徐宗恒，黃麗蘋，楊正輝，尹李樂

（云南師范大學 旅游與地理科學學院，云南 昆明650500）

山原紅壤目前多認為是在第三紀末期以來，早期高溫高濕條件下經(jīng)脫硅富鋁化形成的大面積深厚高富鋁紅色風化殼，伴隨著新構造運動大面積間歇性均衡抬升隆起后發(fā)育形成的［1］。山原紅壤是在云貴高原廣泛分布的一種地帶性古土壤，近年來，由于受自然因素和人類活動的影響，山原紅壤受侵蝕嚴重，導致局部植被逆向演替，甚至難以生長植被。對于此嚴重的生態(tài)環(huán)境問題，植樹種草和植被恢復是防治土壤侵蝕及提高淺層坡體穩(wěn)定性比較常用的方法，這種方法利用植被根系對土壤的加固作用，以及加強土壤水分下滲等作用來防治邊坡土壤侵蝕，而根系對土壤的加固作用主要是通過增強土體的抗剪強度來實現(xiàn)的。

眾多學者針對植被根系對增強土壤強度方面作了大量的研究，已經(jīng)取得了一些建設性的成果，在這個領域提供了大量的理論基礎和試驗研究參考。趙記領等［2］采用自行設計加工的大型根土復合體直剪儀對不同根徑、根數(shù)的根土復合體進行直剪試驗。朱海麗等［3］對青藏高原黃土區(qū)檸條錦雞兒、白刺、霸王、四翅濱藜4 種灌木進行室內單根拉伸、剪切試驗。曹云生等［4］對油松根系進行了拉伸、拔出和根土復合體三軸試驗。諶蕓等［5］研究了三峽庫區(qū)嘉陵江岸的野生狗牙根根系對土壤理化性質和抗剪強度影響并分析了其固坡抗蝕效應。研究結果均表明：根系對土壤具有強化作用，增強了土體的抗剪強度，根系不同分布位置［2，6］、不同 根 系 直 徑［7-8］、不 同 根 系 形 態(tài)［9］以及不同類型植被根系［10］對根—土復合體強度增強效應有明顯影響，根系含量越大則抗剪強度增量越大，甚至土壤抗剪強度和含根量之間呈指數(shù)函數(shù)關系［11］。為了研究不同含量植被根系對土壤抗剪強度的增強效應以及探究根系對土壤的抗剪強度增強效應的峰值，本文以山原紅壤根—土復合體為研究對象，制備了不同含量根系的復合體進行直接剪切試驗，根據(jù)試驗結果分析并深入研究了根系固土效應同時討論了在不同條件下根—土復合體不同的受剪試驗過程和機理，以期為相關研究提供理論依據(jù)。

1 取樣及試驗方法

1.1 取樣方法

取樣位置位于云南省昆明市呈貢區(qū)段家營一植被覆蓋的斜坡區(qū)，該斜坡區(qū)覆蓋層土壤類型為山原紅壤，取樣點地理位置東經(jīng)102°52′31″，北緯24°51′29″，海拔2 010 m。在該斜坡區(qū)選定1 m×1 m 取樣區(qū)域，清除表面植被，選擇無過多植物根系穿插的采樣位置，從地表向下采集0—100 cm 深度范圍內的山原紅壤土樣放入封閉袋內帶回實驗室。實驗室條件下，去除土壤中的樹根、石礫等較大雜質以后，將土樣攤成薄層，經(jīng)105 ℃烘干除去吸濕水，然后通過孔徑為2 mm 的篩分離處理，提?。? mm 的土樣以備用。

根系選擇該區(qū)域分布較為廣泛的魚骨松根系，該根系對生存環(huán)境適應性強，對土壤類型沒有太高要求，各種土層深厚、疏松、濕潤的酸性至微酸性的沙壤土或壤土都能生存。為了保證試驗所用根系的質量和數(shù)量，對某一生長方向的根系進行半挖掘法，在采掘過程中應盡量避免對根系的機械損傷以保證完整性。對挖掘出的根系，選取生長正常、莖桿通直均勻、徑級為0.5 mm 左右的鮮活根，去除旁系細須根后清洗并在自然狀態(tài)下風干表面水分，然后密封袋密封，在實驗室冰箱4 ℃環(huán)境中冷藏保存以備用［4］。

1.2 試驗方法

本試驗方法嚴格按照國家規(guī)范《土工實驗方法標準》（GB／T50123-1999）［12］進行，制備根—土復合體土樣過程主要包括孔徑2 mm 的篩分土烘土，根系清理，含水量控制，壓樣，削土等。在根—土復合體中，垂直人工插入一定量的根系（每根根系的重量控制在0.007 g左右，直徑約0.5 mm），制備4種根系含量的試驗樣品，即根系含量為0 mg／cm3（無根系空白樣，以下稱之為素土），0.467，0.93，1.4 mg／cm3，同時為了考慮含水量對強度的影響，以5%為變化梯度，制備不同含水量20%，25%，30%，35%，40%5種條件下的試驗樣品，每級根系含量每種含水量各制備4個土樣，共計80個復合體土樣。

本次采用剪切試驗的儀器為ZJ型直剪儀，采用8 r／min的速度以及4個豎向壓力（100，200，300，400 kPa）條件下對根—土復合體進行直接剪切試驗。根據(jù)試驗結果繪制剪應力與剪切位移繪制散點圖，并根據(jù)庫侖定律計算相應的抗剪強度以及內摩擦角和黏聚力。

2 結果與分析

對比素土和含有魚骨松根系的土樣的剪應力—剪切位移變化特征如圖1所示。限于篇幅此處僅以30%含水量土樣的情況為例說明。

圖1 30%含水量時不同根系含量復合體的剪切位移－剪應力關系

如圖1所示，隨著剪切位移的增加，剪應力值隨之增加，在剪切位移3 mm 之前，增加明顯，在這之后，逐漸趨于平穩(wěn)，但4種根系含量條件下根—土復合體的強度峰值均未出現(xiàn)，剪應力隨應變增加而逐漸趨于某一穩(wěn)定值，具有應變硬化的特征，按照規(guī)定則取剪切位移達到4 mm 處對應的剪應力為抗剪強度。以30%含水量土樣為例分析，100 kPa垂直壓力下，素土的抗剪強度為53.751 kPa，當根系量達到1.4 mg／cm3時抗剪強度增加到55.932 kPa，變化幅度不大。200 kPa垂直壓力下，素土的抗剪強度100 kPa，含根量1.4 mg／cm3時為82 kPa，其值有所下降。300 kPa垂直壓力下，由素土的抗剪強度128 k Pa增加至1.4 mg／cm3時的144 k Pa；在400 k Pa下，抗剪強由素土的173.405 kPa增加到1.4 mg／cm3根系含量時的195.685 k Pa，增幅達到12.85%。在剪切過程中，素土和含有根系的土樣均出現(xiàn)了明顯的剪切位移，但隨著剪切位移增加，根系逐漸發(fā)揮作用之后，在同一垂直壓強下和相同剪應力下，素土土樣產(chǎn)生的剪切位移明顯大于含有根系的土樣產(chǎn)生的剪切位移。說明在土樣受剪后期根系提供一定的抗剪能力，抵抗土體變形，以此增強了土體的抗剪強度。

從剪應力—剪切位移變化還可以看出，根系對土體的抗剪強度增強效應不是在剪切一開始就發(fā)揮作用的，同一垂直壓力下，所有含根系土樣和素土的剪切位移和剪應力在剪切一開始時幾乎無差別，在低剪切位移情況下，剪應力的起點相差不大以及在剪切前期增加值均變化不大。隨著剪切過程的進行，根系含量越高的土樣，根系發(fā)揮作用的時間越靠前，得到的剪切位移對應的剪應力也越大。

根據(jù)剪應力—剪切位移圖計算得到各土樣的抗剪強度，并繪制相同含水量條件下不同含量根系土樣的抗剪強度對比結果（如圖2所示）。

圖2 相同含水量條件下不同含量根系土樣的抗剪強度

當含水量最低為20%時（圖2a），100 k Pa垂直壓力下，抗剪強度變化出現(xiàn)反常，隨根系含量增加而降低，由88 kPa降為80，58，74 k Pa，出現(xiàn)這種情況可能的原因是在低垂直壓力的作用下，根系與土壤顆粒之間接觸不致密，在剪力作用下，在剪切后期根系在剪切面位置產(chǎn)生滑移現(xiàn)象，致使根—土復合體的抗剪強度得不到提升，其他含水量條件下也存在類似的情況。當含水量達到40%，同一壓力下，魚骨松根系含量由0增加到0.467 mg／cm3時，土樣的剪應力逐漸增大，根系含量超過0.93 mg／cm3時抗剪強度出現(xiàn)下降情況，根系含量達到1.4 mg／cm3時又相對回升，但0.93 mg／cm3和1.4 mg／cm3兩者情況下抗剪強度差距不大（400 k Pa垂直壓力下，5種含水量條件下0.93 mg／cm3根系含量時抗剪強度分別為207，208，195，152，196 k Pa），其他情況基本不及0.930 mg／cm3根系時抗剪強度水平（根系含量在0.93 mg／cm3時，根系對土體的抗剪強度增強效果最好）。

根系含量＞0.93 mg／cm3以后，特別是當垂向壓力較小時，土體內部顆粒未受較大垂向壓力作用而出現(xiàn)擠壓效應，孔隙相對較大，加入的過多根系在剪切過程中基本承擔了全部剪切應力，甚至有可能出現(xiàn)剪切面蠕動滑移現(xiàn)象，此時剪切應力隨剪應變增加而變化較小，剪切應力—剪應變曲線較為平緩（圖1d垂向壓力為100 k Pa時的曲線），這也是根系含量摻加過多以后抗剪強度反而下降的原因。因此，用植被護坡技術來治理水土流失，整治邊坡沖刷嚴重的斜坡時，在樹種的選擇上，應當選擇具有一定量側根系且根系柔韌的樹種并輔以草本植物，必要時可采用試驗確定邊坡土壤抗剪強度最高時的最佳含根量，能保證增強邊坡的抗沖蝕性，提高邊坡土壤涵養(yǎng)水源的能力。

統(tǒng)計各級垂直壓力下的抗剪強度，并根據(jù)庫侖定律（τ＝c＋P tanφ，式中τ為抗剪強度／k Pa，P 為垂直壓力／k Pa，φ 為內摩擦角／°，c為黏聚力／k Pa）可以計算得到相同含水量條件下不同根系含量根—土復合體的內摩擦角φ 和黏聚力c（計算結果見圖3）。

由圖3可知，含水量20%時，土樣的黏聚力隨根系含量增加而先降低后增加，其值為47，35，8，40.50 k Pa，內摩擦角隨根系含量變化則相反，其值為19.54°，20.86°，25.73°和22.44°，兩者呈負相關性，且兩者均為正值。含水量25%時，土樣的黏聚力隨根系含量增加而先增加后降低，其值為3.75，19.25，32.50，2.0 k Pa，內摩擦角隨根系含量變化則相反，其值為29.20°，23.89°，22.68°和25.73°，兩者同樣呈負相關性，且兩者也均為正值。

圖3 相同含水量條件下內摩擦角和黏聚力隨根系含量變化

隨著含水量增加，土樣的黏聚力和內摩擦角隨著根系增加顯得無規(guī)律可循，但黏聚力和內摩擦角大致仍呈負相關性。在高含水量（＞30%）和高含量根系條件下，黏聚力值開始出現(xiàn)異常，在30%和35%含水量下，根系含量達最大值1.4 mg／cm3時，黏聚力為負值，其值分別為－2.0 k Pa和－5.5k Pa。在含水量為40%時，含有植物根系的土樣黏聚力全為負值。從含水量角度分析，當未加根系時，含水量從20%增加至40%，黏聚力分別為47，3.75，10.85，16.5，3.5 k Pa，內摩擦角分別為19.54°，29.20°，20.70°，20.56°，26.75°。當根系含量為0.467 mg／cm3時，隨含水量增加，黏聚力分別為35，19.25，10.50，10，－7.5 kPa，內摩 擦 角 分 別 為20.86°，23.89°，22.83°，21.99°，28.40°。當根系含量為0.93 mg／cm3時，黏聚力分別為8，32.50，6，16.5，－7.5 k Pa，內摩擦角分別為25.73°，22.68°，25.92°，19.75°，26.06°。分析數(shù)據(jù)可知，對于沒有根系參與剪切的土樣，隨含水量的增加，黏聚力先降低后增加，內摩擦角先增加后降低，當加入根系相對少時，黏聚力隨含水量逐漸降低，內摩擦角則逐漸增大，當加入根系增多以后，黏聚力和內摩擦角的變化均無規(guī)律可循。

由上可以分析知道，在土壤剪切過程中，隨著根系含量的增加，黏聚力和內摩擦角是此消彼長的關系，當加入根系一定時，含水量對黏聚力和內摩擦角影響顯著。由土力學理論分析可知，黏聚力和內摩擦角是土壤抗剪強度指標，黏聚力來源土粒之間的膠結作用和電分子吸引力等因素，受黏粒含量、含水量影響；摩擦力來源剪切面土粒間表面的粗糙摩擦和互相嵌入所產(chǎn)生的咬合力，受垂向應力、土密度、顆粒級配及形狀等影響。本文所采用的土樣屬重塑土，由于去除了d≥2mm 的顆粒，所以土樣細粒顆粒含量（d≤0.075mm）較多，比表面積較大，隨著含水量的增加，土粒表面擴散層弱結合水薄膜增厚，距離增大，會導致黏聚力的減?。坏吭黾訒鰪妶F粒之間的咬合作用，對內摩擦角的提髙是有利的。對于存在較多根系的土樣，抗剪強度則不完全由上述因素決定，在剪切開始時，短暫時間內剪應力—剪切位移由黏聚力和摩擦力決定，但當剪切面形成后，剪應力轉由根系主要承擔，土粒間的膠結和電分子吸引力以及顆粒間的咬合和摩擦力則失去作用，剪應力—剪切位移關系由植被根系決定。綜上，根系含量比較低的情況下，剪切過程中被剪切的主體是土壤，魚骨松根系的影響不明顯，所以土樣的黏聚力值均正常（剪切過程符合庫侖定律）。當含水量增大到一定程度后，土壤幾乎呈流塑狀態(tài)（40%含水量土樣最為明顯），隨著根系含量的不斷增大，被剪切的主要對象不是土壤，而是魚骨松根系，所以根據(jù)庫侖定律計算出的土壤黏聚力值出現(xiàn)了負值，這是不符合經(jīng)典土力學理論的，因此，庫侖定律不適用于高含水量和高含量植被根系的根—土復合體。

3 討論

根系含量和含水量對根—土復合體的抗剪強度均有較強的影響，但是土樣在受剪切過程中，不同的含水量和根系含量條件下，復合體剪切過程有本質上的區(qū)別。當含水量較低根系含量較少時（以本文20%含水量和0.467 mg／cm3根系含量為例），受到低水平剪切應力時，根—土復合體基本處于彈性工作階段，剪應力均由土體顆粒承擔，隨著剪切應力增加，剪切位移逐漸增大，剪切面形成，土壤顆粒之間發(fā)生錯動，加入的根系開始進入工作狀態(tài)，剪應力由土壤承擔部分逐漸減小，而根系承擔部分逐漸增大，土壤逐漸退出工作，根系將產(chǎn)生較大的變形，加之土壤含水量低，將會在上盒內根系右側和下盒內根系左側產(chǎn)生脫空現(xiàn)象［2］。最終，隨著剪切應力增加，根系被剪斷或者折斷，根系承擔應力不再增加，土壤承擔的剪力增加導致剪切面徹底貫通，整體性遭到破壞，在整個過程中，土壤都將參與剪切過程且為被剪主體，計算得到的黏聚力和內摩擦角均為正值，符合庫侖定律。

當含水量較高（以40%為例）而土柱內不含根系時，垂直壓力為100，200，300，400 KPa所得土樣抗剪強度分別為50，111，148，204 k Pa，計算的黏聚力和內摩擦角分別為3.50 kPa和26.75°，均處于較低值。在該含水量條件下，當加入根系較多時（以1.4 mg／cm3為例），當根—土復合體受到剪應力作用，隨著剪應力逐漸增加，在初期經(jīng)歷短暫土壤顆粒受剪以后，絕大部分的剪應力立即由加入的根系承擔，根系的抗剪切能力相對土壤來說要大得多，所以在隨后的剪切過程中，土壤退出工作，根系基本承擔了全部剪切應力，同時，在上盒內和下盒內根系兩側也不會產(chǎn)生脫空現(xiàn)象，因為當含水量增大到本次試驗最高值時，土壤幾乎呈流塑狀態(tài)，抗剪強度較低，最終，根系被剪斷或者折斷，復合體整體性遭到破壞，在整個受剪過程中，被剪主體主要為根系，由庫侖定律計算出來的粘聚力為負值，有違土力學理論，所以不符合庫侖定律。換句話說，庫侖定律不適用于高含水量和高含量植被根系的根—土復合體抗剪強度的研究。

4 結論

本文以當前云貴高原廣泛分布的地帶性古土壤—山原紅壤侵蝕較為嚴重，植被逆向演替，生態(tài)環(huán)境問題突出為研究背景，選取云南省昆明市呈貢區(qū)段家營一植被覆蓋的斜坡區(qū)山原紅壤為研究對象，基于采取植樹種草和植被恢復來防治土壤侵蝕實際利用植被根系對土壤的加固作用的認識為基礎，通過制備不同根系含量的根—土復合體進行直接剪切試驗來研究不同含量植被根系對土壤抗剪強度的增強效應。主要取得以下結論。

（1）根—土復合體中，植被根系提供給土體額外的抗剪能力，抵抗土體變形，來增強土體的抗剪強度，植被根系對土體抗剪強度有明顯的增強效應，但這種增強效應是有限的。

（2）在低含水量情況下，黏聚力隨根系含量增加而先降低后增加，內摩擦角隨根系含量變化則相反；隨著含水量增加，土樣的黏聚力和內摩擦角變化無明顯規(guī)律，但隨著根系含量的增加，黏聚力和內摩擦角總是呈現(xiàn)負相關性的關系。當根系含量不變時，含水量對黏聚力和內摩擦角也有顯著影響。根系對土壤的加固作用主要是由黏聚力還是內摩擦角或者是兩者共同作用決定的還需要進一步探討。

（3）當含水量較低根系含量較少時，土壤都將參與剪切過程且為被剪主體，計算得到的黏聚力和內摩擦角均為正值，符合庫侖定律。當含水量較高且根系含量較多時，被剪主體主要為根系，由庫侖定律計算出來的黏聚力為負值，有違土力學理論。庫侖定律不適用于高含水量和高含量植被根系的根—土復合體抗剪強度的研究。