常見(jiàn)護(hù)坡植物的根土復(fù)合體力學(xué)特性分析★

何鑫南 董晨霄 耿嫣然 余佳遠(yuǎn) 繆穎妍 郭俊英

(浙江農(nóng)林大學(xué)風(fēng)景園林與建筑學(xué)院，浙江 杭州 311300)

近年來(lái)，中國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅猛，包括浙江在內(nèi)的全國(guó)各省市自治區(qū)加大對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施等領(lǐng)域的投資力度。此類工程開(kāi)展過(guò)程中不可避免的開(kāi)山、造路活動(dòng)，產(chǎn)生了各類工程邊坡。邊坡的存在不但增加了水土流失、滑坡、泥石流的發(fā)生頻率與危害強(qiáng)度，也容易造成局部小氣候的惡化及生物鏈的破壞等生態(tài)災(zāi)害，嚴(yán)重危害人們生命財(cái)產(chǎn)安全。因此，人們?cè)絹?lái)越重視工程建設(shè)中的生態(tài)建設(shè)和環(huán)境保護(hù)，提出了邊坡生態(tài)防護(hù)的概念。開(kāi)展植物根系增強(qiáng)邊坡土體強(qiáng)度力學(xué)效應(yīng)研究，通過(guò)室內(nèi)外試驗(yàn)進(jìn)行分析對(duì)比，評(píng)價(jià)植物根系對(duì)土體強(qiáng)度的力學(xué)增強(qiáng)效應(yīng)，具有重要的理論價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。

1 植物選取

1.1 護(hù)坡植物選取原則

試驗(yàn)需要科學(xué)選取植被，由于不同種類的植物生長(zhǎng)速度、根系類型、植株大小，對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性有很大的差異，根據(jù)本區(qū)域的氣候特征和土壤類型，本研究所選植被遵循以下的原則：

1)根系生長(zhǎng)速度快，能迅速形成“戰(zhàn)斗力”；2)根系抗剪、抗拉性能好；3)抗旱性、抗寒性、抗貧瘠性、抗病蟲(chóng)害性強(qiáng)；4)自持力強(qiáng)，對(duì)后期人工維護(hù)需求低；5)非稀少類植物，種子與種苗易獲取，成本較低。

1.2 護(hù)坡植物選取

根據(jù)以上原則，本次實(shí)驗(yàn)我們選取以下4種常見(jiàn)固土護(hù)坡植物進(jìn)行研究(如圖1所示)。

五節(jié)芒是禾本科芒屬多年生草本植物，根系為散生根系，根系深度范圍在0 cm～30 cm。它在山坡土、道路邊、溪流旁及開(kāi)闊地成群滋長(zhǎng)，其地下莖發(fā)達(dá)，能適應(yīng)各種土壤，地上部被鏟除或火燒后，地下莖照樣能長(zhǎng)出新芽，自持能力強(qiáng)。

高羊茅是禾本科羊茅屬多年生地被植物。高可達(dá)120 cm，根系為散生根系，根系深度范圍在0 cm～25 cm。耐高溫，喜光，耐半陰，抗逆性強(qiáng)，耐酸、耐瘠薄，抗病性強(qiáng)。

馬棘是豆科木藍(lán)屬半灌木。高1 m～3 m，主根系縱向生長(zhǎng)較淺，深達(dá)30 cm～60 cm，主根直徑0.2 cm～0.7 cm，根系發(fā)達(dá)，入土深，適合用于緩坡但水土流失較為嚴(yán)重的邊坡上種植。馬棘非常耐瘠薄，是自然環(huán)境修復(fù)的選用植物之一。

白三葉是豆科車軸草屬短期多年生草本植物。高10 cm～30 cm，主根短，側(cè)根和須根發(fā)達(dá)，十分密集，根系深度范圍在0 cm～15 cm。適應(yīng)性廣，抗熱抗寒性強(qiáng)，可在酸性土壤中旺盛生長(zhǎng)，也可在砂質(zhì)土中生長(zhǎng)，喜陽(yáng)耐陰，為栽培植物。

2 土體測(cè)定方法

2.1 草本植物測(cè)定方法

對(duì)草本植物根部區(qū)域使用取樣器取土，其筒狀土壤樣品直徑與環(huán)刀相符，可切成高度為2 cm的圓柱體土塊，塞入60的環(huán)刀中。土壤樣品長(zhǎng)度在12 cm左右，能基本滿足選取植物根系深度的要求。為了研究植物根系在不同深度的分布情況，將不同深度的環(huán)刀中的植物根系剝離土壤，進(jìn)行稱重，得到該植物在不同深度的含根率r，計(jì)算公式如式(1)所示：

(1)

其中，r為含根率，%，精確至0.1%；m1為標(biāo)準(zhǔn)環(huán)刀土樣質(zhì)量，g；m2為土樣內(nèi)根系質(zhì)量，g；m0為環(huán)刀質(zhì)量，g。

為了貼合植物生長(zhǎng)實(shí)際情況，使數(shù)據(jù)更加精確，對(duì)根系分布通常較淺的白三葉取0 cm～2 cm,2 cm～4 cm和4 cm～6 cm進(jìn)行測(cè)定；對(duì)根系分布通常較深的高羊茅和五節(jié)芒取2 cm～4 cm,4 cm～6 cm和6 cm～8 cm進(jìn)行測(cè)定。通過(guò)對(duì)每種植物取20組試樣進(jìn)行測(cè)定，取平均值，得到各類草本植物在不同深度下的含根率如表1所示。

表1 試驗(yàn)區(qū)草本植物含根率測(cè)定結(jié)果

其中，白三葉在0 cm～2 cm的最大值1.28%，最小值為0.57%；在2 cm～4 cm的最大值0.48%，最小值為0.17%；在4 cm～6 cm的最大值為0.37%，最小值為0.10%。高羊茅在2 cm～4 cm的最大值1.21%，最小值為0.36%；在4 cm～6 cm的最大值0.55%，最小值為0.17%；在6 cm～8 cm的最大值為0.29%，最小值為0.09%。五節(jié)芒在2 cm～4 cm的最大值1.71%，最小值為0.74%；在4 cm～6 cm的最大值1.11%，最小值為0.47%；在6 cm～8 cm的最大值為0.81%，最小值為0.23%。

2.2 灌木植物測(cè)定方法

在使用取土器對(duì)灌木植物取樣時(shí)，發(fā)現(xiàn)灌木植物的根系較草本植物硬度高、直徑大，用取樣器無(wú)法切斷，取出的土樣往往被擾動(dòng)而非原狀土。因此，對(duì)于灌木植物的根土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度測(cè)定使用重塑法，即將土填進(jìn)環(huán)刀內(nèi)，并保持所有進(jìn)行試驗(yàn)的土樣密度為1.72 g/cm2，以減少實(shí)驗(yàn)操作中的誤差。為研究含根率的影響，并模擬實(shí)際的生長(zhǎng)情況，在不同組別的土樣中插入不同數(shù)量的長(zhǎng)度為2 cm、直徑為2 mm的該灌木根系，保證其含根率分別為0.4,0.2和0.1。

2.3 抗剪強(qiáng)度測(cè)定與指標(biāo)

根據(jù)不同草本植物的含根率，選擇0 cm～2 cm,2 cm～4 cm,4 cm～8 cm和6 cm～8 cm中的三個(gè)深度，測(cè)試含根率對(duì)根土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度的影響，同時(shí)對(duì)處于原狀土狀態(tài)的裸土進(jìn)行測(cè)試，驗(yàn)證根土復(fù)合體在抗剪強(qiáng)度上優(yōu)于裸土。本項(xiàng)目通過(guò)室內(nèi)直剪試驗(yàn)法，使用應(yīng)變控制式直剪儀測(cè)定土體的抗剪強(qiáng)度，計(jì)算公式見(jiàn)式(2)：

(2)

其中，C為測(cè)力計(jì)率定系數(shù)，N/0.01 mm；R為測(cè)力計(jì)讀數(shù)，0.01 mm；A0為試樣斷面積，cm2。

在進(jìn)行直剪試驗(yàn)的時(shí)候，通過(guò)施加不同的垂直壓力(50 kPa,100 kPa,200 kPa,300 kPa)施加水平剪切力進(jìn)行剪切，測(cè)得土樣剪切破壞時(shí)的剪應(yīng)力，即為抗剪強(qiáng)度。將四個(gè)點(diǎn)通過(guò)最小二乘法可擬合成一條直線，從而根據(jù)庫(kù)侖定律計(jì)算出土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)：內(nèi)摩擦角和粘聚力，計(jì)算公式如式(3)所示：

τ=c+σtgφ

(3)

其中，τ為土的抗剪強(qiáng)度，kPa；c為土的粘聚力，kPa；σ為土體受的垂直壓力，kPa；φ為土的內(nèi)摩擦角，(°)。

3 試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)據(jù)

分別對(duì)三種草本植物以表1的深度取樣，設(shè)定每組樣本數(shù)為20個(gè)，進(jìn)行抗剪強(qiáng)度指標(biāo)和含根率測(cè)定，取平均值，得到根土復(fù)合體的抗剪強(qiáng)度與含根率的關(guān)系圖；同時(shí)，對(duì)灌木植物馬棘以重塑土的方式模擬其自然狀態(tài)下的根系形式，保持其含根率為0.1%，0.2%和0.4%，每組樣本數(shù)為20個(gè)，取平均值，得到根土復(fù)合體的抗剪強(qiáng)度和含根率的關(guān)系圖，如圖2所示。

對(duì)白三葉使用最小二乘法進(jìn)行擬合，得出其線性方程為：y=0.885x+26.84，確定系數(shù)R2為0.943 5。

對(duì)高羊茅使用最小二乘法進(jìn)行擬合，得出其線性方程為：y=1.79x+22.143，確定系數(shù)R2為0.993 1。對(duì)馬棘使用最小二乘法進(jìn)行擬合，得出其線性方程為：y=1.94x+25.137，確定系數(shù)R2為0.920 7。對(duì)五節(jié)芒使用最小二乘法進(jìn)行擬合，得出其線性方程為：y=2.105x+29.263，確定系數(shù)R2為0.901 5。以上四種植物的擬合線性方程的確定系數(shù)R2都大于0.9，說(shuō)明擬合較好，數(shù)據(jù)的可信度高。

4 數(shù)據(jù)分析

由表1可知，植物的含根率隨深度增加而減少，而不同植物根系分布情況存在差異性。為了更清晰地比對(duì)不同植物根土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度指標(biāo)與含根率的關(guān)系，制定統(tǒng)一的含根率等級(jí)。對(duì)根系分布通常較淺的白三葉，含根率一級(jí)、二級(jí)和三級(jí)分別是深度為0 cm～2 cm,2 cm～4 cm和4 cm～6 cm的自然土體；對(duì)根系分布通常較深的高羊茅和五節(jié)芒，含根率一級(jí)、二級(jí)和三級(jí)分別是深度為2 cm～4 cm,4 cm～6 cm 和6 cm～8 cm的自然土體。裸土為該種植物生長(zhǎng)區(qū)域內(nèi)不含根系的自然土體。

對(duì)四種植物根土復(fù)合體和裸土的抗剪強(qiáng)度數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，計(jì)算出四種植物根土復(fù)合體和裸土的內(nèi)摩擦角和粘聚力，得到根土復(fù)合體和裸土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 四種植物根土復(fù)合體與裸土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)表

對(duì)表2所示的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。由圖2可知，在相同條件下，隨著含根率的增加，四種植物根土復(fù)合體的抗剪強(qiáng)度呈一致性地規(guī)律變化，即含根率增大時(shí)，根土復(fù)合體的抗剪強(qiáng)度顯著增加，說(shuō)明根系能夠起到增強(qiáng)土體抗剪強(qiáng)度的作用；由表2可知，四種植物根土復(fù)合體的內(nèi)摩擦角和粘聚力均明顯高于裸土，且變化趨勢(shì)為隨著含根率的增大而增大，與圖2抗剪強(qiáng)度的變化趨勢(shì)一致。

在抗剪強(qiáng)度增量方面，由表2數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，白三葉含根率每增大1%，抗剪強(qiáng)度提高2.32 kPa；高羊茅含根率每增大1%，抗剪強(qiáng)度提高9.17 kPa；五節(jié)芒含根率每增大1%，抗剪強(qiáng)度提高5.85 kPa；馬棘含根率每增大1%，抗剪強(qiáng)度提高13.3 kPa。說(shuō)明馬棘根土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度隨著含根量的增加，抗剪強(qiáng)度的增加值最大，然后是高羊茅、五節(jié)芒和白三葉。

隨著深度的變化，粘聚力的增幅大于內(nèi)摩擦角的增幅。對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，白三葉的含根率每增加1%，粘聚力和內(nèi)摩擦角平均增加3.12 kPa和1.13；高羊茅的含根率每增加1%，粘聚力平均增加7.08 kPa和1.64；五節(jié)芒的含根率每增加1%，粘聚力平均增加7.08 kPa和0.74；馬棘的含根率每增加1%，粘聚力平均增加7.93 kPa和2.7。說(shuō)明馬棘根土復(fù)合體隨著含根量的增加，粘聚力和內(nèi)摩擦角的增加值最大，然后是高羊茅、五節(jié)芒和白三葉。與圖2不同植物根土復(fù)合體粘聚力和內(nèi)摩擦角的變化趨勢(shì)一致。

這說(shuō)明土體的抗剪強(qiáng)度由粘聚力和內(nèi)摩擦角決定，植物根系主要通過(guò)增加土體的粘聚力和內(nèi)摩擦角增強(qiáng)土體抗剪強(qiáng)度。且在進(jìn)行試驗(yàn)的四種植物中，馬棘的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)對(duì)含根率變化最敏感。

5 結(jié)論

本項(xiàng)研究以杭州臨安地區(qū)為例，對(duì)浙江農(nóng)林大學(xué)范圍內(nèi)生長(zhǎng)的適宜本地區(qū)環(huán)境的固土護(hù)坡植物白三葉、高羊茅、五節(jié)芒和馬棘進(jìn)行了植物生長(zhǎng)特性與根系形態(tài)的觀察統(tǒng)計(jì)、含根率測(cè)定、植物生長(zhǎng)區(qū)域自然土體與根土復(fù)合體力學(xué)特征測(cè)定，得出以下結(jié)論：

1)通過(guò)對(duì)四種植物進(jìn)行植株觀測(cè)和根系開(kāi)挖的持續(xù)觀察統(tǒng)計(jì)，得出各類植物的平均株高與根系形態(tài)及分布范圍。具體為：白三葉平均株高20 cm，為水平須根系，根系發(fā)達(dá)密集，深度0 cm～10 cm；高羊茅平均株高35 cm，為豎直須根系，根系深度0 cm～25 cm；五節(jié)芒平均株高1 m，其地下莖發(fā)達(dá)，為豎直須根系，根系深度0 cm～30 cm；馬棘平均株高70 cm，為直根系，主根深度30 cm～60 cm。

植物含根率隨著深度增大呈下降趨勢(shì)，以白三葉為代表的淺根系植物含根率隨深度增大的降幅較大；以馬棘為代表的深根系植物的含根率隨深度增大的降幅較小。

2)通過(guò)室內(nèi)直接剪切試驗(yàn)法測(cè)定四種植物生長(zhǎng)區(qū)域自然土體和根土復(fù)合體的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)。四種植物根土復(fù)合體的抗剪強(qiáng)度、內(nèi)摩擦角和粘聚力均顯著高于裸土，且變化趨勢(shì)為隨著含根率的增大而增大。說(shuō)明植物根系的加筋和錨固作用能夠顯著增加土體的穩(wěn)定性和抗剪強(qiáng)度。

3)對(duì)四種植物不同含根率的根土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度指標(biāo)測(cè)定結(jié)果進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)馬棘的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)對(duì)含根率變化最敏感，即隨著含根率的增大，馬棘根土復(fù)合體的抗剪強(qiáng)度、內(nèi)摩擦角和粘聚力增量值最大，其次是高羊茅、五節(jié)芒和白三葉。

在邊坡上將不同類型的植物復(fù)合種植，可使不同類型的根系作為一個(gè)整體共同作用，能夠?qū)ν寥榔鹬^固和加筋的復(fù)合作用：馬棘、五節(jié)芒、高羊茅的根系以豎直生長(zhǎng)為主，具有一定的抗拉能力，起錨固作用；白三葉的根系以水平生長(zhǎng)為主，在土壤中起加筋作用，并保持邊坡土壤表層的穩(wěn)定。當(dāng)以上四種植物種植于邊坡上，不僅能通過(guò)各類根系的共同作用增強(qiáng)土體抗剪強(qiáng)度，滿足邊坡表層穩(wěn)定的要求，又能利用植物的生長(zhǎng)力修復(fù)被破壞的自然生態(tài)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)理想的生態(tài)護(hù)坡。