草本植物根系對黃河故道區非飽和土特性的影響

張偉偉,江朝華,程 星,凌 成,金 秋

(1.河海大學港口海岸與近海工程學院,江蘇 南京 210098; 2.蘇交科股份集團有限公司,江蘇 南京 210017;3.南京市長江河道管理處,江蘇 南京 210011; 4.江蘇省水利科學研究院,江蘇 南京 210017)

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草本植物根系對黃河故道區非飽和土特性的影響

張偉偉1,2,江朝華1,程 星2,凌 成3,金 秋4

(1.河海大學港口海岸與近海工程學院,江蘇 南京 210098; 2.蘇交科股份集團有限公司,江蘇 南京 210017;3.南京市長江河道管理處,江蘇 南京 210011; 4.江蘇省水利科學研究院,江蘇 南京 210017)

為研究草本植物根系對沙質土壤非飽和特性的影響,試驗測定了黃河故道區3種含草本植物(狗牙根、高羊茅、香根草)根系土體和裸地素土的土-水特征曲線,將得到的土-水特征曲線與Brooks-Corey公式進行了擬合,并據此推導了含草本植物根系沙土的孔隙半徑變化指數和非飽和滲透系數函數。結果表明:相比裸地素土,含草本植物根系沙土的進氣值降低,持水性增強,含狗牙根、高羊茅、香根草根系的沙土平均孔隙半徑分別是裸地素土的26倍、12倍、59倍,當飽和度為25%～70%時,在相同飽和度下,含草本植物根系沙土比裸地素土的滲透系數提高了2～3個數量級;草本植物根系使黃河故道區沙土產生了團聚體效應。

根-土復合體;非飽和土;土-水特征曲線;草本植物根系；滲透系數函數;黃河故道

植物根系與土壤相互作用機理一直是土壤學研究的熱點,國內外學者大多從力學效應和水文效應兩個方面開展研究,力學效應研究方面主要通過拉拔錨固試驗測定根系的抗拉特性,通過直剪試驗或三軸試驗測定根-土復合體強度指標。李建興等[1-2]等通過試驗分別揭示了根-土復合體抗剪強度與草本植物根系分布特征(根長密度、根表面積密度等)、分形維數等因素的關系;而王元戰等[3-4]在重塑含草根土的強度特性研究中,發現存在最優含根率,使土壤在該含根率下強度最高。除了根系含量的影響,Docker等[5]注意到,對于粉質黏土,植物根系對土體抗剪強度增強效應還與土體的含水量有關。

在水文效應方面的作用研究則多集中于植物根系如何增加土坡入滲和抑制徑流。張瑩等[6]通過試驗測定了黃土區4種草本、4種灌木根-土復合體的滲透系數,發現在表層土中,草本植物根系的導水作用強于灌木。肖本林等[7]在灌木對黃土邊坡的加固效應研究中認為,植物根系對邊坡穩定性的水文效應包括根系吸水消耗孔隙水壓力,據此建立了依賴于根系密度和土壤含水率的根-土復合體的抗剪強度函數。

上述研究大都基于飽和土強度和滲流理論,只考慮植物根系對飽和土壤特性的影響,然而在涉及多因素耦合影響的實際問題中,如降雨入滲下生態邊坡的穩定性分析[8-10]以及植被發育岸坡在水位變動下的穩定分析[11-12]等,均應考慮植物根系作用下的非飽和土強度和飽和-非飽和滲流。隨著非飽和土理論在巖土工程界的應用日趨成熟,有必要在植物根系與土顆粒相互作用研究中分析土壤基質吸力的變化影響和非飽和滲透系數的變化規律。

筆者在前人研究應力狀態[13]、吸力范圍[14]、溫度[15]等因素對土壤非飽和特性影響的基礎上,開展黃河故道區含草本植物根系沙土和裸地素土的基質吸力特性試驗,試圖從土壤結構變形角度對草本植物根系影響沙土非飽和特性的機制作出分析。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗依托淮安市黃河故道干河下段(二河至漣水石湖段)治理工程。黃河故道西起河南省蘭考東壩頭,流經豫、魯、皖、蘇4省,至江蘇省濱海縣套子口入黃海。黃河裹挾的泥沙造就了黃河故道地區沖積平原的地貌,其中沙土約占黃河故道地區土地總面積的30%,是以黃泛沉積物母質發育而成,屬黃潮土亞類,其土質松散、黏結性差、透水性強。以沙土為主要成分的河坡縱向高差大,流速大,水流挾沙能力強,在暴雨和徑流沖刷下,堤坡、灘面、河坡面雨淋溝隨處可見,構成邊坡淺層失穩的隱患。為治理當地沙土質岸坡的水土流失問題,考慮采用植草護坡。根據工程前期地質勘察資料,試驗區裸地土壤主要理化指標如下:土體濕密度1.91 g/cm3,孔隙率44.75%,天然含水率13.6%,現場土質以砂壤土為主。

1.2 試驗草本植物

試驗區地處暖溫帶與亞熱帶交匯處,多年平均氣溫14℃,日照1 907～2 531 h,多年平均降雨量945.7 mm,降雨分布不均,70%的降雨量集中在7—9月,多年平均水面蒸發量851.4 mm。遵循因地制宜的原則,選擇狗牙根、高羊茅、香根草3種適應性好、根系發達、抗逆性較強的草本植物作為研究對象。

a. 狗牙根。狗牙根為多年生草本植物,根系呈根狀莖和匍匐枝,節間長短不一,分蘗節在發達的匍匐莖上不斷分生,而分蘗節上又生成走莖,新老莖節交織成網,在土壤中互相穿插。該草種為鄉土植物,喜光稍耐陰,在輕鹽堿地上生長較快,覆蓋度高,耐踐踏[16]。

b. 高羊茅。高羊茅為多年生草本植物,冷季型草坪草之一,適宜生長在寒冷潮濕和溫暖潮濕過渡帶,在肥沃、潮濕的土壤條件下生長最好,最適宜pH值為5.5～7.5[17]。由于其耐旱和耐踐踏的特性,多用作公園、運動場等固土護坡草坪草。

c. 香根草。香根草為多年生草本植物,原產于地中海地區,目前我國江蘇、浙江、福建及四川等地均有引種。根系網絡3～4個月可生長至l m,一年可達2～3 m,是目前世界上根系最長的草本植物。香根草對土壤的適應能力非常強,能在缺乏黏粒的砂土和鹽分濃度很高的鹽堿土中正常生長[18]。

1.3 試樣采集與制備

試驗需要含草本植物根系復合土體試樣,在研究區選定一塊常年撂荒地,其上僅有部分雜草,大部分表土裸露,除去雜草后,劃定3塊草本植物生長的10 m×10 m的試驗小區,狗牙根、高羊茅通過播撒草種種植,香根草通過截枝無性繁殖,在河坡上建植草坪,將其用于含草本植物根系沙土特性研究的試驗材料。

經過1a生長期后,在試驗區通過取土鉆不斷深挖,將狗牙根、高羊茅、香根草的根系完整取出,小心除去根系周圍土顆粒,觀測3種草本植物的根系長度和根系特征(表1),再用取土器取出直徑約為200 mm、高度約為300 mm的近圓柱形含草本植物根系沙土試樣,采用保鮮膜密封,保證根系新鮮、完整,土壤水分接近現場,帶回實驗室后立即放在切土盤上,用削土刀切削土樣，同時轉動切土盤，將土樣削成直徑61.8 mm、高度150 mm的標準試樣。

表1 試驗區3種草本植物的根系特征參數

1.4 含草本植物根系沙土基質吸力特性試驗

采用張力板法(軸平移)直接測量土體基質吸力,在一受大氣壓力的水容器底部裝一陶瓷板,其上放置試樣,由于土中的水壓力等于水容器中的水壓力,只需控制孔隙氣壓力值,再測定其對應吸力下的含水量,即可得到相應土體試樣的土-水特征曲線。

試驗裝置如圖1所示,其中壓力板儀采用美國 Soil Moisture 設備公司生產的1600型壓力板儀,內有高進氣值陶瓷板,本次試驗中所用高進氣值陶瓷板進氣值為500 kPa。

圖1 軸平移測定基質吸力試驗裝置

將陶瓷板下面的空氣排凈,并充滿水,以保證試樣水量變化可由量管讀數讀出,且試樣內孔隙水壓力為零。再將試驗土樣放入壓力室,使飽和土樣與飽和高進氣值陶瓷板充分接觸,飽和的高進氣值陶瓷針頭一端插入土中,另一端由充滿蒸餾水的連接管連到壓力室外的壓力量測系統上。

針頭插入非飽和土后迅速封閉壓力室,增加壓力室內的氣壓,防止量測系統中的水受到進一步張拉,直到作為零讀器的水銀塞保持不動,達到平衡,讀出量管讀數。逐級施加空氣氣壓并測量量管水量,以便反算含水量。施加最后一級空氣壓力后,稱量試樣質量,烘干后計算含水量,再利用兩次量管體積讀數差,反算不同吸力值下的試樣含水量。

2 試驗結果與分析

2.1 含草本植物根系沙土的土-水特征曲線

計算孔隙水壓力與孔隙氣壓力的差值作為基質吸力值u,對應的含水量換算為土壤的飽和度S,將結果繪制在半對數坐標中(圖2),以方便觀察每種試驗土樣的進氣值和殘余飽和度。

圖2 4種試驗土樣的土-水特征曲線

含草本植物根系沙土較裸地素土進氣值有所減小,土-水特征曲線更陡,即當吸力增大時飽和度呈現出較快的變化趨勢;而含草本植物根系沙土相較裸地素土的殘余飽和度增加,說明其持水性增強。

為利用土-水特征曲線進一步推定試樣土樣的滲透系數函數,需要用數學模型刻畫曲線。土-水特征曲線常用的數學擬合模型有3參數的Brooks-Corey模型(BC模型)和4參數的van Genuchten模型(VG模型)、Fredlund-Xing模型(FX模型)[19-21],其中,VG模型和FX模型在精度上優于BC模型,但是BC模型形式簡潔,且物理意義明確,故采用BC模型擬合試驗所得土-水特征曲線,BC模型為

(1)

式中:Sr為殘余飽和度;ua為進氣值;λ為孔隙半徑分布指數,λ越大,孔隙結構越豐富,反之孔隙結構越單一。

將試驗數據導入Origin軟件,基于式(1),采用非線性擬合算法,計算得出相應的擬合參數和相關系數如表2所示。

表2 4種試驗土樣土-水特征曲線擬合參數

表2擬合結果表明,4種試驗土樣的擬合相關系數均在0.90以上,說明BC模型可以有效應用于黃河故道區植被發育土壤的土-水特征的定量描述。由于ua值表征的是空氣剛進入土壤孔隙時的對應吸力,所以與土壤最大孔隙半徑呈負相關,可以得出4種土壤的最大孔隙半徑大小順序為含香根草根土、含狗牙根根土、含高羊茅根土、裸地素土;λ值反映的孔隙結構豐富度大小順序為含香根草根土、含高羊茅根土、含狗牙根根土、裸地素土。

2.2 草本植物根系對土壤孔隙結構的影響

(2)

式中:r為土壤孔隙半徑;f(r)為土壤孔隙體積分布的概率密度,即孔徑分布在r附近單位區間的概率;Rmax、Rmin分別為土壤中最大、最小孔隙半徑。

結合毛細定律:

(3)

(4)

將式(1)作為式(4)的補充方程,推導可得

(5)

(6)

式中:uba、λb分別為裸地素土的進氣值和孔隙半徑分布指數;uha、λh分別為含草本植物根系沙土的進氣值和孔隙半徑分布指數。

根據表2數據計算得含狗牙根根、高羊茅根、香根草根的沙土平均孔隙半徑變化指數分別為26、12和59,結合表2中孔隙結構豐富度結果可以認為,試驗草本植物根系改善了沙土松散的結構,形成了豐富的大空隙,這源于植物根系通過聯結、纏繞等作用在土壤中形成一定量的團聚體,相比裸地素土顆粒,團聚體之間形成的是大孔隙。大孔隙受的吸力小,在吸濕過程中優先吸水。所以,土壤團聚體較好時,大孔隙數量多,孔隙中水分排出時,土壤基質吸力僅發生較小的增加;與之相反,當土體比較松散時,低吸力下保持的水分數量少,水分較難排出,一旦這些水分排出時,吸力就有較大的增加,香根草和狗牙根是網狀根系,所以相比高羊茅的深直根,這種“團聚效應”更為明顯。

2.3 草本植物根系對非飽和滲透系數的影響

土樣飽和時的滲透系數用室內環刀法可簡單測得,裸地素土、含狗牙根根土、含高羊茅根土、含香根草根土的飽和滲透系數分別為18.15 mm/h、37.80 mm/h、48.39 mm/h和68.66 mm/h,而非飽和滲透系數隨土體飽和度變化且變動范圍很大而難以直接精確測量,所以考慮采用其他方法間接推測非飽和滲透系數隨飽和度的變化關系。

Mualem[20]提出土壤非飽和滲透系數與基質吸力之間有如下關系:

(7)

式中:kr為相對滲透系數;ks為飽和滲透系數;Se為相對飽和度。將式(1)代入式(7)積分,可得基于BC模型和Mealum理論的非飽和土滲透系數函數:

(8)

根據表2數據可計算得黃河故道區4種試驗土樣的滲透系數曲線如圖3所示。圖3表明,4種非飽和試驗土樣的滲透系數隨飽和度呈非線性增長。當飽和度低于25%時,4種試驗土樣的滲透性差異較小,而當飽和度為25%～70%時,3種含草本植物根系沙土比裸地素土的滲透系數提高了2～3個數量級,香根草最高可提高土壤滲透系數3個數量級。可見草本植物根系顯著增強了土體的滲透性,這與Docker等[5,21-22]關于非飽和土滲透特性的試驗和觀測結果基本一致,說明草本植物根系增加雨水入滲的效應不可忽略。而隨著飽和度逐漸提高至70%以上,含草本植物根系沙土的滲透系數仍高于裸地素土,但提高幅度已大大降低。

圖3 含草本植物根系沙土與裸地素土的滲透系數曲線

根據上述結果，分析其原因為：在入滲初期,由根系腐爛、穿插形成的根孔,在土壤中形成廣泛連續的大孔徑孔隙,使得土壤水分和溶質形成優先水流,導致水分在運動過程中不與土體發生充分的相互作用,而是直接快速地進入土壤深層,所以低飽和度時,植物根系增加入滲的效應并不明顯,隨著孔隙水壓力的增大,飽和度為25%～70%時,草本植物根系在土壤中形成的大量大孔隙逐漸體現優勢,使含草本植物根系沙土的滲透系數大幅增加,但是隨著含草本植物根系沙土中大孔隙逐漸趨于飽和(飽和度達70%以上),入滲水流轉向小孔隙運動,此時含草本植物根系沙土的孔隙優勢被削弱,其與裸地素土的滲透系數的差距逐漸縮小。

3 結 論

a. 含草本植物根系沙土比裸地素土進氣值降低,殘余飽和度提高;4種試驗土樣BC模型的擬合相關系數均在0.9以上,說明BC模型可以應用于黃河故道區植被發育土壤的土-水特征曲線模擬。

b. 草本植物根系影響沙土基質吸力和滲透系數的機理在于根系通過纏繞、穿插等作用在土壤中形成了豐富的團聚體和大孔隙,改變了黃河故道區沙土的松散結構。

c. 優勢大孔隙使含草本植物根系沙土在中飽和度(25%～70%)時對土體的滲透性增強顯著,植物根系增加雨水入滲的效應在飽和-非飽和滲流研究中不可忽略。

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Effects of root systems of herbs on characteristics of unsaturated soil in old course of Yellow River//

ZHANG Weiwei1,2, JIANG Chaohua1, CHENG Xing2, LING Cheng3, JIN Qiu4

(1.CollegeofHarbor,CoastalandOffshoreEngineering,HohaiUniversity,Nanjing210098,China; 2.JiangsuTransportationInstituteCo.,Ltd.,Nanjing210017,China; 3.NanjingYangtzeRiverManagementBureau,Nanjing210011,China; 4.JiangsuResearchInstituteofWaterConservation,Nanjing210017,China)

In order to study the effects of root systems of herbs on unsaturated characteristics of the sandy soil, experiments were conducted to determine the soil-water characteristic indices of bare soil and vegetated soil around the root systems of three herbs (Cynodondactylon,Festucaarundinace, andVetiveriazizanioides) in the old course area of the Yellow River. Based on the soil-water characteristic curves fitted with the Brooks-Corey equation, functions of the pore radius change index and the unsaturated permeability coefficient were established. The results show that, compared with the bare soil, the air-entry value of the vegetated soil decreased, and the water-holding capacity increased. The average values of the soil pore radius of the vegetated sandy soil withCynodondactylon,Festucaarundinace, andVetiveriazizanioideswere 26 times, 12 times, and 59 times that of the bare soil, respectively. The permeability coefficients of the vegetated soil were two to three orders of magnitude higher than that of the bare soil with the same saturation within a range from 25% to 70%. The results show that the root systems of herbs formed aggregates in unsaturated sandy soil in the old course of the Yellow River.

root-soil composite system; unsaturated soil; soil-water characteristic curve; root systems of herbs; permeability coefficient function; old course of Yellow River

水利部公益性行業科研專項(201101054)；江蘇省水利科技重點項目(201402)；江蘇省自然科學基金(BK20151496)

張偉偉(1992—)，男，碩士研究生，主要從事航道護岸結構與材料研究。E-mail：zww395@jsti.com

江朝華(1972—)，女，副教授，博士，主要從事港工新材料與新技術研究。E-mail：chaohuajiang@hhu.edu.cn

10.3880/j.issn.1006-7647.2017.01.013

TU411.91

A

1006-7647(2017)01-0073-06

2016-07-21 編輯：熊水斌)