露天煤矿废弃地植物根系抗剪强度试验
毛旭芮
1,2
,
胥鹏海
3,
曹月娥
1,2,
樊梦成
4,
杨建军
1,2
1. 新疆大学资源与环境科学学院, 830046, 乌鲁木齐;
2. 教育部绿洲生态重点实验室, 830046, 乌鲁木齐;
3. 陕西中圣环境科技发展有限公司, 710043, 西安;
4. 新疆维吾尔自治区发展和改革委员会, 830002, 乌鲁木齐
收稿日期：2018-10-11; 修回日期：2019-07-05
项目名称：国家自然科学基金“基于多核素联合示踪的干旱区风蚀对有机碳的影响研究”（41661057），“干旱区大型工程项目无组织尘排放特征及其对周边植被的影响”（41601572）
摘要：为探讨煤矿废弃地植被恢复时的保水固土效果，分析根土复合体含水率和含根量对抗剪强度的影响机制，比较含水率和含根量对土壤黏聚力和内摩擦角的作用效果，从而为煤矿废弃地的生态修复提供理论依据。以新疆呼图壁县西沟煤矿废弃地为研究区，选取黑麦草、披碱草、新麦草、高羊茅、早熟禾、冰草和紫羊茅7种植物进行根土复合体的抗剪强度试验，并测量其土壤含水率和含根量。结果表明：根土复合体的含水率和含根量主要通过影响土壤黏聚力来影响抗剪强度，对内摩擦角的影响并不显著；多数根土复合体的土壤黏聚力随含水率增加而减小（除紫羊茅），随含根量的增加而增大；抗剪强度与法向压力呈线性相关关系，但不同根土复合体随法向压力的增加抗剪强度的增量不同，抗拉强度的大小表现为高羊茅>冰草>早熟禾>紫羊茅>黑麦草>披碱草>新麦草。该研究结论为：高羊茅和冰草具有良好的土壤加筋作用和固土性能，黑麦草和早熟禾能够更好地适应研究区环境，且具有较强的抗拉性能，可以作为研究区生态恢复的优选草种。
关键词：煤矿废弃地 植物根系 抗剪强度 生态修复
Experimental study on shear strength of plant roots in open-pit coal mine wastelands
1. College of Resource and Environment Sciences, Xinjiang University, 830046, Urumqi, China;
2. Key Laboratory of Oasis Ecology, Ministry of Education, 830046, Urumqi, China;
3. Shanxi Zhongsheng Environmental Technology Development Limited Company, 710043, Xi'an, China;
4. Development and Reform Commission of Xinjiang Uygur Autonomous Region, 830002, Urumqi, China
我国是以煤炭为主要能源的国家，煤炭工业在促进经济发展的同时，也带来一系列严峻的生态环境问题，其中最突出的问题是在开采过程中形成的煤矿废弃地[1-2]。随着大量煤矿废弃地相继出现，废弃的煤矸石与排土场对土地的压占，破坏了地表植被群落，导致地表土壤严重贫瘠化，使矿区生态环境日益恶化[3]。随着我国生态文明的建设，煤矿废弃地的重建工作也日渐受到政府与科研人员的关注[4]。
近年来，植物根系对土体稳定性的贡献引起人们越来越多的关注。Wu等[5]通过建立土壤-根系模型来评价树根对抗剪强度的贡献，并在土块尺度上进行原位剪切试验，研究了根对抗剪强度的贡献，测定了土根系统的抗剪强度、根的抗拉力以及土块的变形。Greenwood等[6]通过计算机程序SLIP4EX利用不同分析方法进行边坡稳定性计算的比较。Pollen等[7]利用了一种动态纤维束模型来解释断根的渐进过程。周云艳等[8]探讨了Wu和Waldron模型，并介绍了国外学者对该模型改进后提出的纤维束增强模型FBM和根束增强模型RBM，总结了植物根系固土护坡机理的研究进展。陆桂红等[9]总结了影响根系固土的关键因素及根系固土的数值模拟等方法。刘小燕等[10]研究了土壤含水率及含根量对抗剪强度的影响。
现有的研究成果多以植物根系的公路护坡为主，如刘治兴等[11]以岳武高速公路边坡为对象，定量评价植物根系固土的时间效应。对于煤矿废弃地生态修复中植物根系固土能力的研究较少[12]。因此，笔者选取黑麦草(Lolium perenne L.)、披碱草(Elymus dahuricus Turcz.)、新麦草(Psathyrostachys juncea (Fisch.) Nevski)、高羊茅(Festuca elata Keng ex E. Alexeev)、早熟禾(Poa annua L.)、冰草(Agropyron cristatum (L.) Gaertn.)和紫羊茅(Festuca rubra L.)7种西沟煤矿废弃地本土植物进行根-土复合体的抗剪强度试验，探究含水率和含根量对土壤抗剪强度的影响机制，比较含水率和含根量对土壤黏聚力和内摩擦角的作用效果，对7种植物的加筋固土性能进行深入了解，以期为煤矿废弃地的生态修复提供理论依据。
1 研究区概况
西沟煤矿位于天山北坡经济带，与昌吉市交界，西与玛纳斯县相邻。中心地理坐标为E86°40′11″，N43°44′30″。研究区海拔1 600~2 170 m，属于中温带大陆性气候，年平均气温2.9~5.2 ℃，年最高气温36 ℃，年日照总时间2 900 h，历年平均降水量为200 mm左右，蒸发量2 300 mm。年均风速3.1 m/s。境内地貌基本由山地和岗地组成。土壤类型主要有灰褐色森林土、栗钙土和石质土等，土壤易遭受流水侵蚀和风蚀。植被类型是以灌丛为主的次生植被。
2 材料与方法
2.1 试验设计
选取7种在试验区生长情况较好的禾本科牧草：黑麦草、披碱草、新麦草、高羊茅、早熟禾、冰草和紫羊茅进行研究。其中新麦草根系稠密而强壮，冰草根系分蘖能力强，2种植物的根系集中分布在0~30 cm的土层。其余5种植物的根系主要分布在0~20 cm深的土层。上述7种植物分别编号为A、B、C、D、E、F、G。各植物的7个土样分别记为S1，S2，…，S7。
2.2 试验方法
采用烘干法测量土壤含水量。用规格为61.8 mm×20 mm的环刀取样植物下土壤进行直剪试验。直剪试验使用WG-1B三联固结仪，每个样方依次施以12.5、25、50、100、200和400 kPa的法向压力进行直剪试验。完成剪应力的测定后，统计环刀内的根系含量，通过烘箱105 ℃烘干至恒质量，用干质量除以体积求得单位体积生物量。
3 结果与分析
根据固结仪所得形变量，利用下式计算试样的剪应力：
|
$
\tau =cR/10{{A}_{0}}
$
|
(1) |
式中：τ为土样剪应力，kPa；c为测力计率定系数，N/mm；R为测力计读数，mm；A0为试样面积，cm2；10为单位换算因数。
由于土壤在天然含水量条件下，抗剪强度与法向压力成正比，且符合摩尔-库伦定律[13]，将抗剪强度与法向压力进行拟合(图 1)，拟合曲线的拟合方程与库伦定律tf=C+σtanΦ相对应，式中：tf为土体抗剪强度，kPa；C为土体黏聚力，kPa；σ为剪切面上的法向压力，kPa；Φ为土体内摩擦角，(°)。
3.1 根-土复合体含水率对抗剪强度的影响分析
除新麦草以外，其他根-土复合体含水率与黏聚力的拟合优度明显高于与内摩擦角的拟合优度(表 1)，说明含水率主要通过影响黏聚力来影响抗剪强度，而新麦草含水率与内摩擦角的拟合优度远远高于与黏聚力的，且内摩擦角值随着含水率的升高迅速增大，抗剪强度也随之提高。原因在于新麦草具有稠密的根须系和短而强壮的根茎，增加了与土壤的摩擦面积，形成更有效的抓地力。
表 1(Tab. 1)
表 1 含水率与抗剪强度的拟合方程
Tab. 1 Fitting equation for moisture content and shear strength
植被类型
Vegetation type |
含水率与黏聚力拟合公式
Moisture content and cohesion fitting formula |
R2
|
含水率与内摩擦角拟合公式
Moisture content and internal friction angle fitting formula |
R2
|
| A |
y=0.109 1x2-6.361 5x+115.88 |
0.787 0 |
y=0.002 6x2-0.252 8x+9.078 6 |
0.104 4 |
| B |
y=-0.140 5x2+4.681 1x-8.511 |
0.400 7 |
y=-0.023 4x2+0.637 7x+1.156 5 |
0.035 1 |
| C |
y=1.498 1x2-12.799x+35.831 |
0.570 2 |
y=0.174 1x2+0.759 9x+2.551 5 |
0.937 4 |
| D |
y=-0.398 5x2+8.962 2x-17.611 |
0.767 2 |
y=0.184 1x2-3.541 5x+21.794 |
0.515 8 |
| E |
y=-0.247 3x2+7.318 2x-28.505 |
0.471 4 |
y=0.017 2x2-0.416 3x+7.818 2 |
0.107 5 |
| F |
y=-0.586 4x2+20.814x-160.97 |
0.239 3 |
y=-0.062 4x2+2.052 3x-10.874 |
0.084 6 |
| G |
y=0.016 4x2+0.632 4x+15.028 |
0.538 9 |
y=-0.006 1x2+0.195 4x+3.457 9 |
0.016 0 |
| 注：A:黑麦草；B：披碱草；C：新麦草；D：高羊茅；E：早熟禾；F：冰草；G：紫羊茅。下同。Notes: A: Lolium perenne L. B: Elymus dahuricus Turcz. C: Psathyrostachys juncea (Fisch.) Nevski. D: Festuca elata Keng ex E. Alexeev. E: Poa annua L. F: Agropyron cristatum (L.) Gaertn. G: Festuca rubra L. The same below. |
|
表 1 含水率与抗剪强度的拟合方程
Tab. 1 Fitting equation for moisture content and shear strength
|
7种根-土复合体的含水率分布在不同的量级(图 2)。新麦草在1%~5%之间；披碱草、高羊茅、早熟禾、冰草在5%~20%之间；紫羊茅在10%~25%之间；黑麦草在15%~35%之间；披碱草、高羊茅、早熟禾、冰草的黏聚力随含水率的升高先增加再减少出现峰值，说明含水率对土体抗剪强度的增益作用具有最佳含水率区域。这主要是由于含水率的增加加大了土体颗粒间的密度，土体的饱和度上升，根-土复合体黏聚力和抗剪强度也随之提高；披碱草、高羊茅、早熟禾、冰草4种植物均为耐寒、耐旱、耐贫瘠的植物，对土壤含水量需求不高，含水率持续上升，孔隙水压也随之提高，导致土体间有效应力下降，黏聚力和抗剪强度也有所下降。紫羊茅的黏聚力值随含水率的增加持续升高，其原因可能是试验区提供的水量未达到紫羊茅所需的最大含水量。黑麦草、新麦草的黏聚力随含水率的上升不断下降，这说明黑麦草、新麦草的黏聚力与含水率呈负相关关系。含水率对于内摩擦角的影响并不明显(除新麦草以外)，总体趋势是内摩擦角随含水率的增加逐渐减小。
7种根-土复合体的黏聚力和内摩擦角随土壤含水量的变化呈现不同趋势的变化，主要因为各种植物在生长过程中对土壤水分的需求量不同，植物根-土界面所产生的黏着力、摩擦因数也不同，土壤含水量对每种植物的具体影响机制仍需进一步探讨。
3.2 根-土复合体含根量对抗剪强度的影响分析
7种根-土复合体的含根量各不相同(图 3)。黑麦草、高羊茅、紫羊茅在0.2~1.2 kg/m3之间；早熟禾在0.3~2 kg/m3之间；冰草为0.5~3 kg/cm3；披碱草、新麦草达到0.1~0.4 g/100 cm3；含根量主要通过影响土壤黏聚力来影响抗剪强度。从表 2可以看出，含水率、含根量-内摩擦角趋势线的拟合优度明显低于含水率、含根量-黏聚力趋势线。
表 2(Tab. 2)
表 2 含根量与抗剪强度指标拟合方程
Tab. 2 Fitting equation for root amount and shear strength indices
植被类型
Vegetation type |
含根量与黏聚力拟合公式
Root amount and cohesion fitting formula |
R2
|
含根量与内摩擦角拟合公式
Root amount and internal friction angle fitting formula |
R2
|
| A |
y=3 657.6x2-156.31x+25.417 |
0.928 5 |
y=399.55x2-3.283 8x+3.454 9 |
0.169 3 |
| B |
y=-49.22x2+76.044x+13.844 |
0.926 1 |
y=-33.895x2+5.501 9x+5.696 |
0.455 4 |
| C |
y=-256.5x2+169.89x-11.226 |
0.839 2 |
y=-42.057x2+5.197 6x+8.171 5 |
0.436 6 |
| D |
y=6 709.1x2-474.71x+27.599 |
0.896 9 |
y=2 305.7x2-277.28x+13.914 |
0.272 9 |
| E |
y=2 385.1x2+588.28x+4.679 1 |
0.943 1 |
y=150.38x2-25.491x+6.577 9 |
0.140 0 |
| F |
y=-36.359x2+74.446x+11.98 |
0.845 3 |
y=61.812x2-24.233x+7.692 1 |
0.182 5 |
| G |
y=-6 166.2x2+1 177.5x-13.336 |
0.828 8 |
y=1 710.8x2-278.05x+14.214 |
0.502 9 |
|
表 2 含根量与抗剪强度指标拟合方程
Tab. 2 Fitting equation for root amount and shear strength indices
|
根-土复合体的土壤黏聚力随含根量的增加显著上升，其中早熟禾、紫羊茅的趋势线先增后减，出现黏聚力的峰值，说明其存在最佳含根量区域。黑麦草、披碱草、新麦草、高羊茅、冰草则为直线上升的变化趋势，其中，披碱草、新麦草、冰草的增加趋势比黑麦草、高羊茅较为缓慢。含根量与土壤内摩擦角的关系并不显著，表现为披碱草、新麦草、冰草的内摩擦角随含根量的增加逐渐减小，高羊茅、早熟禾、紫羊茅则呈现先降低后升高的趋势，黑麦草的内摩擦角随含根量的增加而增大。
3.3 根-土复合体抗剪强度对比分析
7种根-土复合体的抗剪强度总体随法向压力的增加而增加，但在法向压力从12.5 kPa增加到50 kPa的过程中，抗剪强度均呈现先增加后减少的趋势。其次，由于7种植物的根系与土壤相互作用产生的复合内摩擦角和复合黏聚力在不同的法向压力作用下各不相同，因此各根-土复合体的抗剪强度及其增量不可一概而论。
新麦草和高羊茅的植物根系与土壤相互作用产生的内摩擦角明显大于其他植物，抗剪强度的增加幅度较大，但也最不稳定(表 3)。新麦草和高羊茅的黏聚力值相对较小，说明其抗剪强度的大小主要取决于内摩擦角的贡献值；黑麦草和紫羊茅内摩擦角明显小于其他植物，但受外界环境影响较小。从黏聚力值来看，黑麦草和紫羊茅明显超过其他植物，但极不稳定。黑麦草和紫羊茅的抗剪强度的大小主要取决于黏聚力的贡献值。
表 3(Tab. 3)
表 3 内摩擦角与黏聚力特征值对比
Tab. 3 Comparison of internal friction angle and cohesion characteristic value
植被类型
Vegetation type |
内摩擦角Internal friction angle/(°) |
|
黏聚力Cohesion/kPa |
最大值
Maximum |
最小值
Minimum |
均值
Mean |
偏差平方和Sum of squared deviation |
|
最大值
Maximum |
最小值
Minimum |
均值
Mean |
偏差平方和Sum of squared deviation |
| A |
6.63 |
2.08 |
4.72 |
19.05 |
|
38.63 |
25.08 |
29.59 |
145.24 |
| B |
7.65 |
3.31 |
5.21 |
12.06 |
28.90 |
20.00 |
26.56 |
162.22 |
| C |
9.84 |
4.07 |
6.81 |
31.92 |
17.35 |
3.74 |
12.24 |
132.98 |
| D |
10.92 |
4.33 |
6.76 |
28.18 |
37.48 |
17.74 |
25.31 |
249.11 |
| E |
7.60 |
3.54 |
5.83 |
9.50 |
28.90 |
11.18 |
20.92 |
256.47 |
| F |
7.33 |
4.61 |
5.77 |
7.36 |
27.86 |
15.41 |
21.19 |
118.09 |
| G |
7.93 |
3.34 |
4.89 |
14.55 |
41.21 |
20.90 |
30.33 |
402.11 |
|
表 3 内摩擦角与黏聚力特征值对比
Tab. 3 Comparison of internal friction angle and cohesion characteristic value
|
在黏聚力和内摩擦角增加率相同的情况下，含根量的变化率明显小于含水率的变化率(表 4)，在相等的变化率范围内含根量对土壤黏聚力和内摩擦角的影响大于含水率对土壤黏聚力和内摩擦角的影响；因此在本研究区，植物的含根量对土体抗剪强度的影响大于土壤含水率对抗剪强度的影响。
表 4(Tab. 4)
表 4 黏聚力、内摩擦角、含水率、含根量变化率对比
Tab. 4 Comparison of change rate in cohesion, internal friction angle, moisture content, and root amount %
| 项目Subject |
A |
B |
C |
D |
E |
F |
G |
| 黏聚力增加率Increase rate of cohesion |
20.32 |
42.41 |
78.47 |
52.68 |
61.33 |
44.67 |
49.29 |
| 内摩擦角增加率Increase rate of internal friction angle |
68.57 |
56.75 |
58.66 |
60.37 |
53.46 |
37.17 |
57.93 |
| 含水率变化率Change rate of moisture content |
58.94 |
78.05 |
62.29 |
71.90 |
81.56 |
77.29 |
68.14 |
| 含根量变化率Change rate of root amount |
47.99 |
53.51 |
59.27 |
65.19 |
63.40 |
28.53 |
64.48 |
|
表 4 黏聚力、内摩擦角、含水率、含根量变化率对比
Tab. 4 Comparison of change rate in cohesion, internal friction angle, moisture content, and root amount %
|
4 结论与讨论
地表塌陷、植被退化、地下水资源枯竭，矿区的生态环境日益恶化，严重限制了矿区植被生长的两个关键因素，即气候条件和土壤性质[14]。西沟煤矿地处天山北坡，矿山山体坡度较大，煤灰粉尘排放量大，在很大程度上影响了土壤持水性以及植物光合作用。煤矿废弃地的土壤养分含量低于周边山体，土壤肥力差，盐碱化严重，保水保肥能力较弱。此外，研究区由于开采煤矿导致原有的土壤结构、质地被改变，矿区植被覆盖度低。土壤颗粒多为砂粒，黏粒和粉粒含量较少[15]。
由于试验区的生态条件较恶劣，对植物需水量及植物根系的加筋、固氮等作用的要求较为严格，因此含水率和含根量成为影响抗剪强度的2个主要影响因素。不同植物的黏聚力和内摩擦角随含水率变化：披碱草、高羊茅、早熟禾、冰草的黏聚力随含水率的升高先增后减；紫羊茅的黏聚力值随含水率的增加持续升高，黑麦草、新麦草相反；新麦草的内摩擦角随土壤含水率增加显著上升。早熟禾、紫羊茅的黏聚力随含根量的增加先增后减，黑麦草、披碱草、新麦草、高羊茅、冰草的黏聚力随含根量直线上升，含根量与土壤内摩擦角的关系并不显著。根-土复合体的抗剪强度与法向压力呈线性关系。7种植物的黏聚力均值依次为紫羊茅>黑麦草>披碱草>高羊茅>冰草>早熟禾>新麦草；内摩擦角均值依次为新麦草>高羊茅>早熟禾>冰草>披碱草>紫羊茅>黑麦草；最大抗拉力大小表现为高羊茅>冰草>早熟禾>紫羊茅>黑麦草>披碱草>新麦草。综合考虑上述影响因素，7种植物在天然含水率条件下的最大抗拉强度表现为高羊茅>冰草>早熟禾>紫羊茅>黑麦草>披碱草>新麦草。其中，高羊茅具有较好的固土性能，冰草具有较好的土壤加筋作用；因此，高羊茅和冰草推荐作为试验区固土植物的首选。其次可以考虑早熟禾和黑麦草。早熟禾在试验区种植难以把握其最佳生存条件，而抗拉强度表现较好；黑麦草的含水率较高含根量较低，但黏聚力值与含水率呈反向相关且随含根量的增加而快速上升。新麦草固土性能最差；披碱草和紫羊茅较适合在较湿润的地区作为固土植物。
贺长彬等[16]研究了在退化草地上根-土复合体的含水率、含根量等因素对抗剪强度的影响，结果表明：仅含根量变化时，内摩擦角和黏聚力变化不大；含水率值变化时，内摩擦角和黏聚力有明显变化。该研究的试验区为草地生态系统，降水、温度等气候条件与本试验区大不相同，因此根-土复合体的含水率、含根量对抗剪强度的影响也不尽相同。
植物选择对煤矿废弃地的生态修复起到关键性作用。植被生态修复的方法被广泛运用，选取植物的准则也逐渐统一[17]，如陈来红等[18]结合国内外土地复垦成果，提出一套适合研究区的植物种类选择、边坡护理、排土场稳定、种植模式。关于植物在生态修复中的适用性评价的研究在近几年也开始出现，多采用灰色关联度评价法、主成分分析、层次分析法等方法构建评价指标体系，对引种植物的选择、植物生态修复效果、植物护坡效果进行评价[19-20]。
2019, Vol. 17 
