干濕交替下黃土區苜蓿根系抗拔力學性能

黃夢琦, 張超波, 丁 陽, 張 強, 馮瀟慧, 蔣 靜

(太原理工大學 水利科學與工程學院, 太原 030024)

黃土高原多年平均降雨量400～600 mm,降雨集中于7—8月[1]。黃土易經歷頻繁的降雨、蒸發和滲透過程,出現濕潤和干燥交替過程。這種干濕交替過程易對土壤穩定產生不利影響,造成水土流失[2]。植物措施具有較好經濟效益和生態效益,廣泛用于流域或區域防治水土流失和穩固邊坡[3]。

植物固土護坡存在水文效應和力學效應。其中力學效應表現在根系可與土壤緊密結合形成根—土復合體[4],根系能提高復合體抗剪強度。根系在復合體中力學性能的發揮,即根系抗拔力學特性[5]是影響根系固土力學效果的重要因素。當根系與土體的界面發生滑動破壞時,植物的根系在抗拔力的作用下將產生變形,進而會將這種力繼續向下傳遞到更深層次的土壤,同時,根系的抗拔力也會轉化成根土復合體的摩擦力,從而提高植物根系固持土體的能力[6-7]。根據以往的研究結果,根徑[8-10]、根長[11-12]、土壤容重[13-14]均對根系的抗拔力學性能指標有顯著影響。最大抗拔力、最大抗拔力對應的位移和根系拉拔能與各影響因素均呈正函數關系,最大抗拔強度只在根徑因素影響下呈負函數關系。然而,黃土區土壤會受到復雜環境的變化,土壤會經歷干濕交替過程。根據已有研究結果,干濕交替使黃土持水能力變弱、土壤營養元素含量降低,且隨著干濕交替次數增多,營養元素流失速度變快[15]。土壤在經歷第1次干濕交替后,其干密度變化幅度最大[16]。同時黃土的抗壓強度、黏聚力和內摩擦角均減小,且在第3次干濕交替后,其抗剪力學性能指標減小幅度趨于穩定[17]。干濕交替導致土壤含水量頻繁發生改變,而與含水量密切相關的根面積比RAR則對邊坡穩定性有直接影響[18]。前人對根系抗拔力學特性和干濕交替對黃土力學性能影響開展了初步研究,但主要集中在植物自身影響因素下和黃土區同一種土質類型下,對于不同土質類型下根系抗拔力學性能以及根系最大抗拔力對應的位移和根系拉拔能的研究還較少。此外,黃土區復雜的土壤環境變化下,如干濕交替對根系在黃土中抗拔力學性能的影響規律尚不清楚,需分析干濕交替對根系抗拔力學性能的作用,揭示干濕交替、根系、土壤容重對根系抗拔力學性能的耦合影響。

因此,本文以紫花苜蓿根系為研究對象,開展室內根系拉拔試驗,研究不同土質條件下,干濕交替對根系在土壤中力學性能發揮的影響。分析在干濕交替作用下,根土之間的力學作用,以期為復雜環境因素下草本植物根系固土護坡技術提供一定的理論支持和依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區為山西省太原市,地理坐標為111°30′—113°09′E,37°27′—38°25′N,海拔800 m。屬于溫帶大陸性季風氣候,晝夜溫差大。冬季較干冷,夏季較濕潤多雨。1月份平均氣溫為-6.4℃,7月份平均氣溫為23℃,多年平均氣溫為9.5℃。四季降雨分布不均勻,多集中于7—8月份,多年平均降雨量為468.4 mm。太原市土壤以褐色粉砂質土為主,整體較為松散,抗沖刷能力較弱。

1.2 樣品采集與制備

1.2.1 根系采集 試驗選取植物為紫花苜蓿。其適應能力強,分布范圍廣,常被用作水土保持和邊坡固土。在50 cm×50 cm×50 cm培育箱中種植苜蓿。為保證植物生長環境與自然條件相似,土壤容重選取1.2 g/cm3。培育箱底層鋪設三層碎石再鋪設一層過濾網作為反濾層,然后土壤分三層填裝壓實。苜蓿種植兩個月后,從培育箱中挖出完整根系,用毛刷輕輕清掃泥土,之后用清水沖洗根系。為保證根系的鮮活性與完整性,將處理好的根系冷藏于-4℃的冰箱內備用。

1.2.2 土樣采集 試驗所用土壤取自山西省太原市郊區,為對比不同土質類型下根系抗拔力學性能,選取研究區廣泛分布的砂壤土和壤土兩種不同土質進行研究。將土壤運回實驗室后,進行風干、碾碎和2 mm篩網過篩處理,用于后面重塑土拉拔試驗試樣的制備。土樣的機械組成如表1所示。

表1 土壤機械組成Table 1 Mechanical composition of test soil sample

1.2.3 重塑土的制備 試驗時分別研究干濕交替和根徑、根長以及土壤容重對苜蓿根系抗拔力學性能的影響。根徑為變量時,控制根長為9 cm、土壤容重為1.2 g/cm3不變,根徑設置0.3～0.5 mm,0.5～0.7 mm,0.7～0.9 mm和0.9～1.1 mm4個根徑水平;根長為變量時,控制根徑為0.5～0.7 mm、土壤容重為1.2 g/cm3不變,根長設置7 cm,9 cm,11 cm和13 cm共4個長度水平;容重為變量時,控制根徑為0.5～0.7 mm和根長為9 cm不變,設置1.1 g/cm3,1.2 g/cm3,1.3 g/cm3和1.4 g/cm34個容重水平。根據試驗所需的根長和根徑修剪根系,并在各個根系距頂端20 mm的位置處用醫用膠帶纏繞,防止在拉拔過程中的滑出和夾斷。其余部分分三段并用游標卡尺測量直徑,取平均值作為根系平均直徑。配置好試驗所需的土壤含水量(砂壤土為5%,壤土為10%),在半徑為24 mm,高為130 mm的中空圓柱盒中,用實心鐵柱將土樣分三層壓實,每壓實一層后,拋毛處理表面,開始下一層填裝。鐵柱中心留有1 mm的小孔,小孔中放入吸管,然后將苜蓿根系插入吸管,逐層擊實。為使土樣與根系充分粘結,將處理好的試樣靜置24 h后,開展根系拉拔試驗。

1.3 根系拉拔試驗

本試驗研究重點為在干濕交替條件下各因素對根系抗拔力學性能的影響,同時根據已有研究,干濕交替1次對土壤的物理性質影響最大[16]。因此本試驗進行0次與1次干濕交替處理對比。干濕交替處理包括濕處理和干處理:濕處理是將試樣放置在倒滿水的培養皿中浸泡,砂壤土浸泡3 h、壤土浸泡4 h達到飽和狀態;干處理是將濕處理飽和后試樣靜置1 h后,放入40℃的鼓風干燥箱中干燥,砂壤土干燥20 h,壤土干燥24 h后使得土壤含水率達到初始含水率,然后開展重塑土根系拉拔試驗。

根系拉拔試驗采用萬能材料試驗機。將處理好的土樣放置在試驗臺上,用夾具夾緊醫用膠帶纏繞的根系。將試驗機與電腦連接,試驗機通過向上移動的數顯式推拉力計提供拔出荷載。根據已有研究,加載速度為50～200 mm/min時,其對苜蓿根系抗拔力學性能沒有顯著影響[10]。因為加載速度取50 mm/min時試驗過程更便于觀測和數據記錄,故試驗選取50 mm/min的加載速度。當根系在恒定速率為50 mm/min的速度被拔出或拔斷時,停止推拉力計并記錄最大力數值,同時電腦端保存抗拔力與時間的數據。

最大抗拔強度用公式(1)計算

(1)

式中:P為極限抗拔強度(MPa);F為最大抗拉力(N);D為根系平均直徑(mm)。

拔出力做功即拉拔能用公式(2)計算

(2)

式中:W為拔出力做功;F(x)為抗拔力和根系位移的函數關系;x為最大抗拔力對應的位移。

1.4 數據分析

本文采用SPSS 26軟件進行顯著性水平分析和雙因素方差分析,通過Excel繪制圖表,分析影響根系抗拔力學性能指標各因素的作用水平差異。圖中不同小寫字母代表相同干濕交替處理下不同水平下的苜蓿根系抗拔力學性能有顯著性差異即p<0.05;圖中不同大寫字母表示相同水平下不同干濕交替處理的苜蓿根系抗拔力學性能有顯著性差異即p<0.05。

2 結果與分析

2.1 抗拔力和抗拔強度

根徑、根長、土壤容重和干濕交替次數均對苜蓿根系的抗拔力和抗拔強度有顯著影響。由圖1、圖2和表2可知,苜蓿根系最大抗拔力與根徑呈正指數函數關系、最大抗拔強度與根徑呈負指數函數關系。在根徑、根長和土壤容重3個因素影響下,砂壤土中苜蓿根系最大抗拔力和最大抗拔強度均大于壤土,砂壤土中表現出的力學性能顯著優于壤土。4個根徑范圍下,干濕交替后苜蓿根系最大抗拔力和最大抗拔強度均顯著減小,且最大抗拔強度減小范圍為28.32%～42.61%(壤土)和0.08%～15.87%(砂壤土)。由此可見,砂壤土中干濕交替導致最大抗拔強度減少的幅度要低于壤土中減小的幅度。兩種土質中根徑和干濕交替均對根系抗拔力和抗拔強度有顯著影響,但只在砂壤土中根徑和干濕交替對抗拔力和抗拔強度的交互影響顯著(表3)。

注：A為壤土,B為砂壤土,1,2,3分別為根徑、根長、容重水平,下同。

圖2 不同根徑、根長和容重下的苜蓿根系最大抗拔強度

表2 根系抗拔力學性能指標與根徑、根長、容重的函數關系Table 2 The functional relationship between root resistance mechanical performance indicators and root diameter, root length, and bulk density

表3 苜蓿根系抗拔力學性能指標的雙因素方差分析Table 3 Two factor analysis of variance on the mechanical performance indicators of alfalfa root resistance to pulling

由圖1、圖2和表2可知,苜蓿根系最大抗拔力和最大抗拔強度與根長均呈正指數函數關系。4個根系長度下,干濕交替后苜蓿根系最大抗拔力和最大抗拔強度均顯著減小。同時最大抗拔力減小范圍為29.82%～39.48%(壤土)和23.16%～32.33%(砂壤土),最大抗拔強度減小范圍為29.81%～39.42%(壤土)和23.21%～30.38%(砂壤土)。由此可知,干濕交替后砂壤土中最大抗拔力和最大抗拔強度減少的幅度低于壤土中減小的幅度。兩種土質中根長和干濕交替均對根系抗拔力和抗拔強度有顯著影響,且兩種土質中根長和干濕交替對抗拔力和抗拔強度的交互影響均顯著(表3)。

由圖1、圖2和表2可知,苜蓿根系最大抗拔力和最大抗拔強度與土壤容重均呈正冪函數關系。4個容重水平下,干濕交替后苜蓿根系最大抗拔力和最大抗拔強度均顯著減小,且最大抗拔力減小范圍為13.34%～42.22%(壤土)和14.30%～26.37%(砂壤土),最大抗拔強度減小范圍為13.89%～45.78%(壤土)和12.05%～30.68%(砂壤土)。可見,砂壤土中干濕交替導致最大抗拔力和最大抗拔強度減少的幅度要低于壤土中減小的幅度。兩種土質中容重和干濕交替均對根系抗拔力和抗拔強度有顯著影響,但只在壤土中容重和干濕交替對抗拔力和抗拔強度的交互影響顯著(表3)。

由圖5可知,在根徑、根長和土壤容重3個因素影響下,兩種土質中干濕交替處理的抗拔力和抗拔強度數據范圍較沒有干濕交替處理的變幅范圍小。在根徑因素下,干濕交替后最大抗拔力和最大抗拔強度分別減少了15.84%和34.89%(壤土)和24.56%和8.03%(砂壤土);在根長因素下,干濕交替后最大抗拔力和最大抗拔強度分別減少了35.56%和35.54%(壤土)和27.7%和27.31%(砂壤土);在容重因素下,干濕交替后最大抗拔力和最大抗拔強度分別減少了21.68%和23.27%(壤土)和21.21%和21.85%(砂壤土)。

2.2 位 移

根徑、根長、土壤容重和干濕交替次數均對苜蓿根系最大抗拔力對應的位移有顯著影響。由圖3和表2可知,苜蓿根系最大抗拔力對應的位移與根徑呈正指數函數關系。在根徑、根長和土壤容重3個因素影響下,砂壤土中苜蓿根系最大抗拔力對應的位移均大于壤土,砂壤土中表現出的力學性能顯著優于壤土。4個根徑范圍下,干濕交替后苜蓿根系最大抗拔力對應的位移顯著減小,且壤土中位移減小范圍為14.35%～21.80%,砂壤土中位移減小范圍為12.47%～20.58%。

圖3 不同根徑、根長和容重下的苜蓿根系最大抗拔力對應的拉拔位移

由圖3和表2可知,最大抗拔力對應的位移與根長呈正指數函數關系。4個根系長度下,干濕交替后苜蓿根系最大抗拔力對應的位移顯著減小。同時壤土中最大抗拔力對應的位移減小范圍為18.92%～44.44%,砂壤土中減小范圍為20.05%～28.07%。兩種土質中根長和干濕交替均對苜蓿根系最大抗拔力對應的位移有顯著影響,但只在砂壤土中根長和干濕交替對位移的交互影響顯著(表3)。

由圖3和表2可知,最大抗拔力對應的位移與土壤容重呈正冪函數關系。4個容重水平下,干濕交替后苜蓿根系最大抗拔力對應的位移顯著減小,且壤土中最大抗拔力對應的位移減小范圍為17.78%～52.64%,砂壤土中減小范圍為14.80%～32.88%。兩種土質中容重和干濕交替均對苜蓿根系最大抗拔力對應的位移有顯著影響,但只在壤土中容重和干濕交替對位移的交互影響顯著(表3)。

由圖4可知,在根徑、根長和土壤容重3個因素影響下,兩種土質中干濕交替處理的最大抗拔力對應的位移數據范圍較沒有干濕交替處理的變幅范圍小。在根徑因素下,干濕交替后位移分別減少了18.07%(壤土)和15.68%(砂壤土);在根長因素下,干濕交替后位移分別減少了23.89%(壤土)和21.84%(砂壤土);在容重因素下,干濕交替后位移分別減少了23.78%(壤土)和19.69%(砂壤土)。

圖4 不同根徑、根長和容重下的苜蓿根系拉拔能

2.3 拉拔能

拉拔能Vε即當苜蓿根系達到最大抗拔力時外力做的功。根徑、根長、土壤容重和干濕交替次數均對苜蓿根系拉拔能有顯著影響。由圖4和表2可知,根系拉拔能與根徑呈正指數函數關系。在根徑、根長和土壤容重3個因素影響下,砂壤土中根系拉拔能均大于壤土,砂壤土中表現出的力學性能顯著優于壤土。4個根徑范圍下,干濕交替后根系拉拔能顯著減小,且壤土中拉拔能減小范圍為14.82%～20.00%,砂壤土中拉拔能減小范圍為13.74%～22.94%。兩種土質中根徑和干濕交替均對根系拉拔能有顯著影響,但只在壤土中根徑和干濕交替對拉拔能的交互影響顯著(表3)。

由圖4和表2可知,根系拉拔能與根長呈正指數函數關系。4個根系長度下,干濕交替后根系拉拔能顯著減小。同時壤土中拉拔能減小范圍為23.00%～37.86%,砂壤土中拉拔能減小范圍為14.25%～42.82%。兩種土質中根長和干濕交替均對根系拉拔能有顯著影響,且在兩種土質中根長和干濕交替對拉拔能的交互影響均顯著(表3)。

由圖4和表2可知,壤土中根系拉拔能與土壤容重呈正指數函數關系,砂壤土中根系拉拔能與土壤容重呈正冪函數關系。4個容重水平下,干濕交替后根系拉拔能顯著減小,且壤土中拉拔能減小范圍為26.34%～35.50%,砂壤土中拉拔能減小范圍為13.97%～27.52%。兩種土質中容重和干濕交替均對根系拉拔能有顯著影響,且在兩種土質中容重和干濕交替對拉拔能的交互影響均顯著(表3)。

由圖5可知,在根徑、根長和土壤容重3個因素影響下,兩種土質中干濕交替處理的根系拉拔能數據范圍較沒有干濕交替處理的變幅范圍小。在根徑因素下,干濕交替后拉拔能分別減少了16.81%(壤土)和16.89%(砂壤土);在根長因素下,干濕交替后拉拔能分別減少了26.29%(壤土)和20.27%(砂壤土);在容重因素下,干濕交替后拉拔能分別減少了29.11%(壤土)和17.05%(砂壤土)。

注：A、B、C分別代表不同根徑、根長、容重水平。

3 討 論

研究發現苜蓿根系抗拔力學性能指標與根徑存在指數函數關系。這與夏振堯等[8]和Wu等[9]的研究結果一致,但李東嶸[10]發現根系拉拔能與根徑之間呈冪函數關系。這可能是因為試驗方式以及土壤環境的差異,導致根系拉拔能和根徑之間的函數關系有所差異。苜蓿根系抗拔力學性能指標與根長呈正指數函數關系。由于根系長度越長,根系與土壤間的接觸面積越大,根土間的摩擦力也越大。所以,根系抗拔力學性能指標隨根長增加而增長,這與李臻等[19]和李東嶸[10]的研究結果一致。苜蓿根系抗拔力學性能指標與土壤容重呈正函數關系。因為低容重土壤具有孔隙較大、土壤顆粒連接不夠緊密的特點,這使得根土間的摩擦力較小。所以根系在拔出力作用下,容易發生拉拔破壞[10]。

在干濕交替作用下,壤土和砂壤土中苜蓿根系最大抗拔力、最大抗拔強度、最大抗拔力對應的位移以及拉拔能均減小。主要因為干濕交替導致土壤結構受到破壞,根土界面土壤顆粒會重新組合,進而導致根系和土壤顆粒之間的黏結力減弱、根土界面的摩擦力減小。劉艷等[20]研究發現,干濕交替顯著影響團聚體穩定性;Peng等[21]也研究發現,干濕交替使得土壤的孔隙度增大、異質性增強。在根徑、根長和土壤容重3個因素影響下,兩種土質中干濕交替處理的抗拔力學性能指標數據范圍較沒有干濕交替處理的變幅范圍小。其原因可能是沒有干濕交替處理的土壤,其變異性較大,干濕交替處理后,土質變得較為均一。

不同土質類型下苜蓿根系抗拔力學性能有顯著差異。苜蓿根系在砂壤土中的最大抗拔力、最大抗拔強度、最大抗拔力對應的位移以及根系拉拔能都顯著高于壤土。其原因可能為砂壤土含有較多、較大的砂粒。當土壤顆粒越大時,其形狀越不規則,導致土壤顆粒表面越粗糙。土壤顆粒越大,在拉拔過程中土壤顆粒和根系相互錯動使土顆粒重新排列組合所需的阻力就越大[22]。因此根系在砂壤土中的抗拔力學性能表現出顯著優于壤土的力學性能。

4 結 論

(1) 苜蓿根系最大抗拔力、位移和拉拔能與根徑均呈正指數函數關系,最大抗拔強度與根徑呈負指數函數關系;根系最大抗拔力、最大抗拔強度、最大抗拔力對應的位移和根系拉拔能與根系長度呈正指數函數關系;根系最大抗拔力、最大抗拔強度、最大抗拔力對應的位移與土壤容重呈正冪函數關系。壤土中,根系拉拔能與容重呈正指數函數關系;砂壤土中,根系拉拔能與容重呈正冪函數關系。

(2) 壤土和砂壤土中,干濕交替導致苜蓿根系最大抗拔力、最大抗拔強度、最大抗拔力對應的位移以及拉拔能均顯著減小。

(3) 苜蓿根系在砂壤土中的最大抗拔力、最大抗拔強度、最大抗拔力對應的位移以及根系拉拔能均顯著高于壤土,且干濕交替在砂壤土中對苜蓿根系抗拔力學性能指標的影響小于在壤土中的影響。

(4) 根徑和干濕交替次數的耦合作用只在砂壤土中對抗拔力、抗拔強度影響顯著;根長和干濕交替次數的耦合作用在兩種土質中均對抗拔力、抗拔強度和拉拔能影響顯著,而只在砂壤土中對位移影響顯著;容重和干濕交替次數的耦合作用只在壤土中對抗拔力、抗拔強度和最大抗拔力對應的位移影響顯著,而在兩種土質中均對拉拔能影響顯著。