干湿作用对紫色土坡耕地生物埂土壤抗剪强度衰减-恢复效应

丁文斌，何文健，史东梅*，蒋光毅，蒋平，常松果



干湿作用对紫色土坡耕地生物埂土壤抗剪强度衰减-恢复效应

丁文斌1，何文健2，史东梅1*，蒋光毅2，蒋平3，常松果1

(1.西南大学资源环境学院，西南大学水土保持生态环境研究所，重庆 400715；2.重庆市水土保持生态环境监测总站，重庆 401147；3.重庆市水利电力建筑勘测设计研究院，重庆 400020)

在次降雨过程中，生物埂土壤内部经历了干燥-湿润-再干燥的干湿循环过程，对生物埂坎土壤抗剪强度和稳定性造成潜在影响；本文主要研究次降雨后干湿作用对桑树生物埂土壤抗剪强度衰减-恢复效应。采用根系挖掘法、室内直剪试验和土壤理化性质分析等综合性研究手段，全面研究了桑树生物埂根系分布、在次降雨前后(降雨第0～9天)干湿循环过程中生物埂土壤理化变化及抗剪强度响应特征、根系对土壤抗剪强度增强效应。结果表明：(1)不同径级根系随土层深度变化显著，根径级≤1 mm的根系集中于土层深度较浅(0～20 cm)位置，而2 mm<根径级≤5 mm的根系在较深层次(20～40 cm)土壤中穿插生长。(2)桑树生物埂土壤垂直层次土壤容重、土壤孔隙在次降雨前后均存在显著差异(P<0.05)。除30～40 cm土层外，土壤容重在经过一次干湿循环作用后有所增加，增加幅度为5.47%～5.88%，且在第5天时土壤容重达到最大值(各层次依次为1.39，1.37，1.44 g/cm3)；土壤总孔隙度、毛管孔隙度随干湿作用时间呈现先增大后减小的趋势，在第1 天(峰值点)发生转折变化。(3)生物埂土壤粘聚力和内摩擦角随着含水率增加呈现出一阶指数衰减变化，各层次土壤粘聚力和内摩擦角在干湿作用过程呈现出先衰减后恢复的“V”型变化趋势；粘聚力与含水率的相关系数为0.68，内摩擦角与含水率的相关系数为0.73。(4)桑树生物埂不同根系径级土体的粘聚力、内摩擦角和抗剪强度与根长密度和根表面积密度呈正相关关系，相关系数在0.30～0.79之间。土壤粘聚力和内摩擦角随含水率增加呈线性衰减的趋势，在次降雨前后生物埂土壤容重、土壤孔隙特征表现为显著性变化；土壤粘聚力和内摩擦角的变化与根长密度、根表面积密度呈正相关关系。生物埂能够改善土壤结构及其土壤通气性，提高土壤养分含量，降低土壤容重，增加土壤孔隙度，为坡耕地耕层作物的生长发育、产量的提高创造有利的条件。

生物埂；粘聚力；内摩擦角；抗剪强度；干湿作用；衰减-恢复效应

生物埂作为坡耕地常见的水土保持农业措施，不仅能提高坡耕地土地生产力，而且还能防止坡耕地水土流失，保护水土资源，改善农业生产条件[1-2]。相关研究表明，生物埂通过机械阻挡作用来减少土壤侵蚀、增加土壤贮水、改善土壤结构、提高土壤的抗剪抗蚀能力[3-4]。生物埂作为农林复合林业措施由国际林业委员会(ICRAF)第一任主席King及同事在20世纪60年代首次提出；在我国，在20世纪80年代黄秉维[5]先生提出复合农林业并呼吁在中国推广；Oyedele等[6]通过对生物埂土壤理化性质的变化情况连续观测，认为生物埂能有效改良土壤理化性质，特别对土壤孔隙结构方面效益显著；Sudhishri等[7]利用生物埂孔隙结构的变化评价了生物埂措施对土壤肥力作用的影响，研究表明，生物埂措施通过改良土壤结构特征来促使土壤肥力的增加；庞有祝[8]认为生物埂各土层均出现不同程度土壤水分亏缺，土壤含水率随土层深度呈现先增加后降低的变化；秦川等[9]研究了生物根系对土壤养分的影响特征。胡昕等[10]通过含水率对煤系土抗剪强度的影响研究表明，煤系土抗剪强度与土壤起始含水率具有明显的相关关系，且含水率对粘聚力的变化影响存在临界值；黄琨等[11]对非饱和土抗剪强度与含水率关系的试验研究显示，随着含水率的增加，土体的抗剪强度降低，含水率对抗剪强度的影响主要表现在降低了土的粘聚力，对内摩擦角的影响较小；蒲玉琳等[12]通过对紫色土区植物篱模式对坡耕地抗剪强度的影响研究指出，植物篱模式明显或显著地提高土壤抗剪强度；张晓明等[13]研究了不同干湿效应对崩岗侵蚀区岩土抗剪强度的影响，倪九派等[14]通过室内三轴剪切试验研究了干湿循环条件下重庆地区3种土壤抗剪强度的动态变化，杨和平等[15]对宁明原状膨胀土进行了加荷条件下的干湿循环试验；这些研究表明随着干湿循环次数的增加，土壤抗剪强度指标会发生衰减。目前，对土壤抗剪强度的研究主要集中于单一因素(如含水率或根系)的影响及作用，并且试验主要通过室内模拟实验进行；在现实中由于剧烈的干湿变化(如雨旱交替)，引起生物埂土体抗剪强度呈突发性降低，进而导致大量埂坎失稳等现象的研究尚待深入。本文以紫色丘陵区坡耕地桑树生物埂为研究对象，通过对根系全部挖掘和室内直剪法，主要研究：(1)桑树生物埂根系分布对土壤抗剪强度的影响；(2)次降雨对桑树生物埂土壤物理性质变化的干湿作用；(3)生物埂土壤抗剪强度对干湿作用的响应特征。研究结果可为生物埂埂坎稳定、坡耕地耕层稳定提供科学支撑以及水土环境的保护提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

研究于2014年3-9月在重庆西南大学紫色丘陵区坡耕地水土流失监测基地开展。该监测基地地处北碚向斜中部，土壤主要以中生代侏罗系沙溪庙组灰棕紫色沙泥页岩母质上发育的中性紫色土为主，紫色土作为一种幼年土，受母岩影响明显，其具有物理风化强烈、化学风化微弱、碳酸钙不断淋溶等特点；位于东经106°26′、北纬30°26′，海拔230 m，年平均气温为18.3 ℃，年降雨量1105.4 mm，以5-9月的降雨量最大，占全年雨量的70%。桑树是紫色丘陵区主要的经济林树种，发展至今已形成大规模的桑树地埂模式，因此，选择在具有代表性的桑树地埂为研究对象，采样点位于桑树根系外侧生物梗10 cm处，具体布设如图1所示，桑树株高3.5 m，株间距0.8 m，树龄8年，埂坎坡度70°，埂坎高3.5 m，坡长4.0 m。

图1 试验采样点布设Fig.1 Layout of field test sampling point

1.2 生物埂土壤物理及力学指标测定

本研究生物埂上选取3棵桑树标准株，共选择4种降雨类型，分别为小雨、中雨、大雨、暴雨，对应降雨强度分别为0.64、1.42、2.37、3.46 mm/min；在降雨前1 d和降雨后第1、3、5、7、9天6个时间点，分层(0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm、30～40 cm)采集距标准株外侧10 cm土样(图1)；各层次分别用铝盒法测定含水率，环刀法测定土壤容重、孔隙度、饱和含水率等[16]，样品用塑料薄膜密封，以上试验重复3次。在采集测定土壤物理性质样品的同时，采集桑树生物埂根-土复合体抗剪环刀(直径61.8 mm×高20.0 mm)样品，每层采集4个，重复3次，样品采集完后用塑料薄膜密封并编号分组包装好。样品带回实验室后，采用 ZJ 型应变控制式直剪仪进行剪切试验，分别在 100，200，300和 400 kPa 荷 载 、 量 力 环 率 定 系 数 为1.695 kPa/0.01 mm 的条件下，测定土样的抗剪强度指标(内摩擦角φ和粘聚力c)，试验方法按照《土工试验规程SL1999》要求进行[17]。

土壤抗剪强度采用荷兰产便携式 14.10Pocket Vane Tester 型三头抗剪仪，采用 CLl02 型(小号) 旋头进行测试，在试验点开挖约为 10 cm×15 cm 的试坑，分别于 5，15，25，35 cm 的深度平面，用小铁铲将之整平，并注意保持土壤结构完整，不受破坏。根据该试验土壤的性质(壤质土)选择 CL100 型(中号)抗剪旋头，将三头抗剪仪先将指针归0，抗剪仪头部放至预定试验深度。用手摁压使抗剪仪徐徐压入土中至预定试验深度，并静置 2～3 min。旋转转盘，直至土体开始被切断时(即表示土体已被剪损)，记录仪表盘上的X。土壤抗剪强度计算公式为：

Y=2.734X

式中:X为实测值，kg/cm2；Y为转换后的土壤抗剪强度，kg/cm2。

1.3 生物埂根系分布采样

本研究采用完全挖掘法采集桑树生物埂根系，在采掘过程中尽量避免对根系的机械损伤。为使根样具有代表性，选取生物埂上3棵桑树标准株，开挖15 cm×15 cm×5 cm土坑，将挖出土壤置于 0.25 mm 的筛中冲洗，根径、根表面积、根体积等根系参数均采用北京易科泰生态技术有限公司提供WinRHIZO根系分析系统进行分析测定。将扫描后的根系晾干并置于80 ℃干燥箱中干燥72 h，然后置于精密度1/1000的电子天平上称量，进行根系生物量测定。

2 结果与分析

2.1 桑树生物埂根系垂直分布特征

植物根系具有强大的固持水土功能，根系对土壤固持作用的大小主要取决于根系的空间分布特征和根系的抗拉力学特性。桑树生物埂中不同径级根系随土层深度变化显著(图2)，桑树根系根径级≤1 mm的根长密度在0～10 cm层的根长密度(1.763 cm/cm3)显著大于其他土壤层，其大小表现为0～10 cm>10～20 cm>20～30 cm>30～40 cm；1 mm<根径级≤2 mm的根长密度主要集中于20～30 cm(0.034 cm/cm3)的土壤层，而2 mm<根径级≤5 mm在0～10 cm(0.014 cm/cm3)和20～30 cm(0.013 cm/cm3)的根长密度显著高于10～20 cm(0.009 cm/cm3)和30～40 cm(0.004 cm/cm3)。根径级≤1 mm的根表面积密度随着土层深度的增加而递减(图3)，0～10 cm的根表面积密度是30～40 cm的4.78倍；而1 mm<根径级≤2 mm的根表面积密度最大值出现在20～30 cm的土壤层，值为0.015 cm2/cm3，显著高于其他土壤层(P<0.001)；2 mm<根径级≤5 mm的根表面积密度除30～40 cm(0.005 cm2/cm3)外，在其他土层分布比较均匀，数值在0.012～0.014 cm2/cm3之间。说明根径级越小的根系集中于土壤表层(0～20 cm)附近的位置，而20～40 cm层土壤主要由较粗根径级的根系穿插生长。

图2 桑树各径级根长密度的垂直空间分布Fig.2 Vertical spatial distribution of root length density in mulberry tree diameter class

图3 桑树各径级根表面积密度的垂直空间分布Fig.3 Vertical spatial distribution of root surface area density in mulberry tree diameter class

生物埂根系的空间分布与植物生物学特性、土层厚度、土壤容重等植物土壤因子的关系密切[9]，在0～10 cm的土壤层中，生物根系中以根径级≤1 mm的细根分布为主，这主要是由于植物为了吸收其生长所需的水分和养分，同时细须根根系提高了生物埂的抗冲性能；2 mm<根径级≤5 mm的粗根系在土壤主要起支撑和锚固的作用，在生物埂坎发生垮塌和崩塌过程中发挥主要的力学特性，维持生物埂坎的稳定性。

2.2 次降雨对桑树生物埂土壤物理性质变化的干湿作用

2.2.1 生物埂土壤物理性质变化对暴雨的响应 自然状态下的土壤在次降雨后，土壤含水率增加而紧实度降低，极易发生崩解；随着降雨结束时间的延长，土壤收缩紧实度增大；在干燥-湿润-干燥的干湿循环过程中，土壤物理特性会经历衰减—恢复过程[14]。紫色土主要由石英、斜长石、蒙脱石、伊利石和部分含铁的矿物质组成，由于紫色土含有一定的蒙脱石和伊利石(10%～20%)成分[18]，决定了紫色土具有膨胀特性，因此，紫色土结构会因干湿循环反复胀缩变形而破坏。次降雨前后桑树生物埂土壤容重、孔隙度随干湿作用变化差异显著(表1)。

表1 不同干湿作用下土壤物理性质的变化特征Table 1 Changes of soil physical properties under different dry and wet conditions

注：在此处0、1、3、5、7、9分别代表降雨前1天和降雨后第1，3，5，7，9天6个干湿作用时间；同一土层同列数据不同字母表示处理在P<0.05水平差异显著。
Note:Where 0,1,3,5,7,9,respectively represent 1 day before rainfall and rainfall after the 1,3,5,7,9 days of six dry and wet time;the same soil with the different letters mean there was significant difference inP<0.05 level.

土壤容重和孔隙结构是反映土壤松紧程度的重要指标，其大小与土壤抗剪强度数值紧密相连[19]。在次降雨前，各层次桑树生物埂土壤容重在1.19～1.38 g/cm3之间，且随土层深度的增加而增大。在次降雨之后随干湿水平的变化，土壤容重呈现先逐渐增大后减小的变化趋势。在干湿作用时间第0～1天，土壤容重降低幅度分别为1%(0～10 cm)、6%(10～20 cm)、7%(20～30 cm)、7%(30～40 cm)，这主要是暴雨后，土壤含水量急剧增加，土颗粒间结合水膜增厚，土体膨胀导致土壤容重下降。除30～40 cm土层外，其余3个土层容重均在干湿水平第5天达到最大值，从上到下依次为1.39，1.37，1.44 g/cm3，说明土壤水分蒸发导致土体发生干缩，土壤容重增加。在经过一次干湿循环过程后，除30～40 cm土层外，土壤容重与降雨前相比增加，增加幅度为5.47%～5.88%，表明干湿循环作用会导致紫色土容重增加。

土壤总孔隙度、毛管孔隙度随干湿作用时间的延长均呈现先增大后减小的趋势，非毛管孔隙度呈现先减小后增大的趋势(表1)。在次降雨前，毛管孔隙度随土壤深度的增加而减小，最小为26.36%(30～40 cm土层)；而非毛管孔隙度在30～40 cm土层达到最大(22.05%)，说明较大的非毛管孔隙是导致30～40 cm土层土壤疏松的主要原因之一。毛管孔隙和非毛管孔隙数量在干湿水平第0～1天差异显著(P<0.05)，在随后的干湿水平时间(干湿水平第3～9天)无显著性差异。

2.2.2 不同干湿作用下土壤抗剪强度变化特征 土体抗剪强度是表征土体力学性质的一个重要指标，主要受土体的种类、结构以及含水率的影响[20-22]，其中以土壤含水率对抗剪强度的影响尤为明显。在不同强度的降雨作用下，土壤含水率均呈现先增大后减小的变化趋势(表2)，且不同降雨强度条件下的含水率最大值出现在小雨后第1天(29.39%)；在经历干湿水平第1～9天时间段后，以小雨和大雨条件下的失水程度较大，失水程度分别为44.30%和48.51%，而以中雨条件的失水程度最小，为38.09%。

表2 不同降雨条件下桑树生物埂土壤干湿作用变化特征Table 2 Changes of soil moisture content after rain mulberry bio-bank

对粘聚力和内摩擦角进行一阶指数衰减拟合(图4)，粘聚力和内摩擦角随着含水率的增加而呈一阶指数衰减，粘聚力和内摩擦角的相关系数分别为0.6820和0.7251，说明桑树生物埂粘聚力和内摩擦角与含水率具有较好的拟合度；粘聚力衰减幅度显著大于内摩擦角衰减幅度，粘聚力和内摩擦角与含水率分别呈y=57.218e-0.0806x和y=29.82e-0.0206x的幂函数关系。

2.3 生物埂土壤抗剪强度对干湿作用的响应特征

干湿水平的变化可以引起土壤水分性能、土壤体积的胀缩变形及抗剪强度特性的变化。不同干湿作用时间的土壤粘聚力和内摩擦角的变化特征见图5。

由图5可知，各层次土壤粘聚力和内摩擦角在干湿效应作用下呈先衰减后恢复的“V”型变化趋势。各层次土壤粘聚力在衰减-恢复的过程存在明显差异，0～10 cm、10～20 cm的土壤粘聚力在干湿作用第5天达到最小值，分别为11.55，11.61 kPa，而20～30 cm、30～40 cm的土壤粘聚力最小值分别出现在干湿作用第7天(17.07 kPa)和第3天(6.26 kPa)；各层次土壤粘聚力衰减程度依次为30～40 cm(18.11 kPa)>0～10 cm(15.80 kPa)>10～20 cm(15.28 kPa)>20～30 cm(6.99 kPa)，粘聚力恢复程度以30～40 cm(14.24 kPa)最大，20～30 cm(0.99 kPa)最小，粘聚力恢复后均未达到降雨前的水平，说明经过土壤干湿循环过程对土壤粘聚力产生弱化的作用。

土壤各层次内摩擦角衰减-恢复过程基本一致，各层次内摩擦角在干湿作用第1天均衰减到最小值，分别为0～10 cm(9.41°)、10～20 cm(8.78°)、20～30 cm(9.08°)、30～40 cm(9.02°)；各层次土壤内摩擦角的衰减程度差异较小，以0～10 cm层土壤衰减程度最大，为14.69°，30～40 cm的衰减程度最小，为12.84°；内摩擦角的恢复过程以第1～3天的时间段最为明显，之后的恢复过程较为缓慢；内摩擦角恢复程度的顺序为0～10 cm(13.33°)>10～20 cm(11.71°)>20～30 cm(11.02°)>30～40 cm(9.54°)，但均未恢复到降雨之前的水平，说明干湿循环过程对内摩擦角同样具有弱化作用。

图4 土壤粘聚力和内摩擦角与含水率的变化关系Fig.4 The relationship between soil cohesion,internal friction angle and water content

图5 不同干湿水平土壤粘聚力和内摩擦角变化特征Fig.5 Variation characteristics of cohesion and internal friction angle of soil in different dry and wet levels干湿变化水平0，1，3，5，7，9分别代表降雨前1天和降雨后第1，3，5，7，9天6个干湿作用时间。The level of wet and dry change 0,1,3,5,7,9,respectively represent 1 day before rainfall and rainfall after the 1,3,5,7,9 days six wet and dry time.

不同降雨强度条件下，土壤粘聚力和内摩擦角随干湿作用时间的变化差异明显(图6)。土壤粘聚力除暴雨条件(先降后升)外，其他不同降雨强度下呈逐渐增大的趋势，随干湿作用时间的增长，不同降雨强度条件下的土壤粘聚力逐渐恢复，恢复程度以中雨(1.42 mm/h)最大，恢复度达到8.71 kPa，大雨(2.37 mm/h)的恢复程度最小，为4.74 kPa。土壤粘聚力的变化呈现峰谷交织的变化形式，总体而言，不同降雨强度下的内摩擦角在干湿作用后恢复，恢复程度最大值出现在暴雨条件(3.46 mm/h)下，为13.33°。主要原因是小雨、中雨条件下降雨强度小于土壤稳定入渗率，导致降雨全部被土壤吸收，随后土壤失水收缩导致粘聚力和内摩擦角恢复，而大雨、暴雨条件由于降雨强度较大，导致土壤孔隙阻塞，土壤不能完全吸收降雨水分，故粘聚力和内摩擦角变化出现差异。

图6 不同降雨条件下土壤粘聚力和土壤内摩擦角随干湿作用时间的变化特征Fig.6 Soil change characteristics with dry time of soil cohesion and internal friction angle under different rainfall conditions1,3,5,7,9分别表示次第1，3，5，7，9天5个干湿作用时间。1,3,5,7,9,respectively represent the 1,3,5,7,9 days five wet and dry time.

2.4 桑树根系分布特征对土壤抗剪强度的影响

土壤抗剪强度由粘聚力和内摩擦角两部分组成，且根系的存在能够增加土体的抗剪强度[20-22]。桑树生物埂不同根系径级土壤的粘聚力、内摩擦角和抗剪强度与根长密度和根表面积密度达到显著正相关，相关系数在0.301～0.793之间(表3)，说明根系的存在能够显著提高土壤的抗剪强度。原因在于植物根系的存在，一方面是生物埂土壤具有类似“钢筋混凝土”的结构，粗根的“锚固”作用与细根的“固持”作用相结合，使生物埂土壤抗剪强度增大；另一方面是根-土相互作用不仅产生土粒与土粒之间的摩擦作用，同时还产生土粒与根系之间的摩擦作用，从而增加根-土复合体的内摩擦角[2]。

生物埂根系径级<1 mm土壤抗剪强度与RLD(根长密度)和RSAD(根表面积密度)呈极显著相关，相关系数分别为0.756和0.653；这是由于桑树径级<1 mm的根系相互缠绕、挤压作用提高了土壤的粘聚力和内摩擦角，进而增强了土壤抗剪强度。桑树生物埂根系径级1～2 mm的RLD(R2=0.721)对抗剪强度(τ)显著，而RSAD对抗剪强度(τ)不显著(R2=0.402)；根系径级2～5 mm的RLD(R2=0.607)和RSAD(R2=0.633)对抗剪强度显著。

表3 土壤抗剪强度指标与桑树根系分布特征的相关性Table 3 Correlation between the soil shear strength index and the root distribution characteristics of mulberry trees

注：RLD，根长密度。RSAD，根表面积密度。*表示在P<0.05水平下检验相关性显著，**表示在P<0.01水平下检验相关性显著。
Note:RLD,Root length density.RSAD,Root surface area density.* indicates a significant correlation at theP<0.05 level,and ** indicates a significant correlation atP<0.01.

3 讨论

3.1 土壤含水量及土壤容重对抗剪强度的作用

土壤抗剪强度是土壤力学性质的重要指标，研究显示，抗剪强度与含水量的大小密切相关。张晓明等[23]对干湿效应下崩岗区岩土抗剪强度的衰减研究表明，粘聚力和内摩擦角随干湿变化呈非线性衰减趋势，抗剪强度指标在13%左右呈现“峰值”；陈红星等[24]通过含水率对抗剪强度的影响研究表明，粘聚力随着含水率的增加基本呈现先增大后减小的趋势，内摩擦角随含水率的增加而线性减小；本研究基于野外降雨条件下土壤水分变化，研究显示(图5)，下雨后随着土壤水分增加粘聚力和内摩擦角衰减，衰减程度分别为15.28～18.11 kPa和12.84°～14.69°，而后随干湿作用时间的增长，含水量变少则土壤粘聚力和内摩擦角随之恢复，恢复程度分别为0.99～14.24 kPa和9.54°～13.33°。原因在于次降雨之后土体中矿物、胶结物质遇水发生溶解、水化、水解等化学反应，部分矿物溶解于水中并随水流运动，造成土体孔隙增大；而胶结物质的丧失将使粒间粘聚力大幅降低；土体的膨胀与水土化学作用的结果导致土的物理力学性质的改变，造成土体软化，因此造成抗剪强度指标的降低；而后随干湿作用时间的增长，土粒间水膜逐渐由原来连续性水膜过渡到间断性水膜，固液态比例减少，相应地固气态比例增加，产生土壤收缩，导致抗剪强度在水分减小过程中增大[23]。

表4 植物根系对抗剪强度的效应Table 4 Effects of plant roots on the shear strength

吕海波等[25]对南宁地区原状膨胀土干湿循环试验研究表明，膨胀土抗剪强度随干湿循环次数增加而衰减，最终趋于稳定，且稳定时所需循环次数均随含水率变化幅度的增加而减小；倪九派等[14]在干湿循环条件下重庆地区3种土壤抗剪强度的动态变化研究显示，粘聚力和内摩擦角在干湿循环后总体呈减小趋势。本研究表明，土壤容重和土壤含水量的交互作用对粘聚力和内摩擦角的作用较小，相对而言，土壤含水量对粘聚力和内摩擦角的影响更明显。本研究基于小雨、中雨、大雨、暴雨4种自然降雨条件，但由于在长期的干湿循环交替变化下，地埂土体已基本趋于稳定，所以抗剪强度指标在干旱交替下的变化不存在明显差异。

3.2 地埂根系对抗剪强度的增强效应

植物根系增强抗剪强度的作用与植物根系的类型密切相关。草本植物的根系主要分布在边坡土体的表层，由于根系与表层土体紧密结合，增强了土体抗剪强度及其边坡整体稳定性，草本根系增强边坡土体稳定性效应主要表现在浅层根系的加筋固土作用；木本植物由于主根系粗壮、进入土层较深，能显著提高根-土复合体的抗剪强度，主要表现在根系的锚固作用。植物根系对抗剪强度的增强效应见表4。

为了明确根系对抗剪强度的影响因素，本文对根长密度和根表面积密度与抗剪强度之间的关系进行分析，结果显示根长密度和根表面积密度与抗剪强度呈显著正相关(R2=0.695和R2=0.563)，且根长密度对抗剪强度的增强作用大于根表面积密度，这与刘窑军等[31]的研究结果相一致。有关研究表明，根系对土壤抗剪强度的影响主要是显著提高土壤粘聚力，而内摩擦角的变化不明显[29,34]。本文分别对根长密度和根表面积密度与土壤粘聚力和内摩擦角的关系进行拟合，研究表明根长密度和根表面积密度对土壤内摩擦角的提高程度大于对土壤粘聚力的提高程度，与之前学者的研究结果出现差异。可能原因是由于土壤结构因干湿循环反复胀缩变形而破坏，导致试验结果出现差异。

4 结论

1)不同土壤层根系分布存在差异，在0～10 cm的土壤层中，生物根系中以根径级≤1 mm的细根分布为主，1 mm<根径级≤2 mm的根系以20～30 cm的土壤层中最多，2 mm<根径级≤5 mm的根系在各土层的分布较均匀。

2)生物埂土壤容重、孔隙度特征、田间持水量随干湿作用时间变化差异显著。随着干湿作用时间的增长，土壤容重呈现先减小后增大并逐渐稳定；毛管孔隙和非毛管孔隙数量的变化主要发生在干湿作用第0～1天时间。

3)各层次土壤粘聚力和内摩擦角在干湿效应作用下呈现出先衰减后恢复的“V”型变化趋势。土壤粘聚力衰减程度依次为30～40 cm(18.11 kPa)>0～10 cm(15.80 kPa)>10～20 cm(15.28 kPa)>20～30 cm(6.99 kPa)，土壤内摩擦角以0～10 cm层土壤衰减程度最大，为14.69°，30～40 cm的衰减程度最小，为12.84°；在干湿循环过程中，土壤粘聚力和内摩擦角均有所恢复，但均未达到降雨之前的水平，粘聚力恢复程度以30～40 cm(14.24 kPa)最大，20～30 cm(0.99 kPa)最小，内摩擦角恢复程度的顺序为0～10 cm(13.33°)>10～20 cm(11.71°)>20～30 cm(11.02°)>30～40 cm(9.54°)；桑树生物埂不同根系径级土体的粘聚力、内摩擦角和抗剪强度与根长密度和根表面积密度达到显著正相关，相关系数在0.301～0.793之间。

References：

[1] Cai Q G.Agroforestry and Soil Conservation in the Hilly Loess Region of Northwest Hebei[M].Beijing:China Environment Science Press,1998.蔡强国.冀西北黄土丘陵区复合农林业与水土保持综合技术研究[M].北京:中国环境科学出版社,1998.

[2] Wang S S,Liu D Z,Shi D M,etal.Analysis on the soil and water conservation benefits of four bunds at edges of sloping land in purple hilly area.Scientia Agricultura Sinica,2013,46(19):4091-4100.汪三树,刘德忠,史东梅,等.紫色丘陵区坡耕地生物埂的蓄水保土效应.中国农业科学,2013,46(19):4091-4100.

[3] Lupwayi N Z,Haque I.Leucaena hedgerow intercropping and cattle manure application in the Ethiopian highlands I:Decomposition and nutrient release.Biology and Fertility of Sails,1999,28(2):182-195.

[4] Cao S X,Chen L,Gao W S.Soft-ridged bench terrace design in hilly loess region.Chinese Journal of Applied Ecology,2005,16(8):1443-1449.曹世雄,陈莉,高旺盛.黄土丘陵区软埂梯田复式配置技术.应用生态学报,2005,16(8):1443-1449.

[5] Huang B W.Slope land utilization and amelioration:important and feasibility.Geographicai Research,1987,6(4):1-5.黄秉维.华南坡地利用和改良重要性和可行性.地理研究,1987,6(4):1-5.

[6] Oyedele D J,Awotoye O O,Popoola S E.Soil physical and chemical properties under continuous maize cultivation as influenced by hedgerow trees species on an alfisol in South Western Nigeria.African Journal of Agricultural Research,2009,4(8):736-739.

[7] Sudhishri S,Dass A,Lenka N K.Efficacy of vegetative barriers for rehabilitation of degraded hill in eastern India.Soil &Tillage Research,2008,99:98-107.

[8] Pang Y Z.Underground Interaction Mechanism and Management of Agro Forestry Systems in the Loess Plateau[D].Beijing:Beijing Forestry University,2006.庞有祝.黄土高原农林复合系统地下互作机理及管理[D].北京:北京林业大学,2006.

[9] Qin C,He B H,Liu Y X,etal.Elfects ofHemerocallisroot system distribution characteristic on soil nutrients in terrace banks planted for hill slope protection.Acta Prataculturae Sinica,2013,22(5):256-264.秦川,何丙辉,刘永鑫,等.生物埂护坡上黄花根系分布特征及其对土壤养分的影响.草业学报,2013,22(5):256-264.

[10] Hu X,Hong B N,Du Q,etal.Influence of water contents on shear strength of coal-bearing soil.Rock and Soil Mechanic,2009,30(8):2291-2293.胡昕,洪宝宁,杜强,等.含水率对煤系土抗剪强度的影响.岩土力学,2009,30(8):2291-2293.

[11] Huang K,Wang J W,Chen G,etal.Testing study of relationship between water content and shear strength of unsaturated soils.Rock and Soil Mechanics,2012,33(9):2600-2604.黄琨,万军伟,陈刚,等.非饱和土的抗剪强度与含水率关系的试验研究.岩土力学,2012,33(9):2600-2604.

[12] Pu Y L,Xie D T,Ni J P,etal.Effects of hedgerow patterns on soil shear strength and anti-scouribility on slope farmland in purple soil area.Scientia Agricultura Sinica,2014,47(5):934-945.蒲玉琳,谢德体,倪九派,等.紫色土区植物篱模式对坡耕地土壤抗剪强度与抗冲性的影响.中国农业科学,2014,47(5):934-945.

[13] Zhang X M,Wang Y J,Xia Y P,etal.Grey relational analysis and evaluation on anti shear strength of the undisturbed soil of typical vegetations in Jinyun Mountain in Chongqing City.Research of Soil and Water Conservation,2007,14(2):145-147,151.张晓明,王玉杰,夏一平,等.重庆缙云山典型植被原状土抗剪强度的灰色关联度分析与评价.水土保持研究,2007,14(2):145-147,151.

[14] Ni J P,Gao M,Wei C F,etal.Dynamics of soil shearing strength of three types of soils under wetting-drying alternation in Chongqing area.Act Pedologica Sinica,2013,50(6):1091-1098.倪九派,高明,魏朝富,等.干湿循环条件下重庆地区三种土壤抗剪强度的动态变化.土壤学报,2013,50(6):1091-1098.

[15] Yang H P,Zhang R,Zhen J L.Variation of deformation and strength of expansive soil during cyclic wetting and drying under loading condition.Chinese Journal of Geotechnical Engineering,2006,28(11):1936-1941.杨和平,张锐,郑健龙.有荷条件下膨胀土的干湿循环胀缩变形及强度变化规律.岩土工程学报,2006,28(11):1936-1941.

[16] Institute of Soil Science,Chinese Academy of Sciences.Soil Physical and Chemical Analysis[M].Beijing:Science Press,1978.中国科学院南京土壤研究所.土壤物理分析[M].北京:科学出版社,1978.

[17] China National Standard Specification.Standard for Soil Test Method GB/T 50123-1999[S].Beijing:China Planning Press,1999.国家标准规范.土工试验方法标准 GB/T 50123-1999[S].北京:中国计划出版社,1999.

[18] Zhao J B,He X B,Shao T J.Material composition and microstructure of purple soil and purple Mudstone in Chongqing Area.Act Pedologica Sinica,2012,49(2):213-217.赵景波,贺秀斌,邵天杰.重庆地区紫色土和紫色泥岩的物质组成与微结构研究.土壤学报,2012,49(2):213-217.

[19] Liu J,Li X W,Ji Z H,etal.Soil water holding capacities and infiltration characteristics of three vegetation restoration models in dry-hot valley of Yuanmou.Acta Ecologica Sinica,2011,31(8):2331-2340.刘洁,李贤伟,纪中华,等.元谋干热河谷三种植被恢复模式土壤贮水及入渗特性.生态学报,2011,31(8):2331-2340.

[20] Carrara A,Pike R J.GIS technology and models for assessing landslide hazard and risk.Geomorphology,2008,94(3/4):257-260.[21] Wang Y Q,Wang Y J,Zhang H J,etal.Impacts of soil structure on shear-resistantance of soil under different land uses in Jinyun Mountain of Chongqing City.Transactions of the CSAE,2006,22(3):40-45.王云琦,王玉杰,张洪江,等.重庆缙云山不同土地利用类型土壤结构对土壤抗剪性能的影响.农业工程学,2006,22(3):40-45.

[22] Pollen-Bankhead N,Simon A.Hydrologic and hydraulic effects of riparian root networks on streambank stability:Is mechanical root-reinforcement the whole story.Geomorphology,2010,116(3):353-362.

[23] Zhang X M,Ding S W,Cai C F.Effects of drying and wetting on nonlinear decay of soil shear strength in slope disintegration erosion area.Transactions of the CSAE,2012,28(5):241-245.张晓明,丁树文,蔡崇法.干湿效应下崩岗区岩土抗剪强度衰减非线性分析.农业工程学报,2012,28(5):241-245.

[24] Chen H X,Li F H,Hao S L,etal.Effects of soil water content and soil sodicity on soil shearing strength.Transactions of the CSAE,2007,23(2):21-25.陈红星,李法虎,郝仕玲,等.土壤含水率与土壤碱度对土壤抗剪强度的影响.农业工程学报,2007,23(2):21-25.

[25] Lv H B,Zeng Z T,Zhao Y L,etal.Experimental studies of strength of expansive soil in drying and wetting cycle.Rock and Soil Mechanics,2009,30(12):3797-3802.吕海波,曾召田,赵艳林,等.膨胀土强度干湿循环试验研究.岩土力学,2009,30(12):3797-3802.

[26] Waldron L J.The shear resistance of root-permeated homogeneous and stratified soil.Soil Science Society of America Journal,1977,41(5):843-849.

[27] Wu T H,Mc Omher R M,Erb R T,etal.Study of soil-root interaction.Journal of Geotechnical Engineering,1988,114(12):1351-1375.

[28] Hengohaovanioh D,Nilaweera N S.An Assessment of Strength Properties of Vetiver Grass in Relation to Slope Stabilization[R].Thailand:International Conference on Vetiver,1996.[29] Yang Y C,Mo Y J,Wang Z F,etal.Experimental study on anti-water erosion and shear strength of soil-root composite.Journal of China Agricultural University,1996,(2):31-38.杨亚川,莫永京,王芝芳,等.土壤-草木植被根系复合体抗水蚀强度与抗剪强度的试验研究.中国农业大学学报,1996,(2):31-38.

[30] Zhu J Q,Wang Y Q,Wang Y J,etal.Analysis of root system enhancing shear strength based on experiment and model.Rock and Soil Mechanics,2014,35(2):449-457.朱锦奇,王云琦,王玉杰,等.基于试验与模型的根系增强抗剪强度分析.岩土力学,2014,35(2):449-457.

[31] Liu Y J,Wang T W,Cai C F,etal.Effect of vegetation restoration on soil shear strength of roadside slopes of unpaved roads in the three-gorges reservoir area.Acta Pedologica Sinica,2013,20(2):396-404.刘窑军,王天巍,蔡崇法,等.植被恢复对三峡库区土质道路边坡抗剪强度的影响.土壤学报,2013,20(2):396-404.

[32] Yang Y H,Wang C H,Liu S Z,etal.Experimental research on improving shear strength of soil in surface landslide by root system of different vegetation type.Research of Soil and Water Conservation,2007,14(2):233-235.杨永红,王成华,刘淑珍,等.不同植被类型根系提高浅层滑坡土体抗剪强度的试验研究.水土保持研究,2007,14(2):233-235.

[33] Gai X G,Chen L H,Jiang K Y,etal.Shear characteristic research on root-soil composite in four kinds of roots of trees and different root buried ways.Scientia Silvae Sincae,2014,50(9):105-111.盖小刚,陈丽华,蒋坤云,等.4种乔木根系不同埋根方式根-土复合体的抗剪特性.林业科学,2014,50(9):105-111.

[34] Chen C F,Liu H Z,Li Y P.Study on grassroots-reinforced soil by laboratory triaxial test.Rock and Soil Mechanics,2007,28(10):2041-2045.陈昌富,刘怀早,李亚平.草根加筋土的室内三轴试验研究.岩土力学,2007,28(10):2041-2045.

[35] Zhang C B,Chen L H,Liu X P.Triaxial compression test of loess-root composites to evaluate mechanical effect of roots on reinforcing soil.Journal of Soil and Water Conservation,2009,23(2):57-60.张超波,陈丽华,刘秀萍.黄土高原刺槐根系固土的力学增强效应评价.水土保待学报,2009,23(2):57-60.

[36] Yu Q Q,Qiao N,Lu H J,etal.Effect study of plant roots reinforcement on soil.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2012,31(Supp.1):3216-3223.余芹芹,乔娜,卢海静,等.植物根系对土体加筋效应研究.岩石力学与工程学报,2012,31(增1):3216-3223.

Effect of drying-wetting condition on attenuation-recovery of soil shear strength of bio-embankment on sloping farmland comprising purple soil

DING Wen-Bin1,HE Wen-Jian2,SHI Dong-Mei1*,JIANG Guang-Yi2,JIANG Ping3,CHANG Song-Guo1

1.CollegeofResourcesandEnvironment,InstituteofSoilandWaterConservationandEco-environment,SouthwestUniversity,Chongqing400715,China;2.ChongqingEco-environmentMonitoringStationofSoilandWaterConservation,Chongqing401147,China;3.ChongqingSurveyingandDesignInstituteofWaterResources,ElectricPowerandArchitecture,Chongqing400020,China

During rainfall the soil in bio-embankments undergoes a drying-wetting-re-drying process which may potential influence the shear strength and stability of bio-embankment soil.This study investigated the attenuated recovery of soil shear strength in a mulberry bio-embankment under drying-wetting conditions.The main purpose of the study was to undertake a comprehensive study of mulberry hedge root distribution before and after rainfall (rainfall 0-9 d),the wetting and drying process in bio-embankment soil,physicochemical changes and the influence of roots on soil shear strength.The results show:(1) Roots with root diameter ≤1 mm were concentrated at shallow depths (0-20 cm),while the roots with 2 mm

bio-embankment;cohesion;internal friction angle;shear strength;drying-wetting condition;attenuation-recovery effect

10.11686/cyxb2016298 http://cyxb.lzu.edu.cn

丁文斌,何文健,史东梅,蒋光毅,蒋平,常松果.干湿作用对紫色土坡耕地生物埂土壤抗剪强度衰减-恢复效应.草业学报,2017,26(6):56-67.

DING Wen-Bin,HE Wen-Jian,SHI Dong-Mei,JIANG Guang-Yi,JIANG Ping,CHANG Song-Guo.Effect of drying-wetting condition on attenuation-recovery of soil shear strength of bio-embankment on sloping farmland comprising purple soil.Acta Prataculturae Sinica,2017,26(6):56-67.

2016-08-17；改回日期：2016-11-17

公益性行业(农业)科研专项“坡耕地合理耕层评价指标体系建立(201503119-01-01)”和重庆市水利局科技项目 “紫色丘陵区面源污染防治措施效应评价(2012)”资助。

丁文斌(1991-)，男，甘肃天水人，硕士。E-mail:dingwenbin88@126.com

*通信作者Corresponding author.E-mail:shidm_1970@126.com