黄土高原沟壑纵横,坡体众多,其中修建高等公路经陕西省境内的部分国道主干线中,约70%的里程需经过黄土台塬、黄土高原沟壑区和黄土丘陵沟壑区^[1-2]。在此修建高速公路时,开挖过程中常会形成大量的人工坡体,许多居民点距离坡体较近,面临坡体坍塌的风险较大,威胁着居民生命和财产的安全。据调查统计,截至2008年,黄土区已建公路高边坡数量共有250余处,其中属于高速公路的有130余处,在公路高边坡中,坡高在20 m<H≤30 m的有65处,坡高在30 m<H≤40 m的有54 处,坡高在40 m<H≤50 m 的有40 处,坡高在50 m<H≤60 m 的有28 处,大于60 m 的有29 处,小于20 m 的有35 处,有1/3 以上的公路边坡高度大于50 m^[3]。在2005年公布的《国家高速公路网规划》总里程达8.5万km国家高速公路网中,西部待建里程长达2.4万km。因此黄土区公路高边坡未来的稳定性以及坡体的防护将直接影响到公路安全的运行和国家对西部基础建设投资的效益。

高速公路边坡产生滑塌主要是因为坡体失稳,坍塌的因素主要有坡体坡度较大、坡体发生变形、土壤本身、力学性能以及土壤含水量等^[4]。目前常见的边坡防护手段主要有两种,即工程防护和生态防护。其中生态防护具有经济、长效以及可持续等优点,同时也是符合国家“十一五”期间提出的“生态、环保、绿色、高效”的要求^[5]。但目前生态防护还存在一些问题,如在植被恢复的初期,植物配置上常采用单一或混合草种的情况; 植物选择上过多的选择国外草种,对于乡土草种的选择利用和开发较少; 工程上生态防护技术的适应性研究还不够; 缺少对生态防护的较系统的、全面的认识^[6]。

近年来,我国许多学者已投入较大精力在植物根系与土壤结合形成根—土复合体来提高边坡坡体稳定性等方面的研究。王金霞等^[7]认为植物根系深入到土壤中后,会与土壤中的各个物质充分的接触,二者会形成一个有机复合体,这种方式构成了植物根系的固土性。杨亚川等^[8]人提出了“土壤—根系复合体”的概念,即把根系与土壤视为一个整体,同时将这种根—土复合体能够抵抗剪切破坏的极限能力称为土壤—根系复合体的抗剪强度。在护坡的过程中,主要是采用植被护坡为主同时辅以工程技术的护坡形式,其护坡机理是利用植物的根系穿插在土壤中形成对土体类似于“加筋”和“锚固”的作用,从而达到护坡的目的^[9]。Operstein V等^[10]认为植物的根系密度、根径、长度以及根系在地下分布越深,其保持水土的能力越强,植物抗旱、抗寒等抗逆性也会越强。Roboert 等^[11]学者也通过试验发现,植物的根系作用和植物对土壤饱和度指标的改变会对边坡起到很强的加固作用。Diti Heng等^[12]在研究了不同种类的植物根系对土壤的作用后,发现不同的植物根系在土壤中相互交错和穿插后,土壤的抗剪强度会明显提高,且由于草本植物的根系密度较大,根系交错生长,数量庞大,因此有草本科植物的根土复合体的土壤抗剪强度会明显高于只有木本科植物的根土复合体。由于草本植物根系主要分布在坡体的浅层部分,其根系可以对表层土壤固持,起到了增加坡体的抗剪强度和坡体稳定的作用; 木本植物根系较粗壮,深入土层较深,对土壤进行锚固,使得根—土复合体的抗剪强度显著增强^[13]。在生态护坡中通常利用木本植物深根的锚固作用以及草本植物浅根加筋作用来稳固边坡^[14]。

在生态防护中,植物根系指标是坡面滑塌的主要因素,且植物的根系指标,如根长、根表面积、根直径等,对于植物是否适应边坡具有重要的理论指导意义。须根系植物一般适于种植在浅坡,在植物配置上一般采用直根系的木本植物和须根系的草本植物混配方式,其次还要考虑到植物的适应性。植物的适应性也是本试验的研究内容。许多研究均以重塑土为研究材料,重塑土不适于当地的实际研究情况,研究略有偏差。本试验选取当地植物白羊草(Bothriochloa ischaemum(L.)Keng.)和小叶杨(Populus simonii Carr)的原状土作为研究对象,能够较准确的反映乡土植物与土壤的内在关系。除需考虑其生态适应性外,从其功能性上还需考虑护坡植物根系三维分布,及其在根际范围内的抗剪增强作用。土壤抗剪增强能力是边坡稳定的控制性指标也是机械力学最主要的因素。本试验通过对护坡植物根系抗剪强度的分布以及在根系范围内的抗剪增强做研究,并对选择合适的护坡植物类型以及配置方式提出探讨,以期为林草一体化边坡护坡技术的开发与利用提供理论依据,对陕北地区的防治水土流失,提高浅层坡体稳定性和生态环境的恢复提供一定的理论基础^[15]。

植物根系形态参数是研究护坡植物的重要指标之一,根长密度、根直径、根表面积密度均对选取合适的护坡植物有重要的作用。根长密度反映了根系对土壤的缠绕,伸展的能力; 根表面积密度反映了根系于土壤的接触紧实程度; 根直径反映了根系粗细对抗拉能力的大小。在选取护坡植物时,我们通常选取乡土适生植物; 其次是,根据植物的根系指标进行搭配种植,以求最大化的效益。

本试验中选取的乡土木本植物为小叶杨,其根系主要分布范围为0.5—1 m,乡土草本植物为白羊草,其根系集中分布在0—30 cm的土层深度,这与刘子壮^[26]等研究结果一致。通过对小叶杨和白羊草构成的根—土复合体的研究,结果表明植物根系形态参数—根长、根系表面积及根系直径随距主根的距离的增加均表现为指数函数显著下降的变化规律; 且根长、根系表面积及根系直径随土层深度的增加同样符合指数函数显著下降的变化规律,这与刘鑫^[27]、李建兴^[28]等所研究的结果相似。但是指数函数拟合相关性系数较小,这是由于表层分布有较多白羊草根系,从而影响了拟合效果。根—土复合体的根长密度、根表面积密度主要分布在0—60 cm的土层深度中,且二者分别占其总量的75.49%,73.92%,这与刘秀萍^[29]所研究结果相似。

植物根系的抗剪强度是植物护坡力学的另一重要指标之一,根系抗剪强度的强弱反应了根系抵抗外力而保持边坡稳定性的能力。本试验区域为黄土高原,其土壤自身的抗剪能力较弱、抗压能力较强,通过小叶杨和白羊草根系构成的根—土复合体,可以使根—土复合体的增强许多^[30]。黄土高原土壤多为粘性土,且坡体众多,对于滑坡的稳定性分析,常通过考虑土体的残余抗剪强度^[31]。根—土复合体根系形态参数与残余抗剪强度经线性拟合发现,根土复合体根长密度、根表面积密度与残余抗剪强度均表现为线性函数显著上升的变化规律,这与李建兴^[32]、王月^[24]等研究结果一致。但根直径与残余抗剪强度尚未发现有线性相关性。

在白羊草与小叶杨的根系和土壤形成的根—土复合体中:白羊草的根系较细,且其繁密的根系和较大的根系密度能够抓紧土壤,使白羊草的抗拉力发挥了抗剪力的作用^[33]。白羊草的须根与土体紧密缠绕,形成网絮状,使根系复合体对土壤起到“加筋”的作用,提升土体的抗剪强度^[32,34]。因此,白羊草对土壤的“加筋”效应能使边坡的稳定性提高2%～10%^[35]。小叶杨在中深层土壤中的根系较大,并且在中深层的土壤中植物的根系较粗,抗拉强度较大,主根周围分出许多较细的侧根,能深入到土壤毛孔中,对土壤起到网络作用,从而增强了整体素土的抗剪强度。通过研究林草复合体在根际范围内实测的抗剪强度后发现,在0—30 cm 的土层深度中,林草复合体的抗剪强度较素土提升了约11倍,在40—60 cm的土层深度,较素土提升了8～9倍,在70—100 cm的土层深度中,其抗剪强度约为素土的3倍,这与张超波等^[36]研究结果相似。

综上所述,在0—40 cm的土壤中禾本科植物白羊草根系分布较多,木本科植物小叶杨根系分布在50—100 cm的土壤中,两者构成的根土复合体能够在0—1 m的土层深度范围内对土体起到显著的抗剪增强的作用,对于边坡的稳定性提高起到了关键作用,因此小叶杨和白羊草的混配种植是较为理想的护坡配置方式。

(1)通过对小叶杨以及白羊草的根系分布范围的研究,发现白羊草根系集中分布在0—30 cm的土层深度,小叶杨的根系主要分布范围为0.5—1 m,这表明小叶杨和白羊草的混合根系能够对地下1 m的土壤起到稳固护坡的作用。植物根系形态参数—根长、根系表面积及根系直径随距主根的距离的增加均表现为指数函数显著下降的变化规律; 且根长、根系表面积及根系直径随土层深度的增加同样符合指数函数显著下降的变化规律。在0—60 cm的土层深度中,根—土复合体的根长密度、根表面积密度二者分别占其总量的75.49%,73.92%,这表明林草混合根系在0—60 cm的土层深度范围内对土壤的加筋效果最好。

(2)通过对根—土复合体根系形态参数与残余抗剪强度经线性拟合发现,根土复合体根长密度、根表面积密度与残余抗剪强度均表现为线性函数显著上升的变化规律,但根直径与残余抗剪强度尚未发现有线性相关性。由此可得,小叶杨和白羊草的根系能够显著的提高边坡稳定性。通过研究林草复合体在根际范围内实测的抗剪强度后发现,在0—30 cm 的土层深度中,林草复合体的抗剪强度较素土提升了约11倍,在40—60 cm的土层深度,较素土提升了约8～9倍,在70—100 cm的土层深度中,其抗剪强度约为素土的3倍,这表明小叶杨和白羊草的组合对于边坡的抗剪强度的提升较大,能够显著增强边坡的抗剪能力。