根系对边坡土体抗崩解能力影响的试验研究

肖宏彬，贺 茜，李珍玉，左学龙，陈 能，李 伟

(中南林业科技大学，湖南 长沙410004）

根系对边坡土体抗崩解能力影响的试验研究

肖宏彬，贺 茜，李珍玉，左学龙，陈 能，李 伟

(中南林业科技大学，湖南 长沙410004）

通过对模型箱根—土的试验研究，探索了混合种植林草的边坡土体的初始含水量、边坡坡度及有效根密度等对边坡土体抗崩解能力的影响。研究结果表明：边坡土体的抗崩解能力不但与边坡坡度和土体的初始含水量有关，更与边坡土体中的有效根密度有关；在一定的初始含水量条件下，土体抗崩解能力随着有效根密度的增大而呈幂函数增长趋势；在此基础上提出了不同初始含水量和不同有效根密度条件下土壤完全崩解所需时间的计算公式。研究结果为揭示植物根系对边坡稳定性的增强机理提供了理论基础，也对促进生态护坡和植物边坡的水土保持等技术的发展具有一定的理论及工程应用价值。

植物边坡；有效根密度；土体抗崩解能力；边坡稳定性

植物根系能将土壤的单粒黏结起来，同时也能将板结密实的土体分散，改良土壤结构，并通过根系自身的腐化解体转而合成腐殖质，为土壤内部创造良好的团聚结构和孔隙分布[1]。同时，植物庞大发达的须根系统在土体中能够形成纵横交错的根网，将土壤颗粒紧紧束缚包裹住，形成了事实上的“加筋土”，极大地提高了土体的抗剪强度。同时也在一定程度上增强了土体抵抗风化吹蚀、流水冲刷和重力侵蚀的能力，能有效地提高土壤的抗侵蚀性能，进而达到增强边坡稳定性的目的[2-4]。近年来，随着公路、铁路及其他基础设施的建设、垦荒耕种和采矿等人类活动的进行，形成了大面积的裸地和松散堆积物，严重地破坏了植物边坡中植被根系与土体之间的正常关系，导致土壤抗蚀抗冲性能降低，土地荒漠化、沙尘暴等一系列土壤侵蚀问题不断恶化，给生态环境造成了严重不良后果[5]。

植被根系与土壤抗蚀性能的定性定量关系的研究，是一项特别重要且有效的基础理论工作。因此，开展植物根系与土的相互作用的相关研究对治理边坡水土流失、防止坡滑、建设生态形护坡工程及改善生态环境有着重要的理论和工程应用价值。

1 试验研究

采用模型箱试验对林草混交根系进行研究，结合工程实际情况，在模型箱中模拟工程常见边坡骨架护坡植草防护。通过含水量试验、有效根密度试验和浸水崩解试验，测定了不同边坡的含水量、有效根密度和土壤浸水崩解时间等参数，对比无植被和不同植物组合覆盖下，土体抗侵蚀性能的不同，进一步研究不同含根量条件下土体抗崩解能力的变化和规律。

1.1 试验条件

为模拟公路边坡中常用的不同坡比的边坡植草情况，2012年5月，制作2组不同坡比的模型箱，坡比分别是1∶1和1∶1.2，模型箱共制作6个，其中坡比为1∶1的3个（1#、2#、5#箱），坡比为1∶1.2的3个（3#、4#、6#箱）。1号箱为素土对照箱；2号、3号箱分别种植香根草和小叶女贞，其株、行距均为15 cm×15 cm；4号、5号和6号箱混合种植香根草和小叶女贞，其株、行距分别为15 cm×15 cm、18 cm×18 cm、15 cm×15 cm。模型箱四周用钢筋和木条进行加固处理，周身里外均涂抹一层防水油漆，以防止其受雨水侵蚀。模型箱中的填土为本地工程建设挖掘的弃土（为含有少量粗颗粒的红色粘土）。对室外模型箱中种植两年多的植物根系进行挖掘并取样分析，用以探索土体中根系的分布和生长规律，进而研究根系密度及其对土体抗崩解能力的影响规律。

1.2 有效根密度试验

植物根系提高土壤抗侵蚀能力主要是通过根茎小于1 mm的根系发挥作用的[6]。在每个模型箱随机挖取3个10 cm×10 cm×10 cm的土方，清查每个土方的6个剖面上小于1 mm径级须根的根数，得出每个土方的须根数，再求出3个土方须根数的平均值。本次试验中，用有效含根比ρ来表征根—土复合体的有效根密度，即土方中根径小于等于1 mm的根系质量与土方中所有根系质量之比。即：

式（1）中：ρ为有效含根比，无量纲，用以表征根土复合体的有效根密度；w′为土方中的总根量，g；w为土方中的有效须根量，g 。

通过试验测得6个模型箱的有效根密度数据结果如表1所示。

表1 各模型箱中土壤的有效含根比ρTable 1 Effective roots content ratio of soils in each model boxes (ρ)

从表1中数据可看出：仅种有小叶女贞的3号模型箱内土方有效根密度最小，通过把整株小叶女贞拔出以观察根系分布情况得知，其主根相当发达，而须根相对而言比较少，且为横向生长，因此土体内有效须根比较少；仅种有香根草的2号模型箱内土方有效须根量比较多，但是少于混合种植的4、5、6号模型箱；而在混合种植的4、5、6号模型箱中，6号箱土体内有效须根量最多，这说明在林草混合种植条件下，边坡坡度越缓，植物种植密度越大，土体内有效须根量越多，须根平均值和有效含根比也越高。

1.3 浸水崩解试验

土壤崩解能力能够反映土壤结构对水力浸润解体的特性，或者说反映土体被雨水分散解体的难易程度。根据有关的研究资料，土壤的可蚀性可用崩解速率来表征，在工程水土保持研究中也可用崩解速率作为土壤的可蚀性评价指标[7-8]。本项试验研究的目的在于探索不同含水量和不同植物根系条件下土壤抗崩解能力与有效根密度的关系。通过对比研究素土与不同含水量、不同含根比的土体抗崩解能力，以探索相关的影响规律。

试验前分别给6个模型箱浇水，等水分入土渗透一天后，用环刀在每个模型箱内随机取3个5 cm深的原状土样，应用浸水法[9]测定土壤完全崩解所需要的时间，并取少量土进行含水率的测定。土样初始状态和完全崩解后的状态分别如图1 和图2 所示。2次试验中，土样含水率的测定结果分别为18.8%、25.2%。2种含水率条件下，土壤完全崩解所需要的时间分别如表2和表3所示。

图1 土样的初始状态Fig.1 Initial state of soil sample

图2 土样完全崩解Fig.2 Disintegrated state of soil sample

表2 不同有效根密度条件下的土壤完全崩解的时间 (含水率18.8%)Table 2 Time needed for soils to completely disintegrate under different effective root density (ω=18.8%)

由表2和表3两组的试验结果可以看出，在相同的浸水条件下，素土的土体结构很容易发生解体，1 h左右就完全崩解了，而根系的存在能够减缓这个过程的进行，对土体完全崩解所需的时间有很大的影响。从表2和表3中同时可以发现，根土复合体崩解时间最短的为2.5 h，最长的达到了6 h以上。这说明根系能够有效减小土体的崩解速度，增强其抗崩解能力。其原因是由于须根在土体内穿插和缠绕，开成了类似于土体“加筋”的效果，促进了土粒的团聚，从而增强了土体抗分散、悬浮的能力[10]。

表3 不同有效根密度条件下的土壤完全崩解的时间 (含水率25.1%)Table 3 Time needed for soils to completely disintegrate under different effective root density (ω=25.1%)

2 试验结果分析

通过对比表2和表3的试验结果可知，相同根密度条件下，土体的初始含水量对其崩解时间也有很大的影响。初始含水量越小，土体完全崩解所需时间越长，但在不同含水量条件下，根系对土体抗崩解能力的影响趋势却是相同的。

试验结果表明土体的抗崩解能力不但与含根量有关，更与有效根密度有关。有效根密度越大，即土体中根径小于或等于1 mm的须根数量越多，土体完全崩解需要的时间就越长，亦即土体抗崩解能力就越强。通过应用Origin数据分析软件对不同含水量条件下的试验数据进行拟合，试验结果和拟合结果分别如图3和图4所示。拟合得到的土体完全崩解所需时间与土中有效根密度的关系可表示为：

式(2)中：t为土壤完全崩解所需的时间，min；ω0为土壤初始含水率，%，本项研究中分别测得为18.8%和25.1%；ρ为有效根密度，无量纲；A为与土质及其初始含水量有关的经验系数，可由式（4）得到；B为与植物根系种类及边坡坡度有关的经验系数，可由试验得到。

由式(2)可知，当土壤中的有效根密度为ρ=0时，则无根系的素土抗崩解时间为：

图3 土壤抗崩解能力(ω0=18.8%)Fig.3 Anti-disintegration of soil, ω0=18.8%

图4 土壤抗崩解能力 (ω0=25.1%)Fig.4 Anti-disintegration of soil, ω0=25.2%

因此，可得到参数A为：

由图3和图4可以发现，各试验数据点都散落在拟合曲线附近，且几乎都紧靠曲线两侧，说明拟合结果是可靠的。因此，可以知道，在一定含水量条件下，根系的存在对土壤抗崩解能力有着积极的影响。有效根密度越大，土壤完全崩解所需时间越长，说明根系的存在能够有效地延缓土壤的崩解速率，并且随着有效根密度的继续增大，这种延缓效果更加明显。有效根密度对土壤抗崩解能力的影响呈幂函数增长趋势。

根据式（2）可计算出不初始含水量和不同有效根密度条件下土体完全崩解所需时间，可用于生态护坡的稳定性分析，也可用于植物边坡的水土保持计算。

3 结 论

通过对6个含有不同植物根系的模型箱进行有效根密度和浸水崩解试验，比较了不同植物类型、不同种植密度以及不同边坡坡度下土体内有效须根的含量，并得到了不同有效根密度条件下土壤抗崩解能力的变化规律。通过研究可得到以下结论：

（1）对比素土，植物根系对土体抗崩解能力有很大的增强作用，根系越多，土体抗崩解能力越强。

（2）林草混合植物的种植方式下，边坡坡度越缓，植物种植密度越大，土体内有效须根含量越大，越有利于提高土体的抗侵蚀能力。

（3）初始含水量越小，土壤完全崩解所需时间越长，亦即其抗崩解能力越强。

（4）对试验结果进行了Origin数据拟合，发现有效根密度与土体的抗崩解能力呈幂函数增长关系，并得到了不同初始含水量和不同有效根密度条件下土壤完全崩解所需时间的计算公式。

通过对林草混交植物边坡土壤抗崩解能力的研究，发现不同林草组合、边坡坡度、初始含水量和种植密度等因素都能影响土壤的抗崩解速率，但土壤中的有效根密度的影响是最大的。以上结果对进一步开展林草一体化植物边坡的水土保持研究及促进生态护坡技术的发展等方面均有一定的理论及工程应用价值。

[1]刘定辉,李 勇.植物根系提高土壤抗侵蚀性机理研究[J].水土保持学报,2003,17(3)：34-37.

[2]徐少君,曾 波.三峡库区5种耐水淹植物根系增强土壤抗侵蚀效能研究[J].水土保持学报, 2008, 22(6)： 13-18.

[3]刘明义,许晓鸿,刘艳军,等.不同植物带地埂土壤抗侵蚀效果研究[J].中国水土保持,2012,(7)：43-45.

[4]毛 璀,孟广涛,周 跃,等.植物根系对土壤侵蚀控制机理的研究[J].水土保持研究,2006,13(2)：241-243.

[5]周云艳,陈建平,王晓梅,等.植物根系固土护坡机理的研究进展及展望[J].生态环境学报,2012,21(6)：1171-1177.

[6]张祖荣.植物根系提高土壤抗侵蚀能力的初步研究[J].渝西学院学报 ,2002,15(1)：31-35.

[7]徐文远,刘玉花,王晓春,等.G111公路讷嫩段9种护坡灌木根系增强土壤抗蚀性比较[J].水土保持学报,2011,25(2)：72-77.

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[9]张朝阳,许桂芳,周凤霞,等.10种藤本植物边坡水土保持效应研究[J].中国水土保持,2008,(10)：39-41.

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Experimental study on plant roots effect on anti-disintegration of soil slope

XIAO Hong-bin, HE Xi, LI Zhen-yu, ZUO Xue-long, CHEN Neng, LI Wei
(Central South University of Forestry and Technology, Changsha 410004, Hunan, China)

Through an experimental study on root-soil in a model box, the in fluences of some factors upon anti-disintegration of soil slope were explored, such as initial water content and slope gradient as well as effective roots density etc., when the slope was planted with trees and grasses. The research results show that the anti-disintegration of soil slope was not only related to slope gradient and initial water content, but also was more related to its effective roots density; Under the given initial water content, the anti-disintegration of the soil increased with the increment of its effective roots density, and took an exponentially increasing trend; A computational formula to calculate the time that the soil is completely disintegrated was proposed, under the conditions of different initial water content and different effective roots density. The findings provide a theoretical basis for exploring the mechanism that the plant roots enhanced slope stability, also provide certain theory and application values in the engineering for promoting the ecological protection slope and plant slope’s soil-water conservation functions.

plant slope; effective roots density; anti-disintegration of soil; slope stability

S759.2

A

1673-923X(2015)05-0035-04

10.14067/j.cnki.1673-923x.2015.05.006

2014-01-10

国家林业局948项目（2012-4-76）；国家自然科学基金资助项目（31270671）；湖南省自然科学基金资助项目（12JJ5015）；湖南省外国专家局资助项目（湘财教指[2012]26）；湖南省研究生科研创新项目（CX2013B353）；中南林业科技大学研究生科技创新基金资助项目（CX2013B35）

肖宏彬，教授，博士；E-mail：tfnxhb@sina.com

肖宏彬,贺 茜,李珍玉,等. 根系对边坡土体抗崩解能力影响的试验研究[J].中南林业科技大学学报，2015,35(5)：35-38.

[本文编校：谢荣秀]