植物根系对土质边坡稳定性的影响

曹婷婷，葛磊

（陕西省土地工程建设集团有限责任公司，陕西地建土地工程技术研究院有限责任公司，陕西西安 710075）

边坡土壤在自然降水、蒸发条件下常处于干湿交替状态。土壤湿润时膨胀，干旱时收缩[1-2]，特别是对于膨胀性土壤而言，胀缩过程及其产生的危害性更加明显。土壤中含有大量的蒙脱石、伊利石等粘粒矿物，会随土壤中含水量的变化产生较大程度的收缩。因气候原因导致的降雨、蒸发所引起的土壤中含水量的瞬时变化均会使土壤发生胀缩现象[3]。通过吸水，土壤湿度增高，体积膨胀并形成膨胀压力；通过缩水，土壤因为失水会在轴向和径向方向进行收缩，并随着失水量的增加，土壤的收缩形变逐渐增强，最终会引起土体裂缝，且随着失水量的逐渐增加，土体裂缝面积及裂缝长度也会逐渐呈增大趋势[4]。土壤的显著膨胀现象对于土质边坡防护具有显著影响，是土质边坡防治重点。

在土质边坡防治方面，土体通过吸水发生膨胀进而强度下降；通过失水发生收缩，产生较大裂隙，反复的膨胀收缩会严重破坏土体结构，使得土体结构松散，并产生严重裂隙，从而为土体风化、风蚀创造了根本条件。因此在降雨时，会发生大面积的地质滑坡现象，引发地质灾害。在绿化工程中，土壤收缩会产生较大裂缝，可能会影响土体给予作物供水，使得植物根系产生机械撕裂，对绿化效果产生严重影响[4]。除此之外，土壤裂缝会导致土壤水分运移发生改变，进而导致随土壤水分运移的溶质迁移也发生改变；更严重的是，因为裂隙空间会使得土壤中流在裂隙处产生优先流，引起土体养分流失问题。受当地地质环境影响，这种存在于土体裂隙中的优先流会造成地下水污染等一系列生态问题。因此，对于土体膨胀特性的研究是土地工程研究的热点问题。

1 土壤胀缩特性研究进展

土壤胀缩是土壤含水量等土壤性质在外界环境条件下综合作用的结果。国内外对土壤的收缩特性进行了大量研究，Stolte J等[5]研究表明42%的线膨胀系数与土体中粘粒含量有显著相关性，且土体中裂缝宽度与粘粒含量有显著相关性。Beven K等[6]研究表明，土体组分的矿物类型对土壤胀缩特性的作用显著高于粘粒含量对土壤胀缩特性的影响，富含高岭石或者云母的粗质地类粘土线膨胀系数值小于0.03；但是对于主要构成组分为蒙脱石粘土的土体，其线膨胀系数值范围处于0.03～0.18。因此，土体的线膨胀系数数值很大程度上与蒙脱石含量相关。通过对黏土的粒级进行分类，研究线膨胀系数数值与细黏土含量间的关系发现，两者具有极强显著性。郑健等人[7]研究表明土壤的比表面积与线膨胀系数数值显著相关。因此，对于土壤胀缩潜力的研究表明，土壤颗粒的比表面积与土壤组分及土壤中粘粒含量均有相关性。

2 植物根系保护效应研究

植物护坡具有见效快、持效时间长、经济廉价、促进生物多样性等诸多方面的优势，已被逐渐广泛应用。国内外对于植物根系在稳定土壤结构、提高土壤抗蚀性、增强土壤抗剪强度及增强土壤渗透性能等方向进行了大量的研究。邢旭光等[8]对黄土高原的抗冲性成因、不同植物根系对边坡防护的生物动力学性质进行了全面研究，并重点关注了根系强化土壤抗冲性的有效性及其对土壤物理特性的影响。熊燕梅等[9]通过对草地植被恢复不同时期土壤抗蚀变化进行研究，发现根系对强化土壤抗冲性有网络串连作用、根土粘结作用及根系生物化学作用3种方式。陈安强等[10]研究表明不同根系直径及根系的横向和纵向分布对土壤抗剪强度有显著影响，且土壤抗剪强度增量与根系生物量之间呈线性正比关系，根系抗拉强与土壤抗剪强度成正比。王云琦等[11]研究表明作物根系对土壤抗冲性能的影响主要是根据根系粘结土壤单粒的能力，同时根系也会将板结密实的土体分散开来，随着根系的腐殖化过程，使得土体改善为具备良好团聚结构及孔隙状况的优良结构。根系对土体抗冲性能的效果主要取决于有效根密度及根系在土体中的环绕情况，研究表明有效根密度是影响土壤抗冲特性的关键性因子。植物大量的根系（侧根、须根）互相缠绕、盘根错节，在土体内形成具有强大抗张强度的根网，使得根系周围的土壤紧紧被根网包裹，根系与土壤成为一体。且植物深粗的垂直根系能够扎入较深的土层中，使得根系浅层土壤受根系牵制力被其固定在土体深处较为稳定的土层，对土体结构稳定性有较好的促进作用。诸多研究表明植物根系对有效防治水土流失、治理边坡表浅层滑坡、提高边坡浅表层土体的强度和稳定性有着非常重要的意义。但目前众多研究工作的目标主要集中在根系对土壤抗蚀效果的影响方面，而植物根系对土壤胀缩特性的影响及影响机理研究仍属空白领域。

3 结语

植物根系在土壤中的缠绕加筋作用对土壤胀缩过程存在一定的阻滞作用，而根系对于土壤胀缩特性的影响目前并未量化，且不同径级细根对土壤胀缩的影响效果至今尚无定论。因此，可选择不同护坡作物通过研究不同作物根系对土壤胀缩特性的影响，明确根系对土壤胀缩的阻滞机制，探究植物根系不同径级对土壤胀缩特性的影响程度，揭示生物固坡护坡的科学机理，筛选出适于不同类型护坡工程的绿化植被，这对地质条件相似地区的坡面裂隙防治具有重大的指导意义。