植被对土体基质吸力及力学效应影响的试验研究

摘要

近年来，植物护坡的理念在国内外引发了高度的关注，其核心就是土体-植被-大气的相互作用。植物护坡不仅可以提高浅表层边坡稳定、保持水土,也可以改善生态环境，因此研究土体-植被-大气的相互作用机理，进一步丰富植物固土护坡的水力学机制，有利于实现可持续发展的长远目标。目前，植物固土护坡的评价机制主要包括植物的力学机制和水力学机制，力学机制主要体现在强大的植物根系可以改良土体结构和增强土体抗剪性能，水力学机制则表现为植物叶片截留降低雨水溅蚀作用，根系的缠绕、网结作用增加土体抗侵蚀的能力，同时，植物也可以通过根系的吸水作用在土体内产生基质吸力，而土体基质吸力是控制非饱和土应力应变状态的两个独立变量之一。因此，了解植被蒸腾作用产生的基质吸力是至关重要的，因为任何基质吸力的变化都会引起非饱和土体的性质改变，例如渗透性。 本文围绕土体-植被-大气的相互作用，以粉细砂土、砂质粉土和粉质黏土为载体，以狗牙根和多花木蓝为试验植物，控制土壤的均质性和植物生长条件的统一性，在设置的各种边界条件下，进行植被土体基质吸力的影响因素研究；分析基质吸力对土体抗剪强度和渗透特性的影响；建立植物特征参数与土体基质吸力的数值模型，预测土体基质吸力的分布变化规律并对其进行定量评价，进一步阐述植物固土护坡的水力学机制。 植物蒸腾作用产生的基质吸力可在土体中产生3~4 kPa的附加剪切强度，并且植物蒸腾作用通过根系吸水可以影响土体相对较深处的基质吸力。植物蒸腾作用在土体中产生的基质吸力比不发生水分蒸散土体的基质吸力高2~2.5倍左右。植物的蒸腾作用主要受控于光照热能，热光源可以增强植物的蒸腾速率，而冷光源只对植物的光合作用产生影响。土体的基质吸力与土体黏粒含量和粉粒含量存在一定的相关性，且粉质黏土的基质吸力对土体含水率的变化较敏感。粉质黏土和砂质粉土的持水能力较强，在相对时间内能维持较大的基质吸力，从而能明显降低土体的渗透系数。多花木蓝植被土体的基质吸力随着土体深度的增加呈现出先增大后减小的趋势，在水平方向上对一倍根域范围内的土体基质吸力能产生有效的影响；狗牙根植被土体的基质吸力随着土体深度的增加逐渐减小，在根域范围外随着水平距离的增加则急剧下降。 渗透试验达2 h时，狗牙根植被土体的渗透量约为裸土体的1/3，多花木蓝植被土体的渗透量约为裸土体的1/2，而随着土体基质吸力的增加，土体的渗透系数逐渐下降。随着土体基质吸力的增加，土体的抗剪强度逐渐增大，基质吸力的变化对土体的黏聚力能产生较大的影响，而对土体内摩擦角的影响则相对较小。叶片面积指数和根表面积指数可以有效地表征植物的潜在蒸腾速率，并且植物的根型对土体中基质吸 力的分布产生重要的影响。

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