肖宏彬，賀 茜，李珍玉，左學(xué)龍，陳 能，李 偉

(中南林業(yè)科技大學(xué)，湖南 長沙410004）

根系對邊坡土體抗崩解能力影響的試驗研究

肖宏彬，賀 茜，李珍玉，左學(xué)龍，陳 能，李 偉

(中南林業(yè)科技大學(xué)，湖南 長沙410004）

通過對模型箱根—土的試驗研究，探索了混合種植林草的邊坡土體的初始含水量、邊坡坡度及有效根密度等對邊坡土體抗崩解能力的影響。研究結(jié)果表明：邊坡土體的抗崩解能力不但與邊坡坡度和土體的初始含水量有關(guān)，更與邊坡土體中的有效根密度有關(guān)；在一定的初始含水量條件下，土體抗崩解能力隨著有效根密度的增大而呈冪函數(shù)增長趨勢；在此基礎(chǔ)上提出了不同初始含水量和不同有效根密度條件下土壤完全崩解所需時間的計算公式。研究結(jié)果為揭示植物根系對邊坡穩(wěn)定性的增強(qiáng)機(jī)理提供了理論基礎(chǔ)，也對促進(jìn)生態(tài)護(hù)坡和植物邊坡的水土保持等技術(shù)的發(fā)展具有一定的理論及工程應(yīng)用價值。

植物邊坡；有效根密度；土體抗崩解能力；邊坡穩(wěn)定性

植物根系能將土壤的單粒黏結(jié)起來，同時也能將板結(jié)密實的土體分散，改良土壤結(jié)構(gòu)，并通過根系自身的腐化解體轉(zhuǎn)而合成腐殖質(zhì)，為土壤內(nèi)部創(chuàng)造良好的團(tuán)聚結(jié)構(gòu)和孔隙分布[1]。同時，植物龐大發(fā)達(dá)的須根系統(tǒng)在土體中能夠形成縱橫交錯的根網(wǎng)，將土壤顆粒緊緊束縛包裹住，形成了事實上的“加筋土”，極大地提高了土體的抗剪強(qiáng)度。同時也在一定程度上增強(qiáng)了土體抵抗風(fēng)化吹蝕、流水沖刷和重力侵蝕的能力，能有效地提高土壤的抗侵蝕性能，進(jìn)而達(dá)到增強(qiáng)邊坡穩(wěn)定性的目的[2-4]。近年來，隨著公路、鐵路及其他基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)、墾荒耕種和采礦等人類活動的進(jìn)行，形成了大面積的裸地和松散堆積物，嚴(yán)重地破壞了植物邊坡中植被根系與土體之間的正常關(guān)系，導(dǎo)致土壤抗蝕抗沖性能降低，土地荒漠化、沙塵暴等一系列土壤侵蝕問題不斷惡化，給生態(tài)環(huán)境造成了嚴(yán)重不良后果[5]。

植被根系與土壤抗蝕性能的定性定量關(guān)系的研究，是一項特別重要且有效的基礎(chǔ)理論工作。因此，開展植物根系與土的相互作用的相關(guān)研究對治理邊坡水土流失、防止坡滑、建設(shè)生態(tài)形護(hù)坡工程及改善生態(tài)環(huán)境有著重要的理論和工程應(yīng)用價值。

1 試驗研究

采用模型箱試驗對林草混交根系進(jìn)行研究，結(jié)合工程實際情況，在模型箱中模擬工程常見邊坡骨架護(hù)坡植草防護(hù)。通過含水量試驗、有效根密度試驗和浸水崩解試驗，測定了不同邊坡的含水量、有效根密度和土壤浸水崩解時間等參數(shù)，對比無植被和不同植物組合覆蓋下，土體抗侵蝕性能的不同，進(jìn)一步研究不同含根量條件下土體抗崩解能力的變化和規(guī)律。

1.1 試驗條件

為模擬公路邊坡中常用的不同坡比的邊坡植草情況，2012年5月，制作2組不同坡比的模型箱，坡比分別是1∶1和1∶1.2，模型箱共制作6個，其中坡比為1∶1的3個（1#、2#、5#箱），坡比為1∶1.2的3個（3#、4#、6#箱）。1號箱為素土對照箱；2號、3號箱分別種植香根草和小葉女貞，其株、行距均為15 cm×15 cm；4號、5號和6號箱混合種植香根草和小葉女貞，其株、行距分別為15 cm×15 cm、18 cm×18 cm、15 cm×15 cm。模型箱四周用鋼筋和木條進(jìn)行加固處理，周身里外均涂抹一層防水油漆，以防止其受雨水侵蝕。模型箱中的填土為本地工程建設(shè)挖掘的棄土（為含有少量粗顆粒的紅色粘土）。對室外模型箱中種植兩年多的植物根系進(jìn)行挖掘并取樣分析，用以探索土體中根系的分布和生長規(guī)律，進(jìn)而研究根系密度及其對土體抗崩解能力的影響規(guī)律。

1.2 有效根密度試驗

植物根系提高土壤抗侵蝕能力主要是通過根莖小于1 mm的根系發(fā)揮作用的[6]。在每個模型箱隨機(jī)挖取3個10 cm×10 cm×10 cm的土方，清查每個土方的6個剖面上小于1 mm徑級須根的根數(shù)，得出每個土方的須根數(shù)，再求出3個土方須根數(shù)的平均值。本次試驗中，用有效含根比ρ來表征根—土復(fù)合體的有效根密度，即土方中根徑小于等于1 mm的根系質(zhì)量與土方中所有根系質(zhì)量之比。即：

式（1）中：ρ為有效含根比，無量綱，用以表征根土復(fù)合體的有效根密度；w′為土方中的總根量，g；w為土方中的有效須根量，g 。

通過試驗測得6個模型箱的有效根密度數(shù)據(jù)結(jié)果如表1所示。

表1 各模型箱中土壤的有效含根比ρTable 1 Effective roots content ratio of soils in each model boxes (ρ)

從表1中數(shù)據(jù)可看出：僅種有小葉女貞的3號模型箱內(nèi)土方有效根密度最小，通過把整株小葉女貞拔出以觀察根系分布情況得知，其主根相當(dāng)發(fā)達(dá)，而須根相對而言比較少，且為橫向生長，因此土體內(nèi)有效須根比較少；僅種有香根草的2號模型箱內(nèi)土方有效須根量比較多，但是少于混合種植的4、5、6號模型箱；而在混合種植的4、5、6號模型箱中，6號箱土體內(nèi)有效須根量最多，這說明在林草混合種植條件下，邊坡坡度越緩，植物種植密度越大，土體內(nèi)有效須根量越多，須根平均值和有效含根比也越高。

1.3 浸水崩解試驗

土壤崩解能力能夠反映土壤結(jié)構(gòu)對水力浸潤解體的特性，或者說反映土體被雨水分散解體的難易程度。根據(jù)有關(guān)的研究資料，土壤的可蝕性可用崩解速率來表征，在工程水土保持研究中也可用崩解速率作為土壤的可蝕性評價指標(biāo)[7-8]。本項試驗研究的目的在于探索不同含水量和不同植物根系條件下土壤抗崩解能力與有效根密度的關(guān)系。通過對比研究素土與不同含水量、不同含根比的土體抗崩解能力，以探索相關(guān)的影響規(guī)律。

試驗前分別給6個模型箱澆水，等水分入土滲透一天后，用環(huán)刀在每個模型箱內(nèi)隨機(jī)取3個5 cm深的原狀土樣，應(yīng)用浸水法[9]測定土壤完全崩解所需要的時間，并取少量土進(jìn)行含水率的測定。土樣初始狀態(tài)和完全崩解后的狀態(tài)分別如圖1 和圖2 所示。2次試驗中，土樣含水率的測定結(jié)果分別為18.8%、25.2%。2種含水率條件下，土壤完全崩解所需要的時間分別如表2和表3所示。

圖1 土樣的初始狀態(tài)Fig.1 Initial state of soil sample

圖2 土樣完全崩解Fig.2 Disintegrated state of soil sample

表2 不同有效根密度條件下的土壤完全崩解的時間 (含水率18.8%)Table 2 Time needed for soils to completely disintegrate under different effective root density (ω=18.8%)

由表2和表3兩組的試驗結(jié)果可以看出，在相同的浸水條件下，素土的土體結(jié)構(gòu)很容易發(fā)生解體，1 h左右就完全崩解了，而根系的存在能夠減緩這個過程的進(jìn)行，對土體完全崩解所需的時間有很大的影響。從表2和表3中同時可以發(fā)現(xiàn)，根土復(fù)合體崩解時間最短的為2.5 h，最長的達(dá)到了6 h以上。這說明根系能夠有效減小土體的崩解速度，增強(qiáng)其抗崩解能力。其原因是由于須根在土體內(nèi)穿插和纏繞，開成了類似于土體“加筋”的效果，促進(jìn)了土粒的團(tuán)聚，從而增強(qiáng)了土體抗分散、懸浮的能力[10]。

表3 不同有效根密度條件下的土壤完全崩解的時間 (含水率25.1%)Table 3 Time needed for soils to completely disintegrate under different effective root density (ω=25.1%)

2 試驗結(jié)果分析

通過對比表2和表3的試驗結(jié)果可知，相同根密度條件下，土體的初始含水量對其崩解時間也有很大的影響。初始含水量越小，土體完全崩解所需時間越長，但在不同含水量條件下，根系對土體抗崩解能力的影響趨勢卻是相同的。

試驗結(jié)果表明土體的抗崩解能力不但與含根量有關(guān)，更與有效根密度有關(guān)。有效根密度越大，即土體中根徑小于或等于1 mm的須根數(shù)量越多，土體完全崩解需要的時間就越長，亦即土體抗崩解能力就越強(qiáng)。通過應(yīng)用Origin數(shù)據(jù)分析軟件對不同含水量條件下的試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，試驗結(jié)果和擬合結(jié)果分別如圖3和圖4所示。擬合得到的土體完全崩解所需時間與土中有效根密度的關(guān)系可表示為：

式(2)中：t為土壤完全崩解所需的時間，min；ω0為土壤初始含水率，%，本項研究中分別測得為18.8%和25.1%；ρ為有效根密度，無量綱；A為與土質(zhì)及其初始含水量有關(guān)的經(jīng)驗系數(shù)，可由式（4）得到；B為與植物根系種類及邊坡坡度有關(guān)的經(jīng)驗系數(shù)，可由試驗得到。

由式(2)可知，當(dāng)土壤中的有效根密度為ρ=0時，則無根系的素土抗崩解時間為：

圖3 土壤抗崩解能力(ω0=18.8%)Fig.3 Anti-disintegration of soil, ω0=18.8%

圖4 土壤抗崩解能力 (ω0=25.1%)Fig.4 Anti-disintegration of soil, ω0=25.2%

因此，可得到參數(shù)A為：

由圖3和圖4可以發(fā)現(xiàn)，各試驗數(shù)據(jù)點都散落在擬合曲線附近，且?guī)缀醵季o靠曲線兩側(cè)，說明擬合結(jié)果是可靠的。因此，可以知道，在一定含水量條件下，根系的存在對土壤抗崩解能力有著積極的影響。有效根密度越大，土壤完全崩解所需時間越長，說明根系的存在能夠有效地延緩?fù)寥赖谋澜馑俾?，并且隨著有效根密度的繼續(xù)增大，這種延緩效果更加明顯。有效根密度對土壤抗崩解能力的影響呈冪函數(shù)增長趨勢。

根據(jù)式（2）可計算出不初始含水量和不同有效根密度條件下土體完全崩解所需時間，可用于生態(tài)護(hù)坡的穩(wěn)定性分析，也可用于植物邊坡的水土保持計算。

3 結(jié) 論

通過對6個含有不同植物根系的模型箱進(jìn)行有效根密度和浸水崩解試驗，比較了不同植物類型、不同種植密度以及不同邊坡坡度下土體內(nèi)有效須根的含量，并得到了不同有效根密度條件下土壤抗崩解能力的變化規(guī)律。通過研究可得到以下結(jié)論：

（1）對比素土，植物根系對土體抗崩解能力有很大的增強(qiáng)作用，根系越多，土體抗崩解能力越強(qiáng)。

（2）林草混合植物的種植方式下，邊坡坡度越緩，植物種植密度越大，土體內(nèi)有效須根含量越大，越有利于提高土體的抗侵蝕能力。

（3）初始含水量越小，土壤完全崩解所需時間越長，亦即其抗崩解能力越強(qiáng)。

（4）對試驗結(jié)果進(jìn)行了Origin數(shù)據(jù)擬合，發(fā)現(xiàn)有效根密度與土體的抗崩解能力呈冪函數(shù)增長關(guān)系，并得到了不同初始含水量和不同有效根密度條件下土壤完全崩解所需時間的計算公式。

通過對林草混交植物邊坡土壤抗崩解能力的研究，發(fā)現(xiàn)不同林草組合、邊坡坡度、初始含水量和種植密度等因素都能影響土壤的抗崩解速率，但土壤中的有效根密度的影響是最大的。以上結(jié)果對進(jìn)一步開展林草一體化植物邊坡的水土保持研究及促進(jìn)生態(tài)護(hù)坡技術(shù)的發(fā)展等方面均有一定的理論及工程應(yīng)用價值。

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Experimental study on plant roots effect on anti-disintegration of soil slope

XIAO Hong-bin, HE Xi, LI Zhen-yu, ZUO Xue-long, CHEN Neng, LI Wei
(Central South University of Forestry and Technology, Changsha 410004, Hunan, China)

Through an experimental study on root-soil in a model box, the in fluences of some factors upon anti-disintegration of soil slope were explored, such as initial water content and slope gradient as well as effective roots density etc., when the slope was planted with trees and grasses. The research results show that the anti-disintegration of soil slope was not only related to slope gradient and initial water content, but also was more related to its effective roots density; Under the given initial water content, the anti-disintegration of the soil increased with the increment of its effective roots density, and took an exponentially increasing trend; A computational formula to calculate the time that the soil is completely disintegrated was proposed, under the conditions of different initial water content and different effective roots density. The findings provide a theoretical basis for exploring the mechanism that the plant roots enhanced slope stability, also provide certain theory and application values in the engineering for promoting the ecological protection slope and plant slope’s soil-water conservation functions.

plant slope; effective roots density; anti-disintegration of soil; slope stability

S759.2

A

1673-923X(2015)05-0035-04

10.14067/j.cnki.1673-923x.2015.05.006

2014-01-10

國家林業(yè)局948項目（2012-4-76）；國家自然科學(xué)基金資助項目（31270671）；湖南省自然科學(xué)基金資助項目（12JJ5015）；湖南省外國專家局資助項目（湘財教指[2012]26）；湖南省研究生科研創(chuàng)新項目（CX2013B353）；中南林業(yè)科技大學(xué)研究生科技創(chuàng)新基金資助項目（CX2013B35）

肖宏彬，教授，博士；E-mail：tfnxhb@sina.com

肖宏彬,賀 茜,李珍玉,等. 根系對邊坡土體抗崩解能力影響的試驗研究[J].中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報，2015,35(5)：35-38.

[本文編校：謝榮秀]