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        多花木藍(lán)和雙莢決明根-土界面摩擦特性

        2023-02-28 09:13:58張喬艷唐麗霞譚瑋頤
        長江科學(xué)院院報 2023年1期
        關(guān)鍵詞:根皮根徑凹凸

        張喬艷,唐麗霞,冉 潔,譚瑋頤

        (1.貴州大學(xué) 林學(xué)院,貴陽 550025; 2.貴州省國有扎佐林場,貴陽 550299)

        1 研究背景

        有關(guān)植物根系固土護(hù)坡的研究多集中在兩個方面,一是根系力學(xué)特性,二是根-土相互作用機(jī)制。對于根系力學(xué)特性的研究多集中在根徑、樹種[1]、化學(xué)組成[2-4]、根截面微觀特性[5-7]、根系含水率[8]、拉伸速率[9]等方面,測定根系的力學(xué)特性來評估根系固土效果[10]。但根-土間相互作用包括根-土復(fù)合體的抗剪特性、根系構(gòu)型的變化及其與土壤的相互作用[11]、根-土界面摩擦特性和根土面積比RAR的變化[12]等。當(dāng)土體發(fā)生變形時,根系的存在將有效提高抗剪強(qiáng)度[13],這是根-土界面產(chǎn)生的摩擦力調(diào)動根系的抗拉強(qiáng)度來增強(qiáng)根-土復(fù)合體強(qiáng)度的結(jié)果[14-15],因此,研究根-土界面摩阻特性有助于揭示根系固土護(hù)坡機(jī)制[16]。

        根-土間摩擦是由黏結(jié)型摩擦力、非黏結(jié)型摩擦力以及剪切型摩擦力綜合作用的結(jié)果[17-18]。黏結(jié)型摩擦力與土壤理化性質(zhì)關(guān)系較大,而剪切型摩擦在抵抗土體變形時能調(diào)動根系抗拉強(qiáng)度來增強(qiáng)根-土復(fù)合體的抗剪強(qiáng)度。劉亞斌等[19]研究表明,灌木檸條錦雞兒的主根主要提供根-土間靜摩擦;而土壤含水率的增加會降低根-土界面的摩擦系數(shù)[20]。此外,根徑、埋置深度、加載速率均會對根-土摩擦特性產(chǎn)生影響[21-23]。為了揭示這一內(nèi)因,劉亞斌等[19,24]通過掃描電鏡從微觀的角度計算了根皮的粗糙度,闡釋了不同植物根系不同根徑摩擦性能產(chǎn)生差異的內(nèi)因在于根皮的凹槽和凸起數(shù)目及長度比和寬度比的不同。邢會文等[25]研究亦表明,根系表皮凹凸度增大,會增加根系與土體的接觸面積,使得根-土間的摩擦力增大。田佳等[26]進(jìn)一步證實了根-土摩擦角的大小取決于根皮的凹凸度。

        以上研究集中在:①以電子顯微鏡為基礎(chǔ)獲取根橫截面特征,基于ArcGIS軟件進(jìn)行勾繪,計算其根皮凹凸度;②以不同根徑、樹種、土壤粒徑及其含水率為影響因素研究根-土界面的摩阻特征。以上研究填補(bǔ)了根系固土護(hù)坡中根-土界面摩阻特性的空白,為后續(xù)研究提供了一定的理論指導(dǎo),但依然存在以下不足:①對于根截面凹凸度的提取較為粗糙,電子顯微鏡無法精準(zhǔn)獲取根截面微觀形貌;②未將根-土界面摩阻進(jìn)行系統(tǒng)的研究,形成宏觀辨識→微觀定量→實驗論證體系。鑒于此,本文以喀斯特地區(qū)常見固土護(hù)坡樹種多花木藍(lán)和雙莢決明根系為研究對象,通過根皮宏觀特征的描述、結(jié)合電鏡掃描對根截面凹凸度的定量,再通過直剪摩擦試驗進(jìn)一步論證,以期解析根系的固土護(hù)坡力學(xué)機(jī)理。

        2 研究方法

        2.1 研究區(qū)概況

        研究區(qū)域位于貴州省貴陽市花溪區(qū),地理位置為26°27′11″N、106°39′3″E,海拔1 130 m,屬于亞熱帶濕潤氣候。該區(qū)年均降雨量約1 200 mm,雨季集中在5—10月份;年均氣溫15.3 ℃,陰天多,日照少,年平均日照時數(shù)1 164.9 h,無霜期301 d,年均相對濕度為77%。該區(qū)域平均土層厚度約 6 cm,基巖裸露率約45%[4]。

        2.2 根系樣品采集與制備

        選取邊坡(坡度23°)撒種生長4 a、地徑約2 cm、長勢一致的多花木藍(lán)和雙莢決明。采用全挖法各挖掘10株,選取生長正常、無病蟲害的根系清洗干凈,汲取根表皮多余水分后立即開展試驗,當(dāng)日未完成試樣于4 ℃冰箱保鮮,并在7 d內(nèi)完成測試。

        2.3 土壤樣品采集與制備

        將挖掘根系產(chǎn)生的土壤,去除土壤表面雜質(zhì)(枯枝落葉等)裝袋并帶回實驗室,風(fēng)干并研磨過2 mm 篩,裝袋密封保存。采用pH計測定土壤pH值為7.4,液限為56.3 %,塑限為30.49 %。

        2.4 根皮微觀特征辨識

        為直觀辨識多花木藍(lán)和雙莢決明根皮凹凸特征,將1~5 mm根徑的根剝皮后,于體視鏡下放大20倍至清晰,以獲取根皮凹凸表觀圖片,每個徑級取3次重復(fù),選取具有代表性的圖片進(jìn)行分析。

        2.5 根皮凹凸度的測定

        參照邢會文[20]和夏振堯等[27]試驗方法,將根系分為5級,即1(1±0.5 mm)、2(2±0.5 mm)、3(3±0.5 mm)、4(4±0.5 mm)、5(5±0.5 mm)。具體操作已另文發(fā)表[28]。采用S-3400 N電鏡進(jìn)行掃描,獲取根系橫截面SEM圖。采用ArcGIS軟件對其進(jìn)行勾繪,參照公式(1)計算根截面凹凸度。

        (1)

        2.6 根-土界面摩擦試驗方法

        2.6.1 不同含水率土壤的制備

        根據(jù)野外測定的土壤含水率在11.2 % ~22.4 %,故而設(shè)定4個含水率梯度10.8 %、14.3 %、18.2 %、23.1 %。按照《土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50123—1999)制備試樣,通過式(2)計算所需水的質(zhì)量,用噴霧裝置均勻噴灑混勻后蓋緊,靜置一晝夜備用。

        (2)

        式中:mw為制備試樣所需水的質(zhì)量(g);m0為風(fēng)干土質(zhì)量(g);w0為風(fēng)干土含水率(%);w1為配制目標(biāo)含水率(%)。

        2.6.2 根-土摩擦試驗

        參照試驗儀器(ZJ型應(yīng)變式直剪儀(四聯(lián)剪))透水石尺寸(直徑×高)為61.8 mm×20 mm,試樣截面積為2 998 mm2,裁制大小相同的木塊,用于粘貼根皮。為了減小誤差,僅選取根徑3、4、5 mm進(jìn)行摩擦試驗。本試驗取56 g根皮倒于四聯(lián)剪的上盒,撫平土壤,蓋上直剪儀上盒。根皮處理及放置如圖1所示。

        圖1 根-土界面摩擦試驗Fig.1 Frictional test on root-soil interface

        3 研究結(jié)果

        3.1 多花木藍(lán)和雙莢決明根系根皮微觀特征

        植物根系發(fā)揮固土護(hù)坡作用,不僅取決于根系的力學(xué)特性,還取決于根-土界面摩擦形成“鋼筋混凝土”的效果[29]。由表1可知,對于多花木藍(lán),根徑1~2 mm時,根表皮較為光滑,隨根徑的增大,根表皮出現(xiàn)溝壑和凸起,根徑5 mm時根表皮凸起明顯。對于雙莢決明,根系根皮總體呈黑褐色,隨根徑的增大,顏色進(jìn)一步加深。根徑較小時,根表皮有較小的凹槽;隨根徑的增加,凹槽逐漸變大,根表皮呈現(xiàn)柵格型溝壑。值得注意的是,隨根徑的增大,多花木藍(lán)根表皮特征以溝壑型為主,且溝壑逐漸加寬變深。而雙莢決明根皮特征總體呈柵格狀,隨根徑的增大,柵格進(jìn)一步被放大。

        表1 多花木藍(lán)和雙莢決明不同根徑下根表皮特征Table 1 Characteristics of root skin of Indigofera amblyantha and Cassia bicapsularis of varying diameter

        3.2 多花木藍(lán)和雙莢決明根皮凹凸度

        為定量分析根系表面粗糙程度,采用根系表面粗糙程度的評價指標(biāo)——凹凸度進(jìn)一步表征。

        由表2可知,對于多花木藍(lán),根皮凹凸度隨根徑的增加呈線性增加,相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.996 5。根徑1 mm 時,根皮凹凸度為0.26;根徑5 mm時,根皮凹凸度是根徑1 mm的1.85倍。

        表2 多花木藍(lán)、雙莢決明根皮凹凸度特征Table 2 Roughness feature of root skin of Indigofera amblyantha and Cassia bicapsularis

        對于雙莢決明,根徑1 mm時,根皮凹凸度僅為0.24,而根徑增大至5 mm時,凹凸度高達(dá)0.66,是1 mm 根徑的2.75倍;且凹凸度與根徑間呈指數(shù)函數(shù)增加(R2=0.926 1)。

        綜上可知,在宏觀視角上,隨根徑的增大,根表皮凹槽和凸起增多,在一定程度上對根皮-土摩擦產(chǎn)生較大的影響。由表2可知,根皮特征呈縱向溝壑型(多花木藍(lán))時,根表皮與根系接觸較為緊密,起伏較小。而根皮呈柵格型(雙莢決明)時,根表皮出現(xiàn)較大凹槽,這是多花木藍(lán)根皮凹凸度小于雙莢決明的原因之一。值得注意的是,根徑3 mm時,多花木藍(lán)表皮凹凸度高達(dá)0.37,這與夏振堯等[27]研究多花木藍(lán)根系(根徑3 mm)的最大凹凸度(5.17 %)差異較大;且較之沙地柏最大凹凸度(20.9 %)、沙柳最大凹凸度(18.5 %)相差較大[20]。原因可能在于:①根截面表觀形貌獲取存在差異,本文通過日立SN-4300型掃描電子顯微鏡獲取根皮的凹凸特征,而上述研究基于電子顯微鏡獲取圖片進(jìn)行提取,而電子顯微鏡因其成像為二維而掃描電鏡成像為三維,使得電子顯微鏡下根皮更為微觀的凹凸特征未能完全獲取。②植物不同、生境不一致也是導(dǎo)致差異的原因,該研究區(qū)域?qū)儆诳λ固氐貐^(qū),屬于土石混合堆積邊坡,這一生境使得根皮產(chǎn)生部分凸起,在一定程度增大了根皮凹凸度。

        3.3 不同根徑下多花木藍(lán)和雙莢決明根-土摩擦性能

        鑒于研究區(qū)屬于喀斯特石漠化區(qū),區(qū)域內(nèi)土層淺薄,且石灰土黏性較小。為使研究結(jié)果更切合貴州邊坡修復(fù)與治理,結(jié)合野外測定結(jié)果(土壤平均含水率為14.3%),選取法向壓力100 kPa和含水率14.3%,定量研究不同根徑(凹凸度)下根-土界面摩擦特性。

        由圖2可知,多花木藍(lán)和雙莢決明摩擦強(qiáng)度均隨根徑增大而增加,其中雙莢決明根-土摩擦強(qiáng)度顯著大于多花木藍(lán)。這是因為根皮裂紋呈柵格形時,其根表皮出現(xiàn)凹槽較大,凹凸度也較大,這更有利于與土壤的膠結(jié),從而增加根-土摩擦強(qiáng)度。

        圖2 多花木藍(lán)和雙莢決明根系根徑對根-土摩擦特性的影響Fig.2 Effect of root diameter on frictional characteristics of root-soil interface of Indigofera amblyantha and Cassia bicapsularis

        綜上所述,根徑的增加,根皮微觀特征發(fā)生變化,根皮凹凸度增大,根-土界面摩擦強(qiáng)度增大,其實質(zhì)是根-土接觸面積的增加。這是因為根-土界面摩擦強(qiáng)度的大小主要取決于:①根皮特征差異導(dǎo)致根-土膠結(jié)的差異;②根-土界面實質(zhì)接觸面積的大小。

        4 結(jié) 論

        (1)多花木藍(lán)根表皮形成溝壑型凸起,隨根徑的增大,溝壑逐漸加寬變深。而雙莢決明根表皮特征則呈柵格狀,隨根徑的增大,柵格逐漸變大。

        (2)隨根徑的增加,根表皮凹凸度逐漸增大,根徑由1 mm增加到5 mm時,多花木藍(lán)根皮凹凸度從0.26增加到0.48,雙莢決明從0.24增加到0.66,從數(shù)值上看,雙莢決明根皮凹凸度大于多花木藍(lán),表明柵格型根皮優(yōu)于溝壑型。

        (3)根皮呈格柵形的雙莢決明摩擦強(qiáng)度優(yōu)于根皮呈溝壑型的多花木藍(lán),即根表皮凹起和凹槽越明顯,凹凸度越大,進(jìn)一步根-土接觸面積越大,使得根-土摩擦強(qiáng)度越大。

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