PP织物袋梯田护坎植物根-土复合体抗剪强度研究

杨晨辉，李光录，杨 娟，魏 舟，王新功

(1.西北农林科技大学 资源环境学院，陕西 杨凌 712100；2.千阳县水土保持工作站，陕西 千阳 721100)

陕南秦巴山区土坎梯田垮坎现象极为严重[1]，主要是因为土壤黏性大、雨多强度大等自然因素和修筑质量差、无植物护埂甚至破坏地边埂等不合理的人为因素造成的[2-3]。针对以上问题，陕西省水保局选用聚丙烯土工织物袋(简称PP织物袋)作为梯田筑坎材料，并通过在商州区、洋县等地试验，验证其应用和推广前景[4-5]。PP织物袋本身无毒、无害，对农作物生产无副作用，且使用寿命长，能透水保土，便于绿化，草本植物种植在PP织物袋田坎上不仅可以产生一定的经济效益，而且可利用草本发达的根系与袋内土体共同作用加固梯田埂坎。

周德培、张俊云认为，根系护坡的力学效应主要表现在草本植物浅层根系的加筋效应和木本植物深层根系的锚固作用上[6]。杨亚川以草本植被为研究对象，将根系与土壤视为一体，提出了“土壤-根系复合体”的新概念，简称复合体，并将土壤-根系复合体抵抗直剪破坏的极限能力称为土壤-根系复合体的抗剪强度[7]。研究人员对不同种类植物根系进行剪切试验，并对比无根系土壤的抗剪强度，结果表明：土壤-根系复合体可以明显提高土体的抗剪强度，且抗剪强度与穿过剪切面的含根量有着直接的关系，随含根量的增加而提高[8-14]。宋维峰和石明强将根系在土壤中的分布形态抽象为水平、垂直和复合分布3种，并通过剪切试验，得出其固土护坡效果为复合根系>垂直根系>水平根系[15-16]。Gray和Abe等认为根系所产生的剪力强度增量主要提升土壤的黏聚力，而对内摩擦角的影响甚微[17-19]。陈昌富等通过三轴压缩试验研究了以狗尾草根为筋材的加筋土，得出草根加筋土服从摩尔-库仑强度破坏准则，而且草根加筋土的加筋原理基本上可以用准黏聚力原理来解释[20]。

国内学者将土工织物袋以多种形式结合植物用于加固堤防、修复受损湖岸及城市建设[21-23]，但并未在力学方面对种植在土工织物袋上的草本植物做研究。本试验通过在PP织物袋田坎上种植5种常用生态护坡草本植物(黑麦草、高羊茅、白三叶、紫花苜蓿、山麦冬)，并现场取样进行室内直剪试验，分析不同草本根-土复合体的抗剪强度，以筛选出最佳的护坎植物。

1 材料与方法

1.1 研究地概况

研究地布设在陕西省杨凌区(东经108°03′46″，北纬34°15′59″)，海拔454 m，属暖温带半湿润季风气候区，四季分明，年平均气温12.9 ℃，极端最高气温42 ℃，极端最低气温-19.4 ℃；年均降水量637.6 mm，主要集中在7—10月，占多年平均降水量的60%；年平均蒸发量884 mm，全年无霜期221 d。试验地土壤为塿土，主要理化性质见表1。

表1 塿土主要理化性质

1.2 试验设计

PP织物带梯田田坎高1 m，长12 m，埂坎坡度为75°，布设PP织物袋7层，织物袋装土后规格为100 cm×40 cm×14.3 cm，两层间错位3.8 cm。将山麦冬、紫花苜蓿、白三叶、黑麦草、高羊茅5种多年生草本植物布设在PP织物袋筑坎的梯田田坎上，每种植物布设长度为2 m，剩余2 m作为PP织物袋空白样地对照。6块样地统一管理，定时定量浇水并适时进行杂草清除和病虫害防治。5种草本的种植时间是2012年8月，取样时间是2013年8月。

表2 试验植物栽植及初期观测指标

1.3 试验方法

取样时，将PP织物袋剖开，在靠近植物根部的部分用环刀沿垂直方向、水平方向分别取样，每层织物袋取土样12个(3组)，每种植物取4层织物袋，共取样48个(12组)。将各组试样在50、100、200、400 kPa垂直压力下进行快剪试验，得到不同垂直压力下的剪应力，并通过线性回归拟合推算出每种植物根-土复合体的黏聚力和内摩擦角。

1.4 抗剪强度计算

用应变控制式直剪仪(ZJ型)测定根-土复合体的抗剪强度指标，试样直径为6.18 cm，高为2.0 cm。直剪仪剪切盒的量力环率定系数为C=1.908 N/0.01 mm。试样的剪应力计算公式为

式中：τ为剪应力，kPa；C为测力计(量力环)率定系数，N/0.01 mm；R为测力计读数，0.01 mm；A0为试样面积，cm2；10为单位换算系数。

以抗剪强度为纵坐标，垂直压力为横坐标，进行线性回归，绘制抗剪强度与垂直压力的关系曲线，并用SPSS18.0统计软件包对数据进行统计学计算。

2 结果与分析

2.1 植物根系生长分布情况

5种草本植物的根系在袋内沿水平和垂直方向生长，85%～95%的根系生长在植株所在袋层内。高羊茅、黑麦草根系发达，多为丛状，根系直径均≤1 mm，在植株所在袋层，根系水平生长在30 cm范围内，垂直可穿透该层土袋，在袋底形成根网，增加了两层袋间的摩擦力；山麦冬根稍粗，近末端处常膨大成矩圆形、纺锤形小块根，根径均匀，水平生长在20 cm范围内，垂直生长在10 cm以内，不会穿透土袋；白三叶分枝多，匍匐枝匍地生长，节间着地即生根，根系可穿透土袋扎入下层土中0～2 cm；紫花苜蓿主根发达，长可达30～45 cm，侧根有3～5根，长10～20 cm，根系可穿透植株所在袋层扎入下层土袋中0～5 cm。对两层带植物织物袋进行破坏时，抗拉力最大的为紫花苜蓿，其次为白三叶、黑麦草、高羊茅，最小的为山麦冬。

2.2 根-土复合体抗剪强度线性拟合关系

将各组试样直剪试验所得不同垂直压力下的抗剪强度(表3)进行线性拟合，得到5种草本植物根-土复合体与无根土样对照的抗剪强度与垂直压力关系曲线，见图1。

表3 植物根-土复合体的抗剪强度

图1 各组土样的抗剪强度

由表3及图1可看出，在含水率和含根量相近的情况下，高羊茅、山麦冬、黑麦草、白三叶、紫花苜蓿的根-土复合体抗剪强度值均高于无根土样，但同无根土样一样，均随着垂直压力的增大而增强。直剪试验是现场取样，植物根系在土壤中保持自然分布形态，而不同植物在试样内的分布形态不同，因而同一垂直压力下，不同植物的抗剪强度值不同，且随着垂直压力的增加，抗剪强度值的增加幅度不同。

2.3 抗剪强度指标分析

根据线性回归模型，计算出各组试样的黏聚力c和内摩擦角φ，结果见表4。

表4 土样线性回归模型及抗剪强度指标的比较

计算结果表明：高羊茅、山麦冬、黑麦草、白三叶、紫花苜蓿的根-土复合体及无根土样的抗剪强度线性回归模型与库仑强度公式τ=σtanφ+с相一致，且相关系数最大达0.999 2，最小为0.978 3，说明用直线回归拟合根-土复合体的抗剪强度效果非常好，即5种草本的根-土复合体服从摩尔-库仑强度破坏准则。

从图1和表3、4可知，5种草本的抗剪强度线在坐标纵轴上的截距都高于无根土样的，说明5种草本皆对PP织物袋内土体的抗剪强度有增强作用；根-土复合体的抗剪强度线与无根土样的基本平行，说明根-土复合体的内摩擦角与无根土样的内摩擦角相比，变化并不明显，其变化范围为-0.2°～0.8°；而5种草本根-土复合体的黏聚力大小为白三叶>黑麦草>紫花苜蓿>高羊茅>山麦冬，与无根土样的10.157 kPa相比，分别增大了56.3%、51.1%、50.7%、30.9%、15.2%。因此，认为5种草本对土壤抗剪强度的增加更多地表现在黏聚力的增加上，对土壤内摩擦角的影响不大。同时，说明5种草本植物中白三叶对PP织物袋内土壤抗剪强度的增强效果最好，黑麦草、紫花苜蓿次之，高羊茅一般，山麦冬最差。

由图2、图3可看出，5种草本的黏聚力因植物种的不同而不同，内摩擦角均不大，其数值较利用扰动土及植物根系室内制备根-土复合体试样的试验数值要小。其原因为：植物种植在两层PP织物袋之间的错位处，取样时，环刀内的根系多呈水平或倾斜状态，根系与剪切断面的角度较小，且试样仅高2 cm，含根量平均仅为0.15 mg/cm3左右。5种草本对土体抗剪强度的增强效果依次为白三叶>黑麦草>紫花苜蓿>高羊茅>山麦冬，其原因为：取样时5种草本的植株密度分别为220～260、310～340、200～230、290～320、110～150株/m2，在直剪试样含根量相同的情况下，因山麦冬的根系平均单根质量最大，故其根系数量最少，与土壤接触的表面积小，与土体间摩擦阻力也小，所以其根-土复合体的抗剪切能力最小。研究发现根-土复合体抗剪强度的提高主要是由直径<1 mm的根系与土壤之间的摩擦来实现的[24]。白三叶、黑麦草、紫花苜蓿对袋内土体抗剪强度增强效果相差不大，但均比高羊茅大。黑麦草根系数量最多且长，在所在袋层中有较多分布；白三叶根系则因节间着地即生根而比较发达，在所在袋层中有较多分布且根径分布均匀；高羊茅根系比较发达，但数量上少于黑麦草。白三叶、黑麦草、高羊茅及紫花苜蓿4种草本在土壤中均可基本形成三维网络结构，与土壤接触的表面积大，与土体间的摩擦阻力也大，所以其根-土复合体的抗剪切能力强，但是紫花苜蓿根系较白三叶、黑麦草、高羊茅少，且根径分布极不均匀，在土壤中形成的三维网络结构不如白三叶、黑麦草2种草本牢固。

图2 植物根-土复合体黏聚力分析

图3 植物根-土复合体内摩擦角分析

3 结 论

对PP织物袋梯田田坎上种植一年的黑麦草、高羊茅、白三叶、紫花苜蓿、山麦冬的根-土复合体试样进行直剪试验，与空白织物袋内无根土样的抗剪强度对照得出以下结论：

(1)山麦冬、高羊茅、黑麦草、白三叶、紫花苜蓿5种草本皆对PP织物袋内土体的抗剪强度有增强作用。

(2)根-土复合体的黏聚力表现为白三叶>黑麦草>紫花苜蓿>高羊茅>山麦冬，与无根土样相比，分别增大了56.3%、51.1%、50.7%、30.9%、15.2%，但是根-土复合体的内摩擦角与无根土样相比，仅变化了-0.2°～0.8°，变化不明显，因此认为5种草本对土壤抗剪强度的增加更多地表现在黏聚力的增加上，对土壤内摩擦角的影响不大。

(3)5种草本植物中白三叶对PP织物袋内土壤抗剪强度的增强效果最好，黑麦草、紫花苜蓿次之，高羊茅一般，山麦冬最差。因此，固土护坎最优的草本是白三叶，其次是黑麦草和紫花苜蓿。这为PP织物袋筑坎技术在陕南的推广应用及种植适宜植物以合理利用梯田田坎提供了理论依据。

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