第３３卷第７期 ２０１ １年７月 人民黄河 ＲＩＶＥＲ Ｖｆ１】．３３．Ｎｏ ７ ＹＥＬＬ０Ｗ ｌＪＩｌｌ，２０１１ 【水土保持・生态】 植物对土壤加强作用及其 生态 护坡研究综述 乔 娜，余芹芹，胡夏嵩，李国荣，朱海丽 （青海大学地质工程系，青海西宁８１００１６） 摘要：在分析国内外学者关于植物对土壤加强作用力学效应研究现状基础上，分别从植物根系分布特征、植物根径与 强度关系、单根拉伸与剪切试验、根一土复合体强度试验、根系加强边坡土体力学模型等方面介绍了主要研究成果。探 讨了植物对土壤加强作用力学效应的研究趋势：定量研究根系地下部分形态特征、根系力学性能指标等，研究不同属种 植物根系在稳定边坡、控制水土流失等方面的贡献，根系的弹性模量、泊松比等＿Ｔ－程参数的获取，建立不同根一土复合体 相互作用的力学模型等。 关键词：植物根系；加强作用；力学效应；植物护坡 文献标识码：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１０００—１３７９．２０１ １．０７．０４１ 中图分类号：Ｓ１５７ Ｖｅｇｅｔａｔｉｏｎ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔ ｔｏ Ｓｏｉｌ ａｎｄ ａ Ｒｅｖｉｅｗ ｏｎ Ｉｔｓ Ｅｆｆｅｃｔ ｆｏｒ Ｓｌｏｐｅ Ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ ＱＩＡＯ Ｎａ，Ｙｕ Ｑｉｎ—ｑｉｎ，ＨＵ Ｘｉａ—ｓｏｎｇ，ＬＩ Ｇｕｏ—ｒｏｎｇ，ＺＨＵ Ｈａｌ—ｌｉ （Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｑｉｎｇｈａｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉｎｉｎｇ ８１００１６，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ ｒｅｖｉｅｗ ａｂｏｕｔ ｔｈｅ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｆ ｐｌａｎｔ ｒｏｏｔｓ，ｔｈｅ ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｂｅｔｗｅｅｎ ｄｉａｍｅｔｅｒ ａｎｄ ｓｔｒｅｎｇｔｈ，ｔｅｎｓｉｌｅ ａｎｄ ｓｈｅａｒ ｔｅｓｔ ｏｆ ｓｉｎｇｌｅ ｒｏ｛Ｊｔ，ｒｏｏｔ— ｓｏｉｌ ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ ｌｅｓｔ，ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｍｏｄｅ ｏｆ ｒｏｏｔ ｒｅｉｎｆｏｒｃｅ ｓｌｏｐｅ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｗｅｒｅ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ，ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｓｔｎｄｙ ｔｒｅｎｄ ｏｆ ｔｈｅ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｐｌａｎｔ ｒｏｏｔｓ ｉｎ ｒｅｉｎｆｏｒｃｉｎｇ ｔｈｅ ｓｏｉｌ ａｔ ｈｏｍｅ ａｎｄ ａｂｒｏａｄ．Ｉｔ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｓ ｏｆ ｔｈｅ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｔｂＪ ｓｌｏｐｅ ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ ｗｉｔｈ ｐｌａｎｔ ｒｏｏｔｓ．Ｉｔ ｃｏｎｔａｉｎｓ ｓｅｖｅｒａｌ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｓｉｄｅｓ，ｓｕｃｈ ａｓ ｔｈｅ ｑｕａｎｔｉｔａｔｉｖｅ ｓｔｕｄｙ ａｂｏｕｔ ｔｈｅ ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙ ｏｆ ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ ｐａｒｔｓ ｏｆ ｒｏｏｔｓ，ｒｏｏｔ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒ— ｔｉｅｓ，ｔｈｅ ｅｏｎｔｌｉｈｕｔｉｏｎ ｏｆ ｄｉｆｔ￣ｒｅｎｔ ｓｐｅｃｉｅｓ ｏｆ ｐｌａｎｔ ｒｏｏｔｓ ｏｎ ｓｌｏｐｅ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ａｎｄ ｅｒｏｓｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌ，ｈｏｗ ｔｏ ｇｅｔ ｔｈｅ ｒｏｏｔ ｅｌａｓｔｉｃ ｎｎｌｄｕｌｕｓ ａｎｄ Ｐｏｉｓｓｏｎ’Ｓ ｒａｔｉｏ， ｍｎｌ ｔｉｌｅ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｍｅｎｔ ｏｆ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｒｏｏｔ—ｓｏｉｌ ｃｏｍｐｌｅｘ ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ ｏｆ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｍｏｄｅｌｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｐｌａｎｔ ｒｏｏｔ；ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔ ａｆｆｅｃｔ；ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｅｆｔ￣ｃｔ；ｓｌｏｐｅ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｗｉｔｈ ｒｏｏｔ 随着人类对资源的不断开发和大规模基础设施建设，造成 ｒ 重的水土流失和土地沙化，形成了大量的裸露边坡。传统 的边坡加固措施人多采用砌石及混凝土等灰色防护，影响了自 然生态的和喈 、如何最大限度地减少工程建设对生态环境 的影响和破坏，需要在工程设计、施工管理、工程控制、环境管 理的全过程中实施系统、伞方位的保护措施 。很久以前，人 们就利用植物来保持斜坡的稳定 。植物护坡是利用植被涵 水固上的原理稳定岩土边坡同时美化生态环境的一种新技术， 用进行许多了研究，认为植物根系对土壤有显著的加强作用。 植物根系的形态特征对土壤的加强作用影响较大。 Ｂｅｒｔ Ｒｅｕｂｅｎｓ等首次对理想根系结构与加吲边坡稳定、防 治坡面水土流失之间的关系进行了研究，认为根结构模式分为 ５种类型，发现Ｈ型（侧根系发达型）和ＶＨ型（主直根系发达 型）根系有利于坡体稳定，Ｈ型和Ｍ型（絮状根系发达型）有助 于防治坡面水土流失。同时发现：理想的分枝角介于侧根和主 涉及岩土工程学、恢复生态学、植物学、土壤肥料学等 。当 前，植物护坡技术已被广泛应用到公路边坡、铁路边坡、库岸边 坡、自然边坡等的防护与生态保护。采用植物护坡，一方面能 够迅速恢复上程建设所破坏的生态环境，保持生态间的平衡， 美化景观，净化 气；另一方面，植物护坡造价低，经济性较工 程措施护坡优越 。近年来，有关植物根系对土壤加强作用力 学效应的研究受到人们关注。 轴间，形成９０。角，侧根上产生的次级分枝与侧根之间形成０— ２０。角度Ｌ６］。Ｓｍｉｔｈ等采用室内不同观测方法进行植物根系生 长特征研究，主要通过盆栽和塑料简内种植方法，定期观察植 物根系的基本生长形态和生长速度；在室外主要通过分层开挖 收稿日期：２叭Ｏ一１Ｏ一２１ 基金项目：国家自然科学基金资助项目（４０７６２００２）；教育部新世纪优秀人才支 持计划项目（ＮＣＥＴ一０４一Ｇ９８３）；青海省重点科技攻关项目（２００３一Ｎ—Ｉ ３４）。 １植物根系的分布特征 国内外学者对小同属种的植物根系与土壤之间的相互作 ・作者简介：乔娜（１９８６），女，山西忻州人，硕士研究生，研究方向为环境岩土 工程与岩土体工程稳定数值模拟计算 Ｅ．ｍａｉｌ・ｑｉａｏｎａｌ ２０６＠１６３ ｃｏｉｎ １０６・ 人民黄河方法，观测植物根系生长速度，研究植物根系在土体中的生长 分布特征 。Ｏｐｅｒｓｔｅｉｎ等先后指出根系密度、直径、长度及根 的地下分布形态是影响树根强度的主要因素，地下生物量越 大，根系分布越深，保持水土能力越强，植物的抗逆性也越 ２０１１年第７期 根的锚固作用和侧根的加筋作用构成，原因是根系改变了土壤 黏聚力和内摩擦角，使土壤的抗剪强度提高，滑移破坏面转移。 随着土体中根含量的增加，边坡的安全系数也随之提高，两者 呈正相关关系。含根量为某一最优值时，根系增强边坡稳定性 的作用显著，根系具体含量和土体与植物特性有关，应采取相 应的室外试验与数值模拟，确定具体区域内边坡防护植物类型 及密度 。张谢东等把根一土复合体的根系分布密度作为影 响因素，研究表明其抗剪强度与剪切面上的法向应力成正比关 强 。Ｃｏｕｔｔｓ认为树根增强土壤抗剪强度，其根系抗拔强度不 仅受根系极限抗拉强度影响，而且受根弯曲程度、分枝和须根 影响 。 ２植物根径与其强度的关系 系，即仍然符合库仑定律。在此基础上，建立了复合体中根系 分布密度与抗剪强度增量的关系式，这为定量分析植物根系的 在分析植物根系力学特性对固坡作用的研究中，较多研究 固土作用以及理论研究奠定了基础 。 认为植物根系抗拉强度与根径之间存在幂函数或指数函数关 系 。根系对土壤的加固作用，主要是通过根系的抗拉力、 ３．３植物根长密度（ＲＬＤ）与其强度的关系 摩擦力、内聚力表现的，单根抗拉力与根径呈幂函数关系，且抗 Ｎｏｒｍａｎｉｚａ等提出根长密度是指整个根的长度与土壤体积 拉强度随根径的增加逐渐减小 Ｊ。 的比值，随着土壤深度的增加根长密度呈下降趋势。其研究了 Ｏｐｅｒｓｔｅｉｎ等对苜蓿等４种植物进行了抗拉强度试验，得出 不同深度的土壤根系生长的多样性，认为６个月生长期的植物 的结论为植物根径与抗拉强度呈指数函数或幂函数关系，根径 在８０ ｃｍ土壤深度均表现出最高的根长密度百分数，且贡献了 整个根长密度的５３％，生长期为１２个月的植物其整体根长密 与弹性模量呈指数函数或幂函数关系，根径与破坏荷载呈线性 度是生长期为６个月植物的２倍。这种现象表明，根系密度对 关系，拔出力与根表面积呈线性关系 。朱海丽等研究了四翅 边坡稳定性的贡献随生长时间的增加而增大 。Ｎｏｒｍａｎｉｚａ等 滨藜、柠条锦鸡儿、霸王、白刺４种灌木的抗拉力与根径之间的 通过对比研究，认为抗剪强度与根长度密度之间呈正相关关 关系，认为这４种的抗拉力均随根径增粗而增大，其中，四翅滨 系，根系密度较大时，提高了土体抗剪强度，有助于土体稳定。 藜和柠条锦鸡儿的抗拉力、抗拉强度与根径符合幂函数关系， 研究同时表明，最大根长密度主要集中在坡面以下约１０ ｃｍ的 霸王和白刺抗拉力、抗拉强度与根径符合指数函数关系 。 土壤层中，即在该范围内根系能够牢固加强土壤。同时，通过 刘秀萍等认为根系直径增大，相同含水量的根一土复合体的黏 垂直根系锚固以及侧根系的牵拉作用对稳定坡体具有重要意 聚力和内摩擦角都有所增大，原因是复合体中的根系直径增 义，因此根系长度密度较大时有利于稳定坡体 。 大，长度相同，根系所占体积增大，根系的锚固力显著增大，即 黏聚力明显增大；根系与土之间的接触面积增加，故内摩擦角 ４根系力学强度试验 增大 。 ４．１单根拉伸与剪切试验 ３植物根系的力学性能指标 在植物增强斜坡稳定性的过程中，植物根系与土体之间的 相互作用是关键，同时植物单根的抗拉、抗剪能力对植被护坡 ３．１植物根面积比（ＲＡＲ）与其强度的关系 的能力也有直接影响。 Ｂｅｒｔ Ｒｅｕｂｅｎｓ等建立了有关根系面积比的模型，证实了根 Ｇｅｎｅｔ等对松树和栗树等木本植物根系进行了研究，结果 面积比的有效性，认为根面积比是指“根系面积与含根土体的 表明根系极限抗拉强度与直径呈显著负相关关系，且与根的纤 横截面积的比值”Ｅ６１。Ｐｒｅｔｉ等 给出了ＲＡＲ的计算公式： 维素含量呈正相关关系 。Ｂｉｓｃｈｅｔｔｉ等在研究了杞柳、黄花 Ｒ（ ）： ：窆 兰 笋 柳、绿赤杨、欧洲落叶松等乔灌木根系后，均得出了单根抗拉强 度和直径成反比的结论 。阿部和时等在２０世纪８０年代 式中：ＲＡＲ（ｚ）为根面积比；Ａ （ ）为根系横断面面积； 为含根 对日本柳杉、北美香柏、杜梨刺槐、山杏等树木根系抗拉力进行 土体截面面积；ｄ（ ） 为根系直径；Ｄ为土壤圆柱体的平均直 了测定，结果表明根系抗拉力与直径呈显著的幂函数正相关关 径；ｍ为 深度的根系数量。 系 。周跃等对西南地区松树侧根、贡嘎山地区峨眉冷杉 Ｂｅｒｔ Ｒｅｕｂｅｎｓ同时还提出了植物根系的根面积比与根系所 和冬瓜杨根系抗拉力的研究表明，根系最大抗拉力与直径亦呈 贡献的抗剪强度的关系 Ｊ： 正相关关系 。杨永红的研究表明，苦刺、车桑子、合欢、桉 △ＪｓＲ＝１．１５ＴＲ×ＰＡＲ 树根系的最大抗拉强度与直径呈幂函数负相关关系［３２ ３。朱海 式中：ＡＳＲ为根系所增大的抗剪力；ＴＲ为单根的抗拉强度。 丽等对青藏高原黄土区４种矮丛生灌木的单根的抗拉、抗剪强 ３．２植物根密度（ＲＤ）与其强度的关系 度特性、抗变形能力及其固坡能力进行试验研究表明，４种灌木 Ｎｏｒｍａｎｉｚａ等提出，植物根密度是指每一单位土体体积内 植物的抗拉力、抗剪力随根径的增大而增大，抗拉强度、抗剪强 干燥鲜根的数量 。许多研究者通过对不同属种植物根系进 度随根径的增大而减小，而且不同灌木根系结构组成不同，根 行剪切试验，发现根一土复合体的抗剪强度与穿过剪切面的含 系拉伸的应力与应变特征也不相同 。苑淑娟等研究了３～４ 根量有直接关系，同时抗剪强度随含根量的增加而提高 。 ａ生柠条、沙柳、沙地柏和白沙蒿的单根（根径为０．３～３ ｍｍ）在 黄圣瑞等认为根系对边坡的加固稳定作用主要由主垂直 两个生长时期内瞬时大风作用下的抗拉力和平均抗拉强度，结 ・】０７・ 人民黄河果表明，在生长初期（５月初）和旺盛生长期（８月中旬），这４ ２０１１年第７期 而增大（抗剪强度增大）；根系复合布置对土壤的增强作用比垂 直布置和水平布置显著，而垂直布置比水平布置显著；在根系 布置方式、围压条件相同的情况下，随着土壤含水量的增加， 根一土复合体的极限主应力差值随之下降（抗剪强度减小），素 土也表现出一致的规律性 。 种植物根系的单根抗拉力与直径均呈幂函数正相关关系 。 ４．２拉拔试验 根系一土壤复合体是将根系与土体视为一体，根系对土壤 产生显著的“加筋”作用，使土壤整体强度提高，从而形成根系 与土壤互相依存的根一土复合体 。 Ｓｃｈｍｉｄｔ等对根系进行了现场拉拔试验，分析了不同树种 的拔出力与根径、根深与根长和根深与根体积之间的相互关 系 。李国荣等对柠条锦鸡儿、四翅滨藜、白刺和霸王４种灌 木进行了原位拉拔试验，结果表明：抗拔力与根径呈幂函数关 ５植物根系加强土体的力学模型 植物根系加强土体的力学模型一直以来都受到广大学者 的关注。相对简明直观的根一土作用模型是Ｗａｌｄｒｏｎ等提出 的受力平衡模型 ，相对较复杂的模型包括Ｓｈｅｗｂｒｉｄｇｅ等提 系，与根系数量呈线性关系，与株高呈指数函数关系 。张兴 玲等通过野外现场拉拔试验，探讨了不同生长期的根系与土体 相互作用的力学强度变化规律，得出了芨芨草、细茎冰草、垂穗 披碱草和赖草等４种草本植物年际问强弱变化及其与坡体稳 定性之问的关系，４种草本植物地下生物指标和抗拔力随时间 变化的差异性，并建立了供试种地下生物指标和抗拔力与其生 长时间之间的回归关系 。李绍才等对单株植物进行了拉拔 试验，发现对于相近的基岩分化程度，植株的抗拉力随地径、株 高、地下生物量的增加而增大，它们之间存在指数函数关 系 。杨永红等通过抗拉拔试验，分析了植物根系的最大抗 拉拔强度，把植物根系抗拉拔力与根系直径、根长、土壤容重等 建立了同归方程，进一步求得根系与周围土体之间的静摩擦系 数 。 ４．３剪切试验 研究根一土复合体的抗剪强度，可以阐明根系固土护坡的 力学作用，并进一步揭示灌木植物根系固土护坡效能的根一土 相互作用及护坡力学效应 。 Ｗａｌｄｒｏｎ等通过室内直剪试验研究了根系对土体抗剪强度 的作用，结果表明，土的抗剪强度随根（或纤维）的数量增加而 呈增大趋势 。。胡夏嵩等将四翅滨藜、柠条锦鸡儿、霸王、 白刺４种灌木种植在ＰＶＣ管内做直接剪切试验，通过对比非含 根土体与４种灌木含根系土体抗剪强度指标，评价试验区生长 时间为Ｉ ａ灌木根系的护坡力学效应，根一土复合体抗剪强度 随垂直压力增大而线性增大，符合库仑定律 。杨璞等通过 根一土复合体的三轴试验，得到了与实际含根体积比相似情况 下的三轴试验结果，建立了根一土复合材料胞元的有限元模 型，采用广义平面应变单元和广义平面应变接口单元对胞元进 行离散，引入带周期性边界条件的复合材料胞元且进行了数值 计算，并与试验结果进行了比较 。刘秀萍等通过三轴试验 探讨了不同根系直径、根系分布方式、复合体含水量和围压下 的极限主应力差和加根效果，并得出了复合体的强度指标，结 果表明：根一土复合体在含水量相同的情况下，随根径增大，复 合体的强度提高率增大；垂直根和复合根的根一土复合体明显 提高土体的强度，水平根一的根土复合体对于提高土体强度不 是很明显Ｌ４３。。冀晓东等对林木根一土复合体进行了三轴试 验，结果表明，根系的直径、布置方式、土壤含水量等因素对于 根一土的增强作用有显著影响，且林木根系对土壤的增强作用 是由根土摩擦力的作用把土中剪应力转换成根的受拉作用而 产生的。根一土复合体的极限主应力差随着根系直径的增加 ・】０８・ 出的基于变形特征的加筋复合土体模型和Ｗｕｅｔａｌ提出的考虑 根的分布和分又的随机性的统计模型 。Ｗｕ先后研究了植 物根系对土壤的加强作用，植物根一土相互作用及其力学模 型，分析了浅根的加筋作用和深根的锚固作用，并通过计算根 系的最大锚固力评价植物对边坡稳定性的贡献大小‘ ，针 对垂直根系通过剪切面提出了根系加筋模式。按照根系自然 生长习性，它可与剪切面以任意角度相交，有关倾斜根系加筋 模式由Ｇｒａｙ等提出。上述两个模式假设根系增强土体抗剪强 度，且增强强度的大小主要取决于全部根系面积和这些根系的 抗拉强度。由根系抗拉力所产生的土体抗剪强度的增量△．ｓ表 示为 ＡＳ＝ｆ （ＣＯＳ ｔａｎ ＋ｓｉｎ ０） 式中：０为根与剪切面之间夹角； 为内摩擦角；ｔ 为每单位面 积土体中根系平均抗拉强度。 ｆ 可通过下式计算： ｔ ＝Ｔｒ（Ａ ／Ａ） 式中：Ａ／４为根面积比或土壤横截面中根系所占比例 ” ；ｒ， 为 根系抗拉强度。 Ｗａｌｄｒｏｎ等认为当 变化介于４５。～７０。时，这种汁算垂直 根系增强土体抗剪强度模式适用于倾斜根系。此外，有关根系 加强土体的力学模型还包括纤维复合模型、能量渐进模型、极 限平衡方法、有限差分法和有限单元法 。 解明曙等通过建立不同的根一土相互作用力学模型来研 究植物根系对边坡稳定性的增强作用 。” 。江峰等建立了 根一土相互作用的力学模型，在限定根在土体中方位的情况下 推导出了根的加筋作用所增加的土体抗剪强度公式，结果表 明：植物根系可以明显提高土体的抗剪强度；随着含水量的增 加，土体和根一土复合体的抗剪强度会下降；直根和斜根对 根一土复合体抗剪强度的提高是相似的，即随着根条数的增加 而增加，但斜根的加强作用要大些；随着根条数的增加，根一土 复合体的ｃ、 值都会提高 。王永波等用矩形模型法建立分 析模型，试图建立植物根系和边坡土体相互作用下土壤一植物 根系复合体弹性模量的研究公式，以推动土壤一植物根系复合 体工程特性的深入研究，通过种草、造林来稳定边坡，治理公路 坡面水土流失等 。 ６研究趋势 （１）植物加强土壤作用的力学效应中，植物根系自身的性 能是重要的控制因素，植物根系的形态特征对植物护坡作用具 人民黄河２０１１年第７期 有重要影响。因此，进行根系对边坡保护作用的定量研究很有 ［１４］ 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 必要，但是在研究根系统时，取样不易且根系观察存在困难，对 ［Ｊ］．北京林业大学学报，２００２，２４（４）：６４—６７． 于如何定量研究根系地下部分形态特征还有待进一步探讨。 ［１５］ 李绍才，孙海龙，杨志荣，等．护坡植物根系与岩体相互作用的力学特性 （２）不同属种的植物根系对边坡的加固作用具有显著性差 ［Ｊ］．岩石力学与工程学报，２００６，２５（１０）：２０５１—２０５７． ［１６］ Ｙａｎｇ Ｙｏｎｇｈｏｎｇ，Ｌｉｕ Ｓｈｕｚｈｅｎ，Ｗａｎｇ Ｃｈｅｎｇｈｕａ，ｅｔ ａ１．Ａ ｓｔｕｄｙ ｏｆ ｔｅｎｓｉｌｅ 异，根系统的特征包括生物和非生物间的复杂作用，深入研究 ｓｔｅｒｎｇｔｈ ｔｅｓｔｓ ｏｆ Ａｒｂｏｒｏｕｓ ｓｐｅｃｉｅｓ ｒｏｏｔ ｓｙｓｔｅｍ ｉｎ ｆｏｒｅｓｔ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ｏｆ 不同属种植物根系在稳定边坡、控制水土流失等方面的贡献， ｓｈａｌｌｏｗ ｌａｎｄｓｌｉｄｅ［Ｊ］．Ｗｕｈａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ Ｊｏｕｒｎｌａ ｏｆ Ｎａｔｕｒａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，２００６，１１ 并且获得不同植物根系统加固边坡土体的强度参数有待于深 （４）：８９２—８９６ 入探讨。 ［１７］ Ｎ Ｓ Ｎｉｌａｗｅｅｒａ，Ｐ Ｎｕｔａｌａｙａ．Ｒｏｌｅ ｏｆ ｔｒｅｅ ｒｏｏｔｓ ｉｎ ｓｌｏｐｅ ｓｔａｂｉｌｉｚａｔｉｏｎ［Ｊ］．Ｂｕｌｌ Ｅｎｇ Ｇｅｏｌ Ｅｎｖ，１９９９，５７：３３７—３４２． （３）根系的杨氏弹性模量对根系加固边坡土体所产生的抗 ［１８］ 朱海丽，胡夏嵩，毛小青，等．青藏高原黄土区护坡灌木植物根系力学特性 剪力有重要影响，研究不同植物根系弹性模量随着植物生长特 研究［Ｊ］．岩石力学与工程学报，２００８，２７（增刊２）：３４４５—３４５２． 征指标的变化关系，并确定在根一土复合体相互作用过程中， ［１９］ 刘秀萍，陈丽华，宋维峰．林木根系与黄土复合体的抗剪强度试验研究 根系的弹性模量、泊松比等参数的获取及其对植物护坡作用的 ［Ｊ］．北京林业大学学报，２００６，３８（５）：６７—７２． 影响。 ［２０］ Ｆ Ｐｒｅｔｉ，Ａ Ｄａｎｉ，Ｆ Ｌａｉｏ．Ｒｏｏｔ ｐｒｏｆｉｌｅ ａｓｓｅｓｓｍｅｎｔ ｂｙ ｍｅａｎｓ ｏｆ ｈｙｄｒｏｌｏｇｉｃａｌ， （４）深入分析根系对土壤的加固作用力学机制，研究不同 ｐｅｄｏｌｏｇｉｃａｌ ａｎｄ ａｂｏｖｅ——ｇｒｏｕｎｄ ｖｅｇｅｔａｔｉｏｎ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｆｏｒ ｂｉｏ—－ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｐｕｒ－ 植物根系与边坡稳定性的关系，确定植物根系对不同类型边坡 ｐｏｓｅｓ［Ｊ］．Ｅｃｏｌｏｇｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２００９，３１：１５３１—１５４３． ［２１］ Ｏ Ｎｏｒｍａｎｉｚａ，Ｈ Ａ Ｆａｉｓａ１．Ｓ Ｓ Ｂａｒａｋｂａｂ．Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ Ｌｅｕｃａｅｎａ 的加固效果的差异性，研究不同属种植物根系对土壤加强作用 ｌｅｕｃｏｃｅｐｈａｌａｆｏｒ ｐｒｅｖｅｎｔｉｏｎ ｏｆ ｓｌｏｐｅｆａｉｌｕｒｅ［Ｊ］．Ｅｃｏｌｏｇｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２００８， 的范围，确定其对斜坡稳定的影响程度，并针对不同类型的边 ３２：２１５—２２１． 坡选择适合的护坡植物。 ［２２］ 杨亚川，莫永京，王芝芳，等．土壤一草本植被根系复合体抗水蚀强度与抗 （５）建立不同根一土复合体相互作用的力学模型，深入分 剪强度的试验研究［Ｊ］．中国农业大学学报，１９９６（２）：３ｌ一３８． 析植物根系在加强边坡土体稳定性中的贡献，并估算衡量植物 ［２３］ 黄圣瑞，郑建荣，袁安华．根系含量对边坡稳定性的影响分析［Ｊ］工程建 设与设计，２００９（６）：９７—１００． 根系对土壤增强作用的系数及其计算方法。 ［２４］ 张谢东，石明强，沈雪香，等．高速公路生态防护根系固坡的力学试验研究 （６）定量研究反映根系力学性能的指标，如根面积比、根长 ［Ｊ］．武汉理工大学学报，２００８，３２（１）：５９—６１． 密度、根密度，研究它们的变化规律与变化范围及其与边坡稳 ［２５］ Ｎｏｒｍａｎｉｚａ Ｏｓｍａｎ，Ｓ Ｓ Ｂａｒａｋｂａｈ．Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｔｏ ｐｒｅｄｉｃｔ ｓｌｏｐｅ ｓｔｂａｉｌｉｔｙ—ｓｏｉｌ 定性之间的对应关系，这将有利于实现依据根系力学性能指标 ｗａｔｅｒ ａｎｄ ｒｏｏｔ ｐｒｏｆｉｌｅｓ［Ｊ］．Ｅｃｏｌｏｇｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２００６，２８：９０—９５． 变化规律分析边坡稳定性，且有助于进一步评价植物根系对加 ［２６］ Ｇｅｎｅｔ Ｍ，Ｓｔｏｋｅｓ Ａ，Ｓａｌｉｎ Ｆ，ｅｔ １ａ．Ｔｈｅ ｉｌｆｎｕｅｎｃｅ ｏｆ ｃｅｌｌｕｌｏｓｅ ｃｏｎｔｅｎｔ ｏｎ ｔｅｎ－ 强边坡土体稳定性的贡献。 ｓｉｌｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｉｎ ｔｒｅｅ ｒｏｏｔｓ［Ｊ］．Ｐｌａｎｔ ｏＳｉｌ，２００５，２７８：１—９． ［２７］ Ｂｉｓｃｈｅｔｔｉ Ｇ Ｂ，Ｃｈｉａｒａｄｉａ Ｅ Ａ，Ｓｉｍｏｎａｔｏ Ｔ，ｅｔ ａ１．Ｒｏｏｔ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ａｎｄ ｒｏｏｔ ａｙｅ 参考文献： ｒａａｔｉｏｎ ｏｆｆｏｒｅｓｔ ｓｐｅｃｉｅ ｓｉｎＬｏｍ—ｂａｒｄｙ（Ｎｏｒｔｈｅｍｌｔａｌｙ）［Ｊ］．Ｐｌａｎｔ ａｎｄ Ｓｏｉｌ， ２００５．２７８：１１—２２． ［１］陈莉，曾光辉，程兴意，等．浅议植被护坡的应用及发展［Ｊ］人民长江，２００７ ［２８］ Ｍａｔｔｉｅ Ｃ，Ｂｉｓｃｈｅｔｔｉ Ｇ Ｂ，Ｇｅｎｔｉｌｅ Ｆ．Ｂｉｏｔｅｅｈｎｉｃａｌ ｃｈａｒ—ａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｒｏｏｔ ｓｙｓ— （９）：１２７—１２９． ｔｅｍｓ ｏｆｔｙｐｉｃａｌ Ｍｅｄｉｔｅｒｒａｎｅａｎ ｓｐｅｃｉｅｓ［Ｊ］．Ｐｌａｎｔ ａｎｄ Ｓｏｉｌ，２００５，２７８：２３—３２． ［２］周德培，张俊云．植被护坡工程技术［Ｍ］．北京：人民交通出版社，２００３． ［２９］ 阿部和时，岩元贤．用树木根系的抗拉强度测定根系固定坡面的作用 ［３］ 万士启含植物根土的抗剪强度［Ｊ］工程质量，２００９，２７（３）：７６—７８． ［Ｊ］．水土保持科技情报，１９９２（４）：５３—５７． ［４］宋，黄小芸，刘宇．植被护坡功能浅析［Ｊ］．岩土工程与地下工程， ［３０］ 杨维西，黄治江．黄土高原九种水土保持树种根的抗拉力［Ｊ］．中国水土 ２００９，２９（４）：８５—８９． 保持，１９８８（９）：４７—４９． ［５］ 杨永红，王成华，刘淑珍，等不同植被类型根系提高浅层滑坡土体抗剪强 ［３１］ 周跃，张军，骆华松，等．松属、青冈属乔木侧根的强度在防护林固土护坡 度的试验研究［Ｊ］．水土保持研究，２００７，１４（２）：２３３—２３５． 作用中的意义［Ｊ］．植物生态学报，２００１，２５（１）：１０５—１０９． ［６］Ｂｅｒｔ Ｒｅｕｂｅｎｓ，Ｊｅａｎ Ｐｏｅｓｅｎ，Ｆｒｅｄｅｒｉｃ Ｄａｎｊｏｎ，ｅｔ ａ１．Ｔｈｅ ｒｏｌｅ ｏｆｆｉｎｅ ａｎｄ ｃｏａｒｓｅ ［３２］ 杨永红．东川砾石土地区植被固土机理研究［Ｄ］．成都：西南交通大学， ｅｒｏｔｓ ｉｎ ｓｈａｌｌｏｗ ｓｌｏｐｅ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ａｎｄ ｓｏｉｌ ｅｒｏｓｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌ ｗｉｔｈ ａ ｆｏｃｕｓ ｏｎ ｒｏｏｔ ｓｙｓｔｅｍ ２００６． ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ［Ｊ］．Ｔｒｅｅ，２００７，２１：３８５—４０２． ［３３］ 苑淑娟，牛国权，刘静，等．瞬时拉力下两个生长期４种植物单根抗拉力与 ［７］Ｓｍｉｔｈ Ｋ Ａ，Ｍｕｎｉｎｓ Ｃ Ｅ．Ｓｏｉｌ ａｎｄ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ［Ｍ］．Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ： 抗拉强度的研究［Ｊ］．水土保持通报，２００９，２９（５）：２１—２５． ＣＲＣ Ｐｒｅｓｓ，Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ＆Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２０００． ［３４］ Ｋ Ｍ Ｓｃｈｉｍｉｄｔ，Ｊ Ｊ Ｒｏｅｒｉｎｇ，Ｊ Ｄ Ｓｔｏｃｋ，ｅｔ ａ１．Ｔｈｅ ｖａｒｉａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｒｏｏｔ ｃｏｈｅｓｉｏｎ ［８］ Ｏｐｅｒｓｔｅｉｎ Ｖ，Ｆｒｙｄｍａｎ Ｓ．Ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｖｅｇｅｔａｔｉｏｎ ｏｎ ｓｏｉｌ ｓｔｒｅｎｇｔｈ［Ｊ］ ｓａ ａｎ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｎ ｓｈａｌｌｏｗ ｌｎａｄｓｌｉｄｅ ｓｕｓｃｅｐｔｉｂｉｌｉｔｙ ｉｎ ＯＡ ｒｅｇｏｎ Ｃｏａｓｔ Ｒａｎｇｅ Ｇｒｏｕｎｄ Ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ．２０００．４：８１—８９． ［Ｊ］．Ｃａｎ Ｇｅｏｔｅｃｈ，２００１，３８：９９５—１０２４． ［９］ Ｃｏｕｔｔｓ Ｍ Ｐ．Ｒｏｏｔ ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ ａｎｄ ｔｒｅｅ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ［Ｊ］．Ｐｌｎａｔ ｓｏｉｌ，１９８３，７１： ［３５］ 李国荣，胡夏嵩，毛小青，等．寒旱环境黄土区灌木根系护坡力学效应研究 １７１—１８８． ［Ｊ］．水文地质工程地质，２００８（１）：９４—９７． ［１０］朱海丽，毛小青，倪三川，等 植被护坡研究进展与展望［Ｊ］．中国水土保 ［３６］ 张兴玲，胡夏嵩，李国荣，等．寒早环境草本植物根系护坡的时间尺度效应 持，２００７（４）：２６—２９． ［Ｊ］．水文地质工程地质，２００９（４）：１１７—１２０． ［１１］史敏华，王棣，李任敏．石灰岩区主要水保灌木根系分布特征与根抗拉力 ［３７］ 杨永红，刘淑珍，王成华，等．浅层滑坡生物治理中的乔木根系抗拉试验研 研究初报［Ｊ］．山西林业科技，１９９４（１）：ｌ７—１９． 究［Ｊ］．水土保持研究，２００７（１）：１３８—１４０ ［１２］程洪，张新全．草本植物根系网固土原理的力学试验探究［Ｊ］．水土保持 ［３８］ Ｗａｌｄｒｅｎ Ｌ Ｊ，Ｄａｋｅｓｓｉａｎ Ｓ．Ｓｏｉｌ ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔ ｂｙ ｒｏｏｔｓ，ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｉｎ— 通报，２００２，２２（５）：２０—２３． ｃｒｅａｓｅｄ ｓｏｉｌ ｓｈｅａｒ ｅｒｓｉｓｔａｎｃｅ ｆｒｏｍ ｒｏｏｔ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ［Ｊ］Ｓｏｉｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ，１９８１，１３２： ［１３］刘国彬，蒋定生，朱显谟．黄土区草地根系生物力学特性研究［Ｊ］．土壤侵 ４２７—４３５． 蚀与水土保持学报，１９９６，２（３）：２１—２８． （下转第１４３页） ・１０９・ 人民黄河下，水平样和垂直样的渗透系数都随着干密度的增大而不断减 小；干密度从１．４５ ｃｍ 增大到１．６５ ｇ／ｃｍ。时，随着围压的增 大，水平样和垂直样渗透系数随干密度增大而减小的量逐渐减 小，即随着围压的增大，干密度对渗透性的影响呈减小趋势；常 规渗透试验中围压为０，将其得到的渗透系数与三轴渗透试验 中围压为１００ ｋＰａ时垂直样的渗透系数进行比较，可以看出常 ２０１１年第７期 ｋ＝ｋ０ｅｘｐ（一ａａｐｄ— ６） 即 （３） （４） ｋ＝ｋ０ｅｘｐ（ｃｐｄ＋ｄ）＝Ａｅｘｐ（一 ｄ） 式中：ａ…ｂ Ｃ ｄ、Ａ、Ｂ均为系数。 笔者采用式（４）对于密度和渗透系数的关系曲线进行拟 合，拟合结果见表３。可以看出，除围压为１００ ｋＰａ时的水平样 和围压为３００ ｋＰａ时的垂直样外，拟合结果的相关系数大都接 近０．９９，可见干密度和渗透系数之间的关系也可以用指数函数 来描述。围压为４００ ｋＰａ时，试验得到的干密度为１．６９ ｇ／ａｍ 规试验的渗透系数大于三轴试验的渗透系数。 三轴渗透试验中，对试样施加围压进行固结渗透时，试验的 体积减小。由试样体积的变化量可得到试样在每级围压下固结 渗透结束时干密度的大小，其围压与干密度基本呈线性关系： 时的渗透系数与拟合曲线得到的渗透系数很接近，表明式（４） ３＝ａｐｄ＋ｂ （２） 可以用来描述杨凌地区Ｑ，黄土的干密度与渗透系数的关系。 将式（２）代入式（１）得： 表３干密度与渗透系数的拟合结果 ２（Ｊ０６． ３结语 ［２］朱思哲，刘虔，包承纲，等．三轴试验原理与应用技术［Ｍ］．北京：中国水利 水电出版社，２００３． 将杨凌地区的黄土分别制成干密度为１．４５、１．５５、１．６５ ［３］朱建华．土坝心墙原状土的三轴渗透试验［Ｊ］．岩土工程学报，１９８９（４）： ｇ／ａｍ 的常规样、水平样及垂直样，对常规样进行常规渗透试 ５７—６３． 验，对水平样和垂直样进行三轴渗透试验，并分析了围压和干 ［４］李永乐，刘翠然，刘海宁，等．非饱和土的渗透特性试验研究［Ｊ］ 岩石力学 密度与渗透系数的关系。结果表明：在同一干密度下，饱和重 与工程学报，２００４，２３（２２）：３８６１—３８６５． 塑黄土垂直样、水平样的渗透系数随着围压的增大而减小；在 ［５］沈振中，陈小虎，王金男．基于无单元法的应力场与渗流场耦合分析模型 ［Ｊ］．水电能源科学，２００７，２５（４）：６１—６３． 同一围压下，渗透系数随着干密度的增大而不断；随着围压的 【责任编辑吕艳梅】 增大，干密度对渗透性的影响呈减小趋势；干密度和渗透系数 之间的关系要以用指数函数来描述。 参考文献： ［１］ 张伯乎，党进谦．土力学与地基基础［Ｍ］．北京：中国水利水电出版社 ● ● ● 。● （上接第１０９页） ｉｎｇ，１９８８，１１４（１２）：１３７６—１３９５． ［３９］Ｇｒａｙ Ｄ Ｈ，ＯｈａｓｈｉＨ．Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ ｏｆｆｉｂｅｒｍｉ￣ｏｍｅｍｅｎｔ ｓａｎｄ［Ｊ］．ＧｅｏｔｅｃｈＥｎ． ［４８］Ｔ Ｈ Ｗｕ．Ｓｌｏｐｅ ｓｔａｂｉｌｉｚａｔｉｏｎ ｕｓｉｎｇ ｖｅｇｅｔａｔｉｏｎ［Ｊ］．Ｇｅｏｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎ￣ｆｉｎｇ ｇｒｇ。１９８３．１０９（３）：３３５—３５３． ｅｍｅｒｇｉｎｇ，１９９４，１２０：３７７—４０３． 『４０］ Ｓｈｅｗｂｒｉｄｇｅ Ｓ．Ｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆｆｉｂｅｒ ｐｍｐｅｒｔｉｅｓ ｏｎｔｈｅ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓ． ［４９］ ＴＨＷｕ．Ｓｔｕｄｙ ｏｆ ｓｏｉｌ—ｒｏｏｔｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ［Ｊ］．Ｇｅｏｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｅｕｇｉｎｅｅｔｉｎｇ，１９８８， ｔｉｃｓ ｏｆ ａｒｅ ｉｎｆｏｍｅｄ ｓａｎｄ［Ｄ］．Ｂｅｒｋｅｌｙ：Ｕｎｉｒｅｓｉｔｙ ｏｆＣａｌｆｏｍｉａ．１９８７． １１４（１２）：１３５１—１３７５． ［４１］ 胡夏嵩，李国荣，朱海丽，等．寒旱环境灌木植物根一土相互作用及其护坡 ［５０］ Ｍａｔｔｅｏ Ｔｏｓｉ．Ｒｏｏｔ ｔｅｎｓｉｌｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｓ ａｎｄ ｔｈｅｉｒ ｓｌｏｐｅ ｓｔｂａｉｌｉｔｙ ｉｍｐｌｉ一 力学效应［Ｊ］．岩土力学与工程学报，２００９，２８（３）：６１３—６２０． ｃａｔｉｏｎ ｏｆｔｈｒｅｅ ｓｈｒｕｂ ｓｐｅｃｉｅｓ ｉｎ ｈｔｅ Ｎｏ．ｈｅｍ Ａｐｅｎｎｉｎｅｓ（Ｉｔａｌｙ）［Ｊ］．Ｇｅｏｍｏｒ－ ［４２］ 杨璞，向志海，胡夏嵩，等．根对土壤加强作用的研究［Ｊ］．清华大学学报：ｐｈｏｌｏｇｙ，２００７，８７：２６８—２８３． 自然科学版，２００９，４９（２）：３０５—３０８． ［５１］Ｎｏｒｒｉｓ Ｊ Ｅ，Ｓｔｏｋｅｓ Ａ，Ｍｉｃｋｏｖｓｋｉ Ｓ Ｂ，ｅｔ ａ１．Ｓｌｏｐｅ ｓｔｂａｉｌｉｔｙ ａｎｄ ｅｒｏｓｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌ ［４３］刘秀萍，陈丽华，宋维峰．林木根系与黄土复合体的三轴试验［Ｊ］．林业科 ［Ｊ］・Ｅｅｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｌｃａｌ 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