不同護坡植物對岸坡土壤性質的影響及效應分析*

呂晶,高甲榮,王 穎,婁會品,劉 瑛

(北京林業大學教育部水土保持與荒漠化防治重點實驗室,北京100083)

大量的研究表明,植物以顯著且重要的方式影響邊坡表面與土體的穩定[1-2]。植被護坡在增加邊坡穩定、減少水土流失等方面有著很大的作用。植被通過截留、蒸騰、滲透等截留降雨、降低坡體孔隙水壓力、削弱濺蝕,抑制坡面土壤侵蝕;地下淺層根系通過加筋作用,增加根系土層的機械強度;深層根系起到預應力錨桿作用,增加土體的遷移阻力,提高土層對滑移的抵抗力[3-4]。此外,邊坡植物的存在使人工環境逐漸恢復為自然環境,為生物的生存和繁衍提供了有利的場所[4]。但是,對于植物護坡中植物品種的選擇以及不同植物品種的護坡效果尤其是護岸植物則研究較少。以天然草本植物,人工草皮護坡,苜蓿護坡,金絲柳護坡及多年生金絲柳、榆樹作為研究對象,從其根系的力學效應,改善土壤,溫濕效應三個方面比較不同植物護坡效果,分析不同植物護坡的利弊。以期可以為植物護坡中植物品種的選擇及植物搭配方式的設計提供建議與參考。

1 研究區概況

植物護坡位于北京市懷柔區懷九河、雁棲河和琉璃河。懷柔位于東經 116°17′-116°53′,北緯 40°14′-40°04′,屬北京郊區。地處雁山南麓,北京市東北部,屬暖溫帶大陸性季風型半濕潤氣候,四季分明,雨熱同期,夏季暖熱潮濕,冬季寒冷少雪。懷九河,為懷柔區潮白河支流,全長68.9 km,河道縱坡2.1‰～2.5‰,屬常年河。雁棲河,也為懷柔區潮白河的支流,全長42.1 km。琉璃河為潮白河支流,北距北京城50 km,旁有石河流經過。

選取懷九河白莊河段的天然草本護坡、一渡河河段2007年、2008年進行施工金絲柳(Sa lix X aureo-pendula)扦插護坡[5],雁棲河長遠河段植物護坡,主要植物為苜蓿(Med icago sativa L.)。2007年施工人工草皮護坡,琉璃河前安嶺河段2009年4月進行施工的金絲柳扦插護坡、多年生金絲柳、榆樹(U lm us pum ila L)作為研究對象。天然草本護坡的植物主要有:灰藜(Chenopodium album)、反枝莧(Amaranthus retro f lexus)、狼尾草(Pennisetum a lopecuroides)、馬唐 (D ig itaria sanguinalis(L.)Seop.)、曼陀羅(D.stramonium L.)、拉拉秧(Humulusscandens(Lour.)Merr.)、黃花蒿(Artemisia annua Linn.)、鴨跖草(Commelina communis L.)、細葉益母草(Leonurus sibiricus L.)和狗尾草(Setariaviridis(L.)Beauv.)。人工草本的植物是馬尼拉草(Zoysiamatrella)。

2 研究方法

對不同植物護坡設定3個1 m×1 m的樣方,在樣方內開展各項實驗的基本工作。

現場利用環刀取土,帶回實驗室進行顆分實驗,確定土名(圖1)。現場利用環刀和精度為0.1 g天平測定計算岸坡土壤的含水率,計算各植物護坡岸坡土壤平均含水率;利用環刀取表層3-5 cm土帶回實驗室烘干測定土的干重和根系干重,計算不同植物護坡的含根率。為了說明不同植物護坡根系的力學效應,各植物護坡采用相同含水率,根據含根率和平均含水率利用直剪儀測定各植物根系的剪切力。試樣在不同垂直壓力0.5 kPa、1 kPa、1.5 kPa、2 kPa下重復 12～30次。量力環矯正系數C0=1.837,剪切速率12轉/m in。根系使土體抗剪強度的提高與根的分布形態、含量、強度及土體性質等因素均有關系。本文中把含根土看做均質化的復合體,不考慮根系的分布形態,測定不同護坡植物在自然狀態下含根率,通過人為添加的方法,測定不同植物根系的剪切力,推求其土體抗剪強度指標c、φ。

圖1 岸坡土壤顆粒級配

選取護坡類型岸坡的土壤類型相同,取每類型護坡植物根部表層0-5 cm深的土壤和10-15 cm深的土壤,并均勻混合,帶回實驗室測定土壤有機質含量[5-6]。

在每種護坡岸坡植物貼近坡面處設置溫度觀測點,采用溫度計進行監測[7]。監測時間為2009年8月7-8月15日,調查時間為 12:00和14:00,各進行一次溫度監測。

應用摩爾-庫侖強度理論[6],采用O rigin 8.0和excel工具對數據進行分析。

3 結果與討論

3.1 不同護坡植物根系的抗剪強度

土中根的含量不同,根對土的加筋作用的效果不同,植物對邊坡穩定性的影響程度就不同[4]。衡量根在土中含量的主要方法是“根的生物量集度”[8],即單位體積土中根的質量。土壤的濕密度為1.298 g/cm3,為了說明植物本身對土體剪切的影響,采用統一的試樣含水率7(表1)。從表1中可知,不同種類護坡植物的含根量有明顯差異,天然草本的含根量為0.088 g/cm3,人工草皮的含根量為0.040 g/cm3,苜蓿的含根量為0.012 g/cm3,榆樹的含根量為0.016 g/cm3,2個月、1年、2年、多年生金絲柳的含根,量為 0.001 g/cm3、0.012 g/cm3、0.005 g/cm3、0.008 g/cm3。含根量的大小順序:天然草本＞人工草本＞榆樹＞苜蓿＞1年生金絲柳＞多年生金絲柳＞2年生金絲柳＞2月生金絲柳。土體容重和含水率在一定程度上影響級配曲線植物根系的加筋作用,為了說明不同品種植物根系的加筋作用,實驗中采用相同的含水率(17%)和土壤濕密度(1.298 g/cm3)(表1)。

表1 不同護坡植物和素土剪切基本參數

植物根系在土壤中錯綜盤結,與土體形成復合體,植物的根系可視為帶預應力的三維加筋材料[6-7]。根據摩爾-庫侖強度理論[6],這種加筋為根土復合層增加了土體的粘聚力c值。同時,根系的張拉限制了土體的側向變形使σ3增加到σ3′,在σ1不變的情況下使最大剪應力減小,這兩種作用使土體的抗剪強度提高,如圖2所示。根據該理論,繪圖得到圖3-7不同護坡植物剪切試驗結果,可以看出:(1)不同護坡植物剪切強度線都是隨著垂直荷載p的增大,土的抗剪強度τ不斷增大,平且p與τ基本呈線性關系,表明抗剪強度與剪切面上的法向壓力σ仍然成正比,加筋后的土體仍然符合摩爾-庫侖定律,即 τ=c+σtanφ,其中剪切強度線在y軸上的截距c為土的粘聚力,φ為土的內摩擦角。(2)圖 3中,2月、1年、2年生的金絲柳的 φ分別為 17.5°、16°、17°,而素土的 φ為16.3°,φ值的增加量分別為 1.2°、-0.3°、0.8°,而多年生金絲柳的φ為2.5°。說明金絲柳在0～2 a內可以增加土壤的 φ值,有利于坡面土體的穩定。2月、1年、2年生的金絲柳在y軸的截距,即c值都為零,與素土c值相同,多年生金絲柳的c值為49 kg/cm2,c值的增加量為49。說明金絲柳扦插在0～2 a內對于增加土體抗剪強度的貢獻極小,2年后點的金絲柳雖然c值增加較大,但是φ值卻減小,對于土體抗剪強度貢獻不是很大。因而從增加土體抗剪強度方面而言,金絲柳不是最佳的護坡植物。(3)天然草本植物的 φ值為30°,φ的增加量為 13.7°,c值為零(圖4);人工草本植物的 φ值為 17°,φ值增加量為1°,c值為零(圖 5);苜蓿的 φ值為 11°,減少了5.3°,c值為30 kg/cm2,c值增加量為30 kg/cm2(圖6);榆樹的 φ值為16.5°,φ值增加量為 0.2°,c值為17 kg/cm2,c值增加量為17 kg/cm2(圖 7)。(4)由研究結果知,榆樹、苜蓿、金絲柳可以增加土體的粘滯力,但是會減少土體的內摩擦角;草本植物可以增加土體的內摩擦角,但對土體粘滯力沒有貢獻。2月、1年、2年生金絲柳其抗剪強度的貢獻基本與人工草本抗剪強度貢獻相同。

3.2 不同護坡植物增加岸坡土壤活性有機質的效應

土壤有機質增加有利于土壤結構的穩定,可以提高土壤的抗蝕性,降低土壤侵蝕危害[8]。土壤有機質是土壤的重要組成部分,是植物的養分來源和土壤微生物生命活動的能量來源。土壤活性有機質是指土壤中有效性較高,易被土壤微生物分解利用,對植物養分供應有最直接作用的那部分有機質,活性有機質是土壤有機質的重要組成部分,在土壤中具有重要作用[9-10]。對于無植物覆蓋土,其土壤活性有機質3.41 g/kg,有植物覆蓋的土壤活性有機質遠遠高于無植物覆蓋的土壤(圖8)。金絲柳生長二個月后,增加土壤活性有機質4.31 g/kg,生長一年后增加 12.27 g/kg,生長兩年后增加 13.21 g/kg,生長多年后增加13.93 g/kg。苜蓿增加土壤活性有機質9.43 g/kg,天然草本植物增加土壤活性有機質10.43 g/kg,人工草本植物增加土壤活性有機質5.46 g/kg,多年生榆樹增加土壤有機質為12.11 g/kg。多年生金絲柳增加土壤活性有機質效果略高于多年生榆樹。草本植物增加土壤活性有機質的效果的順序:天然草本＞苜蓿＞人工草本。

圖2 植樹物根系對土體的加筋作用

圖3 金絲柳植物根系土壤剪切強度線

圖4 天然草本植物系土壤剪切強度線

圖5 苜蓿根系土壤剪切強度

圖6 人工草本根系土壤剪切強度線

圖7 多年生榆樹根系土壤剪切強度

圖8 不同護坡植物土壤有機質含量

3.3 不同護坡植物的溫度效應

植物可以降低地表溫度,起到蓄水保墑的作用[11]。從表2中可知,中午 12:00裸地地表溫度45℃,金絲柳地表溫度33.2℃,地表溫度33℃,天然草本的地表溫度為34.8℃,人工草本34.6℃,天然草本34.8℃,苜蓿的地表溫度32.8℃。金絲柳、榆樹、天然草本、人工草本、苜蓿降低地表溫度值分別為 11.8℃、12℃、10.2℃、10.4℃、12.2℃。14:00裸地地表溫度48℃,金絲柳地表溫度36.8℃,榆樹地表溫度36.4℃,天然草本的地標溫度為34.8℃,苜蓿的地表溫度34.2℃。金絲柳、榆樹、天然草本、人工草本、苜蓿降低地表溫度值分別為11.2℃、11.6℃、13.2℃、13.3℃、13.8℃。由此可知,這幾種護坡植物降低地表溫度效果接近,且降溫效果明顯,可以起到蓄水保墑作用。

表2 不同護坡植物溫度統計 ℃

4 結論與討論

(1)植物根系可以增加土體的抗剪強度,草本植物可以增加土體的內摩擦角,進而增加土體抗剪強度,灌木在生長初期與草本植物增加土體抗剪強度的機理相同,在多年以后,灌木根系增加土體粘滯力,但是內摩擦角減小,在一定程度上提高了土壤抗剪強度。榆樹根系的抗剪強度強于金絲柳根系的抗剪強度。天然草本的抗剪效果強于人工草本的抗剪強度。在采用植物護坡方式進行護坡時,植物的配置草本植物與灌木植物相配合。

(2)植物的存在可以改善土壤,增加土壤活性有機質含量,草本植物對于增加土壤活性有機質的作用弱于灌木。金絲柳、榆樹改良土壤效果相對較好。天然草本植物、人工草本植物增加土壤活性有機質含量分別為306%、160%,苜蓿增加土壤活性有機質含量為76%,2月生、1年生、2年生、多年生金絲柳增加土壤有機質含量分別為 126%、360%、387%、409%。多年生榆樹增加土壤有機質含量為355%。

(3)草本、灌木具有良好的降低地表溫度、保持水分的作用。金絲柳、榆樹、天然草本、人工草本、苜蓿降低地表溫度值分別為11.2℃、11.6℃、13.2℃、13.3℃、13.8℃。植物在每天氣溫最高的時間段,可以削減地表溫度,保持土壤水分。

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