淺層滑坡多發區典型灌木根系對邊坡土體抗剪強度的影響

李 佳,汪 霞,2,*,賈海霞,趙云飛,歐延升,柳 洋

1 蘭州大學資源環境學院, 蘭州 730000 2 蘭州大學西部環境教育部重點實驗室, 蘭州 730000

圖1 研究區概況圖Fig.1 Study area map

綠色、可持續發展是“一帶一路”建設重要組成部分,盡可能減少對原生環境的影響,修復已破壞的生態系統,是“一帶一路”建設中的環境基礎和生態保障[1]。甘肅省地處絲綢之路核心地段,是“絲綢之路經濟帶”重要組成部分[2]。隴南市位于甘肅省東南部,地處陜甘川三省交界處,也是青藏高原、黃土高原和川西北高原交匯處,該區域地質條件復雜,是我國四大地質災害多發區之一。

近年來,泥石流、滑坡等自然災害頻發,邊坡土體穩定性已引起廣泛關注[3]。自然界中滑坡主要有淺層和深層兩種,深層滑坡屬大型滑坡,發生頻率較小,淺層滑坡雖滑坡體積小,但發生頻率大,分布面積廣[4]。研究表明除采用傳統的工程措施外,生態工程護坡已廣泛運用于防治淺層滑坡、水土流失等問題中,其中植被護坡既能起到固土作用又兼具美化邊坡生態景觀的效果,具有較高的環境價值[5]。潘聲旺等[6- 7]研究表明重建邊坡植被,增強裸露邊坡穩定性是一種減少淺層滑坡、水土流失的重要生態固坡技術。Nilaweera等[8- 9]通過試驗得出植物根系可以顯著提高土壤抗剪強度,增強邊坡穩定性。劉春霞[10]指出根系提高土壤抗剪強度效果還與土壤物理性質密切相關,根系通過纏繞、固結等作用改善土壤物理性質[11-13]。

目前關于植被護坡的相關研究尚處于理論研究階段,對于具體運用植被固坡評價較少。隴南地區已針對淺層滑坡開展了大量的植被恢復工作[14-16],因此本文選取研究區四種典型灌木,杠柳(Periplocasepium)、胡枝子(Lespedezabicolor)、酸棗(Ziziphusjujube)和石榴(Punicagranatum),探討灌木根系對土壤含水率、孔隙度和大團聚體的改善程度和護坡力學效應,旨在對這一區域灌木生態恢復效應予以評價。

1 研究區概況

隴南市地處甘肅省東南部,域內山地受白龍江長期沖刷,山勢陡峭,海拔多在1000 m以上,坡度在25°—45°之間,山地巖土松散軟弱,易發生泥石流等自然災害,是我國泥石流、滑坡多發區之一[17]。區內年降水量400—900 mm,年均溫8.4—14.9 ℃。據統計地質災害隱患點三千余處,其中滑坡1120處,泥石流1033處,崩塌759處,地面塌陷、地裂縫等391處[18]。本文選取隴南市武都區兩水鎮段河壩為研究區,該研究區內主要植被覆蓋類型為灌草叢,大部分滑坡體處植被覆蓋率不足30%[19]。主要土壤類型為黃棕壤,成土母質多為千枚巖、花崗巖、片麻巖及各種沉積巖殘積物和坡積物[20]。

2 研究方法

2.1 樣品采集

2018年5月在研究區選取人工恢復十年的杠柳、胡枝子、酸棗和石榴的四個坡度為25°—30°的坡面,每個坡面各選取3株灌木,設置與采樣點具有相似立地條件的裸地作為對照。選取距離樹基50 cm下坡位處,開挖50 cm×50 cm見方土壤剖面[21],采集生長、發育正常根系作為樣品,采集過程中盡可能避免機械外力對根系產生影響。

土樣采集使用剖面法,在每個灌木采樣點垂直剖面上,每10 cm分層采取土壤樣品,采樣深度為50 cm,在同一土壤深度采用混合采樣法,土樣用自封袋密封保存。

2.2 實驗方法

2.2.1土壤物理性質

土壤含水率使用烘干法測定。土壤孔隙度在現場通過環刀測量后計算得到。土壤團聚體采用干篩法測定[22]。

2.2.2單根抗拉強度

選取根長約5—10 cm表皮完好根系,測定其直徑后,將所有根系置于水中浸泡一夜[21,23]。使用電子萬能試驗機(型號：CSS- 4100,長春試驗機研究所)測量單根抗拉強度。

2.2.3重塑土直剪試驗

將采集土樣烘干研磨后過1 mm篩,將篩后土樣鋪于不吸水鋁盤中,噴灑預計加水量。加水量計算公式為[24]：

其中,mw土樣需加水量(g),m風干含水率下土樣質量(g),w0風干含水率(%),w′設計所需含水率(%)。

為使根-土復合體含水率接近自然狀態,將其設置為10%,密封靜置一晝夜后,將根系按照設計根系密度拌入土樣。不同含水率重塑土按照試驗設計加水量配制。采用擊實法制取樣品。使用應變控制式直剪儀(南京寧曦土壤儀器有限公司)測量抗剪強度,每組樣品取四個試樣,分別在100 kPa,200 kPa,300 kPa,400 kPa四級垂直壓力下試驗。每組處理重復三次。

2.2.4數據處理與分析

數據統計分析采用SPSS 22.0。圖表使用Origin 2016制作。

3 結果與分析

3.1 土壤物理性質

3.1.1土壤含水率

土壤含水率排序為：胡枝子>酸棗>杠柳>石榴(圖2),均高于對照組裸地,胡枝子在10—20 cm處含水率最高為14.7%,0—10 cm處含水率最低為9.8%；石榴含水率最高處在0—10 cm為5.8%,10—20 cm處含水率最低為3.8%。在垂直剖面上,含水率無明顯變化規律。

3.1.2土壤孔隙度

垂直剖面上土壤總孔隙度變化范圍介于43%—55.2%(圖3),杠柳>石榴>酸棗>胡枝子,與裸地相比土壤孔隙度均得到改善。杠柳土壤孔隙度在表層0—10 cm處達最大值55.2%,在40—50 cm處有最小值：50.1%。土壤孔隙度均呈現出表層高,底層低的變化趨勢。植被對表層土壤孔隙結構改善較明顯。

3.1.3土壤大團聚體

四種灌木土壤團聚體含量差異顯著,垂直剖面上變化趨勢一致,均為表層土壤大團聚體含量較高,底層較低(圖4)。裸地大團聚體含量變化范圍為43.1%—39.2%,相比裸地,灌木的土壤大團聚體含量明顯提高,依次為：胡枝子>酸棗>杠柳>石榴。胡枝子大團聚體含量變化范圍為70.1%—74.2%,酸棗為39.3%—64.8%,杠柳為55.6%—61.9%,石榴為54.3%—57.2%。其中尤以大于7 mm大團聚體含量增加顯著。

3.2 根系抗拉強度

選取直徑小于10 mm的根系300根進行試驗,成功160根,成功率達53%。四種灌木根系均有較強的抗拉強度,根系抗拉強度與根徑之間有明顯的冪函數關系(圖5),隨根徑增大,抗拉強度減小。抗拉強度范圍分別為：杠柳4.31 MPa—86.6 MPa,胡枝子25.8 MPa—158 MPa,酸棗6.74 MPa—48.6 MPa,石榴17.5 MPa—89.9 MPa,胡枝子抗拉強度較高,酸棗最低。當根徑小于1 mm時,抗拉強度遞減速率最快,四種灌木抗拉強度均較高,其中胡枝子毛根抗拉強度約為酸棗和杠柳的2倍。在1 mm—4 mm根徑范圍內,根系抗拉強度隨根徑變化平緩,胡枝子根系抗拉強度約為石榴2倍、酸棗和杠柳的3倍。四種灌木中胡枝子根系抗拉強度最好,根徑小于1 mm的毛根抗拉強度較好。

圖2 不同灌木垂直剖面土壤含水率Fig.2 Soil moisture content of different shrub vertical sections

圖3 不同灌木垂直剖面土壤孔隙度Fig.3 Soil porosity of different shrubs vertical sections

圖4 土壤團聚體含量Fig.4 Soil aggregate content

圖5 四種灌木根系抗拉強度和根徑的關系圖及擬合曲線Fig.5 Relationship between tensile strength and root diameter and fitting curve of four shrub roots

3.3 重塑土抗剪強度

3.3.1土壤含水率對抗剪強度的影響

土壤抗剪強度隨垂直正壓力的增加呈線性增長,滿足摩爾-庫倫強度理論τ=C+δtanφ(圖6)。在設定含水率范圍10%—30%內,土壤抗剪強度均隨含水率增加呈遞減趨勢,在10%的含水率條件下最高,抗剪強度依次為石榴>酸棗>杠柳>胡枝子。

依據摩爾-庫倫強度理論,得到不同灌木在不同含水率下土壤粘聚力(C)和內摩擦角(φ)值如表1所示。四種灌木土壤粘聚力(C)和內摩擦角(φ)均隨含水率增加而減小,粘聚力(C)減小幅度最大為杠柳,從22.46 kPa減小至4.35 kPa。內摩擦角(φ)減小幅度最大為酸棗,從32.62°減小到18.26°。胡枝子和石榴土壤粘聚力(C)和內摩擦角(φ)隨含水率變化平緩。植物根系通過增加土壤含水率來增加粘聚力(C)和內摩擦角(φ)

圖6 不同含水率土壤抗剪強度與垂直壓力的關系Fig.6 Relationship between shear strength and vertical pressure of soil with different water content

植物類型Plant type重塑土含水率Remolding soil water content /%抗剪強度與正壓力擬合關系Relationship between shear strength and positive pressure粘聚力CRoot cohesion/kPa內摩擦角φInternal friction angle/(°)R2杠柳P. sepium10y=22.46+0.51x22.4627.020.9620y=11.51+0.42x11.5122.780.9930y=-4.35+0.37x4.3520.300.98胡枝子L. bicolor10y=11.86+0.44x11.8623.750.9220y=9.27+0.37x9.2720.300.9930y=4.78+0.24x4.7813.500.95酸棗Z. jujube10y=12.18+0.64x12.1832.620.9620y=7.83+0.45x7.8324.230.9830y=3.57+0.33x3.5718.260.96石榴P. granatum10y=11.81+0.65x11.8133.020.9820y=8.47+0.60x8.4730.960.9430y=2.62+0.48x2.6225.640.98

以增強土壤抗剪強度。

3.3.2根系密度對土壤抗剪強度的影響

結合四種灌木天然根系密度,杠柳0.5 g/100 g土,胡枝子1.2 g/100 g土,酸棗0.85 g/100 g土,石榴0.52 g/100 g土,設置了三個根系密度梯度：天然根系密度、1.5倍天然根系密度和2.0倍天然根系密度。杠柳和胡枝子土壤抗剪強度隨根系密度增加而減小(圖7),石榴和酸棗根-土復合體抗剪強度為1.5倍天然根系密度>2.0倍天然根系密度>天然根系密度,根-土復合體抗剪強度依次為：酸棗>石榴>杠柳>胡枝子。

不同灌木不同根系密度根-土復合體抗剪強度隨垂直正壓力增加呈線性增加,符合摩爾-庫倫強度理論(τ=C+δtanφ)。結合表2,每種灌木的土壤粘聚力(C)在加入根系后均有提高,增幅由大到小為：胡枝子12.06%—127.15%,石榴9.40%—65.62%,酸棗7.39%—47.59%,杠柳2.98%—29.70%,胡枝子根系對土壤抗剪強度增強效果最強固。土壤內摩擦角(φ)未表現出較強規律性。植物根系主要通過增加土壤粘聚力(C)來增強土壤抗剪強度以實現固土護坡效應。

圖7 根-土復合體的抗剪強度與垂直壓力的關系Fig.7 Relationship between shear strength and vertical pressure of root-soil composite

4 討論

4.1 土壤物理性質

植物根系通過吸收、引流等作用影響土壤含水率,土壤含水率也會反作用于植物生長[25]。余冬立[20]在研究土地利用方式對土壤理化性質影響時發現,植物根系能在垂直方向改善土壤理化性質。本研究中種植灌木后土壤含水率、孔隙度和大團體含量均顯著提高,因根系穿插在淺層坡體中能改變土壤孔隙結構,土壤孔隙結構對調節土壤水分、影響邊坡穩定性具有重要的生態意義[26]。胡枝子對土壤含水率和大團聚體含量改善最明顯,相對于裸地含水率提高了約2—4倍,大團聚體含量提高了約2倍。杠柳對土壤孔隙度改善最明顯,相比于裸地土壤孔隙度增加了5%—10%。土壤孔隙度和大團聚體含量均呈現表層高、底層低的特點。表明灌木根系對表層土壤孔隙結構改善效果較好[27],植物根系分泌物能通過增加土壤有機質含量改善土壤結構、改變土壤孔隙度[28]。

表2 不同含根密度下根-土復合體直接剪切試驗結果

4.2 根系抗拉強度及其影響因素

植物根系主要通過加筋、錨固兩個作用實現防治淺層滑坡[29-30]。毛須根主要起加筋作用,根徑較大的粗根主要起錨固作用,根系抗拉強度是衡量根系錨固作用的指標[31],抗拉強度越大,根系對土壤錨固作用越強。朱海麗等[32]對青藏高原黃土區四種灌木研究表明其抗拉強度范圍為26 MPa—40 MPa,抗剪強度和根徑關系主要為冪函數或指數函數,本研究中四種灌木根系抗拉強度與根徑間為顯著冪函數關系,根系抗拉強度隨根徑增加減小,其函數關系主要受植物種類影響[33]。王劍敏等[34]對三種中亞熱帶灌木研究發現,檵木和麂角杜鵑單根抗拉強度與根徑呈遞減的冪函數關系,而香港黃檀未表現出明顯相關性,本文中不同灌木根徑和抗拉強度變化趨勢也各不相同,胡枝子根系抗拉強度最高,土壤錨固作用較好,其次為石榴、酸棗、杠柳,主要原因是它們根系化學組成和內部結構不同[21,35]。

4.3 根系對土壤抗剪強度的影響

土壤抗剪強度是土體邊坡穩定性一個重要指標[36],本質是土粒間粘聚力和土粒間摩擦產生的內摩擦角共同作用,服從摩爾-庫倫強度理論。在同一地區、同類土壤、相同條件下原狀土與重塑土主要區別在于,原狀土中的植物根系通過擠壓和纏繞作用可以提高土壤團粒數量[37],故可通過調節土壤含水率、添加根系等方式使重塑土狀態盡可能接近原狀土[38-39]。蔡建[40]認為試驗中重塑土試驗條件與原狀土差別較小時,可在一定程度上模擬實際情況下土壤的抗剪強度。當坡面土體發生滑移時,土壤產生的剪切力一部分轉移到植物根系,根系的存在會改變土壤粘聚力和內摩擦角,影響土壤抗剪強度。倪九派等[41]研究得西南丘陵山地地區土壤粘聚力隨著土壤含水率升高呈增大趨勢,在10%含水率處土壤粘聚力有最大值,這與本研究結果一致。在本試驗設計含水率范圍內,含水率升高抗剪強度降低、土壤粘聚力和內摩擦角均減小。含水率增加使土粒粘結度降低,粘聚力減小土粒間摩擦減小,內摩擦角也減小,故土壤抗剪強度減弱[42]。石榴根系對土壤抗剪強度增強效果明顯；杠柳粘聚力降幅最大,含水率從10%增加到30%時粘聚力約減小4倍；酸棗內摩擦角降幅最大,含水率從10%增加到30%時內摩擦角約減小1倍。

胡夏嵩等[43]研究了4種灌木根-土復合體抗剪強度,發現抗剪強度與垂直正壓力之間呈線性正相關,符合摩爾-庫侖定律,其根-土復合體粘聚力顯著大于素土,內摩擦角無明顯變化規律,這與本文研究結果相同；格日樂等[44]研究顯示,植物種類不同,抗剪強度和粘聚力最優值對應根系密度和含水率各不相同,本研究設定的3個根系密度梯度,杠柳和胡枝子根-土復合體抗剪強度隨根系密度增加而減小,石榴和酸棗在1.5倍天然根系密度下根-土復合體抗剪強度最高,均高于杠柳和胡枝子；Ghestem[45]認為根-土復合體抗剪強度受根系密度影響,在一定范圍內正相關。本研究中根-土復合體粘聚力增值在2.98%—127.15%之間變化,均大于素土。不同植物抗剪強度最佳根系密度對應的含水率不同,當含水率或根系密度超出最優范圍,根系對土壤抗剪強度增強效果會減小乃至消失,甚至對邊坡穩定起到反作用。

5 結論

植物根系能改善土壤孔隙結構,相比裸地植物根系能顯著改善土壤孔隙度和團聚體含量。杠柳對土壤孔隙結構改善效果明顯,胡枝子對土壤含水率提高效果最好。

植物根系依靠自身抗拉強度分擔土壤滑移時產生的剪切力,能通過增強土壤抗剪強度提高邊坡穩定性。單根抗拉強度依次為胡枝子>石榴>酸棗>杠柳,根系抗拉強度隨著根徑增大以冪函數關系減小,根徑<1 mm的毛根抗拉強度最大。當含水率減小時,土壤粘聚力和內摩擦角均增大,故土壤抗剪強度增強。在設定含水率范圍內,10%土壤含水率下土壤抗剪強度最強。胡枝子和杠柳隨著根系密度增加土壤抗剪強度增大,酸棗和胡枝子在1.5倍根系密度下對土壤抗剪強度增強最大,隨著根系密度增加土壤粘聚力增長最快為胡枝子,故其對土壤抗剪強度增強效果明顯。