文章信息
- 朱锦奇, 王云琦, 王玉杰, 马超
- Zhu Jinqi, Wang Yunqi, Wang Yujie, Ma Chao
- 基于植物生长过程的根系固土机制及Wu模型参数优化
- Analyses on Root Reinforcement Mechanism Based on Plant Growth Process and Parameters Optimization of Wu Model
- 林业科学, 2018, 54(4): 49-57.
- Scientia Silvae Sinicae, 2018, 54(4): 49-57.
- DOI: 10.11707/j.1001-7488.20180406
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文章历史
- 收稿日期:2016-12-27
- 修回日期:2017-07-01
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作者相关文章
2. 北京市水土保持工程技术研究中心 北京 100083
2. Beijing Engineering Research Center of Soil and Water Conservation, Beijing Forestry University Beijing 100083
利用植物对边坡进行加固具有悠久的历史,Krabel于1936年首次在美国采用植物固坡措施。随后植物对边坡的加固作用越来越受到重视,研究者们也发现植物以多种方式提高边坡的稳定性(Morgan et al., 1995)。由于植物根系和土壤受力方式的复杂性,根系加固土壤的效果一直以来都是研究的重点和难点。现有的植物固土模型都存在不同类型的假设,无法准确量化根系加固土壤的效果,更无法知道植物种植后多久可以发挥固土效果(Fuchs et al., 2005)。
近年的研究多集中于量化植物根系固土的机械效果上(Thompson et al., 2008),以此来强调植物提高边坡稳定性的作用,为防治各类因边坡失稳发生的灾害提供解决方案(Motta et al., 2000)。在需要植物固坡的边坡上,固坡方案通常选择小型木本或者草本植物,但植物固土固坡的效果是随着植物生长动态变化的(周云艳等, 2012)。对于亟需治理的边坡而言,直接种植成熟的树木,反而会因为其过大的地上部分自重对边坡的稳定性产生一定的危害。从植物生长角度而言,幼小乔木更能适应和改造环境;研究幼小乔木种植后根系固土效果的动态变化,有利于了解根系生长过程中根土相互作用的机制,为提高植物固坡工程效率提供依据。
植物对边坡的加固作用主要通过根系来实现的,现有的研究多通过将含根土层作为一种复合材料、根系作为一种加筋材料(根系增强量△S)来对含根土壤的抗剪切强度进行分析(Waldron, 1977; Waldron et al., 1981; Pollen et al., 2005)。较为广泛使用的方法是Wu等(1979)提出的基于摩尔库伦公式的固土模型。Wu模型依据3个假设:一是所有的土体与根系紧密接触,破坏方式都为断裂;二是所有的植物根系都垂直于直剪面;三是所有的根系同时被破坏(Norris, 2008)。实际上,在土壤发生剪切破坏过程中,植物根系并非和土壤紧密地键合在一起,所以并非所有根系都会被拉断,这是导致原有模型高估植物根系固土作用的重要原因(Pollen et al., 2005; Docker et al., 2008)。因此,根系实际的固土的效果往往只有Wu模型计算结果的0.34~0.5,即Wu模型平均高估了植物根系的固土效果达到150%(Pollen et al., 2005; Preti et al., 2009; Schwarz et al., 2010)。
已往的根系固土研究多通过重塑土或者直接将林地内取得的含根土直接进行剪切试验来获取植物附加黏聚力,但前者将对土壤与根系的键合情况构成破坏,无法准确地反映自然情况下根系与土壤的作用情况;后者无法避免土壤内含有其他生物或者小石子等情况,同样无法准确反映植物根系对土壤的加固效果。为掌握移植植物不同生长时期的固土效果,完善根土力学相互作用机制,笔者选取中国西南地区常见造林树种四川山矾(Symplocos setchuensis)开展研究。将林内3年生的植物样本移植于直剪盒中,在其土壤完全沉降、根系恢复与土壤的紧密接触后进行直剪试验,测定不同生长时期根系抗剪强度的增加情况。结合植物根的拔出和抗拉试验,对比剪切破坏后的根系破坏情况,分析根系在土壤中的受力机制,并优化Wu模型定量计算中的相关参数,计算不同时期植物根系增加的抗剪强度。通过对比实际测定值、优化后的模型和Wu模型计算值,探索量化根系固土作用的方式和方法。本研究关于植物根系固土效果随生长期变化的结果可用于探讨植物移植后发挥最佳固土效果所需的时间,建立时间序列上植物根系固土效果的试验基础,加深对植物根系的固土机制的理解。
1 研究材料与方法 1.1 研究区概况研究区位于重庆市缙云山国家级自然保护区内。缙云山位于重庆市北碚区、沙坪坝区和壁山县境内,地理坐标为106°17′—106°24′E,29°41′—29°52′N,距市中心约60 km。亚热带季风湿润性气候特征,年平均气温13.6 ℃,最热月(8月)平均气温24.3 ℃,最冷月(1月)平均气温3.1 ℃。土壤属于三迭纪须家河组(T3Xi)厚层石英砂岩风化发育的酸性黄壤。缙云山岩层为砂、泥页岩相间组合,上层为厚砂岩,下层为泥页岩,泥页岩积水。
1.2 样本采集土壤采集于重庆缙云山地区海拔846 m的四川山矾林内,土层厚度为0~50 cm,林内自然土壤密度和含水量平均分别为1.65 g·cm-3、20.8%,样品采集地的土壤有机质含量平均为5.83%,土壤的粒径组成见表 1。在去除土壤表面的枯落物后,以每100 mm为1个土层采集0~50 cm的土壤样本,使用型号为SC900的数字式土壤紧实度仪对各土层的土壤紧实度进行测定并记录。采集后去除土壤中残余的石砾、根系与其他生物,最后与植物一起填入直剪盒内,分层压实盒内的各层土壤到自然状态下各个土层的紧实度。
四川山矾是缙云山地区的代表乔木树种,既耐热又耐寒,对土壤要求不严,酸性、中性及微碱性的沙质壤土均能适应。与常见小乔木的幼树比较,山矾根系分布较广,水平根系和垂直根的分布数量较平均,对土壤的加固效果也较好,故广泛运用于园林绿化中。在同一区域的林内,选择3年生、地径为25 mm的山矾幼树,按照长宽深500 mm× 500 mm× 500 mm的样方挖取植物样本,迅速返回试验站,并用小木刷刷去附着于根系上的土壤。将植物根系放置于标准刻度纸前,多角度进行拍照,用于后期记录原始植物根系面积比率(root area ratio, RAR)。记录完成后,将植物种植于直剪盒中(土壤紧实度等参照土壤样本设置),将直剪盒与植物放置于室外的林地内。本次试验共采集山矾幼树15棵,经过土壤的正常沉降和自然生长3周后,其中12棵植物正常生长。将12棵植物按照RAR分为4组(每组3株样本),分别是:a.0.25%~0.265%;b.0.265%~0.275%;c.0.285%~0.295%;d.0.305%~0.315%。
1.3 根系固土效果测试因为Wu(1979)所提出的植物根系固土模型具有简单、适用性广等特点,现在仍有很多研究利用其对根系的固土效果进行计算。Wu模型基于摩尔库伦定理,将植物所增加的土壤强度直接作为土壤黏聚力S的增量ΔS,其模型可表达为:
$ S = c + \Delta S + {\sigma _N}\tan \phi, $ | (1) |
$ \Delta S = \frac{k}{{{A_{{\rm{shearplane}}}}}}\overline {Tr} \sum\limits_{i = 1}^n {Ai}。$ | (2) |
式中:S为土壤的抗剪强度(kPa),c为黏聚系数(kPa),σN为荷载(kPa),φ为内摩擦角(°)。Ashearplane为剪切面的大小,ΔS为在Ashearplane的剪切面上的所有根系所能产生的抗剪强度增加总量(kPa),k为模型中校正后的根系系数,该值在1.1~1.3之间(Waldron, 1977),本文中取1.2,在该模型中,Tr为根系抗拉强度(MPa)。在Wu模型中,影响植物根系固土的主要参数有RAR、根系的抗拉强度(Tr)和模型的修正系数k。
为实现对生长过程中植物根系所加固的原状土的抗剪切强度的实际值进行测定,本次试验在借鉴Thmopson等(2006)研究思路的基础上,设计了一套全新的直剪系统(图 1)。直剪系统包括3个部分:第1部分为长30 cm×宽30 cm×深50 cm,直剪盒用厚度为15 mm的抗腐蚀木板制作而成,直剪盒内外侧进行了抛光处理和防腐蚀处理。直剪系统包括上盒、下盒、导轨、挡板、拉压力传感器、转轮等部分。直剪盒分为深度分别为25 cm的上下2部分,其中,下盒的全长为27 cm,包括2 cm的底厚。上下盒接触面上设置了可滑动的导轨,不仅减少上下盒活动时的阻力,同时保证剪切过程中移动方向的稳定。直剪盒底部设置了直径约为50 mm的小孔,使盒内的水分可以排除,保证盒内植物的正常生长。第2部分为固定系统,包含固定下盒的底座和相对应的卡扣,固定上盒并且推动上盒发生剪切位移的支架,以及相对应的位移传感器。第3部分为测试系统,包括提供恒定位移的电机,实时测定拉力的拉压传感器。剪切试验之前对盒内含水率、紧实度等土壤参数进行反复测定,使其与自然状况下的土壤参数保持一致。剪切速度为2 cm·min-1。将植物直接种植于直剪盒中,能有效地减少植物移植过程中土壤所受的扰动,保证了植物根系与土壤直剪键合力不受干扰,解决了一直以来无法准确测定植物根系固土效果的问题。与以往小盒直剪试验不同,此次为将山矾幼树种植到直剪盒内,笔者设计的直剪盒尺寸较大。这样可以使试验中选择的3年生山矾植物根系可以完整地放入直剪盒中,也使在1年的试验周期内,山矾的根系生长不会受直剪盒尺寸的限制。以往研究根系固土效果的试验中也证实,较大型的直剪装置能比较好地反映真实的根系固土效果增强的情况(Waldron et al., 1981; Docker et al., 2008)。在直剪试验之前,使用ET100根系生态监测系统针对野外的山矾植物生长情况进行统计和调查,证实在种植3周后,移植的山矾幼树可以在直剪盒内正常生长;分别在植物正常生长后的1个月、4个月和1年分别随机选择每组中的1株(每次共4株)植物进行直剪试验,共进行12次试验,得到植物剪切破坏所需要的力F(单位为N)(该值在计算过程中须减去上下盒间的摩擦力,经反复测定,该摩擦力平均为7 N)。根土复合体的抗剪强度可表示为:
$ S = \frac{F}{{\left[ {0.3 \times \left({0.3 - d} \right)} \right]}}。$ | (3) |
式中:S为根土复合体的抗剪强度(kPa),d是剪切位移(m)。根据直剪试验结果绘制应力应变曲线,以最大的抗剪切强度值所处的点,判断该根土复合体发生破坏。
1.4 根系强度测试在实际土壤剪切破坏过程中,植物根系并非全部被拉断,其中有部分根系被拔出,故需针对根系断裂破坏所对应的抗拉强度和拔出破坏所对应的拔出强度进行测试,并利用相关参数对模型进行优化。植物根系的抗拉强度为根系材料本身被拉断时所能承受的最大破坏强度;根系的拔出强度主要体现为根系与周围土壤的摩擦力。其中,植物单根抗拉强度Tr(MPa)可表示为:
$ {T_r} = {F_{\max }}/\left[ {\pi {{\left({\frac{D}{2}} \right)}^2}} \right]。$ | (4) |
式中:Fmax为根系断裂时所可承受的最大抗拉力(N);D为根系直径(mm)。
植物根系断裂时所用仪器为单柱式电子拉力试验机(Bischetti et al., 2009),测试速度为10 mm·min-1。在试验过程中,根系很容易在夹具交接的位置断裂,但此时的断裂并非根系本身所能抵抗的最大抗拉力。为增加试验成功率,除了在夹具中增加海绵垫,还在植物根系的两头缠上多层胶带。经过处理后,根系成功在中间位置断裂,试验成功的概率提高到约40%。
植物单根拔出强度(Tp)参数并未出现在Wu的原始模型中,该参数用于描述植物根与土壤之间的键合力的强度(Waldron et al., 1981),而该强度受土壤特性和根土接触面的特性有关(Ennos, 1990)。TP(MPa)可表示为:
$ {T_p}{\rm{ = }}2\tau L/D。$ | (5) |
式中:τ为拔出时切向最大应力(MPa),L为根系长度(mm),D为根系直径(mm)。
植物根系拔出强度的测试采用系锚固力测定仪(专利号:ZL201310576994.7),该仪器可直接测试出根系拔出时的最大切向应力。夹具与植物根系的一端采用和根系抗拉力测定过程相同的处理方式。测试速度同样为10 mm·min-1。然而,受土壤含水率、紧实度、颗粒组成以及根系直径等因素的影响,在拔出试验中,植物单根并非都可以抵抗住拔出强度,部分根断裂在土壤中。为与直剪试验的结果进行计算分析,拔出试验中的土壤参数与直剪试验保持一致,控制试验中的变量为植物的不同的生长时期和根直径。使用电子游标卡尺对单根上中下直径进行测定,取平均值作为根直径。
2 结果与分析 2.1 根系数量植物根系面积比是影响植物固土效果的重要指标,在根系强度和其他土壤情况一定的情况下,理论上单位面积上的植物根系越多,植物固土的效果越好。随着植物的生长,植物根系的数量将增加,RAR也会增加。为减少挖取根系对植物生长的影响,选择移植时的根系数量与生长1年后的植物根系数量进行对比,研究1年的生长周期内山矾植物根系的增加情况。
植物根系数量变化见表 2。直径在0~2 mm的根系占山矾根系数量的60%以上,而0~ 4 mm的根系更是占到75%以上;随着植物的生长,1年后的山矾根系中细根的占比有所提高,植物RAR也有小量的增加,a、b 2组植物的根系面积比率增加约0.01%,而c、d 2组植物根系面积比率增加约0.02%。经过1年的生长,大于2 mm的根系数量上增加较少。
初始状态下,4组山矾幼树在直剪盒内的平均根系面积比率为0.264%~0.313%;1年后,根系面积比率增加到约0.275%~0.335%。1年的生长周期内,植物RAR增加了3.3%~7.3%,平均增加了4.7%。
2.2 单根抗拉强度与拔出强度植物单根抗拉强度与拔出强度均与根直径呈非线性的负相关关系,其表达式为y=ax-b (R2>0.8)(图 2),该结果与其他单根拔出强度的研究结果相符(Schwarz et al., 2011)。因此,直径越细的根系具有更大的抗拉强度,Burroughs等(1977)的研究证实了这一现象。植物根系的抗拉力与根直径则呈线性的正相关,但单根强度反映是单位面积上的抵抗破坏的能力。在植物生长过程中,单根抗拉强度并无明显变化。植物根系的抗拉强度与根系本身的材料属性相关。对比植物单根抗拉强度和拔出强度的交点位置可知,植物根系的拔出强度在正常生长4个月时具有显著的提升,特别是直径小于3 mm的部分细根;而在正常生长4个月到1年的区间内,植物拔出强度的增加速度变缓。在植物移植初期,根系直径大于1.8 mm时,根系的拔出强度小于抗拉强度。也就是说,在根土复合体发生剪切破坏时,直径大于1.8 mm的根系最有可能将会被拔出并与土壤分离,而直径小于1.8 mm的根系,则更易被拉断。抗拉强度和拔出强度之间存在阈值。随着植物的生长,单根抗拉强度与拔出强度的变化并不相同。在正常生长的前4个月中,植物根系的拔出强度增加明显,后8个月的增加量有明显减小;而植物根系的抗拉强度几乎没有变化。同时单根拔出强度与植物单根抗拉强度交点处的根系直径增加,更多直径较大的植物根系在土壤破坏过程中被拉断。结合2.1的结果,植物根系的RAR的平均增加量平均为4.7%;而单根抗拉强度和直径的关系分别符合公式y=19.25x-0.37、y=24.51x-0.52和y=26.04x-0.41。
因为各株植物的个体生长差异,各直剪盒内的根系面积比率不同,并导致其抗剪强度存在差异(图 3)。经过1个月的生长后,直剪盒内根土复合体的最大抗剪强度增加约28%,植物根系加固土壤的效果显著增加,且在抗剪切强度达到最大值后,仍旧能保持比1个月时更大的抗剪强度。对比4个月后与1年后的加固效果可知,植物根系对土壤的加固效果并无明显增强,特别是土壤的最大抗剪强度并无明显变化,而在根土复合体的抗剪强度达到最大值后,可以持续的抗剪强度比4个月时增强了约10%。根据2.1与2.2部分的研究,利用Wu模型计算的根系增强抗剪切强度值不应有显著变化,但实际结果是4组根土复合体样本的固土效果都有显著的增加(F=120.61,P < 0.01)。
对比不同种植时期根土复合体所达最大抗剪强度的位移可以发现,生长周期越长,根土复合体破坏所需的剪切位移越大,表明随着植物的生长,根土复合体表现出塑性材料的属性。而在材料强度测试的应力应变曲线中,曲线与X、Y轴围成的面积为根土复合体材料韧性(单位为J·m-3)。如图 3所示,随着植物根系的生长,剪切力破坏单位体积的根土复合体需要做更多的功,消耗更多的能量,也就是说根土复合体将更加稳定,此时植物根系固土的效果则不能仅仅使用抗剪强度一个指标来衡量。
3 讨论在原有的植物根系固土量化模型Wu模型的结果中,考虑的主要参数为RAR和单根抗拉强度,而植物随1年的生长,其根系面积比率(表 3)和抗拉强度(图 2)变化都不显著。其中,因为1年的生长时间较短,根系的数量和直径并未产生显著的增加;而植物根系的抗拉强度与其材料本身强度有关,但在生长过程中,根系本身成分并未发生明显变化。所以由Wu模型计算的根系增强土壤抗剪强度的结果变化不显著,而通过直剪试验的实测抗剪强度增量则有明显的提高,且原模型的计算值过于高估了植物根系的固土效果(图 4)。Fan等(2008)研究中发现,在直剪试验后,断裂的根系仅占总根系的20%~30%之间;在Roering等(2003)和Docker等(2008)的研究中发现了不同径级根系逐渐断裂的规律。本研究中为探究不同根系的破坏形式对其固土效果的影响,也对不同生长阶段植物直剪后的根系破坏状况进行统计。在生长1个月时,只有约22%的根系在直剪试验后发生断裂,且都为直径小于2 mm的根系。随之植物的生长,断裂根系的数量所占的比率增加,断裂根系所占比例分别为0.279%(4个月)和0.306%(1年),且较粗的根系(2~5 mm)也出现根系断裂的情况(图 5)。当土壤发生剪切破坏时,因为植物根系的不同,将导致根系破坏方式的不同,植物根系的拔出强度为根系本身与土壤界面的键合力的强度,该强度的大小随着植物的生长增加明显,进而影响生长过程中植物根系的固土效果(图 6)。
在针对植物根系与土壤的作用关系研究的基础上,针对不同生长时期,对不同直径的植物根系,根据其在土壤发生剪切破坏过程中最有可能的破坏形式,分别采用单根抗拉强度与拔出强度作为计算根系所能提供的固土效果参数,即直径小于阈值(图 1)的植物根系在土壤发生破坏时,认定其更有可能发生断裂破坏,使用抗拉强度作为Wu模型中的TR值,而直径大于阈值的根系则更有可能发生拔出破坏,使用拔出强度作为计算参数,以此对原有的根系固土模型进行修订。计算结果如图 4所示:优化后的模型与实际值更为接近,对比原有模型的计算结果,优化后的模型计算结果准确度提升了约80%。更重要的是,校正后的模型可以较为准确地描述植物根系生长过程中固土效果的变化特征。
4 结论在土壤发生剪切破坏时,土壤中的根系存在不同的破坏方式,而不同的破坏方式导致根系在土壤中表达了不同的物理特性,这对植物根系固土效果的量化有着十分重要的影响。本文的研究结果显示:1)在重庆缙云山地区,经过1年的生长,仅直径小于2 mm的山矾根系增加数量较多,RAR平均增加4.7%,总体增加幅度较小。2)相对于单根的抗拉强度,单根的拔出强度增加更加显著,抗拉强度与拔出强度交点处的根系阈值直径增大。该阈值直径的增加,预示在植物生长1年后,更多的根系将在土壤发生剪切破坏时断裂。3)植物整体根系的直剪试验表明,植物在移栽后4个月的时间,即可表现出高于最初种植时的固土效果。而后1年的生长时期内,根土复合体抗剪强度增长相对前4个月放缓,根土复合体的抗剪切强度最大增加了28%。在达到最大抗剪切强度后,也保持了较大的抗剪切强度,且达到最大抗剪切强度所需的剪切位移有所增加,这意味着破坏根土复合体,外力需要做更多的功。4)在重庆缙云山的土壤环境下,Wu模型计算的结果高估了植物根系的固土效果在44.01%~81.14%之间,而优化参数后的Wu固土效果的计算模型与实际值相差在0.04%~18.39%之间。随着植物的生长,根土复合体在直剪破坏后,根系断裂的比例增加,存在直径更大的根系发生断裂破坏的现象。但本研究因为研究年限较短,同时预试验需要花费较多时间,导致对植物生长的研究只有1年,而针对乔木树种,可能经过更长时间的生长,其固土效果会发生其他有趣的变化,所以针对植物生长过程的固土效果变化需要更多的研究。
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