基于Le Bissonnais法的植被混凝土團聚體穩定性研究

李天齊，周明濤，許文年，高家禎，鄭旭超，李鴻銘

(1. 三峽大學防災減災湖北省重點實驗室,湖北 宜昌 443002；2.三峽大學 水利與環境學院，湖北 宜昌 443002)

植被混凝土是典型的人造復合生態基材，具備一定的強度和抗侵蝕性能，可直接作為邊坡的防護材料[1]。該生態基材自發明以來，已在眾多地區廣泛應用，取得了較大的生態和經濟效益。植被混凝土邊坡植被群落與初期噴播的植物種子及后期植被的演替密切相關，常見的修復邊坡內有草本、草灌、草灌喬三種植被類型。不同植被類型下，地上和地下生物量的差異使得植被混凝土有機物含量不同，從而引起其物理、化學和生物性質的變化，對植被混凝土穩定性造成直接影響[2-3]。

土壤團聚體是土壤顆粒經凝聚膠結作用后形成的個體，是衡量土質的重要物理性質[4]。針對土壤團聚體的分布特征及穩定性，國內外眾多學者已開展了較多研究，如唐駿[5]、楊如萍[6]等測定了不同耕作模式下土壤水穩性團聚體組成，研究了植被類型及土地利用模式對土壤團聚體的影響；Lal R[7]認為任何土壤的退化首先表現于土壤團聚體結構的破壞；Le Bissonnais[8]在前人研究土壤團聚體穩定性基礎上，提出了測定土壤團聚體穩定性的Le Bissonnais(LB)法。眾多研究為土壤團聚體理論的豐富提供了寶貴的經驗，然而當前其研究對象一般圍繞于自然土壤，缺乏人造復合土壤團聚體的專題報道。

因此，本研究選取植被混凝土作為對象，應用LB法和傳統濕篩法(Yoder法)測定不同植被類型下團聚體含量并計算團聚體平均重量直徑(MWD)和幾何平均直徑(GMD)，以此探討植被類型與植被混凝土團聚體含量之間的關系，分析植被混凝土團聚體的破碎機制，為正確評價植被類型對植被混凝土抗蝕性的影響提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

宜昌地處于湖北省西南部、長江上中游分界處，該區為中亞熱帶，年平均降雨量942.8～1343.4 mm，平均相對濕度78%，年平均日照時數為1203.4～1628.2 h，年平均氣溫15.2～19.0 ℃。

實驗選取宜昌地區高壩州水電站壩肩右岸邊坡(A)、清江水布埡三友坪公路邊坡(B)、三峽大學信息技術樓側邊坡(C)為研究坡地，研究樣地描述如表1所示，三處均為巖質邊坡，均采用植被混凝土生態防護施工工藝，邊坡初始條件及后期管理養護條件等無較大差異。

表1 研究樣地描述

1.2 樣品采集與測定

基于野外調查，按代表性植被的分布在三處邊坡中選取草本植被、草灌植被、草灌喬植被各兩個樣地，樣地大小按1 m2(草本植被)、10 m2(草灌植被)和100 m2(草灌喬植被)設置，以S形在同一樣地內采取5個樣品。采集0～10 cm土層原狀土，裝入鋁盒內帶回實驗室，風干后，沿土壤自然結構面人工剝成直徑為10～12 mm的小土塊，并剔除土中的植物根系及小石粒。

土壤團聚體穩定性試驗在采樣后7 d內完成，每個樣品每種處理重復3次。

LB法三種處理方式,有濕潤振蕩(WS)、慢速濕篩(SW)、快速濕篩(FW)和Yoder法測定方式見文獻 [8-9]。

1.3 分析方法及數據處理

土壤團聚體平均重量直徑 (MWD，mm)值，幾何平均直徑 (GMD，mm)值，>0.25 mm團聚體含量(R0.25，%)計算公式如式(1)～式(3)[10]：

(1)

(2)

R0.25=Mi>0.25

(3)

LB法三種處理與Yoder法之間的比較應用最小顯著性差異(LSD)進行分析，數據統計分析使用EXCEL2010和SPSS18.0。

2 結果與分析

2.1 不同植被類型下植被混凝土團聚體粒徑分布

同一植被類型下植被混凝土經LB法三種處理后，R0.25均值表現為SW>FW>WS，而粒徑<0.05 mm團聚體含量為WS>FW>SW。SW處理下，植被混凝土團聚體以>2 mm粒級為主；FW處理下，粒徑>2 mm和<0.05 mm團聚體含量較高；WS處理下，植被混凝土團聚體粒徑以<0.05 mm為主。對不同植被類型而言，FW和WS處理下，R0.25均值表現為草灌喬植被>草灌植被>草本植被，而SW處理下>0.25 mm粒級的團聚體含量均值表現為草灌喬植被>草本植被>草灌植被，其主要原因可能是SW處理將團聚體放入蒸發皿時溶液由水變成了乙醇，減小了消散及差異膨脹的影響。

植被類型不同會造成土壤團聚體組成和數量上的差異，從而對土壤團聚體的顆粒分布造成影響。本研究結果表明：LB法各處理下粒徑>2 mm的植被混凝土團聚體含量整體表現為草灌喬植被>草灌植被>草本植被，而粒徑<0.05 mm的植被混凝土團聚體含量整體表現為草本植被>草灌植被>草灌喬植被。在本研究中，LB法三種處理下草灌喬和草灌植被土壤團聚體R0.25均值顯著高于草本植被，而草灌喬植被略大于草灌植被，這是由于地表覆蓋物的增加，可增加表層土壤入滲率，一定程度上減緩雨水對土壤的擊打，從而也有利于大團聚體的形成和保持。此外，喬木和灌木的枯葉和植物根系在土壤團聚體構成過程中起到了粘合劑的作用，使大團聚體數量增加。

2.2 MWD和GMD對土壤團聚體穩定性的評價

植被混凝土采用LB法和Yoder法處理，計算出的團聚體MWD和GMD值如表2所示。由表2可知，三種植被類型下植被混凝土在Yoder和LB法處理下，其MWD值均表現為SW>FW>Yoder >WS，不同植被類型的植被混凝土在相同處理下的MWD值存在一定差異，草灌喬植被和草灌植被的植被混凝土在相同的處理方式下較草本植被MWD值提升，且以Yoder法和WS處理較明顯，而SW和FW處理下MWD值提升相對較小。在相同處理方式下，植被混凝土團聚體MWD值規律表現為草灌喬植被>草灌植被>草本植被。LB法和Yoder法處理下，各樣地GMD值均表現為SW>Yoder>FW>WS，其規律與MWD值一致。不同植被類型土壤在相同處理下其GMD值存在較大差異，四種處理方法下GMD值均表現為草灌喬植被>草灌植被>草本植被。草灌喬植被和草灌植被的植被混凝土在相同的處理方式下較草本植被GMD值提升，并以Yoder法處理下GMD值最大，SW處理下GMD值提升最小。

表2 植被混凝土團聚體在Yoder法與LB法處理下的MWD和GMD值

注：不同小寫字母代表同列同一處理方式下不同植被類型間差異顯著(P<0.05)；樣地編號中A代表草本植被，B代表草灌植被，C代表草灌喬植被。

LB法和Yoder法處理下的植被混凝土團聚體GMD和MWD平均值大小順序均呈現為草灌喬植被>草灌植被>草本植被。植被的正向演替，促進了土壤的團聚作用，增強了植被混凝土抗蝕性能。LB法中SW模擬了黏土在輕降雨作用下的膨脹作用，FW對應暴雨或灌溉過程中土壤的崩解過程，WS則模擬了機械破碎過程。MWD和GMD值基本表現為SW>FW>WS，表明植被混凝土受到機械擾動作用破壞最大，其次為暴雨和灌溉的作用，在輕降雨作用下團聚體破碎程度最低。因此，對植被混凝土邊坡應施用滴灌并重視雨季的有效防護，以提高植被混凝土邊坡的抗侵蝕性和穩定性。

2.3 Yoder法和LB法測定植被混凝土團聚體水穩性的相關性分析

由表3可知：Yoder法與WS處理測定的MWD呈極顯著相關，與FW、WS處理呈顯著相關；Yoder法和FW處理測定的GMD呈顯著相關，FW處理與WS、SW處理呈顯著相關，其他處理間相關性不顯著；Yoder法和SW處理測定的R0.25值相關性顯著，WS處理與FW處理也呈顯著相關，其他處理間相關性不顯著。可以看出：通過Yoder法測定的MWD、GMD、R0.25值與FW處理均有相關性，LB法三種處理測定的MWD、GMD、R0.25值大部分呈顯著相關，說明植被混凝土團聚體在機械擾動下的崩解作用與消散作用顯著正相關，LB法中團聚體崩解的三種機制之間有內在的聯系。

表3 植被混凝土在Yoder法與LB法處理下團聚體MWD、GMD和R0.25值的相關性

注：*表示檢驗相關性顯著(P<0.05)，**表示檢驗相關性極顯著(P<0.01)。

3 結 論

(1)植被混凝土在WS處理下團聚體粒徑以<0.05 mm為主，SW處理下粒徑以>2 mm為主，FW處理下粒徑>2 mm和<0.05 mm的植被混凝土團聚體含量相對較高。

(2) LB法及Yoder法四種處理下所得MWD、GMD、R0.25值基本表現為草灌喬植被>草灌植被>草本植被。

(3)植被混凝土團聚體在Yoder法及LB法處理下其MWD、GMD值和R0.25基本表現為SW>Yoder>FW>WS，其中濕潤振蕩處理的測定結果與Yoder法更接近。