宿遷市公路邊坡綠化常見草本植物根系固土特性研究

羅東志，沈建軍，張 俊，陳西林

(1.宿遷市高速鐵路建設(shè)發(fā)展有限公司，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)

城市道路或高速公路的土石邊坡，如果在沒有任何防護(hù)措施的情況下，極易形成松散的土體結(jié)構(gòu)，在外界水力、風(fēng)力、重力作用或人為活動干擾下，極易產(chǎn)生失穩(wěn)滑坡的現(xiàn)象，造成嚴(yán)重的水土流失，對公路邊坡生態(tài)穩(wěn)定性及行車安全產(chǎn)生較大的威脅，因此，必須對公路土石邊坡進(jìn)行侵蝕防控。在長期的生產(chǎn)實(shí)踐中，人們發(fā)現(xiàn)利用植物措施進(jìn)行侵蝕防控是科學(xué)有效而且成本較低的一種生態(tài)防護(hù)措施。在土石邊坡人工建造植被，形成生態(tài)防護(hù)體系，并與相應(yīng)的工程措施結(jié)合，是一種有效的邊坡防護(hù)措施，能夠?qū)λ缮⑵旅孢M(jìn)行加固，從而減少侵蝕量并有效地控制水土流失發(fā)生[1]。目前，植物根系固土相關(guān)的研究理論認(rèn)為：植物根系與土體形成的根—土復(fù)合體能夠有效地增強(qiáng)土體的抗剪強(qiáng)度，防止土體發(fā)生搓動或者位移變形，能夠避免土體滑動坍塌。在植物根系固土功能中，植物根系在土體中的分布特征、根系單根的抗拉拔能力、根—土復(fù)合體的抗剪切能力，決定了植物根系所能發(fā)揮的固土效能，也是植物控制土體滑坡的關(guān)鍵要素。對于大部分公路土石邊坡，草本植物是理想且首選的綠化植物，其具有良好的綠化效果，同時還能對坡面形成防護(hù)，減輕雨水的直接擊濺，起到很好的水土保持和固土護(hù)坡作用。因此，本研究選擇宿遷市公路土石邊坡常見的草本植物高羊茅(Festucaarundinacea)作為研究對象，通過植物學(xué)和材料力學(xué)的研究手段，對該植物根系的分布特征和抗拉力學(xué)特性進(jìn)行研究，以期為宿遷市公路土石邊坡生態(tài)防護(hù)中的植物物種選擇及植被類型配置提供理論依據(jù)和科學(xué)支撐。

1 材料與方法

1.1 根系密度及分布特征測定

土體中植物根系分布密度的測定采用全挖法[2]，分別在土層0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm和30～40 cm處進(jìn)行4次根系密度測定，使用計(jì)數(shù)法標(biāo)定每個土層中的根系數(shù)量。土體中根系分布特征的測定采用根系生物量表示[3]，即測定體積為 1 000 cm3土體中所有高羊茅根系的生物量。用清水慢慢沖洗掉粘附在根系上的土壤，然后用試紙把根系干燥定型并置于烘箱中，采用65℃的溫度烘干至恒重，用電子天平稱量其干重即為根系生物量。

1.2 根系抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)

植被護(hù)坡主要是依靠植物根系在土壤中的加筋作用，在衡量植物根系的固坡能力時，根系的抗拉力是一個重要的檢測指標(biāo)。明確其根系直徑與最大抗拉力之間的關(guān)系；對比相同根系直徑下最大抗拉力和抗拉強(qiáng)度的大小，得出其固土能力的大小。試驗(yàn)根為長8 cm的直根段。試驗(yàn)根制備好后，開始拉拔測定。根系直徑相對來說均很小，一般都小于1 mm。目前關(guān)于根系抗拉力的試驗(yàn)沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，根據(jù)劉世奇[4]采用的試驗(yàn)方法，加以改進(jìn)并得到了試驗(yàn)所需的研究裝置(圖1)。

1.固定鐵架；2.夾子；3.毛根；4.彈簧秤；5.沙袋

試驗(yàn)中，先將植被根系的一端固定在鐵架臺上，同時，再將另一端吊與一個沙袋相連，持續(xù)往沙包里加沙子，當(dāng)根被拉斷那一刻，停止加沙，然后將沙子倒出，進(jìn)行稱重。最后，測量根系斷面的直徑，由于斷面呈不標(biāo)準(zhǔn)的圓形，所以測量3次并求其平均值作為根系的直徑。由此，建立了抗拉強(qiáng)度的計(jì)算公式如下：

P=4F/πD2

式中:P為根系的抗拉強(qiáng)度；F為根系的最大抗拉力；D為根系斷面的直徑。

2 結(jié)果與分析

2.1 高羊茅根系分布特征

以往研究表明，草本植物通常以須根為主[5]，直徑≤1.0 mm 的根系能夠?qū)ν馏w產(chǎn)生明顯的加固作用[6]。因此，本試驗(yàn)把直徑1.0 mm 作為根徑區(qū)分點(diǎn)進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì)(表1)。

表1 高羊茅根系密度與土層深度的關(guān)系

由表1可知，直徑≤1.0 mm 的根系密度大于直徑>1.0 mm 的根系，說明高羊茅根系在淺層土壤中的分布主要以直徑≤1.0 mm的形式存在。已有一些研究表明[7]，土壤的抗沖性與直徑≤1.0 mm 徑級的須根密度的分布特征有著密切關(guān)系，而且草本植物在土體固持方面細(xì)根的貢獻(xiàn)作用要明顯大于粗根。高羊茅有效根密度(直徑≤1.0 mm)在土體中的纏繞和穿插，顯著增加土壤孔隙度，提升土壤滲透性，減弱水分在坡面的匯流[8]，這種穿插纏繞能夠形成根系網(wǎng)，將松散的土壤顆粒纏繞和包裹，提高土壤團(tuán)聚體的比例，增強(qiáng)其黏結(jié)度，從而對土體產(chǎn)生較大的凝聚力，防止被水力沖刷流失。單株高羊茅草根系的分布范圍就是其根系網(wǎng)作用力所能輻射的區(qū)域，而成片的高羊茅草生長在一起，根系網(wǎng)相互交錯，進(jìn)而使土體抵抗流水沖刷的能力增大。

植物根系生物量可以作為反映植物在該層土壤內(nèi)生長狀況的主要指標(biāo)，在某一土層范圍內(nèi)積累的根系生物量越多，根系累計(jì)的體積、表面積、根系長度就越大，其固土能力就越強(qiáng)。高羊茅根系生物量與土層深度的關(guān)系見表2。

表2 高羊茅根系生物量與土層深度的關(guān)系

由表2可知，高羊茅根系生物量隨土層深度(0～40 cm)的增加而減少，0、10、20、30、40 cm處的平均根生物量分別為2.08、1.69、1.13、0.83、0.48 g/1 000 cm3，生物量與土壤深度呈現(xiàn)指數(shù)函數(shù)關(guān)系。由此可知，高羊茅在淺層土壤的固持方面貢獻(xiàn)更大。

2.2 高羊茅根系抗拉特性

植物根系的抗拉力和抗拉強(qiáng)度反映了根系這種生物材料在抵抗外力拉拔時能夠?qū)ν馏w發(fā)揮的最大作用力。本次實(shí)驗(yàn)選取了長短不等的高羊茅根系進(jìn)行試驗(yàn)，根據(jù)測試所得的根系直徑、抗拉力數(shù)據(jù)，可計(jì)算試驗(yàn)根的抗拉強(qiáng)度。不同直徑下試驗(yàn)根的最大抗拉力強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)見表3。

由表3可知，高羊茅根系的單根抗拉力與根系直徑之間呈正相關(guān)關(guān)系，即抗拉力隨著直徑的增大而增大；而抗拉強(qiáng)度與直徑之間呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，即抗拉強(qiáng)度隨著直徑的增大而減小。在10個測試樣本中，高羊茅根系斷面直徑最小的為0.12 mm，最大的為1.13 mm；其抗拉力最小的為2.33 N，最大的為13.78 N。不同直徑下高羊茅根系的抗拉強(qiáng)度見表4。

表3 高羊茅根系抗拉力和根系直徑關(guān)系

由表4可知，高羊茅的不同根系抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)中的最大拉力范圍為1.68～10.24 N，抗拉強(qiáng)度范圍為38.81～82.06 MPa。在大多數(shù)研究資料中，植物根系的極限抗拉力均表現(xiàn)出隨根徑增長而逐漸變大的趨勢，這種根系材料力學(xué)特性的變化應(yīng)該與其解剖結(jié)構(gòu)有關(guān)[9-11]。隨著高羊茅根系直徑的逐漸增長，其橫截面中的纖維素和木質(zhì)素會逐漸充填于細(xì)胞中，所占比例逐漸增加，從而提高了單根的抗拉力。同時，在高羊茅的不斷生長過程中，根系中的木質(zhì)素也在不斷增長和積累，并充填于纖維之間，從而能夠明顯提升根系抵抗外力的能力。對高羊茅根系的拉力與根徑進(jìn)行回歸分析，發(fā)現(xiàn)二者的關(guān)系符合二次三項(xiàng)式，而且具有顯著相關(guān)性，這與學(xué)者對其他灌草植物的相關(guān)研究結(jié)論一致[12]。

表4 高羊茅根系抗拉強(qiáng)度和根系直徑的關(guān)系

3 結(jié)論

高羊茅根系密度隨土層深度增加而明顯降低，二者符合指數(shù)函數(shù)關(guān)系；根系生物量與土層深度之間也同樣符合指數(shù)函數(shù)關(guān)系。高羊茅根系在生長過程中，根徑逐漸增大，細(xì)胞排列變得更為緊密，最大抗拉力表現(xiàn)為隨根徑增長而提高，二者符合二次函數(shù)關(guān)系。單根抗拉力越大，抵抗形變的能力越好，固土能力也隨之增強(qiáng)；抗拉強(qiáng)度隨根系直徑的增大而減小，其規(guī)律服從指數(shù)函數(shù)關(guān)系分布。通過抗拉強(qiáng)度的計(jì)算公式不難發(fā)現(xiàn)，當(dāng)給予一定的外力時，由于根系加粗，橫截面積增大，單位面積上受到的力越小，根系抵抗力越強(qiáng)，不容易斷裂。高羊茅根系平均最大抗拉力為5.98 N，平均抗拉強(qiáng)度為59.90 MPa?？傮w來說，根據(jù)高羊茅根系的分布特征和抗拉力學(xué)特性，高羊茅根系的固土護(hù)坡作用較大，是一種優(yōu)良的固土護(hù)坡植物，在公路土石邊坡生態(tài)防護(hù)中能夠發(fā)揮重要作用。