壓實度對植被土持水能力及基質吸力的影響

蔣希雁 王皓宇 董捷 周占學

摘要：目前國內外對植被土的研究大都只考慮植物根系的加筋作用，而忽略了壓實度這一重要因素。為了給邊坡防護提供理論支持，按照張家口地區夏季最大降雨強度進行人工模擬降雨，對種植高羊茅的植被土進行不同壓實度的降雨滲透試驗，研究了壓實度對植被土吸力維持及持水能力的影響，結果表明：①隨著壓實度的提高，高羊茅根系長度明顯減小，但高羊茅在較高壓實度土體中仍能夠正常生長;②當土體壓實度較高時，草根的存在占據了土壤孔隙體積，從而增強了土體持水能力，在壓實度為80%和95%時，在一定的基質吸力條件下，植被土含水量高于裸露土的、雨水滲透率小于裸露土的;③影響滲透率的主要因素是壓實度，隨著壓實度的提高滲透率明顯降低，根系的存在對滲透率影響較小;④隨著壓實度的提高，蘋根對基質吸力的影響愈加明顯，壓實度為95%的植被土有較大的基質吸力維持能力，因此把高羊茅作為護坡植物時，為了使邊坡土體在降雨過程中維持較高的基質吸力、增強淺層邊坡穩定性，土體壓實度應選擇95%。

關鍵詞：植被土;壓實度;基質吸力;持水能力;邊坡防護;高羊茅

中圖分類號：S152.7;S157.1

文獻標志碼：A

doi：10. 3969/j .issn.1000-1379.2020.01.018

非飽和土中在毛細作用下形成的氣水彎曲曲面會降低土壤的相對濕度，曲面處的孔隙氣壓與孔隙水壓的差值稱為基質吸力。國內外學者圍繞土壤基質吸力開展了大量研究工作：李勇等[1]研究了黃土高原植物根系對土體滲透能力的影響，指出植物根系能顯著增強土壤的滲透力;沈英娃等[2]通過對覆蓋層合理厚度的研究，指出植物對減輕雨水侵蝕有重要作用;NG CWW等[3-5]通過測試法向應力作用對土水特征曲線的影響，發現隨著應力的增大土體的進氣壓力增大，并通過室內模擬降雨試驗對土體壓實度為70%、80%、95%的植被（百慕大草）土基質吸力維持能力進行了研究，通過室內試驗探究了植被（鴨腳木）種植密度對土體基質吸力的影響;VAN G M T Hc6]經過數學分析論證，提出了體積含水率與土體體積之間的關系方程;GALLIPOLI D等[7]提出了根系體積比函數方程;LEUNG A K等[8-9]通過試驗驗證了根系體積比函數方程，試驗表明根系的存在增大了土體的進氣壓力值、提高了土體的持水能力。目前，國內外對植被土的研究和工程實踐大都只考慮植物根系的加筋作用，而忽視了壓實度這一重要因素。土體壓實度不僅影響著土體水力特征，也影響著土體中基質吸力的變化，對淺層邊坡穩定、地表水力侵蝕也有重要的影響。筆者研究壓實度對植被土吸力維持及持水能力的影響，以期為邊坡防護提供理論支持。

1 模型的建立

1.1 土壤類型和植被選擇

選取張家口某公路路堤邊坡的土體進行模型試驗，土樣物理性質指標：塑限為13.6%，液限為25.8%，塑性指數為12.2，含水率為12. 0%，最大干密度為1.90 g/cm3。

植被選擇高羊茅，其具有生長周期短、耐高溫、耐半陰、耐酸、耐貧瘠、抗病性強等特性，屬禾本科植物，適合在張家口地區種植。

1.2 模型裝置和儀器

為了模擬不同強度的降雨，開發了一套降雨模擬裝置，見圖1。該裝置由5根水平塑料管連接在一個固定高度的蓄水器上，每根塑料管有許多直徑為1 mm的小孔用于模擬降雨，降雨能均勻降落到測試箱中;在降雨期間，源源不斷向蓄水器供水，保持蓄水器中水位不變，通過調整水頭差值來調節降雨強度。

為了防止降雨時土體表面下沉，在每個測試箱一側土體表面上方1 mm處鉆一個溢流孔，因此土壤表面多余的水可以通過溢流孔流到集水器，用電子秤測量收集的水量，可以確定地表水溢出率;在測試箱底部有9個直徑為5 mm的排水孔。測試箱中的水量保持平衡，水量平衡公式為R= Ro +B+E+S，其中：R為降雨量，Ro為土表面溢流量，B為基底滲流量，E為表面蒸發量.S為土中蓄水量。該裝置放在一個溫度和濕度相對穩定的環境中（溫度控制在22 - 24℃，濕度控制在25%-30%），蒸發量極小，可忽略不計。

所有測試箱中的土體均沒有添加任何肥料，以防止產生溶質吸力。在每個測試箱的中心安裝3個微型張力計，型號為TEN - 15，用于測量深度分別為60、120、200 mm的土壤基質吸力，用張力計測得的總吸力代替基質吸力[10]。在120 mm深度的預留孔中埋置TDR時域反射計傳感器探頭，用來監測該深度對應的體積含水率。

1.3 測試箱前期準備

把6個測試箱分成3組，對應的土樣干密度分別為1.330、1.520、1.805 g/cm3，相當于壓實度分別為70%、80%、95%.每一組2個測試箱中分別裝植被土與裸露土進行對照試驗，裝植被土的3個箱子編號分別G70、G80、G95（即壓實度分別為70%、80%、95%的植被土），裝裸露土的3個箱子編號分別為B70、B80、B95（即壓實度分別為70%、80%、95%的裸露土）。土樣裝箱后，在編號為G70、G80、G95的測試箱中以密度為16 g/m2均勻撒播高羊茅草籽，其生長周期為1個月，在此期間每3d用同樣的水給6個測試箱澆水一次。

1.4 試驗方案

草生長周期完成后，對所有的測試箱進行兩階段試驗：第一階段，通過人工模擬降雨，使每個測試箱3個深度處達到飽和.6個測試箱放在恒定的溫室環境中，測試箱底部9個孔自由排水，持續監測不同深度基質吸力的變化，直到3個深度基質吸力有較大的變化;第二階段，對6個測試箱分別進行人工模擬降雨，降雨強度為123 mm/12 h（相當于大暴雨水平，即張家口地區近3a來夏季最大降雨強度），持續降雨時間為th。在降雨過程中記錄6個測試箱中3處深度基質吸力、溢出量、基底滲透情況及深度為120 mm的土體體積含水率變化情況。每一組裸露土和植被土，制備和測試條件都是一樣的，所以吸力變化的差異歸因于草根的存在。

2 試驗結果及分析

2.1 壓實度對根系的影響

圖2為在兩階段試驗后植被土中草根平均長度與土體壓實度之間的關系，可以看出，隨著壓實度的提高根長逐漸減小，壓實度從70%提高到95%時平均根長從17.2 cm減小到12.9 cm，原因是較高的土體壓實度加大了根系生長過程中的力學阻力[11]。此外，土壤的透氣性也影響著植物根系的生長[12]，土體壓實度的提高使空氣滲透性減小從而抑制了根的生長。盡管壓實度為95%的土體中高羊茅根長明顯減小，但是高羊茅仍能夠正常生長。

2.2 根系對土體持水能力的影響

圖3為各測試箱深度為120 mm的土水特征曲線，由于降雨過程中土體由干燥到濕潤，因此該曲線是增濕曲線。土水特征曲線基本上可分為3段直線，分別為吸著段、薄膜段和毛細段，各段對應的基質吸力大體上為10⁴～ 10⁶、10²～ 10⁴、0- 10²kPa[10]。本試驗的基質吸力變化范圍為0-100 kPa.對應著毛細段，即主要針對毛細段的持水能力進行研究。

由圖3可以看出，隨著基質吸力的增大，體積含水率逐漸減小，對于裸露土，基質吸力為60 kPa左右時，土體壓實度為95%和80%的體積含水率接近，均比70%的高，這與ROMERO E等[13-14]的研究結果一致，即當土體壓實度較高時對應的持水能力相對較高;植物根系存在于壓實度為80%和95%的土體中時，在相同的基質吸力下測得的體積含水率高于與之對應的裸露土的，然而當土體壓實度為70%時，卻出現了相反的結果，即G70測試箱中土體體積含水率始終低于B70的，原因可能是在相對疏松的土壤中根系的生長會造成更大的根系通道，使土壤孔隙變得更大，導致持水能力比裸露土弱[15]。測試箱B95、G95深度為120mm的基質吸力和體積含水率并沒有發生變化，原因主要是降雨過程中基質吸力的影響深度小于120 mm。

2.3 滲透率隨時間變化曲線

圖4顯示了在th持續降雨過程中滲透率的變化情況，可以看出，壓實度為80%和95%的植被土滲透率始終低于裸露土的，而壓實度為70%的滲透率與此相反（植被土滲透率始終高于裸露土的），原因是相對密實土體中的根系占據了土體內部b孔隙，從而導致土體孔隙減小、滲透率降低[12]，然而相對疏松土體（壓實度為70%）中根系的存在會加大水分通道，導致植被土滲透率大于裸露土的，盡管如此，仍可以看出同一壓實度的植被土和裸露土滲透率并沒有很大差距。壓實度為70%的土體，降雨結束時滲透率高達81%.只有約1/5的雨水溢出;壓實度為80%和95%的土體，降雨結束時土體滲透率分別為45%、20%左右。滲透率是影響基質吸力變化的直接因素.6個測試箱中G95的滲透率最低。

2.4 裸露土和植被土基質吸力的對比

圖5為深度60 mm處基質吸力變化情況。觀察深度為60 mm的基質吸力變化情況，原因主要是該深度位于植被根部深度范圍內，可直接分析植物根系對基質吸力的影響。

由圖5可以看出：降雨前各測試箱初始基質吸力接近，均為82 kPa左右;壓實度為70%的土體，由于壓實度較低，降雨快速滲入土體中，植被土基質吸力迅速降為0，而裸露土基質吸力降至0的時間比植被土晚了5 min.這表明根系對壓實度為70%的土體并沒有起到基質吸力維持的效果;然而，壓實度為80%和95%的土體中，基質吸力的維持時間都有一定延長，相比于裸露土，植被土基質吸力的維持時間更長。壓實度為80%的土體，降雨30 min時，植被土與裸露土基質吸力差達到峰值38 kPa，然而在降雨結束時G80僅保留了4 kPa的吸力，這表明降雨期間草根在壓實度為80%的植被土中有顯著的基質吸力維持能力，但在降雨結束后基質吸力維持能力很弱;壓實度為95%的土體，隨著降雨時間的延長，裸露土與植被土基質吸力的差值不斷增大，降雨結束時G95基質吸力比B95基質吸力大30 kPa.保留了降雨前初始基質吸力的37%.表明壓實度為95%的植被土有較大的基質吸力維持能力，因此把高羊茅作為護坡植物時，為了使邊坡土體在降雨過程中維持較高的基質吸力、增強淺層邊坡穩定性，土體壓實度應選擇95%。

2.5 不同深度基質吸力的分布情況

圖6為不同深度的基質吸力分布情況。

B70和G70在降雨前初始基質吸力分布相似，相差不到2 kPa。降雨10 min后B70在60 mm深處基質吸力迅速下降，120 mm深處基質吸力開始有變化，然而200 mm深處基質吸力沒變化，這說明降雨對基質吸力影響深度小于200 mm.在降雨30 min后所有深度處基質吸力都變為0;G70在10 min降雨后所有深度處吸力均有變化，20 min后吸力都變為0.并且比B70更早出現了基底滲流，產生了更深的吸力影響區，這意味著根系在壓實度為70%土體中的存在增強了土體滲透性、加大了降雨對基質吸力的影響區，不利于土體基質吸力的維持。

與B70、G70相比.B80和G80由于土體壓實度提高，因此基質吸力維持時間得到了大幅度延長。B80和G80相比，更早出現了基底滲流，產生了更深的吸力影響區，在40 min后所有深度處基質吸力均降為0。G80在60 min后除60 mm深處吸力為4 kPa外其他深度吸力均為0.這表明草根在壓實度為80%的土體中維持基質吸力的作用是非常弱的。

B95和G95從降雨開始到結束，只有60 mm深度處的基質吸力有變化，兩個測試箱均沒有發現基底滲流，降雨對高壓實度土體基質吸力的影響區很小;植被土基質吸力的變化較裸露土的變化更慢，在降雨結束時二者基質吸力差達到最大值30 kPa，表明植被土有更強的基質吸力維持能力。

3 結論

按照張家口地區夏季最大降雨強度進行人工模擬降雨，對種植高羊茅植被土進行不同壓實度的降雨滲透試驗，研究壓實度對植被土吸力維持及持水能力的影響，結果表明：①隨著壓實度的提高，高羊茅根系長度明顯減小，但高羊茅在較高壓實度土體中仍能夠正常生長;②當土體壓實度較高時，草根的存在占據了土壤孔隙體積，從而增強了土體持水能力，在壓實度為80%和95%時，在一定的基質吸力條件下，植被土含水量高于裸露土的、雨水滲透率小于裸露土的，而壓實度為70%的植被土與此相反;③影響滲透率的主要因素是壓實度，隨著壓實度的提高滲透率明顯降低，根系的存在對滲透率影響較小;④隨著壓實度的提高，草根對基質吸力的影響愈加明顯，壓實度為95%的植被土有較大的基質吸力維持能力，因此把高羊茅作為護坡植物時，為了使邊坡土體在降雨過程中維持較高的基質吸力、增強淺層邊坡穩定性，土體壓實度應選擇95%。

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【責任編輯張智民】

收稿日期：2019- 04- 09

基金項目：河北省自然科學基金資助項目（E2017404013）;河北省教育廳重點科研項目（ ZD2017224）;河北省高校百名優秀創新人才支持計劃項目（SLRC2017033）;河北建筑工程學院研究生創新基金資助項目（XB201814）

作者簡介：蔣希雁（1968-），女，河北張家口人，教授，博士，主要研究方向為生態護坡