宿迁市公路边坡绿化常见草本植物根系固土特性研究

罗东志，沈建军，张 俊，陈西林

(1.宿迁市高速铁路建设发展有限公司，江苏 宿迁 223800；2.苏交科集团检测认证有限公司，江苏 南京 210000)

城市道路或高速公路的土石边坡，如果在没有任何防护措施的情况下，极易形成松散的土体结构，在外界水力、风力、重力作用或人为活动干扰下，极易产生失稳滑坡的现象，造成严重的水土流失，对公路边坡生态稳定性及行车安全产生较大的威胁，因此，必须对公路土石边坡进行侵蚀防控。在长期的生产实践中，人们发现利用植物措施进行侵蚀防控是科学有效而且成本较低的一种生态防护措施。在土石边坡人工建造植被，形成生态防护体系，并与相应的工程措施结合，是一种有效的边坡防护措施，能够对松散坡面进行加固，从而减少侵蚀量并有效地控制水土流失发生[1]。目前，植物根系固土相关的研究理论认为：植物根系与土体形成的根—土复合体能够有效地增强土体的抗剪强度，防止土体发生搓动或者位移变形，能够避免土体滑动坍塌。在植物根系固土功能中，植物根系在土体中的分布特征、根系单根的抗拉拔能力、根—土复合体的抗剪切能力，决定了植物根系所能发挥的固土效能，也是植物控制土体滑坡的关键要素。对于大部分公路土石边坡，草本植物是理想且首选的绿化植物，其具有良好的绿化效果，同时还能对坡面形成防护，减轻雨水的直接击溅，起到很好的水土保持和固土护坡作用。因此，本研究选择宿迁市公路土石边坡常见的草本植物高羊茅(Festucaarundinacea)作为研究对象，通过植物学和材料力学的研究手段，对该植物根系的分布特征和抗拉力学特性进行研究，以期为宿迁市公路土石边坡生态防护中的植物物种选择及植被类型配置提供理论依据和科学支撑。

1 材料与方法

1.1 根系密度及分布特征测定

土体中植物根系分布密度的测定采用全挖法[2]，分别在土层0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm和30～40 cm处进行4次根系密度测定，使用计数法标定每个土层中的根系数量。土体中根系分布特征的测定采用根系生物量表示[3]，即测定体积为 1 000 cm3土体中所有高羊茅根系的生物量。用清水慢慢冲洗掉粘附在根系上的土壤，然后用试纸把根系干燥定型并置于烘箱中，采用65℃的温度烘干至恒重，用电子天平称量其干重即为根系生物量。

1.2 根系抗拉强度试验

植被护坡主要是依靠植物根系在土壤中的加筋作用，在衡量植物根系的固坡能力时，根系的抗拉力是一个重要的检测指标。明确其根系直径与最大抗拉力之间的关系；对比相同根系直径下最大抗拉力和抗拉强度的大小，得出其固土能力的大小。试验根为长8 cm的直根段。试验根制备好后，开始拉拔测定。根系直径相对来说均很小，一般都小于1 mm。目前关于根系抗拉力的试验没有统一的标准规范，根据刘世奇[4]采用的试验方法，加以改进并得到了试验所需的研究装置(图1)。

1.固定铁架；2.夹子；3.毛根；4.弹簧秤；5.沙袋

试验中，先将植被根系的一端固定在铁架台上，同时，再将另一端吊与一个沙袋相连，持续往沙包里加沙子，当根被拉断那一刻，停止加沙，然后将沙子倒出，进行称重。最后，测量根系断面的直径，由于断面呈不标准的圆形，所以测量3次并求其平均值作为根系的直径。由此，建立了抗拉强度的计算公式如下：

P=4F/πD2

式中:P为根系的抗拉强度；F为根系的最大抗拉力；D为根系断面的直径。

2 结果与分析

2.1 高羊茅根系分布特征

以往研究表明，草本植物通常以须根为主[5]，直径≤1.0 mm 的根系能够对土体产生明显的加固作用[6]。因此，本试验把直径1.0 mm 作为根径区分点进行分类统计(表1)。

表1 高羊茅根系密度与土层深度的关系

由表1可知，直径≤1.0 mm 的根系密度大于直径>1.0 mm 的根系，说明高羊茅根系在浅层土壤中的分布主要以直径≤1.0 mm的形式存在。已有一些研究表明[7]，土壤的抗冲性与直径≤1.0 mm 径级的须根密度的分布特征有着密切关系，而且草本植物在土体固持方面细根的贡献作用要明显大于粗根。高羊茅有效根密度(直径≤1.0 mm)在土体中的缠绕和穿插，显著增加土壤孔隙度，提升土壤渗透性，减弱水分在坡面的汇流[8]，这种穿插缠绕能够形成根系网，将松散的土壤颗粒缠绕和包裹，提高土壤团聚体的比例，增强其黏结度，从而对土体产生较大的凝聚力，防止被水力冲刷流失。单株高羊茅草根系的分布范围就是其根系网作用力所能辐射的区域，而成片的高羊茅草生长在一起，根系网相互交错，进而使土体抵抗流水冲刷的能力增大。

植物根系生物量可以作为反映植物在该层土壤内生长状况的主要指标，在某一土层范围内积累的根系生物量越多，根系累计的体积、表面积、根系长度就越大，其固土能力就越强。高羊茅根系生物量与土层深度的关系见表2。

表2 高羊茅根系生物量与土层深度的关系

由表2可知，高羊茅根系生物量随土层深度(0～40 cm)的增加而减少，0、10、20、30、40 cm处的平均根生物量分别为2.08、1.69、1.13、0.83、0.48 g/1 000 cm3，生物量与土壤深度呈现指数函数关系。由此可知，高羊茅在浅层土壤的固持方面贡献更大。

2.2 高羊茅根系抗拉特性

植物根系的抗拉力和抗拉强度反映了根系这种生物材料在抵抗外力拉拔时能够对土体发挥的最大作用力。本次实验选取了长短不等的高羊茅根系进行试验，根据测试所得的根系直径、抗拉力数据，可计算试验根的抗拉强度。不同直径下试验根的最大抗拉力强度统计见表3。

由表3可知，高羊茅根系的单根抗拉力与根系直径之间呈正相关关系，即抗拉力随着直径的增大而增大；而抗拉强度与直径之间呈负相关关系，即抗拉强度随着直径的增大而减小。在10个测试样本中，高羊茅根系断面直径最小的为0.12 mm，最大的为1.13 mm；其抗拉力最小的为2.33 N，最大的为13.78 N。不同直径下高羊茅根系的抗拉强度见表4。

表3 高羊茅根系抗拉力和根系直径关系

由表4可知，高羊茅的不同根系抗拉强度试验中的最大拉力范围为1.68～10.24 N，抗拉强度范围为38.81～82.06 MPa。在大多数研究资料中，植物根系的极限抗拉力均表现出随根径增长而逐渐变大的趋势，这种根系材料力学特性的变化应该与其解剖结构有关[9-11]。随着高羊茅根系直径的逐渐增长，其横截面中的纤维素和木质素会逐渐充填于细胞中，所占比例逐渐增加，从而提高了单根的抗拉力。同时，在高羊茅的不断生长过程中，根系中的木质素也在不断增长和积累，并充填于纤维之间，从而能够明显提升根系抵抗外力的能力。对高羊茅根系的拉力与根径进行回归分析，发现二者的关系符合二次三项式，而且具有显著相关性，这与学者对其他灌草植物的相关研究结论一致[12]。

表4 高羊茅根系抗拉强度和根系直径的关系

3 结论

高羊茅根系密度随土层深度增加而明显降低，二者符合指数函数关系；根系生物量与土层深度之间也同样符合指数函数关系。高羊茅根系在生长过程中，根径逐渐增大，细胞排列变得更为紧密，最大抗拉力表现为随根径增长而提高，二者符合二次函数关系。单根抗拉力越大，抵抗形变的能力越好，固土能力也随之增强；抗拉强度随根系直径的增大而减小，其规律服从指数函数关系分布。通过抗拉强度的计算公式不难发现，当给予一定的外力时，由于根系加粗，横截面积增大，单位面积上受到的力越小，根系抵抗力越强，不容易断裂。高羊茅根系平均最大抗拉力为5.98 N，平均抗拉强度为59.90 MPa。总体来说，根据高羊茅根系的分布特征和抗拉力学特性，高羊茅根系的固土护坡作用较大，是一种优良的固土护坡植物，在公路土石边坡生态防护中能够发挥重要作用。