草本植物根系抗拉強(qiáng)度及其與直徑的關(guān)系

將被測(cè)根系的直徑和抗拉強(qiáng)度進(jìn)行回歸分析,4種根系的擬合曲線皆以負(fù)冪函數(shù)關(guān)系曲線的擬合程度最高,均達(dá)到了極顯著水平。4種植物根系直徑與抗拉強(qiáng)度冪函數(shù)擬合特征值見表1。

表1 植物根系直徑與抗拉強(qiáng)度關(guān)系冪函數(shù)擬合特征值

4種草本植物根系平均抗拉強(qiáng)度大小依次為：花葉蘆竹>菖蒲>風(fēng)車草>美人蕉,且根系的抗拉強(qiáng)度均隨著直徑的增大而呈冪函數(shù)減小趨勢(shì),直徑越小的根系反而表現(xiàn)出較大的抗拉強(qiáng)度；被測(cè)根系中,花葉蘆竹、菖蒲、風(fēng)車草和美人蕉根系的最大抗拉強(qiáng)度依次達(dá)到了79.23 MPa、62.42 MPa、47.84 MPa、和21.30 MPa,可見此4種草本植物根系作為生物纖維材料具備較大的抗拉強(qiáng)度,能在土體中發(fā)揮加筋效應(yīng)。

2.2 根土復(fù)合體物理特征和抗剪強(qiáng)度實(shí)測(cè)值

各處理的抗剪強(qiáng)度實(shí)測(cè)值、土體基本物理特性參數(shù)列于表2。

表2 根土復(fù)合體物理特性及抗剪強(qiáng)度

由表2可知,各處理的含水率均較高,介于26%—32%之間；方差分析表明4種含根土之間的含水率無顯著差異,但素土與各含根土的含水率之間差異顯著(P<0.05),素土平均含水率相對(duì)較低；這可能是因?yàn)楦档拇嬖谠黾恿送寥烂芸紫逗?改善了土壤的持水能力。土壤容重則是隨著含水率的降低呈增大趨勢(shì),不同處理間,素土的容重大于含根土。前人研究表明,土體抗剪強(qiáng)度隨著含水率的增加而降低,隨著土壤容重的增加而增加[28],而剪切試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明,4種含根土在含水率較高但容重較小的情況下,抗剪強(qiáng)度均顯著高于素土(P<0.05),說明根系的存在能有效增強(qiáng)高含水率土體的抗剪強(qiáng)度；但不同類型的植物根系對(duì)土體強(qiáng)度的增強(qiáng)效果不同,素土試樣的平均抗剪強(qiáng)度為5.65 kPa,風(fēng)車草、美人蕉、花葉蘆竹和菖蒲的根系對(duì)土體抗剪強(qiáng)度的平均增量分別為22.82 kPa、14.03 kPa、21.95 kPa和11.34 kPa；上述4種根土復(fù)合體樣本的最大抗剪強(qiáng)度依次可達(dá)30.92 kPa、24.13 kPa、32.68 kPa和20.56 kPa；風(fēng)車草和花葉蘆竹根土復(fù)合體的平均抗剪強(qiáng)度顯著高于另2種草本(P<0.05)。這說明草本植物的根系類型和形態(tài)差異影響其固土效應(yīng)。

2.3 根土復(fù)合體破壞面根系特征參數(shù)與應(yīng)力應(yīng)變曲線

剪切試驗(yàn)結(jié)束后,測(cè)算4種草本植物根土復(fù)合體剪切破壞面上的根系數(shù)量,并測(cè)量各根系直徑,計(jì)算各徑級(jí)根系在總根數(shù)中所占的比例和根系總橫截面積,具體參數(shù)見表3。

表3可見,4種植物原位剪切破壞面上,直徑D≤0.1 mm的根系均較少,約占了總根數(shù)的6%—9%；以D=1 mm為分界點(diǎn),風(fēng)車草和花葉蘆竹在破壞面的根系中,0≤D<1 mm的根系數(shù)量占比較高,分別為80.11%和74.10%,而美人蕉和菖蒲則分別為59.24%和58.81%。1≤D<2 mm的根系數(shù)量則是美人蕉和菖蒲的占比較大。4種草本植物根系在破壞面的平均直徑大小依次為花葉蘆竹(1.61 mm)>風(fēng)車草(1.23 mm)>菖蒲(1.08 mm)>美人蕉(1.01 mm)。

表3 破壞面根系徑級(jí)分布百分比、總根數(shù)、平均直徑和總橫截面積

依據(jù)前文所述根系形態(tài)特征,4種草本均為須根系,但又各有特點(diǎn),風(fēng)車草和花葉蘆竹表現(xiàn)出了較為典型的團(tuán)網(wǎng)狀M型根系特征,分支多而密,且細(xì)根較多；從破壞面總根數(shù)和橫截面積來看,風(fēng)車草總根數(shù)顯著高于其余3種草本植物,但根系總橫截面積的平均值卻低于花葉蘆竹,說明其破壞面上D<1 mm的細(xì)根數(shù)量確實(shí)較多；花葉蘆竹的破壞面總根系橫截面積最大,但平均總根數(shù)少于風(fēng)車草,為206.67根,這是因?yàn)榛ㄈ~蘆竹的平均直徑在4種草本中最大；美人蕉和菖蒲的破壞面上總根數(shù)和總橫截面積差別不大,但均低于風(fēng)車草和花葉蘆竹?？傮w而言,剪切面所測(cè)根系徑級(jí)分布、數(shù)量和截面積特征與根系形態(tài)調(diào)查結(jié)果相吻合；剪切面上D<1 mm的根系數(shù)量占比較大的根系類型對(duì)土體抗剪強(qiáng)度的增強(qiáng)效應(yīng)較大。

4種草本植物根土復(fù)合體原位剪切試驗(yàn)的應(yīng)力應(yīng)變曲線見圖4。由圖可見,素土與根土復(fù)合體受剪直至破壞的應(yīng)力應(yīng)變曲線總體呈應(yīng)變軟化型特征。但含根土的峰值應(yīng)力和應(yīng)變值均明顯高于素土,且4種含根土的應(yīng)力應(yīng)變曲線特征均與素土不同,表明含根土在外力作用下的力學(xué)和變形特性不同于素土；4種不同草本植物根系均能提高根土復(fù)合體的抗剪強(qiáng)度、殘余強(qiáng)度并增大破壞位移,其中風(fēng)車草根土復(fù)合體的破壞位移最大,花葉蘆竹根土復(fù)合體的強(qiáng)度峰值最大,說明根系的抗拉強(qiáng)度、破壞面的根系數(shù)量和總橫截面積大小都會(huì)影響根土復(fù)合體的抗剪強(qiáng)度、抗變形能力和延性。

剪切過程中,素土沒有出現(xiàn)明顯的應(yīng)力峰值和落差,而4種植物的根土復(fù)合體都出現(xiàn)了明顯了應(yīng)力峰值。含根土的破壞過程大致都包含了4個(gè)階段,分別是應(yīng)力快速上升階段、應(yīng)力緩慢增加階段、應(yīng)力快速衰減階段和殘余應(yīng)力階段。素土的峰值應(yīng)變約為10%,但風(fēng)車草根土復(fù)合體在應(yīng)變達(dá)到35%—40%時(shí)才到達(dá)峰值剪應(yīng)力,且應(yīng)變?cè)?0%—40%之間剪應(yīng)力增長(zhǎng)速率放緩,說明其在外力不斷增長(zhǎng)、土體產(chǎn)生了較大變形的情況下依然能具備較大的抗剪強(qiáng)度,土體的韌性和延性相較素土有了較大提升,表明風(fēng)車草根系對(duì)土體的固持效應(yīng)好于其他植物根系；但風(fēng)車草單根根系的平均抗拉強(qiáng)度僅為15.13 MPa,遠(yuǎn)低于花葉蘆竹的37.89 MPa,其根土復(fù)合體卻表現(xiàn)出了較大的抗剪強(qiáng)度和抵抗變形的能力,同時(shí)風(fēng)車草D<1 mm根系的占比在4中草本中最大,為80.11%,剪切面上的平均根系數(shù)量為243.33根,也是4種草本中的最大值,這說明除了根系抗拉性能之外,剪切面上的根系數(shù)量和細(xì)根所占比例也是影響土體強(qiáng)度的因素之一。

花葉蘆竹根土復(fù)合體也表現(xiàn)出較大的峰值剪應(yīng)力,但應(yīng)力增長(zhǎng)速率和衰減速率均較大,沒有明顯的應(yīng)力增速放緩階段,即峰值應(yīng)力出現(xiàn)后,土體快速崩解破壞；這可能是因?yàn)榛ㄈ~蘆竹根系的抗拉強(qiáng)度較大,一定程度上增強(qiáng)了土體的抗剪強(qiáng)度,但是根系的平均直徑較大,且D<1 mm根系占比為74.10%,細(xì)根占比和破壞面上根系數(shù)量也少于風(fēng)車草,所以土體達(dá)到極限應(yīng)力后,徑級(jí)較大的根系與土顆粒的接觸面上產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象,根系無法進(jìn)一步黏結(jié)串聯(lián)土顆粒,導(dǎo)致土體迅速破壞。美人蕉和菖蒲對(duì)土體抗剪強(qiáng)度的增強(qiáng)效應(yīng)低于風(fēng)車草和花葉蘆竹,這是因?yàn)槊廊私逗洼牌迅档钠骄估瓘?qiáng)度、破壞面總根數(shù)、根系總截面積相對(duì)較小,且其根系形態(tài)相對(duì)特殊,因此根系固土能力較弱。因此,在黃登水電站庫周消落帶的適生植物中,風(fēng)車草和花葉蘆竹根系的固土能力優(yōu)于美人蕉和菖蒲。

圖5 花葉蘆竹根土復(fù)合體受剪及破壞時(shí)的根系狀態(tài)Fig.5 State of root system in the root-soil complex of Arundo donax var. versicolor under shearing and destruction

圖5為花葉蘆竹根土復(fù)合體受剪和破壞時(shí)的根系狀態(tài)。剪切過程中,大量根系被拔出而不是被拉斷,說明花葉蘆竹根系不僅具有較大的抗拉強(qiáng)度,還具有較大的彈性變形能力,這與許多彈性纖維材料的特性類似；且土體破壞時(shí),多數(shù)根系并未能完全發(fā)揮其最大抗拉力。另一方面,剪切面上明顯可見花葉蘆竹的散射型須根與剪切面傾斜相交,這更有利于土體受剪時(shí),根系通過發(fā)揮其抗拉能力來增強(qiáng)土體的抗剪強(qiáng)度。

2.4 消落帶草本植物根土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度模型計(jì)算值與實(shí)測(cè)值比較

通過對(duì)不同草本植物根系提高土體抗剪強(qiáng)度的Wu和Waldron模型和0.4修正系數(shù)下的計(jì)算值和原位剪切試驗(yàn)所得實(shí)測(cè)值進(jìn)行比較(表4),發(fā)現(xiàn)根土復(fù)合體強(qiáng)度的WWM模型計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的比值(Rw)在4種草本中差異較大,風(fēng)車草的Rw最小,但花葉蘆竹和菖蒲的Rw分別高達(dá)38.79和43.85,模型預(yù)測(cè)精度較低。引入校正后更適用于草本植物根系的斷裂修正系數(shù)0.4,Rw值大幅降低,但仍然與實(shí)測(cè)值存在一定偏差。

表4 根系提高土體抗剪能力原位試驗(yàn)實(shí)測(cè)值和模型預(yù)測(cè)值

3 討論

3.1 不同草本植物根系對(duì)消落帶土體力學(xué)特性的影響

原位剪切試驗(yàn)保留了土壤顆粒的原始黏結(jié)構(gòu)造[17],且較大的剪切盒尺寸避免了同類試驗(yàn)中的尺寸效應(yīng),能最大限度地反應(yīng)含根土的自然狀況[29]。本研究用大型原位剪切試驗(yàn)測(cè)定并發(fā)現(xiàn)4種三江并流區(qū)水庫消落帶適生草本植物根系均能顯著提高土體的抗剪強(qiáng)度,風(fēng)車草、美人蕉、花葉蘆竹和菖蒲的根系對(duì)土體抗剪強(qiáng)度的增幅分別為403.89%、248.32%、388.50%和200.71%。李建興等[12]在三峽庫區(qū)消落帶用室內(nèi)直剪試驗(yàn)測(cè)得香根草、百喜草、紫花苜蓿和狗牙根對(duì)土體黏聚力的平均增加幅度分別為121.11%、113.94%、47.61%和12.54%；強(qiáng)度增量的差異可能是因?yàn)椴煌瑓^(qū)域的土壤質(zhì)地和含水量不同[9]、不同植物類型的根系抗拉強(qiáng)度和在土壤中的空間分布狀態(tài)不同[11]。段青松等[15]在金沙江干熱河谷的紅壤上測(cè)得扭黃茅、蕓香草、旱茅這3種多年生禾本科須根系植物的根系使土體的抗剪強(qiáng)度分別提高了2.8%、13.6%和72.5%,增幅與本研究差距較大,除了根系形態(tài)和根系密度的差異之外,也可能是因?yàn)楦蔁岷庸鹊耐寥篮枯^低,僅為5.61%,本身素土的抗剪強(qiáng)度就較大,而本研究中含根土的含水率均在30%左右。因此,在土壤含水量較高的消落帶地區(qū),適生植物根系對(duì)土體抗剪強(qiáng)度的增強(qiáng)效應(yīng)尤為顯著。

前人在根系固土機(jī)理的研究中普遍認(rèn)為植物根系對(duì)土體有加筋效應(yīng)[11],根系在土中穿插交織并在土體受力時(shí)發(fā)揮其抗拉力來增強(qiáng)土體的抗剪強(qiáng)度[30—31],同時(shí)根土接觸界面越大,產(chǎn)生的摩擦力和咬合力越大,則根系對(duì)土體黏聚力的增強(qiáng)效應(yīng)越顯著[32]；Fan等[30]、趙玉嬌等[31]發(fā)現(xiàn)根土復(fù)合體的黏聚力與單根抗拉強(qiáng)度存在正相關(guān)關(guān)系；祁兆鑫等[33]研究發(fā)現(xiàn),根土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度隨著含根量和根面積比的減少而降低,且含根量和根面積比的影響程度大于含水量。本研究發(fā)現(xiàn),根系的抗拉強(qiáng)度、破壞面的根系數(shù)量和總橫截面積大小都會(huì)影響根土復(fù)合體的抗剪強(qiáng)度和應(yīng)力應(yīng)變特性,4種適生植物中,花葉蘆竹根系的平均抗拉強(qiáng)度最大(37.89 MPa),其根土復(fù)合體的抗剪強(qiáng)度也最大；風(fēng)車草根系抗拉強(qiáng)度僅為15.13 MPa,但破壞面含根量和總橫截面積在4種草本中較大,因此其根土復(fù)合體的抗剪強(qiáng)度顯著高于美人蕉和菖蒲；4種草本植物中,風(fēng)車草根系不僅大幅提高了土體破壞的峰值應(yīng)力即抗剪強(qiáng)度,也增大了破壞應(yīng)變和殘余應(yīng)力,這表明風(fēng)車草根系使土體在變形較大的情況下仍然具備一定的強(qiáng)度,延緩了土體的破壞進(jìn)程。Gao等[34]研究表明,纖維在土體內(nèi)均勻且呈隨機(jī)分布狀態(tài)時(shí)能形成一個(gè)交錯(cuò)搭接的纖維網(wǎng),形成三維織網(wǎng)效應(yīng),增強(qiáng)纖維和土顆粒之間的嚙合程度[35]和對(duì)土顆粒的約束作用,土體受力開裂后,裂縫上的纖維會(huì)因纖維與土的摩擦而承受土體內(nèi)部的張力,有效地阻止裂縫拓展,增大破壞應(yīng)變來提高土壤的延展性和韌性[36]；且有研究表明D≤ 2mm徑級(jí)的細(xì)根,尤其是D≤ 0.5 mm細(xì)根的根長(zhǎng)密度和根表面積密度與土體抗侵蝕能力顯著正相關(guān)[37]。風(fēng)車草根系分支多而密,根毛發(fā)達(dá),剪切面上D<1 mm的細(xì)根占比最大,根系為典型的團(tuán)網(wǎng)狀散射型須根系,因此能在受力時(shí)更加有效的固持土體。而美人蕉和菖蒲則因根系結(jié)構(gòu)相對(duì)特殊,含有根狀莖,在土體受力時(shí)易產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象而加速土體崩塌,使得試樣中根系的加筋作用未能完全發(fā)揮出來,所以對(duì)土體強(qiáng)度的增強(qiáng)效應(yīng)相對(duì)較弱。因此,在消落帶植被恢復(fù)和根系固土的應(yīng)用中,除了依據(jù)草本植物的適生性來篩選植被,更應(yīng)結(jié)合根系形態(tài)特征,選用細(xì)根較多的團(tuán)網(wǎng)狀須根系植物混合種植來增強(qiáng)其固土效應(yīng)。

3.2 WWM模型預(yù)測(cè)的精度

WWM模型雖然計(jì)算簡(jiǎn)便、參數(shù)較少、原理清晰,但其對(duì)根系破壞方式與過程[26]、根與土相互作用等方面缺乏深入研究,過高評(píng)估了根系固土能力[38],從而降低了模型精度[25,27]。劉治興等[29]對(duì)公路邊坡的草本植物根系固土能力進(jìn)行了模型預(yù)測(cè),測(cè)得的平均Rw值為2.72,瞿文斌等[39]在對(duì)黃土高原的油松、刺槐、荊條和丁香4種植物的根系固土能力預(yù)測(cè)中測(cè)得Rw為2.56—5.38。本研究中Rw為9.37—43.85,模型計(jì)算值遠(yuǎn)高于實(shí)測(cè)值。究其原因,主要是根系對(duì)土體抗剪切強(qiáng)度的增量與達(dá)到抗拉強(qiáng)度極限值的根系數(shù)量相關(guān)[29],WWM 模型假設(shè)根為均勻的彈性體[25—26],穿過剪切面的根系在同時(shí)達(dá)到最大抗拉強(qiáng)度的瞬間全部且同時(shí)斷裂[39],而本試驗(yàn)中所涉及植物根系在土體中分布狀態(tài)決定了不可能所有根系都垂直穿過剪切面；Docker 等[40]在原位直剪試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)根土復(fù)合體剪應(yīng)力的下降伴隨著根系連續(xù)斷裂的聲音,證實(shí)了穿過剪切面的根系在受剪時(shí)并非同時(shí)斷裂,而是逐漸破壞,本試驗(yàn)也觀察到了根系的漸進(jìn)斷裂過程。本研究中植物根系的細(xì)根較多,且大量研究表明,根系的抗拉強(qiáng)度與根徑呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系,抗拉力則與之相反[14,30],細(xì)根具備較大的抗拉強(qiáng)度,破壞面上細(xì)根較多則更容易高估Tr值；加之消落帶土壤含水量高,土壤結(jié)構(gòu)松軟,剪切過程中存在大量D>1 mm根系的拉拔現(xiàn)象,即根系未能全部發(fā)揮其抗拉能力即與土壤顆粒剝離。這些因素都導(dǎo)致了模型預(yù)測(cè)值高于實(shí)測(cè)值?；诓捎脗鹘y(tǒng) WWM模型模擬灌草植物高估較嚴(yán)重[26],Docker 等[40]與Pollen 等[41]認(rèn)為對(duì)于草本或較小的林木,公式中的修正系數(shù)應(yīng)該更小一些,因此,Preti[27]提出了斷裂修正系數(shù)0.4。本文引入0.4修正系數(shù)進(jìn)行計(jì)算后,Rw大幅降低,但仍然與實(shí)測(cè)值存在偏差。因此,基于草本植物根系形態(tài)各異,且根系的抗拉強(qiáng)度和彈性模量等差異較大,影響土體強(qiáng)度的因素多而復(fù)雜,預(yù)測(cè)消落帶適生草本植物根系對(duì)于長(zhǎng)期水淹條件下的高含水量土體抗剪強(qiáng)度的增強(qiáng)值,WWM模型的適用性及其斷裂修正系數(shù)還需進(jìn)一步研究。

4 結(jié)論

(1)風(fēng)車草、美人蕉、花葉蘆竹和菖蒲的根系相較于素土分別提高了土體的抗剪強(qiáng)度403.89%、248.32%、388.50%和200.71%。

(2)4種草本植物根系的單根抗拉強(qiáng)度、破壞面的根系數(shù)量和總橫截面積大小以及D<1 mm細(xì)根占比均為根系提高土體抗剪強(qiáng)度的影響因素。根系平均抗拉強(qiáng)度較大、細(xì)根較多且呈團(tuán)網(wǎng)狀分布的須根系草本植物,對(duì)土體的固持效應(yīng)較為顯著。

(3)4種草本植物根系提高土體抗剪強(qiáng)度WWM模型預(yù)測(cè)值是實(shí)測(cè)值的9.37—43.58倍,精度較低；針對(duì)草本植物根系的斷裂修正系數(shù)0.4仍然使預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值存在一定偏差,應(yīng)進(jìn)一步研究高含水率土壤適用的模型修正系數(shù)。

綜上,本研究中的4種消落帶適生草本植物中,風(fēng)車草和花葉蘆竹根系固土能力較強(qiáng),是三江并流區(qū)水電站庫周消落帶植被重建、生態(tài)修復(fù)和防治水土流失的優(yōu)選物種。