植被根系對(duì)土體水力學(xué)特性影響的現(xiàn)狀與定量分析

楊幾 肖濤 孫靚 史亞瑞 李萍

收稿日期：2023-09-10

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金青年項(xiàng)目（42007251）。

第一作者：楊幾，男，從事生態(tài)巖土工程方面研究，yj811011@163.com。

通信作者：李萍，女，副教授，從事非飽和土力學(xué)研究，20175080@nwu.edu.cn。

摘要? 在全球氣候變暖和“雙碳”戰(zhàn)略的背景下，植被護(hù)坡成為一種潛在的碳負(fù)排放邊坡加固和侵蝕控制手段。植被根系的發(fā)育可以改變土體結(jié)構(gòu)和水力學(xué)特性，進(jìn)而影響邊坡的穩(wěn)定性。雖然一些試驗(yàn)研究已經(jīng)探討了特定條件下植被對(duì)土體水力學(xué)特性的影響，但是對(duì)于植被根系改變土體水力學(xué)特性的一般規(guī)律尚不清楚。該文從植被蒸騰作用、根系物理作用以及根系生物化學(xué)作用3個(gè)方面入手，收集并梳理了近年來國內(nèi)外相關(guān)研究，分析并總結(jié)了植被根系改變土體水力學(xué)特性的作用機(jī)理，且對(duì)已有試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析。指出植被根系對(duì)土體水力學(xué)特性的改變?nèi)Q于植被蒸騰、根系物理作用和根系生物化學(xué)作用三者的相對(duì)貢獻(xiàn)，同時(shí)受根系類型、土體類型及生長階段等因素的影響。因此，植被根系對(duì)土體水力學(xué)特性的影響十分復(fù)雜，更全面廣泛的研究對(duì)于揭示植被護(hù)坡機(jī)理是亟需的。最后，探討了植被根系影響土體水力學(xué)特性的研究空白和未來趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞? 植被根系;SWRC;滲透系數(shù);土體吸力;蒸騰作用

中圖分類號(hào)： TU43? DOI：10.16152/j.cnki.xdxbzr.2024-01-007

Current state and quantitative analysis of the effects of vegetationroots on the soil hydraulic characteristics

YANG Ji， XIAO Tao， SUN Liang， SHI Yarui， LI Ping

（State Key Laboratory of Continental Dynamics， Department of Geology， Northwest University， Xian 710069， China）

Abstract? Under the background of global warming and “carbon peaking and carbon neutrality” strategy， vegetation slope protection has become a potential means to reinforce the slope of negative carbon emission and errosion control. The development of vegetation roots can change the soil structure and hydraulic characteristics， and then affect the stability of slope. Although some experimental studies have explored the effects of vegetation on soil hydraulic characteristics under specific conditions， the general law that vegetation roots change soil hydraulic characteristics under different conditions is not clear.In this paper， the research on vegetation transpiration， root physical function and root biochemical function are collected and reviewed， the mechanism of the effect of vegetation roots on soil hydraulic characteristics is analyzed and summarized， and the available experimental data are statistically analyzed. It is pointed out that the change of hydraulic characteristics of soil by vegetation roots depends on the relative contributions of transpiration， physical and biochemical processes of roots， at the same time by the root type， soil type and growth stage and other factors. Therefore， the effect of vegetation roots on soil hydraulic characteristics is very complex， and more comprehensive and extensive researches are needed to reveal the mechanism of vegetation slope protection. Finally， the blank and future research trend of the effect of vegetation roots on soil hydraulic characteristics are discussed.

Keywords? vegetation roots; SWRC; hydraulic conductivity; soil suction; plant transpiration

土體水力學(xué)特性在土壤-植物-大氣連續(xù)體物質(zhì)循環(huán)（如水循環(huán)和碳循環(huán)）過程有著至關(guān)重要的作用。它不僅控制著土中水的運(yùn)移，而且影響徑流的形成［1］。影響土體水力學(xué)特性的因素有很多，如土體結(jié)構(gòu)（粒徑組成、孔徑分布、有機(jī)質(zhì)含量等）、人類活動(dòng)（農(nóng)業(yè)實(shí)踐和工程擾動(dòng)）、季節(jié)變化和植被覆蓋等［2-3］。其中，植被根系可以通過各種物理、化學(xué)和生物作用改變土體結(jié)構(gòu)，進(jìn)而改變土體的水力學(xué)特性。然而，植被根系對(duì)土體水力學(xué)特性的改變并非單純地增強(qiáng)或減弱，這取決于植物類型、土體結(jié)構(gòu)、土壤環(huán)境和大氣環(huán)境等因素［4-5］。盡管目前大部分工程邊坡和垃圾填埋場(chǎng)覆蓋層都通過種植植被以達(dá)到美化環(huán)境、恢復(fù)生態(tài)以及提高土體穩(wěn)定性的目的［6-7］，然而，植被根系對(duì)土體水力學(xué)特性和基礎(chǔ)設(shè)施穩(wěn)定性影響的研究仍然較為缺乏。已有研究報(bào)道了植被根系對(duì)土體水力學(xué)特性的影響和機(jī)理。首先，植被蒸騰作用促使根系吸水，增加土體吸力，提高土體持水能力并降低土體滲透系數(shù)［8］。植被生長過程中根系的一系列擴(kuò)張、填充土體孔隙以及穿透、包絡(luò)集粒改變了土體的孔徑分布和粒徑分布，繼而影響土體的水力學(xué)特性［9-10］。植被根系還可能通過改變土體物質(zhì)（固態(tài)或液態(tài)）成分進(jìn)而影響土體的水力學(xué)特性［11］，如根系分泌物能夠增加土體的水穩(wěn)性、影響土體的浸潤性和流體黏度等，從而影響土體的水力學(xué)特性［12］。盡管目前對(duì)特定植物類型、特定土壤和大氣環(huán)境下植被根系對(duì)土體水力學(xué)特性的暫態(tài)影響有了一些定性或定量的認(rèn)識(shí)，但是對(duì)于植被根系引起土體水力學(xué)特性變化的定量研究仍較為缺乏，這使得很多研究領(lǐng)域無法有效考慮植被根系引起的土體水力學(xué)特性變化［13］。

本文總結(jié)和分析了近年來的一些相關(guān)研究和數(shù)據(jù)，以期為水文、巖土、地質(zhì)、生態(tài)和環(huán)境等相關(guān)領(lǐng)域了解植被根系影響土體水力學(xué)特性的研究現(xiàn)狀提供便利，最后，探討了植被根系影響土體水力學(xué)特性方向的研究空白和未來方向。

1? 土體水力學(xué)特性

土體水力學(xué)特性控制土中水分運(yùn)移，包括持水特征曲線（SWRC）、飽和滲透系數(shù)（Ks）和非飽和滲透系數(shù)（K）等。SWRC是描述含水率（或飽和度）與基質(zhì)吸力（或吸力）的本構(gòu)關(guān)系，是土體中水分與土體中能量平衡狀態(tài)的定量表征。SWRC通常利用數(shù)學(xué)模型擬合有限實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)點(diǎn)得到。飽和滲透系數(shù)是表征流體通過多孔介質(zhì)難易程度的物理量，反映了多孔介質(zhì)的滲透能力，一般通過常水頭或變水頭試驗(yàn)獲得。而非飽和滲透系數(shù)與有效飽和度（或吸力、含水率）有關(guān)，描述二者的函數(shù)稱為滲透性函數(shù)。在進(jìn)行滲流分析時(shí)，SWRC和滲透性函數(shù)不可或缺，但是非飽和滲透系數(shù)的直接測(cè)量耗時(shí)費(fèi)力，因此常常通過模型預(yù)測(cè)。目前，描述SWRC和預(yù)測(cè)滲透性函數(shù)最常用的模型是Van Genuchten-Mualem模型，其表達(dá)式如下［14］，

θ（Ψ）=θr+θs-θr［1+（α（Ψ）n］m，Ψ＜0

θs，Ψ≥0（1）

K（Ψ）=KsSle［1-1-S1mem］2（2）

Se=θ-θrθs-θr（3）

式中：θs和θr是飽和含水率和殘余含水率;Ψ是吸力，單位為kPa;α（kPa-1）、m、n為擬合參數(shù);m=1-1／n（n>1）;K和Ks分別為非飽和滲透系數(shù)和飽和滲透系數(shù)，單位為m／s;Se為有效飽和度；l為土壤孔隙連通性參數(shù)。

2? 植被根系的影響機(jī)理

植被根系對(duì)土體水力學(xué)特性的影響主要體現(xiàn)在3個(gè)方面。① 植被蒸騰引起的根系吸水。一方面，根系吸水增加根周圍土體的吸力，影響土體的水力學(xué)特性;另一方面根系吸水使根系周圍土體經(jīng)歷更多的干濕循環(huán)，可能導(dǎo)致土體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，進(jìn)一步影響土體水力學(xué)特性。②植被根系的物理作用，主要是根系通過擴(kuò)張、穿透、孔隙填充和集粒包絡(luò)等方式改變土體孔徑分布和粒徑分布，致使土體水力學(xué)特性發(fā)生改變。③植被根系的生物化學(xué)作用，即植物生理活動(dòng)會(huì)影響土體的物質(zhì)成分和微生物活性，如地上莖、葉和地下根系的腐敗及根系分泌物的釋放等使土中有機(jī)物含量（SOC）發(fā)生變化，土體水力學(xué)特性隨之而改變。

2.1? 植被的蒸騰作用

土體水分蒸發(fā)蒸騰損失總量（ET）主要分為地面的物理蒸發(fā)損失（E）以及植被的蒸騰損失（T），它是陸地水循環(huán)中最大的水通量，其中植被蒸騰是主要部分［15］。已有研究表明，ET約占陸地降水量的55％～65％，其中，T占ET的60％左右［16-17］。蒸騰作用是水通過管胞或?qū)Ч苓\(yùn)輸，最終以水蒸氣的形式從植物表面進(jìn)入大氣的過程［18］。對(duì)于大部分植物而言，絕大多數(shù)水分是通過葉片表面散失的，而葉片的氣孔作為大氣與植物之間的閥門，控制著葉片內(nèi)外的碳水交換以及植物的蒸騰作用和光合作用［19］。相關(guān)報(bào)道表明，氣孔蒸騰約占總蒸騰量的90％以上，因此，氣孔的大小和數(shù)量是植物蒸騰作用強(qiáng)弱的決定性因素，氣孔蒸騰也是植物葉片蒸騰的主要形式。此外，影響植物蒸騰作用的因素還有許多，如植物類型、土體類型、光照強(qiáng)度、大氣濕度、CO2濃度等［20-22］。

植被蒸騰引起的根系吸水能夠改變土體的水力學(xué)特性［23-24］。首先，植被根系從土中吸收水分，使土體含水率降低，土體吸力隨之增加。研究結(jié)果顯示有蒸騰作用的植被土的吸力明顯大于裸土，吸力為裸土的1～8倍［25］。這意味著在相同吸力下，植被土能夠吸收更多水分，即植被蒸騰引起的根系吸水提高了土體的持水能力。另外，由于吸力增加，土體的非飽和滲透系數(shù)減小［8］。事實(shí)上，土體吸力與根系吸水速率是息息相關(guān)的。如Feddes等人提出的蒸騰還原函數(shù)（TRF）描述了蒸騰速率和土體吸力的關(guān)系，是研究土壤-植物-大氣之間水分運(yùn)移的基礎(chǔ)函數(shù)［26］。由于不同植物種類其TRF不同［27］，因此，在使用植被進(jìn)行護(hù)坡或保水時(shí)必須考慮土壤環(huán)境和植物種類，以最大限度地發(fā)揮植被的水力加固作用［4-8］。此外，植被蒸騰使根際土經(jīng)歷更多的干濕循環(huán)，可能導(dǎo)致土體開裂，且在干旱期間，植被根系收縮，導(dǎo)致根土分離（特別是直根型根系）。再次降雨后，這種收縮難以很快恢復(fù)，則可能形成優(yōu)勢(shì)通道，促進(jìn)水分入滲［28］。簡而言之，植被根系吸水可以增加土體吸力，直接改變土體水力學(xué)特性，或通過改變土體結(jié)構(gòu)間接改變土體水力學(xué)特性［29-30］。

2.2? 植被根系的物理作用

植被根系的物理作用主要體現(xiàn)在根系對(duì)土體孔徑分布和粒徑分布的改變，從而致使土體的水力學(xué)特性發(fā)生改變［9-10］。圖1展示了根系物理作用的主要過程，包括根系穿透、根系擴(kuò)張、孔隙填充和集粒包絡(luò)等。根系擴(kuò)張指隨著植物的生長，根徑增長，引起土顆粒重新排列或壓縮周圍土體的過程，如圖1（a）所示。細(xì)根由于強(qiáng)度較低難以造成土顆粒的移動(dòng)，往往沿著已有孔隙生長，最終導(dǎo)致孔隙率的減小，即孔隙填充［10］，如圖1（b）所示。根系擴(kuò)張和孔隙填充作用主要通過改變土體孔徑分布來影響土體水力學(xué)特性，而根系穿透和集粒包絡(luò)則是通過改變集粒尺寸來改變土體水力學(xué)特性。根系穿透和集粒包絡(luò)作用能夠使顆粒（或集粒）破碎、分散或聚合，如圖1（c）和圖1（d）所示。隨著根系生長，較大的集?？赡鼙淮┩?，分散為較小的集粒，而小集粒可能在細(xì)根的包絡(luò)下聚合形成較大的集粒。

植被根系的物理作用對(duì)土體水力學(xué)特性的影響十分復(fù)雜，這與土體類型［31］、根系構(gòu)型［4］以及生長階段［13］密切相關(guān)。在粗粒土中根系填充作用較為顯著，導(dǎo)致大孔減少，通常使土體滲透性降低［31］。而在細(xì)粒土中根系穿透和包絡(luò)作用更為顯著，可能導(dǎo)致土中大孔和微孔增多［9-10］。除此之外，不同的根型對(duì)土體水力學(xué)特性的影響不同。直根型根系往往向深層土體生長， 在經(jīng)歷多次干濕循環(huán)后，根系收縮和土體開裂形成的優(yōu)勢(shì)通道會(huì)導(dǎo)致土體滲透性增加。須根型根系則大多填充土體中原有的孔隙和裂縫，使得土體滲透性降低［32］。另外，根系對(duì)土體水力學(xué)特性的影響會(huì)隨時(shí)間變化，植物在不同生長階段表現(xiàn)出不同的根系物理作用，當(dāng)根系不斷伸長、數(shù)量增多，土體水力學(xué)特性會(huì)隨根長密度（RLD）和根系生物量（RBV）的變化而變化［29］。

2.3? 植被根系的生物化學(xué)作用

植被根系的生物化學(xué)作用是通過影響土體的物質(zhì)成分和微生物活動(dòng)進(jìn)而影響土體水力學(xué)特性。植物會(huì)增加土的SOC，主要是以向土中釋放根系分泌物（如糖類、氨基酸、有機(jī)酸、磷脂和果膠型多糖等）和植物器官（根、莖、葉）衰亡分解的方式。根據(jù)Tisdall and Oades提出的集粒多級(jí)形成機(jī)理［33］可知，有機(jī)物具有膠結(jié)土顆粒的作用，且有機(jī)物為土中微生物提供必要的養(yǎng)分，促進(jìn)微生物產(chǎn)生菌絲，以形成更大、水穩(wěn)性更強(qiáng)的集粒。此外，高分子有機(jī)聚合物可與土中礦物形成礦物有機(jī)物復(fù)合體（MAOM），從而改變土體粒徑和孔徑分布，提高土體的水穩(wěn)性［32］。

值得注意的是根系分泌物，特別是黏液，是植物分泌的一種高分子量化合物、富含多糖的黏彈性凝膠，是影響根際土體物理化學(xué)性質(zhì)的主要因素之一［34-35］。目前，絕大多數(shù)的研究表明根系分泌物會(huì)增加土體的持水能力、降低土體的滲透系數(shù)［36-39］。這些研究把根系分泌物改變土體水力學(xué)特性歸因于以下4點(diǎn)：①黏液能夠吸收大量水分，飽和時(shí)甚至能達(dá)到干重的數(shù)百倍［40］，進(jìn)而增強(qiáng)土體持水能力;②根系分泌物中黏液和多糖等物質(zhì)會(huì)黏結(jié)土顆粒，改變土體粒徑和孔徑分布，增強(qiáng)土體水穩(wěn)性［41］;③根系分泌物會(huì)增加流體黏度，且影響土體的浸潤性［40］；④根系分泌物刺激土中微生物活性，微生物本身或代謝物可堵塞孔隙，即Bioclogging［42］，或黏結(jié)土顆粒。然而也有一些研究認(rèn)為根系分泌物會(huì)降低土體的持水能力［43-45］，他們把這種負(fù)面作用歸因于根系分泌物中的卵磷脂等脂質(zhì)充當(dāng)了表面活性劑，降低了彎液面的表面張力。但是隨著土體基質(zhì)吸力的增大，這種表面活性劑的作用會(huì)隨之降低。因此，植被根系的生物化學(xué)作用對(duì)土體水力學(xué)特性的影響可能需要考慮有機(jī)物的物質(zhì)成分、官能團(tuán)種類、有機(jī)物之間的相互作用等。

3? 植被根系影響的定量分析

如前所述，植被根系對(duì)土體水力學(xué)特性的影響是復(fù)雜多變的，不僅有植被蒸騰作用，還有根系的物理作用與生物化學(xué)作用。附表1總結(jié)了部分相關(guān)研究，著重考慮了根系構(gòu)型、土體類型以及植物年齡3個(gè)影響因素，統(tǒng)計(jì)分析了相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)。將砂粒含量大于50％的土劃分為粗粒土，小于50％的則為細(xì)粒土［46］。根系構(gòu)型分為直根型和須根型，大多數(shù)雙子葉植物如喬木、灌木以及大豆等作物均屬于直根型根系，而單子葉植物如大多數(shù)草本以及小麥等作物屬于須根型根系。通過VG模型〔式（1）〕擬合SWRC數(shù)據(jù)得出θs、α、n這3個(gè)參數(shù)。

3.1? 植被根系對(duì)SWRC的影響

圖2（a）～（c）分別展示了θs、α、n在考慮植物作用后其值的相對(duì)變化〔（植被土的值-裸土的值）／裸土的值×100％〕。從圖2（a）可以看出，無論是直根型還是須根型，粗粒土和細(xì)粒土中θs相對(duì)變化的平均值都大于0，這意味著在所選擇案例中根系造成的孔隙形成（pore-forming）作用較孔隙堵塞（pore-clogging）作用顯著得多。這與Lu等人［29］和Leung等人［47］得出的結(jié)論一致。另外，植被土θs的增加也與根系限制因土體收縮而導(dǎo)致的孔隙損失有關(guān)。對(duì)于粗粒土中的直根型，所有案例中θs的相對(duì)變化都大于0，也就意味著植被根系使得土體孔隙體積增大。如前所述，很可能是因?yàn)橹备透档氖湛s以及腐敗導(dǎo)致大孔隙的形成，從而提高了土體孔隙率和θs。Bodner等人的研究表明，根系生長到一定密度后，密集的須根使大孔隙率增加了約16％，而直根型由于其較大的粗根比例使大孔隙率增加了近30％［48］。因此，相較于須根型對(duì)θs的增加（5％），直根型對(duì)θs的增加程度更高（7％）。另外，粗粒土中θs增加了約6％，且只有3組數(shù)據(jù)表現(xiàn)為減小，而細(xì)粒土中θs增加了5％，有8組數(shù)據(jù)呈現(xiàn)出減小的趨勢(shì)。因此，總的來說，粗粒土中直根型根系能夠增加土體的θs。

參數(shù)α與土體的進(jìn)氣值密切相關(guān)，α越小則進(jìn)氣值越大，能夠反映土體的持水能力［29］。從圖2（b）中可以看出，考慮植被根系的影響時(shí)，絕大多數(shù)α表現(xiàn)為減小，但在不同根系構(gòu)型和土體類型中減小的程度不同。直根型和須根型根系使細(xì)粒土的α平均下降了40％和32％，在粗粒土中則下降了24％和36％。α減?。催M(jìn)氣值增大）的原因可能是：①根系的填充作用減小了土體的平均孔隙;②根系分泌物的強(qiáng)親水性和膨脹使得孔隙體積減小。圖2（b）中，B和D的α增加案例分別為5例和7例，A和C的則分別為1例和2例。也就是說不考慮根系類型時(shí)，粗粒土中根系使α降低的可能性更大。這是因?yàn)榇至Ｍ恋拇罂紫遁^多，根系的生長減少了大孔隙，使得土體的平均孔徑減小，從而進(jìn)氣值增大。而對(duì)于細(xì)粒土，由于植被蒸騰吸水會(huì)使土中產(chǎn)生裂縫，從而增加了土體的平均孔徑，導(dǎo)致進(jìn)氣值減少［30］。不同根系類型對(duì)α值的影響也不同。有研究表明，粗根和細(xì)根生長到一定根系密度后會(huì)表現(xiàn)出對(duì)孔隙改變的不同效應(yīng)［48］。相較于直根型，粗粒土中的須根型使得α值的下降幅度最大，原因是根系的填充使大孔隙向中小孔隙轉(zhuǎn)化。

參數(shù)n對(duì)應(yīng)SWRC過渡段的斜率，與孔徑分布密切相關(guān)，n值越小意味著孔徑分布較廣，n越大則土體孔徑更均一［49］。從圖2（c）可以看出，考慮根系作用時(shí)，除了B的n值增加了81％之外，A、C、D的n值均表現(xiàn)為減小，分別減小了8％、7％和12％。B中n值的增加可能是因?yàn)楦滴l(fā)干濕循環(huán)和直根型根系收縮導(dǎo)致的大孔隙增加，使細(xì)粒土中孔徑分布趨于均勻。而根系穿透、擴(kuò)張和包絡(luò)等物理作用以及生物化學(xué)作用使得土體的孔徑分布更廣，導(dǎo)致A、C、D的n值減小。多位學(xué)者觀察到植被導(dǎo)致土中孔隙各向異性的增加［8，47，50］，這都合理解釋了n值的減小。

3.2? 植被根系對(duì)飽和滲透系數(shù)的影響

Ks控制著降雨入滲量以及地表徑流量，是水文模型中的關(guān)鍵參數(shù)。Ks的相對(duì)變化為-93％～1 425％之間，如圖3所示，除了C之外，A、B和D的Ks均增加，增加幅度最大的為B。在植被根系作用下，15組數(shù)據(jù)中有11組的Ks增加。Ks增加一方面是因?yàn)檎趄v吸水引起干濕循環(huán)和根系收縮形成了優(yōu)勢(shì)通道，另一方面則是根系包絡(luò)以及有機(jī)質(zhì)促進(jìn)土顆粒聚集形成集粒，集粒間孔隙也為水分快速遷移提供了通道。須根型粗粒土中Ks減小則是根系的填充使土體中大孔隙減小、連通性降低造成的，其次可能與根系分泌物的高黏度和生物堵塞有關(guān)。與須根型相比，直根型根系對(duì)Ks的增加更為明顯。這是因?yàn)橹备透的軌驅(qū)е赂蟮目紫堵?。另外，?xì)粒土中Ks增加更明顯，這是因?yàn)榧?xì)粒土中根系的孔隙形成作用勝過孔隙填充作用，導(dǎo)致了Ks的增加。

此外，植被在不同生長階段對(duì)土體滲透性的影響是不同的。如圖4所示，Ks隨植物生長年齡表現(xiàn)出不同的變化，其中，圖4（b）、 （c）、（f）中Ks隨RLD逐漸增大。這可以歸因于根系生長初期以蒸騰吸水引起干濕循環(huán)和根系收縮形成優(yōu)勢(shì)通道為主，而隨著樹齡的增加，根系腐敗形成的大孔隙和有機(jī)質(zhì)積累形成的集粒粒間孔隙發(fā)揮了主要作用，從而致使土體滲透性增加。然而RLD的增加并不總是意味著Ks的增加，它與根系構(gòu)型和土體類型有關(guān)。圖4（a）、（h）中Ks隨RLD和RBV表現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)，其中，圖4（a）為直根型粗粒土，圖4（h）為須根型細(xì)粒土。前期Ks增大的原因與第1種情況類似，而當(dāng)RLD和RBV增加到某一個(gè)閾值時(shí)，Ks轉(zhuǎn)而減小［30，51］。與第1種情況不同的原因是某些構(gòu)型的根系會(huì)在原先穿透留下的孔隙通道以及包絡(luò)形成的粒間孔隙生長，優(yōu)勢(shì)通道轉(zhuǎn)變?yōu)榭紫抖氯璧K了水分的流動(dòng)〔見圖1（c）和（d）〕。

另一種情況是Ks隨RLD和RBV表現(xiàn)出先減小后增大的趨勢(shì)〔如圖4（d）、（e）、（i）〕。出現(xiàn)這種趨勢(shì)主要是因?yàn)閳D4（d）、（e）、（i）均為粗粒土，并且所研究的植被根系較細(xì)，在早期生長階段以孔隙堵塞作用為主，然而隨著植被生長，根系的孔隙堵塞作用由于可供填充的孔隙變少而減弱，根系收縮和腐敗逐漸占主導(dǎo)地位。另外，由于生長時(shí)間長，土壤中有機(jī)物積累，微生物活性高，這些作用可以形成更穩(wěn)定、復(fù)雜的土壤結(jié)構(gòu)［11］。圖4（g）中Ks隨RBV持續(xù)降低，可能是由于含礫砂土本身孔隙較大，且植物根系為須根型，進(jìn)而以孔隙填充作用為主。另外，根系分泌物導(dǎo)致的液相黏度增加也阻礙了水分的遷移。綜上所述，這些復(fù)雜的變化都表明了植被對(duì)土體Ks的改變是植物蒸騰吸水、根系物理化學(xué)作用、根土相互作用等多方面綜合作用的結(jié)果，因此，總結(jié)植被根系對(duì)土體水力學(xué)特性影響的一般規(guī)律仍然比較困難。

3.3? 植被根系對(duì)非飽和滲透系數(shù)的影響

通常植被根系的生長區(qū)域處于包氣帶上部，包氣帶土體處于部分飽和或非飽和狀態(tài)，因此，研究根系對(duì)非飽和滲透系數(shù)（K）的影響是十分有必要的［55］。許多研究表明，植物的生長能夠提高相同吸力水平下土體的K（如附表1中案例1、4、5、 7、 11、 13）。但是，也有研究表明根系的存在會(huì)減小相同吸力水平下的K（如附表1中案例3、23、38）。還有研究表明根系主要影響低吸力水平（0～30 kPa）的K［30，56］。因此，為了探究植物生長對(duì)K的影響，需要考慮根系構(gòu)型、土體類型和吸力大小等因素。由于K隨著吸力的增大而減小，并且大部分研究只測(cè)定了低吸力下的K，如圖5所示。因此，我們只考慮低吸力范圍內(nèi)K的相對(duì)變化。如圖5（b）、（f）所示，相比于裸土，K由于直根型根系的生長而增加，即根系吸水雖然導(dǎo)致了土體吸力增加，但根系收縮和土體開裂形成的優(yōu)勢(shì)通道，以及根系一系列物理、生物化學(xué)作用產(chǎn)生的大孔隙為滲流提供了通道。而須根型根系通常導(dǎo)致K的降低〔見圖5（c）、（d）、（e）〕，但在須根型-粗粒土中〔見圖5（a）〕，K增加可能由于細(xì)根的迅速腐?。?7］。

須根型根系使得土體K值降低，如圖5（c）和5（d）所示，與Ks的變化一致〔見圖4（g）〕，是須根型根系造成的孔隙填充和根系分泌物導(dǎo)致的孔隙液體黏度增加占主導(dǎo)地位的結(jié)果。同時(shí)，這種變化也與植物年齡有關(guān)，樹齡越大，K下降的幅度越大〔見圖5（c）、（d）〕，這可能是因?yàn)橥寥澜Y(jié)構(gòu)復(fù)雜化導(dǎo)致滲流路徑增長。圖5（e）與之前分析不同的原因主要是相較于裸土，須根型根系顯著限制了細(xì)粒土的開裂，導(dǎo)致K減小。除了土體類型影響外，直根型和須根型根系導(dǎo)致細(xì)粒土K值的變化也表現(xiàn)出相反趨勢(shì)〔見圖5（e）、（f）〕。由此可見，正是植被的蒸騰、根系的物理化學(xué)作用和吸力等因素的相互作用以及不同的土體類型、植被類型導(dǎo)致了K值的復(fù)雜變化。

4? 結(jié)論與展望

本文對(duì)近年來植被根系對(duì)土體水力學(xué)特性影響的相關(guān)研究和數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，總結(jié)了植被根系的作用機(jī)理，主要包括：植被蒸騰吸水；根系穿透、根系擴(kuò)張、孔隙填充和集粒包絡(luò)等根系物理作用；根系腐爛、根系分泌物等導(dǎo)致土體有機(jī)質(zhì)含量變化的根系生物化學(xué)作用。通過統(tǒng)計(jì)已有試驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)直根型根系易通過根系穿透、擴(kuò)張產(chǎn)生更多的大孔隙，且根系收縮或衰亡后產(chǎn)生較大的孔隙通道，這些都會(huì)導(dǎo)致θs、α和Ks增加。而須根型根系在不同土體類型和生長階段有不同的作用。在粗粒土中，生長初期根系以孔隙填充和集粒包絡(luò)作用為主，導(dǎo)致θs、α和Ks的降低;隨著根系密度的增加，根系填充作用減弱，根系穿透、擴(kuò)張導(dǎo)致的孔隙形成作用顯著，導(dǎo)致了θs增加，Ks和α減小。而在細(xì)粒土中，細(xì)根擴(kuò)大土體中已存在的中小孔，同時(shí)沿著已有孔隙生長產(chǎn)生連續(xù)通道，使得土體的θs和Ks增加。另外，對(duì)于滲透性，直根型根系的增強(qiáng)作用比須根型根系顯著，且在細(xì)粒土中尤為明顯。隨著植物的生長，Ks在不同生長階段表現(xiàn)出不同的變化趨勢(shì)。由此可見，這種由植被根系引起的土體水力學(xué)特性復(fù)雜變化主要依賴于植被蒸騰、植被根系物理作用和植被根系生物化學(xué)作用三者的相對(duì)貢獻(xiàn)，同時(shí)，受根系類型、土體類型及生長階段等因素的影響。

目前為止，植被根系對(duì)土體水力學(xué)特性影響的相關(guān)研究和數(shù)據(jù)有限，致使難以得出植被根系影響的一般規(guī)律。同時(shí)，考慮到不同條件下根系發(fā)育不同，有必要在不同條件下開展全面的試驗(yàn)研究，以確定不同變量在改變土體水力學(xué)特性中的作用。因此，需要大量的試驗(yàn)研究以獲取各種土體類型和植物類型的相關(guān)數(shù)據(jù)。其次，文中所探究的機(jī)理是從微觀上理解植物對(duì)土體水力學(xué)特性的不同影響，其中一些作用可能是相互促進(jìn)的，如植被蒸騰作用、孔隙填充和集粒包絡(luò)作用，也可能是相互矛盾的，如根系穿透和孔隙填充以及根系分泌物的作用。因此，土體的水力學(xué)特性（SWRC、Ks和K）究竟表現(xiàn)出增加或減小以及各種作用對(duì)土體水力學(xué)特性改變的相對(duì)貢獻(xiàn)目前仍不可知。定量植被蒸騰作用、根-土相互作用對(duì)于植被護(hù)坡以及水循環(huán)計(jì)算具有重要意義。另外，土體的水力學(xué)特性具有高度時(shí)間相關(guān)性。盡管目前部分研究探究了特定植物對(duì)土體水力學(xué)特性的影響，但是大多局限于某一生長年齡，并且是特定階段的監(jiān)測(cè)，對(duì)于某一種植物全生命周期的研究尚未有報(bào)道。因此，對(duì)植被土全生命周期的水力學(xué)特性監(jiān)測(cè)仍需大量開展，這對(duì)建立植物水力作用數(shù)據(jù)庫和能夠精確反應(yīng)植被作用的土體水力學(xué)模型是必要且亟需的。

參考文獻(xiàn)

［1］SHI X Q， QIN T L， YAN D H， et al. A meta-analysis on effects of root development on soil hydraulic properties ［J］. Geoderma，2021， 403：115363.

［2］GADI V K， TANG Y R， DAS A， et al. Spatial and temporal variation of hydraulic conductivity and vegetation growth in green infrastructures using infiltrometer and visual technique［J］.Catena，2017， 155： 20-29.

［3］SCHWEN A， BODNER G， SCHOLL P， et al. Temporal dynamics of soil hydraulic properties and the water-conducting porosity under different tillage［J］.Soil and? Tillage Research，2011， 113（2）： 89-98.

［4］WANG X H， MA C， WANG Y Q， et al. Effect of root architecture on rainfall threshold for slope stability： Variabilities in saturated hydraulic conductivity and strength of root-soil composite［J］.Landslides，2020， 17（8）： 1965-1977.

［5］LUO W Z， LI J H， SONG L， et al. Effects of vegetation on the hydraulic properties of soil covers： Four-years field experiments in Southern China［J］.Rhizosphere，2020， 16：100272.

［6］RAHARDJO H， SATYANAGA A， LEONG E C， et al. Performance of an instrumented slope covered with shrubs and deep-rooted grass［J］.Soils and Foundations，2014， 54（3）： 417-425.

［7］NG C W W， GUO H W， NI J J， et al. Long-term field performance of non-vegetated and vegetated three-layer landfill cover systems using construction waste without geomembrane［J/OL］.Géotechnique（Ahead of Print）.（2022-06-09）［2023-09-10］.https：∥www.icevirtuallibrary.com/doi/10.1680/jgeot.21.00238.

［8］NI J J， LEUNG A K， NG C W W. Unsaturated hydraulic properties of vegetated soil under single and mixed planting conditions［J］.Géotechnique，2019， 69（6）： 554-559.

［9］SCHOLL P， LEITNER D， KAMMERER G， et al. Root induced changes of effective 1D hydraulic properties in a soil column［J］.Plant and Soil，2014， 381（1）： 193-213.

［10］BACQ-LABREUIL A， CRAWFORD J， MOONEY S J， et al. Effects of cropping systems upon the three-dimensional architecture of soil systems are modulated by texture［J］.Geoderma，2018， 332： 73-83.

［11］YANG F， ZHANG G L， YANG J L， et al. Organic matter controls of soil water retention in an alpine grassland and its significance for hydrological processes［J］.Journal of Hydrology，2014， 519： 3086-3093.

［12］AHMED M A， KROENER E， HOLZ M， et al. Mucilage exudation facilitates root water uptake in dry soils［J］.Functional Plant Biology： FPB， 2014， 41（11）： 1129-1137.

［13］LEUNG A K， BOLDRIN D， LIANG T， et al. Plant age effects on soil infiltration rate during early plant establishment［J］.Géotechnique， 2018，68（7）：646-652.

［14］VAN GENUCHTEN M T. A closed-form equation for predicting the hydraulic conductivity of unsaturated soils［J］.Soil Science Society of America Journal，1980， 44（5）： 892-898.

［15］SCHLESINGER W H， JASECHKO S. Transpiration in the global water cycle［J］.Agricultural and Forest Meteorology，2014， 189/190： 115-117.

［16］TRENBERTH K E， SMITH L， QIAN T T， et al. Estimates of the global water budget and its annual cycle using observational and model data［J］.Journal of Hydrometeorology，2007， 8（4）： 758-769.

［17］OKI T， KANAE S. Global hydrological cycles and world water resources［J］.Science， 2006， 313（5790）： 1068-1072.

［18］XU K， GUO L， YE H. A naturally optimized mass transfer process： The stomatal transpiration of plant leaves［J］.Journal of Plant Physiology， 2019， 234/235： 138-144.

［19］LI Z K， LI X Y， ZHOU S， et al. A comprehensive review on coupled processes and mechanisms of soil-vegetation-hydrology， and recent research advances［J］.Science China Earth Sciences，2022， 65（11）： 2083-2114.

［20］GARG A.? Effects of vegetation types and characteristics on induced soil suction［D］.Hong Kong： Hong Kong University of Science and Technology，2015.

［21］NG C W W， TASNIM R， WONG J T F. Coupled effects of atmospheric CO2 concentration and nutrients on plant-induced soil suction［J］.Plant and Soil，2019， 439（1）： 393-404.

［22］LIU Q， SU L J， XIA Z Y， et al. Effects of soil properties and illumination intensities on matric suction of vegetated soil［J］.Sustainability，2019， 11（22）：6475.

［23］LEUNG A K， GARG A，? NG C W W. Effects of plant roots on soil-water retention and induced suction in vegetated soil［J］.Engineering Geology，2015， 193： 183-197.

［24］NI J J， LEUNG A K， NG C W W， et al. Investigation of plant growth and transpiration-induced matric suction under mixed grass-tree conditions［J］.Canadian Geotechnical Journal，2017， 54（4）： 561-573.

［25］NG C W W， WOON K X， LEUNG A K， et al.? Experimental investigation of induced suction distribution in a grass-covered soil［J］.Ecological Engineering， 2013， 52： 219-223.

［26］FEDDES R， KOWALIK P， ZARADNY H. Simulation of field water use and crop yield［J］.Journal of Plant Nutrition and Soil Science， 1980， 143（2）： 254-255.

［27］GARG A， COO J L，? NG C W W. Field study on influence of root characteristics on soil suction distribution in slopes vegetated with Cynodon dactylon and Schefflera heptaphylla［J］.Earth Surface Processes and? Landforms，2015，40（12）： 1631-1643.

［28］CARMINATI A， VETTERLEIN D， KOEBERNICK N， et al. Do roots mind the gap？［J］.Plant and Soil，2013， 367（1）：651-661.

［29］LU J R， ZHANG Q， WERNER A D， et al. Root-induced changes of soil hydraulic properties： A review ［J］. Journal of Hydrology，2020， 589：125203.

［30］JOTISANKASA A， SIRIRATTANACHAT T. Effects of grass roots on soil-water retention curve and permeability function［J］.Canadian Geotechnical Journal，2017，54（11）： 1612-1622.

［31］MARCACCI K M， WARREN J M， PERFECT E， et al. Influence of living grass Roots and endophytic fungal hyphae on soil hydraulic properties［J］.Rhizosphere，2022， 22：100510.

［32］SONG L， LI J H， ZHOU T， et al. Experimental study on unsaturated hydraulic properties of vegetated soil ［J］. Ecological Engineering，2017， 103： 207-216.

［33］TISDALL J M，? OADES J M. Organic matter and water-stable aggregates in soils［J］.European Journal of Soil Science，1982，33（2）： 141-163.

［34］AHMED M A， HOLZ M， WOCHE S K， et al. Effect of soil drying on mucilage exudation and its water repellency： A new method to collect mucilage［J］.Journal of Plant Nutrition and Soil Science，2015， 178（6）： 821-824.

［35］ZHANG W C， GAO W D， WHALLEY W R， et al. Physical properties of a sandy soil as affected by incubation with a synthetic root exudate： Strength， thermal and hydraulic conductivity， and evaporation［J］.European Journal of Soil Science，2021， 72（2）： 782-792.

［36］KROENER E， HOLZ M， ZAREBANADKOUKI M， et al. Effects of mucilage on rhizosphere hydraulic functions depend on soil particle size［J］.Vadose Zone Journal，2018， 17（1）： 1-11.

［37］DENG W N， HALLETT P D， JENG D S， et al. The effect of natural seed coatings of Capsella bursa-pastoris L.Medik.（shepherd′s purse） on soil-water retention， stability and hydraulic conductivity［J］.Plant and Soil，2015， 387（1/2）： 167-176.

［38］KROENER E， ZAREBANADKOUKI M， KAESTNER A， et al. Nonequilibrium water dynamics in the rhizosphere： How mucilage affects water flow in soils［J］.Water Resources Research，2014， 50（8）： 6479-6495.

［39］HAYAT F， ABDALLA M， MUNIR M U. Effect of chia seed mucilage on the rhizosphere hydraulic characteristics ［J］. Sustainability，2021， 13（6）：3303.

［40］CARMINATI A， ZAREBANADKOUKI M， KROENER E， et al. Biophysical rhizosphere processes affecting root water uptake［J］.Annals of Botany，2016， 118（4）： 561-571.

［41］BRAX M， BUCHMANN C， KENNGOTT K， et al. Influence of the physico-chemical properties of root mucilage and model substances on the microstructural stability of sand［J］.Biogeochemistry，2020，147（1）： 35-52.

［42］THULLNER M， SCHROTH M H， ZEYER J， et al. Modeling of a microbial growth experiment with bioclogging in a two-dimensional saturated porous media flow field［J］.Journal of Contaminant Hydrology，2004，70（1/2）： 37-62.

［43］DUNBABIN V M， MCDERMOTT S，? BENGOUGH A G. Upscaling from rhizosphere to whole root system： Modelling the effects of phospholipid surfactants on water and nutrient uptake［J］.Plant and Soil，2006， 283（1/2）： 57-72.

［44］READ D B， BENGOUGH A G， GREGORY P J， et al. Plant roots release phospholipid surfactants that modify the physical and chemical properties of soil［J］.New Phytologist，2003， 157（2）： 315-326.

［45］WHALLEY W R， RISELEY B， LEEDS-HARRISON P B， et al. Structural differences between bulk and rhizosphere soil［J］.European Journal of Soil Science，2005， 56（3）： 353-360.

［46］南京水利科