PP織物袋梯田護坎植物根-土復合體抗剪強度研究

楊晨輝，李光錄，楊 娟，魏 舟，王新功

(1.西北農林科技大學 資源環境學院，陜西 楊凌 712100；2.千陽縣水土保持工作站，陜西 千陽 721100)

陜南秦巴山區土坎梯田垮坎現象極為嚴重[1]，主要是因為土壤黏性大、雨多強度大等自然因素和修筑質量差、無植物護埂甚至破壞地邊埂等不合理的人為因素造成的[2-3]。針對以上問題，陜西省水保局選用聚丙烯土工織物袋(簡稱PP織物袋)作為梯田筑坎材料，并通過在商州區、洋縣等地試驗，驗證其應用和推廣前景[4-5]。PP織物袋本身無毒、無害，對農作物生產無副作用，且使用壽命長，能透水保土，便于綠化，草本植物種植在PP織物袋田坎上不僅可以產生一定的經濟效益，而且可利用草本發達的根系與袋內土體共同作用加固梯田埂坎。

周德培、張俊云認為，根系護坡的力學效應主要表現在草本植物淺層根系的加筋效應和木本植物深層根系的錨固作用上[6]。楊亞川以草本植被為研究對象，將根系與土壤視為一體，提出了“土壤-根系復合體”的新概念，簡稱復合體，并將土壤-根系復合體抵抗直剪破壞的極限能力稱為土壤-根系復合體的抗剪強度[7]。研究人員對不同種類植物根系進行剪切試驗，并對比無根系土壤的抗剪強度，結果表明：土壤-根系復合體可以明顯提高土體的抗剪強度，且抗剪強度與穿過剪切面的含根量有著直接的關系，隨含根量的增加而提高[8-14]。宋維峰和石明強將根系在土壤中的分布形態抽象為水平、垂直和復合分布3種，并通過剪切試驗，得出其固土護坡效果為復合根系>垂直根系>水平根系[15-16]。Gray和Abe等認為根系所產生的剪力強度增量主要提升土壤的黏聚力，而對內摩擦角的影響甚微[17-19]。陳昌富等通過三軸壓縮試驗研究了以狗尾草根為筋材的加筋土，得出草根加筋土服從摩爾-庫侖強度破壞準則，而且草根加筋土的加筋原理基本上可以用準黏聚力原理來解釋[20]。

國內學者將土工織物袋以多種形式結合植物用于加固堤防、修復受損湖岸及城市建設[21-23]，但并未在力學方面對種植在土工織物袋上的草本植物做研究。本試驗通過在PP織物袋田坎上種植5種常用生態護坡草本植物(黑麥草、高羊茅、白三葉、紫花苜蓿、山麥冬)，并現場取樣進行室內直剪試驗，分析不同草本根-土復合體的抗剪強度，以篩選出最佳的護坎植物。

1 材料與方法

1.1 研究地概況

研究地布設在陜西省楊凌區(東經108°03′46″，北緯34°15′59″)，海拔454 m，屬暖溫帶半濕潤季風氣候區，四季分明，年平均氣溫12.9 ℃，極端最高氣溫42 ℃，極端最低氣溫-19.4 ℃；年均降水量637.6 mm，主要集中在7—10月，占多年平均降水量的60%；年平均蒸發量884 mm，全年無霜期221 d。試驗地土壤為塿土，主要理化性質見表1。

表1 塿土主要理化性質

1.2 試驗設計

PP織物帶梯田田坎高1 m，長12 m，埂坎坡度為75°，布設PP織物袋7層，織物袋裝土后規格為100 cm×40 cm×14.3 cm，兩層間錯位3.8 cm。將山麥冬、紫花苜蓿、白三葉、黑麥草、高羊茅5種多年生草本植物布設在PP織物袋筑坎的梯田田坎上，每種植物布設長度為2 m，剩余2 m作為PP織物袋空白樣地對照。6塊樣地統一管理，定時定量澆水并適時進行雜草清除和病蟲害防治。5種草本的種植時間是2012年8月，取樣時間是2013年8月。

表2 試驗植物栽植及初期觀測指標

1.3 試驗方法

取樣時，將PP織物袋剖開，在靠近植物根部的部分用環刀沿垂直方向、水平方向分別取樣，每層織物袋取土樣12個(3組)，每種植物取4層織物袋，共取樣48個(12組)。將各組試樣在50、100、200、400 kPa垂直壓力下進行快剪試驗，得到不同垂直壓力下的剪應力，并通過線性回歸擬合推算出每種植物根-土復合體的黏聚力和內摩擦角。

1.4 抗剪強度計算

用應變控制式直剪儀(ZJ型)測定根-土復合體的抗剪強度指標，試樣直徑為6.18 cm，高為2.0 cm。直剪儀剪切盒的量力環率定系數為C=1.908 N/0.01 mm。試樣的剪應力計算公式為

式中：τ為剪應力，kPa；C為測力計(量力環)率定系數，N/0.01 mm；R為測力計讀數，0.01 mm；A0為試樣面積，cm2；10為單位換算系數。

以抗剪強度為縱坐標，垂直壓力為橫坐標，進行線性回歸，繪制抗剪強度與垂直壓力的關系曲線，并用SPSS18.0統計軟件包對數據進行統計學計算。

2 結果與分析

2.1 植物根系生長分布情況

5種草本植物的根系在袋內沿水平和垂直方向生長，85%～95%的根系生長在植株所在袋層內。高羊茅、黑麥草根系發達，多為叢狀，根系直徑均≤1 mm，在植株所在袋層，根系水平生長在30 cm范圍內，垂直可穿透該層土袋，在袋底形成根網，增加了兩層袋間的摩擦力；山麥冬根稍粗，近末端處常膨大成矩圓形、紡錘形小塊根，根徑均勻，水平生長在20 cm范圍內，垂直生長在10 cm以內，不會穿透土袋；白三葉分枝多，匍匐枝匍地生長，節間著地即生根，根系可穿透土袋扎入下層土中0～2 cm；紫花苜蓿主根發達，長可達30～45 cm，側根有3～5根，長10～20 cm，根系可穿透植株所在袋層扎入下層土袋中0～5 cm。對兩層帶植物織物袋進行破壞時，抗拉力最大的為紫花苜蓿，其次為白三葉、黑麥草、高羊茅，最小的為山麥冬。

2.2 根-土復合體抗剪強度線性擬合關系

將各組試樣直剪試驗所得不同垂直壓力下的抗剪強度(表3)進行線性擬合，得到5種草本植物根-土復合體與無根土樣對照的抗剪強度與垂直壓力關系曲線，見圖1。

表3 植物根-土復合體的抗剪強度

圖1 各組土樣的抗剪強度

由表3及圖1可看出，在含水率和含根量相近的情況下，高羊茅、山麥冬、黑麥草、白三葉、紫花苜蓿的根-土復合體抗剪強度值均高于無根土樣，但同無根土樣一樣，均隨著垂直壓力的增大而增強。直剪試驗是現場取樣，植物根系在土壤中保持自然分布形態，而不同植物在試樣內的分布形態不同，因而同一垂直壓力下，不同植物的抗剪強度值不同，且隨著垂直壓力的增加，抗剪強度值的增加幅度不同。

2.3 抗剪強度指標分析

根據線性回歸模型，計算出各組試樣的黏聚力c和內摩擦角φ，結果見表4。

表4 土樣線性回歸模型及抗剪強度指標的比較

計算結果表明：高羊茅、山麥冬、黑麥草、白三葉、紫花苜蓿的根-土復合體及無根土樣的抗剪強度線性回歸模型與庫侖強度公式τ=σtanφ+с相一致，且相關系數最大達0.999 2，最小為0.978 3，說明用直線回歸擬合根-土復合體的抗剪強度效果非常好，即5種草本的根-土復合體服從摩爾-庫侖強度破壞準則。

從圖1和表3、4可知，5種草本的抗剪強度線在坐標縱軸上的截距都高于無根土樣的，說明5種草本皆對PP織物袋內土體的抗剪強度有增強作用；根-土復合體的抗剪強度線與無根土樣的基本平行，說明根-土復合體的內摩擦角與無根土樣的內摩擦角相比，變化并不明顯，其變化范圍為-0.2°～0.8°；而5種草本根-土復合體的黏聚力大小為白三葉>黑麥草>紫花苜蓿>高羊茅>山麥冬，與無根土樣的10.157 kPa相比，分別增大了56.3%、51.1%、50.7%、30.9%、15.2%。因此，認為5種草本對土壤抗剪強度的增加更多地表現在黏聚力的增加上，對土壤內摩擦角的影響不大。同時，說明5種草本植物中白三葉對PP織物袋內土壤抗剪強度的增強效果最好，黑麥草、紫花苜蓿次之，高羊茅一般，山麥冬最差。

由圖2、圖3可看出，5種草本的黏聚力因植物種的不同而不同，內摩擦角均不大，其數值較利用擾動土及植物根系室內制備根-土復合體試樣的試驗數值要小。其原因為：植物種植在兩層PP織物袋之間的錯位處，取樣時，環刀內的根系多呈水平或傾斜狀態，根系與剪切斷面的角度較小，且試樣僅高2 cm，含根量平均僅為0.15 mg/cm3左右。5種草本對土體抗剪強度的增強效果依次為白三葉>黑麥草>紫花苜蓿>高羊茅>山麥冬，其原因為：取樣時5種草本的植株密度分別為220～260、310～340、200～230、290～320、110～150株/m2，在直剪試樣含根量相同的情況下，因山麥冬的根系平均單根質量最大，故其根系數量最少，與土壤接觸的表面積小，與土體間摩擦阻力也小，所以其根-土復合體的抗剪切能力最小。研究發現根-土復合體抗剪強度的提高主要是由直徑<1 mm的根系與土壤之間的摩擦來實現的[24]。白三葉、黑麥草、紫花苜蓿對袋內土體抗剪強度增強效果相差不大，但均比高羊茅大。黑麥草根系數量最多且長，在所在袋層中有較多分布；白三葉根系則因節間著地即生根而比較發達，在所在袋層中有較多分布且根徑分布均勻；高羊茅根系比較發達，但數量上少于黑麥草。白三葉、黑麥草、高羊茅及紫花苜蓿4種草本在土壤中均可基本形成三維網絡結構，與土壤接觸的表面積大，與土體間的摩擦阻力也大，所以其根-土復合體的抗剪切能力強，但是紫花苜蓿根系較白三葉、黑麥草、高羊茅少，且根徑分布極不均勻，在土壤中形成的三維網絡結構不如白三葉、黑麥草2種草本牢固。

圖2 植物根-土復合體黏聚力分析

圖3 植物根-土復合體內摩擦角分析

3 結 論

對PP織物袋梯田田坎上種植一年的黑麥草、高羊茅、白三葉、紫花苜蓿、山麥冬的根-土復合體試樣進行直剪試驗，與空白織物袋內無根土樣的抗剪強度對照得出以下結論：

(1)山麥冬、高羊茅、黑麥草、白三葉、紫花苜蓿5種草本皆對PP織物袋內土體的抗剪強度有增強作用。

(2)根-土復合體的黏聚力表現為白三葉>黑麥草>紫花苜蓿>高羊茅>山麥冬，與無根土樣相比，分別增大了56.3%、51.1%、50.7%、30.9%、15.2%，但是根-土復合體的內摩擦角與無根土樣相比，僅變化了-0.2°～0.8°，變化不明顯，因此認為5種草本對土壤抗剪強度的增加更多地表現在黏聚力的增加上，對土壤內摩擦角的影響不大。

(3)5種草本植物中白三葉對PP織物袋內土壤抗剪強度的增強效果最好，黑麥草、紫花苜蓿次之，高羊茅一般，山麥冬最差。因此，固土護坎最優的草本是白三葉，其次是黑麥草和紫花苜蓿。這為PP織物袋筑坎技術在陜南的推廣應用及種植適宜植物以合理利用梯田田坎提供了理論依據。

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