楊晨輝，李光錄，楊 娟，魏 舟，王新功

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院，陜西 楊凌 712100；2.千陽縣水土保持工作站，陜西 千陽 721100)

陜南秦巴山區(qū)土坎梯田垮坎現(xiàn)象極為嚴(yán)重[1]，主要是因為土壤黏性大、雨多強度大等自然因素和修筑質(zhì)量差、無植物護埂甚至破壞地邊埂等不合理的人為因素造成的[2-3]。針對以上問題，陜西省水保局選用聚丙烯土工織物袋(簡稱PP織物袋)作為梯田筑坎材料，并通過在商州區(qū)、洋縣等地試驗，驗證其應(yīng)用和推廣前景[4-5]。PP織物袋本身無毒、無害，對農(nóng)作物生產(chǎn)無副作用，且使用壽命長，能透水保土，便于綠化，草本植物種植在PP織物袋田坎上不僅可以產(chǎn)生一定的經(jīng)濟效益，而且可利用草本發(fā)達的根系與袋內(nèi)土體共同作用加固梯田埂坎。

周德培、張俊云認為，根系護坡的力學(xué)效應(yīng)主要表現(xiàn)在草本植物淺層根系的加筋效應(yīng)和木本植物深層根系的錨固作用上[6]。楊亞川以草本植被為研究對象，將根系與土壤視為一體，提出了“土壤-根系復(fù)合體”的新概念，簡稱復(fù)合體，并將土壤-根系復(fù)合體抵抗直剪破壞的極限能力稱為土壤-根系復(fù)合體的抗剪強度[7]。研究人員對不同種類植物根系進行剪切試驗，并對比無根系土壤的抗剪強度，結(jié)果表明：土壤-根系復(fù)合體可以明顯提高土體的抗剪強度，且抗剪強度與穿過剪切面的含根量有著直接的關(guān)系，隨含根量的增加而提高[8-14]。宋維峰和石明強將根系在土壤中的分布形態(tài)抽象為水平、垂直和復(fù)合分布3種，并通過剪切試驗，得出其固土護坡效果為復(fù)合根系>垂直根系>水平根系[15-16]。Gray和Abe等認為根系所產(chǎn)生的剪力強度增量主要提升土壤的黏聚力，而對內(nèi)摩擦角的影響甚微[17-19]。陳昌富等通過三軸壓縮試驗研究了以狗尾草根為筋材的加筋土，得出草根加筋土服從摩爾-庫侖強度破壞準(zhǔn)則，而且草根加筋土的加筋原理基本上可以用準(zhǔn)黏聚力原理來解釋[20]。

國內(nèi)學(xué)者將土工織物袋以多種形式結(jié)合植物用于加固堤防、修復(fù)受損湖岸及城市建設(shè)[21-23]，但并未在力學(xué)方面對種植在土工織物袋上的草本植物做研究。本試驗通過在PP織物袋田坎上種植5種常用生態(tài)護坡草本植物(黑麥草、高羊茅、白三葉、紫花苜蓿、山麥冬)，并現(xiàn)場取樣進行室內(nèi)直剪試驗，分析不同草本根-土復(fù)合體的抗剪強度，以篩選出最佳的護坎植物。

1 材料與方法

1.1 研究地概況

研究地布設(shè)在陜西省楊凌區(qū)(東經(jīng)108°03′46″，北緯34°15′59″)，海拔454 m，屬暖溫帶半濕潤季風(fēng)氣候區(qū)，四季分明，年平均氣溫12.9 ℃，極端最高氣溫42 ℃，極端最低氣溫-19.4 ℃；年均降水量637.6 mm，主要集中在7—10月，占多年平均降水量的60%；年平均蒸發(fā)量884 mm，全年無霜期221 d。試驗地土壤為塿土，主要理化性質(zhì)見表1。

表1 塿土主要理化性質(zhì)

1.2 試驗設(shè)計

PP織物帶梯田田坎高1 m，長12 m，埂坎坡度為75°，布設(shè)PP織物袋7層，織物袋裝土后規(guī)格為100 cm×40 cm×14.3 cm，兩層間錯位3.8 cm。將山麥冬、紫花苜蓿、白三葉、黑麥草、高羊茅5種多年生草本植物布設(shè)在PP織物袋筑坎的梯田田坎上，每種植物布設(shè)長度為2 m，剩余2 m作為PP織物袋空白樣地對照。6塊樣地統(tǒng)一管理，定時定量澆水并適時進行雜草清除和病蟲害防治。5種草本的種植時間是2012年8月，取樣時間是2013年8月。

表2 試驗植物栽植及初期觀測指標(biāo)

1.3 試驗方法

取樣時，將PP織物袋剖開，在靠近植物根部的部分用環(huán)刀沿垂直方向、水平方向分別取樣，每層織物袋取土樣12個(3組)，每種植物取4層織物袋，共取樣48個(12組)。將各組試樣在50、100、200、400 kPa垂直壓力下進行快剪試驗，得到不同垂直壓力下的剪應(yīng)力，并通過線性回歸擬合推算出每種植物根-土復(fù)合體的黏聚力和內(nèi)摩擦角。

1.4 抗剪強度計算

用應(yīng)變控制式直剪儀(ZJ型)測定根-土復(fù)合體的抗剪強度指標(biāo)，試樣直徑為6.18 cm，高為2.0 cm。直剪儀剪切盒的量力環(huán)率定系數(shù)為C=1.908 N/0.01 mm。試樣的剪應(yīng)力計算公式為

式中：τ為剪應(yīng)力，kPa；C為測力計(量力環(huán))率定系數(shù)，N/0.01 mm；R為測力計讀數(shù)，0.01 mm；A0為試樣面積，cm2；10為單位換算系數(shù)。

以抗剪強度為縱坐標(biāo)，垂直壓力為橫坐標(biāo)，進行線性回歸，繪制抗剪強度與垂直壓力的關(guān)系曲線，并用SPSS18.0統(tǒng)計軟件包對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計學(xué)計算。

2 結(jié)果與分析

2.1 植物根系生長分布情況

5種草本植物的根系在袋內(nèi)沿水平和垂直方向生長，85%～95%的根系生長在植株所在袋層內(nèi)。高羊茅、黑麥草根系發(fā)達，多為叢狀，根系直徑均≤1 mm，在植株所在袋層，根系水平生長在30 cm范圍內(nèi)，垂直可穿透該層土袋，在袋底形成根網(wǎng)，增加了兩層袋間的摩擦力；山麥冬根稍粗，近末端處常膨大成矩圓形、紡錘形小塊根，根徑均勻，水平生長在20 cm范圍內(nèi)，垂直生長在10 cm以內(nèi)，不會穿透土袋；白三葉分枝多，匍匐枝匍地生長，節(jié)間著地即生根，根系可穿透土袋扎入下層土中0～2 cm；紫花苜蓿主根發(fā)達，長可達30～45 cm，側(cè)根有3～5根，長10～20 cm，根系可穿透植株所在袋層扎入下層土袋中0～5 cm。對兩層帶植物織物袋進行破壞時，抗拉力最大的為紫花苜蓿，其次為白三葉、黑麥草、高羊茅，最小的為山麥冬。

2.2 根-土復(fù)合體抗剪強度線性擬合關(guān)系

將各組試樣直剪試驗所得不同垂直壓力下的抗剪強度(表3)進行線性擬合，得到5種草本植物根-土復(fù)合體與無根土樣對照的抗剪強度與垂直壓力關(guān)系曲線，見圖1。

表3 植物根-土復(fù)合體的抗剪強度

圖1 各組土樣的抗剪強度

由表3及圖1可看出，在含水率和含根量相近的情況下，高羊茅、山麥冬、黑麥草、白三葉、紫花苜蓿的根-土復(fù)合體抗剪強度值均高于無根土樣，但同無根土樣一樣，均隨著垂直壓力的增大而增強。直剪試驗是現(xiàn)場取樣，植物根系在土壤中保持自然分布形態(tài)，而不同植物在試樣內(nèi)的分布形態(tài)不同，因而同一垂直壓力下，不同植物的抗剪強度值不同，且隨著垂直壓力的增加，抗剪強度值的增加幅度不同。

2.3 抗剪強度指標(biāo)分析

根據(jù)線性回歸模型，計算出各組試樣的黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ，結(jié)果見表4。

表4 土樣線性回歸模型及抗剪強度指標(biāo)的比較

計算結(jié)果表明：高羊茅、山麥冬、黑麥草、白三葉、紫花苜蓿的根-土復(fù)合體及無根土樣的抗剪強度線性回歸模型與庫侖強度公式τ=σtanφ+с相一致，且相關(guān)系數(shù)最大達0.999 2，最小為0.978 3，說明用直線回歸擬合根-土復(fù)合體的抗剪強度效果非常好，即5種草本的根-土復(fù)合體服從摩爾-庫侖強度破壞準(zhǔn)則。

從圖1和表3、4可知，5種草本的抗剪強度線在坐標(biāo)縱軸上的截距都高于無根土樣的，說明5種草本皆對PP織物袋內(nèi)土體的抗剪強度有增強作用；根-土復(fù)合體的抗剪強度線與無根土樣的基本平行，說明根-土復(fù)合體的內(nèi)摩擦角與無根土樣的內(nèi)摩擦角相比，變化并不明顯，其變化范圍為-0.2°～0.8°；而5種草本根-土復(fù)合體的黏聚力大小為白三葉>黑麥草>紫花苜蓿>高羊茅>山麥冬，與無根土樣的10.157 kPa相比，分別增大了56.3%、51.1%、50.7%、30.9%、15.2%。因此，認為5種草本對土壤抗剪強度的增加更多地表現(xiàn)在黏聚力的增加上，對土壤內(nèi)摩擦角的影響不大。同時，說明5種草本植物中白三葉對PP織物袋內(nèi)土壤抗剪強度的增強效果最好，黑麥草、紫花苜蓿次之，高羊茅一般，山麥冬最差。

由圖2、圖3可看出，5種草本的黏聚力因植物種的不同而不同，內(nèi)摩擦角均不大，其數(shù)值較利用擾動土及植物根系室內(nèi)制備根-土復(fù)合體試樣的試驗數(shù)值要小。其原因為：植物種植在兩層PP織物袋之間的錯位處，取樣時，環(huán)刀內(nèi)的根系多呈水平或傾斜狀態(tài)，根系與剪切斷面的角度較小，且試樣僅高2 cm，含根量平均僅為0.15 mg/cm3左右。5種草本對土體抗剪強度的增強效果依次為白三葉>黑麥草>紫花苜蓿>高羊茅>山麥冬，其原因為：取樣時5種草本的植株密度分別為220～260、310～340、200～230、290～320、110～150株/m2，在直剪試樣含根量相同的情況下，因山麥冬的根系平均單根質(zhì)量最大，故其根系數(shù)量最少，與土壤接觸的表面積小，與土體間摩擦阻力也小，所以其根-土復(fù)合體的抗剪切能力最小。研究發(fā)現(xiàn)根-土復(fù)合體抗剪強度的提高主要是由直徑<1 mm的根系與土壤之間的摩擦來實現(xiàn)的[24]。白三葉、黑麥草、紫花苜蓿對袋內(nèi)土體抗剪強度增強效果相差不大，但均比高羊茅大。黑麥草根系數(shù)量最多且長，在所在袋層中有較多分布；白三葉根系則因節(jié)間著地即生根而比較發(fā)達，在所在袋層中有較多分布且根徑分布均勻；高羊茅根系比較發(fā)達，但數(shù)量上少于黑麥草。白三葉、黑麥草、高羊茅及紫花苜蓿4種草本在土壤中均可基本形成三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，與土壤接觸的表面積大，與土體間的摩擦阻力也大，所以其根-土復(fù)合體的抗剪切能力強，但是紫花苜蓿根系較白三葉、黑麥草、高羊茅少，且根徑分布極不均勻，在土壤中形成的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不如白三葉、黑麥草2種草本牢固。

圖2 植物根-土復(fù)合體黏聚力分析

圖3 植物根-土復(fù)合體內(nèi)摩擦角分析

3 結(jié) 論

對PP織物袋梯田田坎上種植一年的黑麥草、高羊茅、白三葉、紫花苜蓿、山麥冬的根-土復(fù)合體試樣進行直剪試驗，與空白織物袋內(nèi)無根土樣的抗剪強度對照得出以下結(jié)論：

(1)山麥冬、高羊茅、黑麥草、白三葉、紫花苜蓿5種草本皆對PP織物袋內(nèi)土體的抗剪強度有增強作用。

(2)根-土復(fù)合體的黏聚力表現(xiàn)為白三葉>黑麥草>紫花苜蓿>高羊茅>山麥冬，與無根土樣相比，分別增大了56.3%、51.1%、50.7%、30.9%、15.2%，但是根-土復(fù)合體的內(nèi)摩擦角與無根土樣相比，僅變化了-0.2°～0.8°，變化不明顯，因此認為5種草本對土壤抗剪強度的增加更多地表現(xiàn)在黏聚力的增加上，對土壤內(nèi)摩擦角的影響不大。

(3)5種草本植物中白三葉對PP織物袋內(nèi)土壤抗剪強度的增強效果最好，黑麥草、紫花苜蓿次之，高羊茅一般，山麥冬最差。因此，固土護坎最優(yōu)的草本是白三葉，其次是黑麥草和紫花苜蓿。這為PP織物袋筑坎技術(shù)在陜南的推廣應(yīng)用及種植適宜植物以合理利用梯田田坎提供了理論依據(jù)。

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