西寧盆地兩種灌木植物原位拉拔試驗及其護坡效應

李臻，余芹芹，楊占風，喬 娜，李國榮，朱海麗，張 瑩，毛小青，胡夏嵩

(青海大學地質工程系，西寧810016)

隨著我國西部大開發戰略的實施，交通、水電等工程建設的增多，大量的邊坡開挖造成了植被的破壞和邊坡的失穩，生態壞境更加惡化。如何使基礎設施建設與環境保護協調發展則是一項重要的任務[1]。西寧作為青海省會城市，近年來隨城市基礎設施建設的不斷發展，如何科學合理地保護城市地質環境，防治滑坡、崩塌、泥石流等地質災害的發生是一項重要任務，也是實現基礎工程建設與自然環境協調發展的需要。植被已廣泛應用于邊坡防護中，植被一方面能起到減小或阻止坡面水土流失現象[2]，另一方面能夠提高坡體的抗剪強度[3-4]，從而提高邊坡的穩定性。國內外學者從植物單根拉伸、剪切試驗[5-7]，根-土復合體抗剪強度[8-11]，根系加強土體強度數值模擬[12-14]等方面進行了大量的研究。

本文通過對種植在試驗區兩種灌木植物地上、地下生長指標的對比以及現場原位拉拔試驗研究，來評價試驗區灌木根系對邊坡土體穩定性的貢獻。

1 試驗區基本概況

西寧盆地地處青海東部湟水河流域河谷，降水量少，蒸發強烈，具有典型的高原大陸性氣候[15]。多年平均降雨量為350 mm，蒸發量為1 235.6 mm[16]。試驗區地質地理條件復雜，人口集中且周邊居民經濟活動頻繁。每逢雨季暴雨季節，易誘發滑坡、崩塌、泥石流等不同規模的地質災害，給研究區及其周邊居民的生命財產安全構成了一定威脅[8]。試驗區設在西寧城北二十里鋪青海大學農林科學院，種植灌木植物坡體坡度約30°，屬于人工堆積的土質邊坡，坡向屬半陰半陽[15]。

2 試驗材料和方法

2.1 試驗材料選取

根據試驗區氣候條件和適合當地氣候條件的灌木植物分布類型，篩選出檸條錦雞兒(Caragana korshinskii)、霸王(Zygophyllum xanthoxy lon)2 種灌木作為試驗供試種。這兩種灌木植物具有多年生，矮叢生，抗逆性強，抗寒旱，耐鹽漬，根系發達且其地下生長強度大，吸收土壤深層水分能力強等特性。

2.2 試驗方法

根據該項研究需要，設有2個試驗小區，試驗種植區面積尺寸均為1 m×1 m。供試種于2007年6月以穴播方式種植，穴距為5 cm，播種深度為1～2 cm。

試驗期間分別于2008年6月和2009年6月對種植在試驗區的2種灌木株高等地上生長量進行統計，同時進行了野外現場根系拉拔試驗，測定出了2種灌木最大抗拔力，并測量了其對應的最大根長、最大根徑，統計側根數。拉拔試驗步驟如下:在試驗區內選擇生長正常的檸條錦雞兒和霸王兩種灌木植物，將其灌木地上部分夾持在傳感器下端的夾具上，然后通過傳感器對灌木施加拉力，直至整株灌木被拔出，通過傳感器由試驗數據采集顯示儀顯示得出抗拔力值。

3 結果與分析

3.1 灌木植物不同生長期生長指標對比

試驗區2種灌木其地上、地下部分基本生長指標及其隨年度間的變化情況如表1所示。

由表1可看出，生長2 a的檸條錦雞兒比生長1 a的株高增高6.04 cm，根長增加3.98 cm，根徑增加0.86 mm，側根數增加11個;生長2 a的霸王比生長1 a的株高增高17.5 cm，根長增加3.99 cm，根徑增加2.56 mm，側根數增加6個。

表1 試驗區檸條錦雞兒和霸王生長指標測量結果

試驗區其灌木可視為上置的懸臂梁，如圖1所示。AB等同于灌木植物的地上部分，A以下為固定在地下的灌木植物根系部分。當灌木受到水平方向的水平風力Fi時，在A點處產生彎矩M。當合力∑Fi大于含根土體的抗剪力Fk時，邊坡土體便會發生剪切破壞。當彎矩M大于土體的抗彎矩Mk時，灌木會發生傾覆，帶動土體發生變形位移。其中，當風的強度一定時，株高AB越高，∑Fi和M 就越大，含根土體越易發生剪切破壞和傾覆，這將不利于邊坡的穩定。由表1可知，生長1 a的檸條錦雞兒的平均株高與同生長期霸王的平均株高相近，生長2 a的檸條錦雞兒的平均株高比霸王小11.87 cm，存在顯著的差異。因此從株高考慮，試驗區檸條錦雞兒相對于霸王其護坡作用較為顯著。

圖1 試驗區灌木植物受風力作用時力學示意圖

根系-土壤的相互作用，能夠增加土體抗剪強度[17-18]。試驗區2種灌木種根長愈長，側根數愈多，則根-土相互作用就愈顯著，含根土體抗剪強度也就愈大，從而有利于邊坡穩定。由表1可知，相同生長期的檸條錦雞兒最大根長較霸王長約9 cm;生長期為1 a的檸條錦雞兒的側根數與相同生長期霸王的側根數相近，而生長期為2 a的檸條錦雞兒的側根數較霸王多4個，存在較顯著的差異。因此從最大根長與側根數考慮，試驗區檸條錦雞兒相對于霸王其護坡作用相對顯著。

根系的抗拉強度隨根徑的增大而減小[19]。根徑愈小，根系抗拉強度愈大，則其固坡效果相對愈顯著。由表1可知，相同生長期的檸條錦雞兒最大根徑較霸王小約3～5 mm。因此從根徑考慮，試驗區檸條錦雞兒相對于霸王其護坡作用顯著。通過對試驗區2種灌木植物生長指標等綜合因素考慮，試驗區檸條錦雞兒較霸王護坡效果相對顯著。

試驗區2種灌木植物地上、地下生長指標隨生長期變化關系如圖2所示。

圖2 試驗區檸條錦雞兒生長指標

由圖2可知，隨著生長期的增加，檸條錦雞兒和霸王的株高、根長、根徑、側根數都呈增加趨勢，其中株高和側根數相對增加明顯，根長和根徑變化不明顯。

3.2 拔出力與生長期之間的關系

試驗區土體的基本物理性質指標為土體平均密度為1.65 g/cm3，土體平均孔隙度為54.0%，土體平均含水率為20.1%，土體類型為粉土。野外原位拉拔試驗得出，試驗區生長期為1 a的檸條錦雞兒平均拔出力為64.97 N，生長期為2 a的為139.49 N;生長期為1 a的霸王平均拔出力為94.69 N，生長期為2 a的為160.11 N。試驗區2種灌木植物拔出力與其生長時間的關系如圖3所示。

由圖3可知，隨著生長時間的增加，霸王和檸條錦雞兒的拔出力都呈顯著增大趨勢。生長期為1 a和2 a的霸王其拔出力均大于同生長期的檸條錦雞兒的拔出力。研究表明，拔出力受根系構型、受力單根的極限抗拉力及作用根系數量的影響[18]。由于試驗區生長期1～2 a的檸條錦雞兒和霸王兩種灌木，其根系構型分屬深根主直根型和淺根主直根型，故霸王在其生長過程中較檸條錦雞兒根系吸收坡體淺層土體水分的能力相對顯著，除了形成具有較發達的主直根系外，其水平方向側根系亦相對于檸條錦雞兒發達。在試驗區通過對上述兩種灌木根系生長剖面觀察，霸王的側根和毛細根數量和發育程度等相對于檸條錦雞兒顯著。因此在試驗區坡體含水量一定的條件下，試驗得到的霸王根系拔出力相對檸條錦雞兒略大。根系拔出力的大小反映了根-土相互作用的強度，因此拔出力愈大，其根系愈有利于邊坡土體的穩定性，因此試驗區霸王較檸條錦雞兒其護坡作用顯著。

圖3 試驗區2種灌木不同生長期拔出力試驗結果

3.3 拔出力與生長指標之間的關系

試驗區2種灌木植物拔出力與各相應生長指標之間的關系如表2所示。檸條錦雞兒的拔出力與株高、根長呈指數關系而與根徑、側根數呈線性關系，霸王拔出力與根長、根徑、側根數均呈線性關系而與株高呈指數關系;2種灌木拔出力均與株高呈指數關系，與根徑、側根數呈線性關系，與根長呈指數或線性關系。其中生長期為2 a的2種灌木拔出力與各生長指標間的關系曲線如圖4-7所示。由圖可知，生長期為2 a的霸王、檸條錦雞兒拔出力均隨株高、根長、根徑和側根數的增加而呈增大趨勢，且其拔出力與株高、根長、根徑、側根數間的關系符合線性或指數關系，相關系數達0.81以上。

圖4 試驗區兩種灌木拔出力與株高關系

圖5 試驗區兩種灌木拔出力與根長關系

圖6 試驗區兩種灌木拔出力與根徑關系

圖7 試驗區兩種灌木拔出力與側根數關系

表2 試驗區2種灌木植物拔出力與各相應生長指標之間關系

4 結論

(1)隨著生長期的增加，試驗區檸條錦雞兒和霸王2種灌木其株高、根長、根徑、側根數均呈顯著增加趨勢，其中株高和側根數相對根長和根徑增加明顯。因此從株高、根長、側根數、根徑考慮，試驗區檸條錦雞兒較霸王護坡效果相對顯著。

(2)隨著生長時間的增加，試驗區霸王和檸條錦雞兒的拔出力均顯著增大，生長期為1 a和2 a的霸王拔出力均大于相同生長期檸條錦雞兒的拔出力，但存在的差異不顯著。故從拔出力大小考慮，試驗區霸王相對于檸條錦雞兒其護坡力學效果相對顯著。

(3)檸條錦雞兒的拔出力與株高、根長呈指數關系而與根徑、側根數呈線性關系，霸王拔出力與根長、根徑、側根數均呈線性關系而與株高呈指數關系;2種灌木拔出力均與株高呈指數關系，與根徑、側根數呈線性關系，與根長呈指數或線性關系。生長期為2 a的霸王、檸條錦雞兒拔出力均隨株高、根長、根徑和側根數的增加而呈增大趨勢，且其拔出力與株高、根長、根徑、側根數間的關系符合線性或指數關系。

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