百喜草根系對土壤滲透性能的影響

鄒全， 王桂堯， 張文豪， 郭一鵬

(長沙理工大學 土木工程學院， 湖南 長沙 410114)

植草護坡作為一種生態邊坡防護措施近年來在公路工程中得到廣泛應用。草本植物主要通過影響侵蝕動力和土壤本身抗侵蝕能力來增強坡面淺層土壤，植物莖葉、枯落物等通過削弱雨滴濺蝕、截流吸附坡面雨水等方式減弱坡面水流的侵蝕；植物地下根系在土壤中生長、穿插形成根-土復合體固結土壤，提高土體強度和抗崩解能力，從而增強坡面土壤的抗侵蝕能力。目前大量研究集中于植物根系的力學加筋效應，而實質上其水力學特性更重要。文獻[12-15]指出植物根系可顯著改變土壤的滲透特性，影響土壤中水分的運移，改變降雨過程中土質邊坡的地表徑流，從而影響邊坡坡面侵蝕；李雄威等通過膨脹土原位滲透試驗，發現植物根系可增大土體滲透性能；張偉偉等研究砂質土壤根-土復合體的土水特征，發現植物根系的存在可增大素土的滲透系數；趙記領等發現由細葉結縷草構成的邊坡保護層能減小雨水入滲速度；陳晉龍等發現直根系(香根草)可增大邊坡表層的滲透系數，須根系(狗牙草)會降低邊坡表層的滲透系數；桑凱新、李建興等的研究表明隨著土層深度的增加，不同植物類型和同一植物不同土層之間土壤的滲透特性存在較大差異。

近年來，草本植物百喜草因其根系發達、地下莖粗壯等特點受到越來越多的關注。目前大多數研究側重于百喜草根系的力學加筋性能，而對其對坡面抗侵蝕能力影響的研究較少。該文分析百喜草根系對砂質黏土滲透性能的影響，探討不同深度處土體滲透性能差異，并通過染色示蹤優先流試驗分析百喜草根系對土體滲透性能的影響機理。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗土樣

試驗用砂質黏土取自長沙某工地，風干后過5 mm篩。土樣的基本物理性質見表1，顆粒級配見圖1。

表1 砂質黏土的基本物理參數

圖1 砂質黏土的級配曲線

1.2 試樣制備

(1) 有根系砂質黏土(簡稱植根土)。在PVC管內種植百喜草，管徑為104 mm，高度為330 mm，分10層(每層3 cm)壓實，初始含水量為13.6 %，干密度為1.74 g/cm3。底部采用土工布封底，播種種子質量為0.8 g，在室外種植3個月(見圖2)。

圖2 有根系砂質黏土試樣制備

(2) 無根系砂質黏土(簡稱素土)。采用同樣的方法制備，只是不播種種子，放置在相同環境下開展對比試驗。

1.3 滲透試驗

1.3.1 試驗裝置與步驟

如圖3所示，滲透試驗裝置由電子秤、支架、燒杯、漏斗、鐵絲網、帶刻度的有機玻璃管(外徑110 mm，厚度3 mm)組成。

圖3 滲透試驗裝置

試驗步驟：剪去試樣上部的莖葉，去除試樣底部土工布，將帶刻度的有機玻璃管套在試樣頂部，注水至5 cm高水頭。試驗過程中每隔一段時間記錄水頭和水溫，讀數完成后立即加水，將水頭恢復為5 cm。第一次讀數為試驗開始后2 min，第二次為3 min，之后視水頭下降速度定時間。利用底部的燒杯收集滲漏液并稱量，當稱量的水在各間隔內穩定時，試驗結束。

1.3.2 植根土滲透試驗

選用10個素土試樣和10個植根土試樣進行滲透試驗，取出試樣中的根系，洗凈風干后稱其質量，分析根系對土體滲透特性的影響。植根土滲透系數Kt按下式計算：

(1)

式中：Qn為間隔時間內滲入的水量；tn為間隔時間；S為PVC管的截面積；L為PVC管中土樣深度；H為試驗時的水頭高度。

按下式換算為10 ℃下滲透系數：

(2)

式中：Kt為溫度t時滲透系數；t為試驗時測定的水溫。

1.3.3 植根土分段滲透試驗

取10個植根土試樣，沿高度方向將試樣均分為3段(對應深度為0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm)，開展不同深度植根土變水頭滲透試驗。取出試樣中的根系，洗凈風干后稱其質量，分析不同深度根系對土體滲透特性的影響。

1.4 染色示蹤優先流試驗

優先流是指土壤水分沿植物根系生長等作用下形成的孔隙通道繞過大部分土壤基質快速通過土壤的現象。采用亮藍染色劑溶液(濃度4 g/L)進行染色示蹤優先流試驗，步驟如下：將染色劑以0.019 mm/s的強度均勻噴灑在土體表面，噴灑時間約30 min，靜置24 h后將試樣取出，將土層剖開(水平方向1.5 cm剖開一次，豎直方向2 cm剖開一次)后，拍照記錄不同高度土體染色情況。

先利用Photoshop將染色區域變為黑色、未染色區域變為白色，再利用MATLAB軟件計算染色部分的面積。

2 試驗結果與分析

2.1 滲透特性

2.1.1 植根土整體滲透特性

根系質量與滲透系數的關系見圖4。

圖4 根系質量與滲透系數的關系

由圖4可知：1) 隨著根系質量的增加，植根土滲透系數增大，兩者呈正相關。2) 植根土的滲透系數(0.159～0.495 mm/min)遠大于素土(0.022 4～0.024 3 mm/min)，是素土的7.1～20.4倍，百喜草根系可提高土體的滲透性能。這是因為植物根系可促進土體形成微型濾水團聚體，阻止土顆粒的搬運，直接增加水分的入滲；植物根系在土體中生長形成孔隙，促使土體形成廣泛且連續的大孔隙，水分可快速進入土體內部，增強土壤的滲透特性。3) 每組植根土的根系質量存在較大差異，其滲透系數波動范圍較大，最大值約為最小值的3倍。這是由植根土中植物根系發育程度不同所引起。

2.1.2 植根土不同深度滲透特性

不同深度根系質量與滲透系數的關系見圖5。

圖5 不同深度根系質量與滲透系數的關系

從圖5可以看出：1) 隨著土體深度的增大，植根土的滲透系數和根系質量減小。2) 土體深度為20～30 cm時，植根土的滲透系數接近于素土。根系在土中的生長形態為倒三角形，在土體淺層，百喜草根系分布范圍廣，根系形態規則，根系質量和滲透系數呈明顯的線性關系；土體深度為20～30 cm時，根系生長不規則，且只有小部分根系貫穿土體，當水分通過根系生長產生的新孔隙流動至該深度時，根系帶來的滲流路徑消失，植根土的滲透系數接近于素土。

2.2 染色特性

2.2.1 水平剖面下優先流規律

圖6為試樣水平剖面染色面積占比隨深度的變化曲線，表2為部分試樣水平剖面染色二值化圖片。從圖6和表2可看出：1) 土體深度0～5 cm處，2組試樣剖面幾乎全部染色。2) 植根土的染色深度和染色面積占比均大于素土。這是由于植根土表層參與滲流的孔隙多，以基質流的形式為主；隨著深度的增大，滲流以根系生長產生的大孔隙優先流為主，染色溶液沿著這些大孔隙向下滲透，大孔隙周圍基質染色，故植根土染色面積大，優先流路徑更長。說明百喜草的存在增加了土壤優先流路徑，提高了砂質黏土的滲透性能。3) 素土的染色面積隨深度的變化曲線比植根土平滑，染色面積占比隨深度的增大而均勻減小；植根土部分區域染色面積占比隨深度增大呈現減小或基本不變的趨勢。這是由于分層壓實過程中試樣頂部壓實度低于底部，頂部的滲透性能大于底部，染色面積占比隨深度增大而減小；根系一般為先向下生長后側向伸長，在某些深度范圍內水平根系的存在使該剖面的滲流路徑增多，染色面積占比基本不變。

圖6 染色面積占比和深度的關系

表2 部分試樣水平剖面染色二值化圖片

2.2.2 垂直剖面下優先流規律

圖7為垂直剖面圖片染色二值化圖片。從圖7可以看出：1) 植根土表層(0～5 cm)幾乎全部染色，水分以基質流的形式入滲；染色面積隨著深度的增大而減小，在10 cm深度處染色區域開始分散，水分的入滲由基質流轉向優先流，與水平剖面的優先流規律相同。2) 黑白交界處為植根土24 h后濕潤鋒在土體中的位置。植根土的濕潤鋒擴張深度達到24.48 cm，而素土濕潤鋒最大為15 cm左右，植根土的濕潤鋒擴張深度比素土大。將植根土垂直剖面與水平剖面的數據對比，發現兩者最大染色深度差不多。

圖7 植根土垂直剖面染色二值化圖片

3 結論

(1) 百喜草根系可提高土體的滲透性能，有根系砂質黏土的滲透系數是無根系土體的7.1～20.4倍。有根系砂質黏土的滲透系數因植物根系發育程度不同產生很大波動，最大值約為最小值的3倍。

(2) 根系質量與滲透系數呈線性關系，即滲透系數隨土體內根系質量增大而增大。

(3) 植根土根系質量和滲透系數隨深度增大而減小，且植根土在20～30 cm深度處的滲透系數與素土較接近。

(4) 根系的生長對土體內優先流的產生有促進作用。砂質黏土在有根系時的染色深度比無根系時更大；所有試樣的染色面積占比隨深度增大均呈減小趨勢；有根系砂質黏土的優先流路徑長度比無根系砂質黏土的長，且染色面積占比與染色深度比無根系砂質黏土大幅提高。