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黄土高原高速公路护坡植物根系分布及力学特性研究

发布日期:2017-11-20 来源: 本网 查看次数: 163 作者:admin

核心提示:  国家“十二五”科技支撑计划项目:农田水土保持关键技术研究与示范(2011BAD31B01)刘子壮(1987―),男,硕士,主要从事水土保持工程研究。E-mail:liuzizhuang163.co

  国家“十二五”科技支撑计划项目:农田水土保持关键技术研究与示范(2011BAD31B01)刘子壮(1987―),男,硕士,主要从事水土保持工程研究。E-mail:liuzizhuang163.com高照良(1969―),男,博士,副研究员,主要从事土壤侵蚀、水土保持及荒漠化研究。E-mail:gzlms.iswc.ac.cn黄土高原地形地貌复杂多样,境内沟壑纵横,植被稀疏,湿陷性黄土分布较广,是我国水土流失最严重、生态环境最脆弱的地区之一。高速公路建设造成的自然灾害崩塌、滑坡、泥石流等对周边人民和来往车辆的安全构成定威胁。如何增强高速公路高边坡的稳定性防治崩塌、滑坡等灾害已成为急需解决的问题。采用人工植草的方式可有效降低水土流失,增强边坡防护能力。高速公路边坡依靠草本植物进行植被恢复时,根系作为植被地上部分的支撑者,对植被生长具有决定性作用。另外,植物根系在稳定土壤结构、提高土壤抗冲性、防治土壤侵蚀等方面,也具有极其重要的作用。近年来,在分析植物根系力学指标对固坡作用的研究中,较多研究认为植物根系抗拉强度与根径间存在幂函数或指数函数关系,目前关于不同属种植物根系分布特征、单根对坡体稳定的贡献大小、单根拉应力-应变特征及单根抗剪强度特性等方面的研究较少,另外人们对乔木的根系分布特征研究较多,但是有关草本植物的研究相对较少,特别是对于黄土高原上高速公路边坡具有良好护坡作用的草本植物的研究更少。因此,本文主要从对黄土高原高速公路护坡常用的4种草本植物单根的抗拉、抗压和抗变形能力进行试验研究分析,研究草本植物的根系分布规律对黄土高原上高速公路边坡稳定性及生态恢复具有十分重要的意义。

  1材料与方法1.1研究区概况试验所在地安塞县属典型的黄土高原丘陵沟壑区,中温带大陆性半干旱季风气候,年平均气温8.年平均降水量505.3mm,夏季多暴雨,无霜期157d.植被区划属于暖温带落叶阔叶林向干草原过渡的森林草原区,森林覆盖率17.17%.地貌复杂多样,境内沟壑纵横,沟壑密度为4. 7万条/km2,由南向北呈梁、峁、塌、湾、坪、川等地貌。平均海拔为1371. 9m,地势大致由西北向东南倾斜。安塞县交通便利,包茂高速贯穿全境,境内高速公路边坡防护草本植物主要种类为早熟禾、黑麦草、小冠花、白三叶、沙打旺、紫花苜蓿等。

  1.2试验设计与测定方法试验布设于中国科学院安塞水土保持综合试验站(N36°51'29.52〃,E1091922. 06〃),土壤为黄绵土。2012年4月8日撒播试验草种,采用随机设计,3次重复。为了促进种子发芽,确保成活率,用遮阳网遮挡阳光。为了防止植物根系之间相互影响,草本植物随着生长的进行,不断进行剔苗、除草,最后保证待测植株为单株,直径1m范围之内确保没有其它植物的干扰。共12个小区,规格均为4mX6m.将紧邻小区的裸地作为空白对照试验,采用方形取样器分层取样,样品规格为10cmX10cmX10cm,取样垂直深度为0―50cm时,每10cm取1层,共取6层土样;在水平范围内,以植株为中心及距离植株10cm和20cm分别取样,共取5个剖面。测定4种草本植物的根系特征、抗拉性和根一土复合体的抗压性、抗崩解性。指标测定方法如下:比根长(SRL):洗根后用根系扫描仪和IPP软件分析测定根长和根径等指标。SRL=L/m,:L为根长(m);to为根系干重(mg)。

  用根系扫描仪测定植物根系形态分布;采用HDE―500电动单柱立式推拉力计测试台和HG―200数显拉力计模拟根系受拉力作用,每0.2s计数次;用拉力仪测定根系拉断时的最大拉力(每2s自动记录1次读数)用游标卡尺测量根的断裂面直径(重复测10次取平均值)和最大拉力时根的长度。根系极限抗拉强度和根的伸长率:/一。:尸为根系极限抗拉强度(MPa);F为拉力仪测得的最大拉力(N);D为断裂面平均直径(mm)为被测根伸长率;Z为最大拉力时根长度(mm);Z.为根原长(mm)。

  采用崩解仪对不同植物的有根土样和无根土样进行静水崩解试验。将待测土样放在金属网托上,挂在HG―200数显拉力计下方测其重量并记录,慢慢放入水中至完全浸没,每0. 2s自动计数一次,到完全崩解或30mn时取出土样,测剩余土样的重量。崩解试验结束后对土样中的根系进行扫描,测定各项根系指标。

  gV2=G2+G0;V=(F1一F2)/(G1―g);v=V/t:F1为刚放入水中稳定时的最大拉力(N);f2为崩解完全或30min的拉力(N);i为试块密度(g/cm3);G1为崩解前土样重力(N);G2为崩解完全或30min土样力(N);G为网托重力;V1为起始体积(cm3)V2为终止体积(cm3)V为崩解损失的体积(cm3);W为崩解速率(cm3/min);t为崩解时间(min);g为重力与质量的比值,为1.3数据处理与分析将待测植物根系进行分级,分别为<0. 0mm6个径级,15组重复。采用Imagepro―plus软件对扫描后的根系图片进行形态特征分布分析,试验设3次重复,取其平均值,然后利用Excel2010和SPSSStatistics18.0软件统计分析了白三叶、小冠花、早熟禾和黑麦草等4种护坡植物的根系生物量、抗拉力和抗压强度的变化规律及其与崩解速率之间的关系,用单因素方差分析和最小显著差数法(L SD法),多重比较不同种类草本植物根系力学指标的差异显著性。

  2结果与分析2.1不同护坡植物根系生物量的垂直分布特征由表1可以看出,4种植物根系均随土层加深生物量呈逐渐减少趋势,根系生物量主要集中在表层0土层中(白三叶、小冠花、黑麦草、早熟禾0―30cm根系生物量占0土层生物总量的比例分别为91.27%,6.25%,100%,9.29%),当土壤深度超过30cm后,根系生物量降至较低水平。4种植物根系垂直分布均较浅,原因主要是因为4种植物均生长于土壤质地和水分状况均较差的裸露边坡上。小冠花作为直根系的豆科作物,主根粗大且入土较深,白三叶主根较小冠花细,且入土较浅,因此在0―50cm内小冠花根系生物量大于白三叶,与杜天庆研究结果相同。对于须根系的禾本科植物,根系入土浅,须根较为发达,早熟禾生长速度缓慢引起0―10cm土层黑麦草的根系生物量大于早熟禾,但黑麦草根系在10土层内根系生物量迅速减小,说明黑麦草比早熟禾对土壤适应性更好。试验表明,在土壤表层0―20cm土层深度内,根系生物量的大小为:黑麦草>小冠花>早熟禾>白三叶。

  表1不同土壤深度根系生物量生物量/(g合计工hs白三叶小冠花黑麦草早熟禾2.2不同护坡植物根系抗拉特性白三叶根系应力一应变曲线由一4可以看出,根系极限抗拉强度与直径呈显著的幂函数负相关关系,决定系数均大于0. 0.05)。当根径小于0.5mm时,吸收性毛根具有较大的抗拉强度,在该范围内,随根径的增大,抗拉强度明显降低,说明根径越细,单位横截面根系抗拉能力越强。由此表明,毛根对根一土复合体强度的提高具有极其重要的作用。

  小冠花根系应力一应变曲线通过应力一应变做拟合曲线,结合拟合方程可知,不同直径的白三叶应力一应变关系均符合幂函数关系。当应力小于20MPa时,根径为0.31mm和1.66mm的应力一应变状况呈线性增加,表现为较大的弹性特征;当应力小于15MPa时,根径为0.52,1.5,2.87mm的应力一应变状况也表现为较大的弹性特征。随着压力的不断增加,他们的应力一应变均符合幂函数关系,当应力达到最大值时,根系应变继续增加,持续段时间后根系断裂。随着根径的增大,根系的屈服时间增长。根径为0.31,0.52,1.小冠花应力一应变关系在不同直径均符合幂函数关系。当应力小于5MPa时,根径为0.36mm的应力一应变呈线性增加,表现为较大的弹性特征;当应力小于2MPa时,根径为0. 9,1.43,1.83mm的应力一应变状况也表现为较大的弹性特征。之后,他们的应力一应变关系与白三叶相似。根径为0. 36,0.9,。43,1.83,。01mm时,最大伸长率依次为21%,15%,22%,32%,31%,呈先减小后增大的变化趋势。

  黑麦草应力一应变关系与白三叶、小冠花相似,不同直径均符合幂函数关系。黑麦草在直径<0. 5mm时随应变的增加,应力出现了一定时间内保持不变的现象,这主要是由禾本科植物特殊的组织结构决定的。当黑麦草根径为0.2,0.45,0.78,1.34mm时,最大伸长率依次为40%,43%,41%,50%.早熟禾的应力一应变关系与黑麦草、白三叶、小冠花相似,在不同直径均符合幂函数关系。禾本科植物具有特殊组织结构,直径<0.5mm时随应变增加,应力一定时间内保持不变。早熟禾当根径为0.黑麦草根系应力一应变曲线早熟禾根系应力一应变曲线结果表明,不同直径下黑麦草和早熟禾的伸长率均比其他被测植物高,且直径<0. 5mm时,伸长率表现为早熟禾>黑麦草;0. 5mm时,为黑麦草>早熟禾。

  2.3不同护坡植物增强土体抗压特性由看出,含有4种草本植物根系的有根土体和无根土体在受压初期,压缩位移较短,压力较小,反映在土体上的变化情况不明显,土体表面逐渐出现微裂缝;压力继续增大时,部分微裂缝略有增大,但也有部分闭合,总体上对土体的变形影响不大;当压力大于1MPa时,随着压缩位移的增加,反映在土体上的变化情况是裂缝逐渐延长且宽度加大,形成明显的上下贯通的斜向裂缝。最终,微裂缝相互连通,形成劈裂裂缝,平行于压应力方向,此时认为土体在压力作用下最终破坏。土体被破坏后如果继续压缩,土体内的空隙率迅速降低,密实度显著增大,土体开始发生急剧变形,并有部分土体不断向两侧坍塌。当应变定时,垂直方向的应力大小为:0从还可以看出,有根土体在压缩初期0.3cm位移内为弹性阶段,应力随应变的增加基本上呈线性增大;道着应变的增加,压缩位移为0.30.4cm之间,土体处于塑性屈服阶段,应力一应变呈非线性关系,压缩应力缓慢增加,植物根系在本阶段起主要作用,细根与土壤颗粒间的摩擦力和根系的三维网作用,共同提高了根一土复合体的抗压强度。与无根土相比,有根土体在压缩时的应力一应变曲线中表现出更大的变化空间。

  当正压力较小,压缩位移较短时,土体承载的应力较小,土体结构未损坏,土体的抗压性较小,应力一应变曲线变化平滑;之后,随着应变的增大,应力显著增大,曲线上出现应力显著上升的阶段;之后随应变继续加大,压应力迅速增大,土体破损,有根土体的应力应变曲线向无根土体的曲线逼近(P<另外,在弹性阶段时,有根土的抗压强度大于无根土的抗压强度,其抗压强度大小顺序为:黑麦草>早熟禾>白三叶>小冠花;须根系禾本科植物根一土复合体抗压强度大于豆科植物。进入强化阶段,压缩位移为0.着应变的增加,应力呈迅速增大,增长速度远大于弹性阶段此时抗压强度的变化主要由土体本身的抗压特性决定;当应变为1cm时,有根土和无根土的应力趋于平稳。可以看出,在土体受外力作用发生微小变形时,土体内部根系的存在一定程度上可以增大根土复合体的抗压强度。

  2.4不同护坡植物增强土体抗崩解特性由表2可以看出:(1)由于植物根系的作用,4种被测植物有根土样的崩解速率均小于无根土样的崩解速率。白三叶无根土体相对于其余3种植物无根土体的崩解速率较高,主要是因为试验土体中有一块砾石,从而使土壤紧实度下降,土壤颗粒之间的粘结度降低,土体较为分散,当浸没到水中时在较短时间(23.5min)内就完全崩解,导致白三叶无根土的崩解速率比其它植物无根土体的要高。)植物根系对根土复合体抗崩解性有显著增强作用。

  总体上来说,黑麦草的抗崩解性最强,白三叶最差,崩解速率由快到慢依次是白三叶、小冠花、早熟禾、黑麦草。黑麦草的根系对根土复合体抗崩解的贡献最大,0―10cm土层黑麦草根系的存在使根土复合体崩解速率由0.029cm3/min降低到0.005cm3/min,为无根土崩解速率的1/6;早熟禾和白。

  叶根土复合体崩解速率是无根土崩解速率的半;而小冠花根系对崩解速率的影响较小。10―20cm土层除小冠花之外都表现出崩解速率大于0― 10cm,这主要是由于白三叶、黑麦草和早熟禾的根系在0―10cm土层含量较高,根系在土体中穿插交错,形成根一土复合体,起到很好的固土作用,故在水中不易崩解,崩解速率较低,而白三叶在10―20cm土层根系含量上升,因此呈现出与其它植物不同的抗崩解规律(P<0.土样中根系含量和崩解速率具有一定的相关性,经线性拟合可发现,比根长和崩解速率呈线性负相关,满足线无根土体和4种草根一土+00279,相关系数记达0.8066.复合体应力一应变关系曲线比根长越大,根系中细根含量越高,细根可以显著增大根土之间的摩擦力,极大增强土体的固结能力,从而导致崩解速率降低(尸<0.05)。

  本试验测定得出,无根土崩解速率约为29cm3/min,与王峰研究一致。0―10cm土层植物根土复合体开始剧烈崩解的时间在崩解开始5min之后,小冠花由于根系含量及比根长都较低,与土体相互作用的能力较弱,因此最先开始崩解剧烈期并最早进入崩解结束期,其次分别是早熟禾和白三叶;10―20cm土层,几种植物的根土复合体开始剧烈崩解的时间大致相同,且都比0―10cm土层的要早,早熟禾最早进入崩解结束期,其次是小冠花和白三叶(P<0.05)。这种现象的发生可能是由于0―10cm土层根系含量是影响崩解速率的主要决定性因素,但当土层加深时,根土复合体本身的结构强度起主导作用。

  表2崩解速率和比根长关系白三叶小冠花黑麦草早熟禾植物无根土0―10cm有根土10一20cm有根土无根土0―10cm有根土10一20cm有根土无根土0―10cm有根土有根土无根土0―10cm有根土有根土崩解体积/cm3 3结论与讨论黑麦草、小冠花、早熟禾、白三叶4种植物的根系生物量主要集中在表层0―30cm土层中,根系生物量随土层加深呈减少趋势,与acksn研究结果一致。生物量大小依次表现为黑麦草>小冠花>早熟禾>白三叶。

  随着根径的增加,极限抗拉力呈正相关线性增大,大小次序依次为:白三叶>小冠花>早熟禾>黑麦草;抗拉强度均呈幂函数减小趋势,且在相同伸长量时,细根较粗根单位面积上所能承受的拉力大,可塑性强,粗根纤维化,与兰晓玲等研究一致。由此,须根系有很好的护坡作用。

  根系伸长率表现为:禾本科>豆科,但豆科极限抗拉力较禾本科大,禾本科在较大的应变下的应力较小,具有较强的抗变形能力,对于减缓和防止浅层土体的滑塌具有重要意义。

  4种植物抗压强度大小依次为:黑麦草>早熟禾>白三叶>小冠花,崩解速率大小依次为:白三叶>小冠花>早熟禾>黑麦草,须根系植物对土体崩解和被压缩的抵抗力较大,直根系植物较差。含根系较多的根一土复合体能提高土体结构强度,抗崩解性和抗压性。

  比较4种草本植物根系综合护坡效果得出,豆科植物的抗拉力和抗拉强度均大于禾本科植物,但其抗崩解、抗压性均小于禾本科植物,仅两类植物比较来看,禾本科植物护坡效果优于豆科植物,但豆科植物在对环境的适应性方面有禾本科无法替代的优势,所以,两类植物混播种植能发挥更好的护坡作用。

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