香根草枯萎对根-土复合体抗剪强度的影响

Effect of vetiver root withering on shear strength of root-soil composites

摘要

目的 研究根系枯萎对根-土复合体抗剪性能的影响，为植被斜坡滑坡灾害防治提供理论依据。 方法 以香根草和花岗岩风化土为研究对象，采用应变控制式直剪仪进行试验，分析了活根-土复合体和枯萎根-土复合体的黏聚力及内摩擦角与根系直径、含水率等因素的关系。 结果 （1） 第0天与第56天相比，枯萎根根系直径缩小了10.4%~15.8%，枯萎90 d后的根系在外观和结构上与活根存在显著差异。（2） 抗剪强度特征总体呈现素土试样<根-土复合体试样，在含水率为15%时，活根-土复合体试样与枯萎根-土复合体试样的抗剪强度差异较小，仅为5.51 kPa，但随着含水率的增加，枯萎根-土复合体试样的抗剪强度显著低于活根-土复合体试样。（3） 活根-土复合体在四级含水率下仍有较高的黏聚力，而枯萎根-土复合体试样的黏聚力随着含水率上升而大幅下降。在含水率较低时，活根-土复合体与枯萎根-土复合体的根系黏聚力差距较小，但随着含水率增加，枯萎根-土复合体的根系黏聚力大幅下降，两者差距加大。 结论 在土壤含水率较低时，根系枯萎对固土效应的影响较小，但随着含水率的增加，枯萎根的固土效应逐渐减弱，当根-土复合体接近饱和时，枯萎根的固土效应几乎消失，需特别关注植物枯萎导致的根系固土效应降低及其可能引发的降雨诱发滑坡灾害。

Abstract

Objective This study aims to investigate the effect of root withering on the shear strength of root-soil composites， providing a theoretical basis for the prevention and control of landslide disasters on vegetated slopes. Methods Using vetiver and weathered granite soil as the research objects， tests were conducted using a strain-controlled direct shear apparatus. The relationships of cohesion and internal friction angle of living root-soil composites and withered root-soil composites with factors such as root diameter and moisture content were analyzed. Results （1） Compared with that on day 0， the diameter of the withered roots on day 56 decreased by 10.4% to 15.8%. After 90 days of withering， significant differences in appearance and structure were observed between the withered roots and the living roots. （2） The overall shear strength characteristics followed the order： plain soil specimens < root-soil composite specimens. At a moisture content of 15%， the difference in shear strength between the living root-soil composite specimens and the withered root-soil composite specimens was small， being only 5.51 kPa. However， with increasing moisture content， the shear strength of the withered root-soil composite specimens became significantly lower than that of the living root-soil composite specimens. （3） The living root-soil composites maintained high cohesion across four moisture content levels， while the cohesion of the withered root-soil composites decreased significantly with increasing moisture content. At low moisture content， the difference in root cohesion between the living root-soil and withered root-soil composites was small. However， as the moisture content increased， the cohesion of the withered root-soil composite decreased significantly， widening the gap between the two. Conclusion When the soil moisture content is relatively low， root withering has little effect on root reinforcement. However， the root reinforcement effect of withered roots gradually weakens with increasing moisture content. As the root-soil composites approach saturation， the reinforcement effect of withered roots becomes almost negligible. Therefore， special attention should be paid to the reduction in root reinforcement caused by plant withering and its potential to trigger rainfall-induced landslide disasters.

Graphical abstract

关键词

根系固土 / 抗剪强度 / 枯萎根 / 活根 / 香根草

Key words

root reinforcement / shear strength / withered roots / living roots / vetiver

植物的固土护坡作用主要由其根系实现。根系通过在土壤中向多个方向生长，形成一个锚定系统，从而帮助植物在土壤中稳定生长。根系能够根据土壤的密实程度、深浅和水分状况等条件扩展其生长范围并不断萌发更多细根进一步增强固土护坡能力。

研究表明植物根系在生长过程中由于季节变化等因素会逐渐死亡，同时也会长出新根，枯萎根与活根在土壤中难以分开^［1-3］。枯萎后的根系仍对土壤具有重要影响，枯萎根在腐烂前仍留在土壤中，腐烂后留下的空隙会增加土壤的孔隙度。关于枯萎根作用的研究，Ghestem等^［4］研究发现，植物根系对地下水流动有显著影响，水流优先在枯萎根或腐烂根形成的通道、腐烂根新被活根占据的通道以及活根周围的通道中流动。Zhang等^［5］在研究活根和枯萎根对水分入渗速率和土壤孔隙度的影响时发现，活根和枯萎根均能增加土壤的入渗速率，并提高土壤的蓄水能力，其中枯萎根土壤的蓄水能力最大。Yamase等^［6］的研究表明，树木死亡后根系的固土作用会下降，但如果被砍伐后的树木重新发芽，根系的固土强度只会暂时下降。此外，该研究区发生滑坡的破坏区附近的树种均死亡，也证实了植物枯萎对固土效果的影响。Johnson等^［7］研究发现，根系强度降低会导致土壤黏聚力下降，从而使边坡稳定性降低。对枯萎根的研究除前文所述外，还有根系识别^［8-9］、树木^［10-11］方面。

香根草（Vetiveria zizanioides）因其良好的气候适应性、耐寒耐瘠薄和发达的根系，广泛用于水土保持领域。花岗岩风化土是广东省边坡的代表性土样，约占省总面积的40%^［12］。由于其独特的风化特性，花岗岩风化土易形成最大可达70 m厚的土层，其主要组成成分包括石英、钾长石、云母及泥质。这些成分决定了花岗岩风化土的水敏性和遇水软化、崩解的特点^［13-14］。

植物根系固土作用的研究已涉及含水率、密度、根系形态等方面^［15-18］，其中不乏草本植物方面的研究，但针对枯萎根的固土作用研究仍较为匮乏。鉴于此，本文拟通过室内应变控制式直剪仪进行试验，以香根草-花岗岩风化土组成的根-土复合体为研究对象，通过直剪方式研究活根与枯萎根的抗剪强度、黏聚力和内摩擦角与根系直径、含水率等因素关系，为植物根系固土护坡机理研究提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

（1） 花岗岩风化土。试验所用的土壤为花岗岩风化土，取自广东省梅州市五华县，地理位置为23°23′50″N，115°26′49″E，地貌类型主要为山地和丘陵。为减少腐殖质对试验的影响，选择在挖掘机挖开的半山中取试验土。测定土样的基本物理性质见表1，土样粒径级配见图1。

（2） 香根草。购入的香根草带有大部分泥土，每丛香根草用一个盆种植，放在室内使用植物灯每天照射12 h并定时浇水。使用活根时提前一天将香根草连盆一起放入水池浸泡，第二天将香根草根系上的泥土冲洗干净。

枯萎根的制作：考虑到香根草耐旱耐寒能力高，广东寒冷气候极少且雨水充沛，一般情况下不会死亡。为使获得的枯萎根尽可能完整，将活香根草放入水池中，加水至完全淹没根系部分后浸泡一天，第二天将粘在根系上的泥土用水冲洗干净后晾干至没有水滴落状态，在室内阴凉通风环境下放置90 d后使用。

在制作枯萎根过程中随机挑取4丛生长状况良好的香根草进行记录，每丛香根草选取9~11个根系，使用记号笔在根系上做好标记，每隔7 d使用数显卡尺进行测量。记录时共选定40个根系，其中1个根系在后续的测量过程中因操作不当导致断裂，实际可用数据为39个。

试验时按照试验要求选取根段较直无弯曲、表面无损伤的根系，将根毛去除，用游标卡尺每隔1 cm测量一次根系直径后取平均值，误差±0.05 mm内即可使用。

1.2 试验方案

使用南京土壤仪器厂生产的ZJ型应变控制式直剪仪进行试验，试验研究因素见表2，布根方式为间隔1 cm，按正方形放置4个根在试样中央。由于本次试验中直径为0.5~2 mm的根系数量最多，将根系直径0.5~2 mm的根系以0.5 mm为一级，分为四级。试验方法依据中国土工试验方法标准（GB/T50123-2019）进行。考虑到天然状态下土体发生位移时速率较快，因此本试验采用不固结不排水（UU）快剪试验。其中，15%含水率对应的工况为未发生降雨，表层土体处于天然含水率状态；30%含水率对应的工况为降雨强度较大，表层土体处于饱和含水率状态。

1.3 试样制作

首先，按照预定密度和含水率称取所需质量的土壤和水，将其搅拌均匀，搅拌完成后使用密封袋装好，放置在保湿缸一晚使其水分均匀；其次，称取好所需土的质量，先放环刀再垫一张滤纸，将土倒入环刀压样器后再放入一张滤纸，随后进行压样，压样时先不完全压制完成，如图2A所示留3 mm左右高度；再次，取出试样，掀开上层滤纸，用尺子找到试样中心，间隔10 mm，按正方形用铁签在4个角垂直穿入，取出铁签时注意不要带出土壤如图2B所示，将准备好的根放入铁签穿出的孔中如图2C所示；最后垫上滤纸，将含根的试样放入环刀压样器压制成尺寸为61.8 mm×20 mm的标准试样，如图2D、2E所示。制作的样本量为56组，共224个试样，每组重复2次。

1.4 抗剪强度确定

剪切应力和剪切位移使用数采软件记录，根据试验结果以剪应力为纵坐标，剪切位移为横坐标，剪应力与剪切位移曲线图，选取曲线图上的峰值点或稳定值作为抗剪强度，当无明显峰值点时，取剪切位移为4 mm时所对应剪应力为抗剪强度。内摩擦角和黏聚力根据下面的摩尔 · 库伦公式推求。

\tau ={\sigma }_n\mathrm{t}\mathrm{a}\mathrm{n}\phi +c（1）

式中：\tau为土体的抗剪强度（kPa）；{\sigma }_n为法向应力（kPa）；\phi（°）为土体的内摩擦角；c为土的黏聚力（kPa）。

根系的黏聚力（c_r）按照下面公式推求。

c_r=c-c_s（2）

式中：c_r为根系的黏聚力（kPa）；c_s为素土的黏聚力（kPa）。

2 结果与分析

2.1 根系枯萎过程中直径随时间的变化

将每丛香根草上做了标记的根记录后取平均值，绘制根系直径与时间关系图，如图3所示。在香根草枯萎过程中，根系因为丧失水分导致其直径收缩，四丛香根草根系枯萎收缩过程的曲线趋势相似，根系直径在第7天下降程度最剧烈，其次为第14天，在28 d后根系直径变化较小，趋于平稳。第56天的香根草根系直径与第0天相比，根系直径减少了10.4%~15.8%，第56天后的香根草根系直径不再发生变化。

2.2 不同含水率下试样的抗剪强度

不同垂直载荷下试样的抗剪强度如图4所示，土壤含水率为15%时活根试样与枯萎根试样的抗剪强度差值不大，差值最大为200 kPa垂直载荷下直径2 mm的根系，枯萎根-土复合体试样的抗剪强度比活根-土复合体试样高5.51 kPa；土壤含水率为20%时，100 kPa和200 kPa垂直载荷下活根-土复合体试样的抗剪强度明显大于枯萎根，差值最大为22.39 kPa；土壤含水率为25%时，枯萎根-土复合体试样的抗剪强度与素土试样的抗剪强度很接近，而活根-土复合体试样仍有明显的抗剪力。土壤含水率为30%时，50 kPa和100 kPa垂直载荷下枯萎根-土复合体试样的抗剪强度与素土试样无异，垂直载荷为150 kPa和200 kPa时部分枯萎根-土复合体试样的抗剪强度略比活根-土复合体试样高，差值最大的为直径2 mm的带根土试样，枯萎根-土复合体试样的抗剪强度比活根-土复合体试样高5.99 kPa。

因本次设置15%含水率对应的工况为未发生降雨，表层土体处于天然含水率状态，30%含水率对应的工况为降雨强度较大，表层土体基本处于饱和含水率状态，15%含水率图中可知四级垂直载荷下，带根土试样的抗剪强度均远比素土高；含水率为30%时，垂直载荷较小的50 kPa、100 kPa条件下活根-土复合体试样的抗剪强度明显优于枯萎根-土复合体试样，随着垂直载荷增大，活根-土复合体试样的抗剪强度与素土试样的抗剪强度差值越来越小，枯萎根-土复合体试样在较低垂直载荷下的抗剪强度与素土试样很相近。

试样的抗剪强度特征如表3所示，四级垂直载荷下活根-土复合体试样平均抗剪强度比枯萎根-土复合体试样的高，垂直载荷为100 kPa时两者平均抗剪强度差异最显著，垂直载荷为150 kPa和200 kPa时平均抗剪强度差异较小。三级直径下两种试样的平均抗剪强度差异不大，但活根-土复合体试样的平均抗剪强度仍比枯萎根-土复合体试样的高。

2.3 根-土复合体的黏聚力

由图5可知，根系直径相同情况下，随着含水率上升，试样的黏聚力整体呈下降趋势，四级含水率下根-土复合体试样的黏聚力有显著差异，这与骆丕昭^［19］、郑晓岚 ^［20］、海龙^［21］等的结论一致，枯萎根-土复合体试样的黏聚力与活根-土复合体试样相比，下降幅度最大，在含水率为30%时枯萎根-土复合体试样的黏聚力与素土试样相近，但在含水率为15%时与活根-土复合体试样相近。在含水率相同情况下大部分活根-土复合体试样的黏聚力大于枯萎根-土复合体试样，随着含水率增加，活根-土复合体试样与枯萎根-土复合体试样的黏聚力差值进一步增大。

含水率为15%时试样的黏聚力最高，活根-土复合体试样与枯萎根-土复合体试样间的黏聚力差值很小，根系直径1 mm试样、根系直径1.5 mm试样、根系直径2 mm试样的黏聚力差值分别为0.285 kPa，3.7 kPa，1.385 kPa，三级直径下枯萎根-土复合体试样的黏聚力均略低于活根-土复合体试样；含水率为20%时，根系直径1 mm和1.5 mm试样的黏聚力差值不大，约为1 kPa左右，但在根系直径2 mm时活根-土复合体试样与枯萎根-土复合体试样的黏聚力差值为19.8 kPa，差值为1倍；含水率为30%时枯萎根-土复合体试样与活根-土复合体试样的黏聚力差值最大，其中根系直径1.5 mm试样差值最大为30.1 kPa，约14倍。

除素土试样外，土壤含水率与根系直径相同时视为一组试验，一级根系直径为4组，共12组试验，由图5可知，枯萎根-土复合体试样的黏聚力比活根-土复合体试样高的试样仅有2个，占总数的16.67%。

活根-土复合体在四级含水率下仍有较高的黏聚力，枯萎根-土复合体试样则随着含水率上升，黏聚力大幅下降，最后枯萎根-土复合体试样的黏聚力与素土无异。

2.4 根-土复合体的内摩擦角

由图6可知，素土试样的内摩擦角随着含水率增加，呈先上升后略微下降，随后再上升趋势；素土试样的内摩擦角在含水率为20%，25%和30%时变化较小，内摩擦角的最大与最小差值为0.68°；三级直径中活根-土复合体试样的内摩擦角随着含水率增加，呈先上升后下降趋势；直径1 mm和1.5 mm的枯萎根-土复合体试样的内摩擦角随着含水率增加呈上升趋势，直径2 mm的枯萎根-土复合体试样的内摩擦角曲线波动较大；枯萎根-土复合体试样的内摩擦角波动范围最小为含水率15%的试样，为1.15°，波动范围最大为含水率25%的试样，为3.29°。

内摩擦角差值最大和差值最小的活根-土复合体与枯萎根-土复合体试样均为根系直径1.5 mm的试样，其中含水率30%时差值最大，为7.16°；含水率为25%时差值最小，为0.28°。从整体来看含水率为15%与30%时试样的内摩擦角均有显著差异，含水率为20%与25%时试样的内摩擦角均差异较小。

2.5 根系黏聚力特征

固定不同直径下根-土复合体的内摩擦角，根据公式（2）计算根系黏聚力，结果见图7。不同直径下根系黏聚力随含水率的变化趋势相似。随着含水率上升，活根的根系黏聚力变化不大，而枯萎根的根系黏聚力下降趋势明显。根系直径1 mm的根-土复合体，含水率为15%和20%时，活根的根系黏聚力比枯萎根的根系黏聚力分别大0.285 kPa和1.155 kPa。随着含水率的进一步增加，枯萎根的根系黏聚力大幅下降，含水率为25%枯萎根的根系黏聚力最低，仅为1.345 kPa；根系直径1.5 mm，含水率为20%时活根和枯萎根的根系黏聚力差距最小，活根的根系黏聚力高于枯萎根的根系黏聚力0.425 kPa，含水率为30%时枯萎根的根系黏聚力为-0.905 kPa，表明此时枯萎根的存在反而降低了土体强度；根系直径2 mm，含水率为15%时两种根系的黏聚力差距最小，枯萎根的根系黏聚力低于活根的根系黏聚力1.385 kPa。

在含水率较低时，活根与枯萎根的根系黏聚力差距较小，随着含水率增加，枯萎根的根系黏聚力大幅下降，含水率为30%时活根与枯萎根的根系黏聚力差距最大。在土壤含水率与根系直径相同时视为一组试验，一级根系直径为4组，共12组试验，枯萎黏聚力比活根高的试样仅有2个，占总数的16.67%。从整体来看四级含水率下枯萎根的根系黏聚力均有显著差异，活根的黏聚力在含水率为15%，20%与25%时差异较小。

3 讨 论

在对根系进行拉伸强度测试的研究中，Lauris 等^［22］发现，直径大于1.5 mm的枯萎根在抗拉强度方面优于活根。此外，刘亚斌^［23］和张乔艳^［24］等的研究表明，根系表面的微观结构特征对根土界面的摩擦强度有显著影响，根系表面凹凸度较大的情况下，摩擦强度相对较高。观察发现（图8），活根的颜色较亮，根系呈肿胀饱满状态，表面沟槽较少且根毛较多，弯折时具有一定弹性；而枯萎根的颜色较灰，表面坚硬且有许多细长的纵向沟槽，大部分须根已脱落。活根的横截面上可见细小根毛，网状层中充满水分和其他物质，根芯呈浅色圆形，各部分结合紧密；相比之下，枯萎根的横截面外层的根毛大部分已经脱落，网状层中的水分和物质流失，仅留下网状结构，中间根芯内部有细小孔洞，呈椭圆形，根芯与网状层结合部分脱落。由于根系枯萎后表面沟槽较多，理论上在其他条件相同的情况下枯萎根的抗剪强度会比活根高，但由于根系内部水分和物质流失形成的空隙，土体剪切时根系内的空隙可能会像“安全气囊”提供缓解和降低抗剪强度的作用。若土体内含水率较高，则水分可能会软化枯萎根网状层部分，也会降低根系的抗剪强度。

在不同垂直载荷下的抗剪强度关系图中，部分枯萎根-土复合体试样的抗剪强度略高于活根-土复合体试样。这可能由于枯萎根在水分丧失后，保留了根系的组织结构，使其在土壤含水率较低（如15%）时，仍能通过物理结合发挥一定的抗剪能力^［25］；随着土壤含水率的增加，枯萎根内失去的水分被土壤中的水分填充，导致根系变软^［5］，同时土颗粒之间的黏结作用减弱，从而降低了枯萎根的抗剪强度。在饱和含水率状态下，活根在浅层土体中仍表现出较强的固土作用，而枯萎根的固土作用则较为有限；在干燥条件下，活根与枯萎根在固土作用上相当，均具有明显的加固效果。同时，试样的抗剪强度与垂直载荷基本呈线性关系，这与许桐^［26］、郭欢^［27］、储怡鑫 ^［28］等的研究结论相同；同一垂直载荷下，随着含水率不断上升，试样的抗剪强度呈下降趋势，这与已有^{［18-21，29-30］}的研究结论相同；四级含水率下素土的抗剪强度均为最低，枯萎根也对抗剪强度有贡献；枯萎根-土复合体试样的抗剪强度普遍低于活根-土复合体试样。

在较低垂直载荷（如50 kPa和100 kPa）下，大多数枯萎根-土复合体试样的抗剪强度低于活根-土复合体试样。然而，在较高垂直载荷（如150 kPa和200 kPa）和30%含水率条件下，部分枯萎根-土复合体试样的抗剪强度略高于活根-土复合体试样。根据图8的观察，垂直载荷较低时，土颗粒未能完全挤压枯萎根内部的空隙，这些空隙在剪切过程中起到了缓冲作用。垂直载荷较高时，土颗粒完全挤压枯萎根，导致根系表面沟槽增多。结合Lauris等^［24］的研究结论，即相同直径下枯萎根的抗拉强度大于活根，可以推测在这种压力下，枯萎根的抗剪强度高于表面圆滑的活根。

4 结 论

（1） 素土试样的抗剪强度最低，而枯萎根虽然对抗剪强度有一定贡献，但不及活根。

（2） 在根系枯萎过程中，根径逐渐收缩。经过90 d的枯萎，根系的外观和结构与活根存在显著差异。

（3） 在土壤含水率较低时，植物根系的枯萎对土壤固结效果的影响较小。然而，随着含水率的增加，枯萎根的影响逐渐显现，其固土效果显著低于活根。

以上试验结果显示，香根草的根系枯萎对土壤加固作用具有显著影响。在降雨导致边坡含水率较高的情况下，枯萎根的固土贡献明显低于活根，这可能会引发滑坡灾害。因此，在边坡工程管理与灾害防治中，应特别关注植物枯萎对边坡稳定性和滑坡风险的潜在影响。

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基金资助

国家自然科学基金(52379101)

广东省普通高校重点科研项目(2022KTSCX013)