潘天輝, 杜 峰,2, 王 月

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 林學(xué)院, 陜西 楊凌 712100; 2.中國(guó)科學(xué)院 水利部 水土保持研究所, 陜西 楊凌 712100)

黃土高原溝壑縱橫，坡體眾多，其中修建高等公路經(jīng)陜西省境內(nèi)的部分國(guó)道主干線中，約70%的里程需經(jīng)過(guò)黃土臺(tái)塬、黃土高原溝壑區(qū)和黃土丘陵溝壑區(qū)[1-2]。在此修建高速公路時(shí)，開(kāi)挖過(guò)程中常會(huì)形成大量的人工坡體，許多居民點(diǎn)距離坡體較近，面臨坡體坍塌的風(fēng)險(xiǎn)較大，威脅著居民生命和財(cái)產(chǎn)的安全。據(jù)調(diào)查統(tǒng)計(jì)，截至2008年，黃土區(qū)已建公路高邊坡數(shù)量共有250余處，其中屬于高速公路的有130余處，在公路高邊坡中，坡高在20 m

高速公路邊坡產(chǎn)生滑塌主要是因?yàn)槠麦w失穩(wěn)，坍塌的因素主要有坡體坡度較大、坡體發(fā)生變形、土壤本身、力學(xué)性能以及土壤含水量等[4]。目前常見(jiàn)的邊坡防護(hù)手段主要有兩種，即工程防護(hù)和生態(tài)防護(hù)。其中生態(tài)防護(hù)具有經(jīng)濟(jì)、長(zhǎng)效以及可持續(xù)等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)也是符合國(guó)家“十一五”期間提出的“生態(tài)、環(huán)保、綠色、高效”的要求[5]。但目前生態(tài)防護(hù)還存在一些問(wèn)題，如在植被恢復(fù)的初期，植物配置上常采用單一或混合草種的情況；植物選擇上過(guò)多的選擇國(guó)外草種，對(duì)于鄉(xiāng)土草種的選擇利用和開(kāi)發(fā)較少；工程上生態(tài)防護(hù)技術(shù)的適應(yīng)性研究還不夠；缺少對(duì)生態(tài)防護(hù)的較系統(tǒng)的、全面的認(rèn)識(shí)[6]。

近年來(lái)，我國(guó)許多學(xué)者已投入較大精力在植物根系與土壤結(jié)合形成根—土復(fù)合體來(lái)提高邊坡坡體穩(wěn)定性等方面的研究。王金霞等[7]認(rèn)為植物根系深入到土壤中后，會(huì)與土壤中的各個(gè)物質(zhì)充分的接觸，二者會(huì)形成一個(gè)有機(jī)復(fù)合體，這種方式構(gòu)成了植物根系的固土性。楊亞川等[8]人提出了“土壤—根系復(fù)合體”的概念，即把根系與土壤視為一個(gè)整體，同時(shí)將這種根—土復(fù)合體能夠抵抗剪切破壞的極限能力稱(chēng)為土壤—根系復(fù)合體的抗剪強(qiáng)度。在護(hù)坡的過(guò)程中，主要是采用植被護(hù)坡為主同時(shí)輔以工程技術(shù)的護(hù)坡形式，其護(hù)坡機(jī)理是利用植物的根系穿插在土壤中形成對(duì)土體類(lèi)似于“加筋”和“錨固”的作用，從而達(dá)到護(hù)坡的目的[9]。Operstein V等[10]認(rèn)為植物的根系密度、根徑、長(zhǎng)度以及根系在地下分布越深，其保持水土的能力越強(qiáng)，植物抗旱、抗寒等抗逆性也會(huì)越強(qiáng)。Roboert 等[11]學(xué)者也通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，植物的根系作用和植物對(duì)土壤飽和度指標(biāo)的改變會(huì)對(duì)邊坡起到很強(qiáng)的加固作用。Diti Heng等[12]在研究了不同種類(lèi)的植物根系對(duì)土壤的作用后，發(fā)現(xiàn)不同的植物根系在土壤中相互交錯(cuò)和穿插后，土壤的抗剪強(qiáng)度會(huì)明顯提高，且由于草本植物的根系密度較大，根系交錯(cuò)生長(zhǎng)，數(shù)量龐大，因此有草本科植物的根土復(fù)合體的土壤抗剪強(qiáng)度會(huì)明顯高于只有木本科植物的根土復(fù)合體。由于草本植物根系主要分布在坡體的淺層部分，其根系可以對(duì)表層土壤固持，起到了增加坡體的抗剪強(qiáng)度和坡體穩(wěn)定的作用；木本植物根系較粗壯，深入土層較深，對(duì)土壤進(jìn)行錨固，使得根—土復(fù)合體的抗剪強(qiáng)度顯著增強(qiáng)[13]。在生態(tài)護(hù)坡中通常利用木本植物深根的錨固作用以及草本植物淺根加筋作用來(lái)穩(wěn)固邊坡[14]。

在生態(tài)防護(hù)中，植物根系指標(biāo)是坡面滑塌的主要因素，且植物的根系指標(biāo)，如根長(zhǎng)、根表面積、根直徑等，對(duì)于植物是否適應(yīng)邊坡具有重要的理論指導(dǎo)意義。須根系植物一般適于種植在淺坡，在植物配置上一般采用直根系的木本植物和須根系的草本植物混配方式，其次還要考慮到植物的適應(yīng)性。植物的適應(yīng)性也是本試驗(yàn)的研究?jī)?nèi)容。許多研究均以重塑土為研究材料，重塑土不適于當(dāng)?shù)氐膶?shí)際研究情況，研究略有偏差。本試驗(yàn)選取當(dāng)?shù)刂参锇籽虿?Bothriochloaischaemum(L.)Keng.)和小葉楊(PopulussimoniiCarr)的原狀土作為研究對(duì)象，能夠較準(zhǔn)確的反映鄉(xiāng)土植物與土壤的內(nèi)在關(guān)系。除需考慮其生態(tài)適應(yīng)性外，從其功能性上還需考慮護(hù)坡植物根系三維分布，及其在根際范圍內(nèi)的抗剪增強(qiáng)作用。土壤抗剪增強(qiáng)能力是邊坡穩(wěn)定的控制性指標(biāo)也是機(jī)械力學(xué)最主要的因素。本試驗(yàn)通過(guò)對(duì)護(hù)坡植物根系抗剪強(qiáng)度的分布以及在根系范圍內(nèi)的抗剪增強(qiáng)做研究，并對(duì)選擇合適的護(hù)坡植物類(lèi)型以及配置方式提出探討，以期為林草一體化邊坡護(hù)坡技術(shù)的開(kāi)發(fā)與利用提供理論依據(jù)，對(duì)陜北地區(qū)的防治水土流失，提高淺層坡體穩(wěn)定性和生態(tài)環(huán)境的恢復(fù)提供一定的理論基礎(chǔ)[15]。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)樣地概況

試驗(yàn)樣地位于陜西省延安市安塞區(qū)高橋鄉(xiāng)(108°5′44″—109°26′18″E，36°30′45″—37°19′31″N)，安塞區(qū)屬陜北黃土高原丘陵溝壑地區(qū)，地貌復(fù)雜多樣，境內(nèi)溝壑縱橫、川道狹長(zhǎng)、梁峁遍布，由南向北呈梁、峁、塌、灣、評(píng)、川等地貌，其特點(diǎn)是山高、坡陡、溝深。氣候特點(diǎn)是四季長(zhǎng)短不等，干濕分明。年平均氣溫8.8℃(極端最高溫36.8℃，極端最低溫-23.6℃)，平均年降水量505.3 mm(最多為645 mm，最少為296.6 mm),年日照時(shí)數(shù)為2 395.6 h，全年無(wú)霜期157 d。試驗(yàn)區(qū)植被種類(lèi)較多，覆蓋面積較大，主要有小葉楊(PopulussimoniiCarr)，刺槐(RobiniapseudoacaciaL.)，沙棘(HippophaerhamnoidesLinn.)，沙打旺(Leguminosae)，黑麥草(LoliumperenneL.)，白羊草(Bothriochloaischaemum(L.)Keng.)，達(dá)烏里胡枝子(Lespedezadavurica)以及早熟禾(PoaannuaL.)等。

1.2 樣品的采集與測(cè)定

于安塞區(qū)高橋鄉(xiāng)荒山小葉楊—白羊草群落內(nèi)選取一株小葉楊為主要試驗(yàn)對(duì)象，在小葉楊植株1 m范圍內(nèi)生長(zhǎng)有白羊草三株，無(wú)其他植物生長(zhǎng)。在當(dāng)年7月—10月期間，利用方形取樣器(10 cm×10 cm×10 cm)從上到下，從內(nèi)向外取原狀土，帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行根系形態(tài)分析，根系抗拉強(qiáng)度和根—土復(fù)合體室內(nèi)直剪試驗(yàn)。具體試驗(yàn)過(guò)程如下：(1) 試驗(yàn)對(duì)象地上個(gè)體大小取樣測(cè)量。量取小葉楊株高和基徑，分別為4.5 m和10 cm。根據(jù)解析木公式估算小葉楊生物量、三株白羊草地上生物量為0.36 kg/m2。(2) 原狀土取樣。使用方形取樣器以小葉楊個(gè)體基部為正方形一個(gè)端點(diǎn)，向下向外取原狀根—土復(fù)合體，取樣間隔10 cm，向下取樣深度到100 cm，向外取樣長(zhǎng)度100 cm。共取樣10×10×10個(gè)，樣品用塑料薄膜密封，帶回試驗(yàn)室以備分析。除每層原狀土隨機(jī)留下10個(gè)樣用于根—土復(fù)合體剪切試驗(yàn)外，其余90個(gè)樣先洗根，進(jìn)行根系形態(tài)分析和力學(xué)特征。(3) 洗根后進(jìn)行根系形態(tài)分析和根系抗拉力學(xué)特征測(cè)定。將方形原狀土樣置于直徑為1 mm的網(wǎng)篩上沖洗并揀去其他草本雜質(zhì)，直到只?；铙w根系，晾干后稱(chēng)重(天平，感量)，使用掃描儀(MICROTEK生產(chǎn)的ScanMaker，6180)在6 200×3 400 dpi下進(jìn)行灰度掃描，以備圖像分析。(4) 根—土復(fù)合體剪切試驗(yàn)。在方形原狀土樣中用剪切儀配套環(huán)刀仔細(xì)取樣，轉(zhuǎn)入剪切杯，以備剪切試驗(yàn)，測(cè)定不同法向壓力條件下抗剪強(qiáng)度。取樣后的原狀土樣稱(chēng)濕重，然后烘干稱(chēng)干重，計(jì)算剪切時(shí)原狀土含水率。之后利用手動(dòng)剪切儀(ZJ-2型等應(yīng)變直剪儀，南京寧曦土壤儀器有限公司，量力環(huán)率定系數(shù)為1.801 kPa/0.01 mm，剪切杯規(guī)格：底面積30 cm2，高2 cm)，對(duì)原狀土進(jìn)行剪切，并測(cè)得其抗剪強(qiáng)度值。

1.3 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)分析

1.3.1 植物根系形態(tài)分布 使用圖像分析軟件Image Pro Plus 6.0分析并計(jì)算根系根長(zhǎng)、根表面積以及直徑。在1 m3的正方體土樣中，每隔10 cm選取原狀土樣本，并將樣本進(jìn)行處理，測(cè)其樣本根長(zhǎng)、根表面積以及直徑數(shù)據(jù)，分別求其平均值。使用Origin 9.0軟件繪制植物根系形態(tài)分布圖。

1.3.2 小葉楊—白羊草混合植被根—土復(fù)合體實(shí)測(cè)抗剪強(qiáng)度分布 根據(jù)小葉楊—白羊草試驗(yàn)對(duì)象根際范圍內(nèi)隨機(jī)位置取樣測(cè)得的抗剪強(qiáng)度，使用Origin 9.0軟件繪制抗剪強(qiáng)度分布圖。且在分析林草復(fù)合體抗剪強(qiáng)度時(shí)，由于水平方向上，植物根系的分布情況受當(dāng)?shù)丨h(huán)境、地形、水分等的影響較大，其結(jié)果有較大局限性，因此研究垂直方向植物根系抗剪強(qiáng)度的分布更具有實(shí)際意義。

1.3.3 林草混合根系抗剪增強(qiáng)作用模擬分布

(1) 內(nèi)摩擦角φ和粘聚力c的計(jì)算。土壤內(nèi)摩擦角主要受土壤機(jī)械組成等物理性質(zhì)影響，植物根系基本無(wú)影響；但會(huì)影響土壤粘聚力。根據(jù)不同法向壓力下測(cè)得的剪應(yīng)力或抗剪強(qiáng)度，利用庫(kù)倫公式計(jì)算根土復(fù)合體的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)(內(nèi)摩擦角和粘聚力。計(jì)算公式為：

τ=σtgψ+c

(1)

式中：τ為土的抗剪強(qiáng)度(kPa)；σ為作用在剪切面上的法向應(yīng)力(kPa)；ψ為土壤內(nèi)摩擦角(°)；c為土壤粘聚力(kPa)。

(2) 抗剪增強(qiáng)作用計(jì)算。根據(jù)Wu-Waldron[16-17]根系抗剪增強(qiáng)作用公式，使用以上計(jì)算公式為：

Cr=RAR·Tr·(sinβ+cosβ·tanβ)

(2)

式中：Cr為根系抗剪增強(qiáng)強(qiáng)度(kPa)；RAR為根面積比；Tr為單位面積上根系抗拉強(qiáng)度(kPa)；β為根穿過(guò)滑動(dòng)面的剪切變形角(°)；β為土壤內(nèi)摩擦角(°)。當(dāng)β值變化時(shí)，sinβ+cosβ·tanβ的值改變不明顯，所以取其值為1.2(48°≤θ≤72°)，即K=1.2。因此可以推導(dǎo)出公式為：

Cr=1.2RAR·Tr

(3)

(3) 植物根系擬合方法。植物根系需通過(guò)相應(yīng)的根系分布模型進(jìn)行擬合。目前，代表性的根系分布模型有Page等[18]、Gerwitz等[19]、Monteith等[20]、Nielson等[21]提出的模型。本試驗(yàn)對(duì)植物根系擬合時(shí)，采用了Gerwitz和Page[18-19]提出的指數(shù)函數(shù)變化模型：y=aebx，其中a，b為常數(shù)，x為植物形態(tài)參數(shù)，y為因變量。使用Origin 9.0軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行非線性擬合。

2 結(jié)果與分析

2.1 植物根系形態(tài)分布

由圖1可知，植物根系的根長(zhǎng)密度、根表面積密度以及根系直徑與土層深度經(jīng)非線性擬合分析后發(fā)現(xiàn)，均遵從y=aebx指數(shù)函數(shù)的變化規(guī)律。由根長(zhǎng)密度、根表面積密度以及根系直徑隨土層深度的變化經(jīng)非線性函數(shù)擬合后得出函數(shù)式分別為:y=86.65e-9.4x，r=0.68 (p<0.05)；y=76.91e-1.94x，r=0.82 (p<0.05)；y=106.57e-2165.93x，r=0.84 (p<0.05)，三者與土層深度變化均表現(xiàn)為顯著相關(guān)。當(dāng)土層深度逐漸增加時(shí)，根長(zhǎng)密度總體表現(xiàn)為逐漸減小的變化過(guò)程這與韓鳳鵬[22]、袁雪紅[23]等研究結(jié)果均相似。且在土層深度為10 cm時(shí)，根長(zhǎng)密度最大為0.57 cm/cm3，當(dāng)深度為100 cm時(shí)，根長(zhǎng)密度最小為0.080 cm/cm3。當(dāng)土層深度逐漸增加時(shí)，根表面積密度為逐漸減小。其中，在土層深度為10 cm時(shí)根表面積密度最大為0.82 cm2/cm3，當(dāng)深度為100 cm時(shí)，根表面積密度最小為0.15 cm2/cm3。植物復(fù)合根系的根長(zhǎng)密度、根表面積密度以及根系直徑隨土層深度的變化均呈指數(shù)函數(shù)下降，符合Gerwitz和Page[18-19]提出的指數(shù)函數(shù)變化模型。

由根長(zhǎng)密度、根表面積密度以及根系直徑隨距主根距離的變化經(jīng)非線性函數(shù)擬合后(圖2)得出函數(shù)式分別為：y=e3.92+0.17x，r=0.66(p<0.05)；y=e3.93+1.03x，r=0.7(p<0.05)；y=e3.3+2101.9x，r=0.96(p<0.05)，三者隨距主根距離的變化均表現(xiàn)為顯著相關(guān)。在距主根距離逐漸增加時(shí)，其根長(zhǎng)密度先增加后減小，其中最大根長(zhǎng)密度為1.40 cm/cm3，距主根距離為60 cm。在距主根距離逐漸增加時(shí)，其根表面積密度先增加后減小，其中最大根表面積密度為0.19 cm2/cm3。由圖可知，植物根長(zhǎng)密度、根表面積密度以及根系直徑與距主根距離的變化經(jīng)非線性擬合分析發(fā)現(xiàn)后，均符合指數(shù)函數(shù)的變化規(guī)律。

圖1 小葉楊(單株)-白羊草復(fù)合根系形態(tài)參數(shù)隨土層深度變化

圖2 小葉楊(單株)-白羊草復(fù)合根系形態(tài)參數(shù)隨距主根距離的變化

表1為以小葉楊為基點(diǎn)，以距地面為1 m的垂直范圍內(nèi)的根系形態(tài)參數(shù)的平均值分布調(diào)查表.由表1可以看出，植物復(fù)合根系形態(tài)參數(shù)在垂直分布上，隨土層深度的變化趨勢(shì)為：隨著土層深度的增加，根長(zhǎng)密度表現(xiàn)為逐漸減少；根表面積密度的變化幅度較大，但總體上仍表現(xiàn)為逐漸減小；根系直徑變化趨勢(shì)較不明顯，但仍隨土層深度增加其變化值逐漸減小。根長(zhǎng)密度在0—60 cm的土層中約占總量的75.49%，其中在0—10 cm的土層深度，根長(zhǎng)密度為0.566 cm/cm3；10—20 cm的深度根長(zhǎng)密度次之，為0.26 cm/cm3，在100 cm的土層深度根長(zhǎng)密度最小，僅為0.083.cm/cm3。根表面積密度在0—60 cm的土層中約占總量的73.92%，且在土層中變化幅度較大，其中最大值為0.081 cm2/cm3,其次為0.054 cm2/cm3，最小值為0.017 cm2/cm3。根系直徑在0—30 cm的土層深度中，根系直徑較大，在10—20 cm的土層中，根系直徑最大，為0.000 5 cm/cm2，其次為20—30 cm的土層，根系直徑為0.000 4 cm/cm2，在1 m的土層時(shí)有最小值為0.000 1 cm/cm2。

表1 復(fù)合根系形態(tài)參數(shù)垂直分布調(diào)查

2.2 植物根-土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度分布

由圖3可知，剪切應(yīng)力隨剪切位移的增加而先增加后迅速下降，最后曲線幾乎平行于橫軸。在剪切過(guò)程中，林草根—土復(fù)合體主要受到根—土界面的摩擦力、土壤粘聚力以及根系抗拉力等的共同作用。因此，在剪切起初，由于3種抗剪力同時(shí)存在，剪應(yīng)力—位移斜率較大，隨著剪切位移的增加，土壤粘聚力下降很快，但根系抗拉力逐漸增大，剪應(yīng)力—位移斜率變化逐漸變緩。在根系的抗剪切過(guò)程中，根系起抗拉作用的是當(dāng)剪切應(yīng)力隨剪切位移達(dá)到極限值后下降的部分。并且當(dāng)剪應(yīng)力—位移曲線幾乎與橫軸平行時(shí)，最后有極值出現(xiàn)，說(shuō)明該剪切過(guò)程中根土復(fù)合體中存在粗根[23-24]。

圖4中A，B，C三圖是小葉楊(單株)-白羊草復(fù)合根系的形態(tài)參數(shù)—根長(zhǎng)密度、根表面積密度和根系直徑與根—土復(fù)合體的殘余抗剪強(qiáng)度關(guān)系的線性擬合分析。由于黃土區(qū)土壤為粘性土，在剪切過(guò)程中常會(huì)出現(xiàn)較大的峰值，在超過(guò)峰值后，抗剪強(qiáng)度不再變，此時(shí)穩(wěn)定的最小抗剪強(qiáng)度則為本試驗(yàn)選取的殘余抗剪強(qiáng)度。所選樣本的含水量均為3.7%左右，殘余抗剪強(qiáng)度指標(biāo)—?dú)堄鄡?nèi)摩擦角φ和殘余粘聚力C通過(guò)庫(kù)倫公式計(jì)算得出，其平均值分別為0.56。和0.23 kPa。

經(jīng)線性擬合分析，植物根—土復(fù)合體根系形態(tài)參數(shù)—根長(zhǎng)密度、根表面積密度與殘余抗剪強(qiáng)度函數(shù)式分別為：y=1205.7x-18.57，r=0.75(p<0.05)；y=12647.1x-352.53，r=0.91(p<0.05)，由此可知，植物根系復(fù)合體形態(tài)參數(shù)—根長(zhǎng)密度和根表面積密度均隨殘余抗剪強(qiáng)度的增大而表現(xiàn)為顯著的增大。而根系直徑離散程度大與殘余抗剪強(qiáng)度未發(fā)現(xiàn)有線性相關(guān)性。當(dāng)根系直徑為0.000 3 cm/cm2時(shí)，殘余抗剪強(qiáng)度最大值是755 kPa。

圖3 小葉楊(單株)-白羊草復(fù)合根系剪切過(guò)程

圖4 小葉楊(單株)-白羊草復(fù)合根系形態(tài)參數(shù)與殘余抗剪強(qiáng)度

由圖5可知，小葉楊的抗剪強(qiáng)度隨土層深度增加而表現(xiàn)為先增大后減小。其中，當(dāng)土層深度為0.5 m時(shí)，小葉楊的抗剪強(qiáng)度達(dá)到最大約為320 kPa；在0.9 m的土層深度時(shí)，小葉楊的抗剪強(qiáng)度最小，約為90 kPa。白羊草的抗剪強(qiáng)度表現(xiàn)為先迅速下降后下降趨勢(shì)逐漸變緩，最終趨于零。白羊草為須根系草本植物，根系分布范圍為0—50 cm，在0—30 cm的土層深度，白羊草的根系分布最廣。在0—20 cm的土層深度時(shí)白羊草根系的抗剪強(qiáng)度最大，約為4.1 MPa。林草復(fù)合體的抗剪強(qiáng)度為小葉楊和白羊草抗剪強(qiáng)度的累加。通過(guò)抗剪強(qiáng)度的累加分析后，林草復(fù)合體的抗剪強(qiáng)度隨土層深度的增加而表現(xiàn)為逐漸下降，在0—20 cm和50 cm的土層深度時(shí)，林草復(fù)合體的抗剪強(qiáng)度均取得較大值，其中在0—20 cm時(shí)最大，這是由于在這個(gè)深度，小葉楊的根系分布較少，主要是白羊草的須根。在50 cm的土層深度時(shí)，林草復(fù)合體的根系主要是小葉楊的根系，而白羊草的根系無(wú)法達(dá)到該深度。

圖5 小葉楊(單株)-白羊草復(fù)合根系根際范圍內(nèi)實(shí)測(cè)最大抗剪強(qiáng)度

本試驗(yàn)地點(diǎn)為陜北黃土高原安塞，其素土的抗剪強(qiáng)度約為29.5 kPa[25]。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，小葉楊—白羊草復(fù)合體根系的抗剪強(qiáng)度較素土增強(qiáng)了許多。其中，在0—30 cm 的土層深度中，林草復(fù)合體的抗剪強(qiáng)度較素土提升了約11倍，在40—60 cm的土層深度中，林草復(fù)合體的抗剪強(qiáng)度較素土提升了約8～9倍，在70—100 cm的土層深度中，其抗剪強(qiáng)度約為素土的3倍。

3 討 論

植物根系形態(tài)參數(shù)是研究護(hù)坡植物的重要指標(biāo)之一，根長(zhǎng)密度、根直徑、根表面積密度均對(duì)選取合適的護(hù)坡植物有重要的作用。根長(zhǎng)密度反映了根系對(duì)土壤的纏繞，伸展的能力；根表面積密度反映了根系于土壤的接觸緊實(shí)程度；根直徑反映了根系粗細(xì)對(duì)抗拉能力的大小。在選取護(hù)坡植物時(shí)，我們通常選取鄉(xiāng)土適生植物；其次是，根據(jù)植物的根系指標(biāo)進(jìn)行搭配種植，以求最大化的效益。

本試驗(yàn)中選取的鄉(xiāng)土木本植物為小葉楊，其根系主要分布范圍為0.5—1 m，鄉(xiāng)土草本植物為白羊草，其根系集中分布在0—30 cm的土層深度，這與劉子壯[26]等研究結(jié)果一致。通過(guò)對(duì)小葉楊和白羊草構(gòu)成的根—土復(fù)合體的研究，結(jié)果表明植物根系形態(tài)參數(shù)—根長(zhǎng)、根系表面積及根系直徑隨距主根的距離的增加均表現(xiàn)為指數(shù)函數(shù)顯著下降的變化規(guī)律；且根長(zhǎng)、根系表面積及根系直徑隨土層深度的增加同樣符合指數(shù)函數(shù)顯著下降的變化規(guī)律，這與劉鑫[27]、李建興[28]等所研究的結(jié)果相似。但是指數(shù)函數(shù)擬合相關(guān)性系數(shù)較小，這是由于表層分布有較多白羊草根系，從而影響了擬合效果。根—土復(fù)合體的根長(zhǎng)密度、根表面積密度主要分布在0—60 cm的土層深度中，且二者分別占其總量的75.49%，73.92%，這與劉秀萍[29]所研究結(jié)果相似。

植物根系的抗剪強(qiáng)度是植物護(hù)坡力學(xué)的另一重要指標(biāo)之一，根系抗剪強(qiáng)度的強(qiáng)弱反應(yīng)了根系抵抗外力而保持邊坡穩(wěn)定性的能力。本試驗(yàn)區(qū)域?yàn)辄S土高原，其土壤自身的抗剪能力較弱、抗壓能力較強(qiáng)，通過(guò)小葉楊和白羊草根系構(gòu)成的根—土復(fù)合體，可以使根—土復(fù)合體的增強(qiáng)許多[30]。黃土高原土壤多為粘性土，且坡體眾多，對(duì)于滑坡的穩(wěn)定性分析，常通過(guò)考慮土體的殘余抗剪強(qiáng)度[31]。根—土復(fù)合體根系形態(tài)參數(shù)與殘余抗剪強(qiáng)度經(jīng)線性擬合發(fā)現(xiàn)，根土復(fù)合體根長(zhǎng)密度、根表面積密度與殘余抗剪強(qiáng)度均表現(xiàn)為線性函數(shù)顯著上升的變化規(guī)律，這與李建興[32]、王月[24]等研究結(jié)果一致。但根直徑與殘余抗剪強(qiáng)度尚未發(fā)現(xiàn)有線性相關(guān)性。

在白羊草與小葉楊的根系和土壤形成的根—土復(fù)合體中：白羊草的根系較細(xì)，且其繁密的根系和較大的根系密度能夠抓緊土壤，使白羊草的抗拉力發(fā)揮了抗剪力的作用[33]。白羊草的須根與土體緊密纏繞，形成網(wǎng)絮狀，使根系復(fù)合體對(duì)土壤起到“加筋”的作用，提升土體的抗剪強(qiáng)度[32,34]。因此，白羊草對(duì)土壤的“加筋”效應(yīng)能使邊坡的穩(wěn)定性提高2%～10%[35]。小葉楊在中深層土壤中的根系較大，并且在中深層的土壤中植物的根系較粗，抗拉強(qiáng)度較大，主根周?chē)殖鲈S多較細(xì)的側(cè)根，能深入到土壤毛孔中，對(duì)土壤起到網(wǎng)絡(luò)作用，從而增強(qiáng)了整體素土的抗剪強(qiáng)度。通過(guò)研究林草復(fù)合體在根際范圍內(nèi)實(shí)測(cè)的抗剪強(qiáng)度后發(fā)現(xiàn)，在0—30 cm 的土層深度中，林草復(fù)合體的抗剪強(qiáng)度較素土提升了約11倍，在40—60 cm的土層深度，較素土提升了8～9倍，在70—100 cm的土層深度中，其抗剪強(qiáng)度約為素土的3倍，這與張超波等[36]研究結(jié)果相似。

綜上所述，在0—40 cm的土壤中禾本科植物白羊草根系分布較多，木本科植物小葉楊根系分布在50—100 cm的土壤中，兩者構(gòu)成的根土復(fù)合體能夠在0—1 m的土層深度范圍內(nèi)對(duì)土體起到顯著的抗剪增強(qiáng)的作用，對(duì)于邊坡的穩(wěn)定性提高起到了關(guān)鍵作用，因此小葉楊和白羊草的混配種植是較為理想的護(hù)坡配置方式。

4 結(jié) 論

(1) 通過(guò)對(duì)小葉楊以及白羊草的根系分布范圍的研究，發(fā)現(xiàn)白羊草根系集中分布在0—30 cm的土層深度，小葉楊的根系主要分布范圍為0.5—1 m，這表明小葉楊和白羊草的混合根系能夠?qū)Φ叵? m的土壤起到穩(wěn)固護(hù)坡的作用。植物根系形態(tài)參數(shù)—根長(zhǎng)、根系表面積及根系直徑隨距主根的距離的增加均表現(xiàn)為指數(shù)函數(shù)顯著下降的變化規(guī)律；且根長(zhǎng)、根系表面積及根系直徑隨土層深度的增加同樣符合指數(shù)函數(shù)顯著下降的變化規(guī)律。在0—60 cm的土層深度中，根—土復(fù)合體的根長(zhǎng)密度、根表面積密度二者分別占其總量的75.49%，73.92%，這表明林草混合根系在0—60 cm的土層深度范圍內(nèi)對(duì)土壤的加筋效果最好。

(2) 通過(guò)對(duì)根—土復(fù)合體根系形態(tài)參數(shù)與殘余抗剪強(qiáng)度經(jīng)線性擬合發(fā)現(xiàn)，根土復(fù)合體根長(zhǎng)密度、根表面積密度與殘余抗剪強(qiáng)度均表現(xiàn)為線性函數(shù)顯著上升的變化規(guī)律，但根直徑與殘余抗剪強(qiáng)度尚未發(fā)現(xiàn)有線性相關(guān)性。由此可得，小葉楊和白羊草的根系能夠顯著的提高邊坡穩(wěn)定性。通過(guò)研究林草復(fù)合體在根際范圍內(nèi)實(shí)測(cè)的抗剪強(qiáng)度后發(fā)現(xiàn)，在0—30 cm 的土層深度中，林草復(fù)合體的抗剪強(qiáng)度較素土提升了約11倍，在40—60 cm的土層深度，較素土提升了約8～9倍，在70—100 cm的土層深度中，其抗剪強(qiáng)度約為素土的3倍，這表明小葉楊和白羊草的組合對(duì)于邊坡的抗剪強(qiáng)度的提升較大，能夠顯著增強(qiáng)邊坡的抗剪能力。