李葉鑫, 呂 剛, 寧寶寬, 陳四利, 王道涵, 魏忠平

(1.沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院, 沈陽(yáng) 110870; 2.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院, 遼寧 阜新 123000; 3.遼寧省林業(yè)科學(xué)研究院, 沈陽(yáng) 110032)

我國(guó)大型煤礦多位于干旱半干旱地區(qū)的內(nèi)蒙古高原、黃土高原及沙漠化地帶[1]，生態(tài)環(huán)境極其脆弱，降雨量少且分布不均勻、蒸發(fā)量大，存在較為嚴(yán)重的土壤和植被水分虧缺問(wèn)題。排土場(chǎng)是露天煤礦水土流失最為嚴(yán)重的區(qū)域，具有物質(zhì)組成復(fù)雜、孔隙發(fā)達(dá)、邊坡松散高陡、平臺(tái)緊實(shí)、沉陷不均勻等特性[2]，不僅土壤水分和養(yǎng)分流失嚴(yán)重，還容易誘發(fā)滑坡、泥石流等水土流失災(zāi)害，不利于植被恢復(fù)。目前，人工植被構(gòu)建是生態(tài)恢復(fù)的主要措施，也是最有效的恢復(fù)方法之一，它可通過(guò)整治改造使喪失的生產(chǎn)能力重新得到利用，有效地恢復(fù)受損的生態(tài)系統(tǒng)，提高植物多樣性和植被覆蓋度，其根系的分布、穿插和固結(jié)作用可以提高土壤抗剪強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度[3]，從而提高生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性、防治水土流失、增強(qiáng)土壤水源涵養(yǎng)功能，被廣泛應(yīng)用于礦區(qū)生態(tài)恢復(fù)[4]。馬紅燕等[5]指出檸條和沙棘是內(nèi)蒙古準(zhǔn)格爾露天礦排土場(chǎng)的先鋒樹(shù)種。高英旭[6]研究了海州露天煤礦排土場(chǎng)不同植被措施的根系分布特征，認(rèn)為根系主要分布在0—40 cm土層范圍內(nèi)。楊波等[7]以內(nèi)蒙古永利煤礦排土場(chǎng)為例，研究了不同植被配置對(duì)排土場(chǎng)土壤侵蝕的影響，結(jié)果表明，植被措施可以有效地抵御持續(xù)暴雨徑流的沖刷襲擊。周林虎等[8]研究高寒礦區(qū)排土場(chǎng)邊坡草本植物根-土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度特征及其影響因素，指出抗剪強(qiáng)度與土體密度、含水率和根系含量關(guān)系密切。然而，對(duì)于土地復(fù)墾與植被恢復(fù)后排土場(chǎng)土體裂縫區(qū)植被根系分布特征的研究關(guān)注較少。排土場(chǎng)土體裂縫的出現(xiàn)會(huì)破壞土體連續(xù)性和完整性，改變土壤結(jié)構(gòu)，嚴(yán)重影響植物正常生長(zhǎng)發(fā)育，拉斷植物根系，造成植物受損死亡[9]，導(dǎo)致植被退化[10-12]。因此，研究排土場(chǎng)土體裂縫區(qū)植被根系和抗剪強(qiáng)度隨土層深度的變化特征對(duì)排土場(chǎng)植被恢復(fù)與重建具有重要意義?；诖耍疚囊灾脖换謴?fù)5 a的排土場(chǎng)為研究對(duì)象，分析土體裂縫區(qū)植被根系分布特征，研究不同土體裂縫根系特征參數(shù)的差異，揭示抗剪強(qiáng)度隨土層深度的變化規(guī)律，以期為排土場(chǎng)植被恢復(fù)與重建提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于內(nèi)蒙古錫林郭勒盟錫林浩特市大唐國(guó)際勝利東二號(hào)露天煤礦南排土場(chǎng)，地處東經(jīng)116°06′—116°14′，北緯44°02′—44°07′，位于礦區(qū)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(fā)生在此3個(gè)月內(nèi)，7月中旬—8月中旬則更是暴雨集中頻發(fā)時(shí)段，多年平均24 h最大降水量為46.8 mm。年平均蒸發(fā)量1 794.6 mm，年均風(fēng)速3.4 m/s，凍結(jié)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(chǎng)位于采區(qū)南側(cè)，使用年限為20 a，排土場(chǎng)總排棄高度、臺(tái)階高度、平臺(tái)寬度依次為100，25，20 m，排土場(chǎng)容量為5.92×107m3，最終松散系數(shù)為1.15。為盡快恢復(fù)排土場(chǎng)的植被，平臺(tái)和邊坡復(fù)墾采取覆土措施(土壤質(zhì)地為砂質(zhì)壤土)，平臺(tái)覆土厚度約為1 m，邊坡覆土厚度約為0.5 m，復(fù)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(yàn)于2017年8月全面調(diào)查排土場(chǎng)1 105平盤土體裂縫分布特征，測(cè)定每條土體裂縫的長(zhǎng)度、寬度和深度，根據(jù)數(shù)理統(tǒng)計(jì)原理和描述性統(tǒng)計(jì)結(jié)果(表1)從中選取3條典型土體裂縫(GFⅠ，GFⅡ，GFⅢ)作為研究對(duì)象，在土體裂縫區(qū)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(cè)定土壤物理性質(zhì)和力學(xué)性質(zhì)。根據(jù)土壤砂粒、粉粒和黏粒含量(表2)，按照國(guó)際制劃分標(biāo)準(zhǔn)將土壤質(zhì)地定為砂質(zhì)土壤。在采集土壤樣品的同時(shí)，利用自制環(huán)刀(內(nèi)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(nèi)并帶回實(shí)驗(yàn)室，用清水將根系洗凈，挑出并記錄死亡腐爛根系的數(shù)量，將剩下的生長(zhǎng)根按照≤0.1，0.1～0.3，0.3～0.5，0.5～1，>1 mm進(jìn)行分類，記錄各個(gè)徑級(jí)植物根系的數(shù)量，采用沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院WinRHIZO根系分析系統(tǒng)(2016)對(duì)各個(gè)徑級(jí)根系的長(zhǎng)度、表面積、體積進(jìn)行分析，最后測(cè)定根系生物量。根系通過(guò)調(diào)節(jié)其直徑的粗細(xì)來(lái)適應(yīng)環(huán)境，對(duì)于多年生草本而言，根系以徑級(jí)≤1 mm為主，這部分根系可以有效地固結(jié)土壤、提高土壤抗侵蝕性能[13]。參照國(guó)內(nèi)外對(duì)草本根系徑級(jí)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(jí)根系分布特征。采用ZJ型應(yīng)變控制式直剪儀(便攜式)測(cè)定黏聚力和內(nèi)摩擦角，荷載條件為100，200，300，400 kPa，量力環(huán)率定系數(shù)為1.623 kPa/0.01 mm。

2 結(jié)果與分析

2.1 根系垂直分布特征

植物根系可以有效地網(wǎng)絡(luò)固持土壤，改善土壤結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)土壤抗侵蝕能力，提高土體穩(wěn)定性[17]。與林木根系相比，草本植物根系一般沒(méi)有強(qiáng)大的主根，通常以須根或細(xì)根為主，大部分根系直徑≤1 mm[18]。由于草本植物的密度大、數(shù)量多且根系抗拉強(qiáng)度比粗根大等特點(diǎn)，須根對(duì)土壤剪切強(qiáng)度增加值是喬、灌木根系的2～3倍[18-19]。由表3可知，3個(gè)土體裂縫根密度表現(xiàn)為GFⅡ>GFⅢ>GFⅠ，根重密度表現(xiàn)為GFⅢ>GFⅠ>GFⅡ，根長(zhǎng)密度和根表面積密度表現(xiàn)為GFⅡ>GFⅠ>GFⅢ，根體積密度表現(xiàn)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(shù)量多且質(zhì)量輕，表現(xiàn)為根密度大、根重密度小的特征。

表1 排土場(chǎng)土體裂縫統(tǒng)計(jì)特征

表2 排土場(chǎng)土體裂縫區(qū)與非裂縫區(qū)土壤物理性質(zhì)

表3 排土場(chǎng)0-60 cm土層根系特征參數(shù)

不同裂縫根系特征參數(shù)呈現(xiàn)不同的變化特征，但總體上呈現(xiàn)隨土層深度增加而減小的變化規(guī)律，根系主要分布在0—20 cm土層(圖1)。對(duì)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(gè)/103cm3；隨著土層深度的增大，3個(gè)樣地根密度的變化規(guī)律不同，0—10 cm土層根密度依次為143.88，160.43，266.11個(gè)/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(xiàn)為減小的變化趨勢(shì)，根重密度與土層深度具有較好的冪函數(shù)關(guān)系(表4)；3個(gè)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(shù)量有關(guān)，而且還與3個(gè)樣地根系生長(zhǎng)狀態(tài)關(guān)系密切。GFⅠ，GFⅡ，GFⅢ根長(zhǎng)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(zhǎng)密度與土層深度具有較好的指數(shù)關(guān)系(表4)；3個(gè)樣地0—20 cm土層根長(zhǎng)密度可達(dá)10.92～13.03 cm/cm3，分別占總根長(zhǎng)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(xiàn)為先增大后減小，且在10—20 cm土層達(dá)到最大，其數(shù)值分別為2.53，2.65 cm2/cm3；GFⅢ表現(xiàn)為減小的變化趨勢(shì)，最大值為2.60 cm2/cm3，出現(xiàn)為0—10 cm土層。

3個(gè)樣地根表面積密度平均值依次為2.09，2.15，2.02 cm2/cm3，其數(shù)值范圍與已有研究結(jié)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(xiàn)先增大后減小的變化趨勢(shì)，在20—30 cm土層達(dá)到最大值；GFⅡ和GFⅢ根體積密度表現(xiàn)為逐漸減小的變化趨勢(shì)，最大值出現(xiàn)在0—10 cm土層；3個(gè)樣地0—10 cm土層根體積密度大小為GFⅡ>GFⅢ>GFⅠ，其變化規(guī)律與根密度、根重密度、根長(zhǎng)密度和根表面積密度均不同，這是根密度、根系長(zhǎng)度和根系直徑共同作用的結(jié)果。

圖1 排土場(chǎng)土體裂縫區(qū)根系垂直分布特征

表4 根系特征參數(shù)(y)與土層深度(x)的關(guān)系

2.2 不同徑級(jí)根系分布特征

由圖2可知，不同土層各個(gè)徑級(jí)根系特征參數(shù)存在差異。對(duì)于根密度，3個(gè)樣地0—60 cm土層以徑級(jí)d≤0.1 mm和0.1 mm1.0 mm根系的根密度最大值出現(xiàn)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(jí)根系直徑小、質(zhì)量輕；d>1 mm根系僅出現(xiàn)0—30 cm土層范圍內(nèi)，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(shù)量少且僅出現(xiàn)在部分土層，進(jìn)而導(dǎo)致該徑級(jí)根重密度偏小。不同徑級(jí)根長(zhǎng)密度依次為1.28，1.34，1.06，0.99，0.98 cm/cm3，隨著根系徑級(jí)的增大，根長(zhǎng)密度呈減小的變化規(guī)律。d≤0.1 mm和0.1 mm0.05)，不同徑級(jí)根系隨著土層深度的增大而減小。不同徑級(jí)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(jí)的增大而減小；對(duì)于d≤0.1 mm根系，隨著土層深度的增加，根體積密度呈現(xiàn)減小的變化規(guī)律；對(duì)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(shù)的相關(guān)性

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

2.4 土壤抗剪強(qiáng)度特征

土壤抗剪強(qiáng)度直接反映土體在外力作用下發(fā)生剪切變形破壞的難易程度[23-24]。由圖3可知，3個(gè)樣地均有相似的變化規(guī)律。GFⅠ0—10 cm土層在100，200，300，400 kPa的剪應(yīng)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(gè)樣地不同土層的剪應(yīng)力均隨著法向應(yīng)力的增大而呈線性增大。當(dāng)法向應(yīng)力由100 kPa增加到400 kPa時(shí)，0—10 cm土層3個(gè)裂縫土壤剪應(yīng)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(gè)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(nèi)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(nèi)摩擦角為12.68～45.51 kPa和21.69°～31.45°，GFⅡ?yàn)?.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(xiàn)先增大后減小的變化趨勢(shì)，最大值出現(xiàn)在30—40 cm土層，位于土體裂縫深度以下，隨后土壤黏聚力減?。慌c30 cm土層以下的土壤相比，土體裂縫深度范圍內(nèi)(0—30 cm)的土壤黏聚力均偏小，這可能由于土體裂縫的出現(xiàn)打斷土體連續(xù)性，增加土壤結(jié)構(gòu)的松散程度，極大程度上地降低土壤黏聚力。內(nèi)摩擦角隨土層深度沒(méi)有明顯的變化規(guī)律。

土壤含水率是影響土壤黏聚力和內(nèi)摩擦角的關(guān)鍵因素。相關(guān)研究表明，隨著土壤含水率的增大，土壤抗剪強(qiáng)度降低，土壤黏聚力和內(nèi)摩擦角均有所減小[25-26]。圖5為土壤黏聚力和內(nèi)摩擦角與土壤含水率的關(guān)系。由圖5可知，黏聚力和內(nèi)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(shù)函數(shù)關(guān)系，其回歸方程的決定系數(shù)R2=0.107，F(xiàn)=29.175，p<0.01，擬合結(jié)果達(dá)到極顯著水平，具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，說(shuō)明土壤含水率的變化會(huì)顯著影響土壤黏聚力；而內(nèi)摩擦角隨土壤含水率無(wú)明顯變化，其擬合結(jié)果較差，未達(dá)到顯著水平(p>0.05)。黏聚力的衰減程度顯著大于內(nèi)摩擦角，說(shuō)明含水率對(duì)黏聚力的影響顯著大于內(nèi)摩擦角，這與黃琨等[27]研究結(jié)果相一致。

表5 根系特征參數(shù)與土層深度相關(guān)分析

圖3 土壤剪應(yīng)力與法向應(yīng)力的關(guān)系

圖4 不同土層深度土壤黏聚力和內(nèi)摩擦角分布

圖5 土壤黏聚力和內(nèi)摩擦角與土壤含水率的關(guān)系

3 討 論

排土場(chǎng)在不均勻沉降作用下形成土體裂縫和土層錯(cuò)位，進(jìn)而導(dǎo)致排土場(chǎng)植物根系損傷和死亡。相關(guān)研究表明，從形態(tài)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(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和根系樣品采集可知，排土場(chǎng)土體裂縫區(qū)植被根系的損傷形式多為扯斷，且裂縫區(qū)域出現(xiàn)數(shù)量不等的死根系，這是由于土體裂縫導(dǎo)致土層發(fā)生錯(cuò)位或拉張，使得一定范圍內(nèi)的根系暴露在外；蒙仲舉等[29]也認(rèn)為扯斷是根系損傷的主要類型，其比例高達(dá)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(gè)樣地根重密度為依次為4.04，3.51，4.11 mg/cm3，其數(shù)值低于已有研究成果，周林虎等[8]研究結(jié)果表明排土場(chǎng)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(guān)研究表明，土體塌陷、錯(cuò)位會(huì)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(qiáng)度，還會(huì)加快土壤水分蒸發(fā)，導(dǎo)致根系由于缺水而死亡。由本研究可知，3個(gè)樣地土體裂縫區(qū)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(chǎng)非裂縫區(qū)，說(shuō)明土體裂縫的出現(xiàn)會(huì)加快土壤水分流失，阻礙植物生長(zhǎng)、發(fā)育以及自修復(fù)；張延旭[32]、杜國(guó)強(qiáng)[33]、臺(tái)曉麗[34]等研究結(jié)果也表明土體裂縫會(huì)降低土壤含水率。本文初步研究了排土場(chǎng)土體裂縫區(qū)植被根系和抗剪強(qiáng)度分布特征，但并未涉及到整株植物和單根根系的抗拉強(qiáng)度以及根系損傷機(jī)理等，今后應(yīng)加強(qiáng)這方面的研究。

4 結(jié) 論

(1) 土體裂縫區(qū)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(zhǎng)密度、根表面積密度、根體積密度均呈現(xiàn)減小的變化趨勢(shì)；根重密度和根長(zhǎng)密度與土層深度之間具有冪函數(shù)或指數(shù)關(guān)系。

(2) 3個(gè)樣地各個(gè)徑級(jí)根系的差異性不同。土體裂縫區(qū)根系以徑級(jí)d≤1.0 mm為主，其根密度占98.96%，徑級(jí)d≤0.1 mm和0.1 mm1 mm根系數(shù)量少且分布在部分土層。不同根系參數(shù)之間具有正相關(guān)關(guān)系。

(3) 3個(gè)樣地土壤黏聚力和內(nèi)摩擦角為5.56～45.51 kPa和21.69°～31.67°，土壤黏聚力最大值出現(xiàn)在30—40 cm土層，位于土體裂縫深度以下。內(nèi)摩擦角隨土層深度沒(méi)有明顯的變化規(guī)律。土壤含水率顯著影響?zhàn)ぞ哿Γ茵ぞ哿Φ乃p程度顯著大于內(nèi)摩擦角。