張喬艷，唐麗霞，冉 潔，譚瑋頤

(1.貴州大學 林學院，貴陽 550025； 2.貴州省國有扎佐林場，貴陽 550299)

1 研究背景

有關植物根系固土護坡的研究多集中在兩個方面，一是根系力學特性，二是根-土相互作用機制。對于根系力學特性的研究多集中在根徑、樹種[1]、化學組成[2-4]、根截面微觀特性[5-7]、根系含水率[8]、拉伸速率[9]等方面，測定根系的力學特性來評估根系固土效果[10]。但根-土間相互作用包括根-土復合體的抗剪特性、根系構型的變化及其與土壤的相互作用[11]、根-土界面摩擦特性和根土面積比RAR的變化[12]等。當土體發(fā)生變形時，根系的存在將有效提高抗剪強度[13]，這是根-土界面產(chǎn)生的摩擦力調(diào)動根系的抗拉強度來增強根-土復合體強度的結(jié)果[14-15]，因此，研究根-土界面摩阻特性有助于揭示根系固土護坡機制[16]。

根-土間摩擦是由黏結(jié)型摩擦力、非黏結(jié)型摩擦力以及剪切型摩擦力綜合作用的結(jié)果[17-18]。黏結(jié)型摩擦力與土壤理化性質(zhì)關系較大，而剪切型摩擦在抵抗土體變形時能調(diào)動根系抗拉強度來增強根-土復合體的抗剪強度。劉亞斌等[19]研究表明，灌木檸條錦雞兒的主根主要提供根-土間靜摩擦；而土壤含水率的增加會降低根-土界面的摩擦系數(shù)[20]。此外，根徑、埋置深度、加載速率均會對根-土摩擦特性產(chǎn)生影響[21-23]。為了揭示這一內(nèi)因，劉亞斌等[19，24]通過掃描電鏡從微觀的角度計算了根皮的粗糙度，闡釋了不同植物根系不同根徑摩擦性能產(chǎn)生差異的內(nèi)因在于根皮的凹槽和凸起數(shù)目及長度比和寬度比的不同。邢會文等[25]研究亦表明，根系表皮凹凸度增大，會增加根系與土體的接觸面積，使得根-土間的摩擦力增大。田佳等[26]進一步證實了根-土摩擦角的大小取決于根皮的凹凸度。

以上研究集中在：①以電子顯微鏡為基礎獲取根橫截面特征，基于ArcGIS軟件進行勾繪，計算其根皮凹凸度；②以不同根徑、樹種、土壤粒徑及其含水率為影響因素研究根-土界面的摩阻特征。以上研究填補了根系固土護坡中根-土界面摩阻特性的空白，為后續(xù)研究提供了一定的理論指導，但依然存在以下不足：①對于根截面凹凸度的提取較為粗糙，電子顯微鏡無法精準獲取根截面微觀形貌；②未將根-土界面摩阻進行系統(tǒng)的研究，形成宏觀辨識→微觀定量→實驗論證體系。鑒于此，本文以喀斯特地區(qū)常見固土護坡樹種多花木藍和雙莢決明根系為研究對象，通過根皮宏觀特征的描述、結(jié)合電鏡掃描對根截面凹凸度的定量，再通過直剪摩擦試驗進一步論證，以期解析根系的固土護坡力學機理。

2 研究方法

2.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)域位于貴州省貴陽市花溪區(qū)，地理位置為26°27′11″N、106°39′3″E，海拔1 130 m，屬于亞熱帶濕潤氣候。該區(qū)年均降雨量約1 200 mm，雨季集中在5—10月份；年均氣溫15.3 ℃，陰天多，日照少，年平均日照時數(shù)1 164.9 h，無霜期301 d，年均相對濕度為77%。該區(qū)域平均土層厚度約 6 cm，基巖裸露率約45%[4]。

2.2 根系樣品采集與制備

選取邊坡(坡度23°)撒種生長4 a、地徑約2 cm、長勢一致的多花木藍和雙莢決明。采用全挖法各挖掘10株，選取生長正常、無病蟲害的根系清洗干凈，汲取根表皮多余水分后立即開展試驗，當日未完成試樣于4 ℃冰箱保鮮，并在7 d內(nèi)完成測試。

2.3 土壤樣品采集與制備

將挖掘根系產(chǎn)生的土壤，去除土壤表面雜質(zhì)(枯枝落葉等)裝袋并帶回實驗室，風干并研磨過2 mm 篩，裝袋密封保存。采用pH計測定土壤pH值為7.4，液限為56.3 %，塑限為30.49 %。

2.4 根皮微觀特征辨識

為直觀辨識多花木藍和雙莢決明根皮凹凸特征，將1～5 mm根徑的根剝皮后，于體視鏡下放大20倍至清晰，以獲取根皮凹凸表觀圖片，每個徑級取3次重復，選取具有代表性的圖片進行分析。

2.5 根皮凹凸度的測定

參照邢會文[20]和夏振堯等[27]試驗方法，將根系分為5級，即1(1±0.5 mm)、2(2±0.5 mm)、3(3±0.5 mm)、4(4±0.5 mm)、5(5±0.5 mm)。具體操作已另文發(fā)表[28]。采用S-3400 N電鏡進行掃描，獲取根系橫截面SEM圖。采用ArcGIS軟件對其進行勾繪，參照公式(1)計算根截面凹凸度。

(1)

2.6 根-土界面摩擦試驗方法

2.6.1 不同含水率土壤的制備

根據(jù)野外測定的土壤含水率在11.2 % ～22.4 %，故而設定4個含水率梯度10.8 %、14.3 %、18.2 %、23.1 %。按照《土工試驗方法標準》(GB/T 50123—1999)制備試樣，通過式(2)計算所需水的質(zhì)量，用噴霧裝置均勻噴灑混勻后蓋緊，靜置一晝夜備用。

(2)

式中：mw為制備試樣所需水的質(zhì)量(g)；m0為風干土質(zhì)量(g)；w0為風干土含水率(%)；w1為配制目標含水率(%)。

2.6.2 根-土摩擦試驗

參照試驗儀器(ZJ型應變式直剪儀(四聯(lián)剪))透水石尺寸(直徑×高)為61.8 mm×20 mm，試樣截面積為2 998 mm2，裁制大小相同的木塊，用于粘貼根皮。為了減小誤差，僅選取根徑3、4、5 mm進行摩擦試驗。本試驗取56 g根皮倒于四聯(lián)剪的上盒，撫平土壤，蓋上直剪儀上盒。根皮處理及放置如圖1所示。

圖1 根-土界面摩擦試驗Fig.1 Frictional test on root-soil interface

3 研究結(jié)果

3.1 多花木藍和雙莢決明根系根皮微觀特征

植物根系發(fā)揮固土護坡作用，不僅取決于根系的力學特性，還取決于根-土界面摩擦形成“鋼筋混凝土”的效果[29]。由表1可知，對于多花木藍，根徑1～2 mm時，根表皮較為光滑，隨根徑的增大，根表皮出現(xiàn)溝壑和凸起，根徑5 mm時根表皮凸起明顯。對于雙莢決明，根系根皮總體呈黑褐色，隨根徑的增大，顏色進一步加深。根徑較小時，根表皮有較小的凹槽；隨根徑的增加，凹槽逐漸變大，根表皮呈現(xiàn)柵格型溝壑。值得注意的是，隨根徑的增大，多花木藍根表皮特征以溝壑型為主，且溝壑逐漸加寬變深。而雙莢決明根皮特征總體呈柵格狀，隨根徑的增大，柵格進一步被放大。

表1 多花木藍和雙莢決明不同根徑下根表皮特征Table 1 Characteristics of root skin of Indigofera amblyantha and Cassia bicapsularis of varying diameter

3.2 多花木藍和雙莢決明根皮凹凸度

為定量分析根系表面粗糙程度，采用根系表面粗糙程度的評價指標——凹凸度進一步表征。

由表2可知，對于多花木藍，根皮凹凸度隨根徑的增加呈線性增加，相關系數(shù)高達0.996 5。根徑1 mm 時，根皮凹凸度為0.26；根徑5 mm時，根皮凹凸度是根徑1 mm的1.85倍。

表2 多花木藍、雙莢決明根皮凹凸度特征Table 2 Roughness feature of root skin of Indigofera amblyantha and Cassia bicapsularis

對于雙莢決明，根徑1 mm時，根皮凹凸度僅為0.24，而根徑增大至5 mm時，凹凸度高達0.66，是1 mm 根徑的2.75倍；且凹凸度與根徑間呈指數(shù)函數(shù)增加(R2=0.926 1)。

綜上可知，在宏觀視角上，隨根徑的增大，根表皮凹槽和凸起增多，在一定程度上對根皮-土摩擦產(chǎn)生較大的影響。由表2可知，根皮特征呈縱向溝壑型(多花木藍)時，根表皮與根系接觸較為緊密，起伏較小。而根皮呈柵格型(雙莢決明)時，根表皮出現(xiàn)較大凹槽，這是多花木藍根皮凹凸度小于雙莢決明的原因之一。值得注意的是，根徑3 mm時，多花木藍表皮凹凸度高達0.37，這與夏振堯等[27]研究多花木藍根系(根徑3 mm)的最大凹凸度(5.17 %)差異較大；且較之沙地柏最大凹凸度(20.9 %)、沙柳最大凹凸度(18.5 %)相差較大[20]。原因可能在于：①根截面表觀形貌獲取存在差異，本文通過日立SN-4300型掃描電子顯微鏡獲取根皮的凹凸特征，而上述研究基于電子顯微鏡獲取圖片進行提取，而電子顯微鏡因其成像為二維而掃描電鏡成像為三維，使得電子顯微鏡下根皮更為微觀的凹凸特征未能完全獲取。②植物不同、生境不一致也是導致差異的原因，該研究區(qū)域?qū)儆诳λ固氐貐^(qū)，屬于土石混合堆積邊坡，這一生境使得根皮產(chǎn)生部分凸起，在一定程度增大了根皮凹凸度。

3.3 不同根徑下多花木藍和雙莢決明根-土摩擦性能

鑒于研究區(qū)屬于喀斯特石漠化區(qū)，區(qū)域內(nèi)土層淺薄，且石灰土黏性較小。為使研究結(jié)果更切合貴州邊坡修復與治理，結(jié)合野外測定結(jié)果(土壤平均含水率為14.3%)，選取法向壓力100 kPa和含水率14.3%，定量研究不同根徑(凹凸度)下根-土界面摩擦特性。

由圖2可知，多花木藍和雙莢決明摩擦強度均隨根徑增大而增加，其中雙莢決明根-土摩擦強度顯著大于多花木藍。這是因為根皮裂紋呈柵格形時，其根表皮出現(xiàn)凹槽較大，凹凸度也較大，這更有利于與土壤的膠結(jié)，從而增加根-土摩擦強度。

圖2 多花木藍和雙莢決明根系根徑對根-土摩擦特性的影響Fig.2 Effect of root diameter on frictional characteristics of root-soil interface of Indigofera amblyantha and Cassia bicapsularis

綜上所述，根徑的增加，根皮微觀特征發(fā)生變化，根皮凹凸度增大，根-土界面摩擦強度增大，其實質(zhì)是根-土接觸面積的增加。這是因為根-土界面摩擦強度的大小主要取決于：①根皮特征差異導致根-土膠結(jié)的差異；②根-土界面實質(zhì)接觸面積的大小。

4 結(jié) 論

(1)多花木藍根表皮形成溝壑型凸起，隨根徑的增大，溝壑逐漸加寬變深。而雙莢決明根表皮特征則呈柵格狀，隨根徑的增大，柵格逐漸變大。

(2)隨根徑的增加，根表皮凹凸度逐漸增大，根徑由1 mm增加到5 mm時，多花木藍根皮凹凸度從0.26增加到0.48，雙莢決明從0.24增加到0.66，從數(shù)值上看，雙莢決明根皮凹凸度大于多花木藍，表明柵格型根皮優(yōu)于溝壑型。

(3)根皮呈格柵形的雙莢決明摩擦強度優(yōu)于根皮呈溝壑型的多花木藍，即根表皮凹起和凹槽越明顯，凹凸度越大，進一步根-土接觸面積越大，使得根-土摩擦強度越大。