Medical Journal of the Chinese People's Armed Police Forces

Journal of Changjiang River Scientific Research Institute >

2025 , Vol. 42 >Issue 5: 104 - 110

DOI: https://doi.org/10.11988/ckyyb.20240174

Soil and Water Conservation and Ecological Restoration

Influence of Sand Content in Yili Loess on the Growth of Ecological Restoration Plants

  • YUAN Sheng-yang , 1, 2 ,
  • YANG Gui-xia 1, 2 ,
  • LI Si-huan 1, 2 ,
  • CHU Jian-xun 3 ,
  • YANG Xiao-ling 1, 2 ,
  • MA Jie 1, 2 ,
  • LIU Xian-feng 1, 2
Expand
  • 1 School of Civil Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China
  • 2 Key Laboratory of Ministry of Education on High Speed Railway Line Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China
  • 3 Xinjiang Road and Bridge Construction Co., Ltd.,Urumqi 830000, China

Received date: 2024-02-29

  Revised date: 2024-05-10

  Online published: 2024-12-26

Fold

Abstract

To investigate the effect of sand content on the growth of slope ecological restoration plants, we used the Analytic Hierarchy Process to select suitable plant species and then conducted planting experiment with sand added in Yili loess slopes. By analyzing changes in plant coverage, cumulative soil evaporation, and maximum crack rate, we found that adding sand to the planting soil can speed up plant germination and improve the soil germination rate. During early growth stage with sufficient water supply, the germination rate and plant coverage are positively correlated with sand content. Nevertheless, under drought conditions, plant coverage decreases as sand content rises. The cumulative evaporation of soil moisture is positively correlated with sand content and varies significantly with temperature fluctuations. Higher temperatures lead to larger differences in cumulative evaporation among samples with different sand contents, but these differences gradually narrow as the temperature drops. Taking 40% sand content as the threshold for optimal conditions: when sand content is below 40%, it is positively correlated with the maximum crack rate, and an increase in the maximum crack rate corresponds to an increase in the peak plant coverage of each sample. However, when sand content exceeds 40%, sand content and the maximum crack rate display a negative correlation. As maximum crack rate increases, the peak plant coverage of sample decreases. For wild or poorly maintained ecological restoration sites, an optimal sand content of 20% is recommended. For artificially maintained ecological restoration sites, a 60% sand content is optimal. In flat, human-intervened ecological restoration and maintenance sites, full sand coverage is the best choice.

Key words： sand content; Ili loess; coverage; accumulated evaporation; maximum crack rate

Cite this article

YUAN Sheng-yang , YANG Gui-xia , LI Si-huan , CHU Jian-xun , YANG Xiao-ling , MA Jie , LIU Xian-feng . Influence of Sand Content in Yili Loess on the Growth of Ecological Restoration Plants[J]. Journal of Changjiang River Scientific Research Institute, 2025 , 42(5) : 104 -110 . DOI: 10.11988/ckyyb.20240174

开放科学(资源服务)标识码(OSID):

0 引言

西北地区是我国荒漠化和沙漠化面积最大、分布最广、风沙危害最严重的地区[1],在大力发展中国西北地区交通设施时不可避免地会造成沿线生态的破坏、边坡裸露、水土流失等,使得土地荒漠化、沙漠化等加剧。针对上述问题,目前工程上常采用植被种植的生态性工程措施,不仅能对人为破坏进行生态修复,还能通过植被防止水土流失、进行边坡加固等。西北地区主要以黄土为主,以该土体为种植土壤进行种植时,表层土体在浇水后会出现板结现象[2-3],一方面易导致种子发芽率低、植物生长困难。另一方面,种子在发芽时会出现破土现象[4],导致地表产生裂缝,有研究表明[5-6]在植物种子发芽生长期间裂缝发育能起到“种子陷阱”和促进植物生长发育的作用,随着裂缝发育,植物种子初期将拥有高萌发率、高生长速度等,能有效地在短时间改善土壤的裂缝情况,进而提高土体强度和抗侵蚀性能[7-8];而过多裂缝的产生会增加雨水入渗通道,使深部土体含水率增加、强度降低,增大坡体失稳概率[9-10]。
大量研究表明,植物生长状态由土壤、水分、温度等多个因素决定,其中土壤对植物根系生长、光合作用等一系列生命活动产生重要影响,通过在黏性土体内添加一定量的砂可有效改善土壤结构、促进植物生根发芽和防止土壤板结等,甚至能够在一定程度上促进植物健康生长、减少病害发生[11-16]。已有学者研究表明适当的增加砂含量能够有效的促进植物生长,使植物根系更加发达,从而提高根土复合体的抗剪强度、增大根土复合体的黏聚力[17-19]。但含砂量过大,可能导致土壤持水性能降低、根土复合体黏聚力下降、土颗粒间内摩擦角变化等情况,土体物理性质的改变也会使植物破土时土体表面的裂缝发育情况不同。但目前鲜有从土体裂缝率出发研究土体含砂量对植物发芽生长规律影响的探究。不同含砂量下西北伊犁地区黄土中植物的发芽生长情况、不同含砂量对裂缝发育的影响和裂缝率对植物发芽生长的影响需开展进一步研究。
鉴于此,本文以西北伊犁地区的黄土为研究对象,拟开展不同含砂量情况下的植物栽种试验,考虑伊犁地区气候条件,采用层次分析法选取乡土护坡植物,探究不同含砂量情况下的植物发芽生长情况,从土体最大裂缝率分析含砂量对植物发芽生长的影响规律,以期为西北地区的交通线路边坡植物种植提供一定的理论参考。

1 试验材料及方案

1.1 护坡植物选取

为探究适宜伊犁地区的乡土护坡植物,通过建立伊犁地区乡土植物库与护坡植物库,取两植物库的交集得到乡土护坡植物库。其中乡土植物包括紫花苜蓿、喇叭花、沼生香豌豆、顿河红豆草、狗尾巴草等[20-21];常用护坡植物包括狗牙根、高羊茅、白三叶、刺槐、百喜草、锦鸡儿等[22-24]。基于构建的乡土护坡植物库,考虑耐寒性、耐旱性、耐热性、抗瘠薄、抗病虫害、生长周期、生长速度、覆盖度、护坡性、改土性、观赏性等因素,使用层次分析法对乡土护坡植物库进行权重排名,如表1所示。
表1 乡土护坡植物库权重排名

Table 1 Ranking list of rural slope protection plant storage

植物名 总权重 种类 植物名 总权重 种类
披碱草 0.84 禾本科 紫穗槐 0.64 豆科灌木
野牛草 0.79 禾本科 红豆草 0.63 豆科草本
高羊茅 0.74 禾本科 细茎冰草 0.63 禾本科
紫花苜蓿 0.84 豆科草本 狗牙根 0.62 禾本科
柠条 0.79 豆科灌木 野菊花 0.56 菊科
小檗 0.74 灌木 狗尾巴草 0.54 禾本科
绣线菊 0.66 菊科灌木
通过植物搭配的原则,对使用植物组合进行进一步筛选。首先,在边坡生态修复中4~8种植物即可满足建立坡面植物群落的要求;其次,植物选取要满足冷暖季型相互搭配;由于豆科植物根部的根瘤菌具有固氮的作用,能促进禾本科植物生长,需满足豆科植物和禾本科相互搭配的要求[25-27]。据此本文选用披碱草、高羊茅、紫花苜蓿、狗牙根开展后续试验;根据已开展的植物种子种植密度试验,确定植物种子种植密度为60 g/m3,其中披碱草占比12.5%,高羊茅占比25%,紫花苜蓿占比50%,狗牙根占比12.5%。

1.2 植物种植试验方案

本文以伊犁黄土为研究对象,根据文献[28]调研及现场试验研究可知,原状伊犁黄土土粒相对密度Gs=2.72,干密度为1.32~1.51 g/cm3,天然含水率为6.18%~6.73%,现场土体浇水后含水率在10%左右,液限wL=29.2%,塑限wP=19%。
根据王荣贵等[17]、Brtnicky等[29]针对不同含砂量下植物生长情况研究,含砂量由0变化至100%范围过程中,植物生长情况有显著差异。为明确含砂量对伊犁黄土地区护坡乡土植物生长的影响规律,开展含砂量(质量含砂比,砂质量与砂/黄土混合体质量比)为0、20%、40%、60%、80%、100%情况下的植物种植试验。所用砂最大粒径为3.7 mm,不均匀系数Cu为5.7。
根据不同含砂量配置砂-黄土混合体,采用人工搅拌方式拌和均匀,混合体含水率为10%。根据已有室内对裂缝和植物生长关系的试验制定试验方案如下,控制黄土土体干密度为1.5 g/cm3,将混合体分层填入直径为18 cm、高为20 cm的试样桶中,试样桶底部均有均匀分布的14个直径为5 mm的小孔以增强土体与大气连通性。表层5 cm土体与植物种子混合均匀填入试样桶。填筑完成后浇水150 g,前15 d内为确保种子顺利发芽,每3 d浇水50 g,之后停止浇水以模拟西部干旱气候。种植过程中每日进行拍照、记录整体质量。

1.3 基于图像识别确定植物覆盖度与裂缝率

覆盖度是描述植物生长发育情况的常用监测参数[30-31],其定义为植被(包括叶、茎、枝)在地面的垂直投影面积占统计区总面积的百分比。本文基于python语言,通过绿色通道提取植物生长过程中拍摄图片的绿色部分,再进行灰度化处理,将图片处理为黑白图片,典型结果如图1所示,图中白点部分为植物绿色部分,其余颜色处理后为黑色,再通过求出黑白图片中白色占比,进而对植物覆盖度进行定量分析。基于编制python程序,对已知面积占比的不同颜色和形状的复杂组合体、单个绿色圆形和正方形进行识别,得到相应的绿色占比理论值和实际值如图2所示,实际值与理论值基本一致,证明图片识别程序的准确性较高。
图1 植物生长情况灰度处理

Fig.1 Grey processing of plant growth images

图2 实际值与理论值拟合曲线

Fig.2 Fitting curve between actual and theoretical values

基于上述覆盖度确定程序,对试验过程中试样表面裂缝进行识别,将每日拍照记录的照片中的裂缝部分由人工标注,当植物具有一定覆盖度后,由于遮挡了部分裂缝,不能直接进行标注,此时使用裂缝相连接结合覆盖度较低时的裂缝形态对对应试样进行预测标注。裂缝识别典型结果如图3所示,由图可知二值化后裂缝形态与实际裂缝形态相似,证明裂缝识别程序的准确性较高。
图3 裂缝标注前后对比

Fig.3 Images before and after cracks annotation

2 试验结果及分析

2.1 含砂量对植物发芽生长的影响

将伊犁黄土与砂混合后开展植物种植试验,不同时间下的生长情况如图4所示。在第4天,明显可见随着含砂量的增加,植物发芽率逐渐增加,此时发芽最多的为使用纯砂种植的组别,不同含砂量试样表面均有裂缝出现;第7天时,植物进一步发芽,发芽较为明显的是含砂量为40%、60%、80%的组别,不同含砂量试样在裂缝处均有一定量植物发芽;第11天时,纯伊犁黄土和含砂量为20%组别开始大量发芽,主要集中于裂缝附近;第15天时,植物发芽基本完成,但覆盖度上存在不同。从各试样发芽上看,含砂量与植物发芽时间呈负相关关系,即随着含砂量的增大植物发芽时间减小,这可能是因为植物生长发芽需要充足的氧气,含砂量的增加导致土颗粒间的孔隙更大,从而易于植物种子的生命活动,使得短时间植物快速发芽[32];另一方面随着含砂量的增大土壤黏聚力降低[33],从而使得植物萌芽时的阻力更小,从而增大发芽率。
图4 加砂植物生长情况

Fig.4 Plant growth with sand added in the soil

基于图片识别统计植物覆盖度随时间变化情况如图5所示,浇水期间(0~15 d)植物覆盖度迅速上升,植物覆盖度大致随着含砂量的增大而增大,在3 d时(种子刚开始发芽),随着含砂量的增大,试样初始覆盖度增大,这说明含砂量的增加导致植物种子在较短时间内大量萌发,含砂量的增加导致土体中的植物发芽率增加,导致覆盖度峰值的增加[32]。
图5 浇水期间和停止浇水后加砂植物覆盖度

Fig.5 Plant coverage with sand added in the soil during watering and after the watering stops

停止浇水后,含砂量为20%、40%、60%的试样覆盖度呈现先增大后减小的趋势,未加砂的对照组覆盖度基本持平,其余试样覆盖度均迅速减小,这可能是随着含砂量的增大,土壤持水性能逐渐减小[19],当停止浇水后,土壤失水量增加,植物间的竞争加剧[34],导致植物枯死、覆盖度下降,最后呈现出覆盖度随着含砂量的增大而减小。
从不同含砂量下植物长期生长发育来看,大体上在浇水期间含砂量越大,植物的覆盖度、发芽速度和发芽率越大;随着含砂量的增大植物覆盖度峰值增大,未加砂组在停止浇水后覆盖度较为平稳,20%、40%含砂量的试样覆盖度峰值发生在第28天;60%含砂量的试样峰值发生在第16天,但在第28天左右会有回弹;80%含砂量和全砂试样峰值发生在第16天左右;整体上,覆盖度峰值呈现随着含砂量的增加逐渐往种植时间短的方向移动。这可能是由于随着含砂量的增大土壤蒸发量增大,导致水分减少,从而造成植物的枯萎;停止浇水后,试样覆盖度开始呈现递减趋势,这说明未浇水的情况下,随着含砂量的增大,植物生长越困难。总体而言,浇水情况下含砂量越大植物发芽生长越好,在缺水情况下,含砂量越少越好。

2.2 含砂量对土壤蒸发量的影响

试验过程中每日对试样质量进行记录,前一天试样质量与后一天试样质量之差即为每日蒸发量,将每日蒸发量相叠加即为累计蒸发量,各试样累计蒸发量随时间变化情况如图6所示,种植期间当地气温变化如图7所示。由图6可知,种植时间>4 d时,各试样累计蒸发量相差不大,随时间的增加,试样累积蒸发量整体呈3簇,其大小关系为全砂(含砂量100%)>部分加砂黄土>纯黄土,其中20%~80%含砂量试样蒸发量变化规律基本一致。3簇曲线间的累积蒸发量差距随时间增加逐渐增大,这可能是由于8~14 d间气温较高,土壤水分变化量较大,凸显了不同试样持水性能差异;另一方面可能是由于含砂量的增大,植物覆盖度增大,植物之间对水分的竞争增强,并且植物覆盖度较大导致植物的蒸腾作用较强[35],从而导致土壤水分的进一步丧失,造成累计蒸发量差距的变大。试样累计蒸发量大体与含砂量呈正相关关系,即随着含砂量的增加累计蒸发量逐渐增大,并且各试样间的累计蒸发量差距会随着温度增大而增大。
图6 加砂植物累计蒸发量

Fig.6 Accumulated evaporation of plants with sand added

图7 气温变化曲线

Fig.7 Temperature variation

2.3 土壤裂缝对植物生长发育的影响

植物种子生长发芽的过程中,在土壤裂缝处出现聚集发芽的现象(图4),为探究土壤裂缝对植物生长发育的影响,绘制试样土体表面最大裂缝率和最大覆盖度之间的关系曲线如图8(a)所示,最大裂缝率随含砂量变化如图8(b)所示。由图8可知,随着含砂量的增大,最大裂缝率呈现先增大后减小的趋势。以40%含砂量为界限,当含砂量>40%时,随着含砂量的增大土壤最大裂缝率增大,随着最大裂缝率的增大,试样覆盖度增大;当含砂量<40%时,随着含砂量的增大土壤裂缝率减小,随着最大裂缝率的减小,试样覆盖度增大。这可能是因为当含砂量<40%时,土壤中的黏聚力、内摩擦角较大,导致土颗粒间相互作用更强,在土壤产生开裂时,将导致牵连土壤颗粒更多,从而形成更大面积的裂缝,随着裂缝的产生,导致裂缝周围种子与空气接触面更广,并促进水分入渗[36-37],从而使在裂缝处种子集体发芽的情况,即在植物种子萌发阶段土壤裂缝起到促进种子萌芽的作用(图4)。含砂量>40%时,由于土颗粒之间的黏聚力减小,并且土颗粒之间呈现颗粒较为分明的状态,减少了颗粒间凝聚成团的现象,故而在干缩开裂或是植物发芽的拱土效应中土颗粒间相互作用减小,抑制了裂缝发育,但因含砂量较大的状态下的土壤颗粒间孔隙较大,可促进植物的生长、发芽等[17,19,38],进而提高了覆盖度。
图8 最大覆盖度、含砂量与最大裂缝率关系

Fig.8 Relations of maximum crack rate versus maximum plant coverage and sand content

2.4 讨论

本文筛选出了伊犁地区的生态修复植物,针对不同含砂量下的植物种子发芽生长情况、累计蒸发量、最大裂缝率等进行了研究。生态修复由于现场情况的不同所选取的最优含砂量也不同,在伊犁地区的边坡生态修复中,当生态修复现场处于野外,或缺少养护时,需从植物发芽生长改善、蒸发量、边坡稳定性方面进行考虑,在选择含砂量时需排除含砂量大、最大裂缝率大的情况,含砂量为20%时能有效改善种子发芽生长情况、提高最大覆盖度, 相较于其他含砂量具有较好的持水性能,且最大裂缝率不大,因此在缺少养护的生态修复边坡中最优含砂量为20%,如图4和图5所示,伴随着含砂量的增大,植物种子发芽情况均具有不同程度的改善,在15 d后模仿没有养护的长期缺水条件下,各试样覆盖度均下降,但其中较为明显的是最终20%含砂量的覆盖度与对照组覆盖度相接近且均高于其他组别,这也说明20%含砂量在缺少人为养护时情况最佳。当生态修复现场存在人为养护时,从植物发芽生长改善和边坡稳定性方面考虑,含砂量为60%能很好改善种子发芽生长情况、提高最大覆盖度,相较于更高含砂量来说稳定性更好,并且最大裂缝率<40%,此时含砂量60%为最优含砂量。若修复现场为平地且存在人为养护时,仅需考虑对植物种子发芽生长改善情况,随着含砂量的增大,虽然蒸发量增大,但发芽和覆盖度峰值均显著改善,因此全砂为最优选择,如图4和图5所示,在前15 d养护期间内,随着含砂量的增大发芽生长改善情况、最大覆盖度均为最高,这说明在只考虑植物生长改善情况方面,全砂是最优的选择。

3 结论

本文针对伊犁地区乡土护坡植物开展种植土壤加砂的植物种植试验,基于图片识别与累计蒸发量统计,研究了伊犁黄土下不同含砂量对植物生长的影响,得出以下结论:
(1)种植土壤加砂能缩短植物发芽时间,提高土壤发芽率,从而提高植物生长初期的覆盖度,水分充足的植物生长初期发芽率、覆盖度、覆盖度峰值均与含砂量呈正相关关系;当长期生长过程中遇见缺水的情况时,植物覆盖度随着含砂量的增大而减小;水分充足的情况下含砂量越大植物发芽生长情况越好,在缺少水分的情况下,含砂量越小越好。
(2)随着含砂量的增大,土壤持水性能降低,土壤水分累计蒸发量与含砂量呈正相关关系,即随着含砂量的增大累计蒸发量增大,并且期间受到温度影响,温度的提高,会导致不同含砂量试样的累计蒸发量差距增大,当温度降低后,各试样累计蒸发量差距会逐渐减小。
(3)含砂量的增大会改变土壤的最大裂缝率,以含砂量为40%为界限,当含砂量<40%时,含砂量与最大裂缝率呈现正相关关系,当含砂量>40%时,含砂量与最大裂缝率呈现负相关关系;伴随着裂缝率的增大最大覆盖度也会发生显著变化,当含砂量<40%时,随着最大裂缝率的提高试样最大覆盖度增大,当含砂量>40%时,随着最大裂缝率的提高试样最大覆盖度减小;当含砂量在一定范围时,裂缝能促进植物的发芽生长,导致裂缝处出现植物集中现象。
(4)针对不同生态修复现场情况,确定了不同情况下的最优含砂量。当生态修复现场处于野外,或缺少养护时,20%含砂量最优;当生态修复现场存在人为养护时,60%含砂量最优;当生态修复现场为平地且存在人为养护时,全砂为最优。

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