高羊茅根系对河滩地土壤强度的影响分析

张雅峰

在许多干旱与半干旱地区，大部分河流属于季节性河流，也就是说这种河道河滩地在汛期才会过水，这也就决定了此类地区的天然河道的断面几乎均为复式断面，较单式河道断面相比，复式断面多了大面积的滩地部分。从水力学和水文学角度考虑，复式断面在水沙来临之际，有更好的适应性，由于河道内的水在枯水期集中在主河槽，水流比较稳定，而到了洪水期，河道内流量增大，水位升高，河水会漫过主河槽到达河滩地，此时河滩地便承担了泄洪的主要任务；在土力学方面考虑，河滩地的存在使得河底高程与堤防的顶高程之间有了缓冲面，使得高差较高的堤防边坡被河滩地分成了两级高差较小的边坡，增大了整个河道的稳定性。

1 材料与方法

1.1 试验材料选取

本次试验选择常被用作草坪草和防护用草的高羊茅，尤其是在辽宁地区，高羊茅是使用率最高的草坪草，故本次试验选取生长期为5个月的高羊茅作为试验用草。试验用土取自辽宁省沈阳市东陵区石庙子村，该地土壤属于浑河冲积平原土，为壤质草甸土。该地土壤杂质少，颗粒级配均匀，物理性质和化学性质均与实际河道滩地处相似等优点，故本次选用该地土壤作为试验用土壤。

1.2 土壤抗剪强度试验方案设计

本次试验选取了2种不同植草密度的高羊茅根土复合体进行直接剪切试验，2种密度分别为1 400株/m2（天然生长密度）和700株/m2，通过在室内进行直接剪切试验，研究植草不同生长密度情况下不同深度（0～5、5～10、10～15 cm）土层根土复合体抗剪强度的变化情况，分析总结高羊茅根系特性各指标对土壤抗剪强度的影响。

1.2.1 试验仪器

ZJ型应变控制式直剪仪（包括剪切盒、剪切传动装置、测力计、垂直加压设备、位移量系统）、自制取土器、环刀、天平、透水石、削土刀等。

1.2.2 试样制备

本次试验所选取的土样为原状土样，由于原状土扰动小，能保证根系与土壤之间原有的结构关系。

本次试验原状土取样按S型曲线进行，选择植株均匀的地块，去除植株地上部分，用自制取土器沿着植株根系竖直向下直至轻触到土槽底层进行取样，由于根系集中分布在0～15 cm土层中，故本次只在0～15 cm范围内取样，沿深度方向取3层，每个土层5 cm，分别为0～5 cm土层、5～10 cm土层和10～15 cm土层，每一深度的土层取4个重复。样品用于土壤抗剪强度、容重、含水率、根系特性各指标等的测定。

1.2.3 试验内容

通过对不同生长密度的根土复合体进行室内直剪试验，对比分析不同土层深度的根系对土壤抗剪强度的影响关系。

1.2.4 试验方法

本试验分别对高、低密度高羊茅根土复合体进行直接剪切试验，每种土壤分为3层进行取样，每层选取4个土样进行试验，在50、100、150、200 kPa垂直压力下，量力环率定系数为1.967 kPa/0.01 mm的条件下，采用ZJ型应变控制式直剪仪进行剪切试验。

2 不同植草密度对根土复合体抗剪强度的影响

2.1 不同植草密度的根土复合体在各土层深度的抗剪强度分析

如图1所示，将高密度生长状态高羊茅的根土复合体不同土层的抗剪强度放在同一坐标系内进行比较，可以清晰地看出：随着土层深度的增加，抗剪强度线不断下移，根土复合体的抗剪强度逐渐减弱。3条线在纵轴上的截距不断减小，说明随着土层深度的增加，根土复合体的黏聚力C有不同程度的减小，其中，5～10 cm土层和10～15 cm土层较0～5 cm土层土壤比，黏聚力C从16.326减小到7.026 1，黏聚力ΔC分别降低了21.08%和56.96%。相关关系见表1。

图1 高密度高羊茅根土复合体的抗剪强度关系图

表1 高密度高羊茅根土复合体的抗剪强度相关关系式

如图2所示，将低密度生长状态高羊茅的根土复合体不同土层的抗剪强度放在同一坐标系内进行比较，可以清晰地看出：随着土层深度的增加，抗剪强度线不断下移，根土复合体的抗剪强度逐渐减弱。3条线在纵轴上的截距不断减小，说明随着土层深度的增加，根土复合体的黏聚力C有不同程度的减小，其中，5～10 cm土层和10～15 cm土层较0～5 cm土层土壤比，黏聚力C从10.228减小到6.4321，黏聚力ΔC分别降低了15.00%和37.11%。相关关系见表2。

由上述2种密度高羊茅根土复合体抗剪强度对比可以发现，根系密度的增大对根土复合体的抗剪强度的增强有显著关系。植草密度增加1倍，对不同土层根土复合体的黏聚力C的增加率在21.7%～59.6%之间。推测是由于根系在土壤中穿插缠绕形成天然的根土复合材料，根系不但将其周围的土壤颗粒胶结在一起，增大了根土复合体的黏聚力，同时又受到周围土壤的挤压，使得根系被紧紧的锚固在土壤中，产生了显著的加筋效果，进而增强了根土复合体的抗剪强度，使得根系对土壤具有良好的咬合作用。

图2 低密度高羊茅根土复合体抗剪强度关系图

2.2 不同植草密度的根土复合体在各土层深度的黏聚力分析

由表3可以看出，高羊茅根土复合体根系不同密度下不同土层深度的黏聚力C变化情况：当根系密度相同时，根土复合体黏聚力随着土层深度的增大逐渐减小，呈负相关关系，2种密度的根土复合体在0～5 cm土层的黏聚力分别是5～10 cm土层的黏聚力的1.27倍和1.18倍，是10～15 cm土层的黏聚力的2.32倍和1.59倍；当根系密度不同时，相同土层深度的土体黏聚力随着根系密度的增大而增大，呈正相关关系，且黏聚力增大幅度随着土层深度的增加而减小，由图3可看出，2条曲线之间距离随着土层深度的增加越来越小，其中，0～5 cm土层土体黏聚力最大，高密度根土复合体是低密度的1.60倍，5～10 cm土层土体黏聚力次之，高密度根土复合体是低密度的1.48倍，10～15 cm土层土体黏聚力最小，2种密度土体黏聚力几乎趋于相等，高密度根土复合体是低密度的1.09倍。

表3 不同密度高羊茅根土复合体Z—C相关关系式

图3 不同密度高羊茅根土复合体Z—C关系图

2.3 不同植草密度的根土复合体在各土层深度的内摩擦角分析

由表4可以看出，高羊茅根土复合体根系不同密度下不同土层深度的内摩擦角φ变化情况：当根系密度相同时，根土复合体内摩擦角随着土层深度的增大逐渐减小，呈负相关关系，两种密度的根土复合体在0～5 cm土层的内摩擦角分别是5～10 cm土层的内摩擦角的1.01倍和1.01倍，是10～15 cm土层的内摩擦角的1.06倍和1.04倍；当根系密度不同时，相同土层深度的土体内摩擦角随着根系密度的增大而增大，呈正相关关系，且内摩擦角增大幅度随着土层深度的增加而减小，由图4中可看出，2条曲线之间距离随着土层深度的增加越来越小，其中，0～5 cm土层土体内摩擦角最大，高密度根土复合体是低密度的1.03倍，5～10 cm土层土体内摩擦角次之，高密度根土复合体是低密度的1.02倍，10～15 cm土层土体内摩擦角最小，2种密度土体内摩擦角几乎趋于相等，高密度根土复合体是低密度的1.00倍。

表4 不同密度高羊茅根土复合体Z—φ相关关系式

由上述两种密度高羊茅根土复合体黏聚力C和内摩擦角φ对比可以发现，根系密度的增大对根土复合体的抗剪强度的增强有显著关系。在同一土层深度，根土复合体黏聚力C和内摩擦角φ均随着根系密度的增大而增大。

图4 不同密度高羊茅根土复合体Z—φ关系图

3 结语

在土壤中根系的密度一定时，根土复合体的抗剪强度随着土层深度的增大而减小，即0～5 cm土层土壤的抗剪强度最大，10～15 cm土层最小；在土层深度一定时，土壤的抗剪强度随着根系的密度增大而增大，即高密度根系的土壤抗剪强度最大。不同根系密度的土壤的黏聚力C与内摩擦角φ随着土层深度的增大而减小，且同一土层深度情况下，高密度根系根土复合体大于低密度根系根土复合体。植草密度增加1倍，对不同土层根土复合体的黏聚力C的增加率在21.7%～59.6%之间。