季凍區(qū)公路邊坡植物根系對凍融作用的影響

李云鵬, 李勁松, 張利東, 王新軍

(1.交通運輸部科學研究院, 北京 100029; 2.吉林省高等級公路建設管理局, 吉林 長春 130022)

季節(jié)性凍土區(qū)(季凍區(qū))廣泛的分布于我國的西北和東北地區(qū)。對于季凍區(qū)公路邊坡的防護，在植物種類選擇中除了要考慮耐寒，耐旱以及耐貧瘠等特性外，還需考慮由于氣候或其他變化對坡體穩(wěn)定性的影響。凍融循環(huán)作用是一種典型的發(fā)生在季凍區(qū)的破壞形式，當公路邊坡土體發(fā)生凍融循環(huán)時，很可能形成土體的剝落、開裂甚至小型滑坡等[1-2]。因此對于季凍區(qū)公路邊坡的防護，如何科學而有效的防止凍融破壞的發(fā)生是學者們關注的重點問題。植被被認為是能有效提高坡體穩(wěn)定的手段，植被的存在增加了地表糙率，進而減少了坡面土壤侵蝕[3]。此外，植被的生長改善了土壤條件，有利于水分在土壤內(nèi)部的傳導，有效的保證了坡體穩(wěn)定[4]。植物根系在土壤中交互連結(jié)，形成網(wǎng)狀結(jié)構增加了土體抵抗剪切破壞的能力。

在公路建設過程中，大量的植物被應用于邊坡生態(tài)防護，尤其是一些抗寒、抗旱能力強，景觀效果好的植物被廣泛的應用。然而隨著時間的推移，很多種植了植物的季凍區(qū)邊坡發(fā)生了小型崩塌或滑落，如何合理選擇植物種類從而有效的防護以凍融破壞為主要誘因的坡體失穩(wěn)現(xiàn)象是現(xiàn)階段研究的重點。王明明等[5]人研究了不同植被蓋度的草地對土壤水分的影響，結(jié)果表明植被蓋度對土壤水分的影響存在一個閾值，超過或是低于這個閾值時土壤水分會隨著植被高度的變化而降低。王小云[6]研究了5種植物對土壤水分的影響，在同一自然條件下種植了不同植物種類后，土壤含水量的大小關系為：紫花苜蓿>側(cè)柏>歐李>檸條>油松。植物根系能夠有效的穩(wěn)固土體，在發(fā)生剪切破壞時，由于具備很好的抗拉和抗剪性能，能夠為土體提供良好的抵抗破壞的作用[7]。然而，植物根系對季節(jié)性凍土區(qū)公路邊坡凍融循環(huán)影響的相關研究較少?；诖耍疚耐ㄟ^調(diào)查季凍區(qū)高速公路邊坡常見植物根系的結(jié)構和力學特性，通過分析不同植物根系結(jié)構特征，結(jié)合土壤物理性質(zhì)變化，探究根系影響凍融循環(huán)作用的主要因素，為季凍區(qū)邊坡防護工程的植物選擇提供參考和借鑒。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

鶴崗至大連高速(G11，以下簡稱鶴大高速)大蒲柴河至撫松段，途徑沿江鄉(xiāng)、露水河、萬良鎮(zhèn)、撫松縣等地。項開工時間為2014年4月，2016年10月建成通車。公路沿線屬于典型的微丘及低山丘陵區(qū)，平均海拔在400～830 m之間。該區(qū)屬于中溫帶大陸性季風氣候，春季干燥多風，夏季炎熱多雨，7—8月為雨季，年平均氣溫2.8 ℃，年平均降雨量760～830 mm，最大凍土深度1.26 m。研究區(qū)域內(nèi)植被類型為天然次生林及人工林，主要植被種類有長白落葉松、紅松、大青楊、毛榛、五加、刺五加、衛(wèi)予、山茄子、子棉馬、木賊蕨、掌葉鐵蕨、陰地苔等，土壤以為暗棕色森林土、棕色針葉林土、山地生草森林土為主，少部分為沼澤土和草甸土，試驗邊坡土壤為黃壤。

1.2 試驗邊坡特征

通過實地調(diào)查研究區(qū)域公路邊坡主要護坡植物種類以及分布，結(jié)合已經(jīng)發(fā)生凍融破壞的邊坡調(diào)查，選取了鶴大高速撫松段內(nèi)5處具有代表性的邊坡作為調(diào)查對象，5處試驗邊坡的位置和基本特征詳見表1。其中僅有邊坡Ⅰ無凍融破壞情況發(fā)生，其他3處邊坡皆發(fā)生了不同程度的凍融破壞情況，坡面Ⅱ為對照組。6種常見植物為3種灌(喬)木和3種草本，分別為胡枝子(Lespedezabicolor)、紫穗槐(Amorphafruticos)、刺槐(Robiniapseudoacacia)、狗牙根(Cynodondactylon)，披堿草(Elymusdahuricus)和紫羊茅(Festucarubra)。

表1 調(diào)查邊坡基本特征

1.3 根系結(jié)構特征測量

根系結(jié)構特征主要包括最大根系直徑、根系最大水平延伸長度、根系最大垂直延伸長度，根系數(shù)量和根系分枝角度(圖1)。其中最大根系直徑一般指靠近地莖處的根系直徑，根系最大水平延伸長度、根系最大垂直延伸長度指水平及垂直所能生長多的最大長度。根系數(shù)量的測量采用截面計數(shù)法，對存在于土壤深度0.1以及0.3 m截面處的根系進行計數(shù)，而根系分枝角度則指整株植物根系在土壤中的空間分布角度，通常取最大水平延伸根系所在平面為測量標準。野外取樣過程中，采用人工挖掘的方式，以單株植物主莖為原點，挖掘半徑為0.4 m，挖掘深度為0.5 m，當水平或垂直根系超過挖掘規(guī)格時，繼續(xù)沿根系挖掘直到挖出完整根系為止，現(xiàn)場測量根系結(jié)構特征后采集根系裝于塑封袋中用于后續(xù)試驗。對于每種植物結(jié)構特征的測量樣本數(shù)應不小于3株，統(tǒng)計值采用平均值代替。

1.4 根系力學特性測定

對于根系力學特性的測量主要包括根系抗拉強度測量以及根系拔出強度測量。對于每種植物結(jié)構特征的測量樣本數(shù)不能滿足根系力學特性的測定要求，實際試驗中同時也采集了其他植物樣本測定力學特性。

圖1 根系結(jié)構測量示意圖

1.4.1 根系抗拉強度 在測量完植物結(jié)構特征后，選擇長度超過0.06 m，直徑范圍在0～8 mm的根系進行抗拉試驗，試驗所采用的儀器為S9 M型萬能機械試驗機(Shanghai， China)。試驗前檢查根系的完整情況，將破損根系從樣本中排除。試驗開始前在根系兩端捆綁膠布以增加摩擦力，拉伸的速度為0.02 m/min。待根系破裂后，用游標卡尺測量斷裂處直徑以及記錄此時的抗拉強度值。對于每種植物測量試驗的次數(shù)在30左右。根據(jù)前人的研究[8-9]結(jié)果，根系的極限抗拉強度和根系直徑的關系為：

TR=aD-b

(1)

式中：TR為根系抗拉強度(MPa)；D為根系直徑(mm)；a，b為常數(shù)。

1.4.2 根系拔出強度 對于根系拔出強度的測量，采用野外試驗的方法對根系進行拔出試驗[10]。試驗采用手持拉力計進行測量，在測量開始時，人工將野外生長的植物地上部分去除，剪短枝根使得枝根露出土壤表面長度大于0.03 m。測量前用自封布纏繞露出的根系以增加摩擦力。根系的拔出方向為與根系生長的方向平行且相反，待根系被拔出或是拔斷后，記錄出現(xiàn)的最大拉力、裸露枝根部分的直徑以及斷裂處的根系直徑。對于每種植物測量試驗的次數(shù)在5左右。由于草本植物根系生長密集，采用原位拔出時相鄰根系影響較大，故本研究僅對灌(喬)木根系進行拔出試驗。

1.5 土壤含水率測定

由于野外無條件采用烘干法測量土壤含水率，為了得到更準確的土壤含水率數(shù)據(jù)，本研究采用酒精燃燒法測定土壤含水率。試驗前分別取代表性土樣10 g放入蒸發(fā)皿中，并用滴管將濃度為95%的酒精注入蒸發(fā)皿中，直至出現(xiàn)自由液面為止。隨后點燃酒精燃至火焰熄滅，待冷卻后重復以上步驟重新燃燒2次。最后將第3次火焰熄滅后的土樣進行稱重，則含水率可用公式(2)計算，試驗中共采集土樣20個，每個采樣點設置5個重復，則每個采樣點的土壤含水率采用算數(shù)平均值計算。

w=(m2-m1)/m2×100%

(2)

式中：w為土壤含水率(%)；m2為土樣質(zhì)量(g)；m1為灼燒后的土樣質(zhì)量(g)。

2 結(jié)果與分析

2.1 植物根系結(jié)構

表2為6種調(diào)查植物種的根系結(jié)構特征。由表2可知，在3種灌(喬)木根系中，僅刺槐和紫穗槐土壤深度0.3 m以下存在根系，紫穗槐的根系直徑為4.75 mm，是3種灌木中最大根系直徑最小的，但其在土壤深度為0.3 m截面內(nèi)根系數(shù)量最大，平均值為12.67，說明紫穗槐根系分枝數(shù)量最多。根系最大垂直深度平均值最大的為刺槐，但其在土壤深度為0.1 m和0.3 m截面內(nèi)的根系數(shù)量最少，但其根系分枝角度平均值最大(149°)，這說明刺槐的傾斜根系多朝水平方向生長，在土壤中的分布范圍最大。3種草本植物根系多分布在土壤深度為0.2 m附近。3種草本植物的根系分枝角度差異不大，紫羊茅的根系最大垂直和水平深度均小于另外2種草本植物，但是其在土壤深度0.1 m截面內(nèi)的根系數(shù)量最多，平均值達到了15.67。狗牙根的根系在土壤中的分布范圍最廣，但是其根系數(shù)量較少，根系分枝角度的平均值為116.7，說明其在土壤中的分布范圍最大。

表2 不同植物根系結(jié)構特征

注：不同大小寫字母表示不同特征指標在5%水平上的差異。下同。

2.2 根系抗拉強度

表3為6種植物的根系抗拉強度曲線，6種植物根系的直徑和抗拉強度均存在較好的函數(shù)關系，灌(喬)木根系的a值均大于草本植物根系，但其b值均小于草本植物。a值越大，則表明相同根系直徑條件下，其抗拉強度越強；b值越大，則表明根系直徑的變化對根系抗拉強度的影響越強。因此，在相同根系直徑條件下，3種灌(喬)木根系的抗拉強弱大小關系為：紫穗槐>刺槐>胡枝子，3種草本植物根系的抗拉強弱大小關系為：紫羊茅>披堿草>狗牙根。隨著根系直徑的變化，草本植物根系的抗拉強度提升明顯，3種草本植物根系直徑變化對根系抗拉強度的影響的強弱關系為：紫羊茅>披堿草>狗牙根。草本植物根系的抗拉強度的變化會明顯強于灌木根系植物，3種灌(喬)木植物根系直徑變化對根系抗拉強度的影響強弱關系為：紫穗槐>胡枝子>刺槐。

表3 不同植物抗拉強度曲線

2.3 根系拔出強度

圖2—4為3種灌(喬)木植物根系的拔出力與根系直徑和根系長度的關系。隨著根系直徑和根系長度的增加，拔出力也表現(xiàn)出增加的趨勢，但增加的幅度在3種灌(喬)木植物根系間存在差別。對于同一種植物，根系直徑和根系長度對拔出力的影響也不盡相同，胡枝子存在最大的拔出力，其值達到了128 N，最小值出現(xiàn)在刺槐中，其值為12 N。僅考慮根系直徑對與拔出力的關系，刺槐根系直徑變化對拔出力的影響最大，其次為紫穗槐，根系直徑對拔出力影響最小的為胡枝子。而當僅考慮根系長度對與拔出力的關系，胡枝子根系長度變化對拔出力的影響最大，其次是刺槐和紫穗槐。由于刺槐和紫穗槐的根系長度和根系直徑接近，因此可以看出在相似根系長度或根系直徑條件下，紫穗槐表現(xiàn)出更好的抵抗拔出的強度；而胡枝子和刺槐根系直接近，具有更長的根系長度的植物具備更強的抵抗拔出的強度。

圖2 胡枝子根系的拔出力與根系直徑和根系長度間關系

圖3 刺槐根系的拔出力與根系直徑和根系長度間關系

圖4 紫穗槐根系的拔出力與根系直徑和根系長度間關系

2.4 不同坡面土壤物理性質(zhì)

通過對比不同坡面條件下土壤的物理性質(zhì)可知(表4)，在不同土壤深度內(nèi)，土壤容重、土壤含水率以及土壤臨界剪切應力都存在較大差異。土壤容重的最大值出現(xiàn)在坡面Ⅰ的0.2—0.4 m土壤深度內(nèi)，為1.37 g/cm3，最小值出現(xiàn)在坡面Ⅴ的0—0.2 m土壤深度內(nèi)，為0.96 g/cm3。在不同邊坡條件下，土壤容重都隨著土壤深度的增加而增加，而除坡面Ⅴ以外，其他邊坡土壤含水率都隨著土壤深度的增加而減小，但減小的程度存在較大差異。坡面Ⅰ的土壤含水率在不同土壤深度內(nèi)差異較小，其次是坡面Ⅱ，坡面Ⅲ和坡面Ⅳ的土壤含水率隨土壤深度的增加而減小的趨勢最大。土壤臨界剪切應力最大值出現(xiàn)在坡面Ⅰ的0.2—0.4 m土壤深度(78.2 kPa)。其次是坡面Ⅲ(66.8 kPa)，最小值出現(xiàn)在坡面Ⅴ的0—0.2 m土壤深度內(nèi)(37.4 kPa)。

表4 不同坡面各土層土壤物理性質(zhì)

3 討 論

3.1 不同植物根系的固土護坡作用

3種灌(喬)木根系在根系的空間分布方面呈現(xiàn)出不同的特點，主要差異表現(xiàn)在水平和垂直生長深度這兩個指標上。胡枝子的水平生長深度遠遠大于其垂直生長深度，而刺槐則與胡枝子相反，紫穗槐則表現(xiàn)出較為均衡的分布情況。在Li等[3]人的研究中將不同根系的空間分布按照其分布特征分成了多種根系結(jié)構類型，通常生長較深的垂直根系對于土體起到良好的錨固作用，而水平以及傾斜根系發(fā)達的植物，則提供給土體較好的加筋作用。因此對于胡枝子來說，其更夠給土體提供較好的錨固力，但水平根系較不發(fā)達，而刺槐和紫穗槐則能夠提供較好的加筋力。本研究所選草本皆為單株生長形式，3種草本植物根系空間分布差異較小，且都存在于0—0.2 m土壤深度內(nèi)，對于表層土壤起到良好的穩(wěn)固作用，楊帆等[11]人的研究認為，草本植物的存在，會很好的抵抗徑流沖刷和土壤侵蝕，但草本植物根系對于坡面穩(wěn)定的作用較小，抵抗水土流失的強弱主要取決于地表覆蓋度。對比6種植物根系的力學特性差異可知，草本植物根系的抗拉強度對于根系直徑變化的影響更明顯。因此在植物生長過程中，草本植物根系的抗拉強度要優(yōu)于灌(喬)木植物根系，這與雷相科等[12]人的研究一致。但是在土體發(fā)生崩壞的過程中，植物根系除了受到法向的剪切力以及徑向的拉拔外，根系與土壤接觸的部分還會產(chǎn)生摩擦阻力，當這種摩擦阻力大于根系的抗拉強度時，根系的抗拉強度起到主要的抵抗土體崩壞的作用，反之則摩擦阻力起到主要的抵抗土體崩壞的作用[13]，因此摩擦阻力也是決定根系對土體穩(wěn)固作用的主要因素。在測量的根系中，胡枝子的水平根系長度普遍要大于刺槐和紫穗槐，因此胡枝子根系能夠提供的抵抗土體崩壞的作用要明顯優(yōu)于其他2種植物。對于草本，王恒星等[14]人通過直剪試驗證明草本植物能夠提供很好的抵抗土體剪切破壞的作用，但是在實際的土體破壞過程中，剪切面與草本植物根系接觸位置不固定，草本植物根系與土壤間的摩擦阻力多在滑動體內(nèi)部，并未參與抵抗滑動破壞的過程。因此，對于季凍區(qū)邊坡植被防護，灌(喬)木植物比草本植物具有更好的護坡作用，胡枝子根系的固土效果最好，建議優(yōu)先選擇。

3.2 植物根系抵抗凍融破壞作用

通過對5個不同坡面的土壤以及植被根系的研究表明，植物根系通過影響土壤物理性質(zhì)和土壤結(jié)構進而影響坡體抵凍融破壞的過程。根系在土壤中生長能夠有效的調(diào)節(jié)土壤水分，在發(fā)生凍融破壞過程中，土壤含水率的變化直接影響土體抵抗凍融破壞的強度[15]。植被根系生長在一定程度上改善了土壤的水分條件，除坡面I和Ⅴ外，其他有植被覆蓋的坡面土壤含水率隨土壤深度增加而降低，含水量的減少使得土體發(fā)生融沉或裂縫的概率減小，從而在一定程度上防止了凍融破壞的發(fā)生。同樣的，根溫在一定程度上也調(diào)節(jié)了土壤的溫度，從而影響土壤冰凍穩(wěn)定的時間以及凍土的形變量變化[16]。根系對土壤物理性質(zhì)的影響還體現(xiàn)在對土壤臨界剪切應力的影響，由表4可知，有植被存在條件下的土壤臨界剪切應力普遍高于沒有植被覆蓋的條件，尤其是在淺層土壤中這種關系更為明顯，坡面I具有最大的土壤臨界剪切應力且沒有發(fā)生凍融破壞現(xiàn)象，這都說明根系的存在一定程度上提高了土壤抗剪切破壞的能力。影響土壤臨界剪切應力的因素有很多，土壤含水率的變化是一個主要因素[17]，但本文中土壤含水率的變化并未導致土壤臨界剪切應力發(fā)生較大變化，因此植物根系對土壤臨界剪切應力的影響還需進一步研究。

植物根系影響土壤結(jié)構從而抵抗凍融破壞的發(fā)生，在所選的3種灌(喬)木中，刺槐存在最長的垂直根系，其生長深度超過研究區(qū)域內(nèi)發(fā)生凍融破壞剝落的土層厚度(通常為0.2—0.3 m)[18]，在發(fā)生土體崩壞時，這些垂直根系提供了很好的錨固作用。而對于坡面Ⅲ來說，盡管胡枝子存在最長的水平根系，但在發(fā)生凍融破壞時，垂直根系無法深入到表層剝落的土體滑動面上，從而對凍融破壞的影響較小。紫穗槐具備最優(yōu)的根系抗拉強度和最多的根系數(shù)量，在凍融破壞剝落過程中，受到拔出力的根系越多，其抵抗凍融破壞的作用越好，但季凍區(qū)邊坡凍融破壞多呈現(xiàn)塊狀剝落[19]，因此這種根系結(jié)構抵抗凍融破壞的能力有限。草本植物由于其生長深度較淺，當發(fā)生凍融破壞剝落時，其僅在剝落塊體上存在，滑動面上無草本植物根系存在，因此其對凍融破壞的影響主要體現(xiàn)在調(diào)節(jié)土壤含水率在垂直深度內(nèi)的變化。

4 結(jié) 論

本文通過調(diào)查季凍區(qū)高速公路邊坡土壤及植被特征，采用對比分析的方法研究了植被根系對邊坡凍融破壞的影響，結(jié)果表明植物根系的主要作用體現(xiàn)在對土壤含水率的調(diào)節(jié)以及自身結(jié)構特性的影響兩方面。根系的存在使得表層土壤含水率降低，從而影響凍融破壞過程。同時，垂直根系生長較深，根系分布范圍更廣的植物能夠更好的抵抗凍融循環(huán)破壞所產(chǎn)生的裂縫。