黃荊根系在風(fēng)化巖石邊坡上的錨固研究

張 丞，李紹才，孫海龍，3，龍 鳳，羅龍皂，蘆荻秋，王云翔

(1.四川大學(xué)水利水電學(xué)院，四川成都610065;2.四川大學(xué)生命科學(xué)院，四川成都610064;3.四川省勵自生態(tài)技術(shù)有限公司，四川成都610031;4.西南大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，重慶400715)

1 黃荊根系邊坡的錨固作用

在中國西南地區(qū)，黃荊是人工石質(zhì)邊坡自然恢復(fù)過程中常見的木本先鋒物種，這一物種在這一地區(qū)石質(zhì)邊坡的坡面生態(tài)工程中得到了廣泛應(yīng)用。但筆者發(fā)現(xiàn)，在不同的石質(zhì)邊坡上仍然有很多失敗的案例，比如暴風(fēng)雨后，一些基巖相對完整的邊坡上栽植了幾年的黃荊被連根拔起。根的錨固作用主要取決于根系的特性，比如根的布局和抗拉強(qiáng)度。這一地區(qū)石質(zhì)邊坡的坡面生態(tài)工程人工覆土層較淺薄(一般在15 cm以下)，堅硬的基巖平面經(jīng)常限制根的垂直生長。我們推測，淺層土壤下基巖的性質(zhì)(如風(fēng)化程度)影響根系的布局，也影響黃荊的錨固阻力。因此，這里研究在不同風(fēng)化巖質(zhì)邊坡上黃荊根系的錨固特征。

根系錨固測定的一個難點是實際力的施加問題。筆者觀察到黃荊的傾倒集中于沿坡向下，因此，一個沿坡向下的橫向位移(把植物拉倒)可能更能模擬自然的機(jī)械力。因此選擇了不同風(fēng)化程度石質(zhì)邊坡的坡面生態(tài)工程上的黃荊進(jìn)行了拉倒試驗。該研究的目的，一是了解黃荊根系在不同風(fēng)化程度邊坡上的生長分布;二是分析基巖風(fēng)化程度對黃荊根系錨固阻力的影響。我們希望這些研究能對該地區(qū)石質(zhì)邊坡坡面生態(tài)工程的穩(wěn)定性有所幫助。

2 材料與方法

2.1 試驗地介紹

試驗于中國西南地區(qū)成都境內(nèi)龍泉山脈的3個石質(zhì)邊坡上(邊坡特征見表1)進(jìn)行，事先對這3個邊坡進(jìn)行了坡面生態(tài)工程建設(shè)。它們的地理位置均位于北緯30°38'，東經(jīng)104°29'，海拔高度在234～256 m。該地區(qū)屬亞熱帶季風(fēng)氣候，年平均氣溫16.3℃，最熱月(7月)平均氣溫25.8℃，最冷月(1月)平均氣溫5.6℃，年平均降水量1 146.5 mm。

筆者查閱了1996年對這3個邊坡進(jìn)行防護(hù)時的勘查資料，對這三個邊坡巖石的風(fēng)化程度進(jìn)行了定性及定量描述(表1)。

表1 中國西南部龍泉山脈3個邊坡的巖石特征參數(shù)和風(fēng)化程度指標(biāo)

這3個邊坡的坡面生態(tài)工程方式為混凝土框格植被護(hù)坡?？蛐螁卧拿娣e為16 m2?？蚣軆?nèi)填入含有植物種子和植物纖維的壤土，土層厚度為12 cm。植物種子為采收的野生黃荊種子(播種量為3 g/m2)與草種(狗牙根，播種量為2 g/m2;高羊茅，播種量6 g/m2)的混合。

經(jīng)過8年的演替，最早建植的狗牙根和高羊茅已幾乎被鄉(xiāng)土植物代替，播種的黃荊依然存在，而且長勢較好，但每個框格內(nèi)僅有3～5株。

2.2 拉拔試驗

在每個邊坡隨機(jī)選擇12個框格，每個框格選擇位于中央的1株黃荊進(jìn)行試驗，因此共有36株黃荊進(jìn)行試驗，所選黃荊的株高和基莖列于表2。這樣共有來自強(qiáng)風(fēng)化、弱風(fēng)化和微風(fēng)化三個邊坡上的36株植株進(jìn)行試驗。將每個邊坡上的12株植株分為4個試驗，每個試驗采取不同處理:第一個試驗不進(jìn)行任何處理，作為對照直接拉倒;第二個試驗將土層人工澆水至飽和，穩(wěn)定24 h后試驗;第三個試驗將下坡向的土層清除，僅保留基莖周圍5 cm范圍內(nèi)的土壤，并用鏟子將下坡向的側(cè)根沿土壤剖面全部鏟斷;第四個試驗將土壤層用手工清除，使根系完全暴露，僅保留基莖周圍5 cm范圍內(nèi)的土壤。

實驗時將樹干從地面上30 cm砍掉，應(yīng)用一個機(jī)動絞盤(型號為DF2000—5，上海，中國)，有5 kN最大的強(qiáng)度功率。絞盤安置在坡底錨入地面的鋼釬上，纜索在試驗之初保持與坡面水平(圖1)。纜索附件的高度為離土層面5 cm，每棵樹的高度都相同。由安裝在絞盤和目標(biāo)樹中間的力的傳感器來測定施加到目標(biāo)樹木的張力，并用數(shù)據(jù)記錄器(型號Almemo2290－8，Ahlborn，德國)每1 s記錄一次。為了測定在吊起試驗中主干的偏轉(zhuǎn)角，在莖基部安裝了一個傾角器。角的測定由另一個同樣的數(shù)據(jù)記錄器每1 s進(jìn)行記錄，與傳感器錄入器同步進(jìn)行。為防止拉拔時滑動，將莖干的皮除去，用石棉布包住，然后用一金屬夾夾住，金屬夾依據(jù)灌木地徑的大小可以調(diào)節(jié)。以10°min－1的速度施加扭力，觀察根的運動及樹的旋轉(zhuǎn)中心，計算最大傾覆力矩。在拔起后，仔細(xì)尋找斷裂的根或者其它機(jī)械破壞的現(xiàn)象。

表2 用于拉拔試驗的黃荊特征，數(shù)據(jù)為平均值加標(biāo)準(zhǔn)差

2.3 根系測量

分為上坡向與下坡向，統(tǒng)計根系的數(shù)量和長度(從生長點到根尖的距離)，用游標(biāo)卡尺測量它們在接近著生點處較均勻的一段的直徑。根系分別測量重量(在70℃下干燥直到衡重)。也統(tǒng)計扎入巖體裂隙中的根系數(shù)量、在裂隙中的長度及根系在基巖平面處的直徑。

2.4 數(shù)據(jù)分析

所有數(shù)據(jù)都輸入SPSS軟件，用ANOVA來計算研究中所出現(xiàn)的參數(shù)。

圖1 實驗裝置示意

3 結(jié)果

3.1 根系的生長與分布

在三種邊坡上，所有黃荊的主根發(fā)育較差，在長度超過10 cm后就迅速變細(xì)變短了，但具有發(fā)達(dá)的一級側(cè)根，它們從接近根頸的直根部分萌發(fā)向四周輻射生長。

每株黃荊都有部分二級側(cè)根下垂扎入巖石裂隙中，沒有發(fā)現(xiàn)一級側(cè)根下垂扎入的現(xiàn)象。扎入裂隙中的根系表現(xiàn)出了極大的變形，尤其在那些裂隙寬度比根在基巖平面處的直徑小的區(qū)域，根系在裂隙內(nèi)部呈扁平狀，而不是像外部根系接近圓形。

對不同坡面黃荊根系指標(biāo)進(jìn)行了比較(表3)。一級側(cè)根在微風(fēng)化邊坡上具有較高的重量和長度，但數(shù)量和直徑?jīng)]有發(fā)現(xiàn)顯著的差異。微風(fēng)化邊坡上，二級側(cè)根的數(shù)量和重量要顯著高于其他邊坡。扎入強(qiáng)風(fēng)化邊坡巖石裂隙中的二級側(cè)根數(shù)、在裂隙中的長度及在基巖平面處的直徑要高于其他邊坡。

表3 黃荊的根系指標(biāo)

三種生境條件下，黃荊的上坡向一、二級側(cè)根的數(shù)量及根系的總重量略高于下坡向，但差異沒有達(dá)到顯著水平(表4)。

表4 上坡向與下坡向側(cè)根數(shù)量及重量對比

3.2 根系的錨固與斷裂

在微風(fēng)化巖石邊坡上，試驗4中清除土層的3株黃荊的拔起試驗全部失敗了，因為纜索剛拉直，植株就發(fā)生了傾翻。因此，在后面的結(jié)果中都不再報道關(guān)于微風(fēng)化邊坡上的試驗4。在所有風(fēng)化邊坡上都沒有發(fā)生莖被拉斷的現(xiàn)象。當(dāng)黃荊完全被拉倒后，扎入上坡向巖石裂隙中的二級側(cè)根被完全拉斷，下坡向的根沒有斷裂的情況發(fā)生。巖石裂隙中二級側(cè)根的斷點多數(shù)在基巖平面附近。

在試驗1、試驗2中的植株被拉倒后，只在上坡向的土體中可以發(fā)現(xiàn)斷裂后殘留的根系，包括一級側(cè)根和二級側(cè)根，但僅限于細(xì)小的根尖部位，而下坡向土體中的根系沒有斷裂發(fā)生。從試驗4(強(qiáng)、中)的試驗可以觀察到，當(dāng)傾倒進(jìn)行時，雖然有扎入上坡向裂隙中的二級側(cè)根單獨斷裂情況發(fā)生，但傾覆力矩隨著位移變化還是逐漸增加，達(dá)到一個最大值。一旦有較多的二級側(cè)根同時斷裂，傾覆力矩就明顯下降了(圖2)。不同坡面及不同的試驗處理，傾覆力矩和位移曲線形狀的記錄有相同模式。

對于智能CT設(shè)備、用于輔助醫(yī)生手術(shù)或者進(jìn)行術(shù)前規(guī)劃的智能設(shè)備、或者可穿戴式醫(yī)療監(jiān)測設(shè)備等既包括硬件改進(jìn)又包含控制軟件的人工智能產(chǎn)品而言，由于軟件與硬件的集成性以及設(shè)備的專用性，侵權(quán)行為的發(fā)生相對集中，因而侵權(quán)行為相對容易舉證和判定。即使某些用戶終端產(chǎn)品（例如個人醫(yī)療終端）在硬件產(chǎn)品出廠時并未預(yù)裝相關(guān)控制程序，而是以APP商店或者提供下載鏈接的形式由用戶自行下載并安裝控制軟件，也能夠相對便利地證明用戶是在侵權(quán)產(chǎn)品制造商的誘導(dǎo)或者指示下完成控制軟件的下載、安裝和使用。

試驗1、試驗2和試驗3對最大傾覆力矩有不同程度的影響(表5)。無論怎樣處理的試驗，最大傾覆力矩的大小均為強(qiáng)風(fēng)化＞弱風(fēng)化＞微風(fēng)化，它們之間的差異達(dá)到了極顯著水平(P＜0.01)。

圖2 清除土層后傾覆力矩與主干傾斜角度關(guān)系。

實線為強(qiáng)風(fēng)化邊坡上的一株黃荊(地徑11.21 cm)，a點后記錄了上坡向巖石裂隙中24條二級側(cè)根同時斷裂。虛線為弱風(fēng)化邊坡上的一株黃荊(地徑11.16 cm)，b點后記錄了上坡向巖石裂隙中19條二級側(cè)根同時斷裂。

表5 不同風(fēng)化坡面不同處理黃荊的最大傾覆力矩及主干傾斜角度，數(shù)據(jù)為平均值加標(biāo)準(zhǔn)差，給出了樣本數(shù)。

4 討論

4.1 關(guān)于根系分布

根可以穿透比自身直徑小的裂縫(MacDonald and Gordon，1984)和圓柱形孔隙(Scholefield and Hall，1985)，所以根系也具有扎入巖石裂隙的能力。巖石裂隙的阻力導(dǎo)致了根系的變形(呈扁平狀)，較寬的裂隙可能也使根系在強(qiáng)風(fēng)化邊坡裂隙中能扎入的更深些。我們知道巖體裂隙里的水分條件要高于其他區(qū)域，干旱脅迫條件下會誘導(dǎo)根系的扎入生長，這種現(xiàn)象在那些自然石質(zhì)邊坡上經(jīng)常會被發(fā)現(xiàn)。在這里由于淺層土壤的水容量低，使植物受水分脅迫的幾率高，驅(qū)動根系向裂隙中生長的因子可能是水分條件。但我們還不清楚為什么一級側(cè)根沒有扎入裂隙，這還沒有找到合理的解釋。

一些研究結(jié)果顯示，坡面植物根系的變形程度要高于水平面生長的植物根系。由于風(fēng)載荷、自身載荷及土壤重力載荷引起根系的不對稱分布，上坡向生長的根系較下坡向發(fā)達(dá)(Di Iorio et al.，2005)。但我們的研究沒有發(fā)現(xiàn)顯著的差異，至少在根系的物質(zhì)分配上如此?？赡苡捎诒油寥赖闹亓康?，使根系受土壤的載荷較弱，同時這些灌木本身要矮小些，受風(fēng)的影響也要小一些。

4.2 關(guān)于根系錨固

在植株沿坡向下傾倒過程中，上坡向根系抵抗拔出(或拔斷)，下坡向根系抵抗彎曲(Crook＆Ennos 1996)。研究表明上坡向根系的錨固作用在防止植株被拉倒過程中有主要貢獻(xiàn)，因為把下坡向根系鏟斷后，最大傾覆力距下降幅度在強(qiáng)風(fēng)化邊坡上平均為21%，在弱風(fēng)化邊坡上平均為26%，在微風(fēng)化邊坡上平均為33%。

土體中根在斷裂時，多數(shù)根系最細(xì)的末端部分還錨入土壤。但扎入巖石裂隙中的根系斷點不是在裂隙內(nèi)部最細(xì)處，而是在基巖平面附近，可能由于根系在受拉過程中，扎入巖石裂隙內(nèi)部根系所受拉力向根側(cè)摩擦阻力轉(zhuǎn)化，而使根組織自身的應(yīng)力減小。根系能發(fā)生同時斷裂，因為單獨斷裂的根不可能與力的位移曲線下降一致，斷裂順序也并不必須與根尺寸相關(guān)(Bailey et al.2002)。

5 結(jié)論

巖體裂隙的分布可能是影響人工栽種黃荊在巖石坡面穩(wěn)定的一個顯著因子。對于微風(fēng)化邊坡，黃荊似乎并不能發(fā)揮錨固的積極作用這種生境下，黃荊可能并不完全適用于陡峭巖石邊坡的生態(tài)防護(hù)。

從這次研究中得出的結(jié)論對提高關(guān)于該地區(qū)巖石邊坡坡面生態(tài)工程的穩(wěn)定很有幫助，并了解了砂巖的風(fēng)化程度怎樣影響黃荊根系的分布及其錨固作用。然而，必須承認(rèn)的是，這個研究還有很多不足，需要對裂隙分布與根系構(gòu)形之間關(guān)系進(jìn)行數(shù)學(xué)模型化的研究，也需進(jìn)一步對不同的巖性及植物的發(fā)育動態(tài)下的錨固行為進(jìn)行研究。

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