多花木蓝和双荚决明根-土界面摩擦特性

张乔艳，唐丽霞，冉 洁，谭玮颐

(1.贵州大学 林学院，贵阳 550025； 2.贵州省国有扎佐林场，贵阳 550299)

1 研究背景

有关植物根系固土护坡的研究多集中在两个方面，一是根系力学特性，二是根-土相互作用机制。对于根系力学特性的研究多集中在根径、树种[1]、化学组成[2-4]、根截面微观特性[5-7]、根系含水率[8]、拉伸速率[9]等方面，测定根系的力学特性来评估根系固土效果[10]。但根-土间相互作用包括根-土复合体的抗剪特性、根系构型的变化及其与土壤的相互作用[11]、根-土界面摩擦特性和根土面积比RAR的变化[12]等。当土体发生变形时，根系的存在将有效提高抗剪强度[13]，这是根-土界面产生的摩擦力调动根系的抗拉强度来增强根-土复合体强度的结果[14-15]，因此，研究根-土界面摩阻特性有助于揭示根系固土护坡机制[16]。

根-土间摩擦是由黏结型摩擦力、非黏结型摩擦力以及剪切型摩擦力综合作用的结果[17-18]。黏结型摩擦力与土壤理化性质关系较大，而剪切型摩擦在抵抗土体变形时能调动根系抗拉强度来增强根-土复合体的抗剪强度。刘亚斌等[19]研究表明，灌木柠条锦鸡儿的主根主要提供根-土间静摩擦；而土壤含水率的增加会降低根-土界面的摩擦系数[20]。此外，根径、埋置深度、加载速率均会对根-土摩擦特性产生影响[21-23]。为了揭示这一内因，刘亚斌等[19，24]通过扫描电镜从微观的角度计算了根皮的粗糙度，阐释了不同植物根系不同根径摩擦性能产生差异的内因在于根皮的凹槽和凸起数目及长度比和宽度比的不同。邢会文等[25]研究亦表明，根系表皮凹凸度增大，会增加根系与土体的接触面积，使得根-土间的摩擦力增大。田佳等[26]进一步证实了根-土摩擦角的大小取决于根皮的凹凸度。

以上研究集中在：①以电子显微镜为基础获取根横截面特征，基于ArcGIS软件进行勾绘，计算其根皮凹凸度；②以不同根径、树种、土壤粒径及其含水率为影响因素研究根-土界面的摩阻特征。以上研究填补了根系固土护坡中根-土界面摩阻特性的空白，为后续研究提供了一定的理论指导，但依然存在以下不足：①对于根截面凹凸度的提取较为粗糙，电子显微镜无法精准获取根截面微观形貌；②未将根-土界面摩阻进行系统的研究，形成宏观辨识→微观定量→实验论证体系。鉴于此，本文以喀斯特地区常见固土护坡树种多花木蓝和双荚决明根系为研究对象，通过根皮宏观特征的描述、结合电镜扫描对根截面凹凸度的定量，再通过直剪摩擦试验进一步论证，以期解析根系的固土护坡力学机理。

2 研究方法

2.1 研究区概况

研究区域位于贵州省贵阳市花溪区，地理位置为26°27′11″N、106°39′3″E，海拔1 130 m，属于亚热带湿润气候。该区年均降雨量约1 200 mm，雨季集中在5—10月份；年均气温15.3 ℃，阴天多，日照少，年平均日照时数1 164.9 h，无霜期301 d，年均相对湿度为77%。该区域平均土层厚度约 6 cm，基岩裸露率约45%[4]。

2.2 根系样品采集与制备

选取边坡(坡度23°)撒种生长4 a、地径约2 cm、长势一致的多花木蓝和双荚决明。采用全挖法各挖掘10株，选取生长正常、无病虫害的根系清洗干净，汲取根表皮多余水分后立即开展试验，当日未完成试样于4 ℃冰箱保鲜，并在7 d内完成测试。

2.3 土壤样品采集与制备

将挖掘根系产生的土壤，去除土壤表面杂质(枯枝落叶等)装袋并带回实验室，风干并研磨过2 mm 筛，装袋密封保存。采用pH计测定土壤pH值为7.4，液限为56.3 %，塑限为30.49 %。

2.4 根皮微观特征辨识

为直观辨识多花木蓝和双荚决明根皮凹凸特征，将1～5 mm根径的根剥皮后，于体视镜下放大20倍至清晰，以获取根皮凹凸表观图片，每个径级取3次重复，选取具有代表性的图片进行分析。

2.5 根皮凹凸度的测定

参照邢会文[20]和夏振尧等[27]试验方法，将根系分为5级，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)。具体操作已另文发表[28]。采用S-3400 N电镜进行扫描，获取根系横截面SEM图。采用ArcGIS软件对其进行勾绘，参照公式(1)计算根截面凹凸度。

(1)

2.6 根-土界面摩擦试验方法

2.6.1 不同含水率土壤的制备

根据野外测定的土壤含水率在11.2 % ～22.4 %，故而设定4个含水率梯度10.8 %、14.3 %、18.2 %、23.1 %。按照《土工试验方法标准》(GB/T 50123—1999)制备试样，通过式(2)计算所需水的质量，用喷雾装置均匀喷洒混匀后盖紧，静置一昼夜备用。

(2)

式中：mw为制备试样所需水的质量(g)；m0为风干土质量(g)；w0为风干土含水率(%)；w1为配制目标含水率(%)。

2.6.2 根-土摩擦试验

参照试验仪器(ZJ型应变式直剪仪(四联剪))透水石尺寸(直径×高)为61.8 mm×20 mm，试样截面积为2 998 mm2，裁制大小相同的木块，用于粘贴根皮。为了减小误差，仅选取根径3、4、5 mm进行摩擦试验。本试验取56 g根皮倒于四联剪的上盒，抚平土壤，盖上直剪仪上盒。根皮处理及放置如图1所示。

图1 根-土界面摩擦试验Fig.1 Frictional test on root-soil interface

3 研究结果

3.1 多花木蓝和双荚决明根系根皮微观特征

植物根系发挥固土护坡作用，不仅取决于根系的力学特性，还取决于根-土界面摩擦形成“钢筋混凝土”的效果[29]。由表1可知，对于多花木蓝，根径1～2 mm时，根表皮较为光滑，随根径的增大，根表皮出现沟壑和凸起，根径5 mm时根表皮凸起明显。对于双荚决明，根系根皮总体呈黑褐色，随根径的增大，颜色进一步加深。根径较小时，根表皮有较小的凹槽；随根径的增加，凹槽逐渐变大，根表皮呈现栅格型沟壑。值得注意的是，随根径的增大，多花木蓝根表皮特征以沟壑型为主，且沟壑逐渐加宽变深。而双荚决明根皮特征总体呈栅格状，随根径的增大，栅格进一步被放大。

表1 多花木蓝和双荚决明不同根径下根表皮特征Table 1 Characteristics of root skin of Indigofera amblyantha and Cassia bicapsularis of varying diameter

3.2 多花木蓝和双荚决明根皮凹凸度

为定量分析根系表面粗糙程度，采用根系表面粗糙程度的评价指标——凹凸度进一步表征。

由表2可知，对于多花木蓝，根皮凹凸度随根径的增加呈线性增加，相关系数高达0.996 5。根径1 mm 时，根皮凹凸度为0.26；根径5 mm时，根皮凹凸度是根径1 mm的1.85倍。

表2 多花木蓝、双荚决明根皮凹凸度特征Table 2 Roughness feature of root skin of Indigofera amblyantha and Cassia bicapsularis

对于双荚决明，根径1 mm时，根皮凹凸度仅为0.24，而根径增大至5 mm时，凹凸度高达0.66，是1 mm 根径的2.75倍；且凹凸度与根径间呈指数函数增加(R2=0.926 1)。

综上可知，在宏观视角上，随根径的增大，根表皮凹槽和凸起增多，在一定程度上对根皮-土摩擦产生较大的影响。由表2可知，根皮特征呈纵向沟壑型(多花木蓝)时，根表皮与根系接触较为紧密，起伏较小。而根皮呈栅格型(双荚决明)时，根表皮出现较大凹槽，这是多花木蓝根皮凹凸度小于双荚决明的原因之一。值得注意的是，根径3 mm时，多花木蓝表皮凹凸度高达0.37，这与夏振尧等[27]研究多花木蓝根系(根径3 mm)的最大凹凸度(5.17 %)差异较大；且较之沙地柏最大凹凸度(20.9 %)、沙柳最大凹凸度(18.5 %)相差较大[20]。原因可能在于：①根截面表观形貌获取存在差异，本文通过日立SN-4300型扫描电子显微镜获取根皮的凹凸特征，而上述研究基于电子显微镜获取图片进行提取，而电子显微镜因其成像为二维而扫描电镜成像为三维，使得电子显微镜下根皮更为微观的凹凸特征未能完全获取。②植物不同、生境不一致也是导致差异的原因，该研究区域属于喀斯特地区，属于土石混合堆积边坡，这一生境使得根皮产生部分凸起，在一定程度增大了根皮凹凸度。

3.3 不同根径下多花木蓝和双荚决明根-土摩擦性能

鉴于研究区属于喀斯特石漠化区，区域内土层浅薄，且石灰土黏性较小。为使研究结果更切合贵州边坡修复与治理，结合野外测定结果(土壤平均含水率为14.3%)，选取法向压力100 kPa和含水率14.3%，定量研究不同根径(凹凸度)下根-土界面摩擦特性。

由图2可知，多花木蓝和双荚决明摩擦强度均随根径增大而增加，其中双荚决明根-土摩擦强度显著大于多花木蓝。这是因为根皮裂纹呈栅格形时，其根表皮出现凹槽较大，凹凸度也较大，这更有利于与土壤的胶结，从而增加根-土摩擦强度。

图2 多花木蓝和双荚决明根系根径对根-土摩擦特性的影响Fig.2 Effect of root diameter on frictional characteristics of root-soil interface of Indigofera amblyantha and Cassia bicapsularis

综上所述，根径的增加，根皮微观特征发生变化，根皮凹凸度增大，根-土界面摩擦强度增大，其实质是根-土接触面积的增加。这是因为根-土界面摩擦强度的大小主要取决于：①根皮特征差异导致根-土胶结的差异；②根-土界面实质接触面积的大小。

4 结 论

(1)多花木蓝根表皮形成沟壑型凸起，随根径的增大，沟壑逐渐加宽变深。而双荚决明根表皮特征则呈栅格状，随根径的增大，栅格逐渐变大。

(2)随根径的增加，根表皮凹凸度逐渐增大，根径由1 mm增加到5 mm时，多花木蓝根皮凹凸度从0.26增加到0.48，双荚决明从0.24增加到0.66，从数值上看，双荚决明根皮凹凸度大于多花木蓝，表明栅格型根皮优于沟壑型。

(3)根皮呈格栅形的双荚决明摩擦强度优于根皮呈沟壑型的多花木蓝，即根表皮凹起和凹槽越明显，凹凸度越大，进一步根-土接触面积越大，使得根-土摩擦强度越大。