喀斯特区2种护坡灌木单根拉拔摩擦试验

郭 欢，陈 龙，唐丽霞，潘 露，阮仕航

(贵州大学林学院，550025，贵阳)

贵州省是典型的喀斯特山区，该区岩溶作用强烈，岩石风化成土速率很慢，土层浅薄且不连续[1]，其生态环境极其脆弱。作为全国第9个县县通高速的省份，边坡破坏不可避免，因此修复边坡、预防水土流失是非常有必要的。

植物在控制土壤侵蚀、边坡治理、生态恢复中扮演了重要的角色[2]。植物对边坡的治理是通过其发达的根系深入到土层来实现对土体的固定[3]。当边坡有滑动趋势时，土体中根系会同时受到拉力作用并在根-土接触面之间产生相对位移趋势，继而产生阻碍根系被拔出的摩擦阻力[4]。根土界面摩擦阻力可将这种产生相对滑动的力转换到根系的抗拉拔特性上，进而增强土体内部的强度[5]。故根-土界面的摩擦特性研究也成为植物固坡分析的焦点。

关于根-土界面摩擦特性研究，目前主要借鉴土工合成材料与土体界面摩擦特性的研究方法[6]。Zhou等[7]和Schwarz等[8]通过野外实验和室内模拟提出了根-土间摩擦力主要是由3种摩擦力共同作用的结果。刑会文等[9]和宋维峰等[10]采用剥皮法分别对油松(Pinustabuliformis)、刺槐(Robiniapseudoacacia)、柠条(Caraganakorshinskii)和沙柳(Salixcheilophila)展开研究，得到土壤密度和土壤含水量对根-土界面摩擦因数有明显的影响。郑力文等[11]人对油松根土界面摩擦特性研究后发现：油松根径与根土摩擦力间呈幂函数正相关。刘亚斌等[12]将带侧根的主根系用水平拉拔的方式来探究黄土区护坡灌木根系的摩擦性能，结果表明：由于侧根的存在，其大幅度的提高根土间的摩擦阻力。田佳等[13]则用有限元对直剪摩擦试验进行数值模拟，研究界面类型、土壤含水率和垂直荷载对花棒(Hedysarumscoparium.)、沙柳根-土界面以及素土-素土界面摩擦特性有显著的影响。以上笔者通过分析含水率、密度、直径、埋深等因素以及利用模型来研究根-土界面的摩擦特性并取得良好的成果。由于喀斯特地区地形和地貌的高度异质性导致区域内植物根系生长具有独特的弯曲形态，部分根系在土壤中螺旋式生长，根系对土壤空间存在觅食特性，所以形态和力学性质有异于其他地区[14-15]，关于该地区护坡树种根土摩擦的研究尚少。以喀斯特区内4年生护坡灌木双荚决明和多花木蓝为研究对象，采用单根拉拔试验进一步分析根径、埋深、树种对根土摩擦特性的影响，为喀斯特区边坡树种的筛选、减少水土流失、固土机制以及防治浅层滑坡提供基础的理论依据。

1 研究区概况

该研究区位于贵州省贵阳市花溪区，地处黔中地区，地理位置为E 104°34′、N 26°34′，海拔1 159 m。研究区属于亚热带湿润季风气候。年均气温在14.9 ℃左右。多年的平均降雨量在1 000～1 400 mm之间，其中5—10月是雨季，多年平均陆地日蒸发量约是550 mm。研究区内植被主要以构树(Broussonetiapapyrifera)、火棘(Pyracanthafortuneana)、荚蒾(Viburnumdilatatum)、鼠李(Rhamnusdavurica)、多花木蓝(Indigoferaamblyantha)、双荚决明(Cassiabicapsularis)等为主。区域内以喀斯特地貌为主，土壤以黄壤和石灰土为主[14]。

2 材料与方法

2.1 试验材料

本研究选取边坡撒种自然生长期为4 a、地径3 cm、长势一致的多花木蓝和双荚决明各20株。多花木蓝及双荚决明因其对生境要求不高，且根系发达且具有较强的穿透力，花美且花期长，是良好的水土保持和边坡绿化树种。试验采用全挖掘的方法采集根系，再而挑拣顺直、生长正常的根系清洗干净，截取长度为100、150和200 mm的根段来研究不同埋深对力的影响。并用精度为0.01 mm的游标卡尺逐一测量直径，将根段分为4个等级，即0～2、2～4、4～6和6～8 mm。

试验土样为石灰土。在与取根处相邻约10 m的裸地，去除表层杂质后向下取土，用环刀法测土壤含水率与土壤干密度，将取好的土壤带回实验室放置洁净通风处风干，去除杂质碾磨过2 mm筛备用。土壤密度和土壤含水量控制为1.43 g/cm3和17.15%(与野外一致)。

2.2 试验方法

本试验所采用的实验仪器分为SK-WDW-2微机控制电子万能试验机和自制试件盒2部分(图1)，试件盒其中一面镂空，与之相邻的一面是可拆卸的活动面，活动面中央部位有一直径为10 mm的圆形孔隙用于放根，试件盒正下方有一圆形套筒，与万能试验机相连形成一个完整的刚体，该设计是针对模拟单根或群根的垂直拉拔。按照设定好的土壤容重和含水率配制好土样，称取适量土样平均分成5等份，依次装入试件盒，分5次击实，经过预实验得到锤击18下方能达到预设土壤密度。每次击实完成后对土层表面凿毛再添加下一层土壤。前2层土壤击入后，第3份土壤需分2次倒入，先倒一半，然后将根系从圆形孔隙中放入且按100、150和200 mm，3种不同埋深放置后再倒入另一半。依次完成5层土壤的击实。横梁在100 mm/min的加载速率作用下开始拉拔摩擦试验，每组试验重复3次。

图1 示意图Fig.1 Schematic diagram

2.3 计算方法

2.3.1 摩擦系数 通过借鉴解明曙[16]提出的综合法μx的推导过程知道，处于深度为z处的单位长度根系与土壤的摩擦力为

f=2πμγsrz。

(1)

通过换算得到根土界面摩擦系数计算公式：

(2)

式中：μ为根土摩擦系数；γs为土壤密度，g/m3；r为半径，mm；d为根径，mm；ρd为土壤干密度，g/cm3；ω为土壤含水率，%；g为重力加速度，m/s2；L为根段所处深度，mm。

2.3.2 摩阻强度 将单位面积单根拉拔摩擦力设为单根拉拔摩阻强τf[11]，即

(3)

式中：F为最大摩擦力，N；l为埋置深度，mm。

2.3.3 数据处理 运用Excel 2019进行数据整理和图表绘制，SPSS 22.0软件进行数据的相关分析。

3 结果与分析

3.1 根土界面摩擦系数

摩擦系数反映物体表面的粗糙程度，也是2种物体相互接触产生力的大小程度的表现。为深入探究2种灌木在区内固土效果的差异性，由式(2)可算出不同树种的根土界面的摩擦系数。其结果如表1所示：在土壤含水率为17.15%、土壤干密度为1.43 g/cm3基础条件下，双荚决明根系与土体间的摩擦系数随埋置深度的增加从0.299 2减小至0.230 3；多花木蓝根-土间摩擦系数则是随埋深的增加先增大再减小，最大值0.231 8出现在150 mm出。其中双荚决明根土间平均摩擦系数为0.268 8±0.029，多花木蓝根土间平均摩擦系数为0.202 8±0.026。不难看出，双荚决明根土摩擦系数同比多花木蓝增大31.95%，说明双荚决明的摩擦作用较多花木蓝强。

表1 2种灌木根-土间摩擦系数计算结果Tab.1 Calculated root-soil friction coefficients of two shrubs

3.2 根土间摩擦力与拔出位移关系

该试验控制其土壤含水量、土壤干密度和加载速率一致，并且试验在匀速条件下进行，所以认为仪器的拉拔力与根系的摩擦阻力大小相等、方向相反。拉拔过程曲线如图2所示，双荚决明和多花木蓝拉拔力与根系滑移的关系曲线均表现出相似的变化规律。根系与土壤作用过程分别经历3个阶段：第Ⅰ阶段为-黏性摩擦阶段，该阶段几乎呈线性关系上升。在根系被拔出初期，随着荷载继续增加，其摩擦力迅速达到峰值，当拔出力达到峰值(最大静摩擦力)后，根系在土壤中开始发生滑移。该阶段双荚决明和多花木蓝的拔出力峰值分别为91.50和78.95 N，且对应的位移分别为2.73和3.56 mm；当拉拔力大于最大静摩擦力后，根系抵抗外力的能力发生“屈服”，并根系表面与土体间有一定磨损，导致根系表面和土壤界面受到破坏，土壤颗粒重新排列组合，使得根-土间的接触面积大幅度缩小，摩擦力开始迅速下降，此过程为第Ⅱ阶段-脱黏摩擦阶段，在此阶段中双荚决明和多花木蓝单根释放力的过程位移约为80和60 mm；随着根系继续被拔出，根-土界面结构完全被破坏，根段被拔出的空间范围变大，两者间的作用面积愈来愈小，便是第Ⅲ阶段-键合摩擦阶段。

图2 2种灌木摩擦力与拔出位移关系曲线Fig.2 Relationship curve between the friction force and pulling displacement of two shrubs

3.3 根系埋深长度对摩擦力的影响

根系密度、根径、长度及根的分布形态，地下生物量越大，根系分布越深，保水持土能力越强，植物的抗逆性也越强。本研究以100、150和200 mm的埋深长度为基础来探讨根系埋深对根-土间相互作用力的影响。由箱型图3可以看出，在3个不同根系埋深长度条件下，其中多花木蓝单根最小摩擦力依次为12.70、19.30和33.25 N；最大摩擦力为83.60、101.85和110.65 N。双荚决明的单根最小摩擦力依次为5.50、23.10及36.95 N；最大力则为79.35 (离群值)、171.25以及172.10 N。其次，当埋深从100变为150 mm的过程中多花木蓝摩擦力的均值增长率为57.58%，双荚决明的增长率为190.39%；埋深从150变为200 mm的过程中多花木蓝和双荚决明摩擦力的均值增长率只有6.52%和0.43%。表明埋深在100～150 mm间的力值增幅较大，说明在喀斯特区浅薄的土壤空间中其固土效果较为优良。双荚决明和多花木蓝根系与土体间产生的摩擦力是伴随着埋深100～200 mm的增加而相继增大。

图3 根系埋深长度与摩擦力的关系Fig.3 Relationship between root buried length and friction force

3.4 根系直径与根土间摩擦力的关系

埋深为100、150和200 mm情况下，双荚决明和多花木蓝根径与其最大摩擦力呈现出显著的正线性关系。从4a和b图中的拟合曲线可分析到，其中决定系数的值都>0.7，所以其拟合程度较高且有较高的可靠性，根径对2种灌木根系摩擦力的影响是十分明显的。根径在<2 mm时，2种灌木间的根土摩擦力都<40 N且相差无几。而随着根径的变化，2树种间差异逐渐变大，其中双荚决明拟合方程的斜率分别为9.593、25.045和22.422，而多花木蓝的斜率分别为9.711、14.514和14.390。显然，双荚决明在埋深150和200 mm中拟合曲线斜率分别是多花木蓝斜率的1.72倍和1.56倍。在同一根径水平下，双荚决明根-土间产生的摩擦力远大于多花木蓝。此外，将其换算成不同直径根段单位面积上的摩擦力，即摩阻强度。通过SPSS线性拟合分析，其结果如表2所示：从R2可以看出双荚决明和多花木蓝在不同埋深情况下的拟合程度都比较低，单位面积上的摩擦力大小随直径的变化有极低的显著性(P=0.013<0.05)，除此之外都无显著变化(P>0.05)。

图4 2种灌木单根最大摩擦力与根径关系Fig.4 Relationship between maximum friction force and root diameters of two shrubs

表2 2种灌木根径与摩阻强度回归方程Tab.2 Regression equation between diameter and friction strength of two shrubs

4 讨论

4.1 破坏方式

在拉拔试验中，根系的破坏方式只有一种—拔出破坏，这与Ji等[17]研究结果有所差异：单根在被拔出的过程中会发生拔断破坏和拔出破坏2种破坏方式，直径在<3 mm时容易出现拉断情况。刘亚斌等[18]在研究柠条锦鸡儿根系过程中也表现出完整拔出型、断裂拔出型及周皮滑移拔出型3种方式。而在本研究中并未出现拉断或周皮脱落的情况，经判断出现这两种情况的原因有：一是根系自身含水率较高；二是相互作用力过大导致细根断裂。这是由于土壤质地以及植物根系力学特性等原因造成的不同结果。如土体含水率的增加使根土界面上的自由水增加，从而根土复合体中的孔隙水压力增大而有效应力减小，从而降低了根土的界面摩擦。其次上述研究所用土样为黄土，其土体颗粒间接触相对紧密，没有明显孔隙发育现象，且土体颗粒相互拼接镶嵌排列，这样在根系与土壤接触时能有效的增加两者间的接触面积，从而增大摩擦力[19]。

4.2 摩擦系数

研究发现2种灌木根-土间的摩擦系数与刘亚斌等[12]在研究黄土区灌木柠条锦鸡儿根系过程中的结果有较大差异，其在土壤含水率为15.1%，密度为1.65 g/cm3的条件下得到柠条锦鸡儿根-土间静摩擦系数为0.738 9±0.04。并且与曹云生等[20]研究冀北山地森林生态系统的4种主要乔木根系试验中结果也截然不同，4种乔木根系与土壤界面的平均摩擦系数分别为0.646 7±0.115 0、0.644 6±0.135 4、0.616 3±0.115 8、0.508 8±0.128 8。夏振尧等[21]表明根系表面特征和土体含水率的变化对根系拉拔剪应力和根土界面摩擦系数的影响较为显著。朱宏慧[22]发现低液限黏土与柠条根-土界面的摩擦系数>低液限粉土>粉土质砂>砒砂岩风化土，这说明土壤类型也是影响摩擦系数的内因之一。喀斯特地貌上虽然地形起伏较大，但小生境的多样性和严酷性使植被类型也具特殊性，研究喀斯特区植物根系摩擦特性还有待进一步深入研究和改善。

4.3 根径

前文所述的根径和埋深对根土摩擦力有着明显的影响。夏振尧等[21]发现各径级多花木蓝根系表面凹凸度无显著性差异，也不是根径越大的根系对根土界面的摩阻作用越大，而是多花木蓝的根径在1.0～2.5 mm时固土抗裂能力较强。刘亚斌等[19]采用扫描电镜观察方法证实根-土界面摩擦特性主要取决于根表面粗糙程度。为进一步探究2种树种的差异，分别将根径1.23、3.42和5.66 mm的多花木蓝和1.27、3.15和5.34 mm的双荚决明置于50倍的电镜下扫描。由图5可见多花木蓝根系表面都呈现出一种堆积的鳞片状，鳞片表面比较光滑；而双荚决明表面则是呈现出密集的纵向裂纹并且裂纹间形成带状的槽口。相比之下，双荚决明根系表面结构较为粗糙、复杂。因此，双荚决明根-土间摩擦系数会相对偏大，在土体中所发挥的摩擦力也大于多花木蓝。通过初步探索，造成树种间单根摩擦力大小的差异在于根系表皮微观结构所导致，探明植物根皮微观结构特征有利于更加定性化解释根系固土效果，也有利于强化固土理论机制。

图5 2种灌木单根SEM图Fig.5 SEM of single roots of two shrubs

5 结论

1)双荚决明根皮表面呈密集的纵向裂纹并形成槽口，多花木蓝根皮表面则呈鳞片状；双荚决明根-土摩擦系数大于多花木蓝，双荚决明根系增强土体强度及抵抗变形破坏能力优于多花木蓝。

2)单根拉拔与土壤界面摩擦过程中，力与位移关系特征曲线分别经历3个阶段：黏性摩擦阶段、脱黏摩擦阶段以及键合摩擦阶段。根系受拉拔作用时其抗拔出力愈大，且产生的位移愈小，则该灌木对控制边坡土体变形的能力亦愈强。

3)双荚决明和多花木蓝根系与土体间产生的摩擦力在100～200 mm之间相继增大，植被根系在土体中的延伸越长，所发挥的摩擦力越大，埋深在100～150 mm间的力值增幅较大，在喀斯特区浅薄的土壤空间中有效提高固土效果。

4)双荚决明和多花木蓝根径与其最大摩擦力呈现出显著的正线性关系；且双荚决明的根径对根-土摩擦力的影响更为明显；而根径在0～8 mm范围内，单根单位面积上的摩擦力则无显著差异(P>0.05)。