黄土区不同龄期灌木柠条锦鸡儿根系的分布特征及其固土护坡效果.pdf

黄土区不同龄期灌木柠条锦鸡儿根系的分布特征及其固土护坡效果梁燊1，刘亚斌1,2，石川1，庞景豪1，李国荣1,2，朱海丽1,2，胡夏嵩1,2（1.青海大学地质工程系，西宁810016；2.青藏高原北缘新生代资源环境重点实验室，西宁810016）摘要：为定量评价西宁盆地黄土区优势灌木柠条锦鸡儿根系固土护坡效果，该研究以区内生长期为幼龄期（14a）3 个龄期的柠条锦鸡儿为研究对象，通过原位挖掘法与原位拉拔试验相结合的方式，调查不同龄期柠条锦鸡儿根系形态学指标和根系分布特征，并通过单根拉伸试验获得单根抗拉强度。以此为基础，利用WWM 模型对不同龄期柠条锦鸡儿根系附加黏聚力进行计算，评价不同龄期柠条锦鸡儿根系对土体抗剪强度的增强效果。结合有限元数值模拟分析，定量评价不同龄期柠条锦鸡儿根系加筋和锚固作用对黄土边坡稳定性的贡献。结果表明：随着龄期的增加，柠条锦鸡儿根系埋深、根系总根长、主根根径和主根根长均逐渐增加；各龄期柠条锦鸡儿根系主要分布在 00.6m 土层深度范围内，随着土层深度增加，幼龄期和老龄期根系根长和根数呈逐渐减少趋势；中龄期根系则呈先增大后减小趋势，根长和根数的最大值出现在 0.30.6m 的土层深度内。幼龄期和老龄期柠条锦鸡儿根面积比和根系附加黏聚力均随着土层深度增加而逐渐减少，中龄期柠条锦鸡儿则呈先增大后减小变化趋势，且该龄期根系增强土体抗剪强度的效果相对最为显著。不同龄期柠条锦鸡儿根系均能够降低边坡坡肩、坡体中间位置总位移和最大总位移，并提高边坡稳定系数，但提升幅度有限，在 0.19%0.93%之间。随着龄期的增大，柠条锦鸡儿根系固土护坡主导力学效应由加筋作用逐渐转变为锚固作用。研究可为西宁盆地及其周边地区生态恢复、植被护坡工程的实施提供理论指导。关键词：根系；有限元法；边坡；柠条锦鸡儿；附加黏聚力；稳定性；盆地doi：10.11975/j.issn.1002-6819.202304064中图分类号：S157文献标志码：A文章编号：1002-6819(2023)-15-0114-11梁燊，刘亚斌，石川，等.黄土区不同龄期灌木柠条锦鸡儿根系的分布特征及其固土护坡效果J.农业工程学报，2023，39(15)：114-124.doi:10.11975/j.issn.1002-6819.202304064http:/www.tcsae.orgLIANGShen,LIUYabin,SHIChuan,etal.EvaluatingsoilconservationfromrootdistributionofCaragana KorshinskiiKomintheLoessregionofXiningBasinJ.TransactionsoftheChineseSocietyofAgriculturalEngineering(TransactionsoftheCSAE),2023,39(15):114-124.(inChinesewithEnglishabstract)doi:10.11975/j.issn.1002-6819.202304064http:/www.tcsae.org0引言植物措施对防治水土流失、浅层滑坡等地质灾害具有重要作用和实际意义1-2。植物通过水文效应和力学效应两方面的作用能够起到有效减缓坡面水土流失和固土护坡的效果1-2。其中，植物力学效应指根系通过加筋和锚固两方面作用以增强土体抗剪强度和提高斜（边）坡浅层土体稳定性2-3。根系固土护坡力学效应的定量评价是植被护坡研究的重点内容4。在根系固土护坡力学效应定量评价方法方面，一些学者通过采集不同深度根-土复合体原状试样进行剪切试验，或通过原位直剪试验的方法开展相关研究，从而获取根-土复合体抗剪强度和抗剪强度指标，并进一步和素土对比，以评价不同植物根系对土体抗剪特性的增强作用5-7。另外一些学者，则在根系分布特征调查（获得不同土层深度根面积比）和单根拉伸试验结果的基础上，通过根系固土力学模型获得根系增强土体抗剪强度理论贡献值。JI 等8通过挖掘法和单根拉伸试验明确了生长于黄土高原生长期为17a 的刺槐（Robinia pseudoacacia）和侧柏（Platycladusorientalis）根系根面积比空间分布特征和单根抗拉强度，并 采用 Wu-Waldron-Model（WWM）和 Fiber-Bundle-Models（FBM）等 6 种根系固土力学模型计算了以上 2种植物根系对不同深度土体黏聚力的增强值；ZHANG等9在明确黑麦草（Lolium perenneL.）等 4 种草本植物不同深度根面积比和单根抗拉强度的基础上，采用WWM 模型计算了该 4 种草本植物对土体黏聚力的增强值，并根据植物在群落中的物种重要值，得到了不同植物在群落中的相对黏聚力增强值；李牧阳等10选取甘肃天水典型滑坡区域和不同类型林分为研究对象，通过剖面法调查了 0100cm 土层深度内的根系数量与直径分布，并通过单根抗拉试验测得不同植物根系单根抗拉强度，在此基础上采用 WWM 模型计算了不同林分根系附加黏聚力。通过以上 2 种方式获得含根土体抗剪强度和抗剪强度指标后，可建立含根边坡模型，通过极限平衡法或数值模拟法进行稳定性计算，并通过稳定系数和应力场、位移场特征来评价植物根系对边坡浅层土体稳定收稿日期：2023-04-10修订日期：2023-07-11基金项目：国家自然基金青年项目“青藏高原东北部黄土区垂直根型灌木根系锚固机理研究”(42002283)作者简介：梁燊，研究方向为生态工程地质。Email：通信作者：刘亚斌，博士，副教授，研究方向为生态工程地质。Email：第39卷第15期农 业 工 程 学 报Vol.39No.151142023年8月TransactionsoftheChineseSocietyofAgriculturalEngineeringAug.2023性的增强效果8,10-11。植物根系分布特征和单根力学特性是定量评价其固土护坡效果的基础12。受植物种类、立地条件和生长期等因素的影响，根系分布特征具有一定的复杂性和随机性，且具有显著的动态变化特征，给植物根系固土护坡效果定量评价带来了一定难度12。与此同时，对于木本植物而言，随着龄期的增大，其根系固土护坡主导力学效应及其对边坡稳定性的贡献程度，将会随着根系分布特征和根系力学特性的变化而变化。因此，虽然诸多学者已在根系固土护坡力学效应定量评价研究方面取得了较为丰富的成果，但有关植物在不同生长阶段的根系分布特征及其固土护坡效应方面的研究还相对较少。研究区西宁盆地黄土地貌广泛发育，黄土斜（边）坡浅层地质灾害频发。灌木柠条锦鸡儿(CaraganakorshinskiiKom.)是研究区主要的生态恢复和植被护坡候选植物。柠条锦鸡儿是典型的垂直根型植物，其主根明显，侧根发达，属于主侧根均衡发育型灌木13。已有的文献 14 和前期野外调查表明，研究区内生长期为 1823a 的柠条锦鸡儿根系分布深度可达 79m，主根平均根径为 14.24mm。因此，从根系分布特征角度而言，该种植物根系具有显著的固土护坡能力。然而，目前有关西宁盆地灌木柠条锦鸡儿固土护坡效果方面的研究，主要集中在幼龄期柠条锦鸡儿单根抗拉力学特性15、根系增强土体抗剪强度力学效应16、根系抗拔出特性17以及根系对边坡稳定性贡献评价184 个方面，而中、老龄期柠条锦鸡儿根系分布特征及其固土护坡效应定量评价方面的研究还鲜有报道。与此同时，有关不同龄期柠条锦鸡儿根系固土护坡主导力学效应方面，亦少有研究成果见诸报道，难以为科学合理利用该种植物进行黄土边坡生态防护提供理论依据。基于此，该研究以西宁盆地优势护坡灌木柠条锦鸡儿为研究对象，通过原位挖掘法结合原位拉拔试验调查幼龄期、中龄期和老龄期 3 个龄期阶段柠条锦鸡儿根系形态学指标和分布特征，明确不同龄期柠条锦鸡儿根系根面积比，并通过单根拉伸试验获得柠条锦鸡儿根系单根抗拉强度。以此为基础，通过 WWM 模型计算出不同龄期柠条锦鸡儿根系附加黏聚力，评价其根系对土体抗剪强度的增强效果，并结合有限元数值模拟分析，定量评价不同龄期柠条锦鸡儿根系加筋和主根锚固作用对黄土边坡稳定性的贡献，探讨不同龄期柠条锦鸡儿根系固土护坡主导力学效应，以期为研究区西宁盆地及其周边地区生态恢复、植被护坡工程的实施提供理论指导。1材料与方法1.1研究区概况西宁盆地位于黄土高原西缘与青藏高原东北缘的交接地带，受多期构造叠加影响，区内黄土侵蚀切割强烈，沟壑纵横19。西宁盆地降雨主要集中于 69 月，可达全年降水量的 70%80%20，且多以暴雨和阵雨形式出现，具有历时短、强度大和降雨集中等特点21。特殊的地质地貌和气象水文条件，为西宁盆地及其周边地区崩塌、滑坡和泥石流等地质灾害现象的发生提供了条件，导致区内生态地质环境相对脆弱22。种植植物是区内主要的斜（边）坡浅表层地质灾害治理措施23。该研究试验区位于西宁市城北区二十里铺大有山，其地理位置为 364239N，1014359E。试验区为天然黄土斜坡，海拔高度为 23502450m，坡向为东北方向。试验区内植物主要为多年生柠条锦鸡儿和天然草本植物，边坡土体类型为粉土，在 02m 深度内土体天然密度、含水率和含盐量分别为(1.400.08)g/cm3、7.56%1.21%和0.59%0.11%，其 液 限 和 塑 限 为 24.08%0.66%和17.34%0.38%，不均匀系数为 4.732.58。1.2柠条锦鸡儿根系形态学指标与分布特征调查在试验区内，随机选择不同龄期的柠条锦鸡儿开展根系形态学指标与分布特征调查。最终对 3 株幼龄期（14a）柠条锦鸡儿（其中 1 株只统计主根）进行了根系调查。部分根系只统计主根形态学指标是由于其根系暴露于直立黄土剖面，可直接测量其主根，但侧根不便于测量。只统计主根的老龄期柠条锦鸡儿根系如图 1 所示，不同龄期柠条锦鸡儿地上部分生长量指标如表 1 所示。根系Roots图 1老龄期柠条锦鸡儿根系剖面Fig.1RootsprofileofC.korshinskiiinoldage表1柠条锦鸡儿植株地上部分生长量指标Table1AbovegroundgrowthindicesofC.korshinskii龄期Growthstages冠幅Canopy/cm株高Plantheight/cm地径Grounddiameter/mm幼龄期Earlyage240.0039.40266.6724.9421.155.36中龄期Middleage264.5940.87296.6748.8733.4314.74老龄期Oldage190.8429.53318.3324.4847.6312.44该研究采用原位挖掘法与原位拉拔试验相结合的方法，以获得柠条锦鸡儿根系根幅、埋深、主根长、主根根径和侧根根数、根长以及总根长等形态学指标24，并进一步分析根系空间分布特征。柠条锦鸡儿属于垂直根型植物，根系发育较深。同时，考虑到黄土区浅层滑坡深度多为 23m25。鉴于此，该项研究以地表以下 2.5m深度为此次根系原位挖掘调查的下限。而在实际挖掘过程中，受控于探坑施工空间和坑周排土空间，并考虑到坑周堆土稳定性，探坑挖掘最大深度最终为 2m。原位挖掘试验过程中，以柠条锦鸡儿主根为中心向四周挖掘土体，每 0.3m 深为一层挖出根系，如图 2a 所示。将每层土层范围内得到的全部根系收集带回实验室后，按25、510 和10mm3 个根径级别进行根径划分26，并获得该土层根系形态学指标。第15期梁燊等：黄土区不同龄期灌木柠条锦鸡儿根系的分布特征及其固土护坡效果115Lateral roots侧根主根Main roots三角架Triangular bracket数据采集系统Data acquisition system铰链Hand chain hoista.原位挖掘调查a.In-situ excavation surveyb.原位拉拔试验b.In-situ pullout test图 2柠条锦鸡儿根系调查Fig.2InvestigationofrootsofC.korshinskii2m 深度以下主根，采用原位拉拔试验将其拔出土体后进行根系调查。原位拉拔试验采用自制原位拉拔仪，如图 2b 所示。拉拔试验过程中，主根和垂直型侧根会以 3 种形式被拔出土体，即整体拔出、次生维管组织拔出和断裂 3 种情况。其中，整体和次生维管组织拔出形式可直接测量出根长、根径等根系形态学指标；而断裂形式条件下，未拔出部分根长则通过建立已拔出根系根径与根长之间的经验公式得出27。因此，该项研究中，2m 深度以下主根和垂直型侧根仅统计根长和根径 2 个形态学指标，用以确定根系埋深、总根长、主根根长和主根根径。该项试验中，共拉拔主根和垂直型侧根 32 根。其中，整体拔出、次生维管组织拔出和断裂 3 种情况各占总体的 25.00%、21.87%和 53.13%。在明确根系形态学指标的基础上，分析了根长和根数随土体深度的变化特征。同时，计算出各土层根面积比，为计算各土层根系所提供的附加黏聚力值提供数据基础。根系调查中，由于小于 2mm 的须根主要发育在主根和侧根末端，其分布范围远离主根轴心，加之受地形和挖掘条件限制，故未将小于 2mm 的须根纳入根系调查范围内。此外，已有研究表明28，大于 10mm 的粗根虽然是组成根系不可或缺的部分，且具有重要的锚固作用，但会强烈地影响根面积比值，导致使用 WWM 模型计算出的根系附加黏聚力值与实际情况不符。因此，该项研究仅对 25 和510mm 根径级别根系根面积比进行计算分析。根系根面积比计算时，以每 0.3m 土层中心位置为计算横截面，截面直径取根系最大根幅29。根系截面积 AR与土体截面积 A 的比值为根面积比，即：R=ARA=ni=0d2i4A（1）式中 R 为植物根系根面积比；AR为土体截面上所有根系的截面积，mm2；A 为土体截面面积，mm2；di为根系直径，mm；n 为截面上根系的总数。1.3单根拉伸试验将野外挖掘到的柠条锦鸡儿根系试样用保鲜膜包裹后带回实验室进行根系单根拉伸试验。单根拉伸试验仪器为深圳万测仪器有限公司生产的 TSE104C 型微机控制电子万能试验机。电子万能试验机力学传感器量程为10kN，精度为 0.5%。单根拉伸试验中，上、下夹具间根段的标距设定为该根段根径的 10 倍29。试验根段预处理时，首先将自野外采集的根段自其一端量取 3cm 长度预留为夹持段。然后自 3cm 起，每隔一定距离量取根段根径，共取 5 个位置的根径计算平均根径，并确定该根段在上、下夹具间的标距。在试验中，上夹具以 10mm/min的速率匀速上行，以使位于上、下夹具间的根段承受拉伸作用，直至该根段发生破坏为止。选取位于上、下两夹具中间位置处发生断裂根段的单根抗拉力作为试验有效数据。该研究中，单根拉伸试验根系样本的根径为2.3311.32mm，共进行了 303 组单根拉伸试验，其中，从单根中间部位断裂的有 77 组，试验成功率 25.41%。试验过程中，试验仪将自动记录单根最大抗拉力，并计算出单根抗拉强度，计算式为T=4FmaxD2t（2）式中 Fmax为单根最大抗拉力，N；Dt为上、下两夹具间的平均根径，mm；T 为单根抗拉强度，MPa。1.4附加黏聚力计算WU 等30提出的 WWM 模型是目前最为常用的根系固土力学模型。该模型以极限平衡理论和莫尔库伦强度理论为基础来解释根系对土体抗剪强度的增强效果，认为根系以提供附加黏聚力的形式增强土体抗剪强度，且附加黏聚力主要取决于根的平均抗拉强度和根面积比。WWM 模型计算简便，适用性广泛，但是，由于模型假设当土体受剪切时，穿过剪切面的所有根在同一时刻全部达到抗拉强度，即同时被拉断，而这一假设往往和实际情况不符，故该模型会过高估计根系对土体抗剪强度的增强作用。为了解决这一问题，BISCHETTI 等12,31根据大量实测数据提出给 WWM 模型增加一个经验性的修正系数(k1)，其大致在 0.4,1）区间内变化。本文采用修正系数 k1=0.4 对 WWM 模型的计算结果进行修正，计算出不同土层深度范围内 25 和510mm 根径级别根系的附加黏聚力值。计算式为Cr=k1kRTri（3）116农业工程学报（http:/www.tcsae.org）2023年式中 Cr为根系附加黏聚力，kPa；k 为根与破坏面间夹角相关的系数，通常取 1.2；Tri为每径级根的平均抗拉强度，kPa。1.5边坡稳定性分析评价采用 MidasGTSNX 分析软件进行边坡稳定性分析。以试验区边坡实际产状为基础建立边坡几何模型，设置边坡坡度为 33，坡面长度为 31.06m，坡高为 17m。为了减少模型边界效应对边坡稳定性计算的影响32，本研究设置几何模型坡顶至左边界距离为 42.5m，为 2.5 倍的坡高，坡脚至右边界的距离为 25.5m，为 1.5 倍的坡高，坡顶至底部边界为 34m，为 2 倍的坡高。此外，为准确对比种植不同龄期柠条锦鸡儿边坡表层土体的位移情况，数值模拟过程中在边坡坡肩、坡脚以及坡面中间位置处设置位移观测点（即 A，B，C 点），观测点位置如图 3 所示。边坡土体采用莫尔-库伦本构模型，平面应变属性。土体物理力学参数主要包括重度、黏聚力、内摩擦角、弹性模量和泊松比。其中内摩擦角为 11.6516.270，土体黏聚力和密度分别为(17.0839.171)kPa 和 1400.000kg/m3，根-土复合体密度和黏聚力如表 2 所示。弹性模量由土体压缩模量换算得出，取值为 3.350MPa。由于试验区土体的液性指数小于 25%，且土质类型为粉土，故土体泊松比取值为 0.25024。42.5263417ABC9425.5注：单位：m。A、B、C 分别表示边坡坡肩、坡脚以及坡面中间位置处的位移观测点；X 代表边坡最大总位移观测点。下同。Note:Unit:m.A,BandCrepresentthedisplacementobservationpointsattheshoulder,toe and middle of the slope.X represents the maximum totaldisplacementobservationpointoftheslope.Thesamebelow.图 3边坡几何模型Fig.3Geometricmodelofslope表2不同龄期柠条锦鸡儿根系分布土层物理力学特性Table2PhysicalandmechanicalpropertiesofrootedsoilofC.korshinskiiatdifferentgrowthstages土层深度Soildepth/m根土复合体黏聚力Root-soilcomplexcohesion/kPa根土复合体密度Root-soilcomplexdensity/(kgm3)幼龄期Earlyage中龄期Middleage老龄期Oldage幼龄期Earlyage中龄期Middleage老龄期Oldage00.319.10818.93918.4171400.0741400.4371400.9550.30.617.79619.12317.4371400.0311400.4961400.2840.60.917.08518.38017.3301400.0021400.1371400.0770.91.217.84417.1301400.0841400.0021.21.517.42117.1261400.0821400.0021.51.817.4061400.037为了将柠条锦鸡儿根系加筋和锚固作用同时纳入到边坡稳定性分析中，在计算模型中设置了510 和10mm3 个根径级别的根系均有分布，但 25mm 根径级别的根系占比相对较大；而在 0.91.8m土层深度内，主要分布根径10mm 的根系。幼龄期Early age根数Number of roots土层深度Soil depth/m024681012140.150.450.751.051.351.652551010中龄期Middle age根数Number of roots土层深度Soil depth/m0510152025300.150.450.751.051.351.65老龄期Old age根数Number of roots土层深度Soil depth/m05101520253035400.150.450.751.051.351.65a.根数分布特征a.Distribution characteristics of root numbers 幼龄期Early age根数Roots length/m土层深度Soil depth/m0123450.150.450.751.051.351.65b.根长分布特征b.Distribution characteristics of root length中龄期Middle age根长Root length/m土层深度Soil depth/m02468100.150.450.751.051.351.65老龄期Old age根长Root length/m土层深度Soil depth/m02468 10 12 14 16 18 200.150.450.751.051.351.65根径Root diameter/mm图 5不同龄期柠条锦鸡儿根系分布特征Fig.5RootdistributioncharacteristicsofC.korshinskiiatdifferentgrowthstages由图 5a 可知，随着土层深度的增加，中龄期柠条锦鸡儿根数总体呈先增大后减小的变化趋势；根数最大值在 0.30.6m 土层深度内，且该层内各根径级别根系数量相对均衡；同时，各根径级别根系在不同土层深度范围内均有分布。随着土层深度的增加，老龄期柠条锦鸡儿根数逐渐减少，其根数最大值在 00.3m 土层范围内；在 00.9m 深度范围内，25、510 和10mm3 个根径级别的根系均有分布，且占比相对均匀，而在 0.91.8m 深度范围内，主要以10mm 的根系为主。由图 5b可知，柠条锦鸡儿根系在不同土层深度内各根径级别根长分布特征与根数分布特征总体相类似。其中，幼龄期和老龄期柠条锦鸡儿根长在 00.3m 土层深度内最大，根长随土层深度的增加而逐渐减少。中龄期柠条锦鸡儿根长随着土层深度增大，呈先增大后减小的变化趋势，根长在 0.30.6m 土层深度内达到最大值。2.2根系抗拉强度试验在单根根径为 2.3311.32mm 范围内（平均根径为 5.71 mm），柠 条 锦 鸡 儿 单 根 抗 拉 强 度 为 8.7276.51MPa，平均抗拉强度为 38.78（17.50）MPa。由图 6 可知，随着柠条锦鸡儿根系根径增大，抗拉强度呈显著的指数函数降低趋势（P510mm 根系的总根面积比和总抗剪强度增量整体呈现出随土层深度增加而逐渐减少的变化趋势，总根面积比与总抗剪强度增量最大值在 00.3m 土层深度范围内，分别为 7.913105和 2.025kPa，其中510mm 根径级别的根系对该层范围内根面积比和抗剪强度增量的贡献118农业工程学报（http:/www.tcsae.org）2023年相对较大，均占该层总量的 78.67%。由于在 0.9m 深度以下，幼龄期柠条锦鸡儿没有 25 和510mm 根径的根系分布，故该深度以下的根面积比与抗剪强度增量均为 0。中龄期柠条锦鸡儿根径为 25 和510mm 根系的总根面积比和总抗剪强度增量整体上呈现出先增大后逐渐减少的变化趋势，最大值在 0.30.6m 土层深度范围内，分别为 9.280105和 2.041kPa，510mm 根径级别根系对根面积比和抗剪强度增量的影响相对较大，分别占该层总量的 75.46%和 75.45%，且该根径级别根系对其他土层深度的根面积比和抗剪强度增量的影响亦相对较大。老龄期柠条锦鸡儿根径为 25 和510mm根系的总根面积比和总抗剪强度增量随着土层深度的增加而逐渐减少，最大值在 00.3m 土层深度内，为5.324105和 1.334kPa，其中510mm 根径级别的根系对该层范围内根面积比和抗剪强度增量的贡献相对较大，分别占该层总量的 71.26%和 71.29%。对于老龄期根系而言，在 00.9m 土层深度内，对根面积比和抗剪强度增量的影响主要以510mm 根径级别根系为主，而在 0.9m 土层深度以下，则主要以 25mm 根径级别的根系为主。80706050403020100抗拉强度Tensile strength/MPa24681012根径Root diameter/mmy=60.388e0.1xR2=0.15,P=0.004图 6根系抗拉强度和根径关系Fig.6Relationshipbetweensingleroottensilestrengthandrootdiameter表5不同龄期柠条锦鸡儿根面积比及根系对土体抗剪强度的增强值Table5RootarearatioandtheenhancementvalueofroottosoilshearstrengthofC.korshinskiiatdifferentages土层深度Soildepth/m根面积比Rootarearatio/105抗剪强度增量Incermentofshearstrength/kPa幼龄期Earlyage中龄期Middleage老龄期Oldage幼龄期Earlyage中龄期Middleage老龄期Oldage25mm 510mm25mm 510mm25mm 510mm25mm 510mm25mm 510mm25mm 510mm00.31.6886.2251.8706.5001.5303.7940.4321.5930.4151.4410.3830.9510.30.60.7221.8932.2777.0030.3821.3040.1970.5160.5011.5400.0800.2740.60.90.0512.1263.7040.1070.8680.0020.4730.8240.0270.2200.91.20.8972.9530.2020.1770.5830.0471.21.50.3941.2210.1150.0820.2560.0171.51.80.4941.0340.1040.218注：25，510mm 指根径。Note:2-5and5-10mmrefertorootdiameters.2.4根系对黄土边坡稳定性数值模拟分析2.4.1边坡剪应变增量分布特征边坡土体通常会沿着剪应变增量最大的部位发生滑动失稳24。因此由数值模拟计算获得坡体内部剪应变增高带的位置，对于边坡滑动失稳发育过程、机理分析，以及边坡防治措施的制定具有重要意义34。图 7 所示为裸坡和种植不同龄期柠条锦鸡儿边坡剪应变增量和总位移的分布特征图。SSI1.131.049.47E0018.53E0017.58E0016.64E0015.69E0014.74E0013.80E0012.85E0011.91E0019.63E0021.82E003a.裸坡(SSI)a.Bare slope(SSI)e.裸坡(DI)e.Bare slope(DI)f.幼龄期(DI)f.Early age(DI)b.幼龄期(SSI)b.Early age(SSI)c.中龄期(SSI)c.Middle age(SSI)g.中龄期(DI)g.Middle age(DI)d.老龄期(SSI)d.Old age(SSI)h.老龄期(DI)h.Old age(DI)SSI1.141.049.49E0018.54E0017.59E0016.65E0015.70E0014.75E0013.81E0012.86E0011.91E0019.65E0021.82E003SSI1.089.86E0018.97E0018.07E0017.18E0016.28E0015.39E0014.50E0013.60E0012.70E0011.81E0019.12E0021.82E003SSI1.039.46E0018.60E0017.74E0016.88E0016.03E0015.17E0014.31E0013.45E0012.59E0011.73E0018.76E0021.82E003DI/m2.932.682.442.191.951.711.461.229.75E0017.31E0014.88E0012.44E0010.00E+000DI/m2.922.682.432.191.951.701.461.229.74E0017.30E0014.87E0012.43E0010.00E+000DI/m2.882.642.402.161.921.681.441.209.61E0017.21E0014.81E0012.40E0010.00E+000DI/m2.872.632.392.151.911.671.441.209.57E0017.18E0014.78E0012.39E0010.00E+000图 7裸坡和种植不同龄期柠条锦鸡儿边坡剪应变增量（SSI）和总位移（DI）特征Fig.7Characteristicsofshearstrainincrement(SSI)andtotaldisplacement(DI)ofbareslopeandC.korshinskiislopesatdifferentgrowthstages第15期梁燊等：黄土区不同龄期灌木柠条锦鸡儿根系的分布特征及其固土护坡效果119由图 7 可知，天然工况下，裸坡与种植植物边坡剪应变增量都呈现带状分布，但均未形成与坡面贯通的剪应变增高带，各边坡剪应变增量最大值均出现在坡脚处。种植幼龄期、中龄期和老龄期柠条锦鸡儿边坡的最大剪应变分别为 1.138%、1.076%和 1.032%，相比于裸坡，种植幼龄期柠条锦鸡儿边坡最大剪应变增大 0.15%，而种植中龄期和老龄期柠条锦鸡儿边坡则分别减少了 5.31%和 9.19%。说明幼龄期柠条锦鸡儿根系对坡体的剪应变增量控制作用不明显，而中龄期和老龄期柠条锦鸡儿根系的存在能够在一定程度上起到降低边坡剪应变增量的作用。总体而言，随着柠条锦鸡儿龄期的增大，其护坡效果愈为显著。2.4.2边坡总位移变化特征由图 7 和表 6 可知，种植不同龄期柠条锦鸡儿边坡A 和 B 监测点处总位移相较于裸坡相同监测点分别降低了 0.15%1.92%和 0.29%2.82%，且随着柠条锦鸡儿龄期的增大，总位移降低幅度随之增大。说明植物的存在能够在一定程度上起到控制边坡中上部土体总位移的作用。与此同时，在 C 监测点处，相对于裸坡而言，中龄期和老龄期柠条锦鸡儿根系的存在能够使坡脚位置处的总位移减少，而种植幼龄期柠条锦鸡儿边坡在坡脚处的总位移则大于裸坡在该点的总位移。此外，种植幼龄期、中龄期和老龄期柠条锦鸡儿边坡最大总位移相比于裸坡分别降低了 0.10%、1.40%和 1.88%，反映出植物的存在对边坡最大总位移具有一定的控制效果，且随着龄期的增大，其控制效果愈明显。表6边坡坡面监测点总位移模拟结果Table6Numericalsimulationresultsoftotaldisplacementofmonitoringpointsofslopesurface工况Workingcondition总位移Totaldisplacement/mABCX裸坡Bareslope2.7131.7381.1442.925幼龄期Earlyage2.7091.7331.1512.922中龄期Middleage2.6751.7081.1332.884老龄期Oldage2.6611.6891.1082.870注：X 代表边坡最大总位移观测点。Note:Xrepresentsthemaximumtotaldisplacementobservationpointoftheslope.2.4.3边坡稳定性分析裸坡和种植不同龄期柠条锦鸡儿边坡稳定系数如表 7 所示。由表可知，裸坡稳定系数最小，为 1.070。种植植物边坡稳定系数在 1.0701.080 范围内，相比于裸坡增幅为 0.19%0.93%，且呈现出随着植物龄期的增大而逐渐增加的趋势。说明植物的存在对于边坡稳定性具有增强作用，但是作用程度相对有限。表7边坡稳定系数Table7Slopestabilitycoefficient工况Workingcondition稳定系数Stabilitycoefficient值Value增幅Increment/%裸坡Bareslope1.0701种植幼龄期植物边坡Slopewithplantsatearlyage1.0720.19种植中龄期植物边坡Slopewithplantsatmiddleage1.0780.75种植老龄期植物边坡Slopewithplantsatoldage1.0800.933讨论3.1不同龄期柠条锦鸡儿根系发育特征及其增强土体抗剪强度效果本研究结果表明，柠条锦鸡儿根系发育特征与龄期密切相关。随着龄期的增加，柠条锦鸡儿根系的埋深、根系总根长、主根根径和主根根长均逐渐增加。这与牛西午等35-36的研究结果一致。而在不同龄期，柠条锦鸡儿根系空间分布特征亦存在一定的差异性。具体而言，柠条锦鸡儿在幼龄期，其根数和根长最大值在 00.3m土层深度内，随着土层深度的增加，根数和根长随之减少，甚至在土层深度 0.9m 以下，缺少 25 和510mm 根径级别的根系。这是因为柠条锦鸡儿在幼龄期阶段，根系发育时间相对较短，故其主要发育在浅层土体范围。随着土体深度的增加，中龄期柠条锦鸡儿根系根数和根长呈先增大后减小的变化趋势，其根数和根长最大值在 0.30.6m 土层深度内。同时，各根径级别根系在 01.8m 土层深度范围内均有分布。这是因为中龄期是柠条锦鸡儿根系主要发育阶段，为保证柠条锦鸡儿自身生存，其根系在向深部土体延伸发育的同时，侧根亦会向四周延展发育，以便汲取深层土体和植株周围浅层土体中的水分，因此，其根系数量在水平和垂直方向较幼龄期有显著增加37。老龄期柠条锦鸡儿根系根数和根长最大值在 00.3m 土层范围内，且随着土层深度的增加，呈逐渐减少的趋势，尤其是其侧根的数量和长度会低于中龄期柠条锦鸡儿，其原因与老龄期柠条锦鸡儿根系生长发育造成周围土体水分减少有关37。由于老龄期柠条锦鸡儿根系的持续蒸腾排水，导致深层土体出现水分亏缺，甚至形成土壤干层。由于土壤深层亏缺的水量几乎不能恢复，无法为柠条锦鸡儿提供水分，因此老龄期柠条锦鸡儿根系更趋向于利用其发达的侧根系吸收表层土壤中由降雨入渗补给的水分以维持生长。故相较于中龄期根系，老龄期柠条锦鸡儿根系侧根更集中于地表浅层土体，而在深层土体中则仅主根和部分垂直侧根继续发育38。该研究进一步采用 WWM 模型计算了不同龄期柠条锦鸡儿根系的附加黏聚力，结果表明中龄期柠条锦鸡儿根系对土体的增强效果最为显著，老龄期次之，幼龄期最低，其原因与各龄期柠条锦鸡儿根系发育特征密切相关，特别与 210mm 细根数量尤为密切，细根数量越多，加筋效果越显著10,38。中龄期柠条锦鸡儿处于根系发育充分期，相比于幼龄期和老龄期柠条锦鸡儿，其根径为 210mm 的细根在地表以下 01.8m 深度范围内分布数量更多，因此，对该深度范围内土体抗剪强度的增强效果也最为显著。WWM 模型是一种广泛使用的定量评价植物根系增强土体抗剪强度特性的数学模型26。由于 WWM 模型假设土体发生剪切破坏时，穿过剪切面的根系同时拉断，因此以单根抗拉强度作为模型计算的主要参数，导致模型会高估根系对土体黏聚力的增强效果10。此外，黄土浅层滑坡主要由降雨入渗引发，降雨入渗后，土体含水量变化会导致降雨入渗范围内土体和根-土界面抗剪强度劣化，导致根-土体系易于发生破坏，使根系在土体中承120农业工程学报（http:/www.tcsae.org）2023年受拉应力以后，更倾向于拔出土体，而非被拉断。因此，该种情况下，根系对根-土复合体抗剪强度的贡献取决于土体和根-土界面抗剪强度，而非