植物根系在邊坡生態(tài)防護(hù)中的應(yīng)用

1、植物根系在邊坡生態(tài)防護(hù)中的作用黃曉樂主要內(nèi)容1 土壤的有關(guān)概念和認(rèn)識2 根系與土壤抗侵蝕能力3 根系與土壤抗剪強(qiáng)度1.1 土壤及土壤肥力土壤是地球陸地外表能夠生長植物的疏松表層，是一個(gè)獨(dú)立的歷史自然體。它不僅具有自身的發(fā)生開展過程，而且是一個(gè)能從物質(zhì)組成、形態(tài)、結(jié)構(gòu)和功能上進(jìn)行剖析的物質(zhì)實(shí)體，也是一個(gè)無機(jī)物和有機(jī)物、非生物和生物相結(jié)合的物體。土壤肥力實(shí)質(zhì)上是土壤中水、肥、氣、熱四個(gè)因素之間的協(xié)調(diào)程度，以及能否滿足植物生長過程中的各種需求。1.2 土壤礦物質(zhì)組成從起源來說，土壤中的礦物質(zhì)包括了巖石碎屑、原生礦物和次生礦物三個(gè)局部。巖屑是大塊巖石破壞后的殘屑，仍然是一種礦物質(zhì)的集合體，是土壤中最粗

2、大的成分，常以礫石和粗砂的形式出現(xiàn)。原生礦物是巖屑被進(jìn)一步分解破壞礦物集合體分散后的單獨(dú)的礦物晶體，在成分上和結(jié)構(gòu)上與原始母巖中的礦物一致。原生礦物的晶體相對較大，在土壤中多以砂粒和粉粒的形式出現(xiàn)。次生礦物是原生礦物化學(xué)風(fēng)化或蝕變后的新型礦物，是在疏松母質(zhì)發(fā)育和土壤形成作用進(jìn)行時(shí)形成的，多屬粘粒一級，如鋁硅酸鹽粘粒(高嶺石、蒙脫石、伊利石等)和鐵、鋁的氧化物等。顆組名稱直徑(mm)礫石 2.00粗砂2.00-0.2細(xì)砂0.2-0.02粉砂0.02-0.002粘粒3 mm的大粒級水穩(wěn)性團(tuán)聚體增加,從而增強(qiáng)土壤抗分散、抗懸浮的能力.植物根系特別是大量須根的存在增加土壤團(tuán)聚體含量。此外： 1)根系生

3、長對土壤所施加的壓力使土壤單體擠壓在一起,形成團(tuán)聚體; 2)當(dāng)根系附近水分被植物吸收時(shí),土壤水分的減少有利于土壤顆粒聚集形成水穩(wěn)性團(tuán)聚體; 2.2 根系對土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定作用李勇等 在深入研究植物根系對土壤抗沖性影響的根底上指出，根系不但具有改善土壤物理性質(zhì)，增加土壤非毛管孔隙度，強(qiáng)化降水就地入滲的水文生態(tài)功能;而且根系尤其是1mm徑級的須根，具有穩(wěn)定土層結(jié)構(gòu)，增加土壤2mm粒級水穩(wěn)性團(tuán)粒及有機(jī)質(zhì)含量，創(chuàng)造抗沖性土體構(gòu)型的生物動(dòng)力學(xué)性質(zhì)之功能。根系對提高土壤滲透性的作用主要是根系能將土壤單粒粘結(jié)起來,同時(shí)也能將板結(jié)密實(shí)的土體分散,并通過根系自身的腐解和轉(zhuǎn)化合成腐殖質(zhì),使土壤有良好團(tuán)聚結(jié)構(gòu)和孔隙狀

4、況.一方面使土壤的透水性即復(fù)合體的滲透系數(shù)增大,接納雨水的能力增強(qiáng);另一方面,根與莖在其連接處,即根頸部位形成微型攔土柵阻止土粒搬運(yùn),使土粒在根莖連接處沉積而形成許多微型濾水土體,這些濾水土體就像一個(gè)個(gè)微型土壩一樣,分別在其所在位置攔住徑流去向,使其減緩,地面滯水量增大,從而使徑流沿程滲透水量增大。2.3 植物根系增強(qiáng)土壤滲透性2.4 抗侵蝕性實(shí)驗(yàn)1靜水崩解法 取約5cm見方的原狀土樣，裝在孔徑1cm見方的鐵絲籠內(nèi)，放在靜水或流水中，測定其崩解速度，用以說明土壤抗沖性的強(qiáng)弱。 用這種方法所測得的數(shù)據(jù)，在一定程度上與土壤抗沖性有相關(guān)關(guān)系，但還很難直接反映土壤抗沖性的實(shí)質(zhì)。 前蘇聯(lián)學(xué)者古薩克曾用小

5、型土槽(寬1cm、長28cm)，內(nèi)裝風(fēng)干、磨碎、過篩的擾動(dòng)土樣作放水沖刷試驗(yàn)，測定不同流速下每沖走100cm3土所需水量，以此作為抗沖性指標(biāo)。 索波列夫所設(shè)計(jì)的抗沖儀進(jìn)行測驗(yàn)，用噴射水柱壓力流沖刷土壤剖面所造成的土坑的大小來測定土壤可蝕性。 此方法能相對說明土壤抗沖性的強(qiáng)弱，由于土壤的受力情況與實(shí)際侵蝕過程中土壤的受力情況相差較大.所以很難對土壤抗沖性進(jìn)行定量分析。2原狀土沖刷測定法1964年，蔣定生設(shè)計(jì)了專門的沖刷槽，用特制的長形環(huán)刀3X4x20cm3采原狀土樣，將土樣放置槽中進(jìn)行放水沖刷試驗(yàn)；1987年，蔣定生設(shè)計(jì)的沖刷槽進(jìn)行了改進(jìn)，增大了取樣器的盡寸，將試樣增大10 x7x20cm3 。

6、 蘇寧虎、李勇郎等采用擴(kuò)大尺寸的取樣器(10 x20 x10cm3)，以減小采樣時(shí)對土體的擾動(dòng)；劉國彬等在穩(wěn)流水槽上加一層砂子，以增加粗糙度，減緩流速，使之更接近坡面實(shí)際情況。2原狀土沖刷測定法 周佩華等在小區(qū)下方設(shè)集流槽和分水箱，從小區(qū)流出的泥水，經(jīng)分水箱流入橫斷面恒定的集流桶，根據(jù)集流桶中的水位變化過程，即可推算出小區(qū)的徑流過程。每隔一定時(shí)間取泥水樣一次，測定其含沙量，并推算該時(shí)段小區(qū)的沖刷量。為了使消防車放出之水能均勻流入小區(qū)，在小區(qū)上方，布設(shè)一個(gè)用白鐵皮制作的簸箕形水槽，水放入槽內(nèi)，然后均勻地流入小區(qū)，并隨機(jī)聚集為股流，(3) 實(shí)地放水沖刷法 實(shí)地放水沖刷，即在野外設(shè)置一定尺寸的小區(qū)，

7、在上方按不同流量放水使土壤在徑流作用下進(jìn)行沖刷試驗(yàn)。4室外降雨模型劉海松等降雨沖刷對黃土公路邊坡植物防護(hù)影響的試驗(yàn)研究*采用植物防護(hù)技術(shù)的高速公路中選取3種不同防護(hù)措施厚層基材植草公路邊坡、三維網(wǎng)植草公路邊坡以及平臺植樹公路邊坡進(jìn)行人工降雨沖刷試驗(yàn)，模擬當(dāng)?shù)亟涤陮Σ煌愋椭参锓雷o(hù)技術(shù)的黃土公路邊坡的侵蝕，測定其在一定的降雨強(qiáng)度下徑流量和含泥量隨時(shí)間的變化規(guī)律。3.1 植物根系與土壤抗剪強(qiáng)度土壤的抗剪強(qiáng)度與土壤的顆粒組成、土壤容重、土壤含水率等因素密切相關(guān)。植物根系的存在能明顯地改善土壤的物理性質(zhì),因而在一定條件下,可以把土壤抗剪強(qiáng)度的增加歸結(jié)為植物根系存在的結(jié)果。3.2 根系固坡的力學(xué)模型 當(dāng)

8、土體中有剪切力發(fā)生時(shí),根的錯(cuò)動(dòng)位移使根內(nèi)產(chǎn)生拉力，根被拉斷的瞬間發(fā)揮出抗拉強(qiáng)度Tr，切線方向的分量Trsin可抵抗剪切變形，直接增加土壤抗剪強(qiáng)度；沿法線方向的分量Trcos可增加剪切面上的法向應(yīng)力，該分量對抗剪強(qiáng)度的增量 tan。 根土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度的增量為： S=S1+S2=Tr(sin+costan)1 Wu-Waldron模型對于穿過剪切面上所有發(fā)揮作用的根系而言，土體抗剪強(qiáng)度的增量那么變?yōu)? S=TR(AR/AS)(sin+costan) TR剪切面所有發(fā)揮作用的根系平均抗拉強(qiáng)度；AR剪切面所有發(fā)揮作用的根系截面積之和；AS為土體截面積；AR/AS根系截面積與土體截面積之比,稱為根面積

9、比(root area ratio, RAR). (AR=Ni Ai, TR=Ti Ni Ai/Ni Ai)Wu等在野外及室內(nèi)實(shí)驗(yàn)根底上，發(fā)現(xiàn)(sin+ costan)對、的通常變化范圍(4070,2040)不敏感,其值根本保持在1013范圍內(nèi),因此,穿過剪切面上的所有根系對土體抗剪強(qiáng)度的增量通常簡寫為: S =12TR(AR/AS)這就是說，根系產(chǎn)生的土體抗剪強(qiáng)度的增量與根系的平均抗拉強(qiáng)度和根面積比成正比.這一簡化的Wu-Waldron模型是迄今為止解釋植物根系增強(qiáng)坡體穩(wěn)定性最直觀、最簡單、最有效的模型之一。 1Wu-Waldron模型 設(shè)邊坡淺層有一潛在的滑動(dòng)面AB，與水平面的夾角為。在滑

10、動(dòng)面上ABB A上，某穿過滑動(dòng)面的根R，其與x、Y、z 坐標(biāo)軸的夾角分別為i、i、i，設(shè)根R所承受的拉力為Ni，拉力Ni在x方向的分量對邊坡土體不起加固作用，故不考慮，其在Y、z方向上的分量：2 空間分析模型Y方向抗滑力增加量為：Z方向抗滑力增加量為：根系增加的總抗滑力為：剪切面上所有根系對增加的抗剪強(qiáng)度：2 空間分析模型對于某邊坡而言、均為定值，可設(shè)：令根系的兩個(gè)當(dāng)量拉力N1、N2分別為：那么邊坡的穩(wěn)定系數(shù): 為邊坡土體內(nèi)摩擦角；G為上覆土的重量抗剪強(qiáng)度2 空間分析模型如圖：破壞面上側(cè)的各根的破壞方式可能不一樣，所以其拉力N的計(jì)算也不一樣，有如下2種狀態(tài)：(1)假設(shè)植物根系從土體中被拔出，那

11、么其所受的最大荷載以其抗拔力計(jì)算，那么：(2)假設(shè)植物沒被拔出，那么其所受的最大荷載以其抗拉強(qiáng)度計(jì)算，那么：2 空間分析模型根系分類：水平根、垂直根和須根 / 淺細(xì)根和深粗根 / 散生根型、主直根型和水平根型一般認(rèn)為生態(tài)防護(hù)的主要作用機(jī)理是植物根系對邊坡土體的三維錨固作用。植物的垂直根系穿過坡體淺層的松散風(fēng)化層,錨固到穩(wěn)定層,起到錨桿作用,在土壤表層及下覆風(fēng)化殘積層中盤根錯(cuò)結(jié)的根系,可視為三維加筋材料,增加了土體的凝聚力。植物根系在土壤中縱橫穿插生長,與土壤團(tuán)粒、水分、微生物、礦質(zhì)元素、膠體物質(zhì)等相互吸引生成一種特殊的材料,即土壤-根系復(fù)合體。當(dāng)作用力很小時(shí)土壤-根系復(fù)合體有微量變形,并且因土

12、壤、根系本身的能量儲(chǔ)存而到達(dá)平衡;當(dāng)作用力解除時(shí),復(fù)合體將在一定程度上恢復(fù)變形。因此土壤-根系復(fù)合體可視為由多相組分構(gòu)成的具有彈性的復(fù)合材料。3.3 植物根系抗剪強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)影響植物根系抗剪強(qiáng)度的因素：根系形態(tài)、根系抗拉強(qiáng)度、含根量、含水量等實(shí)驗(yàn)：室外剪切、室內(nèi)直剪實(shí)驗(yàn)/三軸試驗(yàn)，比照無根系土樣； 一般來說，根隨著深度增加在土中的含量越來越少，衡量根在土中的含量的一個(gè)常用的指標(biāo)是“根的面積比率(簡記為RAR)，它指的是在一個(gè)土層斷面上(水平斷面或垂直斷面)根的截面面積占總斷面面積的比率。根的面積比率是深度的函數(shù)。代全厚、張力(1998)等人通過測定發(fā)現(xiàn)抗剪強(qiáng)度均是表土層大于底土層,植物根系有較強(qiáng)的固持土壤功能,土壤穩(wěn)定性與植物根量關(guān)系密切,根量大,其抗剪強(qiáng)度就大,土體的抗剪強(qiáng)度與根量呈顯著的正相關(guān)(r=0.981 4)a.含根量對抗剪強(qiáng)度的影響由植物品種、生長環(huán)境、季節(jié)、根的直徑、根的生長方位以及測試方法(測量風(fēng)干的根還是濕根)等等造成的。根的強(qiáng)度可以到達(dá)70 MP