高羊茅根系對河灘地土壤強度的影響分析

張雅峰

在許多干旱與半干旱地區(qū)，大部分河流屬于季節(jié)性河流，也就是說這種河道河灘地在汛期才會過水，這也就決定了此類地區(qū)的天然河道的斷面幾乎均為復(fù)式斷面，較單式河道斷面相比，復(fù)式斷面多了大面積的灘地部分。從水力學(xué)和水文學(xué)角度考慮，復(fù)式斷面在水沙來臨之際，有更好的適應(yīng)性，由于河道內(nèi)的水在枯水期集中在主河槽，水流比較穩(wěn)定，而到了洪水期，河道內(nèi)流量增大，水位升高，河水會漫過主河槽到達河灘地，此時河灘地便承擔(dān)了泄洪的主要任務(wù)；在土力學(xué)方面考慮，河灘地的存在使得河底高程與堤防的頂高程之間有了緩沖面，使得高差較高的堤防邊坡被河灘地分成了兩級高差較小的邊坡，增大了整個河道的穩(wěn)定性。

1 材料與方法

1.1 試驗材料選取

本次試驗選擇常被用作草坪草和防護用草的高羊茅，尤其是在遼寧地區(qū)，高羊茅是使用率最高的草坪草，故本次試驗選取生長期為5個月的高羊茅作為試驗用草。試驗用土取自遼寧省沈陽市東陵區(qū)石廟子村，該地土壤屬于渾河沖積平原土，為壤質(zhì)草甸土。該地土壤雜質(zhì)少，顆粒級配均勻，物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)均與實際河道灘地處相似等優(yōu)點，故本次選用該地土壤作為試驗用土壤。

1.2 土壤抗剪強度試驗方案設(shè)計

本次試驗選取了2種不同植草密度的高羊茅根土復(fù)合體進行直接剪切試驗，2種密度分別為1 400株/m2（天然生長密度）和700株/m2，通過在室內(nèi)進行直接剪切試驗，研究植草不同生長密度情況下不同深度（0～5、5～10、10～15 cm）土層根土復(fù)合體抗剪強度的變化情況，分析總結(jié)高羊茅根系特性各指標(biāo)對土壤抗剪強度的影響。

1.2.1 試驗儀器

ZJ型應(yīng)變控制式直剪儀（包括剪切盒、剪切傳動裝置、測力計、垂直加壓設(shè)備、位移量系統(tǒng)）、自制取土器、環(huán)刀、天平、透水石、削土刀等。

1.2.2 試樣制備

本次試驗所選取的土樣為原狀土樣，由于原狀土擾動小，能保證根系與土壤之間原有的結(jié)構(gòu)關(guān)系。

本次試驗原狀土取樣按S型曲線進行，選擇植株均勻的地塊，去除植株地上部分，用自制取土器沿著植株根系豎直向下直至輕觸到土槽底層進行取樣，由于根系集中分布在0～15 cm土層中，故本次只在0～15 cm范圍內(nèi)取樣，沿深度方向取3層，每個土層5 cm，分別為0～5 cm土層、5～10 cm土層和10～15 cm土層，每一深度的土層取4個重復(fù)。樣品用于土壤抗剪強度、容重、含水率、根系特性各指標(biāo)等的測定。

1.2.3 試驗內(nèi)容

通過對不同生長密度的根土復(fù)合體進行室內(nèi)直剪試驗，對比分析不同土層深度的根系對土壤抗剪強度的影響關(guān)系。

1.2.4 試驗方法

本試驗分別對高、低密度高羊茅根土復(fù)合體進行直接剪切試驗，每種土壤分為3層進行取樣，每層選取4個土樣進行試驗，在50、100、150、200 kPa垂直壓力下，量力環(huán)率定系數(shù)為1.967 kPa/0.01 mm的條件下，采用ZJ型應(yīng)變控制式直剪儀進行剪切試驗。

2 不同植草密度對根土復(fù)合體抗剪強度的影響

2.1 不同植草密度的根土復(fù)合體在各土層深度的抗剪強度分析

如圖1所示，將高密度生長狀態(tài)高羊茅的根土復(fù)合體不同土層的抗剪強度放在同一坐標(biāo)系內(nèi)進行比較，可以清晰地看出：隨著土層深度的增加，抗剪強度線不斷下移，根土復(fù)合體的抗剪強度逐漸減弱。3條線在縱軸上的截距不斷減小，說明隨著土層深度的增加，根土復(fù)合體的黏聚力C有不同程度的減小，其中，5～10 cm土層和10～15 cm土層較0～5 cm土層土壤比，黏聚力C從16.326減小到7.026 1，黏聚力ΔC分別降低了21.08%和56.96%。相關(guān)關(guān)系見表1。

圖1 高密度高羊茅根土復(fù)合體的抗剪強度關(guān)系圖

表1 高密度高羊茅根土復(fù)合體的抗剪強度相關(guān)關(guān)系式

如圖2所示，將低密度生長狀態(tài)高羊茅的根土復(fù)合體不同土層的抗剪強度放在同一坐標(biāo)系內(nèi)進行比較，可以清晰地看出：隨著土層深度的增加，抗剪強度線不斷下移，根土復(fù)合體的抗剪強度逐漸減弱。3條線在縱軸上的截距不斷減小，說明隨著土層深度的增加，根土復(fù)合體的黏聚力C有不同程度的減小，其中，5～10 cm土層和10～15 cm土層較0～5 cm土層土壤比，黏聚力C從10.228減小到6.4321，黏聚力ΔC分別降低了15.00%和37.11%。相關(guān)關(guān)系見表2。

由上述2種密度高羊茅根土復(fù)合體抗剪強度對比可以發(fā)現(xiàn)，根系密度的增大對根土復(fù)合體的抗剪強度的增強有顯著關(guān)系。植草密度增加1倍，對不同土層根土復(fù)合體的黏聚力C的增加率在21.7%～59.6%之間。推測是由于根系在土壤中穿插纏繞形成天然的根土復(fù)合材料，根系不但將其周圍的土壤顆粒膠結(jié)在一起，增大了根土復(fù)合體的黏聚力，同時又受到周圍土壤的擠壓，使得根系被緊緊的錨固在土壤中，產(chǎn)生了顯著的加筋效果，進而增強了根土復(fù)合體的抗剪強度，使得根系對土壤具有良好的咬合作用。

圖2 低密度高羊茅根土復(fù)合體抗剪強度關(guān)系圖

2.2 不同植草密度的根土復(fù)合體在各土層深度的黏聚力分析

由表3可以看出，高羊茅根土復(fù)合體根系不同密度下不同土層深度的黏聚力C變化情況：當(dāng)根系密度相同時，根土復(fù)合體黏聚力隨著土層深度的增大逐漸減小，呈負相關(guān)關(guān)系，2種密度的根土復(fù)合體在0～5 cm土層的黏聚力分別是5～10 cm土層的黏聚力的1.27倍和1.18倍，是10～15 cm土層的黏聚力的2.32倍和1.59倍；當(dāng)根系密度不同時，相同土層深度的土體黏聚力隨著根系密度的增大而增大，呈正相關(guān)關(guān)系，且黏聚力增大幅度隨著土層深度的增加而減小，由圖3可看出，2條曲線之間距離隨著土層深度的增加越來越小，其中，0～5 cm土層土體黏聚力最大，高密度根土復(fù)合體是低密度的1.60倍，5～10 cm土層土體黏聚力次之，高密度根土復(fù)合體是低密度的1.48倍，10～15 cm土層土體黏聚力最小，2種密度土體黏聚力幾乎趨于相等，高密度根土復(fù)合體是低密度的1.09倍。

表3 不同密度高羊茅根土復(fù)合體Z—C相關(guān)關(guān)系式

圖3 不同密度高羊茅根土復(fù)合體Z—C關(guān)系圖

2.3 不同植草密度的根土復(fù)合體在各土層深度的內(nèi)摩擦角分析

由表4可以看出，高羊茅根土復(fù)合體根系不同密度下不同土層深度的內(nèi)摩擦角φ變化情況：當(dāng)根系密度相同時，根土復(fù)合體內(nèi)摩擦角隨著土層深度的增大逐漸減小，呈負相關(guān)關(guān)系，兩種密度的根土復(fù)合體在0～5 cm土層的內(nèi)摩擦角分別是5～10 cm土層的內(nèi)摩擦角的1.01倍和1.01倍，是10～15 cm土層的內(nèi)摩擦角的1.06倍和1.04倍；當(dāng)根系密度不同時，相同土層深度的土體內(nèi)摩擦角隨著根系密度的增大而增大，呈正相關(guān)關(guān)系，且內(nèi)摩擦角增大幅度隨著土層深度的增加而減小，由圖4中可看出，2條曲線之間距離隨著土層深度的增加越來越小，其中，0～5 cm土層土體內(nèi)摩擦角最大，高密度根土復(fù)合體是低密度的1.03倍，5～10 cm土層土體內(nèi)摩擦角次之，高密度根土復(fù)合體是低密度的1.02倍，10～15 cm土層土體內(nèi)摩擦角最小，2種密度土體內(nèi)摩擦角幾乎趨于相等，高密度根土復(fù)合體是低密度的1.00倍。

表4 不同密度高羊茅根土復(fù)合體Z—φ相關(guān)關(guān)系式

由上述兩種密度高羊茅根土復(fù)合體黏聚力C和內(nèi)摩擦角φ對比可以發(fā)現(xiàn)，根系密度的增大對根土復(fù)合體的抗剪強度的增強有顯著關(guān)系。在同一土層深度，根土復(fù)合體黏聚力C和內(nèi)摩擦角φ均隨著根系密度的增大而增大。

圖4 不同密度高羊茅根土復(fù)合體Z—φ關(guān)系圖

3 結(jié)語

在土壤中根系的密度一定時，根土復(fù)合體的抗剪強度隨著土層深度的增大而減小，即0～5 cm土層土壤的抗剪強度最大，10～15 cm土層最??；在土層深度一定時，土壤的抗剪強度隨著根系的密度增大而增大，即高密度根系的土壤抗剪強度最大。不同根系密度的土壤的黏聚力C與內(nèi)摩擦角φ隨著土層深度的增大而減小，且同一土層深度情況下，高密度根系根土復(fù)合體大于低密度根系根土復(fù)合體。植草密度增加1倍，對不同土層根土復(fù)合體的黏聚力C的增加率在21.7%～59.6%之間。