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黃土高原高速公路護坡植物根系分布及力學特性研究

發布日期:2017-11-20 來源: 本網 查看次數: 2037 

核心提示:  國家“十二五”科技支撐計劃項目:農田水土保持關鍵技術研究與示范(2011BAD31B01)劉子壯(1987―),男,碩士,主要從事水土保持工程研究。E-mail:liuzizhuang163.co

  國家“十二五”科技支撐計劃項目:農田水土保持關鍵技術研究與示范(2011BAD31B01)劉子壯(1987―),男,碩士,主要從事水土保持工程研究。E-mail:liuzizhuang163.com高照良(1969―),男,博士,副研究員,主要從事土壤侵蝕、水土保持及荒漠化研究。E-mail:gzlms.iswc.ac.cn黃土高原地形地貌復雜多樣,境內溝壑縱橫,植被稀疏,濕陷性黃土分布較廣,是我國水土流失最嚴重、生態環境最脆弱的地區之一。高速公路建設造成的自然災害崩塌、滑坡、泥石流等對周邊人民和來往車輛的安全構成定威脅。如何增強高速公路高邊坡的穩定性防治崩塌、滑坡等災害已成為急需解決的問題。采用人工植草的方式可有效降低水土流失,增強邊坡防護能力。高速公路邊坡依靠草本植物進行植被恢復時,根系作為植被地上部分的支撐者,對植被生長具有決定性作用。另外,植物根系在穩定土壤結構、提高土壤抗沖性、防治土壤侵蝕等方面,也具有極其重要的作用。近年來,在分析植物根系力學指標對固坡作用的研究中,較多研究認為植物根系抗拉強度與根徑間存在冪函數或指數函數關系,目前關于不同屬種植物根系分布特征、單根對坡體穩定的貢獻大小、單根拉應力-應變特征及單根抗剪強度特性等方面的研究較少,另外人們對喬木的根系分布特征研究較多,但是有關草本植物的研究相對較少,特別是對于黃土高原上高速公路邊坡具有良好護坡作用的草本植物的研究更少。因此,本文主要從對黃土高原高速公路護坡常用的4種草本植物單根的抗拉、抗壓和抗變形能力進行試驗研究分析,研究草本植物的根系分布規律對黃土高原上高速公路邊坡穩定性及生態恢復具有十分重要的意義。

  1材料與方法1.1研究區概況試驗所在地安塞縣屬典型的黃土高原丘陵溝壑區,中溫帶大陸性半干旱季風氣候,年平均氣溫8.年平均降水量505.3mm,夏季多暴雨,無霜期157d.植被區劃屬于暖溫帶落葉闊葉林向干草原過渡的森林草原區,森林覆蓋率17.17%.地貌復雜多樣,境內溝壑縱橫,溝壑密度為4. 7萬條/km2,由南向北呈梁、峁、塌、灣、坪、川等地貌。平均海拔為1371. 9m,地勢大致由西北向東南傾斜。安塞縣交通便利,包茂高速貫穿全境,境內高速公路邊坡防護草本植物主要種類為早熟禾、黑麥草、小冠花、白三葉、沙打旺、紫花苜蓿等。

  1.2試驗設計與測定方法試驗布設于中國科學院安塞水土保持綜合試驗站(N36°51'29.52〃,E1091922. 06〃),土壤為黃綿土。2012年4月8日撒播試驗草種,采用隨機設計,3次重復。為了促進種子發芽,確保成活率,用遮陽網遮擋陽光。為了防止植物根系之間相互影響,草本植物隨著生長的進行,不斷進行剔苗、除草,最后保證待測植株為單株,直徑1m范圍之內確保沒有其它植物的干擾。共12個小區,規格均為4mX6m.將緊鄰小區的裸地作為空白對照試驗,采用方形取樣器分層取樣,樣品規格為10cmX10cmX10cm,取樣垂直深度為0―50cm時,每10cm取1層,共取6層土樣;在水平范圍內,以植株為中心及距離植株10cm和20cm分別取樣,共取5個剖面。測定4種草本植物的根系特征、抗拉性和根一土復合體的抗壓性、抗崩解性。指標測定方法如下:比根長(SRL):洗根后用根系掃描儀和IPP軟件分析測定根長和根徑等指標。SRL=L/m,:L為根長(m);to為根系干重(mg)。

  用根系掃描儀測定植物根系形態分布;采用HDE―500電動單柱立式推拉力計測試臺和HG―200數顯拉力計模擬根系受拉力作用,每0.2s計數次;用拉力儀測定根系拉斷時的最大拉力(每2s自動記錄1次讀數)用游標卡尺測量根的斷裂面直徑(重復測10次取平均值)和最大拉力時根的長度。根系極限抗拉強度和根的伸長率:/一。:尸為根系極限抗拉強度(MPa);F為拉力儀測得的最大拉力(N);D為斷裂面平均直徑(mm)為被測根伸長率;Z為最大拉力時根長度(mm);Z.為根原長(mm)。

  采用崩解儀對不同植物的有根土樣和無根土樣進行靜水崩解試驗。將待測土樣放在金屬網托上,掛在HG―200數顯拉力計下方測其重量并記錄,慢慢放入水中至完全浸沒,每0. 2s自動計數一次,到完全崩解或30mn時取出土樣,測剩余土樣的重量。崩解試驗結束后對土樣中的根系進行掃描,測定各項根系指標。

  gV2=G2+G0;V=(F1一F2)/(G1―g);v=V/t:F1為剛放入水中穩定時的最大拉力(N);f2為崩解完全或30min的拉力(N);i為試塊密度(g/cm3);G1為崩解前土樣重力(N);G2為崩解完全或30min土樣力(N);G為網托重力;V1為起始體積(cm3)V2為終止體積(cm3)V為崩解損失的體積(cm3);W為崩解速率(cm3/min);t為崩解時間(min);g為重力與質量的比值,為1.3數據處理與分析將待測植物根系進行分級,分別為<0. 0mm6個徑級,15組重復。采用Imagepro―plus軟件對掃描后的根系圖片進行形態特征分布分析,試驗設3次重復,取其平均值,然后利用Excel2010和SPSSStatistics18.0軟件統計分析了白三葉、小冠花、早熟禾和黑麥草等4種護坡植物的根系生物量、抗拉力和抗壓強度的變化規律及其與崩解速率之間的關系,用單因素方差分析和最小顯著差數法(L SD法),多重比較不同種類草本植物根系力學指標的差異顯著性。

  2結果與分析2.1不同護坡植物根系生物量的垂直分布特征由表1可以看出,4種植物根系均隨土層加深生物量呈逐漸減少趨勢,根系生物量主要集中在表層0土層中(白三葉、小冠花、黑麥草、早熟禾0―30cm根系生物量占0土層生物總量的比例分別為91.27%,6.25%,100%,9.29%),當土壤深度超過30cm后,根系生物量降至較低水平。4種植物根系垂直分布均較淺,原因主要是因為4種植物均生長于土壤質地和水分狀況均較差的裸露邊坡上。小冠花作為直根系的豆科作物,主根粗大且入土較深,白三葉主根較小冠花細,且入土較淺,因此在0―50cm內小冠花根系生物量大于白三葉,與杜天慶研究結果相同。對于須根系的禾本科植物,根系入土淺,須根較為發達,早熟禾生長速度緩慢引起0―10cm土層黑麥草的根系生物量大于早熟禾,但黑麥草根系在10土層內根系生物量迅速減小,說明黑麥草比早熟禾對土壤適應性更好。試驗表明,在土壤表層0―20cm土層深度內,根系生物量的大小為:黑麥草>小冠花>早熟禾>白三葉。

  表1不同土壤深度根系生物量生物量/(g合計工hs白三葉小冠花黑麥草早熟禾2.2不同護坡植物根系抗拉特性白三葉根系應力一應變曲線由一4可以看出,根系極限抗拉強度與直徑呈顯著的冪函數負相關關系,決定系數均大于0. 0.05)。當根徑小于0.5mm時,吸收性毛根具有較大的抗拉強度,在該范圍內,隨根徑的增大,抗拉強度明顯降低,說明根徑越細,單位橫截面根系抗拉能力越強。由此表明,毛根對根一土復合體強度的提高具有極其重要的作用。

  小冠花根系應力一應變曲線通過應力一應變做擬合曲線,結合擬合方程可知,不同直徑的白三葉應力一應變關系均符合冪函數關系。當應力小于20MPa時,根徑為0.31mm和1.66mm的應力一應變狀況呈線性增加,表現為較大的彈性特征;當應力小于15MPa時,根徑為0.52,1.5,2.87mm的應力一應變狀況也表現為較大的彈性特征。隨著壓力的不斷增加,他們的應力一應變均符合冪函數關系,當應力達到最大值時,根系應變繼續增加,持續段時間后根系斷裂。隨著根徑的增大,根系的屈服時間增長。根徑為0.31,0.52,1.小冠花應力一應變關系在不同直徑均符合冪函數關系。當應力小于5MPa時,根徑為0.36mm的應力一應變呈線性增加,表現為較大的彈性特征;當應力小于2MPa時,根徑為0. 9,1.43,1.83mm的應力一應變狀況也表現為較大的彈性特征。之后,他們的應力一應變關系與白三葉相似。根徑為0. 36,0.9,。43,1.83,。01mm時,最大伸長率依次為21%,15%,22%,32%,31%,呈先減小后增大的變化趨勢。

  黑麥草應力一應變關系與白三葉、小冠花相似,不同直徑均符合冪函數關系。黑麥草在直徑<0. 5mm時隨應變的增加,應力出現了一定時間內保持不變的現象,這主要是由禾本科植物特殊的組織結構決定的。當黑麥草根徑為0.2,0.45,0.78,1.34mm時,最大伸長率依次為40%,43%,41%,50%.早熟禾的應力一應變關系與黑麥草、白三葉、小冠花相似,在不同直徑均符合冪函數關系。禾本科植物具有特殊組織結構,直徑<0.5mm時隨應變增加,應力一定時間內保持不變。早熟禾當根徑為0.黑麥草根系應力一應變曲線早熟禾根系應力一應變曲線結果表明,不同直徑下黑麥草和早熟禾的伸長率均比其他被測植物高,且直徑<0. 5mm時,伸長率表現為早熟禾>黑麥草;0. 5mm時,為黑麥草>早熟禾。

  2.3不同護坡植物增強土體抗壓特性由看出,含有4種草本植物根系的有根土體和無根土體在受壓初期,壓縮位移較短,壓力較小,反映在土體上的變化情況不明顯,土體表面逐漸出現微裂縫;壓力繼續增大時,部分微裂縫略有增大,但也有部分閉合,總體上對土體的變形影響不大;當壓力大于1MPa時,隨著壓縮位移的增加,反映在土體上的變化情況是裂縫逐漸延長且寬度加大,形成明顯的上下貫通的斜向裂縫。最終,微裂縫相互連通,形成劈裂裂縫,平行于壓應力方向,此時認為土體在壓力作用下最終破壞。土體被破壞后如果繼續壓縮,土體內的空隙率迅速降低,密實度顯著增大,土體開始發生急劇變形,并有部分土體不斷向兩側坍塌。當應變定時,垂直方向的應力大小為:0從還可以看出,有根土體在壓縮初期0.3cm位移內為彈性階段,應力隨應變的增加基本上呈線性增大;道著應變的增加,壓縮位移為0.30.4cm之間,土體處于塑性屈服階段,應力一應變呈非線性關系,壓縮應力緩慢增加,植物根系在本階段起主要作用,細根與土壤顆粒間的摩擦力和根系的三維網作用,共同提高了根一土復合體的抗壓強度。與無根土相比,有根土體在壓縮時的應力一應變曲線中表現出更大的變化空間。

  當正壓力較小,壓縮位移較短時,土體承載的應力較小,土體結構未損壞,土體的抗壓性較小,應力一應變曲線變化平滑;之后,隨著應變的增大,應力顯著增大,曲線上出現應力顯著上升的階段;之后隨應變繼續加大,壓應力迅速增大,土體破損,有根土體的應力應變曲線向無根土體的曲線逼近(P<另外,在彈性階段時,有根土的抗壓強度大于無根土的抗壓強度,其抗壓強度大小順序為:黑麥草>早熟禾>白三葉>小冠花;須根系禾本科植物根一土復合體抗壓強度大于豆科植物。進入強化階段,壓縮位移為0.著應變的增加,應力呈迅速增大,增長速度遠大于彈性階段此時抗壓強度的變化主要由土體本身的抗壓特性決定;當應變為1cm時,有根土和無根土的應力趨于平穩。可以看出,在土體受外力作用發生微小變形時,土體內部根系的存在一定程度上可以增大根土復合體的抗壓強度。

  2.4不同護坡植物增強土體抗崩解特性由表2可以看出:(1)由于植物根系的作用,4種被測植物有根土樣的崩解速率均小于無根土樣的崩解速率。白三葉無根土體相對于其余3種植物無根土體的崩解速率較高,主要是因為試驗土體中有一塊礫石,從而使土壤緊實度下降,土壤顆粒之間的粘結度降低,土體較為分散,當浸沒到水中時在較短時間(23.5min)內就完全崩解,導致白三葉無根土的崩解速率比其它植物無根土體的要高。)植物根系對根土復合體抗崩解性有顯著增強作用。

  總體上來說,黑麥草的抗崩解性最強,白三葉最差,崩解速率由快到慢依次是白三葉、小冠花、早熟禾、黑麥草。黑麥草的根系對根土復合體抗崩解的貢獻最大,0―10cm土層黑麥草根系的存在使根土復合體崩解速率由0.029cm3/min降低到0.005cm3/min,為無根土崩解速率的1/6;早熟禾和白。

  葉根土復合體崩解速率是無根土崩解速率的半;而小冠花根系對崩解速率的影響較小。10―20cm土層除小冠花之外都表現出崩解速率大于0― 10cm,這主要是由于白三葉、黑麥草和早熟禾的根系在0―10cm土層含量較高,根系在土體中穿插交錯,形成根一土復合體,起到很好的固土作用,故在水中不易崩解,崩解速率較低,而白三葉在10―20cm土層根系含量上升,因此呈現出與其它植物不同的抗崩解規律(P<0.土樣中根系含量和崩解速率具有一定的相關性,經線性擬合可發現,比根長和崩解速率呈線性負相關,滿足線無根土體和4種草根一土+00279,相關系數記達0.8066.復合體應力一應變關系曲線比根長越大,根系中細根含量越高,細根可以顯著增大根土之間的摩擦力,極大增強土體的固結能力,從而導致崩解速率降低(尸<0.05)。

  本試驗測定得出,無根土崩解速率約為29cm3/min,與王峰研究一致。0―10cm土層植物根土復合體開始劇烈崩解的時間在崩解開始5min之后,小冠花由于根系含量及比根長都較低,與土體相互作用的能力較弱,因此最先開始崩解劇烈期并最早進入崩解結束期,其次分別是早熟禾和白三葉;10―20cm土層,幾種植物的根土復合體開始劇烈崩解的時間大致相同,且都比0―10cm土層的要早,早熟禾最早進入崩解結束期,其次是小冠花和白三葉(P<0.05)。這種現象的發生可能是由于0―10cm土層根系含量是影響崩解速率的主要決定性因素,但當土層加深時,根土復合體本身的結構強度起主導作用。

  表2崩解速率和比根長關系白三葉小冠花黑麥草早熟禾植物無根土0―10cm有根土10一20cm有根土無根土0―10cm有根土10一20cm有根土無根土0―10cm有根土有根土無根土0―10cm有根土有根土崩解體積/cm3 3結論與討論黑麥草、小冠花、早熟禾、白三葉4種植物的根系生物量主要集中在表層0―30cm土層中,根系生物量隨土層加深呈減少趨勢,與acksn研究結果一致。生物量大小依次表現為黑麥草>小冠花>早熟禾>白三葉。

  隨著根徑的增加,極限抗拉力呈正相關線性增大,大小次序依次為:白三葉>小冠花>早熟禾>黑麥草;抗拉強度均呈冪函數減小趨勢,且在相同伸長量時,細根較粗根單位面積上所能承受的拉力大,可塑性強,粗根纖維化,與蘭曉玲等研究一致。由此,須根系有很好的護坡作用。

  根系伸長率表現為:禾本科>豆科,但豆科極限抗拉力較禾本科大,禾本科在較大的應變下的應力較小,具有較強的抗變形能力,對于減緩和防止淺層土體的滑塌具有重要意義。

  4種植物抗壓強度大小依次為:黑麥草>早熟禾>白三葉>小冠花,崩解速率大小依次為:白三葉>小冠花>早熟禾>黑麥草,須根系植物對土體崩解和被壓縮的抵抗力較大,直根系植物較差。含根系較多的根一土復合體能提高土體結構強度,抗崩解性和抗壓性。

  比較4種草本植物根系綜合護坡效果得出,豆科植物的抗拉力和抗拉強度均大于禾本科植物,但其抗崩解、抗壓性均小于禾本科植物,僅兩類植物比較來看,禾本科植物護坡效果優于豆科植物,但豆科植物在對環境的適應性方面有禾本科無法替代的優勢,所以,兩類植物混播種植能發揮更好的護坡作用。

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