三峡库区几种耐水淹植物根系力学特征与土壤抗剪强度

摘要：为明确耐水淹植物根系的力学特征及其对土壤抗剪强度的增强效应，研究了10种耐水淹植物根系的根体积密度、不同径级的最大抗拉力，计算了各物种根系的平均抗剪强度、对土壤的抗剪强度理论增强值，并测量了根系对土壤的抗剪强度实际增强值。研究发现：①不同耐水淹物种根系的平均最大抗拉力和平均抗剪强度差异较大，它们的值分别在4.25～14.81 N及6.55～28.94 MPa之间，其中，甜根子草的平均最大抗拉力最大，达到了14.81 N，显著高于其他所有物种；狗牙根和香附子有较大的平均抗剪强度，分别为28.94和22.06 MPa，显著高于其他物种，而空心莲子草最低。②不同物种根系的最大抗拉力随根系径级的增加而增大，其关系均符合幂函数方程y=axb（P

关键词：三峡库区消落区；抗剪强度；根系力学特征；根系径级

中图分类号：S157；Q948 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2016）18-4664-07

DOI：10.14088/ki.issn0439-8114.2016.18.012

消落区是指因水位周期性变动而形成的一段特殊区域，三峡库区形成以后，在库区两岸会形成最高垂直落差达30 m、长约600 km的消落区[1，2]。按照三峡工程调度方案和受库区自然气候的影响，三峡库区消落区将要长期遭受冬春季不同强度的水淹和夏秋季较强的雨水及其形成地表径流的冲蚀，长期水淹会造成消落区内原有植被的退化，进而也会影响库区库岸边坡土体的稳定，甚至会出现坡体崩塌的风险。

大量的工程实践和室内试验表明，土体的破坏大多数是剪切破坏，土体受到剪切破坏时会产生抵抗这种破坏的抗剪切力，单位土体产生的抵抗土体剪切破坏时最大阻抗力，称为土壤抗剪强度，是一个反映土体抗崩塌、抗滑坡的重要指标[3]。土壤的抗剪强度符合库仑定律[4]：

S=σtanФ+C （1）

其中，S表示土壤的抗剪强度（kPa），σ为法向应力（kPa），垂直于剪切力方向；Ф为土壤内磨擦角，C为土壤粘聚力（kPa）。植物可以通过地下的根系来锚固坡体、增加土壤的抗剪强度。植物根系增强土体抗剪强度普遍采用Wu-Waldron模型[5，6]（图1），假设根的表面受到足够的摩擦力和约束力使根不被拉出，当土体中有剪切力发生时，根被拉断的瞬间发挥出最大抗拉力F和抗剪强度Tr，结合库仑定律，根土复合体抗剪强度的增量为：

ΔS=Tr・sinθ+Tr・cosθ=Tr（sinθ+cosθ・tanФ） （2）

对穿过剪切面上所有发挥作用的根系而言，土体抗剪强度的增量则变为：

ΔS=TR（AR/AS）（sinθ+cosθ・tanФ） （3）

Wu等[6，7]在野外及室内试验基础上，发现（sinθ+cosθ・tanФ）对θ、Ф的通常变化范围（40°≤θ≤70°，20°≤Ф≤40°）不敏感，其值基本保持在1.0～1.3范围内，因此，穿过剪切面上的所有根系对土体抗剪强度的增量通常简写为：

ΔS=1・2TR（AR/AS） （4）

其中，TR为穿过剪切面所有发挥作用的根系平均抗剪强度，AR为剪切面上所有发挥作用的根系截面积之和，AS为土体截面积，AR/AS为剪切面上所有发挥作用的根系截面积之和与土体截面积之比，称为根面积比。在实际应用中，根体积比具有较好的可操作性，因此研究者用根体积比（单位土壤体积中的根系体积）替换根面积比[8]，即AR/AS=（AR・h）/（AS・h）=VR/VS，（VR为所有根系的体积，VS为根系所占土壤的体积，h表示根系及土壤的所占体积的高度），则公式（4）变为：

ΔS=1・2TR（VR/VS） （5）

土体边坡的不稳定通常分为浅层滑坡和深层滑坡，与深层滑坡相比，浅层滑坡发生的频率较大，并与植被关系密切[3，9]。利用植被尤其是林木树种来稳定河流及库岸边坡已有多年的研究经验[8，10-13]，然而三峡库区消落区水淹的深度和强度是罕见的，为兼顾对库区航运安全的影响，利用高大或挺水树木的风险也随之增加，因而利用耐水淹的草本植物或低矮的灌木，在消落区内人工构建耐水淹植物被认为是保护三峡库区生态环境的重要措施之一[14，15]。生长在三峡自然消落区的植被，对长年河流自然汛期水位涨落已有了一定的适应能力，应该是构建库区消落区的潜在备选物种，但这些物种根系的力学特征及其与土壤抗剪强度的增强效应的相关研究鲜有报道。因此，本研究对10个物种根系的最大抗拉力、抗剪强度、根系径级及其增强土壤抗剪能力进行研究，明确其根系的力学特征，增加土壤抗剪强度的能力，使用Wu-Waldron模型直接判断植被根系增强土壤抗剪强度强弱的可能性，进而为三峡消落区植被的筛选和构建、保护库岸边坡的稳定等研究提供必要的建议和帮助。

1 材料与方法

1.1 试验材料

除香根草（Vetiveria zizanioides）外，所选的物种均为自然生长于三峡库区江（库）岸及其支流的常见植物，分别为荻（Triarrhena sacchariflora）、狗牙根（Cynodon dactylon）、空心莲子草（Alternanthera philoxeroides）、卡开芦（Phragmites karka）、牛鞭草（Hemarthria compressa）、秋华柳（Salix variegata）、甜根子草（Saccharum spontaneum）、香附子（Cyperus rotundus）、野古草（Arundinella anomala）等，它们对河流自然汛期水位涨落已有了一定的适应能力，部分物种已被证实具有一定的耐水淹和固坡护岸能力[16-18]，可用于三峡库区消落带植被构建的优先考虑物种。

根系是影响土壤理化性质的最重要的因素之一[20]，就根系力学特征对土壤抗剪强度的贡献来讲，植物根系中的粗根和细根对土壤抗剪强度的贡献不尽相同。细根的径级较小，但与土壤接触紧密，所以在土壤受到外力作用时，其与土壤的磨擦力较大而不易被拉出，首先发挥抗剪作用。粗根则相反，当细根被拉断时，其与土壤的磨擦力减小，在土体受到外力剪切时，易被拉出而不能发挥出抗剪作用，此时发挥抗剪的主要是土壤本身。可见细根在对土壤的抗剪强度增强上贡献较大，所以研究者在对根系固坡的研究中，只测定根系中的细根[21-23]。然而，粗根对土壤抗剪强度的增加也是有较大贡献的，主要表现在：当细根发挥抗剪作用时，由于弹力，延展等作用，反作用于粗根，粗根再带动其他的细根发挥出抗剪增强作用，也就是说粗根在整体发挥抗剪作用中起到了关键作用。从Wu-Waldron模型可以看出，根系土壤抗剪强度的增强，不仅决定于根系的平均抗剪强度，还取决于根系在土壤剪切面上的根量。本研究中，狗牙根根系的平均抗剪强度最大，并显著高于其他9个物种，但其根系的总根量较小，所以对土壤的抗剪强度增强值最小，秋华柳也有类似的特点。香附子根系的平均抗剪强度较大，显著高于除狗牙根外的其他8个物种，并且有较多的根量，所以它对土壤抗剪强度的增强作用最为明显。在本研究的物种中，荻和卡开芦均有发达的地下根状茎，这些根状茎在整个根系发挥抗剪切作用上，也会起到不同程度的增强作用，因此，尽管只对它们的细根进行了测量和研究，但它们的整个根系对土壤抗剪强度的贡献应该很大，应该说这些物种在构建消落区中都能很好地发挥增强土壤稳定、防止滑坡的重要作用。

Wu-Waldron模型很好地解释了根系力学特征对土壤抗剪强度的增强原理，然而，影响土壤抗剪强度的因素是多方面的。研究表明，植物细根不断地生长、死亡并迅速分解，死亡细根的分解产物，以及活细根周围所产生的糖类、有机酸等根际分泌物，都是土粒之间团聚的胶结物质，这种生理作用改变土壤的理化性质，增加土壤的内聚力、增大聚合水溶性颗粒等，进一步增强了土壤的抗剪能力[24]。因此，本研究中，由Wu-Waldron模型所得出的根系抗剪强度理论增强值要小于根系对土壤抗剪强度的实际测量值，从两者之间相关系数值远高于他人的研究结果[25]来看，说明根系对土壤抗剪强度的增强不仅仅是根系力学本身，根系对土壤的理化作用也是不容忽视的。此外，有研究显示，土壤抗剪强度随着土壤含水量的增加而减小[26]，而根系对土壤抗剪强度的增加是随着土壤含水量增加而加强[25]，这意味着土壤含水量较低时，土壤本身的理化特征是发挥抗剪强度的主要因素，而在含水量增强时，土壤本身的抗剪能力下降，此时根系对土壤抗剪能力的贡献就明显加强。植物体在作为“土壤-植物-大气”连续体中的一个重要环节，植物可以通过蒸腾作用使根系吸收土壤中过多的水分，降低土壤含水量，从而起到增强土壤抗剪强度的作用[27-29]。在本研究中，Wu-Waldron模型中的根面积比（RAR）测定时，拥有须根系的草本植物相对于有主根系的林木或灌木来说，测量要困难得多，而以往的研究也多集中在护坡的树木或灌林上，所以在本研究中以根体积比来代替根面积比，这对Wu-Waldron模型的运算结果也产生一定的影响。

4 结论

10种耐水淹物种根系的最大抗拉力随着根系的径级增加而增大，且符合方程y=axb；根系的抗剪强度与根系的径级关系较为复杂，荻、空心莲子草、香附子、香根草和野古草的根系抗剪强度随着径级的增大先减小后增大，狗牙根、秋华柳和甜根子草则有相似的特点，它们根系的抗剪强度随着径级的增大先升高后降低，这8个物种的抗剪强度与径级之间符合方程y=a+bx+cx2，而牛鞭草则呈幂函数的关系。相比较而言，甜根子草的根系有着最大的抗拉能力，狗牙根、牛鞭草等有着较小的抗拉能力；在抗剪强度方面，狗牙根和香附子的根系抗剪能力较强，空心莲子草的根系抗剪能力最弱。

10个物种均能不同程度地增加土壤抗剪强度，但增强的程度有所差别，其中香附子的增强作用最为明显，其次是荻和香根草等。Wu-Waldron模型关于根系对土壤抗剪增强的简化方程可以在一定程度上反映出各物种对土壤抗剪增强的强弱，但和试验测量的真实增强值之间有差别。因此，在考查根系对土壤抗剪强度的增强作用时，除了关注根系本身的力学特征外，还应考虑根系生长过程中通过对土壤理化性质改变而使土壤抗剪强度的增强作用。

参考文献：

[1] 戴方喜，许文年，陈芳清.对三峡水库消落区生态系统与其生态修复的思考[J].中国水土保持，2006（12）：6-8.

[2] 白宝伟，王海洋，李先源，等.三峡库区淹没区与自然消落区现存植被的比较[J].西南农业大学学报（自然科学版），2005，27（5）：684-687.

[3] 熊燕梅，夏汉平，李志安，等.植物根系固坡抗蚀的效应与机理研究进展[J].应用生态学报，2007，18（4）：895-904.

[4] 郭 莹，郭承侃，陆尚谟.土力学[M].第二版.辽宁大连：大连理工大学出版社，2003.

[5] WALDRON L J.The shear resistance of root-permeated homogeneous and stratified soil[J].Soil Science Society of America Journal，1977，41（5）：843-849.

[6] WU T H，MCKINNELL W P，SWANSTON D N.Strength of tree roots and landslides on Prince of Wales Island，Alaska[J].Canadian Geotechnical Journal，1979，16（1）：19-33.

[7] WU T H. Investigation of Landslides on Prince of Wales Island，Alaska[R].Columbus：Ohio State University，1976.

[8] GENET M，KOKUTSE N，STOKES A，et al.Root renforcement in plantations of cryptomeria japonica D. Don：Effect of tree age and stand structure on slope stability[J].Forest Ecology and Management，2008，256（8）：1517-1526.

[9] 周 跃.植被与侵蚀控制：坡面生态工程基本原理探索[J].应用生态学报，2000，11（2）：297-300.

[10] POLLEN N. Temporal and spatial variability in root reinforcement of streambanks： Accounting for soil shear strength and moisture[J].Catena，2007，69（3）：197-205.

[11] LI X P，ZHANG L，ZHANG Z. Soil bioengineering and the ecological restoration of riverbanks at the Airport Town，Shanghai，China[J].Ecological Engineering，2006，26（3）：304-314.

[12] 江刘其，陈煜初.新安江水库消落区种植挺水树木林研究初报[J].浙江林业科技，1992，12（1）：40-43.

[13] DOCKER B B，HUBBLET C T. Quantifying root-reinforcement of river bank soils by four Australian tree species[J].Geomorphology，2008，100（3-4）：401-418.

[14] 王海锋.不同季节长期水淹对几种陆生植物的存活、生长和恢复生长的影响[D].重庆：西南大学，2008.

[15] MITSCH W J. Ecological engineering―The 7-year itch1[J].Ecological Engineering，1998，10（2）：119-130.

[16] 刘云峰，刘正学.三峡水库消落区极限条件下狗牙根适生性试验[J].西南农业大学学报，2005，27（5）：661-663.

[17] 夏汉平，敖惠修，刘世忠.香根草生态工程应用于公路护坡的效益研究[J].草业科学，2002，19（1）：52-56.

[18] 夏振尧，周正军，黄晓乐，等.植被护坡根系浅层固土与分形特征关系初步研究[J].岩石力学与工程学报，2011，30（S2）：3641-3647.

[19] 吕春娟，陈丽华，宋 恒，等.植物根系固坡力学机理研究进展[J].亚热带水土保持，2011，23（3）：21-28.

[20] 朱显谟.黄土高原地区植被因素对于水土流失的影响[J].土壤学报，1960，8（2）：110-120.

[21] BISCHETTI G B，CHIARADIA E A，SIMONATO T，et al.Root strength and root area ratio of forest species in Lombardy （Northern Italy）[J].Plant and Soil，2005，278（1）：11-22.

[22] FOGEL R.Root turnover and productivity of coniferous forests[J].Plant and Soil，1983，71（1）：75-85.

[23] SCHMIDT K M.，ROERING J J，Stock J D，et al.The variability of root cohesion as an influence on shallow landslide susceptibility in the Oregon Coast Range[J].Canadian Geotechnical Journal，2001，38（5）：995-1024.

[24] 刘定辉，李 勇.植物根系提高土壤抗侵蚀性机理研究[J].水土保持学报，2003，17（3）：34-37.

[25] FAN C C，SU C F.Role of roots in the shear strength of root-reinforced soils with high moisture content[J].Ecological Engineering，2008，33（2）：157-166.

[26] OSMAN N，BARAKBAH S S.Parameters to predict slope stability-soil water and root profiles[J].Ecological Engineering，2006，28（1）：90-95.

[27] HUANG B，NOBEL P S.Root hydraulic conductivity and its components with emphasis on desert succulents[J].Agronomy Journal，1994，86（5）：767-774.

[28] 周云艳，陈建平，王晓梅.植物根系固土护坡机理的研究进展及展望[J].生态环境学报，2012，21（6）：1171-1177.

[29] FEDERICO P.Forest protection and protection forest：Tree root degradation over hydrological shallow landslides triggering[J].Ecological Engineering，2013，61（1）：633-645.