草本植物對邊坡穩定性影響研究進展

郭洋楠， 宮傳剛， 楊 劍， 朱國慶

(1．神華神東煤炭集團有限責任公司， 陜西 神木 7193151，2.安徽理工大學， 安徽 淮南 232001；3. 中國礦業大學礦山生態修復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治理工程研究中心， 山東 濟寧 272100)

由于邊坡淺層破壞具有隱蔽性、累積性和長期性，導致該重要的生態壞境問題常常被忽視。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，根據聯合國糧食及農業組織(Food and Agriculture Organization of the United Nations，FAO)的報告顯示，可持續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誘發因素[2]，其表現為地表植物、表層松散土壤(或替代材料)的剝離破壞過程。邊坡淺層破壞常以淺層滑坡(Shallow landslides)和淺層侵蝕(Shallow erosion)為主：(1)淺層滑坡是指當邊坡重力超過其內部最大阻力時發生的滑坡運動[3]，通常是由表土孔隙水壓力增加、土壤凝聚力降低導致的邊坡內部物理過程引起，常發生在土壤內部的軟弱滑動層上[4]；(2)淺層侵蝕通常由積雪體運動[5]、動物踩踏[6]或人類活動[7]等擾動因素造成，過度擾動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面，進而導致地表植物破壞和表層土壤流失[8]。邊坡淺層破壞會造成農業用地水肥流失[9]、水域生態系統質量下降[10]、交通基礎設施受損[11]，甚至會誘發滑坡、泥石流等地質災害[12]。自然生態環境一旦遭到破壞，恢復起來難度較大，單純依靠自然恢復往往需要數十年時間[13]，且恢復期間易發生二次破壞[14]。而人工恢復措施成本高，且難以保證獲得預期的治理效果，因此如何有效防治邊坡淺層破壞顯得尤為重要。

適當的生態邊坡工程預防措施要比災害發生后再實施治理措施要更加有效[15]。植物對于邊坡起到“加筋”作用，在有害荷載作用時會協同受力并協調形變，能夠很好地預防邊坡淺層破壞，且不同植物配置管理方式直接影響邊坡淺層破壞發生概率[16]。因此，生態邊坡工程不僅能夠維持生態系統的穩定性，也是防治各類滑坡的常用方法[17]，對于提升邊坡穩定性、抑制水土流失具有重要現實意義。然而，有時生態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，草本密根層在促進降水就地入滲的同時，也將地表根土層飽和軟化，進而使得坡面在重力作用下整體下滑，呈現“剝皮”式淺層滑坡[18]。

近年來，生態邊坡工程相關研究主要集中于灌木和喬木的固坡機制上，在理論和實踐上均取得了重大進展[19]。相比而言，草本植物對邊坡穩定性提升的相關機理研究較少，對草本植物在邊坡穩定性提升機理和動態認識上仍需進一步探究[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、更短的生長周期、更快的演替速度。深入開展針對草本植物的固坡效果研究，對于邊坡淺層破壞的防治具有重要意義。本文對草本植物對邊坡穩定性提升相關研究進行梳理，并與木本植物進行對比分析與討論，立足工程和生態角度探討草本植物的固坡過程及未來的研究方向。

1 草本植物邊坡穩定性提升研究現狀

邊坡穩定性是指邊坡巖土體在一定坡高和坡度條件下的穩定程度，是邊坡抵抗自身破壞的力學表現[4]。若邊坡重力超過其內部最大阻力，則可能發生淺層滑坡[21]或淺層侵蝕[22]。邊坡穩定性主要受地形特征、水文條件、土壤理化性質及植物參數等因素影響，草本植物通過生態過程改善邊坡水文條件，通過根系“加筋”作用來提升邊坡機械強度，是提升邊坡穩定性最有效的生態工程管理措施之一。

1.1 優化水文條件

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因素[13,23]，草本植物通過改變其覆蓋區域水文條件，達到影響邊坡穩定性的效果，其影響過程如下：(1)通過增加地表粗糙度間接增強降雨或融雪水入滲，提升土壤含水率和保水能力，導致土體自重增加、孔隙水壓力增大、土壤凝聚力降低，進而導致邊坡抗剪切能力下降、穩定性降低[24]；(2)在降雨充沛地區，通過根系水勢差作用與葉片蒸騰作用吸收土壤水，減少土壤含水率，進而提高邊坡穩定性[23,25-26]。

優化邊坡水文條件，即控制邊坡土壤入滲率的同時保持較低含水率是維持邊坡穩定性的有效措施[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滯留部分降雨、削弱雨滴飛濺侵蝕，起到降低土壤團聚體破碎的作用[27-28]，同時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育方面也具有不同表現：一方面，草本植物覆蓋會限制收縮裂縫的形成和發育，進而提高邊坡穩定性，在土壤粘土含量較高區域，會出現由于干旱或植物吸水作用引起的地表收縮裂縫，使得降雨再次來臨時水分快速入滲到深層土壤中進而威脅邊坡穩定性[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頻率遠高于茂密植物邊坡，但后者裂縫持續時間更久[31]。另一方面，植物根系也會通過生物物理過程加速巖土風化，腐爛根系形成根土間隙也增加了土壤孔隙度，形成優先流通道[32]，進而增強了土壤滲透性及含水率，對邊坡穩定性起負面作用。筆者認為，草本植物對邊坡土壤滲透率的影響不能一概而論，應綜合考慮邊坡土壤理化性質、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，植物通過改變坡面水文條件進而影響邊坡穩定性，既有正面影響，也有負面影響。整體對邊坡穩定性影響程度不僅受氣候、土壤理化性質、表土層厚度、微地貌特征、土壤生物等區域下墊面和生境的影響[33]，也受物種組成、植物配置及植物結構等生態因素影響[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的最主要因素，草本植物可有效降低邊坡淺層滑坡發生的概率。從力學角度分析，一般認為草本植物根系受力時是非彈性形變，據此可建立非剛性根(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度增強，進而有效提高邊坡機械穩定性、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的植物纖維可通過交織效應(Surface-mat Effect)構成根-土復合體[20,38]。該復合體符合摩爾-庫倫定律，可改變土體力學特性，為土壤提供額外粘聚力[38-39]。同時，在這種交織效應下，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力從邊坡淺層破壞隱患點傳遞到穩定區域，從而提升邊坡整體穩定性[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。圖中區域Ⅰ為邊坡穩定區，區域Ⅱ-Ⅵ為潛在淺層滑坡區，區域Ⅱ-Ⅳ為拉伸應力區，Ⅴ-Ⅵ為壓縮應力區。在區域Ⅱ、Ⅵ中，大量根系貫穿潛于剪切面而形成穩定的根-土復合體，根系加筋作用與交織效應同時對抗滑坡拉力應力；在區域Ⅲ-Ⅴ中，少了根系貫穿潛剪切面，根系加筋作用效果降低，此時交織效應仍發揮作用，將區內部分剪切應力傳遞到區域Ⅰ、Ⅱ和Ⅵ等相對穩定區。

圖1 草本植物根系對淺層滑坡的防治機理示意圖

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。

雨季短時集中強降雨在增加坡體自重的同時，也降低了土體強度，雨水匯流后在坡面形成臨時性地表徑流和內部滲流是造成邊坡淺層侵蝕的主要誘因。淺層侵蝕發展過程中，侵蝕形式為：面蝕(片流侵蝕)—細溝侵蝕—淺溝侵蝕—切溝侵蝕，這是一個侵蝕程度逐步增強的鏈狀發展過程[44]。密集的草本植物具有滯留降雨、削減雨滴動能、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寒地區，邊坡除雨季受到徑流侵蝕外，還會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趨勢[49]，一旦發生積雪滑移或雪崩現象，極易造成地表淺層侵蝕[50]。凍融侵蝕則一般發生于初春，當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凍-融循環狀態，并在表土層反復形成不穩定融化層。雪水入滲降低土壤凝聚力、表土粉化降低抗侵蝕能力，此時疏松、粉化的表土呈過飽和狀，形成塑性融凍泥流緩慢向下移動[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，進而緩解淺層侵蝕。

1.3 草本植物固土護坡優勢

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

邊坡的穩定性與根系的密度和長度有關，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才能體現出“錨固優勢”[56]，而在邊坡滑動應力過大時，粗壯的根部常與周邊土壤滑脫，其錨固效應未能得到充分的發揮。同時木本植物巨大的地表生物量對于邊坡也有負面影響，例如在強風或暴風雨環境下可能會被連根拔起而造成額外邊坡破壞[16]。此外，林地的質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、健康狀態差的林地很難起到預期固坡效果[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根系(圖2B)，且深度大多集中于對邊坡整體穩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-土復合體不僅極大地增加土體抗剪強度，而且為土壤微生物提供更穩定的繁衍空間，有助于提高土壤團聚體穩定性和生境的良性循環[58]。在生態邊坡工程建設中，為保證邊坡根-土界面快速融合，植物的快速建設是關鍵環節，草本植物以生長快、密度高的優勢可以起到快速固坡的效果[59]。同樣的，草本植物的群落穩定性和生物多樣性也對邊坡加固起到很大影響[60]，例如當草地開始退化時，極易引起坡面的片流侵蝕、細溝侵蝕、積雪滑動侵蝕和凍融侵蝕[14,20]。

圖2 常見木本植物和草本植物根系邊坡加固示意圖

綜上可知，在對邊坡穩定性提升方面，木本和草本植物無法進行簡單對比，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，還取決于生態工程建設的可操作性、經濟性及管理模式等方面(表1)。生態邊坡工程應當根據具體生境，因地制宜地選取適當植物進行邊坡加固。

表1 木本與草本植物邊坡加固對比表

2 草本植物根系參數研究現狀

植物根系參數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、幾何形態及抗拉強度等方面，就草本植物根系的固坡效果進行闡述[35]。

2.1 根系分布特征

根系分布特征主要指根長密度(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)等評價植物對邊坡加固作用的重要指標。

根長密度是指單位土壤體積中根的總長度(m·m-3)，可以反映根系數量和根系分布狀況，因而被用作邊坡穩定性的指標之一。然而由于根長密度測量難度較大，因此常用地下生物量作為替代指標。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根系生物量進行估算[59,63]。然而值得注意的是，根系生物量指標無法區分根系粗細分類和粗細級配，而在相同根系生物量下，稠密的細根系要比稀疏的粗根系固土能力更強[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)，其值與根系抗拉強度相關[65]。同樣，根系面積比也無法區分根系的粗細分類和粗細級配，亦難以量化微小直徑(Ф<0.25 mm)的根系，因此會低估擁有大量細根系的草地對邊坡的加固能力[66]。根系深度決定了植物對邊坡加固的范圍[16,67]。草本植物對邊坡土壤抗剪強度及凝聚力的增強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的影響。較高的種植密度造成植物間對養分和水分的競爭從而促使其根系的縱向發育[68]。然而硬度過大的土層或淺層基巖面則會限制根系生長，使根系在基巖與土層之間形成潛在滑動破壞面，增加了邊坡破壞風險[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一標準，且根系分布特征的野外實測數據獲取難度較大，亟需建立一套有效的研究體系來量化植物根系對邊坡的穩定作用，進而為生態邊坡工程措施提供適應性管理策略[71-72]。

2.2 根系幾何形態

根系的幾何形態特征主要包括直徑-長度比、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度和交織效應的效果[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密度，因而常認為其邊坡加固效果更佳[57,74]。也有學者指出，在生物多樣性豐富的地區，以直根系植物為主的草本邊坡也具有較強的加固效果[20]。因此，根系對邊坡的加固效果更取決于植物類型而非根系類型。

此外，草本根系不同生長部位以及不同生長階段的固坡效果亦相差較大[75]，水平和側向根系有時比垂直根系固坡效果更加顯著[63]，不同草本根系受力時根-土機械作用過程[76]、增強土體抗崩解特性[77]等方面均具有顯著差異性。

2.3 根系抗拉強度

植物根系的抗拉強度(Tensile strength)是指其承受靜態拉伸時抵抗斷裂的能力，即根系最大負載力與其截面積之比(N·mm-2)，是評估植物力學固坡效果的又一重要指標。根系抗拉強度的測量方式相對簡單，但耗時較大。測量時需注意將根系固定于測量系統中時不能影響根系自身性質，要保證根系受力均勻以減少測量誤差[78]。調查發現，不同物種根系抗拉強度差異巨大，從數千帕(kPa)到數十兆帕(MPa)不等[79-80]。同一物種根系抗拉強度也受生境[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]、截面微觀結構[84]等多種因素影響。一般情況下，同種物種根系抗拉強度與根系直徑呈反比[84-85]，與土壤抗剪強度呈正比[86]，由此可見，稠密的須根對邊坡加固效果更佳[78,87]。因此在定量計算根系對邊坡的加固作用時，需同時考慮根系橫截面積比及其直徑級配分布。

3 草本植物生態邊坡工程指導策略

在了解草本植物對邊坡穩定性的提升機理及優勢后，需應用到生態邊坡工程的實踐中去。生態邊坡工程融合了生態學和工程學相關理念，在邊坡穩定性提升方面起到重要作用。工程措施及后續適應性管理措施會持續影響邊坡生境和植物狀態，進而改變邊坡水文條件和表土抗性，最終影響邊坡穩定性及生態服務功能(圖3)。

圖3 生態邊坡工程措施及管理措施對邊坡穩定性的影響過程

3.1 物種選擇

生態邊坡工程一般需經歷植物建立、群落正向演替以及長期穩定性管理3個階段。物種選擇在生態邊坡工程中尤為重要，不同草本的根系對土層的利用空間及對土壤環境(如土壤含水率、pH值、養分、微生物等)適應程度不同，單一物種不僅由于其根系參數的局限性而難以充分利用表土空間[81]，而且難以適應多樣化土壤環境。物種間競爭則會提高區域內根系總體生物量、密度及抗拉強度，達到更好固坡效果[59,88]。此外，在相同生境下，不同類型草本植物的根系參數差異較大[61,89]；在不同生境下，同種草本植物個體間的根系參數差異也較大[83,90]。因此在生態邊坡工程中應注意物種的選擇與搭配，可根據邊坡不同立地條件及潛在剪切破壞面情況進行最優物種配置[81,91]。在非干旱區，原則上應當優選地下生物量大且直根系、須根系相結合的物種配置模式，以實現根系功能和結構的多樣性，在具有更高的生態服務價值及生態系統恢復力的同時，達到立體式護坡的目的[64,92]；在干旱/半干旱地區，則不宜種植耗水量大的植物，以防止地下水快速消耗而導致生境惡劣，同時種植密度需符合區域生態承載力。

對于礦山尾礦、排土場或其他人工邊坡而言，往往面臨地貌復雜、土壤貧瘠、環境惡劣的問題，以至于難以形成穩定的根系系統[93]。在植物建立初期應當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區植物建立和群落正向演替速率，達到對土壤生境提質增效的目的[94]。

3.2 工程實踐

在現有理論基礎上，生態邊坡工程越發重視草本植物的固坡作用，同時注重農學、草學、生態學、園藝學等多學科交叉技術的融合應用。

生態邊坡工程建設充分發揮草本植物生物多樣性高、物種密度大、根系成型周期短、演替速度快的優勢，優選本地建群種進行配置[81,95]。在植物建立階段根據最佳植物配置模式，按先鋒種、過度種、演替種、頂級種的配搭方式進行不同階段的種植，以快速恢復至穩定群落[96]。再結合適應性管理策略，在群落演替及后期管理階段進行適當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度傳播[97-98]。條件允許時，所選物種兼顧水資源凈化、碳固存、經濟性(食物、飼料、藥材或造紙原材料等)、觀賞性等其他服務價值[99]?？偠灾?，現階段利用生態邊坡工程建立的生態系統具有較強的穩定性和恢復力，能在自維持、免維護的基礎上保持多維度的生態服務功能。

4 結語

本文通過對國內外草本植物固坡機理、效果及優缺點的研究進行深入分析，闡述了草本植物根系參數對邊坡穩定性的影響過程，梳理了草本植物在生態邊坡工程中的作用及注意事項。得出結論如下：

植物通過根系吸水作用、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；通過根系加筋效果、交織效應提升土壤凝聚力和抗剪強度，從而改善邊坡穩定性；木本與草本植物的固坡能力各有優劣，固坡效果受生境和物種類型影響較大，因此不宜進行簡單對比；生態邊坡工程前期建設應當因地制宜地選用本地建群種進行配置，多種物種組合不僅具有更高穩定性，而且根系可以充分利用地下空間；后期穩定性管理需有長期規劃，以保證演替進程、物種多樣性、持續固坡效果及其他生態服務價值。