保銳琴,段青松,李建興,黃廣杰,張立蕓,熊壽德,陳正發(fā),王建文
(1.云南農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院,云南 昆明 650201;2.云南農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利學(xué)院,云南 昆明 650201;3.中國(guó)電建集團(tuán)昆明勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,云南 昆明 650216;4.云南農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,云南 昆明 650201;5.云南地質(zhì)工程勘察設(shè)計(jì)研究院,云南 昆明 650041;6.云南省滇中引水工程建設(shè)管理局,云南 昆明 650224)
土壤崩解是指土壤在靜水中發(fā)生分散、碎裂、塌落解體且不可逆的物理過(guò)程,是土壤普遍存在的一種水理現(xiàn)象[1]。崩解是侵蝕發(fā)生的必要條件,為進(jìn)一步侵蝕提供物質(zhì)基礎(chǔ)和前提條件,因此,土壤崩解是研究土壤侵蝕機(jī)理的方法之一[2],土壤的崩解性主要用崩解量和崩解速率衡量。土壤崩解直接受成土過(guò)程、物質(zhì)組成、干濕交替、初始含水率、水熱環(huán)境等多種因素影響[3-9],其中初始含水率是直接決定土壤崩解的關(guān)鍵因素。李喜安等[10]研究發(fā)現(xiàn):當(dāng)初始含水率增大到一定程度時(shí),黃土崩解性急劇減小甚至消失,其原因是隨著初始含水率的增大,土壤塑性、孔隙性、滲水量等減小,不利于崩解發(fā)生;張國(guó)棟等[11]對(duì)膨脹性紅黏土的研究也得出相似結(jié)果。但有學(xué)者認(rèn)為土壤崩解速率隨土壤初始含水率的增加而增加[12],其原因是初始含水率較低的土壤吸水增重持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng),延遲了土壤進(jìn)入快速崩解階段的時(shí)間。植物根系穿插在土壤中,對(duì)土壤有“加筋錨固”的作用,可有效增加土壤抗侵蝕能力[13-14]。王桂堯等[15]認(rèn)為:根系提高土壤抗崩解作用的原因在于根系減少了雨水入滲產(chǎn)生的孔隙氣壓,還提高了土壤結(jié)合力;肖海等[16]發(fā)現(xiàn):狗牙根根系能夠減少飽和土壤崩解量并降低崩解速率;徐少君等[17]研究發(fā)現(xiàn):三峽庫(kù)區(qū)植物根系的根長(zhǎng)密度和根表面積密度能較好地表征飽和土壤的抗崩解能力。初始含水率的變化不僅影響土壤的崩解性,還會(huì)影響植物根系與土壤的作用方式[18],但初始含水率對(duì)含根土壤崩解的影響尚不清楚。
位于云南省西北部的三江并流區(qū),區(qū)內(nèi)怒江、瀾滄江和金沙江并行而流超過(guò)170 km,蘊(yùn)藏著豐富的水能資源,是中國(guó)重要的水電能源基地。該區(qū)域同時(shí)也是中國(guó)最大的世界自然遺產(chǎn)地、西南地區(qū)重要生態(tài)屏障的核心區(qū),但該區(qū)域生態(tài)脆弱、敏感,水土流失高發(fā),能源開(kāi)發(fā)與生態(tài)環(huán)境保護(hù)矛盾突出。電站水庫(kù)建成后,在庫(kù)周形成消落帶,其土壤處于周期性淹水和落干狀態(tài),導(dǎo)致嚴(yán)重的土壤侵蝕,危及區(qū)域生態(tài)安全和電站運(yùn)行安全。種植適生植物是恢復(fù)消落帶植被、減少土壤侵蝕的有效措施[19],但目前對(duì)消落帶土壤崩解性的研究主要集中于三峽庫(kù)區(qū)紫色土[20-21],針對(duì)三江并流區(qū)的研究才剛起步。本研究在三江并流區(qū)核心地帶的瀾滄江黃登電站消落帶開(kāi)展野外土壤崩解試驗(yàn),測(cè)定不同初始含水率條件下原狀草本根土復(fù)合體的崩解量和崩解速率、根系特征,分析初始含水率對(duì)三江并流區(qū)消落帶含根土壤崩解性的影響,以期為該區(qū)域消落帶的土壤侵蝕防控和植被恢復(fù)提供依據(jù)。
研究區(qū)為三江并流區(qū)核心地帶的瀾滄江黃登水電站庫(kù)尾,位于云南省迪慶藏族自治州維西傈僳族自治縣境內(nèi)(27°6′56″N,99°10′29″E),地處低緯高原,屬于亞熱帶與溫帶季風(fēng)高原山地氣候,年均氣溫14.9 ℃,年均降雨量938.6 mm。供試植物為狗牙根(Cynodon dactylon)、美人蕉(Canna indica)、風(fēng)車(chē)草(Cyperus alternifolius)、花葉蘆竹(Arundo donaxvar.versicolor)和菖蒲(Acorus calamus),均具有很強(qiáng)的耐淹和抗旱能力,是消落帶植被構(gòu)建和恢復(fù)的優(yōu)勢(shì)物種,于2019 年5 月種植。
2021 年5 月在黃登水電站庫(kù)尾左岸平緩開(kāi)闊的消落帶取深度為0~30 cm 的土樣,土壤呈棕褐色,自然條件下呈堅(jiān)硬或硬塑狀態(tài),結(jié)構(gòu)緊密,切面有光澤,裂隙不發(fā)育。經(jīng)測(cè)定分析,土壤為淤泥質(zhì)黏土,其基本理化性質(zhì)為:干密度1.36 g/cm3,pH 值8.17,有機(jī)質(zhì)含量11.71 g/kg,全氮含量0.87 g/kg,全磷含量0.62 g/kg,全鉀含量21.14 g/kg;顆粒直徑(d1)<0.002 mm 占57.23%,0.002 mm≤d1<0.020 mm 占27.21%,0.020 mm≤d1<0.200 mm占15.06%,0.200 mm≤d1<2.000 mm 占0.50%。
1.3.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)
試驗(yàn)設(shè)置素土和5 個(gè)含根土壤共6 個(gè)處理。分別選定長(zhǎng)勢(shì)較好且均勻的狗牙根、美人蕉、風(fēng)車(chē)草、花葉蘆竹和菖蒲5 個(gè)取樣區(qū)域,剪去植被地上部分,除去表面雜物,采用根鉆取出含根土樣,其中美人蕉土樣避免取到塊狀根部分;同時(shí)在含根土樣取樣點(diǎn)附近取不含根系的素土樣,每1 個(gè)處理取32 個(gè)樣品。取出土樣的側(cè)面用塑料薄膜包裹,上下兩端放置透水石,豎直置于水盆中浸泡48 h 至飽和,再經(jīng)歷24、48 和72 h 自然風(fēng)干,每個(gè)處理重復(fù)5 次,用于崩解試驗(yàn)。每個(gè)處理的土樣另各取3 個(gè)密封保存帶回試驗(yàn)室,用于土壤含水率的測(cè)定,測(cè)得飽和含水率為36.7%,風(fēng)干24、48 和72 h 土樣的含水率分別為15.2%、11.4%和7.2%。
1.3.2 現(xiàn)場(chǎng)崩解試驗(yàn)
采用圖1 所示裝置進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)崩解試驗(yàn),按《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50123—2019)[22]操作。試驗(yàn)開(kāi)始前,將崩解裝置安裝調(diào)適至合適位置,再將崩解架掛在數(shù)顯拉力計(jì)(艾德堡SH20-0.001 N)上且讀數(shù)(水中)置0;試驗(yàn)開(kāi)始時(shí),將土樣置于崩解架上,然后將崩解架懸掛在數(shù)顯拉力計(jì)上,利用升降旋鈕將崩解架緩慢放入崩解容器中,直至土樣的上表面與水面處于同一水平后開(kāi)始計(jì)時(shí)并讀數(shù),前10 min 每1 min 記錄1 次讀數(shù),之后每3 min 記錄1 次讀數(shù),試驗(yàn)持續(xù)90 min。
圖1 土壤崩解試驗(yàn)裝置Fig.1 Soil disintegration test apparatus
土壤崩解量(M,g)和崩解速率(vd,g/min)采用谷天峰等[23]的方法計(jì)算,計(jì)算公式為:
式中:M0為土壤樣品初始飽和質(zhì)量,g;m為拉力計(jì)的質(zhì)量讀數(shù),即土壤浮重,g;ma為初始拉力計(jì)的質(zhì)量讀數(shù),g;mb為終止拉力計(jì)的質(zhì)量讀數(shù),g;k為常數(shù);Δt為土壤崩解歷時(shí),未完全崩解則為90 min;ρS和 ρW分別為土壤和水的密度,g/cm3。
對(duì)于非飽和土,土樣浸水吸水增重的同時(shí)土粒崩落減重,求解過(guò)程相對(duì)復(fù)雜,參考文獻(xiàn)[23]簡(jiǎn)化部分條件進(jìn)行近似求解,即在崩解完成時(shí)測(cè)量未崩解的土壤質(zhì)量,此時(shí)土壤已經(jīng)飽和,將土樣的初始質(zhì)量及已崩解的質(zhì)量都換成飽和濕土的質(zhì)量,進(jìn)而計(jì)算崩解量(M)。以土樣在水中靜置時(shí)間為橫坐標(biāo),以拉力計(jì)讀數(shù)為縱坐標(biāo),得出不同初始含水率土樣的崩解過(guò)程曲線。
1.3.3 根系特性分析
在紗網(wǎng)內(nèi)清洗完成崩解試驗(yàn)的土壤,收集全部根系,裝入自封袋帶回實(shí)驗(yàn)室用Epson La 掃描儀進(jìn)行灰度掃描,再用WinRhizo Pro 根系分析系統(tǒng)測(cè)定根長(zhǎng)(root length,RL)和根表面積(roots surface area,RSA);掃描后的根系裝入信封內(nèi)在恒溫箱中烘干,獲得根系生物量(root weight,RW)。計(jì)算根質(zhì)量密度 (root weight density,RWD)、根長(zhǎng)密度 (root length density,RLD)和根表面積密度(roots surface area density,RSAD),計(jì)算公式為:RWD=土樣內(nèi)根系生物量/土樣體積;RLD=土樣內(nèi)根系總長(zhǎng)度/土樣體積;RSAD=土樣內(nèi)根系總面積/土樣體積。將根系按直徑(d2)劃分為4 個(gè)等級(jí):d2≤0.5 mm、0.5 mm<d2≤1.0 mm、1.0<d2≤2.0 mm 和d2>2.0 mm,并分析不同植物各徑級(jí)的根系特征。
采用 Excel 和 SPSS 26.0 整理數(shù)據(jù);采用Duncan’s 分析M、vd和根系參數(shù),并對(duì)M、vd與根系參數(shù)間進(jìn)行Pearson 相關(guān)性分析;用Origin 2019繪圖。
由圖2 可知:非飽和根土復(fù)合體的崩解過(guò)程可分為3 個(gè)階段。第1 階段:試樣放入水中后,周?chē)紳M大量氣泡,試樣吸水的同時(shí)發(fā)生崩解,拉力計(jì)讀數(shù)波動(dòng)上升,說(shuō)明土壤吸收水增加的質(zhì)量大于土壤崩落的質(zhì)量,吸水增重的強(qiáng)度表現(xiàn)為初始含水率越小,吸水強(qiáng)度越大;第2 階段,土壤吸水飽和后,開(kāi)始大量破裂、脫離,土壤崩解較為劇烈,拉力計(jì)讀數(shù)急劇下降,該階段為崩解的主要過(guò)程;第3 階段,隨著試驗(yàn)的進(jìn)行,僅有少量土粒散落,崩解較為緩慢,拉力計(jì)讀數(shù)下降很小,呈穩(wěn)定狀態(tài)。飽和土樣浸水后,沒(méi)有出現(xiàn)前期土壤吸水增重階段,直接進(jìn)入拉力計(jì)讀數(shù)減小的階段,隨著試驗(yàn)時(shí)長(zhǎng)的增加,拉力計(jì)讀數(shù)呈先緩慢減小再逐漸趨于平穩(wěn)的變化趨勢(shì)。
圖2 不同初始含水率(ω)土樣的崩解過(guò)程曲線Fig.2 Disintegration process curves of different soil samples with different initial water content (ω)
由表1 可知:同一處理下,土壤崩解量隨初始含水率的增加而減小,不同初始含水率間的土壤崩解量差異極顯著。不同處理下,初始含水率為7.2%時(shí),素土的土壤崩解量顯著大于有根處理;初始含水率為11.4%時(shí),狗牙根處理的土壤崩解量顯著小于其他土壤;初始含水率為15.2%時(shí),素土和狗牙根處理的土壤崩解量顯著小于其他處理;飽和含水率(36.7%)時(shí),有根處理的土壤崩解量均顯著大于素土。此外,初始含水率從11.4%到15.2%時(shí),除狗牙根外,其他植物根系的土壤崩解量從小于素土轉(zhuǎn)變?yōu)榇笥谒赝粒腋饔懈幚黹g不同初始含水率均以狗牙根處理的土壤崩解量最小、美人蕉的最大。初始含水率為 7.2%、11.4%、15.2%和36.7%時(shí),有根處理的平均土壤崩解量分別為素土的77.0%、92.4%、112.1%和362.8%,說(shuō)明初始含水率較低時(shí),根系能降低土壤的崩解量;初始含水率較高時(shí),根系增加土壤的崩解量。
表1 不同初始含水率下的土壤崩解量Tab.1 Disintegration amount under different initial water content g
圖2 中曲線下降趨勢(shì)較明顯的階段為土壤崩解的主要過(guò)程,此時(shí)土壤崩解速率能較好地表征土壤的崩解性。由表2 可知:不同初始含水率下,素土的崩解速率差異極顯著,且隨著初始含水率的增大,崩解速率減小。不同處理間,初始含水率為7.2%時(shí),素土的崩解速率顯著大于有根處理;初始含水率為36.7%時(shí),素土的崩解速率顯著小于有根處理。初始含水率為 7.2%、11.4%、15.2%和36.7%時(shí),有根處理的平均崩解速率分別為素土的71.4%、106.6%、127.5%和400.0%,說(shuō)明初始含水率較低時(shí),根系能降低土壤的崩解速率;初始含水率較大時(shí),根系提高了土壤的崩解速率。
表2 土壤崩解主要階段的平均崩解速率Tab.2 Average disintegration rate of major soil disintegration stages g/min
綜上所述,初始含水率較低時(shí),草本根系能降低土壤的崩解量和崩解速率;初始含水率較大時(shí),根系能提高土壤的崩解量和崩解速率,促進(jìn)土壤崩解。在5 種含根土壤中,以狗牙根的抗崩解性最強(qiáng)、美人蕉的抗崩解性最弱。
2.2.1 不同植物的根系特征
由表3 可知:根質(zhì)量密度表現(xiàn)為花葉蘆竹顯著大于風(fēng)車(chē)草和美人蕉,但與狗牙根和菖蒲之間無(wú)顯著差異;根長(zhǎng)密度表現(xiàn)為狗牙根、風(fēng)車(chē)草和花葉蘆竹之間無(wú)顯著差異,但顯著大于菖蒲和美人蕉;根表面積密度表現(xiàn)為風(fēng)車(chē)草與花葉蘆竹之間無(wú)顯著差異,但顯著大于其他3 種植物。
表3 不同植物的根系特征Tab.3 Root characteristics of different plants
由表4 可知:直徑(d2)≤0.5 mm 的根系中,狗牙根根系的根長(zhǎng)密度和根表面積密度顯著大于其他根系,其d2>2 mm 根系的根長(zhǎng)密度和根表面積密度顯著小于其他根系,說(shuō)明狗牙根細(xì)根多,粗根少;相較而言,風(fēng)車(chē)草和花葉蘆竹的根系特征較為接近,菖蒲和美人蕉的根系特征較為接近。
表4 不同植物和徑級(jí)(d2)的根系特征Tab.4 Root characteristics of different plants and diameters
2.2.2 不同植物根系對(duì)土壤崩解的影響
由表5 可知:在非飽和狀態(tài)下,含根土壤的崩解量(M)與根長(zhǎng)密度(RLD)、RLDd2≤0.5mm、RLD0.5mm<d2≤1.0mm以及根表面積密度(RSAD)、RSADd2≤0.5mm、RSAD0.5mm<d2≤1.0mm呈顯著或極顯著負(fù)相關(guān),與 RLD1.0mm<d2≤2.0mm、RLDd2>2.0mm、RSADd2>2.0mm呈顯著或極顯著正相關(guān),與RSAD1.0mm<d2≤2.0mm無(wú)顯著相關(guān)性;在飽和狀態(tài),含根土壤的M與RLD、RLD1.0mm<d2≤2.0mm、RLDd2>2.0mm、RSAD1.0mm<d2≤2.0mm、RSADd2>2.0mm呈顯著或極顯著正相關(guān),而與根質(zhì)量密度(RWD)顯著負(fù)相關(guān)。
表5 不同初始含水率下含根土壤崩解量與根系參數(shù)的相關(guān)性Tab.5 Correlation between the disintegration amount of root soil and root parameters under different initial water content
由表6 可知:初始含水率為7.2%時(shí),土壤崩解速率(vd)分別與 RLDd2≤0.5mm和 RSADd2≤0.5mm顯著和極顯著負(fù)相關(guān),與 RLDd2>2.0mm顯著正相關(guān);初始含水率為 11.4%和15.2%時(shí),vd與RLD、RLDd2≤0.5mm、RLD0.5mm<d2≤1.0mm、RSADd2≤0.5mm顯著或極顯著負(fù)相關(guān),與 RLDd2>2.0mm極顯著正相關(guān);在飽和狀態(tài)下,vd與 RLD1.0mm<d2≤2.0mm、RLDd2>2.0mm和RSADd2>2.0mm呈顯著或極顯著正相關(guān)。
表6 不同初始含水率下含根土壤崩解速率與根系參數(shù)的相關(guān)性Tab.6 Correlation between the disintegration rate of root soil and root parameters under different initial water content
綜上所述,在非飽和狀態(tài),直徑≤1 mm 的根系具有明顯的抗崩解作用,而直徑>2 mm 的根系具有促進(jìn)崩解的作用,總體而言,植物根系抗崩解作用大于促進(jìn)作用,可控制土壤崩解;在飽和狀態(tài),直徑≤1 mm 的根系特征與土壤崩解量和崩解速率的關(guān)系不顯著,而直徑>1 mm 的根系具有促進(jìn)崩解的作用,總體而言,根系具有促進(jìn)崩解的作用。
水在土壤崩解中扮演著重要的角色,初始含水率是決定土壤崩解的關(guān)鍵因素之一,直接決定了土壤顆粒膠結(jié)的狀態(tài)和離子之間原始連接力的大小[10]。本研究表明:三江并流區(qū)消落帶淤泥質(zhì)黏土崩解性隨初始含水率的增加而減弱,這與張曉媛等[12]對(duì)砂質(zhì)黏壤土靜水崩解速率的研究結(jié)論相似,其原因在于飽和度越高的土壤基質(zhì)吸力越小,吸水能力就越弱,水的入滲速度越小,土壤內(nèi)部孔隙壓力上升緩慢,有效緩解了土壤崩解[8,24],從本研究看,草本植物根系對(duì)該規(guī)律沒(méi)有影響。
本研究顯示:初始含水率較低時(shí)根系能抑制土壤崩解,隨著初始含水率的升高,根系的抗崩解作用減小或消失甚至?xí)龠M(jìn)崩解,在飽和土壤中根系會(huì)促進(jìn)土壤崩解;而肖海等[16]和徐少君等[17]研究表明根系在飽和土壤中有抗崩解作用。研究結(jié)果存在差異的可能原因是:壤土[16]和沙壤土[17]結(jié)構(gòu)相對(duì)疏松,根系對(duì)土壤起到固結(jié)保護(hù)作用;而本研究土壤屬淤泥質(zhì)黏土,土壤致密緊實(shí),孔隙少而小,崩解量少;加之供試植物已種植2 年,第1 年的根系有些已經(jīng)死亡,在土壤中形成了多而大的孔隙,這些孔隙隨著根系的走向形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),促進(jìn)水分在土壤內(nèi)的快速遷移[25-27],從而加快土壤崩解。LI 等[28]通過(guò)土柱實(shí)驗(yàn)表明根系作用下的飽和導(dǎo)水率是無(wú)根系條件下的 6 倍,因此,含根有可能會(huì)導(dǎo)致水在土壤中的蔓延速度變快,加快土壤崩解;此外,根系的交錯(cuò)穿插作用會(huì)使本來(lái)緊實(shí)板結(jié)的土壤發(fā)生松動(dòng)、結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,而有機(jī)質(zhì)的增多也能促進(jìn)團(tuán)粒狀結(jié)構(gòu)的形成,使土壤更加疏松[29]。
本研究土壤為淤泥質(zhì)黏土,質(zhì)地黏重,毛管孔隙小,初始含水率較低時(shí)強(qiáng)度較高,整體性好,但浸水易軟化,崩解性較強(qiáng);黏性土顆粒細(xì)小,隨著初始含水率的增加,膠結(jié)能力提高,崩解性降低[9]。根系促進(jìn)土壤內(nèi)部?jī)?yōu)先流和孔隙的形成,也使土壤發(fā)生松動(dòng),土壤浸水過(guò)程中入滲速度增大,在初始含水率較低時(shí)根系的加筋固結(jié)作用大于根系通道產(chǎn)生的負(fù)作用,對(duì)土壤崩解起抑制作用;隨著初始含水率的增大,素土土壤顆粒間的黏結(jié)性增強(qiáng),不易崩解[20],但根土復(fù)合體中土壤顆粒與植物根系間的摩擦力降低甚至滑出失效,當(dāng)初始含水率增大到一定程度時(shí),這種作用大于根系固土作用,使根土復(fù)合體的崩解性增強(qiáng)。除崩解侵蝕外,土壤的水力侵蝕還存在水流沖蝕作用,在初始含水率較高的情況下,根系雖然促進(jìn)了崩解,但也發(fā)揮出抗拉作用,能有效抵抗水流沖蝕,抗沖刷作用強(qiáng)??傮w而言,根系雖然存在固土抗蝕作用,但根系固土效果的評(píng)估應(yīng)該更加保守。
本研究表明:根系對(duì)淤泥質(zhì)黏土的抗崩解作用主要?dú)w功于直徑≤1 mm 的根系,這也是狗牙根根系比其他根系抗崩解性強(qiáng)的原因,狗牙根根系直徑≤1 mm 的細(xì)根占比較大,能充分接觸土壤,有效纏繞、串結(jié)土壤,增加土壤顆粒間的結(jié)合強(qiáng)度,降低土壤崩解性。直徑>2 mm 的根系對(duì)淤泥質(zhì)黏土的崩解起促進(jìn)作用,徐少君等[17]研究發(fā)現(xiàn)土壤抗崩解增強(qiáng)系數(shù)與直徑>2 mm 的根系特征之間無(wú)顯著相關(guān)關(guān)系,結(jié)合本研究的結(jié)果,可以認(rèn)為直徑>2 mm 的根系抗崩解作用不明顯,甚至?xí)龠M(jìn)崩解。
三江并流區(qū)消落帶淤泥質(zhì)黏土崩解性隨初始含水率的增加而減弱,草本植物根系的存在對(duì)該結(jié)果無(wú)影響。在土壤初始含水率較低的情況下,草本植物根系能抑制土壤崩解,隨著初始含水率的升高,根系抑制崩解的作用減小或消失甚至?xí)龠M(jìn)崩解;飽和狀態(tài)下,根系會(huì)促進(jìn)土壤崩解。在供試的5 種含根土壤中,狗牙根的抗崩解性最強(qiáng)、美人蕉的最弱。直徑>2 mm 的根系抗崩解作用不明顯,甚至?xí)龠M(jìn)崩解。因此,三江并流區(qū)消落帶植被恢復(fù)中,在適生性的前提下應(yīng)優(yōu)選細(xì)根植物。