石漠化區多花木藍和雙莢決明根土復合體抗剪特性研究

張喬艷 唐麗霞 潘 露 黃同麗 陳 龍

( 貴州大學林學院，貴州 貴陽 550025)

石漠化現象在亞熱帶喀斯特地區分布廣泛。該區土壤成土速率慢，土壤流失量小但危害大，土質疏松，孔隙度大，一旦流失會破壞土壤結構，導致石漠化的進一步發生。作為全國第9個縣縣通高速的省份，貴州省共有13萬km2的喀斯特面積[1-2]，邊坡破壞不可避免，因此修復邊坡，保持水土，美化環境迫在眉睫。傳統的灰色景觀護坡技術已不適應當今社會的發展而被生態護坡取代。生態護坡就是利用植物的枝葉攔截降水、減緩雨滴直接對地面的擊濺；利用淺根加筋和深根錨固等作用使得邊坡達到穩固[3-4]。具有抗拉而不具抗壓的根系和具有抗壓而不具抗拉的土體有機集合，使得根土復合體具有了抗拉和抗壓的性質，從而改變原狀土的力學性質[5-6]。

根土復合體抗剪強度特性的研究是解決根系固土機制的關鍵[7]。楊亞川等[8]首次提出并使用根土復合體的概念，為后來的研究提供了新的思路。格日樂等[9]和宋維峰等[6]的研究表明，根土復合體的抗剪強度不僅與植物的種類有關，還與土壤的含水率，干密度等物理性質密切相關。郭維俊等[10]、王元戰等[11]提出根土復合體的抗剪強度與根系材料、形態及土粒與土粒間的黏聚力和摩擦力有關。Mao等[12]和Bourrier等[13]通過室內直剪試驗表明，抗剪強度的變化除受根系排列方式和剪切面夾角影響外，還與根土截面比的變化有關。王涵等[14]研究表明，根系傾角對抗剪強度影響顯著，表現為素土的抗剪強度＜根系與剪切面呈90°的抗剪強度＜根系與剪切面呈45°的抗剪強度＜根系與剪切面呈135°的抗剪強度。已有的研究大多數集中在植物種類、根系的抗拉、傾角、布根方式，且土壤多為黃壤等北方地區常見土壤，而對于石漠化地區土層淺薄且粘性不高的石灰土，植物根系以根徑為中心呈輻射狀分布[15]，其根系固土護坡特性的研究較少。貴州石漠化區生長的代表性灌木多花木藍（Indigofera amblyantha）及雙莢決明（Cassia bicapsularis）因其對生境要求不高，根系發達且具有較強的穿透力，花美且花期長，是良好的水土保持和邊坡綠化樹種[16]。本試驗選取貴州石漠化區灌木樹種多花木藍和雙莢決明為對象，研究根徑、法向壓力、土壤含水率變化對復合體抗剪特性的影響，以期為石漠化區邊坡修復和生態恢復提供參考。

1 研究區概況

研究區位于貴州省貴陽市花溪區，地處東經106°39′3″，北緯 26°27′11″，海拔 1 130 m，屬于亞熱帶濕潤溫和氣候，年均降水量為1 200 mm，無霜期246 d，極端最高氣溫均值32.2 ℃，最低氣溫-2.2 ℃[17]。年均氣溫為15.3 ℃，陰天多，日照少，年均相對濕度為77 %。研究區為撒種自然恢復邊坡，無高大喬木，僅草本及灌木，土層厚度7 cm左右，母巖為碳酸鹽，其土層中含大小不等的沙礫。基巖裸露率約45 %。主要植被類型有多花木藍、雙莢決明、火棘（Pyracantha fortuneana）、馬桑（Coriaria nepalensis）等。土壤類型為黑色石灰土，經測定土壤pH為7.4。

2 材料與方法

2.1 根系及土體取樣

于2017年12月，選取邊坡（坡度23°）撒種自然生長了2 a，地徑2 cm長勢一致的多花木藍和雙莢決明，采用整株挖掘法進行挖掘，在研究區內隨機挖掘10株。選取生長正常，無病蟲害的根系清洗干凈，吸取多余水分將根分類編號并裝于密封裝中放于4 ℃的冷藏箱，并在24 h內進行試驗。在相鄰約10 m的裸地，去除表面雜質進行土樣的獲取，取土厚度約6 cm，帶回實驗室風干并研磨過2 mm篩，分袋保存。土壤為壤質粘土，其顆粒組成見表1。

2.2 根系分級

用精度為0.01 mm的游標卡尺進行根徑的測量，測根系3個等分點處的直徑，取其平均值作為根段的根徑。采集的多花木藍和雙莢決明根系集中分布在0.50～6.00 mm。為使根系徑級具有代表性，每隔1 mm根徑進行分級，共分為6級。分 別 為 1（（ 1.00±0.50） mm）， 2（（ 2.00±0.50）mm），3（（3.00±0.50）mm），4（（4.00±0.50）mm），5（（5.00±0.50）mm），6（（6.00±0.50）mm）。將分級后每級根剪成2 cm長度，每個根土復合體試樣中分布根系數量為1。

表 1 試驗土壤顆粒組成Table 1 Test soil particle composition

2.3 土樣制備

直剪試樣尺寸（直徑×高）為61.8 mm×20.0 mm，試樣截面積為2 998 mm2，根據野外測定的土壤含水率在11.2% ～22.4%，故而設定4個含水率梯度，分別為10.8%、14.3%、18.2%、23.1%。按照《土工試驗方法標準》（GB/T 50123—1999）制備試樣，土樣含水率計算方法見式（1）。稱取一定質量的風干土于亞克力不透水的托盤中，通過式（1）計算所需的含水量，用噴霧裝置均勻噴灑混勻后蓋緊，靜置一晝夜備用。

2.4 試樣制備及試驗方法

參照文獻[18-20] 制備試樣：

1）對照試樣的制備：由于石灰土含水率過低、粘性不高、易分散，無法壓實成型，且環刀壓土入直剪盒過程中會破壞土體，因此采用分層擊實的方法分3次將制備好的土壤倒入直剪盒中。

2）復合體試樣的制備及試驗：將直剪盒固定，放入一層土，輕輕撫平按實，再將分級制備的根倒插入土體中，根的布置方式為垂直布置，再倒入一層土，輕輕按實。如此循環，將所有的土放入樣盒，擺放根的位置在試樣正中心。每組試驗3次重復，不同根徑重復上述操作。用南京土壤儀器廠有限公司生產的ZJ型應變控制式直剪儀（四聯剪）進行試驗，設定剪切速率為0.8 mm/min，每組試驗在4個法向壓力（即50、100、150、200 kPa）下進行，每個法向壓力下做3次重復試驗。

3 結果與分析

3.1 根徑大小對根土復合體抗剪特性的影響

含水率為14.3 %，法向壓力為50 kPa時，多花木藍及雙莢決明根徑大小對根土復合體抗剪強度的影響見表2。由表2可知，對于多花木藍，根徑大小對不同植物的根土復合體抗剪強度的影響不一。其中素土（徑級為0）抗剪強度最低，表明根系的存在均不同程度的增加了土體的抗剪強度，表現為隨徑級的增加，抗剪強度呈增加-降低-增加的趨勢。根徑為3 mm時，多花木藍根土復合體具有最大抗剪強度36.13 kPa。根徑大小對根土復合體抗剪強度增強效果不一，素土與各根徑間，根土復合體抗剪強度差異顯著（P＜0.05）。表明根系的加入，無論根徑大小如何，均在一定程度增強了土體的抗剪強度。其中根徑2、4、5 mm根土復合體抗剪強度差異不顯著，5、6 mm差異亦不顯著。

表 2 2種灌木根徑與根土復合體的關系Table 2 Relationship between 2 shrub root diameters and root-soil complex

對于雙莢決明，根土復合體抗剪強度與根徑的關系與多花木藍相似，但不盡相同，根徑1、4、5 mm根土復合體抗剪強度差異不顯著，根徑3、4 mm時，根土復合體抗剪強度差異亦不顯著。根徑為2 mm時，雙莢決明根土復合體具有最大抗剪強度35.32 kPa。雙莢決明根徑1、2 mm對根土復合體抗剪強度的增加值大于多花木藍，隨根徑的繼續增加，增強作用不如多花木藍；雙莢決明根徑為2 mm與根徑6 mm時，根土復合體抗剪強度均較大，且差異顯著（P＜0.05）。

綜上，隨著根徑的增加，根土復合體抗剪強度總體為先增加后降低再增加的趨勢，多花木藍根徑3 mm時效果最優，而雙莢決明則為2 mm時。就根系的最大增強作用看，根徑大小對多花木藍和雙莢決明根土復合體剪抗強度變化影響差異顯著，進一步表明根系的存在在一定程度上增強了土體抵抗剪切的能力。

3.2 法向壓力對根土復合體抗剪特性的影響

法向壓力的大小是復合體密實度大小的表征。以含水率14.3%，分析法向壓力對根土復合體抗剪強度的影響，見圖1（多花木藍根徑3 mm，雙莢決明根徑2 mm）。由圖1可知，2種植物根土復合體抗剪強度隨法向壓力的增加而顯著增大，呈顯著正相關關系（r=0.97，P＜0.05），且2種植物根土復合體抗剪強度在不同法向壓力下差異性顯著（P＜0.05）。其次，對于雙莢決明，抗剪強度整體小于多花木藍，但在150 kPa時，略高于多花木藍。法向壓力以改變復合體的密實性來增加土體的抗剪強度，無論是多花木藍還是雙莢決明，法向壓力的變化對根土復合體抗剪強度存在較大影響，且差異顯著。結合表2分析可知，就根土復合體抗剪強度的增加大小而言，法向壓力的改變對根土復合抗剪強度的增強作用明顯大于根徑。

圖 1 法向壓力對抗剪強度的影響Fig. 1 Effects of normal stress on the shear strength

3.3 含水率對根土復合體抗剪特性的影響

含水率是影響根土復合體的一個重要因素。石漠化區土層淺薄，石灰土粘性不高，因此選取法向壓力相對較小（50 kPa），多花木藍根徑為3 mm，雙莢決明根徑2 mm的組合來分析含水率對根土復合體抗剪強度的影響。由圖2可知，無論是根土復合體還是素土，抗剪強度均隨含水率的增加呈先增加后減小的趨勢。當含水率為23.1%時，根土復合體抗剪強度小于素土，含水率10.8%和18.2%時，根土復合體抗剪強度差異不大；含水率為14.3%，根土復合體抗剪強度相對最大，由此可知含水率為14.3%左右可能是最佳含水率。

此外，含水率為23.1%時，多花木藍和雙莢決明根土復合體抗剪強度均小于素土。此含水率下，多花木藍根土復合體的抗剪強度為24.3 kPa，雙莢決明根土復合體抗剪強度為23.17 kPa，素土抗剪強度25.10 kPa，有根存在的復合體抗剪強度卻小于素土。由此表明，對于粘性不高的石漠化區石灰土-根復合體，含水率過大，根系的存在會在一定程度降低根土復合體的抗剪強度。

圖 2 土壤含水率對土樣抗剪強度的影響Fig. 2 Effects of soil moisture contents on shear strength of soil-root composites

4 結論與討論

根徑的大小在一定程度上影響根系強度的空間分布[21]，測定其抗剪強度是定量評價植被穩定邊坡的重要依據。根土復合體抗剪強度隨根徑的增加總體上呈先增加后降低再增加趨勢，由于根徑的不同，增值不完全一致。對于雙莢決明根徑2 mm和6 mm時根土復合體抗剪強度差值不大。原因在于：一是細根與土體膠結較好，在根徑2 mm左右時最佳；二是隨著根徑的增加，根系變粗，根系在土體中易松動，根土膠結降低，但隨著根徑達到一定的程度，根系自身發揮了抵抗剪切破壞的作用，從而增加了根土復合體的抗剪強度；三是在土層淺薄的石漠化區，多花木藍最大抗剪強度僅為36.13 kPa，雙莢決明為35.32 kPa。這與Islam等[22]的研究結論——根對無粘性的土體難以發揮作用相符。抗剪強度隨根徑增加總體呈先增加后減小的趨勢，多花木藍復合體最大抗剪強度出現在根徑為3 mm，雙莢決明則在2 mm。主要原因是：1）粗根在密實性較差且粘性不高的土體中不易與土體形成一個整體而滑動，在剪切破壞發生時，根系易滑動導致未完全發揮其自身抵抗破壞的作用。2）根系材料具有多項非均勻及各向異性等復雜的生命特征，導致植物不同，最佳根徑范圍有所差異。

法向壓力的大小體現了復合體密實性的優劣，土體密實性越好，抗剪強度也越大，這與廖晶晶等[23]、Fan等[24]的研究一致，同時也說明土體密實度越大，根系加筋效果越顯著。法向壓力對根土復合體抗剪強度的增強作用顯著大于根徑。對于法向壓力150 kPa時，雙莢決明根土復合體抗剪強度高于多花木藍，可能是在150 kPa時，土體密實性較好的前提下，雙莢決明根徑2 mm的根皮凹凸度相對較大，增加了根土接觸面積，進而增加土體的抗剪強度。且由于法向壓力的增加，使土體密實性增大，根-土及土-土間膠結更為致密，在剪切破壞發生時，更能抵抗剪切破壞作用。

土壤含水量的增加，對根系性質的影響較小，主要改變土壤膠結性[24]。但根系具有很強的可塑性，易受土壤性質的改變而變化[25]。本試驗中，抗剪強度隨含水率的增加呈先增加后減小的趨勢，這與格日樂等[9]和陳紅星等[26]的研究結果大體一致。土壤含水率達到23.1%時，素土抗剪強度略高于根土復合體的抗剪強度。原因在于根系的存在縱橫穿插，一方面能增大抗剪強度，但另一方面，根系的生長使得土壤滲透性增加，土壤性質的改變使得水分的滲入從而破壞了土壤團聚體，減小土體間的摩阻力[3]。其次，土壤含水率過大，使根系與土體接觸面存在大量水分，形成一層類似水膜的物質，從而降低了根土間的膠結，進一步減小了根土間的摩擦力。土壤性質的改變使得根系難以發揮其作用，反而影響了根土間的膠結而減小復合體抗剪強度，因此在無法控制極端天氣的情況下，樹種根徑的控制是關鍵，其次是樹種的選擇。

石漠化區土少石多，對邊坡的修復與綠化，植物措施是關鍵。其中以根徑2～3 mm（數量或根長）占優勢的適應性強的灌木樹種，對于土壤的固持，減少淺層滑坡、水土流失等自然災害的發生具有積極作用。研究采用室內重塑根土復合體進行定量探討影響根土復合體抗剪強度的因素，從而忽略了野外實際土-土和根-土及土壤動植物間的聯系，與實際情況存在一定的差異。但該試驗目的性強，為針對性探討影響根土復合體抗剪強度因素提供了可行的方案。