喀斯特區(qū)2種護(hù)坡灌木單根拉拔摩擦試驗

郭 歡，陳 龍，唐麗霞，潘 露，阮仕航

(貴州大學(xué)林學(xué)院，550025，貴陽)

貴州省是典型的喀斯特山區(qū)，該區(qū)巖溶作用強(qiáng)烈，巖石風(fēng)化成土速率很慢，土層淺薄且不連續(xù)[1]，其生態(tài)環(huán)境極其脆弱。作為全國第9個縣縣通高速的省份，邊坡破壞不可避免，因此修復(fù)邊坡、預(yù)防水土流失是非常有必要的。

植物在控制土壤侵蝕、邊坡治理、生態(tài)恢復(fù)中扮演了重要的角色[2]。植物對邊坡的治理是通過其發(fā)達(dá)的根系深入到土層來實現(xiàn)對土體的固定[3]。當(dāng)邊坡有滑動趨勢時，土體中根系會同時受到拉力作用并在根-土接觸面之間產(chǎn)生相對位移趨勢，繼而產(chǎn)生阻礙根系被拔出的摩擦阻力[4]。根土界面摩擦阻力可將這種產(chǎn)生相對滑動的力轉(zhuǎn)換到根系的抗拉拔特性上，進(jìn)而增強(qiáng)土體內(nèi)部的強(qiáng)度[5]。故根-土界面的摩擦特性研究也成為植物固坡分析的焦點。

關(guān)于根-土界面摩擦特性研究，目前主要借鑒土工合成材料與土體界面摩擦特性的研究方法[6]。Zhou等[7]和Schwarz等[8]通過野外實驗和室內(nèi)模擬提出了根-土間摩擦力主要是由3種摩擦力共同作用的結(jié)果。刑會文等[9]和宋維峰等[10]采用剝皮法分別對油松(Pinustabuliformis)、刺槐(Robiniapseudoacacia)、檸條(Caraganakorshinskii)和沙柳(Salixcheilophila)展開研究，得到土壤密度和土壤含水量對根-土界面摩擦因數(shù)有明顯的影響。鄭力文等[11]人對油松根土界面摩擦特性研究后發(fā)現(xiàn)：油松根徑與根土摩擦力間呈冪函數(shù)正相關(guān)。劉亞斌等[12]將帶側(cè)根的主根系用水平拉拔的方式來探究黃土區(qū)護(hù)坡灌木根系的摩擦性能，結(jié)果表明：由于側(cè)根的存在，其大幅度的提高根土間的摩擦阻力。田佳等[13]則用有限元對直剪摩擦試驗進(jìn)行數(shù)值模擬，研究界面類型、土壤含水率和垂直荷載對花棒(Hedysarumscoparium.)、沙柳根-土界面以及素土-素土界面摩擦特性有顯著的影響。以上筆者通過分析含水率、密度、直徑、埋深等因素以及利用模型來研究根-土界面的摩擦特性并取得良好的成果。由于喀斯特地區(qū)地形和地貌的高度異質(zhì)性導(dǎo)致區(qū)域內(nèi)植物根系生長具有獨(dú)特的彎曲形態(tài)，部分根系在土壤中螺旋式生長，根系對土壤空間存在覓食特性，所以形態(tài)和力學(xué)性質(zhì)有異于其他地區(qū)[14-15]，關(guān)于該地區(qū)護(hù)坡樹種根土摩擦的研究尚少。以喀斯特區(qū)內(nèi)4年生護(hù)坡灌木雙莢決明和多花木藍(lán)為研究對象，采用單根拉拔試驗進(jìn)一步分析根徑、埋深、樹種對根土摩擦特性的影響，為喀斯特區(qū)邊坡樹種的篩選、減少水土流失、固土機(jī)制以及防治淺層滑坡提供基礎(chǔ)的理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

該研究區(qū)位于貴州省貴陽市花溪區(qū)，地處黔中地區(qū)，地理位置為E 104°34′、N 26°34′，海拔1 159 m。研究區(qū)屬于亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候。年均氣溫在14.9 ℃左右。多年的平均降雨量在1 000～1 400 mm之間，其中5—10月是雨季，多年平均陸地日蒸發(fā)量約是550 mm。研究區(qū)內(nèi)植被主要以構(gòu)樹(Broussonetiapapyrifera)、火棘(Pyracanthafortuneana)、莢蒾(Viburnumdilatatum)、鼠李(Rhamnusdavurica)、多花木藍(lán)(Indigoferaamblyantha)、雙莢決明(Cassiabicapsularis)等為主。區(qū)域內(nèi)以喀斯特地貌為主，土壤以黃壤和石灰土為主[14]。

2 材料與方法

2.1 試驗材料

本研究選取邊坡撒種自然生長期為4 a、地徑3 cm、長勢一致的多花木藍(lán)和雙莢決明各20株。多花木藍(lán)及雙莢決明因其對生境要求不高，且根系發(fā)達(dá)且具有較強(qiáng)的穿透力，花美且花期長，是良好的水土保持和邊坡綠化樹種。試驗采用全挖掘的方法采集根系，再而挑揀順直、生長正常的根系清洗干凈，截取長度為100、150和200 mm的根段來研究不同埋深對力的影響。并用精度為0.01 mm的游標(biāo)卡尺逐一測量直徑，將根段分為4個等級，即0～2、2～4、4～6和6～8 mm。

試驗土樣為石灰土。在與取根處相鄰約10 m的裸地，去除表層雜質(zhì)后向下取土，用環(huán)刀法測土壤含水率與土壤干密度，將取好的土壤帶回實驗室放置潔凈通風(fēng)處風(fēng)干，去除雜質(zhì)碾磨過2 mm篩備用。土壤密度和土壤含水量控制為1.43 g/cm3和17.15%(與野外一致)。

2.2 試驗方法

本試驗所采用的實驗儀器分為SK-WDW-2微機(jī)控制電子萬能試驗機(jī)和自制試件盒2部分(圖1)，試件盒其中一面鏤空，與之相鄰的一面是可拆卸的活動面，活動面中央部位有一直徑為10 mm的圓形孔隙用于放根，試件盒正下方有一圓形套筒，與萬能試驗機(jī)相連形成一個完整的剛體，該設(shè)計是針對模擬單根或群根的垂直拉拔。按照設(shè)定好的土壤容重和含水率配制好土樣，稱取適量土樣平均分成5等份，依次裝入試件盒，分5次擊實，經(jīng)過預(yù)實驗得到錘擊18下方能達(dá)到預(yù)設(shè)土壤密度。每次擊實完成后對土層表面鑿毛再添加下一層土壤。前2層土壤擊入后，第3份土壤需分2次倒入，先倒一半，然后將根系從圓形孔隙中放入且按100、150和200 mm，3種不同埋深放置后再倒入另一半。依次完成5層土壤的擊實。橫梁在100 mm/min的加載速率作用下開始拉拔摩擦試驗，每組試驗重復(fù)3次。

圖1 示意圖Fig.1 Schematic diagram

2.3 計算方法

2.3.1 摩擦系數(shù) 通過借鑒解明曙[16]提出的綜合法μx的推導(dǎo)過程知道，處于深度為z處的單位長度根系與土壤的摩擦力為

f=2πμγsrz。

(1)

通過換算得到根土界面摩擦系數(shù)計算公式：

(2)

式中：μ為根土摩擦系數(shù)；γs為土壤密度，g/m3；r為半徑，mm；d為根徑，mm；ρd為土壤干密度，g/cm3；ω為土壤含水率，%；g為重力加速度，m/s2；L為根段所處深度，mm。

2.3.2 摩阻強(qiáng)度 將單位面積單根拉拔摩擦力設(shè)為單根拉拔摩阻強(qiáng)τf[11]，即

(3)

式中：F為最大摩擦力，N；l為埋置深度，mm。

2.3.3 數(shù)據(jù)處理 運(yùn)用Excel 2019進(jìn)行數(shù)據(jù)整理和圖表繪制，SPSS 22.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的相關(guān)分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 根土界面摩擦系數(shù)

摩擦系數(shù)反映物體表面的粗糙程度，也是2種物體相互接觸產(chǎn)生力的大小程度的表現(xiàn)。為深入探究2種灌木在區(qū)內(nèi)固土效果的差異性，由式(2)可算出不同樹種的根土界面的摩擦系數(shù)。其結(jié)果如表1所示：在土壤含水率為17.15%、土壤干密度為1.43 g/cm3基礎(chǔ)條件下，雙莢決明根系與土體間的摩擦系數(shù)隨埋置深度的增加從0.299 2減小至0.230 3；多花木藍(lán)根-土間摩擦系數(shù)則是隨埋深的增加先增大再減小，最大值0.231 8出現(xiàn)在150 mm出。其中雙莢決明根土間平均摩擦系數(shù)為0.268 8±0.029，多花木藍(lán)根土間平均摩擦系數(shù)為0.202 8±0.026。不難看出，雙莢決明根土摩擦系數(shù)同比多花木藍(lán)增大31.95%，說明雙莢決明的摩擦作用較多花木藍(lán)強(qiáng)。

表1 2種灌木根-土間摩擦系數(shù)計算結(jié)果Tab.1 Calculated root-soil friction coefficients of two shrubs

3.2 根土間摩擦力與拔出位移關(guān)系

該試驗控制其土壤含水量、土壤干密度和加載速率一致，并且試驗在勻速條件下進(jìn)行，所以認(rèn)為儀器的拉拔力與根系的摩擦阻力大小相等、方向相反。拉拔過程曲線如圖2所示，雙莢決明和多花木藍(lán)拉拔力與根系滑移的關(guān)系曲線均表現(xiàn)出相似的變化規(guī)律。根系與土壤作用過程分別經(jīng)歷3個階段：第Ⅰ階段為-黏性摩擦階段，該階段幾乎呈線性關(guān)系上升。在根系被拔出初期，隨著荷載繼續(xù)增加，其摩擦力迅速達(dá)到峰值，當(dāng)拔出力達(dá)到峰值(最大靜摩擦力)后，根系在土壤中開始發(fā)生滑移。該階段雙莢決明和多花木藍(lán)的拔出力峰值分別為91.50和78.95 N，且對應(yīng)的位移分別為2.73和3.56 mm；當(dāng)拉拔力大于最大靜摩擦力后，根系抵抗外力的能力發(fā)生“屈服”，并根系表面與土體間有一定磨損，導(dǎo)致根系表面和土壤界面受到破壞，土壤顆粒重新排列組合，使得根-土間的接觸面積大幅度縮小，摩擦力開始迅速下降，此過程為第Ⅱ階段-脫黏摩擦階段，在此階段中雙莢決明和多花木藍(lán)單根釋放力的過程位移約為80和60 mm；隨著根系繼續(xù)被拔出，根-土界面結(jié)構(gòu)完全被破壞，根段被拔出的空間范圍變大，兩者間的作用面積愈來愈小，便是第Ⅲ階段-鍵合摩擦階段。

圖2 2種灌木摩擦力與拔出位移關(guān)系曲線Fig.2 Relationship curve between the friction force and pulling displacement of two shrubs

3.3 根系埋深長度對摩擦力的影響

根系密度、根徑、長度及根的分布形態(tài)，地下生物量越大，根系分布越深，保水持土能力越強(qiáng)，植物的抗逆性也越強(qiáng)。本研究以100、150和200 mm的埋深長度為基礎(chǔ)來探討根系埋深對根-土間相互作用力的影響。由箱型圖3可以看出，在3個不同根系埋深長度條件下，其中多花木藍(lán)單根最小摩擦力依次為12.70、19.30和33.25 N；最大摩擦力為83.60、101.85和110.65 N。雙莢決明的單根最小摩擦力依次為5.50、23.10及36.95 N；最大力則為79.35 (離群值)、171.25以及172.10 N。其次，當(dāng)埋深從100變?yōu)?50 mm的過程中多花木藍(lán)摩擦力的均值增長率為57.58%，雙莢決明的增長率為190.39%；埋深從150變?yōu)?00 mm的過程中多花木藍(lán)和雙莢決明摩擦力的均值增長率只有6.52%和0.43%。表明埋深在100～150 mm間的力值增幅較大，說明在喀斯特區(qū)淺薄的土壤空間中其固土效果較為優(yōu)良。雙莢決明和多花木藍(lán)根系與土體間產(chǎn)生的摩擦力是伴隨著埋深100～200 mm的增加而相繼增大。

圖3 根系埋深長度與摩擦力的關(guān)系Fig.3 Relationship between root buried length and friction force

3.4 根系直徑與根土間摩擦力的關(guān)系

埋深為100、150和200 mm情況下，雙莢決明和多花木藍(lán)根徑與其最大摩擦力呈現(xiàn)出顯著的正線性關(guān)系。從4a和b圖中的擬合曲線可分析到，其中決定系數(shù)的值都>0.7，所以其擬合程度較高且有較高的可靠性，根徑對2種灌木根系摩擦力的影響是十分明顯的。根徑在<2 mm時，2種灌木間的根土摩擦力都<40 N且相差無幾。而隨著根徑的變化，2樹種間差異逐漸變大，其中雙莢決明擬合方程的斜率分別為9.593、25.045和22.422，而多花木藍(lán)的斜率分別為9.711、14.514和14.390。顯然，雙莢決明在埋深150和200 mm中擬合曲線斜率分別是多花木藍(lán)斜率的1.72倍和1.56倍。在同一根徑水平下，雙莢決明根-土間產(chǎn)生的摩擦力遠(yuǎn)大于多花木藍(lán)。此外，將其換算成不同直徑根段單位面積上的摩擦力，即摩阻強(qiáng)度。通過SPSS線性擬合分析，其結(jié)果如表2所示：從R2可以看出雙莢決明和多花木藍(lán)在不同埋深情況下的擬合程度都比較低，單位面積上的摩擦力大小隨直徑的變化有極低的顯著性(P=0.013<0.05)，除此之外都無顯著變化(P>0.05)。

圖4 2種灌木單根最大摩擦力與根徑關(guān)系Fig.4 Relationship between maximum friction force and root diameters of two shrubs

表2 2種灌木根徑與摩阻強(qiáng)度回歸方程Tab.2 Regression equation between diameter and friction strength of two shrubs

4 討論

4.1 破壞方式

在拉拔試驗中，根系的破壞方式只有一種—拔出破壞，這與Ji等[17]研究結(jié)果有所差異：單根在被拔出的過程中會發(fā)生拔斷破壞和拔出破壞2種破壞方式，直徑在<3 mm時容易出現(xiàn)拉斷情況。劉亞斌等[18]在研究檸條錦雞兒根系過程中也表現(xiàn)出完整拔出型、斷裂拔出型及周皮滑移拔出型3種方式。而在本研究中并未出現(xiàn)拉斷或周皮脫落的情況，經(jīng)判斷出現(xiàn)這兩種情況的原因有：一是根系自身含水率較高；二是相互作用力過大導(dǎo)致細(xì)根斷裂。這是由于土壤質(zhì)地以及植物根系力學(xué)特性等原因造成的不同結(jié)果。如土體含水率的增加使根土界面上的自由水增加，從而根土復(fù)合體中的孔隙水壓力增大而有效應(yīng)力減小，從而降低了根土的界面摩擦。其次上述研究所用土樣為黃土，其土體顆粒間接觸相對緊密，沒有明顯孔隙發(fā)育現(xiàn)象，且土體顆粒相互拼接鑲嵌排列，這樣在根系與土壤接觸時能有效的增加兩者間的接觸面積，從而增大摩擦力[19]。

4.2 摩擦系數(shù)

研究發(fā)現(xiàn)2種灌木根-土間的摩擦系數(shù)與劉亞斌等[12]在研究黃土區(qū)灌木檸條錦雞兒根系過程中的結(jié)果有較大差異，其在土壤含水率為15.1%，密度為1.65 g/cm3的條件下得到檸條錦雞兒根-土間靜摩擦系數(shù)為0.738 9±0.04。并且與曹云生等[20]研究冀北山地森林生態(tài)系統(tǒng)的4種主要喬木根系試驗中結(jié)果也截然不同，4種喬木根系與土壤界面的平均摩擦系數(shù)分別為0.646 7±0.115 0、0.644 6±0.135 4、0.616 3±0.115 8、0.508 8±0.128 8。夏振堯等[21]表明根系表面特征和土體含水率的變化對根系拉拔剪應(yīng)力和根土界面摩擦系數(shù)的影響較為顯著。朱宏慧[22]發(fā)現(xiàn)低液限黏土與檸條根-土界面的摩擦系數(shù)>低液限粉土>粉土質(zhì)砂>砒砂巖風(fēng)化土，這說明土壤類型也是影響摩擦系數(shù)的內(nèi)因之一?？λ固氐孛采想m然地形起伏較大，但小生境的多樣性和嚴(yán)酷性使植被類型也具特殊性，研究喀斯特區(qū)植物根系摩擦特性還有待進(jìn)一步深入研究和改善。

4.3 根徑

前文所述的根徑和埋深對根土摩擦力有著明顯的影響。夏振堯等[21]發(fā)現(xiàn)各徑級多花木藍(lán)根系表面凹凸度無顯著性差異，也不是根徑越大的根系對根土界面的摩阻作用越大，而是多花木藍(lán)的根徑在1.0～2.5 mm時固土抗裂能力較強(qiáng)。劉亞斌等[19]采用掃描電鏡觀察方法證實根-土界面摩擦特性主要取決于根表面粗糙程度。為進(jìn)一步探究2種樹種的差異，分別將根徑1.23、3.42和5.66 mm的多花木藍(lán)和1.27、3.15和5.34 mm的雙莢決明置于50倍的電鏡下掃描。由圖5可見多花木藍(lán)根系表面都呈現(xiàn)出一種堆積的鱗片狀，鱗片表面比較光滑；而雙莢決明表面則是呈現(xiàn)出密集的縱向裂紋并且裂紋間形成帶狀的槽口。相比之下，雙莢決明根系表面結(jié)構(gòu)較為粗糙、復(fù)雜。因此，雙莢決明根-土間摩擦系數(shù)會相對偏大，在土體中所發(fā)揮的摩擦力也大于多花木藍(lán)。通過初步探索，造成樹種間單根摩擦力大小的差異在于根系表皮微觀結(jié)構(gòu)所導(dǎo)致，探明植物根皮微觀結(jié)構(gòu)特征有利于更加定性化解釋根系固土效果，也有利于強(qiáng)化固土理論機(jī)制。

圖5 2種灌木單根SEM圖Fig.5 SEM of single roots of two shrubs

5 結(jié)論

1)雙莢決明根皮表面呈密集的縱向裂紋并形成槽口，多花木藍(lán)根皮表面則呈鱗片狀；雙莢決明根-土摩擦系數(shù)大于多花木藍(lán)，雙莢決明根系增強(qiáng)土體強(qiáng)度及抵抗變形破壞能力優(yōu)于多花木藍(lán)。

2)單根拉拔與土壤界面摩擦過程中，力與位移關(guān)系特征曲線分別經(jīng)歷3個階段：黏性摩擦階段、脫黏摩擦階段以及鍵合摩擦階段。根系受拉拔作用時其抗拔出力愈大，且產(chǎn)生的位移愈小，則該灌木對控制邊坡土體變形的能力亦愈強(qiáng)。

3)雙莢決明和多花木藍(lán)根系與土體間產(chǎn)生的摩擦力在100～200 mm之間相繼增大，植被根系在土體中的延伸越長，所發(fā)揮的摩擦力越大，埋深在100～150 mm間的力值增幅較大，在喀斯特區(qū)淺薄的土壤空間中有效提高固土效果。

4)雙莢決明和多花木藍(lán)根徑與其最大摩擦力呈現(xiàn)出顯著的正線性關(guān)系；且雙莢決明的根徑對根-土摩擦力的影響更為明顯；而根徑在0～8 mm范圍內(nèi)，單根單位面積上的摩擦力則無顯著差異(P>0.05)。