黑沙蒿與粉土質砂根-土及土-土界面摩阻特性

張 強，劉 靜，李 強，孫 旭，龐景文，張 欣

(1.內蒙古農業大學 沙漠治理學院，呼和浩特 010019；2.神東煤炭集團環保管理處，內蒙古伊金霍洛 017200；3.水利部牧區水利科學研究所，呼和浩特 010019)

水土保持植物措施具有保持水土、防風固沙、改善環境的生態功能[1-2]。植物根系在為植株提供生長所需營養的同時，會隨植物生長在地下縱橫發展，緊密穿插于周圍土壤中，形成根-土復合體。土層深處的粗根與土層淺層細根分別對土體起到錨固作用和加筋作用，增強了土體結構穩定性[3-5]。當植物在受到強風侵襲、地表塌陷、滑坡等外力作用時，根系與土壤之間會產生相對滑動趨勢，根-土界面之間產生的摩擦阻力在抵抗滑動位移發生的同時將植物根系的抗拉強度與土體的抗剪強度結合，有效提高根-土復合體強度，減少土體形變的發生[6]。因此，對植物根系與土壤之間的摩擦特性的研究已成為根系固土領域的熱點。

目前有關根-土界面摩擦的研究途徑主要有拉拔試驗和直剪試驗。曹云生等[7]和楊聞達等[8]分別對4種喬木根和山礬主直根進行室內單根拉拔試驗后發現，根系拉拔力隨土壤含水率的增大呈先增大后減小的趨勢；邢會文等[9]用剝根皮制樣法以檸條、沙柳根系和黃土為研究對象，對比分析檸條根-土界面與沙柳根-土界面之間的摩擦特性差異；劉亞斌等[10]采用電鏡掃描法從微觀結構角度分析了根系表面差異對檸條錦雞兒和霸王根-土面摩擦特性的影響。

黑沙蒿(Artemisiaordosica)又名油蒿，是一種具有抗風蝕、耐沙埋特點的固沙植物，廣泛分布于內蒙古中西部、甘肅、陜西、寧夏地區的固定和半固定沙丘，在中國水土保持建設與沙漠化防治過程中發揮顯著作用，而有關黑沙蒿根固土的研究則鮮有報道。因此，本研究以鄂爾多斯上灣礦區常見的水土保持先鋒灌木黑沙蒿及其生長地土壤為研究對象，通過室內根-土界面直剪試驗和室內拉拔摩阻試驗探究黑沙蒿根-土界面摩阻特性及影響因素，以期為植物根系固土提供理論依據和數據基礎。

1 材料與方法

1.1 試驗材料的采集

取樣地位于內蒙古鄂爾多斯市伊金霍洛旗上灣礦區，在2017年7月份選取地形平坦，黑沙蒿長勢良好的樣地，按照本根系固土力學實驗室[11]測得的黑沙蒿標準株指標選取黑沙蒿根系裝入黑色塑料袋覆蓋濕土后用保溫包帶回實驗室，放入4 ℃(與土溫近似)低溫培養箱保存，并開展室內試驗。

試驗土壤取自采根地，就地開挖一個100 cm深土層剖面，以每20 cm為一層，共5層，每層用直徑50.46 mm×高50 mm環刀按品字形分布取土3次，每剖面取15個土樣，共30個土樣，所測結果如表1。另取3 kg土作為試驗用土。用烘干法和環刀法測其土壤質量含水率、土壤干體積質量，并計算飽和含水率。土樣的粒徑成分使用Mastersizer 3000激光粒度分析儀測試，結果如表2。根據《土的工程分類》GB/50145-2007[12]中土的工程分類，將試驗土樣命名為粉土質砂(SM)。

表1 不同深度原狀土土壤與土壤質量含水率Table 1 Soil mass moisture content and soil of undisturbed soil at different depths

表2 原狀土土樣粒徑組成Table 2 Soil particle size distribution of undisturbed soil

1.2 試樣制備

1.2.1 直剪摩阻試驗 選取3～5 mm徑級、長度>7 cm的黑沙蒿直根，用刀片沿根軸方向剝離根表皮，用‘哥倆好’裝飾膠將完整的根皮粘貼于直徑為6.1 cm、厚0.9 cm圓形木片上，使每塊根皮相互平行且表面平整無凹凸，如圖1-A。為還原自然狀態，制好試樣用微濕毛巾遮蓋，備用。

黑沙蒿生理特性的研究表明黑沙蒿可在土壤質量含水率小于3%的環境中生存[13]，因此將重塑土的質量含水率設為3.94%、7.94%(自然質量含水率)、11.94%、15.94%、19.94%(近似飽和)共5個等差梯度，并按照《土工試驗規程》SL237-1999[14]中要求制備。上、下剪切盒各深2cm，下盒放1cm厚透水石與試驗根樣，根據土壤干體積質量與設定質量含水率，稱取適量重塑土分次放入直徑61 mm、高20 mm的環刀并用1 cm 厚透水石依次均勻壓實成1 cm厚土樣，擠壓透水石，使土樣與透水石進入剪切上盒，如圖1-B。土-土界面試樣與根-土界面土樣制作類似，其壓實厚度為2 cm。

A. 試驗根樣 Root sample；B.直剪摩阻試驗結構剖面 Structure section of direct shear friction test

1.滾珠 Roll balls；2.剪切力 Shear direction；3.根皮 Root epidermis； 4.木塊 Wood brick；5.加壓板 Press plate ；6.豎向壓力 Vertical load；7.透水石 Porous stone；8.土樣 Soil；9.剪切上盒 Up box；10.剪切下盒 Down box

圖1試驗根樣與直剪摩阻結構剖面圖
Fig.1Finishedtestrootandstructuresectionofdirectshearfrictiontest

1.2.2 拉拔摩阻試驗 選取長勢較直、表皮完好的已采集黑沙蒿根系，量取根長為8 cm，根徑在1～5 mm的根作為試驗根系。如圖2，把距離根端2 cm處設為夾口端，剩余部分根段用精度為0.01 mm游標卡尺等距測量5次根徑后取平均值，按照徑級在1～2 mm、2～3 mm、3～ 4 mm、4～5 mm分為4個梯度。

用內徑為6 cm，長為11 cm的PVC管中部對稱開直徑為1 cm的圓孔，用厚度為1 cm圓形木片封緊一側管口，添加重塑土(土壤質量含水率7.94%)，土到達圓孔時將根穿過圓孔，露出夾口端，繼續填土將PVC管填滿再加蓋圓形木片壓實，打開另一端木片繼續加土，在管口兩端重復加土，確保試驗根處于圓孔中央，避免與圓孔邊緣摩擦。當PVC管內土的體積質量達到試驗要求(1.77 g·cm-3)，將根-土復合體試樣固定于自制夾具備用。

圖2 試驗根Fig.2 Root tested

1.3 試驗儀器及方法

1.3.1 直剪摩阻試驗 采用ZJ型四聯應變控制式直剪儀，按照《土工試驗規程》SL237-1999的要求進行，將制好的試驗木塊以根軸線平行于剪切力方向放入剪切盒，設置剪切速率為0.8 mm·min-1以模擬土壤孔隙水承壓情況下的土體滑動狀態。黑沙蒿根系集中在0～170 cm土層中[15]，根據土力學[16]自重應力公式：

(1)

式中，σcz為地下深度為z處土層的自重應力，kPa；hi為第i層土的厚度，m;ri為第i層土的天然重度，kN;n為從地表到深度z處的土層數。

由此測得根系在72 cm處的自重應力為12.5 kPa,144 cm處自重應力為25 kPa，參照直剪試驗要求，另取2級壓力為50 kPa、100 kPa。

每組試驗重復3次，利用數采軟件記錄試驗剪切位移與抗剪強度，內摩擦角和黏聚力按照庫倫公式計算得出：

τ= tanφ·p+c

(2)

式中，τ為土體的抗剪強度，kPa；φ為土體內摩擦角，°;p為法向應力，kPa;c為土體黏聚力，kPa。

將內摩擦角正切值tanφ設為摩擦系數f[17]；c為根-土界面黏聚力；p為法向應力(垂直荷載)用來分析黑沙蒿根-土界面摩擦特性，所得公式如下：

τ= tanφ·p+c=f·p+c

(3)

土-土界面試驗與根-土界面方法一致。

1.3.2 拉拔摩阻試驗 選用TY8000伺服強力機，設置加載速度為10 mm·min-1,通過夾具固定根-土復合體式樣的夾口處勻速豎直向上拉拔，直至試驗根從土中完全拔出，通過軟件記錄拉拔過程中最大拉拔力，每根徑重復6次。根-土復合體單根拉拔試驗有2個假定：一個是拉根過程中，根與土體的界面摩擦應力分布均勻；另一個是根與土體界面均勻分布的摩擦應力與拉拔剪應力大小一致，合力為零，即：

τπdl-F=0

(4)

式中，τ為根-土界面拉拔剪應力，kPa；F為根被拔出時的最大拉力,N；d為根系的平均直徑，mm;l為根系在土中的長度,mm。公式(4)可變為：

τ=F/(πdl)

(5)

將根-土界面拉拔剪應力設為根-土界面抗剪強度τf[17]，即：

τf=F/(πdl)

(6)

2 結果與分析

2.1 土壤質量含水率對2種剪切界面抗剪強度的影響

黑沙蒿根-土界面與土-土界面抗剪強度受土壤質量含水率變化影響見表3。對不同土壤質量含水率條件下的黑沙蒿根-土界面與土-土界抗剪強度進行分析，隨著垂直荷載增大，抗剪強度增大。當抗剪強度在垂直荷載為12.5 kPa和25 kPa的條件下，2種剪切界面抗剪強度隨著土壤質量含水率的增大呈現出先增大后減小的變化趨勢。在土壤質量含水率為11.94%時根-土界面與土-土界面抗剪強度均達到極大值，土壤質量含水率為19.94%時，2種剪切界面抗剪強度值最小；當土壤質量含水率從3.94%增長到11.94%時，12.5 kPa和25 kPa所對應得根-土界面抗剪強度分別增加7.69%和14.53%，土-土界面抗剪強度分別增加15.23%和10.25%；土壤質量含水率由11.94%增加到19.94%時，12.5 kPa和25 kPa所對應的根-土界面抗剪強度分別減少10.54%和17.42%，土-土界面抗剪強度分別減少17.01%和23.52%。在垂直荷載為50 kPa和100 kPa時，2剪切界面抗剪強度隨土壤質量含水率的增加而減小，土壤質量含水率土由3.94%增加到19.94%，所對應的根-土界面抗剪強度值分別減少26.43%和17.19%，土-土界面抗剪強度分別減小20.43%和16.23%。同等垂直荷載與質量含水率條件下，黑沙蒿根-土界面抗剪強度均大于土-土界面。

表3 不同土壤質量含水率下2種剪切界面抗剪強度Table 3 Shear strength of two types of shear interfaces with different soil mass moisture contents kPa

2.2 土壤質量含水率對2種剪切界面摩擦系數的影響

2種剪切界面摩擦系數與土壤質量含水率關系如下圖3所示，隨著土壤質量含水率的增加，2種剪切界面摩擦系數均呈現下降趨勢，且黑沙蒿根-土界面摩擦系數均大于土-土界面。當土壤質量含水率從3.94%增加到19.94%時，黑沙蒿根-土界面與土-土界面所對應的摩擦系數分別由0.48和0.43降到0.38和0.35，降幅分別達到20.83%和18.60%。由圖4可以看出，在質量含水率遞增幅度相同情況下，黑沙蒿根-土界面摩擦系數減小率分別為5.88%、8.48%、6.34%、2.08%，表現出先增后減的趨勢；土-土界面摩擦系數減小率分別為8.60%、8.91%、1.68%、1.70%，在質量含水率區間為3.94%～11.94%時的減小率大于黑沙蒿根-土界面，在11.94%～19.94%時的減少率小于黑沙蒿根-土界面。

圖3 摩擦系數與土壤質量含水率關系Fig.3 Relationship between friction coefficient and soil mass moisture content

圖4 摩擦系數減小率與土壤質量含水率區間關系Fig.4 Relationship between reduction rate of friction coefficient and soil mass moisture content interval

2.3 土壤質量含水率對2種剪切界面黏聚力的影響

對不同土壤質量含水率與2種剪切界面黏聚力進行Duncan’s檢驗(P<0.05)后得圖5，由圖5可知，除根-土界面土壤質量含水率為3.94%與19.94%的粘聚力與土壤質量含水率無顯著差異外，土壤質量含水率的變化對黑沙蒿根-土界面和土-土界面黏聚力影響顯著，在土壤質量含水率為3.94%～11.94%時，對各土壤質量含水率梯度下2種剪切界面進行單因素方差分析(a=0.05)后發現，相同質量含水率下黑沙蒿根-土界面黏聚力和土-土界面黏聚力根無明顯差異，質量含水率為15.94%～19.94%時，相同質量含水率下黑沙蒿根-土界面黏聚力和土-土界面黏聚力存在顯著差異；土壤質量含水率與2種剪切界面黏聚力關系如圖5所示，黑沙蒿根-土界面與土-土界面黏聚力均隨土壤質量含水率增大表現出先增大后減小的變化規律，在土壤質量含水率為3.94%時，黑沙蒿根-土界黏聚力最低值為2.40 kPa,質量含水率為11.94%時對應的黏聚力為4.51 kPa(峰值),較3.94%時增長87.92%，質量含水率由11.94%增加至19.94%時，黏聚力減小為2.61 kPa，降低42.13%；相同質量含水率變化條件下，土-土界面的黏聚力從2.42 kPa增長至4.56 kPa(峰值),增長88.43%，最終減小為2.07 kPa,降低54.61%。對2種剪切界面的的黏聚力與土壤質量含水率之間進行函數擬合后得出：根-土界面y=-0.026 2x2+0.668 5x+0.008 2，R2=0.91；土-土界面y=-0.030 9x2+0.701 2x+0.186 2，R2=0.89。

不同剪切界面之間，不同大寫字母表示差異顯著(P<0.05) Indifferent shearing interfaces,different uppercase letters indicate significant difference (P<0.05);不同含水率之間，不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05) In different water contents,different lowercase letters indicate significant difference (P<0.05)

圖5黏聚力隨土壤質量含水率變化關系
Fig.5Relationshipbetweencohesionandsoilmassmoisturecontent

2.4 根徑對黑沙蒿單根拉拔摩阻特性的影響

通過根-土復合體拉拔試驗進一步驗證根徑對黑沙蒿根-土界面摩擦特性的影響。在自然質量含水率(7.94%)條件下1～5 mm根徑對黑沙蒿根-土界面拉拔摩阻的影響結果如圖6所示，黑沙蒿根徑與拉拔力之間呈明顯線性正相關關系,擬合方程為y=5.939 2x+2.675 2,R2=0.956。黑沙蒿根-土界面拉拔試驗所得抗剪強度與根徑關系如圖7所示，黑沙蒿根-土界面拉拔試驗所得抗剪強度隨根徑增大而減小，當根徑從1～2 mm增加到2～3 mm時，根-土界面抗剪強度由40.05 kPa減小到37.40 kPa，降低6.62%；根徑從2～3 mm增加到3～4 mm，根-土界面抗剪強度減小1.84 kPa，降低5.17%；根徑從3～4 mm增加到4～5 mm，根-土界面抗剪強度減小1.23 kPa，降低3.46%，抗剪強度相比前一徑級組的減小幅度隨徑級組增加而降低。對抗剪強度隨根徑變化關系進行函數擬合得出y=0.355x2-3.675x+43.363,R2=0.999。

圖6 拉拔力與根徑關系Fig.6 Relationship between pulling force and root diameter

圖7 抗剪強度與根徑關系Fig.7 Relationship between shear strength and root diameter

3 討 論

在黑沙蒿根系埋深72 cm、144 cm左右(即垂直載荷12.5 kPa、25 kPa)，隨著土壤質量含水率的不斷增加，2種剪切界面的抗剪強度均呈現出先增后減的變化趨勢。這與朱宏慧[18]研究4類土根-土界面摩擦特性的結果類似，因為從公式(3)可知，剪切界面抗剪強度由剪切界面摩擦強度和黏聚力組成，摩擦強度為摩擦系數與法向應力的乘積，由圖3可知摩擦系數隨土壤質量含水率的增大而減小，其原因是土壤質量含水率增加后，最初干燥粗糙的剪切界面隨水分的增加漸變光滑，過多的水分在垂直荷載的壓迫下在土粒間形成自由水，對剪切界面起潤滑作用，最終導致剪切面摩擦強度值減小[19]；在土壤體積質量不變情況下，起初存在于剪切界面間較為松散的土壤顆粒因土壤質量含水率的增加，土粒周圍增多的水分形成了水膜并附著于土粒周圍，致使土粒與水之間因結合水膜的存在而產生水交結作用增強剪切界面黏聚力[20-21]，隨著質量含水率增加，土粒與水的接觸機會增大，促使結合水膜作用面積上升，提高黏聚力，當土壤質量含水率繼續增大后，土粒周圍結合水膜增厚，水交結作用減弱，過量的水分與土壤中部分有機物質發生溶解水化，對剪切界面黏聚力產生削弱效果[22]。因此，土壤質量含水率增長的同時對剪切界面摩擦強度與黏聚力產生影響，最終影響到剪切界面抗剪強度。

剪切界面抗剪強度與黏聚力均隨土壤質量含水率增加表現出先增后減的變化趨勢，且均在土壤質量含水率為11.94%時到達峰值，這說明在7.94%～15.94%的土壤質量含水率范圍內存在一個最優土壤質量含水率(w),使剪切界面的摩擦強度值與黏聚力值之和達到最大[3,21,23]，即剪切界面抗剪強度最大值。因此，根據表4分別取黑沙蒿根系較為豐富的淺土層(埋深72 cm左右，垂直荷載12.5 kPa)，且土壤含水率在3.94%～19.94%的抗剪強度值進行函數擬合得到結果如表4。

求得表4函數的一階導數，并算得其最優質量含水率如表5 。

表4 12.5 kPa垂直荷載下2種剪切界面抗剪強度隨土壤質量含水率變化擬合函數Table 4 Simulation function of two types of shear interfaces with soil mass moisture content under a vertical load of 12.5 kPa

表5 擬合函數一階導數與最優質量含水率Table 5 First derivative of simulation function and the best mass moisture content

將根-土界面與土-土界面最優質量含水率帶入表4各自對應擬合函數中求得最優含質量水率下土-土界與根-土面抗剪強度理論峰值分別為8.07 kPa、8.51 kPa，與試驗結果土壤質量含水率11.94%所對應的土-土界與根-土面抗剪強度值8.17 kPa、8.54 kPa近似。這一結果與Zhou等[24]的研究結果相一致。

4 結 論

土壤質量含水率從3.94%增至19.94%,根系埋深144 cm以內的黑沙蒿與粉土質砂根-土界面和土-土界面的摩擦系數隨土壤含水率增大而減小，2種界面的黏聚力、抗剪強度均先增大后減小，且在土壤質量含水率為11.94%時達到峰值。隨著土壤質量含水率增加，2種界面的黏聚力對抗剪強度的影響大于摩擦系數。土壤含水率與土壤體積質量不變情況下，在1～5 mm根徑范圍的黑沙蒿根-土界面抗剪強度與根徑呈二項式函數負相關，細根的抗剪強度大于粗根。