高羊茅根土复合体水力分离研究_程洪.pdf

DOI:10.11829/j.issn.1001-0629.2021-0224程洪，江辉，张路，赵建民，詹新武.高羊茅根土复合体水力分离研究.草业科学,2022,39(11):2350-2360.CHENGH,JIANGH,ZHANGL,ZHAOJM,ZHANXW.Hydraulicseparationoftheroot-soilcomplexinFestuca arundinacea.PrataculturalScience,2022,39(11):2350-2360.高羊茅根土复合体水力分离研究程洪1，江辉1，张路2，赵建民1，詹新武1（1.鄱阳湖流域水工程安全与资源高效利用国家地方联合工程实验室/南昌工程学院水利与生态学院,江西南昌330099；2.中国科学院水利部水土保持研究所,陕西杨凌712100）摘要：为揭示根土物质之间的复杂关系，明晰植物根系提高土壤颗粒粘聚力和阻抗或延缓因水力侵蚀而使土壤颗粒分离的双重作用机制，本研究选择广泛应用于水土保持的高羊茅(Festuca arundinacea)为代表性植物，播种于红壤、高岭土和河沙 3 种生长基质内，对根土复合体进行物理化学测定、水力冲刷和抗剪强度试验。结果表明：1)根系因子中的根长密度、根表面积密度、根体积密度极显著正相关(P次底层次表层底层。3)每 30cm2土壤播种量为 60 粒的根土复合体粘聚力高于 30 粒播种量，且其土壤抗冲性也是最强的。4)根土复合体提高了土壤分离的耗时与冲刷水量或能量消耗，薄层水流作用的第 2 分钟显著延长了剥蚀时长和耗时(P0.05)，显著增加了冲刷水量(P0.05)，极显著增加了能量消耗(Psub-bottomlayersubsurfacelayerbottomlayer.3)Thecohesionoftheroot-soilcomplexwith60seedsper30cm2washigherthanthatwith30seeds,anditssoilanti-scouringindexwasalsothe收稿日期：2021-04-14接受日期：2022-06-06基金项目：江西省教育厅科学技术研究项目(GJJ180925)；国家自然科学基金资助项目(51869012)；江西省重点研发项目(20201BBG71002)；江西省水利厅水利科技项目(202022TGKT08)第一作者：程洪(1965-)，男，江西南昌人，教授，硕士，主要从事水土保持研究。E-mail:通信作者：江辉(1978-)，男，江西赣州人，教授，博士，主要从事生态水利工程和环境遥感大数据研究。E-mail:2350-2360草业科学第39卷第11期11/2022PRATACULTURALSCIENCEVol.39,No.11http:/strongest.4)Theformationoftheroot-soilcompleximprovedthetime-consumingprocessofsoilseparationandtheamountofscouringwaterorenergyconsumption.Withinthesecondminuteofactionofthethinwaterflow,thelengthandtimeofdenudationwereprolonged(significantlypositivecorrelation),andtheamountofwashedwaterorenergyconsumptionwasincreased(significantlynegativecorrelationorextremelysignificant).Theresultsofthisstudyprovideanewscientificreferenceforthestudyofrootconsolidationmechanismstoreducesoilseparation.Keywords:Festuca arundinacea;impactresistance;soilseparation;hydraulicerosion;root-soilcomplex;shearstrengthCorresponding author:JIANGHuiE-mail:关于土壤颗粒位移与力学的研究，Coulomb 最早于 1776 年提出土体强度理论公式，即土体在没有荷载力下摩擦力为零时，土壤破坏强度值或外力剪应力正好等于粘聚力 c，此时土壤颗粒处于剪切破坏临界状态，也可以称为“土壤侵蚀临界”1；但是关于土壤粘聚力与侵蚀动力物理力学或者与水力侵蚀动力这一关键问题及相关联系的基础研究目前比较少。另外粘聚力受到土壤无机矿物颗粒物、水分、矿物氧化物形成的无机胶结物、土壤生物活动、以及有机胶结物等细小软、硬物质的综合影响2，不同土壤的粘聚力因子不同。我国土壤南方黏土类粘聚力高，如广西红土 17.5kpa3，北方沙土粉沙土粘聚力比较低，如粉土 6.15kpa4、黄土 2.0kpa5，河沙颗粒 0.32kpa6。有研究表明土壤粘聚力与土壤组成中的0.25mm 的沙粒占 95.1%；高岭土为煅烧高岭土，0.25mm 的沙粒占 95.1%；红壤取自南昌市艾溪湖南部公园内，0.25mm 的沙粒占95.1%；红壤、高岭土和河沙的粒径分布如图 1 所示。高羊茅草种由江西畜牧技术推广试验站提供。020406080100红壤Red soil高岭土Kaolin河沙River sand粒径占比 Ratio of particle size/%5粒径 Particle size/mm土壤类型 Soil type图 1 红壤、高岭土和河沙的粒径分布图Figure 1 Distribution of particle size of red soil,kaolin,and river sand 1.2 试验方法1.2.1 根土复合体试验将 4 个环刀组合起来，在环刀组合内种植草种构造根土复合体，具体操作：用胶带将 4 个高为2cm、底面积为 30cm2的剪切实验专用环刀叠摞粘在一起，中间留有 1mm 左右的缝隙，便于之后试验中用刀切割，为便于土体排水和植物根系生长，在最底层环刀下面放置带孔环刀盖，孔径 1mm，间隔10mm，梅花状布置。将试验土样筛分均匀，除去杂物，用四分法将土样装至各个环刀组合内。于 2019年 2 月 25 日播种草种，每种土壤的环刀内分别播种 0、30、60、90 粒高羊茅草，每种土壤 4 个播种密度，8 个重复样品，共种草 96 盆，共得到 384 个环刀土样，对每环刀播种量为 30、60 和 90 粒的分别编号为 LF、MF、GF，播种密度 0 粒的为空白对照(CK)。种植 3d 内将高羊茅盆栽放置在生物化学培养箱内，培养温度为 25，每天补充水分，保证种子发芽。之后移至室内，每天定时浇一定量的自来水，观察其生长情况，种植高羊茅 2 个月之后，根系长至 8cm 左右，此时的高羊茅处于营养生长阶段，形成根土复合体，以每一个环刀内的土样为基本单元，之后进行相关指标的测定。1.2.2 冲刷试验本研究采用改进的室内水槽冲刷法38测定土壤的抗冲性，具有精确度高、操作性强的特点。冲刷装置由冲刷水槽，装样室、坡度调节架、溢流槽、流量可调节的水泵组成。冲刷水槽(图 2)的坡度设为 5，冲刷水槽宽 30cm、长 4m，放样室位于距出水口 50cm 处，放样室原为直径为 10cm 的环刀专用，现用蜡烛加热融化浇灌成直径为 6.18cm 的环刀放样室。高岭土和红壤的冲刷流量为 0.42Lmin1，河沙为 0.38Lmin1。在冲刷试验前 24h 内浸泡土样，使得土样达到水饱和状态，后滤干 8h，除去重力水。本研究采用在流量一定的情况下，用天平测量水饱和的土样在 01min 和 12min 内的冲刷土重量，图 2 冲刷装置示意图Figure 2 Schematic of the scouring device2352草业科学第39卷http:/采用抗冲指数39和冲刷模数40表示抗冲性：ANS=T/WLDS；(1)M=V/WLDS。(2)式中：ANS 为抗冲指数(sg1)；M 为冲刷模数(Lg1)；T 为冲刷时间(s)；WLDS 为冲走的土壤重量(g)；V 为冲刷一定质量土壤的用水体积(L)。1.2.3 剪切试验对 4 个垂直压力下的抗剪强度拟合得到粘聚力和内摩擦角。具体操作步骤：将每层环刀土样用刀切开，用剪刀将两个环刀之间的根系剪断，为避免土壤含水量对直剪试验的影响，将每层环刀土样浸泡在水中 24h，浸泡时水面应低于环刀上部，沥干重力水 32h 后，土壤应处在田间持水量，削去环刀上部因浸水而膨胀的土壤，并称量计算土样水饱和时土壤密度。采集各盆栽中的原状根土复合体，使用应变控制式四联式剪切仪(四联剪切仪)进行抗剪强度的土力学试验，总计 192 个环刀土样，分别施加100、200、300、400kPa 的法向应力并以0.8mmmin1的速度作快剪试验，得到抗剪强度取平均值。1.2.4 根系扫描试验在每个土壤指标测定后，将每层的环刀土样放置在 0.25mm 网筛内进行反复冲洗，收集所有根系后置于装有蒸馏水的烧杯中，用镊子将根系从杂质中分离出来，将洗净的根系置于透明玻璃盒，倒入蒸馏水使根系完成淹没，用镊子、玻璃棒等工具将根系尽量分开，使之不重叠，用 EpsonPerfectionV800Photo 扫描仪对根系进行扫描，利用 WinRHIZO2016根系分析软件对扫描的根系图片分析得出根系长度、总面积、体积以及平均直径等参数，并计算根长密度(总根系长度与土样体积之比)、根表面积密度(根表面积与土样体积之比)和根体积密度(根总体积与土样体积之比)。2 结果与分析 2.1 高羊茅根系分布特征随着土层深度的增加，根长密度、根表面积密度、根体积密度总体上呈减少趋势，而平均直径无明显变化，其中 02cm 土层的根长密度占总根长密度的 34.48%，根表面积密度占总根表面积密度的37.42%，根体积密度占总根体积密度的 37.18%，分别是 68cm 土层的 1.8、1.9 和 1.9 倍，可见高羊茅根系主要集中在土壤表层，表层根系是提高土体抗冲刷能力的关键部位(图 3)。高羊茅根系特征参数之间均存在极显著的正相关关系(P0.01)，平均直径和根长密度之间的相关系数为 0.453(表 1)；根表面积密度与根体积密度之间的相关系数最大；其余参数之间的相关系数均大于 0.6，且相关性均为极显著水平(P0.01)。2.2 高羊茅对土壤抗冲性能的影响2.2.1 高羊茅根系对土壤抗冲性的影响根长密度、根表面积密度和根体积密度均与024680.200.250.30平均直径D/mm2345根长密度0.10.30.5根表面积密度0.0010.003根体积密度土层深度 Soil depth/cmRSLD/(cm2cm3)RVD/(cm3cm3)RLD/(cmcm3)图 3 高羊茅各根系参数变化随土层深度的变化Figure 3 Variation of Festuca arundinacea root parameters with soil depthD,diameter；RLD,rootlengthdensity;RSLD,rootsurfaceareadensity;RVD,rootvolumedensity.第11期程洪等：高羊茅根土复合体水力分离研究2353http:/12min 的抗冲指数与冲刷模数相关，且达到显著水平(P0.05)，其中根表面积密度和根体积密度与12min 抗冲指数的相关性水平达到极显著(P0.01)，根体积密度与 12min 冲刷模数达到极显著水平(P0.01)；但仅根表面积密度与 01min 冲刷模数的相关性达到显著水平(P0.05)，其余根系参数与 01min 抗冲指数、冲刷模数之间均无显著相关性(表 2)，这主要由于 01min 内冲刷过程还不稳定，受到根系以外其他因