人造根在根-土模擬試驗(yàn)中的應(yīng)用及優(yōu)化設(shè)計(jì)

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(yàn)中真實(shí)根系的替代品，在研究根系與水土流失相互關(guān)系的試驗(yàn)中得到了廣泛運(yùn)用。通過總結(jié)幾種應(yīng)用廣泛的人造根材料與構(gòu)型、人造根參與的主要試驗(yàn)和人造根有效性驗(yàn)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(yàn)過程中的生物化學(xué)反應(yīng)、無法模擬須根系植物固土作用、表面過于平整光滑導(dǎo)致根土接觸面摩擦力比真實(shí)情況偏小、忽略植物枝葉雨水截獲功能的問題。基于此，提出通過以下4種方法來改進(jìn)上述問題：① 通過優(yōu)化選材、合理布置、表面防護(hù)等避免根-土表面的生化反應(yīng);② 設(shè)計(jì)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(yàn)時(shí)，在人造根基礎(chǔ)上添加植物地上部分雨水?dāng)r擋結(jié)構(gòu)，希望借此能加深人們對人造根的認(rèn)識(shí)，完善和發(fā)展人造根技術(shù)，使人造根能更好地服務(wù)于相關(guān)科學(xué)試驗(yàn)。

關(guān) 鍵 詞：根-土模擬試驗(yàn); 人造根材料; 人造根構(gòu)型; 優(yōu)化設(shè)計(jì); 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(zāi)害極易發(fā)生。這些災(zāi)害造成了嚴(yán)重的水土流失，形成大量裸露邊坡，不利于植被生長恢復(fù)，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(zāi)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(hù)，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(hù)、環(huán)境兼容的固土護(hù)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(hù)坡原理為：根系通過深入到土體中，對土體產(chǎn)生錨固效應(yīng)，密集根系形成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)能固定疏松的土壤顆粒，增加土體抗剪強(qiáng)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(zāi)害的作用[8-9]。

為評價(jià)植物根系對土體抗剪強(qiáng)度的增強(qiáng)作用，探明根-土復(fù)合體相互作用機(jī)理以及對植物根系加筋固土能力的定量評價(jià)，國內(nèi)外學(xué)者主要采用野外原位拉拔試驗(yàn)，植物根系加筋土的剪切試驗(yàn)，人工降雨試驗(yàn)等[10-11]。但由于根系采樣難度大，在實(shí)際操作中，存在根系被誤挖斷，新鮮根系養(yǎng)護(hù)困難等諸多問題，采用真實(shí)根開展試驗(yàn)研究極其困難[1]。因此，部分學(xué)者嘗試用由真實(shí)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(jī)制[12]。人造根試驗(yàn)?zāi)芴峁┍日鎸?shí)植物根系試驗(yàn)更好的控制測試環(huán)境，實(shí)驗(yàn)過程可重現(xiàn)性高，試驗(yàn)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(jī)理。

1 人造根簡介

1.1 人造根材料

人造根作為真實(shí)根系在科學(xué)試驗(yàn)中的替代品，學(xué)者們一直在改進(jìn)其材料以更加貼近真實(shí)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(xì)鋼絲代替。所用人造根在一定程度上能模擬真實(shí)根系，但其材料強(qiáng)度與真實(shí)根系存在較大差異。后期學(xué)者們改進(jìn)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(yùn)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(shí)，選擇具有較大進(jìn)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(yàn)，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(yīng)與植物根系的力學(xué)性能相似。工程上常用抗拉強(qiáng)度與彈性模量來評價(jià)材料的力學(xué)特性。表1列出了多種廣泛用于生態(tài)修復(fù)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(qiáng)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(fù)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(fù)雜（見圖1），而成熟菜豆根系已經(jīng)復(fù)雜到不能用圖像準(zhǔn)確描述了。鑒于真實(shí)根系的復(fù)雜程度與難獲取性，可采用人造根參與試驗(yàn)，但用人造根將植物的每條根系模擬出來不現(xiàn)實(shí)且沒有必要。于是，不少學(xué)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(fù)合根型等[31];吳宏偉等[32]根據(jù)其他學(xué)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(shè)計(jì)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(gè)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(gè)與主根垂直的一級側(cè)根，側(cè)根長為10 cm;圖3（d） 含多個(gè)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(gè)隨機(jī)側(cè)根，每個(gè)根長如圖所示。這組人造根被廣泛應(yīng)用，學(xué)者們根據(jù)試驗(yàn)需要，改進(jìn)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(xué)者們還針對具體的植物，制作對應(yīng)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(yīng)用概況

2.1 人造根有效性驗(yàn)證

利用人造根參與科學(xué)試驗(yàn)雖能提供較好的控制條件、提高試驗(yàn)效率，但人造根與真實(shí)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(yàn)前，應(yīng)驗(yàn)證人造根的構(gòu)型合理性、是否能實(shí)現(xiàn)所研究的根系功能，從而提高試驗(yàn)結(jié)果的可信度。

不同試驗(yàn)中檢驗(yàn)人造根構(gòu)型合理性的方法不同。例如，不少學(xué)者通過對比真實(shí)植物根系和人造根的主根側(cè)根夾角來檢驗(yàn)夾角設(shè)置的合理性。人造根的側(cè)根與主根夾角一般設(shè)置為30°～90°，而實(shí)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(shí)主側(cè)根夾角范圍內(nèi)，這說明角度設(shè)置合理。另一種驗(yàn)證人造根構(gòu)型合理性的方法為對比人造根與真實(shí)植物根系的根系橫截面積比（RAR）。如果真實(shí)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(yàn)證人造根構(gòu)型合理性。例如，人造根模型試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)側(cè)根與主根夾角為90°時(shí)，根系的抗拔力最強(qiáng)。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(dāng)植物被垂直拔起時(shí)，它們承擔(dān)了大部分側(cè)向抵抗張力[35]，這與人造根的試驗(yàn)結(jié)果相符，證明試驗(yàn)所用的人造根構(gòu)型合理。

與人造根構(gòu)型合理性檢驗(yàn)相比，人造根功能的驗(yàn)證較為復(fù)雜，一般通過做驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)來實(shí)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(shí)，不僅做了人造根的拉拔試驗(yàn)，還在同等實(shí)驗(yàn)條件下做了柳樹根系的對照組，結(jié)果表明，人造根與真實(shí)根的試驗(yàn)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(shí)的應(yīng)力應(yīng)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(shí)根系與土體的相互作用。同樣，為驗(yàn)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(fù)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(yàn)所用人造根能模擬植物根系吸水。

2.2 人造根在模擬試驗(yàn)中的應(yīng)用情況

人造根在根-土模擬實(shí)驗(yàn)中應(yīng)用廣泛，參與的試驗(yàn)類型由易到難不斷發(fā)展。最初為簡單的人造根拉拔試驗(yàn)，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(qiáng)的抗拔力;根系在濕砂土中的抗拔力強(qiáng)于干砂土[36-37]。試驗(yàn)結(jié)果與真實(shí)植物拉拔試驗(yàn)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(yàn)在人造根材料、試驗(yàn)土體代表性、土體壓實(shí)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(xì)機(jī)制時(shí)，對上述問題進(jìn)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(shí)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(gè)參數(shù)預(yù)測根系抗拔力的方程式。近年來，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人造根開始應(yīng)用于各種離心機(jī)試驗(yàn)中。Sonnenberg等[36]為探究植物根對斜坡穩(wěn)定性的強(qiáng)化機(jī)制，將安裝了人造根的土坡置于離心機(jī)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(yàn)現(xiàn)象和數(shù)據(jù)表明在邊坡受到外界干擾時(shí)，根系通過自身發(fā)生軸向應(yīng)變和彎曲應(yīng)變阻止斜坡變形與坍塌。此外，他們利用多種極限平衡法計(jì)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(dòng)了根系固坡效果定量評價(jià)的發(fā)展。

3 現(xiàn)有人造根存在的問題與優(yōu)化設(shè)計(jì)

利用人造根代替真實(shí)根進(jìn)行的科學(xué)試驗(yàn)已探明了多個(gè)科學(xué)問題，其成果已被廣泛應(yīng)用于育種技術(shù)、植物克隆技術(shù)、邊坡加固技術(shù)，給社會(huì)帶來巨大經(jīng)濟(jì)價(jià)值。但人造根還存在一些問題，需進(jìn)一步完善。

3.1 人造根材料在根-土試驗(yàn)中的生化反應(yīng)

與真實(shí)根系一樣，人造根代替真實(shí)根系參與試驗(yàn)時(shí)，其表面與土壤接觸緊密，根-土面易發(fā)生物理、化學(xué)和生物反應(yīng)，導(dǎo)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(qiáng)度僅為干態(tài)時(shí)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(yàn)，試驗(yàn)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(xué)反應(yīng)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(xué)反應(yīng)，24 h后鐵絲就被明顯銹蝕[41]。銹蝕后的鐵絲不僅材料強(qiáng)度降低，其表面粗糙度、根土接觸面積均發(fā)生明顯變化，會(huì)對試驗(yàn)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(huì)出現(xiàn)變軟、變硬和拉伸強(qiáng)度降低等老化現(xiàn)象[42]。所以，單獨(dú)以材料強(qiáng)度為人造根選材指標(biāo)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足的，應(yīng)在滿足材料強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，充分考慮材料在土壤中可能發(fā)生的生物化學(xué)反應(yīng)，優(yōu)化人造根選材。如在滿足試驗(yàn)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(yàn)過程中性質(zhì)穩(wěn)定不與土壤發(fā)生反應(yīng)[43]。如無法找到滿足試驗(yàn)要求的惰性材料，應(yīng)注意所選人造根材料的使用范圍與時(shí)間，并采取一定的防護(hù)和補(bǔ)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(dá)數(shù)月的試驗(yàn)中注意更換老化橡膠和在鐵絲上刷一層惰性材料保護(hù)漆等。

3.2 模擬根系網(wǎng)絡(luò)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(dá)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(yīng)，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(qiáng)度，從而提高土體抗滑力[6]。須根系無明顯主根，只有許多細(xì)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(luò)結(jié)構(gòu)，能固持松散土顆粒，根-土復(fù)合體的力學(xué)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(zāi)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(dá)的直根系對土體的錨固作用，無法模擬側(cè)根發(fā)達(dá)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(luò)對土體的網(wǎng)絡(luò)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(dá)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(diǎn)為起點(diǎn)，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?yàn)所測得的“距植株水平距離越遠(yuǎn)，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(shè)計(jì)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(shí)植物根系的土體一致，在模擬某一具體植物根系時(shí)，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(shí)，根系與土壤的接觸面將產(chǎn)生抵抗根系滑動(dòng)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(dǎo)致表面較為平整的人造根的真實(shí)根具有更大的根土接觸面積和粗糙度，從而導(dǎo)致人造根的摩擦力比真實(shí)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(shí)，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(shí)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(shí)的人造根表面即為人造根粗糙度設(shè)計(jì)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(xiàng)，學(xué)者們在做植物根系試驗(yàn)時(shí)，一般會(huì)在試驗(yàn)開始前將植物的枝葉剪掉[4]。但部分試驗(yàn)并不適合這種方法，如植被邊坡上的人工降雨試驗(yàn)。這是由于植物群落地上的高低錯(cuò)落結(jié)構(gòu)對雨水進(jìn)行層層截留，減小雨滴打擊動(dòng)能，減少土壤濺蝕，改變水分下滲過程，推遲產(chǎn)流匯流時(shí)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(shí)，只在坡體內(nèi)埋設(shè)人造根而忽略植物莖葉，將會(huì)造成實(shí)驗(yàn)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(shí)，舍棄了人工降雨誘導(dǎo)坡體破壞的方法，由實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)裝置如圖6（a）所示。但這種土壤浸潤線由下至上擴(kuò)散的坡體破壞，一般只發(fā)生在水庫滲水導(dǎo)致的邊坡失穩(wěn)案例中，適用范圍較小。事實(shí)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(kuò)散導(dǎo)致的。人工降雨法誘導(dǎo)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(yàn)中的植物枝葉水文效應(yīng)與更廣的試驗(yàn)成果適用范圍，本文提出了一種優(yōu)化方法，即在坡體埋設(shè)人造根的基礎(chǔ)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(yàn)結(jié)果更接近實(shí)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(shí)，攔擋結(jié)構(gòu)能像植物枝葉一樣對坡面起到保護(hù)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(xué)試驗(yàn)中的根系替代物，能減少試驗(yàn)工作量，增加試驗(yàn)精度與試驗(yàn)重現(xiàn)性。本文從人造根的材料選擇、構(gòu)型設(shè)計(jì)方面簡要介紹了人造根，另外從人造根參與的主要試驗(yàn)、人造根有效性驗(yàn)證方法方面總結(jié)了人造根的應(yīng)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(shè)計(jì)方法：① 通過優(yōu)化選材、合理布置、表面防護(hù)等措施避免根-土表面發(fā)生生化反應(yīng)造成試驗(yàn)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(luò)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(yàn)時(shí)，考慮植物的水文作用，增加植物地上部分?jǐn)r擋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

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(zhǔn)確的模擬真實(shí)植物與土體的相互作用，參與更多種類的科學(xué)試驗(yàn)，并將試驗(yàn)結(jié)果用于生活生產(chǎn)，促進(jìn)社會(huì)發(fā)展。

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（編輯：黃文晉）