五种护坡草本植物根系固土效果研究

李云鹏，陈建业，陈学平，王 倜

(交通运输部科学研究院，北京 100029)

近几十年，随着经济和综合实力的增强，中国高速公路建设里程得到了极大的增长，高速公路建设涉及的区域越来越广，公路网密度逐年提高，有关交通基础设施建设水平明显改善。随着公路网在全国的铺设，越来越多的公路修入丘陵和山区，而我国作为一个有着600万km2山地面积的多山之国，在交通建设中避免不了会出现人工边坡。经过削坡处理的边坡坡度普遍较高，这些裸露和治理不合理的人工边坡大大增加了公路边坡破坏性灾害发生的概率，轻则阻塞交通或者影响工程进度，重则危及生命和工程安全。边坡防护设计是公路设计的重要内容之一，随着国家对生态环境建设的重视，以植物为主的生态防护工程被越来越多地应用到公路边坡防护中[1]。植被有很好的抑制土体崩解和浅层滑坡的作用[2]。对于公路边坡而言，植物根系在稳定土壤结构、提高土壤抗冲性、防治土壤侵蚀方面作用显著[3]。林木根系通过对土体产生的附加黏聚力而加固土体，同时也会吸收土壤中的水分，降低孔隙水压力，从而增强土壤抵抗破坏的能力[4-5]。

目前有关植被固坡的研究主要集中在植物体地上部分和地下部分两大方面，对于前者研究较多的为植物种的选择和配置，对于后者则主要是研究根系对土体稳定的增强作用[6]。在根系固土的研究中，WU et al.[7]将植物根系视为弹性材料，根据摩尔-库伦模型，提出了第一个根系力学平衡公式，该公式为接下来几十年有关林木根系固土机理的研究奠定了基础。而随后的研究学者基于此，也在室内或野外证实了林木根系能够很大程度上提高土体的抗剪强度[8]。到了21世纪初期，越来越多的学者开始关注根系的描述指标，例如根系数量、根系直径、根系分枝形式、根系在土壤中的开张角度及根系的结构类型等[9-11]在根系固土中的作用。然而，在公路建设过程中，对于边坡植物种类的选择多采用经验手段，相关的试验也多注重植物的生长习性和抗性等方面[12]，系统研究植物根系对土体的加固作用的较少，更为准确地评价植物根系作用的研究需要被提出。基于此，本研究选取北京地区常见的5种护坡草本植物，通过研究其根系结构特征和根系强度特征，比较不同草本植物根系固土效果的差异，以期为工程绿化建设提供参考和理论支撑。

1 研究区概况

北京市地处华北平原，但三面环山，仅东南部为平原，西面为燕山南麓，土壤多为粗骨土和棕壤，山区土层较薄，其中土层小于0.3 m的山区占整个山地面积的40%以上，呈现出海拔越高土层越薄的特点。该区域四季分明，春季多风沙天气，夏季炎热干燥，秋季短，冬季长而寒冷，年平均降水量400～500 mm，表现为暖温带半湿润大陆性季风气候。地表植被主要为地带性植被，多为落叶阔叶林、温带阔叶林及落叶灌丛等。北京第一条高速公路(北京机场高速公路)建于1993年，而后陆续有8条国家级高速公路连接北京，总里程达到了1 013 km(截至2018年1月)。随着六环路高速的顺利通车，标志着北京高速网架构基本建成。

2 研究材料与方法

2.1 草本植物样本采集

本研究所采集的草本植物样本全是在组成北京高速网的高速公路土质边坡上得到的，由于在工程实践中所采用的草本植物多为一年丛生，因此在采集过程中需要人为选择单株生长的植物样本进行采集。对于根系的采集平均挖掘深度为0.6 m，单株植物测量的辐射范围控制在0.5 m。采样时间是在2018年的5—10月份，每种植物采集样本3～5株，在将根系完整挖掘出后利用反光白纸板拍照，然后装入黑色塑料袋带回实验室。为了准确地研究不同草本植物根系对土壤的稳固效果，试验还同时采集了挖掘根系深度内的混合土壤样本，按照每0.2 m的深度混合土样后采集1 kg装入自封袋。本研究主要采集的草本植物种类为狗尾草、沙打旺、高羊茅、紫花苜蓿和白三叶。

2.2 根系结构特征测量

本研究对根系结构特征的测量采用等距测量法，按照0.2 m的间隔对根系直径、根系长度进行测量，以各段根系的中点为根系直径测量位置，根系长度则直接用直尺测量。当遇到分枝点时，需要同时记录该节点下的根系长度。每0.2 m间隔，分别测量植物根系的根面积比率(RAR)，并且分别测量和统计各深度土层(0～0.2、0.2～0.4、0.4～0.6、0.6～0.8和0.8～1.0 m)的根系数量及根系直径，径级分类标准参考MATTIA et al.[13]的研究，按照2 mm间距计数。根面积比率计算公式为

(1)

式中：i为径级，i=1，2，3，4，5分别代表根系直径为0～2，2～4，4～6，6～8，8～10 mm时对应的径级；N为径级的数量；ni为i径级的平均根系数量，条；di为i径级的平均根系直径，mm；A为所测量根系的圆形区域面积，即测量的辐射范围，mm2。

对各分枝节点间的根系长度也按照自然生长长度进行了测量(图1)，其中根系最大生长长度定义为从主根顶端沿根系生长方向所观察到的最大根系长度。对于各分枝节点后的根系，根据分枝节点出现的数量和位置分别命名为一级侧根、二级侧根及二级以下侧根，并且按逆时针顺序对各分枝节点间的根系长度进行编号，每段根系长度内的根系直径同样采用测量中间位置的方式确定。

图1 根系分枝特征测量示意

2.3 根系抗拉强度计算

根系抗拉强度采用S9M型万能机械试验机进行测量。在完成根系分枝特征测量后，挑选长度在60～100 mm的根系进行抗拉试验，参考HUBBLE et al.[14]的研究，被测量根系的直径应满足0～8 mm。试验前，需要检查根系是否完整(要求根皮未脱落)，并将损坏的根系从测量样本中剔除。试验开始前需要在根系两端捆绑密封胶布以增加根系两端的摩擦力，防止试验过程中根系由夹具处滑脱。拉伸的速度控制在20 mm/min，当根系发生断裂时，用游标卡尺测量并记录断裂处直径。由于根皮的影响，试验的成功率仅为40%～50%，每种植物根系抗拉试验成功次数要保证在40次以上。参考CAZZUFFI et al.[15]的研究结果，根系抗拉强度和根系直径的关系为

TR=aD-b

(2)

式中：TR为根系抗拉强度，MPa；D为根系断裂处直径，mm；a、b为常数。

2.4 根系固土效果计算

采用WU et al.[7]的模型计算不同草本植物根系固土效果，该模型以库伦定律为基础，明确了根系抗拉强度和土壤抗剪强度的关系，公式为

S=c+ΔS+σtanφ

(3)

式中：S为土壤抗剪强度，kPa；c为土壤黏聚力，kPa；σ为剪切面上的正应力，kPa；φ为土壤内摩擦角，(°)；ΔS为由根系提供的抗剪强度的增量，kPa。

ΔS的计算完全取决于根系的抗拉强度和根系在剪切面上的截面积，即

ΔS=K·TR·RAR

(4)

式中：K为比例系数，在WU et al.[7]的模型中，通过对大量的数据进行分析，K取值1.2，而根据朱锦奇等[16]的研究，对于北京地区，K取值0.63。

3 结果与分析

3.1 根系分枝特征

根系在土壤中的空间分布特征包括根系倾斜角度、根系长度及根系分枝等。通过研究根系的空间分布特征，归纳不同植物根系随土壤深度的变化关系，进而为对比不同植物根系对土壤抗剪强度的增强效果提供基础。

3.1.1 根系直径

通过分析5种草本植物根系直径随土壤深度的变化规律(图2)可知，随着土壤深度的增加植物根系的径级分布都呈现减小的趋势。不同草本植物的根系直径大小也不同：最大的为紫花苜蓿和沙打旺，二者根系直径最大值接近6 mm；其次为高羊茅，其根系直径最大值在4.5 mm左右；再次为白三叶，最大值接近4 mm；而狗尾草的根系直径最小，其最大值仅0.8 mm左右。在相同土壤深度内，一种植物根系的径级变化范围多是连续的，但紫花苜蓿在同一土壤深度内根系径级变化呈现不连续规律，说明在紫花苜蓿根系结构中存在着比较明显的大直径根系。由图2还可以看出，紫花苜蓿和沙打旺根系生长深度最大，而其他3种植物根系仅在0.6 m深度内有根系生长。总的来说，紫花苜蓿和沙打旺根系生长深度和径级分布最优，其次是高羊茅，白三叶根系生长深度最浅，而狗尾草根系有着最小的径级分布。

图2 根系直径随土壤深度的变化规律

3.1.2 根系长度

5种草本植物各土层根系总长度随土壤深度的变化规律见图3。狗尾草和紫花苜蓿各土层根系总长度随土壤深度的增加先增加后减少，在0.2～0.4 m土层达到最大值，其他3种植物各土层根系总长度随土壤深度的增加而减小。不同植物各土层根系总长度最大值最大的为狗尾草，达到7.62 m(0.2～0.4 m土层内)；最小的为紫花苜蓿，仅为1.26 m(0.2～0.4 m土层内)。在0～0.2 m土层内，高羊茅和狗尾草根系总长度最大，而到了0.2～0.4 m土层内，高羊茅根系总长度迅速减小。在不同土壤深度内，紫花苜蓿各土层根系总长度变化较平稳，沙打旺各土层根系总长度随土壤深度增加而减小的变化规律最明显。

图3 各土层根系总长度随土壤深度的变化规律

3.1.3 根系数量

表1为5种草本植物在不同土壤深度内的根系数量。由表1可知，5种草本植物根系数量在不同土壤深度内的变化存在较大差异，根系数量最大值为狗尾草，出现在0.2～0.4 m土层内，最小值一般在生长的最深深度内。根系数量随土壤深度的变化规律也存在差异，具体表现为白三叶、狗尾草和紫花苜蓿的根系数量随土壤深度的增加而先增加后减小，高羊茅和沙打旺的根系数量则整体上随土壤深度的增加而减小。对于同一种植物来说，土壤中存在一个根系含量较多的土层深度，在这个深度的上下部分根系数量都比较少。5种草本植物中，狗尾草和白三叶在0.2～0.4 m土壤深度内根系数量最多，沙打旺和高羊茅根系则主要集中在0～0.2 m的浅层土壤中，紫花苜蓿根系数量在各土壤层次内变化不大。

表1 不同土壤深度内的平均根系数量

3.1.4 根系分枝

不同植物根系分枝情况见表2。由表2可知：在第一次分枝后就不再分枝的植物有狗尾草、紫花苜蓿和白三叶；沙打旺虽然存在三次分枝，但每次的分枝数较少，根系数量变化不大；高羊茅根系无一级侧根，说明其不存在主根系，多为须根系，且须根系也无侧根生长。总的来说，草本植物根系的分枝能力较弱，多为从主根延伸生长的方式，分枝及多次分枝数较少，分枝后根系数量增加不明显。

表2 不同植物的根系分枝情况

3.2 根系抗拉强度比较分析

图4为5种草本植物根系的抗拉强度曲线。从图4可看出，根系直径与抗拉强度表现为幂函数关系，该曲线越陡，则不同根系直径的根系抗拉强度差异越明显；曲线越贴近纵坐标轴，则说明直径较小的根系抗拉强度变化较大，随着根系直径增加这种变化关系趋于缓和。白三叶、紫花苜蓿和狗尾草根系抗拉强度关系式中b都大于1。b值越大，则代表曲线越贴近纵坐标轴，因此在较小直径时，其对抗拉强度的反应更敏感；而b值越小，则表现为较大直径根系的抗拉强度受直径变化的影响更为强烈。根系抗拉强度关系式中a值多在10～20之间，狗尾草的a值最小，其次是紫花苜蓿和高羊茅，白三叶的a值最大。a值越小，则表明根系直径变化对抗拉强度的影响越小。

图4 草本根系抗拉强度曲线

3.3 不同植物根系固土效果比较分析

5种草本植物根系在土壤深度为0.1 m和0.3 m的截面内对土壤抗剪强度的影响见表3。由表3可知，5种草本植物都显著增加了土壤的抗剪强度，但存在明显差异，紫花苜蓿、狗尾草和白三叶根系对土壤抗剪强度的增量表现为随着土壤深度的增加而增加的趋势，而高羊茅和沙打旺对土壤抗剪强度的增量在表层土壤中最大，随着土壤深度的增加，根系的增强效果减弱较明显。5种植物根系对土壤抗剪强度的增量的最大值为沙打旺(0.1 m截面内)，其次是高羊茅(0.1 m截面内)，最小值为紫花苜蓿(0.1 m截面内)。总的来说，对于表层土壤，种植高羊茅和沙打旺具有更好的稳固效果，其他3种草本植物根系稳固土壤的效果较弱。

表3 不同草本植物根系增加土壤抗剪强度值

4 讨论与结论

对5种护坡草本植物根系形态特征和力学特性的研究表明，草本植物根系多为散生型，根系多从主根处延伸生长，倾斜根系多。根系直径在根系的空间分布研究中是一个非常重要的指标，土壤剪切面内存在的根系直径越大，其对土壤抗剪强度的增强效果越好，但由于草本植物根系直径都较小，因此其根系数量是决定固土效果的一个关键因素。尽管紫花苜蓿根系直径最大，但其对土壤抗剪强度的增强效果弱于根系直径较小的狗尾草，以及根系数量较多的高羊茅和沙打旺。根系的总长度直接影响着根系与土壤接触面积的大小，进而影响着根-土间原始摩擦力的大小，而根-土间原始摩擦力的大小决定了草本植物根系抵抗拔出破坏的能力，根-土间原始摩擦力越大，其抵抗拔出破坏的能力越强。除根系在土壤中的总长度外，根-土间原始摩擦力的大小还与根系在土壤中的分枝情况有很大关系，分枝节点越多根系在土壤空间内的分布就越广泛，根系与土壤所形成的根土复合体就越大。但过多的植物根系也会对土壤产生松动作用，根系腐败后所形成的根通道也同样会造成土壤疏松，使得土壤稳定性下降。

5种护坡草本植物的根系直径多在6 mm以下，根系生长深度除紫花苜蓿外，多在0.6 m以内。沙打旺和狗尾草的根系总长度最大，表现出更好的抵抗拔出破坏的能力，而高羊茅和沙打旺根系在土壤中的数量较多，表现出更好的对浅层土壤抗剪强度的增强效果。总的来说，对于北京地区的护坡草本植物，从根系固土的角度分析，沙打旺的表现最好，其次是狗尾草、高羊茅和白三叶，表现较差的为紫花苜蓿。