人工石質(zhì)邊坡構(gòu)樹(shù)根系抗剪特性研究

王云翔，孫海龍，羅龍?jiān)恚罱B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(yáng)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(kāi)發(fā)和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)越來(lái)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(jiàn)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(wèn)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(guò)錨固土層，并與土層形成復(fù)合體來(lái)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(shù)為研究對(duì)象，對(duì)構(gòu)樹(shù)根系單根抗剪強(qiáng)度特性進(jìn)行研究，探討構(gòu)樹(shù)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(guò)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(shù)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(guò)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(shù)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(jiàn)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(jiàn)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(méi)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(shù)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(shuō)，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(lái)說(shuō)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(shuō)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(jiàn)，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(lái)說(shuō)，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(jiàn)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］。抗剪強(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(méi)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(shù)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。

［1］ 張俊云，周德培，李紹才.巖石邊坡生態(tài)護(hù)坡研究簡(jiǎn)介［J］.水土保持通報(bào)，2000，20（4）：36－38.

［2］ 鄭穎人，陳祖煜，王恭先，等.邊坡與滑坡工程治理［M］.北京：人民交通出版社，2007.

［3］ Norris J E，Cammeraat LH，Stokes A，et al.The use of vegetation to improve slop stability［J］.Geotechnical and Geological Engineering，2006（4）：427－428.

［4］ Schmidt K，Roering J，Stock J，et al.The variability of root cohesion as an influence on shallow landslide susceptibility in the Oregon Coast Range［J］.Canadian Geotechnical Journal，2001，38（5）：995－1024.

［5］ Shewbridge S E，Sitar N.Deformation characteristics of reinforced sand in direct shear［J］.J.Geotech.Engrg.，1989，115（8）：1134－1147.

［6］ Di Iorio A，Lasserre B.Root system architecture of Quercus pubescens trees growing on different sloping conditions［J］.Annals of Botany，2005，95（2）：351－361.

［7］ Watson A，Marden M，Rowan D.Root－wood strength deterioration in kanuka after clearfelling［J］.New Zealand Journal of Forestry Science.1997，27：205－215.

［8］ Terwilliger V J，Waldron L J.Effects of root reinforcement on soil－slip patterns in the Transverse Ranges of southern California［J］，Geol.Soc.Am.Bull.，1991，103（6）：775－785.

［9］ Cucchi V，Meredieu C，Stokes A，et al.Root anchorage of inner and edge trees in stands of Maritime pine（Pinus pinaster Ait.）growing in different podzolic soil conditions［J］.Trees，2004，18（4）：460－466.

［10］ Stokes A，F(xiàn)itter A，Coutts M.Responses of young trees to wind and shading：effects on root architecture［J］.Journal of Experimental Botany，1995，46（9）：1139－1146.

［11］ 羅龍?jiān)?，李紹才，孫海龍，等.石質(zhì)陡邊坡構(gòu)樹(shù)根系抗拉特性研究［J］.中國(guó)水土保持，2011（4）：37－41.

［12］ 朱海麗，胡夏嵩，毛小青，等.陳桂琛護(hù)坡植物根系力學(xué)特性與其解剖結(jié)構(gòu)關(guān)系［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2009，25（5）：40－46.

［13］ Khuder H，Stokes A，Danjo K G，et al.Is it possible to manipulate root anchorage in young trees［J］.Plant and soil，2007，294（1／2）：87－102.

［14］ Goodman A M，Crook M J，Ennos A R，et al.Anchorage mechanics of the tap root system of wintersown oilseed rape（Brassica napus L.）［J］.Annals of Botany，2001，87（3）：397－304.

［15］ 張俊云，周德培，李紹才.厚層基材噴射護(hù)坡試驗(yàn)研究［J］.水土保持通報(bào)，2001，21（4）：45－48.

［16］ Hackket C，Bartlette B O.A study of the root system of barley：Ⅲ Branching Pattern［J］.New Phytol.，1971，70（2）：409－413.

［17］ Hackket C.A study of the root system of barley：ⅠEffects of nutrition on two varieties［J］.New Phytol.，1968，67（2）：287－300.

［18］ 朱海麗，胡夏嵩，毛小青，等.青藏高原黃土區(qū)護(hù)坡灌木植物根系力學(xué)特性研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2008，27（2）：3445－3452.

［19］ Coutts M.Developmental process in tree root systems［J］.Can.J.For.Res.，1987，17（8）：761－767.

［20］ Canadell J，Jackson R B，Ehleringer J R，et al.Maximum rooting depth of vegetation types at the global scale［J］.Oecologia，1996，108（4）：583－595.

［21］ Goodman A，Ennos A.A comparative study of the response of the roots and shoots of sunflower and maize to mechanical stimulation［J］.J.Exp.Bot.，1996，47（10）：1499－1507.

［22］ Mickovski S，Ennos A.Anchorage and asymmetry in the root system of Pinus peuce［J］.Silva.Fenn.，2003，37（2）：161－173.

［23］ Bengough A G.，Bransby M F，Hans J，et al.Roots responses to soil physical conditions；growth dynamics from field to cell［J］.Journal of Experimental Botany，2005，57（2）：437－447.

［24］ Genet M，Stokes A，Salin F，et al.The influence of cellulose content on tensile strength in tree roots［J］.Plant and Soil，2005，278（1／2）：1－9.

［25］ Sun H L，Li S C，Xiong W L，et al.Influence of slope on root system anchorage of Pinus yunnanensis［J］.Ecological Engineering，2008，32（1）：60－67.

［26］ Plomion C，Leprovost G，Stokes A.Wood formation in trees［J］.Plant Physiol，2001，127（4）：1513－1533.

［27］ Waisel Y and Eshel A.Functional diversity of various constituents of a single root system［M］∥Waisel Y.Plant roots：the hidden half.New York：Marcel Dekker，2002：157－174.