黄土区3种优势灌木根土复合体的抗剪强度研究

杨 路, 杜 峰,2, 秦晶晶, 程 帅, 李宏斌

(1.西北农林科技大学 林学院, 陕西 杨凌712100; 2.中国科学院 水利部 水土保持研究所, 陕西 杨凌712100)

由于黄土丘陵区地形和气候的原因，存在很多潜在滑塌的坡体，使得水土流失成为该地区十分突出的环境问题。目前，这些坡体需要进行稳定性评价、监测与护坡加固。随着国家乡村振兴和西部大开发战略的实施，中西部黄土区的项目建设越来越重视。但由于黄土区地质构造的特点，这些项目建设会严重破坏当地的生态环境，形成滑坡等自然灾害[1]。为了解决这一问题，在建设中会修建很多工程坡体。对于这些工程坡体的坡面防护，在施工上主要采用工程措施，这种施工方式投资大、生态效益低、养护的成本高[2]。因此，工程坡体应以低成本的生物防护为主[3]。在今后的水土保持工程设计上护坡植物作为一种环境友好、功能可持续的生物措施，应予大力提倡，所以研究护坡植物对固土护坡的影响就显得尤为重要[4]。

护坡植物主要是通过不同直径根系与土壤错综复杂连接在一起形成根土复合体，其中细根主要通过内聚力、摩擦力和剪胀力，对土壤起到“加筋”的作用；较粗的深根系主要通过抗拉拔力将土壤“锚定”在较深的土层中[5-6]。粗根和细根分别通过抗屈服力和抗剪增强作用对浅层潜在剪切面起抗剪增强作用。因而，护坡植物根系的形态指标如根径、地下垂直分布和根长密度等都对边坡加固起到重要影响[7]，而能够量化这些因素对边坡稳定性影响的手段就是进行抗拉和抗剪切的试验，国内外已经有大量研究表明植物根系的抗拉强度和根土复合体的抗剪强度是决定不同植物根系提高坡体稳定性的重要因素[8-10]。以往学者对灌木根系的力学特性进行了很多研究，其中，王剑敏等[8]对中亚热带的3种灌木进行了根土复合体抗剪切的研究，其没有分析不同土层剪切强度的变化规律；李佳等[11]对浅层滑坡多发区的4种典型灌木和赵玉娇等[12]对寒旱环境下的两种灌木进行了抗剪强度特征分析，他们都是通过在实验室中对重塑土进行根土复合体的抗剪研究，但是重塑土与原状土在抗剪特性方面还是有一些差别[13]。针对以上情况，本文选取黄土区3种常见的乡土护坡灌木达乌里胡枝子、沙棘和狼牙刺作为研究对象，野外采用三维土柱挖取灌木的根系，并对其进行单根抗拉试验和基于原状土的根土复合体剪切试验，探寻不同灌木在不同土层对土壤力学特性作用的特征，从而为护坡灌木的选择和配置提供一些建议，以便更合理进行水土保持工程设计。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

研究区位于陕北安塞区高桥乡(108°6′54′—109°19′23′′E，36°30.45′′—37°19′3′′N)，地处内陆黄土丘区，地貌复杂多样，境内沟壑纵横。全区四季长短不等，干湿分明，年平均气温8.8℃，年日照时数2 395.6 h。当地的优势物种有达乌里胡枝子(Lespedezadavurica)、中国沙棘(Hippophaerhamnoides)和狼牙刺(Sophoraviciifolia)等。

在对当地植被分布进行广泛的野外踏查基础上，在天然坡体的样地选取3个典型的有达乌里胡枝子、中国沙棘和狼牙刺分布的单株，每种选三株作为研究对象，植株所在区域为黄棉土。于2018年和2019年对样地进行预处理：在选定灌木周围3 m内，使用人工拔除和塑料膜上覆土遮阳的方法去除其他草本植物活体根系，2020年6—10月进行正式野外和室内作业试验。

1.2 样品采集

在对植物处理之前，将各个植物地上部分的株高、基径和生物量等进行记录(表1)，之后将植物的地上部分进行切除。随后在各个植物根系某个固定方向，沿着植物的基部画一条直线，在直线的一侧，用定制环刀(10 cm×10 cm×10 cm)逐层从上向下取原状土做剖面，直至取到水平和垂直方向上没有目标植物根系的分布为止，将取好的土柱进行方位上的三维坐标标记，并装入不透光的密封袋带回实验室。使用剪切仪(ZJ-2等应变直剪仪，南京宁曦土壤仪器有限公司)配套的环刀(30 cm×2 cm)随机对每层的原状土进行取样，测量当地土壤的含水量。

表1 3种优势灌木的基本情况

1.3 样品分析

从上到下算出各土层的自重应力大小分别为0，1.47，2.94，4.41，5.88，7.35，8.82，10.29，11.76，12.23 kPa荷载，利用剪切仪对配套环刀内的土样进行直剪试验，测定土壤的抗剪强度。直剪试验结束后，将剪切后的土样和各个土层的土样置于孔径为0.1 mm的网筛中去除土壤，从筛选出来的每种植物根系中选取20～30个根段并用清水洗干净，用数显的游标卡尺(精度0.01 mm)测定根系的直径，然后将根段放在拉力仪(东莞市智取精密仪器有限公司生产的ZQ-21B型，精度0.5级，分度值0.001 N)固定夹子中，拉伸的长度统一设置为5 cm，直到把各个根段拉断，记录单根被拉断时所受的最大抗拉力。将剩余根系进行清洗并把根系上残留水分蒸发掉，随后将所有的根系分批次放在扫描仪(EPSON生产的V33)上扫描，获取根系的二维根系扫描图像。最后，将各个土层中根系分别放在烘箱里面烘干，用分析天平(千分之一)测量根系的干重，用来计算根系生物量。

1.4 试验方法

1.4.1 根系形态参数的计算 借助环刀对根系进行逐层取样，3种灌木根系形态参数计算公式如下：

ρ根长=L根长/V

(1)

ρ表面积=S表面积/V

(2)

ρ根径=D直径/V

(3)

ρ生物量=B生物量/V

(4)

式中：ρ根长表示根长密度；L根长表示环刀内根系的长度；V表示环刀体积；ρ表面积表示根表面积密度；S表面积表示环刀内根系的表面积；ρ根径表示根径密度；D根径表示环刀内根系的直径；ρ生物量表示根生物量密度；B生物量表示环刀内烘干根系的生物量。

1.4.2 单根抗拉强度的计算： 利用拉力仪测不同径级根系的最大抗拉力，用游标卡尺测定拉断时根系的直径，单根的抗拉强度计算公式如下：

(5)

式中：Pi为第i根的单根抗拉强度(MPa)；Fi为第i根的最大抗拉力(N)；Di为第i根的根径(mm)。

1.4.3 剪应力的计算： 剪应力的计算公式如下：

(6)

式中：τ为剪切力(kPa)；C为测力计率定系数(N/0.01 mm)；R为测力计读数(0.01 mm)；A0为试样面积(本文中的试样面积为30 cm2)；10为单位换算系数。

1.5 数据处理

利用Image-Pro Plus 6.0对不同植物的根系扫描图像进行形态参数的分析，测定的指标包括根系长度、根系直径和根表面积等[3]。使用Excel 2019对测出的基础数据进行汇总整理，采用Origin 2019对最后数据进行做图和回归分析。

2 结果与分析

2.1 3种灌木根系垂直分布特征

由图1A和图1B可知，沙棘的根长集中位于0—40 cm的土层，占总根长的72.5%，达乌里胡枝子和狼牙刺相对于沙棘根系分布较深。随着土层深度的增加，达乌里胡枝子和狼牙刺的根长密度与根表面积密度都有整体逐渐减小的趋势，其中达乌里胡枝子在30—40 cm的土层深度，最大根长密度为2.29 cm/cm3，最大根表面积密度为0.67 cm2/cm3，狼牙刺在0—10 cm的土层深度，最大根长密度为3.905 cm/cm3，最大根表面积密度为1.09 cm2/cm3。狼牙刺根长密度与土层多项式拟合为y=0.0006x2-0.0754x+4.7817(R2=0.783，p<0.05)，随着土层深度的增加，呈先减后增的变化趋势，狼牙刺根表面积与土层拟合为y=-0.0078x+1.1401(R2=0.7914，p<0.05)，随着土层深度的增加，呈负相关线性逐渐递减的变化趋势。而沙棘根长密度和根表面积密度表现为先增加后减少而后又增又减的特征，在30—40 cm的土层深度，最大根长密度为7.75 cm/cm3，最大根表面积密度为0.97 cm2/cm3。由图1C可知，随着土层深度的增加，达乌里胡枝子根径密度没有显著的变化规律，基本稳定在0.05 cm/cm3左右，而沙棘和狼牙刺的根径密度表现出先增后减的变化趋势，其中在30—40 cm的土层深度，沙棘最大的根径密度为0.103 cm/cm3，狼牙刺最大的根径密度为0.085 cm/cm3。由图1D可知，达乌里胡枝子生物量密度与土层拟合为y=305.69x-1.98(R2=0.9026，p<0.05)，随着土层深度的增加，呈负相关幂函数下降的趋势，沙棘生物量密度与土层多项式函数拟合为y=-0.0005x2+0.0335x+0.323(R2=0.6362，p<0.05)，随着土层深度的增加，呈先增后减的下降的趋势，狼牙刺生物量密度与土层拟合为y=-0.1864x+15.918(R2=0.9539，p<0.05)，随着土层深度的增加，呈负相关线性函数下降的趋势，且3种灌木集中位于0—40 cm的土层中，生物量密度分别约占总量的91.34%，89.92%和73.89%，其中在0—10 cm的土层深度，达乌里胡枝子和狼牙刺的最大生物量密度分别为2.49 g/cm3和14.77 g/cm3。

图1 3种灌木根系形态参数随土层的垂直变化

2.2 3种灌木根系单根抗拉力学特征

在试验中测出来的达乌里胡枝子、沙棘和狼牙刺的根径区间分别为0.16～1.12 mm，0.28～1.16 mm，0.34～2.18 mm，排除在抗拉试验中拉坏的根系，达乌里胡枝子、沙棘和狼牙刺的样本量分别为21，15，19。从表2和图2A可以看出，3种灌木的抗拉力随着直径(D)的增大而增大，且变化的趋势越来越大，均呈现正相关的幂函数关系(aDb,b>1)，单根抗拉力的相关系数大于0.967 9。3种灌木单根最大的抗拉力区间分别为2.2～56 N，3.42～18.6 N和2.1～48.3 N，在相同根径下，最大抗拉力从大到小为达乌里胡枝子>沙棘>狼牙刺。从表2和图2B可以得出，3种灌木的抗拉强度随着直径(D)的增大而减小，且变化的趋势越来越小，均呈现负相关的幂函数关系(aDb,b<1)，单根抗拉强度的相关系数大于0.839 4。3种灌木单根最大的抗拉强度区间为56.87～109.47 MPa，17.61～55.25 MPa和12.87～41.88 MPa，当相同根径时，它们的最大抗拉强度表现为达乌里胡枝子>沙棘>狼牙刺。

图2 3种灌木抗拉力和抗拉强度与根径的相关关系

表2 3种灌木抗拉力、抗拉强度与根径的回归方程

2.3 3种灌木根际范围内根-土复合体抗剪强度的垂直分布特征

3种灌木根际范围内垂直土层的含水量在9%～17%，由图3可知，随着土层的深入，达乌里胡枝子根土复合体的抗剪强度表现出先增加后减少，而后又增加又减少的趋势，在20—30 cm和50—70 cm的土层深度，相对于其他两个灌木，达乌里胡枝子根土复合体的抗剪强度最大，直到土层70 cm以下，达乌里胡枝子根系分布很少，其根土复合的抗剪强度逐渐减小。在黄土区测得素土的抗剪强度为29.5 kPa，在土层深度为30 cm时，达乌里胡枝子根土复合体的抗剪强度最大为73.16 kPa，较素土提高了2.48倍。沙棘根土复合体的抗剪强度随着土层的深入，表现出先增加后减少的趋势，沙棘根土复合体的抗剪强度最大为76.6 kPa，较素土提高了2.59倍，在30—50 cm的土层深度，相对于其他两个灌木，沙棘根土复合体的抗剪强度最大。狼牙刺根土复合体的抗剪强度随着土层的深入，表现出逐渐递减的趋势，狼牙刺根土复合体的抗剪强度最大为65.13 kPa，较素土提高了2.21倍，在0—20 cm的土层深度，相对于其他两个灌木，狼牙刺根土复合体的抗剪强度最大。

图3 3种灌木根际范围内根土复合体抗剪强度垂直分布特征

3 讨 论

不同护坡植物的根系形态特点，可以通过根系的形态指标来反映，其中包括根长、根表面积、根径等。根长越长可以增加根系的拓展延伸能力，更大的总表面积可以增加根系土体的接触面积，更长的根系直径可以提高根系锚定土壤的能力，根长、根表面积、根径与固土护坡的能力密切相关，有研究发现根长密度和根表面积密度可以很好地解释根系的固土机理[14-15]。本研究对3种灌木根系的形态参数进行研究，发现3种灌木主要分布在0—40 cm的土层中，分别约占总生物量密度的91.34%，89.92%和73.89%，这个结论和史敏华等[16]的研究结论一致。随着土层深度的增加，达乌里胡枝子和狼牙刺的根长密度和根表面积密度都呈逐渐减小的趋势，且沙棘和达乌里胡枝子在30～40 cm的土层深度，都达到最大的根长密度和最大根表面积，达乌里胡枝子的分别为2.29 cm/cm3和0.67 cm2/cm3，沙棘的分别为7.75 cm/cm3，0.97 cm2/cm3，说明沙棘和达乌里胡枝子在30～40 cm的土层深度中分布比较集中，对土壤起到加固的作用最大。狼牙刺的根长密度随着土层深度的增加，呈先减后增的变化趋势，3种灌木中狼牙刺的分根较深，根系分布深度不同也直接影响到固土护坡作用的范围[17]。沙棘和狼牙刺的根径密度表现出先增后减的变化趋势，其中在30～40 cm的土层深度，沙棘最大的根径密度为0.103 cm/cm3，狼牙刺最大的根径密度为0.085 cm/cm3。说明沙棘和狼牙刺在这个深度内，对土壤的锚定作用最好[18]。

植物根系的单根抗拉力和抗拉强度可以反映其对边坡稳定性的贡献大小，根系对边坡的力学特性主要表现在浅根系“加筋作用”和深根系“锚定”的作用，植物的抗拉特性受多种因素影响，其中包括根系形态、木质素和纤维素的含量、根系直径等[19]。3种灌木的抗拉力随着根径(D)的增大而增大，且变化的趋势越来越大，均呈现正相关的幂函数关系(aDb,b>1)，单根抗拉力与直径拟合时的相关系数都大于0.967 9，说明拟合的效果都很好，造成上述这种情况主要是粗根相比较细根横截面积的迅速增加导致的，这与薛杨[20]、冯国建[21]等的研究结论相一致。3种灌木的抗拉强度随着根径(D)的增大而减小，且变化的趋势越来越小，均呈现负相关的幂函数关系(aDb,b<1)，单根抗拉强度的相关系数大于0.839 4，在相同根径下，最大抗拉强度从大到小为达乌里胡枝子>沙棘>狼牙刺，这与李佳等[11]的研究结论相似。表明根径较小的达乌里胡枝子根系有更多的细根，可以更好地吸附土壤，增加了根系的抗拉强度，同时也反映出细根和毛根提供的抗拉强度要大于粗根系，这个主要是因为直径较小的根系，与土壤颗粒接触的更加充分，相比于狼牙刺的粗根在产生位移时会产生更大的摩擦力，在产生剪切时细根往往会拉断，但是细根的柔韧性更好，而直径较大的根系容易被整体拨出，而产生的抗拉强度很小[22-23]。

根系在土壤中起到明显的加筋作用，使得土壤的抗剪强度显著增加，从而让根系与土壤形成互相作用的整体，既土壤—根系复合体[24]。根土复合体的抗剪强度是衡量边坡稳定性的重要因素，其值越大根系的抗剪切能力越强，越有助于对坡体的稳固[11]。在本研究中，可以发现3种灌木都显著提高了根土复合体的抗剪强度，可以有效提高坡体的稳定性，根系的存在对于提高浅层坡体的稳定性作用更加的明显[25]。达乌里胡枝子根土复合体的抗剪强度随着土层的深入，表现出先增加后减少，而后又增加又减少的趋势，在20—30 cm和50—70 cm的土层深度，相对于其他两个灌木，达乌里胡枝子根土复合体的抗剪强度最大。由于达乌里胡枝子的根系主要分布在地下30 cm以内，所以在这个深度区间达乌里胡枝子根土复合体的抗剪强度逐渐增加，而到了40 cm以下的土层深度，随着达乌里胡枝子根系毛细根的增加，又会使其根土复合体的抗剪强度增加，直到土层70 cm以下，达乌里胡枝子根系分布很少了，其根土复合体的抗剪强度比较小，进而也说明细根对于土壤的抗剪作用更大一些[26]。在30—50 cm的土层深度，相对于其他两种灌木，沙棘根土复合体的抗剪强度最大，在本文中沙棘根系分布的土层最浅，是由于沙棘的水平根系发达，且本文中研究的沙棘是一个分株没有明确主根，在垂直方向上根系分布有限，同时在浅层坡体根系分布也相对较细，所以也很好地提高了土壤的抗剪强度。狼牙刺根土复合体的抗剪强度随着土层的深入，表现出逐渐递减的趋势，在0—20 cm的土层深度，相对于其他两个灌木，狼牙刺根土复合体的抗剪强度最大。对比可以发现不同灌木最大抗剪强度的土层深度不同，这个和植物的种属性有关，使得不同灌木根系的构型特点和分根类型有很大的差别。

4 结 论

(1)本文通过三维坐标土柱挖掘法探究达乌里胡枝子、沙棘和狼牙刺根系在垂直方向上分布的特点，研究发现3种灌木主要分布在0—40 cm的土层中，生物量密度分别约占总量的91.34%，89.92%和73.89%，沙棘和狼牙刺的根长密度、根表面积密度和生物量密度大于达乌里胡枝子，3种灌木的根长密度、根表面积密度和生物量密度随着土层深度的增加而表现出整体递减的趋势。

(2)达乌里胡枝子、沙棘和狼牙刺的抗拉力随着根径的增大而增大，且变化的趋势越来越大，均呈现正相关的幂函数(aDb,b>1)关系，不同灌木的抗拉强度随着根径的增大而减小，且变化的趋势越来越小，均呈现负相关的幂函数关系(aDb,b<1)，当根径相同时，3种灌木的最大抗拉强度表现为达乌里胡枝子>沙棘>狼牙刺，说明达乌里胡枝子和沙棘的细根具有更好的固土护坡能力。

(3)3种灌木都提高了根土复合体的抗剪强度，可以有效提高坡体的稳定性，且不同灌木根土复合体的抗剪强度在地下垂直分布是不同的。随着土层的深入，达乌里胡枝子根土复合体的抗剪强度，表现出先增后减而后又增又减的趋势，沙棘根土复合体的抗剪强度表现出先增后减的趋势，狼牙刺根土复合体的抗剪强度表现出逐渐递减的趋势。不同灌木根土复合体最大抗剪强度的土层都不相同，达乌里胡枝子的土层深度区间是20—30 cm和50—70 cm，沙棘的土层深度是30—50 cm，狼牙刺的土层深度是0—20 cm。从不同灌木根土复合体的抗剪强度垂直分布特征来看，达乌里胡枝子和沙棘的根系更显著提高了土体的抗剪强度，建议在黄土区生态护坡中优先选择达乌里胡枝子和沙棘，可以为护坡植物的选择和配置提供一些参考。