生態(tài)邊坡防護(hù)中旱柳根系固土特性研究

劉 飛，王 衛(wèi)，羅東志，王 偉

1.宿遷市交通產(chǎn)業(yè)集團(tuán)有限公司，江蘇 宿遷 223800

2.蘇交科集團(tuán)檢測認(rèn)證有限公司，江蘇 南京 210000

3.宿遷市高速鐵路建設(shè)發(fā)展有限公司，江蘇 宿遷 223800

應(yīng)用植被進(jìn)行生態(tài)邊坡的防護(hù)不但能夠減少邊坡水土流失、改善環(huán)境，而且還具有涵養(yǎng)水源、固土護(hù)坡等其他工程措施所不具備的作用。而且從經(jīng)濟(jì)角度考慮，植被防護(hù)措施相較于其他防護(hù)工程措施更具性價(jià)比，是應(yīng)該被優(yōu)先考慮的舉措。林木的根系因其獨(dú)特的抗侵蝕能力、根系的復(fù)雜性與可塑性，對(duì)斜坡起到錨固與加筋的作用，有效防止坡上樹體傾倒。此次實(shí)驗(yàn)選用宿遷市生態(tài)邊坡防護(hù)中常用的旱柳。旱柳生長速度快，多為聚集性生長，且有效分蘗能力強(qiáng)。其地下部分的根系生物量通常是地上部分一倍以上，根系龐大，抗旱澇、抗逆性強(qiáng)，對(duì)適應(yīng)環(huán)境的能力很強(qiáng)，具有優(yōu)良的防風(fēng)、固坡的效果。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

宿遷市位于江蘇省北部，地處隴海經(jīng)濟(jì)帶、沿海經(jīng)濟(jì)帶、沿江經(jīng)濟(jì)帶交叉輻射區(qū)。境內(nèi)有兩大著名的淡水湖（洪澤湖和駱馬湖），京杭大運(yùn)河穿境而過。全市總面積約為8555km2，其中陸地面積占77.6%，耕地面積約為4385km2，水面面積約為2367km2。宿遷平原廣闊，河網(wǎng)密布，屬于典型的蘇北水鄉(xiāng)。整體地形西南、西北部為崗丘，大部分地區(qū)海拔在40m以下，最高海拔為71.2m，最低海拔為2.8m。

宿遷市總體氣候特點(diǎn)為年平均氣溫偏高，總降水量南多北少，總?cè)照諘r(shí)數(shù)正常。年內(nèi)主要的氣象災(zāi)害有霧、霾、大雪、寒潮、大風(fēng)、冰凍、暴雨、強(qiáng)對(duì)流、高溫和干旱。全市年平均氣溫為15.6～16.3℃，春季、夏季氣溫較常年偏高。年極端最高氣溫39.0℃；年極端最低氣溫-6.7℃。全市年總降水量為670.4～1208.7mm，其空間分布為南多北少；年極端最大降水量134.4mm。全市總?cè)照諘r(shí)數(shù)為2057.2～ 2263.6h。

1.2 野外取樣

取樣地選取在江蘇省宿遷市城郊的道路邊坡，由于大樹的根系的挖掘非常困難，且根系分布很難完整采取，故選取3年樹齡旱柳并在樣地周圍挖深坑，選取長勢(shì)良好且距離其他植物間隔較遠(yuǎn)的旱柳，齊地伐倒，采用整株挖掘法取得旱柳全部根系，盡量避免傷害旱柳根系。

1.3 材料篩選與處理

選擇順直均勻且不具有分支的直根數(shù)個(gè)，根據(jù)直徑的粗度將樣根分為1cm以下、1～2cm、2～5cm、5～10cm與10cm以上五個(gè)組別，再將各組根修剪為50mm、100mm、150mm、200mm、250mm并進(jìn)行標(biāo)記，最后裝入自封袋保存并放入帶有干冰的泡沫箱內(nèi)冷藏。樣品必須盡快完成測定，否則會(huì)失去活性而導(dǎo)致數(shù)據(jù)誤差。

2 試驗(yàn)儀器與方法

應(yīng)用YG（B）026H-250型織物強(qiáng)力機(jī)進(jìn)行抗阻力試驗(yàn)，該強(qiáng)力機(jī)配套測量系統(tǒng)可以自動(dòng)記錄拉力和伸長量，并繪制出連續(xù)的曲線。根-土復(fù)合體的單根拉拔試驗(yàn)需要設(shè)置以下兩個(gè)前提：（1）拔出時(shí)，旱柳根系與土壤界面之間的摩擦應(yīng)力是均勻分布的；（2）剪切位移是指根土復(fù)合體沿根軸線方向的位移，導(dǎo)致此位移產(chǎn)生的外力方向沿根軸線方向，即拉拔剪力，同時(shí)定義根土界面抗剪強(qiáng)度為指定面積上跟表面的最大抗拉阻力，可用如下公式表示：

式中：τ為根-土界面拉拔剪應(yīng)力，kPa；F為根被拔出時(shí)的最大拉力，N；d為根系的平均直徑，m；l為根系在土中的長度，m。利用交叉相乘，式（1）經(jīng)過變換后可得到：

在室溫防腐條件下，將旱柳根系以恒定速度進(jìn)行拉伸，分析其在拉伸過程中的動(dòng)態(tài)變化與力學(xué)特性，為保證實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)確性，避免系統(tǒng)誤差，需要對(duì)各個(gè)組別中不同根長的樣根重復(fù)多次拉伸。首先用夾具分別固定所選樣根，然后使用游標(biāo)卡尺正交測量樣根兩段與中間共三個(gè)點(diǎn)處的直徑，最后算取平均值作為該段直徑。需要注意的是只有當(dāng)拉伸斷裂發(fā)生于中間位置且斷面有明顯塑性形變時(shí)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)才能被認(rèn)為有效。若拉伸過程中，根系兩端提前脫出或在靠近兩端位置斷開，則視為無效數(shù)據(jù)。

量取距離斷面10mm處的直徑，共兩處。拉斷的根系會(huì)在斷面附近發(fā)生頸縮現(xiàn)象，即量取的直徑會(huì)變小。為了避免高估單位根系表面積的抗拉強(qiáng)度，當(dāng)縮后直徑與斷前直徑相差過大的時(shí)候，需要以縮后直徑為準(zhǔn)。

具體實(shí)驗(yàn)步驟如下：首先，將軟件中的試驗(yàn)力和峰值的預(yù)設(shè)值調(diào)整為0；其次，使用正確型號(hào)的夾具對(duì)樣根進(jìn)行固定；再次，將所選樣根的直徑及相關(guān)數(shù)據(jù)錄入軟件中；最后，選擇適合的拉力檔位與拉動(dòng)速率開始實(shí)驗(yàn)。軟件會(huì)在拉伸過程中對(duì)拉力與根系軸向形變進(jìn)行自動(dòng)采集，當(dāng)樣根被拉斷時(shí)停止實(shí)驗(yàn)并保存數(shù)據(jù)。

3 數(shù)據(jù)分析與處理

對(duì)于實(shí)驗(yàn)所得到的數(shù)據(jù)，首先利用Excel進(jìn)行基礎(chǔ)的處理并匯總整理，然后使用SPSS19.0進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

3.1 旱柳根系分布

采用Epson Expression 10000XL高精度掃描儀掃描旱柳根系，采用WinRHIZO 2009a系統(tǒng)分析根系形態(tài)學(xué)指標(biāo)，經(jīng)掃描分析得出結(jié)論，選取的標(biāo)準(zhǔn)旱柳植株都包含一條主根。3年的根系生物量為412.5g，高于地表371cm，冠幅為136cm，枝杈數(shù)有42個(gè)，根莖直徑為26.8cm。水平方向的根幅為235cm，側(cè)根數(shù)量為19條，其中最長的根達(dá)到187cm，豎直方向上根深度達(dá)74cm，細(xì)跟密集范圍為35cm。各個(gè)級(jí)別旱柳的根系根長百分比跟隨直徑的增大呈現(xiàn)減小趨勢(shì)，大部分集中在lcm以下的徑級(jí)中的根長百分比占總根長的45%左右，其余55%的總根長中，1～2cm的占27%，2～5cm的占21%，5cm以上的達(dá)到7%。由此可知，直徑在5cm以下的根系為旱柳根系的主要組成部分。

3.2 旱柳根系的抗拉強(qiáng)度

在植物根系生物力學(xué)中，抗拉特性是一個(gè)重要的指標(biāo)，其定義為根系對(duì)抗拉伸外力防止斷裂的能力，即為最大抗拉力與斷面面積的比值。當(dāng)斷面面積一定時(shí)，抗拉力越大，其抗拉特性越強(qiáng)，有效體現(xiàn)了植物根系單位面積的抗拉力水平，用公式表示如下：

式中：F為根系的抗拉強(qiáng)度，MPa；Fmax為抗拉力峰值，N；D為樣根斷口處平均直徑，mm。

試驗(yàn)測出旱柳的平均抗拉強(qiáng)度為14.5MPa、最大抗拉力764N、平均直徑1.83mm，平均抗拉強(qiáng)度p與根直徑D的關(guān)系曲線為p=47.286D-0.8901，擬合曲線相關(guān)系數(shù)R2為0.8656。

3.3 旱柳根系的抗剪切強(qiáng)度

直剪抗剪強(qiáng)度是反應(yīng)根-土復(fù)合體抗剪特性的一個(gè)重要指標(biāo)。根-土復(fù)合體會(huì)在淺層土壤發(fā)生位移，即錯(cuò)動(dòng)、張裂等時(shí)起到固持作用，甚至在土體被剪破并發(fā)生位移時(shí)，這一固持作用仍然沒有完全消失，而是穩(wěn)定在一個(gè)水平上。毫無疑問，這對(duì)于加固淺層土體，抵抗土體變形具有十分重大的意義。

此次試驗(yàn)使用原位剪切試驗(yàn)裝置——ZJ型四聯(lián)應(yīng)變控制式直剪儀，對(duì)旱柳根土復(fù)合體進(jìn)行受力實(shí)驗(yàn)。在對(duì)根-土復(fù)合體進(jìn)行剪切過程中會(huì)共受三個(gè)外力的影響，其中，外力以水平方向上的拉力為主，再加上根-土復(fù)合物所受的剪切力。另外，在剪切盒與滑軌之間還會(huì)存在摩擦力。通過實(shí)驗(yàn)不難看出，旱柳根-土復(fù)合界面的平均拉拔剪切強(qiáng)度則隨著根徑的不斷增大而呈冪函數(shù)減小，且在代表根徑級(jí)下的平均抗剪強(qiáng)度為176.18kPa。

4 結(jié)束語

通過根系的特征分析得出，根系的固土能力與其數(shù)量、分布深度、廣度成正相關(guān)。由此可見，植被根系的數(shù)量特征和結(jié)構(gòu)特征是影響固土的最重要的兩個(gè)因素。根據(jù)數(shù)據(jù)分析得出影響旱柳根系抗拉力峰值的關(guān)鍵因素為根系直徑，兩者關(guān)系為根系直徑越粗，其抗拉力峰值越大。而且旱柳根系的抗拉強(qiáng)度會(huì)隨著直徑的增大而降低，并與標(biāo)距總體成反比。旱柳根系的最大抗拉強(qiáng)度、彈性模量和延伸率均隨著直徑和標(biāo)距的增大而減小。