滑坡区毛竹根系生长分布及其护坡效果研究

，

(1.贵州省地质环境监测院， 贵阳 550031；2.贵州省环境地质研究所， 贵阳 550031； 3.中国水利水电科学研究院 泥沙研究所，北京 100048；4.水利部水土保持生态工程技术研究中心，北京 100048 )

滑坡区毛竹根系生长分布及其护坡效果研究

杨麒麟1，2，李柏3,4

(1.贵州省地质环境监测院， 贵阳 550031；2.贵州省环境地质研究所， 贵阳 550031； 3.中国水利水电科学研究院 泥沙研究所，北京 100048；4.水利部水土保持生态工程技术研究中心，北京 100048 )

为研究护坡毛竹根(茎)系的生长、分布及其护坡效果，于2012—2016年对七星关区(原毕节市)何官屯镇北部大渔洞村某处毛竹生态护坡措施进行了为期5 a的调查监测研究。通过实地挖根及动态监测技术方法对研究区毛竹根(茎)系的生长、分布及其护坡效果等进行了调查研究。结果表明：毛竹种植后，毛竹根(茎)系的生物量逐年增加，根状茎的生物量增加速度高于根系的生物量增加速度；毛竹根(茎)系长度在水平方向上逐年增加，但增加幅度逐年递减，在2015—2016年研究区毛竹根(茎)系达到郁闭；研究区毛竹根(茎)系长度在垂直水平方向上逐年增加，但幅度逐年递减；研究区种植当年的护坡效果不明显，之后滑坡体沿坡面向下的平均位移量逐年递减，且在2015—2016年有趋于稳定的趋势。综合分析认为：研究区毛竹护坡随着种植年限增加，根系生长,其护坡能力大大增强，滑坡体在2015—2016年趋于稳定，毛竹护坡达到了预期的护坡效果，能够为今后同类地区滑坡的治理提供参考和借鉴作用。

生态护坡；滑坡区；毛竹根系; 实地挖根；动态监测

1 研究背景

近年来，随着人们对生态环境认知的增加，生态可持续发展的理念逐渐被大家接受，但目前在我国丘陵区、山区的一些滑坡、泥石流地区，群众对退耕还林、还草等生态措施较为抵制。归其原因在于，目前国家推广的生态修复措施大多数不具备较为直接的经济效益，退耕后老百姓的收入减少，生活困难，从而就会抵制甚至破坏各种生态修复政策及措施。在这种背景下，迫切需要找到一种既能保护水土、维持边坡稳定、提高生态效益，同时又能持续稳定经济回报价值的生物材料，来进行生态修复工程。

毛竹作为我国栽培历史悠久、面积最广的竹种，其竿形粗大，具有很高的经济价值[1]：宜供建筑用，如梁柱、棚架、脚手架等;篾性优良，供编织各种粗细的用具及工艺品;枝梢作扫帚;嫩竹及竿箨作造纸原料;笋味美，鲜食或加工制成玉兰片、笋干、笋衣等。与此同时，根据余芹芹等[2]、张兴玲等[3]、李华坦等[4]的研究，植物根系对坡体具有类似于钢筋混凝土中钢筋的“加筋作用”，毛竹根系由于含有独特的纤维结构，根系抗拉能力较强，因此毛竹护坡相对于其他植物，具有较好的坡面防治效果。

本文以我国南方常见植物“毛竹”为研究对象，通过调查和监测等方法，对毛竹根系生物量、空间分布的动态变化进行研究，明确了毛竹的边坡防护效果，对其应用前景进行了分析论证，希望能够对于今后我国边坡防治措施的研究与发展提供一定的参考和借鉴。

2 研究对象及研究区概况

2.1 研究对象

毛竹(Phyllostachys heterocycla (Carr.) Mitford cv.Pubescens)：禾本科刚竹属，单轴散生型常绿乔木状竹类植物，竿高可达20多米，粗可达20多厘米。中国是毛竹的故乡，自秦岭、汉水流域至长江流域以南和台湾省，黄河流域也有多处栽培。毛竹林多分布在亚热带湿润气候区，分布于400～800 m的丘陵、低山山麓地带，适宜年均温16～20 ℃，年降水量100～2 000 mm，相对湿度80%以上。土壤适宜排水良好的酸性、中性紫色土、黄壤土或红黄壤。毛竹造林方法有移竹造林、移鞭造林、截秆移兜造林、实生苗造林和鞭节育苗造林等。

2.2 研究区概况

研究区位于七星关区(原毕节市)何官屯镇北部大渔洞村大渔洞。距何官屯镇驻地约3.5 km，堆积区地理坐标为105°14′23″E， 27°23′27″N,属暖温带季风湿润气候，雨量充沛，气候温和，冬无严寒，夏无酷暑，无霜期较长。气候特点：多雨雾，少日照，温差大，年平均气温11.8 ℃。

在2012年综合实地勘察的基础上，冲门口泥石流沟进行了沟域的综合治理工程，主要采取了工程措施和生物措施相结合的综合治理措施。其中，在几处滑坡区，笔者采用了密度均匀栽植毛竹的生物护坡措施，栽植毛竹采用同期苗木，株行距为1 m×1 m种植，同等管护条件，总治理面积为1.2 hm2。图1为某处滑坡区治理现场。

图1 滑坡区治理现场Fig.1 Photos of landslide area before and after treatment

3 研究内容与方法

3.1 研究内容

本文主要的研究内容为研究区毛竹根(茎)系生物量的动态变化，根(茎)系水平方向上的分布情况及其动态变化，根(茎)系垂直方向上的分布情况其动态变化，滑坡体沿坡面向下位移量的动态变化情况。

3.2 研究方法

3.2.1 毛竹根(茎)系分布及生物量的动态变化

为了保证2012年4种植毛竹的成活率，减少人为扰动，关于毛竹根(茎)系生物量的研究于2014年4月进行，2016年4月结束，共进行了3次整体挖根试验[5]。每次调查随机选取研究区10个2 m×2 m的调查样方，且保证3次调查区域不相互重叠，避免调查区域相同造成数据误差。

由于研究区毛竹栽植株行距为1 m×1 m，因此随机选取一棵中心植株，以其为基点分别向四个方向延伸1 m，即可围成2 m×2 m的正方形样方，沿样方边缘垂直于坡面向下打入硬板，固定后采用手工挖掘和水冲的方法将样方内的土壤由地表向地下逐层清除，整体挖根过程中，选取中心植株的整株根(茎)系为测量对象，测量其根(茎)系水平方向上的长度和垂直方向上的深度。

样方内土壤全部清除后，将植株整体挖出，并将其根(茎)系分类后，进行烘干称重。

3.2.2 滑坡体沿坡面向下位移量的动态变化情况

在研究区沿坡体选取40个监测点位，分为5行，每行8个监测样点，行与行间距为5 m，点与点间距5 m，中间行位于滑坡体中部，在每个监测垂直于坡面插入30 cm的钢钎，钢钎顶部露出地表2 cm；同时在滑坡体外侧10～20 m左右的地点设定5个固定基准点，为保证基准点的稳定性和准确度，固定基准点采用长2 m、直径2 cm的钢钎垂直于地面,将其固定在基岩中，2012—2016年间每年10月，采用激光测距的方法计算其位移量，并统计在表1。

4 结果与分析

4.1 根(茎)系生物量

毛竹的地下茎为单轴散生[6]，根据试验设计，将2013—2016年冲门口毛竹地下根系单位面积生物量的调查数据统计整理成表2。并根据表2数据绘制成图2毛竹地下根(茎)生物量密度图。通过表2可以看出，研究区毛竹根系、地下茎的生物量都在逐年增加，但毛竹根系生物量5年涨了3.37倍，毛竹根状茎5年涨了4.09倍。这说明，毛竹地下茎的生物量增加速度高于毛竹根系的生物量增加速度。分析原因认为，毛竹根状茎具有储藏营养物质的功能，由根系吸收的营养物质会有相当一部分贮存在根状茎中，从而导致其生物量增加迅速。

从图2毛竹地下根(茎)生物量密度趋势图中可以看出，2015—2016年，根状茎的增加幅度相对于2012—2014,2014—2015年有明显的增加。分析原因认为主要是由于2016年研究区毛竹开始萌发竹笋，统计时将其算为根状茎的生物量，从而导致2015—2016年间根状茎的生物量增加明显。毛竹根系生物量的增加，能够增加毛竹根系的固土能力，提高毛竹的边坡防护效果。

表1监测点位沿坡面向下位移量统计
Table1Statisticaldataofdownwarddisplacementofmonitoringpointsalongtheslope

监测点各年份坡面向下的位移/cm20122013201420152016监测点各年份坡面向下的位移/cm201220132014201520161011.22.10.90.32107.72.70.50.0206.83.11.20.12205.92.20.90.1307.51.21.10.62304.43.11.00.2403.53.50.80.524010.91.51.50.4508.51.31.31.12501.91.70.50.5606.66.42.40.52605.63.40.80.3707.53.80.40.227012.31.90.71.2807.34.10.80.12809.42.41.20.2902.92.91.00.12904.92.91.10.51007.14.50.90.33003.13.10.90.41105.65.12.30.93109.71.10.50.11204.62.31.60.33208.70.90.80.51306.32.81.20.53306.52.60.60.11405.23.30.70.43404.63.31.20.51503.63.21.30.835011.11.81.20.61604.62.80.80.13604.72.50.90.21709.92.40.91.13705.53.90.91.218012.11.61.20.23806.52.52.10.91906.84.20.10.53901.71.80.50.52003.63.50.90.44007.92.21.20.1

表2 毛竹地下根(茎)系生物量年度统计Table 2 Annual biomass of bamboo root (stem) system

图2 毛竹地下根(茎)生物量密度趋势Fig.2 Trends of biomass density of bamboo root(stem) system

4.2 根(茎)系分布

毛竹地下根(茎)水平分布和垂直分布见图3。

图3 毛竹地下根(茎)水平分布和垂直分布Fig.3 Horizontal distribution and vertical distribution of bamboo root (stem) system

4.2.1 根(茎)系水平分布

根据研究区3次挖根调查数据，以植株为圆心，横向最长根(茎)系的平均长度为半径，绘制毛竹根(茎)系水平方向的分布图(图3(a))。

从图3(a)中可以看出，毛竹根(茎)系水平方向上长度的增加幅度由逐年递减的趋势，且2015—2016年期间，相邻两株毛竹的根系出现重叠区域。分析原因认为，根系的生长需要的营养物质来自于植物体的光合作用，因此离主干越远分配的营养物质就相对越少，从而导致其生长减速；与此同时，由于植物间竞争作用，随着毛竹根(茎)系的生长，与邻近的毛竹产生竞争，导致生长受到抑制，减缓其生长速度。

郁闭度指森林中乔木树冠在阳光直射下在地面的总投影面积(冠幅)与此林地(林分)总面积的比，它反映林分的密度[7]。本文根据植物郁闭度的概念，创新性地提出了“根系郁闭度”的概念，指植物根系在垂直于地面方向上的投影面积与地面总面积的比，同时规定同种林分中，相邻两株植物根系在水平方向上出现交接时，认为该组林分根系达到郁闭。

根据雷相科等[8]关于根系固土方面的研究，植物护坡的功能主要通过地下根系来实现。而当根系达到郁闭时，原来单一的“点状”根系护坡，由于根系间的交错，达到“面状”的根系护坡系统，从而使植物的护坡效果成倍的增加。综合分析认为，研究区植株间距为1 m的毛竹护坡在2015—2016年间达到根系郁闭，并在之后形成面状的根系网，边坡稳定能力迅速增加，从而使得研究区域的滑坡体得到稳定。

4.2.2 根(茎)系垂直分布

根据研究区3次挖根调查数据，以地面为起点，纵向最长根(茎)系的平均长度为深度，绘制毛竹根(茎)系垂直方向的分布图(图3(b))。

根据图3(b)可以看出，毛竹根(茎)系在垂直方向上有逐年递增的趋势，但递增幅度逐年减缓。分析原因认为，研究土层厚土为1 m左右，且下层砂石较多，质地较硬，不利于植物根系的生长，因此,垂直方向根(茎)系增长幅度减缓。

根据文伟等[9]的研究，坡面植物体垂直方向上根系生物量的增加能够增加坡体水平方向的抗剪切应力，从而促进坡体的稳定。但本次研究区由于本身土层厚度的局限性，不能够充分显示毛竹根系垂直方向上的生长状况，因而后期还需通过其他的实验进行验证。综合分析认为，研究区毛竹护坡根(茎)系在垂直方向的增加，有利于促进坡体稳定，能够起到稳定坡体的效果。

4.3 滑坡体位移

本文对研究区40个滑坡体位移监测点位，从2012年10月—2016年10月进行了连续5 a的动态监测，将所得数据绘制成表1。规定2012年初始位移量为0。

图4 监测点位沿坡面向下平均位移量趋势Fig.4 Trend of average downward displacement of monitoring points along the slope

通过表1中监测点位沿坡面向下位移量统计数据，计算每年40个监测点位的评价位移量，并将其绘制成图4。

根据表1和图4，笔者可以看出研究区采用毛竹护坡后的第1年，即2013年,滑坡体沿坡面向下的平均位移量为6.6 cm，说明采用栽植毛竹护坡的第1年，毛竹根系对坡面的固定作用不大；而之后2014年滑坡体沿坡面向下的平均位移量为2.79 cm，说明毛竹护坡开始发挥一定的作用；2015年和2016年该数值进一步下降，并有趋于稳定的趋向，说明随着毛竹的生长，根系固土能力进一步增加，逐渐使滑坡体达到稳定。

根据滑坡体沿坡面向下位移量的数据，笔者发现栽植株行距为1 m×1 m的毛竹护坡后，随着毛竹的生长，根(茎)系固土能力的增加，坡体于2015—2016年间有达到稳定的趋势，而结合本文3.2节中关于毛竹根(茎)系的研究，2015—2016年研究区毛竹根(茎)系达到郁闭。因此,本文大胆地猜想，判断毛竹护坡区域稳定的标志是毛竹根(茎)系达到“郁闭”，如果这个猜想成立，可以为今后毛竹护坡下坡体稳定性的判定提供一个指标，但还需更多的试验来进行验证。

5 结论与展望

本文通过连续多年的调查监测研究，通过对数据结果的综合分析得出以下结论。

(1) 毛竹种植后，毛竹根(茎)系的生物量逐年增加，根状茎的生物量增加速度高于根系的生物量增加速度，毛竹根(茎)系生物量的增加，有利于增加毛竹的护坡效果。

(2) 研究区毛竹根(茎)系长度在水平方向上逐年增加，但增加幅度逐年递减，在2015—2016年研究区毛竹根(茎)系达到郁闭；研究区毛竹根(茎)系长度在垂直水平方向上逐年增加，但增加幅度逐年递减。

(3) 毛竹种植当年的护坡效果不明显，之后随之其根系的生长，滑坡体沿坡面向下的平均位移量逐年递减，且在2015—2016年有趋于稳定的趋势，猜想坡体达到稳定可能与根系达到郁闭有关。

根据毛竹的生长特性，毛竹一般于种植5 a后即可成材，且开始增发新笋，因此可以认为采用毛竹护坡在种植5 a后即可获得经济收益。综合各种生态效益、经济效益和社会效益等各种因素，笔者认为利用毛竹护坡在我国有巨大的前景，可以广泛应用于我国南方地区的山坡治理。

值得注意的是，根据相关研究和本次措施实践，毛竹的种植对土层厚度要求比较高，土层厚度一般在30 cm以上才能保证其成活率，因此在实际的推广应用过程中，也要因地制宜，不能盲目进行种植。

[1] 曹先磊,吴伟光.不同地区毛竹林经营的经济效益与固碳能力分析—基于福建、浙江与江西的对比[J].林业资源管理,2015，37(1):64-70.

[2] 余芹芹,乔 娜,卢海静,等.植物根系对土体加筋效应的研究[J].岩石力学与工程学报,2012,31(增1):3216-3223.

[3] 张兴玲,胡夏嵩.青藏高原东北部黄土区草本植物根系加筋土的抗剪特性[J].水土保持通报,2013,33(4):185-188.

[4] 李华坦,胡夏嵩,赵玉娇,等.植物根系增强土体抗剪强度机理研究进展[J].人民黄河,2014,36(8):97-100.

[5] 矫 震,王道杰,谢 洪,等.云南省东川银合欢林区重塑土三轴抗剪强度实验研究[J].水土保持通报,2012,32(6):93-97.

[6] 张云伟,喻 勇,王大龙,等.单轴散生竹地下根茎并行模拟仿真研究[J].农业机械学报,2014,45(4):271-275.

[7] 李永宁,张宾兰,秦淑英,等.郁闭度及其测定方法研究与应用[J].世界林业研究,2008,21(1):40-46.

[8] 雷相科,张雪彪,杨启红,等.植物根系抗拉力学性能研究进展[J].浙江农林大学学报,2016,33(4):703-711.

[9] 文 伟,李光范,胡 伟,等.浅层滑坡中的乔木根系阻滑效应及变形特性试验研究[J].防灾减灾工程学报,2016，36(4):588-594.

(编辑：刘运飞)

Growth Distribution of Bamboo Root System in LandslideArea and Its Slope Protection Effect

YANG Qi-lin1，2,LI Bai3，4

(1.Guizhou Institute of Geoenvironment Monitoring,Guiyang 550031,China; 2.Guizhou Research Institute of Environment and Geology,Guiyang 550031,China; 3.Department of Sediment Research,China Institute of Water Resources and Hydropower Research,Beijing 100048,China; 4.Research Center on Soil and Water Conservation of the Ministry of Water Resources,Beijing 100048,China)

In the aim of studying the growth and distribution of bamboo root(stem) system and its protection effect on slope,a 5-year investigation on ecological protection by bamboo was carried out in a village at Bijie City from 2012 to 2016.Field digging and dynamic monitoring technique were used in the area for the investigation.Results showed that 1) biomass of bamboo root(stem) system increased year by year after bamboo planting,and biomass increase of rhizomes was faster than that of root system; 2) in horizontal and vertical directions,the length of bamboo root system gradually increased,but the increasing rate alleviated over years,and the root(stem) system reached canopy in 2015-2016; 3) at the beginning,protection effect of bamboo on the slope was not obvious,then the average downward displacement of landslide body along the slope gradually decreased and showed a stable tendency in 2015-2016.In conclusion,the slope protection effect of bamboo greatly improved with the increase of planting age and the growth of root system,for the landslide body tended to be stable in 2015-2016.The results could be taken as reference for landslide treatment in similar areas.

ecological slope protection; landslide region; bamboo root system; field root-digging; dynamic monitoring

P642.23

A

1001-5485(2017)10-0045-05

2017-01-23；

2017-02-27

杨麒麟(1986-)，男，侗族，贵州镇远人，工程师，硕士研究生，主要从事水文地质、工程地质、环境地质方面的研究，(电话)13765067850(电子信箱)yqL70@qq.com。

10.11988/ckyyb.20170091 2017,34(10):45-49