压实度对植被土持水能力及基质吸力的影响

蒋希雁 王皓宇 董捷 周占学

摘要：目前国内外对植被土的研究大都只考虑植物根系的加筋作用，而忽略了压实度这一重要因素。为了给边坡防护提供理论支持，按照张家口地区夏季最大降雨强度进行人工模拟降雨，对种植高羊茅的植被土进行不同压实度的降雨渗透试验，研究了压实度对植被土吸力维持及持水能力的影响，结果表明：①随着压实度的提高，高羊茅根系长度明显减小，但高羊茅在较高压实度土体中仍能够正常生长;②当土体压实度较高时，草根的存在占据了土壤孔隙体积，从而增强了土体持水能力，在压实度为80%和95%时，在一定的基质吸力条件下，植被土含水量高于裸露土的、雨水渗透率小于裸露土的;③影响渗透率的主要因素是压实度，随着压实度的提高渗透率明显降低，根系的存在对渗透率影响较小;④随着压实度的提高，苹根对基质吸力的影响愈加明显，压实度为95%的植被土有较大的基质吸力维持能力，因此把高羊茅作为护坡植物时，为了使边坡土体在降雨过程中维持较高的基质吸力、增强浅层边坡稳定性，土体压实度应选择95%。

关键词：植被土;压实度;基质吸力;持水能力;边坡防护;高羊茅

中图分类号：S152.7;S157.1

文献标志码：A

doi：10. 3969/j .issn.1000-1379.2020.01.018

非饱和土中在毛细作用下形成的气水弯曲曲面会降低土壤的相对湿度，曲面处的孔隙气压与孔隙水压的差值称为基质吸力。国内外学者围绕土壤基质吸力开展了大量研究工作：李勇等[1]研究了黄土高原植物根系对土体渗透能力的影响，指出植物根系能显著增强土壤的渗透力;沈英娃等[2]通过对覆盖层合理厚度的研究，指出植物对减轻雨水侵蚀有重要作用;NG CWW等[3-5]通过测试法向应力作用对土水特征曲线的影响，发现随着应力的增大土体的进气压力增大，并通过室内模拟降雨试验对土体压实度为70%、80%、95%的植被（百慕大草）土基质吸力维持能力进行了研究，通过室内试验探究了植被（鸭脚木）种植密度对土体基质吸力的影响;VAN G M T Hc6]经过数学分析论证，提出了体积含水率与土体体积之间的关系方程;GALLIPOLI D等[7]提出了根系体积比函数方程;LEUNG A K等[8-9]通过试验验证了根系体积比函数方程，试验表明根系的存在增大了土体的进气压力值、提高了土体的持水能力。目前，国内外对植被土的研究和工程实践大都只考虑植物根系的加筋作用，而忽视了压实度这一重要因素。土体压实度不仅影响着土体水力特征，也影响着土体中基质吸力的变化，对浅层边坡稳定、地表水力侵蚀也有重要的影响。笔者研究压实度对植被土吸力维持及持水能力的影响，以期为边坡防护提供理论支持。

1 模型的建立

1.1 土壤类型和植被选择

选取张家口某公路路堤边坡的土体进行模型试验，土样物理性质指标：塑限为13.6%，液限为25.8%，塑性指数为12.2，含水率为12. 0%，最大干密度为1.90 g/cm3。

植被选择高羊茅，其具有生长周期短、耐高温、耐半阴、耐酸、耐贫瘠、抗病性强等特性，属禾本科植物，适合在张家口地区种植。

1.2 模型装置和仪器

为了模拟不同强度的降雨，开发了一套降雨模拟装置，见图1。该装置由5根水平塑料管连接在一个固定高度的蓄水器上，每根塑料管有许多直径为1 mm的小孔用于模拟降雨，降雨能均匀降落到测试箱中;在降雨期间，源源不断向蓄水器供水，保持蓄水器中水位不变，通过调整水头差值来调节降雨强度。

为了防止降雨时土体表面下沉，在每个测试箱一侧土体表面上方1 mm处钻一个溢流孔，因此土壤表面多余的水可以通过溢流孔流到集水器，用电子秤测量收集的水量，可以确定地表水溢出率;在测试箱底部有9个直径为5 mm的排水孔。测试箱中的水量保持平衡，水量平衡公式为R= Ro +B+E+S，其中：R为降雨量，Ro为土表面溢流量，B为基底渗流量，E为表面蒸发量.S为土中蓄水量。该装置放在一个温度和湿度相对稳定的环境中（温度控制在22 - 24℃，湿度控制在25%-30%），蒸发量极小，可忽略不计。

所有测试箱中的土体均没有添加任何肥料，以防止产生溶质吸力。在每个测试箱的中心安装3个微型张力计，型号为TEN - 15，用于测量深度分别为60、120、200 mm的土壤基质吸力，用张力计测得的总吸力代替基质吸力[10]。在120 mm深度的预留孔中埋置TDR时域反射计传感器探头，用来监测该深度对应的体积含水率。

1.3 测试箱前期准备

把6个测试箱分成3组，对应的土样干密度分别为1.330、1.520、1.805 g/cm3，相当于压实度分别为70%、80%、95%.每一组2个测试箱中分别装植被土与裸露土进行对照试验，装植被土的3个箱子编号分别G70、G80、G95（即压实度分别为70%、80%、95%的植被土），装裸露土的3个箱子编号分别为B70、B80、B95（即压实度分别为70%、80%、95%的裸露土）。土样装箱后，在编号为G70、G80、G95的测试箱中以密度为16 g/m2均匀撒播高羊茅草籽，其生长周期为1个月，在此期间每3d用同样的水给6个测试箱浇水一次。

1.4 试验方案

草生长周期完成后，對所有的测试箱进行两阶段试验：第一阶段，通过人工模拟降雨，使每个测试箱3个深度处达到饱和.6个测试箱放在恒定的温室环境中，测试箱底部9个孔自由排水，持续监测不同深度基质吸力的变化，直到3个深度基质吸力有较大的变化;第二阶段，对6个测试箱分别进行人工模拟降雨，降雨强度为123 mm/12 h（相当于大暴雨水平，即张家口地区近3a来夏季最大降雨强度），持续降雨时间为th。在降雨过程中记录6个测试箱中3处深度基质吸力、溢出量、基底渗透情况及深度为120 mm的土体体积含水率变化情况。每一组裸露土和植被土，制备和测试条件都是一样的，所以吸力变化的差异归因于草根的存在。

2 试验结果及分析

2.1 压实度对根系的影响

图2为在两阶段试验后植被土中草根平均长度与土体压实度之间的关系，可以看出，随着压实度的提高根长逐渐减小，压实度从70%提高到95%时平均根长从17.2 cm减小到12.9 cm，原因是较高的土体压实度加大了根系生长过程中的力学阻力[11]。此外，土壤的透气性也影响着植物根系的生长[12]，土体压实度的提高使空气渗透性减小从而抑制了根的生长。尽管压实度为95%的土体中高羊茅根长明显减小，但是高羊茅仍能够正常生长。

2.2 根系对土体持水能力的影响

图3为各测试箱深度为120 mm的土水特征曲线，由于降雨过程中土体由干燥到湿润，因此该曲线是增湿曲线。土水特征曲线基本上可分为3段直线，分别为吸着段、薄膜段和毛细段，各段对应的基质吸力大体上为10⁴～ 10⁶、10²～ 10⁴、0- 10²kPa[10]。本试验的基质吸力变化范围为0-100 kPa.对应着毛细段，即主要针对毛细段的持水能力进行研究。

由图3可以看出，随着基质吸力的增大，体积含水率逐渐减小，对于裸露土，基质吸力为60 kPa左右时，土体压实度为95%和80%的体积含水率接近，均比70%的高，这与ROMERO E等[13-14]的研究结果一致，即当土体压实度较高时对应的持水能力相对较高;植物根系存在于压实度为80%和95%的土体中时，在相同的基质吸力下测得的体积含水率高于与之对应的裸露土的，然而当土体压实度为70%时，却出现了相反的结果，即G70测试箱中土体体积含水率始终低于B70的，原因可能是在相对疏松的土壤中根系的生长会造成更大的根系通道，使土壤孔隙变得更大，导致持水能力比裸露土弱[15]。测试箱B95、G95深度为120mm的基质吸力和体积含水率并没有发生变化，原因主要是降雨过程中基质吸力的影响深度小于120 mm。

2.3 渗透率随时间变化曲线

图4显示了在th持续降雨过程中渗透率的变化情况，可以看出，压实度为80%和95%的植被土渗透率始终低于裸露土的，而压实度为70%的渗透率与此相反（植被土渗透率始终高于裸露土的），原因是相对密实土体中的根系占据了土体内部b孔隙，从而导致土体孔隙减小、渗透率降低[12]，然而相对疏松土体（压实度为70%）中根系的存在会加大水分通道，导致植被土渗透率大于裸露土的，尽管如此，仍可以看出同一压实度的植被土和裸露土渗透率并没有很大差距。压实度为70%的土体，降雨结束时渗透率高达81%.只有约1/5的雨水溢出;压实度为80%和95%的土体，降雨结束时土体渗透率分别为45%、20%左右。渗透率是影响基质吸力变化的直接因素.6个测试箱中G95的渗透率最低。

2.4 裸露土和植被土基质吸力的对比

图5为深度60 mm处基质吸力变化情况。观察深度为60 mm的基质吸力变化情况，原因主要是该深度位于植被根部深度范围内，可直接分析植物根系对基质吸力的影响。

由图5可以看出：降雨前各测试箱初始基质吸力接近，均为82 kPa左右;压实度为70%的土体，由于压实度较低，降雨快速渗入土体中，植被土基质吸力迅速降为0，而裸露土基质吸力降至0的时间比植被土晚了5 min.这表明根系对压实度为70%的土体并没有起到基质吸力维持的效果;然而，压实度为80%和95%的土体中，基质吸力的维持时间都有一定延长，相比于裸露土，植被土基质吸力的维持时间更长。压实度为80%的土体，降雨30 min时，植被土与裸露土基质吸力差达到峰值38 kPa，然而在降雨结束时G80仅保留了4 kPa的吸力，这表明降雨期间草根在压实度为80%的植被土中有显著的基质吸力维持能力，但在降雨结束后基质吸力维持能力很弱;压实度为95%的土体，随着降雨时间的延长，裸露土与植被土基质吸力的差值不断增大，降雨结束时G95基质吸力比B95基质吸力大30 kPa.保留了降雨前初始基质吸力的37%.表明压实度为95%的植被土有较大的基质吸力维持能力，因此把高羊茅作为护坡植物时，为了使边坡土体在降雨过程中维持较高的基质吸力、增强浅层边坡稳定性，土体压实度应选择95%。

2.5 不同深度基质吸力的分布情况

图6为不同深度的基质吸力分布情况。

B70和G70在降雨前初始基质吸力分布相似，相差不到2 kPa。降雨10 min后B70在60 mm深处基质吸力迅速下降，120 mm深处基质吸力开始有变化，然而200 mm深处基质吸力没变化，这说明降雨对基质吸力影响深度小于200 mm.在降雨30 min后所有深度处基质吸力都变为0;G70在10 min降雨后所有深度处吸力均有变化，20 min后吸力都变为0.并且比B70更早出现了基底渗流，产生了更深的吸力影响区，这意味着根系在压实度为70%土体中的存在增强了土体渗透性、加大了降雨对基质吸力的影响区，不利于土体基质吸力的维持。

与B70、G70相比.B80和G80由于土体压实度提高，因此基质吸力维持时间得到了大幅度延長。B80和G80相比，更早出现了基底渗流，产生了更深的吸力影响区，在40 min后所有深度处基质吸力均降为0。G80在60 min后除60 mm深处吸力为4 kPa外其他深度吸力均为0.这表明草根在压实度为80%的土体中维持基质吸力的作用是非常弱的。

B95和G95从降雨开始到结束，只有60 mm深度处的基质吸力有变化，两个测试箱均没有发现基底渗流，降雨对高压实度土体基质吸力的影响区很小;植被土基质吸力的变化较裸露土的变化更慢，在降雨结束时二者基质吸力差达到最大值30 kPa，表明植被土有更强的基质吸力维持能力。

3 结论

按照张家口地区夏季最大降雨强度进行人工模拟降雨，对种植高羊茅植被土进行不同压实度的降雨渗透试验，研究压实度对植被土吸力维持及持水能力的影响，结果表明：①随着压实度的提高，高羊茅根系长度明显减小，但高羊茅在较高压实度土体中仍能够正常生长;②当土体压实度较高时，草根的存在占據了土壤孔隙体积，从而增强了土体持水能力，在压实度为80%和95%时，在一定的基质吸力条件下，植被土含水量高于裸露土的、雨水渗透率小于裸露土的，而压实度为70%的植被土与此相反;③影响渗透率的主要因素是压实度，随着压实度的提高渗透率明显降低，根系的存在对渗透率影响较小;④随着压实度的提高，草根对基质吸力的影响愈加明显，压实度为95%的植被土有较大的基质吸力维持能力，因此把高羊茅作为护坡植物时，为了使边坡土体在降雨过程中维持较高的基质吸力、增强浅层边坡稳定性，土体压实度应选择95%。

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【责任编辑张智民】

收稿日期：2019- 04- 09

基金项目：河北省自然科学基金资助项目（E2017404013）;河北省教育厅重点科研项目（ ZD2017224）;河北省高校百名优秀创新人才支持计划项目（SLRC2017033）;河北建筑工程学院研究生创新基金资助项目（XB201814）

作者简介：蒋希雁（1968-），女，河北张家口人，教授，博士，主要研究方向为生态护坡