植物根系在边坡生态防护中的应用.ppt

植物根系在边坡生态防护中的作用,黄晓乐2010.11.07,主要内容,1 土壤的有关概念和认识,2 根系与土壤抗侵蚀能力,3 根系与土壤抗剪强度,1.1 土壤及土壤肥力,土壤是地球陆地表面能够生长植物的疏松表层，是一个独立的历史自然体。它不仅具有自身的发生发展过程，而且是一个能从物质组成、形态、结构和功能上进行剖析的物质实体，也是一个无机物和有机物、非生物和生物相结合的物体。土壤肥力实质上是土壤中水、肥、气、热四个因素之间的协调程度，以及能否满足植物生长过程中的各种需求。,1.2 土壤矿物质组成,从起源来说，土壤中的矿物质包括了岩石碎屑、原生矿物和次生矿物三个部分。岩屑是大块岩石破坏后的残屑，仍然是一种矿物质的集合体，是土壤中最粗大的成分，常以砾石和粗砂的形式出现。原生矿物是岩屑被进一步分解破坏矿物集合体分散后的单独的矿物晶体，在成分上和结构上与原始母岩中的矿物一致。原生矿物的晶体相对较大，在土壤中多以砂粒和粉粒的形式出现。次生矿物是原生矿物化学风化或蚀变后的新型矿物，是在疏松母质发育和土壤形成作用进行时形成的，多属粘粒一级，如铝硅酸盐粘粒(高岭石、蒙脱石、伊利石等)和铁、铝的氧化物等。,1.3 土壤颗粒分组,1.4土壤质地,1) 砂质土类 通常砂粒含量在70以上，以砂粒为主的土壤。由于颗粒组成粗大，相应的空隙也较大，排水和通气条件良好。但也有保水和蓄肥能力弱的缺点，土体多呈松散状态，结构性不强。 2) 粘质土类 粘粒的含量般不低于40。由于粘质土的颗粒细小，具有巨大的表面积，所以对水分和养分有很强的保持力。粘质土中虽然空隙较多，但都属于小空隙。水、气的运动缓慢，排水和通气状况不佳。粘质土通常有较强的粘结性和可塑性；而且湿时粘着，干时硬结，胀缩幅度较大。 3) 壤质土类 壤质土可以看作是砂粒、粉砂粒和粘粒三者在比例上均不占绝对优势的类混合土壤。兼有砂质和粘质土壤的一些特性，并调和了它们的一些不利因素。因此是一种物理性质介于砂土和粘土之间的土壤。大多数农业价值较高的土壤都属于壤质土。,土壤质地土壤中不同大小的分散颗粒的组成比例。,在砂粒百分比 x 的地方（使用正三角形底边的刻度）画一条与正三角形右腰并行的直线；在粉粒百分比 y 的地方画一条与正三角形左腰并行的直线，或者黏粒百分比 Z 的地方，画一条与正三角形底边并行的直线，相交于 P 点。,甲试验场砂粒 40% ；黏粒 35% 黏质壤土；粉粒25%。,土壤质地三角形,1.5 土壤结构,自然土体中以单独分散状态存在的颗粒不多，土壤中的颗粒大都通过某种胶结物质相互联结组合在一起，形成较大型的团聚体(进行土壤的粒组分析时首先要用物理和化学的方法破坏这种团聚体)。这种由基本颗粒聚合形成的团聚体就称为土壤结构。土壤团聚体或结构体按形态一般分为球状、板状(片状)、块状和柱状四种基本形态。其中球状和块状、柱状又各续分为两类，土壤共计有7种结构形态。,1.6 土壤有机质,土壤中的有机质含量不多，在矿质土壤的表层一般仅占15。 有机质包括：原始残体及半分解的有机质新形成的腐殖质。土壤有机质的原始来源是植物的死亡组织和一部分动物的排泄物及尸体，其中以植物组织为主。这些物质被各种各样的土壤动物和微生物粉碎、转化和分解，再通过渗透和混合而变成土壤的部分。有机残体在土壤中的转化有两种不同的途径。一种叫矿质化过程，有机残体在细菌等作用下彻底氧化分解为无机矿质养分与CO2和H2O。另外一种称为腐殖化过程，有机残体在微生物不完全分解时的中间产物能重新合成一类性质较稳定的有机高分子化合物，称为腐殖质。腐殖质是棕色或暗棕色的无定形胶体物质，腐殖质胶体具有很强的活性，吸附能力特别大，同等重量的腐殖质吸收水分和保持养分的能力是矿质粘粒胶体的好几倍。,抗侵蚀性指土壤抵抗降雨径流等对其机械破坏和推动下移的性能，它主要取决于土粒间和微结构间胶结力和结构体间抵抗离散的能力。 土壤中的植物根系，把各级土粒缠绕串联起来，土体难以在水中膨胀，分散和剥落；或由根系分泌物增强土粒之间胶结力，使土壤坚硬密实，流水难以切入土中 蒋定生等对黄土高原地区土壤抗冲性大量试验的基础上，认为土壤抗冲性主要取决于3个因素： (l) 土壤表面生物生长情况，诸如地衣、苔鲜等生物在土壤表面的繁衍，草被茎叶在地表的生长遮盖、枯枝败叶在地表的聚积和分解等；(2) 根系在土体中的分布; (3)土壤质地状况等。,2.1 土壤抗侵蚀性,由于细根的生理活性很强,具有较高的生长速率和死亡分解率,死根提供有机质,活根分泌有机酸,二者作为土粒团聚体的胶结剂,配合须根的穿插和缠结,促进土粒团聚形成,尤其是使土壤中直径3 mm的大粒级水稳性团聚体增加,从而增强土壤抗分散、抗悬浮的能力.植物根系特别是大量须根的存在增加土壤团聚体含量。此外： 1)根系生长对土壤所施加的压力使土壤单体挤压在一起,形成团聚体; 2)当根系附近水分被植物吸收时,土壤水分的减少有利于土壤颗粒聚集形成水稳性团聚体;,2.2 根系对土壤结构的稳定作用,李勇等 在深入研究植物根系对土壤抗冲性影响的基础上指出，根系不但具有改善土壤物理性质，增加土壤非毛管孔隙度，强化降水就地入渗的水文生态功能;而且根系尤其是1mm径级的须根，具有稳定土层结构，增加土壤2mm粒级水稳性团粒及有机质含量，创造抗冲性土体构型的生物动力学性质之功能。,根系对提高土壤渗透性的作用主要是根系能将土壤单粒粘结起来,同时也能将板结密实的土体分散,并通过根系自身的腐解和转化合成腐殖质,使土壤有良好团聚结构和孔隙状况.一方面使土壤的透水性即复合体的渗透系数增大,接纳雨水的能力增强;另一方面,根与茎在其连接处,即根颈部位形成微型拦土栅阻止土粒搬运,使土粒在根茎连接处沉积而形成许多微型滤水土体,这些滤水土体就像一个个微型土坝一样,分别在其所在位置拦住径流去向,使其减缓,地面滞水量增大,从而使径流沿程渗透水量增大。,2.3 植物根系增强土壤渗透性,2.4 抗侵蚀性实验,（1）静水崩解法,取约5cm见方的原状土样，装在孔径1cm见方的铁丝笼内，放在静水（或流水）中，测定其崩解速度，用以说明土壤抗冲性的强弱。 用这种方法所测得的数据，在一定程度上与土壤抗冲性有相关关系，但还很难直接反映土壤抗冲性的实质。,前苏联学者古萨克曾用小型土槽(宽1cm、长28cm)，内装风干、磨碎、过筛的扰动土样作放水冲刷试验，测定不同流速下每冲走100cm3土所需水量，以此作为抗冲性指标。 索波列夫所设计的抗冲仪进行测验，用喷射水柱（压力流）冲刷土壤剖面所造成的土坑的大小来测定土壤可蚀性。 此方法能相对说明土壤抗冲性的强弱，由于土壤的受力情况与实际侵蚀过程中土壤的受力情况相差较大.所以很难对土壤抗冲性进行定量分析。,（2）原状土冲刷测定法,1964年，蒋定生设计了专门的冲刷槽，用特制的长形环刀（3X4x20cm3）采原状土样，将土样放置槽中进行放水冲刷试验；1987年，蒋定生设计的冲刷槽进行了改进，增大了取样器的尽寸，将试样增大10x7x20cm3 。,苏宁虎、李勇郎等采用扩大尺寸的取样器(10x20x10cm3)，以减小采样时对土体的扰动；刘国彬等在稳流水槽上加一层砂子，以增加粗糙度，减缓流速，使之更接近坡面实际情况。,（2）原状土冲刷测定法,（周佩华等）在小区下方设集流槽和分水箱，从小区流出的泥水，经分水箱流入横断面恒定的集流桶，根据集流桶中的水位变化过程，即可推算出小区的径流过程。每隔一定时间取泥水样一次，测定其含沙量，并推算该时段小区的冲刷量。为了使消防车放出之水能均匀流入小区，在小区上方，布设一个用白铁皮制作的簸箕形水槽，水放入槽内，然后均匀地流入小区，并随机汇集为股流，,(3) 实地放水冲刷法,实地放水冲刷，即在野外设置一定尺寸的小区，在上方按不同流量放水使土壤在已知径流作用下进行冲刷试验。,（4）室外降雨模型,刘海松等降雨冲刷对黄土公路边坡植物防护影响的试验研究*采用植物防护技术的高速公路中选取3种不同防护措施厚层基材植草公路边坡、三维网植草公路边坡以及平台植树公路边坡进行人工降雨冲刷试验，模拟当地降雨对不同类型植物防护技术的黄土公路边坡的侵蚀，测定其在一定的降雨强度下径流量和含泥量随时间的变化规律。,3.1 植物根系与土壤抗剪强度,土壤的抗剪强度与土壤的颗粒组成、土壤容重、土壤含水率等因素密切相关。植物根系的存在能明显地改善土壤的物理性质,因而在一定条件下,可以把土壤抗剪强度的增加归结为植物根系存在的结果。,3.2 根系固坡的力学模型,当土体中有剪切力发生时,根的错动位移使根内产生拉力，根被拉断的瞬间发挥出抗拉强度Tr，切线方向的分量Trsin可抵抗剪切变形，直接增加土壤抗剪强度；沿法线方向的分量Trcos可增加剪切面上的法向应力，该分量对抗剪强度的增量 tan。 根土复合体抗剪强度的增量为： S=S1+S2=Tr(sin+costan),（1） Wu-Waldron模型,对于穿过剪切面上所有发挥作用的根系而言，土体抗剪强度的增量则变为: S=TR(AR/AS)(sin+costan) TR剪切面所有发挥作用的根系平均抗拉强度；AR剪切面所有发挥作用的根系截面积之和；AS为土体截面积；AR/AS根系截面积与土体截面积之比,称为根面积比(root area ratio, RAR). (AR=Ni Ai, TR=Ti Ni Ai/Ni Ai)Wu等在野外及室内实验基础上，发现(sin+ costan)对、的通常变化范围(4070,2040)不敏感,其值基本保持在1013范围内,因此,穿过剪切面上的所有根系对土体抗剪强度的增量通常简写为: S =12TR(AR/AS)这就是说，根系产生的土体抗剪强度的增量与根系的平均抗拉强度和根面积比成正比.这一简化的Wu-Waldron模型是迄今为止解释植物根系增强坡体稳定性最直观、最简单、最有效的模型之一。,（1）Wu-Waldron模型,设边坡浅层有一潜在的滑动面AB，与水平面的夹角为。在滑动面上ABB A上，某穿过滑动面的根R，其与x、Y、z 坐标轴的夹角分别为i、i、i，设根R所承受的拉力为Ni，拉力Ni在x方向的分量对边坡土体不起加固作用，故不考虑，其在Y、z方向上的分量：,（2） 空间分析模型,Y方向抗滑力增加量为：Z方向抗滑力增加量为：根系增加的总抗滑力为：剪切面上所有根系对增加的抗剪强度：,（2） 空间分析模型,对于某边坡而言、均为定值，可设：令根系的两个当量拉力N1、N2分别为：则边坡的稳定系数: （为边坡土体内摩擦角；G为上覆土的重量）,抗剪强度,（2） 空间分析模型,如图：破坏面上侧的各根的破坏方式可能不一样，所以其拉力N的计算也不一样，有如下2种状态：(1)若植物根系从土体中被拔出，则其所受的最大荷载以其抗拔力计算，则：(2)若植物没被拔出，则其所受的最大荷载以其抗拉强度计算，则：,（2） 空间分析模型,根系分类：水平根、垂直根和须根 / 浅细根和深粗根 / 散生根型、主直根型和水平根型一般认为生态防护的主要作用机理是植物根系对边坡土体的三维锚固作用。植物的垂直根系穿过坡体浅层的松散风化层,锚固到稳定层,起到锚杆作用,在土壤表层及下覆风化残积层中盘根错结的根系,可视为三维加筋材料,增加了土体的凝聚力。植物根系在土壤中纵横穿插生长,与土壤团粒、水分、微生物、矿质元素、胶体物质等相互吸引生成一种特殊的材料,即土壤-根系复合体。当作用力很小时土壤-根系复合体有微量变形,并且因土壤、根系本身的能量储存而达到平衡;当作用力解除时,复合体将在一定程度上恢复变形。因此土壤-根系复合体可视为由多相组分构成的具有弹性的复合材料。,3.3 植物根系抗剪强度实验,影响植物根系抗剪强度的因素：根系形态、根系抗拉强度、含根量、含水量等,实验：室外剪切、室内直剪实验/三轴试验，对比无根系土样；,一般来说，根随着深度增加在土中的含量越来越少，衡量根在土中的含量的一个常用的指标是“根的面积比率”(简记为RAR)，它指的是在一个土层断面上(水平断面或垂直断面)根的截面面积占总断面面积的比率。根的面积比率是深度的函数。代全厚、张力(1998)等人通过测定发现抗剪强度均是表土层大于底土层,植物根系有较强的固持土壤功能,土壤稳定性与植物根量关系密切,根量大,其抗剪强度就大,土体的抗剪强度与根量呈显著的正相关(r=0.981 4),（a.）含根量对抗剪