沈照偉，岳春雷，王云南，李賀鵬，陳友吾

（1.浙江省水利河口研究院，浙江 杭州 310020；2.浙江省林業(yè)科學(xué)研究院，浙江 杭州 310023；3.浙江省水利廳，浙江 杭州 310009）

隨著人類(lèi)對(duì)資源的不斷開(kāi)發(fā)和大規(guī)?；A(chǔ)設(shè)施的建設(shè)，造成了嚴(yán)重的水土流失和土地沙化，形成了大量的裸露邊坡。傳統(tǒng)的工程防護(hù)措施大多采用砌石及混凝土等灰色防護(hù)，影響了自然生態(tài)的和諧。與傳統(tǒng)的工程防護(hù)措施相比，植被措施在發(fā)揮其護(hù)坡作用的同時(shí)，具有工程措施所無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)，一方面能夠迅速恢復(fù)由于人類(lèi)工程建設(shè)所破壞的生態(tài)環(huán)境，保持生態(tài)間的平衡，美化景觀，凈化空氣。另一方面，植被護(hù)坡造價(jià)低，經(jīng)濟(jì)性較工程措施護(hù)坡優(yōu)越[1～4]。

目前，植被護(hù)坡應(yīng)用還基本限制在定性和經(jīng)驗(yàn)的發(fā)展階段，對(duì)植物根系提高土壤抗剪強(qiáng)度的定量研究很少[5]。為探討不同植被類(lèi)型對(duì)提高土壤抗剪強(qiáng)度的作用，進(jìn)而為植被護(hù)坡提供依據(jù)，本文選取裸地、灌木林、毛竹林、杉木林、松闊混交林和闊葉林，通過(guò)實(shí)驗(yàn)室直接剪切試驗(yàn)，就植被類(lèi)型對(duì)土壤抗剪強(qiáng)度的影響進(jìn)行研究。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究地點(diǎn)位于慶元縣荷地鎮(zhèn)，27° 15′ ～ 27° 51′ N，118° 49′ ～ 119° 29′ E，是典型的山體滑坡、泥石流多發(fā)區(qū)域。該區(qū)地處亞熱帶南緣，屬亞熱帶季風(fēng)氣候，溫暖濕潤(rùn)，冬暖夏涼，四季分明，年平均氣溫 18.1℃，年平均無(wú)霜期256 d，年平均降水量1 427.0 mm。境內(nèi)山地起伏，山巒重疊，小氣候復(fù)雜多樣，土壤類(lèi)型有紅壤、黃壤，低山丘陵還零星分布著一些巖成土，森林植被屬亞熱帶常綠闊葉林區(qū)域，自然環(huán)境條件優(yōu)越，野生植物資源豐富。

本研究選擇的植被位于山體南坡，坡度大約40°，土壤（紅壤）和地質(zhì)情況等基本相同。林地類(lèi)型為裸地、灌叢林地、毛竹（Phyllostachys heterocyclacv.pubescens）林地、杉木（Cunninghamia lanceolata）林地、松闊混交林地、闊葉林地。裸地為撂荒地，僅有少量雜草；灌木林優(yōu)勢(shì)植物為錦繡杜鵑（Rhododendron pulchrum）、檵木（Loropetalum chinense）、香港黃檀（Dalbergia millettii）等，平均高度為1.5 ～ 2.2 m；毛竹林為10年前人工種植，植株平均高度為6 ～ 8 m，林下地被較少；杉木林為人工林，郁閉度0.7，杉木平均胸徑14.4 cm，林下灌木層和草本層發(fā)育不良；松闊混交林優(yōu)勢(shì)樹(shù)種為馬尾松（Pinus massoniana）、麻櫟（Quercus acutissima）；常綠闊葉林優(yōu)勢(shì)樹(shù)種為苦櫧（Castanopsis sclerophylla），平均胸徑13.5 cm。

1.2 試驗(yàn)土樣及制備

分別在上述6種不同植被類(lèi)型區(qū)選取典型樣地，在每一塊樣地內(nèi)挖3個(gè)平行的土壤剖面。根據(jù)土壤剖面的自然層次將其分為3個(gè)層次，在土壤剖面的每一層取土樣。試樣的制備按照中國(guó)《土工試驗(yàn)規(guī)程》。嚴(yán)格控制土樣的含水量，使土樣的含水量等于其天然含水量，根據(jù)目標(biāo)含水量計(jì)算出該土樣需要增加或減少的水分的質(zhì)量。如果試樣需要增加水分，用專(zhuān)用注射器將所需增加的水分滴入該試樣；如果試樣需要減少水分，可使試樣進(jìn)行自然水分流失，使其含水量達(dá)到規(guī)定的設(shè)計(jì)值。

1.3 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)所用的剪切儀為南京土壤儀器廠生產(chǎn)的ZJ型應(yīng)變控制式直剪儀。

1.4 計(jì)算方法

剪切時(shí)用50 kPa、100 kPa、50 kPa、200 kPa 4種垂直壓力。對(duì)每一個(gè)試樣進(jìn)行剪切后，可以得到4個(gè)不同垂直壓力下的剪應(yīng)力，剪應(yīng)力和相應(yīng)的垂直壓力應(yīng)用庫(kù)侖公式：

式中，τ為土壤抗剪強(qiáng)度（kPa）；σ為土的剪切面上的垂直應(yīng)力（kPa）；c為土的黏聚力（kPa）；?為內(nèi)摩擦角（°）。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同植被類(lèi)型土壤抗剪強(qiáng)度

在天然含水量條件下，不同植被類(lèi)型不同層次抗剪強(qiáng)度見(jiàn)表1。從表1可以看出，不同植被類(lèi)型同一層次土體黏聚力和內(nèi)摩擦角均大于對(duì)照（裸地），說(shuō)明植物根系能不同程度地提高土體的抗剪強(qiáng)度。其中闊葉林、松闊混交林土體黏聚力最大，灌叢林地最小，毛竹林、杉木林居于中間。對(duì)于同一植被類(lèi)型而言，土體黏聚力和內(nèi)摩擦角均呈現(xiàn)為第三層 > 第二層 > 第一層。

表1 不同植被類(lèi)型不同層次土壤抗剪強(qiáng)度Table1 Soil shear strength under different types of vegetation at different levels

2.2 不同植被類(lèi)型土壤抗剪強(qiáng)度的增加值

植物根系在提高土壤抗剪強(qiáng)度方面的作用，是指在相同垂直剖面深度范圍的根系土壤與無(wú)根系土壤抗剪強(qiáng)度的差值，用黏聚力差值ΔC、內(nèi)摩擦角差值Δ?表示。不同植被在不同的土壤剖面深度的黏聚力差值ΔC、內(nèi)摩擦角差值Δ?見(jiàn)表2、表3。從表2和表3可以看出，灌木林、喬木林地土壤和裸地相比，抗剪強(qiáng)度C值和?值都有明顯增加，C值增加較大，增加率（相對(duì)于相同層次裸地）在9.22% ～ 73.53%，Δ?增加相對(duì)較小，增加率（相對(duì)于相同層次裸地）在2.62% ～ 42.08% 。從不同植被類(lèi)型的增加率來(lái)看，呈現(xiàn)出闊葉林 > 松闊混交林 > 毛竹林 > 杉木林 > 灌叢的規(guī)律。對(duì)同一植被類(lèi)型、不同土層深度而言，C值和?值的增加量和增加率均呈現(xiàn)第一層 > 第二層 > 第三層的規(guī)律。

表2 不同植被類(lèi)型不同層次土壤黏聚力增加值Table2 Increase in soil cohesion under different types of vegetation at different levels

表3 不同植被類(lèi)型不同層次土壤內(nèi)摩擦角增加值Table3 Increase in soil internal friction angle under different types of vegetation at different levels

3 討論與結(jié)論

含根系土體的抗剪強(qiáng)度是土體和根系兩種材料綜合起作用的結(jié)果。土壤抗剪強(qiáng)度與土壤的物理性質(zhì)，如土壤的顆粒組成、土壤容重、土壤含水率等有密切的關(guān)系。植物根系的存在能明顯地改善土壤的物理性質(zhì)，因而在一定條件下，可以把土壤抗剪強(qiáng)度的增加歸結(jié)為植物根系存在[6]。根系在土體中生長(zhǎng)時(shí)，根系向四周土體產(chǎn)生軸向壓力，使四周的土體容重增大，從而使土體的黏聚力、內(nèi)摩擦角增加。根面的凹凸不平及眾多的叉根、根節(jié)、根毛，增加了根土間接觸面積，在根系膨脹的作用下，根系一土間的摩擦力增加。根系在生長(zhǎng)過(guò)程中會(huì)分泌一些化學(xué)物質(zhì)，這些物質(zhì)與土壤發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，有利于土壤顆粒的膠結(jié)；根系本身的抗拉、抗剪和抗壓縮力大土體許多倍，根系土體中根系作用的發(fā)揮類(lèi)似于加筋土中的筋才的作用，從而使根系土的工程力學(xué)性能明顯提高[7]。國(guó)內(nèi)學(xué)者通過(guò)對(duì)土壤一根系復(fù)合體的直剪實(shí)驗(yàn)表明，土壤一根系復(fù)合體抗剪強(qiáng)度隨含土壤根量增加而增大[8～9]。

不同植被類(lèi)型的根量以及在土壤的空間分布不同。在同樣的立地條件下，喬木林通常比灌木林具有較高的地下生物量，根系分布也較深。在本研究中，常綠闊葉林、針闊混交林與灌木林在提高土壤抗剪強(qiáng)度上的差異可能是由根生物量及其空間分布差異引起的。

通過(guò)對(duì)不同植被的土樣在天然含水量條件下的直剪試驗(yàn)，研究了植被類(lèi)型與抗剪強(qiáng)度的關(guān)系，得出以下結(jié)論：

（1）不同植被類(lèi)型均有提高土壤抗剪強(qiáng)度的作用。不同植被類(lèi)型較裸地，C和?均有增加，C值增加的幅度相對(duì)較大，而?值增加的幅度相對(duì)較小。

（2）隨著土層深度的增加，植被提高土壤抗剪強(qiáng)度的程度逐步減少。

（3）從植被類(lèi)型來(lái)看，常綠闊葉林、松闊混交林提高土壤抗剪強(qiáng)度的程度最大，灌叢提高土壤的抗剪強(qiáng)度的程度最小，毛竹林、杉木林居中。

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