不同植被條件下土壤抗剪強度的比較研究

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.浙江省林業科學研究院，浙江 杭州 310023；3.浙江省水利廳，浙江 杭州 310009）

隨著人類對資源的不斷開發和大規模基礎設施的建設，造成了嚴重的水土流失和土地沙化，形成了大量的裸露邊坡。傳統的工程防護措施大多采用砌石及混凝土等灰色防護，影響了自然生態的和諧。與傳統的工程防護措施相比，植被措施在發揮其護坡作用的同時，具有工程措施所無法比擬的優點，一方面能夠迅速恢復由于人類工程建設所破壞的生態環境，保持生態間的平衡，美化景觀，凈化空氣。另一方面，植被護坡造價低，經濟性較工程措施護坡優越[1～4]。

目前，植被護坡應用還基本限制在定性和經驗的發展階段，對植物根系提高土壤抗剪強度的定量研究很少[5]。為探討不同植被類型對提高土壤抗剪強度的作用，進而為植被護坡提供依據，本文選取裸地、灌木林、毛竹林、杉木林、松闊混交林和闊葉林，通過實驗室直接剪切試驗，就植被類型對土壤抗剪強度的影響進行研究。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究地點位于慶元縣荷地鎮，27° 15′ ～ 27° 51′ N，118° 49′ ～ 119° 29′ E，是典型的山體滑坡、泥石流多發區域。該區地處亞熱帶南緣，屬亞熱帶季風氣候，溫暖濕潤，冬暖夏涼，四季分明，年平均氣溫 18.1℃，年平均無霜期256 d，年平均降水量1 427.0 mm。境內山地起伏，山巒重疊，小氣候復雜多樣，土壤類型有紅壤、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域，自然環境條件優越，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）和地質情況等基本相同。林地類型為裸地、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；灌木林優勢植物為錦繡杜鵑（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育不良；松闊混交林優勢樹種為馬尾松（Pinus massoniana）、麻櫟（Quercus acutissima）；常綠闊葉林優勢樹種為苦櫧（Castanopsis sclerophylla），平均胸徑13.5 cm。

1.2 試驗土樣及制備

分別在上述6種不同植被類型區選取典型樣地，在每一塊樣地內挖3個平行的土壤剖面。根據土壤剖面的自然層次將其分為3個層次，在土壤剖面的每一層取土樣。試樣的制備按照中國《土工試驗規程》。嚴格控制土樣的含水量，使土樣的含水量等于其天然含水量，根據目標含水量計算出該土樣需要增加或減少的水分的質量。如果試樣需要增加水分，用專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，可使試樣進行自然水分流失，使其含水量達到規定的設計值。

1.3 試驗設備

試驗所用的剪切儀為南京土壤儀器廠生產的ZJ型應變控制式直剪儀。

1.4 計算方法

剪切時用50 kPa、100 kPa、50 kPa、200 kPa 4種垂直壓力。對每一個試樣進行剪切后，可以得到4個不同垂直壓力下的剪應力，剪應力和相應的垂直壓力應用庫侖公式：

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

2 結果與分析

2.1 不同植被類型土壤抗剪強度

在天然含水量條件下，不同植被類型不同層次抗剪強度見表1。從表1可以看出，不同植被類型同一層次土體黏聚力和內摩擦角均大于對照（裸地），說明植物根系能不同程度地提高土體的抗剪強度。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。對于同一植被類型而言，土體黏聚力和內摩擦角均呈現為第三層 > 第二層 > 第一層。

表1 不同植被類型不同層次土壤抗剪強度Table1 Soil shear strength under different types of vegetation at different levels

2.2 不同植被類型土壤抗剪強度的增加值

植物根系在提高土壤抗剪強度方面的作用，是指在相同垂直剖面深度范圍的根系土壤與無根系土壤抗剪強度的差值，用黏聚力差值ΔC、內摩擦角差值Δ?表示。不同植被在不同的土壤剖面深度的黏聚力差值ΔC、內摩擦角差值Δ?見表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，抗剪強度C值和?值都有明顯增加，C值增加較大，增加率（相對于相同層次裸地）在9.22% ～ 73.53%，Δ?增加相對較小，增加率（相對于相同層次裸地）在2.62% ～ 42.08% 。從不同植被類型的增加率來看，呈現出闊葉林 > 松闊混交林 > 毛竹林 > 杉木林 > 灌叢的規律。對同一植被類型、不同土層深度而言，C值和?值的增加量和增加率均呈現第一層 > 第二層 > 第三層的規律。

表2 不同植被類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 不同植被類型不同層次土壤內摩擦角增加值Table3 Increase in soil internal friction angle under different types of vegetation at different levels

3 討論與結論

含根系土體的抗剪強度是土體和根系兩種材料綜合起作用的結果。土壤抗剪強度與土壤的物理性質，如土壤的顆粒組成、土壤容重、土壤含水率等有密切的關系。植物根系的存在能明顯地改善土壤的物理性質，因而在一定條件下，可以把土壤抗剪強度的增加歸結為植物根系存在[6]。根系在土體中生長時，根系向四周土體產生軸向壓力，使四周的土體容重增大，從而使土體的黏聚力、內摩擦角增加。根面的凹凸不平及眾多的叉根、根節、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。根系在生長過程中會分泌一些化學物質，這些物質與土壤發生化學反應，有利于土壤顆粒的膠結；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揮類似于加筋土中的筋才的作用，從而使根系土的工程力學性能明顯提高[7]。國內學者通過對土壤一根系復合體的直剪實驗表明，土壤一根系復合體抗剪強度隨含土壤根量增加而增大[8～9]。

不同植被類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。

通過對不同植被的土樣在天然含水量條件下的直剪試驗，研究了植被類型與抗剪強度的關系，得出以下結論：

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

（2）隨著土層深度的增加，植被提高土壤抗剪強度的程度逐步減少。

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

[1]周德培，張俊云.植被護坡工程技術[M].北京：人民交通出版社，2003.

[2]王治國，張云龍，劉徐師，等.林業生態工程學[M].北京：中國林業出版社，2000.

[3]王可鈞，李焯芬.植物固坡的力學簡析[J].巖石力學與工程學報，1998，17（6）：687－691.

[4]朱清科，陳麗華，張東升，等.貢嘎山森林生態系統根系固土力學機制研究[J].北京林業大學學報，2002，24（7）：64－67.

[5]郭小平，朱金兆，周心澄，等.植被護坡技術及其應用[J].中國水土保持科學，2004，2(4)：112－116.

[6]范興科，蔣定生.黃土高原淺層原狀土抗剪強度淺析[J].水土保持學報，1997，3（4）：69－75.

[7]潘義國，丁貴杰，彭云，等.關于植物根系在土壤抗侵蝕和抗剪切中的作用研究進展[J].貴州林業科技，2007，35（2）：10－13.

[8]楊亞川，莫永京.土壤—草本植物根系復合體抗水蝕強度與抗剪強度試驗研究[J].中國農業大學學報，1996，1（2）：31－38.

[9]楊永紅 ，劉淑珍，王成華，等.含根量與土壤抗剪強度增加值關系的試驗研究[J].水土保持研究，2007，14（3）：287－288，291.