草本植被根系对土体水力-力学特性的影响

李文斌; 商海潮; 荆靖; 王冀鹏; 张岩

doi:10.12404/j.issn.1671-1815.2500119

科学技术与工程 ›› 2026, Vol. 26 ›› Issue (1) :95-102 DOI: 10.12404/j.issn.1671-1815.2500119

农业科学

草本植被根系对土体水力-力学特性的影响

李文斌 ¹ ,
商海潮 ¹ ,
荆靖 ² ,
王冀鹏 ¹^,^* ,
张岩 ²

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Effects of Herbaceous Vegetation Root Systems on Hydro-mechanical Properties of Soil

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摘要

草本植被因其对土壤水力-力学特性的显著调控作用,在边坡防护和生态修复中具有重要应用价值。通过降雨入渗模型试验和直剪试验,探讨了高羊茅和狗牙根两种典型草本植被根系对土壤水分、基质吸力、持水特性、非饱和渗透特性及抗剪强度的影响。结果表明,草本植被根系通过吸水作用以及占据部分土壤孔隙,显著降低了土壤的饱和含水率,同时延缓了降雨过程中土壤含水率的快速上升。降雨过程中,草本植被根系延缓了土壤基质吸力的下降过程,提高了土壤的持水能力,并降低了非饱和渗透系数。根土复合体的黏聚力随着土壤含水率增加呈先增大后减小的趋势,两种植物根土复合体的黏聚力峰值对应的临界含水率区间为16%~18%。随着含水率增加,草本植被根系对土壤内摩擦角的影响逐渐增强,裸土与含根土体间的内摩擦角差异逐渐增大。两种植物根系对于土壤水分及土体抗剪强度存在差异化的调控机制,高羊茅通过深层粗根系统增强土体湿润条件与抗剪强度,而狗牙根依托浅层细根网络在低含水率时对黏聚力提升更显著。研究揭示了草本根系构型与非饱和土体功能演化的关联机制,为生态工程设计提供了理论依据。

Abstract

Herbaceous vegetation plays a significant role in regulating soil hydro-mechanical properties, making it of great value in slope protection and ecological restoration. Through rainfall infiltration model experiments and direct shear tests, the effects of the root systems of two typical herbaceous vegetation species, Tall fescue (Festuca arundinacea) and Bermudagrass (Cynodon dactylon), on soil moisture, matric suction, water retention characteristics, unsaturated permeability characteristics, and shear strength were investigated. The results show that the root systems of herbaceous vegetation significantly reduce the soil’s saturated water content by absorbing water and occupying some of the soil pores, while also delaying the rapid increase in soil moisture during rainfall. During rainfall, the root systems of herbaceous vegetation slow down the decline of soil matrix suction, enhance water retention capacity, and reduce the unsaturated permeability coefficient. The cohesion of root-soil composites exhibited an initial increase followed by a decrease with rising soil moisture content. Specifically, peak cohesion values for both Tall fescue and Bermudagrass root-soil composites occurred within a critical moisture range of 16%~18%. As the moisture content increases, the influence of herbaceous vegetation roots on the soil’s internal friction angle strengthens, with the difference in internal friction angle between bare soil and root-soil gradually increasing. The two herbaceous species root systems exhibit differentiated regulatory mechanisms governing soil moisture dynamics and soil shear strength characteristics. Tall fescue roots enhances soil shear resistance in hydrated states through its deep coarse-root system, while Bermudagrass demonstrates superior cohesion enhancement at low moisture levels via shallow fine-root networks. This investigation elucidates the structural-functional linkages between herbaceous root system architecture and performance evolution in unsaturated soil matrices, providing a theoretical basis for ecological engineering design.

Graphical abstract

关键词

草本植被 / 降雨入渗 / 抗剪强度 / 根系 / 持水特性

Key words

herbaceous vegetation / rainfall infiltration / shear strength / root system / water retention characteristics

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李文斌, 商海潮, 荆靖, 王冀鹏, 张岩. 草本植被根系对土体水力-力学特性的影响[J]. 科学技术与工程, 2026, 26(1): 95-102 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2500119

LI Wen-bin, SHANG Hai-chao, JING Jing, WANG Ji-peng, ZHANG Yan. Effects of Herbaceous Vegetation Root Systems on Hydro-mechanical Properties of Soil[J]. Science Technology and Engineering, 2026, 26(1): 95-102 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2500119

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草本植被因其独特的生态效益和工程功能,广泛应用于边坡防护、矿山复垦、河道护岸和城市绿化等领域^[1]。其根系系统在改善土壤结构、增强抗侵蚀能力以及调节土体水力-力学特性方面发挥着不可替代的作用^[2-3]。研究表明,草本植被的根系通过调节土壤水分运移、改善入渗能力以及增强土体抗剪强度,对边坡长期稳定性、土壤侵蚀控制及水资源利用具有重要影响^[4-5]。这些作用机制与根土相互作用以及根系对土壤水分和力学特性的调控效应密切相关。鉴于草本植被在生态工程中的重要地位,深入探讨其根系对土体水力-力学特性的作用规律,不仅具有显著的理论价值,更能为生态修复及工程实践提供科学依据。

目前关于草本植被根系对土体水力特性的研究,主要集中在其对土壤含水率和饱和渗透系数的影响^[6-7]。已有研究表明,草本植被通过根系水分吸收和蒸腾作用,能够降低地表水分的滞留时间,调控土壤的水分分布^[8-9];同时,根系的存在会改变土壤孔隙结构,尤其是通过根系活动形成的孔隙网络,可以增强水分的传导能力,提高饱和渗透系数^[10]。然而,与对饱和水力参数的关注相比,非饱和状态下的研究相对薄弱。例如,土壤吸力作为非饱和土壤特性的重要参数,其变化直接影响降雨入渗和水分分布,但目前针对根系对土壤吸力的调节机制研究较少。同样,对于反映土壤非饱和特性的土水特征曲线和非饱和渗透系数的研究也极为有限。这些非饱和特性在决定降雨入渗和土壤水分分布中具有重要作用,但当前研究在机制探讨和参数定量化方面存在明显不足。

在土体力学特性方面,草本植被根系对土体抗剪强度的影响已有较多报道。研究发现,根系通过提高根土界面的摩擦力、改善土壤颗粒间的黏结性和应力分布,能够显著增强土体的抗剪强度^[11-12]。许英姿等^[13]研究发现较高的根密度和较长的根系能够为土体提供额外的“加筋”效果,从而提高抗剪强度;刘宇飞等^[14]分析了植被根系与土体黏聚力的影响关系;张小荣等^[15]研究表明根截面比的增加,使得土体黏聚力及内摩擦角增加,直接影响着边坡的稳定性。

然而,现有研究主要集中于分析根系形态参数和含根量对抗剪强度的整体贡献,且多基于单一含水率条件下的剪切试验,忽略了不同含水率条件对根系与土体力学相互作用的调节作用。土壤含水率是影响抗剪强度的重要变量,其变化会显著改变根系对土体的增强效果,但现有研究在揭示土壤含水率与根系对土体强度增强效应之间的关系上仍显不足。

针对上述研究中的不足,现通过开展降雨入渗试验和直剪试验,系统分析两种典型草本护坡植被根系对土体水力和力学特性的调控作用。在水力特性研究中,重点探讨植被根系对土壤吸力、土水特征曲线及非饱和渗透系数的调控机制,揭示其对非饱和土体水分动态的影响;在力学特性研究中,分析不同含水率条件下根系对土体抗剪强度的增强效应及其规律性变化。旨在揭示草本植被根系在非饱和水力特性与土体力学特性间的协同作用机制,为护坡工程设计提供理论依据和指导。

1 试验材料与方法

典型草本护坡植被的降雨入渗模型试验通过植被培养箱进行,如图1所示。

降雨入渗模型试验共设置3个植被培养箱,包括一个裸土箱(对照组)和2个植物种植箱,如图2所示。选取边坡生态防护工程中常用的高羊茅和狗牙根作为试验植被,这2种草本植被具有对环境适应性强、根系发达且易于养护的优点,在边坡防护工程中应用广泛。培养箱底部铺设5 cm厚的碎石层作为反滤层,用于排水调节和防止细土壤颗粒的流失。随后,在每个培养箱内分层填充并压实50 cm厚的粉砂土,其物理特性如表1所示。

为精确测量降雨过程中的土壤水分动态和土壤基质吸力的变化,在培养箱内10 cm和20 cm深度处分别安装了土壤含水量传感器和土壤吸力传感器,传感器安装位置的选择是基于草本植被根系的主要分布范围,植被模型箱结构如图3所示。降雨强度设定为30 mm/h,降雨历时设定为5 h。每个培养箱底部均设置有排水孔,以确保试验过程中入渗的雨水能够自由排出,从而减少渗流累积对土壤水分动态的影响。同时,为减少草本植物冠层对土体水分动态演化的影响,在进行降雨试验前,剪除土体上部的植物茎、叶部分。

为获取两种护坡草本植物根系形态参数,采用环刀法获取植物培养箱中的不同深度(0~10 cm和10~20 cm)含根土样,并经过冲洗、过筛、收集后,利用WinRHIZO植物根系分析系统对两种草本植物根系构型进行分析,该系统由高精度图形扫描仪和根系分析设备组成,如图4所示。该系统扫描元件的光学分辨率可以达到6 400×9 600 dpi,扫描范围可以达到216 mm×297 mm。在使用时首先用扫描仪扫描植物根系,获取高分辨率的根系图像,然后通过该系统的根系分析软件计算出交叉重叠部分的根系长度、直径、面积、体积、根尖等形态学参数。

采用 FDJ-20 型单联式非饱和土直剪仪,如图5所示,对不同含水率条件下的根土复合体进行直剪试验。为精准控制试样的含水率,试验采用重塑土制备根土复合体样品,分别配制12%、14%、16%、18%和20%共5种不同的土壤含水率,每种条件下进行3次重复试验,并以其平均值作为最终结果。剪切速率设定为 0.08 mm/min,通过数据采集系统记录应力-应变关系曲线。当曲线中的应力停止增长、开始下降或剪切变形达到4 mm时,终止剪切试验。

2 结果与分析

2.1 草本植物根系构型参数

++++表2展示了高羊茅与狗牙根在0~20 cm土层内根系构型参数的垂直分布特征。结果显示,两种草本植物的根系构型呈现显著差异化。在10~20 cm深层土壤中,高羊茅的根长密度较0~10 cm表层增加29%(分别为57.195 cm/cm³和73.896 cm/cm³),但其根表面积密度与体积密度分别下降28%和55%,同时平均根径由0.542 cm减至0.423 cm,这表明高羊茅向较深层延伸时根系趋于细长化。狗牙根根系在表层与深层较高羊茅均表现出更大的根长密度与更小的平均根径,但是其各项根系构型参数均随着深度的增加显著增加,显示出细根在浅层土壤中(0~20 cm)沿深度高密度增殖的特性。在0~10 cm表层,高羊茅的根体积密度(13.446 cm³/cm³)达到狗牙根(4.926 cm³/cm³)的2.7倍,这与其更大的根系直径(0.542 cm)直接相关;而在10~20 cm深层土壤,狗牙根通过超高的根尖密度(733个)与根系长度(96.392 cm/cm³)形成细根网络,进而有效增强对土壤孔隙的填充效应。

2.2 土壤含水率变化规律

降雨过程中,裸土、高羊茅和狗牙根植被箱中的土壤含水率变化如图6所示。可知,草本植被的根系对土壤水分动态具有显著调节作用。在10 cm深度,裸土处理的土壤含水率在降雨初期迅速上升,在50 min后达到0.45,并最终趋于稳定,稳定后的饱和含水率值约为0.52。相比之下,高羊茅和狗牙根处理的含水率在相同时间内的饱和含水率分别稳定在约0.48和0.46,显著低于裸土处理。这表明,草本植被的根系通过吸收浅层土壤水分以及占据了部分土壤孔隙,显著降低了土壤含水率的上升速率和饱和含水率。

在20 cm深度,土壤含水率的变化趋势与浅层一致,但裸土处理的土壤含水率变化幅度更大,其最终稳定后的饱和含水率约为0.56,高于高羊茅处理的0.51和狗牙根处理的0.49。与10 cm深度相比,高羊茅和狗牙根对深层土壤水分的调控作用更为显著,尤其是高羊茅,其深层饱和含水率显著低

于狗牙根。这可能与高羊茅根系分布较深、吸水能力较强有关。进一步分析发现,裸土处理在降雨初期(0~50 min)的土壤含水率上升速率明显高于高羊茅和狗牙根处理,表明植被根系有效延缓了土壤水分的快速入渗过程。这种调节作用在降雨后期表现为较低的饱和含水率,尤其在 20 cm深度更加显著。综上所述,草本植被的根系通过调控土壤水分入渗与累积,可以有效降低土壤含水率的上升速率和饱和含水率,起到了“调控缓冲”的作用。高羊茅的调控作用优于狗牙根,可能源于其根系的深度分布与吸水能力的差异。这一结果突出了植被根系在降雨条件下对土壤水分动态的调节功能。

2.3 基质吸力变化规律

降雨过程中裸土、高羊茅和狗牙根处理下不同深度土壤基质吸力的变化规律如图7所示。在10 cm深度,裸土处理的基质吸力在降雨开始后的11 min内迅速下降,从初始值约86.0 kPa减小至1.9 kPa,表明裸土在降雨初期极易饱和。相比之下,高羊茅处理的基质吸力在26 min时从93.7 kPa开始显著下降,并在57 min时降低至8.5 kPa;而狗牙根处理的基质吸力下降时间更滞后,显著下降开始于34 min,最终在61 min时趋于稳定。由此可见,高羊茅和狗牙根的根系均显著延缓了土壤基质吸力的下降速率,尤其是狗牙根处理对土壤保持非饱和状态的作用更为显著。在20 cm深度,裸土处理的基质吸力同样迅速下降,在降雨74 min后降至 2.5 kPa。高羊茅和狗牙根处理的基质吸力下降时间相较裸土明显延后,分别在约48 min和55 min开始下降,并在83 min和92 min后趋于稳定。此外,狗牙根处理的基质吸力下降速率最慢,表明其对深层土壤水分的调控效果更强。整体来看,裸土处理在降雨初期基质吸力快速降低,反映了裸露土壤缺乏根系的水分调控能力,导致土壤迅速饱和。相比之下,高羊茅和狗牙根处理显著延缓了基质吸力的下降过程,尤其在20 cm深度,狗牙根的根系表现出更优的调控能力。

2.4 土水特征曲线

图8和表3展示了降雨过程中不同植被类型下的土水特征曲线及其基于Van Genuchten (VG)模型的拟合结果。由图8可知,在降雨初始阶段,土体基质吸力保持较高水平,此时的高羊茅和狗牙根土体中的含水率均高于裸土,这表明高羊茅和狗牙根植被土的持水能力高于裸土,而且在10 cm和20 cm深度处,狗牙根的持水能力优于高羊茅。随着降雨持续增加,裸土、高羊茅和狗牙根植被土中的土壤含水率不断增加,土壤基质吸力逐渐下降,当土壤基质吸力低于2 kPa时,裸土、高羊茅和狗牙根植被土的土壤含水率差异逐渐减小。这表明高羊茅和狗牙根植被根系对土壤持水能力的影响在高基质吸力时更加显著,随着基质吸力的不断减小,高羊茅和狗牙根植被根系对土壤持水能力的影响减弱。

由表3可知,在裸土、高羊茅和狗牙根植被土中,VG模型拟合结果的R²均大于0.9,该参数用于衡量模型对观测数据的拟合程度,且结果接近于1.0,表明VG模型的拟合效果良好。在10 cm 和20 cm深度,裸土的饱和含水量分别为0.529 1和0.533 0,高于高羊茅和狗牙根的饱和含水量,表明草本植被根系占据了部分土壤孔隙,使得土壤孔隙度降低。此外,裸土在10 cm 和20 cm深度处的残余含水量均低于高羊茅和狗牙根的残余含水量,这进一步表明,草本植被根系可以提高土壤的持水能力。进气值反映了土壤的持水能力,参数α与进气值密切相关,其值约等于进气值的倒数。裸土在10 cm 和20 cm深度处的α值均大于高羊茅和狗牙根的α。这表明高羊茅和狗牙根植被土中的进气值高于裸土,而且在3种土体中,狗牙根土体中的α最小,代表其根土复合体的进气值最高。

2.5 非饱和渗透系数

图9展示了基于一维瞬时剖面法计算的降雨过程中裸土、高羊茅和狗牙根3种土壤箱在10 cm和20 cm深度下的非饱和渗透系数的变化规律。

可见,3种处理的非饱和渗透系数均随基质吸力的增加呈下降趋势,这符合非饱和土壤水分传导特性的基本规律。基质吸力的增加导致土壤中有效传导的水分减少,使得非饱和渗透系数逐渐降低。其次,不同处理之间的对比显示,裸土的非饱和渗透系数在整个基质吸力范围内均高于高羊茅和狗牙根的处理。例如,在10 cm深度,当基质吸力为10 kPa时,裸土的非饱和渗透系数约为0.003 2 cm/s,而高羊茅和狗牙根处理分别为0.002 4 cm/s和0.001 8 cm/s。类似地,在20 cm深度,基质吸力为30 kPa时,裸土的非饱和渗透系数约为0.002 2 cm/s,而高羊茅和狗牙根处理分别为0.001 1 cm/s和0.000 7 cm/s。这表明高羊茅和狗牙根的根系显著降低了土壤非饱和状态下的水分传导能力。此外,高羊茅与狗牙根的比较表明,高羊茅植被箱中的非饱和渗透系数整体高于狗牙根,特别是在低基质吸力范围内差异更加明显。这一结果主要归因于狗牙根的根系直径较小且密度更高,从而显著降低了土壤的导水能力。

2.6 不同含水率下的抗剪强度特性

不同土壤含水率条件下,裸土、高羊茅和狗牙根植被土的土壤黏聚力和内摩擦角的变化规律如图10所示。

从黏聚力的变化趋势来看,随着土壤含水率的增加,3种处理的黏聚力均表现出先增大后减小的变化趋势,其中裸土和狗牙根的黏聚力在土壤含水率为16%时达到最大值,而高羊茅的黏聚力在土壤含水率为18%时达到最大值。在含水率为16%时,高羊茅和狗牙根处理的黏聚力分别为10.1 kPa和9.7 kPa,显著高于裸土的7.2 kPa。此时高羊茅植被土的黏聚力最高,狗牙根次之,裸土最低。此外,在含水率为12%时,狗牙根处理的黏聚力(约7.5 kPa)高于高羊茅(约7.2 kPa)和裸土(约5.5 kPa),表明狗牙根在较低含水率条件下具有更强的黏聚力提升作用。然而,随着含水率的进一步增加(如18%和20%),高羊茅的黏聚力保持在较高水平,显著高于狗牙根和裸土,这表明高羊茅在更湿润的条件下表现出更强的稳定性和增强作用。内摩擦角的变化趋势相对平稳,随含水率的增加均逐渐减小。当土壤含水率较低时,裸土与高羊茅和狗牙根之间的内摩擦角差异不显著。例如,在含水率为12%时,高羊茅和狗牙根的内摩擦角相较于裸土分别增加了1.18%和3.54%。随着含水率增加,草本植被根系对土壤内摩擦角的影响逐渐增强,裸土与高羊茅和狗牙根之间的内摩擦角差异逐渐增大。例如,当含水率增加至16%时,高羊茅和狗牙根的内摩擦角相较于裸土分别增加了8.41%和10.36%;当含水率增加至20%时,高羊茅和狗牙根的内摩擦角相较于裸土分别增加了18.29%和21.79%。

3 结论

通过室内降雨入渗试验和不同土壤含水率的根土复合体直剪试验,探讨了高羊茅和狗牙根两种草本植被根系对土壤水力与力学特性的影响,得到以下结论。

(1)草本植被通过根系吸水与孔隙占据效应,显著降低土壤水分饱和速率与最终含水率,形成降雨入渗缓冲带。狗牙根对表层(0~10 cm)水分的调控优于高羊茅,其10 cm深度饱和含水率较裸土降低11.5%;而高羊茅在深层(20 cm)表现出更强的持水延迟能力,其基质吸力下降起始时间较狗牙根延后7 min。二者协同实现土壤水分时空再分配,其中狗牙根通过高密度细根网络使20 cm深度的土壤保持非饱和状态时长延长22%。

(2)植被根系使土体进气值提升18%~24%,显著增强高吸力段(>10 kPa)持水能力。狗牙根在10 cm深度残余含水量较裸土显著提升,其细根系统形成微孔隙网络,使得非饱和渗透系数在30 kPa吸力时较裸土显著降低。但高羊茅凭借深层粗根优势,在低吸力段(<5 kPa)维持相对较高的导水能力,为深层排水提供通道。

(3)草本植被根系显著提高了土壤的黏聚力,随着土壤含水率的增加,3种处理的黏聚力均表现出先增大后减小的变化趋势,其中裸土和狗牙根的黏聚力在土壤含水率为16%时达到最大值,而高羊茅的黏聚力在土壤含水率为18%时达到最大值。随着含水率增加,含根土壤与裸土的内摩擦角均逐渐降低,但草本植被根系对土壤内摩擦角的影响逐渐增强,裸土与含根土之间的内摩擦角差异逐渐增大,同时高羊茅内摩擦角降幅低于狗牙根。

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原文顺序 | 出版日期 | 本文引用

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