五種護(hù)坡草本植物根系固土效果研究

李云鵬，陳建業(yè)，陳學(xué)平，王 倜

(交通運(yùn)輸部科學(xué)研究院，北京 100029)

近幾十年，隨著經(jīng)濟(jì)和綜合實(shí)力的增強(qiáng)，中國(guó)高速公路建設(shè)里程得到了極大的增長(zhǎng)，高速公路建設(shè)涉及的區(qū)域越來(lái)越廣，公路網(wǎng)密度逐年提高，有關(guān)交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)水平明顯改善。隨著公路網(wǎng)在全國(guó)的鋪設(shè)，越來(lái)越多的公路修入丘陵和山區(qū)，而我國(guó)作為一個(gè)有著600萬(wàn)km2山地面積的多山之國(guó)，在交通建設(shè)中避免不了會(huì)出現(xiàn)人工邊坡。經(jīng)過(guò)削坡處理的邊坡坡度普遍較高，這些裸露和治理不合理的人工邊坡大大增加了公路邊坡破壞性災(zāi)害發(fā)生的概率，輕則阻塞交通或者影響工程進(jìn)度，重則危及生命和工程安全。邊坡防護(hù)設(shè)計(jì)是公路設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容之一，隨著國(guó)家對(duì)生態(tài)環(huán)境建設(shè)的重視，以植物為主的生態(tài)防護(hù)工程被越來(lái)越多地應(yīng)用到公路邊坡防護(hù)中[1]。植被有很好的抑制土體崩解和淺層滑坡的作用[2]。對(duì)于公路邊坡而言，植物根系在穩(wěn)定土壤結(jié)構(gòu)、提高土壤抗沖性、防治土壤侵蝕方面作用顯著[3]。林木根系通過(guò)對(duì)土體產(chǎn)生的附加黏聚力而加固土體，同時(shí)也會(huì)吸收土壤中的水分，降低孔隙水壓力，從而增強(qiáng)土壤抵抗破壞的能力[4-5]。

目前有關(guān)植被固坡的研究主要集中在植物體地上部分和地下部分兩大方面，對(duì)于前者研究較多的為植物種的選擇和配置，對(duì)于后者則主要是研究根系對(duì)土體穩(wěn)定的增強(qiáng)作用[6]。在根系固土的研究中，WU et al.[7]將植物根系視為彈性材料，根據(jù)摩爾-庫(kù)倫模型，提出了第一個(gè)根系力學(xué)平衡公式，該公式為接下來(lái)幾十年有關(guān)林木根系固土機(jī)理的研究奠定了基礎(chǔ)。而隨后的研究學(xué)者基于此，也在室內(nèi)或野外證實(shí)了林木根系能夠很大程度上提高土體的抗剪強(qiáng)度[8]。到了21世紀(jì)初期，越來(lái)越多的學(xué)者開(kāi)始關(guān)注根系的描述指標(biāo)，例如根系數(shù)量、根系直徑、根系分枝形式、根系在土壤中的開(kāi)張角度及根系的結(jié)構(gòu)類(lèi)型等[9-11]在根系固土中的作用。然而，在公路建設(shè)過(guò)程中，對(duì)于邊坡植物種類(lèi)的選擇多采用經(jīng)驗(yàn)手段，相關(guān)的試驗(yàn)也多注重植物的生長(zhǎng)習(xí)性和抗性等方面[12]，系統(tǒng)研究植物根系對(duì)土體的加固作用的較少，更為準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)植物根系作用的研究需要被提出。基于此，本研究選取北京地區(qū)常見(jiàn)的5種護(hù)坡草本植物，通過(guò)研究其根系結(jié)構(gòu)特征和根系強(qiáng)度特征，比較不同草本植物根系固土效果的差異，以期為工程綠化建設(shè)提供參考和理論支撐。

1 研究區(qū)概況

北京市地處華北平原，但三面環(huán)山，僅東南部為平原，西面為燕山南麓，土壤多為粗骨土和棕壤，山區(qū)土層較薄，其中土層小于0.3 m的山區(qū)占整個(gè)山地面積的40%以上，呈現(xiàn)出海拔越高土層越薄的特點(diǎn)。該區(qū)域四季分明，春季多風(fēng)沙天氣，夏季炎熱干燥，秋季短，冬季長(zhǎng)而寒冷，年平均降水量400～500 mm，表現(xiàn)為暖溫帶半濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)氣候。地表植被主要為地帶性植被，多為落葉闊葉林、溫帶闊葉林及落葉灌叢等。北京第一條高速公路(北京機(jī)場(chǎng)高速公路)建于1993年，而后陸續(xù)有8條國(guó)家級(jí)高速公路連接北京，總里程達(dá)到了1 013 km(截至2018年1月)。隨著六環(huán)路高速的順利通車(chē)，標(biāo)志著北京高速網(wǎng)架構(gòu)基本建成。

2 研究材料與方法

2.1 草本植物樣本采集

本研究所采集的草本植物樣本全是在組成北京高速網(wǎng)的高速公路土質(zhì)邊坡上得到的，由于在工程實(shí)踐中所采用的草本植物多為一年叢生，因此在采集過(guò)程中需要人為選擇單株生長(zhǎng)的植物樣本進(jìn)行采集。對(duì)于根系的采集平均挖掘深度為0.6 m，單株植物測(cè)量的輻射范圍控制在0.5 m。采樣時(shí)間是在2018年的5—10月份，每種植物采集樣本3～5株，在將根系完整挖掘出后利用反光白紙板拍照，然后裝入黑色塑料袋帶回實(shí)驗(yàn)室。為了準(zhǔn)確地研究不同草本植物根系對(duì)土壤的穩(wěn)固效果，試驗(yàn)還同時(shí)采集了挖掘根系深度內(nèi)的混合土壤樣本，按照每0.2 m的深度混合土樣后采集1 kg裝入自封袋。本研究主要采集的草本植物種類(lèi)為狗尾草、沙打旺、高羊茅、紫花苜蓿和白三葉。

2.2 根系結(jié)構(gòu)特征測(cè)量

本研究對(duì)根系結(jié)構(gòu)特征的測(cè)量采用等距測(cè)量法，按照0.2 m的間隔對(duì)根系直徑、根系長(zhǎng)度進(jìn)行測(cè)量，以各段根系的中點(diǎn)為根系直徑測(cè)量位置，根系長(zhǎng)度則直接用直尺測(cè)量。當(dāng)遇到分枝點(diǎn)時(shí)，需要同時(shí)記錄該節(jié)點(diǎn)下的根系長(zhǎng)度。每0.2 m間隔，分別測(cè)量植物根系的根面積比率(RAR)，并且分別測(cè)量和統(tǒng)計(jì)各深度土層(0～0.2、0.2～0.4、0.4～0.6、0.6～0.8和0.8～1.0 m)的根系數(shù)量及根系直徑，徑級(jí)分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)參考MATTIA et al.[13]的研究，按照2 mm間距計(jì)數(shù)。根面積比率計(jì)算公式為

(1)

式中：i為徑級(jí)，i=1，2，3，4，5分別代表根系直徑為0～2，2～4，4～6，6～8，8～10 mm時(shí)對(duì)應(yīng)的徑級(jí)；N為徑級(jí)的數(shù)量；ni為i徑級(jí)的平均根系數(shù)量，條；di為i徑級(jí)的平均根系直徑，mm；A為所測(cè)量根系的圓形區(qū)域面積，即測(cè)量的輻射范圍，mm2。

對(duì)各分枝節(jié)點(diǎn)間的根系長(zhǎng)度也按照自然生長(zhǎng)長(zhǎng)度進(jìn)行了測(cè)量(圖1)，其中根系最大生長(zhǎng)長(zhǎng)度定義為從主根頂端沿根系生長(zhǎng)方向所觀察到的最大根系長(zhǎng)度。對(duì)于各分枝節(jié)點(diǎn)后的根系，根據(jù)分枝節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)的數(shù)量和位置分別命名為一級(jí)側(cè)根、二級(jí)側(cè)根及二級(jí)以下側(cè)根，并且按逆時(shí)針順序?qū)Ω鞣种?jié)點(diǎn)間的根系長(zhǎng)度進(jìn)行編號(hào)，每段根系長(zhǎng)度內(nèi)的根系直徑同樣采用測(cè)量中間位置的方式確定。

圖1 根系分枝特征測(cè)量示意

2.3 根系抗拉強(qiáng)度計(jì)算

根系抗拉強(qiáng)度采用S9M型萬(wàn)能機(jī)械試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行測(cè)量。在完成根系分枝特征測(cè)量后，挑選長(zhǎng)度在60～100 mm的根系進(jìn)行抗拉試驗(yàn)，參考HUBBLE et al.[14]的研究，被測(cè)量根系的直徑應(yīng)滿足0～8 mm。試驗(yàn)前，需要檢查根系是否完整(要求根皮未脫落)，并將損壞的根系從測(cè)量樣本中剔除。試驗(yàn)開(kāi)始前需要在根系兩端捆綁密封膠布以增加根系兩端的摩擦力，防止試驗(yàn)過(guò)程中根系由夾具處滑脫。拉伸的速度控制在20 mm/min，當(dāng)根系發(fā)生斷裂時(shí)，用游標(biāo)卡尺測(cè)量并記錄斷裂處直徑。由于根皮的影響，試驗(yàn)的成功率僅為40%～50%，每種植物根系抗拉試驗(yàn)成功次數(shù)要保證在40次以上。參考CAZZUFFI et al.[15]的研究結(jié)果，根系抗拉強(qiáng)度和根系直徑的關(guān)系為

TR=aD-b

(2)

式中：TR為根系抗拉強(qiáng)度，MPa；D為根系斷裂處直徑，mm；a、b為常數(shù)。

2.4 根系固土效果計(jì)算

采用WU et al.[7]的模型計(jì)算不同草本植物根系固土效果，該模型以庫(kù)倫定律為基礎(chǔ)，明確了根系抗拉強(qiáng)度和土壤抗剪強(qiáng)度的關(guān)系，公式為

S=c+ΔS+σtanφ

(3)

式中：S為土壤抗剪強(qiáng)度，kPa；c為土壤黏聚力，kPa；σ為剪切面上的正應(yīng)力，kPa；φ為土壤內(nèi)摩擦角，(°)；ΔS為由根系提供的抗剪強(qiáng)度的增量，kPa。

ΔS的計(jì)算完全取決于根系的抗拉強(qiáng)度和根系在剪切面上的截面積，即

ΔS=K·TR·RAR

(4)

式中：K為比例系數(shù)，在WU et al.[7]的模型中，通過(guò)對(duì)大量的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，K取值1.2，而根據(jù)朱錦奇等[16]的研究，對(duì)于北京地區(qū)，K取值0.63。

3 結(jié)果與分析

3.1 根系分枝特征

根系在土壤中的空間分布特征包括根系傾斜角度、根系長(zhǎng)度及根系分枝等。通過(guò)研究根系的空間分布特征，歸納不同植物根系隨土壤深度的變化關(guān)系，進(jìn)而為對(duì)比不同植物根系對(duì)土壤抗剪強(qiáng)度的增強(qiáng)效果提供基礎(chǔ)。

3.1.1 根系直徑

通過(guò)分析5種草本植物根系直徑隨土壤深度的變化規(guī)律(圖2)可知，隨著土壤深度的增加植物根系的徑級(jí)分布都呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)。不同草本植物的根系直徑大小也不同：最大的為紫花苜蓿和沙打旺，二者根系直徑最大值接近6 mm；其次為高羊茅，其根系直徑最大值在4.5 mm左右；再次為白三葉，最大值接近4 mm；而狗尾草的根系直徑最小，其最大值僅0.8 mm左右。在相同土壤深度內(nèi)，一種植物根系的徑級(jí)變化范圍多是連續(xù)的，但紫花苜蓿在同一土壤深度內(nèi)根系徑級(jí)變化呈現(xiàn)不連續(xù)規(guī)律，說(shuō)明在紫花苜蓿根系結(jié)構(gòu)中存在著比較明顯的大直徑根系。由圖2還可以看出，紫花苜蓿和沙打旺根系生長(zhǎng)深度最大，而其他3種植物根系僅在0.6 m深度內(nèi)有根系生長(zhǎng)。總的來(lái)說(shuō)，紫花苜蓿和沙打旺根系生長(zhǎng)深度和徑級(jí)分布最優(yōu)，其次是高羊茅，白三葉根系生長(zhǎng)深度最淺，而狗尾草根系有著最小的徑級(jí)分布。

圖2 根系直徑隨土壤深度的變化規(guī)律

3.1.2 根系長(zhǎng)度

5種草本植物各土層根系總長(zhǎng)度隨土壤深度的變化規(guī)律見(jiàn)圖3。狗尾草和紫花苜蓿各土層根系總長(zhǎng)度隨土壤深度的增加先增加后減少，在0.2～0.4 m土層達(dá)到最大值，其他3種植物各土層根系總長(zhǎng)度隨土壤深度的增加而減小。不同植物各土層根系總長(zhǎng)度最大值最大的為狗尾草，達(dá)到7.62 m(0.2～0.4 m土層內(nèi))；最小的為紫花苜蓿，僅為1.26 m(0.2～0.4 m土層內(nèi))。在0～0.2 m土層內(nèi)，高羊茅和狗尾草根系總長(zhǎng)度最大，而到了0.2～0.4 m土層內(nèi)，高羊茅根系總長(zhǎng)度迅速減小。在不同土壤深度內(nèi)，紫花苜蓿各土層根系總長(zhǎng)度變化較平穩(wěn)，沙打旺各土層根系總長(zhǎng)度隨土壤深度增加而減小的變化規(guī)律最明顯。

圖3 各土層根系總長(zhǎng)度隨土壤深度的變化規(guī)律

3.1.3 根系數(shù)量

表1為5種草本植物在不同土壤深度內(nèi)的根系數(shù)量。由表1可知，5種草本植物根系數(shù)量在不同土壤深度內(nèi)的變化存在較大差異，根系數(shù)量最大值為狗尾草，出現(xiàn)在0.2～0.4 m土層內(nèi)，最小值一般在生長(zhǎng)的最深深度內(nèi)。根系數(shù)量隨土壤深度的變化規(guī)律也存在差異，具體表現(xiàn)為白三葉、狗尾草和紫花苜蓿的根系數(shù)量隨土壤深度的增加而先增加后減小，高羊茅和沙打旺的根系數(shù)量則整體上隨土壤深度的增加而減小。對(duì)于同一種植物來(lái)說(shuō)，土壤中存在一個(gè)根系含量較多的土層深度，在這個(gè)深度的上下部分根系數(shù)量都比較少。5種草本植物中，狗尾草和白三葉在0.2～0.4 m土壤深度內(nèi)根系數(shù)量最多，沙打旺和高羊茅根系則主要集中在0～0.2 m的淺層土壤中，紫花苜蓿根系數(shù)量在各土壤層次內(nèi)變化不大。

表1 不同土壤深度內(nèi)的平均根系數(shù)量

3.1.4 根系分枝

不同植物根系分枝情況見(jiàn)表2。由表2可知：在第一次分枝后就不再分枝的植物有狗尾草、紫花苜蓿和白三葉；沙打旺雖然存在三次分枝，但每次的分枝數(shù)較少，根系數(shù)量變化不大；高羊茅根系無(wú)一級(jí)側(cè)根，說(shuō)明其不存在主根系，多為須根系，且須根系也無(wú)側(cè)根生長(zhǎng)。總的來(lái)說(shuō)，草本植物根系的分枝能力較弱，多為從主根延伸生長(zhǎng)的方式，分枝及多次分枝數(shù)較少，分枝后根系數(shù)量增加不明顯。

表2 不同植物的根系分枝情況

3.2 根系抗拉強(qiáng)度比較分析

圖4為5種草本植物根系的抗拉強(qiáng)度曲線。從圖4可看出，根系直徑與抗拉強(qiáng)度表現(xiàn)為冪函數(shù)關(guān)系，該曲線越陡，則不同根系直徑的根系抗拉強(qiáng)度差異越明顯；曲線越貼近縱坐標(biāo)軸，則說(shuō)明直徑較小的根系抗拉強(qiáng)度變化較大，隨著根系直徑增加這種變化關(guān)系趨于緩和。白三葉、紫花苜蓿和狗尾草根系抗拉強(qiáng)度關(guān)系式中b都大于1。b值越大，則代表曲線越貼近縱坐標(biāo)軸，因此在較小直徑時(shí)，其對(duì)抗拉強(qiáng)度的反應(yīng)更敏感；而b值越小，則表現(xiàn)為較大直徑根系的抗拉強(qiáng)度受直徑變化的影響更為強(qiáng)烈。根系抗拉強(qiáng)度關(guān)系式中a值多在10～20之間，狗尾草的a值最小，其次是紫花苜蓿和高羊茅，白三葉的a值最大。a值越小，則表明根系直徑變化對(duì)抗拉強(qiáng)度的影響越小。

圖4 草本根系抗拉強(qiáng)度曲線

3.3 不同植物根系固土效果比較分析

5種草本植物根系在土壤深度為0.1 m和0.3 m的截面內(nèi)對(duì)土壤抗剪強(qiáng)度的影響見(jiàn)表3。由表3可知，5種草本植物都顯著增加了土壤的抗剪強(qiáng)度，但存在明顯差異，紫花苜蓿、狗尾草和白三葉根系對(duì)土壤抗剪強(qiáng)度的增量表現(xiàn)為隨著土壤深度的增加而增加的趨勢(shì)，而高羊茅和沙打旺對(duì)土壤抗剪強(qiáng)度的增量在表層土壤中最大，隨著土壤深度的增加，根系的增強(qiáng)效果減弱較明顯。5種植物根系對(duì)土壤抗剪強(qiáng)度的增量的最大值為沙打旺(0.1 m截面內(nèi))，其次是高羊茅(0.1 m截面內(nèi))，最小值為紫花苜蓿(0.1 m截面內(nèi))。總的來(lái)說(shuō)，對(duì)于表層土壤，種植高羊茅和沙打旺具有更好的穩(wěn)固效果，其他3種草本植物根系穩(wěn)固土壤的效果較弱。

表3 不同草本植物根系增加土壤抗剪強(qiáng)度值

4 討論與結(jié)論

對(duì)5種護(hù)坡草本植物根系形態(tài)特征和力學(xué)特性的研究表明，草本植物根系多為散生型，根系多從主根處延伸生長(zhǎng)，傾斜根系多。根系直徑在根系的空間分布研究中是一個(gè)非常重要的指標(biāo)，土壤剪切面內(nèi)存在的根系直徑越大，其對(duì)土壤抗剪強(qiáng)度的增強(qiáng)效果越好，但由于草本植物根系直徑都較小，因此其根系數(shù)量是決定固土效果的一個(gè)關(guān)鍵因素。盡管紫花苜蓿根系直徑最大，但其對(duì)土壤抗剪強(qiáng)度的增強(qiáng)效果弱于根系直徑較小的狗尾草，以及根系數(shù)量較多的高羊茅和沙打旺。根系的總長(zhǎng)度直接影響著根系與土壤接觸面積的大小，進(jìn)而影響著根-土間原始摩擦力的大小，而根-土間原始摩擦力的大小決定了草本植物根系抵抗拔出破壞的能力，根-土間原始摩擦力越大，其抵抗拔出破壞的能力越強(qiáng)。除根系在土壤中的總長(zhǎng)度外，根-土間原始摩擦力的大小還與根系在土壤中的分枝情況有很大關(guān)系，分枝節(jié)點(diǎn)越多根系在土壤空間內(nèi)的分布就越廣泛，根系與土壤所形成的根土復(fù)合體就越大。但過(guò)多的植物根系也會(huì)對(duì)土壤產(chǎn)生松動(dòng)作用，根系腐敗后所形成的根通道也同樣會(huì)造成土壤疏松，使得土壤穩(wěn)定性下降。

5種護(hù)坡草本植物的根系直徑多在6 mm以下，根系生長(zhǎng)深度除紫花苜蓿外，多在0.6 m以內(nèi)。沙打旺和狗尾草的根系總長(zhǎng)度最大，表現(xiàn)出更好的抵抗拔出破壞的能力，而高羊茅和沙打旺根系在土壤中的數(shù)量較多，表現(xiàn)出更好的對(duì)淺層土壤抗剪強(qiáng)度的增強(qiáng)效果。總的來(lái)說(shuō)，對(duì)于北京地區(qū)的護(hù)坡草本植物，從根系固土的角度分析，沙打旺的表現(xiàn)最好，其次是狗尾草、高羊茅和白三葉，表現(xiàn)較差的為紫花苜蓿。