人工石質邊坡構樹根系抗剪特性研究

王云翔，孫海龍，羅龍皂，李紹才，，羅 雙，盧荻秋，龍 鳳，劉 沖

（1.四川大學 水利水電學院，成都610064；2.水力學與山區河流保護國家重點實驗室，成都610064；3.貴州省土壤肥料研究所，貴陽550006；4.四川大學 生命科學學院，成都610064）

隨著中國經濟的發展，資源開發和基礎設施建設越來越頻繁，大量的裸露邊坡，尤其是石質邊坡隨之產生，邊坡崩塌、滑坡、泥石流等失穩破壞是生態破壞中一種常見和重大的地質災害［1－2］。如何對邊坡災害進行防御已經成為一個世界性的問題。植物根系在提高坡面穩定性和防止其整體垮塌中扮演著重要的角色［3］。以植被為主的生態治理是目前國內外邊坡災害防治的重要途徑，植物根系通過錨固土層，并與土層形成復合體來提高土體的抗剪強度，同時也可以增加剪切帶的寬度［3－5］。植物生長在邊坡的復雜環境條件下，受到多種應力的作用，如植物的自重、風力、植物和土體傾斜造成的轉矩等［6］。因此，探明植物根系如何抵抗外力與單根的抗剪強度就顯得尤為重要［7－8］。迄今為止，有關根系力學特性的研究大多集中在平地或土質邊坡上分析風荷載導致的植株倒根［9］，原位拉拔［10］和單 根抗拉強度試驗［11－13］以及根系錨固［9，14］等，但有關其在石質邊坡上的力學特性，尤其是抗剪特性如何變化這方面的研究很少。

因此，本文以石質陡坡生境下構樹為研究對象，對構樹根系單根抗剪強度特性進行研究，探討構樹根系抗剪切強度與根徑、坡向和不同根系分級之間的關系，同時也對單根抗剪試驗過程的力—位移曲線作分析，探討根系抗剪特性在石質陡邊坡上的變化，為巖石邊坡生態防護提供理論指導。

1 材料與方法

1.1 試驗地介紹

試驗地位于四川省彭州市升平鎮四川勵自生態技術有限公司實驗基地（103°53′E，30°59′N），本地區氣候屬亞熱帶季風氣候，年平均氣溫16.3℃，7月平均氣溫25.8℃，1月平均氣溫5.6℃，年平均降水量1 146.5 mm，年平均相對濕度79%，年均蒸發量1 536.4mm。

試驗邊坡（坡向S）是人工模擬石質邊坡，坡度為44.2°，面積為4.75m×15m，總孔隙度為14.1%。巖面是由砂巖石板砌成。基質土壤類型為紫色土與綠化基材［15］按重量比10∶1混合，采用干噴法噴射（12m3空壓機、5m3／h混凝土噴射機）至試驗坡面，厚度10cm。測得基質混合物的容重為1.07g／cm3，有機質含量為47.06g／kg，pH值為6.57。

該實驗于2005年6月以噴播方式與刺槐、桑樹等種子進行混合播種，觀察記錄。

1.2 根系的選取與挖掘［11］

隨機選定試驗植株10棵，植株高度為3～5m，基徑為30～50cm，截去高于坡面0.5m的植株部分，通過對含根土體澆水至飽和，24h后進行根系人工挖掘，挖至5cm左右。選取根系中比較直的部分，長度為150mm，剪取，標記，裝入自封袋于4℃冰箱保存，待用。根系分級按照標準分級方法［16－17］分為一級側根（由主根分出的側根）、二級側根（由一級側根分出的下一級側根）和三級側根（由二級側根分出的下一級側根）。

1.3 根系抗剪強度的測量［18］

根系抗剪強度計算公式如下：

式中：τ——抗剪強度 （MPa）；Fa——最大剪切力（N）；Ao——剪切處原始橫截面積（mm2）；D——斷裂處直徑（mm）。

1.4 數據分析

采用SPSS軟件進行分析。

2 結果與分析

2.1 根系生長與分布

生長在石質陡邊坡上的構樹根系為水平根系，主根生長受到阻礙，側根較發達，沿著坡面延伸，與表層土交錯一體。為了分析根系的生長與分布，我們選擇了一棵具有代表性的植株A樣本見表1。由于所選植株只有一根主根，并且三級以上的側根數量很少，所以只對前三級根系進行分析，所采用的方法是配對樣本T檢驗，結果見表1。

表1 植株A根系樣本信息

分析結果表明：上、下坡向的一、二、三級側根的數量和平均長度之間沒有顯著性差異（P＝0.136，0.271）。但下坡向根系的數量明顯高于上坡向，而上坡向根系的平均根長要大于下坡向。上、下坡向的一、二、三級側根的平均根徑存在顯著性差異（P＜0.05）。環境因子（如水分）和力學刺激（如風，樹自重）可能會影響根系的分布［19－20］。下坡向根系的數量和平均根徑都要大于上坡向根系，這意味著下坡向根系比上坡向根系長得更好。坡面下坡向土壤的含水量要高于上坡向（表1），也就是說，根系在高含水量的土壤中長勢更好。很多前人的研究表明，根系在外力荷載作用下會長得更粗，并且數量也會更多［21－22］。根系長度的變化取決于土壤中的水分分布。在干旱的季節，植物為了獲得儲存在土壤深處的水分就需要更長的主根軸。相反，如果水分很容易獲得，只需一小部分根長就足夠了［23］。本研究中，上坡向土壤比下坡向土壤更干燥。所以上坡向根系的平均根長要大于下坡向根系。

2.2 根系剪切力－位移曲線

由于上坡向根系的直徑都比較小，同一植株中，適合進行力學分析的根系相對下坡向根系來說比較少，因此我們在研究不同分級和根徑根系的剪切力—位移關系時，選取的都是下坡向根系，這些根系樣本取自同一植株。分析相同根徑（5.95mm）的一級、二級側根剪切力—位移曲線圖表明（圖1）：下坡向一級側根，二級側根的剪切力—位移曲線具有相似的形狀，二級側根的最大剪切力略大于一級側根。也就是說不同分級根系在剪切力的作用下，變形機制相似。由圖2可知：上、下坡向的一級側根剪切力—位移曲線形狀之間存在差異，并且下坡向一級側根的最大剪切力要高于上坡向根系。這表明根系在剪切力作用下的變形機制與根系生長方向有關。這可能是根系對外部環境（如水分）和力學刺激（如風，植株自重）的一種表現形式。當水分和力學刺激不同時，根系的生長也不同［21－23］。而坡面上、下坡向上，這兩個因子不盡相同。同一植株的下坡向二級側根在不同根徑時，具有不同的剪切力—位移曲線。此外，分析同一植株不同根徑的下坡向二級側根剪切力—位移曲線（圖3）發現：根徑為12.65，10.45，6.45mm 的根系曲線形狀相似，曲線變化較陡，且與根徑為4.05mm和1.85mm的曲線明顯不同。而根徑為4.05mm的根系與5.25mm的根系具有類似的曲線形狀。在5個根徑對比中，最大剪切力隨根徑增大而增大，當剪切力達到最大值時位移也隨根徑增大而增大，這與朱海麗等人研究根系最大剪切力隨根系直徑增大而增大的結論相一致［12，18］。由于根系纖維含量隨著根徑的減小而增加［24］，所以根徑可能會影響根系的的變形機制，這有待進一步研究。

由此可見，根系剪切力—位移曲線與生長方向有密切關系，同一根徑在不同剪切力的作用下，變形機制相似且與根系的生長方向有關，下坡向的變化大于上坡向，這是由于不同生長坡位上根系的水分、受力均有差異，使得根系的力學特性受到影響。根系剪切力與位移的關系表現為隨著位移的增加而到達峰值，后隨位移的繼續增大而變小。比較同一根徑下的一級、二級、三級側根的最大剪切力發現：根徑越接近的根系最大剪切力也越接近，所以根徑相同，分級側根的抗剪強度影響不是很明顯。對于側根分級相同而根徑不同的根系來說，抗剪力隨著根徑的增大而增大。

圖1 根徑5.95mm的一、二級側根力－位移曲線

圖2 不同坡向抗剪力－位移曲線

圖3 不同根徑的二級側根抗剪力－位移曲線

2.3 抗剪強度與根徑

對上、下坡向一、二、三級側根的抗剪強度和根徑進行線性回歸分析，具體結果見表2。表2表明，抗剪強度和根徑之間具有很好的線性關系，且隨著根徑的增大而減小。上、下坡向的一級側根方程的斜率和截距均相近（圖4a）。下坡向一、二、三級側根的回歸方程具有相同的截距。下坡向二級側根的方程斜率要低于其一級和三級側根（圖4b）。已有研究表明，根系的強度與根徑有很大的關系［14］。這與本實驗研究相一致。根系纖維含量隨根徑的減小而增加，從而導致根系抗拉強度的增加［24］。抗剪強度和根徑的關系也可能歸因于根系纖維含量。此現象有待進一步研究。

圖4 根徑與抗剪切強度線性回歸分析

表2 根徑與抗剪切強度線性回歸分析有關參數

2.4 抗剪強度的影響因素

由于進行抗剪強度實驗的根系要求一定的直徑且不能太細，而上坡向二級和三級側根中適合進行抗剪強度分析的根系較少。因此這里只針對上下坡向一級側根進行抗剪強度分析。各選取上下坡中5組根徑相同的一級側根（平均根徑6.82mm）。對這些根系的抗剪強度采用樣本配對T檢驗分析表明，上下坡向根系的抗剪強度不存在顯著性差異（P＞0.05），但下坡向根系的抗剪強度平均值要略高于上坡向根系（圖5）。這可能受水分、養分、重力等因素的影響，造成上、下坡向根系木質化程度、纖維素含量的差異，從而導致上、下坡向根系抗剪強度大小的不同［25－26］，有待進一步的研究。

圖5 不同坡向根系的抗剪強度

有研究表明，不同分級根系對環境刺激的反應不盡相同［27］，從而導致它們的力學特性也不相同。然而，本研究中沒有發現下坡向一、二、三級側根的抗剪強度之間存在顯著性差異（P＞0.05）。這與根系抗剪力－位移曲線的結果一致。此外，根系抗剪強度與根徑的線性回歸方程中，不同坡向的一級側根回歸方程的斜率相同。下坡向根一級和三級側根的回歸方程斜率也相同，只是下坡向二級側根的斜率比下坡向一級和下坡向三級的斜率要小。各分級根系的抗剪強度平均值關系為一級＞二級＞三級（圖6）。

圖6 根系分級的平均抗剪強度

3 結論

下坡向構樹根系的數量和平均根徑都要大于上坡向根系，下坡向根系比上坡向根系生長情況要好。在根徑相同的情況下，對于同一植株中不同分級根系在剪切力的作用下變形機制相似且與根系生長方向有關，根系在剪切力作用下所承受的最大剪切力隨根徑的增大而增加。上下坡向根系的抗剪強度不存在顯著性差異，但下坡向根系的抗剪強度平均值要略高于上坡向根系。

［1］ 張俊云，周德培，李紹才.巖石邊坡生態護坡研究簡介［J］.水土保持通報，2000，20（4）：36－38.

［2］ 鄭穎人，陳祖煜，王恭先，等.邊坡與滑坡工程治理［M］.北京：人民交通出版社，2007.

［3］ Norris J E，Cammeraat LH，Stokes A，et al.The use of vegetation to improve slop stability［J］.Geotechnical and Geological Engineering，2006（4）：427－428.

［4］ Schmidt K，Roering J，Stock J，et al.The variability of root cohesion as an influence on shallow landslide susceptibility in the Oregon Coast Range［J］.Canadian Geotechnical Journal，2001，38（5）：995－1024.

［5］ Shewbridge S E，Sitar N.Deformation characteristics of reinforced sand in direct shear［J］.J.Geotech.Engrg.，1989，115（8）：1134－1147.

［6］ Di Iorio A，Lasserre B.Root system architecture of Quercus pubescens trees growing on different sloping conditions［J］.Annals of Botany，2005，95（2）：351－361.

［7］ Watson A，Marden M，Rowan D.Root－wood strength deterioration in kanuka after clearfelling［J］.New Zealand Journal of Forestry Science.1997，27：205－215.

［8］ Terwilliger V J，Waldron L J.Effects of root reinforcement on soil－slip patterns in the Transverse Ranges of southern California［J］，Geol.Soc.Am.Bull.，1991，103（6）：775－785.

［9］ Cucchi V，Meredieu C，Stokes A，et al.Root anchorage of inner and edge trees in stands of Maritime pine（Pinus pinaster Ait.）growing in different podzolic soil conditions［J］.Trees，2004，18（4）：460－466.

［10］ Stokes A，Fitter A，Coutts M.Responses of young trees to wind and shading：effects on root architecture［J］.Journal of Experimental Botany，1995，46（9）：1139－1146.

［11］ 羅龍皂，李紹才，孫海龍，等.石質陡邊坡構樹根系抗拉特性研究［J］.中國水土保持，2011（4）：37－41.

［12］ 朱海麗，胡夏嵩，毛小青，等.陳桂琛護坡植物根系力學特性與其解剖結構關系［J］.農業工程學報，2009，25（5）：40－46.

［13］ Khuder H，Stokes A，Danjo K G，et al.Is it possible to manipulate root anchorage in young trees［J］.Plant and soil，2007，294（1／2）：87－102.

［14］ Goodman A M，Crook M J，Ennos A R，et al.Anchorage mechanics of the tap root system of wintersown oilseed rape（Brassica napus L.）［J］.Annals of Botany，2001，87（3）：397－304.

［15］ 張俊云，周德培，李紹才.厚層基材噴射護坡試驗研究［J］.水土保持通報，2001，21（4）：45－48.

［16］ Hackket C，Bartlette B O.A study of the root system of barley：Ⅲ Branching Pattern［J］.New Phytol.，1971，70（2）：409－413.

［17］ Hackket C.A study of the root system of barley：ⅠEffects of nutrition on two varieties［J］.New Phytol.，1968，67（2）：287－300.

［18］ 朱海麗，胡夏嵩，毛小青，等.青藏高原黃土區護坡灌木植物根系力學特性研究［J］.巖石力學與工程學報，2008，27（2）：3445－3452.

［19］ Coutts M.Developmental process in tree root systems［J］.Can.J.For.Res.，1987，17（8）：761－767.

［20］ Canadell J，Jackson R B，Ehleringer J R，et al.Maximum rooting depth of vegetation types at the global scale［J］.Oecologia，1996，108（4）：583－595.

［21］ Goodman A，Ennos A.A comparative study of the response of the roots and shoots of sunflower and maize to mechanical stimulation［J］.J.Exp.Bot.，1996，47（10）：1499－1507.

［22］ Mickovski S，Ennos A.Anchorage and asymmetry in the root system of Pinus peuce［J］.Silva.Fenn.，2003，37（2）：161－173.

［23］ Bengough A G.，Bransby M F，Hans J，et al.Roots responses to soil physical conditions；growth dynamics from field to cell［J］.Journal of Experimental Botany，2005，57（2）：437－447.

［24］ Genet M，Stokes A，Salin F，et al.The influence of cellulose content on tensile strength in tree roots［J］.Plant and Soil，2005，278（1／2）：1－9.

［25］ Sun H L，Li S C，Xiong W L，et al.Influence of slope on root system anchorage of Pinus yunnanensis［J］.Ecological Engineering，2008，32（1）：60－67.

［26］ Plomion C，Leprovost G，Stokes A.Wood formation in trees［J］.Plant Physiol，2001，127（4）：1513－1533.

［27］ Waisel Y and Eshel A.Functional diversity of various constituents of a single root system［M］∥Waisel Y.Plant roots：the hidden half.New York：Marcel Dekker，2002：157－174.