劉亞斌 胡夏嵩② 余冬梅 楊幼清④ 朱海麗

(①青海大學(xué)地質(zhì)工程系，西寧 810016，中國) (②中國科學(xué)院青海鹽湖研究所，中國科學(xué)院鹽湖資源綜合高效利用重點實驗室，西寧 810008，中國) (③青海省鹽湖地質(zhì)與環(huán)境重點實驗室，西寧 810008，中國) (④中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049，中國)

0 引 言

西寧盆地位于青藏高原東北部與黃土高原西緣交接地帶(鹿化煜等，2014)，區(qū)內(nèi)黃土地貌廣泛發(fā)育，天然斜坡坡面植被覆蓋率相對較低，生態(tài)、地質(zhì)環(huán)境相對脆弱(魏剛等，2015)。在區(qū)內(nèi)開展公路、鐵路等基礎(chǔ)工程建設(shè)過程中，不可避免地會對原始地貌和地表植被覆蓋產(chǎn)生不同程度的干擾和破壞，在影響生態(tài)環(huán)境的同時，亦會加劇區(qū)內(nèi)水土流失、滑坡、崩塌等地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)象的發(fā)生(胡晉茹，2012；劉昌義等，2017；葉帥華等，2018；孫萍等，2019)。因此，采用合理的工程措施，以實現(xiàn)基礎(chǔ)工程建設(shè)和生態(tài)地質(zhì)環(huán)境之間的協(xié)調(diào)發(fā)展，為區(qū)內(nèi)亟待解決的科學(xué)問題。

國內(nèi)外諸多學(xué)者的研究結(jié)果表明，通過種植植物的方法不僅能達(dá)到恢復(fù)區(qū)域生態(tài)環(huán)境的目的，而且能進一步防治水土流失、淺層滑坡等地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)象(Stokes et al.，2009；劉益良等，2016；祁兆鑫等，2017)。植物根系與邊坡土體的相互作用能有效提高邊坡土體抗剪強度，并改善邊坡土體應(yīng)力狀態(tài)，從而起到固土護坡的作用(付江濤等，2014；Stokes et al.，2014；Ng et al.，2015)。有關(guān)植物根系增強土體抗剪強度研究方面，國內(nèi)外學(xué)者已取得了較為豐富的研究成果。Zhang et al. (2010)通過三軸壓縮試驗研究了垂直、水平和垂直-水平交叉3種不同布根條件下，刺槐根系對黃土抗剪強度的增強作用，試驗結(jié)果表明刺槐根系的存在能顯著增加土體抗剪強度，且對土體黏聚力增強作用顯著于內(nèi)摩擦角；3種布根條件中，垂直-水平交叉布根形式對土體黏聚力的增強效應(yīng)相對較為顯著，其次為垂直和水平布根形式。Mickovski et al. (2011)、Mao et al. (2014)分別采用二維和三維有限元法模擬了素土和根-土復(fù)合體試樣在直剪試驗條件下的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，結(jié)果表明素土應(yīng)力-應(yīng)變曲線存在應(yīng)變軟化現(xiàn)象，而根-土復(fù)合體應(yīng)力-應(yīng)變曲線則存在應(yīng)變硬化現(xiàn)象，說明根系能顯著增強土體抗剪強度。王元戰(zhàn)等(2015)通過室內(nèi)三軸壓縮試驗，研究了原狀和重塑草本根-土復(fù)合體試樣的抗剪強度特性，結(jié)果表明原狀根-土復(fù)合體試樣黏聚力隨著含根量的增加呈先增加后基本不變的變化規(guī)律，而含根量變化對內(nèi)摩擦角的影響相對不顯著；重塑根-土復(fù)合體試樣存在最優(yōu)含根量現(xiàn)象，且隨著圍壓的增大，根-土復(fù)合體試樣最優(yōu)含根量呈逐漸增大的變化趨勢。

有關(guān)植物根系增強土體抗剪強度方面，國內(nèi)外學(xué)者主要以單種草本、灌木或喬木植物為研究對象，進行不同植物根系增強土體抗剪強度效應(yīng)和差異性評價，并進一步探討根-土相互作用機理。而開展組合種植條件下植物根系增強土體抗剪強度效應(yīng)方面的研究則相對較少。由喬木、灌木、草本等多種植物組成的群落，因具有物種多樣性指數(shù)高的特點，故其抗外界干擾能力相對強于單一植物種植模式，而單一物種難以形成穩(wěn)定的植物群落(李少麗等，2007；楊陽，2016)。因此，為了進一步提高植被的固土護坡潛能，在植物群落選擇時要保持植物種的多樣性，注重喬、灌、草結(jié)合(楊永紅，2006)。鑒于此，本試驗以種植于西寧盆地自建試驗區(qū)生長期為1ia的6種草本和灌木組合作為試驗供試種，通過草本和灌木組合根-土復(fù)合體原狀試樣直剪試驗，評價了不同組合根系分布特征，及其對邊坡土體抗剪強度的增強效應(yīng)和差異性。研究成果對于研究區(qū)西寧盆地及其周邊地區(qū)生態(tài)恢復(fù)、植被護坡工程的實施，以及進一步深入探討根-土相互作用力學(xué)機理具有實際指導(dǎo)意義和理論研究價值。

1 研究區(qū)自然概況

研究區(qū)西寧盆地面積約為7679ikm2，海拔為2750～4100im，地理位置為東徑101°33′45″～101°56′15″，北緯36°25′05″～36°47′30″(龍慧等，2018)。區(qū)內(nèi)屬高原大陸性半干旱氣候(陳傳飛，2009)，盆地內(nèi)部年平均降雨量為478imm，蒸發(fā)量為1683imm(王穎華等，2011)。區(qū)內(nèi)降雨量在年內(nèi)分布相對不均勻，主要集中分布在每年的6～9月份，占全年總降雨量的70%～80%，且多為暴雨和陣雨，具有歷時短、強度大、降雨集中等特點(楊芳等，2012)。本試驗中自建試驗區(qū)位于西寧盆地長嶺溝流域，地理坐標(biāo)為東經(jīng)101°42′00″，北緯36°36′00″，區(qū)內(nèi)海拔高度為2315～2570im。試驗區(qū)屬于自然土質(zhì)邊坡，邊坡坡度為30°，坡向向南，土質(zhì)類型為粉土。試驗區(qū)土體物理性質(zhì)指標(biāo)如表 1所示。

表 1 試驗區(qū)土體物理性質(zhì)指標(biāo)測試結(jié)果Table1 Test result of physical properties of soil at different depths of slope in test area

深度/cm液限wL/%塑限wP/%液性指數(shù)IP塑性指數(shù)IL土粒組成/%不均勻系數(shù)Cu土質(zhì)類型0.25～0.075 mm0.075～0.005 mm<0.005 mm0～5024.6017.20-0.977.4030.1062.607.303.90粉土

2 試驗材料與方法

2.1 試驗供試種

本試驗根據(jù)研究區(qū)氣候環(huán)境特點和土質(zhì)類型，共選擇4種灌木和6種草本作為試驗供試種。其中，4種灌木包括：檸條錦雞兒、霸王、白刺、中寧枸杞；6種草本包括：紫花苜蓿、垂穗披堿草、細(xì)莖冰草、芨芨草、草地早熟禾、堿茅。檸條錦雞兒、霸王、白刺、中寧枸杞均屬于多年生灌木，且均具有相對發(fā)達(dá)的根系，其中檸條錦雞兒、白刺和中寧枸杞根系為主直根型，霸王為淺根主直根型。紫花苜蓿為多年生豆科草本，根系類型為主直根型，根系發(fā)達(dá)；垂穗披堿草、細(xì)莖冰草、芨芨草、草地早熟禾和堿茅均屬于禾本科草本，其中垂穗披堿草、細(xì)莖冰草和堿茅根系類型為叢生型，芨芨草根系類型為須根型，草地早熟禾根系為根莖型(陳世鐄，2001；胡夏嵩等，2011)。上述草本和灌木植物均為寒冷和干旱-半干旱地區(qū)水土保持、穩(wěn)定邊坡的優(yōu)良植物(陳世鐄，2001；胡夏嵩等，2011)。

表 2 試驗區(qū)草本和灌木組合設(shè)計方案Table2 Combined planting scheme of herb and shrub species in test area

草灌組合名稱灌木植物草本植物草灌組合1檸條錦雞兒紫花苜蓿+細(xì)莖冰草+芨芨草草灌組合2霸王草灌組合3白刺草灌組合4中寧枸杞草灌組合5檸條錦雞兒紫花苜蓿+垂穗披堿草+堿茅+草地早熟禾草灌組合6霸王草灌組合7白刺草灌組合8中寧枸杞

2.2 草本和灌木組合種植設(shè)計方案

根據(jù)植物種的多樣性理論和種群的生態(tài)位原理，本試驗中草本和灌木組合的選型原則為：①每種植物種需滿足坡面植物種的選型原則；②每個組合應(yīng)包含禾本科和豆科植物種；③植物種生物生態(tài)型要互相搭配，以便有效地減少植物間的生存競爭，諸如淺根系植物與深根系植物配合、根莖型植物與叢生型植物配合等(周德培等，2003)。基于上述植物組合種植原則，本試驗中每種草本和灌木組合包括1種灌木和1種草本組合，草本組合共有兩種，每種草本組合由3～4種草本植物組成。草本和灌木組合種植模式為：灌木+豆科草本+矮小禾本科草本+高株禾本科草本。試驗區(qū)草本和灌木植物組合方案如表 2所示。草本和灌木組合1～4中，紫花苜蓿、細(xì)莖冰草和芨芨草的播種量分別為25.8g、18.3g和7.2g；草本和灌木組合5～8中，紫花苜蓿、垂穗披堿草、堿茅和草地早熟禾的播種量分別為19.5g、14.9g、5.6g和5.9g。試驗區(qū)草本和灌木植物組合播種量具體計算方法參見文獻(xiàn)(胡夏嵩等，2011)。

2.3 草本和灌木組合種植方案與方法

本試驗在自建試驗區(qū)共設(shè)置5塊坡長為1000icm，坡寬為500icm的試驗種植區(qū)。種植區(qū)內(nèi)均設(shè)置有9塊坡長為1000icm，坡寬為55icm的種植小區(qū)(圖 1)。野外種植試驗采用隨機完全區(qū)組設(shè)計，即在5塊種植區(qū)內(nèi)均種植8種草本與灌木組合，并設(shè)置1塊未種植植物的裸坡作為試驗對照組(即設(shè)置9個處理)。

圖 1 試驗區(qū)草本和灌木組合種植方案(單位：cm)Fig. 1 Schematic diagram of planting plots and the planting program of combinations of herbs and shrubs in test area(unit：cm)編號1～8代表該小區(qū)種植草本和灌木組合1～8；編號9為對照組

每塊種植區(qū)內(nèi)草本和灌木組合種植順序采用抽簽法隨機確定。試驗區(qū)草本和灌木組合均采用條播法進行種植，條間距均為20icm。種植時采用撒播與穴播結(jié)合的方法，即先在確定好的種植位置挖掘出深3～5icm，長度與種植小區(qū)寬度一致的播種槽，并將提前稱重好的草本種子均勻撒在播種槽內(nèi)，然后沿播種槽以間距5icm的距離掘出4個土穴，每個土穴中放置3～5粒對應(yīng)的灌木種子。試驗區(qū)8種草本和灌木組合種植方案如圖 1所示。

2.4 根-土復(fù)合體原狀試樣取樣方法

由于實際生長過程中，組合3和組合4中的灌木植物白刺和中寧枸杞植株密度<2株·m-2，生長情況相對較差，且該兩種組合中草本植物相同，故將該2個組合視為同一組合進行分析。同理，亦將組合7和組合8視為同一組合進行分析。因此本試驗最終選取組合1(紫花苜蓿+細(xì)莖冰草+芨芨草+檸條錦雞兒)、組合2(紫花苜蓿+細(xì)莖冰草+芨芨草+霸王)、組合3(4)(紫花苜蓿+細(xì)莖冰草+芨芨草)、組合5(紫花苜蓿+垂穗披堿草+堿茅+草地早熟禾+檸條錦雞兒)、組合6(紫花苜蓿+垂穗披堿草+堿茅+草地早熟禾+霸王)以及組合7(8)(紫花苜蓿+垂穗披堿草+堿茅+草地早熟禾)6種組合的根-土復(fù)合體原狀試樣進行直剪試驗。

圖 2 試驗區(qū)草本和灌木組合根-土復(fù)合體原狀試樣取樣過程Fig. 2 Sampling process of root-soil composite system of combination of herbs and shrubs in test areaa. 10～20icm深度取樣；b. 40～50icm深度取樣

本試驗在草本和灌木組合生長期為1ia時，開展根-土復(fù)合體原狀試樣取樣工作。為了準(zhǔn)確反映不同草本和灌木組合根系增強土體抗剪強度的能力，盡量減小由于在不同種植區(qū)內(nèi)植物組合生長差異所造成的試驗誤差，故取樣過程中分別在1號種植區(qū)下部、2號種植區(qū)中部和3號種植區(qū)上部3個不同位置處，采集邊坡地表以下0～50icm(采樣以10icm為間距)深度范圍內(nèi)的根-土復(fù)合體原狀試樣。每種草本和灌木組合根-土復(fù)合體原狀試樣在每個采樣深度設(shè)置3次重復(fù)采樣。采樣時，首先使用剪刀剪去采樣點位置處植物地上莖葉部分；然后使用環(huán)刀依次采取地表以下5icm、15icm、25icm、35icm和45icm 深度處的根-土復(fù)合體試樣 (每個深度位置制取4個環(huán)刀試樣)，以分別代表地表以下0～10icm、10～20icm、20～30icm、30～40icm和40～50icm 5個取樣深度范圍內(nèi)的根-土復(fù)合體試樣。為了方便根-土復(fù)合體原狀試樣采樣并保證各小區(qū)土體含水量的相對一致性，本試驗在采樣前10ih對試驗區(qū)邊坡進行了灌溉處理(灌溉方式為噴灌，在保持管路壓力相同的條件下，各小區(qū)灌溉時間均為40imin)。草本和灌木組合根-土復(fù)合體原狀試樣采集過程如圖 2所示。

2.5 試驗方法

本試驗中根-土復(fù)合體與素土試樣直剪試驗采用南京土壤儀器廠有限公司生產(chǎn)的ZJ型應(yīng)變控制式直剪儀。直剪試驗過程中法向壓力分50ikPa、100ikPa、200ikPa和300ikPa 4級加載，剪切速率設(shè)定為2.4 r·min-1，取剪切位移為4imm時所對應(yīng)的剪應(yīng)力為復(fù)合體試樣抗剪強度。試驗過程按《土工試驗規(guī)程》(1999)中規(guī)定步驟進行，實際操作過程如圖 3所示。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 草本和灌木組合種植條件下根系分布特征3.1.1 含根量分布特征

圖 4所示為試驗區(qū)6種草本和灌木組合在邊坡地表以下0～10icm、10～20icm、20～30icm、30～40icm和40～50icm 5個取樣深度范圍的含根量測試結(jié)果。由圖 4可知，生長期為1ia的6種草本和灌木組合根系主要分布在邊坡地表以下0～30icm深度范圍內(nèi)，且在該深度范圍內(nèi)，各組合含根量為其0～50icm深度范圍內(nèi)總含根量的86.11%～90.86%。6種組合中，組合5根-土復(fù)合體含根量在邊坡地表以下5個取樣深度范圍內(nèi)均相對高于其他組合，即在邊坡地表以下0～50icm深度范圍，組合5根-土復(fù)合體含根量平均值為0.012g·cm-3，其次依次為組合6(0.011g·cm-3)、組合1(0.009g·cm-3)、組合2(0.008g·cm-3)、組合7(8)(0.007g·cm-3)和組合3(4)(0.007g·cm-3)。

圖 3 試驗區(qū)草本和灌木組合根-土復(fù)合體原狀試樣直剪試驗過程Fig. 3 Direct shear test process of root-soil composite systems of combination of herb and shrub speciesa. 待直剪試驗的根-土復(fù)合體試樣；b. 直剪試驗進行中；c. 直剪試驗后的根-土復(fù)合體試樣；d. 根-土復(fù)合體內(nèi)根系

圖 4 試驗區(qū)草本和灌木組合根-土復(fù)合體含根量與取樣深度之間的關(guān)系Fig. 4 Relationship between the root content of root-soil composite systems and the sampling depth in test area

3.1.2 草本與灌木根系質(zhì)量比分布特征

圖 5 試驗區(qū)根-土復(fù)合體草本與灌木根系質(zhì)量比與取樣深度之間的關(guān)系Fig. 5 Relationship between the root mass ratio of herb and shrub species of root-soil composite systems and the sampling depth in test area

由圖 5亦可知，區(qū)內(nèi)6種組合的草本與灌木根系質(zhì)量比隨著取樣深度的增加呈先降低后增大的變化趨勢，且均符合二次函數(shù)關(guān)系。組合1、組合2、組合3(4)、組合5、組合6和組合7(8)的草本與灌木根系質(zhì)量比與取樣深度間的回歸模型分別為y=0.0009x2-0.0280x+0.3284，R2=0.9771；y=0.0010x2-0.0338x+0.4584，R2=0.9877；y=0.000i7x2-0.0204x+0.2896，R2=0.9503；y=0.0007x2-0.0254x+0.4286，R2=0.9799和y=0.0006x2-0.0137x+0.2905，R2=0.9664；y=0.001i0x2-0.0355x+0.4795，R2=0.9331。

3.2 草本和灌木組合根系對邊坡土體抗剪強度增強效應(yīng)

表 3所示生長期為1ia時，試驗區(qū)6種草本和灌木組合根-土復(fù)合體和素土原狀試樣物理性質(zhì)指標(biāo)及抗剪強度指標(biāo)。由表 3可知，在試驗區(qū)邊坡地表以下相同深度范圍內(nèi)，6種草本和灌木組合根-土復(fù)合體和素土試樣的含水量和密度未表現(xiàn)出顯著性差異，說明本試驗中草本和灌木組合根系的存在是造成根-土復(fù)合體和素土抗剪強度差異性的主要原因。由表 3可知，在試驗區(qū)邊坡地表以下0～20icm深度范圍內(nèi)，6種草本和灌木組合根-土復(fù)合體黏聚力均顯著高于素土(P<0.05)，增幅為48.45%～70.96%；其中，組合5根-土復(fù)合體在該深度范圍內(nèi)具有相對較大的黏聚力平均值(21.91ikPa)，其次依次為組合3(4)(17.66ikPa)、組合1(17.65ikPa)、組合6(17.57ikPa)、組合2(17.45ikPa)和組合7(8)(16.74ikPa)，在該深度范圍內(nèi)，6種組合根-土復(fù)合體黏聚力未表現(xiàn)出顯著性差異(P>0.05)。在試驗區(qū)邊坡地表以下20～30icm深度范圍內(nèi)，6種組合根-土復(fù)合體黏聚力雖然同樣高于素土(增幅為2.47%～21.86%)，但差異性不顯著(P>0.05)；其中，組合5根-土復(fù)合體黏聚力相對較大，為16.26±6.61ikPa，其次依次為組合3(4)(15.89±1.37ikPa)、組合6(15.59±4.53ikPa)、組合7(8)(15.14±6.26ikPa)、組合2(13.72±2.83ikPa)和組合1(13.67±1.98ikPa)，在該深度范圍內(nèi)，6種組合根-土復(fù)合體黏聚力亦未表現(xiàn)出顯著性差異(P>0.05)。在試驗區(qū)邊坡地表以下30～50icm深度范圍內(nèi)，6種組合根-土復(fù)合體黏聚力與素土間未表現(xiàn)出顯著性差異(P>0.05)。上述試驗結(jié)果說明6種草本和灌木組合生長期為1ia時，其根系對試驗區(qū)坡地表以下0～30icm深度范圍內(nèi)土體黏聚力具有增強作用，其中對0～20icm深度范圍內(nèi)土體黏聚力增強效果相對較為顯著，而對邊坡地表以下30～50icm深度范圍內(nèi)土體黏聚力的增強效應(yīng)則相對不顯著。出現(xiàn)上述特征的主要原因在于邊坡地表以下0～30icm深度范圍內(nèi)是草本和灌木根系的主要分布層，因此，即使該深度范圍內(nèi)土體含水量相對較高，6種草本和灌木組合根-土復(fù)合體依然具有相對較高的黏聚力。

由表 3亦可知，在試驗區(qū)邊坡地表以下0～10icm深度范圍內(nèi)，素土內(nèi)摩擦角略大于6種草本和灌木組合根-土復(fù)合體，是復(fù)合體的1.01～1.07倍，但未表現(xiàn)出顯著性差異(P>0.05)。在邊坡地表以下10～50icm深度范圍內(nèi)，6種草本和灌木組合根-土復(fù)合體與素土內(nèi)摩擦角之間未表現(xiàn)出顯著規(guī)律性和差異性(P>0.05)。上述試驗結(jié)果表明本試驗中的直剪試驗條件下，草本和灌木植物組合根系對土體內(nèi)摩擦角未表現(xiàn)出增強作用。

表 3 試驗區(qū)草本和灌木組合根-土復(fù)合體物理性質(zhì)指標(biāo)與抗剪強度指標(biāo)試驗結(jié)果Table3 Test results of physical property index and shear strength index of root-soil composite systems of combination of herb and shrub species in test area

組合類型取樣深度/cm含水量/%密度/g·cm-3黏聚力/kPa內(nèi)摩擦角/(°)組合10～109.78±2.14a1.38±0.15a20.40±2.82a24.88±0.24a組合29.58±1.43a1.38±0.07a20.74±6.86a23.66±1.56a組合3(4)10.03±1.92a1.42±0.06a18.34±1.63a23.46±1.81a組合59.22±3.19a1.38±0.06a22.58±5.53a24.13±1.44a組合69.73±0.27a1.36±0.06a18.45±4.71a23.82±1.01組合7(8)9.40±0.12a1.39±0.04a18.01±3.88a23.82±0.99a素土9.32±0.54a1.42±0.09a12.13±2.86b25.17±0.74a組合110～208.37±1.18a1.36±0.13a14.90±2.14a23.99±0.94a組合28.87±1.63a1.34±0.09a14.16±2.42ab25.61±0.91a組合3(4)8.81±3.65a1.38±0.05a16.97±5.14a25.12±0.69a組合58.34±3.81a1.38±0.05a21.23±6.13a23.20±0.38a組合68.36±1.53a1.33±0.03a16.68±5.31a25.13±1.02a組合7(8)8.13±0.35a1.38±0.11a15.48±4.81a23.74±1.93a素土8.12±0.16a1.40±0.05a13.16±2.01b25.50±0.69a組合120～305.52±0.07a1.30±0.14a13.67±1.98a25.14±1.92a組合26.54±3.13a1.28±0.04a13.72±2.83a24.86±1.39a組合3(4)5.12±0.13a1.35±0.08a15.89±1.37a25.25±1.45a組合55.14±0.25a1.35±0.05a16.26±6.61a25.29±1.74a組合66.46±1.02a1.26±0.06a15.59±4.53a24.96±1.70a組合7(8)6.05±1.62a1.28±0.10a15.14±6.26a23.75±0.59a素土5.17±0.24a1.38±0.05a13.34±3.61a25.59±0.94a組合130～404.93±0.85a1.22±0.08a14.72±2.06a26.42±0.94a組合26.05±0.60a1.24±0.04a13.42±2.53a26.10±0.37a組合3(4)5.21±0.78a1.27±0.03a13.58±1.08a26.59±2.20a組合55.33±0.95a1.30±0.11a13.96±1.69a26.20±1.28a組合65.45±0.41a1.25±0.03a13.84±2.81a26.10±1.49a組合7(8)5.41±0.74a1.28±0.14a14.61±3.62a25.18±0.76a素土5.13±0.04a1.28±0.09a13.28±5.47a26.11±1.96a組合140～505.83±0.47a1.26±0.02a14.15±4.94a28.46±3.05a組合24.74±0.23b1.28±0.07a12.97±3.99a26.99±0.97a組合3(4)6.04±0.22a1.25±0.08a13.43±2.57a25.54±4.64a組合54.47±0.05b1.29±0.08a14.21±3.97a26.17±1.81a組合64.76±1.55a1.23±0.04a14.71±2.96a25.37±1.71a組合7(8)5.65±1.16a1.26±0.05a14.10±2.71a25.72±0.91a素土4.64±0.06b1.26±0.07a13.87±5.18a27.30±1.48a

同列小寫字母表示在相同深度范圍內(nèi)，不同草本和灌木組合根-土復(fù)合體含水量之間、密度之間、黏聚力之間和內(nèi)摩擦角之間的差異顯著性分析結(jié)果(LSD 法)，P<0.05。其中 a 和 b 比較，表示該兩種草本和灌木組合根-土復(fù)合體其上述物理性質(zhì)指標(biāo)與抗剪強度指標(biāo)在相同深度范圍內(nèi)存在顯著差異；a 和 ab 比較或者 ab 和 b 比較，因各有重復(fù)字母，故表示該兩種草本和灌木組合根土復(fù)合體的上述物理性質(zhì)指標(biāo)與抗剪強度指標(biāo)在相同深度范圍內(nèi)均不具有顯著差異

3.3 草本和灌木組合根系對土體抗剪強度指標(biāo)的作用機理分析

本試驗中，在草本和灌木組合種植條件下，禾本科草本垂穗披堿草、細(xì)莖冰草、芨芨草、堿茅和草地早熟禾根系，以及豆科草本紫花苜蓿和灌木檸條錦雞兒、霸王的側(cè)根因其剛度和抗彎折能力相對較低，可視為柔性加筋材料。當(dāng)土體受到剪切作用時，穿過剪切面的上述根系能夠通過根-土界面摩擦力的作用，將土體內(nèi)部剪應(yīng)力轉(zhuǎn)化為自身所承受的拉應(yīng)力，而根系所承受的拉應(yīng)力可轉(zhuǎn)化為土體剪切面上的法向應(yīng)力和切向應(yīng)力，其中法向應(yīng)力增加了剪切面上的正應(yīng)力，起到了增強剪切面摩擦強度的作用，而切向應(yīng)力則可直接參與抵抗剪切面兩側(cè)土體發(fā)生剪切變形。豆科草本紫花苜蓿和灌木檸條錦雞兒、霸王的主根在生長期為1ia時深度可達(dá)到邊坡地表以下50icm，且根徑在邊坡地表以下0～30icm深度達(dá)1.2～6.7imm。因此，當(dāng)邊坡淺層土體發(fā)生剪切變形時，這些主根能將邊坡土體剪應(yīng)力傳遞至相對更深的土體中，同時，由于這些主根具有一定的剛度和抗彎折能力，故其拉應(yīng)力的切向應(yīng)力分量所起到的抵抗剪切面兩側(cè)土體發(fā)生剪切變形的能力亦會相應(yīng)更為顯著。因此，在2類根系的共同作用下，邊坡淺層含根土體黏聚力可得到顯著增強。

相關(guān)研究結(jié)果表明，草本植物根系對土體內(nèi)摩擦角未體現(xiàn)出顯著的增強作用(周德培等，2003；余芹芹等，2012；張興玲等，2013)，而木本植物根系不僅能增強土體黏聚力，而且能起到提高土體內(nèi)摩擦角的作用(肖宏彬等，2014；王月等，2018)，木本植物根系的存在是根-土復(fù)合體內(nèi)摩擦角增大的主要因素(肖宏彬等，2014)。然而本試驗中，在試驗區(qū)邊坡地表以下0～50icm深度范圍內(nèi)，6種草本和灌木組合根系均未表現(xiàn)出增強根-土復(fù)合體內(nèi)摩擦角的作用。初步分析產(chǎn)生該現(xiàn)象的主要原因是由于試驗區(qū)邊坡地表以下0～30icm深度范圍內(nèi)，草本和灌木組合根系含根量相對較大，使得根系間的土體體積相對減少，加之豆科草本紫花苜蓿和灌木檸條錦雞兒、霸王的主根在該深度范圍內(nèi)具有一定的抗彎剛度和抗彎強度，故在直剪試驗過程中，這些主根能承受一定的壓應(yīng)力，從而使復(fù)合體內(nèi)土體所承受的壓應(yīng)力降低，故在直剪試驗過程中，復(fù)合體內(nèi)土體密實度增加程度相應(yīng)地降低，從而未體現(xiàn)出對邊坡土體內(nèi)摩擦角的增強作用。而在地表以下30～50icm深度范圍內(nèi)，由于草本和灌木組合根系分布相對較低，故亦未對土體內(nèi)摩擦角產(chǎn)生影響。

值得一提的是，肖宏彬等(2014)的研究結(jié)果表明，由灌木小葉女貞和草本香根草根系組成的根-土復(fù)合體試樣抗剪強度指標(biāo)受上述兩種植物根系比例的影響。本試驗中，盡管分析了不同組合草本與灌木植物質(zhì)量比隨土體深度的分布規(guī)律，但因原狀根-土復(fù)合體試樣含根量存在一定程度的復(fù)雜性和隨機性，且不同層位復(fù)合體含水率和密度存在差異性，故本試驗未能得出根-土復(fù)合體抗剪強度指標(biāo)與草本與灌木植物質(zhì)量比之間存在顯著性關(guān)系的結(jié)論。在后續(xù)的研究中，有待進一步開展不同草本與灌木植物質(zhì)量比條件下的根-土復(fù)合體直剪或三軸試驗，以分析不同草本和灌木植物根系比例對根-土復(fù)合體抗剪強度指標(biāo)的影響規(guī)律和作用機理。

4 結(jié) 論

(1)試驗區(qū)6種草本和灌木組合含根量隨著取樣深度的增加呈線性函數(shù)和指數(shù)函數(shù)降低趨勢；6種組合草本與灌木根系質(zhì)量比隨著邊坡土體深度的增加呈先降低后增大的變化趨勢，且均符合二次函數(shù)關(guān)系。

(2)在試驗區(qū)邊坡地表以下0～30icm深度范圍內(nèi)，6種草本和灌木組合根系能起到增強土體黏聚力作用，而對土體內(nèi)摩擦角的影響不顯著；其中草本和灌木組合5(紫花苜蓿+垂穗披堿草+堿茅+草地早熟禾+檸條錦雞兒)對邊坡土體黏聚力的增強作用相對較為顯著。

該項研究成果對于研究區(qū)采用草本和灌木組合種植的方式開展坡面水土流失、淺層滑坡等地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)象的生態(tài)防護，以及對進一步探討根-土相互作用機制具有實際指導(dǎo)意義和理論研究價值。