胡卸文，侯羿騰，王 嚴(yán)，楊 瀛

(1.西南交通大學(xué)地球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，四川 成都 610031；2.西南交通大學(xué)高速鐵路運(yùn)營(yíng)安全空間信息技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610031)

大量的森林火災(zāi)區(qū)顯示，林火會(huì)改變土壤結(jié)構(gòu)和植被根系特征，且在火燒跡地部位易形成淺表層滑坡，為火后泥石流提供大量的起動(dòng)物源[1-3]。查明林火對(duì)植被根系影響程度及火燒前后根-土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度變化特征，對(duì)揭示火燒跡地泥石流物源起動(dòng)機(jī)理具有重要意義。

國(guó)外學(xué)者對(duì)火燒跡地植物根系及其復(fù)合土體強(qiáng)度曾做過研究，Wondzell等[1]表明太平洋西北部的火后泥石流物源起動(dòng)以淺表層滑坡為主，主要由于土體飽水和植物根須腐爛造成的土體抗剪強(qiáng)度下降而觸發(fā)。Parise等[2]統(tǒng)計(jì)指出，有12%火后泥石流是由淺層滑坡所觸發(fā)，滑坡厚度可能為幾十厘米～6 m，淺層滑坡可能發(fā)生在火災(zāi)后的第一個(gè)雨季，也有可能是火災(zāi)后1～2年、10年甚至30年。國(guó)內(nèi)對(duì)火燒跡地土壤物理力學(xué)性質(zhì)研究尚處空白，但在非火燒區(qū)常規(guī)土體根系固土方面開展了大量的研究，楊亞川等[4]認(rèn)為草本植物的根系對(duì)土壤產(chǎn)生了明顯的“加筋作用”，提出了“根-土復(fù)合體”的觀點(diǎn)，并指出根系錨固并凝聚于土壤之內(nèi)，使土壤整體強(qiáng)度增大。封金財(cái)?shù)萚5-6]通過研究證實(shí)了根-土復(fù)合體的應(yīng)力-應(yīng)變與抗剪強(qiáng)度的關(guān)系也滿足庫(kù)倫定律，根-土復(fù)合體的抗剪強(qiáng)度會(huì)隨著土體中根系含量的增加而增大。胡夏嵩等[7-9]通過拉拔試驗(yàn)和室內(nèi)直剪試驗(yàn)，證實(shí)了草本根系能顯著增強(qiáng)邊坡淺層土體穩(wěn)定性。X.S.Hu等[10]通過直接剪切試驗(yàn)和三軸壓縮試驗(yàn)，得出了根-土復(fù)合體中根系提供了附加黏聚力c的結(jié)論。但是針對(duì)火燒跡地土壤，由于山火對(duì)植被根系的燒焙作用，往往致使表部根系燒焦而后腐爛，將會(huì)對(duì)所在部位土體物理力學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生劣化作用。

本文結(jié)合四川省甘孜州鄉(xiāng)城縣正斗鄉(xiāng)仁額擁溝流域火燒區(qū)與非火燒區(qū)土壤植物根系及根-土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度對(duì)比試驗(yàn)研究，以揭示火燒跡地淺表層土壤的力學(xué)劣化機(jī)制。

1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)研究區(qū)位于四川省甘孜州鄉(xiāng)城縣正斗鄉(xiāng)仁額擁溝泥石流溝域，海拔高度3 270～3 670 m。溝域內(nèi)出露地層主要有三迭系上統(tǒng)圖姆溝組(T3t)、拉納山組下段(T3l1)、曲噶寺組上段(T3q3)，區(qū)域地貌為侵蝕高山峽谷地貌。仁額擁溝流域面積24.28 km2，主溝長(zhǎng)8.35 km，溝道平均縱比降為145.9‰，流域內(nèi)植被覆蓋度高達(dá)86%，流域植被類型為喬木、灌木和草本植物混生，以草本植物為主。2014年6月1日，由于當(dāng)?shù)毓ぷ魅藛T用火處理不當(dāng)，造成森林大火，過火面積達(dá)6.9 km2，火燒跡地表層坡殘積覆蓋層為砂壤質(zhì)土，厚度10～20 cm，火后當(dāng)年及后續(xù)三年里火燒跡地物源因起動(dòng)補(bǔ)給，持續(xù)暴發(fā)火后泥石流，對(duì)溝口正斗鄉(xiāng)政府造成嚴(yán)重危害。

2 取樣與試驗(yàn)

2.1 試樣采集

為保證試驗(yàn)效果，分別在嚴(yán)重火燒區(qū)和未火燒區(qū)選取試驗(yàn)樣本，取樣部位的地形坡度、土壤性質(zhì)和植被類型均相似(圖1)。每個(gè)取樣部位隨機(jī)選取相鄰2個(gè)區(qū)域(約5 m×5 m)，分別開展根系特征統(tǒng)計(jì)和根-土復(fù)合體取樣工作，以下簡(jiǎn)稱1號(hào)區(qū)域和2號(hào)區(qū)域。在1號(hào)區(qū)域隨機(jī)選取4個(gè)采集點(diǎn)，使用自制正方形取樣器(長(zhǎng)、寬、高均為10 cm，頂面封頂，并在四個(gè)角做加厚處理，底面未封，并做銳化處理)取樣，在取樣前用小刀和刷子清理坡表少量枯枝落葉和小碎石，方便下環(huán)。將環(huán)刀刃口向下，用靜力緩緩施壓環(huán)刀，待刃口完全嵌入土體后，用地質(zhì)錘依次錘擊環(huán)刀頂面四個(gè)角，直至環(huán)刀完全嵌入土體，隨后用鏟子將環(huán)刀與其周邊土一起鏟出，并用削土刀削去環(huán)刀周邊多余土體，用保鮮袋包裹密封，帶回實(shí)驗(yàn)室做進(jìn)一步處理，取樣部位根系分布如圖2所示。在2號(hào)區(qū)域隨機(jī)選取4個(gè)采集點(diǎn)，使用標(biāo)準(zhǔn)環(huán)刀(內(nèi)徑61.8 mm、高20 mm)在土壤表層、土壤下5 cm和土壤下10 cm取樣，每1層各取4個(gè)土樣，其余步驟同1號(hào)區(qū)域類似。

2.2 試驗(yàn)方法

2.2.1火燒跡地土壤根系特征

反映土壤根系特征的表征參數(shù)包含根系數(shù)量、根系直徑、根重、根長(zhǎng)，以及通過后續(xù)計(jì)算出的土壤根質(zhì)量(重)密度和根長(zhǎng)密度。土壤根質(zhì)量(重)密度和根長(zhǎng)密度是表示土壤中根系數(shù)量多少的重要指標(biāo)，與土壤根系復(fù)合體抗剪強(qiáng)度密切相關(guān)[11]。土壤根質(zhì)量(重)密度和根長(zhǎng)密度分別用以式計(jì)算[12]：

ρ根質(zhì)量=m/v

ρ根長(zhǎng)=l/v

式中：ρ根質(zhì)量——根質(zhì)量(重)密度/(mg·cm-3)；

ρ根長(zhǎng)——根長(zhǎng)密度/(mm·cm-3)；

m——土樣中根系總干質(zhì)量/mg；

l——土樣內(nèi)總根長(zhǎng)/mm；

v——土樣體積/cm3。

根系直徑、根重、根長(zhǎng)分別用螺旋測(cè)微器、電子秤和鋼尺測(cè)定。

圖1 未火燒區(qū)(a)和嚴(yán)重火燒區(qū)(b)取樣部位Fig.1 The sampling area of the (a) unburned area and (b) burned area

圖2 未火燒區(qū)(a)和嚴(yán)重火燒區(qū)(b)根系特征Fig.2 Root system characteristics in the (a) unburned area and (b) burned area

2.2.2土壤根系單根抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)

單根抗拉力是表征植物根系對(duì)土壤“加筋”作用效果的重要參數(shù)[13-14]。根系抗拉強(qiáng)度是反映根系材料力學(xué)性能的重要參數(shù)，是評(píng)價(jià)根系固土護(hù)坡能力的一個(gè)重要力學(xué)指標(biāo)[15]。測(cè)量土壤根系單根抗拉力采用的儀器為NK指針式推拉力計(jì)(量程50 N，精度0.01 N)，并配合相應(yīng)的臥式手搖機(jī)架和夾具使用(圖3、圖4)。根據(jù)拉力試驗(yàn)規(guī)程，試驗(yàn)所選取的根系長(zhǎng)度應(yīng)為5～10倍根系直徑，因此實(shí)驗(yàn)所選取長(zhǎng)度為2～10 cm根段作為具體受力對(duì)象。將符合條件的根系放置在工作臺(tái)上，并利用夾具固定根系，緩慢勻速地拉伸根系直至根系拉斷，記錄根系被拉斷時(shí)的最大抗拉力和拉斷處的根徑。為保證抗拉試驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠度，剔除根系斷裂處明顯靠近夾具邊緣的根系樣本(圖5)。根系的抗拉強(qiáng)度可用下式進(jìn)行計(jì)算[15-16]：

圖3 單根抗拉試驗(yàn)裝置Fig.3 Plant root tensile test device

圖4 單根抗拉試驗(yàn)測(cè)試示意圖Fig.4 Schematic diagram of the root tensile test

圖5 火燒區(qū)(a)與未火燒區(qū)(b)植物根系對(duì)比Fig.5 Contrast of root system between theunburned and burned areas

P=4F/πD2

(3)

式中：P——根系抗拉強(qiáng)度/MPa；

F——最大抗拉力/N；

D——根系拉斷處的根系直徑(測(cè)量3次取平均值)/mm。

2.2.3土壤-根系復(fù)合體抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)

測(cè)定火燒跡地土壤-根系復(fù)合體抗剪強(qiáng)度按常規(guī)直剪試驗(yàn)方法進(jìn)行[17-18]。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 土壤根系特征

火燒跡地與非火燒區(qū)所取土樣測(cè)量的根系特征參數(shù)(根系數(shù)量、根系直徑、根質(zhì)量密度、根長(zhǎng)密度)見表1、表2。通過對(duì)比分析，可見林火對(duì)根系特征影響極為顯著，具體表現(xiàn)在火燒后土壤中的根系特征參數(shù)相較于火燒前土壤均有不同程度的減小，火燒后土壤每1 000 cm3所含根系平均數(shù)量為229根，與火燒前土壤相比減少了約23.15%，其原因是林火燒毀了地表植被，導(dǎo)致土壤中出現(xiàn)部分“死根”，同時(shí)部分“死根”被土壤中的微生物侵蝕，導(dǎo)致根系腐爛，數(shù)量減少?；馃巴寥赖钠骄抵睆綖?.74 mm，而火燒后土壤的平均根系直徑為0.36 mm，前者是后者的2.05倍，這是林火使得部分根系在高溫作用下失水收縮所致。對(duì)比兩地的根質(zhì)量密度和根長(zhǎng)密度，表明火燒后土壤根質(zhì)量密度比火燒前土壤的小62.98%，火燒后土壤根長(zhǎng)密度比火燒前土壤的小29.10%，根質(zhì)量密度相較于根長(zhǎng)密度下降幅度大的原因是由于根系的腐爛以及新生根系生長(zhǎng)年限短，根系直徑較小造成。

表1 嚴(yán)重火燒區(qū)土壤根系特征

表2 未火燒區(qū)土壤根系特征

3.2 植物根系單根抗拉力與抗拉強(qiáng)度

本次抗拉試驗(yàn)共成功測(cè)試了30條未火燒區(qū)根樣和30條火燒區(qū)根樣，以對(duì)比火燒區(qū)和未火燒區(qū)的根系抗拉特征(圖6)。根系抗拉強(qiáng)度根據(jù)實(shí)測(cè)單根抗拉力通過公式(3)計(jì)算所得，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表3。

圖6表明，兩地根樣的單根抗拉力都隨著根系直徑的增加而增大，而根系抗拉強(qiáng)度則隨著根系直徑的增加而減小，這與已有的研究結(jié)論基本一致[15-16,19]。但是在同等根徑條件下，火燒區(qū)的根系抗拉強(qiáng)度和單根抗拉力均小于未火燒區(qū)，這是因?yàn)榱只饘?duì)土壤中根系的烘烤而致使根系失水收縮，同時(shí)新生長(zhǎng)的根系生長(zhǎng)年限較短，從而導(dǎo)致火燒后土壤單根抗拉力和抗拉強(qiáng)度明顯降低。

圖6 研究區(qū)根系抗拉強(qiáng)度、單根抗拉力與直徑關(guān)系Fig.6 Relationship between the roots’ ultimate tensile strength and the largest root anti-rally with diameter in the study area

表3 未火燒區(qū)與火燒區(qū)植物根系抗拉力及抗拉強(qiáng)度

表3數(shù)據(jù)顯示火燒區(qū)根系平均直徑相較于未火燒區(qū)幾乎減小了一半，根系直徑減小造成測(cè)得的平均單根抗拉強(qiáng)度較未火燒區(qū)高，但是根系直徑過小反而造成單根抗拉力均值減小，樣本數(shù)據(jù)顯示火燒區(qū)土壤根系平均單根抗拉力僅為未火燒土壤根系的38%左右。

3.3 土壤抗剪強(qiáng)度

圖7顯示，由于林火過后土壤中根系特征的變化，導(dǎo)致在0 cm，5 cm，10 cm三種土壤深度條件下，火燒區(qū)根-土復(fù)合體的抗剪強(qiáng)度均小于未火燒區(qū)。與未火燒區(qū)相比，火燒區(qū)0，5，10 cm處根-土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度分別減小了約27%，25%和16%。可以看出越接近土壤表層，林火對(duì)土壤的抗剪強(qiáng)度影響越大，這與越往表層，土壤根系受燒焙影響程度越高有關(guān)，同時(shí)也說(shuō)明火燒區(qū)土壤根系特征變化對(duì)其抗剪強(qiáng)度的影響是顯著的。

進(jìn)一步的對(duì)比研究發(fā)現(xiàn)，火燒區(qū)和未火燒區(qū)的根-土復(fù)合體黏聚力均隨著土壤深度的增加而增大，但在不同土壤深度處(0 cm，5 cm，10 cm)，火燒區(qū)根-土復(fù)合體的黏聚力相比于未火燒區(qū)分別減小了41%，33%，47%，而兩者的內(nèi)摩擦角相差不大，在0.5°～2.0°之間(圖8)。

圖7 0 cm，5 cm和10 cm土壤法向應(yīng)力-抗剪強(qiáng)度關(guān)系Fig.7 Relationship between normal stress and shear strength of 0, 5, 10 cm

圖8 火燒區(qū)和未火燒區(qū)土壤黏聚力和內(nèi)摩擦角對(duì)比Fig.8 Comparison of soil cohesion and internal friction angle between the burned and unburned areas

以上結(jié)果表明，相較于未火燒區(qū)，火燒區(qū)根系特征的改變對(duì)根-土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度的影響，主要體現(xiàn)在黏聚力減小，而對(duì)內(nèi)摩擦角的影響相對(duì)較小。

4 結(jié)論

(1)一次森林大火后，嚴(yán)重火燒區(qū)淺表層土壤內(nèi)植物根系的數(shù)量、根徑、根質(zhì)量密度和根長(zhǎng)密度相較于未火燒區(qū)均表現(xiàn)出顯著減小的特點(diǎn)，其中根數(shù)與火燒前土壤相比減少了約23.15%，土壤根質(zhì)量密度比火燒前小62.98%，土壤根長(zhǎng)密度比火燒前小29.10%。

(2)火燒前后土壤根系單根抗拉力均隨著根系直徑的增加而增大，但火燒后土壤根系的平均抗拉力僅為火燒前土壤的38%，在根徑相同的條件下，火燒后土壤根系的抗拉力僅為火燒前的90%。

(3)火燒前后土壤單根抗拉強(qiáng)度均隨著根系直徑的增加而減小，在根徑相同的條件下，火燒區(qū)根系的抗拉強(qiáng)度為未火燒區(qū)根系抗拉強(qiáng)度的60%。

(4)在0 cm，5 cm和10 cm不同土壤深度處，火燒區(qū)根-土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度均小于未火燒區(qū)，分別減少了27%，25%和16%。具體表現(xiàn)為林火后土壤的黏聚力出現(xiàn)明顯下降，而內(nèi)摩擦角影響較小。三種土壤深度條件下，火燒區(qū)根-土復(fù)合體的黏聚力相比于未火燒區(qū)分別減小了41%，33%，47%，而內(nèi)摩擦角相差不大，在0.5°～2.0°之間。