本文发表于《中国水土保持科学》2024年第22卷第4期“水土保持科学与工程”栏目。
为探究根系对三峡水库消落带土壤抗剪性能的影响, 以典型草本植物狗牙根及其根土复合体为研究对象, 利用原状土和重塑土、采用直剪试验和三轴试验2种方法, 揭示根系形态特征、含根量以及布根方式对土壤抗剪性能的影响。
研究区位于三峡水库忠县石宝镇库段消落带(E 107°32~108°14′，N 30°03′~30°35′)，区内出露岩层为侏罗纪沙溪庙砂页岩(J2s)，具有岸线长(496.81 km)、涉及面积大(33.71 km2)、坡度缓(93.1%的区域坡度 < 25°)、扰动强、地质灾害复杂多样等特点，且在地形地貌、基岩特征、土壤类型、气候条件等方面均具有代表性。该区域土壤类型包括紫色土、黄壤和水稻土，紫色土为主要土壤类型，在中国土壤系统分类中属于紫色正常新成土，紫色土在三峡库区分布面积达1万6 613.64 km2，占库区土地总面积的36%，在三峡库区分布最广泛，其土壤结构水稳性较差，遇水极易分散、崩解，为易蚀性土壤。消落带现存植被以一年生草本和多年生草本为主，一年生草本植物有苍耳(Xanthium sibiricum)、鬼针草(Bidens pilosa)，其根系均属于直根系，多年生草本植物有狗牙根(Cynodon dactylon)、扁穗牛鞭草(Hemarthria compressa)，两者属于人工恢复草本，于2007年种植，目前长势良好，根系均属于须根系。
讨论：
本研究发现消落带狗牙根根系能有效增加土壤抗剪性能与以往研究结果一致。研究表明，根系对土壤抗剪强度的提高，一方面表现为凝聚细土粒，锚固土体，改善土壤结构，创造抗侵蚀性强的土体构型，根系促使土粒分离，使土壤单体挤压在一起形成团聚体，提高土壤水稳性团粒含量、有机质含量、土壤孔隙，降低土壤的紧实度和土壤密度，形成较为疏松多孔的根土复合体，增强土壤渗透能力，稳定土壤结构，提高土壤颗粒的抗水流分散能力，进而增强土壤的抗侵蚀能力；另一方面植物根系生长发育过程中可扩大根系-土壤接触面积，植物根部的生长与发育对周边土壤形成轴向压力，从而形成土粒与土粒间和土粒与植物根系之间的相互磨擦力。所以土壤除克服自身的内聚力和内摩擦力外，还需克服根表面与周围土壤之间的外摩擦力，土壤整体抗剪能力强度提高。同时，利用植物根部的自身抗拉、抗剪能力可提高土壤抗剪能力，从而提高土壤内聚能、剪胀力和摩擦力。此外，植物根部在生长发育过程中通过提高微生物活性产生化学物质，促进土粒胶结、提高土壤结构稳定性，从而有效降低土壤流失量。
三峡水库消落带有别于陆生环境，其植物根系在高压淹水和干湿交替作用下，其根系特性发生明显变化，消落带生境下的狗牙根由于长期生长于淹水胁迫环境，对涝渍的适应性强于非消落带生境下的狗牙根，且2种生境下的狗牙根叶片可溶性糖含量均呈先下降后上升的趋势，但消落带狗牙根叶片可溶性糖含量始终高于非消落带狗牙根。研究表明，相对于未经历水陆生境变化的植株，经历干湿环境交替变化的植株根系其恢复时间较短，快速完成萌芽、展叶、生长过程，培养健壮的根系、根系延长以吸收到大量的养分和水分以维持地上部分的快速生长，植物生长方式得到优化。三峡水库消落带的狗牙根长期经历水淹-出露的交替过程，其生长状态比始终处在陆地生境的狗牙根更好，适度水淹促进狗牙根根系对水陆交替变化的适应性，对其种群增长有利，也缩短消落带狗牙根根系更新换代过程，促进根系的生长，从而也增加狗牙根对消落带的固护坡作用。
结论：
本研究表明，根系形态特征、根系含量及布根方式对根土复合体的抗剪性能影响显著。根系形态指标对土壤抗剪性能的影响程度依次为：根表面积密度＞根体积密度＞根长密度＞根质量密度＞根径；内摩擦角与黏聚力均与根长密度、根表面积密度、根体积密度以及根质量密度呈正相关，且内摩擦角与黏聚力随着根系形态特征指标的增大呈对数增长。土壤抗剪性能与根系含量呈正相关，根土复合体抗剪强度及其参数均大于素土，根系含量对黏聚力的影响大于内摩擦角。不同布根方式下土壤抗剪性能差异显著，土壤抗剪强度、黏聚力及最大应力值均表现为交叉布根>垂直布根>水平布根；布根方式对黏聚力的影响大于内摩擦角。
根系固土机理较为复杂，既涉及到根系本身的形态及力学性能等因素的影响，又涉及到土壤性质以及周边环境的影响，本次模拟实验中采用重塑土进行模拟实验，但制作过程中避免不了一些误差。今后可以采取原位种植、人工栽培等方式，一定程度上减小误差，也补充根系整个发育阶段对土壤抗剪性能的影响；同时根系参数上除了讨论根系形态特性，还可考虑到根系化学组分，例如纤维素、木质素，以及根系微观结构，例如表皮厚度、中柱鞘厚度等因素，使根系对土壤抗剪性能的研究更为全面。
根系形态特征与内摩擦角的关系
根系形态特征与黏聚力的关系
不同含根量下土壤抗剪强度及其参数变化
不同含根量下土壤应力-应变关系曲线
不同布根方式下土壤抗剪强度及其参数变化规律
不同布根方式下土壤应力-应变关系曲线
郑晓岚, 鲍玉海, 贺秀斌, 谢航宇, 禹妍彤, 王英培. 三峡水库消落带狗牙根根系对紫色土抗剪性能的影响[J]. 中国水土保持科学, 2024, 22(4): 41-50. DOI: 10.16843/j.sswc.2022079.
ZHENG Xiaolan, BAO Yuhai, HE Xiubin, XIE Hangyu, YU Yantong, WANG Yingpei. Effects of Cynodon dactylon root on the shear resistance of purple soil in the water-level fluctuation zone of the Three Gorges Reservoir[J]. Science of Soil and Water Conservation, 2024, 22(4): 41-50. DOI: 10.16843/j.sswc.2022079.
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