鄂州航空港通渠河岸植物根系加固土體的機理

黃 鋼, 鄭明新, 王 慶, 盧雪松, 彭 晶

(1.華東交通大學 土木建筑學院, 江西 南昌 330013; 2.黃岡師范學院 建筑工程學院, 湖北 黃岡 438000)

中國是山地大國，水土流失問題十分突出，且災情嚴重。生態護坡措施是防治水土流失的一種重要措施，在邊坡工程治理水土流失中植物根系發揮著重要的作用[1]。植物根系可以改善邊坡土壤結構，增強根土壤的抗蝕性、抗沖性和抗剪切性，提高邊坡的穩定性[2]。植物根系對邊坡表層土壤加固作用已成為當前生態環境領域研究的熱點。

目前，國內外學者探索植物根系對土體加固主要集中在根系的力學效應方面[3]。研究表明植物根系可使坡面表層土抗剪強度顯著提高[4]，根系主要通過增強土壤的黏聚力來提高土壤的抗剪強度[5]。根系在土體中延伸、穿插、交織分布，增強土層整體性，提高其抗沖性[6]。土壤抗侵蝕性、抗沖性與抗剪切性的提高主要通過植物根系的空間分布和力學特性及其與土壤的作用來實現[7]。根—土加固效果主要取決于根系形態分布，垂直于土體表面延伸的根系可以通過增加剪切面上根土體的抗剪強度來加固土體[8]。根系的作用依賴于其根系分布參數[9]。根系分布參數反應了植物根系在土中的分布特征和根系形態[10]。近年來，采用根長度密度(RLD)、根重量密度(RWD)和根面積比(RSAD)等[11-12]來表示根系分布參數。Fu等[13]研究了黃土地區根系分布參數隨深度的變化及對土壤抗剪強度影響。Vannoppen等[14]研究發現根長度密度(RLD)比根重量密度(RWD)更適合評價根系對土體的抗侵蝕性。但研究發現根重量密度(RWD)影響根系的固持力大小[15]，根系重量密度與土壤抗剪強度密切相關[16]。以上研究可知，雖然植物根系分布對土體有加固作用被大家所認知，但根系分布參數對邊坡表層土壤的強度影響規律如何，特別是對于植物邊坡淺層非飽和土而言，基質吸力不容忽視[17-18]。植物根系形態結構特征因物種和生長的環境條件不同而不同[19]。不同草灌植物根系分布參數對基質吸力規律的研究成果相對較少。目前還沒有形成共識。

本文以鄂州國際物流航空港馬湖水系統綜合治理工程通渠河岸某生態邊坡為對象，研究了植物根系對土的加固機理，采用根鉆取樣法探究了3種植物不同深度根分布參數變化規律，開展直剪試驗和張力計測試研究了根分布參數變化對抗剪強度指標和基質吸力的影響，定量探索河道植物根系對土加固效果。本次研究對河岸邊坡合理利用和發揮植物根系作用提供新的參考資料，對鄂州航空港通渠河岸淺表層邊坡的防治提供理論依據。

1 試驗材料與方法

1.1 研究區概況

馬湖水系統綜合治理工程是保障航空都市區和未來鄂州機場防洪安全的基礎性工程，河道整治和河道邊坡生態修復需要抵御20年一遇的洪水和50年一遇的暴雨。項目地處屬于北亞熱帶季風性濕潤氣候，夏季占全年降水量的40%，5月中旬至7月中旬為梅雨季節，地區年平均降水量1 282.8 mm，月最大降水量185 mm。該河岸邊坡為開挖形成的兩級邊坡，坡比為分別為1∶0.5，1∶1。一級邊坡高約為8 m，土體主要為中風化花崗巖，地質情況較好。二級邊坡高約為6 m，土體經過現場勘測試驗測得研究區為粉質黏土，邊坡防護為客土噴播的生態邊坡防護形式，采用植被生長1 a的狗牙根和香根草草本植物與紫穗槐的灌木植物相結合(見圖1)。

注：a 渠道生態邊坡; b 狗牙根根形態; c 紫橞槐根形態; d香根草根形態。

狗牙根(Cynodondactylon)：多年生草本植物，喜光耐旱耐瘠，生長期長，生活力強，繁殖力強，須根系發達，具有根匍匐莖，匍匐莖蔓延力強，蘗莖部形成蘗節，分蘗節上生不定根，耐頻繁的刈割，踐踏后易于復蘇。狗牙根植物在湖北翻壩高速等工程被使用，為良好的固坡保土植物。

香根草(Vetiveriazizanioides)：多年生草本植物，抗熱抗寒性強，可生長酸性和砂質等特殊土中，具有很強的繁殖能力，須根系發達，葉片茂盛，蓄水保土作用明顯，適宜在坡地、河岸種植護岸，防治水土流失。

紫穗槐(Amorphafruticosa)：多年生的落葉灌木，該植物耐旱、耐寒、耐鹽堿、耐濕、抗風沙、抗逆性能力極強，對土壤要求不嚴，在道路邊坡、河岸邊坡、鹽堿地均可生長。該植物根萌芽繁殖力強，根系發達，可深入土層2 m左右或更深，具有很好穩定邊坡和水土保持的能力。

根據根形態的分類[20]，狗牙根和香根草為草本植物，其根系分布類型符合M型(大多數根系分支并向不同方向延伸)。大多數的根系直徑小于2 mm，須根發達，和土壤結合較好，有利于土壤的加固。紫橞槐的根系分布類型符合VH型(主根發達，側根向水平方向延伸)，主根發達，側根豐富且大多數直徑大于2 mm。因此，灌木植物(紫橞槐)有利于邊坡的穩定和抗風作用。

1.2 試驗方法

1.2.1 根系分布特征 本試驗于2019年11月1到12月25日在鄂州市燕磯鎮的馬湖水系統綜合治理工程通渠河岸邊坡和黃岡師范學院建筑工程學院實驗室展開，從研究區的二級邊坡上選擇3種植物。在距坡面0—10，10—20，20—30，30—40，40—50，50—60，60—70 cm內用根鉆采集根土樣品，根鉆內徑為10 cm，每層5個樣品。用根土樣本來測量根系分布參數。先用水沖洗掉根土樣的土壤部分。根據3種根系直徑、長度和表面形狀等特征分揀3種植物根系，得到的根系放入保鮮袋中。由于3種植物死根含量極低(小于1%)，試驗選取的根系為活根。再使用WinRHIZO (Pro.200 4 c)根系分析系統確定根系指標：根長、平均根直徑、根表面積和根體積。根重量的獲取主要是采用烘干法：將根系置于烘箱中，在65 ℃下干燥48 h。

根據Murielle等[15]研究，根系分布參數采用根長度密度RLD、根重量密度RWD和根表面積密度RSAD3個參數來表示，公式如下：

(1)

式中：L為根在根鉆內長度(cm);V為根鉆體積(cm3)。

(2)

式中：W為根在根鉆內重量(g)。

(3)

式中：A為根在根鉆內的表面積(cm2)。

1.2.2 抗剪強度參數測定 分別在距坡面0—10，10—20，20—30，30—40，40—50，50—60，60—70 cm處采用鋁制飯盒采集原狀根—土樣品，每層4個樣品。利用南京土壤儀器廠生產的ZJ(三速)電應變控制直剪儀測量根—土復合體試樣的抗剪強度參數。依次施加垂直荷載100，200，300，400 kP。力環速率系數為1.5 kPa/0.01 mm。剪切速率為1.0 r/min。抗剪強度選擇曲線的峰值點剪切應力，或選擇相對應的剪切位移4 mm的剪切應力(如曲線上沒有明顯的峰值點)。試驗方法主要參照國家土工試驗標準方法。

1.2.3 基質吸力測試 植物邊坡根土部分因一般在地下水位線上淺層土體，為非飽和土。非飽和土是一種由固相、液相和氣相三相組成的土，氣相和液相的存在影響著土體的強度特性。非飽和土抗剪強度可按Fredlund等提出采用延伸的摩爾—庫倫公式來表示：

τ=σtanφ+(ua-uw)tanφb+c

(4)

式中：c和φ為有效應力強度參數;σ為凈法向應力和ua-uw為基質吸力;φb為隨基質吸力變化的剪切摩擦角,它一般都會隨著吸力的增加而減少,很難測定,一般取1/2φ。

基質吸力的測定儀器采用UGT張力計(見圖2)。UGT張力計是基于多孔瓷頭和壓力量測裝置組成的。在使用前先對張力計加滿蒸餾水，預加一定的正壓力得到基準壓力值。將張力計插入距坡面不同深度土中靜置10 min，待土中的吸力與陶瓷頭的吸力達到平衡時，測得土中的基質吸力值。最后確定的基質吸力為測得的基質吸力值減去預加的基準壓力值，每個深度的基質吸力測量3次，取平均值。分別距坡面5，15，25，35，45，55，65 cm處測定3種植物根土的基質吸力。

圖2 采用UGT張力計測試現場

1.2.4 數據統計分析 對試驗數據采用單因素方差分析(ANOVA)檢驗不同根—土復合體的抗剪強度指標和基質吸力的差異。試驗數據在IBM SPSS Statistics 23統計分析軟件中進行。

2 結果與分析

2.1 植物根系分布參數

不同深度處3種植物的根系分布參數見圖3。3種植物的根分布參數總體上隨著土體深度的增加而減少，且平均根表面密度RSAD差異達到顯著水平(p<0.05)。由圖3a可知，在深度為0—40 cm土層范圍內，平均根長密度RLD最大的是紫橞槐(1.35 cm/cm3)，其次是香根草(0.63 cm/cm3)，最小的是狗牙根(0.47 cm/cm3)。紫橞槐的平均根長密度RLD是香根草的2.13倍和狗牙根的2.90倍。在深度為40—60 cm土層范圍內，沒有狗牙根根系存在，紫橞槐的平均根長密度RLD是香根草的2.37倍。狗牙根在0—40 cm土層的的總根長密度占所有土層的總根長密度的99.99%，香根草占比70.12%，紫橞槐占比50.13%。由圖3b可知，香根草、紫穗槐10—20，20—30 cm土層的RWD均大于0—10 cm土層，狗牙根10—20 cm土層的RWD大于0—10 cm土層。土體表層(0—30 cm)的植物RWD明顯大于更深土層。紫橞槐重量密度RWD(0.59 g/cm3)在深度為0—40 cm土層范圍內分別是香根草RWD(0.27 g/cm3)的2.17倍和狗牙根RWD(0.23 g/cm3)的2.61倍。紫橞槐重量密度RWD在深度為40—70 cm土層范圍內明顯大于香根草。從圖3c可以看出，根表面密度明顯隨著土體深度的增加而減少。在深度為0—40 cm的土層范圍內，紫橞槐的平均根表面密度RSAD (0.17 cm2/cm3)分別是香根草RSAD(0.08 cm2/cm3)的2.19倍和狗牙根RSAD(0.06 cm2/cm3)的2.66倍。基于以上的分析可以看出，灌木植物(紫橞槐)的根系分布參數明顯大于草本植物(香根草、狗牙根)。

注：標準差值數字后的a,b,c為顯著性差異符號。a表示最大，b,c次之。下同。

2.2 抗剪強度參數

通過對不同土層深度的3種植物根—土復合體進行直剪試驗，測得抗剪強度參數(見圖4)。由圖4a可知，3種草灌植物黏聚力總體上隨著土體深度的增加而減少，但不顯著(p=0.925)。在土層10—20 cm內黏聚力大小依次為：紫橞槐根—土復合體>香根草根—土復合體>狗牙根—土復合體，而在20—30，30—40 cm土層的香根草根—土復合體黏聚力小于狗牙根—土復合體的。灌木(紫橞槐)根—土復合體黏聚力明顯大于草本(香根草和狗牙根)根—土復合體的黏聚力，分別是香根草根—土復合體平均黏聚力(27.61 kPa)的1.75倍、狗牙根根—土復合體平均黏聚力(26.07 kPa)的1.85倍。在深度為0—40 cm范圍，相對于狗牙根根—土復合體平均黏聚力(26.07 kPa)，紫橞槐根—土復合體平均黏聚力(48.25 kPa)提高了1.85倍。在深度為40～70 cm范圍內，紫橞槐(26.71 kPa)的黏聚力增強效果明顯大于香根草(15.38 kPa)。說明灌木植物(紫橞槐)根—土復合體黏聚力明顯大于草本植物(香根草和狗牙根)。從圖4b可以看出3種植物根—土復合體內摩擦角總體上隨著土體深度的增加而減少，且呈顯著水平(p<0.05)。在3種植物根—土復合體在不同深度下，內摩擦角變化不大。說明草灌物種對土體的內摩擦角影響較小。

圖4 植被邊坡不同深度根土的抗剪強度參數

植物根系分布參數影響著其抗剪強度參數，3種植物根土抗剪強度參數與根系分布參數的關系和顯著性見圖5。圖5a可知，黏聚力與RLD，RWD，RSAD回歸分析的擬合參數分別為0.94，0.83，0.88。3種根系分布參數的黏聚力差異達到顯著水平(p<0.05)。黏聚力與RLD滿足多項式函數關系，RLD主要集中在0.43～0.9 cm/cm3范圍內；黏聚力與RSAD滿足多項式函數關系，RSAD主要集中在小于0.1 cm2/cm3范圍內，在這些范圍內，黏聚力快速增加。黏聚力與RWD滿足線性函數關系。說明RWD的增加有利于固土作用且滿足線性關系，與Marie等[15]結果生物量和抗剪強度一致呈線性關系一致。土壤內摩擦角的增大較黏聚力速率緩慢(圖5)。土壤內摩擦角與草灌根系分布參數呈線性關系，但土壤內摩擦角差異未達到顯著性水平(p>0.05)。這主要是因為草灌植物根系纖維細胞對土壤顆粒影響有關，增加的根系纖維細胞微生物活動增加土壤的團聚，對的土壤表面摩擦力和土顆粒咬合力影響較小。

注：a—c為黏聚力與根分布參數的回歸分析； d—f為內摩擦角與根分布參數的回歸分析。

2.3 基質吸力

由圖6可知，草本植物(香根草和狗牙根)根—土復合體的基質吸力隨著土體深度的增加而減少，而灌木植物(紫橞槐)根—土復合體的基質吸力隨著深度的增加呈現先增加后減小趨勢。在深度為0—20 cm，香根草根—土復合體平均基質吸力(100 kPa)和狗牙根根—土復合體平均基質吸力(91.5 kPa)均高于紫橞槐根—土復合體平均基質吸力(89 kPa)。在深度為20—70 cm范圍內灌木植物(紫橞槐)根—土復合體的基質吸力明顯大于草本(香根草和狗牙根)根—土復合體的基質吸力。在表層(0—20 cm)草本植物(香根草和狗牙根)提高土體基質吸力強于灌木(紫橞槐)的，但在灌木(紫橞槐)在深度為20—70 cm范圍內提高的土體基質吸力強于草本植物(香根草和狗牙根)。

圖6 植被邊坡不同深度根土的基質吸力

圖7為基質吸力與3種植物根系分布參數的回歸分析。根系分布參數RLD和RSAD的基質吸力差異達到顯著性水平(p<0.05)。圖7a可知，草本植物狗牙根和香根草根土基質吸力隨著RLD的增加總體呈增大趨勢，兩者滿足線性函數關系(p<0.05)。這說明草本植物RLD的增加可以增大基質吸力。灌木紫橞槐根土基質吸力隨著RLD的增加呈先增大，出現峰值后隨著RLD的增加而減小趨勢，兩者滿足二階多項式函數關系(p<0.05)。這說明灌木植物RLD的增加可以增大基質吸力，但是超過臨界值后，基質吸力就會降低。見圖7c中草灌植物根—土RSAD對基質吸力的影響與RLD相同。圖7b的RWD與基質吸力關系滿足線性關系，兩者的關系不顯著(p>0.05)。這說明RLD和RSAD的改變顯著影響了基質吸力，可能是由于根系的長度和根土面積比影響了根系和土壤的接觸面積，根土的接觸面積影響根系在土壤中的吸水面積，從而影響著土壤基質吸力[11]。

圖7 基質吸力與根分布參數的回歸分析

3 討 論

3.1 植物根系對土加固機理分析

土壤沖刷是河岸最嚴重的環境問題之一[21]，影響著河道的暢通和周邊生態環境的穩定[22]。由于南方春夏暴雨頻繁，在暴雨過程中或河道水位的上升會出現坡面侵蝕和巨大的土壤流失。大量的研究證實，河岸植物根系具有減少徑流和土壤流失的潛力[23-24]。通過本文得知草本植物香根草細根(d<2 mm)根系的加筋和和灌木植物紫橞槐粗根(d>2 mm)錨固，可以增加土壤與根系的黏聚力。這是由于根徑越大，根系越深，根土界面摩擦力就越大，進而對土壤的摩擦錨固作用就越強[5]。草本植物狗牙根須根(d<1 mm)還可以阻止了土壤顆粒的分散，提高了土壤的抗侵蝕性，從而保證河岸邊坡的整體穩定性[25]。在淺層，植物根系的基質吸水作用可降低土壤的孔隙水壓力(機械—水文效應)的作用提供了這種加固[2]。并且由于根系錯綜盤結、縱橫交錯貫穿于土體中，起到加筋作用，提高河岸邊坡的耐沖性和抗侵蝕性[26]。鄂州航空港通渠河岸植物根系的存在顯著提高了土體的抗剪強度，這種增強作用主要是通過增加黏聚力和基質吸力來實現的。

3.2 根系分布參數的影響

植物根分布參數對抵抗降雨或河水上漲的侵蝕具有重要影響。本研究發現3種草灌植物根分布參數RSAD隨著深度增加而顯著降低趨勢；狗牙根植物RLD和草灌植物RWD先隨著深度的增加呈先增加，到峰值后降低。而Jin等[11]得出灌木植物RWD隨著深度的增加而減小趨勢，這可能是作者選用的灌木苜蓿(MedicagoSativa)和本文的紫橞槐物種不同，根系對養分和水分的吸收能力不同，所以重量不同。Fu等[13]研究草灌植物RLD與深度呈指數關系，本研究的狗牙根植物RLD與深度不滿足指數關系，這可能反應本文研究的3種草灌植物與Fu等研究的檸條錦雞兒和霸王灌木植物物種的不同，需要進一步的研究來解釋這些差異。根分布參數對黏聚力的影響也和Jin等[11]研究成果有差異。Jin等[11]認為根分布參數與黏聚力的關系滿足線性關系，而本文研究RLD，RSAD與黏聚力的關系滿足二次多項式函數關系的結論更為合理，其相關系數更大。這說明植物根—土復合體存在一個最優的根系密度，使根系土壤的黏聚力達到最大。本研究得出基質吸力與根系分布參數總體滿足多項式或線性函數關系的結果是未考慮含水量的影響，張偉偉等[5]認為草本植物根系對土壤的基質吸力的影響受降雨影響。植物根系的含水量與土壤的含水量的差值決定了根系的吸水能力，從而影響土壤的基質吸力[27]。本研究表明植物根系可以提高河岸邊坡的黏聚力和基質吸力，要確定植物根對土體的固土效果，還需進一步研究根長密度、根重量密度和根系表面積密度哪一因素起主導作用，以及3種根土分布參數對不同含水量根土基質吸力的研究。

鄂州航空港通渠河岸植物根系發達，草灌植物根土復合體抗剪強度的增加，可有效減少坡面土壤侵蝕和水土流失。灌木植物根—土復合體試樣中最優含根量的確定，對于在鄂州航空港通渠開展河岸植被恢復的指導意義主要表現在：在開展河岸生態修復中可起到科學指導植物種植的作用。通過對種植植物的間距、密度等方面進行控制根系分布參數，進而實現植物根系在土體中接近或達到最優含根量，有助于最大限度地實現草灌植物根系的護坡作用，為鄂州航空港通渠河岸植被修復提供新思路。

4 結 論

(1) 3種草灌植物根系分布特征參數總體上隨著土體深度的增加而減少。在深度為0—40 cm土層范圍內，灌木植物(紫橞槐)根系分布數(RLD：1.35 cm/cm3，RWG：0.59 g/cm3，RSAD：0.17 cm2/cm3)分別是香根草(RLD：0.63 cm/cm3，RWG：0.27 g/cm3，RSAD：0.08 g/cm3)的2.13～2.19倍和狗牙根(RLD：0.47 cm/cm3，RWG：0.23 g/cm3，RSAD：0.06 g/cm3)的2.61～2.90倍。

(2) 草灌植物黏聚力上隨著土體深度的增加而減少；灌木植物(紫橞槐)根—土復合體黏聚力明顯大于草本植物(香根草和狗牙根)。黏聚力與RLD和RSAD滿足多項式函數關系。黏聚力在RLD為0.43～0.9 cm/cm3和RSAD小于0.1 cm2/cm3范圍內快速增加，3種根系分布特征參數的黏聚力差異達到顯著水平(p<0.05)。土壤內摩擦角的增大較內聚力速率緩慢。土壤內摩擦角與草灌根系分布參數關系呈線性關系，但差異未達到顯著水平(p>0.05)。

(3) 草本植物根—土復合體的基質吸力隨深度的增加而減少，而紫橞槐根—土復合體的基質吸力隨深度的增加呈先增加后減小。基質吸力隨著草本植物RLD和RSAD的增加而增大。灌木植物(紫橞槐)RLD和RSAD對土體基質吸力的增強作用存在最優含根密度，根—土復合體含根密度為最優含根密度時其基質吸力可至相對最大值。根系分布參數RLD和RSAD的基質吸力差異達到顯著水平(p<0.05)。

本研究主要對河岸邊坡植物的根系形態和根系分布進行了研究，由于根系分布的影響隨植物生長時間的變化而變化和試驗條件的限制，未進行不同時空草灌植被根系的固土分析。今后應加強河岸邊坡植物根系固土的系統性研究。且河岸土壤水分作為一個重要因素，影響根系的生長、分布和根系固土作用，其影響作用較為復雜，為是今后研究的主要內容。