植物根系固土研究進(jìn)展

邵 嚴(yán) 郝 勇 王前華 丁 瑯 劉俊麟

（1.長江大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院，湖北 荊州 434023；2.元本檢測（荊州）有限公司，湖北 荊州 434000）

0 引言

面對如今環(huán)境惡化、資源減少的嚴(yán)峻態(tài)勢，黨的十八大提出了“大力推進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)”的重要戰(zhàn)略決策。為此，全國各地不斷加大生態(tài)防治力度，尋求生態(tài)防治新出路。為了摒棄傳統(tǒng)防治措施對環(huán)境造成的二次破壞，人們將越來越多的精力放在生態(tài)防治上。

生態(tài)防治的主體是植被。植被覆蓋于土壤表面，通過根系與土體的緊密接觸，為裸露的土壤提供一道天然的綠色屏障。相較于傳統(tǒng)的工程防治手段，生態(tài)防治在保證防治效果的同時(shí)，還能兼顧美觀及造價(jià)要求。因此，積極開展對植物根系固土的研究意義重大。筆者主要從植物根系固土機(jī)制、根-土復(fù)合體力學(xué)試驗(yàn)及根系分形分析3個方面論述根系固土研究進(jìn)展及趨勢，以期為該領(lǐng)域的研究提供借鑒和參考。

1 植物根系固土機(jī)制

1.1 Wu-Waldron模型（WWM）

Wu-Waldron模 型是 由Wu和Waldron等 共同提出的根-土復(fù)合體力學(xué)模型。該模型認(rèn)為根-土復(fù)合體的抗剪強(qiáng)度由兩個主要方面決定：土體自身的黏聚力和根系對土壤所提供的附加黏聚力，即=tan++C（C為根系對土壤所提供的附加黏聚力）。Wu-Waldron模型假設(shè)所有根系均垂直穿過剪切面，根系通過自身拉力作用來抑制土層滑動、提高土體抗剪強(qiáng)度。此時(shí)，根系受剪時(shí)的力可分解為兩部分：水平方向力T（T=tsin）和豎直方向力σ（σ=tcos）（t為單位面積土體內(nèi)根系平均抗拉強(qiáng)度，為剪切變形角）。

部分學(xué)者認(rèn)為，Wu-Waldron模型高估了根系對土體的穩(wěn)固作用。對于Wu-Waldron模型假設(shè)根-土復(fù)合體在受到剪切作用時(shí)內(nèi)部根系同時(shí)斷裂，這些學(xué)者認(rèn)為這不符合實(shí)際情況。因?yàn)楦鶕?jù)根系分布情況、根莖直徑和剪切位置的不同，其發(fā)生斷裂的時(shí)間也不同。因此，按Wu-Waldron模型計(jì)算出來的根-土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度的增加值比實(shí)測值高。

孫高峰等利用無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)測定了3種草本植物根-土復(fù)合體和素土的黏聚力（），并運(yùn)用Wu-Waldron模型對這3種草本植物根系提高土體抗剪性能的水平進(jìn)行預(yù)測。結(jié)果顯示，模型預(yù)測值均高出實(shí)際值幾十倍。

1.2 Fiber-Bundle模型（FBM）

Fiber-Bundle模型最初被用于解決工業(yè)生產(chǎn)中棉紗失效的問題，后被引入根系的連續(xù)破壞理論中。該理論避免了Wu-Waldron模型中假設(shè)根-土復(fù)合體在受到剪切作用時(shí)內(nèi)部根系同時(shí)斷裂進(jìn)而高估根系對土體的穩(wěn)固作用的情況。Fiber-Bundle模型認(rèn)為，根系在土壤中的位置及根系本身情況不同，根系的抗拉強(qiáng)度和受力情況也不一樣，受力過程中根系發(fā)生連續(xù)斷裂，且每發(fā)生一次斷裂，根系所承擔(dān)的應(yīng)力都要進(jìn)行重新分布。這種根系的漸進(jìn)連續(xù)破壞模式更符合實(shí)際的破壞情況。

Thomas等假設(shè)某植物根系有個根，受到固定剪應(yīng)力時(shí)個根共同承擔(dān)，當(dāng)應(yīng)力達(dá)到某個單根的極限抗拉強(qiáng)度時(shí)，這個單根會發(fā)生斷裂，而本該由這個單根所承受的應(yīng)力會被重新分散給剩下的（-1）個未斷裂的根，導(dǎo)致剩下的根都承受著比初始狀態(tài)更大的應(yīng)力。這種情況下，抗拉強(qiáng)度較低的根會逐個被拉斷，一旦有根發(fā)生斷裂，應(yīng)力即刻被重新分配給剩下的單根，直至沒有單根斷裂或所有的單根都發(fā)生了斷裂。Thomas等采用蒙特卡羅模擬和FBM模型研究生長在斜坡和漫灘上的植物根系的加固作用，其假設(shè)單根承受的應(yīng)力相等，結(jié)果顯示單根抗拉強(qiáng)度與根徑呈負(fù)相關(guān)，即根徑越大，越先發(fā)生斷裂。

通過Wu-Waldron模型（WWM）和Fiber Bundle模型（FBM）確定黃土高原4種典型植被根系對土體抗剪強(qiáng)度的作用，并利用原位直剪試驗(yàn)加以驗(yàn)證。結(jié)果顯示，WWM模型值高于FBM模型值，且兩種模型值均與實(shí)際值存在一定偏差。瞿文斌等分析原因認(rèn)為，兩種模型假設(shè)穿過剪切面的斷裂方式不同，WWM模型認(rèn)為斷裂方式為瞬間同時(shí)全部斷裂，而FBM模型則認(rèn)為根系根據(jù)其受力的大小連續(xù)斷裂，且兩種模型對真實(shí)情況的參數(shù)模擬都過于簡單，實(shí)際上根系增強(qiáng)土體抗剪強(qiáng)度的能力受多方面因素影響，如根密度、根系形態(tài)等。

1.3 Root-Bundle模型（RBM）

Schwarz等在FBM模型研究的基礎(chǔ)上，提出了一種位移控制加載過程的Root-Bundle模型（RBM），彌補(bǔ)了WWM模型和FBM模型在計(jì)算根-土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度時(shí)，未考慮土壤類型、土壤含水量、根徑、根系形態(tài)分布和根土間摩擦等的不足。

RBM模型認(rèn)為，根系的拉拔力（）是與拔出位移有關(guān)的函數(shù)，其方程可表示為

式（1）中：（Δ）為根系總拉拔力；F（Δ）為第類直徑的單根拉拔力；n為第類直徑的單根數(shù)量；為按直徑分類的單根數(shù)量。

2 根-土復(fù)合體力學(xué)試驗(yàn)

Teerawattanasuk等認(rèn)為，根系的加固效果取決于根系的形態(tài)特征、根系抗拉強(qiáng)度及根系在土壤中的空間分布，并通過室內(nèi)拉伸試驗(yàn)和直剪試驗(yàn)，對香根草和飛揚(yáng)草兩種不同的草本植物的根系抗拉強(qiáng)度進(jìn)行了研究，在實(shí)驗(yàn)室測得了草本植物的根系極限抗拉強(qiáng)度和楊氏模量。其試驗(yàn)結(jié)果表明，飛揚(yáng)草和香根草的根徑與拉伸力、拉伸強(qiáng)度和楊氏模量之間存在顯著的相關(guān)性。Mahannopkul等為研究根密度和土壤吸力對香根草根系加固作用的影響，對不同根密度的根-土復(fù)合體進(jìn)行剪切試驗(yàn)，并對現(xiàn)場孔隙水壓力進(jìn)行測試。分析結(jié)果表明，根系密度較高的土壤樣品具有較高的峰值強(qiáng)度，比沒有根系的土壤樣品更具延展性；非飽和根加筋土在剪切過程中會發(fā)生收縮，而非加筋土則會發(fā)生膨脹，在非飽和條件下，吸力的穩(wěn)定作用大于根系的穩(wěn)定作用，而在飽和條件下，根系的穩(wěn)定作用更為重要，特別是對淺層土體的穩(wěn)定作用。

國內(nèi)學(xué)者楊亞川等早在20世紀(jì)90年代就對植物根系與土體開展了一系列試驗(yàn)，并首次提出“土壤-根系復(fù)合體”的概念，分析提出草本植物根系防治水土流失的機(jī)制：根莖連接處形成的網(wǎng)兜狀微型“欄土柵”與在此處沉積的土體共同對徑流產(chǎn)生阻截和過濾作用。宋路等對青海大學(xué)校內(nèi)的原生植被分別進(jìn)行了不同植被覆蓋度和不同含水量條件下根-土復(fù)合體原位十字剪切試驗(yàn)和室內(nèi)直接剪切試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)根-土復(fù)合體的抗剪強(qiáng)度與植被覆蓋度呈正相關(guān)，且通過原位十字剪切試驗(yàn)測得的抗剪強(qiáng)度明顯大于室內(nèi)直剪試驗(yàn)測得的結(jié)果。宋路等分析產(chǎn)生差異的主要原因是剪切方式、被剪根數(shù)及對原狀土的破壞程度不同；其中，原位十字剪切試驗(yàn)是在試驗(yàn)現(xiàn)場最大限度不擾動原狀土結(jié)構(gòu)的前提下將根-土復(fù)合體完整剪破，得到的試驗(yàn)結(jié)果更能反映現(xiàn)實(shí)規(guī)律。徐華等選用黑麥草作為研究對象，對其生長參數(shù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，并通過直剪試驗(yàn)測得其不同生長時(shí)期根-土復(fù)合體的力學(xué)參數(shù)；采用自主研發(fā)的MechRoot程序建立了黑麥草根-土復(fù)合體三維模型。徐華等的研究結(jié)果表明，植物根系能明顯提升根-土復(fù)合體黏聚力，進(jìn)而提升土壤的抗剪強(qiáng)度；隨著根系生長形態(tài)變得復(fù)雜，根系在剪切過程中能夠牽制的土體范圍更大，抵抗剪切變形的能力也更強(qiáng)，根系周圍的剪切帶和塑性區(qū)分布范圍不斷擴(kuò)大，并向根系周圍集中；在根-土復(fù)合體剪切過程中，各級根系抵抗剪切破壞的作用不同，一級根起錨固作用，二級和三級根起加筋作用。

3 根系的分形描述方法

植物根系由于其自身的復(fù)雜性及各向異性等特點(diǎn)，很難用傳統(tǒng)的方法去描述，而20世紀(jì)70年代Mandelbrot提出的分形幾何學(xué)為植物根系形態(tài)的描述提供了新思路。Tatsumi等首次將分形理論用于植物根系的特征描述，利用分形幾何圖像處理系統(tǒng)分析了植物根系的形態(tài)。此后，學(xué)者們開始嘗試將分形幾何原理應(yīng)用于根系的描述。然而，學(xué)者們對真實(shí)植物根系保持其原始三維結(jié)構(gòu)的分形研究卻很少。因此，Eshel將一株矮生番茄的完整根系嵌入明膠中，并切成3 mm的薄片，利用圖像分析收集確定三維和平面分形維數(shù)所需的數(shù)據(jù)。Eshel的研究結(jié)果表明根系具有分形特征，Eshel通過研究根系相交平面和垂直平面的分形維數(shù)變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)其最大值與根系增殖最大值相對應(yīng)。這些研究結(jié)果為分形分析在根系研究中的進(jìn)一步應(yīng)用開辟了道路。

我國學(xué)者楊培嶺等認(rèn)為，分形思想可以很好地用來描繪在一定區(qū)域內(nèi)具有高度自相似性特征的無規(guī)則體，給出了用于表達(dá)植物根系分形特征的數(shù)學(xué)模型，并利用模型分析冬小麥根部形態(tài)的分形特點(diǎn)。楊培嶺等的研究結(jié)果表明，在植物根系的研究過程中引入分形分析理論，可以直觀描繪根部幾何形態(tài)，定量描述根部形態(tài)參數(shù)。馮斌等從計(jì)算機(jī)應(yīng)用角度出發(fā)，通過將計(jì)算機(jī)圖像技術(shù)與分形理論結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對根部生長形態(tài)模型的模擬，并對比發(fā)現(xiàn)計(jì)算機(jī)模擬與植物根系實(shí)際生長的維數(shù)和形態(tài)基本保持一致。夏振堯等通過對比護(hù)坡常見植物的根系分形特征與土層黏聚力增值的關(guān)系發(fā)現(xiàn)，兩者具有顯著的正相關(guān)關(guān)系，含根量多并且根系分布相對均勻的土層根系分形維度數(shù)較大。黃曉樂等同樣對植被根系進(jìn)行分形分析并結(jié)合直剪試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)植物根系與土體的抗剪強(qiáng)度變化曲線中存在明顯的峰值，且隨根部分形維數(shù)的增加呈先增后減的趨勢。

4 結(jié)語

植被固土的作用機(jī)制，不僅包括下部根系對淺層土體的加筋、錨固作用，也包括上部莖葉對雨水濺蝕的防護(hù)作用，還包括根系新陳代謝產(chǎn)生的膠質(zhì)對周圍土壤的增強(qiáng)作用等。植物根系固土研究主要應(yīng)用于生態(tài)防治領(lǐng)域。該領(lǐng)域涉及范圍廣，學(xué)科交叉性強(qiáng)，符合國家大力推進(jìn)的綠色發(fā)展理念，今后該領(lǐng)域必將得到長足的發(fā)展。