草本植物對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響研究進(jìn)展

郭洋楠， 宮傳剛， 楊 劍， 朱國(guó)慶

(1．神華神東煤炭集團(tuán)有限責(zé)任公司， 陜西 神木 7193151，2.安徽理工大學(xué)， 安徽 淮南 232001；3. 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)礦山生態(tài)修復(fù)教育部工程研究中心， 江蘇 徐州 221116；4.山東省采煤塌陷地與采空區(qū)治理工程研究中心， 山東 濟(jì)寧 272100)

由于邊坡淺層破壞具有隱蔽性、累積性和長(zhǎng)期性，導(dǎo)致該重要的生態(tài)壞境問(wèn)題常常被忽視。影響邊坡淺層破壞的因素主要包括地形條件、氣候條件及人類活動(dòng)，根據(jù)聯(lián)合國(guó)糧食及農(nóng)業(yè)組織(Food and Agriculture Organization of the United Nations，F(xiàn)AO)的報(bào)告顯示，可持續(xù)的土地管理策略需充分考慮邊坡淺層破壞的控制[1]。

邊坡淺層破壞是邊坡土壤侵蝕常見(jiàn)誘發(fā)因素[2]，其表現(xiàn)為地表植物、表層松散土壤(或替代材料)的剝離破壞過(guò)程。邊坡淺層破壞常以淺層滑坡(Shallow landslides)和淺層侵蝕(Shallow erosion)為主：(1)淺層滑坡是指當(dāng)邊坡重力超過(guò)其內(nèi)部最大阻力時(shí)發(fā)生的滑坡運(yùn)動(dòng)[3]，通常是由表土孔隙水壓力增加、土壤凝聚力降低導(dǎo)致的邊坡內(nèi)部物理過(guò)程引起，常發(fā)生在土壤內(nèi)部的軟弱滑動(dòng)層上[4]；(2)淺層侵蝕通常由積雪體運(yùn)動(dòng)[5]、動(dòng)物踩踏[6]或人類活動(dòng)[7]等擾動(dòng)因素造成，過(guò)度擾動(dòng)造成植物退化及地表拉伸型裂隙，雨水或融雪水入滲后形成滑動(dòng)面，進(jìn)而導(dǎo)致地表植物破壞和表層土壤流失[8]。邊坡淺層破壞會(huì)造成農(nóng)業(yè)用地水肥流失[9]、水域生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量下降[10]、交通基礎(chǔ)設(shè)施受損[11]，甚至?xí)T發(fā)滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害[12]。自然生態(tài)環(huán)境一旦遭到破壞，恢復(fù)起來(lái)難度較大，單純依靠自然恢復(fù)往往需要數(shù)十年時(shí)間[13]，且恢復(fù)期間易發(fā)生二次破壞[14]。而人工恢復(fù)措施成本高，且難以保證獲得預(yù)期的治理效果，因此如何有效防治邊坡淺層破壞顯得尤為重要。

適當(dāng)?shù)纳鷳B(tài)邊坡工程預(yù)防措施要比災(zāi)害發(fā)生后再實(shí)施治理措施要更加有效[15]。植物對(duì)于邊坡起到“加筋”作用，在有害荷載作用時(shí)會(huì)協(xié)同受力并協(xié)調(diào)形變，能夠很好地預(yù)防邊坡淺層破壞，且不同植物配置管理方式直接影響邊坡淺層破壞發(fā)生概率[16]。因此，生態(tài)邊坡工程不僅能夠維持生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，也是防治各類滑坡的常用方法[17]，對(duì)于提升邊坡穩(wěn)定性、抑制水土流失具有重要現(xiàn)實(shí)意義。然而，有時(shí)生態(tài)邊坡工程措施卻可能在固坡方面起到反作用，即在濕度大、坡度陡的坡地條件下，草本密根層在促進(jìn)降水就地入滲的同時(shí)，也將地表根土層飽和軟化，進(jìn)而使得坡面在重力作用下整體下滑，呈現(xiàn)“剝皮”式淺層滑坡[18]。

近年來(lái)，生態(tài)邊坡工程相關(guān)研究主要集中于灌木和喬木的固坡機(jī)制上，在理論和實(shí)踐上均取得了重大進(jìn)展[19]。相比而言，草本植物對(duì)邊坡穩(wěn)定性提升的相關(guān)機(jī)理研究較少，對(duì)草本植物在邊坡穩(wěn)定性提升機(jī)理和動(dòng)態(tài)認(rèn)識(shí)上仍需進(jìn)一步探究[20]。與木本植物相比，草本植物在相同條件下具有更高的物種密度和多樣性、更短的生長(zhǎng)周期、更快的演替速度。深入開(kāi)展針對(duì)草本植物的固坡效果研究，對(duì)于邊坡淺層破壞的防治具有重要意義。本文對(duì)草本植物對(duì)邊坡穩(wěn)定性提升相關(guān)研究進(jìn)行梳理，并與木本植物進(jìn)行對(duì)比分析與討論，立足工程和生態(tài)角度探討草本植物的固坡過(guò)程及未來(lái)的研究方向。

1 草本植物邊坡穩(wěn)定性提升研究現(xiàn)狀

邊坡穩(wěn)定性是指邊坡巖土體在一定坡高和坡度條件下的穩(wěn)定程度，是邊坡抵抗自身破壞的力學(xué)表現(xiàn)[4]。若邊坡重力超過(guò)其內(nèi)部最大阻力，則可能發(fā)生淺層滑坡[21]或淺層侵蝕[22]。邊坡穩(wěn)定性主要受地形特征、水文條件、土壤理化性質(zhì)及植物參數(shù)等因素影響，草本植物通過(guò)生態(tài)過(guò)程改善邊坡水文條件，通過(guò)根系“加筋”作用來(lái)提升邊坡機(jī)械強(qiáng)度，是提升邊坡穩(wěn)定性最有效的生態(tài)工程管理措施之一。

1.1 優(yōu)化水文條件

坡面水文條件(如土壤入滲率、含水率)的變化是邊坡淺層破壞的主要誘發(fā)因素[13,23]，草本植物通過(guò)改變其覆蓋區(qū)域水文條件，達(dá)到影響邊坡穩(wěn)定性的效果，其影響過(guò)程如下：(1)通過(guò)增加地表粗糙度間接增強(qiáng)降雨或融雪水入滲，提升土壤含水率和保水能力，導(dǎo)致土體自重增加、孔隙水壓力增大、土壤凝聚力降低，進(jìn)而導(dǎo)致邊坡抗剪切能力下降、穩(wěn)定性降低[24]；(2)在降雨充沛地區(qū)，通過(guò)根系水勢(shì)差作用與葉片蒸騰作用吸收土壤水，減少土壤含水率，進(jìn)而提高邊坡穩(wěn)定性[23,25-26]。

優(yōu)化邊坡水文條件，即控制邊坡土壤入滲率的同時(shí)保持較低含水率是維持邊坡穩(wěn)定性的有效措施[24]。草本邊坡相比較于喬灌邊坡或裸土邊坡，在改變水文條件方面具有不同特征：一方面，茂密的草本莖葉能通過(guò)滯留部分降雨、削弱雨滴飛濺侵蝕，起到降低土壤團(tuán)聚體破碎的作用[27-28]，同時(shí)茂密的草本莖葉也具有較高的水分蒸散能力，從而降低土壤含水率[25]；另一方面，草本植物密集的莖、葉使得坡面粗糙度增加，因而地表徑流、壤中流速度變慢，水分入滲時(shí)間變久，從而增加土壤持水能力[29]。

此外，草本植物在影響地裂縫發(fā)育方面也具有不同表現(xiàn)：一方面，草本植物覆蓋會(huì)限制收縮裂縫的形成和發(fā)育，進(jìn)而提高邊坡穩(wěn)定性，在土壤粘土含量較高區(qū)域，會(huì)出現(xiàn)由于干旱或植物吸水作用引起的地表收縮裂縫，使得降雨再次來(lái)臨時(shí)水分快速入滲到深層土壤中進(jìn)而威脅邊坡穩(wěn)定性[30]。有研究表明，干旱收縮型裂縫在稀疏植物或裸土邊坡的出現(xiàn)頻率遠(yuǎn)高于茂密植物邊坡，但后者裂縫持續(xù)時(shí)間更久[31]。另一方面，植物根系也會(huì)通過(guò)生物物理過(guò)程加速巖土風(fēng)化，腐爛根系形成根土間隙也增加了土壤孔隙度，形成優(yōu)先流通道[32]，進(jìn)而增強(qiáng)了土壤滲透性及含水率，對(duì)邊坡穩(wěn)定性起負(fù)面作用。筆者認(rèn)為，草本植物對(duì)邊坡土壤滲透率的影響不能一概而論，應(yīng)綜合考慮邊坡土壤理化性質(zhì)、植物物種組成、邊坡地貌特征及局部氣候特征等多方面因素。

綜上所述，植物通過(guò)改變坡面水文條件進(jìn)而影響邊坡穩(wěn)定性，既有正面影響，也有負(fù)面影響。整體對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響程度不僅受氣候、土壤理化性質(zhì)、表土層厚度、微地貌特征、土壤生物等區(qū)域下墊面和生境的影響[33]，也受物種組成、植物配置及植物結(jié)構(gòu)等生態(tài)因素影響[34]。

1.2 提升表土抗性

1.2.1減少淺層滑坡 淺層滑坡是造成邊坡失穩(wěn)的最主要因素，草本植物可有效降低邊坡淺層滑坡發(fā)生的概率。從力學(xué)角度分析，一般認(rèn)為草本植物根系受力時(shí)是非彈性形變，據(jù)此可建立非剛性根(Nonrigid roots)與土體間的受力加固模型[35]。草本植物根系向下發(fā)育形成密根層和稀根層(圖1)。根系的加筋作用使含根土體抗剪強(qiáng)度增強(qiáng)，進(jìn)而有效提高邊坡機(jī)械穩(wěn)定性、抑制淺層滑坡[36-37]。除了豎直根系的加筋作用以外，水平根、莖及其他緊密交織生長(zhǎng)的植物纖維可通過(guò)交織效應(yīng)(Surface-mat Effect)構(gòu)成根-土復(fù)合體[20,38]。該復(fù)合體符合摩爾-庫(kù)倫定律，可改變土體力學(xué)特性，為土壤提供額外粘聚力[38-39]。同時(shí)，在這種交織效應(yīng)下，即使只有少量根系貫穿潛在剪切破壞面并將表層土與深層土相連，水平植物纖維也可以將局部剪切應(yīng)力從邊坡淺層破壞隱患點(diǎn)傳遞到穩(wěn)定區(qū)域，從而提升邊坡整體穩(wěn)定性[20]。

如圖1所示，箭頭表示邊坡重力沿坡面的分力，紅色虛線表示潛在邊坡破壞面。圖中區(qū)域Ⅰ為邊坡穩(wěn)定區(qū)，區(qū)域Ⅱ-Ⅵ為潛在淺層滑坡區(qū)，區(qū)域Ⅱ-Ⅳ為拉伸應(yīng)力區(qū)，Ⅴ-Ⅵ為壓縮應(yīng)力區(qū)。在區(qū)域Ⅱ、Ⅵ中，大量根系貫穿潛于剪切面而形成穩(wěn)定的根-土復(fù)合體，根系加筋作用與交織效應(yīng)同時(shí)對(duì)抗滑坡拉力應(yīng)力；在區(qū)域Ⅲ-Ⅴ中，少了根系貫穿潛剪切面，根系加筋作用效果降低，此時(shí)交織效應(yīng)仍發(fā)揮作用，將區(qū)內(nèi)部分剪切應(yīng)力傳遞到區(qū)域Ⅰ、Ⅱ和Ⅵ等相對(duì)穩(wěn)定區(qū)。

圖1 草本植物根系對(duì)淺層滑坡的防治機(jī)理示意圖

1.2.2緩解淺層侵蝕 大量研究表明，地表徑流侵蝕[40]、淺層潛流侵蝕[41]、雪蝕[42]、凍融侵蝕[43]等都是造成邊坡淺層侵蝕的主要因素。

雨季短時(shí)集中強(qiáng)降雨在增加坡體自重的同時(shí)，也降低了土體強(qiáng)度，雨水匯流后在坡面形成臨時(shí)性地表徑流和內(nèi)部滲流是造成邊坡淺層侵蝕的主要誘因。淺層侵蝕發(fā)展過(guò)程中，侵蝕形式為：面蝕(片流侵蝕)—細(xì)溝侵蝕—淺溝侵蝕—切溝侵蝕，這是一個(gè)侵蝕程度逐步增強(qiáng)的鏈狀發(fā)展過(guò)程[44]。密集的草本植物具有滯留降雨、削減雨滴動(dòng)能、減緩地表徑流的坡面沖刷、再分配侵蝕能量的作用[45]，從而提高土壤抗蝕性[46]。

在北方及青藏高原等嚴(yán)寒地區(qū)，邊坡除雨季受到徑流侵蝕外，還會(huì)受到雪蝕和凍融侵蝕的破壞[47-48]。厚重的積雪在重力作用下與坡面間形成滑動(dòng)趨勢(shì)[49]，一旦發(fā)生積雪滑移或雪崩現(xiàn)象，極易造成地表淺層侵蝕[50]。凍融侵蝕則一般發(fā)生于初春，當(dāng)氣溫逐漸升至融雪線附近，表土在晝夜溫差作用下處于反復(fù)凍-融循環(huán)狀態(tài)，并在表土層反復(fù)形成不穩(wěn)定融化層。雪水入滲降低土壤凝聚力、表土粉化降低抗侵蝕能力，此時(shí)疏松、粉化的表土呈過(guò)飽和狀，形成塑性融凍泥流緩慢向下移動(dòng)[51-52]。邊坡草本植物的種植可隔絕積雪與表土直接接觸，增加坡面粗糙度及滑移阻力、降低凍融損害程度，進(jìn)而緩解淺層侵蝕。

1.3 草本植物固土護(hù)坡優(yōu)勢(shì)

相較于草本植物，木本植物的生命周期長(zhǎng)且季節(jié)穩(wěn)定性高，因此被認(rèn)為更適合于邊坡破壞防治[24]。有學(xué)者比較了不同類型植物對(duì)邊坡穩(wěn)定性的提升效果，發(fā)現(xiàn)草本植物對(duì)于預(yù)防面蝕(片流侵蝕)和細(xì)溝侵蝕效果更為顯著，而木本植物對(duì)于預(yù)防大面積邊坡破壞效果更佳[53]。相比于草地邊坡，林地邊坡發(fā)生滑坡的概率更低，且滑坡坡面更陡[54-55]。然而有學(xué)者指出，二者進(jìn)行對(duì)比分析時(shí)難以剔除林下草本植物的貢獻(xiàn)，也難以充分考慮不同地形、土壤質(zhì)量、植物與地貌的共同演化過(guò)程等立地條件的影響[13,54]，同時(shí)林地邊坡淺層破壞往往更具隱蔽性而易被低估，因此難以進(jìn)行客觀對(duì)比[55]。

邊坡的穩(wěn)定性與根系的密度和長(zhǎng)度有關(guān)，與草本植物相比，木本植物只有在其粗大的根系貫穿潛在剪切破壞面時(shí)才能體現(xiàn)出“錨固優(yōu)勢(shì)”[56]，而在邊坡滑動(dòng)應(yīng)力過(guò)大時(shí)，粗壯的根部常與周邊土壤滑脫，其錨固效應(yīng)未能得到充分的發(fā)揮。同時(shí)木本植物巨大的地表生物量對(duì)于邊坡也有負(fù)面影響，例如在強(qiáng)風(fēng)或暴風(fēng)雨環(huán)境下可能會(huì)被連根拔起而造成額外邊坡破壞[16]。此外，林地的質(zhì)量高低也極大地影響固坡效果，例如林間間隙大、地下生物量低、健康狀態(tài)差的林地很難起到預(yù)期固坡效果[24,46]。

與木本植物的少量粗根系(圖2A)不同，草本植物擁有大量細(xì)根系(圖2B)，且深度大多集中于對(duì)邊坡整體穩(wěn)定性影響最大的表層十幾到幾十厘米處[57]。草本植物的淺層根系與表土形成的根-土復(fù)合體不僅極大地增加土體抗剪強(qiáng)度，而且為土壤微生物提供更穩(wěn)定的繁衍空間，有助于提高土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性和生境的良性循環(huán)[58]。在生態(tài)邊坡工程建設(shè)中，為保證邊坡根-土界面快速融合，植物的快速建設(shè)是關(guān)鍵環(huán)節(jié)，草本植物以生長(zhǎng)快、密度高的優(yōu)勢(shì)可以起到快速固坡的效果[59]。同樣的，草本植物的群落穩(wěn)定性和生物多樣性也對(duì)邊坡加固起到很大影響[60]，例如當(dāng)草地開(kāi)始退化時(shí)，極易引起坡面的片流侵蝕、細(xì)溝侵蝕、積雪滑動(dòng)侵蝕和凍融侵蝕[14,20]。

圖2 常見(jiàn)木本植物和草本植物根系邊坡加固示意圖

綜上可知，在對(duì)邊坡穩(wěn)定性提升方面，木本和草本植物無(wú)法進(jìn)行簡(jiǎn)單對(duì)比，不同條件下的不同物種固坡效果差異巨大[61-62]。具體固坡效果不僅取決于生境條件、物種特性、水文條件及表土抗性等方面，還取決于生態(tài)工程建設(shè)的可操作性、經(jīng)濟(jì)性及管理模式等方面(表1)。生態(tài)邊坡工程應(yīng)當(dāng)根據(jù)具體生境，因地制宜地選取適當(dāng)植物進(jìn)行邊坡加固。

表1 木本與草本植物邊坡加固對(duì)比表

2 草本植物根系參數(shù)研究現(xiàn)狀

植物根系參數(shù)是影響邊坡加固效果的最主要因素，下面將從草本植物根系的分布特征、幾何形態(tài)及抗拉強(qiáng)度等方面，就草本植物根系的固坡效果進(jìn)行闡述[35]。

2.1 根系分布特征

根系分布特征主要指根長(zhǎng)密度(Root length density,RLD)、地下生物量(Underground biomass,UB)、橫截面積比(Root area ratio，RAR)及根系深度(Rooting depth，RD)等評(píng)價(jià)植物對(duì)邊坡加固作用的重要指標(biāo)。

根長(zhǎng)密度是指單位土壤體積中根的總長(zhǎng)度(m·m-3)，可以反映根系數(shù)量和根系分布狀況，因而被用作邊坡穩(wěn)定性的指標(biāo)之一。然而由于根長(zhǎng)密度測(cè)量難度較大，因此常用地下生物量作為替代指標(biāo)。根系生物量是指單位土壤體積中根的總干重(kg·m-3)，在一定程度上可以使用地上生物量對(duì)根系生物量進(jìn)行估算[59,63]。然而值得注意的是，根系生物量指標(biāo)無(wú)法區(qū)分根系粗細(xì)分類和粗細(xì)級(jí)配，而在相同根系生物量下，稠密的細(xì)根系要比稀疏的粗根系固土能力更強(qiáng)[64]。根系橫截面積比是根系截面積所占總面積的比值(m2·m-2)，其值與根系抗拉強(qiáng)度相關(guān)[65]。同樣，根系面積比也無(wú)法區(qū)分根系的粗細(xì)分類和粗細(xì)級(jí)配，亦難以量化微小直徑(Ф<0.25 mm)的根系，因此會(huì)低估擁有大量細(xì)根系的草地對(duì)邊坡的加固能力[66]。根系深度決定了植物對(duì)邊坡加固的范圍[16,67]。草本植物對(duì)邊坡土壤抗剪強(qiáng)度及凝聚力的增強(qiáng)作用主要在根系集中的表土10～20 cm處[68-69]。植物根系深度除受物種類型影響外，還受種植密度及土壤物理性質(zhì)的影響。較高的種植密度造成植物間對(duì)養(yǎng)分和水分的競(jìng)爭(zhēng)從而促使其根系的縱向發(fā)育[68]。然而硬度過(guò)大的土層或淺層基巖面則會(huì)限制根系生長(zhǎng)，使根系在基巖與土層之間形成潛在滑動(dòng)破壞面，增加了邊坡破壞風(fēng)險(xiǎn)[66,70]。

由以上研究可以看出，目前根系研究的分類方法尚未形成統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，且根系分布特征的野外實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)獲取難度較大，亟需建立一套有效的研究體系來(lái)量化植物根系對(duì)邊坡的穩(wěn)定作用，進(jìn)而為生態(tài)邊坡工程措施提供適應(yīng)性管理策略[71-72]。

2.2 根系幾何形態(tài)

根系的幾何形態(tài)特征主要包括直徑-長(zhǎng)度比、曲率及空間分布特征等，這些因素直接影響邊坡土壤在降雨期間的抗剪強(qiáng)度和交織效應(yīng)的效果[73]。

在根系類型上，草本植物可分為直根系(Taproot system)草本和須根系(Fibrous root system)草本。直根系草本根系生物量高、根長(zhǎng)密度低，須根系草本則相反。由于須根系植物具有較高的根長(zhǎng)密度，因而常認(rèn)為其邊坡加固效果更佳[57,74]。也有學(xué)者指出，在生物多樣性豐富的地區(qū)，以直根系植物為主的草本邊坡也具有較強(qiáng)的加固效果[20]。因此，根系對(duì)邊坡的加固效果更取決于植物類型而非根系類型。

此外，草本根系不同生長(zhǎng)部位以及不同生長(zhǎng)階段的固坡效果亦相差較大[75]，水平和側(cè)向根系有時(shí)比垂直根系固坡效果更加顯著[63]，不同草本根系受力時(shí)根-土機(jī)械作用過(guò)程[76]、增強(qiáng)土體抗崩解特性[77]等方面均具有顯著差異性。

2.3 根系抗拉強(qiáng)度

植物根系的抗拉強(qiáng)度(Tensile strength)是指其承受靜態(tài)拉伸時(shí)抵抗斷裂的能力，即根系最大負(fù)載力與其截面積之比(N·mm-2)，是評(píng)估植物力學(xué)固坡效果的又一重要指標(biāo)。根系抗拉強(qiáng)度的測(cè)量方式相對(duì)簡(jiǎn)單，但耗時(shí)較大。測(cè)量時(shí)需注意將根系固定于測(cè)量系統(tǒng)中時(shí)不能影響根系自身性質(zhì)，要保證根系受力均勻以減少測(cè)量誤差[78]。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，不同物種根系抗拉強(qiáng)度差異巨大，從數(shù)千帕(kPa)到數(shù)十兆帕(MPa)不等[79-80]。同一物種根系抗拉強(qiáng)度也受生境[17,65]、植株密度[66]、根系深度[81]、根系部位[65]、根系年齡[65,82]、根系濕度[83]、截面微觀結(jié)構(gòu)[84]等多種因素影響。一般情況下，同種物種根系抗拉強(qiáng)度與根系直徑呈反比[84-85]，與土壤抗剪強(qiáng)度呈正比[86]，由此可見(jiàn)，稠密的須根對(duì)邊坡加固效果更佳[78,87]。因此在定量計(jì)算根系對(duì)邊坡的加固作用時(shí)，需同時(shí)考慮根系橫截面積比及其直徑級(jí)配分布。

3 草本植物生態(tài)邊坡工程指導(dǎo)策略

在了解草本植物對(duì)邊坡穩(wěn)定性的提升機(jī)理及優(yōu)勢(shì)后，需應(yīng)用到生態(tài)邊坡工程的實(shí)踐中去。生態(tài)邊坡工程融合了生態(tài)學(xué)和工程學(xué)相關(guān)理念，在邊坡穩(wěn)定性提升方面起到重要作用。工程措施及后續(xù)適應(yīng)性管理措施會(huì)持續(xù)影響邊坡生境和植物狀態(tài)，進(jìn)而改變邊坡水文條件和表土抗性，最終影響邊坡穩(wěn)定性及生態(tài)服務(wù)功能(圖3)。

圖3 生態(tài)邊坡工程措施及管理措施對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響過(guò)程

3.1 物種選擇

生態(tài)邊坡工程一般需經(jīng)歷植物建立、群落正向演替以及長(zhǎng)期穩(wěn)定性管理3個(gè)階段。物種選擇在生態(tài)邊坡工程中尤為重要，不同草本的根系對(duì)土層的利用空間及對(duì)土壤環(huán)境(如土壤含水率、pH值、養(yǎng)分、微生物等)適應(yīng)程度不同，單一物種不僅由于其根系參數(shù)的局限性而難以充分利用表土空間[81]，而且難以適應(yīng)多樣化土壤環(huán)境。物種間競(jìng)爭(zhēng)則會(huì)提高區(qū)域內(nèi)根系總體生物量、密度及抗拉強(qiáng)度，達(dá)到更好固坡效果[59,88]。此外，在相同生境下，不同類型草本植物的根系參數(shù)差異較大[61,89]；在不同生境下，同種草本植物個(gè)體間的根系參數(shù)差異也較大[83,90]。因此在生態(tài)邊坡工程中應(yīng)注意物種的選擇與搭配，可根據(jù)邊坡不同立地條件及潛在剪切破壞面情況進(jìn)行最優(yōu)物種配置[81,91]。在非干旱區(qū)，原則上應(yīng)當(dāng)優(yōu)選地下生物量大且直根系、須根系相結(jié)合的物種配置模式，以實(shí)現(xiàn)根系功能和結(jié)構(gòu)的多樣性，在具有更高的生態(tài)服務(wù)價(jià)值及生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)力的同時(shí)，達(dá)到立體式護(hù)坡的目的[64,92]；在干旱/半干旱地區(qū)，則不宜種植耗水量大的植物，以防止地下水快速消耗而導(dǎo)致生境惡劣，同時(shí)種植密度需符合區(qū)域生態(tài)承載力。

對(duì)于礦山尾礦、排土場(chǎng)或其他人工邊坡而言，往往面臨地貌復(fù)雜、土壤貧瘠、環(huán)境惡劣的問(wèn)題，以至于難以形成穩(wěn)定的根系系統(tǒng)[93]。在植物建立初期應(yīng)當(dāng)把重心放在土壤生境改良上，因地制宜的選擇速生本地草本植物作為先鋒物種，配合人工管理措施以加速修復(fù)區(qū)植物建立和群落正向演替速率，達(dá)到對(duì)土壤生境提質(zhì)增效的目的[94]。

3.2 工程實(shí)踐

在現(xiàn)有理論基礎(chǔ)上，生態(tài)邊坡工程越發(fā)重視草本植物的固坡作用，同時(shí)注重農(nóng)學(xué)、草學(xué)、生態(tài)學(xué)、園藝學(xué)等多學(xué)科交叉技術(shù)的融合應(yīng)用。

生態(tài)邊坡工程建設(shè)充分發(fā)揮草本植物生物多樣性高、物種密度大、根系成型周期短、演替速度快的優(yōu)勢(shì)，優(yōu)選本地建群種進(jìn)行配置[81,95]。在植物建立階段根據(jù)最佳植物配置模式，按先鋒種、過(guò)度種、演替種、頂級(jí)種的配搭方式進(jìn)行不同階段的種植，以快速恢復(fù)至穩(wěn)定群落[96]。再結(jié)合適應(yīng)性管理策略，在群落演替及后期管理階段進(jìn)行適當(dāng)放牧或刈割等中度干擾以防止生物多樣性降低及不利物種的過(guò)度傳播[97-98]。條件允許時(shí)，所選物種兼顧水資源凈化、碳固存、經(jīng)濟(jì)性(食物、飼料、藥材或造紙?jiān)牧系?、觀賞性等其他服務(wù)價(jià)值[99]。總而言之，現(xiàn)階段利用生態(tài)邊坡工程建立的生態(tài)系統(tǒng)具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性和恢復(fù)力，能在自維持、免維護(hù)的基礎(chǔ)上保持多維度的生態(tài)服務(wù)功能。

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外草本植物固坡機(jī)理、效果及優(yōu)缺點(diǎn)的研究進(jìn)行深入分析，闡述了草本植物根系參數(shù)對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響過(guò)程，梳理了草本植物在生態(tài)邊坡工程中的作用及注意事項(xiàng)。得出結(jié)論如下：

植物通過(guò)根系吸水作用、葉片蒸騰作用、改善地表滲透率、增加坡面粗糙度等方式改變坡面水文條件；通過(guò)根系加筋效果、交織效應(yīng)提升土壤凝聚力和抗剪強(qiáng)度，從而改善邊坡穩(wěn)定性；木本與草本植物的固坡能力各有優(yōu)劣，固坡效果受生境和物種類型影響較大，因此不宜進(jìn)行簡(jiǎn)單對(duì)比；生態(tài)邊坡工程前期建設(shè)應(yīng)當(dāng)因地制宜地選用本地建群種進(jìn)行配置，多種物種組合不僅具有更高穩(wěn)定性，而且根系可以充分利用地下空間；后期穩(wěn)定性管理需有長(zhǎng)期規(guī)劃，以保證演替進(jìn)程、物種多樣性、持續(xù)固坡效果及其他生態(tài)服務(wù)價(jià)值。