基于熵值法的南寧市膨脹土護(hù)坡植被根系特征指標(biāo)評(píng)價(jià)

許英姿， 朱喬生， 黃 效

(1.廣西大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院, 廣西 南寧530004; 2.廣西防災(zāi)減災(zāi)與工程安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 廣西 南寧 530004)

膨脹土是一種具有顯著脹縮性的特殊土[1]，其濕脹干縮的特性導(dǎo)致膨脹土在干濕循環(huán)條件下極易引起裂隙發(fā)育[2]。研究[3]表明，在膨脹土上開挖邊坡極易引起災(zāi)害，因此膨脹土也被稱為問題土。在膨脹土邊坡防護(hù)技術(shù)中，以植被為主的生態(tài)護(hù)坡技術(shù)得到廣泛應(yīng)用。植被固坡機(jī)理已經(jīng)有了許多成果，研究認(rèn)為，植被防止淺層滑坡和水土流失主要與根系的力學(xué)加筋作用和水文效應(yīng)有關(guān)[4]。根系承受拉力，提供額外的抗剪強(qiáng)度，抑制裂隙的發(fā)展[5]，以機(jī)械加固邊坡。同時(shí)植物蒸騰吸力引起的附加土基質(zhì)吸力可以提高土體抗剪強(qiáng)度，降低水分滲透性[6]。大量學(xué)者研究根系特征與植物固坡效果的關(guān)系，研究[7]表明根系直徑增加對(duì)干縮開裂的抑制作用呈先增加后降低的趨勢(shì)。符金良[8]發(fā)現(xiàn)香根草根系含量越高，對(duì)膨脹土干縮裂隙開裂的抑制效果越好。Chau[9]評(píng)估里蕨類植物根系減少侵蝕的潛力，認(rèn)為葉面積比和根密度與減蝕潛力高度相關(guān)Osman[10]提出土壤含水量和根長(zhǎng)密度均可作為邊坡穩(wěn)定性的指標(biāo)。Ni[11]研究了植物根系的水文效應(yīng)對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響，認(rèn)為根系覆蓋范圍內(nèi)根體積比的分布形態(tài)對(duì)淺層加固有較強(qiáng)的影響。張榮[12]和李彥[13]認(rèn)為小徑級(jí)根系的總根密度和總根體積是影響土壤抗沖刷系數(shù)的主要因素。吳宏偉[14]研究認(rèn)為根表面積可以量化根系引起的基質(zhì)吸力。護(hù)坡植被選種一直是學(xué)界的研究熱點(diǎn)，Zhang[15]結(jié)合物種重要性值和相對(duì)根系黏聚力指標(biāo)對(duì)黑麥草香根草和百氏雀椑進(jìn)行評(píng)價(jià)。Li[16]研究了不同根系根型對(duì)水土流失的影響，推薦在工程實(shí)踐中選擇廣泛分布(H型)和錐形根(VH型)結(jié)構(gòu)的植被。Zhang[17]開發(fā)了人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ANN)模型對(duì)樹木的根數(shù)、根面積比、根張力、土壤剪切強(qiáng)度和土壤水分含量的相對(duì)重要性進(jìn)行計(jì)算，認(rèn)為根表面積的影響權(quán)重最大。目前關(guān)于根系指標(biāo)對(duì)邊坡防護(hù)效果的評(píng)價(jià)研究較少，在根系指標(biāo)的選取上或者較為單一，針對(duì)性不強(qiáng)。本文結(jié)合前人的研究成果，針對(duì)南寧市當(dāng)?shù)嘏蛎浲吝吰碌淖o(hù)坡植被選取根長(zhǎng)量、根表面積、根體積、根直徑4個(gè)指標(biāo)來評(píng)價(jià)根系對(duì)膨脹土邊坡防護(hù)效果。根長(zhǎng)量反映根系在土中的延伸總長(zhǎng)度，根表面積反映根系與土體的接觸面積大小，根體積則取決于根長(zhǎng)量和根直徑，根直徑反映根系的粗細(xì)與強(qiáng)度，4者可以全面反映根系在土中的分布情況。上述4個(gè)指標(biāo)對(duì)于膨脹土裂隙發(fā)育的抑制作用強(qiáng)弱尚不明晰，基于根系指標(biāo)抑制裂隙發(fā)育的權(quán)重綜合評(píng)價(jià)植物對(duì)膨脹土邊坡的防護(hù)作用，對(duì)于膨脹土邊坡防護(hù)植被的選取具有重要意義。

南寧市膨脹土地區(qū)土地貧瘠，土質(zhì)呈中性或堿性，缺乏氮、磷，肥力低于廣西耕地平均水平[18]，不利于外地物種生長(zhǎng)。因此，在南寧市膨脹土地區(qū)選取8種常見的本地草本植物，采用熵值法進(jìn)行根系特征的權(quán)重分析。熵值法[19]是一種基于熵原理確定指標(biāo)權(quán)重大小的客觀評(píng)價(jià)方法，它反映各指標(biāo)在競(jìng)爭(zhēng)意義上的激烈程度，能將一些邊界不清，難以量化的因素量化[20]。基于權(quán)重結(jié)果對(duì)8種植物的根系進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，可以間接反映對(duì)膨脹土邊坡的防護(hù)效果。

1 試驗(yàn)材料與方案

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用植被根系采集地點(diǎn)為廣西壯族自治區(qū)南寧市水牛研究所內(nèi)的膨脹土邊坡，根系采集時(shí)間為2019年11月，該時(shí)間南寧當(dāng)?shù)匾堰M(jìn)入旱季。本研究中所采集物種均為冬季可見的植物，該邊坡在2019年春經(jīng)過刮平處理，邊坡上植物都是同一時(shí)期生長(zhǎng)起來，保證了植物生長(zhǎng)時(shí)間的一致。廣西南寧屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，夏季炎熱多雨，冬季溫和少雨，年平均降雨量1 304.2 mm。年氣溫平均值21.5 ℃，年平均空氣濕度79%。通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查分析，確定采集膨脹土邊坡上常見的狗牙根(Cynodondactylon)、小蓬草(Conyzacanadensis)、闊葉雀椑(Paspalumwettsteinii)、牛筋草(Eleusineindica)、鬼針草(Bidenspilosa)、高羊茅(Festucaelata)、黑麥草(Loliumperenne)、莎草(Cyperusrotundus)8種草本植被根系作為研究樣本。本研究中所述草本植被均生長(zhǎng)于膨脹土邊坡上，植被根系范圍內(nèi)的土體為紅褐色黏土，經(jīng)相關(guān)室內(nèi)試驗(yàn)知該土體為弱膨脹土。該土體的基本物理力學(xué)參數(shù)試驗(yàn)結(jié)果詳見表1。

表1 土體基本物理力學(xué)性質(zhì)

1.2 根系的采集方案

為了研究草本植物根系在膨脹土中不同深度的生長(zhǎng)狀況，分別對(duì)上述8種草本植物根系進(jìn)行整體采集和分層采集。

1.2.1 根系整體采集 為了保證根系的完整性，采集整體根系時(shí)將根及其周圍土體一并取出。調(diào)查表明，膨脹土邊坡上生長(zhǎng)的草本植物法向根系長(zhǎng)度及側(cè)向生長(zhǎng)長(zhǎng)度基本都在20 cm內(nèi)，故采集整體根系時(shí)取根土復(fù)合體尺寸為20 cm×20 cm×20 cm。每種植物挑選3株長(zhǎng)勢(shì)良好的樣本。

1.2.2 根系分層采集 為了研究根系在不同深度的生長(zhǎng)情況，每個(gè)植被根系從地表沿深度方向0—5 cm，6—10 cm，11—15 cm，16—20 cm分別取4次樣，每種植物挑選3株樣本。

1.3 根系特征提取

采集的樣本分類清洗、用吸水紙將根系表面干燥后，取各植物根系進(jìn)行掃描分析。采用Epson數(shù)字化掃描儀進(jìn)行掃描，分辨率為300 dpi。將掃描的根系圖像二值化后，用WinRHIZO植物圖像根系分析系統(tǒng)對(duì)根系特征進(jìn)行提取。掃描整株根系，對(duì)根系進(jìn)行整體分析，獲得整株根系的平均直徑及整體形態(tài)；掃描根系在不同深度的生長(zhǎng)情況，分層統(tǒng)計(jì)根系在不同深度范圍的根長(zhǎng)量、根表面積、根直徑和根體積等根系特征。

2 根系特征分析

2.1 整體根系特征比較

采用WinRHIZO植物圖像根系分析系統(tǒng)對(duì)南寧市膨脹土邊坡上常見的8種植被根系的整體根系特征進(jìn)行分析，統(tǒng)計(jì)獲得整株根系的平均直徑、根型及形態(tài)特征詳見表2。

由表2可知，所有植物的平均根徑均在0～1 mm，小蓬草的平均直徑最大，為0.74 mm，黑麥草最小，為0.28 mm。其余幾種差別不大，在0.45 mm左右。大量研究表明[12-13,21]，0～1 mm徑級(jí)的細(xì)根對(duì)邊坡土體的防護(hù)作用影響較大，在根徑的角度上看，這些植被根徑都在0～1 mm，除了小蓬草偏大與黑麥草偏小外，其余區(qū)別不大。

從根型的角度看，小蓬草是主直根型，其余7種是須根型。直根型有明顯主根，主根發(fā)達(dá)，根量較少。須根型無明顯主根，莖的基部節(jié)上生長(zhǎng)出許多大小、長(zhǎng)短相仿的不定根，簇生呈胡須狀，根量較多，根系分散。植被以須根型為主，南寧市膨脹土土地貧瘠，植物不易生長(zhǎng)，須根型植物根系繁多，更容易從土體獲取足夠的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，反過來大量的根系也增強(qiáng)了膨脹土強(qiáng)度，減少水土流失。

2.2 分層根系特征分析

每一種植物根系取3個(gè)平行樣的平均值。系統(tǒng)分析得到與草本根系特征相關(guān)指標(biāo)數(shù)值，結(jié)果如圖1所示。由圖1可知，根系直徑基本在0.25～0.55 mm，總體上隨深度的加深變化不大。研究表明[12-13,21]，0～1 mm徑級(jí)內(nèi)的細(xì)根對(duì)土壤侵蝕的影響較大。該地區(qū)的主要植被直徑都小于1 mm，對(duì)于膨脹土邊坡的防護(hù)較為合適。小蓬草的直徑在5 cm深度范圍內(nèi)最大，這是由于小蓬草是主直根型植物的緣故，主根較為發(fā)達(dá)。

表2 研究區(qū)膨脹土邊坡不同植物整體根系特征

根長(zhǎng)量、根表面積、根體積3個(gè)特征指標(biāo)的總體變化相似，在5 cm深度范圍中所占比例較大，隨深度增加急劇減小。為清楚根系在土層的分布情況，統(tǒng)計(jì)根長(zhǎng)量、根表面積、根體積在5 cm土層深度范圍內(nèi)的所占比例情況詳見表3。根長(zhǎng)量、根表面積、根體積都能反映根系分布情況，3者在5 cm土層深度范圍中所占比例基本在50%以上，最高為85.44%。說明該膨脹土地區(qū)的植被根系扎根較淺，集中分布在5 cm的表層土體中。分析認(rèn)為，這是由于該膨脹土地區(qū)土地貧瘠，表層土由于生物分解等原因營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)較為豐富，因此根系集中。對(duì)于邊坡防護(hù)而言，大量根系在淺層土體中盤根錯(cuò)節(jié)，與土體形成穩(wěn)固的根土復(fù)合體，抑制裂隙的發(fā)育，減小降雨沖刷。在5 cm內(nèi)，鬼針草的根長(zhǎng)量、根表面積、根體積最大，在6—20 cm土層范圍內(nèi)，鬼針草與高羊茅根長(zhǎng)量、根表面積、根體積遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他植物，同時(shí)兩者相差不大。

圖1 研究區(qū)各植被根系特征與不同深度的關(guān)系

表3 研究區(qū)植物在5 cm范圍內(nèi)的根長(zhǎng)量、根表面積、根體積所占比例

3 熵值法評(píng)價(jià)

3.1 熵值法原理

熵是用于描述系統(tǒng)的混亂程度熱力學(xué)概念，最早由Shannon引入信息論，表征信息源信號(hào)的不確定性，稱為信息熵(簡(jiǎn)稱熵)，并在工程技術(shù)、社會(huì)經(jīng)濟(jì)等領(lǐng)域得到廣泛運(yùn)用。熵值法能夠避免人為因素帶來的偏差，反映出在各種評(píng)價(jià)指標(biāo)值確定的情況下，各指標(biāo)在競(jìng)爭(zhēng)意義上的相對(duì)激烈程度，它能將一些邊界不清、不易定量的因素定量化。本次研究所選取的根系特征指標(biāo)較多，選用熵值法可以確定各個(gè)指標(biāo)的權(quán)重值，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)綜合評(píng)價(jià)[22]。具體方法如下：

(1) 原始數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理。設(shè)某個(gè)根系特征在某個(gè)深度內(nèi)指標(biāo)為xij，其標(biāo)準(zhǔn)化值為yij，則正指標(biāo)為：

(1)

逆指標(biāo)為：

(2)

(2) 指標(biāo)權(quán)重計(jì)算公式。計(jì)算第j項(xiàng)指標(biāo)下第i個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象評(píng)價(jià)指標(biāo)的比重pij為：

(3)

計(jì)算第j個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的熵值Ej為

(4)

計(jì)算第j個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重Wj為

(5)

4個(gè)根系特征在分別在0—5 cm，6—10 cm，11—15 cm，16—20 cm的深度各有一個(gè)指標(biāo)，每種植物有16個(gè)權(quán)重指標(biāo)，由熵值法的計(jì)算公式計(jì)算可得16個(gè)根系指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)值Wj(見表4)。

計(jì)算植被得分公式為

(6)

該公式計(jì)算出的分?jǐn)?shù)在0～1。結(jié)果如圖2所示。

表4 研究區(qū)不同土層深度根系特征指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)值

3.2 計(jì)算結(jié)果與分析

表4為4個(gè)根系特征在不同深度指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)值。根長(zhǎng)量是根系在土體延伸的總長(zhǎng)度，根長(zhǎng)量越大說明根系在土中穿插越密集，對(duì)膨脹土的包裹性，加筋作用越好。根表面積表示根系與土體的接觸面積大小，根表面積越大，與膨脹土的摩擦力越大，根表面積的大小還取決于根量、根直徑。根體積描述根系的總體積，取決于根直徑與根量。從熵值法計(jì)算的權(quán)重結(jié)果可知，根長(zhǎng)量的權(quán)重最大，為0.310 0，最小的是根直徑，為0.165 4，4個(gè)指標(biāo)的相對(duì)重要性排序?yàn)楦L(zhǎng)量>根體積>根表面積>根直徑。說明根長(zhǎng)量對(duì)膨脹土護(hù)坡效果影響最大，根直徑影響最小。對(duì)于植物固坡效果的影響因子權(quán)重處理中，Zhang等[17]人開發(fā)了人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ANN)模型對(duì)樹木的根數(shù)、根面積比、根張力、土壤剪切強(qiáng)度和土壤水分含量的相對(duì)重要性進(jìn)行計(jì)算，認(rèn)為它們的相對(duì)重要性排序?yàn)椋焊娣e比>根拉伸強(qiáng)度>根數(shù)>土壤剪切強(qiáng)度。Zhang[17]的研究選取了根系力學(xué)特性和土體的特征一起分析。事實(shí)上，在同一個(gè)邊坡上土體的物理情況基本是一樣的，本研究針對(duì)南寧膨脹土邊坡防護(hù)的草本植物選種問題，只選擇根系特征進(jìn)行分析比較。Zhang[17]的研究結(jié)論里，根面積比對(duì)土壤加固效果的影響最大(49.4%)。與本試驗(yàn)相比，由于指標(biāo)選擇不一樣，相對(duì)重要性自然不同。但總的來說，二者都驗(yàn)證了根表面積對(duì)固坡效果的重要性本文所采取的熵值賦權(quán)方法是根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行的權(quán)重計(jì)算，所得的權(quán)系數(shù)均源自于數(shù)據(jù)自身的規(guī)律性，具有客觀性。采用熵值法進(jìn)行賦權(quán)計(jì)算在眾多領(lǐng)域得到運(yùn)用[23-25]，實(shí)踐驗(yàn)證了熵值法賦權(quán)的科學(xué)性與可靠性。

3.3 綜合評(píng)價(jià)

基于指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)果、根系指標(biāo)權(quán)重值、綜合評(píng)價(jià)算式的計(jì)算結(jié)果，得到各種植物根系的根系綜合評(píng)價(jià)值，以此作為植物根系評(píng)價(jià)依據(jù)(圖2)。鬼針草得分最高為0.916，其次高羊茅，為0.716。最小為黑麥草，為0.110。小蓬草的評(píng)價(jià)得分為0.347，排名中等。小蓬草的是直根型，根系稀疏，主根明顯，因此只在根直徑這一指標(biāo)中占優(yōu)勢(shì)，根長(zhǎng)量、根表面積并不占優(yōu)勢(shì)，因此排名中等。鬼針草與高羊茅相較其他植物優(yōu)勢(shì)明顯，評(píng)分在其他植物的2倍以上。分析認(rèn)為在根長(zhǎng)量、根表面積、根體積這3個(gè)權(quán)重值較大的特征指標(biāo)中，鬼針草與高羊茅在各個(gè)深度范圍中都較大。同時(shí)在5 cm深度范圍中，鬼針草的3個(gè)特征指標(biāo)都高于高羊茅，因此，評(píng)分最高。在南寧市膨脹土邊坡選擇護(hù)坡植被時(shí)，建議優(yōu)先選取鬼針草。本研究旨在從根系的角度出發(fā)，提出一種新的護(hù)坡植被選取的方法，目前只有Zhang[17]研究基于數(shù)理統(tǒng)計(jì)對(duì)固坡效果的影響因子進(jìn)行評(píng)價(jià)，與Zhang[17]、Li等[16]人的試驗(yàn)相比，本研究在指標(biāo)選取上，針對(duì)南寧市膨脹土邊坡的特殊土況，選取全面反映根系的4個(gè)特征，在指標(biāo)數(shù)據(jù)采集及處理上相對(duì)簡(jiǎn)潔，在工程實(shí)踐中更有可操作性與更高的效率。由于選取的根系指標(biāo)能反映植被對(duì)土體的抗剪強(qiáng)度、裂隙發(fā)育的抑制、抗侵蝕性的積極作用，選取的植物品種對(duì)于膨脹土地區(qū)的滑坡防護(hù)、水土保持具有更大作用。本試驗(yàn)給南寧市膨脹土邊坡的滑坡治理水土保持提供了一種新的思路與方法。

圖2 研究區(qū)植物根系的綜合評(píng)價(jià)

4 結(jié) 論

(1) 南寧市膨脹土地區(qū)常見草本植物中，小蓬草為直根型，其余為須根型。直根型植物主根發(fā)達(dá)，根量較少。須根型植物無明顯主根，根量較多。植被根系直徑總體相差不大，在0.25～0.55 mm。在5 mm的根系占總根系的50%～85.4%，每個(gè)深度中根系隨著土層深度的增加而急劇遞減。

(2) 根長(zhǎng)量、根表面積、根直徑、根體積對(duì)膨脹土護(hù)坡效果的影響權(quán)重占比分別為0.310 0，0.243 2，0.165 4，0.281 5。根長(zhǎng)量直觀反映根系對(duì)膨脹土的約束情況，影響權(quán)重最大。

(3) 針對(duì)南寧市膨脹土邊坡的草本植被根系進(jìn)行熵值法賦權(quán)評(píng)價(jià)，得分最高的是鬼針草，鬼針草根系密集，總根長(zhǎng)量大，根長(zhǎng)量、根表面積、根體積3個(gè)指標(biāo)中具有明顯優(yōu)勢(shì)，對(duì)膨脹土邊坡防護(hù)和水土保持具有較好效果。

(4) 本研究為膨脹土邊坡的護(hù)坡植被選取提供了一種新的思路和實(shí)測(cè)參考，指標(biāo)數(shù)據(jù)的提取分析較為簡(jiǎn)便，對(duì)于膨脹土邊坡生態(tài)防護(hù)的發(fā)展具有重要意義。