盧荻秋，孫海龍，李紹才，龍 鳳，羅 雙，王云翔

(1．四川大學(xué)水利水電學(xué)院，四川成都610064;2．四川大學(xué)水力學(xué)與山區(qū)河流保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都610064;3．四川大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，四川成都610064)

植被護(hù)坡是一種利用植物根系固土作用穩(wěn)定邊坡淺層土壤的技術(shù)，同傳統(tǒng)的土木工程相比，植被護(hù)坡在發(fā)揮作用的同時(shí)，具有土木工程措施所無法比擬的優(yōu)點(diǎn):植被護(hù)坡能夠迅速恢復(fù)由于工程建設(shè)所破壞的生態(tài)環(huán)境，保持生態(tài)間的平衡;植被護(hù)坡造價(jià)低，經(jīng)濟(jì)性較工程措施護(hù)坡優(yōu)越［1］。植被護(hù)坡一方面通過根系與土壤間的附著力，對邊坡的表層起加固作用［2］，另一方面植物根系通過錨固土層，并與土層形成復(fù)合體來提高土體的抗剪強(qiáng)度［3－4］。目前，對植被護(hù)坡的應(yīng)用還處于定性和經(jīng)驗(yàn)發(fā)展階段，理論研究落后于工程實(shí)踐［5］。國內(nèi)外學(xué)者對林木根系固土護(hù)坡機(jī)制的研究主要是針對不同的土壤及不同的植物根系進(jìn)行直接剪切或拉拔試驗(yàn)［6－9］。目前對植被護(hù)坡的應(yīng)用雖已很廣泛，但在石質(zhì)陡邊坡生態(tài)防護(hù)方面，針對植被根系固土護(hù)坡定量作用的研究還較少［10－12］。筆者以生長于人工陡邊坡的刺槐根系為研究對象，將根系與土壤視為一個(gè)整體，即根土復(fù)合體，通過室內(nèi)直接剪切試驗(yàn)對根系－土壤抗剪強(qiáng)度進(jìn)行了定量分析，并探討在陡邊坡薄層土壤生境條件下，刺槐根系對周邊土體抗剪強(qiáng)度在空間上變化的影響。本研究旨在探討不同深度土壤抗剪強(qiáng)度與根系補(bǔ)強(qiáng)之間的關(guān)系，為解決現(xiàn)代石質(zhì)陡邊坡生態(tài)護(hù)坡技術(shù)中土壤穩(wěn)定問題提供有效的依據(jù)。

1 試驗(yàn)概況

試驗(yàn)地位于四川省彭州市升平鎮(zhèn)(103°53'E、30°59'N)。試驗(yàn)邊坡(坡向S)是人工模擬石質(zhì)邊坡，坡度60．61°，坡長4．5 m，坡面由砂巖石板砌成?；|(zhì)用植壤土(土壤類型為紫色土)與TBS 綠化基材按重量比10 ∶1 混合，采用干噴法噴射(12 m3空壓機(jī)、5 m3/h 混凝土噴射機(jī))至試驗(yàn)坡面，坡面土壤噴射厚度為20 cm。基質(zhì)混合物的密度為1．07 g/cm3。本試驗(yàn)用刺槐根系，供試種于2005年6月播種，抗剪切試驗(yàn)時(shí)間是2009年5月，此時(shí)刺槐高3～5 m。

取樣前將取樣區(qū)土體澆水至飽和(測定土壤的飽和含水率約為36%)，以刺槐莖干為中心，在半徑50 cm 范圍內(nèi)取樣，分上、下坡位和土體上層(距土體表面垂直距離為0～10 cm)、下層(距土體表面垂直距離為10～20 cm)，各取環(huán)刀樣5 個(gè)(60 cm3環(huán)刀);選取相對獨(dú)立的刺槐植株3 株，無植物土體1 處，試驗(yàn)共計(jì)取環(huán)刀土樣70 個(gè)。將含根土樣分上、下層分別編號1—30。直剪試驗(yàn)結(jié)束后，將環(huán)刀土樣稱重，并稱量烘干土中清洗出的根系，求取環(huán)刀土樣中的含根量。以含根量和土樣所處空間位置作為主要影響參數(shù)進(jìn)行根土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度的研究。試驗(yàn)按照相應(yīng)的試驗(yàn)規(guī)程操作，嚴(yán)格控制土樣的含水量，使土樣含水量盡量靠近其飽和含水量。試驗(yàn)測得含根土體的濕密度為1．35 g/cm3。

本次試驗(yàn)所用設(shè)備為南京土壤儀器廠生產(chǎn)的ZJ 型應(yīng)變控制式直剪儀。剪切時(shí)垂直荷載采用50、100、200、300、400 kPa五個(gè)等級，量力環(huán)率定系數(shù)為1．688。

對每一個(gè)試樣進(jìn)行剪切后，可以得到5 個(gè)不同垂直壓力下對應(yīng)的抗剪強(qiáng)度，用抗剪強(qiáng)度τf(kPa)和相應(yīng)的垂直壓力σ(kPa)繪制抗剪強(qiáng)度線，依據(jù)庫侖公式(τf=c +σ·tanφ)可以得出每個(gè)試樣的的黏聚力c(kPa)和內(nèi)摩擦角φ(°)。直剪試驗(yàn)過后，對每一個(gè)環(huán)刀試樣的土樣進(jìn)行稱重，用配置的NaOH 溶液將根洗凈，晾干，用電子天平稱重，將根放入烘箱烘干，最后稱量其干重。采用以下公式計(jì)算含根量(以千分比計(jì))

式中:Mr為復(fù)合體含根量，‰;R 為復(fù)合體含根的質(zhì)量，g;G 為復(fù)合體的質(zhì)量，g。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析及討論

通過直剪試驗(yàn)，根據(jù)不同垂直壓力與對應(yīng)的抗剪強(qiáng)度值繪制環(huán)刀土樣的抗剪強(qiáng)度曲線，通過曲線斜率以及與Y 軸的交點(diǎn)得出對應(yīng)的黏聚力c 和內(nèi)摩擦角φ 值，結(jié)果見表1。

表1 土體抗剪強(qiáng)度指標(biāo)

2．1 土層上下層、上下坡位含根量比較

由試驗(yàn)取樣的各環(huán)刀土樣含根量統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如圖1 所示。

圖1 土層上、下層含根量統(tǒng)計(jì)

(1)土層上層含根量與下層含根量的比較。對3 株刺槐周邊土層上下兩層的含根量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)比較，分別采用配對樣本T檢驗(yàn)分析(在T 檢驗(yàn)中，P≤0．05 時(shí)，差異顯著;P ＞0．05，差異不顯著，余同)。1#植株上坡位上層和下層P 值為0．899，下坡位上層和下層P 值為0．181;2#植株上坡位上層和下層P 值為0．474，下坡位上層和下層P 值為0．381;3#植株上坡位上層和下層P 值為0．660，下坡位上層和下層P 值為0．345。由此可知，土壤上下層含根量不存在顯著差異。

(2)土層上坡位含根量與下坡位含根量的比較。對3 株刺槐周邊土層的上、下坡位含根量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)比較，分別采用配對樣本T 檢驗(yàn)分析。1#植株上、下坡位上層P 值為0．413，下層P值為0．352;2#植株上、下坡位上層P 值為0.445，下層P 值為0．670;3#植株上、下坡位上層P 值為0．994，下層P 值為0．291。由此可知，植株周邊土壤上、下坡位的含根量(根徑≤2 mm 的根系含量)不存在顯著差異。

2．2 含根量對土體抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的影響

根據(jù)表1 的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對根土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度指標(biāo)與含根量作相關(guān)性分析可知，根土復(fù)合體含根量(0～2 mm)與抗剪強(qiáng)度指標(biāo)呈冪函數(shù)關(guān)系，函數(shù)關(guān)系式為

c=AxB

φ=CxD

式中:x 為含根量;A、B、C、D 均為參數(shù)，通過試驗(yàn)可得到。本次試驗(yàn)中，A=14．50，B=0．288，C=27．47，D=0．035。

試驗(yàn)結(jié)果表明:僅從含根量這個(gè)方面(忽略其他因素)來看，可得出含根量與黏聚力及摩擦力的關(guān)系:含根量的變化對土壤的黏聚力c 值有很大的影響，對內(nèi)摩擦角φ 值影響相對較小。隨著含根量的增加，含根系土相比于無根系土，抗剪強(qiáng)度大大提高了，含根量與黏聚力的關(guān)系并非呈線性?？傮w來說，一方面，由于根系的加入，土體的黏結(jié)度增加，相互間的摩擦力加強(qiáng)，從而提高了土的黏聚力;另一方面，由于受根系生長條件、環(huán)境等眾多因素的影響，土的內(nèi)摩擦角變化不明顯。

2．3 不同深度土體抗剪強(qiáng)度差異

在含根量不存在明顯差異條件下，對上、下土層抗剪強(qiáng)度進(jìn)行比較分析，由試驗(yàn)數(shù)據(jù)可得圖2—7。

采用配對樣本T 檢驗(yàn)對不同層面土體的抗剪強(qiáng)度進(jìn)行分析，結(jié)果表明:對于1#植株，下坡位上、下層土體的抗剪強(qiáng)度之間不存在顯著性差異(P 值為0．507);上坡位上、下層土體的抗剪強(qiáng)度之間也不存在顯著性差異(P 值為0．993)。對于2#植株，下坡位上、下層土體抗剪強(qiáng)度之間不存在顯著性差異(P 值為0．133);上坡位上、下層土體抗剪強(qiáng)度之間存在顯著性差異(P 值為0．021)。對于3#植株，下坡位上、下層土體抗剪強(qiáng)度之間不存在顯著性差異(P 值為0．052);上坡位上、下層土體抗剪強(qiáng)度之間也不存在顯著性差異(P 值為0．559)。

對試驗(yàn)成果進(jìn)行相關(guān)性分析可以看出，在一般情況下，對于石質(zhì)陡邊坡薄層土壤，在基本飽和的情況下，上、下層土壤的抗剪強(qiáng)度不存在顯著差異。由此可認(rèn)為，空間位置差異對于石質(zhì)陡邊坡薄層含根土體抗剪強(qiáng)度沒有顯著影響。

2．4 不同坡位土體抗剪強(qiáng)度差異

在含根量不存在明顯差異的條件下，對上、下坡位土體的抗剪強(qiáng)度進(jìn)行比較分析，由試驗(yàn)數(shù)據(jù)可得圖8—13。

圖8 1#植株上、下坡位上層抗剪強(qiáng)度

試驗(yàn)結(jié)果采用配對樣本T 檢驗(yàn)對不同坡位抗剪強(qiáng)度進(jìn)行分析，分析結(jié)果為:對于1#植株，上坡位上層土體抗剪強(qiáng)度和下坡位上層土體抗剪強(qiáng)度之間不存在顯著性差異(P 值為0.595)，上坡位下層和下坡位下層土體抗剪強(qiáng)度之間不存在顯著性差異(P 值為0．395)。對于2#植株，上坡位上層抗剪強(qiáng)度和下坡位上層抗剪強(qiáng)度之間不存在顯著性差異(P 值為0.226)，上坡位下層抗剪強(qiáng)度和下坡位下層抗剪強(qiáng)度之間不存在顯著性差異(P 值為0．248);對于3#植株，下坡位上層抗剪強(qiáng)度和上坡位上層抗剪強(qiáng)度之間不存在顯著性差異(P 值為0.974)，上坡位下層和下坡位下層抗剪強(qiáng)度之間不存在顯著性差異(P 值為0．312)。

對于石質(zhì)陡邊坡薄層含根土壤，土層的空間位置對其抗剪強(qiáng)度沒有顯著影響，因此對其的抗剪強(qiáng)度研究可以依據(jù)試驗(yàn)的要求取樣，不考慮空間位置因素影響。

3 結(jié) 語

通過對石質(zhì)陡邊坡人工噴射薄層土壤、栽種刺槐條件下的根土復(fù)合體進(jìn)行直剪試驗(yàn)，研究了陡邊坡含根量、土層深度、坡位與抗剪強(qiáng)度的影響關(guān)系，得出主要結(jié)論如下:①含根土壤的抗剪強(qiáng)度比素土抗剪強(qiáng)度有所提高，根系的加入能提高石質(zhì)陡邊坡土壤的抗剪強(qiáng)度;②根系對土壤的內(nèi)摩擦角影響較小，對黏聚力的影響較大，但隨著含根量的增加，黏聚力的增加有減小的趨勢;③對于石質(zhì)陡邊坡薄層土壤，不同土層深度及不同坡位的土壤須根(直徑≤2 mm)含根量沒有顯著的差異，可認(rèn)為在陡邊坡含植被的薄層土壤中須根的分布較為均勻;④在含根量相差不明顯的情況下，石質(zhì)陡邊坡薄層土壤不同土層深度、不同坡位的抗剪強(qiáng)度亦沒有明顯差異。因此，在石質(zhì)陡邊坡薄層土壤的穩(wěn)定性研究中，可以不考慮空間位置因素對抗剪強(qiáng)度的影響，而對于厚度較大的陡邊坡土層其空間位置對抗剪強(qiáng)度的影響還需進(jìn)一步研究。

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