全 文 ：第 30卷第 5期
2010 年 10月 水土保持通报Bulletin of Soil and Water Conserv ation Vol.30 , No.5Oct., 2010
　
　　收稿日期:2010-04-22　　　　　　　修回日期:2010-07-06
　　资助项目:国家科技支撑项目“典型脆弱区域气候变化适应技术示范”(2007BAC03A06);国家自然科学基金(40901155);新疆土壤学重点学
科项目;北京市教育委员会学科建设与研究生教育建设项目(CXYBL2008-2010)
　　作者简介:周建勤(1975—),男(汉族),湖南省宁乡县人 ,在读博士 ,讲师 ,主要从事水土保持 、生态环境演变的教学与研究工作。 E-mai l:ma-
chine1229@163.com。
　　通信作者:贾宏涛(1975—), 男(汉族),陕西省高陵县人 ,博士 ,副教授 ,研究方向为土壤生态。 E-mail:hong taojia@126.com。
虎榛子群丛根系的固土作用研究
周建勤1 , 2 , 贾宏涛2 , 朱金兆1 , 谢建强1
(1.北京林业大学 水土保持学院 , 北京 100083;2.新疆农业大学 草业与环境学院 , 新疆乌鲁木齐 830052)
摘　要:共选样地18 块 ,其中15块均为由虎榛子(Ostryopsis davidiana Decaisne)单一种组成的植被群落样地 ,
另外选择对照样地 3块 ,样地规格为5 m×5 m。 18 块样地均测定了地表以下20 , 40 , 60 , 80 , 100 cm共 5 个层
面的土壤抗剪强度 ,同时测定对照裸地样地的紧实度和虎榛子植被群落样地根截面积率。虎榛子植被群落样
地土壤样品需去除裸地抗剪强度的影响。在研究林木根系固土作用时 ,必须消除土壤紧实度造成的影响。经
测量计算 ,土壤样品根截面积率最大为 1.014%, 对应的抗剪强度增强值(也为最大值)为 0.134 6 kN/ m2。分
析结果表明 ,虎榛子群丛根系对土壤抗剪强度的增强值与穿过剪切面的根截面积率呈线性正相关。
关键词:抗剪强度;固土作用;土壤紧实度;根截面积率
文献标识码:A　　　　　　文章编号:1000-288X(2010)05-0229-03　 中图分类号:S157.5 , Q947.6
Effect of Soil Reinforcement by Ostryopsis Davidiana Decaisne Root System
ZHOU Jian-qin1 , 2 , JIA Hong-tao2 , ZHU Jin-zhao1 , XIE Jian-qiang1
(1.College of Soil and Water Conservation , Beij ing Forestry University , Bei jing 100083 , China;
2.College of Grassland and Environment Science , Xinj iang Agricultural University , Urumqi , X inj iang 830052 , China)
Abstract:18 sampling areas of size 5 m×5 m were selected , of w hich 15 sampling areas w ere composed of Os-
tryopsis davidiana Decaisne vegetation community only.Soil shear strengths at the depths of 20 , 40 , 60 , 80 , and
100 cm in the 18 plots were measured.3 bare lands of size 5 m×5 m were selected and soi l compact ion and
the ratio o f sect ional roo t area we re measured as w ell.The ef fect o f soil shear st reng th in bare land w as then
removed from the soil sample in Ostryopsis dav id iana Decaisne vegetation community .By calculation , the
ratio of sect ional roo t area w as 1.014% and the co rresponding shear st reng th w as the maximum value o f
0.134 6 kN/m2 .Analyses indicated that the increased value of soil shear strength in the Ostryopsis dav id i-
ana Decaisne vegetation community rood system w as posi tively co rrelated to the ratio of sect ional roo t area.
Keywords:shear strength;soil reinforcement;soil compaction;ratio of sectional root area
　　植被护坡是利用植物根系固土作用稳定浅层边
坡的一种新技术 ,同传统的土木工程相比 ,植被护坡
在发挥其护坡作用的同时 ,具有土木工程措施所无法
比拟的优点 ,一方面能够迅速恢复由于人类工程建设
所破坏的生态环境 ,保持生态位的平衡 ,美化景观 ,净
化空气。另一方面 ,植被护坡造价低 ,经济性较工程
措施护坡优越[ 1] 。
目前 ,植被护坡应用还处于定性和经验发展阶
段 ,理论研究落后于工程实践[ 2] 。随着植被护坡的不
断推广应用 ,植被固土护坡的定量作用研究成为很迫
切的研究课题。
探讨根系对提高土壤抗剪强度作用的大小 ,从而
为植被固土护坡提供依据 ,具有重要的理论意义和实
践意义[ 3] 。灌木因具有地下根系发达 ,地上部分树身
重量轻 ,风的阻力小等特点从而成为植被护坡首选的
植被类型。本文在野外取裸地和虎榛子(Ostryopsis
dav id iana Decaisne)灌木林地的不同层次土样 ,测量
裸地样地不同层次紧实度 ,在室内通过直接剪切试验
就不同层次根系对土壤抗剪强度的影响进行了研究 。
1　试验方案及结果
1.1　实验土样
土样于2009年 6月取自甘肃省天水市 ,土壤为在
第四纪黄土上发育的黄绵土 。由于植被恢复以前长期
反复的土壤侵蚀 ,因此可以说该研究基本上是在黄土
母质上进行的。选择样地坡度小于 20°的半阳坡 ,生物
量最大为 531 7 g/m2 ,最小的为 479 g/m2(均为干重)。
为了研究的方便 ,选择 15块均由虎榛子单一种组成的
植被群落样地 ,海拔高度 123 0 ～ 159 8 m ,起源为天
然 ,生长中等 ,密度中等 。另外选择对照裸地样地 3
块 ,样地规格 5 m×5 m 。在每一块样地内挖 1个平
均深度为 100 cm 的土壤剖面 。沿土壤垂直剖面每
20 cm 用取样器取土样 ,共计取 90 个土样。分别测
定了地表以下 20 , 40 ,60 ,80 ,100 cm 共 5个层面的土
壤抗剪强度 ,同时记载了各层面的土壤紧实度 。
1.2　试验装置
本次试验所用的剪切仪为南京土壤仪器厂生产的
ZJ型应变控制式直剪仪 。剪切速率 12 r/min。试验中
竖向荷载分为 4级 ,分别为 50 ,100 , 150 , 200 kPa 。土
壤紧实度测定使用浙江托普生产的 TJSD-750土壤紧
实度计分别测定了各剪切层面的土壤紧实度。
根据空闲地土壤紧实度与剪切强度的测定资料 ,
建立紧实度与抗剪强度的关系方程 。利用该方程和
实测的虎榛子林地各层次的土壤紧实度资料 ,分别消
除了虎榛子林地各层次土壤抗剪强度中土壤紧实度
差异造成的影响 ,以使各样地之间处在同一个紧实度
水平上进行研究 。
1.3　试样制备
样地区的土壤为黄绵土。本次试验用取原状土
样(即土样含植物根系),试样的高度为 15 cm ,直径
为 8.8 cm 。试验土样严格按照试验规程 ,严格控制
土样的含水量 ,使土样的含水量相同。为了满足各类
型测定点的土壤条件相同 ,测定前 1 d ,在测定点定量
灌水 ,使土壤水分尽量趋于一致 ,测定时再次定量灌
水 ,使其含水率基本一致 ,达到规定的试验要求[ 4-5] 。
1.4　根截面积率的测定
每层土样用环刀取样 ,将环刀中的虎榛子根系选
出 ,洗净晾干 ,用游标卡尺测量根系直径 ,算出根系截
面积 ,避免同层根系截面积的重复计算 ,计算出取样
环刀截面积 ,根截面积比取样环刀面积得此层根截面
积率 。
2　计算方法
剪切时用 50 , 100 , 150 , 200 kPa 的 4 种垂直压
力 ,量力环率定系数分别为 1.862 , 1.706 , 1.799 ,
1.799。对每一个试样进行剪切后 ,可以得到 4个不同
垂直压力下的剪应力 ,用剪应力τ(kPa)和相应的垂
直压σ(kPa),依据库仑公式:τ=c+σtanφ, 可以计算
出每个试样的的黏聚力 C(kPa)和内摩擦角 φ。
对于某一植被类型的土壤剖面的不同层次 ,用同
一层次 3个平行样的抗剪强度参数值的平均值作为
该植被类型下该层次的抗剪强度参数值 ,如用 3个裸
地土壤剖面的第一层土样的抗剪强度参数值的平均
值作为裸地第一层的抗剪强度参数值。
3　试验结果与分析
3.1　土壤抗剪强度与紧实度的关系
经测定的 3个空闲地(对照点)的土壤抗剪强度 、
紧实度结果见表 1 。对表 1数据进行分析 ,土壤抗剪
强度与紧实度的线性关系式为:
S f =179N-4.115 6　　(R2 =0.975 8)
式中:S f ———对照点土壤抗剪强度(kN/m 2);N ———
土壤紧实度值(kg/cm 2)。
图 1　土壤抗剪强度与紧实度关系
表 1　空闲地土壤深度与土壤紧实度 、土壤抗剪强度关系
土层/
cm
空闲地 1
抗剪强
度/(kN·
m -2)
紧实度/
(kg·
cm-2)
空闲地 2
抗剪强
度/(kN ·
m -2)
紧实度/
(kg ·
cm -2)
空闲地 3
抗剪强
度/(kN ·
m -2)
紧实度/
(kg ·
cm -2)
20 1.85 0.036 1.88 0.035 4.23 0.045
40 1.62 0.035 4.78 0.048 4.36 0.046
60 2.21 0.034 5.32 0.052 5.58 0.053
80 4.68 0.048 7.74 0.066 6.20 0.058
100 8.24 0.074 8.88 0.072 7.81 0.064
　　可见 ,土壤抗剪强度与土坡紧实度之间的这种线
性关系是普遍存在的 ,只是在不同土壤条件下系数变
化不同罢了 ,因此 ,在研究林木根系固土作用时 ,必须
消除土壤紧实度造成的影响[ 6-7] 。
3.2　土壤容重的影响
裸地抗剪强度随容重的增大而增大 ,这是由于土
层深度越深土壤的原始密度越大 ,土粒间表面接触面
积和镶嵌程度越大 ,使土粒表面摩擦力和咬合力增
大 ,表现为φ值增加 ,同时 ,密度越大 ,孔隙率越小 ,接
触紧密 ,颗粒间的结构结实 ,使 C值加 。
3.3　虎榛子群丛根系的固土作用
经测定的 15个样地各层次土壤抗剪强度增强值
230 　　　　　　　　　　　　 　　　　　　水土保持通报　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　第 30 卷
和穿过各该层次的根截面积率列于表 2。应该说明
的是 ,表 2 中土壤抗剪强度增强值是在首先利用
S f —N 关系式消除了土壤紧实度土壤抗剪强度的影
响之后 ,即减去了同一紧实度下空闲地(对照地)相应
层次的土壤抗剪强度得到的。
根据表 3 ,经数学分析 ,虎榛子群丛对土壤抗剪
强度增强值与根截面积率的关系式为:
■S r =0.111 4x +0.005 6Ap 　　(R2 =0.731 9)
式中:■S r ———根系对土壤抗剪强度的增强值(kN/
m
2);Ap ———穿过剪切面的根截面积百分率的分子
值。从图 2可以看出 ,即从总趋势看 ,只要根截面积
率大 ,就能产生大的抗剪强度增强值。也就是说 ,虎
榛子群丛的固土作用是随着穿过剪切面的根截面积
率的增减而增减的。
表 2　空闲地土壤直剪试验结果
土层深度/
cm
土壤容重/
(g · cm -3)
黏聚力
C/kPa
内摩擦角/
(°)
0—20 1.10±0.2 26.5 19.52
20—40 1.21±0.2 27.2 18.46
40—60 1.42±0.2 27.8 21.27
60—80 1.51±0.2 34.4 23.18
80—100 1.58±0.2 40.2 23.46
表 3　虎榛子群丛不同土层抗剪强度增强值和根截面积率测定结果
样
方
号
根截
面积率/
%
抗剪强度
增强值/
(kN·m -2)
根截
面积率/
%
抗剪强度
增强值/
(kN ·m -2)
根截
面积率/
%
抗剪强度
增强值/
(kN ·m -2)
根截
面积率/
%
抗剪强度
增强值/
(kN ·m-2)
根截
面积率/
%
抗剪强度
增强值/
(kN·m -2)
1 1.014 0.134 6 0.185 0.025 9 0.125 0.011 2 0.022 ＊ 0.017 0.011 8
2 0.590 0.099 2 0.089 0.034 8 ＊ 0.012 5 0.016 0.012 1 ＊ ＊
3 0.430 0.060 3 0.298 0.023 7 0.054 0.021 1 ＊ 0.013 2 0.008 0.012 5
4 1.000 0.071 8 0.185 0.010 6 0.141 ＊ 0.011 0.014 1 0.016 0.014 5
5 0.418 0.063 4 0.213 0.027 8 0.120 0.014 9 0.028 0.008 9 0.020 0.002 5
6 0.593 0.041 4 0.098 0.026 9 0.032 0.021 6 0.018 0.016 5 0.004 0.002 4
7 0.568 0.132 6 0.048 0.011 9 0.026 0.003 8 0.015 0.005 2 0.014 0.005 2
8 0.636 0.088 6 0.368 0.013 6 0.048 0.012 8 0.014 0.007 4 0.006 0.004 9
9 0.405 0.044 6 0.078 0.025 8 0.024 0.005 6 0.019 0.005 6 0.009 0.003 2
10 0.423 0.064 5 0.189 0.012 5 0.038 0.004 5 0.016 0.007 8 0.005 ＊
11 0.289 0.021 9 0.089 0.004 2 0.036 0.006 2 0.015 0.008 4 0.019 0.002 6
12 0.236 0.062 5 0.071 0.004 9 0.024 0.014 3 0.016 0.005 6 0.009 0.002 6
13 0.246 0.051 0 0.030 0.005 2 0.021 0.014 5 0.003 0.008 8 0.004 0.003 2
14 0.208 0.010 2 0.068 0.007 0 0.026 0.003 4 0.017 0.004 5 0.002 0.002 5
15 0.141 0.040 9 0.275 0.005 4 0.040 0.004 8 0.016 0.003 4 0.008 0.002 4
　　注:＊表示剪切试验失败。
图 2　根截面积率与土壤抗剪强度增强值关系
4　结论
虎榛子群丛根系具有明显的固土作用 ,在所研究
的 15个样地 ,根截面积率最大为 1.014%,对应的抗
剪强度增强值也是最大的为 0.134 6 kN/m2 ,经试验
数据分析虎榛子群丛根系对土壤抗剪强度的增强值
与穿过剪切面的根截面积率呈线性正相关。
[ 参 考 文 献 ]
[ 1] 　姜志强 , 孙树林.堤防工程生态固坡浅析[ J] .岩石力学与
工程学报 , 2004 , 23(12):2133-2136.
[ 2] 　王治国 , 张云龙 ,刘徐师 , 等.林业生态工程学[ M] .北京:
中国林业出版社 , 2000:111-112.
[ 3] 　王可钧 , 李焯芬.植物固坡的力学简析[ J] .岩石力学与工
程学报 , 1998 , 17(6):687-691.
[ 4] 　朱清科 , 陈丽华 , 张东升 , 等.贡嘎山森林生态系统根系
固土力学机制研究[ J] .北京林业大学学报 , 2002 , 24(7):
64-67.
[ 5] 　郭小平 , 朱金兆 ,周心澄 , 等.植被护坡技术及其应用[ J] .
中国水土保持科学 , 2004 , 2(4):112-116.
[ 6] 　胡利文 , 陈汉宁.锚固三维网生态防护理论及其在边坡
工程中的应用[ J] .水运工程 , 2003(4):13-15.
[ 7] 　Gay D H , So tir R B.Bio teclmical and Soil Bioengioneenng ,
Slope Stabilization[ M] .New Yo rk:Jone Wiley & Son ,
1996:187-196.
231第 5 期 　　　　　　周建勤等:虎榛子群丛根系的固土作用研究