人造根在根-土模擬試驗中的應用及優(yōu)化設計

蘭惠娟 杜鵑 王道杰 何松膛 陳文樂 趙鵬

摘要：人造根作為根-土模擬試驗中真實根系的替代品，在研究根系與水土流失相互關系的試驗中得到了廣泛運用。通過總結(jié)幾種應用廣泛的人造根材料與構(gòu)型、人造根參與的主要試驗和人造根有效性驗證方法，發(fā)現(xiàn)目前人造根還存在未考慮人造根材料在根-土試驗過程中的生物化學反應、無法模擬須根系植物固土作用、表面過于平整光滑導致根土接觸面摩擦力比真實情況偏小、忽略植物枝葉雨水截獲功能的問題?；诖耍岢鐾ㄟ^以下4種方法來改進上述問題：① 通過優(yōu)化選材、合理布置、表面防護等避免根-土表面的生化反應;② 設計一種能模擬須根系植物的人造根構(gòu)型;③ 通過打磨人造根表面以增大根-土接觸面積和粗糙度;④ 參與降雨試驗時，在人造根基礎上添加植物地上部分雨水攔擋結(jié)構(gòu)，希望借此能加深人們對人造根的認識，完善和發(fā)展人造根技術(shù)，使人造根能更好地服務于相關科學試驗。

關 鍵 詞：根-土模擬試驗; 人造根材料; 人造根構(gòu)型; 優(yōu)化設計; 水土流失防治

在生態(tài)環(huán)境脆弱的山區(qū)，滑坡、泥石流等災害極易發(fā)生。這些災害造成了嚴重的水土流失，形成大量裸露邊坡，不利于植被生長恢復，使環(huán)境陷入“生態(tài)環(huán)境脆弱-水土流失-生態(tài)環(huán)境更脆弱-水土流失加劇”的惡性循環(huán)[1]。目前，針對災害防治主要有工程措施與植被措施[2-3]。傳統(tǒng)的工程措施邊坡加固大多采用混凝土及錨桿等剛性防護，破壞了自然生態(tài)的和諧[4-5]。而植被措施是一種低投入、低維護、環(huán)境兼容的固土護坡方式[6]，其中起主要作用的為植物根系[7]。目前已明確了植物根系的固土護坡原理為：根系通過深入到土體中，對土體產(chǎn)生錨固效應，密集根系形成的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)能固定疏松的土壤顆粒，增加土體抗剪強度。所以植物根系不僅能防治土壤侵蝕，還具有加固坡體，減少淺層滑坡和泥石流等災害的作用[8-9]。

為評價植物根系對土體抗剪強度的增強作用，探明根-土復合體相互作用機理以及對植物根系加筋固土能力的定量評價，國內(nèi)外學者主要采用野外原位拉拔試驗，植物根系加筋土的剪切試驗，人工降雨試驗等[10-11]。但由于根系采樣難度大，在實際操作中，存在根系被誤挖斷，新鮮根系養(yǎng)護困難等諸多問題，采用真實根開展試驗研究極其困難[1]。因此，部分學者嘗試用由真實根為原型簡化而來的理想化幾何形狀的人造根來探究植物根-土相互作用機制[12]。人造根試驗能提供比真實植物根系試驗更好的控制測試環(huán)境，實驗過程可重現(xiàn)性高，試驗結(jié)果具有可比性，能幫助我們更好地了解植物根系與邊坡土體相互作用機理。

1 人造根簡介

1.1 人造根材料

人造根作為真實根系在科學試驗中的替代品，學者們一直在改進其材料以更加貼近真實根的特性。1996年為研究根系抗拔力，A Stokes和J Ball[13]用人造根來模擬低齡樹的根系，其中主根由直徑3 mm的粗鋼絲線代替，側(cè)根由直徑1.5 mm的細鋼絲代替。所用人造根在一定程度上能模擬真實根系，但其材料強度與真實根系存在較大差異。后期學者們改進材料，用木材模擬喬木根系，橡膠模擬灌木和草本根系[14]，這兩種材料是目前被運用最廣泛的人造根材料。近年來，人造根材料的選取更為多元化，如在研究根系的吸水特性時，選擇具有較大進氣值（100 kPa）的醋酸纖維材料[12]制作人造根。

人造根參與模擬試驗，主要涉及到根-土相互作用，為保證人造根的模擬效果，人造根材料應與植物根系的力學性能相似。工程上常用抗拉強度與彈性模量來評價材料的力學特性。表1列出了多種廣泛用于生態(tài)修復和邊坡加固的喬、灌、草植被根系與幾種常用的人造根材料平均強度。

1.2 人造根構(gòu)型

根系構(gòu)型指植物根系在生長介質(zhì)中的空間造型和分布[27]，是影響植物根系的抗拔能力的主要因素[28]。通常來說，根系構(gòu)型是非常復雜的[29-30]。盡管菜豆已經(jīng)是相對簡單的根系構(gòu)型了，利用幾何建模軟件SimRoot擬合出苗齡14 d的菜豆根系[27]，但輸出的圖像已非常復雜（見圖1），而成熟菜豆根系已經(jīng)復雜到不能用圖像準確描述了。鑒于真實根系的復雜程度與難獲取性，可采用人造根參與試驗，但用人造根將植物的每條根系模擬出來不現(xiàn)實且沒有必要。于是，不少學者將植物根型歸類、簡化，并用人造根模擬簡化后的幾何形狀。例如向師慶等根據(jù)林木各類根的生長發(fā)育狀況將根型分為水平根型、垂直根型、斜生根型、復合根型等[31];吳宏偉等[32]根據(jù)其他學者的研究成果[33]將4種植物根系簡化為規(guī)則的幾何形狀：均布型、三角形、指數(shù)形和橢圓形（見圖2）;Stokes A等[13]設計了5種著名的人造根構(gòu)型（見圖3）。其中圖3（a）只含主根，根總長度為30 cm;圖3（b） 含兩個一級側(cè)根，一級側(cè)根與二級側(cè)根的夾角θ可為30°，60°或 90°;圖3（c） 含兩個與主根垂直的一級側(cè)根，側(cè)根長為10 cm;圖3（d） 含多個均勻一級側(cè)根，側(cè)根長8 cm，在主根上的間距為3 cm;圖3（e） 含多個隨機側(cè)根，每個根長如圖所示。這組人造根被廣泛應用，學者們根據(jù)試驗需要，改進其側(cè)根位置與夾角，發(fā)明了魚骨狀型、二分叉型人造根[14]。此外，學者們還針對具體的植物，制作對應的人造根模型，現(xiàn)已有鴨腳木（Schefflera octophylla）、桃金娘（Rhodomyrtus tomentosa）和毛稔（Melastoma sanguineum）的人造根模型[12]。

2 人造根應用概況

2.1 人造根有效性驗證

利用人造根參與科學試驗雖能提供較好的控制條件、提高試驗效率，但人造根與真實根系在外形特征、

植物生理特性等方面存在較大差異，所以選擇人造根參與試驗前，應驗證人造根的構(gòu)型合理性、是否能實現(xiàn)所研究的根系功能，從而提高試驗結(jié)果的可信度。

不同試驗中檢驗人造根構(gòu)型合理性的方法不同。例如，不少學者通過對比真實植物根系和人造根的主根側(cè)根夾角來檢驗夾角設置的合理性。人造根的側(cè)根與主根夾角一般設置為30°～90°，而實際測量到的棉花、歐洲落葉松等植物不同土層深度內(nèi)主根與側(cè)根夾角大多在20°～130°之間[34]，人造根的主側(cè)根夾角均在真實主側(cè)根夾角范圍內(nèi)，這說明角度設置合理。另一種驗證人造根構(gòu)型合理性的方法為對比人造根與真實植物根系的根系橫截面積比（RAR）。如果真實植物根系和人造根的RAR在變化趨勢、取值范圍上均具有一致性，即可說明人造根構(gòu)型合理[12]。此外，還可以通過與前人的研究成果做對比來驗證人造根構(gòu)型合理性。例如，人造根模型試驗發(fā)現(xiàn)，當側(cè)根與主根夾角為90°時，根系的抗拔力最強。野外原位測量發(fā)現(xiàn)低齡歐洲落葉松在0～4 cm淺層土中的根系主側(cè)根平均夾角為89°，當植物被垂直拔起時，它們承擔了大部分側(cè)向抵抗張力[35]，這與人造根的試驗結(jié)果相符，證明試驗所用的人造根構(gòu)型合理。

與人造根構(gòu)型合理性檢驗相比，人造根功能的驗證較為復雜，一般通過做驗證實驗來實現(xiàn)。例如，MICKOVSKI S B等[14]在探究影響根系抗拔力的主要因素時，不僅做了人造根的拉拔試驗，還在同等實驗條件下做了柳樹根系的對照組，結(jié)果表明，人造根與真實根的試驗結(jié)果十分相似。根系抗拔力大小為魚骨狀型>二分叉型>直根型，濕砂土中的抗拔力均大于干砂土，拔出時的應力應變曲線變化趨勢相似，只是數(shù)值稍有不同，這表明人造根能很好地模擬真實根系與土體的相互作用。同樣，為驗證人造根能模擬植物根系吸水，Ng C W W等[25]測量了裸坡、人造根邊坡和種植鴨腳木樹的植被邊坡的初始孔隙水壓力分布情況，并與靜置36 h后的情況對比。結(jié)果表明，36 h后人造根邊坡內(nèi)的負孔隙水壓力的變化趨勢、數(shù)值均與植被邊坡相似，這表明試驗所用人造根能模擬植物根系吸水。

2.2 人造根在模擬試驗中的應用情況

人造根在根-土模擬實驗中應用廣泛，參與的試驗類型由易到難不斷發(fā)展。最初為簡單的人造根拉拔試驗，結(jié)果表明：根系抗拔力的大小主要取決于側(cè)根的數(shù)量與位置;剛度更大的根具有更強的抗拔力;根系在濕砂土中的抗拔力強于干砂土[36-37]。試驗結(jié)果與真實植物拉拔試驗結(jié)果一致[38-39]，在根系抗拔力的研究上取得了較大發(fā)展。但這些試驗在人造根材料、試驗土體代表性、土體壓實度、土壤水分含量和數(shù)據(jù)分析方法方面還存在巨大提升空間。MICKOVSKI等[14]在利用人造根探究根系錨定土體和加固土體的詳細機制時，對上述問題進行了系統(tǒng)優(yōu)化。他們采用了剛度較大的木材與彈性較好的橡膠制成3種不同構(gòu)型的人造根，分別將人造根埋在干砂土與濕砂土中垂直拔出，在分析數(shù)據(jù)時采用了半橫截面模型來解釋將根系從全斷面拉出的結(jié)果，建立了用根硬度、根構(gòu)型、土壤含水量（孔隙水壓力）3個參數(shù)預測根系抗拔力的方程式。近年來，隨著科學技術(shù)的發(fā)展，人造根開始應用于各種離心機試驗中。Sonnenberg等[36]為探究植物根對斜坡穩(wěn)定性的強化機制，將安裝了人造根的土坡置于離心機中，對比不同材料（木材、橡膠和柳枝）、不同構(gòu)型（直型根和二分叉根）、不同數(shù)量的人造根對土坡的加固效果。試驗現(xiàn)象和數(shù)據(jù)表明在邊坡受到外界干擾時，根系通過自身發(fā)生軸向應變和彎曲應變阻止斜坡變形與坍塌。此外，他們利用多種極限平衡法計算了各種條件下的邊坡穩(wěn)定性，量化了根系對邊坡的加固作用，推動了根系固坡效果定量評價的發(fā)展。

3 現(xiàn)有人造根存在的問題與優(yōu)化設計

利用人造根代替真實根進行的科學試驗已探明了多個科學問題，其成果已被廣泛應用于育種技術(shù)、植物克隆技術(shù)、邊坡加固技術(shù)，給社會帶來巨大經(jīng)濟價值。但人造根還存在一些問題，需進一步完善。

3.1 人造根材料在根-土試驗中的生化反應

與真實根系一樣，人造根代替真實根系參與試驗時，其表面與土壤接觸緊密，根-土面易發(fā)生物理、化學和生物反應，導致人造根性能發(fā)生較大變化。例如醋酸纖維，這種材料在濕態(tài)下的強度僅為干態(tài)時的60%～70%，其干態(tài)下的斷裂伸長率為濕態(tài)下的55%～85%[40]，如果用醋酸纖維人造根參與土壤含水量變化的試驗，試驗結(jié)果必然存在較大誤差。除材料本身性質(zhì)將隨環(huán)境因子改變的情況以外，人造根材料還有與土壤發(fā)生化學反應的可能。例如鐵絲材料的人造根，在濕土中極易和水、空氣發(fā)生化學反應，24 h后鐵絲就被明顯銹蝕[41]。銹蝕后的鐵絲不僅材料強度降低，其表面粗糙度、根土接觸面積均發(fā)生明顯變化，會對試驗造成較大誤差。同樣，橡膠材料在與空氣中的臭氧、土壤水分等長期作用下，會出現(xiàn)變軟、變硬和拉伸強度降低等老化現(xiàn)象[42]。所以，單獨以材料強度為人造根選材指標是遠遠不足的，應在滿足材料強度的基礎上，充分考慮材料在土壤中可能發(fā)生的生物化學反應，優(yōu)化人造根選材。如在滿足試驗條件的前提下盡量選擇非降解型高分子材料，保證其在試驗過程中性質(zhì)穩(wěn)定不與土壤發(fā)生反應[43]。如無法找到滿足試驗要求的惰性材料，應注意所選人造根材料的使用范圍與時間，并采取一定的防護和補救措施。例如保持醋酸纖維材料周圍土體的含水量不發(fā)生改變、在長達數(shù)月的試驗中注意更換老化橡膠和在鐵絲上刷一層惰性材料保護漆等。

3.2 模擬根系網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)

根據(jù)根系的形態(tài)和生長特性，可分為直根系和須根系兩類。直根系有發(fā)達的粗而長的主根，其固土原理是，粗壯的主根扎入土層深處，就像錨桿一樣將土體錨固起來，表現(xiàn)出深根錨固效應，根越長、越粗，錨固效果越好;其側(cè)根通過產(chǎn)生斜向牽引力提高土體斜向抗拉強度，從而提高土體抗滑力[6]。須根系無明顯主根，只有許多細長像胡須的根，其固土原理為須狀根與土壤緊密結(jié)合，在土中形成網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，能固持松散土顆粒，根-土復合體的力學特性與加筋土類似，可有效提高土體的抗拉、抗剪能力[1]，從而加固邊坡，減少滑坡、泥石流等山地災害的發(fā)生。而目前的人造根為一條主根與少量側(cè)根的結(jié)合，只能模擬側(cè)根不發(fā)達的直根系對土體的錨固作用，無法模擬側(cè)根發(fā)達的直根系植物，如圖4[31]中的側(cè)柏（Platycladus orientalis（L.）Franco）根系，更無法模擬須根系形成的密集根系網(wǎng)絡對土體的網(wǎng)絡加筋固持作用。

基于此，本文提出一種能模擬須根系和側(cè)根發(fā)達的直根系的新型人造根，它由橡膠網(wǎng)（或其他適宜材料）層層疊加而成（如圖5所示，圖中以3層為例），以原點為起點，根系生物量密度沿x、z、y軸逐漸減小，變化趨勢與原位挖掘?qū)嶒炈鶞y得的“距植株水平距離越遠，根系質(zhì)量密度越小;根系生物量密度隨土層深度增加逐漸減小”[4，7]規(guī)律相符，說明此人造根構(gòu)型設計合理。此外，本文的新型人造根還可通過調(diào)節(jié)橡膠網(wǎng)開度、層數(shù)、每層長度，網(wǎng)格間夾角等，使安裝新型人造根的土體根面積比（RAR）與含真實植物根系的土體一致，在模擬某一具體植物根系時，能與原型根保持較高相似度。

3.3 考慮根表粗糙度

在將根系拔出時，根系與土壤的接觸面將產(chǎn)生抵抗根系滑動趨勢的作用力，即根土面的摩擦阻力，根系與土壤顆粒的接觸面積直接影響了摩擦力的大小。自然界的根系表面通常是凹凸不平的，這將導致表面較為平整的人造根的真實根具有更大的根土接觸面積和粗糙度，從而導致人造根的摩擦力比真實情況偏小，抗拔力偏小，對土體的加固作用偏小。為解決上述問題，可在制作人造根時，用具有較高硬度顆粒的砂紙打磨人造根表面，加大根土接觸面積和粗糙度，模擬出真實根的粗糙表面。粗糙度可用嘗試法確定，即在選定人造根材料后，逐步打磨人造根表面，使同等土壤條件下人造根與原型根的抗拔力相等，此時的人造根表面即為人造根粗糙度設計值。

3.4 考慮植物的水文作用

植物一般含地上枝葉與地下根系兩部分，為了減少工作量并排除干擾項，學者們在做植物根系試驗時，一般會在試驗開始前將植物的枝葉剪掉[4]。但部分試驗并不適合這種方法，如植被邊坡上的人工降雨試驗。這是由于植物群落地上的高低錯落結(jié)構(gòu)對雨水進行層層截留，減小雨滴打擊動能，減少土壤濺蝕，改變水分下滲過程，推遲產(chǎn)流匯流時間，削減洪峰流量。這將改變坡面的產(chǎn)流產(chǎn)沙過程，增加降雨過程中的邊坡穩(wěn)定性，如果直接將枝葉減掉，不考慮植物枝葉的雨水截獲作用，坡體的安全系數(shù)將被低估。同樣，利用人造根探究根系在降雨條件下對邊坡的加固效果時，只在坡體內(nèi)埋設人造根而忽略植物莖葉，將會造成實驗誤差。

為避免誤差發(fā)生，Sonnenberg R等[36]在利用人造根探究植物根系對邊坡的加固作用時，舍棄了人工降雨誘導坡體破壞的方法，由實驗員不斷向坡體內(nèi)注水，逐漸升高地下水位、提高孔隙水壓力來誘發(fā)坡體失穩(wěn)破壞，實驗裝置如圖6（a）所示。但這種土壤浸潤線由下至上擴散的坡體破壞，一般只發(fā)生在水庫滲水導致的邊坡失穩(wěn)案例中，適用范圍較小。事實上，大多數(shù)邊坡失穩(wěn)還是由于天然降雨，土體浸潤線由上至下的擴散導致的。人工降雨法誘導坡體破壞能模擬坡體降雨破壞的全過程，研究成果適用范圍更廣。

為兼顧降雨試驗中的植物枝葉水文效應與更廣的試驗成果適用范圍，本文提出了一種優(yōu)化方法，即在坡體埋設人造根的基礎上，增加層次分明的攔擋雨水結(jié)構(gòu)，如圖6（b）所示，可使試驗結(jié)果更接近實際情況。其中攔擋結(jié)構(gòu)的大小、形狀、高度等，由人造根與原型根的比尺確定。降雨發(fā)生時，攔擋結(jié)構(gòu)能像植物枝葉一樣對坡面起到保護作用，減少土壤侵蝕、調(diào)節(jié)徑流等，能很好地模擬枝葉的雨水截獲功能。

4 結(jié) 語

人造根作為科學試驗中的根系替代物，能減少試驗工作量，增加試驗精度與試驗重現(xiàn)性。本文從人造根的材料選擇、構(gòu)型設計方面簡要介紹了人造根，另外從人造根參與的主要試驗、人造根有效性驗證方法方面總結(jié)了人造根的應用概況。此外，還針對目前人造根存在的問題，提出人造根的優(yōu)化設計方法：① 通過優(yōu)化選材、合理布置、表面防護等措施避免根-土表面發(fā)生生化反應造成試驗誤差;② 用新型網(wǎng)狀人造根模擬須根系植物根系對土體的網(wǎng)絡加筋作用;③ 將人造根表面打磨粗糙，模擬根系表面的粗糙度，增加人造根根系與土體的接觸面積;④ 在利用人造根參與降雨試驗時，考慮植物的水文作用，增加植物地上部分攔擋結(jié)構(gòu)設計。

人造根技術(shù)還在不斷發(fā)展與完善中，希望將來的人造根能更加準確的模擬真實植物與土體的相互作用，參與更多種類的科學試驗，并將試驗結(jié)果用于生活生產(chǎn)，促進社會發(fā)展。

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（編輯：黃文晉）