李云鵬， 張會(huì)蘭， 王玉杰， 王云琦， 朱錦奇， 劉 勇

(北京林業(yè)大學(xué) 水土保持學(xué)院， 北京 100083)

隨著社會(huì)的發(fā)展，越來(lái)越多的人開(kāi)始關(guān)注環(huán)境問(wèn)題，人們?cè)诎l(fā)展的同時(shí)，通過(guò)工程手段改善周邊的環(huán)境，防止災(zāi)害的發(fā)生。利用植物以及它們的根系來(lái)防止土壤侵蝕以及淺層滑坡的發(fā)生已經(jīng)在世界范圍內(nèi)被認(rèn)為是一種可行的生態(tài)工程方法。而對(duì)于植物來(lái)說(shuō)，事實(shí)上對(duì)斜坡穩(wěn)定性的增強(qiáng)作用主要是通過(guò)根系實(shí)現(xiàn)的[1]。研究表明，由植物根系導(dǎo)致的土壤抗剪強(qiáng)度增加的原因不僅僅來(lái)源于根系特性(根系自身強(qiáng)度和根土之間相互作用)，大部分還是由于根系在土壤中的形態(tài)特性以及空間分布的作用[2]。除此之外，根系對(duì)土壤的影響以及根系自身也是影響土壤抗剪強(qiáng)度的重要因素，例如土壤含水量、土壤緊實(shí)度、根系長(zhǎng)度密度、根面積比率、根錐形和根系分枝模式等[3]。

關(guān)于不同植物根系對(duì)土壤抗剪強(qiáng)度的影響國(guó)內(nèi)外研究比較多，楊亞川等[4]以草本植物為研究對(duì)象，最早提出了“土壤—根系復(fù)合體”這一概念，隨著研究的深入，封金材等[5]在根系固坡研究中提出了根面積比率這一概念。而后，由于學(xué)者研究目標(biāo)集中在根系整體結(jié)構(gòu)上，對(duì)根系整體形態(tài)進(jìn)行分類，例如宋維峰[6]和劉秀萍等[7]的研究中，將油松認(rèn)定為垂直根結(jié)構(gòu)，刺槐認(rèn)定為水平根結(jié)構(gòu)。胡其志等[8]進(jìn)而通過(guò)對(duì)根土復(fù)合體進(jìn)行直接剪切實(shí)驗(yàn)，研究不同根系指標(biāo)對(duì)根土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度的影響。國(guó)外對(duì)根系護(hù)坡機(jī)理的研究更注重于土壤與根系的綜合考慮，如Docker等[9]通過(guò)研究不同樹(shù)種根面積比率的差別來(lái)評(píng)價(jià)植物種類對(duì)土壤抗剪強(qiáng)度的影響，Norris等[10]將根系整體結(jié)構(gòu)作為研究對(duì)象來(lái)探討植物種類不同的影響，Stokes等[11]對(duì)不同植物根系抵抗淺層滑坡的過(guò)程做了細(xì)致的分析。

重慶縉云山地處三峽庫(kù)區(qū)附近，由于特殊的地理位置，其坡面極易發(fā)生土壤侵蝕以及淺層滑坡，所以，如何在不破壞原有生態(tài)環(huán)境的前提下，有效防止災(zāi)害的發(fā)生是該地區(qū)防治的重點(diǎn)。本文通過(guò)對(duì)該地區(qū)同種根構(gòu)型的針葉樹(shù)種和闊葉樹(shù)種根系結(jié)構(gòu)中的一些重要指標(biāo)的對(duì)比分析，進(jìn)一步探討植物根系穩(wěn)定坡體的作用機(jī)理，以期為縉云山邊坡穩(wěn)定提供科學(xué)支撐。

1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)點(diǎn)位于重慶市北碚區(qū)縉云山，屬典型的亞熱帶季風(fēng)濕潤(rùn)氣候，年平均氣溫13.6 ℃，年平均降水量1 783.8 mm，最高海拔951 m。本試驗(yàn)所采樣本位于縉云山南部，平均坡度在20°左右。研究區(qū)域內(nèi)分布有大面積的常綠闊葉林，喬木以馬尾松(PinusmassonianaLamb)和四川大頭茶(Gordoniaacuminata)為主，同時(shí)伴有多種灌木及草本。

1.1 樹(shù)種

試驗(yàn)所選取的兩種樹(shù)種為馬尾松和四川大頭茶。前者為針葉樹(shù)種，后者為闊葉樹(shù)種，皆為縉云山常見(jiàn)優(yōu)勢(shì)樹(shù)種，每種樹(shù)種采集3個(gè)樣本。馬尾松和四川大頭茶是直根性樹(shù)種，主根粗長(zhǎng)，側(cè)須根細(xì)少。按照Yen[12]關(guān)于根結(jié)構(gòu)分類標(biāo)準(zhǔn)分類，這兩種樹(shù)種屬于VH型，即主根延伸長(zhǎng)，水平根較少，傾斜根較多。

1.2 土壤

為了保證在剪切過(guò)程中得到有效的試驗(yàn)結(jié)果，本次直剪試驗(yàn)土壤取自深度為200—300 mm的土層。人工剔除土壤中含有的生物及雜質(zhì)后，置于規(guī)格為300 mm×300 mm×200 mm的直剪盒內(nèi)，采用TDR測(cè)定試驗(yàn)土壤的含水率，并采用人工加水的方法保證試驗(yàn)過(guò)程中重塑土的含水率維持在一定范圍，試驗(yàn)中的土壤容重為1.65×103kg/m3，土壤含水率為21.3%。

1.3 儀器設(shè)備

圖1所示的是試驗(yàn)所用的大型自制直剪盒簡(jiǎn)易結(jié)構(gòu)圖，剪切裝置主要由上下直剪盒、上盒蓋、擋板、導(dǎo)軌、拉力計(jì)和支架組成，直剪盒尺寸為300 mm×300 mm×200 mm，其中上盒高為100 mm，下盒為100 mm，盒體材料為10 mm厚度的PVC板，盒體內(nèi)部拋光打磨。下直剪盒通過(guò)螺栓與鋼底板固定在地面，試驗(yàn)過(guò)程中，下直剪盒始終固定不動(dòng)。下直剪盒與上直剪盒之間在滑動(dòng)方向的盒壁上安放有鋼珠，因此自由滑動(dòng)時(shí)摩擦力很小可忽略不計(jì)。

圖1 大型自制直剪盒結(jié)構(gòu)

1.4 試驗(yàn)方法

1.4.1 直剪盒操作方法 在試驗(yàn)開(kāi)始前，先將直剪盒上下對(duì)齊并將鋼桿輕輕地靠在上盒中部表面，同時(shí)，調(diào)整拉力計(jì)讀數(shù)使其歸零。然后，將已經(jīng)處理完畢的植物根系放置于土樣中(在放入土樣前，需要對(duì)根系進(jìn)行拍照，拍照的方向需要與剪切方向一致)，并人工壓實(shí)表面土壤，使根系充分與土樣接觸。之后，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)手柄，轉(zhuǎn)速約為5 s/圈(每圈的水平位移為2 mm)，在記下每圈拉力計(jì)讀數(shù)的同時(shí)通過(guò)刻度尺記錄上下直剪盒的位移差。規(guī)定當(dāng)剪切位移到26 mm時(shí)停止試驗(yàn)。為了保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確，同時(shí)測(cè)量上下直剪盒的位移差以便校驗(yàn)數(shù)據(jù)。

1.4.2 樹(shù)根樣本采取原則 試驗(yàn)所選取的兩種植物皆是研究區(qū)常見(jiàn)優(yōu)勢(shì)樹(shù)種，為了最大限度減小植物之間由于生長(zhǎng)所造成的相互影響，在選擇樣本時(shí)盡量選擇周圍300 mm內(nèi)無(wú)其他植物生長(zhǎng)的樹(shù)木，并選擇生長(zhǎng)狀況良好的樣本。由于試驗(yàn)所用樣本皆是幼小樹(shù)木，所以無(wú)法確定樹(shù)齡，為了減小所選取樹(shù)種間的生長(zhǎng)差異，故選取地上直徑為20 mm左右的幼樹(shù)，并且保證所有樣本盡可能分布在同一區(qū)域內(nèi)。同時(shí)，為了防止在采集樣本根系時(shí)對(duì)根系的損害，故采取人工挖掘的方式最大限度地保證根系的整體結(jié)構(gòu)，開(kāi)挖深度為600 mm。待割除莖基部以上部分并用手將附著于根系上的塊土去除后，裝于黑色塑料袋中帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行后續(xù)實(shí)驗(yàn)。

1.5 數(shù)據(jù)分析

運(yùn)用Excel 2007進(jìn)行數(shù)據(jù)的線性分析及比較，借助SPSS 18.0處理數(shù)據(jù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 植物根系對(duì)坡體穩(wěn)定性的作用

2.1.1 根系抗剪強(qiáng)度特征 圖2表示的是兩種植物根系與土壤整體抗剪強(qiáng)度與位移的關(guān)系曲線，同時(shí)測(cè)量了素土的抗剪強(qiáng)度作為對(duì)照，素土的抗剪強(qiáng)度為1.93 kPa。

結(jié)合圖2可知，兩種植物都能夠很好地提高土壤的抗剪強(qiáng)度，但是兩種植物根系與土壤整體抗剪強(qiáng)度與位移的關(guān)系因植物種類的不同而不同，這表現(xiàn)在發(fā)生完全剪切破壞的位移量和所能承受的最大抗剪能力兩個(gè)方面。針葉樹(shù)種發(fā)生剪切破壞時(shí)位移量為10 mm，最大抗剪強(qiáng)度為6.67 kPa；闊葉樹(shù)種發(fā)生剪切破壞時(shí)的位移量為12 mm，最大抗剪強(qiáng)度為6.11 kPa。兩種樹(shù)種根系抗剪強(qiáng)度取平均值后其抗剪強(qiáng)度的大小關(guān)系為針葉樹(shù)種(6.17 kPa)>闊葉樹(shù)種(5.61 kPa)，這與最大值的大小關(guān)系相同。由結(jié)果可知，對(duì)于針葉樹(shù)種根系，在發(fā)生剪切破壞的時(shí)候，土壤自身易先被破壞，之后完全由植物根系承擔(dān)主要的抗剪能力；對(duì)于闊葉樹(shù)種根系，其與土壤的結(jié)合作用要強(qiáng)于針葉樹(shù)種根系，這表現(xiàn)在增加了土壤自身發(fā)生剪切破壞的位移量，而在這之后由根系承擔(dān)的抗剪強(qiáng)度的值卻小于針葉樹(shù)種根系。這可能是由于闊葉樹(shù)種根系生長(zhǎng)較快，根系中的木質(zhì)素含量多，而針葉樹(shù)種根系由于生長(zhǎng)緩慢，其根系中所含的纖維素較多，使得闊葉樹(shù)種根系的抗彎強(qiáng)度要好于針葉樹(shù)種，而其抗拉強(qiáng)度卻要比針葉樹(shù)種根系的差?？偟膩?lái)說(shuō)，植物根系都增強(qiáng)了土體的抗剪強(qiáng)度，但是由于根系結(jié)構(gòu)以及生長(zhǎng)特性的不同而產(chǎn)生差異。

圖2 兩種植物根系抗剪強(qiáng)度隨剪切位移的變化

2.1.2 單根抗拉強(qiáng)度與土壤抗剪強(qiáng)度增量 通過(guò)對(duì)比單根抗拉強(qiáng)度的大小可以間接評(píng)價(jià)植物根系對(duì)土體抗剪強(qiáng)度影響的強(qiáng)弱。Wu等[13]以庫(kù)倫定律為基礎(chǔ)提出的根系抗拉強(qiáng)度與土壤抗剪強(qiáng)度增量的關(guān)系式如下：

S=C+σN·tanφ

(1)

S=C+ΔS+σN·tanφ

(2)

式中：S——土壤抗剪強(qiáng)度(kPa)；C——土壤黏聚力(kPa)；σN——剪切帶上的正應(yīng)力(kPa)；φ——土壤內(nèi)摩擦角(°)； ΔS——由根系提供的抗剪強(qiáng)度增量(kPa)。下同。

在Wu等的模型中，對(duì)于ΔS的取值完全由根系的抗拉強(qiáng)度以及在剪切帶上的根面積比率決定：

ΔS=K·TR·RAR=1.2TR·RAR

(3)

式中：K——比例系數(shù)；TR——根系的抗拉強(qiáng)度(kPa)； RAR——根面積比率(%)。下同。

由于式(3)的使用前提是在發(fā)生剪切破壞過(guò)程中，所有植物根系起作用并都被破壞，故將該式進(jìn)行修正，修正后的公式為：

(4)

根據(jù)式(4)可求出每種植物根系抗拉強(qiáng)度的平均值如表1所示。

表1 二種植物根系平均抗拉強(qiáng)度

由表1可以看出，針葉樹(shù)種根系抗拉強(qiáng)度的平均值總體要比闊葉樹(shù)種的大，這說(shuō)明盡管闊葉樹(shù)種在剪切面附近的含根量要比針葉樹(shù)種多，但是由于其根系平均抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于針葉樹(shù)種，其根系總的作用效果并沒(méi)有針葉樹(shù)種的好。但是僅通過(guò)根系平均抗拉強(qiáng)度的比較不能說(shuō)明根系徑級(jí)比對(duì)土壤抗剪強(qiáng)度影響的原因，因?yàn)樵谄渌说难芯恐姓J(rèn)為根系直徑與抗拉強(qiáng)度是成反比例關(guān)系的，對(duì)于單根來(lái)說(shuō)直徑越小，抗拉強(qiáng)度越大。

2.2 根系形態(tài)特征對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響

2.2.1 根系徑級(jí)及位置分布特征 圖3為兩種植物在剪切面范圍內(nèi)根系的分布情況。兩種植物的小直徑根系都比較多，而對(duì)于大于6 mm的根系在針葉樹(shù)種中基本不存在，但在闊葉樹(shù)種根系中卻有少量分布，總的含根量也表現(xiàn)為闊葉樹(shù)種要多于針葉樹(shù)種，而針葉樹(shù)種根系分布的范圍要比闊葉樹(shù)種更廣，即分布范圍越大其抵抗剪切破壞的能力越強(qiáng)，邊坡越穩(wěn)定；同時(shí)，分布范圍越大其抵抗剪切破壞的效果越明顯。換句話說(shuō)，在發(fā)生剪切破壞的過(guò)程中，由于剪切力不是在剪切面上處處相等的，在靠近剪切破壞邊緣的土壤承受剪切力要大于處于剪切面內(nèi)部的土壤，而處于剪切破壞邊緣的根系自然承擔(dān)了大部分的剪切力，在較小的剪切位移下，表現(xiàn)出較好的抗剪能力。

總的來(lái)說(shuō)，在土體發(fā)生剪切破壞的過(guò)程中，處于破壞面邊緣的土壤或根系才是土體抗剪強(qiáng)度的主要承擔(dān)者，靠近剪切面的植物根系越多，其抵抗剪切破壞的能力越強(qiáng)。因此，在布置植物措施穩(wěn)定邊坡的過(guò)程中，在不考慮高大樹(shù)木根系深入土壤基巖層中所產(chǎn)生的錨固力作用的前提下，位于淺層的且大范圍分布的根系更能保持坡體的穩(wěn)定性。

圖3 不同植物根系范圍分布

2.2.2 根系角度分布特征 圖4為兩種植物在剪切面范圍內(nèi)根系與剪切方向的夾角的分布情況。由圖4可知，針葉樹(shù)種根系主要分布在0°～60°，而闊葉樹(shù)種除了在0°～30°分布外，還存在一些近乎與剪切面平行的根系。在Jewell等[14]的研究中，通過(guò)室內(nèi)剪切實(shí)驗(yàn)得出當(dāng)土壤中的根系與剪切方向夾角為60°的時(shí)候抵抗土壤剪切破壞的作用最強(qiáng)。對(duì)比本試驗(yàn)所得結(jié)果可知，處在60°左右的針葉樹(shù)種根系較闊葉樹(shù)種根系更多，所以表現(xiàn)出更好的抗剪能力。而闊葉樹(shù)種中存在的與剪切方向平行的根系并未提供抗剪強(qiáng)度的增量，這可能是由于當(dāng)土壤發(fā)生剪切破壞的過(guò)程中，水平根系會(huì)造成土體的松動(dòng)，崩壞的土壤自然不能抵擋剪切破壞的發(fā)生。在布置植物措施穩(wěn)定坡體的過(guò)程中，植物種植的角度應(yīng)以坡面成60°為宜(植物與坡體的逆坡向的夾角)，因?yàn)檫@樣可以使根系提供更大的抗剪強(qiáng)度增量，增強(qiáng)土壤的抗剪強(qiáng)度。

圖4 不同植物根系傾斜角度分布

2.2.3 根面積比率特征 根面積比率的值可以很好地表現(xiàn)剪切面土壤內(nèi)含根量的比值，值越大，說(shuō)明處在剪切面上的根系總和的截面積越大。根據(jù)試驗(yàn)過(guò)程中根系的埋深深度，在試驗(yàn)前通過(guò)人工計(jì)數(shù)的方法將埋深下方50～150 mm的根系按照2 mm的徑級(jí)分類計(jì)數(shù)，超過(guò)10 mm的直徑的根系在計(jì)算平均值時(shí)取11 mm計(jì)算。本試驗(yàn)對(duì)于根面積比率的測(cè)量，采用如下公式計(jì)算：

(5)

式中：ni——代表i徑級(jí)下的含根量；d——i徑級(jí)下的根的中值直徑(mm)。

通過(guò)計(jì)算可知，根面積比率大小關(guān)系為針葉樹(shù)種(0.005 85%)<闊葉樹(shù)種(0.021 66%)。而由前面分析可知，植物根系抗剪強(qiáng)度由強(qiáng)到弱的關(guān)系恰好與此相反，也就是說(shuō)在本試驗(yàn)中不能用根面積比率的大小反映植物根系抗剪強(qiáng)度的好壞。植物根系在發(fā)生剪切破壞過(guò)程中，處于剪切面上的根系并沒(méi)有全部發(fā)揮作用，而在剪切破壞后，處于剪切面上的根系也沒(méi)有全部斷裂，所以用根面積比率來(lái)反映植物根系抗剪強(qiáng)度的好壞是不合適的。對(duì)根系整體結(jié)構(gòu)的研究可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)于喬木的幼樹(shù)來(lái)說(shuō)，根系中存在粗大的主根對(duì)整體抗剪強(qiáng)度的增加有很大的作用，其次是處于土壤中的一些傾斜根。至于剪切面附近根系的徑級(jí)比以及根系的含量對(duì)根系抗剪強(qiáng)能力的影響未能體現(xiàn)。

3 討 論

3.1 不同植物種類提高抗剪強(qiáng)度的作用

針葉樹(shù)種根系提高土體抗剪強(qiáng)度的作用強(qiáng)于闊葉樹(shù)種根系。姜志強(qiáng)等[15]將根系分為深粗根和淺細(xì)根兩種，并認(rèn)為深粗根體現(xiàn)錨固作用，淺細(xì)根體現(xiàn)加筋作用。在營(yíng)造森林的過(guò)程中，最先作用于土壤的植物是草本，之后灌木和喬木開(kāi)始慢慢生長(zhǎng)，在生長(zhǎng)前期，幼樹(shù)對(duì)土體的加固作用直接決定著其穩(wěn)定性，因?yàn)楫?dāng)喬木長(zhǎng)大之后，其根系深入到巖基層，形成很強(qiáng)的錨固作用，對(duì)坡體的穩(wěn)固作用大大增強(qiáng)。由于研究區(qū)域內(nèi)林下灌木草本稀少，所以喬木根系對(duì)土壤的加固作用就顯得極為重要。根系整體結(jié)構(gòu)在很大程度上影響著剪切力在土壤中的傳遞，在剪切過(guò)程中，根系整體與土壤的結(jié)合可以看作是一連串加強(qiáng)作用的聯(lián)合，并且其整體的變形也會(huì)有效抵抗剪切破壞。盡管在不同植物中由于根數(shù)量以及直徑的不同導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的不同，但是根系整體的這種作用卻是不可忽視的。

3.2 根系分布特征對(duì)坡體穩(wěn)定性的影響

關(guān)于植物根系影響坡體穩(wěn)定性的研究，主要是通過(guò)討論在剪切范圍內(nèi)根系的含量以及徑級(jí)分布、根面積比率、分布范圍和傾斜角度進(jìn)行分析的。由分析可知，在剪切范圍內(nèi)根系的含量以及徑級(jí)分布、根面積比率與根系的抗剪能力并沒(méi)有明顯的線性關(guān)系，這是因?yàn)樵趯?duì)剪切范圍內(nèi)根系的含量以及徑級(jí)分布的測(cè)量中，由于測(cè)量方法的局限，導(dǎo)致測(cè)量數(shù)據(jù)不精確。加之環(huán)境的異質(zhì)性，例如土壤容重、土壤含水率、植物間相互影響的作用，都在很大程度上影響著對(duì)上述指標(biāo)的測(cè)量。但張飛等[16]的研究指出，土中根系密度對(duì)土體抗剪強(qiáng)度影響很大，一定程度上土中根系密度與抗剪強(qiáng)度呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系。而在對(duì)根系分布范圍和傾斜角度的討論中，在不考慮其他因素的條件下，可以認(rèn)為在剪切破壞面附近的植物根系承受更大的剪切破壞力，也就是說(shuō)，當(dāng)植物根系在水平方向上的分布越廣，橫向傾斜角度越接近60°的時(shí)候，其抵抗剪切破壞的能力越強(qiáng)，坡體越穩(wěn)定，這與Jewel等[17]的研究一致。在對(duì)根系平均抗拉強(qiáng)度以及抗剪強(qiáng)度增量的分析中得出，兩者有大的聯(lián)系，即根系平均抗拉強(qiáng)度越大，其對(duì)土壤抗剪強(qiáng)度的增量就越大，坡體抵抗剪切破壞的能力就越強(qiáng)。Genet等[18]的研究指出，根系中存在的纖維素是導(dǎo)致根系具有強(qiáng)大抗拉強(qiáng)度的主要因素，而隨著植物生長(zhǎng)，根系中纖維素含量降低，取而代之的是木質(zhì)素的積累，導(dǎo)致根系抗拉強(qiáng)度降低。針對(duì)于研究區(qū)植物根系生長(zhǎng)特性，在植物生長(zhǎng)早期，針葉樹(shù)種根系內(nèi)主要為纖維素，纖維素總體含量越多，根系平均抗拉強(qiáng)度就越大，進(jìn)而增強(qiáng)土壤的抗剪強(qiáng)度。也就是說(shuō)在利用植物固坡的措施中，如果需要種植喬木，應(yīng)以針葉樹(shù)種為主，因?yàn)槠淠芴峁└玫目辜魪?qiáng)度。

4 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)研究區(qū)兩種植物根系大盒直剪試驗(yàn)以及對(duì)根系的含量、徑級(jí)分布、根面積比率、分布范圍和傾斜角度的測(cè)量分析，得出兩種植物根系抗剪強(qiáng)度強(qiáng)弱關(guān)系和主要影響因素。結(jié)果表明，針葉樹(shù)種根系強(qiáng)度大于闊葉樹(shù)種根系；根系平均抗拉強(qiáng)度越大，它提高土壤抗剪強(qiáng)度的作用就越大，坡體抵抗剪切破壞的能力就越強(qiáng)。在剪切破壞面附近的植物根系承受更大的剪切破壞力，并且在植物中存在越多的與剪切方向成60°的根系，其增加土體剪切破壞的能力越強(qiáng)，坡體越穩(wěn)定。根系的含量以及徑級(jí)分布、根面積比率與抗剪強(qiáng)度沒(méi)有明顯的線性關(guān)系。

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