干濕作用對紫色土坡耕地生物埂土壤抗剪強度衰減-恢復效應

丁文斌，何文健，史東梅*，蔣光毅，蔣平，常松果

?

干濕作用對紫色土坡耕地生物埂土壤抗剪強度衰減-恢復效應

丁文斌1，何文健2，史東梅1*，蔣光毅2，蔣平3，常松果1

(1.西南大學資源環境學院，西南大學水土保持生態環境研究所，重慶 400715；2.重慶市水土保持生態環境監測總站，重慶 401147；3.重慶市水利電力建筑勘測設計研究院，重慶 400020)

在次降雨過程中，生物埂土壤內部經歷了干燥-濕潤-再干燥的干濕循環過程，對生物埂坎土壤抗剪強度和穩定性造成潛在影響；本文主要研究次降雨后干濕作用對桑樹生物埂土壤抗剪強度衰減-恢復效應。采用根系挖掘法、室內直剪試驗和土壤理化性質分析等綜合性研究手段，全面研究了桑樹生物埂根系分布、在次降雨前后(降雨第0～9天)干濕循環過程中生物埂土壤理化變化及抗剪強度響應特征、根系對土壤抗剪強度增強效應。結果表明：(1)不同徑級根系隨土層深度變化顯著，根徑級≤1 mm的根系集中于土層深度較淺(0～20 cm)位置，而2 mm<根徑級≤5 mm的根系在較深層次(20～40 cm)土壤中穿插生長。(2)桑樹生物埂土壤垂直層次土壤容重、土壤孔隙在次降雨前后均存在顯著差異(P<0.05)。除30～40 cm土層外，土壤容重在經過一次干濕循環作用后有所增加，增加幅度為5.47%～5.88%，且在第5天時土壤容重達到最大值(各層次依次為1.39，1.37，1.44 g/cm3)；土壤總孔隙度、毛管孔隙度隨干濕作用時間呈現先增大后減小的趨勢，在第1 天(峰值點)發生轉折變化。(3)生物埂土壤粘聚力和內摩擦角隨著含水率增加呈現出一階指數衰減變化，各層次土壤粘聚力和內摩擦角在干濕作用過程呈現出先衰減后恢復的“V”型變化趨勢；粘聚力與含水率的相關系數為0.68，內摩擦角與含水率的相關系數為0.73。(4)桑樹生物埂不同根系徑級土體的粘聚力、內摩擦角和抗剪強度與根長密度和根表面積密度呈正相關關系，相關系數在0.30～0.79之間。土壤粘聚力和內摩擦角隨含水率增加呈線性衰減的趨勢，在次降雨前后生物埂土壤容重、土壤孔隙特征表現為顯著性變化；土壤粘聚力和內摩擦角的變化與根長密度、根表面積密度呈正相關關系。生物埂能夠改善土壤結構及其土壤通氣性，提高土壤養分含量，降低土壤容重，增加土壤孔隙度，為坡耕地耕層作物的生長發育、產量的提高創造有利的條件。

生物埂；粘聚力；內摩擦角；抗剪強度；干濕作用；衰減-恢復效應

生物埂作為坡耕地常見的水土保持農業措施，不僅能提高坡耕地土地生產力，而且還能防止坡耕地水土流失，保護水土資源，改善農業生產條件[1-2]。相關研究表明，生物埂通過機械阻擋作用來減少土壤侵蝕、增加土壤貯水、改善土壤結構、提高土壤的抗剪抗蝕能力[3-4]。生物埂作為農林復合林業措施由國際林業委員會(ICRAF)第一任主席King及同事在20世紀60年代首次提出；在我國，在20世紀80年代黃秉維[5]先生提出復合農林業并呼吁在中國推廣；Oyedele等[6]通過對生物埂土壤理化性質的變化情況連續觀測，認為生物埂能有效改良土壤理化性質，特別對土壤孔隙結構方面效益顯著；Sudhishri等[7]利用生物埂孔隙結構的變化評價了生物埂措施對土壤肥力作用的影響，研究表明，生物埂措施通過改良土壤結構特征來促使土壤肥力的增加；龐有祝[8]認為生物埂各土層均出現不同程度土壤水分虧缺，土壤含水率隨土層深度呈現先增加后降低的變化；秦川等[9]研究了生物根系對土壤養分的影響特征。胡昕等[10]通過含水率對煤系土抗剪強度的影響研究表明，煤系土抗剪強度與土壤起始含水率具有明顯的相關關系，且含水率對粘聚力的變化影響存在臨界值；黃琨等[11]對非飽和土抗剪強度與含水率關系的試驗研究顯示，隨著含水率的增加，土體的抗剪強度降低，含水率對抗剪強度的影響主要表現在降低了土的粘聚力，對內摩擦角的影響較小；蒲玉琳等[12]通過對紫色土區植物籬模式對坡耕地抗剪強度的影響研究指出，植物籬模式明顯或顯著地提高土壤抗剪強度；張曉明等[13]研究了不同干濕效應對崩崗侵蝕區巖土抗剪強度的影響，倪九派等[14]通過室內三軸剪切試驗研究了干濕循環條件下重慶地區3種土壤抗剪強度的動態變化，楊和平等[15]對寧明原狀膨脹土進行了加荷條件下的干濕循環試驗；這些研究表明隨著干濕循環次數的增加，土壤抗剪強度指標會發生衰減。目前，對土壤抗剪強度的研究主要集中于單一因素(如含水率或根系)的影響及作用，并且試驗主要通過室內模擬實驗進行；在現實中由于劇烈的干濕變化(如雨旱交替)，引起生物埂土體抗剪強度呈突發性降低，進而導致大量埂坎失穩等現象的研究尚待深入。本文以紫色丘陵區坡耕地桑樹生物埂為研究對象，通過對根系全部挖掘和室內直剪法，主要研究：(1)桑樹生物埂根系分布對土壤抗剪強度的影響；(2)次降雨對桑樹生物埂土壤物理性質變化的干濕作用；(3)生物埂土壤抗剪強度對干濕作用的響應特征。研究結果可為生物埂埂坎穩定、坡耕地耕層穩定提供科學支撐以及水土環境的保護提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

研究于2014年3-9月在重慶西南大學紫色丘陵區坡耕地水土流失監測基地開展。該監測基地地處北碚向斜中部，土壤主要以中生代侏羅系沙溪廟組灰棕紫色沙泥頁巖母質上發育的中性紫色土為主，紫色土作為一種幼年土，受母巖影響明顯，其具有物理風化強烈、化學風化微弱、碳酸鈣不斷淋溶等特點；位于東經106°26′、北緯30°26′，海拔230 m，年平均氣溫為18.3 ℃，年降雨量1105.4 mm，以5-9月的降雨量最大，占全年雨量的70%。桑樹是紫色丘陵區主要的經濟林樹種，發展至今已形成大規模的桑樹地埂模式，因此，選擇在具有代表性的桑樹地埂為研究對象，采樣點位于桑樹根系外側生物梗10 cm處，具體布設如圖1所示，桑樹株高3.5 m，株間距0.8 m，樹齡8年，埂坎坡度70°，埂坎高3.5 m，坡長4.0 m。

圖1 試驗采樣點布設Fig.1 Layout of field test sampling point

1.2 生物埂土壤物理及力學指標測定

本研究生物埂上選取3棵桑樹標準株，共選擇4種降雨類型，分別為小雨、中雨、大雨、暴雨，對應降雨強度分別為0.64、1.42、2.37、3.46 mm/min；在降雨前1 d和降雨后第1、3、5、7、9天6個時間點，分層(0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm、30～40 cm)采集距標準株外側10 cm土樣(圖1)；各層次分別用鋁盒法測定含水率，環刀法測定土壤容重、孔隙度、飽和含水率等[16]，樣品用塑料薄膜密封，以上試驗重復3次。在采集測定土壤物理性質樣品的同時，采集桑樹生物埂根-土復合體抗剪環刀(直徑61.8 mm×高20.0 mm)樣品，每層采集4個，重復3次，樣品采集完后用塑料薄膜密封并編號分組包裝好。樣品帶回實驗室后，采用 ZJ 型應變控制式直剪儀進行剪切試驗，分別在 100，200，300和 400 kPa 荷 載 、 量 力 環 率 定 系 數 為1.695 kPa/0.01 mm 的條件下，測定土樣的抗剪強度指標(內摩擦角φ和粘聚力c)，試驗方法按照《土工試驗規程SL1999》要求進行[17]。

土壤抗剪強度采用荷蘭產便攜式 14.10Pocket Vane Tester 型三頭抗剪儀，采用 CLl02 型(小號) 旋頭進行測試，在試驗點開挖約為 10 cm×15 cm 的試坑，分別于 5，15，25，35 cm 的深度平面，用小鐵鏟將之整平，并注意保持土壤結構完整，不受破壞。根據該試驗土壤的性質(壤質土)選擇 CL100 型(中號)抗剪旋頭，將三頭抗剪儀先將指針歸0，抗剪儀頭部放至預定試驗深度。用手摁壓使抗剪儀徐徐壓入土中至預定試驗深度，并靜置 2～3 min。旋轉轉盤，直至土體開始被切斷時(即表示土體已被剪損)，記錄儀表盤上的X。土壤抗剪強度計算公式為：

Y=2.734X

式中:X為實測值，kg/cm2；Y為轉換后的土壤抗剪強度，kg/cm2。

1.3 生物埂根系分布采樣

本研究采用完全挖掘法采集桑樹生物埂根系，在采掘過程中盡量避免對根系的機械損傷。為使根樣具有代表性，選取生物埂上3棵桑樹標準株，開挖15 cm×15 cm×5 cm土坑，將挖出土壤置于 0.25 mm 的篩中沖洗，根徑、根表面積、根體積等根系參數均采用北京易科泰生態技術有限公司提供WinRHIZO根系分析系統進行分析測定。將掃描后的根系晾干并置于80 ℃干燥箱中干燥72 h，然后置于精密度1/1000的電子天平上稱量，進行根系生物量測定。

2 結果與分析

2.1 桑樹生物埂根系垂直分布特征

植物根系具有強大的固持水土功能，根系對土壤固持作用的大小主要取決于根系的空間分布特征和根系的抗拉力學特性。桑樹生物埂中不同徑級根系隨土層深度變化顯著(圖2)，桑樹根系根徑級≤1 mm的根長密度在0～10 cm層的根長密度(1.763 cm/cm3)顯著大于其他土壤層，其大小表現為0～10 cm>10～20 cm>20～30 cm>30～40 cm；1 mm<根徑級≤2 mm的根長密度主要集中于20～30 cm(0.034 cm/cm3)的土壤層，而2 mm<根徑級≤5 mm在0～10 cm(0.014 cm/cm3)和20～30 cm(0.013 cm/cm3)的根長密度顯著高于10～20 cm(0.009 cm/cm3)和30～40 cm(0.004 cm/cm3)。根徑級≤1 mm的根表面積密度隨著土層深度的增加而遞減(圖3)，0～10 cm的根表面積密度是30～40 cm的4.78倍；而1 mm<根徑級≤2 mm的根表面積密度最大值出現在20～30 cm的土壤層，值為0.015 cm2/cm3，顯著高于其他土壤層(P<0.001)；2 mm<根徑級≤5 mm的根表面積密度除30～40 cm(0.005 cm2/cm3)外，在其他土層分布比較均勻，數值在0.012～0.014 cm2/cm3之間。說明根徑級越小的根系集中于土壤表層(0～20 cm)附近的位置，而20～40 cm層土壤主要由較粗根徑級的根系穿插生長。

圖2 桑樹各徑級根長密度的垂直空間分布Fig.2 Vertical spatial distribution of root length density in mulberry tree diameter class

圖3 桑樹各徑級根表面積密度的垂直空間分布Fig.3 Vertical spatial distribution of root surface area density in mulberry tree diameter class

生物埂根系的空間分布與植物生物學特性、土層厚度、土壤容重等植物土壤因子的關系密切[9]，在0～10 cm的土壤層中，生物根系中以根徑級≤1 mm的細根分布為主，這主要是由于植物為了吸收其生長所需的水分和養分，同時細須根根系提高了生物埂的抗沖性能；2 mm<根徑級≤5 mm的粗根系在土壤主要起支撐和錨固的作用，在生物埂坎發生垮塌和崩塌過程中發揮主要的力學特性，維持生物埂坎的穩定性。

2.2 次降雨對桑樹生物埂土壤物理性質變化的干濕作用

2.2.1 生物埂土壤物理性質變化對暴雨的響應 自然狀態下的土壤在次降雨后，土壤含水率增加而緊實度降低，極易發生崩解；隨著降雨結束時間的延長，土壤收縮緊實度增大；在干燥-濕潤-干燥的干濕循環過程中，土壤物理特性會經歷衰減—恢復過程[14]。紫色土主要由石英、斜長石、蒙脫石、伊利石和部分含鐵的礦物質組成，由于紫色土含有一定的蒙脫石和伊利石(10%～20%)成分[18]，決定了紫色土具有膨脹特性，因此，紫色土結構會因干濕循環反復脹縮變形而破壞。次降雨前后桑樹生物埂土壤容重、孔隙度隨干濕作用變化差異顯著(表1)。

表1 不同干濕作用下土壤物理性質的變化特征Table 1 Changes of soil physical properties under different dry and wet conditions

注：在此處0、1、3、5、7、9分別代表降雨前1天和降雨后第1，3，5，7，9天6個干濕作用時間；同一土層同列數據不同字母表示處理在P<0.05水平差異顯著。
Note:Where 0,1,3,5,7,9,respectively represent 1 day before rainfall and rainfall after the 1,3,5,7,9 days of six dry and wet time;the same soil with the different letters mean there was significant difference inP<0.05 level.

土壤容重和孔隙結構是反映土壤松緊程度的重要指標，其大小與土壤抗剪強度數值緊密相連[19]。在次降雨前，各層次桑樹生物埂土壤容重在1.19～1.38 g/cm3之間，且隨土層深度的增加而增大。在次降雨之后隨干濕水平的變化，土壤容重呈現先逐漸增大后減小的變化趨勢。在干濕作用時間第0～1天，土壤容重降低幅度分別為1%(0～10 cm)、6%(10～20 cm)、7%(20～30 cm)、7%(30～40 cm)，這主要是暴雨后，土壤含水量急劇增加，土顆粒間結合水膜增厚，土體膨脹導致土壤容重下降。除30～40 cm土層外，其余3個土層容重均在干濕水平第5天達到最大值，從上到下依次為1.39，1.37，1.44 g/cm3，說明土壤水分蒸發導致土體發生干縮，土壤容重增加。在經過一次干濕循環過程后，除30～40 cm土層外，土壤容重與降雨前相比增加，增加幅度為5.47%～5.88%，表明干濕循環作用會導致紫色土容重增加。

土壤總孔隙度、毛管孔隙度隨干濕作用時間的延長均呈現先增大后減小的趨勢，非毛管孔隙度呈現先減小后增大的趨勢(表1)。在次降雨前，毛管孔隙度隨土壤深度的增加而減小，最小為26.36%(30～40 cm土層)；而非毛管孔隙度在30～40 cm土層達到最大(22.05%)，說明較大的非毛管孔隙是導致30～40 cm土層土壤疏松的主要原因之一。毛管孔隙和非毛管孔隙數量在干濕水平第0～1天差異顯著(P<0.05)，在隨后的干濕水平時間(干濕水平第3～9天)無顯著性差異。

2.2.2 不同干濕作用下土壤抗剪強度變化特征 土體抗剪強度是表征土體力學性質的一個重要指標，主要受土體的種類、結構以及含水率的影響[20-22]，其中以土壤含水率對抗剪強度的影響尤為明顯。在不同強度的降雨作用下，土壤含水率均呈現先增大后減小的變化趨勢(表2)，且不同降雨強度條件下的含水率最大值出現在小雨后第1天(29.39%)；在經歷干濕水平第1～9天時間段后，以小雨和大雨條件下的失水程度較大，失水程度分別為44.30%和48.51%，而以中雨條件的失水程度最小，為38.09%。

表2 不同降雨條件下桑樹生物埂土壤干濕作用變化特征Table 2 Changes of soil moisture content after rain mulberry bio-bank

對粘聚力和內摩擦角進行一階指數衰減擬合(圖4)，粘聚力和內摩擦角隨著含水率的增加而呈一階指數衰減，粘聚力和內摩擦角的相關系數分別為0.6820和0.7251，說明桑樹生物埂粘聚力和內摩擦角與含水率具有較好的擬合度；粘聚力衰減幅度顯著大于內摩擦角衰減幅度，粘聚力和內摩擦角與含水率分別呈y=57.218e-0.0806x和y=29.82e-0.0206x的冪函數關系。

2.3 生物埂土壤抗剪強度對干濕作用的響應特征

干濕水平的變化可以引起土壤水分性能、土壤體積的脹縮變形及抗剪強度特性的變化。不同干濕作用時間的土壤粘聚力和內摩擦角的變化特征見圖5。

由圖5可知，各層次土壤粘聚力和內摩擦角在干濕效應作用下呈先衰減后恢復的“V”型變化趨勢。各層次土壤粘聚力在衰減-恢復的過程存在明顯差異，0～10 cm、10～20 cm的土壤粘聚力在干濕作用第5天達到最小值，分別為11.55，11.61 kPa，而20～30 cm、30～40 cm的土壤粘聚力最小值分別出現在干濕作用第7天(17.07 kPa)和第3天(6.26 kPa)；各層次土壤粘聚力衰減程度依次為30～40 cm(18.11 kPa)>0～10 cm(15.80 kPa)>10～20 cm(15.28 kPa)>20～30 cm(6.99 kPa)，粘聚力恢復程度以30～40 cm(14.24 kPa)最大，20～30 cm(0.99 kPa)最小，粘聚力恢復后均未達到降雨前的水平，說明經過土壤干濕循環過程對土壤粘聚力產生弱化的作用。

土壤各層次內摩擦角衰減-恢復過程基本一致，各層次內摩擦角在干濕作用第1天均衰減到最小值，分別為0～10 cm(9.41°)、10～20 cm(8.78°)、20～30 cm(9.08°)、30～40 cm(9.02°)；各層次土壤內摩擦角的衰減程度差異較小，以0～10 cm層土壤衰減程度最大，為14.69°，30～40 cm的衰減程度最小，為12.84°；內摩擦角的恢復過程以第1～3天的時間段最為明顯，之后的恢復過程較為緩慢；內摩擦角恢復程度的順序為0～10 cm(13.33°)>10～20 cm(11.71°)>20～30 cm(11.02°)>30～40 cm(9.54°)，但均未恢復到降雨之前的水平，說明干濕循環過程對內摩擦角同樣具有弱化作用。

圖4 土壤粘聚力和內摩擦角與含水率的變化關系Fig.4 The relationship between soil cohesion,internal friction angle and water content

圖5 不同干濕水平土壤粘聚力和內摩擦角變化特征Fig.5 Variation characteristics of cohesion and internal friction angle of soil in different dry and wet levels干濕變化水平0，1，3，5，7，9分別代表降雨前1天和降雨后第1，3，5，7，9天6個干濕作用時間。The level of wet and dry change 0,1,3,5,7,9,respectively represent 1 day before rainfall and rainfall after the 1,3,5,7,9 days six wet and dry time.

不同降雨強度條件下，土壤粘聚力和內摩擦角隨干濕作用時間的變化差異明顯(圖6)。土壤粘聚力除暴雨條件(先降后升)外，其他不同降雨強度下呈逐漸增大的趨勢，隨干濕作用時間的增長，不同降雨強度條件下的土壤粘聚力逐漸恢復，恢復程度以中雨(1.42 mm/h)最大，恢復度達到8.71 kPa，大雨(2.37 mm/h)的恢復程度最小，為4.74 kPa。土壤粘聚力的變化呈現峰谷交織的變化形式，總體而言，不同降雨強度下的內摩擦角在干濕作用后恢復，恢復程度最大值出現在暴雨條件(3.46 mm/h)下，為13.33°。主要原因是小雨、中雨條件下降雨強度小于土壤穩定入滲率，導致降雨全部被土壤吸收，隨后土壤失水收縮導致粘聚力和內摩擦角恢復，而大雨、暴雨條件由于降雨強度較大，導致土壤孔隙阻塞，土壤不能完全吸收降雨水分，故粘聚力和內摩擦角變化出現差異。

圖6 不同降雨條件下土壤粘聚力和土壤內摩擦角隨干濕作用時間的變化特征Fig.6 Soil change characteristics with dry time of soil cohesion and internal friction angle under different rainfall conditions1,3,5,7,9分別表示次第1，3，5，7，9天5個干濕作用時間。1,3,5,7,9,respectively represent the 1,3,5,7,9 days five wet and dry time.

2.4 桑樹根系分布特征對土壤抗剪強度的影響

土壤抗剪強度由粘聚力和內摩擦角兩部分組成，且根系的存在能夠增加土體的抗剪強度[20-22]。桑樹生物埂不同根系徑級土壤的粘聚力、內摩擦角和抗剪強度與根長密度和根表面積密度達到顯著正相關，相關系數在0.301～0.793之間(表3)，說明根系的存在能夠顯著提高土壤的抗剪強度。原因在于植物根系的存在，一方面是生物埂土壤具有類似“鋼筋混凝土”的結構，粗根的“錨固”作用與細根的“固持”作用相結合，使生物埂土壤抗剪強度增大；另一方面是根-土相互作用不僅產生土粒與土粒之間的摩擦作用，同時還產生土粒與根系之間的摩擦作用，從而增加根-土復合體的內摩擦角[2]。

生物埂根系徑級<1 mm土壤抗剪強度與RLD(根長密度)和RSAD(根表面積密度)呈極顯著相關，相關系數分別為0.756和0.653；這是由于桑樹徑級<1 mm的根系相互纏繞、擠壓作用提高了土壤的粘聚力和內摩擦角，進而增強了土壤抗剪強度。桑樹生物埂根系徑級1～2 mm的RLD(R2=0.721)對抗剪強度(τ)顯著，而RSAD對抗剪強度(τ)不顯著(R2=0.402)；根系徑級2～5 mm的RLD(R2=0.607)和RSAD(R2=0.633)對抗剪強度顯著。

表3 土壤抗剪強度指標與桑樹根系分布特征的相關性Table 3 Correlation between the soil shear strength index and the root distribution characteristics of mulberry trees

注：RLD，根長密度。RSAD，根表面積密度。*表示在P<0.05水平下檢驗相關性顯著，**表示在P<0.01水平下檢驗相關性顯著。
Note:RLD,Root length density.RSAD,Root surface area density.* indicates a significant correlation at theP<0.05 level,and ** indicates a significant correlation atP<0.01.

3 討論

3.1 土壤含水量及土壤容重對抗剪強度的作用

土壤抗剪強度是土壤力學性質的重要指標，研究顯示，抗剪強度與含水量的大小密切相關。張曉明等[23]對干濕效應下崩崗區巖土抗剪強度的衰減研究表明，粘聚力和內摩擦角隨干濕變化呈非線性衰減趨勢，抗剪強度指標在13%左右呈現“峰值”；陳紅星等[24]通過含水率對抗剪強度的影響研究表明，粘聚力隨著含水率的增加基本呈現先增大后減小的趨勢，內摩擦角隨含水率的增加而線性減小；本研究基于野外降雨條件下土壤水分變化，研究顯示(圖5)，下雨后隨著土壤水分增加粘聚力和內摩擦角衰減，衰減程度分別為15.28～18.11 kPa和12.84°～14.69°，而后隨干濕作用時間的增長，含水量變少則土壤粘聚力和內摩擦角隨之恢復，恢復程度分別為0.99～14.24 kPa和9.54°～13.33°。原因在于次降雨之后土體中礦物、膠結物質遇水發生溶解、水化、水解等化學反應，部分礦物溶解于水中并隨水流運動，造成土體孔隙增大；而膠結物質的喪失將使粒間粘聚力大幅降低；土體的膨脹與水土化學作用的結果導致土的物理力學性質的改變，造成土體軟化，因此造成抗剪強度指標的降低；而后隨干濕作用時間的增長，土粒間水膜逐漸由原來連續性水膜過渡到間斷性水膜，固液態比例減少，相應地固氣態比例增加，產生土壤收縮，導致抗剪強度在水分減小過程中增大[23]。

表4 植物根系對抗剪強度的效應Table 4 Effects of plant roots on the shear strength

呂海波等[25]對南寧地區原狀膨脹土干濕循環試驗研究表明，膨脹土抗剪強度隨干濕循環次數增加而衰減，最終趨于穩定，且穩定時所需循環次數均隨含水率變化幅度的增加而減小；倪九派等[14]在干濕循環條件下重慶地區3種土壤抗剪強度的動態變化研究顯示，粘聚力和內摩擦角在干濕循環后總體呈減小趨勢。本研究表明，土壤容重和土壤含水量的交互作用對粘聚力和內摩擦角的作用較小，相對而言，土壤含水量對粘聚力和內摩擦角的影響更明顯。本研究基于小雨、中雨、大雨、暴雨4種自然降雨條件，但由于在長期的干濕循環交替變化下，地埂土體已基本趨于穩定，所以抗剪強度指標在干旱交替下的變化不存在明顯差異。

3.2 地埂根系對抗剪強度的增強效應

植物根系增強抗剪強度的作用與植物根系的類型密切相關。草本植物的根系主要分布在邊坡土體的表層，由于根系與表層土體緊密結合，增強了土體抗剪強度及其邊坡整體穩定性，草本根系增強邊坡土體穩定性效應主要表現在淺層根系的加筋固土作用；木本植物由于主根系粗壯、進入土層較深，能顯著提高根-土復合體的抗剪強度，主要表現在根系的錨固作用。植物根系對抗剪強度的增強效應見表4。

為了明確根系對抗剪強度的影響因素，本文對根長密度和根表面積密度與抗剪強度之間的關系進行分析，結果顯示根長密度和根表面積密度與抗剪強度呈顯著正相關(R2=0.695和R2=0.563)，且根長密度對抗剪強度的增強作用大于根表面積密度，這與劉窯軍等[31]的研究結果相一致。有關研究表明，根系對土壤抗剪強度的影響主要是顯著提高土壤粘聚力，而內摩擦角的變化不明顯[29,34]。本文分別對根長密度和根表面積密度與土壤粘聚力和內摩擦角的關系進行擬合，研究表明根長密度和根表面積密度對土壤內摩擦角的提高程度大于對土壤粘聚力的提高程度，與之前學者的研究結果出現差異。可能原因是由于土壤結構因干濕循環反復脹縮變形而破壞，導致試驗結果出現差異。

4 結論

1)不同土壤層根系分布存在差異，在0～10 cm的土壤層中，生物根系中以根徑級≤1 mm的細根分布為主，1 mm<根徑級≤2 mm的根系以20～30 cm的土壤層中最多，2 mm<根徑級≤5 mm的根系在各土層的分布較均勻。

2)生物埂土壤容重、孔隙度特征、田間持水量隨干濕作用時間變化差異顯著。隨著干濕作用時間的增長，土壤容重呈現先減小后增大并逐漸穩定；毛管孔隙和非毛管孔隙數量的變化主要發生在干濕作用第0～1天時間。

3)各層次土壤粘聚力和內摩擦角在干濕效應作用下呈現出先衰減后恢復的“V”型變化趨勢。土壤粘聚力衰減程度依次為30～40 cm(18.11 kPa)>0～10 cm(15.80 kPa)>10～20 cm(15.28 kPa)>20～30 cm(6.99 kPa)，土壤內摩擦角以0～10 cm層土壤衰減程度最大，為14.69°，30～40 cm的衰減程度最小，為12.84°；在干濕循環過程中，土壤粘聚力和內摩擦角均有所恢復，但均未達到降雨之前的水平，粘聚力恢復程度以30～40 cm(14.24 kPa)最大，20～30 cm(0.99 kPa)最小，內摩擦角恢復程度的順序為0～10 cm(13.33°)>10～20 cm(11.71°)>20～30 cm(11.02°)>30～40 cm(9.54°)；桑樹生物埂不同根系徑級土體的粘聚力、內摩擦角和抗剪強度與根長密度和根表面積密度達到顯著正相關，相關系數在0.301～0.793之間。

References：

[1] Cai Q G.Agroforestry and Soil Conservation in the Hilly Loess Region of Northwest Hebei[M].Beijing:China Environment Science Press,1998.蔡強國.冀西北黃土丘陵區復合農林業與水土保持綜合技術研究[M].北京:中國環境科學出版社,1998.

[2] Wang S S,Liu D Z,Shi D M,etal.Analysis on the soil and water conservation benefits of four bunds at edges of sloping land in purple hilly area.Scientia Agricultura Sinica,2013,46(19):4091-4100.汪三樹,劉德忠,史東梅,等.紫色丘陵區坡耕地生物埂的蓄水保土效應.中國農業科學,2013,46(19):4091-4100.

[3] Lupwayi N Z,Haque I.Leucaena hedgerow intercropping and cattle manure application in the Ethiopian highlands I:Decomposition and nutrient release.Biology and Fertility of Sails,1999,28(2):182-195.

[4] Cao S X,Chen L,Gao W S.Soft-ridged bench terrace design in hilly loess region.Chinese Journal of Applied Ecology,2005,16(8):1443-1449.曹世雄,陳莉,高旺盛.黃土丘陵區軟埂梯田復式配置技術.應用生態學報,2005,16(8):1443-1449.

[5] Huang B W.Slope land utilization and amelioration:important and feasibility.Geographicai Research,1987,6(4):1-5.黃秉維.華南坡地利用和改良重要性和可行性.地理研究,1987,6(4):1-5.

[6] Oyedele D J,Awotoye O O,Popoola S E.Soil physical and chemical properties under continuous maize cultivation as influenced by hedgerow trees species on an alfisol in South Western Nigeria.African Journal of Agricultural Research,2009,4(8):736-739.

[7] Sudhishri S,Dass A,Lenka N K.Efficacy of vegetative barriers for rehabilitation of degraded hill in eastern India.Soil &Tillage Research,2008,99:98-107.

[8] Pang Y Z.Underground Interaction Mechanism and Management of Agro Forestry Systems in the Loess Plateau[D].Beijing:Beijing Forestry University,2006.龐有祝.黃土高原農林復合系統地下互作機理及管理[D].北京:北京林業大學,2006.

[9] Qin C,He B H,Liu Y X,etal.Elfects ofHemerocallisroot system distribution characteristic on soil nutrients in terrace banks planted for hill slope protection.Acta Prataculturae Sinica,2013,22(5):256-264.秦川,何丙輝,劉永鑫,等.生物埂護坡上黃花根系分布特征及其對土壤養分的影響.草業學報,2013,22(5):256-264.

[10] Hu X,Hong B N,Du Q,etal.Influence of water contents on shear strength of coal-bearing soil.Rock and Soil Mechanic,2009,30(8):2291-2293.胡昕,洪寶寧,杜強,等.含水率對煤系土抗剪強度的影響.巖土力學,2009,30(8):2291-2293.

[11] Huang K,Wang J W,Chen G,etal.Testing study of relationship between water content and shear strength of unsaturated soils.Rock and Soil Mechanics,2012,33(9):2600-2604.黃琨,萬軍偉,陳剛,等.非飽和土的抗剪強度與含水率關系的試驗研究.巖土力學,2012,33(9):2600-2604.

[12] Pu Y L,Xie D T,Ni J P,etal.Effects of hedgerow patterns on soil shear strength and anti-scouribility on slope farmland in purple soil area.Scientia Agricultura Sinica,2014,47(5):934-945.蒲玉琳,謝德體,倪九派,等.紫色土區植物籬模式對坡耕地土壤抗剪強度與抗沖性的影響.中國農業科學,2014,47(5):934-945.

[13] Zhang X M,Wang Y J,Xia Y P,etal.Grey relational analysis and evaluation on anti shear strength of the undisturbed soil of typical vegetations in Jinyun Mountain in Chongqing City.Research of Soil and Water Conservation,2007,14(2):145-147,151.張曉明,王玉杰,夏一平,等.重慶縉云山典型植被原狀土抗剪強度的灰色關聯度分析與評價.水土保持研究,2007,14(2):145-147,151.

[14] Ni J P,Gao M,Wei C F,etal.Dynamics of soil shearing strength of three types of soils under wetting-drying alternation in Chongqing area.Act Pedologica Sinica,2013,50(6):1091-1098.倪九派,高明,魏朝富,等.干濕循環條件下重慶地區三種土壤抗剪強度的動態變化.土壤學報,2013,50(6):1091-1098.

[15] Yang H P,Zhang R,Zhen J L.Variation of deformation and strength of expansive soil during cyclic wetting and drying under loading condition.Chinese Journal of Geotechnical Engineering,2006,28(11):1936-1941.楊和平,張銳,鄭健龍.有荷條件下膨脹土的干濕循環脹縮變形及強度變化規律.巖土工程學報,2006,28(11):1936-1941.

[16] Institute of Soil Science,Chinese Academy of Sciences.Soil Physical and Chemical Analysis[M].Beijing:Science Press,1978.中國科學院南京土壤研究所.土壤物理分析[M].北京:科學出版社,1978.

[17] China National Standard Specification.Standard for Soil Test Method GB/T 50123-1999[S].Beijing:China Planning Press,1999.國家標準規范.土工試驗方法標準 GB/T 50123-1999[S].北京:中國計劃出版社,1999.

[18] Zhao J B,He X B,Shao T J.Material composition and microstructure of purple soil and purple Mudstone in Chongqing Area.Act Pedologica Sinica,2012,49(2):213-217.趙景波,賀秀斌,邵天杰.重慶地區紫色土和紫色泥巖的物質組成與微結構研究.土壤學報,2012,49(2):213-217.

[19] Liu J,Li X W,Ji Z H,etal.Soil water holding capacities and infiltration characteristics of three vegetation restoration models in dry-hot valley of Yuanmou.Acta Ecologica Sinica,2011,31(8):2331-2340.劉潔,李賢偉,紀中華,等.元謀干熱河谷三種植被恢復模式土壤貯水及入滲特性.生態學報,2011,31(8):2331-2340.

[20] Carrara A,Pike R J.GIS technology and models for assessing landslide hazard and risk.Geomorphology,2008,94(3/4):257-260.[21] Wang Y Q,Wang Y J,Zhang H J,etal.Impacts of soil structure on shear-resistantance of soil under different land uses in Jinyun Mountain of Chongqing City.Transactions of the CSAE,2006,22(3):40-45.王云琦,王玉杰,張洪江,等.重慶縉云山不同土地利用類型土壤結構對土壤抗剪性能的影響.農業工程學,2006,22(3):40-45.

[22] Pollen-Bankhead N,Simon A.Hydrologic and hydraulic effects of riparian root networks on streambank stability:Is mechanical root-reinforcement the whole story.Geomorphology,2010,116(3):353-362.

[23] Zhang X M,Ding S W,Cai C F.Effects of drying and wetting on nonlinear decay of soil shear strength in slope disintegration erosion area.Transactions of the CSAE,2012,28(5):241-245.張曉明,丁樹文,蔡崇法.干濕效應下崩崗區巖土抗剪強度衰減非線性分析.農業工程學報,2012,28(5):241-245.

[24] Chen H X,Li F H,Hao S L,etal.Effects of soil water content and soil sodicity on soil shearing strength.Transactions of the CSAE,2007,23(2):21-25.陳紅星,李法虎,郝仕玲,等.土壤含水率與土壤堿度對土壤抗剪強度的影響.農業工程學報,2007,23(2):21-25.

[25] Lv H B,Zeng Z T,Zhao Y L,etal.Experimental studies of strength of expansive soil in drying and wetting cycle.Rock and Soil Mechanics,2009,30(12):3797-3802.呂海波,曾召田,趙艷林,等.膨脹土強度干濕循環試驗研究.巖土力學,2009,30(12):3797-3802.

[26] Waldron L J.The shear resistance of root-permeated homogeneous and stratified soil.Soil Science Society of America Journal,1977,41(5):843-849.

[27] Wu T H,Mc Omher R M,Erb R T,etal.Study of soil-root interaction.Journal of Geotechnical Engineering,1988,114(12):1351-1375.

[28] Hengohaovanioh D,Nilaweera N S.An Assessment of Strength Properties of Vetiver Grass in Relation to Slope Stabilization[R].Thailand:International Conference on Vetiver,1996.[29] Yang Y C,Mo Y J,Wang Z F,etal.Experimental study on anti-water erosion and shear strength of soil-root composite.Journal of China Agricultural University,1996,(2):31-38.楊亞川,莫永京,王芝芳,等.土壤-草木植被根系復合體抗水蝕強度與抗剪強度的試驗研究.中國農業大學學報,1996,(2):31-38.

[30] Zhu J Q,Wang Y Q,Wang Y J,etal.Analysis of root system enhancing shear strength based on experiment and model.Rock and Soil Mechanics,2014,35(2):449-457.朱錦奇,王云琦,王玉杰,等.基于試驗與模型的根系增強抗剪強度分析.巖土力學,2014,35(2):449-457.

[31] Liu Y J,Wang T W,Cai C F,etal.Effect of vegetation restoration on soil shear strength of roadside slopes of unpaved roads in the three-gorges reservoir area.Acta Pedologica Sinica,2013,20(2):396-404.劉窯軍,王天巍,蔡崇法,等.植被恢復對三峽庫區土質道路邊坡抗剪強度的影響.土壤學報,2013,20(2):396-404.

[32] Yang Y H,Wang C H,Liu S Z,etal.Experimental research on improving shear strength of soil in surface landslide by root system of different vegetation type.Research of Soil and Water Conservation,2007,14(2):233-235.楊永紅,王成華,劉淑珍,等.不同植被類型根系提高淺層滑坡土體抗剪強度的試驗研究.水土保持研究,2007,14(2):233-235.

[33] Gai X G,Chen L H,Jiang K Y,etal.Shear characteristic research on root-soil composite in four kinds of roots of trees and different root buried ways.Scientia Silvae Sincae,2014,50(9):105-111.蓋小剛,陳麗華,蔣坤云,等.4種喬木根系不同埋根方式根-土復合體的抗剪特性.林業科學,2014,50(9):105-111.

[34] Chen C F,Liu H Z,Li Y P.Study on grassroots-reinforced soil by laboratory triaxial test.Rock and Soil Mechanics,2007,28(10):2041-2045.陳昌富,劉懷早,李亞平.草根加筋土的室內三軸試驗研究.巖土力學,2007,28(10):2041-2045.

[35] Zhang C B,Chen L H,Liu X P.Triaxial compression test of loess-root composites to evaluate mechanical effect of roots on reinforcing soil.Journal of Soil and Water Conservation,2009,23(2):57-60.張超波,陳麗華,劉秀萍.黃土高原刺槐根系固土的力學增強效應評價.水土保待學報,2009,23(2):57-60.

[36] Yu Q Q,Qiao N,Lu H J,etal.Effect study of plant roots reinforcement on soil.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2012,31(Supp.1):3216-3223.余芹芹,喬娜,盧海靜,等.植物根系對土體加筋效應研究.巖石力學與工程學報,2012,31(增1):3216-3223.

Effect of drying-wetting condition on attenuation-recovery of soil shear strength of bio-embankment on sloping farmland comprising purple soil

DING Wen-Bin1,HE Wen-Jian2,SHI Dong-Mei1*,JIANG Guang-Yi2,JIANG Ping3,CHANG Song-Guo1

1.CollegeofResourcesandEnvironment,InstituteofSoilandWaterConservationandEco-environment,SouthwestUniversity,Chongqing400715,China;2.ChongqingEco-environmentMonitoringStationofSoilandWaterConservation,Chongqing401147,China;3.ChongqingSurveyingandDesignInstituteofWaterResources,ElectricPowerandArchitecture,Chongqing400020,China

During rainfall the soil in bio-embankments undergoes a drying-wetting-re-drying process which may potential influence the shear strength and stability of bio-embankment soil.This study investigated the attenuated recovery of soil shear strength in a mulberry bio-embankment under drying-wetting conditions.The main purpose of the study was to undertake a comprehensive study of mulberry hedge root distribution before and after rainfall (rainfall 0-9 d),the wetting and drying process in bio-embankment soil,physicochemical changes and the influence of roots on soil shear strength.The results show:(1) Roots with root diameter ≤1 mm were concentrated at shallow depths (0-20 cm),while the roots with 2 mm

bio-embankment;cohesion;internal friction angle;shear strength;drying-wetting condition;attenuation-recovery effect

10.11686/cyxb2016298 http://cyxb.lzu.edu.cn

丁文斌,何文健,史東梅,蔣光毅,蔣平,常松果.干濕作用對紫色土坡耕地生物埂土壤抗剪強度衰減-恢復效應.草業學報,2017,26(6):56-67.

DING Wen-Bin,HE Wen-Jian,SHI Dong-Mei,JIANG Guang-Yi,JIANG Ping,CHANG Song-Guo.Effect of drying-wetting condition on attenuation-recovery of soil shear strength of bio-embankment on sloping farmland comprising purple soil.Acta Prataculturae Sinica,2017,26(6):56-67.

2016-08-17；改回日期：2016-11-17

公益性行業(農業)科研專項“坡耕地合理耕層評價指標體系建立(201503119-01-01)”和重慶市水利局科技項目 “紫色丘陵區面源污染防治措施效應評價(2012)”資助。

丁文斌(1991-)，男，甘肅天水人，碩士。E-mail:dingwenbin88@126.com

*通信作者Corresponding author.E-mail:shidm_1970@126.com