王云翔，孫海龍，羅龍?jiān)?，李紹才，，羅 雙，盧荻秋，龍 鳳，劉 沖

（1.四川大學(xué) 水利水電學(xué)院，成都610064；2.水力學(xué)與山區(qū)河流保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都610064；3.貴州省土壤肥料研究所，貴陽550006；4.四川大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，成都610064）

隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，資源開發(fā)和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)越來越頻繁，大量的裸露邊坡，尤其是石質(zhì)邊坡隨之產(chǎn)生，邊坡崩塌、滑坡、泥石流等失穩(wěn)破壞是生態(tài)破壞中一種常見和重大的地質(zhì)災(zāi)害［1－2］。如何對(duì)邊坡災(zāi)害進(jìn)行防御已經(jīng)成為一個(gè)世界性的問題。植物根系在提高坡面穩(wěn)定性和防止其整體垮塌中扮演著重要的角色［3］。以植被為主的生態(tài)治理是目前國(guó)內(nèi)外邊坡災(zāi)害防治的重要途徑，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，同時(shí)也可以增加剪切帶的寬度［3－5］。植物生長(zhǎng)在邊坡的復(fù)雜環(huán)境條件下，受到多種應(yīng)力的作用，如植物的自重、風(fēng)力、植物和土體傾斜造成的轉(zhuǎn)矩等［6］。因此，探明植物根系如何抵抗外力與單根的抗剪強(qiáng)度就顯得尤為重要［7－8］。迄今為止，有關(guān)根系力學(xué)特性的研究大多集中在平地或土質(zhì)邊坡上分析風(fēng)荷載導(dǎo)致的植株倒根［9］，原位拉拔［10］和單 根抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)［11－13］以及根系錨固［9，14］等，但有關(guān)其在石質(zhì)邊坡上的力學(xué)特性，尤其是抗剪特性如何變化這方面的研究很少。

因此，本文以石質(zhì)陡坡生境下構(gòu)樹為研究對(duì)象，對(duì)構(gòu)樹根系單根抗剪強(qiáng)度特性進(jìn)行研究，探討構(gòu)樹根系抗剪切強(qiáng)度與根徑、坡向和不同根系分級(jí)之間的關(guān)系，同時(shí)也對(duì)單根抗剪試驗(yàn)過程的力—位移曲線作分析，探討根系抗剪特性在石質(zhì)陡邊坡上的變化，為巖石邊坡生態(tài)防護(hù)提供理論指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地介紹

試驗(yàn)地位于四川省彭州市升平鎮(zhèn)四川勵(lì)自生態(tài)技術(shù)有限公司實(shí)驗(yàn)基地（103°53′E，30°59′N），本地區(qū)氣候?qū)賮啛釒Ъ撅L(fēng)氣候，年平均氣溫16.3℃，7月平均氣溫25.8℃，1月平均氣溫5.6℃，年平均降水量1 146.5 mm，年平均相對(duì)濕度79%，年均蒸發(fā)量1 536.4mm。

試驗(yàn)邊坡（坡向S）是人工模擬石質(zhì)邊坡，坡度為44.2°，面積為4.75m×15m，總孔隙度為14.1%。巖面是由砂巖石板砌成?；|(zhì)土壤類型為紫色土與綠化基材［15］按重量比10∶1混合，采用干噴法噴射（12m3空壓機(jī)、5m3／h混凝土噴射機(jī)）至試驗(yàn)坡面，厚度10cm。測(cè)得基質(zhì)混合物的容重為1.07g／cm3，有機(jī)質(zhì)含量為47.06g／kg，pH值為6.57。

該實(shí)驗(yàn)于2005年6月以噴播方式與刺槐、桑樹等種子進(jìn)行混合播種，觀察記錄。

1.2 根系的選取與挖掘［11］

隨機(jī)選定試驗(yàn)植株10棵，植株高度為3～5m，基徑為30～50cm，截去高于坡面0.5m的植株部分，通過對(duì)含根土體澆水至飽和，24h后進(jìn)行根系人工挖掘，挖至5cm左右。選取根系中比較直的部分，長(zhǎng)度為150mm，剪取，標(biāo)記，裝入自封袋于4℃冰箱保存，待用。根系分級(jí)按照標(biāo)準(zhǔn)分級(jí)方法［16－17］分為一級(jí)側(cè)根（由主根分出的側(cè)根）、二級(jí)側(cè)根（由一級(jí)側(cè)根分出的下一級(jí)側(cè)根）和三級(jí)側(cè)根（由二級(jí)側(cè)根分出的下一級(jí)側(cè)根）。

1.3 根系抗剪強(qiáng)度的測(cè)量［18］

根系抗剪強(qiáng)度計(jì)算公式如下：

式中：τ——抗剪強(qiáng)度 （MPa）；Fa——最大剪切力（N）；Ao——剪切處原始橫截面積（mm2）；D——斷裂處直徑（mm）。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用SPSS軟件進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 根系生長(zhǎng)與分布

生長(zhǎng)在石質(zhì)陡邊坡上的構(gòu)樹根系為水平根系，主根生長(zhǎng)受到阻礙，側(cè)根較發(fā)達(dá)，沿著坡面延伸，與表層土交錯(cuò)一體。為了分析根系的生長(zhǎng)與分布，我們選擇了一棵具有代表性的植株A樣本見表1。由于所選植株只有一根主根，并且三級(jí)以上的側(cè)根數(shù)量很少，所以只對(duì)前三級(jí)根系進(jìn)行分析，所采用的方法是配對(duì)樣本T檢驗(yàn)，結(jié)果見表1。

表1 植株A根系樣本信息

分析結(jié)果表明：上、下坡向的一、二、三級(jí)側(cè)根的數(shù)量和平均長(zhǎng)度之間沒有顯著性差異（P＝0.136，0.271）。但下坡向根系的數(shù)量明顯高于上坡向，而上坡向根系的平均根長(zhǎng)要大于下坡向。上、下坡向的一、二、三級(jí)側(cè)根的平均根徑存在顯著性差異（P＜0.05）。環(huán)境因子（如水分）和力學(xué)刺激（如風(fēng)，樹自重）可能會(huì)影響根系的分布［19－20］。下坡向根系的數(shù)量和平均根徑都要大于上坡向根系，這意味著下坡向根系比上坡向根系長(zhǎng)得更好。坡面下坡向土壤的含水量要高于上坡向（表1），也就是說，根系在高含水量的土壤中長(zhǎng)勢(shì)更好。很多前人的研究表明，根系在外力荷載作用下會(huì)長(zhǎng)得更粗，并且數(shù)量也會(huì)更多［21－22］。根系長(zhǎng)度的變化取決于土壤中的水分分布。在干旱的季節(jié)，植物為了獲得儲(chǔ)存在土壤深處的水分就需要更長(zhǎng)的主根軸。相反，如果水分很容易獲得，只需一小部分根長(zhǎng)就足夠了［23］。本研究中，上坡向土壤比下坡向土壤更干燥。所以上坡向根系的平均根長(zhǎng)要大于下坡向根系。

2.2 根系剪切力－位移曲線

由于上坡向根系的直徑都比較小，同一植株中，適合進(jìn)行力學(xué)分析的根系相對(duì)下坡向根系來說比較少，因此我們?cè)谘芯坎煌旨?jí)和根徑根系的剪切力—位移關(guān)系時(shí)，選取的都是下坡向根系，這些根系樣本取自同一植株。分析相同根徑（5.95mm）的一級(jí)、二級(jí)側(cè)根剪切力—位移曲線圖表明（圖1）：下坡向一級(jí)側(cè)根，二級(jí)側(cè)根的剪切力—位移曲線具有相似的形狀，二級(jí)側(cè)根的最大剪切力略大于一級(jí)側(cè)根。也就是說不同分級(jí)根系在剪切力的作用下，變形機(jī)制相似。由圖2可知：上、下坡向的一級(jí)側(cè)根剪切力—位移曲線形狀之間存在差異，并且下坡向一級(jí)側(cè)根的最大剪切力要高于上坡向根系。這表明根系在剪切力作用下的變形機(jī)制與根系生長(zhǎng)方向有關(guān)。這可能是根系對(duì)外部環(huán)境（如水分）和力學(xué)刺激（如風(fēng)，植株自重）的一種表現(xiàn)形式。當(dāng)水分和力學(xué)刺激不同時(shí)，根系的生長(zhǎng)也不同［21－23］。而坡面上、下坡向上，這兩個(gè)因子不盡相同。同一植株的下坡向二級(jí)側(cè)根在不同根徑時(shí)，具有不同的剪切力—位移曲線。此外，分析同一植株不同根徑的下坡向二級(jí)側(cè)根剪切力—位移曲線（圖3）發(fā)現(xiàn)：根徑為12.65，10.45，6.45mm 的根系曲線形狀相似，曲線變化較陡，且與根徑為4.05mm和1.85mm的曲線明顯不同。而根徑為4.05mm的根系與5.25mm的根系具有類似的曲線形狀。在5個(gè)根徑對(duì)比中，最大剪切力隨根徑增大而增大，當(dāng)剪切力達(dá)到最大值時(shí)位移也隨根徑增大而增大，這與朱海麗等人研究根系最大剪切力隨根系直徑增大而增大的結(jié)論相一致［12，18］。由于根系纖維含量隨著根徑的減小而增加［24］，所以根徑可能會(huì)影響根系的的變形機(jī)制，這有待進(jìn)一步研究。

由此可見，根系剪切力—位移曲線與生長(zhǎng)方向有密切關(guān)系，同一根徑在不同剪切力的作用下，變形機(jī)制相似且與根系的生長(zhǎng)方向有關(guān)，下坡向的變化大于上坡向，這是由于不同生長(zhǎng)坡位上根系的水分、受力均有差異，使得根系的力學(xué)特性受到影響。根系剪切力與位移的關(guān)系表現(xiàn)為隨著位移的增加而到達(dá)峰值，后隨位移的繼續(xù)增大而變小。比較同一根徑下的一級(jí)、二級(jí)、三級(jí)側(cè)根的最大剪切力發(fā)現(xiàn)：根徑越接近的根系最大剪切力也越接近，所以根徑相同，分級(jí)側(cè)根的抗剪強(qiáng)度影響不是很明顯。對(duì)于側(cè)根分級(jí)相同而根徑不同的根系來說，抗剪力隨著根徑的增大而增大。

圖1 根徑5.95mm的一、二級(jí)側(cè)根力－位移曲線

圖2 不同坡向抗剪力－位移曲線

圖3 不同根徑的二級(jí)側(cè)根抗剪力－位移曲線

2.3 抗剪強(qiáng)度與根徑

對(duì)上、下坡向一、二、三級(jí)側(cè)根的抗剪強(qiáng)度和根徑進(jìn)行線性回歸分析，具體結(jié)果見表2。表2表明，抗剪強(qiáng)度和根徑之間具有很好的線性關(guān)系，且隨著根徑的增大而減小。上、下坡向的一級(jí)側(cè)根方程的斜率和截距均相近（圖4a）。下坡向一、二、三級(jí)側(cè)根的回歸方程具有相同的截距。下坡向二級(jí)側(cè)根的方程斜率要低于其一級(jí)和三級(jí)側(cè)根（圖4b）。已有研究表明，根系的強(qiáng)度與根徑有很大的關(guān)系［14］。這與本實(shí)驗(yàn)研究相一致。根系纖維含量隨根徑的減小而增加，從而導(dǎo)致根系抗拉強(qiáng)度的增加［24］?？辜魪?qiáng)度和根徑的關(guān)系也可能歸因于根系纖維含量。此現(xiàn)象有待進(jìn)一步研究。

圖4 根徑與抗剪切強(qiáng)度線性回歸分析

表2 根徑與抗剪切強(qiáng)度線性回歸分析有關(guān)參數(shù)

2.4 抗剪強(qiáng)度的影響因素

由于進(jìn)行抗剪強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)的根系要求一定的直徑且不能太細(xì)，而上坡向二級(jí)和三級(jí)側(cè)根中適合進(jìn)行抗剪強(qiáng)度分析的根系較少。因此這里只針對(duì)上下坡向一級(jí)側(cè)根進(jìn)行抗剪強(qiáng)度分析。各選取上下坡中5組根徑相同的一級(jí)側(cè)根（平均根徑6.82mm）。對(duì)這些根系的抗剪強(qiáng)度采用樣本配對(duì)T檢驗(yàn)分析表明，上下坡向根系的抗剪強(qiáng)度不存在顯著性差異（P＞0.05），但下坡向根系的抗剪強(qiáng)度平均值要略高于上坡向根系（圖5）。這可能受水分、養(yǎng)分、重力等因素的影響，造成上、下坡向根系木質(zhì)化程度、纖維素含量的差異，從而導(dǎo)致上、下坡向根系抗剪強(qiáng)度大小的不同［25－26］，有待進(jìn)一步的研究。

圖5 不同坡向根系的抗剪強(qiáng)度

有研究表明，不同分級(jí)根系對(duì)環(huán)境刺激的反應(yīng)不盡相同［27］，從而導(dǎo)致它們的力學(xué)特性也不相同。然而，本研究中沒有發(fā)現(xiàn)下坡向一、二、三級(jí)側(cè)根的抗剪強(qiáng)度之間存在顯著性差異（P＞0.05）。這與根系抗剪力－位移曲線的結(jié)果一致。此外，根系抗剪強(qiáng)度與根徑的線性回歸方程中，不同坡向的一級(jí)側(cè)根回歸方程的斜率相同。下坡向根一級(jí)和三級(jí)側(cè)根的回歸方程斜率也相同，只是下坡向二級(jí)側(cè)根的斜率比下坡向一級(jí)和下坡向三級(jí)的斜率要小。各分級(jí)根系的抗剪強(qiáng)度平均值關(guān)系為一級(jí)＞二級(jí)＞三級(jí)（圖6）。

圖6 根系分級(jí)的平均抗剪強(qiáng)度

3 結(jié)論

下坡向構(gòu)樹根系的數(shù)量和平均根徑都要大于上坡向根系，下坡向根系比上坡向根系生長(zhǎng)情況要好。在根徑相同的情況下，對(duì)于同一植株中不同分級(jí)根系在剪切力的作用下變形機(jī)制相似且與根系生長(zhǎng)方向有關(guān)，根系在剪切力作用下所承受的最大剪切力隨根徑的增大而增加。上下坡向根系的抗剪強(qiáng)度不存在顯著性差異，但下坡向根系的抗剪強(qiáng)度平均值要略高于上坡向根系。

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