金沙江干熱河谷鄉(xiāng)土草本植物根系提高土體抗剪強(qiáng)度及其模型預(yù)測(cè)

段青松，王金霞，楊旸，字淑慧，張川，張建生，孫高峰，余建新?

(1.云南農(nóng)業(yè)大學(xué)水利學(xué)院 國土資源科學(xué)技術(shù)工程研究中心，650201，昆明； 2.河海大學(xué)水利水電學(xué)院，210098，南京；3.云南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)與生物技術(shù)學(xué)院，650201，昆明)

金沙江干熱河谷鄉(xiāng)土草本植物根系提高土體抗剪強(qiáng)度及其模型預(yù)測(cè)

段青松1，王金霞1，楊旸2，字淑慧3，張川1，張建生1，孫高峰1，余建新1?

(1.云南農(nóng)業(yè)大學(xué)水利學(xué)院 國土資源科學(xué)技術(shù)工程研究中心，650201，昆明； 2.河海大學(xué)水利水電學(xué)院，210098，南京；3.云南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)與生物技術(shù)學(xué)院，650201，昆明)

開展金沙江干熱河谷鄉(xiāng)土草本植物根系提高土體抗剪強(qiáng)度及預(yù)測(cè)的研究，為該地區(qū)生態(tài)恢復(fù)、邊坡防護(hù)、水土流失防治等生態(tài)工程中植物選擇及其固土能力的計(jì)算提供依據(jù)。采用原位剪切試驗(yàn)測(cè)定扭黃茅(Heteropogoncontortus)、莎草(Eulaliopsisbinata)、蕓香草(Cymbopogondistans)、旱茅(Schizachyriumdelavayi(Hack.) Bor)等4種鄉(xiāng)土草本植物根系及素土的抗剪切強(qiáng)度；用根系拉力計(jì)和電子卡尺測(cè)定根系的抗拉強(qiáng)度和直徑；用Wu和Waldron垂直根模型(WWM)及纖維束根增強(qiáng)模型(FBM)對(duì)根系提高土體抗剪能力進(jìn)行預(yù)測(cè)。結(jié)果表明：1)4種植物根系直徑約80%分布在0.1～1 mm的范圍內(nèi)，扭黃茅、莎草、旱茅根系的直徑和抗拉強(qiáng)度之間成負(fù)冪函數(shù)關(guān)系，蕓香草兩者間沒有相關(guān)性。2)扭黃茅、莎草、旱茅、蕓香草的根系可將土體的抗剪強(qiáng)度分別提高20.7%、85.3%、84.4%、16.1%。3)用WWM模型預(yù)測(cè)扭黃茅、旱茅、莎草的提高土體抗剪能力，其預(yù)測(cè)值是實(shí)測(cè)值的3.59～10.83倍；用FBM模型的預(yù)測(cè)值是實(shí)測(cè)值的1.24～2.62倍。旱茅、莎草根系提高土體抗剪強(qiáng)度的能力強(qiáng)于扭黃茅和蕓香草，在干熱河谷的生態(tài)工程中可優(yōu)先選用；對(duì)根系提高土體抗剪強(qiáng)度的預(yù)測(cè)，F(xiàn)BM模型要優(yōu)于WWM模型。

草本植物根系； 土體抗剪強(qiáng)度； Wu和Waldron模型； FBM模型； 干熱河谷

金沙江干熱河谷干旱燥熱、土壤侵蝕嚴(yán)重、植被恢復(fù)困難，是我國典型的生態(tài)脆弱區(qū)。鄉(xiāng)土草本植物由于生長快、適應(yīng)當(dāng)?shù)氐淖匀画h(huán)境，在干熱河谷的生態(tài)環(huán)境恢復(fù)中有著獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。草本植物根系固結(jié)土壤、提高土體抗剪能力是其發(fā)揮生態(tài)保護(hù)作用的一個(gè)重要方面。為選擇適宜的提高土體抗剪能力的物種，并對(duì)其提高量做出科學(xué)的預(yù)測(cè)和判斷，學(xué)者就根系提高土體抗剪切能力和機(jī)理展開研究，并建立了相應(yīng)的模型。

Wu等[1]研究證明根系能增加土體的剪切強(qiáng)度且其固土能力主要與根的抗拉強(qiáng)度、剪切面根面積比有關(guān)；楊亞川等[2]的研究表明草本植被根土復(fù)合體的剪應(yīng)力與含根量正相關(guān)，與含水量負(fù)相關(guān)。Zhou等[3]發(fā)現(xiàn)垂直根系對(duì)加強(qiáng)根際土層的整體強(qiáng)度和提高其斜向滑動(dòng)阻力具有重要作用。Schwarz 等[4-5]認(rèn)為根系彎曲、變形等根系形態(tài)也會(huì)影響根系的固土能力。綜上研究可認(rèn)為植物根系固土能力用根系提高土體抗剪強(qiáng)度值來衡量，根系固土能力主要與根的抗拉強(qiáng)度、剪切面根面積比、根系形狀及土壤的顆粒組成、含水率、密度等因素密切相關(guān)。

為給植物固坡工程設(shè)計(jì)提供依據(jù)，學(xué)者分別從統(tǒng)計(jì)學(xué)和物理學(xué)角度建立了植物根系固土的模型，預(yù)測(cè)根系的固土能力[6]。統(tǒng)計(jì)學(xué)模型通過對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，得出根系生物量、根密度、根系長度、根長密度、根表面積密度等根系特征值與根系提高土體抗剪強(qiáng)度的函數(shù)關(guān)系。物理學(xué)模型通過對(duì)根增強(qiáng)土體抗剪強(qiáng)度的力學(xué)機(jī)理分析，結(jié)合試驗(yàn)建立模型。物理學(xué)模型由于原理清楚、可綜合考慮根、土的各種復(fù)雜因素的影響，一直是根系固土研究的重點(diǎn)。物理學(xué)模型主要有Wu等[7]和Waldron[8]提出簡單的垂直根模型(Wu & Waldron vertical root model，WWM)以及Simon等[9]提出的纖維素根增強(qiáng)模型(Fiber bundle root enhancement model，F(xiàn)BM)，Schwarz等[5]提出的根束增強(qiáng)模型(the root bundle model，RBM)。前2個(gè)模型由于相對(duì)成熟，被國內(nèi)外學(xué)者廣泛應(yīng)用。

研究[10-13]表明，利用WWM模型分別對(duì)阿爾卑斯山南坡植物、草本植物、云南松根系提高土體抗剪能力進(jìn)行預(yù)測(cè)，結(jié)果都比實(shí)測(cè)值大，最大的預(yù)測(cè)值可達(dá)實(shí)測(cè)值的25倍左右[11]；但Wu和Waldron模型計(jì)算所需的參數(shù)少，計(jì)算簡便快速。利用FBM模型分別對(duì)庫岸植物、人工種植的草本植物提高土體抗剪能力進(jìn)行預(yù)測(cè)，結(jié)果表明FBM模型預(yù)測(cè)的精度要明顯的優(yōu)于WWM模型[9,11,14]。

現(xiàn)有對(duì)干熱河谷鄉(xiāng)土草本植物的研究主要集中在資源學(xué)和植物學(xué)方面[15-16]，對(duì)其根系提高土體抗剪能力的研究才剛起步[17]。根系提高土體抗剪能力隨著土壤含水量和植物生長狀態(tài)的不同而變化[18]，目前研究多在土壤高含水量、植物生長旺盛的狀態(tài)下進(jìn)行；面對(duì)冬季土壤含水量低，草本植物部分根系老化、枯死的狀態(tài)研究較少。為給金沙江干熱河谷生態(tài)恢復(fù)、邊坡防護(hù)、水土流失防治等生態(tài)工程中草本植物選擇及其固土能力的計(jì)算提供依據(jù)，筆者選擇在該地區(qū)廣泛分布的4種草本植物，在冬季開展原位剪切試驗(yàn)，并用WWM模型FBM模型進(jìn)行預(yù)測(cè)，為該地區(qū)生態(tài)恢復(fù)、邊坡防護(hù)、水土流失防治等生態(tài)工程中植物選擇及其固土能力的計(jì)算提供參考。

1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)地點(diǎn)位于云南楚雄州元謀縣物茂鄉(xiāng)多竹村，緊鄰?fù)亮诛L(fēng)景區(qū)，E 101°45′39″，N 25°43′34″，海拔1 280 m。多年平均蒸發(fā)量為3 729 mm，而平均降雨量為621.8 mm，年平均氣溫21.8 ℃，極端最高氣溫42 ℃，氣候極端干燥。土壤為燥紅壤，侵蝕嚴(yán)重，土層厚為20～30 cm左右。

2 材料與方法

選取黃茅屬的扭黃茅(Heteropogoncontortus)、莎草屬的莎草(Eulaliopsisbinata)、香茅屬的蕓香草(Cymbopogondistans)和旱茅(Schizachyriumdelavayi(Hack.) Bor)等4種多年生鄉(xiāng)土草本植物作為供試植物，4種植物在干熱河谷廣泛分布，具有較強(qiáng)的代表性。

2.1 原位剪切試驗(yàn)

參考Comino等[14]和周躍等[13]的試驗(yàn)方法，用厚為10 mm的鋼板制作的剪切箱(圖1)對(duì)有根土樣方和無根土樣方(對(duì)照)進(jìn)行原位剪切試驗(yàn)。

試驗(yàn)地原為坡地，在2014年初通過在“十二五”國家科技支撐計(jì)劃課題“南方農(nóng)區(qū)土地整理和農(nóng)田修復(fù)技術(shù)集成研究與示范”項(xiàng)目整治成梯田，原有植物全部清除。2014年6月降雨后，鄉(xiāng)土草本植物開始生長。2016年1月，在梯田內(nèi)選取健康的、無其他雜草的供試植物進(jìn)行原位剪切試驗(yàn)(植物生長了1年6個(gè)月，經(jīng)歷了2個(gè)生長季)，在梯田內(nèi)無植物生長的空地上選擇素土樣方。

圖1 原位剪切試驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Shear device and its parts in-situ measurement

試驗(yàn)時(shí)以植株為中心，開挖出長、寬均為200 mm，深為100 mm的樣方，將剪切盒套在樣方上。安裝好相關(guān)設(shè)備后用錨桿拉力計(jì)給樣方施加剪力直至破壞，讀取拉力計(jì)壓力表的壓力和百分表對(duì)應(yīng)的剪切位移。在剪切過程中遇有石塊、樹根等影響試驗(yàn)結(jié)果的雜質(zhì)，則停止剪切，重新選點(diǎn)試驗(yàn)，保證4種植物和對(duì)照各有6次成功的剪切試驗(yàn)，素土及每種草的6個(gè)樣方分別計(jì)為樣1，樣2，…，樣6。樣方土壤含水量為4.35%～7.86%，土壤密度為1.383～1.627 g/cm3范圍內(nèi)，經(jīng)方差分析各處理間土壤含水量、有根土樣方間密度無顯著性差異，素土樣方與有根土樣方密度差異顯著。作用在剪切盒上的剪力及其產(chǎn)生的剪應(yīng)力計(jì)算公式如下：

F=nA1。

(1)

式中：F為作用在剪切盒上的剪力，N；n為壓力表讀數(shù)，MPa；A1為錨桿拉力計(jì)活塞截面積，A1=3 066 mm2。

τ=F/A2。

(2)

式中：τ為剪切面上的剪應(yīng)力，MPa；A2為樣方受剪面積，A2=40 000 mm2。

以剪應(yīng)力為縱坐標(biāo)、位移為橫坐標(biāo)繪制樣方受剪的剪應(yīng)力-位移過程線，過程線頂點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度即為樣方的抗剪強(qiáng)度。

根系提高土體抗剪強(qiáng)度的實(shí)測(cè)值

Cr=τrmax-τsmax。

(3)

式中：Cr為根系提高土體抗剪強(qiáng)度的實(shí)測(cè)值，MPa；τrmax、τsmax分別為有根土和素土樣方的抗剪強(qiáng)度，MPa。

根面積比(RAR)及受剪面根數(shù)測(cè)定。剪切試驗(yàn)結(jié)束后，用精度0.01 mm數(shù)顯卡尺測(cè)定剪切面上每個(gè)根的直徑，并統(tǒng)計(jì)根數(shù)，計(jì)算剪切面上受剪根的總面積(Ar)和根面積比(RAR)。

2.2 根系直徑和抗拉強(qiáng)度測(cè)定

選取健康的供試植物每種各3叢，挖出根系，小心去除土壤，裝入密封袋，帶回云南農(nóng)業(yè)大學(xué)試驗(yàn)室，洗凈晾干備用。在整個(gè)過程中，盡可能保留細(xì)根。根系直徑測(cè)定用精度為0.01 mm數(shù)顯卡尺，各選有代表性的100個(gè)根測(cè)定。根的拉力P采用Tosi[19]介紹的方法測(cè)定,其抗拉強(qiáng)度Tr=4P/3.14d2。破壞時(shí)斷口位于夾點(diǎn)的樣根舍棄不用，實(shí)際測(cè)得扭黃茅強(qiáng)度與直徑關(guān)系的數(shù)據(jù)54組，蕓香草72組，旱茅51組，莎草68組。莎草中有黑根40組，白根28組；黑根為老根，白根為新根，分別進(jìn)行擬合。

2.3 模型預(yù)測(cè)

2.3.1 WWM模型[1,7-8]模型假定：土體剪切區(qū)有足夠厚度且在剪切過程中厚度不變。根系為垂直穿過剪切面的沿根長方向受拉的桿件，根系柔軟線彈性、直徑沿長度不變。在所有根系都達(dá)到抗拉強(qiáng)度的極限時(shí)，瞬間同時(shí)全部拉斷，而不是被拔出。根系增強(qiáng)土體抗剪強(qiáng)度值

(4)

根系的抗拉強(qiáng)度(Tr)可通過其與根系直徑(D)的函數(shù)關(guān)系計(jì)算，它們之間的關(guān)系[4]為

Tr=aDb。

(5)

式中：Tr為單根抗拉強(qiáng)度，MPa;a,b值由根系抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)測(cè)定；D為單根直徑，mm。

2.3.2 FBM模型[9]模型假定：所有單根互相平行且垂直穿過剪切面，單根線彈性。根系承受沿根長方向的拉力，作用在群心上，起始荷載由所有n個(gè)根平均承擔(dān)。加載過程中抗拉力最小的根先破壞，其承擔(dān)的荷載平均分?jǐn)偨o剩余的根，依此類推，直到所有的根都破壞[5]。當(dāng)?shù)趈個(gè)根破壞時(shí)，作用在整個(gè)土樣上的應(yīng)力(σrj)為

(6)

式中：Ai為第i個(gè)受破壞根的截面面積，mm2;As為土體受剪面面積，mm2；Trj為未破壞根中抗拉力最小根的強(qiáng)度，MPa; 現(xiàn)有研究表明，根土復(fù)合體在受剪的過程中(根系垂直于剪切面)，根系受拉破壞且由細(xì)到粗依次斷裂，最細(xì)的根就是抗拉力最小的根，在荷載作用下首先破壞[20]。

在荷載的作用下，根從抗拉力最小的到最大的依次斷裂，未破壞根不斷減少。根系提高土體抗剪能力就是上式計(jì)算結(jié)果中的最大值，即

σcr=max (σrj)。

(7)

3 結(jié)果與討論

3.1 4種草本植物根系徑級(jí)分布特征

4種草本植物的根系直徑分布及平均直徑見表1。在地下10 cm深處旱茅根系直徑最大，扭黃茅最小。4種植物根系直徑≤0.1 mm和>1 mm的都較少，約80%的根系直徑分布在0.1～1 mm的范圍內(nèi)。莎草部分老根根皮脫落后直徑變小，導(dǎo)致直徑在1.6～1.8 mm范圍內(nèi)的根缺失。

3.2 4種草本植物根系直徑與抗拉強(qiáng)度的關(guān)系

將測(cè)得的4種草以直徑為自變量，抗拉強(qiáng)度為因變量導(dǎo)入SPSS 18.0軟件。根據(jù)強(qiáng)度及直徑間的趨勢(shì)，選取直線、冪函數(shù)、指數(shù)函數(shù)3種關(guān)系進(jìn)行擬合。扭黃茅、莎草和旱茅3種植物根系直徑與強(qiáng)度關(guān)系以負(fù)冪函數(shù)擬合程度最高，均達(dá)到極顯著水平，這與Mattia等[21]的研究結(jié)果一致；但蕓香草根系直徑和抗拉強(qiáng)度之間相關(guān)性不強(qiáng)，相關(guān)系數(shù)僅為0.058。4種植物根系直徑與強(qiáng)度冪函數(shù)擬合特征值見表2。

以樣根抗拉強(qiáng)度的平均值作為其抗拉強(qiáng)度列于表2。旱茅的抗拉強(qiáng)度最大，莎草黑根的強(qiáng)度最低。

3.3 根系提高土體抗剪強(qiáng)度實(shí)測(cè)與模型預(yù)測(cè)結(jié)果

素土6個(gè)樣方的剪切強(qiáng)度平均值為48.63 kPa，根系增強(qiáng)土體抗剪強(qiáng)度值見表3。各樣方中，根系增強(qiáng)土體抗剪強(qiáng)度最小為蕓香草的第2個(gè)土樣為3.67 kPa，最大為旱茅的第5個(gè)土樣為55.17 kPa。扭黃茅、莎草、旱茅、蕓香草的根系可將土體的抗剪強(qiáng)度分別提高20.7%、85.3%、84.4%、16.1%；旱茅根系強(qiáng)度高、莎草根系發(fā)達(dá)數(shù)量多，它們的根系提高土體抗剪能力較強(qiáng)，在干熱河谷的生態(tài)建設(shè)中，可優(yōu)先選用。

表1 根系徑級(jí)分布及平均直徑Tab.1 Root diameter distribution and average diameters %

表2 植物根系直徑與抗拉強(qiáng)度關(guān)系冪函數(shù)擬合特征值Tab.2 Fitting parameters of the power law relationship between root tensile strength and root diameter

注：N為樣本數(shù)，a，b分別為冪函數(shù)的系數(shù)，***表示P<0.001的極顯著。Note:N:number of samples.a,b:parameters of power function.***:extremely significant atP<0.001.

WWM和FBM模型預(yù)測(cè)結(jié)果見表3。蕓香草根系直徑和抗拉強(qiáng)度之間沒有函數(shù)關(guān)系，無法根據(jù)其根系的直徑計(jì)算抗拉強(qiáng)度，未做預(yù)測(cè)。各樣方WWM模型的預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值的比值(RW)為3.59～10.83，且較為離散；3種草的RW平均值分別為6.65、9.59和5.53。FBM模型各樣方的預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值的比值(RF)為1.24～2.62，差別不大，但扭黃茅(1.79)<莎草(2.03)<旱茅(2.15)。旱茅的比值最大，可能是其根系抗拉強(qiáng)度高且直徑大，在受剪的過程中更容易被拔出所致。

表3 根系提高土體抗剪能力原位試驗(yàn)實(shí)測(cè)值和模型預(yù)測(cè)值Tab.3 In-situ test and modeling prediction values of anti-shear enhancement of herb root systems

3.4 討論

1)WWM模型預(yù)測(cè)的精度。RW值的大小反映模型的精度，目前研究大都表明：用WWM模型預(yù)測(cè)根系提高土體抗剪能力，RW較大，模型的精度較差。如周躍等[13]對(duì)云南松提高土體抗剪能力測(cè)定和預(yù)測(cè)的RW在0.91～8.96之間；Simon等[9]對(duì)庫岸植物的研究結(jié)果為6.4～14.3，Loades等[11]用直剪測(cè)定大麥的根系提高土體抗剪能力，計(jì)算得RW大約在3～25。本文的RW為3.59～10.83，與周躍的研究結(jié)果較為接近，但低于Simon等、Loades等的結(jié)果，這主要是受試植物、立地條件、試驗(yàn)方法等不同所致。

Loades等和Simon等的研究表明植物根系數(shù)量越多、根面積比越大，RW值也越大。本研究中莎草的RW明顯大于扭黃茅和旱茅，這應(yīng)是莎草根系數(shù)量多、根面積比大的原因。

2)FBM模型預(yù)測(cè)的精度。本研究中單個(gè)樣方的RF值在1.24～2.62之間，3種草的在1.79～2.15之間，該范圍與目前的研究較為一致?？傮w而言，F(xiàn)BM模型的預(yù)測(cè)精度高于WWM模型。WWM模型計(jì)算結(jié)果偏大的原因是：模型假設(shè)樣方破壞時(shí)所有的根在瞬間同時(shí)斷裂，每個(gè)根同時(shí)發(fā)揮出最大的抗拉力；而實(shí)際是根在在荷載作用下是由抗拉力最小到最大依次斷裂的[22]。FBM模型雖然優(yōu)于WU 模型，但預(yù)測(cè)值仍高于實(shí)測(cè)值，其主要的一個(gè)原因可能在于復(fù)合體受剪破壞時(shí)，有些根被拔出，而不是剪斷(圖2(a))，這些根的強(qiáng)度沒有充分發(fā)揮，而在模型計(jì)算中，認(rèn)為這些根都是被拉斷的。

圖2 剪切破壞樣方底部Fig.2 Bottom of the broken roots by shearing

3)根系幾何形態(tài)對(duì)模型預(yù)測(cè)的影響。無論是WWM模型，還是FBM模型都假設(shè)根系與破壞面是垂直的，而實(shí)際上草本植物在測(cè)試樣方內(nèi)，根系不一定垂直于破壞面，有些甚至和破壞面平行。這一現(xiàn)象在莎草根系中尤為突出(圖2(b))。據(jù)研究，水平向的根提高土體抗剪能力要低于垂直根[23]，而在實(shí)測(cè)中只要在剪切面上，都按垂直根計(jì)算固土強(qiáng)度導(dǎo)致預(yù)測(cè)值偏大。同時(shí)草本植物根系互相交叉，在剪切破壞的過程中根與根之間是互相影響的，2個(gè)模型無法反映這種狀況，導(dǎo)致預(yù)測(cè)誤差。和木本植物相比，草本植物根系幾何形態(tài)測(cè)定較為困難，需要深入研究提高模型預(yù)測(cè)精度。

4)土壤含水量對(duì)模型預(yù)測(cè)的影響。土壤含水量對(duì)根系提高土體抗剪能力的影響研究結(jié)論不盡相同。Fan等[24]、李紹才等[25]和宋維峰等[26]等認(rèn)為隨著土壤含水量的增加，根系提高土體抗剪能力降低，而陳紅星等[27]和格日樂等[28]則認(rèn)為根系提高土體抗剪能力隨著土壤含水量的增加呈先增大后減小的趨勢(shì)。本研究中土壤含水量僅在4.35%～7.86%之間，處于較低狀態(tài)，研究結(jié)果僅代表干熱河谷草本植物在低含水量時(shí)的提高土體抗剪能力，而對(duì)中高含水量的提高土體抗剪能力及變化需做進(jìn)一步研究。WWM模型和FBM均未考慮土壤含水量的影響，限制了模型的應(yīng)用。

5)部分植物的根系直徑和抗拉強(qiáng)度之間沒有函數(shù)關(guān)系限制了模型的應(yīng)用。本研究中蕓香草根系的強(qiáng)度和直徑之間沒有明確的相關(guān)關(guān)系，文獻(xiàn)表明灌木金雀花[7]、三葉草[11]直徑和強(qiáng)度也沒有相關(guān)性。Mao等[23]統(tǒng)計(jì)了學(xué)者的研究，文獻(xiàn)記載的86種植物有3種灌木兩者間沒有相關(guān)關(guān)系，以上植物既有灌木，也有禾本科、豆科，說明的確有一些植物根系其直徑和強(qiáng)度間沒有相關(guān)性，它們根系提高土體抗剪能力的計(jì)算WWM和FBM模型均不適用，對(duì)這些植物需采用其他方法分析建模。

4 結(jié)論

1)金沙江干熱河谷鄉(xiāng)土草本植物旱茅、莎草根系提高土體抗剪能力優(yōu)于扭黃茅和蕓香草，在生態(tài)恢復(fù)、邊坡防護(hù)、水土流失防治等生態(tài)工程中可優(yōu)先選用。

2)用WWM模型和FBM模型預(yù)測(cè)金沙江干熱河谷鄉(xiāng)土草本植物根系提高土體抗剪能力，F(xiàn)BM模型的精度高于WWM模型。

[1] WU T H,III M K,SWANSTON D N.Strength of tree roots and landslides on Prince of Wales Island,Alaska[J].Canadian Geotechnical Journal,1979,16(1):19.

[2] 楊亞川,莫永京,王芝芳,等.土壤-草本植被根系復(fù)合體抗水蝕強(qiáng)度與抗剪強(qiáng)度的試驗(yàn)研究[J].中國農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),1996(2):31.YANG Yachuan,MO Yongjing,WANG Zhifang,et al.Experimental study on anti-water erosion and shear strength of soil-root composite [J].Journal of China Agricultural University,1996(2):31.

[3] ZHOU Y,Watts D,LI Y,et al.A case study of effect of lateral roots ofPinusyunnanensis,on shallow soil reinforcement[J].Forest Ecology & Management,1998,103(2):107.

[4] SCHWARZ M,LEHMANN P,Or D.Quantifying lateral root reinforcement in steep slopes-from a bundle of roots to tree stands.[J].Earth Surface Processes & Landforms,2010,35(3):354.

[5] SCHWARZ M,COHEN D,OR D.Root-soil mechanical interactions during pullout and failure of root bundles[J].Journal of Geophysical Research Atmospheres,2011,115(F4):701.

[6] 楊旸,字淑慧,余建新,等.植物根系固土機(jī)理及模型研究進(jìn)展[J].云南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2014,29(5):759.YANG Yang,ZI Shuhui,YU Jianxin,et al.Advances in research on mechanism and models of plant roots reinforcement [J].Journal of Yunnan Agricultural University (Natural Science Edition),2014,29(5):759.

[7] WU T H.Investigation of landslides on Prince of Wales Island,Alaska,Geotechnical Engr.Report No.5,Dept.of Civil Engr[M].Columbus:Ohio State Univesity,1976:94.

[8] WALDRON L J.The shear resistance of root-permeated homogeneous and stratified soil[J].Journal of the Soil Science Society of America,1977,41(5):843.

[9] SIMON A.Estimating the mechanical effects of riparian vegetation on stream bank stability using a fiber bundle model[J].2005,41(7):226.

[10] BURYLO,HUDEK,REY.Soil reinforcement by the roots of six dominant species on eroded mountainous marly slopes (Southern Alps,France)[J].Fuel & Energy Abstracts,2010,84(1):70.

[11] LOADES K W,BENGOUGH A G,BRANSBY M F,et al.Planting density influence on fibrous root reinforcement of soils.[J].Ecological Engineering,2010,36(3):276.

[12] 趙麗兵,張寶貴,蘇志珠.草本植物根系增強(qiáng)土壤抗剪切強(qiáng)度的量化研究[J].中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào),2008,16(3):718.ZHAO Libing,ZHANG Baogui,SU Zhizhu.Quantitative analysis of soil anti-shearing strength enhancement by the root systems of herb plants[J].Chinese Journal of Eco-Agriculture,2008,16(3):718.

[13] 周躍,李宏偉,徐強(qiáng).云南松幼樹垂直根的土壤增強(qiáng)作用[J].水土保持學(xué)報(bào),2000,14(z1):110.ZHOU Yue,LI Hongwei,XU Qiang.Role of vertical roots of Young Yunnan Pine on soil reinforcement [J].Journal of Soil and Water Conservation,2000,14(5):110.

[14] COMINO E,MARENGO P,ROLLI V.Root reinforcement effect of different grass species:A comparison between experimental and models results[J].Soil & Tillage Research,2010,110(1):60.

[15] 羅輝,王克勤.金沙江干熱河谷山地植被恢復(fù)區(qū)土壤種子庫和地上植被研究[J].生態(tài)學(xué)報(bào),2006,26(8):2432.LUO Hui,WANG Keqin.Soil seed bank and aboveground vegetation in Jinshajiang Hot-Dry River Valley Hillslope vegetation restoration site[J].Acta Ecologica Sinica,2006,26(8):2432.

[16] 楊濟(jì)達(dá),張志明,沈澤昊,等.云南干熱河谷植被與環(huán)境研究進(jìn)展[J].生物多樣性,2016,24(4):462.YANG Jida,ZHANG Zhiming,SHEN Zehao,et al.Review of research on the vegetation and environment of dry-hot valleys in Yunnan[J].Biodiversity Science,2016,24(4):462.

[17] 段青松,何丙輝,余建新,等.金沙江干熱河谷鄉(xiāng)土草本植物根系固土能力原位測(cè)定[J].云南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2015,37(5):779.DUAN Qingsong,HE Binghui,YU Jianxin,et al.In situ measurement on the capability of fixing soil of local herbaceous roots in dry-hot valley of Jinsha River[J].Journal of Yunnan Agricultural University:Natural Science Edition,2015,37(5):779.

[18] 蔣靜,張超波,張雪彪,等.土壤水分對(duì)植物根系固土力學(xué)性能的影響綜述[J].中國農(nóng)學(xué)通報(bào),2015,31(11):253.JIANG Jing,ZHANG Chaobo,ZHANG Xuebiao,et al.Review on the effects of soil moisture on mechanical properties of soil reinforcement by plant roots [J].Chinese Agricultural Science Bulletin,2015,31(11):253.

[19] TOSI M.Root tensile strength relationships and their slope stability implications of three shrub species in the Northern Apennines (Italy)[J].Geomorphology,2007,87(4):268.

[20] THOMAS R E,POLLENBANKHEAD N.Modeling root-reinforcement with a fiber-bundle model and Monte Carlo simulation[J].Ecological Engineering,2010,36(1):47.

[21] MATTIA C,BISCHETTI G B,GENTILE F.Biotechnical characteristics of root systems of typical Mediterranean species[J].Plant and Soil,2005,278(1):23.

[22] COMINO E,DRUETTA A.The effect of Poaceae roots on the shear strength of soils in the Italian alpine environment.[J].Soil & Tillage Research,2009,106(2):194.

[23] MAO Z,SAINT-ANDRé L,GENET M,et al.Engineering ecological protection against landslides in diverse mountain forests:Choosing cohesion models[J].Ecological Engineering,2012,45(10):55.

[24] FAN C C,SU C F.Effect of soil moisture content on the deformation behaviour of root-reinforced soils subjected to shear[J].Plant and Soil,2009,324(1):57.

[25] 李紹才,孫海龍,楊志榮,等.坡面巖體-基質(zhì)-根系互作的力學(xué)特性[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2005,24(12):2074.LI Shaocai,SUN Hailong,YANG Zhirong,et al.Interactional mechanical characteristics of rock-substrate-root system[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2005,24(12):2074.

[26] 宋維峰,陳麗華,劉秀萍.林木根系固土作用數(shù)值分析[J].北京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2006(s2):80.SONG Weifeng,CHEN Lihua,LIU Xiuping.Numerical ananlysis on the effects of forest root system on soil reinforcement[J].Journal of Beijing Forestry University,2006(s2):80.

[27] 陳紅星,李法虎,郝仕玲,等.土壤含水率與土壤堿度對(duì)土壤抗剪強(qiáng)度的影響[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2007,23(2):21.CHEN Hongxing,LI Fahu,HAO Shiling,et al.Effects of soil water content and soil sodality on soil shearing strength[J].Transactions of the CSAE,2007,23(2):21.

[28] 格日樂,左志嚴(yán),蒙仲舉,等.楊柴根系提高土體抗剪特性的研究[J].水土保持學(xué)報(bào),2014,28(4):72.GE Rile,ZUO Zhiyan,MENG Zhongjv,et al.Study on the availability ofHedysarumfruticosumroots to improve shear strength[J].Journal of Soil and Water Conservation,2014,28(4):72.

Soil anti-shear strength enhancement by indigenous herbaceous roots in Dry-hot Valley of Jinsha River and its modeling prediction

DUAN Qingsong1,WANG Jinxia1,YANG Yang2,ZI Shuhui3,ZHANG Chuan1,ZHANG Jiansheng1,SUN Gaofeng1,YU Jianxin1

(1.Engineering Research Center of Science and Technology of Land and Resources,School of Water Conservancy,Yunnan Agricultural University,650201,Kunming,China; 2.School of Water Conservancy and Hydropower Engineering,Hohai University,210098,Nanjing,China; 3.School of Agronomy and Biotechnology,Yunnan Agricultural University,650201,Kunming,China)

[Background] It is the typical fragile ecological environment in China,with dry and hot climate,serious soil erosion,and difficulty for vegetation restoration in the Dry-hot Valley of Jinsha River.Due to the rapid growth and adaptation to the local natural environment,indigenous herbaceous plants have unique advantage in restoration of ecological environment.The aim of this study is to provide the basis for plant selection and calculating their abilities of soil fixation in ecological restoration,slope protection,soil erosion control and other ecological projects in Dry-hot Valley of Jinsha River.[Methods] The location of the test was in Wumao Township (E101°45′ and N 25°43′,with an elevation of 1280 m),Yuanmou County,Chuxiong Autonomous Prefecture of Yi Nationality，Yunnan Province,on January 2016 on hot-red soil.Heteropogoncontortus,Eulaliopsisbinata,CymbopogondistansandSchizachyriumdelavayi,widely distributed in Dry-hot Valley of Jinsha River,were selected to measure the shear strength of root-soil composites by in-situ direct shear test,and compared with bare soil.Five treatments with six replicates were set up.No significant difference about soil moisture and density of roots-contained soil were found in the treatments,except that density between the root-soil composites and bare soil.Shear strength and displacement of composite of the root-soil composites and bare soil with 200 mm length × 200 mm width × 100 mm height centering on the plant was test by the Pull Test Instrument for Bolt (ML-20,Qingdao Yifeng Instrument Manufacturing Co.,Ltd.).Root tensile strength was test by digital pull tester (SN100,Shadu Instrument Manufacturing Co.,Ltd.).The data such as root diameters,quantities and tensile strength was put to Wu & Waldron vertical root model (WWM) and Fiber bundle root enhancement model (FBM) respectively to predict the enhanced shear ability by roots.[Results] 1) Root diameters of four herbs were distributed mainly in the range of 0.1-1 mm.The relationship between root diameter and tensile strength ofH.contortus,E.binateandS.delavayiwas a negative power function,whileC.distans’ had no correlation.2) Compared with bare soil,the soil shear strength was improved 20.7%,85.3%,84.4% and 16.1%,respectively by the roots ofH.contortus,E.binate,S.delavayiandC.distans.3) The predicted value was 3.59-10.83 times of the measured value,by using WWM model to predict the shear capacity of the soil.The predicted value of the FBM model was 1.24-2.62 times of the measured value.[Conclusions] The ability ofE.binateto improve the shear strength of soil is stronger thanS.delavayi,thus it could be selected as the priority of ecological construction in Dry-hot Valley of Jinsha River.FBM model was better than WWM model,in terms of prediction of shear strength of soil enhanced by roots.

herbaceous roots; soil anti-shear strength; Wu & Waldron model; Fiber bundle root enhancement model; Dry-hot Valley

2016-11-15

2017-04-25

項(xiàng)目名稱：國土資源部國家公益性行業(yè)科研專項(xiàng)課題“立體特征突顯區(qū)域土地整治技術(shù)與建設(shè)模式研究”(201511003-3)

段青松(1971—)，男，副教授，博士研究生。主要研究方向：農(nóng)業(yè)水土工程。E-mail:258437886@qq.com

?通信作者簡介：余建新(1958—)，男，教授。主要研究方向：土地利用工程和水利水電工程。E-mail：yjxin58cn@aliyun.com

S172.2

A

2096-2673(2017)04-0087-09

10.16843/j.sswc.2017.04.011