基础设施建设不可避免地破坏了原有的地形地貌，形成了大量裸露边坡[1]。为解决工程扰动区裸露边坡地质灾害频发和生态环境破坏的问题，科研和工程技术人员进行了大量的研究和实践，研发出液压喷播护坡技术[2]、客土喷播技术[3]、厚层基材喷播技术[4]、植被混凝土生态防护技术[5]等。其中，植被混凝土生态防护技术以水泥作为胶结和骨架材料，因能在高陡边坡上构建稳固的生境，能抵抗暴雨的冲刷，被广泛应用。

近年来，研究人员在固废资源化利用方面对植被混凝土基材的配制进行了一些尝试。譬如，通过添加粉煤灰、生物炭和磷石膏等外掺料来提升植被混凝土的相关性能。研究表明，适量磷石膏可以改善土壤性质并促进植物的生长发育[6]。李旭霖等研究发现，磷石膏对土壤物理特性有显著影响，能够明显降低土壤容重，提高土壤通透性，更有利于植物的生长发育[7]。水泥是植被混凝土的重要组成部分，水泥的加入导致基材气密性下降，孔隙率减小，植物生长受限。而磷石膏中的硫酸根离子与水泥水化产物铝酸钙发生反应，生成钙矾石，能阻止水泥的水化反应[8]。已有研究表明，磷石膏的添加使植被混凝土容重、pH下降，对植物生长有一定促进作用[9-10]。此外，磷石膏具备强大的静电场和较大的比表面积，能够将周围的土壤颗粒聚集成团，从而促进土壤团聚体的形成，进而加固土壤并防止水土流失[11-12]。植被混凝土的护坡功能不仅与基材的理化性质相关，还与植被根系的生长密切相关，植被根系具有加固土壤的作用[13]。根土复合体的抗剪强度是评估土体抵抗外力剪切形变能力的重要指标，提高根土复合体的抗剪强度对于防治水土流失和保持坡体稳定性具有重要意义[14-15]。夏振尧等研究发现，植物根系扎入土体后能增强植被混凝土抗剪强度[16]。熊丹伟等研究表明，紫羊茅根系能增强植被混凝土基材的固土性能，增强土体的抗剪性能[17]。

但目前，有关磷石膏掺入植被混凝土的研究主要侧重于基材的物理性能和力学性能，而对于植物地下部的生长以及根土复合体的护坡性能方面的研究报道不多。为有效利用废弃物资源，研究磷石膏对植被混凝土根系生长和固土护坡的效果，将不同量的磷石膏掺入植被混凝土基材中，通过测定高羊茅的根系生长指标、植被混凝土基材的物理性质以及根土复合体的抗剪强度等参数，优选出最佳的磷石膏掺量。

1、材料与方法

1.1 试验材料

主要材料包括种植土、水泥、生境基材有机质物料、生境基材改良剂、高羊茅、磷石膏。种植土为宜昌地区常见黄棕壤，选用地表深度在1m以内的土壤，经风干后过2mm筛备用，种植土的基本理化性质见表1。水泥为宜昌华新水泥有限公司生产的普通硅酸盐水泥(P·O42.5),用于增加基材的强度。生境基材有机物料采用夜明珠华鑫木材厂提供的锯末，以增大土壤的孔隙率，并为植物生长提供营养。生境基材改良剂为湖北润智生态科技有限公司提供的润智生态剂，其作用是调节水泥水化产生的碱性环境。高羊茅种子购于江苏省沫阳县庙头镇种子经营部。磷石膏由湖北省中孚化工集团有限公司提供，其堆积密度为1.62g/cm3,pH为3.31。

1.2 试验设计

植被混凝土基材配比参考NB/T35082—2016《水电工程边坡植被混凝土生态修复技术规范》所规定的比例，分别选取一定量的种植土、水泥、生境基材有机物料、生境基材改良剂，再加入不同量的磷石膏共同构建植被混凝土基材。以不同含量的磷石膏设置了P1(0)、P2(2%)、P3(4%)、P4(6%)、P5(8%)、P6(10%)共计6组试验组(表2)。其中，磷石膏含量为0的P1组为对照组，每个处理组设置3个重复，将植被混凝土搅拌均匀后装入花盆(盆口直径20cm,高14cm),基层装入8cm厚。然后用磷石膏配比一致而水泥与生境基材改良剂减半的植被混凝土基材作为植被混凝土面层(含种子)材料，厚度2cm。室内试验中，各指标数据均设置3组重复，容重、孔隙率试验试样采用环刀制样，环刀直径为6.18cm,高度4cm;黏聚力、内摩擦角试验试样也采用环刀制样，环刀直径为6.18cm,高度2cm。将制备的试样用保鲜膜包装，置于养护室(25±3)℃。利用WinRHIZO根系扫描仪测定植物根系表面积、根系平均直径和总根长。利用环刀将根土复合体垂直切分成上层(0～3cm)、中层(3～6cm)和下层(6～9cm),测定3层根土复合体的抗剪强度。试验于2023年2月15日开始，90d后对各单元进行取样及指标测定。

表1种植土基本理化性质

表2植被混凝土基材各组分质量配比

1.3 数据统计与分析

采用IBM SPSS Statics 26和Origin软件进行数据分析。采用单因素方差分析(One-wayANOVA)和Duncan多重比较，分析各处理水平间差异的显著性。采用SmartPLS3软件中的“PLS”程序包对基材物理、力学及植生特征进行偏最小二乘路径回归分析(PLS-PM)。

2、结果与分析

2.1 不同磷石膏含量对植被混凝土物理性能的影响

由图1可知，磷石膏掺入对植被混凝土基材容重、孔隙率产生显著性(p<0.05)影响。随着磷石膏含量增加植被混凝土容重逐渐降低，P2、P3、P4、P5与P6处理组均低于P1组(p<0.05),与对照组相比分别降低了3.72%,4.96%,8.19%,10.17%,11.66%。植被混凝土孔隙率随磷石膏含量的增加呈上升趋势，其中P6处理组植被混凝土孔隙率最高，为51.95%。施加磷石膏对植被混凝土基材容重、孔隙率产生一定变化，能够改善土壤结构及土壤物理性状，促进土壤呼吸。

图1磷石膏含量对植被混凝土基材物理特性的影响

2.2 不同磷石膏含量对植被混凝土抗剪性能的影响

图2为不同磷石膏含量下反映植被混凝土抗剪强度的两个指标，即黏聚力和内摩擦角的变化趋势。随着磷石膏含量的增加，植被混凝土黏聚力逐渐增大，P1、P2、P3、P4、P5与P6的黏聚力分别为46.3,48.36,52.02,55.81,57.36kPa和59.61kPa。磷石膏的掺入使植被混凝土内摩擦角降低，各处理组与对照组相比差异均显著(p<0.05),变化最大的是磷石膏含量为10%的组，降低了11.91%。总体上来说，随着磷石膏的掺入，植被混凝土的抗剪强度得到提升。

图2磷石膏含量对植被混凝土基材抗剪特性的影响

2.3 不同磷石膏含量对高羊茅根系生长的影响

由图3可知，不同磷石膏含量对高羊茅根系生长的影响显著(p<0.05)。高羊茅根系表面积、根平均直径、根总长及根地下生物量随着磷石膏含量的增加呈先增后降的变化趋势，当磷石膏含量为6%时，植被混凝土中的磷石膏含量达到临界值，继续添加磷石膏对高羊茅根系生长产生抑制作用。研究表明：当磷石膏含量为6%时，对促进高羊茅根系生长发育的效果最好，分别比对照组提高了58.08%,17.19%,34.88%,23.53%。磷石膏的加入对植被混凝土基材的结构产生影响，植被生长随着土壤环境的改变也发生一定的变化。

2.4 不同磷石膏含量对根土复合体抗剪强度的影响

图4是在100kPa荷载下，磷石膏含量对植被混凝土根土复合体抗剪强度的影响。随着土层深度的增加，根土复合体的抗剪强度均表现为中层>下层>上层，当磷石膏含量为6%时，植被混凝土上层、中层和下层抗剪强度分别为165.26,193.11kPa和184.81kPa。随着磷石膏含量的增加根土复合体的抗剪强度呈先增加后降低的趋势，与对照组相比，各组均有显著变化(p<0.05)。当磷石膏含量为6%时，植被混凝土根土复合体的抗剪强度达到最大值，继续增加磷石膏含量会导致植被混凝土抗剪强度下降。过高的磷石膏含量改变了土壤环境，对植物根系的生长产生抑制作用，进而间接影响植被混凝土中根土复合体的抗剪强度。

图3磷石膏含量对高羊茅根系生长的影响

图4磷石膏含量对植被混凝土根土复合体抗剪强度的影响

2.5 植被混凝土基材物理力学性质与根系特性的相关性分析

由相关性分析可知(图5),植被混凝土基材容重与孔隙率、黏聚力、内摩擦角、根土复合体(上层、中层、下层)、根系平均直径存在极显著相关(p<0.01),而与高羊茅根系长度和地下生物量相关性不显著(p>0.05)。内摩擦角与根土复合体、植物根系生长状况(根系表面积、根系直径、根系长度、地下生物量)相关性不显著(p>0.05)。黏聚力与根土复合体(上层、中层、下层)存在极显著相关(p<0.01),说明黏聚力对植被混凝土的抗剪性能产生影响，起到加固土壤的作用。高羊茅根系生长状况(根系表面积、根系直径、根系长度、地下生物量)与植被混凝土根土复合体存在极显著相关(p<0.01),表明高羊茅根系的生长对植被混凝土的固土作用有显著影响。

2.6 不同磷石膏含量对植被混凝土物理性能的影响

通过PLS-PM分析结果表明(图6),磷石膏含量分别解释了植被混凝土基材物理、力学及植生特征子系统总方差的94.4%,77.4%和96.6%。分析表明，磷石膏含量与基材力学特征呈极显著正相关(路径系数=0.88,p<0.01);磷石膏含量对基材物理特征和植生特征均呈显著负相关(路径系数=-0.972,p<0.05;路径系数=-0.842,p<0.05);力学特征与植生特征呈极显著正相关(路径系数=1.738,p<0.01)。磷石膏含量与植物植生特征对基材的护坡性能有一定促进作用。

图5植被混凝土物理力学指标与高羊茅生长指标之间的相关性分析

3、讨 论

土壤容重和孔隙率是衡量土壤透气性和入渗性的关键指标。有研究表明，添加磷石膏能够改变土壤结构，降低土壤容重，增加土壤孔隙率[11]。磷石膏是一种多孔材料，其含有钙质胶体，能够促进土壤团聚体的形成，从而改变土壤的结构，导致土壤容重降低。本次试验研究结果显示，随着磷石膏含量的增加，植被混凝土容重逐渐降低，孔隙率逐渐升高，这与王凯等[18]的研究结果一致，磷石膏的添加使土体中方钙离子增加，取代了土壤胶体上的钠离子，形成钙胶体，促进了土壤团粒的形成，从而改变了土壤的物理性状。白勇兴等[19]研究发现，添加磷石膏的改良基质对土壤物理性状改变效果比未添加的情况更为显著。本次研究中，不同磷石膏含量均能提高植被混凝土的孔隙率，这是因为磷石膏遇水后释放电解质，吸附周围土壤的微小颗粒，促进土壤颗粒结合，从而增大了土壤的孔隙率。

黏聚力是同种物质内部相邻各部分之间的相互吸引力[20],主要源于土壤颗粒之间的胶结作用、静电作用和电磁力等。本次研究中，随着磷石膏含量的增加，植被混凝土黏聚力逐渐增大，主要是因为磷石膏含有活性氧化物如CaO、SiO2、Al2O3等，这些成分能够生成少量具有一定强度和硬化性质的水化胶凝物质，从而使土壤黏聚力增大[21]。此外，磷石膏具有较强的静电场和比表面积，能将土壤中的细小颗粒吸附到周围，防止土壤颗粒分散，进而促进了土壤颗粒之间的相互结合，因此增强了土壤的黏聚力。

内摩擦角是由土壤颗粒间发生相对滑动和滚动而产生的摩擦阻力以及土体颗粒由于接触挤压与其他颗粒镶嵌结合而产生的咬合力组成的，内摩擦角主要与土壤颗粒性质、密实度、土壤团聚体稳定性、含水率等因素有关[22-23]。研究表明，随着土壤含水率的增加，内摩擦角减小；而在土壤水分较低时，内摩擦角相对较大[24]。这是因为过高的水分使土壤颗粒之间的孔隙被填满，增加了土壤颗粒之间的润滑，从而导致颗粒之间的摩擦力减小[25]。本次研究中，磷石膏的掺入导致植被混凝土孔隙率增大，使土壤颗粒之间的相互接触面积减小，颗粒之间易发生滑动，抗摩擦力减弱，最终导致内摩擦力下降。

高羊茅根系在植被混凝土中起到加筋的作用，能够提升土体的稳定性。磷石膏含有植物所需的营养元素，施加磷石膏可为植物提供必要的养分。此外，磷石膏具有改善土壤结构的作用，为植物的生长发育提供良好的环境。磷石膏水化后的胶凝物质具有保水功能，形成的保护层有助于减少水分的蒸发。杨嘉槊等[10]研究发现，施加磷石膏后，狗牙根的根表面积、根总长、根体积均出现增长。本次研究中，随着磷石膏含量的增加，高羊茅的根系表面积、根总长、根平均直径和地下生物量均呈现先升高后降低的趋势，这是因为磷石膏中含毒物质，过量的磷石膏对植物生长产生了抑制作用[26]。大量研究也证明了磷石膏可能对土壤产生污染进而影响植物的生长[27]。

图6磷石膏与植生基材偏最小二乘路径(PLS-PM)分析结果

草类的根系与土壤接触面之间的摩擦力能够抵抗土体的剪切变形，从而提高土体的抗剪强度。土体中植物根系的含量决定了根土之间的接触面积，从而影响根土复合体的抗剪强度。植物根系在土体中可以发挥加固土壤的作用，从而提高土壤的抗剪强度。Mahannopoul等[28]研究了香根草根土复合体的抗剪强度，研究结果表明根系含量越大，土体的抗剪强度越大。本次研究中，高羊茅根系的生长(根系表面积、根总长、根平均直径和地下生物量)与根土复合体的抗剪强度呈极显著的相关性(p<0.01),说明植物根系越发达，土体的抗剪强度越大，这与赵岩[29]、Ye[30]等的研究结果相似。本次研究中，植被混凝土根土复合体的抗剪强度随磷石膏含量的增加呈现先增大后减小的趋势，这是因为植被混凝土基材的容重、孔隙率及植物根系等因素对土壤的抗剪性能产生一定影响[31]。植被根系不仅具有较强的抗拉力，且根系能够分泌有机黏结物质，将根系周围的土壤颗粒连接一起，形成一定结构性团粒，从而提高了根土复合体的抗剪强度[32-33]。磷石膏具有改变土壤物理性质的能力，能够为植物提供营养元素，并促进高羊茅根系的发育。密集根系形成的网络结构与周围土壤形成了根土复合体，进而提高了该部分土壤的抗剪强度[34]。

4、结 论

(1) 磷石膏的添加显著影响植被混凝土基材的物理性质。

随着磷石膏含量的增加，植被混凝土的容重逐渐降低，孔隙率逐渐增加。

(2) 磷石膏的添加显著影响植被混凝土基材的力学性质。

随着磷石膏含量的增加，植被混凝土的黏聚力逐渐增大，而内摩擦角均小于未添加磷石膏的组。

(3) 磷石膏的添加对高羊茅根系生长具有显著影响。

磷石膏含量为6%时，对高羊茅根系生长的促进效果最好，根系表面积、根平均直径、根总长以及根地下生物量分别提升了58.08%,17.19%,34.88%,23.53%。

(4) 磷石膏的添加对植被混凝土根土复合体的抗剪强度具有显著影响。

随着磷石膏含量的增加，植被混凝土根土复合体的抗剪强度呈现先增加后降低的趋势，磷石膏含量为6%时，植被混凝土的抗剪强度达到最大值。同时，随着土层深度的增加，植被混凝土抗剪强度也呈现先增加后降低的趋势，表现为中层的抗剪强度最大。

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基金资助:国家青年科学基金项目(42207544);水泥基生态修复技术湖北省工程研究中心(三峡大学)开放基金课题(2022SNJ04);三峡库区地质灾害教育部重点实验室(三峡大学)开放研究基金项目(2023KDZ12);

文章来源:刘振忠,段荣丰,王明,等.外掺磷石膏改性植被混凝土护坡植生性能研究[J].人民长江,2024,55(10):239-245