針葉與闊葉樹根系對土壤抗剪強度及坡體穩定性的影響

李云鵬， 張會蘭， 王玉杰， 王云琦， 朱錦奇， 劉 勇

(北京林業大學 水土保持學院， 北京 100083)

隨著社會的發展，越來越多的人開始關注環境問題，人們在發展的同時，通過工程手段改善周邊的環境，防止災害的發生。利用植物以及它們的根系來防止土壤侵蝕以及淺層滑坡的發生已經在世界范圍內被認為是一種可行的生態工程方法。而對于植物來說，事實上對斜坡穩定性的增強作用主要是通過根系實現的[1]。研究表明，由植物根系導致的土壤抗剪強度增加的原因不僅僅來源于根系特性(根系自身強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特性以及空間分布的作用[2]。除此之外，根系對土壤的影響以及根系自身也是影響土壤抗剪強度的重要因素，例如土壤含水量、土壤緊實度、根系長度密度、根面積比率、根錐形和根系分枝模式等[3]。

關于不同植物根系對土壤抗剪強度的影響國內外研究比較多，楊亞川等[4]以草本植物為研究對象，最早提出了“土壤—根系復合體”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，由于學者研究目標集中在根系整體結構上，對根系整體形態進行分類，例如宋維峰[6]和劉秀萍等[7]的研究中，將油松認定為垂直根結構，刺槐認定為水平根結構。胡其志等[8]進而通過對根土復合體進行直接剪切實驗，研究不同根系指標對根土復合體抗剪強度的影響。國外對根系護坡機理的研究更注重于土壤與根系的綜合考慮，如Docker等[9]通過研究不同樹種根面積比率的差別來評價植物種類對土壤抗剪強度的影響，Norris等[10]將根系整體結構作為研究對象來探討植物種類不同的影響，Stokes等[11]對不同植物根系抵抗淺層滑坡的過程做了細致的分析。

重慶縉云山地處三峽庫區附近，由于特殊的地理位置，其坡面極易發生土壤侵蝕以及淺層滑坡，所以，如何在不破壞原有生態環境的前提下，有效防止災害的發生是該地區防治的重點。本文通過對該地區同種根構型的針葉樹種和闊葉樹種根系結構中的一些重要指標的對比分析，進一步探討植物根系穩定坡體的作用機理，以期為縉云山邊坡穩定提供科學支撐。

1 研究區概況

試驗點位于重慶市北碚區縉云山，屬典型的亞熱帶季風濕潤氣候，年平均氣溫13.6 ℃，年平均降水量1 783.8 mm，最高海拔951 m。本試驗所采樣本位于縉云山南部，平均坡度在20°左右。研究區域內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，同時伴有多種灌木及草本。

1.1 樹種

試驗所選取的兩種樹種為馬尾松和四川大頭茶。前者為針葉樹種，后者為闊葉樹種，皆為縉云山常見優勢樹種，每種樹種采集3個樣本。馬尾松和四川大頭茶是直根性樹種，主根粗長，側須根細少。按照Yen[12]關于根結構分類標準分類，這兩種樹種屬于VH型，即主根延伸長，水平根較少，傾斜根較多。

1.2 土壤

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

1.3 儀器設備

圖1所示的是試驗所用的大型自制直剪盒簡易結構圖，剪切裝置主要由上下直剪盒、上盒蓋、擋板、導軌、拉力計和支架組成，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，盒體內部拋光打磨。下直剪盒通過螺栓與鋼底板固定在地面，試驗過程中，下直剪盒始終固定不動。下直剪盒與上直剪盒之間在滑動方向的盒壁上安放有鋼珠，因此自由滑動時摩擦力很小可忽略不計。

圖1 大型自制直剪盒結構

1.4 試驗方法

1.4.1 直剪盒操作方法 在試驗開始前，先將直剪盒上下對齊并將鋼桿輕輕地靠在上盒中部表面，同時，調整拉力計讀數使其歸零。然后，將已經處理完畢的植物根系放置于土樣中(在放入土樣前，需要對根系進行拍照，拍照的方向需要與剪切方向一致)，并人工壓實表面土壤，使根系充分與土樣接觸。之后，順時針旋轉手柄，轉速約為5 s/圈(每圈的水平位移為2 mm)，在記下每圈拉力計讀數的同時通過刻度尺記錄上下直剪盒的位移差。規定當剪切位移到26 mm時停止試驗。為了保證試驗數據的準確，同時測量上下直剪盒的位移差以便校驗數據。

1.4.2 樹根樣本采取原則 試驗所選取的兩種植物皆是研究區常見優勢樹種，為了最大限度減小植物之間由于生長所造成的相互影響，在選擇樣本時盡量選擇周圍300 mm內無其他植物生長的樹木，并選擇生長狀況良好的樣本。由于試驗所用樣本皆是幼小樹木，所以無法確定樹齡，為了減小所選取樹種間的生長差異，故選取地上直徑為20 mm左右的幼樹，并且保證所有樣本盡可能分布在同一區域內。同時，為了防止在采集樣本根系時對根系的損害，故采取人工挖掘的方式最大限度地保證根系的整體結構，開挖深度為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驗室進行后續實驗。

1.5 數據分析

運用Excel 2007進行數據的線性分析及比較，借助SPSS 18.0處理數據。

2 結果與分析

2.1 植物根系對坡體穩定性的作用

2.1.1 根系抗剪強度特征 圖2表示的是兩種植物根系與土壤整體抗剪強度與位移的關系曲線，同時測量了素土的抗剪強度作為對照，素土的抗剪強度為1.93 kPa。

結合圖2可知，兩種植物都能夠很好地提高土壤的抗剪強度，但是兩種植物根系與土壤整體抗剪強度與位移的關系因植物種類的不同而不同，這表現在發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方面。針葉樹種發生剪切破壞時位移量為10 mm，最大抗剪強度為6.67 kPa；闊葉樹種發生剪切破壞時的位移量為12 mm，最大抗剪強度為6.11 kPa。兩種樹種根系抗剪強度取平均值后其抗剪強度的大小關系為針葉樹種(6.17 kPa)>闊葉樹種(5.61 kPa)，這與最大值的大小關系相同。由結果可知，對于針葉樹種根系，在發生剪切破壞的時候，土壤自身易先被破壞，之后完全由植物根系承擔主要的抗剪能力；對于闊葉樹種根系，其與土壤的結合作用要強于針葉樹種根系，這表現在增加了土壤自身發生剪切破壞的位移量，而在這之后由根系承擔的抗剪強度的值卻小于針葉樹種根系。這可能是由于闊葉樹種根系生長較快，根系中的木質素含量多，而針葉樹種根系由于生長緩慢，其根系中所含的纖維素較多，使得闊葉樹種根系的抗彎強度要好于針葉樹種，而其抗拉強度卻要比針葉樹種根系的差。總的來說，植物根系都增強了土體的抗剪強度，但是由于根系結構以及生長特性的不同而產生差異。

圖2 兩種植物根系抗剪強度隨剪切位移的變化

2.1.2 單根抗拉強度與土壤抗剪強度增量 通過對比單根抗拉強度的大小可以間接評價植物根系對土體抗剪強度影響的強弱。Wu等[13]以庫倫定律為基礎提出的根系抗拉強度與土壤抗剪強度增量的關系式如下：

S=C+σN·tanφ

(1)

S=C+ΔS+σN·tanφ

(2)

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

在Wu等的模型中，對于ΔS的取值完全由根系的抗拉強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；TR——根系的抗拉強度(kPa)； RAR——根面積比率(%)。下同。

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

(4)

根據式(4)可求出每種植物根系抗拉強度的平均值如表1所示。

表1 二種植物根系平均抗拉強度

由表1可以看出，針葉樹種根系抗拉強度的平均值總體要比闊葉樹種的大，這說明盡管闊葉樹種在剪切面附近的含根量要比針葉樹種多，但是由于其根系平均抗拉強度遠遠小于針葉樹種，其根系總的作用效果并沒有針葉樹種的好。但是僅通過根系平均抗拉強度的比較不能說明根系徑級比對土壤抗剪強度影響的原因，因為在其他人的研究中認為根系直徑與抗拉強度是成反比例關系的，對于單根來說直徑越小，抗拉強度越大。

2.2 根系形態特征對邊坡穩定性的影響

2.2.1 根系徑級及位置分布特征 圖3為兩種植物在剪切面范圍內根系的分布情況。兩種植物的小直徑根系都比較多，而對于大于6 mm的根系在針葉樹種中基本不存在，但在闊葉樹種根系中卻有少量分布，總的含根量也表現為闊葉樹種要多于針葉樹種，而針葉樹種根系分布的范圍要比闊葉樹種更廣，即分布范圍越大其抵抗剪切破壞的能力越強，邊坡越穩定；同時，分布范圍越大其抵抗剪切破壞的效果越明顯。換句話說，在發生剪切破壞的過程中，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部的土壤，而處于剪切破壞邊緣的根系自然承擔了大部分的剪切力，在較小的剪切位移下，表現出較好的抗剪能力。

總的來說，在土體發生剪切破壞的過程中，處于破壞面邊緣的土壤或根系才是土體抗剪強度的主要承擔者，靠近剪切面的植物根系越多，其抵抗剪切破壞的能力越強。因此，在布置植物措施穩定邊坡的過程中，在不考慮高大樹木根系深入土壤基巖層中所產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根系與剪切方向的夾角的分布情況。由圖4可知，針葉樹種根系主要分布在0°～60°，而闊葉樹種除了在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，通過室內剪切實驗得出當土壤中的根系與剪切方向夾角為60°的時候抵抗土壤剪切破壞的作用最強。對比本試驗所得結果可知，處在60°左右的針葉樹種根系較闊葉樹種根系更多，所以表現出更好的抗剪能力。而闊葉樹種中存在的與剪切方向平行的根系并未提供抗剪強度的增量，這可能是由于當土壤發生剪切破壞的過程中，水平根系會造成土體的松動，崩壞的土壤自然不能抵擋剪切破壞的發生。在布置植物措施穩定坡體的過程中，植物種植的角度應以坡面成60°為宜(植物與坡體的逆坡向的夾角)，因為這樣可以使根系提供更大的抗剪強度增量，增強土壤的抗剪強度。

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剪切面土壤內含根量的比值，值越大，說明處在剪切面上的根系總和的截面積越大。根據試驗過程中根系的埋深深度，在試驗前通過人工計數的方法將埋深下方50～150 mm的根系按照2 mm的徑級分類計數，超過10 mm的直徑的根系在計算平均值時取11 mm計算。本試驗對于根面積比率的測量，采用如下公式計算：

(5)

式中：ni——代表i徑級下的含根量；d——i徑級下的根的中值直徑(mm)。

通過計算可知，根面積比率大小關系為針葉樹種(0.005 85%)<闊葉樹種(0.021 66%)。而由前面分析可知，植物根系抗剪強度由強到弱的關系恰好與此相反，也就是說在本試驗中不能用根面積比率的大小反映植物根系抗剪強度的好壞。植物根系在發生剪切破壞過程中，處于剪切面上的根系并沒有全部發揮作用，而在剪切破壞后，處于剪切面上的根系也沒有全部斷裂，所以用根面積比率來反映植物根系抗剪強度的好壞是不合適的。對根系整體結構的研究可以發現，對于喬木的幼樹來說，根系中存在粗大的主根對整體抗剪強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比以及根系的含量對根系抗剪強能力的影響未能體現。

3 討 論

3.1 不同植物種類提高抗剪強度的作用

針葉樹種根系提高土體抗剪強度的作用強于闊葉樹種根系。姜志強等[15]將根系分為深粗根和淺細根兩種，并認為深粗根體現錨固作用，淺細根體現加筋作用。在營造森林的過程中，最先作用于土壤的植物是草本，之后灌木和喬木開始慢慢生長，在生長前期，幼樹對土體的加固作用直接決定著其穩定性，因為當喬木長大之后，其根系深入到巖基層，形成很強的錨固作用，對坡體的穩固作用大大增強。由于研究區域內林下灌木草本稀少，所以喬木根系對土壤的加固作用就顯得極為重要。根系整體結構在很大程度上影響著剪切力在土壤中的傳遞，在剪切過程中，根系整體與土壤的結合可以看作是一連串加強作用的聯合，并且其整體的變形也會有效抵抗剪切破壞。盡管在不同植物中由于根數量以及直徑的不同導致結構的不同，但是根系整體的這種作用卻是不可忽視的。

3.2 根系分布特征對坡體穩定性的影響

關于植物根系影響坡體穩定性的研究，主要是通過討論在剪切范圍內根系的含量以及徑級分布、根面積比率、分布范圍和傾斜角度進行分析的。由分析可知，在剪切范圍內根系的含量以及徑級分布、根面積比率與根系的抗剪能力并沒有明顯的線性關系，這是因為在對剪切范圍內根系的含量以及徑級分布的測量中，由于測量方法的局限，導致測量數據不精確。加之環境的異質性，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上述指標的測量。但張飛等[16]的研究指出，土中根系密度對土體抗剪強度影響很大，一定程度上土中根系密度與抗剪強度呈現正相關關系。而在對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，當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°的時候，其抵抗剪切破壞的能力越強，坡體越穩定，這與Jewel等[17]的研究一致。在對根系平均抗拉強度以及抗剪強度增量的分析中得出，兩者有大的聯系，即根系平均抗拉強度越大，其對土壤抗剪強度的增量就越大，坡體抵抗剪切破壞的能力就越強。Genet等[18]的研究指出，根系中存在的纖維素是導致根系具有強大抗拉強度的主要因素，而隨著植物生長，根系中纖維素含量降低，取而代之的是木質素的積累，導致根系抗拉強度降低。針對于研究區植物根系生長特性，在植物生長早期，針葉樹種根系內主要為纖維素，纖維素總體含量越多，根系平均抗拉強度就越大，進而增強土壤的抗剪強度。也就是說在利用植物固坡的措施中，如果需要種植喬木，應以針葉樹種為主，因為其能提供更好的抗剪強度。

4 結 論

通過對研究區兩種植物根系大盒直剪試驗以及對根系的含量、徑級分布、根面積比率、分布范圍和傾斜角度的測量分析，得出兩種植物根系抗剪強度強弱關系和主要影響因素。結果表明，針葉樹種根系強度大于闊葉樹種根系；根系平均抗拉強度越大，它提高土壤抗剪強度的作用就越大，坡體抵抗剪切破壞的能力就越強。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，坡體越穩定。根系的含量以及徑級分布、根面積比率與抗剪強度沒有明顯的線性關系。

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