陜北林草混交根土復(fù)合體抗剪強度研究

王 月, 杜 峰, 周 敏, 張馨月, 張贇贇

( 1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 林學(xué)院, 陜西 楊凌 712100; 2.中國科學(xué)院 水利部水土保持研究所, 陜西 楊凌 712100; 3.中國科學(xué)院 水利部 水土保持研究所 黃土高原土壤侵蝕與干旱農(nóng)業(yè)國家重點實驗室, 陜西 楊凌 712100; 4.西北農(nóng)林科技大學(xué) 水土保持研究所, 陜西 楊凌 712100)

我國黃土區(qū)植被退化嚴(yán)重，土質(zhì)疏松且裂隙發(fā)育，透水性極強，加之多暴雨等天氣的作用，滑坡、崩塌、水土流失等地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)。同時黃土區(qū)長期受到西部大開發(fā)等人為活動的干擾，大量的施工、建設(shè)項目等不可避免地出現(xiàn)了一些人工坡面，這些邊坡若不加以合理保護，將進(jìn)一步加劇黃土區(qū)地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)育[1-2]。以抗滑樁、擋土墻等為代表的傳統(tǒng)剛性護坡方式，存在造價高且破壞原有生態(tài)環(huán)境的弊端，而植被護坡的生態(tài)措施對小型邊坡進(jìn)行治理不僅能有效地恢復(fù)和改善生態(tài)環(huán)境，且造價相對較低[3-6]。

植被護坡是以植物或植物與工程措施相結(jié)合的形式來提高坡體的穩(wěn)定性和抗侵蝕能力的一種生物工程措施，其主要機理是利用植物的根系根植在土壤中，既能在邊坡生態(tài)防護的前期起到了較大的“加筋”作用又能在后期起到一定的“錨固”作用，從而提高邊坡根土復(fù)合體的抗剪強度，達(dá)到加固邊坡的目的[7-8]。國內(nèi)外大量研究和實踐表明，采用喬、灌、藤、草的林草一體化高穩(wěn)定生態(tài)護坡模式進(jìn)行生態(tài)恢復(fù)，不僅能有效地降低在采礦區(qū)、路基邊坡以及渠道等地區(qū)的山體滑坡、水土流失等地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生頻率和程度，還能有效地快速恢復(fù)植被、改善生態(tài)環(huán)境，其已成為邊坡生態(tài)重建的技術(shù)發(fā)展方向[9-15]。然而，關(guān)于喬、灌、藤、草的林草一體化高穩(wěn)定生態(tài)護坡模式的開發(fā)和應(yīng)用，尤其是關(guān)于林草混合根系的力學(xué)效應(yīng)研究，我國仍處于探索階段。這主要是由于林草一體化生態(tài)護坡模式的植被種類復(fù)雜多樣、根系網(wǎng)絡(luò)盤根錯節(jié)，使根系的護坡性能呈現(xiàn)復(fù)雜多變的特征，特別是植被護坡中的根土相互作用機理的研究尚不全面[16-17]。

林草混交根系與根土復(fù)合體的抗剪強度的定性定量的研究，是林草護坡技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用的基礎(chǔ)理論工作，對治理黃土邊坡水土流失、防止滑坡和崩塌以及改善生態(tài)環(huán)境具有重要的理論價值和廣闊的工程應(yīng)用前景[17-18]。本研究所處地區(qū)為陜北黃土高原地區(qū)，其90%以上為黃綿土，透水性極強，因此試驗選擇適用的慢剪操作進(jìn)行抗剪強度試驗，同時選取黃土邊坡本土喬木——小葉楊和樹下常見草本植物——白羊草的林草混合原狀土為研究對象，對原狀土進(jìn)行室內(nèi)慢剪試驗和單根的抗拉試驗，研究林草混交根系的護坡規(guī)律。

1　試驗材料與方法

1.1　試驗樣地概況

研究區(qū)位于陜西省延安市安塞縣高橋鄉(xiāng)(109°11.168′—109°12.585′E，36°39.143′—36°40.226′N)，屬于典型的黃土丘陵溝壑區(qū)。年平均降水量在490.5～663.3 mm，其中6—8月降水量占全年降水的60%～80%，且多以暴雨形式出現(xiàn)，年際變化大；土壤以黃綿土為主，占90%以上，基本處于半熟化狀態(tài)且肥力低下，土壤容重約為1.12g/cm3，土壤孔隙度為57.77%。研究區(qū)人工植被多為21世紀(jì)初進(jìn)行“陜北地區(qū)退耕還林還草工程”時所栽植，人工栽植及當(dāng)?shù)氐貛灾脖恢饕N有林木：小葉楊(PopulussimoniiCarr.)、山楊(Populusdavidiana)、刺槐(Robiniapseudoacacia)等；灌木：狼牙刺(Sophoraviciifolia)、沙棘(HippophaerhamnoidesLinn.)等；林下草本植物有白羊草(Bothriochloaischaemum)、達(dá)烏里胡枝子(Lespedezadahurica)、長芒草(Stipabungeana)和硬質(zhì)早熟禾(Poasphondylodes)等。2016年7月，為研究具有不同根系分布特征的喬草混植對根—土復(fù)合體的抗剪增強作用，分析二者根系形態(tài)和力學(xué)特征參數(shù)對抗剪增強的貢獻(xiàn)和作用方式，試驗樣地選擇除小葉楊和白羊草外，無其他植物生長，且所選取的單株小葉楊距周圍其他喬灌木4 m左右。樣地立地條件具體情況如下：試驗樣地位于半陽坡，坡度35°左右。小葉楊胸徑為10 cm，樹齡為14 a，株高4.5 m；林下白羊草有4叢，高達(dá)1.3 m，地上生物量為0.36 kg/m2，其中林下蓋度達(dá)70%左右。

1.2　樣品采集

為方便取樣，割除白羊草的地上莖葉部分后，在西北上坡方向，以小葉楊為起點，畫出邊長為1 m的正方形，在此區(qū)間內(nèi)豎直向下分層(每層為10 cm：分別按0—10，10—20，20—30，30—40,40—50,50—60，60—70,70—80,80—90，90—100 cm的土壤層進(jìn)行取樣)。首先利用手動剪切儀(南京寧曦土壤儀器有限公司生產(chǎn)的ZJ-2型等應(yīng)變直剪儀，量力環(huán)率定系數(shù)為1.801 kPa/0.01 mm)配套的環(huán)刀(底面積30 cm2，高2 cm)隨機取各土層的原狀土樣，每層取10個重復(fù)，共計100個土樣，樣品用塑料薄膜密封，帶回實驗室在慢剪條件下測定根土復(fù)合體抗剪特性。然后，在每一層采用10 cm×10 cm×10 cm的方形環(huán)刀，以小葉楊的主根為出發(fā)點，依次連續(xù)不間斷的在西北上坡方向取樣，直至取至1 m距離，在1立方體積內(nèi)每層取100個樣本，共計1 000個土樣，并帶回實驗室分析小葉楊和白羊草混合林草根系的分布特征；在對根系分布特征進(jìn)行探究的同時，隨機選取各個徑階表皮完好的小葉楊和白羊草新鮮根系，各選取80個左右根段，利用拉力儀(東莞市智取精密儀器有限公司生產(chǎn)的ZQ-21B型拉力試驗機，精度為0.01，拉力量程為0～200 N，測試行程為0—200 mm進(jìn)行單根拉伸試驗。

1.3　樣品測定和分析方法

剪切原狀土樣帶回實驗室后，根據(jù)土力學(xué)中自重應(yīng)力公式推求出根系分布層的自重應(yīng)力，從上到下依次為0，1.47，2.94，4.41，5.88，7.35，8.82，10.29，11.76，12.23 kPa荷載，利用ZJ-2型等應(yīng)變直剪儀進(jìn)行剪切試驗，測定土樣的抗剪強度，并由庫倫公式計算內(nèi)摩擦角φ和粘聚力c。試驗結(jié)束后，取出環(huán)刀內(nèi)的土壤，置于1 mm的網(wǎng)篩內(nèi)進(jìn)行沖洗，直至洗出所有根系并晾干，然后將根系放在掃描儀(MICROTEK生產(chǎn)的ScanMaker,6180)上，在6 200×3 400 dpi下進(jìn)行灰度掃描。掃描完成后，使用感量為0.01 g電子天平，稱取各個環(huán)刀內(nèi)的根系生物量。0 cm×10 cm×10 cm的方形環(huán)刀內(nèi)的土樣利用相同的方法進(jìn)行沖洗、晾曬、稱量和掃描。

小葉楊和白羊草的單根帶回實驗室后，試驗前用游標(biāo)卡尺(精度0.01 mm)測量擬進(jìn)行拉伸試驗的單根根徑，然后將根段夾持在拉伸夾具間，確定受拉長度統(tǒng)一為5 cm，通過轉(zhuǎn)動手輪使夾具向上移動，直至該單根被拉斷為止。記錄單根產(chǎn)生的最大變形和被拉斷時所受的拉力即該根所能承受的最大抗拉力。

1.4　數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計分析

將根系掃描圖像采用Image-Pro Plus 6.0根系分析軟件對根系長度、根表面積等各參數(shù)進(jìn)行分析。采用Excel 2013軟件對測定數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總處理，用Origion 9.0進(jìn)行圖像處理和回歸分析。

根系的抗拉強度采用如下公式進(jìn)行計算：

Pi=4Fi/(πDi2)

(1)

式中：Pi為第i根的單根抗拉強度(MPa)；Fi為第i根的最大抗拉力(N)；Di為第i根的根徑(mm)。

土壤抗剪強度采用庫倫公式計算：

τ=σtgφ+c

(2)

式中：τ為土的抗剪強度(kPa)；σ為作用在剪切面上的法向應(yīng)力(kPa)；φ為土壤內(nèi)摩擦角(°)；c為土壤粘聚力(kPa)。

2　結(jié)果與分析

2.1　林草混交根系分布特征

試驗區(qū)小葉楊和白羊草具有較發(fā)達(dá)的根系，根據(jù)圖1可知，小葉楊和白羊草在1 m3體積內(nèi)有發(fā)達(dá)的根系，根生物量密度、根表面積密度和根長密度總值分別為12.85 g/m3，838.02 cm2/m3，2 993.20 cm/m3。林草根系分布隨土壤剖面深度的增加呈現(xiàn)出3個顯著特點：根系集中分布在0—30 cm土層，根系生物量密度、根表面積密度和根長密度分別占總量的0.51，0.57，0.66；在40—70 cm土層根系逐漸減少，根系生物量密度、根表面積密度和根長密度分別占總量的0.35，0.30，0.24；在70 cm以下土層根系保持最低水平，根系生物量密度、根表面積密度和根長密度分別僅占總量的0.13，0.13，0.10。由圖1可以看出，在20—30 cm土層的根系生物量密度達(dá)到最大值(3.15 g/dm3)，其次為10—20 cm土層(2.08 g/dm3)，最小為90—100 cm土層(1.74 g/dm3)。而根表面積密度在10—20 cm土層達(dá)到最大值(177.70 cm2/dm3)，其次為0—10 cm土層(為177.52 cm2/dm3)，根表面積密度在70 cm以下的每個土層平均保持在37.33 cm2/dm3左右。根長密度在0—10 cm最大(1 071.37 cm/dm3)，其次為10—20 cm(497.68 cm/dm3)，在70 cm以下的每個土層平均保持在100.52 cm/dm3左右。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，小葉楊和白羊草混合根系的生物量密度、根表面積密度和根長密度隨著土層深度的增加，各個方塊土之間的標(biāo)準(zhǔn)差呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢，表明其離散程度和差異性的逐漸減小，反映了林草根系分布狀況對土體的影響隨土層深度增加逐步減小。同時，在對根系各參數(shù)進(jìn)行曲線擬合時發(fā)現(xiàn)，根長密度和根表面積密度隨土層深度的增加表現(xiàn)為指數(shù)函數(shù)或?qū)?shù)函數(shù)的遞減規(guī)律，這與李建興等[18]研究結(jié)果相類似。

圖1小葉楊和白羊草混合根系生物量密度和根表面積密度、根長密度分布特征。

2.2　林草單根力學(xué)特性分析

由圖2可得，本次試驗所測得的小葉楊和白羊草根系的根徑范圍分別為0.39～2.45 mm和0.11～0.82 mm，單根最大抗拉力范圍分別為5.1～97.3 N和1.7～17.8 N，抗拉強度的范圍分別為15.03～37.59 MPa和26.14～178.98 MPa，其抗拉強度的平均值分別為28.47 MPa和95.50 MPa。因此，在一定程度上小葉楊和白羊草有助于提高淺層土體的抗剪強度值，從而達(dá)到穩(wěn)定邊坡的目的。

從圖2A中可以看出根系的單根抗拉力，隨著根系直徑的增大而增大，抗拉力與根徑近似呈正相關(guān)冪函數(shù)關(guān)系，且隨著根徑的增大單根抗拉力增長速度加快。在根徑小于0.5 mm條件下，小葉楊的單根最大抗拉力較白羊草小，隨著根徑增大，小葉楊單根抗拉力逐漸大于白羊草，且兩者之間的差值逐漸增大。

圖2B顯示小葉楊和白羊草的單根抗拉強度與根徑均表現(xiàn)為對數(shù)函數(shù)關(guān)系，且隨根徑的增加而減小，隨著根徑的增大抗拉強度減小的速度降低。小葉楊的單根抗拉強度在小于0.75 mm時遠(yuǎn)小于相同根徑的白羊草的單根抗拉強度，由于白羊草根系的抗拉強度降低速度大于小葉楊，在大于0.75 mm后小葉楊單根抗拉強度逐漸大于白羊草。由圖2B可得根系抗拉強度隨根徑的增大而降低，這與以往研究者研究結(jié)果相似，主要是由于根土復(fù)合體抗剪強度的大小與根系和土體間的摩阻力有關(guān)，而須根系的存在能增加根土之間的接觸面積，使根系在受到外界拉力作用時，根土界面產(chǎn)生的豎向摩擦力和橫向擠壓剪切力增大，繼而增強抗剪強度。因此，在根徑小于0.75 mm條件下白羊草的單根抗拉強度大于相同根徑條件下小葉楊的單根抗拉強度，在一定程度上反映了前者相對更能增強根土復(fù)合體的抗剪強度，從而表現(xiàn)出更為明顯的淺層固土護坡作用。

圖2　試驗區(qū)小葉楊和白羊草單根抗拉力和抗拉強度與根徑的關(guān)系。

2.3　垂直壓力對抗剪強度的影響

圖3A為施加的垂直壓力對林草混合根土復(fù)合體的剪應(yīng)力—剪切位移曲線的影響，所選樣本含水量在6%左右和含根生物量為0.94 g/dm3(由于篇幅所限，且試樣的試驗結(jié)果相近，因此圖3僅繪出施加垂直壓力在P=0，4.41，8.82，13.23 kPa的典型試樣的試驗結(jié)果)。小葉楊和白羊草的混合根土復(fù)合體剪應(yīng)力—剪切位移曲線在一定的垂直壓力、土壤含水量和根系含量條件下，表現(xiàn)為：隨著剪切位移的增加剪應(yīng)力逐漸增大，且曲線增大的斜率逐漸減小，當(dāng)剪應(yīng)力達(dá)到峰值時，斜率為零，土體破壞，之后剪應(yīng)力隨著位移增加而迅速降低，并最終達(dá)到穩(wěn)定值，此時林草混合根土復(fù)合體的應(yīng)力—應(yīng)變曲線幾乎平行于橫軸。如在8.82 kPa的垂直壓力作用下，剪切位移每前進(jìn)1 mm，其剪應(yīng)力—剪切位移曲線的斜率變化為10，8，7，5.75，當(dāng)達(dá)到剪切位移4 mm時斜率為零，土體破壞。這主要是因為在剪切過程中，林草根土復(fù)合體主要受到根土界面的摩擦力、粘聚力以及根系抗拉力等的共同作用，隨著剪切位移的增加，根土復(fù)合體受到不同程度的破壞但根系抗拉力逐漸增大，并在根土復(fù)合體發(fā)生剪切破壞時達(dá)到最大值，繼續(xù)施加外力，根土復(fù)合體仍具有一定的抵抗外力的能力，植物根系在很大程度上仍然發(fā)揮著固土的作用。

進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)(圖3A)，隨著施加的法向壓力的增大，剪應(yīng)力—剪切位移曲線的斜率逐漸增大(曲線平均斜率依次1，2.8，11，14)，剪應(yīng)力達(dá)到峰值時的剪切位移量ΔL呈現(xiàn)逐漸變短的趨勢(剪切位移量ΔL依次為8，5，4，2 mm)。其原因在于，淺層土體中土壤的粘聚力較小，且多細(xì)根分布，細(xì)根因具有良好的延展性在受到外力作用時拉伸率較高但抗拉力小。因此，在相同根系含量和土壤含水量條件下，土層越深，根土復(fù)合體所承受的垂直荷載增大，導(dǎo)致土壤粘聚力越大，所含根系的直徑較上層土壤大，其拉伸率較小但抗拉力大，從而出現(xiàn)剪應(yīng)力—剪切位移曲線在到達(dá)峰值時的斜率較大，位移較小的現(xiàn)象。

圖3B為不同垂直荷載作用下小葉楊和白羊草混合根土復(fù)合體的剪切強度的變化，所選樣本含水量在6%左右和含根生物量為0.94 g/dm3。在小葉楊和白羊草的混合根土復(fù)合體的含根量和土壤含水量一定時，根土復(fù)合體的抗剪強度隨著垂直壓力的增大而增大，且呈線性函數(shù)關(guān)系，其擬合函數(shù)為：

Y=12.45+1.64x(R2=0.81，p<0.05)

說明小葉楊和白羊草的混合根土復(fù)合體的抗剪強度也符合庫侖定律τ=c+σtanφ。

圖3林草混合根土復(fù)合體在不同垂直壓力下的變化

2.4　根系參數(shù)對抗剪強度的影響

調(diào)查樣地在調(diào)查期間的平均含水量為9%左右，因此本文選取含水量在9%左右的小葉楊和白羊草林草混合根土復(fù)合體進(jìn)行根系參數(shù)對抗剪強度的影響分析，根據(jù)庫倫公式計算得出抗剪強度的平均指標(biāo)——平均內(nèi)摩擦角φ和粘聚力c分別為0.83°和11.89 KPa。然后分別對內(nèi)摩擦角φ和粘聚力c與根長密度和根表面積密度進(jìn)行回歸分析，回歸方程和決定系數(shù)見圖4A—4D所示。

小葉楊和白羊草林草混合根系的根長密度與根表面積密度和內(nèi)摩擦角φ呈現(xiàn)較好的對數(shù)函數(shù)關(guān)系(圖3A和3B)，內(nèi)摩擦角φ隨著根長密度和根表面積密度的增大而增大，兩者的增長速率逐漸降低，說明根長密度和根面積密度增大到一定程度后，其對φ增長速度的影響效應(yīng)減小。這主要是由于內(nèi)摩擦角的大小與根土界面的接觸面積有很大關(guān)系，植物根系在土體中穿插、纏繞、延伸，隨著單位體積內(nèi)的根系長度和表面積的增加，根土界面的接觸面積和兩者之間的摩擦力和咬合力將增大，導(dǎo)致土壤內(nèi)摩擦角隨之增大，而當(dāng)根長和表面積密度增加到一定范圍時，單位體積內(nèi)的土壤變少，根土的接觸面積一定，導(dǎo)致土壤內(nèi)摩擦角將不再增大。

小葉楊和白羊草混合根系的根長密度和根表面積密度與土壤粘聚力c呈線性關(guān)系(圖2C和2D)，隨著根長密度的增大，c值呈逐漸增大的趨勢。主要是因為土壤粘聚力c的大小取決于土壤顆粒間的各種膠結(jié)作用，除卻不同黃土土層的膠結(jié)狀態(tài)，主要還是由于根系分泌的高、低分子量分泌物可作為有機膠結(jié)劑，能夠增加土壤顆粒的結(jié)合強度。因此根長密度和根表面積密度越大，其根系分泌的有機膠結(jié)劑越多，所產(chǎn)生的結(jié)果為土壤粘聚力c越大。

3　討 論

根長密度能反映根系在土壤中的穿插、伸展和纏繞能力，而根表面積密度能反映根系與土體接觸的緊密程度，它們是表征土壤抗剪切增強效應(yīng)的重要參數(shù)。本研究對不同土層深度的小葉楊和白羊草混合根系的生物量密度、根長密度和根面積密度進(jìn)行了比較，結(jié)果表明三者主要分布于0—30 cm土層，但是其最大值出現(xiàn)的土層深度卻不盡相同，其中，根系生物量密度在20—30 cm土層的達(dá)到最大值(3.15 g/dm3)，而根表面積密度在10—20 cm土層達(dá)到最大值(177.70 cm2/dm3)，其接近0—10 cm土層(177.52 cm2/dm3)，根長密度在0—10 cm最大(1 071.37 cm/dm3)。由此可以看出根長密度和根表面積密度與根生物量密度并不是正相關(guān)關(guān)系，即根系生物量密度在表征林草混合根土復(fù)合體的力學(xué)特性方面不是一個很好的指標(biāo)，這與劉鑫等[19]研究結(jié)果不同，主要是由于本研究為林草混合根系，其根系形態(tài)和構(gòu)型分布復(fù)雜多變。

單根抗拉力和抗拉強度是最重要的護坡力學(xué)指標(biāo)之一，主要是由于植物根系與所接觸的土體之間相互羈絆所產(chǎn)生，從而達(dá)到固土護坡的護坡效果。本研究分別對小葉楊和白羊草的單根抗拉力和抗拉強度進(jìn)行了測定，研究的小葉楊和白羊草根系的根徑范圍分別為0.39～2.45 mm和0.11～0.82 mm，其抗拉強度的平均值分別為28.47 MPa和95.50 MPa。通過比較根系最大抗拉力與根徑之間的關(guān)系可以看出，小葉楊和白羊草的單根抗拉力與根系之間近似呈正相關(guān)的冪函數(shù)關(guān)系，且隨著根徑的增大單根抗拉力增長速度加快，這與劉昌義等[20]的研究結(jié)果相似，但是小葉楊的單根抗拉力增長速度大于白羊草。在根徑小于0.5 mm條件下，小葉楊的單根最大抗拉力值較白羊草小，隨著根徑增大，由于小葉楊增長速度大于白羊草，其單根抗拉力逐漸大于白羊草，且兩者之間的差值逐漸增大。小葉楊和白羊草的單根抗拉強度均隨根徑的增加而減小，均表現(xiàn)為對數(shù)函數(shù)關(guān)系，且隨著根徑的增大抗拉強度減小的速度降低，說明根系越細(xì)，其單根抗拉強度越好，且白羊草單根抗拉強度的降低速率大于小葉楊。尤其是白羊草的單根抗拉強度在根徑小于0.75 mm時，其值遠(yuǎn)大于小葉楊的單根抗拉強度，當(dāng)根徑大于0.75 mm后，白羊草單根抗拉強度小于小葉楊且差值逐漸增大。由此可以看出白羊草根系作為細(xì)根表現(xiàn)出更為明顯的淺層固土護坡作用。這主要是由于根徑較小的根能與土壤顆粒較為緊密的結(jié)合，加大根土之間的摩擦力，且彈性較好，在土體受到剪切力時，細(xì)根被拉斷而發(fā)揮出抗拉強度；而根系較為粗大時，容易被完整拔出，其只表現(xiàn)出部分抗拉作用，達(dá)不到抗拉強度值，因此粗根的抗拉強度對固坡效果的貢獻(xiàn)沒有細(xì)根明顯。所以草本植物根系相對于林木根系在提高淺層邊坡抗剪強度方面具有更大的貢獻(xiàn)，這為在黃土區(qū)建造林草混合體系的植被模式提供理論依據(jù)。劉昌義等[20]對灌木和草本植物(各自直徑為0.15～0.4 mm和0.5～3 mm)的根系進(jìn)行單根抗拉力學(xué)觀測，也發(fā)現(xiàn)較細(xì)根系對固結(jié)土壤起著巨大作用，這與本研究結(jié)果一致。

圖4根系參數(shù)與土壤抗剪強度指標(biāo)的回歸分析。

根土復(fù)合體的抗剪強度是植被護坡的重要量度指標(biāo)，其值越大，邊坡抵抗剪切破壞的能力也就越強。本研究對小葉楊和白羊草混合根土復(fù)合體抗剪強度的研究中發(fā)現(xiàn)，隨著垂直壓力的增加抗剪強度增大，且垂直壓力與抗剪強度呈現(xiàn)線性關(guān)系，小葉楊和白羊草的混合根土復(fù)合體的抗剪強度符合庫侖定律τ=c+σtanφ。通過庫倫公式計算抗剪強度指標(biāo)—土壤內(nèi)摩擦角φ和土壤粘聚力c。在對土壤內(nèi)摩擦角φ和土壤粘聚力c與根系參數(shù)進(jìn)行曲線擬合時發(fā)現(xiàn)，隨著根長密度和根表面積密度的增加，土壤內(nèi)摩擦角φ近似呈對數(shù)增長，而土壤粘聚力c呈線性增長。這個結(jié)論與大多數(shù)研究者的結(jié)果相似，特別是與肖宏彬等[17]、李建興等[18]研究發(fā)現(xiàn)草本和木本植物根系對抗剪強度的貢獻(xiàn)分別是提高了其粘聚力和內(nèi)摩擦角。由此可以推斷出，小葉楊根系表面積和根長的增大，可有效增大根系與土壤顆粒的摩擦力和咬合力，土壤內(nèi)摩擦角隨之增大，但是當(dāng)增加到一定范圍時，單位體積內(nèi)的土壤變少，土壤內(nèi)摩擦角將不再增大；白羊草根系的增多可導(dǎo)致土壤顆粒間的各種膠結(jié)作用增大，從而導(dǎo)致土壤粘聚力越大。

本研究是對陜北黃土邊坡自然環(huán)境中小葉楊和白羊草混合根系的分布特征、單根抗拉強度以及林草混合根系的抗剪強度進(jìn)行的初步分析，結(jié)果表明林草混合根系具有很好的護坡作用。而關(guān)于林草混合根土復(fù)合體的抗剪特性的研究，本人只發(fā)現(xiàn)肖宏彬等[17]的一篇報道，其對香根草和小葉女貞的單獨根系和混交根系構(gòu)成的根土復(fù)合體進(jìn)行直剪試驗，發(fā)現(xiàn)林草混交根土復(fù)合體的抗剪強度和固土深度因林草根系配比的不同而不同，而關(guān)于兩種植物根系如何配比才能達(dá)到最佳抗剪強度并未分析。本研究由于時間等原因，缺少小葉楊和白羊草各自根土復(fù)合體抗剪強度的特性研究，所以有必要進(jìn)一步擴大取樣范圍，增加試驗材料，對比小葉楊、白羊草和混合根土復(fù)合體的護坡特性，為揭示林草一體化植物根系提高邊坡穩(wěn)定性的力學(xué)特性提供理論依據(jù)。此外，在護坡作用過程中，植物地上部分可以減少風(fēng)力和雨水等對坡面的破壞能力，在增強邊坡穩(wěn)定性方面也具有重要作用，因此，在下一步研究中需綜合植物地上部分和地下部分的進(jìn)行分析，從而更全面地評價小葉楊和白羊草林草一體化的固土護坡能力。

4　結(jié) 論

(1) 通過對試驗樣地進(jìn)行1 m3體積內(nèi)的豎直向下分層取樣，發(fā)現(xiàn)小葉楊與白羊草具有較發(fā)達(dá)的根系，其主要集中分布在0—30 cm土層，表明小葉楊和白羊草的林草混合根系在淺層邊坡主要起到“加筋”的護坡作用；

(2) 通過對多組林草單根的抗拉力與抗拉強度和根徑進(jìn)行的曲線擬合，得到小葉楊和白羊草單根抗拉力與根徑呈正相關(guān)的冪函數(shù)關(guān)系，小葉楊和白羊草的單根抗拉強度與根徑之間均表現(xiàn)為負(fù)相關(guān)的對數(shù)函數(shù)關(guān)系。由此可得，由于白羊草的單根較小葉楊的細(xì)，具有較強的抗拉強度，前者在淺層邊坡更能增強根土復(fù)合體的抗剪強度，表現(xiàn)出較強的固土護坡作用；

(3) 林草根土混合體的剪應(yīng)力—剪切位移曲線達(dá)到最大抗剪強度的位移隨著垂直壓力的增大而變短，主要體現(xiàn)在土壤粘聚力隨土層深度增加而增大。在對根土復(fù)合體抗剪強度指標(biāo)—內(nèi)摩擦角φ和土壤粘聚力c研究發(fā)現(xiàn)，土壤內(nèi)摩擦角φ隨根長密度和根表面積密度呈對數(shù)增長，且增長速率逐漸降低；而土壤粘聚力c與根長密度和根表面積密度均呈線性增長。

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