聶 暉，李 翀，張金池，賈趙輝，馬仕林，曾婧祎，陳美玲

保水劑添加對刺槐根土力學(xué)特性的影響

聶 暉，李 翀，張金池*，賈趙輝，馬仕林，曾婧祎，陳美玲

(南京林業(yè)大學(xué)南方現(xiàn)代林業(yè)協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇省水土保持與生態(tài)修復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210037)

為探究保水劑對根系生長和根土復(fù)合體力學(xué)特性的影響，為促進(jìn)礦山植被恢復(fù)提供理論依據(jù)，在刺槐盆栽土中加入保水劑，3個(gè)處理分別為B1(0％)，B2(0.3％)和B3(0.5％)。通過對比分析土壤養(yǎng)分，土壤酶活性，根系生長參數(shù)，根系抗拉力和根土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度，以及它們之間的相關(guān)性，探究保水劑添加對根土復(fù)合體穩(wěn)定性的影響。結(jié)果表明：(1)在0.3%和0.5%保水劑濃度梯度下，保水劑添加降低了刺槐根系的抗拉力；(2)不同保水劑濃度對刺槐根土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度有不同效果，在0.3％保水劑濃度處理下，刺槐根土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度顯著降低，而在0.5％保水劑濃度處理下，刺槐根土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度沒有顯著變化；(3)抗拉力、抗剪強(qiáng)度與纖維素，半纖維素呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，與木質(zhì)素呈正相關(guān)關(guān)系，刺槐根土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度主要受內(nèi)聚力影響?？梢娫?.3%和0.5%保水劑濃度梯度下，保水劑添加降低了刺槐根系拉伸性能，根土力學(xué)特性與根系內(nèi)部成分顯著相關(guān)。

保水劑；礦山修復(fù)；根系生長；根土力學(xué)性質(zhì)

由于對礦產(chǎn)資源的過度采掘，我國廢棄礦山的數(shù)量迅速增加[1]。廢棄礦山經(jīng)自然演替恢復(fù)的時(shí)間較長，需通過人工修復(fù)技術(shù)縮短恢復(fù)時(shí)間。客土噴播技術(shù)從日本引進(jìn)后在我國得到廣泛應(yīng)用[2]。保水劑能夠增加土壤含水量，是客土噴播技術(shù)的典型組成部分[3]。與土壤結(jié)合使用的保水劑能夠提高土壤吸收和保持水分的能力[4]。保水劑是一種具有強(qiáng)大吸水和保水功能的高分子樹脂材料，它能夠吸收自身重量數(shù)百甚至數(shù)千倍的純水，其吸收的水分可以緩慢釋放給植物利用[5]。此外，保水劑還有促進(jìn)植物生長，提高根系活力的作用[6-7]。

然而，保水劑的添加對邊坡土壤穩(wěn)定性的影響研究較少。土壤抗剪強(qiáng)度對于邊坡的物理穩(wěn)定性至關(guān)重要[8]，根系抗拉特性是根土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度的決定因素[9]。許多研究表明，植物根系可以增強(qiáng)土壤抗剪強(qiáng)度[10]，因此，植物根系的抗拉性能對于邊坡穩(wěn)定性至關(guān)重要，其大小直接決定了根系材料的受力潛能。根系增強(qiáng)抗剪強(qiáng)度和根系抗拉力取決于與土壤密切相關(guān)的根系生長（根系內(nèi)部成分）[11]，土壤水分的分布和含量明顯影響根系生長[12]。因此，研究保水劑的添加對土壤穩(wěn)定性的影響至關(guān)重要。本研究探討保水劑與土壤抗拉、抗剪的關(guān)系，抗拉、抗剪與根系內(nèi)部成分、土壤養(yǎng)分，土壤酶之間的相互關(guān)系，以及保水劑對根系生長、土壤養(yǎng)分的影響，以期為礦區(qū)修復(fù)提供基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 研究地概況

盆栽試驗(yàn)于2018年12月—2019年11月在江蘇省南京林業(yè)大學(xué)下蜀林場溫室（31°7′ N，119°12′ E）內(nèi)進(jìn)行。溫室溫度保持在18～35 ℃，相對濕度為40%至80%，日光照周期為10至14 h，中午光合光子通量密度（PPFD）約為1 000 μmol·m-2·s-1。

1.2 植物種子、保水劑和土壤

刺槐種子購自天河苗圃公司（中國江蘇）。用苗圃基質(zhì)培育發(fā)芽的種子。將種子置于60 ℃水中攪拌5 min左右，然后用冷水浸泡種子24 h，之后用蒸餾水清洗種子。清洗完畢后，將種子與濕沙按1∶3配比混合，然后放置在20 ℃的培養(yǎng)箱中。之后種子用濕草片覆蓋，使其發(fā)育3～5 d，在此期間種子用30 ℃溫水噴灑使其濕潤。保水劑由南京林業(yè)大學(xué)理學(xué)院提供，制得的保水劑的吸水倍數(shù)為821 g·g-1、在0.9％的鹽水條件下吸水倍數(shù)為81 g·g-1[13]。試驗(yàn)中測得保水劑的酸堿度為5.9。試驗(yàn)所需土壤取自南京林業(yè)大學(xué)下蜀林場，取表土，通過2 mm篩，并與木質(zhì)纖維、有機(jī)肥、泥炭土和石粉混合作為苗圃基質(zhì)（土壤∶木質(zhì)纖維∶有機(jī)肥∶泥炭土∶石粉，92∶0.7∶5∶2∶0.3）。

1.3 試驗(yàn)處理

之前的研究表明，0.3%和0.5%的保水劑梯度對植物的促進(jìn)作用較好，因此選用這兩種梯度進(jìn)行根系抗拉抗剪試驗(yàn)。試驗(yàn)包括3個(gè)保水劑處理：B1（0％，每盆0 g）、B2（0.3％，每盆0.15 g），B3（0.5％，每盆0.25 g），選用刺槐作為樹種，每個(gè)處理設(shè)置10盆，總共為30盆，隨機(jī)選擇每個(gè)處理的5盆進(jìn)行測量。每個(gè)盆中裝滿5 kg的育苗基質(zhì)和相應(yīng)濃度的保水劑。

首先在盆中填充2/3的混合底物，然后將種子，保水劑加入盆中，最后將剩下的1/3的底物加入到盆中。從2018年12月到2019年11月在溫室中培養(yǎng)幼苗，每盆1株苗，每2周澆1次水，采用稱重法控制土壤水分含量（確保每盆含水量達(dá)到田間持水量的70％至80％）。在11月提取根樣品和鮮土樣品，并快速轉(zhuǎn)移到實(shí)驗(yàn)室中以保持新鮮度。用于土壤理化性質(zhì)測定的土壤取自根系土壤，將植物從盆栽中取出，去除附著在根系上的土壤，剪斷根系，在實(shí)驗(yàn)室中清洗根部，土壤抗剪試驗(yàn)保留原始土壤。

1.4 土壤性質(zhì)

土壤pH值使用PB-10酸度計(jì)（Sartorius GmbH，德國哥廷根）以1∶2.5的土水比（在去離子水中）測定。土壤總碳、總硫和總氮使用元素分析儀（Vario EL III，ELementar，德國）測定。土壤有效磷采取鉬銻抗比色法測定[14]。土壤速效鉀采取火焰光度計(jì)法測定[15]。土壤脲酶活性采取苯酸鈉-次氯酸鈉比色法測定[16]。土壤磷酸酶活性采用苯基磷酸二鈉比色法測量[17]，土壤蔗糖酶活性通過3, 5-二硝基水楊酸比色法測定[18]。土壤過氧化氫酶活性采取高錳酸鉀滴定法測定[19]。

1.5 植物根系生長指數(shù)和抗拉強(qiáng)度特性

根系經(jīng)過清洗后，使用LA2400掃描儀對已洗凈的根系進(jìn)行掃描并對刺槐的總根長、平均直徑、總表面積以及總體積進(jìn)行分析。根系的木質(zhì)素、纖維素和半纖維素使用微量法測定[20]。

對根系指標(biāo)進(jìn)行分析后，選取側(cè)根測量其直徑，便于進(jìn)行抗拉試驗(yàn)。使用精度為0.01 mm的游標(biāo)卡尺，在30 mm長的根上取3個(gè)位置進(jìn)行測量，3個(gè)位置分別是距離兩端5 mm的兩個(gè)點(diǎn)和中點(diǎn)。3個(gè)點(diǎn)的平均值被認(rèn)為是根直徑。將不同處理的刺槐根系按照根直徑升序排列，使用精度為0.01 N的測力計(jì)進(jìn)行根部拉伸試驗(yàn)，頂部和底部間隔設(shè)置為30 mm。為保證根樣斷裂是由于拉力而非其他因素，在中心位置10 mm內(nèi)斷裂的根部被認(rèn)為是有效試驗(yàn)，因?yàn)閵A具附近的根部破壞有可能是由機(jī)械損傷引起。每個(gè)根樣品共獲得了20個(gè)有效數(shù)據(jù)。

1.6 根土復(fù)合體的抗剪強(qiáng)度特性

在100、200、300和400 kPa荷載下，使用應(yīng)變控制直剪儀（ZJ-2，南京土壤儀器公司，中國南京）進(jìn)行剪切試驗(yàn)，以0.2 mm·min-1的速度進(jìn)行。為了比較無根土壤（CK）與根土復(fù)合體在不同荷載下的抗剪強(qiáng)度，制作了無根土壤和根土復(fù)合體兩種樣品。將土壤樣品放置在標(biāo)準(zhǔn)鋁箔采樣器（D 61.8 mm ×H 20 mm）中，利用壓樣法制作樣品，參照《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[21]進(jìn)行，具體操作流程如下：（1）將取回來的原狀土在105 ℃條件下烘干，降至室溫后過2 mm篩；（2）根據(jù)原狀土的干密度和天然含水率計(jì)算所需干土質(zhì)量及所需加水量；（3）將干土放置在干燥不吸水的平臺上，然后用噴壺噴水，使其達(dá)到所需含水量。（4）將土壤與水充分混合后置于干燥容器中，放置24 h根據(jù)取樣器尺寸和干密度，將根系（5根40 mm長的根段）與土體放入采樣器中，根系與根系平行，與剪切面垂直，最后分層壓實(shí)。

使用以下公式計(jì)算抗剪強(qiáng)度：

C（1）

其中是剪切應(yīng)力/kPa ，C是剪切設(shè)備的校準(zhǔn)系數(shù)（kPa/0.01mm），在本研究中為1.825 kPa/0.01mm，是剪切設(shè)備的結(jié)果（0.01mm）。

土壤內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角的計(jì)算公式如下：

tan（2）

其中是初試垂直荷載（kPa）。

1.7 統(tǒng)計(jì)分析

使用Excel進(jìn)行數(shù)據(jù)處理；使用SPSS 21.0進(jìn)行單因素方差分析（ANOVA，Duncan檢驗(yàn)）以檢驗(yàn)保水劑對各項(xiàng)指標(biāo)的影響；使用R語言分析根系抗拉力，根系抗剪強(qiáng)度與各指標(biāo)之間的關(guān)系。其余圖利用Origin 2015繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 保水劑添加對刺槐土壤特性的影響

保水劑添加對刺槐土壤特性的影響如圖1所示。保水劑的添加降低了土壤的pH值，并且隨著保水劑濃度的上升，土壤pH值逐漸下降，其中pH值在B3處理下顯著小于B1處理（＜0.05），B2和B3處理較B1分別降低了6.8％和9.3％。保水劑的添加對土壤AP、AK含量無顯著影響。B2、B3保水劑顯著降低了土壤TC含量（＜0.05）。B2保水劑處理顯著降低了土壤TN含量（＜0.05），但B3保水劑處理與B1處理無顯著差異。保水劑的添加對土壤中TS含量無顯著影響。

圖中B1，B2，B3分別表示0％，0.3％，0.5％保水劑濃度下處理。不同小寫字母代表處理間差異顯著（P＜0.05）。下同。

Figure 1 Effects of water retaining agent on soil nutrients ofroots

圖2 保水劑添加對刺槐根系土壤酶活性的影響

Figure 2 Effects of water retaining agent on soil enzyme activities ofroots

圖3 保水劑添加對刺槐根系生長指標(biāo)的影響

Figure 3 Effects of water retaining agent on root growth index of

保水劑添加對土壤酶活性的影響如圖2所示。保水劑的添加對土壤脲酶、酸性磷酸酶和過氧化氫酶的活性沒有顯著影響，但對蔗糖酶的活性有顯著促進(jìn)作用（＜0.05）。

2.2 保水劑添加對刺槐根系生長指標(biāo)的影響

2.2.1 保水劑添加對根系生長指標(biāo)的影響 保水劑添加對刺槐根系生長指標(biāo)的影響如圖3所示。添加保水劑對刺槐根系生長有一定的促進(jìn)作用，但并不顯著。B3保水劑處理對總根長、根表面積、根平均直徑和根總體積的促進(jìn)作用較B2強(qiáng)。對于總根長，B3保水劑處理較B1處理增加了30.23％；對于根表面積，B3處理較B1處理增加了35.23％；對于根平均直徑，B3保水劑處理較B1處理增加了5.4％；對于根總體積，B3保水劑處理較B1處理增加了44.2％。

2.2.2 保水劑添加對根系木質(zhì)素、纖維素、半纖維素含量影響 各保水劑處理對木質(zhì)素、纖維素和半纖維素的影響如圖4所示。各保水劑處理對刺槐根系木質(zhì)素、纖維素的影響無顯著差異。在B2保水劑處理下，對半纖維素含量有顯著促進(jìn)作用（＜0.05）。木纖比是指木質(zhì)素與纖維素的比值，可以反映二者的綜合特性。保水劑的添加對木纖比無顯著影響。

圖4 刺槐根系木質(zhì)素、纖維素和半纖維素的變化

Figure 4 Changes of lignin, cellulose and hemicellulose in roots of

圖5 不同保水劑處理下刺槐根系直徑與抗拉力之間關(guān)系

Figure 5 Relationship between root diameter and tensile strength ofunder different water retaining agent treatments

2.3 保水劑添加對刺槐單根抗拉特性的影響

2.3.1 保水劑添加對刺槐單根極限抗拉力的影響

不同保水劑處理下刺槐根系直徑與抗拉力之間的關(guān)系如圖5所示。單根極限抗拉力隨著根系直徑的增加而提高。保水劑的添加降低了根系的極限抗拉力，在同一根系直徑下，隨著保水劑濃度的增加，其單根極限抗拉力也隨之減少。

2.3.2 根系抗拉力與土壤特性、土壤根系指標(biāo)之間的關(guān)系 刺槐根系抗拉力與土壤特性、土壤根系指標(biāo)之間的關(guān)系如圖6所示。根系抗拉力與纖維素，半纖維素呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系（＜0.05），與木質(zhì)素，木纖比，pH呈正相關(guān)關(guān)系。同時(shí)，根系抗拉力與土壤全氮（TN）呈顯著正相關(guān)關(guān)系（＜0.05），與土壤全碳（TC）呈極顯著正相關(guān)關(guān)系（＜0.01），與蔗糖酶呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系（＜0.01）。木質(zhì)素與土壤TN呈極顯著正相關(guān)關(guān)系（＜0.01），纖維素、半纖維素與土壤TN呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系（＜0.01）。半纖維素與有效磷（AP）相關(guān)性顯著（＜0.05）。而土壤中蔗糖酶與土壤AP呈顯著正相關(guān)關(guān)系（＜0.05），與土壤TC、TN呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系（＜0.05），與土壤AK呈極顯著正相關(guān)關(guān)系 （＜0.01）。土壤TC與土壤pH相關(guān)性顯著（＜0.05）。過氧化氫酶與刺槐總根長、根表面積和根體積呈顯著正相關(guān)關(guān)系（＜0.05）。

2.4 保水劑添加對根土復(fù)合體抗剪特性的影響

2.4.1 保水劑添加對根土復(fù)合體抗剪特性的影響

保水劑對刺槐根土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度的影響如圖7所示。有根土壤的抗剪強(qiáng)度顯著大于無根土壤（＜0.05）。在不同垂直荷載下，保水劑對根土復(fù)合體的抗剪強(qiáng)度的影響有所不同。在100 kPa垂直荷載下，B2保水劑處理顯著小于B3處理（＜0.05），在200和300 kPa垂直荷載下，B2保水劑處理顯著小于B1，B3處理（＜0.05）。在400 kPa垂直荷載下，B2保水劑處理顯著小于B1處理（＜0.05）。

2.4.2 不同保水劑處理對于內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角影響

不同保水劑處理對于內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角的影響如圖8所示。對于內(nèi)摩擦角來說，B2保水劑處理顯著大于無根土壤（＜0.05），而B2保水劑處理顯著大于B3處理（＜0.05）。對于內(nèi)聚力來說，各保水劑處理對于內(nèi)聚力的影響趨勢與對根土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度的影響趨勢一致，在B1，B3保水劑處理下，抗剪強(qiáng)度顯著大于無根土壤（＜0.05），而B2處理對內(nèi)聚力的影響顯著小于B3處理（＜0.05）。

*表示在（P＜0.05）水平下顯著相關(guān)，**表示在（P＜0.01）水平下極顯著相關(guān)。

Figure 6 The relationship between the root tensile strength ofand soil characteristics, soil root index, and soil shear strength

CK是指無根土壤的抗剪強(qiáng)度，B1，B2，B3是指不同保水劑濃度（0％、0.3％和0.5％）處理下根土復(fù)合體的抗剪強(qiáng)度(P＜0.05)。下同。

Figure 7 Effects of different treatments onroot-reinforced soil shear strength

圖8 不同保水劑處理下刺槐根土復(fù)合體的內(nèi)摩擦角和內(nèi)聚力

Figure 8 Internal friction angle and cohesion ofroot-reinforced soil under different water retaining agent treatments

2.4.3 根土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度與內(nèi)聚力、內(nèi)摩擦角之間的關(guān)系 根土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度與內(nèi)聚力、內(nèi)摩擦角之間的相關(guān)性如圖9所示。在各垂直荷載下，內(nèi)聚力與抗剪強(qiáng)度呈極顯著正相關(guān)關(guān)系（＜0.01），內(nèi)摩擦角與抗剪強(qiáng)度沒有顯著相關(guān)性。

**表示在（P＜0.01）水平下極顯著相關(guān)。

Figure 9 Correlation among shear strength, cohesion and internal friction angle of root-reinforced soil

2.4.4 根土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度與土壤特性、根系指標(biāo)之間的關(guān)系 根土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度與土壤特性、根系指標(biāo)的相關(guān)性如圖6所示。總體上來說，根土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度與木質(zhì)素呈正相關(guān)關(guān)系，與纖維素、半纖維素呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。其中，在100、400 kPa垂直荷載下，抗剪強(qiáng)度與半纖維素呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系（＜0.05），在400 kPa垂直荷載下，根土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度與木質(zhì)素呈顯著正相關(guān)關(guān)系（＜0.05）。在400 kPa垂直荷載下，根土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度與AP呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系（＜0.05），其余荷載壓力下，抗剪強(qiáng)度與AP呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。在100 kPa垂直荷載下，抗剪強(qiáng)度與土壤TN呈顯著正相關(guān)關(guān)系（＜0.05），400 kPa垂直荷載下，抗剪強(qiáng)度與土壤TN呈極顯著正相關(guān)關(guān)系（＜0.01），其余荷載壓力下，抗剪強(qiáng)度與土壤TN呈正相關(guān)關(guān)系。在200、300 kPa垂直荷載下，抗剪強(qiáng)度與過氧化氫酶活性呈顯著正相關(guān)關(guān)系（＜0.05）。而土壤養(yǎng)分，土壤酶與根系生長指標(biāo)，根系內(nèi)部成分的關(guān)系在2.3.2已經(jīng)討論。

3 討論與結(jié)論

盆栽土壤中的pH值變化原因是多方面的，不僅受到土壤中水分的影響，還可能受到氣候、母質(zhì)等自然因素的影響[22]。本研究中土壤pH值隨著保水劑濃度的增加而降低，很可能是因?yàn)楸Ｋ畡┍旧淼乃嵝?。在本研究中，除蔗糖酶，土壤TN和TC外，保水劑的加入對土壤養(yǎng)分和土壤酶活性沒有顯著影響。保水劑對于土壤養(yǎng)分和土壤酶活性的影響，在前人的研究中不盡相同。在馬煥成等[23]的研究中，保水劑的添加顯著提高了土壤中氮磷鉀的含量。李倩等[24]的研究表明，保水劑能夠顯著促進(jìn)土壤中脲酶、磷酸酶、過氧化氫酶、蔗糖酶的活性，而在曲貴偉等[25]的研究中，保水劑添加顯著降低了土壤脲酶活性。分析其原因可能是因?yàn)楸Ｋ畡┓N類和濃度不同以及不同植物養(yǎng)分吸收策略的差異。

保水劑的添加對根系生長的影響總體來說并不顯著。在張宇君等[26]的研究中，保水劑的添加能夠顯著促進(jìn)白刺花幼苗的根長、根體積和根表面積，而在武毅等[27]的研究中，保水劑濃度較高時(shí)會對油松根系生長產(chǎn)生抑制作用。在本研究中，保水劑濃度可能沒有達(dá)到會對根系生長產(chǎn)生促進(jìn)作用的臨界值，因此保水劑的添加對根系生長沒有明顯的促進(jìn)作用。而木質(zhì)素、纖維素、半纖維素構(gòu)成了根的內(nèi)部成分。因此在本研究中，除0.3％保水劑處理對半纖維素有顯著促進(jìn)作用外，保水劑對根系內(nèi)部成分無顯著促進(jìn)作用。

刺槐的根系抗拉力隨著直徑的增加而增加，這與李謙等[28]的研究結(jié)果一致。添加保水劑后，同一根系直徑上，根系的抗拉力有所降低，這是由于水分含量的變化，導(dǎo)致皮層組織的膨脹和收縮[29]，張永亮[30]的研究結(jié)果也有相似的結(jié)論。

抗剪強(qiáng)度隨著保水劑濃度的變化有所不同。在200、300和400 kPa荷載下，0.3％保水劑處理下，根土復(fù)合體的抗剪強(qiáng)度顯著降低。而在0.5％的保水劑處理下，保水劑對土壤抗剪強(qiáng)度沒有顯著影響。這可能是因?yàn)楸Ｋ畡┑奶砑痈淖兞烁科べ|(zhì)組織的含水量，導(dǎo)致植物根系皮質(zhì)組織膨脹[31-32]，使同一根系直徑下根系韌性降低，從而引起了根土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度的變化。而在高保水劑濃度下，更多的水分被擠壓出土壤，提高了復(fù)合體的抗剪強(qiáng)度，因此在0.5％保水劑處理下，保水劑的添加對土壤抗剪強(qiáng)度沒有顯著影響。

土壤的抗剪強(qiáng)度主要取決于顆粒之間的相互作用，因此，土壤基質(zhì)之間的抗剪強(qiáng)度是顆粒接觸水平上運(yùn)動阻力的結(jié)果，主要受內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角的影響[33]。相關(guān)性分析表明，根土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度的變化主要是由內(nèi)聚力引起的，內(nèi)摩擦角也起到一定作用。保水劑的添加對內(nèi)聚力的影響趨勢與保水劑對根土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度的影響趨勢相同，對內(nèi)摩擦角無顯著影響。這與之前的研究結(jié)果相似[34]。這表明根土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度主要受內(nèi)聚力的影響，內(nèi)摩擦角對抗剪強(qiáng)度的影響并不顯著。

木質(zhì)化過程是根系生長的重要一步，木質(zhì)素的積累可以增強(qiáng)植物細(xì)胞壁的強(qiáng)度[35]。木質(zhì)素和半纖維素填充在細(xì)胞壁細(xì)纖維之間，能夠提高細(xì)胞壁的堅(jiān)固程度，阻止微生物的侵?jǐn)_，并且當(dāng)木質(zhì)素存在于細(xì)胞與細(xì)胞之間時(shí)，能夠把相鄰細(xì)胞粘接起來，增加莖干的抗壓強(qiáng)度。木質(zhì)化還能減小細(xì)胞壁的透水性，促進(jìn)植物疏導(dǎo)水分[36]。從根系單根極限抗拉力、抗剪強(qiáng)度與土壤特性和根系生長指標(biāo)的關(guān)系可以看出，抗拉力、抗剪強(qiáng)度與纖維素，半纖維素呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，與木質(zhì)素呈正相關(guān)關(guān)系。這在王博[37]關(guān)于黑沙嵩的研究中得到驗(yàn)證，趙麗兵等[38]、葉超等[39]的研究也有類似結(jié)果。刺槐根系抗拉力、抗剪強(qiáng)度與土壤養(yǎng)分和土壤酶活性之間關(guān)系密切。而木質(zhì)素、纖維素，半纖維素含量的變化與土壤中TN、AP的含量變化有關(guān)。而TN、AP與土壤酶和土壤養(yǎng)分之間也有一定的關(guān)系，而土壤酶活性與土壤特性，根系生長指標(biāo)之間也有一定的聯(lián)系。因此土壤養(yǎng)分和土壤酶可能通過影響根系內(nèi)部成分，間接影響了根系抗拉力和抗剪強(qiáng)度。

綜上，在0.3%和0.5%保水劑濃度梯度下，保水劑的添加降低了根系抗拉力。不同保水劑濃度對根土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度有不同效果，在0.3％保水劑濃度處理下，刺槐根土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度顯著降低，而在0.5％保水劑濃度處理下，刺槐根土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度沒有顯著變化。刺槐根系抗拉力與抗剪強(qiáng)度與根系內(nèi)部成分顯著相關(guān)，根土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度的變化主要是由內(nèi)聚力引起的，內(nèi)摩擦角也起到一定作用。目前，還沒有可行的方法來量化保水劑的積極和消極影響。因此，需要原位測量拉伸和剪切性質(zhì)

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Effects of water retaining agent on root soil mechanical properties of

NIE Hui, LI Chong, ZHANG Jinchi, JIA Zhaohui, MA Shilin, ZENG Jingyi, CHEN Meiling

(Jiangsu Province Key Laboratory of Soil and Water Conservation and Ecological Restoration, Co-Innovation Center for the Sustainable Forestry in Southern China, College of Forestry, Nanjing Forestry University, Nanjing 210037)

To explore the effects of water-retaining agent on root growth and root-reinforced soil mechanical properties, and provide a theoretical basis for promoting mine restoration, a water-retaining agent was added to the potting soil of, and three treatments were: B1 (0%), B2 (0.3%) and B3 (0.5%),respectively. The effects of water retention agent addition on the stability of root-soil complex were investigated by comparing and analyzing soil nutrients, soil enzyme activity, root growth parameters, root tensile strength and root-soil complex shear strength, and the correlation between them. The results showed that: (1) Under the concentration gradients of 0.3% and 0.5 % water retention agents, the addition of water retention agents reduced the tensile strength ofroots; (2)There were different effects on root-reinforced soil shear strength with different water-retaining agent concentrations, under the treatment of 0.3% water-retaining agent concentration, the root-reinforced soil shear strength was significantly reduced, while under the treatment of 0.5% water-retaining agent concentration, the root-reinforced soil shear strength did not change significantly; (3)Tensile strength and shear strength were negatively correlated with cellulose and hemicellulose, and positively correlated with lignin. The root-reinforced soil shear strength was mainly affected by cohesion. In conclusion, at the concentration gradient of 0.3% and 0.5%, the addition of water retaining agent decreased the tensile properties ofroots, and the mechanical properties of roots were significantly related to the internal components of roots.

water-retaining agent; mine restoration; root growth; mechanical properties of root-reinforced soil

S714.7

A

1672-352X (2022)05-0707-09

10.13610/j.cnki.1672-352x.20221111.003

2022-11-14 15:39:05

[URL] https://kns.cnki.net/kcms/detail/34.1162.s.20221111.1101.006.html

2021-12-21

江蘇省林業(yè)科技創(chuàng)新與推廣項(xiàng)目(LYKJ[2021]30)，百山祖國家公園科學(xué)研究項(xiàng)目(2021ZDLY01)，江蘇高校優(yōu)勢學(xué)科建設(shè)工程資助項(xiàng)目(PAPD)和江蘇省科技計(jì)劃項(xiàng)目(BE2022420)共同資助。

聶 暉，碩士研究生。E-mail：nh1263179511@163.com

張金池，博士，教授。E-mail：zhang8811@njfu.edu.cn