基于Le Bissonnais法的植被混凝土团聚体稳定性研究

李天齐，周明涛，许文年，高家祯，郑旭超，李鸿铭

(1. 三峡大学防灾减灾湖北省重点实验室,湖北 宜昌 443002；2.三峡大学 水利与环境学院，湖北 宜昌 443002)

植被混凝土是典型的人造复合生态基材，具备一定的强度和抗侵蚀性能，可直接作为边坡的防护材料[1]。该生态基材自发明以来，已在众多地区广泛应用，取得了较大的生态和经济效益。植被混凝土边坡植被群落与初期喷播的植物种子及后期植被的演替密切相关，常见的修复边坡内有草本、草灌、草灌乔三种植被类型。不同植被类型下，地上和地下生物量的差异使得植被混凝土有机物含量不同，从而引起其物理、化学和生物性质的变化，对植被混凝土稳定性造成直接影响[2-3]。

土壤团聚体是土壤颗粒经凝聚胶结作用后形成的个体，是衡量土质的重要物理性质[4]。针对土壤团聚体的分布特征及稳定性，国内外众多学者已开展了较多研究，如唐骏[5]、杨如萍[6]等测定了不同耕作模式下土壤水稳性团聚体组成，研究了植被类型及土地利用模式对土壤团聚体的影响；Lal R[7]认为任何土壤的退化首先表现于土壤团聚体结构的破坏；Le Bissonnais[8]在前人研究土壤团聚体稳定性基础上，提出了测定土壤团聚体稳定性的Le Bissonnais(LB)法。众多研究为土壤团聚体理论的丰富提供了宝贵的经验，然而当前其研究对象一般围绕于自然土壤，缺乏人造复合土壤团聚体的专题报道。

因此，本研究选取植被混凝土作为对象，应用LB法和传统湿筛法(Yoder法)测定不同植被类型下团聚体含量并计算团聚体平均重量直径(MWD)和几何平均直径(GMD)，以此探讨植被类型与植被混凝土团聚体含量之间的关系，分析植被混凝土团聚体的破碎机制，为正确评价植被类型对植被混凝土抗蚀性的影响提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

宜昌地处于湖北省西南部、长江上中游分界处，该区为中亚热带，年平均降雨量942.8～1343.4 mm，平均相对湿度78%，年平均日照时数为1203.4～1628.2 h，年平均气温15.2～19.0 ℃。

实验选取宜昌地区高坝州水电站坝肩右岸边坡(A)、清江水布垭三友坪公路边坡(B)、三峡大学信息技术楼侧边坡(C)为研究坡地，研究样地描述如表1所示，三处均为岩质边坡，均采用植被混凝土生态防护施工工艺，边坡初始条件及后期管理养护条件等无较大差异。

表1 研究样地描述

1.2 样品采集与测定

基于野外调查，按代表性植被的分布在三处边坡中选取草本植被、草灌植被、草灌乔植被各两个样地，样地大小按1 m2(草本植被)、10 m2(草灌植被)和100 m2(草灌乔植被)设置，以S形在同一样地内采取5个样品。采集0～10 cm土层原状土，装入铝盒内带回实验室，风干后，沿土壤自然结构面人工剥成直径为10～12 mm的小土块，并剔除土中的植物根系及小石粒。

土壤团聚体稳定性试验在采样后7 d内完成，每个样品每种处理重复3次。

LB法三种处理方式,有湿润振荡(WS)、慢速湿筛(SW)、快速湿筛(FW)和Yoder法测定方式见文献 [8-9]。

1.3 分析方法及数据处理

土壤团聚体平均重量直径 (MWD，mm)值，几何平均直径 (GMD，mm)值，>0.25 mm团聚体含量(R0.25，%)计算公式如式(1)～式(3)[10]：

(1)

(2)

R0.25=Mi>0.25

(3)

LB法三种处理与Yoder法之间的比较应用最小显著性差异(LSD)进行分析，数据统计分析使用EXCEL2010和SPSS18.0。

2 结果与分析

2.1 不同植被类型下植被混凝土团聚体粒径分布

同一植被类型下植被混凝土经LB法三种处理后，R0.25均值表现为SW>FW>WS，而粒径<0.05 mm团聚体含量为WS>FW>SW。SW处理下，植被混凝土团聚体以>2 mm粒级为主；FW处理下，粒径>2 mm和<0.05 mm团聚体含量较高；WS处理下，植被混凝土团聚体粒径以<0.05 mm为主。对不同植被类型而言，FW和WS处理下，R0.25均值表现为草灌乔植被>草灌植被>草本植被，而SW处理下>0.25 mm粒级的团聚体含量均值表现为草灌乔植被>草本植被>草灌植被，其主要原因可能是SW处理将团聚体放入蒸发皿时溶液由水变成了乙醇，减小了消散及差异膨胀的影响。

植被类型不同会造成土壤团聚体组成和数量上的差异，从而对土壤团聚体的颗粒分布造成影响。本研究结果表明：LB法各处理下粒径>2 mm的植被混凝土团聚体含量整体表现为草灌乔植被>草灌植被>草本植被，而粒径<0.05 mm的植被混凝土团聚体含量整体表现为草本植被>草灌植被>草灌乔植被。在本研究中，LB法三种处理下草灌乔和草灌植被土壤团聚体R0.25均值显著高于草本植被，而草灌乔植被略大于草灌植被，这是由于地表覆盖物的增加，可增加表层土壤入渗率，一定程度上减缓雨水对土壤的击打，从而也有利于大团聚体的形成和保持。此外，乔木和灌木的枯叶和植物根系在土壤团聚体构成过程中起到了粘合剂的作用，使大团聚体数量增加。

2.2 MWD和GMD对土壤团聚体稳定性的评价

植被混凝土采用LB法和Yoder法处理，计算出的团聚体MWD和GMD值如表2所示。由表2可知，三种植被类型下植被混凝土在Yoder和LB法处理下，其MWD值均表现为SW>FW>Yoder >WS，不同植被类型的植被混凝土在相同处理下的MWD值存在一定差异，草灌乔植被和草灌植被的植被混凝土在相同的处理方式下较草本植被MWD值提升，且以Yoder法和WS处理较明显，而SW和FW处理下MWD值提升相对较小。在相同处理方式下，植被混凝土团聚体MWD值规律表现为草灌乔植被>草灌植被>草本植被。LB法和Yoder法处理下，各样地GMD值均表现为SW>Yoder>FW>WS，其规律与MWD值一致。不同植被类型土壤在相同处理下其GMD值存在较大差异，四种处理方法下GMD值均表现为草灌乔植被>草灌植被>草本植被。草灌乔植被和草灌植被的植被混凝土在相同的处理方式下较草本植被GMD值提升，并以Yoder法处理下GMD值最大，SW处理下GMD值提升最小。

表2 植被混凝土团聚体在Yoder法与LB法处理下的MWD和GMD值

注：不同小写字母代表同列同一处理方式下不同植被类型间差异显著(P<0.05)；样地编号中A代表草本植被，B代表草灌植被，C代表草灌乔植被。

LB法和Yoder法处理下的植被混凝土团聚体GMD和MWD平均值大小顺序均呈现为草灌乔植被>草灌植被>草本植被。植被的正向演替，促进了土壤的团聚作用，增强了植被混凝土抗蚀性能。LB法中SW模拟了黏土在轻降雨作用下的膨胀作用，FW对应暴雨或灌溉过程中土壤的崩解过程，WS则模拟了机械破碎过程。MWD和GMD值基本表现为SW>FW>WS，表明植被混凝土受到机械扰动作用破坏最大，其次为暴雨和灌溉的作用，在轻降雨作用下团聚体破碎程度最低。因此，对植被混凝土边坡应施用滴灌并重视雨季的有效防护，以提高植被混凝土边坡的抗侵蚀性和稳定性。

2.3 Yoder法和LB法测定植被混凝土团聚体水稳性的相关性分析

由表3可知：Yoder法与WS处理测定的MWD呈极显著相关，与FW、WS处理呈显著相关；Yoder法和FW处理测定的GMD呈显著相关，FW处理与WS、SW处理呈显著相关，其他处理间相关性不显著；Yoder法和SW处理测定的R0.25值相关性显著，WS处理与FW处理也呈显著相关，其他处理间相关性不显著。可以看出：通过Yoder法测定的MWD、GMD、R0.25值与FW处理均有相关性，LB法三种处理测定的MWD、GMD、R0.25值大部分呈显著相关，说明植被混凝土团聚体在机械扰动下的崩解作用与消散作用显著正相关，LB法中团聚体崩解的三种机制之间有内在的联系。

表3 植被混凝土在Yoder法与LB法处理下团聚体MWD、GMD和R0.25值的相关性

注：*表示检验相关性显著(P<0.05)，**表示检验相关性极显著(P<0.01)。

3 结 论

(1)植被混凝土在WS处理下团聚体粒径以<0.05 mm为主，SW处理下粒径以>2 mm为主，FW处理下粒径>2 mm和<0.05 mm的植被混凝土团聚体含量相对较高。

(2) LB法及Yoder法四种处理下所得MWD、GMD、R0.25值基本表现为草灌乔植被>草灌植被>草本植被。

(3)植被混凝土团聚体在Yoder法及LB法处理下其MWD、GMD值和R0.25基本表现为SW>Yoder>FW>WS，其中湿润振荡处理的测定结果与Yoder法更接近。