青藏高原东北部黄土区草本与灌木植物根-土相互作用力学机理及其模型研究

青藏高原东北部黄土区草本与灌木植物根-土相互作用力学机理及其模型研究内容摘要：

DOI:10.14123/j.cnki.swcc.2013.07.017 中国水土保持 SWCC 2013 年第 7 期 · 37· 青藏高原东北部黄土区草本与灌木植物根 － 土 相互作用力学机理及其模型研究 李国荣，胡夏嵩，毛小青，朱海丽，乔 娜，余芹芹 （ 青海大学，青海 西宁 810016） ［关键词］ 草本; 灌木; 根系; 力学机理; 牵引作用; 锚固作用; 青藏高原 ［摘 要］ 为研究草本和灌木根系在护坡中的力学机理，以西宁盆地为例，对青藏高原黄土区生长 2 年的草本芨芨草和 灌木柠条锦鸡儿进行了野外观测和现场力学试验。结合研究区现场观察、试验和分析得出: 芨芨草和柠条锦鸡儿根系的 生长特征及力学特征均较其他乡土植物显著，护坡力学效应较强; 试验区草本植物根系在土体中主要起加筋作用，灌木 植物水平根系起牵引作用、垂直根系起锚固作用。通过建立根 － 土相互作用的力学模型得出: 草本植物根系对边坡的加 筋作用大小与根系数量、根系抗拉力以及根系在土体中的延伸方向均有关; 灌木根系对土体的牵引效应与根系数量、直 径和抗拉强度呈正相关，根系锚固力的大小主要取决于根系与土体间的摩擦力，且根系所受的摩擦力与根系半径、土层 深度和土体重度呈正相关。对于坡度为 40°的土质边坡，选择芨芨草、柠条锦鸡儿等根系发达的灌草植物进行护坡，其防 护效果较好。 ［中图分类号］ S154． 4； TU432 ［文献标识码］ A ［文章编号］1000 － 0941（ 2013） 07 － 0037 － 05 灌木和草本植物根系具有防止地表水土流失、崩 塌、浅层滑坡等作用，通过力学方法研究植物根系的固 ［1 － 4］ 土、护坡作用具有重要的理论意 义 和 实 践 价 值 。 ［基金项目］国家自然科学基金资助项目（ 40762002， 41162011） ； 青海省 许多学者指出，植物根系的固土护坡效应归因于根系 － 土壤的相互作用［5 － 8］。 对于土质边坡而言，当坡体 产生下滑趋势时，土体间的黏结性起主要的抗滑作用， ［9］ 但是黄土的颗粒粒径一般小于 0． 25 mm ，颗粒与颗 粒间的接触面积较小，坡体下滑时很容易被破坏，而分 布于土体中的植物根系在生长过程中本身对周围土体 ［10］ 产生轴向压力，使根 － 土接触更加紧密 ，而且根系 才支持计划”项目（ NCET － 04 － G983） ； 青海大学中青年科 表面凸凹不平，分布有大量的侧根、毛细根、根毛、根瘤 研基金项目（ 2011 － QGY － 10） 櫔櫔櫔櫔櫔櫔櫔櫔櫔櫔櫔櫔櫔櫔櫔櫔櫔櫔櫔櫔櫔櫔櫔櫔櫔櫔櫔櫔櫔櫔櫔櫔櫔櫔櫔櫔櫔櫔櫔櫔櫔櫔櫔櫔櫔櫔櫔櫔 重点科研攻关项目（ 20032N2134 ） ； 教育部“新世纪优秀人 ［3］ 东日布． 生态移民扶贫的实践与启示［J］． 中国贫困地区， 2000（ 10） ： 37 － 40． ［4］ 刘学敏． 西北地区生态移民的效果与问题探讨［J］． 中国农 2002（ 4） ： 47 － 52． 村经济， ［5］ 宝鲁． 浑善达克沙地牧区生态移民工程效益研究———以正 蓝旗敖力克嘎查为例［D］． 呼和浩特： 内蒙古师范大学， 2006． ［6］ 程 红 梅． 宁 夏 红 寺 堡 土 地 利 用 系 统 移 民 效 益 评 估 研 究 ［D］． 乌鲁木齐： 新疆师范大学， 2006． ［7］ 洪燕． 生态移民项目的评估研究———以苏尼特右旗都呼木 2003（ 3） ： 19 － 25． 学报： 社科版， ［11］ 斯日古楞，王成伟． 封禁休牧生态移民促进草原保护工作 2003（ 1） ： 38 － 39． 的全面开展［J］． 内蒙古草业， ［12］ 李文伟． 石羊河流域生态移民效益分析［J］． 甘肃农业， 2004（ 5） ： 37 － 38． ［13］ 张鹏，袁国映． 生态移民在保护自然生态环境中的重要作 2004， 26（ z1） ： 67 － 70． 用及实施建议［J］． 新疆环境保护， ［14］ 郑瑞强． 我国西部生态脆弱地区移民工作方式探讨——— 生态环境保护与扶贫双重目标的移民政策与实践［J］． 人 2011， 42（ 5） ： 93 － 97． 民长江， 2006． 生态移民村为例［D］． 北京： 中央民族大学， ［8］ 孙曼莉． 迁入区生态移民项目的效益评估———以陕西省靖 2008． 边县小桥畔村为例［D］． 西安： 陕西师范大学， ［9］ 黄芹． 实施生态移民，同步实现全面小康［J］． 中共银川市 2011（ 5） ： 41 － 44． 委党校学报， ［10］ 李宁，龚世俊． 论宁夏地区生态移民［J］． 哈尔滨工业大学 ［作者简介］ 孟宪玲（ 1963—） ，女，山西介休市人，馆员； 通信 作者张爱国（ 1964—） ，男，陕西洛南县人，博士，教 授，硕导，主要从事生态扶贫移民方面的研究。 ［收稿日期］2013 － 05 － 10 （ 责任编辑 李艳霞） 中国水土保持 SWCC 2013 年第 7 期 · 38· 等，这就大大增加了根 － 土间的接触面积。 因此土体 下滑到一定程度时，抗滑作用从先前单一的土体黏结 作用转移到根系与土体间的结合力，即根 － 土间摩擦 力。边坡产生下滑现象大多发生在土体含水量较高的 雨季，当下滑力大于根 － 土间摩擦力时，绝大多数根系 被拉出，含水量越高被拉出的根系越完整，但也有一部 ［11］ 分根系会被拉断 。因此，植物根系对坡体的稳定作 用，主要取决于根系自身的抗拉强度以及根系与土体 ［12］ 间的摩擦力 。 我们结合植物根系生长特征和野外 根系抗拉强度试验，对土质边坡草本和灌木植物进行 研究，分析护坡中的植物根 － 土相互作用，以期为研究 区及其周边地区坡面水土流失、浅层滑坡、崩塌、泥石 流等地质灾害的防治提供帮助。 试验区概况 1 试验区设在西宁市城东区，地处青海东部湟水流 域河谷，黄土高原西缘，属高原干旱半干旱气候区，黄 土覆盖深厚，坡度陡，植被覆盖差，人类活动集中，暴雨 ［13 － 14］ 。试 频繁，水土流失严重，洪水、滑坡等灾害频繁 验区周边居民活动频繁，地理条件复杂，土质为湿陷性 黄土，暴雨季节常发生滑坡、崩塌等灾害，给周边交通 ［15］ 运输和居民正常的生产和生活带来了一定的影响 。 试验区边坡属于人工堆积的土质边坡，坡高约 10 m，坡度约 40°，坡向属半阴半阳，面积约 20 m × 15 m， 海拔约 2 250 m。试验区土体的基本物理化学性质指 ［15］ 标如表 1 所示 。 表1 土体 孔隙度 密度 （ %） （ g / cm3 ） 1． 58 2 试验区土体的物理化学性质测定结果 各粒级颗粒所占比例（ % ） 含水率 （ %） pH 值 12． 80 8． 13 54． 82 ＜ 0． 05 ＜ 0． 01 mm mm 64． 96 21． 88 ＜ 0． 002 土质 mm 5． 74 粉土 研究对象与方法 根据试验区气候条件和植物抗旱、抗寒性以及根 系生 长 特 征，确 定 以 草 本 芨 芨 草 （ Achnatherum splen- 剪能力越强，其固土护坡的贡献就越显著。 为了研究 试验区芨芨草和柠条锦鸡儿的根系生长特征，采用干 挖法对芨芨草和柠条锦鸡儿的根系生长形态特征进行 了深入的观察和描述。 从观察的结果可知，芨芨草根 系属于须根型，在边坡中主要起到防护坡体表层和固 土的作用； 灌木柠条锦鸡儿的根系属主直根型 ，根系护 坡范围随着植物生长由浅表层逐年加深。 此外，本研 ［16］ 究采用野外现场根系拉拔试验装置 ，对生长 2 年的 芨芨草和柠条锦鸡儿的根系生长特征、力学特征等进 行现场观察和试验，试验结果见表 2。 从表 2 可以看 出，研究所选用的芨芨草和柠条锦鸡儿 ，其根系生长特 征和单株平均抗拔力均较乡土植物显著，其中芨芨草 的单株平均抗拔力比乡土草本的大 14． 21 N，柠条锦鸡 儿的单株平均抗拔力比乡土灌木的大 23． 13 N。 由此 说明，上述两种植物分别是试验区周边土质边坡的草 本、灌木护坡优势种。 表2 试验区植物根系生长特征和力学特征 植物名称 根系数量 （ 条） 平均根长 （ m） 平均根径 （ mm） 乡土草本 31 ± 0． 32 0． 26 ± 0． 04 0． 38 ± 0． 02 18． 96 ± 3． 76 乡土灌木 23 ± 0． 58 3． 20 ± 0． 82 3． 94 ± 0． 56 103． 01 ± 16． 62 34 ± 0． 42 芨芨草 柠条锦鸡儿 25 ± 0． 36 0． 35 ± 0． 06 0． 62 ± 0． 05 33． 17 ± 5． 44 3． 80 ± 0． 62 4． 26 ± 0． 38 126． 14 ± 19． 58 3． 2 单株平均 抗拔力（ N） 植物根 － 土相互作用力学机理及模型 根据芨芨草和柠条锦鸡儿地下根系生长形态特征 得知，试验区须根型草本植物约 92% 的根系分布在 0—30 cm 的土层中； 主直根型灌木的根系相对发达， ［16］ 侧根 主 要 分 布 在 地 面 以 下 20—80 cm 的 土 层 中 。 通过现场观察和分析，确定出在坡度为 40° 的土质边坡 中草、灌植物根系护坡模式主要有三种，即草本根系的 加筋作用、灌木垂直根系的锚固作用和灌木水平根系 的牵引作用，这与周德培 （ 2003 年） 等学者得出的结论 ［17］ 相符 。图 1 为试验区须根型芨芨草和主直根型柠 图1 试验区草本植物与灌木根系护坡模式及力学作用示意 dens） 和灌木柠条锦鸡儿 （ Caragana korshinskii） 作为研 究对象。试验区植物于 2004 年 6 月 1 日种植，在植物 生长 2 年后，于 2006 年 6 月 15 日对试验区的芨芨草 ［16］ 和柠条锦鸡儿采用干挖法 ，分别确定在实际边坡中 其根系的生长分布形态、平均根系数量和长度等参数； 建立灌木植物护坡的根系力学模型，推导出柠条锦鸡 儿根系在护坡中牵引作用和锚固作用的理论公式，为 今后采用植被固土护坡提供理论依据 。 3 3． 1 结果与分析 试验区草灌植物根系生长特征及其力学特征 在植被护坡中，植物的根系越发达，根系抗拉或抗 条锦鸡儿的根系护坡模式及力学作用示意图 。 本研究 通过开挖已种植柠条锦鸡儿的典型黄土边坡，观察和 描述边坡中灌木根系的护坡力学作用，如图 2 所示。 李国荣等： 青藏高原东北部黄土区草本与灌木植物根 － 土相互作用力学机理及其模型研究 从图中可以看到，灌木柠条锦鸡儿的垂直根系延伸到 深层土体中，起到锚固作用；