楊 路, 杜 峰,2, 秦晶晶, 程 帥, 李宏斌

(1.西北農(nóng)林科技大學 林學院, 陜西 楊凌712100; 2.中國科學院 水利部 水土保持研究所, 陜西 楊凌712100)

由于黃土丘陵區(qū)地形和氣候的原因，存在很多潛在滑塌的坡體，使得水土流失成為該地區(qū)十分突出的環(huán)境問題。目前，這些坡體需要進行穩(wěn)定性評價、監(jiān)測與護坡加固。隨著國家鄉(xiāng)村振興和西部大開發(fā)戰(zhàn)略的實施，中西部黃土區(qū)的項目建設(shè)越來越重視。但由于黃土區(qū)地質(zhì)構(gòu)造的特點，這些項目建設(shè)會嚴重破壞當?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境，形成滑坡等自然災害[1]。為了解決這一問題，在建設(shè)中會修建很多工程坡體。對于這些工程坡體的坡面防護，在施工上主要采用工程措施，這種施工方式投資大、生態(tài)效益低、養(yǎng)護的成本高[2]。因此，工程坡體應(yīng)以低成本的生物防護為主[3]。在今后的水土保持工程設(shè)計上護坡植物作為一種環(huán)境友好、功能可持續(xù)的生物措施，應(yīng)予大力提倡，所以研究護坡植物對固土護坡的影響就顯得尤為重要[4]。

護坡植物主要是通過不同直徑根系與土壤錯綜復雜連接在一起形成根土復合體，其中細根主要通過內(nèi)聚力、摩擦力和剪脹力，對土壤起到“加筋”的作用；較粗的深根系主要通過抗拉拔力將土壤“錨定”在較深的土層中[5-6]。粗根和細根分別通過抗屈服力和抗剪增強作用對淺層潛在剪切面起抗剪增強作用。因而，護坡植物根系的形態(tài)指標如根徑、地下垂直分布和根長密度等都對邊坡加固起到重要影響[7]，而能夠量化這些因素對邊坡穩(wěn)定性影響的手段就是進行抗拉和抗剪切的試驗，國內(nèi)外已經(jīng)有大量研究表明植物根系的抗拉強度和根土復合體的抗剪強度是決定不同植物根系提高坡體穩(wěn)定性的重要因素[8-10]。以往學者對灌木根系的力學特性進行了很多研究，其中，王劍敏等[8]對中亞熱帶的3種灌木進行了根土復合體抗剪切的研究，其沒有分析不同土層剪切強度的變化規(guī)律；李佳等[11]對淺層滑坡多發(fā)區(qū)的4種典型灌木和趙玉嬌等[12]對寒旱環(huán)境下的兩種灌木進行了抗剪強度特征分析，他們都是通過在實驗室中對重塑土進行根土復合體的抗剪研究，但是重塑土與原狀土在抗剪特性方面還是有一些差別[13]。針對以上情況，本文選取黃土區(qū)3種常見的鄉(xiāng)土護坡灌木達烏里胡枝子、沙棘和狼牙刺作為研究對象，野外采用三維土柱挖取灌木的根系，并對其進行單根抗拉試驗和基于原狀土的根土復合體剪切試驗，探尋不同灌木在不同土層對土壤力學特性作用的特征，從而為護坡灌木的選擇和配置提供一些建議，以便更合理進行水土保持工程設(shè)計。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

研究區(qū)位于陜北安塞區(qū)高橋鄉(xiāng)(108°6′54′—109°19′23′′E，36°30.45′′—37°19′3′′N)，地處內(nèi)陸黃土丘區(qū)，地貌復雜多樣，境內(nèi)溝壑縱橫。全區(qū)四季長短不等，干濕分明，年平均氣溫8.8℃，年日照時數(shù)2 395.6 h。當?shù)氐膬?yōu)勢物種有達烏里胡枝子(Lespedezadavurica)、中國沙棘(Hippophaerhamnoides)和狼牙刺(Sophoraviciifolia)等。

在對當?shù)刂脖环植歼M行廣泛的野外踏查基礎(chǔ)上，在天然坡體的樣地選取3個典型的有達烏里胡枝子、中國沙棘和狼牙刺分布的單株，每種選三株作為研究對象，植株所在區(qū)域為黃棉土。于2018年和2019年對樣地進行預處理：在選定灌木周圍3 m內(nèi)，使用人工拔除和塑料膜上覆土遮陽的方法去除其他草本植物活體根系，2020年6—10月進行正式野外和室內(nèi)作業(yè)試驗。

1.2 樣品采集

在對植物處理之前，將各個植物地上部分的株高、基徑和生物量等進行記錄(表1)，之后將植物的地上部分進行切除。隨后在各個植物根系某個固定方向，沿著植物的基部畫一條直線，在直線的一側(cè)，用定制環(huán)刀(10 cm×10 cm×10 cm)逐層從上向下取原狀土做剖面，直至取到水平和垂直方向上沒有目標植物根系的分布為止，將取好的土柱進行方位上的三維坐標標記，并裝入不透光的密封袋帶回實驗室。使用剪切儀(ZJ-2等應(yīng)變直剪儀，南京寧曦土壤儀器有限公司)配套的環(huán)刀(30 cm×2 cm)隨機對每層的原狀土進行取樣，測量當?shù)赝寥赖暮俊?/p>

表1 3種優(yōu)勢灌木的基本情況

1.3 樣品分析

從上到下算出各土層的自重應(yīng)力大小分別為0，1.47，2.94，4.41，5.88，7.35，8.82，10.29，11.76，12.23 kPa荷載，利用剪切儀對配套環(huán)刀內(nèi)的土樣進行直剪試驗，測定土壤的抗剪強度。直剪試驗結(jié)束后，將剪切后的土樣和各個土層的土樣置于孔徑為0.1 mm的網(wǎng)篩中去除土壤，從篩選出來的每種植物根系中選取20～30個根段并用清水洗干凈，用數(shù)顯的游標卡尺(精度0.01 mm)測定根系的直徑，然后將根段放在拉力儀(東莞市智取精密儀器有限公司生產(chǎn)的ZQ-21B型，精度0.5級，分度值0.001 N)固定夾子中，拉伸的長度統(tǒng)一設(shè)置為5 cm，直到把各個根段拉斷，記錄單根被拉斷時所受的最大抗拉力。將剩余根系進行清洗并把根系上殘留水分蒸發(fā)掉，隨后將所有的根系分批次放在掃描儀(EPSON生產(chǎn)的V33)上掃描，獲取根系的二維根系掃描圖像。最后，將各個土層中根系分別放在烘箱里面烘干，用分析天平(千分之一)測量根系的干重，用來計算根系生物量。

1.4 試驗方法

1.4.1 根系形態(tài)參數(shù)的計算 借助環(huán)刀對根系進行逐層取樣，3種灌木根系形態(tài)參數(shù)計算公式如下：

ρ根長=L根長/V

(1)

ρ表面積=S表面積/V

(2)

ρ根徑=D直徑/V

(3)

ρ生物量=B生物量/V

(4)

式中：ρ根長表示根長密度；L根長表示環(huán)刀內(nèi)根系的長度；V表示環(huán)刀體積；ρ表面積表示根表面積密度；S表面積表示環(huán)刀內(nèi)根系的表面積；ρ根徑表示根徑密度；D根徑表示環(huán)刀內(nèi)根系的直徑；ρ生物量表示根生物量密度；B生物量表示環(huán)刀內(nèi)烘干根系的生物量。

1.4.2 單根抗拉強度的計算： 利用拉力儀測不同徑級根系的最大抗拉力，用游標卡尺測定拉斷時根系的直徑，單根的抗拉強度計算公式如下：

(5)

式中：Pi為第i根的單根抗拉強度(MPa)；Fi為第i根的最大抗拉力(N)；Di為第i根的根徑(mm)。

1.4.3 剪應(yīng)力的計算： 剪應(yīng)力的計算公式如下：

(6)

式中：τ為剪切力(kPa)；C為測力計率定系數(shù)(N/0.01 mm)；R為測力計讀數(shù)(0.01 mm)；A0為試樣面積(本文中的試樣面積為30 cm2)；10為單位換算系數(shù)。

1.5 數(shù)據(jù)處理

利用Image-Pro Plus 6.0對不同植物的根系掃描圖像進行形態(tài)參數(shù)的分析，測定的指標包括根系長度、根系直徑和根表面積等[3]。使用Excel 2019對測出的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進行匯總整理，采用Origin 2019對最后數(shù)據(jù)進行做圖和回歸分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 3種灌木根系垂直分布特征

由圖1A和圖1B可知，沙棘的根長集中位于0—40 cm的土層，占總根長的72.5%，達烏里胡枝子和狼牙刺相對于沙棘根系分布較深。隨著土層深度的增加，達烏里胡枝子和狼牙刺的根長密度與根表面積密度都有整體逐漸減小的趨勢，其中達烏里胡枝子在30—40 cm的土層深度，最大根長密度為2.29 cm/cm3，最大根表面積密度為0.67 cm2/cm3，狼牙刺在0—10 cm的土層深度，最大根長密度為3.905 cm/cm3，最大根表面積密度為1.09 cm2/cm3。狼牙刺根長密度與土層多項式擬合為y=0.0006x2-0.0754x+4.7817(R2=0.783，p<0.05)，隨著土層深度的增加，呈先減后增的變化趨勢，狼牙刺根表面積與土層擬合為y=-0.0078x+1.1401(R2=0.7914，p<0.05)，隨著土層深度的增加，呈負相關(guān)線性逐漸遞減的變化趨勢。而沙棘根長密度和根表面積密度表現(xiàn)為先增加后減少而后又增又減的特征，在30—40 cm的土層深度，最大根長密度為7.75 cm/cm3，最大根表面積密度為0.97 cm2/cm3。由圖1C可知，隨著土層深度的增加，達烏里胡枝子根徑密度沒有顯著的變化規(guī)律，基本穩(wěn)定在0.05 cm/cm3左右，而沙棘和狼牙刺的根徑密度表現(xiàn)出先增后減的變化趨勢，其中在30—40 cm的土層深度，沙棘最大的根徑密度為0.103 cm/cm3，狼牙刺最大的根徑密度為0.085 cm/cm3。由圖1D可知，達烏里胡枝子生物量密度與土層擬合為y=305.69x-1.98(R2=0.9026，p<0.05)，隨著土層深度的增加，呈負相關(guān)冪函數(shù)下降的趨勢，沙棘生物量密度與土層多項式函數(shù)擬合為y=-0.0005x2+0.0335x+0.323(R2=0.6362，p<0.05)，隨著土層深度的增加，呈先增后減的下降的趨勢，狼牙刺生物量密度與土層擬合為y=-0.1864x+15.918(R2=0.9539，p<0.05)，隨著土層深度的增加，呈負相關(guān)線性函數(shù)下降的趨勢，且3種灌木集中位于0—40 cm的土層中，生物量密度分別約占總量的91.34%，89.92%和73.89%，其中在0—10 cm的土層深度，達烏里胡枝子和狼牙刺的最大生物量密度分別為2.49 g/cm3和14.77 g/cm3。

圖1 3種灌木根系形態(tài)參數(shù)隨土層的垂直變化

2.2 3種灌木根系單根抗拉力學特征

在試驗中測出來的達烏里胡枝子、沙棘和狼牙刺的根徑區(qū)間分別為0.16～1.12 mm，0.28～1.16 mm，0.34～2.18 mm，排除在抗拉試驗中拉壞的根系，達烏里胡枝子、沙棘和狼牙刺的樣本量分別為21，15，19。從表2和圖2A可以看出，3種灌木的抗拉力隨著直徑(D)的增大而增大，且變化的趨勢越來越大，均呈現(xiàn)正相關(guān)的冪函數(shù)關(guān)系(aDb,b>1)，單根抗拉力的相關(guān)系數(shù)大于0.967 9。3種灌木單根最大的抗拉力區(qū)間分別為2.2～56 N，3.42～18.6 N和2.1～48.3 N，在相同根徑下，最大抗拉力從大到小為達烏里胡枝子>沙棘>狼牙刺。從表2和圖2B可以得出，3種灌木的抗拉強度隨著直徑(D)的增大而減小，且變化的趨勢越來越小，均呈現(xiàn)負相關(guān)的冪函數(shù)關(guān)系(aDb,b<1)，單根抗拉強度的相關(guān)系數(shù)大于0.839 4。3種灌木單根最大的抗拉強度區(qū)間為56.87～109.47 MPa，17.61～55.25 MPa和12.87～41.88 MPa，當相同根徑時，它們的最大抗拉強度表現(xiàn)為達烏里胡枝子>沙棘>狼牙刺。

圖2 3種灌木抗拉力和抗拉強度與根徑的相關(guān)關(guān)系

表2 3種灌木抗拉力、抗拉強度與根徑的回歸方程

2.3 3種灌木根際范圍內(nèi)根-土復合體抗剪強度的垂直分布特征

3種灌木根際范圍內(nèi)垂直土層的含水量在9%～17%，由圖3可知，隨著土層的深入，達烏里胡枝子根土復合體的抗剪強度表現(xiàn)出先增加后減少，而后又增加又減少的趨勢，在20—30 cm和50—70 cm的土層深度，相對于其他兩個灌木，達烏里胡枝子根土復合體的抗剪強度最大，直到土層70 cm以下，達烏里胡枝子根系分布很少，其根土復合的抗剪強度逐漸減小。在黃土區(qū)測得素土的抗剪強度為29.5 kPa，在土層深度為30 cm時，達烏里胡枝子根土復合體的抗剪強度最大為73.16 kPa，較素土提高了2.48倍。沙棘根土復合體的抗剪強度隨著土層的深入，表現(xiàn)出先增加后減少的趨勢，沙棘根土復合體的抗剪強度最大為76.6 kPa，較素土提高了2.59倍，在30—50 cm的土層深度，相對于其他兩個灌木，沙棘根土復合體的抗剪強度最大。狼牙刺根土復合體的抗剪強度隨著土層的深入，表現(xiàn)出逐漸遞減的趨勢，狼牙刺根土復合體的抗剪強度最大為65.13 kPa，較素土提高了2.21倍，在0—20 cm的土層深度，相對于其他兩個灌木，狼牙刺根土復合體的抗剪強度最大。

圖3 3種灌木根際范圍內(nèi)根土復合體抗剪強度垂直分布特征

3 討 論

不同護坡植物的根系形態(tài)特點，可以通過根系的形態(tài)指標來反映，其中包括根長、根表面積、根徑等。根長越長可以增加根系的拓展延伸能力，更大的總表面積可以增加根系土體的接觸面積，更長的根系直徑可以提高根系錨定土壤的能力，根長、根表面積、根徑與固土護坡的能力密切相關(guān)，有研究發(fā)現(xiàn)根長密度和根表面積密度可以很好地解釋根系的固土機理[14-15]。本研究對3種灌木根系的形態(tài)參數(shù)進行研究，發(fā)現(xiàn)3種灌木主要分布在0—40 cm的土層中，分別約占總生物量密度的91.34%，89.92%和73.89%，這個結(jié)論和史敏華等[16]的研究結(jié)論一致。隨著土層深度的增加，達烏里胡枝子和狼牙刺的根長密度和根表面積密度都呈逐漸減小的趨勢，且沙棘和達烏里胡枝子在30～40 cm的土層深度，都達到最大的根長密度和最大根表面積，達烏里胡枝子的分別為2.29 cm/cm3和0.67 cm2/cm3，沙棘的分別為7.75 cm/cm3，0.97 cm2/cm3，說明沙棘和達烏里胡枝子在30～40 cm的土層深度中分布比較集中，對土壤起到加固的作用最大。狼牙刺的根長密度隨著土層深度的增加，呈先減后增的變化趨勢，3種灌木中狼牙刺的分根較深，根系分布深度不同也直接影響到固土護坡作用的范圍[17]。沙棘和狼牙刺的根徑密度表現(xiàn)出先增后減的變化趨勢，其中在30～40 cm的土層深度，沙棘最大的根徑密度為0.103 cm/cm3，狼牙刺最大的根徑密度為0.085 cm/cm3。說明沙棘和狼牙刺在這個深度內(nèi)，對土壤的錨定作用最好[18]。

植物根系的單根抗拉力和抗拉強度可以反映其對邊坡穩(wěn)定性的貢獻大小，根系對邊坡的力學特性主要表現(xiàn)在淺根系“加筋作用”和深根系“錨定”的作用，植物的抗拉特性受多種因素影響，其中包括根系形態(tài)、木質(zhì)素和纖維素的含量、根系直徑等[19]。3種灌木的抗拉力隨著根徑(D)的增大而增大，且變化的趨勢越來越大，均呈現(xiàn)正相關(guān)的冪函數(shù)關(guān)系(aDb,b>1)，單根抗拉力與直徑擬合時的相關(guān)系數(shù)都大于0.967 9，說明擬合的效果都很好，造成上述這種情況主要是粗根相比較細根橫截面積的迅速增加導致的，這與薛楊[20]、馮國建[21]等的研究結(jié)論相一致。3種灌木的抗拉強度隨著根徑(D)的增大而減小，且變化的趨勢越來越小，均呈現(xiàn)負相關(guān)的冪函數(shù)關(guān)系(aDb,b<1)，單根抗拉強度的相關(guān)系數(shù)大于0.839 4，在相同根徑下，最大抗拉強度從大到小為達烏里胡枝子>沙棘>狼牙刺，這與李佳等[11]的研究結(jié)論相似。表明根徑較小的達烏里胡枝子根系有更多的細根，可以更好地吸附土壤，增加了根系的抗拉強度，同時也反映出細根和毛根提供的抗拉強度要大于粗根系，這個主要是因為直徑較小的根系，與土壤顆粒接觸的更加充分，相比于狼牙刺的粗根在產(chǎn)生位移時會產(chǎn)生更大的摩擦力，在產(chǎn)生剪切時細根往往會拉斷，但是細根的柔韌性更好，而直徑較大的根系容易被整體撥出，而產(chǎn)生的抗拉強度很小[22-23]。

根系在土壤中起到明顯的加筋作用，使得土壤的抗剪強度顯著增加，從而讓根系與土壤形成互相作用的整體，既土壤—根系復合體[24]。根土復合體的抗剪強度是衡量邊坡穩(wěn)定性的重要因素，其值越大根系的抗剪切能力越強，越有助于對坡體的穩(wěn)固[11]。在本研究中，可以發(fā)現(xiàn)3種灌木都顯著提高了根土復合體的抗剪強度，可以有效提高坡體的穩(wěn)定性，根系的存在對于提高淺層坡體的穩(wěn)定性作用更加的明顯[25]。達烏里胡枝子根土復合體的抗剪強度隨著土層的深入，表現(xiàn)出先增加后減少，而后又增加又減少的趨勢，在20—30 cm和50—70 cm的土層深度，相對于其他兩個灌木，達烏里胡枝子根土復合體的抗剪強度最大。由于達烏里胡枝子的根系主要分布在地下30 cm以內(nèi)，所以在這個深度區(qū)間達烏里胡枝子根土復合體的抗剪強度逐漸增加，而到了40 cm以下的土層深度，隨著達烏里胡枝子根系毛細根的增加，又會使其根土復合體的抗剪強度增加，直到土層70 cm以下，達烏里胡枝子根系分布很少了，其根土復合體的抗剪強度比較小，進而也說明細根對于土壤的抗剪作用更大一些[26]。在30—50 cm的土層深度，相對于其他兩種灌木，沙棘根土復合體的抗剪強度最大，在本文中沙棘根系分布的土層最淺，是由于沙棘的水平根系發(fā)達，且本文中研究的沙棘是一個分株沒有明確主根，在垂直方向上根系分布有限，同時在淺層坡體根系分布也相對較細，所以也很好地提高了土壤的抗剪強度。狼牙刺根土復合體的抗剪強度隨著土層的深入，表現(xiàn)出逐漸遞減的趨勢，在0—20 cm的土層深度，相對于其他兩個灌木，狼牙刺根土復合體的抗剪強度最大。對比可以發(fā)現(xiàn)不同灌木最大抗剪強度的土層深度不同，這個和植物的種屬性有關(guān)，使得不同灌木根系的構(gòu)型特點和分根類型有很大的差別。

4 結(jié) 論

(1)本文通過三維坐標土柱挖掘法探究達烏里胡枝子、沙棘和狼牙刺根系在垂直方向上分布的特點，研究發(fā)現(xiàn)3種灌木主要分布在0—40 cm的土層中，生物量密度分別約占總量的91.34%，89.92%和73.89%，沙棘和狼牙刺的根長密度、根表面積密度和生物量密度大于達烏里胡枝子，3種灌木的根長密度、根表面積密度和生物量密度隨著土層深度的增加而表現(xiàn)出整體遞減的趨勢。

(2)達烏里胡枝子、沙棘和狼牙刺的抗拉力隨著根徑的增大而增大，且變化的趨勢越來越大，均呈現(xiàn)正相關(guān)的冪函數(shù)(aDb,b>1)關(guān)系，不同灌木的抗拉強度隨著根徑的增大而減小，且變化的趨勢越來越小，均呈現(xiàn)負相關(guān)的冪函數(shù)關(guān)系(aDb,b<1)，當根徑相同時，3種灌木的最大抗拉強度表現(xiàn)為達烏里胡枝子>沙棘>狼牙刺，說明達烏里胡枝子和沙棘的細根具有更好的固土護坡能力。

(3)3種灌木都提高了根土復合體的抗剪強度，可以有效提高坡體的穩(wěn)定性，且不同灌木根土復合體的抗剪強度在地下垂直分布是不同的。隨著土層的深入，達烏里胡枝子根土復合體的抗剪強度，表現(xiàn)出先增后減而后又增又減的趨勢，沙棘根土復合體的抗剪強度表現(xiàn)出先增后減的趨勢，狼牙刺根土復合體的抗剪強度表現(xiàn)出逐漸遞減的趨勢。不同灌木根土復合體最大抗剪強度的土層都不相同，達烏里胡枝子的土層深度區(qū)間是20—30 cm和50—70 cm，沙棘的土層深度是30—50 cm，狼牙刺的土層深度是0—20 cm。從不同灌木根土復合體的抗剪強度垂直分布特征來看，達烏里胡枝子和沙棘的根系更顯著提高了土體的抗剪強度，建議在黃土區(qū)生態(tài)護坡中優(yōu)先選擇達烏里胡枝子和沙棘，可以為護坡植物的選擇和配置提供一些參考。