生态边坡防护中旱柳根系固土特性研究

刘 飞，王 卫，罗东志，王 伟

1.宿迁市交通产业集团有限公司，江苏 宿迁 223800

2.苏交科集团检测认证有限公司，江苏 南京 210000

3.宿迁市高速铁路建设发展有限公司，江苏 宿迁 223800

应用植被进行生态边坡的防护不但能够减少边坡水土流失、改善环境，而且还具有涵养水源、固土护坡等其他工程措施所不具备的作用。而且从经济角度考虑，植被防护措施相较于其他防护工程措施更具性价比，是应该被优先考虑的举措。林木的根系因其独特的抗侵蚀能力、根系的复杂性与可塑性，对斜坡起到锚固与加筋的作用，有效防止坡上树体倾倒。此次实验选用宿迁市生态边坡防护中常用的旱柳。旱柳生长速度快，多为聚集性生长，且有效分蘖能力强。其地下部分的根系生物量通常是地上部分一倍以上，根系庞大，抗旱涝、抗逆性强，对适应环境的能力很强，具有优良的防风、固坡的效果。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

宿迁市位于江苏省北部，地处陇海经济带、沿海经济带、沿江经济带交叉辐射区。境内有两大著名的淡水湖（洪泽湖和骆马湖），京杭大运河穿境而过。全市总面积约为8555km2，其中陆地面积占77.6%，耕地面积约为4385km2，水面面积约为2367km2。宿迁平原广阔，河网密布，属于典型的苏北水乡。整体地形西南、西北部为岗丘，大部分地区海拔在40m以下，最高海拔为71.2m，最低海拔为2.8m。

宿迁市总体气候特点为年平均气温偏高，总降水量南多北少，总日照时数正常。年内主要的气象灾害有雾、霾、大雪、寒潮、大风、冰冻、暴雨、强对流、高温和干旱。全市年平均气温为15.6～16.3℃，春季、夏季气温较常年偏高。年极端最高气温39.0℃；年极端最低气温-6.7℃。全市年总降水量为670.4～1208.7mm，其空间分布为南多北少；年极端最大降水量134.4mm。全市总日照时数为2057.2～ 2263.6h。

1.2 野外取样

取样地选取在江苏省宿迁市城郊的道路边坡，由于大树的根系的挖掘非常困难，且根系分布很难完整采取，故选取3年树龄旱柳并在样地周围挖深坑，选取长势良好且距离其他植物间隔较远的旱柳，齐地伐倒，采用整株挖掘法取得旱柳全部根系，尽量避免伤害旱柳根系。

1.3 材料筛选与处理

选择顺直均匀且不具有分支的直根数个，根据直径的粗度将样根分为1cm以下、1～2cm、2～5cm、5～10cm与10cm以上五个组别，再将各组根修剪为50mm、100mm、150mm、200mm、250mm并进行标记，最后装入自封袋保存并放入带有干冰的泡沫箱内冷藏。样品必须尽快完成测定，否则会失去活性而导致数据误差。

2 试验仪器与方法

应用YG（B）026H-250型织物强力机进行抗阻力试验，该强力机配套测量系统可以自动记录拉力和伸长量，并绘制出连续的曲线。根-土复合体的单根拉拔试验需要设置以下两个前提：（1）拔出时，旱柳根系与土壤界面之间的摩擦应力是均匀分布的；（2）剪切位移是指根土复合体沿根轴线方向的位移，导致此位移产生的外力方向沿根轴线方向，即拉拔剪力，同时定义根土界面抗剪强度为指定面积上跟表面的最大抗拉阻力，可用如下公式表示：

式中：τ为根-土界面拉拔剪应力，kPa；F为根被拔出时的最大拉力，N；d为根系的平均直径，m；l为根系在土中的长度，m。利用交叉相乘，式（1）经过变换后可得到：

在室温防腐条件下，将旱柳根系以恒定速度进行拉伸，分析其在拉伸过程中的动态变化与力学特性，为保证实验准确性，避免系统误差，需要对各个组别中不同根长的样根重复多次拉伸。首先用夹具分别固定所选样根，然后使用游标卡尺正交测量样根两段与中间共三个点处的直径，最后算取平均值作为该段直径。需要注意的是只有当拉伸断裂发生于中间位置且断面有明显塑性形变时，实验数据才能被认为有效。若拉伸过程中，根系两端提前脱出或在靠近两端位置断开，则视为无效数据。

量取距离断面10mm处的直径，共两处。拉断的根系会在断面附近发生颈缩现象，即量取的直径会变小。为了避免高估单位根系表面积的抗拉强度，当缩后直径与断前直径相差过大的时候，需要以缩后直径为准。

具体实验步骤如下：首先，将软件中的试验力和峰值的预设值调整为0；其次，使用正确型号的夹具对样根进行固定；再次，将所选样根的直径及相关数据录入软件中；最后，选择适合的拉力档位与拉动速率开始实验。软件会在拉伸过程中对拉力与根系轴向形变进行自动采集，当样根被拉断时停止实验并保存数据。

3 数据分析与处理

对于实验所得到的数据，首先利用Excel进行基础的处理并汇总整理，然后使用SPSS19.0进行统计分析。

3.1 旱柳根系分布

采用Epson Expression 10000XL高精度扫描仪扫描旱柳根系，采用WinRHIZO 2009a系统分析根系形态学指标，经扫描分析得出结论，选取的标准旱柳植株都包含一条主根。3年的根系生物量为412.5g，高于地表371cm，冠幅为136cm，枝杈数有42个，根茎直径为26.8cm。水平方向的根幅为235cm，侧根数量为19条，其中最长的根达到187cm，竖直方向上根深度达74cm，细跟密集范围为35cm。各个级别旱柳的根系根长百分比跟随直径的增大呈现减小趋势，大部分集中在lcm以下的径级中的根长百分比占总根长的45%左右，其余55%的总根长中，1～2cm的占27%，2～5cm的占21%，5cm以上的达到7%。由此可知，直径在5cm以下的根系为旱柳根系的主要组成部分。

3.2 旱柳根系的抗拉强度

在植物根系生物力学中，抗拉特性是一个重要的指标，其定义为根系对抗拉伸外力防止断裂的能力，即为最大抗拉力与断面面积的比值。当断面面积一定时，抗拉力越大，其抗拉特性越强，有效体现了植物根系单位面积的抗拉力水平，用公式表示如下：

式中：F为根系的抗拉强度，MPa；Fmax为抗拉力峰值，N；D为样根断口处平均直径，mm。

试验测出旱柳的平均抗拉强度为14.5MPa、最大抗拉力764N、平均直径1.83mm，平均抗拉强度p与根直径D的关系曲线为p=47.286D-0.8901，拟合曲线相关系数R2为0.8656。

3.3 旱柳根系的抗剪切强度

直剪抗剪强度是反应根-土复合体抗剪特性的一个重要指标。根-土复合体会在浅层土壤发生位移，即错动、张裂等时起到固持作用，甚至在土体被剪破并发生位移时，这一固持作用仍然没有完全消失，而是稳定在一个水平上。毫无疑问，这对于加固浅层土体，抵抗土体变形具有十分重大的意义。

此次试验使用原位剪切试验装置——ZJ型四联应变控制式直剪仪，对旱柳根土复合体进行受力实验。在对根-土复合体进行剪切过程中会共受三个外力的影响，其中，外力以水平方向上的拉力为主，再加上根-土复合物所受的剪切力。另外，在剪切盒与滑轨之间还会存在摩擦力。通过实验不难看出，旱柳根-土复合界面的平均拉拔剪切强度则随着根径的不断增大而呈幂函数减小，且在代表根径级下的平均抗剪强度为176.18kPa。

4 结束语

通过根系的特征分析得出，根系的固土能力与其数量、分布深度、广度成正相关。由此可见，植被根系的数量特征和结构特征是影响固土的最重要的两个因素。根据数据分析得出影响旱柳根系抗拉力峰值的关键因素为根系直径，两者关系为根系直径越粗，其抗拉力峰值越大。而且旱柳根系的抗拉强度会随着直径的增大而降低，并与标距总体成反比。旱柳根系的最大抗拉强度、弹性模量和延伸率均随着直径和标距的增大而减小。