宿遷市公路邊坡綠化常見草本植物根系固土特性研究

羅東志，沈建軍，張 俊，陳西林

(1.宿遷市高速鐵路建設發展有限公司，江蘇 宿遷 223800；2.蘇交科集團檢測認證有限公司，江蘇 南京 210000)

城市道路或高速公路的土石邊坡，如果在沒有任何防護措施的情況下，極易形成松散的土體結構，在外界水力、風力、重力作用或人為活動干擾下，極易產生失穩滑坡的現象，造成嚴重的水土流失，對公路邊坡生態穩定性及行車安全產生較大的威脅，因此，必須對公路土石邊坡進行侵蝕防控。在長期的生產實踐中，人們發現利用植物措施進行侵蝕防控是科學有效而且成本較低的一種生態防護措施。在土石邊坡人工建造植被，形成生態防護體系，并與相應的工程措施結合，是一種有效的邊坡防護措施，能夠對松散坡面進行加固，從而減少侵蝕量并有效地控制水土流失發生[1]。目前，植物根系固土相關的研究理論認為：植物根系與土體形成的根—土復合體能夠有效地增強土體的抗剪強度，防止土體發生搓動或者位移變形，能夠避免土體滑動坍塌。在植物根系固土功能中，植物根系在土體中的分布特征、根系單根的抗拉拔能力、根—土復合體的抗剪切能力，決定了植物根系所能發揮的固土效能，也是植物控制土體滑坡的關鍵要素。對于大部分公路土石邊坡，草本植物是理想且首選的綠化植物，其具有良好的綠化效果，同時還能對坡面形成防護，減輕雨水的直接擊濺，起到很好的水土保持和固土護坡作用。因此，本研究選擇宿遷市公路土石邊坡常見的草本植物高羊茅(Festucaarundinacea)作為研究對象，通過植物學和材料力學的研究手段，對該植物根系的分布特征和抗拉力學特性進行研究，以期為宿遷市公路土石邊坡生態防護中的植物物種選擇及植被類型配置提供理論依據和科學支撐。

1 材料與方法

1.1 根系密度及分布特征測定

土體中植物根系分布密度的測定采用全挖法[2]，分別在土層0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm和30～40 cm處進行4次根系密度測定，使用計數法標定每個土層中的根系數量。土體中根系分布特征的測定采用根系生物量表示[3]，即測定體積為 1 000 cm3土體中所有高羊茅根系的生物量。用清水慢慢沖洗掉粘附在根系上的土壤，然后用試紙把根系干燥定型并置于烘箱中，采用65℃的溫度烘干至恒重，用電子天平稱量其干重即為根系生物量。

1.2 根系抗拉強度試驗

植被護坡主要是依靠植物根系在土壤中的加筋作用，在衡量植物根系的固坡能力時，根系的抗拉力是一個重要的檢測指標。明確其根系直徑與最大抗拉力之間的關系；對比相同根系直徑下最大抗拉力和抗拉強度的大小，得出其固土能力的大小。試驗根為長8 cm的直根段。試驗根制備好后，開始拉拔測定。根系直徑相對來說均很小，一般都小于1 mm。目前關于根系抗拉力的試驗沒有統一的標準規范，根據劉世奇[4]采用的試驗方法，加以改進并得到了試驗所需的研究裝置(圖1)。

1.固定鐵架；2.夾子；3.毛根；4.彈簧秤；5.沙袋

試驗中，先將植被根系的一端固定在鐵架臺上，同時，再將另一端吊與一個沙袋相連，持續往沙包里加沙子，當根被拉斷那一刻，停止加沙，然后將沙子倒出，進行稱重。最后，測量根系斷面的直徑，由于斷面呈不標準的圓形，所以測量3次并求其平均值作為根系的直徑。由此，建立了抗拉強度的計算公式如下：

P=4F/πD2

式中:P為根系的抗拉強度；F為根系的最大抗拉力；D為根系斷面的直徑。

2 結果與分析

2.1 高羊茅根系分布特征

以往研究表明，草本植物通常以須根為主[5]，直徑≤1.0 mm 的根系能夠對土體產生明顯的加固作用[6]。因此，本試驗把直徑1.0 mm 作為根徑區分點進行分類統計(表1)。

表1 高羊茅根系密度與土層深度的關系

由表1可知，直徑≤1.0 mm 的根系密度大于直徑>1.0 mm 的根系，說明高羊茅根系在淺層土壤中的分布主要以直徑≤1.0 mm的形式存在。已有一些研究表明[7]，土壤的抗沖性與直徑≤1.0 mm 徑級的須根密度的分布特征有著密切關系，而且草本植物在土體固持方面細根的貢獻作用要明顯大于粗根。高羊茅有效根密度(直徑≤1.0 mm)在土體中的纏繞和穿插，顯著增加土壤孔隙度，提升土壤滲透性，減弱水分在坡面的匯流[8]，這種穿插纏繞能夠形成根系網，將松散的土壤顆粒纏繞和包裹，提高土壤團聚體的比例，增強其黏結度，從而對土體產生較大的凝聚力，防止被水力沖刷流失。單株高羊茅草根系的分布范圍就是其根系網作用力所能輻射的區域，而成片的高羊茅草生長在一起，根系網相互交錯，進而使土體抵抗流水沖刷的能力增大。

植物根系生物量可以作為反映植物在該層土壤內生長狀況的主要指標，在某一土層范圍內積累的根系生物量越多，根系累計的體積、表面積、根系長度就越大，其固土能力就越強。高羊茅根系生物量與土層深度的關系見表2。

表2 高羊茅根系生物量與土層深度的關系

由表2可知，高羊茅根系生物量隨土層深度(0～40 cm)的增加而減少，0、10、20、30、40 cm處的平均根生物量分別為2.08、1.69、1.13、0.83、0.48 g/1 000 cm3，生物量與土壤深度呈現指數函數關系。由此可知，高羊茅在淺層土壤的固持方面貢獻更大。

2.2 高羊茅根系抗拉特性

植物根系的抗拉力和抗拉強度反映了根系這種生物材料在抵抗外力拉拔時能夠對土體發揮的最大作用力。本次實驗選取了長短不等的高羊茅根系進行試驗，根據測試所得的根系直徑、抗拉力數據，可計算試驗根的抗拉強度。不同直徑下試驗根的最大抗拉力強度統計見表3。

由表3可知，高羊茅根系的單根抗拉力與根系直徑之間呈正相關關系，即抗拉力隨著直徑的增大而增大；而抗拉強度與直徑之間呈負相關關系，即抗拉強度隨著直徑的增大而減小。在10個測試樣本中，高羊茅根系斷面直徑最小的為0.12 mm，最大的為1.13 mm；其抗拉力最小的為2.33 N，最大的為13.78 N。不同直徑下高羊茅根系的抗拉強度見表4。

表3 高羊茅根系抗拉力和根系直徑關系

由表4可知，高羊茅的不同根系抗拉強度試驗中的最大拉力范圍為1.68～10.24 N，抗拉強度范圍為38.81～82.06 MPa。在大多數研究資料中，植物根系的極限抗拉力均表現出隨根徑增長而逐漸變大的趨勢，這種根系材料力學特性的變化應該與其解剖結構有關[9-11]。隨著高羊茅根系直徑的逐漸增長，其橫截面中的纖維素和木質素會逐漸充填于細胞中，所占比例逐漸增加，從而提高了單根的抗拉力。同時，在高羊茅的不斷生長過程中，根系中的木質素也在不斷增長和積累，并充填于纖維之間，從而能夠明顯提升根系抵抗外力的能力。對高羊茅根系的拉力與根徑進行回歸分析，發現二者的關系符合二次三項式，而且具有顯著相關性，這與學者對其他灌草植物的相關研究結論一致[12]。

表4 高羊茅根系抗拉強度和根系直徑的關系

3 結論

高羊茅根系密度隨土層深度增加而明顯降低，二者符合指數函數關系；根系生物量與土層深度之間也同樣符合指數函數關系。高羊茅根系在生長過程中，根徑逐漸增大，細胞排列變得更為緊密，最大抗拉力表現為隨根徑增長而提高，二者符合二次函數關系。單根抗拉力越大，抵抗形變的能力越好，固土能力也隨之增強；抗拉強度隨根系直徑的增大而減小，其規律服從指數函數關系分布。通過抗拉強度的計算公式不難發現，當給予一定的外力時，由于根系加粗，橫截面積增大，單位面積上受到的力越小，根系抵抗力越強，不容易斷裂。高羊茅根系平均最大抗拉力為5.98 N，平均抗拉強度為59.90 MPa。總體來說，根據高羊茅根系的分布特征和抗拉力學特性，高羊茅根系的固土護坡作用較大，是一種優良的固土護坡植物，在公路土石邊坡生態防護中能夠發揮重要作用。