排土場土體裂縫區植被根系及抗剪強度分布特征

李葉鑫, 呂 剛, 寧寶寬, 陳四利, 王道涵, 魏忠平

(1.沈陽工業大學 建筑與土木工程學院, 沈陽 110870; 2.遼寧工程技術大學 環境科學與工程學院, 遼寧 阜新 123000; 3.遼寧省林業科學研究院, 沈陽 110032)

我國大型煤礦多位于干旱半干旱地區的內蒙古高原、黃土高原及沙漠化地帶[1]，生態環境極其脆弱，降雨量少且分布不均勻、蒸發量大，存在較為嚴重的土壤和植被水分虧缺問題。排土場是露天煤礦水土流失最為嚴重的區域，具有物質組成復雜、孔隙發達、邊坡松散高陡、平臺緊實、沉陷不均勻等特性[2]，不僅土壤水分和養分流失嚴重，還容易誘發滑坡、泥石流等水土流失災害，不利于植被恢復。目前，人工植被構建是生態恢復的主要措施，也是最有效的恢復方法之一，它可通過整治改造使喪失的生產能力重新得到利用，有效地恢復受損的生態系統，提高植物多樣性和植被覆蓋度，其根系的分布、穿插和固結作用可以提高土壤抗剪強度和抗拉強度[3]，從而提高生態系統的穩定性、防治水土流失、增強土壤水源涵養功能，被廣泛應用于礦區生態恢復[4]。馬紅燕等[5]指出檸條和沙棘是內蒙古準格爾露天礦排土場的先鋒樹種。高英旭[6]研究了海州露天煤礦排土場不同植被措施的根系分布特征，認為根系主要分布在0—40 cm土層范圍內。楊波等[7]以內蒙古永利煤礦排土場為例，研究了不同植被配置對排土場土壤侵蝕的影響，結果表明，植被措施可以有效地抵御持續暴雨徑流的沖刷襲擊。周林虎等[8]研究高寒礦區排土場邊坡草本植物根-土復合體抗剪強度特征及其影響因素，指出抗剪強度與土體密度、含水率和根系含量關系密切。然而，對于土地復墾與植被恢復后排土場土體裂縫區植被根系分布特征的研究關注較少。排土場土體裂縫的出現會破壞土體連續性和完整性，改變土壤結構，嚴重影響植物正常生長發育，拉斷植物根系，造成植物受損死亡[9]，導致植被退化[10-12]。因此，研究排土場土體裂縫區植被根系和抗剪強度隨土層深度的變化特征對排土場植被恢復與重建具有重要意義。基于此，本文以植被恢復5 a的排土場為研究對象，分析土體裂縫區植被根系分布特征，研究不同土體裂縫根系特征參數的差異，揭示抗剪強度隨土層深度的變化規律，以期為排土場植被恢復與重建提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于內蒙古錫林郭勒盟錫林浩特市大唐國際勝利東二號露天煤礦南排土場，地處東經116°06′—116°14′，北緯44°02′—44°07′，位于礦區的東南部，總面積13.66 km2，屬中溫帶干旱半干旱氣候，年均氣溫1.7℃，年均降水量284.74 mm，主要集中在6—8月份，占全年降雨量的71%以上，暴雨多發生在此3個月內，7月中旬—8月中旬則更是暴雨集中頻發時段，多年平均24 h最大降水量為46.8 mm。年平均蒸發量1 794.6 mm，年均風速3.4 m/s，凍結期為10月初—12月上旬，解凍期為3月末—4月中旬，最大凍土深度2.89 m，土壤為典型栗鈣土。排土場位于采區南側，使用年限為20 a，排土場總排棄高度、臺階高度、平臺寬度依次為100，25，20 m，排土場容量為5.92×107m3，最終松散系數為1.15。為盡快恢復排土場的植被，平臺和邊坡復墾采取覆土措施(土壤質地為砂質壤土)，平臺覆土厚度約為1 m，邊坡覆土厚度約為0.5 m，復墾植被有檸條(Caraganakorshinskii)、沙柳(Salixpsammophila)、沙棘(Hippophaerhamnoides)、沙打旺(Astragalusadsurgens)、草木樨(Melilotusofficinalis)等灌木或草本。

1.2 研究方法

本試驗于2017年8月全面調查排土場1 105平盤土體裂縫分布特征，測定每條土體裂縫的長度、寬度和深度，根據數理統計原理和描述性統計結果(表1)從中選取3條典型土體裂縫(GFⅠ，GFⅡ，GFⅢ)作為研究對象，在土體裂縫區按照0—10，10—20，20—30，30—40，40—50，50—60 cm土層深度處分別采集土壤樣品，以測定土壤物理性質和力學性質。根據土壤砂粒、粉粒和黏粒含量(表2)，按照國際制劃分標準將土壤質地定為砂質土壤。在采集土壤樣品的同時，利用自制環刀(內徑10 cm高10 cm)采集植物根系，采樣深度與土壤樣品相同。將采集的植物根系放入布袋內并帶回實驗室，用清水將根系洗凈，挑出并記錄死亡腐爛根系的數量，將剩下的生長根按照≤0.1，0.1～0.3，0.3～0.5，0.5～1，>1 mm進行分類，記錄各個徑級植物根系的數量，采用沈陽農業大學農學院WinRHIZO根系分析系統(2016)對各個徑級根系的長度、表面積、體積進行分析，最后測定根系生物量。根系通過調節其直徑的粗細來適應環境，對于多年生草本而言，根系以徑級≤1 mm為主，這部分根系可以有效地固結土壤、提高土壤抗侵蝕性能[13]。參照國內外對草本根系徑級劃分的研究成果[14-16]，本研究將根系劃分為d≤0.1 mm，0.1 mm1.0 mm，分析不同徑級根系分布特征。采用ZJ型應變控制式直剪儀(便攜式)測定黏聚力和內摩擦角，荷載條件為100，200，300，400 kPa，量力環率定系數為1.623 kPa/0.01 mm。

2 結果與分析

2.1 根系垂直分布特征

植物根系可以有效地網絡固持土壤，改善土壤結構，增強土壤抗侵蝕能力，提高土體穩定性[17]。與林木根系相比，草本植物根系一般沒有強大的主根，通常以須根或細根為主，大部分根系直徑≤1 mm[18]。由于草本植物的密度大、數量多且根系抗拉強度比粗根大等特點，須根對土壤剪切強度增加值是喬、灌木根系的2～3倍[18-19]。由表3可知，3個土體裂縫根密度表現為GFⅡ>GFⅢ>GFⅠ，根重密度表現為GFⅢ>GFⅠ>GFⅡ，根長密度和根表面積密度表現為GFⅡ>GFⅠ>GFⅢ，根體積密度表現為GFⅠ>GFⅡ>GFⅢ。GFⅠ，GFⅡ，GFⅢ的0—60 cm土層的根重密度依次為4.04，3.51，4.11 mg/cm3，明顯小于林木根系的根重密度。這是由于草本根系以須根為主，數量多且質量輕，表現為根密度大、根重密度小的特征。

表1 排土場土體裂縫統計特征

表2 排土場土體裂縫區與非裂縫區土壤物理性質

表3 排土場0-60 cm土層根系特征參數

不同裂縫根系特征參數呈現不同的變化特征，但總體上呈現隨土層深度增加而減小的變化規律，根系主要分布在0—20 cm土層(圖1)。對于0—60 cm土層，GFⅠ，GFⅡ，GFⅢ根密度依次為88.81～208.81，120.96～303.03，99.31～266.11個/103cm3；隨著土層深度的增大，3個樣地根密度的變化規律不同，0—10 cm土層根密度依次為143.88，160.43，266.11個/103cm3，分別占0—60 cm土層的16.13%，13.67%，26.62%。GFⅠ，GFⅡ，GFⅢ根重密度依次為0.45～0.94，0.33～0.91，0.15～2.69 mg/cm3，且隨著土層深度的增大表現為減小的變化趨勢，根重密度與土層深度具有較好的冪函數關系(表4)；3個樣地0—10 cm土層根重密度依次為0.45，0.86，2.69 mg/cm3，分別占0—60 cm土層的11.22%，24.52%，65.44%，GFⅢ顯著大于GFⅠ和GFⅡ(p<0.05)，這不僅與根系數量有關，而且還與3個樣地根系生長狀態關系密切。GFⅠ，GFⅡ，GFⅢ根長密度依次為3.24～6.24，3.81～7.74，3.91～6.35 cm/cm3，隨著土層深度的增大而減小，且根長密度與土層深度具有較好的指數關系(表4)；3個樣地0—20 cm土層根長密度可達10.92～13.03 cm/cm3，分別占總根長密度的37.35%，41.93%，40.79%。GFⅠ，GFⅡ，GFⅢ根表面積密度依次為1.50～2.53，1.91～2.65，1.84～2.60 cm2/cm3，隨著土層深度的增加，GFⅠ和GFⅡ表現為先增大后減小，且在10—20 cm土層達到最大，其數值分別為2.53，2.65 cm2/cm3；GFⅢ表現為減小的變化趨勢，最大值為2.60 cm2/cm3，出現為0—10 cm土層。

3個樣地根表面積密度平均值依次為2.09，2.15，2.02 cm2/cm3，其數值范圍與已有研究結果相一致[20-22]，草本植物根表面積密度為0.36～3.33 cm2/cm3。GFⅠ，GFⅡ，GFⅢ根體積密度依次為56.34～97.61，61.45～92.30，62.79～86.53 cm3/103cm3，隨著土層深度的增加，GFⅠ根體積密度呈現先增大后減小的變化趨勢，在20—30 cm土層達到最大值；GFⅡ和GFⅢ根體積密度表現為逐漸減小的變化趨勢，最大值出現在0—10 cm土層；3個樣地0—10 cm土層根體積密度大小為GFⅡ>GFⅢ>GFⅠ，其變化規律與根密度、根重密度、根長密度和根表面積密度均不同，這是根密度、根系長度和根系直徑共同作用的結果。

圖1 排土場土體裂縫區根系垂直分布特征

表4 根系特征參數(y)與土層深度(x)的關系

2.2 不同徑級根系分布特征

由圖2可知，不同土層各個徑級根系特征參數存在差異。對于根密度，3個樣地0—60 cm土層以徑級d≤0.1 mm和0.1 mm1.0 mm根系的根密度最大值出現在10—20 cm土層，0.3 mm1.0 mm依次為0.07，0.16，0.16，0.21，0.16 mg/cm3，d≤0.1 mm根重密度最小，這主要是由于該徑級根系直徑小、質量輕；d>1 mm根系僅出現0—30 cm土層范圍內，其中GFⅢ根系直徑均小于1 mm，GFⅠ和GFⅡ的0—30 cm土層根重密度為0.17，0.15 mg/cm3，由于d>1 mm根系數量少且僅出現在部分土層，進而導致該徑級根重密度偏小。不同徑級根長密度依次為1.28，1.34，1.06，0.99，0.98 cm/cm3，隨著根系徑級的增大，根長密度呈減小的變化規律。d≤0.1 mm和0.1 mm0.05)，不同徑級根系隨著土層深度的增大而減小。不同徑級根體積密度依次為15.59，15.35，18.12，19.12，20.58 cm3/103cm3，根體積密度隨根系徑級的增大而減小；對于d≤0.1 mm根系，隨著土層深度的增加，根體積密度呈現減小的變化規律；對于0.1 mm

注：不同小寫字母表示不同土層之間差異顯著(p<0.05)。

2.3 不同根系參數的相關性

表5為排土場土體裂縫區根系特征參數與土層深度之間的Spearman相關分析。由表5可知，根密度、根重密度、根長密度、根表面積密度、根體積密度之間相互呈正相關，根長密度與根表面積密度之間為極顯著正相關關系，相關系數為0.903。根重密度、根長密度、根表面積密度與土層深度之間呈顯著或極顯著負相關關系(p<0.05)，根長密度與土層深度的相關性最高，為0.737；根密度和根體積密度與土層深度呈負相關關系，但未達到顯著水平(p>0.05)。

2.4 土壤抗剪強度特征

土壤抗剪強度直接反映土體在外力作用下發生剪切變形破壞的難易程度[23-24]。由圖3可知，3個樣地均有相似的變化規律。GFⅠ0—10 cm土層在100，200，300，400 kPa的剪應力依次為52.88，95.25，124.69，175.65 kPa；10—20 cm土層依次為53.38，109.85，136.57，186.53 kPa；20—30 cm土層依次為86.13，134.29，198.57，268.57 kPa；30—40 cm土層依次為81.54，154.80，216.66，226.87 kPa；40—50 cm土層依次為79.58，124.58，198.67，236.86 kPa；50—60 cm土層依次為82.54，118.54，190.60，240.21 kPa。GFⅠ，GFⅡ，GFⅢ3個樣地不同土層的剪應力均隨著法向應力的增大而呈線性增大。當法向應力由100 kPa增加到400 kPa時，0—10 cm土層3個裂縫土壤剪應力的增加量為122.77～175.38 kPa，增加幅度為228.96%～234.87%，20—30 cm土層3個裂縫的增加量為173.89～182.45 kPa，增加幅度為211.84%～272.62%。

圖4為各樣地不同土層深度下土壤黏聚力和內摩擦角的分布特征。由圖4可知，GFⅠ不同土層土壤黏聚力和內摩擦角為12.68～45.51 kPa和21.69°～31.45°，GFⅡ為5.56～22.72 kPa和25.69°～29.75°，GFⅢ為12.37～41.40 kPa和25.92°～31.67°。隨著土層深度的增加，土壤黏聚力呈現先增大后減小的變化趨勢，最大值出現在30—40 cm土層，位于土體裂縫深度以下，隨后土壤黏聚力減小；與30 cm土層以下的土壤相比，土體裂縫深度范圍內(0—30 cm)的土壤黏聚力均偏小，這可能由于土體裂縫的出現打斷土體連續性，增加土壤結構的松散程度，極大程度上地降低土壤黏聚力。內摩擦角隨土層深度沒有明顯的變化規律。

土壤含水率是影響土壤黏聚力和內摩擦角的關鍵因素。相關研究表明，隨著土壤含水率的增大，土壤抗剪強度降低，土壤黏聚力和內摩擦角均有所減小[25-26]。圖5為土壤黏聚力和內摩擦角與土壤含水率的關系。由圖5可知，黏聚力和內摩擦角均隨土壤含水率的增大而衰減，黏聚力與土壤含水率之間具有較好的指數函數關系，其回歸方程的決定系數R2=0.107，F=29.175，p<0.01，擬合結果達到極顯著水平，具有統計學意義，說明土壤含水率的變化會顯著影響土壤黏聚力；而內摩擦角隨土壤含水率無明顯變化，其擬合結果較差，未達到顯著水平(p>0.05)。黏聚力的衰減程度顯著大于內摩擦角，說明含水率對黏聚力的影響顯著大于內摩擦角，這與黃琨等[27]研究結果相一致。

表5 根系特征參數與土層深度相關分析

圖3 土壤剪應力與法向應力的關系

圖4 不同土層深度土壤黏聚力和內摩擦角分布

圖5 土壤黏聚力和內摩擦角與土壤含水率的關系

3 討 論

排土場在不均勻沉降作用下形成土體裂縫和土層錯位，進而導致排土場植物根系損傷和死亡。相關研究表明，從形態上可以將根系損傷分為扯斷、劈裂、扭曲、拉出4類[28]。從排土場現場調查和根系樣品采集可知，排土場土體裂縫區植被根系的損傷形式多為扯斷，且裂縫區域出現數量不等的死根系，這是由于土體裂縫導致土層發生錯位或拉張，使得一定范圍內的根系暴露在外；蒙仲舉等[29]也認為扯斷是根系損傷的主要類型，其比例高達75%，且根系損傷率隨著距土體裂縫距離的增大而減小。在本研究中，3個樣地根重密度為依次為4.04，3.51，4.11 mg/cm3，其數值低于已有研究成果，周林虎等[8]研究結果表明排土場0—10 cm土層含根量為9.1～13.1 mg/cm3，10—20 cm土層為6.5～11.7 mg/cm3。相關研究表明，土體塌陷、錯位會拉裂根系，是造成根系損傷的主要原因[29]，其土體裂縫附近的植物枯萎、死亡或蓋度明顯降低[30-34]。土體裂縫不僅造成根系損傷，降低根系抗拉強度，還會加快土壤水分蒸發，導致根系由于缺水而死亡。由本研究可知，3個樣地土體裂縫區土壤含水率依次為4.14%～6.36%，4.29%～7.16%，4.89%～7.42%，低于排土場非裂縫區，說明土體裂縫的出現會加快土壤水分流失，阻礙植物生長、發育以及自修復；張延旭[32]、杜國強[33]、臺曉麗[34]等研究結果也表明土體裂縫會降低土壤含水率。本文初步研究了排土場土體裂縫區植被根系和抗剪強度分布特征，但并未涉及到整株植物和單根根系的抗拉強度以及根系損傷機理等，今后應加強這方面的研究。

4 結 論

(1) 土體裂縫區根系主要集中在0—20 cm土層，且隨著土層深度的增大，根密度、根重密度、根長密度、根表面積密度、根體積密度均呈現減小的變化趨勢；根重密度和根長密度與土層深度之間具有冪函數或指數關系。

(2) 3個樣地各個徑級根系的差異性不同。土體裂縫區根系以徑級d≤1.0 mm為主，其根密度占98.96%，徑級d≤0.1 mm和0.1 mm1 mm根系數量少且分布在部分土層。不同根系參數之間具有正相關關系。

(3) 3個樣地土壤黏聚力和內摩擦角為5.56～45.51 kPa和21.69°～31.67°，土壤黏聚力最大值出現在30—40 cm土層，位于土體裂縫深度以下。內摩擦角隨土層深度沒有明顯的變化規律。土壤含水率顯著影響黏聚力，且黏聚力的衰減程度顯著大于內摩擦角。