紫色土埂坎典型草本根系摩阻特性對土壤含水率的響應

甘鳳玲，韋杰*，李沙沙

（1. 重慶師范大學地理與旅游學院，重慶 401331；2. 三峽庫區地表過程與環境遙感重慶市重點實驗室，重慶 401331）

埂坎是坡耕地高出田面的地埂與其外側坡坎的復合體，對坡耕地土壤侵蝕具有重要的阻控作用［1］。埂坎自身穩定性對其水土保持作用發揮具有重要影響，利用植物根系防治埂坎垮塌、坡面水土流失等方面的研究受到了國內外學者廣泛關注［2-3］，如在20 世紀80 年代初，國內外學者對植物根系固土力學機制和原理展開了相關研究［4-5］。研究表明，植物根系可通過其垂直深粗根系、淺細根系和水平深粗根對土體進行錨固、加筋和牽拉，有效提高土體的應力應變狀態，并加強土體穩定性［6-7］。此外，土壤是一種不可承受拉力卻可承受壓力的材料，而根系在土壤中可以承受一定拉力。在外力條件下，根系和土壤接觸界面發生相互錯動，并產生摩擦阻力進行抵抗，根系抗拉特性與土體抗壓特性相結合也增加了根-土界面間的抗剪強度和土體穩定性［8］。因此，根-土界面摩阻特性決定了根系固土機制，研究根-土界面的摩阻特性對紫色土埂坎防護和植物配置具有重要意義。

近年來關于摩阻特性的研究大部分集中在土工合成材料與填料之間的界面［9-18］，而關于根-土界面間的摩阻特性報道較少。已有研究主要利用直剪試驗和拉拔試驗研究根-土界面摩阻特性［9-12］。宋維峰等［13］和邢會文等［14］首次通過剝皮制樣的方法測定根-土界面間的相互作用力，研究表明根系種類、土壤含水率和土壤干密度會對根-土界面的剪切特性產生影響。田佳等［15］借鑒上述方法，通過室內直剪試驗研究了土壤含水率對花棒（Hedysarum scoparium）、沙柳（Salix cheilophila）根-土界面的影響，研究發現，土壤含水率高（22%）的土壤抗剪強度高于土壤含水率低（2%）的。不同根系表面積下的根-土界面的抗拔摩阻特性也有所差異，如劉亞斌等［16］對灌木植物根系進行了拉拔摩擦試驗，研究發現根系總表面積越大，根-土界面的抗拔強度越大。此外，杜金輝等［17］還通過開展根-土界面摩阻效應試驗構建了根系抗拉拔力的模型。

綜上，不同植物種類的根系生物特性有所不同，其根系固土護坡效益也有差異［18-20］。本研究以三峽庫區紫色土埂坎常見的稗草（Echinochloa crusgalli）、馬唐（Digitaria sanguinalis）和牛筋草（Eleusine indica）為研究對象，通過室內根-土界面直剪摩阻試驗和抗拉拔摩阻試驗，分析3 種草本根-土界面摩阻特性，探討不同土壤含水率對草本根-土界面摩阻特性的影響，以期對進一步深入探討固埂護坡草本植物的配置和埂坎修建與維護提供依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于重慶市北碚區歇馬鎮，介于106°18′02″-106°40′57″E，29°27′08″-30°05′08″N，高程200~900 m。地處四川盆地東部平行嶺谷區，屬亞熱帶濕潤性季風氣候，年均降水量1105.4 mm，年均氣溫18.3 ℃，降水主要集中在5-8 月，占全年降水量的57.7%，且多以陣雨和暴雨形式出現［21］。土壤以紫砂壤土為主，富含鉀、鈣、錳、鐵等礦質元素。主要種植作物有柑橘（Citrus reticulata）、黃豆（Glycine max）和玉米（Zea mays）等。對該區現有坡耕地埂坎類型調查表明，埂坎類型以土坎為主。主要固坎草本植物有稗草、馬唐、牛筋草、狗牙根（Cynodon dactylon）等，通過調查可知，埂坎的土壤含水率在旱季和雨季的變化范圍為1.87%~28.78%。

1.2 試驗材料采集

2019 年7-9 月在北碚區歇馬鎮選擇稗草、馬唐和牛筋草蓋度超過60%的典型土埂坎進行采樣。在埂坎內選擇16 株生長良好的草本植物，去除草本植物地表部分后，以草本植物為中心點，將環刀放至中心點附近，豎直向下分層采集原狀根-土復合體（每層為10 cm，共3 層），每層取3 次重復，共計144 個土樣，測量不同土層厚度下的根系直徑、長度等參數，其中稗草、馬唐和牛筋草平均直徑分別為0.40、0.72 和0.71 mm，平均長度分別為43.70、354.87 和276.21 mm，平均分形維數為1.55、1.45 和1.77，平均土壤含根量分別為0.49、0.16 和0.36 根·cm-3（圖1），所采集信息作為本研究中重塑根-土復合體的參考資料。另在每個采樣點采集500 g 的散土樣帶回實驗室，用于測定相對應的土壤理化性質和制作重塑土的材料（表1）。在對土樣進行取樣的同時對草本植物根系進行挖掘，在根系結點處將其剪斷，并用塑料薄膜纏繞密封后，放置在4 ℃環境下保存。

圖1 草本根系結構Fig. 1 Herbs root structure

表1 埂坎原狀土壤理化性質Table 1 Soil chemical and physical properties of undisturbed soil bunds

1.3 重塑土樣品制備

試驗用土均為埂坎采樣點的土壤，土樣風干后過2 mm 篩，測定風干土含水率［（5.1±0.48）%］后放入密封箱中備用。按照《土工試驗方法標準（GB/T 50123-2019）》［22］進行重塑土制樣。在本試驗中，在充分考慮埂坎旱季和雨季的土壤平均含水率情況下，試驗重塑土含水率設定為5 個水平：質量分數為5%（自然質量含水率）、10%、15%、20%和25%（近似飽和），即每個土壤含水率水平下均有3 種草本根系土樣進行測試，每個水平3 個重復，土壤干密度取埂坎0~30 cm 土層的平均值1.35 g·cm-3。當試驗用土含水率達到設定值時，將選取好的試驗根和土壤共同放進環刀中，并逐層壓實，使重塑復合根-土復合體達到設定的土壤含水率和土壤干密度條件，整個過程避免損壞根系。即在土壤含水率5%~25%內的5 個不同梯度條件下，進行稗草、馬唐和牛筋草根系的重塑根-土復合體的直剪摩阻和單根拉拔摩阻試驗。

1.4 試驗儀器與試驗方法

1.4.1直剪摩阻試驗 采集的稗草、馬唐和牛筋草根系樣本直徑（diameter，D）均小于1.0 mm，將每個草本的代表根系按0 mm

本研究剪切試驗采用南京智龍有限公司生產的全自動四聯剪直剪儀（LT1008，中國南京）完成。試驗剪切速率設為0.8 mm·min-1，土壤含水率為5%，10%，15%，20%和25%，垂直荷載為25，50，75，100 和150 kPa，每組4個重復。利用記錄的剪切參數根據庫倫-莫爾理論計算5 個不同垂直荷載下重塑根-土界面黏聚力和內摩擦角。

1.4.2單根拉拔摩阻試驗 使用LDS-5A 電子萬能拉力機（LT1008，中國南京），測量精度高達95%。在進行拉拔試驗前，選取稗草、馬唐和牛筋草根系的單根根系長≥8 cm 作為代表根系（根系直徑選取徑級Ⅰ和徑級Ⅱ兩個等級），用內徑為6.1 cm，高為2 cm 的自制容器中部對稱開一個直徑為0.2 cm 的圓孔，分2 次添加需要測定的試驗重塑土（土壤含水率為5%、10%、15%、20%和25%），第一次添加重塑土略高于圓孔1/2 直徑處時，將根系穿過圓孔直至從夾口端露出，繼續添加重塑土直至將整個容器填滿，并且控制添加的重塑土土壤干密度達到1.35 g·cm-3，最后加蓋壓實［23］。為避免根系與容器圓孔邊緣摩擦造成試驗誤差，需確保試驗根系始終處于圓孔中央。將制好的根-土復合體試樣用夾具固定在萬能拉力機上，設置加載速度為10 mm·min-1，勻速豎直向上拉拔根系直至其完全從土中拔出。整個拉拔過程可通過軟件記錄最大抗拔力，每種根系重復3 次。即在土壤含水率5%~25%范圍內的5 個不同梯度條件下，進行稗草、馬唐和牛筋草根系的單根拉拔摩阻試驗。

1.5 數據分析

采用EXCEL 和SPSS 18.0 軟件進行數據分析和相關圖制作。

2 結果與分析

2.1 草本根-土界面抗剪強度與垂直荷載

在試驗土壤含水率范圍（5%~25%）內，3 種草本根-土界面抗剪強度與垂直荷載的關系服從土力學經典理論的莫爾-庫倫準則［24-25］。草本植物根-土界面的抗剪強度隨著垂直荷載的增大呈線性增大，兩者之間呈顯著正相關線性關系（R2>0.598）（圖2）。通過對不同土壤含水率條件下的草本根-土界面抗剪強度與垂直荷載之間的線性模型進行協方差（ANCOVA）分析可知，3 種草本根-土界面抗剪強度表現出極顯著差異性（F=10.539，P=0.002<0.01），根-土界面抗剪強度的邊際均值（margin mean）大小為：牛筋草>馬唐>稗草。同時，R2和納什系數（Nash-Sutcliffe efficiency coefficient，NSE）均高于0.835。

圖2 3 種草本根-土界面抗剪強度與垂直荷載關系Fig.2 Relationship between shear strength and vertical load for 3 kinds of herbs

2.2 紫色土埂坎草本根-土界面摩阻特性

2.2.1直剪摩阻特性 在5%、15%和20%這3 個土壤含水率條件下，稗草根-土界面黏聚力［（1.83±0.32）~（17.80±3.21）kPa）］均高于馬唐［（0.51±0.01）~（10.12±1.89）kPa］和牛筋草［（0.33±0.04）~（1.65±0.28）kPa］（表2）。當土壤含水率為10%時，馬唐根-土界面黏聚力卻高于稗草和牛筋草，其根-土界面平均黏聚力分別為稗草和牛筋草的1.20 和12.63 倍。

在不同土壤含水率條件下，馬唐、稗草和牛筋草根-土界面摩擦系數分別為（0.58±0.14）~（0.89±0.15）、（0.38±0.04）~（0.96±0.13）和（0.62±0.08）~（1.23±0.41），牛筋草根-土界面平均摩擦系數分別比馬唐和稗草大27.35%和25.88%。此外，3 種典型草本根-土界面摩擦系數均隨著土壤含水率增大而波動減小。土壤含水率大小決定了它對草本根-土界面摩擦系數的影響范圍，其中高土壤含水率（20%~25%）對這3 種草本根-土界面影響較大（表2）。

表2 埂坎3 種草本根-土界面摩阻特性Table 2 Root-soil interface friction characteristics of 3 typical herbs in soil bunds

2.2.2拉拔摩阻特性 在土壤含水率為5%~15%時，牛筋草根-土界面的平均最大抗拔力分別是馬唐和稗草根-土界面的2.06 和1.79 倍（表2），表明當土壤含水率較低時，牛筋草根-土界面最大抗拔力最大。但在土壤含水率為20%~25%時，馬唐根-土界面的最大抗拔力顯著高于牛筋草和稗草（P<0.05），而牛筋草和稗草根-土界面的最大抗拔力無顯著差異（P>0.05）。表明土壤含水率較高時，馬唐根-土界面的抗拔性能較好。

當土壤含水率從5%增加到20%時，牛筋草根-土界面抗拔強度均高于馬唐，兩者之間呈顯著差異（P<0.05），分別增加了76.43%、10.05%、26.52%和3.86%；而當土壤含水率為25%時，根-土界面抗拔強度表現為馬唐>牛筋草。表明在土壤含水率較高時，馬唐根-土界面抗拔強度要優于牛筋草。此外，3 種草本根-土界面在5 個土壤含水率下的平均抗拔強度表現為：牛筋草［（281.61±71.73）MPa］>馬唐［（255.74±81.82）MPa］>稗草［（247.48±66.32）MPa］，且馬唐和稗草根-土界面抗拔強度無顯著差異（P>0.05）。由此可知，牛筋草根-土界面的土壤結構穩定性和抗拔性能總體上優于馬唐和稗草。

2.3 土壤含水率對草本根-土界面摩阻特性指標的影響

2.3.1土壤含水率對直剪摩阻特性的影響 研究區內3 種草本植物根-土界面黏聚力均表現出隨著土壤含水率（土壤含水率范圍為5%~25%）的增加呈先減小后增大的變化規律。通過線性擬合可知草本根-土界面黏聚力與土壤含水率之間符合二次多項式函數關系（表3）。由根-土界面黏聚力與土壤含水率之間的決定系數計算結果可知，牛筋草根-土界面的黏聚力與土壤含水率之間的決定系數（R2）為0.629，高于馬唐和稗草。表明牛筋草根-土界面的黏聚力與土壤含水率相關性程度較大（P<0.05）。

表3 埂坎3 種草本根-土界面摩阻特性指標與土壤含水率關系Table 3 Relationships between root-soil interface friction characteristics of 3 kinds of herbs and soil water content

隨著土壤含水率的增加，3 種草本植物根-土界面摩擦系數均呈先增加后減小的變化趨勢，且牛筋草根-土界面的摩擦系數高于馬唐和稗草（表2）。根據相關性分析結果可知，除稗草根-土界面的摩擦系數與土壤含水率無顯著相關關系，馬唐和牛筋草根-土界面摩擦系數與土壤含水率可用二次多項式函數較好擬合且呈顯著負相關（R2≥0.774，P<0.05）。綜上可知，當土壤含水率較大時，草本根-土界面的摩擦系數急劇減小。

2.3.2土壤含水率對拉拔摩阻特性的影響 分別對試驗區內3 種典型草本植物根-土界面的拉拔摩阻特性（最大抗拔力和抗拔強度）與土壤含水率進行回歸分析（表3）。馬唐根-土界面最大抗拔力與土壤含水率可用冪函數較好擬合（R2=0.893）且呈顯著正相關（P<0.05），最大抗拔力隨著土壤含水率的增大而增大；稗草根-土界面最大抗拔力與土壤含水率可用二次多項式函數較好擬合（R2=0.598）且呈正相關；牛筋草根-土界面最大抗拔力與土壤含水率可用二次多項式函數較好擬合（R2=0.640）且呈正相關。

埂坎上典型的3 種草本植物根-土界面抗拔強度與土壤含水率符合二次多項式函數關系（表3），即均表現為隨著土壤含水率的增加呈先增大后減小的趨勢。其中，稗草和牛筋草根-土界面抗拔強度均在土壤含水率為15%~20%達到最大值。此外，馬唐根-土界面抗拔強度與土壤含水率呈顯著正相關（P<0.05）。

綜上，雖然埂坎上3 種草本根-土界面抗拔摩阻特性與土壤含水率之間關系的回歸分析曲線各有不同，但由表2 可知，埂坎上3 種草本根-土界面抗拔強度仍表現出隨著土壤含水率的增加呈先增大后減小的變化規律。

2.4 紫色土埂坎草本根-土界面抗拔力與根系滑動位移

3 種草本根-土界面的抗拔力隨滑動位移變化趨勢相似（圖3）。在根系拉拔初期，即馬唐、稗草和牛筋草根-土界面抗拔力分別為0~3.3 N、0~2.6 N 和0~1.4 N，根-土界面抗拔力呈線性增長，其增長幅度比根系滑動位移增長幅度大。隨著根系進一步被拔出，根-土界面抗拔力隨滑動位移的增大呈波動增加的變化趨勢，直至抗拔力達到最大值，其中馬唐、稗草和牛筋草根-土界面平均最大抗拔力分別為1.82、1.66 和1.46 N。3 種草本植物根-土界面達到最大抗拔力后并未迅速下降，而是在一定滑動位移區間內保持恒定，其中馬唐、稗草和牛筋草根-土界面最大抗拔力平均分別在根系滑動位移為2.86~18.01 mm、4.79~46.98 mm 和1.88~28.64 mm 區間內保持恒定。根-土界面在一定滑動位移區間內保持最大抗拔力后，出現波動減小并趨于穩定，直至拉拔摩阻試驗結束。3 種草本根-土界面抗拔力平均分別下降至0.4、1.3 和0.2 N。

圖3 3 種草本根-土界面抗拔力與根系位移關系Fig.3 Relationship between pulling resistance and displacement for 3 kinds of herbs

在不同土壤含水率梯度下，稗草根-土界面與滑動位移關系曲線差異性較大，這主要是因為稗草根-土界面間的相互作用力在極低和極高土壤含水率時有所變化。具體表現在，稗草根-土界面在土壤含水率為5%和25%時，抗拔力隨著滑動位移的增加呈波動增大并趨于穩定，這與整體草本根-土界面與滑動位移關系曲線表現的變化趨勢略有不同。

3 討論

3.1 土壤含水率對根系拉拔摩阻力學特征的影響

土壤含水率不僅影響根系在土壤中的生長狀況，還決定了草本植物根-土界面的摩阻特性［21-28］。隨著含水率的增加，草本植物根-土界面的黏聚力、摩擦系數、最大抗拔力和抗拔強度整體上呈先增大后減小的趨勢。這主要是因為當土壤含水率較小時，土壤顆粒之間不僅間隙較大且兩者之間的結合鍵較弱，同時，根系與土壤顆粒之間接觸松散，根-土界面之間聯結和黏聚力較弱，導致根系與土壤之間的摩擦系數和抗拔力也較小。土壤顆粒與水之間隨著增加的含水率逐漸形成結合水膜，增大根系與土壤顆粒之間的咬合能力，使得根-土界面間的黏聚力和抗拔力也隨之增大。當土壤含水率增加到一定程度后（15%左右），土壤顆粒周圍的結合水膜的厚度變大，土壤顆粒之間的間距增加，而根系與土壤顆粒接觸的面積減少，導致土體對根系的咬合作用隨之減小。此外，土壤水在根-土界面還起到一個潤滑作用，從而降低了根-土界面的黏聚力和抗拔力。

不同草本植物根-土界面的土壤含水率、空間排列和組織結構均存在差異，導致根-土界面抗拔力與根系滑動位移也有所不同［13，26］。本研究表明，除了稗草在土壤含水率為5%時抗拔力與滑動位移的變化趨勢不同以外，其余兩種草本根-土界面抗拔力與滑動位移變化趨勢均表現為抗拔力在抗拔初期迅速波動增加并達到最大值，最后波動減小并趨于穩定。該研究結果與邢會文［26］的研究一致，這是因為根系拉拔初期，根系表面較為粗糙，能與土壤顆粒緊密結合，根系滑動位移受根系本身因受力而拉伸，根-土界面間靜摩擦力隨著根系滑動位移的增大而增大直至達到最大靜摩擦力。之后隨著拉拔試驗的繼續，根-土界面土壤顆粒重新排列并逐步趨于平滑，同時，根-土界面間靜摩擦力轉為滑動摩擦力，使兩者之間的連接結構被破壞，根系與土壤界面接觸面積隨之減小，導致根-土界面間的摩擦力和抗拔力急劇減小并趨于穩定，直至根系被拔出為止。而稗草在低土壤含水率（5%）下表現出相反的趨勢，即隨著滑動位移的增大其抗拔力逐漸增大并趨于平穩，這有可能是因為稗草的根系結構較為復雜，在極低含水率梯度下，根-土界面之間的靜摩擦力較大，在試驗設定的滑動位移條件下，依然能夠保持較大的靜摩擦力。此外，根-土界面的摩擦力是根系固土護埂功能的關鍵，只有當根-土界面之間摩擦力較大時，根系抗拉作用和固土能力才隨之增強，其中根-土界面間的抗拔力和摩擦力在較高土壤含水率（20%~25%）下較大，本研究結果可得出雨季對根系固土的能力有較大影響。

3.2 草本類型對根-土界面摩阻特性的影響

草本根-土界面的摩阻特性主要受草本植物類型、土壤含水率、根系表面糙度、土壤密度等因素的影響［21，23-24，27-28］。本研究表明，馬唐和稗草的根-土界面黏聚力高于牛筋草，且牛筋草根-土界面黏聚力值整體偏低（表2）。由此可知，牛筋草根系表面對土壤吸附力作用較低，牛筋草根-土界面的黏聚力在根系提高土壤抗剪強度時作用不大，這與田佳等［15］的研究結果類似。但是，牛筋草根-土界面的摩擦系數和抗拔摩阻特性均高于馬唐和稗草。這可能是因為根系表面凹凸度越大，其與土壤顆粒接觸面積就越大，從而根-土界面間的摩擦系數增大。由此可得出牛筋草根系凹凸度相對較大是其根-土界面摩擦系數高于1 且大于其他兩種草本根-土界面的原因之一，但還需要進一步進行驗證。

此外，馬唐、稗草和牛筋草根-土界面的抗剪強度和垂直荷載的關系均服從土力學經典理論的莫爾-庫倫準則（Mohr-Coulomb），這一研究結果也得到了不少研究學者的證實［27-28］。這表明隨著垂直荷載的增大，土壤顆粒間的間距受到擠壓而減小，草本根系與土體之間接觸更加緊密，則根-土界面間的摩擦阻力和抗剪強度也隨之增大，此時根系固土效果增加。其中，在相同的垂直荷載條件和土壤含水率條件下，牛筋草根-土界面抗剪強度及抵抗變形能力顯著高于馬唐和稗草。

綜上可知，在埂坎上生存的草本植物中，牛筋草表現出較好的適應性，能夠更好地發揮自身的抗拉能力，增大其對土壤的固結能力，從而達到維持埂坎穩定性的效果，建議將牛筋草作為維護紫色土埂坎穩定性的關鍵草本。還需要說明的是，根-土界面摩阻特性除了與土壤含水率和草本根系類型有關外，還受土壤干密度、根系數量、根系直徑以及根系生長期影響［21，29］。因此在后續研究中，還應針對紫色土埂坎的草本根-土界面的摩阻特性做進一步分析研究，以便加強埂坎穩定性的生態防護工作。

4 結論

1）在試驗土壤含水率條件下，紫色土埂坎3 種草本根-土界面直剪摩阻特性與土壤含水率顯著相關（P<0.05）。隨土壤含水率的增加，根-土界面黏聚力均呈先減小后增大的變化趨勢，而摩擦系數呈先增加后減小變化趨勢，且均符合二次多項式函數關系。其中，當含水率在15%~20%時，根-土界面黏聚力達到最小值，摩擦系數達到最大值。

2）土壤含水率對草本根-土界面抗拔摩阻特性影響顯著（P<0.05）。隨著土壤含水率的增加，根-土界面最大抗拔力和抗拔強度整體上呈先增大后減小的趨勢。根-土界面抗拔力與滑動位移變化趨勢基本一致，抗拔力在抗拔試驗初期波動增加并迅速達到最大值，然后波動減小并趨于穩定。

3）草本根-土界面間抗剪強度和垂直荷載的關系服從莫爾-庫倫準則。在較高土壤含水率（20%~25%）下，草本根-土界面間抗拔力較大。牛筋草根-土界面平均最大抗拔力和抗拔強度分別是馬唐的1.18 和1.30倍，稗草的1.14 和1.10 倍。整體而言，牛筋草根-土界面摩阻強于馬唐和稗草。