植物根系在边坡生态防护中的应用

1、植物根系在边坡生态防护中的作用黄晓乐主要内容1 土壤的有关概念和认识2 根系与土壤抗侵蚀能力3 根系与土壤抗剪强度1.1 土壤及土壤肥力土壤是地球陆地外表能够生长植物的疏松表层，是一个独立的历史自然体。它不仅具有自身的发生开展过程，而且是一个能从物质组成、形态、结构和功能上进行剖析的物质实体，也是一个无机物和有机物、非生物和生物相结合的物体。土壤肥力实质上是土壤中水、肥、气、热四个因素之间的协调程度，以及能否满足植物生长过程中的各种需求。1.2 土壤矿物质组成从起源来说，土壤中的矿物质包括了岩石碎屑、原生矿物和次生矿物三个局部。岩屑是大块岩石破坏后的残屑，仍然是一种矿物质的集合体，是土壤中最粗

2、大的成分，常以砾石和粗砂的形式出现。原生矿物是岩屑被进一步分解破坏矿物集合体分散后的单独的矿物晶体，在成分上和结构上与原始母岩中的矿物一致。原生矿物的晶体相对较大，在土壤中多以砂粒和粉粒的形式出现。次生矿物是原生矿物化学风化或蚀变后的新型矿物，是在疏松母质发育和土壤形成作用进行时形成的，多属粘粒一级，如铝硅酸盐粘粒(高岭石、蒙脱石、伊利石等)和铁、铝的氧化物等。颗组名称直径(mm)砾石 2.00粗砂2.00-0.2细砂0.2-0.02粉砂0.02-0.002粘粒3 mm的大粒级水稳性团聚体增加,从而增强土壤抗分散、抗悬浮的能力.植物根系特别是大量须根的存在增加土壤团聚体含量。此外： 1)根系生

3、长对土壤所施加的压力使土壤单体挤压在一起,形成团聚体; 2)当根系附近水分被植物吸收时,土壤水分的减少有利于土壤颗粒聚集形成水稳性团聚体; 2.2 根系对土壤结构的稳定作用李勇等 在深入研究植物根系对土壤抗冲性影响的根底上指出，根系不但具有改善土壤物理性质，增加土壤非毛管孔隙度，强化降水就地入渗的水文生态功能;而且根系尤其是1mm径级的须根，具有稳定土层结构，增加土壤2mm粒级水稳性团粒及有机质含量，创造抗冲性土体构型的生物动力学性质之功能。根系对提高土壤渗透性的作用主要是根系能将土壤单粒粘结起来,同时也能将板结密实的土体分散,并通过根系自身的腐解和转化合成腐殖质,使土壤有良好团聚结构和孔隙状

4、况.一方面使土壤的透水性即复合体的渗透系数增大,接纳雨水的能力增强;另一方面,根与茎在其连接处,即根颈部位形成微型拦土栅阻止土粒搬运,使土粒在根茎连接处沉积而形成许多微型滤水土体,这些滤水土体就像一个个微型土坝一样,分别在其所在位置拦住径流去向,使其减缓,地面滞水量增大,从而使径流沿程渗透水量增大。2.3 植物根系增强土壤渗透性2.4 抗侵蚀性实验1静水崩解法 取约5cm见方的原状土样，装在孔径1cm见方的铁丝笼内，放在静水或流水中，测定其崩解速度，用以说明土壤抗冲性的强弱。 用这种方法所测得的数据，在一定程度上与土壤抗冲性有相关关系，但还很难直接反映土壤抗冲性的实质。 前苏联学者古萨克曾用小

5、型土槽(宽1cm、长28cm)，内装风干、磨碎、过筛的扰动土样作放水冲刷试验，测定不同流速下每冲走100cm3土所需水量，以此作为抗冲性指标。 索波列夫所设计的抗冲仪进行测验，用喷射水柱压力流冲刷土壤剖面所造成的土坑的大小来测定土壤可蚀性。 此方法能相对说明土壤抗冲性的强弱，由于土壤的受力情况与实际侵蚀过程中土壤的受力情况相差较大.所以很难对土壤抗冲性进行定量分析。2原状土冲刷测定法1964年，蒋定生设计了专门的冲刷槽，用特制的长形环刀3X4x20cm3采原状土样，将土样放置槽中进行放水冲刷试验；1987年，蒋定生设计的冲刷槽进行了改进，增大了取样器的尽寸，将试样增大10 x7x20cm3 。

6、 苏宁虎、李勇郎等采用扩大尺寸的取样器(10 x20 x10cm3)，以减小采样时对土体的扰动；刘国彬等在稳流水槽上加一层砂子，以增加粗糙度，减缓流速，使之更接近坡面实际情况。2原状土冲刷测定法 周佩华等在小区下方设集流槽和分水箱，从小区流出的泥水，经分水箱流入横断面恒定的集流桶，根据集流桶中的水位变化过程，即可推算出小区的径流过程。每隔一定时间取泥水样一次，测定其含沙量，并推算该时段小区的冲刷量。为了使消防车放出之水能均匀流入小区，在小区上方，布设一个用白铁皮制作的簸箕形水槽，水放入槽内，然后均匀地流入小区，并随机聚集为股流，(3) 实地放水冲刷法 实地放水冲刷，即在野外设置一定尺寸的小区，

7、在上方按不同流量放水使土壤在径流作用下进行冲刷试验。4室外降雨模型刘海松等降雨冲刷对黄土公路边坡植物防护影响的试验研究*采用植物防护技术的高速公路中选取3种不同防护措施厚层基材植草公路边坡、三维网植草公路边坡以及平台植树公路边坡进行人工降雨冲刷试验，模拟当地降雨对不同类型植物防护技术的黄土公路边坡的侵蚀，测定其在一定的降雨强度下径流量和含泥量随时间的变化规律。3.1 植物根系与土壤抗剪强度土壤的抗剪强度与土壤的颗粒组成、土壤容重、土壤含水率等因素密切相关。植物根系的存在能明显地改善土壤的物理性质,因而在一定条件下,可以把土壤抗剪强度的增加归结为植物根系存在的结果。3.2 根系固坡的力学模型 当

8、土体中有剪切力发生时,根的错动位移使根内产生拉力，根被拉断的瞬间发挥出抗拉强度Tr，切线方向的分量Trsin可抵抗剪切变形，直接增加土壤抗剪强度；沿法线方向的分量Trcos可增加剪切面上的法向应力，该分量对抗剪强度的增量 tan。 根土复合体抗剪强度的增量为： S=S1+S2=Tr(sin+costan)1 Wu-Waldron模型对于穿过剪切面上所有发挥作用的根系而言，土体抗剪强度的增量那么变为: S=TR(AR/AS)(sin+costan) TR剪切面所有发挥作用的根系平均抗拉强度；AR剪切面所有发挥作用的根系截面积之和；AS为土体截面积；AR/AS根系截面积与土体截面积之比,称为根面积

9、比(root area ratio, RAR). (AR=Ni Ai, TR=Ti Ni Ai/Ni Ai)Wu等在野外及室内实验根底上，发现(sin+ costan)对、的通常变化范围(4070,2040)不敏感,其值根本保持在1013范围内,因此,穿过剪切面上的所有根系对土体抗剪强度的增量通常简写为: S =12TR(AR/AS)这就是说，根系产生的土体抗剪强度的增量与根系的平均抗拉强度和根面积比成正比.这一简化的Wu-Waldron模型是迄今为止解释植物根系增强坡体稳定性最直观、最简单、最有效的模型之一。 1Wu-Waldron模型 设边坡浅层有一潜在的滑动面AB，与水平面的夹角为。在滑

10、动面上ABB A上，某穿过滑动面的根R，其与x、Y、z 坐标轴的夹角分别为i、i、i，设根R所承受的拉力为Ni，拉力Ni在x方向的分量对边坡土体不起加固作用，故不考虑，其在Y、z方向上的分量：2 空间分析模型Y方向抗滑力增加量为：Z方向抗滑力增加量为：根系增加的总抗滑力为：剪切面上所有根系对增加的抗剪强度：2 空间分析模型对于某边坡而言、均为定值，可设：令根系的两个当量拉力N1、N2分别为：那么边坡的稳定系数: 为边坡土体内摩擦角；G为上覆土的重量抗剪强度2 空间分析模型如图：破坏面上侧的各根的破坏方式可能不一样，所以其拉力N的计算也不一样，有如下2种状态：(1)假设植物根系从土体中被拔出，那

11、么其所受的最大荷载以其抗拔力计算，那么：(2)假设植物没被拔出，那么其所受的最大荷载以其抗拉强度计算，那么：2 空间分析模型根系分类：水平根、垂直根和须根 / 浅细根和深粗根 / 散生根型、主直根型和水平根型一般认为生态防护的主要作用机理是植物根系对边坡土体的三维锚固作用。植物的垂直根系穿过坡体浅层的松散风化层,锚固到稳定层,起到锚杆作用,在土壤表层及下覆风化残积层中盘根错结的根系,可视为三维加筋材料,增加了土体的凝聚力。植物根系在土壤中纵横穿插生长,与土壤团粒、水分、微生物、矿质元素、胶体物质等相互吸引生成一种特殊的材料,即土壤-根系复合体。当作用力很小时土壤-根系复合体有微量变形,并且因土

12、壤、根系本身的能量储存而到达平衡;当作用力解除时,复合体将在一定程度上恢复变形。因此土壤-根系复合体可视为由多相组分构成的具有弹性的复合材料。3.3 植物根系抗剪强度实验影响植物根系抗剪强度的因素：根系形态、根系抗拉强度、含根量、含水量等实验：室外剪切、室内直剪实验/三轴试验，比照无根系土样； 一般来说，根随着深度增加在土中的含量越来越少，衡量根在土中的含量的一个常用的指标是“根的面积比率(简记为RAR)，它指的是在一个土层断面上(水平断面或垂直断面)根的截面面积占总断面面积的比率。根的面积比率是深度的函数。代全厚、张力(1998)等人通过测定发现抗剪强度均是表土层大于底土层,植物根系有较强的固持土壤功能,土壤稳定性与植物根量关系密切,根量大,其抗剪强度就大,土体的抗剪强度与根量呈显著的正相关(r=0.981 4)a.含根量对抗剪强度的影响由植物品种、生长环境、季节、根的直径、根的生长方位以及测试方法(测量风干的根还是湿根)等等造成的。根的强度可以到达70 MP