不同植被条件下土壤抗剪强度的比较研究

沈照伟，岳春雷，王云南，李贺鹏，陈友吾

（1.浙江省水利河口研究院，浙江 杭州 310020；2.浙江省林业科学研究院，浙江 杭州 310023；3.浙江省水利厅，浙江 杭州 310009）

随着人类对资源的不断开发和大规模基础设施的建设，造成了严重的水土流失和土地沙化，形成了大量的裸露边坡。传统的工程防护措施大多采用砌石及混凝土等灰色防护，影响了自然生态的和谐。与传统的工程防护措施相比，植被措施在发挥其护坡作用的同时，具有工程措施所无法比拟的优点，一方面能够迅速恢复由于人类工程建设所破坏的生态环境，保持生态间的平衡，美化景观，净化空气。另一方面，植被护坡造价低，经济性较工程措施护坡优越[1～4]。

目前，植被护坡应用还基本限制在定性和经验的发展阶段，对植物根系提高土壤抗剪强度的定量研究很少[5]。为探讨不同植被类型对提高土壤抗剪强度的作用，进而为植被护坡提供依据，本文选取裸地、灌木林、毛竹林、杉木林、松阔混交林和阔叶林，通过实验室直接剪切试验，就植被类型对土壤抗剪强度的影响进行研究。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究地点位于庆元县荷地镇，27° 15′ ～ 27° 51′ N，118° 49′ ～ 119° 29′ E，是典型的山体滑坡、泥石流多发区域。该区地处亚热带南缘，属亚热带季风气候，温暖湿润，冬暖夏凉，四季分明，年平均气温 18.1℃，年平均无霜期256 d，年平均降水量1 427.0 mm。境内山地起伏，山峦重叠，小气候复杂多样，土壤类型有红壤、黄壤，低山丘陵还零星分布着一些岩成土，森林植被属亚热带常绿阔叶林区域，自然环境条件优越，野生植物资源丰富。

本研究选择的植被位于山体南坡，坡度大约40°，土壤（红壤）和地质情况等基本相同。林地类型为裸地、灌丛林地、毛竹（Phyllostachys heterocyclacv.pubescens）林地、杉木（Cunninghamia lanceolata）林地、松阔混交林地、阔叶林地。裸地为撂荒地，仅有少量杂草；灌木林优势植物为锦绣杜鹃（Rhododendron pulchrum）、檵木（Loropetalum chinense）、香港黄檀（Dalbergia millettii）等，平均高度为1.5 ～ 2.2 m；毛竹林为10年前人工种植，植株平均高度为6 ～ 8 m，林下地被较少；杉木林为人工林，郁闭度0.7，杉木平均胸径14.4 cm，林下灌木层和草本层发育不良；松阔混交林优势树种为马尾松（Pinus massoniana）、麻栎（Quercus acutissima）；常绿阔叶林优势树种为苦槠（Castanopsis sclerophylla），平均胸径13.5 cm。

1.2 试验土样及制备

分别在上述6种不同植被类型区选取典型样地，在每一块样地内挖3个平行的土壤剖面。根据土壤剖面的自然层次将其分为3个层次，在土壤剖面的每一层取土样。试样的制备按照中国《土工试验规程》。严格控制土样的含水量，使土样的含水量等于其天然含水量，根据目标含水量计算出该土样需要增加或减少的水分的质量。如果试样需要增加水分，用专用注射器将所需增加的水分滴入该试样；如果试样需要减少水分，可使试样进行自然水分流失，使其含水量达到规定的设计值。

1.3 试验设备

试验所用的剪切仪为南京土壤仪器厂生产的ZJ型应变控制式直剪仪。

1.4 计算方法

剪切时用50 kPa、100 kPa、50 kPa、200 kPa 4种垂直压力。对每一个试样进行剪切后，可以得到4个不同垂直压力下的剪应力，剪应力和相应的垂直压力应用库仑公式：

式中，τ为土壤抗剪强度（kPa）；σ为土的剪切面上的垂直应力（kPa）；c为土的黏聚力（kPa）；ø为内摩擦角（°）。

2 结果与分析

2.1 不同植被类型土壤抗剪强度

在天然含水量条件下，不同植被类型不同层次抗剪强度见表1。从表1可以看出，不同植被类型同一层次土体黏聚力和内摩擦角均大于对照（裸地），说明植物根系能不同程度地提高土体的抗剪强度。其中阔叶林、松阔混交林土体黏聚力最大，灌丛林地最小，毛竹林、杉木林居于中间。对于同一植被类型而言，土体黏聚力和内摩擦角均呈现为第三层 > 第二层 > 第一层。

表1 不同植被类型不同层次土壤抗剪强度Table1 Soil shear strength under different types of vegetation at different levels

2.2 不同植被类型土壤抗剪强度的增加值

植物根系在提高土壤抗剪强度方面的作用，是指在相同垂直剖面深度范围的根系土壤与无根系土壤抗剪强度的差值，用黏聚力差值ΔC、内摩擦角差值Δø表示。不同植被在不同的土壤剖面深度的黏聚力差值ΔC、内摩擦角差值Δø见表2、表3。从表2和表3可以看出，灌木林、乔木林地土壤和裸地相比，抗剪强度C值和ø值都有明显增加，C值增加较大，增加率（相对于相同层次裸地）在9.22% ～ 73.53%，Δø增加相对较小，增加率（相对于相同层次裸地）在2.62% ～ 42.08% 。从不同植被类型的增加率来看，呈现出阔叶林 > 松阔混交林 > 毛竹林 > 杉木林 > 灌丛的规律。对同一植被类型、不同土层深度而言，C值和ø值的增加量和增加率均呈现第一层 > 第二层 > 第三层的规律。

表2 不同植被类型不同层次土壤黏聚力增加值Table2 Increase in soil cohesion under different types of vegetation at different levels

表3 不同植被类型不同层次土壤内摩擦角增加值Table3 Increase in soil internal friction angle under different types of vegetation at different levels

3 讨论与结论

含根系土体的抗剪强度是土体和根系两种材料综合起作用的结果。土壤抗剪强度与土壤的物理性质，如土壤的颗粒组成、土壤容重、土壤含水率等有密切的关系。植物根系的存在能明显地改善土壤的物理性质，因而在一定条件下，可以把土壤抗剪强度的增加归结为植物根系存在[6]。根系在土体中生长时，根系向四周土体产生轴向压力，使四周的土体容重增大，从而使土体的黏聚力、内摩擦角增加。根面的凹凸不平及众多的叉根、根节、根毛，增加了根土间接触面积，在根系膨胀的作用下，根系一土间的摩擦力增加。根系在生长过程中会分泌一些化学物质，这些物质与土壤发生化学反应，有利于土壤颗粒的胶结；根系本身的抗拉、抗剪和抗压缩力大土体许多倍，根系土体中根系作用的发挥类似于加筋土中的筋才的作用，从而使根系土的工程力学性能明显提高[7]。国内学者通过对土壤一根系复合体的直剪实验表明，土壤一根系复合体抗剪强度随含土壤根量增加而增大[8～9]。

不同植被类型的根量以及在土壤的空间分布不同。在同样的立地条件下，乔木林通常比灌木林具有较高的地下生物量，根系分布也较深。在本研究中，常绿阔叶林、针阔混交林与灌木林在提高土壤抗剪强度上的差异可能是由根生物量及其空间分布差异引起的。

通过对不同植被的土样在天然含水量条件下的直剪试验，研究了植被类型与抗剪强度的关系，得出以下结论：

（1）不同植被类型均有提高土壤抗剪强度的作用。不同植被类型较裸地，C和ø均有增加，C值增加的幅度相对较大，而ø值增加的幅度相对较小。

（2）随着土层深度的增加，植被提高土壤抗剪强度的程度逐步减少。

（3）从植被类型来看，常绿阔叶林、松阔混交林提高土壤抗剪强度的程度最大，灌丛提高土壤的抗剪强度的程度最小，毛竹林、杉木林居中。

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