植物根系固土試驗(yàn)研究進(jìn)展

摘" 要：植物根系固土技術(shù)在防治土體滑坡中具有重要作用。為深入了解植物根系與土壤相互作用機(jī)理，基于現(xiàn)有研究成果，利用VOSviewer軟件對(duì)2000—2023年植物根系固土領(lǐng)域文獻(xiàn)進(jìn)行關(guān)鍵詞聚類分析，得出植物根系固土試驗(yàn)研究常用的方法有根土復(fù)合體剪切試驗(yàn)、單根抗拉試驗(yàn)、根系構(gòu)型試驗(yàn)和原位拉拔試驗(yàn)，分類歸納4種試驗(yàn)方法的適用性及應(yīng)用情況。詳細(xì)梳理各試驗(yàn)方法的研究進(jìn)展，總結(jié)根系參數(shù)、土壤性質(zhì)和環(huán)境條件對(duì)固土效果的影響。未來(lái)研究需優(yōu)化試驗(yàn)方法，更準(zhǔn)確地模擬實(shí)際條件中根土復(fù)合體的受力，以提高試驗(yàn)研究結(jié)論的準(zhǔn)確性和代表性。

關(guān)鍵詞：根系固土；文獻(xiàn)計(jì)量；根系構(gòu)型；抗剪強(qiáng)度；單根抗拉試驗(yàn)；原位拉拔試驗(yàn)

中圖分類號(hào)：TU411 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號(hào)：2095-2945（2025）01-0074-06

Abstract： Plant root soil fixation technology plays an important role in preventing and controlling soil landslides. In order to deeply understand the interaction mechanism of plant roots and soil， based on existing research results， VOSviewer software was used to conduct keyword cluster analysis of the literature in the field of plant roots soil consolidation from 2000 to 2023， and the commonly used methods for plant roots soil consolidation test research were obtained. Root soil composite shear test， root tensile test， root configuration test and in-situ pullout test， and the applicability and application of the four test methods were classified and summarized. The research progress of each test method was reviewed in detail， and the effects of root parameters， soil properties and environmental conditions on soil consolidation were summarized. Future research needs to optimize the test method to more accurately simulate the forces on the root-soil complex under actual conditions to improve the accuracy and representativeness of the test research conclusions.

Keywords： root soil fixation; literature measurement; root configuration; shear strength; single root tensile test; in-situ pull-out test

隨著人類對(duì)礦產(chǎn)資源的不斷開(kāi)采和大規(guī)模基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的增加，人工邊坡的規(guī)模逐漸增大，引發(fā)了嚴(yán)重的水土流失和土地沙化，加劇了生態(tài)系統(tǒng)的退化[1]。傳統(tǒng)的護(hù)坡加固主要采用砌石及混凝土等土木工程措施，雖然這些措施的效果顯著、治理周期短，但其治理成本較高，且原有邊坡的自然植被難以重生，與生態(tài)和諧的可持續(xù)性發(fā)展相悖[2]。因此，生物軟措施作為環(huán)境保護(hù)和水土保持的手段受到越來(lái)越多的關(guān)注。植物根系對(duì)土體的加筋和錨固作用，對(duì)防治表土侵蝕和淺層滑坡2類最常見(jiàn)的邊坡不穩(wěn)定，發(fā)揮著關(guān)鍵作用[3]。鑒于此，本文以中國(guó)知網(wǎng)（CNKI）和Web of Science數(shù)據(jù)庫(kù)為源，以VOSviewer軟件為研究工具，基于文獻(xiàn)關(guān)鍵詞計(jì)量結(jié)果，對(duì)2000—2023年國(guó)內(nèi)外植物根系固土試驗(yàn)研究進(jìn)行綜合分析，概述了根系固土試驗(yàn)的類型、對(duì)象、儀器和適用性，總結(jié)了影響根系護(hù)坡效應(yīng)的相關(guān)因素和植物根系固土試驗(yàn)研究的進(jìn)展，提出了未來(lái)研究展望，以期為植物根系固土研究發(fā)展提供科學(xué)參考。

1" 植物根系固土試驗(yàn)方法文獻(xiàn)分析

本文以關(guān)鍵詞作為研究?jī)?nèi)容和主題的核心表征，分別對(duì)中文文獻(xiàn)和外文文獻(xiàn)進(jìn)行了量化分析。以“根系固土”“固土護(hù)坡”“（土壤）抗剪強(qiáng)度”“邊坡穩(wěn)定（性）”“根（-）土復(fù)合體”“邊坡”“根系力學(xué)特性”“直剪試驗(yàn)”和“生態(tài)護(hù)坡”為主題，檢索中國(guó)知網(wǎng)（CNKI）數(shù)據(jù)庫(kù)和Web of Science核心數(shù)據(jù)庫(kù)中2000—2023年內(nèi)發(fā)表的論文，共獲得中文文獻(xiàn)1 916篇、英文文獻(xiàn)1 865篇。剔除學(xué)位論文、書(shū)籍、會(huì)議論文、重復(fù)、無(wú)作者和研究主題不符文獻(xiàn)后，最終得到中文文獻(xiàn)767篇，英文文獻(xiàn)550篇。利用VOSviewer軟件對(duì)文獻(xiàn)樣本進(jìn)行關(guān)鍵詞聚類分析。

1.1" CNKI數(shù)據(jù)庫(kù)中文文獻(xiàn)關(guān)鍵詞共現(xiàn)圖譜

結(jié)合2000—2023年CNKI數(shù)據(jù)庫(kù)植物根系固土中文文獻(xiàn)關(guān)鍵詞共現(xiàn)圖譜（圖1），延伸出有關(guān)植物根系固土試驗(yàn)的關(guān)鍵詞主要有“抗剪強(qiáng)度”“抗拉強(qiáng)度”“根系形態(tài)”和“拉拔強(qiáng)度”等。其中，“抗剪強(qiáng)度”“抗拉強(qiáng)度”出現(xiàn)的頻次高，距離中心位置近，兩者對(duì)應(yīng)了直剪試驗(yàn)和單根抗拉試驗(yàn)；“根系形態(tài)”對(duì)應(yīng)的根系構(gòu)型試驗(yàn)靠近中心，但出現(xiàn)頻次較低；“拉拔強(qiáng)度”所對(duì)應(yīng)的原位拉拔試驗(yàn)節(jié)點(diǎn)小、出現(xiàn)頻次低。這表明直剪試驗(yàn)、單根抗拉試驗(yàn)是國(guó)內(nèi)研究根系固土最常用的試驗(yàn)，根系構(gòu)型試驗(yàn)重要性強(qiáng)但開(kāi)展的頻次較低，原位拉拔試驗(yàn)的使用較少。

1.2" Web of Science核心數(shù)據(jù)庫(kù)英文文獻(xiàn)關(guān)鍵詞共現(xiàn)圖譜

由2000—2023年Web of Science核心數(shù)據(jù)庫(kù)植物根系固土英文文獻(xiàn)關(guān)鍵詞共現(xiàn)圖譜（圖2）衍生出的有關(guān)植物根系固土試驗(yàn)的關(guān)鍵詞主要有“抗剪強(qiáng)度”“根系抗拉強(qiáng)度”“抗拔強(qiáng)度”和“根系構(gòu)型”。其中，“抗剪強(qiáng)度”節(jié)點(diǎn)最大，“根系抗拉強(qiáng)度”次之，再是“抗拔強(qiáng)度”，根系構(gòu)型的節(jié)點(diǎn)最小、出現(xiàn)頻次最低。這表明國(guó)外研究最常用的是直剪試驗(yàn)及單根抗拉試驗(yàn)，其次是原位拉拔試驗(yàn)，根系構(gòu)型試驗(yàn)開(kāi)展較少。

1.3" 根系固土試驗(yàn)方法概述

針對(duì)文獻(xiàn)計(jì)量解析出的4種常用試驗(yàn)，從類型、試驗(yàn)對(duì)象、常用試驗(yàn)儀器和研究?jī)?nèi)容4個(gè)方面進(jìn)行對(duì)比分析，見(jiàn)表1。

2" 植物根系構(gòu)型試驗(yàn)

2.1" 植物根系的空間構(gòu)型

人工全挖法的關(guān)鍵在于開(kāi)挖過(guò)程中不改變植物根系的空間結(jié)構(gòu)。因此，開(kāi)挖操作需要按照“由外到內(nèi)、逐層開(kāi)挖”的原則進(jìn)行。為維持根系的原有結(jié)構(gòu)，一些學(xué)者建議開(kāi)挖時(shí)采用十字架來(lái)固定植物的位置[4]。表2總結(jié)了基于人工全挖法的植物根系空間構(gòu)型研究情況，并列舉了文章的研究?jī)?nèi)容。李珍玉等[5]針對(duì)香根草根系的空間分布進(jìn)行了全面的根系研究，結(jié)果顯示根系隨土層深度的增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，根系密度沿土層剖面呈現(xiàn)Logistic曲線分布，且坡腳方向的根系粗密，坡頂方向的根系細(xì)疏。李珍玉等[4]的后續(xù)研究對(duì)香根草的根系角度分布進(jìn)行了補(bǔ)充，發(fā)現(xiàn)在30°的邊坡中，下坡向根系分布角度主要為0～30°，而上坡向根系分布角度主要為0～55°。梁燊等[6]研究了檸條錦雞兒在不同齡期的根系分布范圍和根面積比分布，發(fā)現(xiàn)其根系主要分布在0～0.6 m的土層深度范圍內(nèi)，且幼齡期和老齡期檸條錦雞兒的根面積比隨土層深度增加逐漸減少，而中齡期則呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。Zhang等[7]對(duì)白柳的研究結(jié)果表明，白柳根系具有對(duì)稱性和上坡生長(zhǎng)的特點(diǎn)，根系主要分布在土壤的圓柱形區(qū)域。

探地雷達(dá)技術(shù)（Ground Penetrating Radar，GPR）是一種新興的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，其工作原理基于電磁波在介電常數(shù)不同的介質(zhì)界面反射的現(xiàn)象，通過(guò)分析反射信號(hào)的時(shí)延、形狀、頻譜特征等參數(shù)，推斷目標(biāo)的深度、空間分布[8]。目前GPR技術(shù)可識(shí)別的最小植物根徑為0.5～4.0 cm，草本植物的根莖水平難以達(dá)到識(shí)別閾值。因此，GPR技術(shù)主要應(yīng)用于樹(shù)木根系的研究或草本植物粗根（gt;0.5 cm）根系的研究[9]。

2.2" 植物根系的形態(tài)特征

根系的形態(tài)特征，如根徑、根長(zhǎng)、根體積和根表面積，主要通過(guò)2種主要方法獲?。阂环N是將根系近似為圓柱體，進(jìn)行人工測(cè)量并進(jìn)行計(jì)算；另一種方法是利用計(jì)算機(jī)輔助圖像分析系統(tǒng)進(jìn)行根系形態(tài)特征分析，相對(duì)于傳統(tǒng)方法具有更好的精度和效率[10]。表3對(duì)不同根系形態(tài)特征統(tǒng)計(jì)方法進(jìn)行了對(duì)比。

3" 力學(xué)試驗(yàn)

3.1" 根土復(fù)合體剪切試驗(yàn)

剪切試驗(yàn)主要包括直接剪切試驗(yàn)、三軸壓縮試驗(yàn)等。直接剪切試驗(yàn)因其簡(jiǎn)便、經(jīng)濟(jì)、易操作的特點(diǎn)，是根系固土研究中最常用的試驗(yàn)。李建興等[11]運(yùn)用直剪試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，隨著根長(zhǎng)密度和根表面積密度的增加，土壤內(nèi)摩擦角和黏聚力均顯著增加，但根重密度對(duì)土體抗剪強(qiáng)度影響不明顯。王莉茹等[12]的研究指出根長(zhǎng)密度、根重密度、根系表面積密度與抗剪強(qiáng)度增加值之間呈正相關(guān)的對(duì)數(shù)函數(shù)關(guān)系。同時(shí)，陳義君等[13]通過(guò)直剪試驗(yàn)揭示了土體抗剪強(qiáng)度與根重密度、根表面積密度、根長(zhǎng)密度和含水率正相關(guān)；不同坡度條件下的抗剪強(qiáng)度為3°邊坡的抗強(qiáng)度大于25°的邊坡。Zhou等[14]的研究發(fā)現(xiàn)，在植被生長(zhǎng)期，犬齒牙、多花木蘭和草灌木混合物的根土復(fù)合體的抗剪強(qiáng)度先增大后減小。王貴榮等[15]對(duì)重塑土進(jìn)行直剪試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在含砂量增加的情況下，根土復(fù)合體的黏聚力先增大后減小，而隨著根面積比的增加，根土復(fù)合體的抗剪強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)。展鵬等[16]在干濕交替條件下對(duì)重塑土進(jìn)行直剪試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，干濕交替時(shí)，干濕交替下，抗剪強(qiáng)度下降，根長(zhǎng)、根徑增大與抗剪強(qiáng)度增大，黏聚力、內(nèi)摩擦角與土體容重呈正相關(guān)，土體抗剪強(qiáng)度較原狀土體弱。劉國(guó)松等[17]在凍融條件下對(duì)根土復(fù)合體試樣進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，植物根系能夠阻隔一部分土體溫差變化，減緩?fù)馏w黏聚力下降幅度。表4總結(jié)了根土復(fù)合體直剪試驗(yàn)研究情況?？梢杂^察到，研究者們對(duì)于根系長(zhǎng)密度、根表面積密度、根長(zhǎng)對(duì)抗剪強(qiáng)度的影響結(jié)論較為一致，但在根重密度這一參數(shù)對(duì)土體抗剪強(qiáng)度的影響上，研究結(jié)論尚不統(tǒng)一，需要進(jìn)一步深入以明確影響規(guī)律。

3.2" 單根抗拉試驗(yàn)

植物根系抗拉性能的測(cè)定采用單根抗拉試驗(yàn)進(jìn)行測(cè)定，試驗(yàn)儀器有微型萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)、拉力儀、簡(jiǎn)易彈簧秤或其他自制儀器。研究?jī)?nèi)容涉及根系直徑、根系長(zhǎng)度、根系含水率、化學(xué)物質(zhì)和土壤含水率等因素對(duì)于根系抗拉性能的影響。表5是對(duì)單根抗拉試驗(yàn)研究情況的總結(jié)。張春濤等[18]發(fā)現(xiàn)根系抗拉特性與纖維素含量呈顯著正相關(guān)，而與半纖維素和木質(zhì)素含量呈顯著負(fù)相關(guān)。蘇雪萌等[19]的研究結(jié)果顯示，當(dāng)根徑一定時(shí)，根系的最大抗拉力和極限抗拉強(qiáng)度隨根長(zhǎng)的增大而減少。毛正君等[20]的研究揭示了加載速率對(duì)紫花苜蓿根系抗拉力和抗拉強(qiáng)度的顯著影響。Feng等[21]發(fā)現(xiàn)根的抗拉強(qiáng)度隨根徑的增大而減小，而拉力隨根徑增大而增大。Zhu等[22]發(fā)現(xiàn)，隨著土壤體積含水量的增加，根系抗拉強(qiáng)度持續(xù)下降，降低約15%。Lee等[23]的研究結(jié)論指出，風(fēng)應(yīng)力顯著降低了澳大利亞松幼苗根系的抗拉強(qiáng)度。此外，Zhang等[24]的研究結(jié)果顯示，具有相同直徑的根，拉力、抗拉強(qiáng)度和彈性模量隨著植物年齡的增長(zhǎng)而增加。Ekeoma等[25]的研究表明，根系經(jīng)過(guò)干燥60 min后的最大強(qiáng)度和楊氏模量值分別是水和根的3倍和4倍，當(dāng)含水量下降時(shí)，根系的抗拉強(qiáng)度和楊氏模量迅速增加?？偨Y(jié)以上內(nèi)容發(fā)現(xiàn)，根系抗拉性能受到根系結(jié)構(gòu)、環(huán)境條件及根系生長(zhǎng)過(guò)程中的變化等多種因素的影響，這些發(fā)現(xiàn)對(duì)于理解根系在土壤中的功能以及植被護(hù)坡工程的設(shè)計(jì)具有重要的指導(dǎo)意義。但目前的試驗(yàn)研究主要采用靜荷載，實(shí)際情況中根系常常在土壤中受到往復(fù)的拉力作用，因此動(dòng)態(tài)荷載下根系的性能研究有待深入。

3.3" 原位拉拔試驗(yàn)

原位拉拔試驗(yàn)在自然環(huán)境中進(jìn)行。試驗(yàn)中，根系受到逐漸增大的拉拔力，模擬實(shí)際場(chǎng)景中可能發(fā)生的土體滑動(dòng)情況，監(jiān)測(cè)根系在拉拔過(guò)程中的抗拉阻力。周霞等[26]對(duì)紫花苜蓿進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，根系拉拔力與根長(zhǎng)、根系表面積呈正相關(guān)。Ji等[27]研究了油松，發(fā)現(xiàn)其最大拔出力隨著分支直徑和分支角度的總和增加而增大。Su等[28]發(fā)現(xiàn)雪松的最大拔出力隨根徑增加而顯著增加，但隨土壤密度增加僅略有增加，根徑對(duì)最大拔出力的影響較大。Leung等[29]的研究涉及七葉舍夫拉和小香茅，結(jié)果顯示種植樹(shù)木相比天然樹(shù)木具有更強(qiáng)的錨固能力。Hou等[30]對(duì)紫穗槐的研究顯示，隨著保水劑用量的增加，植物錨定力明顯下降。鄭明新等[31]研究花木蘭表明，根系的抗拔力隨地下生物量和側(cè)根數(shù)的增加呈指數(shù)函數(shù)增大，且隨生長(zhǎng)期的延長(zhǎng)，根系平均抗拔力的增幅減小。劉亞斌等[32]以檸條錦雞兒為研究對(duì)象，發(fā)現(xiàn)土壤含鹽量由0.59%增長(zhǎng)至2.00%時(shí)，單根最大抗拔出力先增大后減小，并在含鹽量為1.00%時(shí)達(dá)到峰值，符合二次函數(shù)關(guān)系。原位拉拔試驗(yàn)研究情況總結(jié)于表6中。結(jié)果顯示，植物根系的抗拔力在不同條件下表現(xiàn)出多樣性和復(fù)雜性，受到根系結(jié)構(gòu)、土壤性質(zhì)以及植物生長(zhǎng)狀態(tài)等因素的影響。然而，目前的研究大多集中在根系的宏觀或幾何層面，根系中的化學(xué)物質(zhì)與抗拔力關(guān)系的研究較少。

4" 結(jié)論與展望

植物根系固土試驗(yàn)研究已經(jīng)取得了豐富成果，不斷明確了根系參數(shù)、土壤性質(zhì)和環(huán)境條件對(duì)根系固土效果的影響，并對(duì)部分影響進(jìn)行了量化，為植物根系固土力學(xué)模型的建立和改進(jìn)提供了重要參考。然而，仍存在一些問(wèn)題和難點(diǎn)需要解決，因此對(duì)植物根系固土試驗(yàn)研究提出以下展望。

1）無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的研究。由于探地雷達(dá)技術(shù)的限制，草本植物的根系構(gòu)型研究大多采用人工全挖法，但這種方法難以避免人為因素對(duì)根系空間構(gòu)型的影響。未來(lái)的研究需要加強(qiáng)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的研究，以減少人為因素對(duì)根系空間構(gòu)型的影響。

2）根系參數(shù)對(duì)抗剪強(qiáng)度影響的研究。盡管根系參數(shù)對(duì)抗剪強(qiáng)度的影響已經(jīng)有了較為一致的結(jié)論，但在部分參數(shù)（如根重密度）對(duì)抗剪強(qiáng)度影響的研究結(jié)論上仍存在差異。未來(lái)需要進(jìn)一步開(kāi)展這方面的研究，以期達(dá)到試驗(yàn)結(jié)果的統(tǒng)一。

3）動(dòng)態(tài)荷載下的根系抗拉試驗(yàn)的研究。目前根系抗拉試驗(yàn)大多采用靜荷載。然而，實(shí)際場(chǎng)景中的根系常常會(huì)經(jīng)歷動(dòng)態(tài)或往復(fù)的拉力作用。因此，單純采用靜荷載難以準(zhǔn)確模擬根系在土體中的受力情況，存在欠缺。未來(lái)研究應(yīng)加強(qiáng)動(dòng)態(tài)荷載在根系抗拉強(qiáng)度研究中的應(yīng)用，以更準(zhǔn)確地評(píng)估根系的抗拉性能。

4）根系中微觀物質(zhì)對(duì)抗拔強(qiáng)度影響的研究。目前，原位拉拔試驗(yàn)研究聚焦于根系幾何或宏觀因素對(duì)抗拔強(qiáng)度的影響。根系內(nèi)部的化學(xué)物質(zhì)是否對(duì)根系拉拔強(qiáng)度造成影響，是未來(lái)研究的重要方向。

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