泥石流頻發區典型喬灌植物根系的固土效應

陳文樂，杜 鵑，方迎潮，王道杰，何松膛，蘭惠娟，趙 鵬

（1.中國科學院 水利部 成都山地災害與環境研究所 山地災害與地表過程重點實驗室，四川 成都610041；2.中國科學院大學，北京100049；3.阿壩藏族羌族自治州水務局，四川 阿壩藏族羌族自治州624000；4.中石油西南管道公司，四川 成都610041）

中國是山地大國，泥石流問題十分突出，且災情嚴重。生物工程措施是防治泥石流的一種重要措施，在生物工程治理泥石流中植物根系發揮著重要的作用［1］。根系在地下盤根錯節，能有效增強土體的抗剪強度，減輕土體的重力侵蝕，將泥沙有效穩固在坡面，其對控制泥石流物源，抑制泥石流的啟動、發生、發展有著至關重要的作用。根系固土是減少泥石流物源產生、阻止物源進入溝道的有效方式［2］。

目前，在根系固土方面，國內外學者已經做了大量的研究，在植物根系固土力學機制［3］、根系固土力學模型［4］、根系固土護坡數值模擬［5］、不同類型植物的根系抗拉特性［6］、根—土復合體的剪切特性［7］以及根系對土體抗剪強度增強等方面［8］，均取得了顯著成果，但是涉及到泥石流頻發區的根系固土研究較少［9］。由于泥石流頻發區山體通常較為破碎，產生大量松散物源，且常伴隨嚴重的水土流失現象，生境的差異會造成植物根系的固土護坡能力存在區域差異［10］，因此有必要研究泥石流頻發區植物根系的固土效應。本文選取泥石流頻發區云南省昆明市東川區蔣家溝為研究區域，以當地兩種典型植被恢復物種新銀合歡（Leucɑenɑleucocephɑlɑ）和馬桑（Coriɑriɑ sinnicɑ）為研究對象，通過根系挖掘研究根系空間分布特征，根系拉伸試驗測試根系抗拉特性，最后運用修正后的Wu-Waldron模型（簡稱RWM 模型），研究兩種典型植物根系的固土效應，以期為該泥石流頻發區生物工程的應用及其治理效益評價提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于云南省昆明市東川區境內的蔣家溝流域，其 地 理坐 標 為 東 經103°06′—103°13′，北 緯26°13′—26°17′之間，屬于中高山地貌。區域內多年平均氣溫為20.2 ℃，最高氣溫40.9 ℃，最低氣溫－6.2℃，年活動積溫為7 177 ℃。年均降雨量為691.3 mm，年均蒸發量為3 752.7 mm，空氣相對濕度為54%，屬于半干旱氣候［11］。區域內新構造運動強烈，導致巖層質地軟弱、結構松散，再加上人們不合理的開發利用，使該區域泥石流爆發頻繁［12］?；谏锕こ讨卫砟嗍鞯睦砟?，1986年開始科研人員對這一地區進行植被恢復。目前該區域的喬木主要有新銀合歡（Leucɑenɑleucocephɑlɑ）、赤 桉（Eucɑlyptus robustɑ）、紅椿（Toonɑsinensis）、云南松（Pinus yunnɑnensis）等；灌木主要包括馬桑（Cɑriɑriɑsinnicɑ）、苦刺（Solɑnum deflexicɑrpum）、車桑子（Dodonɑteɑ ɑngustifoliɑ）等；草 本 植 被 主 要 有 劍 麻（Agɑve ɑmericɑnɑ）、扭黃茅（Heteropogon contortus）、香茅（Cymbopogon citrɑtus）、小葉藎草（Arthrɑxon lɑncifolius）等。多年觀測表明，新銀合歡和馬桑是該區域植被恢復最成功的喬木和灌木［13］。

1.2 根系的采集與處理

課題組在研究區內選取典型的、具有代表性的新銀合歡和馬桑樣地開展樣方調查，其中新銀合歡樣方位于中國科學院東川泥石流觀測研究站西側陰坡坡腳處，樣方大小為20 m×20 m，馬桑樣方位于蔣家溝內陰坡坡中位置，樣方大小為5 m×5 m，記錄樣方內新銀合歡、馬桑的胸徑、株高、冠幅、株數、生長狀況等參數。

在樣方調查的基礎上，隨機選取無病害、長勢良好的成齡新銀合歡及成齡馬桑標準木，進行根系空間分布及其固土效應研究。所選5株新銀合歡標準木平均株高12 m，胸徑15 cm；5株馬桑標準木平均株高1.8 m，基徑7.4 cm。

采用3方位（沿坡向上、沿坡向下、沿等高線）分層分段挖掘法獲取根樣［14］。對于新銀合歡，以標準木為中心，分別沿著預設的3個方向量出1.4 m，然后在1.4 m 處朝著樹干方向以0.2 m 為一長度等級開挖剖面，共挖7段；剖面在豎直方向以0.2 m 為一深度等級，共挖8層，故剖面深度為1.6 m；剖面寬為0.8 m。對于馬桑，以標準木為中心，分別沿著預設的3個方向量出1.2 m，然后在1.2 m 處朝著樹干方向開挖剖面，以0.2 m 為一長度等級，共挖6段；剖面在豎直方向以0.2 m 為一深度等級，共挖4層，故剖面深度為0.8 m；剖面寬為0.6 m。

挖掘出的根土放入容器內并就近在河水中進行沖洗，沖洗干凈的根系用密封袋保存，帶回實驗室，用游標卡尺測量根系直徑。本次試驗中，將根的徑級分為D＜2 mm，2≤D≤5 mm，D＞5 mm 這3個等級。測量完根徑，將根系放入烘箱內，70 ℃烘干至恒重，分別稱取不同剖面位置、不同徑級的根系干重，并記錄，用于研究根系分布特征。最后，在剖面以外部分挖掘新鮮根系，用于室內拉伸試驗。

1.3 根系抗拉測定

根系拉伸試驗采用愛普手動拉力機臺和依思達數據采集系統，其中拉力儀主要由動力系統、夾具、拉力傳感器、位移傳感器及電腦組成，拉力儀最大測試量程為20 kg。為了避免夾具損傷根系而導致根系在夾具附近斷裂，在夾具內側附加一層橡膠墊。

根系拉伸試驗選取順直、完整無損、直徑相對均一的新鮮根系。首先將根系兩端伸入夾具中，將其固定，使根系平行于水平面以確保根系受到軸向勻速荷載的作用。然后用數顯游標卡尺在根系的兩端及中間處各測一次根系直徑，并取算數平均值來計算根系橫截面積（假定根系橫截面為圓形）。接著，用手勻速搖動拉力儀上的螺旋式手柄，開始測定根系拉力。此過程中數據采集儀自動記錄根系拉伸試驗的全過程并獲取數據，包括拉力、位移等基本性能指標。本試驗要求根系必須在中間部位斷裂，試驗才視為成功，如果根系從兩端夾具滑脫或者破壞，均視為失敗。

計算每一受測根段試樣單根抗拉強度的公式為：

式中：P——根段的抗拉強度（MPa）；F——最大抗拉力（N）；D——平均根徑（mm）。

1.4 根系對土體抗剪強度增加值的計算

為評估根系對土壤抗剪強度的增加，Waldron和Wu基于Mohr-Coulomb理論，建立了根系土抗剪強度力學模型［15］：

式中：τr——根系土的抗剪強度（kPa）；σ——剪切面上的 法 向 應 力（k Pa）；φ——土 的 內 摩 擦 角（°）；Cs——土體黏聚力（k Pa）；Cr——根系對土體抗剪強度的增加值（k Pa）；tr——單位面積土體中根系抗拉強度（k Pa）；β——根的變形角度（°）；F——根系抗拉力（N）；TR——根系抗拉強度（k Pa）；AR——根系橫截面積（m2）；A——根系作用土體的面積（m2）；AR／A——根面積比，記作RAR。

由（3）式和（4）式可得根系對土體抗剪強度增加值Cr為：

Wu 等 和 Waldron 等 經 過 試 驗 發 現（sinβ＋cosβtanφ）經常位于1.0～1.3 之間，大多數研究取1.2進行評估，因此：

研究發現，由于Wu-Waldron模型假設所有根系都表現出最大抗拉強度且同時斷裂，該假設會使得模型高估根系對土體的增強效應值［3］，因此，本研究采取修正的Wu-Waldron模型，簡稱RWM 模型［16］，修正系數K 選取0.4，如（7）式：

1.5 根面積比計算

根面積比（root area ratio，RAR）計算采用標準根系法［14］。首先選取根長20 cm，根徑D 為2 mm 的標準根系10根，測量各自的生物量，并計算平均值，記作m。然后根據采集到的根樣，用天平稱取不同土層深度的根系生物量，記作Mi（i表示土層深度），將不同深度的根系等效為標準根系，并通過公式Mi／m計算標準根系的數量ni，通過公式ni（πD2）／4計算不同深度的根系橫截面積，然后比上根系所占土體面積從而獲得RAR 值。

2 結果與分析

2.1 根系垂直分布特征

2.1.1 根系徑級分布 通過分別對新銀合歡和馬桑兩種植物不同徑級根系干重在不同深度范圍內分布的統計，得出不同徑級根系干重隨深度變化特征（見圖1），統計結果表明新銀合歡和馬桑各徑級根系的生物量隨深度的變化幅度存在明顯差異，其中＞5 mm 徑級的根系變化最為明顯，＜2 mm 變化次之，2～5 mm 隨深度的變化最小。

新銀合歡＞5 mm 徑級的根系在0—0.2 m 和0.2—0.4 m 深度范圍內的生物量分別為824.5 g和132.2 g，占該徑級總生物量的97.1%，說明該徑級根系幾乎全部分布在0.4 m 以上的土層。2～5 mm 徑級的根系在0—1.0 m 深度范圍內的生物量占該徑級總生物量的98.1%，說明該徑級根系的分布深度主要在1.0 m 范圍內，且該徑級的根系在土壤中分布得較為均勻，生物量變化幅度很小，各土層平均生物量約為28.6 g。＜2 mm 徑級的根系在0—1.4 m 深度范圍內的生物量占該徑級總生物量的99.5%，表明＜2 mm徑級的根系在土壤中分布深度約為1.4 m，分布范圍最廣。綜合來看，新銀合歡根系分布深度約為1.4 m。

馬桑＞5 mm 徑級根系的生物量為401.9 g，且全部分布在0—0.4 m 深度范圍內。2～5 mm 徑級根系在0—0.4 m 深度范圍內的生物量為58.4 g，占該徑級總生物量的86.6%，說明2～5 mm 徑級根系主要分布在0.4 m 以上土層，而由圖2可以看出該徑級的最大分布深度可達0.6 m。＜2 mm 徑級的根系在0—0.6 m 深度范圍內的生物量為267 g，占該徑級總生物量的98.7%。綜合來看，馬桑根系主要分布在0—0.6 m 深的土層內，此深度范圍內的根系生物量占根系總生物量的99.5%，且各徑級根系生物量均隨著深度的增加而減小。

通過計算各徑級根系的生物量發現，新銀合歡3種徑級生物量總和約為馬桑的兩倍，但新銀合歡和馬桑各徑級根系的生物量占總生物量的比例相似（圖2），其中新銀合歡＜2 mm，2～5 mm 和＞5 mm徑級的根系生物量分別占總生物量的42.7%，8.5%和48.8%；馬桑＜2 mm，2～5 mm 和＞5 mm 徑級的根系生物量分別占總生物量的36.6%，9.1%和54.3%。

2.1.2 RAR 隨土壤深度的變化特征 新銀合歡和馬桑的RAR 值均隨著土壤深度的增加而逐漸減?。ㄒ妶D3），二者的RAR 最大值均出現在土壤表層（0—0.2 m），其中新銀合歡RARmax為0.002 4，馬桑RARmax為0.002 9。在0—0.4 m 范圍內馬桑的RAR值大于新銀合歡，在0.4 m 深度以下，新銀合歡的RAR值大于馬桑。新銀合歡和馬桑的RAR值分別在1.4—1.6 m 和0.6—0.8 m 土層范圍內達到最小，幾乎為0。

圖3 新銀合歡、馬桑根系橫截面積比RAR 隨深度變化

通過擬合發現，新銀合歡RAR 數值隨深度的變化趨勢符合指數函數形式，而馬桑RAR 數值隨深度的變化趨勢符合多項式函數形式（見表1）。其中x為 土 壤 深 度，y 為RAR 值。

表1 RAR 和土壤深度的擬合關系

2.2 根系抗拉性能

當土體發生滑動時，根土接觸面上的摩擦力會將土體中的剪應力轉化為對根系的拉力，從而實現增強土體的抗剪強度，所以根的抗拉力和抗拉強度是根系固土的重要指標。本試驗共測試新銀合歡根系樣本152個，成功樣品為64個，試驗成功率為42.1%；測試馬桑根系樣本110個，成功樣品為57個，試驗成功率為51.8%。新銀合歡和馬桑根系樣品直徑范圍均為＜2 mm。

如圖4 所示，新銀合歡根系抗拉力的最小值為0.5 N，最大值為37.1 N，平均抗拉力為14.2±1.3 N。馬桑根系抗拉力的最小值為0.3 N，最大值為22.3 N，平均抗拉力為4.7±0.6 N。試驗發現，新銀合歡和馬桑根系的抗拉力均隨著直徑的增加而增大，但兩者的關系并非呈現完全線性的比例關系，而是有明顯的冪函數關系：I＝αDβ，α，β為經驗系數且α，β＞0。

如圖5所示，新銀合歡根系樣品抗拉強度的范圍從3.93 MPa到37.33 MPa，平均抗拉強度為12.69±0.79 MPa，抗拉強度與根徑之間的相關系數僅為－0.114（p＝0.37），相關性并不強。馬桑根系樣品抗拉強度的范圍從4.12 MPa到58.81 MPa，平均抗拉強度為19.51±1.45 MPa，馬桑根系的抗拉強度與根徑之間的相關系數為－0.535（p＜0.01），抗拉強度隨根徑的增加呈現遞減的對數函數規律。

圖4 新銀合歡、馬桑根系抗拉力與直徑關系

圖5 新銀合歡、馬桑根系抗拉強度與直徑關系

2.3 根系增強土體抗剪強度效應

利用新銀合歡和馬桑根系抗拉力與根徑擬合曲線（見圖4），分別計算出新銀合歡和馬桑標準根系（D＝2 mm）的抗拉力（35.4 N，24.8 N），將其換算為抗拉強度值（11.3 MPa，7.9 MPa），然后用RWM 模型來計算不同土層深度根系對土體抗剪強度的增加值。由表2可知，新銀合歡和馬桑的最大固土效應均出現在土壤表層（0—0.2 m），其中新銀合歡為12.97 k Pa，馬桑為10.86 k Pa，隨著土壤深度的增加，新銀合歡和馬桑根系對土體抗剪強度增加值均逐漸減小。在1.4—1.6 m 深度范圍內，新銀合歡根系對土體抗剪強度增加值最小，為0.05 k Pa，固土效應幾乎為0，所以新銀合歡的固土深度約為1.4 m。在0.6—0.8 m深度范圍內，馬桑根系對土體抗剪強度增加值最小，為0.08 k Pa，固土效應也幾乎為0，所以馬桑的固土深度約為0.6 m。

表2 根系對土壤抗剪強度的增加值

3 討論

3.1 根系抗拉特性與根徑之間的關系

植物根系通過發揮自身的抗拉特性以增強土體的抗剪強度，因此根系的抗拉性能是增強邊坡穩定性的重要因素［3］，也是根系固土的重要指標。影響根系抗拉特性的因素有很多，根徑是主要影響因素之一［17］，諸多學者開展了根系抗拉與根徑關系的研究。研究表明，根系的抗拉力隨根徑的增大而增大，且大多呈冪函數遞增關系［10］，本文中，新銀合歡和馬桑的根系抗拉力與根徑之間的關系均為冪函數遞增（R2分別為0.777 8和0.816 1），與大多數學者的研究結果一致。而根系抗拉強度與根徑之間尚未得出統一的結論，目前關于根系抗拉強度與根徑之間關系的結論主要有6 類：①冪函數遞減［14，18］；②指數函數遞減［6］；③對數函數遞減［10］；④逆函數遞減［19］；⑤線性相關［20］；⑥無明顯相關性［21］。本文中，新銀合歡的根系抗拉強度與根徑之間無明顯相關性（相關系數R＝－0.114），馬桑根系抗拉強度與根徑之間的關系為對數函數遞減（R2＝0.372 4）。筆者認為，各研究中抗拉強度—根徑關系不一致，是由多方面因素造成的，可主要分為植物自身因素、外部環境因素以及試驗設置因素。植物自身因素方面，植物種類不同，內在遺傳特性可能不同，從而導致不同植物根系在根徑相同的情況下，內在的組織結構和組成成分不同，而根系的組織結構和組成成分又直接影響到根系的抗拉強度，導致不同種類植物在根徑相同的情況下根系抗拉強度不同，從而可能導致不同的抗拉強度—根徑關系。同時，張超波等［22］人的研究表明，不同根系含水量僅改變了抗拉強度的大小，并未改變抗拉強度—根徑關系類別。外部環境方面，J.J.Ni［23］和Mahannopkul［24］分別研究了植株間距和土壤吸力對根系抗拉強度的影響，結果表明植株間距和土壤吸力均會影響根系抗拉強度的大小，但不會改變抗拉強度—根徑關系的類別。至于土壤質地、土壤含水量、土壤養分等外部環境因素對抗拉強度—根徑關系的影響，目前研究尚不多見，是未來值得人們深入研究的內容。試驗設置方面，李寧等［17］的研究表明，諸如根系標距、拉伸速率、根系保存時間等試驗設置因素僅改變抗拉強度的大小，并不改變抗拉強度—根徑關系類別。而李可等［6］的研究表明，隨著標距和拉伸速率的增大，抗拉強度—根徑關系類別可由冪函數關系變為指數函數關系。綜上所述，筆者認為，在植物自身因素、外部環境因素以及試驗設置因素綜合作用下，可導致根系抗拉強度與根徑之間關系復雜多變。

同時筆者發現，相較于抗拉力—根徑關系，抗拉強度與根徑之間的規律性并不強，在李可等［6］、田佳等［10］、曹云生等［21］的研究中均發現了這一點，筆者認為原因主要有兩方面：第一，由于抗拉強度除了受根徑的影響以外，還會受到其他因素的影響，如植物種類、根系年齡、根系生長速率、土壤水分含量、土壤質地、營養狀況等，即使對于同種根系同種根徑，由于周圍生長環境的差異，也可能產生不同的抗拉強度，從而產生根系抗拉強度與根徑之間規律性不明顯的現象。第二，抗拉強度是材料的固有屬性，對于均質材料，抗拉強度不隨材料尺寸（如直徑）的變化而變化。盡管大多數根系具有多相、非均勻和各向異性等生命特征，使得抗拉強度會受到根徑的影響，但其受尺寸效應的影響要比抗拉力更小。而且有研究表明，抗拉強度作為反映材料平均受力情況的指標在一定程度上不受根徑影響［21］。綜上所述，可知有時抗拉強度與根徑之間規律性不強。

3.2 對當地生物工程應用的啟示

通過根系挖掘，筆者發現新銀合歡和馬桑兩者的根系形態截然不同。從顏正平［25］對根系形態的分類角度分析，新銀合歡根系構型為垂直型，具有直而深的主根，側根較少。而馬桑根系構型為橫走型，具有較多的水平根和斜出根，分布形態大致平行于地表面。這兩種不同形態的根系在土層中發揮不同的固土效應。垂直型的新銀合歡根系固土深度較深，約為1.4 m，而本研究區內由于長期的水土流失現象，導致土層厚度較薄，部分新銀合歡根系可以穿透土層伸入下部基巖，發揮類似錨桿的作用，將上部松散土層錨固于基巖之上，但新銀合歡側根較少，導致根系網絡固土作用不強。橫走型的馬桑根系固土深度較淺，約為0.6 m，但其具有較多的水平根和斜出根，易與土壤中的其他根系形成網絡固土作用。蔣定生等［26］指出，植物根群在土體中呈網絡狀，可使土體抗沖性明顯提高。所以若將新銀合歡與馬桑結合起來，不僅可以發揮根系的錨固作用，增強邊坡土體穩定性，而且可通過根系網絡固土，增強土體的抗沖性。前人的研究表明，新銀合歡—馬桑種植模式對減少坡面水土流失作用良好［11-12］。然而，筆者通過野外考察發現，當地新銀合歡純林較多，鮮有新銀合歡與馬?；蚱渌锓N的混交林，原因可能是隨著新銀合歡林齡的增長，喬木層蓋度不斷增加，導致林下光照減少，不利于草灌層植物生長發育，從而逐漸形成了新銀合歡純林。陳愛民等［27］的研究表明，新銀合歡純林對改良土壤、提高土壤質量的效果較差，且隨著林齡的增長，新銀合歡純林中土壤結構穩定性會變差，土壤抗蝕性減弱，不利于水土流失的防治。因此，筆者建議，對于當地的新銀合歡純林，可以通過人工干預，適當地采伐部分林木，增加林下光照及林下空間，并引種馬桑等灌木和草本植物，增強植物根系網絡固土作用，不僅有利于提高邊坡穩定性，而且可改善土壤質量，提高土壤抗蝕性。

4 結論

（1）新銀合歡和馬桑不同徑級根系的主要分布范圍不同，其中新銀合歡＞5mm，2～5mm，＜2mm 徑級的根系分別分布在0—0.4，0—1.0，0—1.4 m 深度范圍內；馬桑＞5 mm 和2～5 mm 徑級的根系主要分布在0—0.4 m 深度范圍內，＜2 mm 徑級的根系分布在0—0.6 m 深度范圍內。新銀合歡3種徑級生物量總和是馬桑的近兩倍，新銀合歡和馬桑各徑級根系的生物量占總生物量的比例相似。

（2）新銀合歡和馬桑的RAR 均隨著土壤深度的增加而逐漸減少，其中，新銀合歡的RAR 值隨深度的變化趨勢符合指數函數形式，而馬桑的RAR 值隨深度的變化趨勢符合多項式函數形式。

（3）新銀合歡和馬桑的根系抗拉力均隨著直徑的增加而增大，均呈現出明顯的冪函數遞增關系。新銀合歡抗拉強度與根徑之間無明顯規律性，馬桑根系的抗拉強度與根徑之間呈現遞減的對數函數規律，但規律性不強。新銀合歡的平均抗拉強度（12.69±0.79 MPa）小于馬桑的平均抗拉強度（19.51±1.45 MPa）。

（4）新銀合歡和馬桑根系的固土效應最大值均出現在土壤表層（0—0.2 m），其中新銀合歡為12.97 k Pa，馬桑為10.86 k Pa。隨著土壤深度的增加，新銀合歡和馬桑根系對土體抗剪強度增加值均逐漸減小。新銀合歡根系固土深度較深，約為1.4 m，馬桑根系固土深度較淺，約為0.6 m。

（5）新銀合歡根系構型為垂直型，馬桑根系構型屬于橫走型，可將二者結合起來，不僅有利于邊坡穩定，而且可提高土體抗蝕性。