西宁盆地两种灌木植物原位拉拔试验及其护坡效应

李臻，余芹芹，杨占风，乔 娜，李国荣，朱海丽，张 莹，毛小青，胡夏嵩

(青海大学地质工程系，西宁810016)

随着我国西部大开发战略的实施，交通、水电等工程建设的增多，大量的边坡开挖造成了植被的破坏和边坡的失稳，生态坏境更加恶化。如何使基础设施建设与环境保护协调发展则是一项重要的任务[1]。西宁作为青海省会城市，近年来随城市基础设施建设的不断发展，如何科学合理地保护城市地质环境，防治滑坡、崩塌、泥石流等地质灾害的发生是一项重要任务，也是实现基础工程建设与自然环境协调发展的需要。植被已广泛应用于边坡防护中，植被一方面能起到减小或阻止坡面水土流失现象[2]，另一方面能够提高坡体的抗剪强度[3-4]，从而提高边坡的稳定性。国内外学者从植物单根拉伸、剪切试验[5-7]，根-土复合体抗剪强度[8-11]，根系加强土体强度数值模拟[12-14]等方面进行了大量的研究。

本文通过对种植在试验区两种灌木植物地上、地下生长指标的对比以及现场原位拉拔试验研究，来评价试验区灌木根系对边坡土体稳定性的贡献。

1 试验区基本概况

西宁盆地地处青海东部湟水河流域河谷，降水量少，蒸发强烈，具有典型的高原大陆性气候[15]。多年平均降雨量为350 mm，蒸发量为1 235.6 mm[16]。试验区地质地理条件复杂，人口集中且周边居民经济活动频繁。每逢雨季暴雨季节，易诱发滑坡、崩塌、泥石流等不同规模的地质灾害，给研究区及其周边居民的生命财产安全构成了一定威胁[8]。试验区设在西宁城北二十里铺青海大学农林科学院，种植灌木植物坡体坡度约30°，属于人工堆积的土质边坡，坡向属半阴半阳[15]。

2 试验材料和方法

2.1 试验材料选取

根据试验区气候条件和适合当地气候条件的灌木植物分布类型，筛选出柠条锦鸡儿(Caragana korshinskii)、霸王(Zygophyllum xanthoxy lon)2 种灌木作为试验供试种。这两种灌木植物具有多年生，矮丛生，抗逆性强，抗寒旱，耐盐渍，根系发达且其地下生长强度大，吸收土壤深层水分能力强等特性。

2.2 试验方法

根据该项研究需要，设有2个试验小区，试验种植区面积尺寸均为1 m×1 m。供试种于2007年6月以穴播方式种植，穴距为5 cm，播种深度为1～2 cm。

试验期间分别于2008年6月和2009年6月对种植在试验区的2种灌木株高等地上生长量进行统计，同时进行了野外现场根系拉拔试验，测定出了2种灌木最大抗拔力，并测量了其对应的最大根长、最大根径，统计侧根数。拉拔试验步骤如下:在试验区内选择生长正常的柠条锦鸡儿和霸王两种灌木植物，将其灌木地上部分夹持在传感器下端的夹具上，然后通过传感器对灌木施加拉力，直至整株灌木被拔出，通过传感器由试验数据采集显示仪显示得出抗拔力值。

3 结果与分析

3.1 灌木植物不同生长期生长指标对比

试验区2种灌木其地上、地下部分基本生长指标及其随年度间的变化情况如表1所示。

由表1可看出，生长2 a的柠条锦鸡儿比生长1 a的株高增高6.04 cm，根长增加3.98 cm，根径增加0.86 mm，侧根数增加11个;生长2 a的霸王比生长1 a的株高增高17.5 cm，根长增加3.99 cm，根径增加2.56 mm，侧根数增加6个。

表1 试验区柠条锦鸡儿和霸王生长指标测量结果

试验区其灌木可视为上置的悬臂梁，如图1所示。AB等同于灌木植物的地上部分，A以下为固定在地下的灌木植物根系部分。当灌木受到水平方向的水平风力Fi时，在A点处产生弯矩M。当合力∑Fi大于含根土体的抗剪力Fk时，边坡土体便会发生剪切破坏。当弯矩M大于土体的抗弯矩Mk时，灌木会发生倾覆，带动土体发生变形位移。其中，当风的强度一定时，株高AB越高，∑Fi和M 就越大，含根土体越易发生剪切破坏和倾覆，这将不利于边坡的稳定。由表1可知，生长1 a的柠条锦鸡儿的平均株高与同生长期霸王的平均株高相近，生长2 a的柠条锦鸡儿的平均株高比霸王小11.87 cm，存在显著的差异。因此从株高考虑，试验区柠条锦鸡儿相对于霸王其护坡作用较为显著。

图1 试验区灌木植物受风力作用时力学示意图

根系-土壤的相互作用，能够增加土体抗剪强度[17-18]。试验区2种灌木种根长愈长，侧根数愈多，则根-土相互作用就愈显著，含根土体抗剪强度也就愈大，从而有利于边坡稳定。由表1可知，相同生长期的柠条锦鸡儿最大根长较霸王长约9 cm;生长期为1 a的柠条锦鸡儿的侧根数与相同生长期霸王的侧根数相近，而生长期为2 a的柠条锦鸡儿的侧根数较霸王多4个，存在较显著的差异。因此从最大根长与侧根数考虑，试验区柠条锦鸡儿相对于霸王其护坡作用相对显著。

根系的抗拉强度随根径的增大而减小[19]。根径愈小，根系抗拉强度愈大，则其固坡效果相对愈显著。由表1可知，相同生长期的柠条锦鸡儿最大根径较霸王小约3～5 mm。因此从根径考虑，试验区柠条锦鸡儿相对于霸王其护坡作用显著。通过对试验区2种灌木植物生长指标等综合因素考虑，试验区柠条锦鸡儿较霸王护坡效果相对显著。

试验区2种灌木植物地上、地下生长指标随生长期变化关系如图2所示。

图2 试验区柠条锦鸡儿生长指标

由图2可知，随着生长期的增加，柠条锦鸡儿和霸王的株高、根长、根径、侧根数都呈增加趋势，其中株高和侧根数相对增加明显，根长和根径变化不明显。

3.2 拔出力与生长期之间的关系

试验区土体的基本物理性质指标为土体平均密度为1.65 g/cm3，土体平均孔隙度为54.0%，土体平均含水率为20.1%，土体类型为粉土。野外原位拉拔试验得出，试验区生长期为1 a的柠条锦鸡儿平均拔出力为64.97 N，生长期为2 a的为139.49 N;生长期为1 a的霸王平均拔出力为94.69 N，生长期为2 a的为160.11 N。试验区2种灌木植物拔出力与其生长时间的关系如图3所示。

由图3可知，随着生长时间的增加，霸王和柠条锦鸡儿的拔出力都呈显著增大趋势。生长期为1 a和2 a的霸王其拔出力均大于同生长期的柠条锦鸡儿的拔出力。研究表明，拔出力受根系构型、受力单根的极限抗拉力及作用根系数量的影响[18]。由于试验区生长期1～2 a的柠条锦鸡儿和霸王两种灌木，其根系构型分属深根主直根型和浅根主直根型，故霸王在其生长过程中较柠条锦鸡儿根系吸收坡体浅层土体水分的能力相对显著，除了形成具有较发达的主直根系外，其水平方向侧根系亦相对于柠条锦鸡儿发达。在试验区通过对上述两种灌木根系生长剖面观察，霸王的侧根和毛细根数量和发育程度等相对于柠条锦鸡儿显著。因此在试验区坡体含水量一定的条件下，试验得到的霸王根系拔出力相对柠条锦鸡儿略大。根系拔出力的大小反映了根-土相互作用的强度，因此拔出力愈大，其根系愈有利于边坡土体的稳定性，因此试验区霸王较柠条锦鸡儿其护坡作用显著。

图3 试验区2种灌木不同生长期拔出力试验结果

3.3 拔出力与生长指标之间的关系

试验区2种灌木植物拔出力与各相应生长指标之间的关系如表2所示。柠条锦鸡儿的拔出力与株高、根长呈指数关系而与根径、侧根数呈线性关系，霸王拔出力与根长、根径、侧根数均呈线性关系而与株高呈指数关系;2种灌木拔出力均与株高呈指数关系，与根径、侧根数呈线性关系，与根长呈指数或线性关系。其中生长期为2 a的2种灌木拔出力与各生长指标间的关系曲线如图4-7所示。由图可知，生长期为2 a的霸王、柠条锦鸡儿拔出力均随株高、根长、根径和侧根数的增加而呈增大趋势，且其拔出力与株高、根长、根径、侧根数间的关系符合线性或指数关系，相关系数达0.81以上。

图4 试验区两种灌木拔出力与株高关系

图5 试验区两种灌木拔出力与根长关系

图6 试验区两种灌木拔出力与根径关系

图7 试验区两种灌木拔出力与侧根数关系

表2 试验区2种灌木植物拔出力与各相应生长指标之间关系

4 结论

(1)随着生长期的增加，试验区柠条锦鸡儿和霸王2种灌木其株高、根长、根径、侧根数均呈显著增加趋势，其中株高和侧根数相对根长和根径增加明显。因此从株高、根长、侧根数、根径考虑，试验区柠条锦鸡儿较霸王护坡效果相对显著。

(2)随着生长时间的增加，试验区霸王和柠条锦鸡儿的拔出力均显著增大，生长期为1 a和2 a的霸王拔出力均大于相同生长期柠条锦鸡儿的拔出力，但存在的差异不显著。故从拔出力大小考虑，试验区霸王相对于柠条锦鸡儿其护坡力学效果相对显著。

(3)柠条锦鸡儿的拔出力与株高、根长呈指数关系而与根径、侧根数呈线性关系，霸王拔出力与根长、根径、侧根数均呈线性关系而与株高呈指数关系;2种灌木拔出力均与株高呈指数关系，与根径、侧根数呈线性关系，与根长呈指数或线性关系。生长期为2 a的霸王、柠条锦鸡儿拔出力均随株高、根长、根径和侧根数的增加而呈增大趋势，且其拔出力与株高、根长、根径、侧根数间的关系符合线性或指数关系。

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