植被在滑坡防治中的作用机理和机制.docx

1、植被在滑坡防治中的作用机理和机制魏宝祥 1* 吴敏 2(1.云南农业大学动科院草业科学系，昆明 650201；2. 昆明铁路局，昆明 650406)摘要：通过对植被护坡的机理机制的分析，指出现有植被护坡机理的不足，并对植被与群落、机体论与个体论的关系比较后，指出植被是通过群落的特征特性产生作用的，防护作用是植物特征特性作用的耦合。据此，提出了新的植被护坡的理论，解释了植被在不同地方滑坡中的异同表现。关键词：植被 滑坡 机理 机制山体滑坡(landslide) 是一种比较常见的不良地质物理现象。尤其在山区经常发生，对人民的生命财产及安全造成巨大威胁。在山区修筑公路、铁路时，也经常会遇到。通过多年

2、的科学研究，在滑坡地质勘探、选线及滑坡的发生发展规律方面，已取得许多成绩。但是，已有的成果不能满足国家建设和保证人民生命财产安全的需要，滑坡的防治仍然是一个国内外都尚未解决的问题，尤其在滑坡预报，土质加固方面仍需要科学界的共同努力。1. 植物与滑坡的关系最早研究植被与滑坡关系的是美国学者 Langbein-Schumm，他从植被入手研究了降水量和产沙量的关系。日本的研究人员统计了不同植被下的滑塌的发生率 12 ，肯定植被本身的抗拉，抗剪强度大于土体，具有固土护坡的功效，执印康裕从水文学、机械学两个方面研究了植被对表层滑坡影响机制，分析植被防止表层滑坡的发生、发展的力学作用，认为植被是防止滑坡发

3、生发展的一种有效方法。中国的研究人员 3 45 从草、乔木、灌木出发，考虑了根系的锚固作用，叶片的蒸腾作用，研究了植物在滑坡防治中的作用以及植物对滑坡的防护效果，肯定了植被在滑坡防治中的作用。国际地科联滑坡工作组也把种植植物作为滑坡整治方案的一种手段并在世界各国推广。然而，在滑坡治理的实践中，植被与滑坡的关系远非这样简单，还有许多发生滑坡的地方不仅植被完好，甚至是原生植被。以至于有人质疑 6 植物能在多大程度上阻止滑坡？甚至有人指出植被对滑坡的贡献 7 。那么，植物与滑坡究竟是什么样的作用关系？在滑坡的防治中，植物能起到什么作用？为什么在某些地方植物能够起到防护作用，而在另一些地方不能发挥作用

4、，甚至产生了负面的作用，我们不得不从植被护坡的机理机制上进行分析。2。 当前关于植被护坡机理机制的几种理论关于植被对滑坡的影响的机理机制，日本学者执印康裕从水文学、机械学两个方面进行了研究，认为主要是根系具有增加土质强度的机能作用，这种作用的大小主要取决于坡面基岩特点、土层厚度、植被组成、林龄等因素。对于植被护坡的机理主要有几种说法：锚固作用说 8、加筋作用说 7、雨滴溅蚀说 8、抑制坡面径流冲刷说、综合作用说 9。2.1 锚固作用说锚固作用说认为植被护坡是因为植物根系的锚固作用。“ 锚固”原是工程技术科学中的名词，意为将被安装的物体可靠的固定在基材上，其中涉及到三种客体：基材、锚固件和被连接

5、体。锚固件不但要完成被锚固件与基材的连接作用，更重要的是能有效的将外加荷载直接传递到基材上，从而达到安全、稳定、牢靠的功效。锚固作用说认为：植物的垂直根系穿过坡体浅层的松散风化层，锚固到深处较稳定的岩土层上，起到预应力锚杆的作用。一般灌木主根可深达地下 2m 以上，对 0.751.5m 深处有明显的土壤加强作用，深根性灌木根系的锚固作用可影响到地下更深的岩土层。木本植物的垂直根系为深根，主根粗壮，扎入土层较深，其锚固端深一般为 35m 。垂直深根穿过边坡的软弱层或滑动面，以锚固与桩侧阻的方式对边坡起到加固作用，其作用类似于锚杆或抗滑桩。可以把根系简化为以主根为轴向、侧根为分支的全长粘接型锚杆来

6、分析。假设土体的自然容重为 y，根-土间的静摩擦系数为 fu，地表下 h1-h2 深度处所有直径大于 1mm 的根段参与抗拔力计算，则可以推导出 h1-h2 深度区间的根系提供的最大抗拔力。2.2 加筋作用说加筋作用说认为：草根可使土体强度提高，相对于松散的土层，植物根系具有较强的抗拉强度。在土层中，植物根系以加筋方式，增强土体的强度与斜坡的稳定性。草本植物的根系一般为直径小于 1mm 的须根，向下生长深度一般为 0.75l.5 m，其根系在土壤中的分布特征是 90%的根系分布在 130 cm 的土层内。浅根类型的植物根系在边坡表土层中盘结缠绕，与土壤组成三维网状结构体，形成厚约 30cm 的

7、加筋复合体保护层。根系以网兜作用方式将土壤颗粒固定起来，在阻止坡面土壤颗粒被水流解离方面发挥着主要的功能。植物根系在土层中分布稠密，网兜作用效果好。从这个角度来讲，草本植物的须根效果最好。此外，植物根系在土壤中生长，为微生物的生长提供了必要的生存环境，微生物可分泌出一种多糖化合物的粘液质凝胶，将土壤颗粒有效地团聚起来，减弱了坡面水流对土层的解离侵蚀作用。通过对有根与无根沙土、粘性土的三轴剪切对比试验，证实了植物根系加筋的力学效应。植物根系的加筋效果与根的极限抗拉强度及抗拉强度的发挥程度有关。多数情况下，植物根远没有达到极限抗拉强度。植物单根抗拉强度的发挥程度与根在土层中的延伸方向及应变有关。就

8、增加土体的抗剪强度而言，植物根与剪切面的夹角决定了土层的等效抗剪强度。2.3 雨滴溅蚀说裸露斜坡的表土在雨滴击溅下，土壤结构即遭破坏，发生分离、破裂、位移、溅起。在雨滴击溅作用下，土粒能被溅至 60 cm 高，1.6 m 远，一场暴雨能将裸露地的土壤溅蚀达 2400 kg/km2 之多。 溅蚀对坡面土壤颗粒的分散作用是径流冲刷的重要基础，坡面上植物的茎叶或枯枝落叶能够拦截高速落下的雨滴，通过缓冲作用，消耗掉雨滴大量的动能，从而明显削弱甚至消除雨滴的溅蚀。若草本植物的覆盖度为 100%，或者乔木林、灌木丛下的枯枝落叶层达到一定厚度后，均可以完全消除雨滴的溅蚀作用。2.4 抑制坡面径流冲刷说植物茎

9、叶及枯枝落叶主要通过截留吸附雨水，叶面分流和茎叶的篱笆作用，实现对坡面径流及冲刷作用的抑制与削弱。2.5 综合作用说综合作用说认为，浅根的加筋作用和深根的锚固作用共同决定了植被对斜坡的防治效果。3. 分析由于锚固和加筋学说都是从岩土力学出发所提出的护坡机理，我们暂时把它称为植被护坡的力学机理。植被护坡的力学机理揭示了植被和斜坡之间客观存在的力学关系，对植被防护技术的研究和发展起到了促进作用，但忽视了植物的一些特征特性，对植物科学内部的规律没有阐述。雨滴溅蚀学说、抑制坡面径流冲刷说，阐明了植被防治的植物学机理，但仅仅是在植被层次上阐述，没有沿植被，群落，植物，器官的层次线索进行深入探讨，过于含糊

10、。对于本文开头提出的问题，即植物与滑坡究竟是什么关系? 在滑坡的防治中，植物能起到什么作用? 为什么在某些地方植物能够起到防护作用，而在另一些地方不能发挥作用，甚至产生了负面的作用这样一些问题不能做出解释，在生产科研上的指导意义受到限制。综合作用说把力学机理和植物学机理结合起来全面完整地解释了植被护坡的机理，但因植物学机理缺乏深入，也不能做出更好的解释。为了说明这个问题，在此，笔者对植被稍作赘述。3.1 植被1927 年钱崇躕发表了 安徽黄山的植被和植物区系的初步记录（英文），标志了中国现代植被研究的萌芽。刘慎谔于 19301934 年在内蒙古、宁夏、甘肃、新疆和西藏进行了考察和标本采集，于

11、1934 年发表中国北部和西部植物地理概论，文中将中国北部和西部划分为东北、华北、内蒙古、新疆和西藏五大植被地理区，分区记述其常见和代表性植物以及植被的一般特征。中国植被将全国的植被划分为 10 个植被型组，29 个植被型，有的植被型下又进行了亚型和群系组的划分，最后划分了 560 个群系。各个群系都有一定的外貌，种类组成，群落结构，群落环境，不同物种间的相互关系，动态特征，分布范围，边界特征。这些早期的学者都是使用了分类的方法对植被进行研究，依据群落的外貌特征对植物的高级类型的进行划分，例如，德鲁捷（O. Drude，1900 ）分类法，先将植被划分为地上闭合的和不闭合的两大类，然后再分为森

12、林、灌丛、草原、草甸、荒漠等二级类型。个体论学者抛弃传统的植被分类，认为 10群落并不是一个个分离的有明显边界的实体，多数情况下是在空间和时间上连续的系列，群落的区别是丰富度，密度，盖度，频度，高度，生物量，体积等数量的排序结果。植被是指某一地区所被覆的植物群落的总体。它可按地域划分，如世界植被，中国植被，青海植被，祁连山植被等；也可按地理环境特征划分，如热带植被，温带植被，高山植被等；还可用于概括某一类型的植物群落，如天然植被，如人工植被，森林植被，草原植被，荒漠植被等。群落泛指在环境相对均匀的地段内，有规律地共同生活的单种或多种植物的集合体。它具有一定的形成过程，一定的外貌，一定的种类组合

13、和一定的结构。植物群落是构成植被的实体，但它只是个泛称，并没有特定的植被单位的意义。植物群落根据其本身所具备的条件，可能在具体的分类中体现为不同等级的植被分类单位。3.2 滑坡的成因分析地质科学证明，滑坡发生的条件是：不整合的地层，山坡表层为渗水土壤，岩层互层构造，反置地形（即地下基岩面为洼槽，地面为微微凸起的山包），水分活动。滑坡发生的诱因是：不当的人为开挖，土壤含水量的改变，斜坡受江河冲刷，失去支撑和地震作用。根据土层种类可将滑坡分为土质滑坡，堆层积层滑坡和岩层滑坡，但无论何种性质的滑坡都和水分的变化有关。降雨和地下水的活动是引起滑坡的主要因素。在土质组成中，水分占土壤体积的 245% ，

14、也就是说在水分胁迫和水分饱和的情况下，每立方土壤的重量将在 2kg 到 45kg 之间变化。45kg 的重力，既使是在 60的坡地上，亦不足以引发滑坡，问题是土壤的孔隙度并非处处均等，45kg 的重力并非均衡的分部在每方土体上，因此，势必导致土壤重心的扁离，加上土壤温度（每平方厘米地面每分钟获得的热量为 1.94 卡）的改变在不同深度的土质中并不相同，带来的热涨冷缩以及由此引发的土层间的细小位移，在特定的地质地形因素下（如坡度，风化程度等）， 改变的重量和温度，破坏了坡面土壤原有的平衡，导致滑坡的产生。4。植被对滑坡发生发展的作用机理4.1 群落各参数对滑坡的作用机理4.1.1 地上生物量（a

15、boveground biomass）对滑坡的作用坡面堆积物的重量会加大坡面的负荷，过重生物量会打破斜坡的物理平衡，加剧滑坡的发生，工程上常用减重的方法来防护坡面，因此，过大的地上生物量加大了坡地的负荷，促进了滑坡的发生，不利于斜坡的稳定。 4.1.2 叶面积指数（leaf area index）对滑坡的作用从水分调剂的角度看，不同种类的植物都是通过蒸腾作用排出土壤水分，植物吸收的水分，只有 13%进入体内转化为碳氢化合物，其余 9799%通过蒸腾作用排出体外进入外大气。禾本科的某些种，每公顷每天可从土壤中排出 70t 的水分，可以极大的降低坡面的负荷。水分排出的大小与叶面积指数的大小有关，叶

16、面积指数大的植物才是防治滑坡有利的植物。4.1.3 地下生物量（underground biomass）对滑坡的作用植物对土壤的加固作用靠地下生物量完成，地下部分生物量越大，加固作用越强。地下部分生物量和地上部分生物量成正比，地下部分生物量越大，地上部分生物量亦越大，当地上部分生物量过大时，过大的重量加大了坡地的负荷，反而促进了滑坡的发生。因此，地下部分生物量较大，地上部分生物量较小的植物才是防治滑坡最有利的植物，这类植物着生的坡面才是最稳定的坡面。 4.1.4 高度（height）对滑坡的作用植物的高度间接反映了地上生物量的大小，它除了加重坡面的负荷以外，在有风的情况下，风力与植物的高度结合

17、，将打破坡地的极限平衡，诱发滑坡。4.1.5 多度（abundance ）对滑坡的作用多度指某一种或某一科的植物在群落中的出现率和丰富度，某些植物为优势种构成的群落中，会引来大量的穴居的啮齿类动物，这些动物的活动破坏了坡地的物理结构。4.1.6 盖度（coverage ）对滑坡的作用植被的盖度有基盖度和投影盖度之分，基盖度是指植物基部占地面面积的百分数，投影盖度则是指地上部分的投影面积在地面的百分数，它们都反映了植被对地面的覆盖程度，在坡面防护中，它主要是影响地面温度的变化，及降水在地面的分布。盖度的大小对滑坡的影响是显而易见的，通过影响水分和温度的分配来影响斜坡的稳定。4.2 植被对滑坡发生

18、发展的植物学机理机制4.2.1 机理植被是指某一地区所被覆的植物群落的总体，群落是构成植被的实体，是丰富度、密度、盖度、频度、高度、生物量、体积、叶面积指数等数量值的排序结果。因此，植被在滑坡发生发展中的作用就是各个参数作用的耦合。根据上述群落相关参数对滑坡的作用，我们用下述公式表达植被对滑坡的作用机理，T 为植被对滑坡的作用力。T = C（uB，L）-（H，aB） S(D，A) C coverage， uBunderground biomass， Lleaf area index， Hheight，A abundance， aBaboveground biomass， Sspecies， D

19、density， （1）植被对滑坡的作用力（T）决定于植被的盖度（C），当（C=0 ）植被盖度为零时，T =0，表明植被对滑坡无作用力；T 0 时，植被对滑坡产生正作用力，对滑坡的产生起到了防护作用；T 0 时，植被对滑坡产生负作用力，植被对斜坡构成隐患。（2）植被对滑坡的作用力（T）的正负决定于植被的优势种的特性（S），当建群种（S ）为防护植物时，植被对滑坡的作用力 T 也为正值，表明滑坡的发生有防护作用；优势种为非防护植物时， T 为负值时，表明植被对滑坡的发生没有防护作用，甚至对对滑坡有贡献作用。（3）植被对滑坡的作用力（T）的大小（防护效果）决定于地下生物量（uB），叶面积指数之和（

20、L），植被高度（H），地上生物量（aB）。 地下生物量越大，叶面积指数越大，植被对滑坡的作用力越大，防治效果越好；地上生物量越大，植被高度越大， 植被对滑坡的作用力越小，防治效果越差。4.2.2 机制植被与斜坡的稳定性之间，具有力学机理，也有植物学机理和化学机理，力学机理普遍存在于植被与斜坡的之间，它是植被对斜坡防护作用的基础。它通过锚固作用和加筋作用对斜坡的稳定性产生影响，植被的群落特征对斜坡稳定的影响较为复杂，具有某些特征的植被对斜坡的稳定有积极作用，其它的植被作用较小或具有相反的作用。植被一方面同过影响力学机理对斜坡产生影响，另一方面通过植物学机理影响水分和热量的分配对斜坡的稳定产生影响

21、。在某些情况下，以力学机理的影响为主要方式，其它情况下以植物学机理的影响为主要方式，或两者共同作用。化学机理是通过根分泌物对斜坡产生化学作用。实际上，植被不能直接对滑坡产生作用，它是通过盖度、密度、多度、高度、地下生物量、叶面积指数、地上生物量等对滑坡产生作用的。其中地下生物量，根的深幅度利用力学机理对滑坡发生作用；而盖度，密度，多度，高度，叶面积指数是通过植物学机理对滑坡发生作用；地上生物量，根的深幅度则是通过力学机理，植物学机理对滑坡发生作用。通常人们看到的植被对滑坡的防护作用，实际上是盖度，密度，多度，高度，地下生物量，叶面积指数，地上生物量等各个作用耦和后表现出来的一种综合作用，它随时

22、空的改变而改变。5. 结语植被对滑坡影响的力学机理表明植物对滑坡具有防护作用，种植植物是滑坡防治的一种可用的手段。植物学机理则表明植被对滑坡具有积极的作用，也有消积的作用，在某些地方，植被对能够起到防护作用，效果明显，另一些地方可能没有防护作用，防护效果不明显。植被的群落学特征决定了植被积极作用或消极的作用的表达，结构决定功能，植被的结构决定植被防护功能的表达。这也说明了为什么在一些发生滑坡的地方不仅植被完好，甚至是原生植被的事实，而这种事实不能贬低植物在滑坡防治中的意义。参考文献1 日本建设省土木研究所.关于崩塌灾害实态（5052 年资料集）. 土木研究所资料第 1375 号,1978.2

23、Nilaweera NS，Nutalaya P. Role of tree roots in slope stabilizationJ. Bulletin of Engineering Geology and the Environment,1999,(57).3 解明曙 .乔灌木根系固坡力学强度的有效范围与最佳组构方式 J.水土保持学报,1990, (1): 1724.4 王玉杰 ,解明曙,张洪江.三峡库区花岗岩山地林木对坡面稳定性的影响研究J.北京林业大学学报,1997(4):913.5 王治国 .林业生态工程学M.北京,中国林业出版社,2000.6 G. Hawley and J. R.

24、 Dymond Journal of soil and water conservationJ. 1988,11127 徐则民 ,黄润秋,唐正关,等.植被护坡的局限性及其对深层滑坡孕育的贡献J.岩石力学与工程学报,2005(3):7890.8 李铁军 ,李晓华.植被固坡机制的研究 J.水土保持科技情报,2004(2):35.9 王文生 ,杨晓华,谢永利.公路边坡植物的护坡机理 J.长安大学学报,2005(4):3034.10 刘惠军,段志刚,崔银祥,等.植物特征与某滑坡坝形成时间和稳定性的关系J.山地学报, 2003(6):98100.作者简介：魏宝祥(1964 )，男，汉族，云南昆明人，副教授。