紫色土埂坎典型草本根系摩阻特性對(duì)土壤含水率的響應(yīng)

甘鳳玲，韋杰*，李沙沙

（1. 重慶師范大學(xué)地理與旅游學(xué)院，重慶 401331；2. 三峽庫(kù)區(qū)地表過(guò)程與環(huán)境遙感重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 401331）

埂坎是坡耕地高出田面的地埂與其外側(cè)坡坎的復(fù)合體，對(duì)坡耕地土壤侵蝕具有重要的阻控作用［1］。埂坎自身穩(wěn)定性對(duì)其水土保持作用發(fā)揮具有重要影響，利用植物根系防治埂坎垮塌、坡面水土流失等方面的研究受到了國(guó)內(nèi)外學(xué)者廣泛關(guān)注［2-3］，如在20 世紀(jì)80 年代初，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)植物根系固土力學(xué)機(jī)制和原理展開了相關(guān)研究［4-5］。研究表明，植物根系可通過(guò)其垂直深粗根系、淺細(xì)根系和水平深粗根對(duì)土體進(jìn)行錨固、加筋和牽拉，有效提高土體的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)，并加強(qiáng)土體穩(wěn)定性［6-7］。此外，土壤是一種不可承受拉力卻可承受壓力的材料，而根系在土壤中可以承受一定拉力。在外力條件下，根系和土壤接觸界面發(fā)生相互錯(cuò)動(dòng)，并產(chǎn)生摩擦阻力進(jìn)行抵抗，根系抗拉特性與土體抗壓特性相結(jié)合也增加了根-土界面間的抗剪強(qiáng)度和土體穩(wěn)定性［8］。因此，根-土界面摩阻特性決定了根系固土機(jī)制，研究根-土界面的摩阻特性對(duì)紫色土埂坎防護(hù)和植物配置具有重要意義。

近年來(lái)關(guān)于摩阻特性的研究大部分集中在土工合成材料與填料之間的界面［9-18］，而關(guān)于根-土界面間的摩阻特性報(bào)道較少。已有研究主要利用直剪試驗(yàn)和拉拔試驗(yàn)研究根-土界面摩阻特性［9-12］。宋維峰等［13］和邢會(huì)文等［14］首次通過(guò)剝皮制樣的方法測(cè)定根-土界面間的相互作用力，研究表明根系種類、土壤含水率和土壤干密度會(huì)對(duì)根-土界面的剪切特性產(chǎn)生影響。田佳等［15］借鑒上述方法，通過(guò)室內(nèi)直剪試驗(yàn)研究了土壤含水率對(duì)花棒（Hedysarum scoparium）、沙柳（Salix cheilophila）根-土界面的影響，研究發(fā)現(xiàn)，土壤含水率高（22%）的土壤抗剪強(qiáng)度高于土壤含水率低（2%）的。不同根系表面積下的根-土界面的抗拔摩阻特性也有所差異，如劉亞斌等［16］對(duì)灌木植物根系進(jìn)行了拉拔摩擦試驗(yàn)，研究發(fā)現(xiàn)根系總表面積越大，根-土界面的抗拔強(qiáng)度越大。此外，杜金輝等［17］還通過(guò)開展根-土界面摩阻效應(yīng)試驗(yàn)構(gòu)建了根系抗拉拔力的模型。

綜上，不同植物種類的根系生物特性有所不同，其根系固土護(hù)坡效益也有差異［18-20］。本研究以三峽庫(kù)區(qū)紫色土埂坎常見的稗草（Echinochloa crusgalli）、馬唐（Digitaria sanguinalis）和牛筋草（Eleusine indica）為研究對(duì)象，通過(guò)室內(nèi)根-土界面直剪摩阻試驗(yàn)和抗拉拔摩阻試驗(yàn)，分析3 種草本根-土界面摩阻特性，探討不同土壤含水率對(duì)草本根-土界面摩阻特性的影響，以期對(duì)進(jìn)一步深入探討固埂護(hù)坡草本植物的配置和埂坎修建與維護(hù)提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于重慶市北碚區(qū)歇馬鎮(zhèn)，介于106°18′02″-106°40′57″E，29°27′08″-30°05′08″N，高程200~900 m。地處四川盆地東部平行嶺谷區(qū)，屬亞熱帶濕潤(rùn)性季風(fēng)氣候，年均降水量1105.4 mm，年均氣溫18.3 ℃，降水主要集中在5-8 月，占全年降水量的57.7%，且多以陣雨和暴雨形式出現(xiàn)［21］。土壤以紫砂壤土為主，富含鉀、鈣、錳、鐵等礦質(zhì)元素。主要種植作物有柑橘（Citrus reticulata）、黃豆（Glycine max）和玉米（Zea mays）等。對(duì)該區(qū)現(xiàn)有坡耕地埂坎類型調(diào)查表明，埂坎類型以土坎為主。主要固坎草本植物有稗草、馬唐、牛筋草、狗牙根（Cynodon dactylon）等，通過(guò)調(diào)查可知，埂坎的土壤含水率在旱季和雨季的變化范圍為1.87%~28.78%。

1.2 試驗(yàn)材料采集

2019 年7-9 月在北碚區(qū)歇馬鎮(zhèn)選擇稗草、馬唐和牛筋草蓋度超過(guò)60%的典型土埂坎進(jìn)行采樣。在埂坎內(nèi)選擇16 株生長(zhǎng)良好的草本植物，去除草本植物地表部分后，以草本植物為中心點(diǎn)，將環(huán)刀放至中心點(diǎn)附近，豎直向下分層采集原狀根-土復(fù)合體（每層為10 cm，共3 層），每層取3 次重復(fù)，共計(jì)144 個(gè)土樣，測(cè)量不同土層厚度下的根系直徑、長(zhǎng)度等參數(shù)，其中稗草、馬唐和牛筋草平均直徑分別為0.40、0.72 和0.71 mm，平均長(zhǎng)度分別為43.70、354.87 和276.21 mm，平均分形維數(shù)為1.55、1.45 和1.77，平均土壤含根量分別為0.49、0.16 和0.36 根·cm-3（圖1），所采集信息作為本研究中重塑根-土復(fù)合體的參考資料。另在每個(gè)采樣點(diǎn)采集500 g 的散土樣帶回實(shí)驗(yàn)室，用于測(cè)定相對(duì)應(yīng)的土壤理化性質(zhì)和制作重塑土的材料（表1）。在對(duì)土樣進(jìn)行取樣的同時(shí)對(duì)草本植物根系進(jìn)行挖掘，在根系結(jié)點(diǎn)處將其剪斷，并用塑料薄膜纏繞密封后，放置在4 ℃環(huán)境下保存。

圖1 草本根系結(jié)構(gòu)Fig. 1 Herbs root structure

表1 埂坎原狀土壤理化性質(zhì)Table 1 Soil chemical and physical properties of undisturbed soil bunds

1.3 重塑土樣品制備

試驗(yàn)用土均為埂坎采樣點(diǎn)的土壤，土樣風(fēng)干后過(guò)2 mm 篩，測(cè)定風(fēng)干土含水率［（5.1±0.48）%］后放入密封箱中備用。按照《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)（GB/T 50123-2019）》［22］進(jìn)行重塑土制樣。在本試驗(yàn)中，在充分考慮埂坎旱季和雨季的土壤平均含水率情況下，試驗(yàn)重塑土含水率設(shè)定為5 個(gè)水平：質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%（自然質(zhì)量含水率）、10%、15%、20%和25%（近似飽和），即每個(gè)土壤含水率水平下均有3 種草本根系土樣進(jìn)行測(cè)試，每個(gè)水平3 個(gè)重復(fù)，土壤干密度取埂坎0~30 cm 土層的平均值1.35 g·cm-3。當(dāng)試驗(yàn)用土含水率達(dá)到設(shè)定值時(shí)，將選取好的試驗(yàn)根和土壤共同放進(jìn)環(huán)刀中，并逐層壓實(shí)，使重塑復(fù)合根-土復(fù)合體達(dá)到設(shè)定的土壤含水率和土壤干密度條件，整個(gè)過(guò)程避免損壞根系。即在土壤含水率5%~25%內(nèi)的5 個(gè)不同梯度條件下，進(jìn)行稗草、馬唐和牛筋草根系的重塑根-土復(fù)合體的直剪摩阻和單根拉拔摩阻試驗(yàn)。

1.4 試驗(yàn)儀器與試驗(yàn)方法

1.4.1直剪摩阻試驗(yàn) 采集的稗草、馬唐和牛筋草根系樣本直徑（diameter，D）均小于1.0 mm，將每個(gè)草本的代表根系按0 mm

本研究剪切試驗(yàn)采用南京智龍有限公司生產(chǎn)的全自動(dòng)四聯(lián)剪直剪儀（LT1008，中國(guó)南京）完成。試驗(yàn)剪切速率設(shè)為0.8 mm·min-1，土壤含水率為5%，10%，15%，20%和25%，垂直荷載為25，50，75，100 和150 kPa，每組4個(gè)重復(fù)。利用記錄的剪切參數(shù)根據(jù)庫(kù)倫-莫爾理論計(jì)算5 個(gè)不同垂直荷載下重塑根-土界面黏聚力和內(nèi)摩擦角。

1.4.2單根拉拔摩阻試驗(yàn) 使用LDS-5A 電子萬(wàn)能拉力機(jī)（LT1008，中國(guó)南京），測(cè)量精度高達(dá)95%。在進(jìn)行拉拔試驗(yàn)前，選取稗草、馬唐和牛筋草根系的單根根系長(zhǎng)≥8 cm 作為代表根系（根系直徑選取徑級(jí)Ⅰ和徑級(jí)Ⅱ兩個(gè)等級(jí)），用內(nèi)徑為6.1 cm，高為2 cm 的自制容器中部對(duì)稱開一個(gè)直徑為0.2 cm 的圓孔，分2 次添加需要測(cè)定的試驗(yàn)重塑土（土壤含水率為5%、10%、15%、20%和25%），第一次添加重塑土略高于圓孔1/2 直徑處時(shí)，將根系穿過(guò)圓孔直至從夾口端露出，繼續(xù)添加重塑土直至將整個(gè)容器填滿，并且控制添加的重塑土土壤干密度達(dá)到1.35 g·cm-3，最后加蓋壓實(shí)［23］。為避免根系與容器圓孔邊緣摩擦造成試驗(yàn)誤差，需確保試驗(yàn)根系始終處于圓孔中央。將制好的根-土復(fù)合體試樣用夾具固定在萬(wàn)能拉力機(jī)上，設(shè)置加載速度為10 mm·min-1，勻速豎直向上拉拔根系直至其完全從土中拔出。整個(gè)拉拔過(guò)程可通過(guò)軟件記錄最大抗拔力，每種根系重復(fù)3 次。即在土壤含水率5%~25%范圍內(nèi)的5 個(gè)不同梯度條件下，進(jìn)行稗草、馬唐和牛筋草根系的單根拉拔摩阻試驗(yàn)。

1.5 數(shù)據(jù)分析

采用EXCEL 和SPSS 18.0 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和相關(guān)圖制作。

2 結(jié)果與分析

2.1 草本根-土界面抗剪強(qiáng)度與垂直荷載

在試驗(yàn)土壤含水率范圍（5%~25%）內(nèi)，3 種草本根-土界面抗剪強(qiáng)度與垂直荷載的關(guān)系服從土力學(xué)經(jīng)典理論的莫爾-庫(kù)倫準(zhǔn)則［24-25］。草本植物根-土界面的抗剪強(qiáng)度隨著垂直荷載的增大呈線性增大，兩者之間呈顯著正相關(guān)線性關(guān)系（R2>0.598）（圖2）。通過(guò)對(duì)不同土壤含水率條件下的草本根-土界面抗剪強(qiáng)度與垂直荷載之間的線性模型進(jìn)行協(xié)方差（ANCOVA）分析可知，3 種草本根-土界面抗剪強(qiáng)度表現(xiàn)出極顯著差異性（F=10.539，P=0.002<0.01），根-土界面抗剪強(qiáng)度的邊際均值（margin mean）大小為：牛筋草>馬唐>稗草。同時(shí)，R2和納什系數(shù)（Nash-Sutcliffe efficiency coefficient，NSE）均高于0.835。

圖2 3 種草本根-土界面抗剪強(qiáng)度與垂直荷載關(guān)系Fig.2 Relationship between shear strength and vertical load for 3 kinds of herbs

2.2 紫色土埂坎草本根-土界面摩阻特性

2.2.1直剪摩阻特性 在5%、15%和20%這3 個(gè)土壤含水率條件下，稗草根-土界面黏聚力［（1.83±0.32）~（17.80±3.21）kPa）］均高于馬唐［（0.51±0.01）~（10.12±1.89）kPa］和牛筋草［（0.33±0.04）~（1.65±0.28）kPa］（表2）。當(dāng)土壤含水率為10%時(shí)，馬唐根-土界面黏聚力卻高于稗草和牛筋草，其根-土界面平均黏聚力分別為稗草和牛筋草的1.20 和12.63 倍。

在不同土壤含水率條件下，馬唐、稗草和牛筋草根-土界面摩擦系數(shù)分別為（0.58±0.14）~（0.89±0.15）、（0.38±0.04）~（0.96±0.13）和（0.62±0.08）~（1.23±0.41），牛筋草根-土界面平均摩擦系數(shù)分別比馬唐和稗草大27.35%和25.88%。此外，3 種典型草本根-土界面摩擦系數(shù)均隨著土壤含水率增大而波動(dòng)減小。土壤含水率大小決定了它對(duì)草本根-土界面摩擦系數(shù)的影響范圍，其中高土壤含水率（20%~25%）對(duì)這3 種草本根-土界面影響較大（表2）。

表2 埂坎3 種草本根-土界面摩阻特性Table 2 Root-soil interface friction characteristics of 3 typical herbs in soil bunds

2.2.2拉拔摩阻特性 在土壤含水率為5%~15%時(shí)，牛筋草根-土界面的平均最大抗拔力分別是馬唐和稗草根-土界面的2.06 和1.79 倍（表2），表明當(dāng)土壤含水率較低時(shí)，牛筋草根-土界面最大抗拔力最大。但在土壤含水率為20%~25%時(shí)，馬唐根-土界面的最大抗拔力顯著高于牛筋草和稗草（P<0.05），而牛筋草和稗草根-土界面的最大抗拔力無(wú)顯著差異（P>0.05）。表明土壤含水率較高時(shí)，馬唐根-土界面的抗拔性能較好。

當(dāng)土壤含水率從5%增加到20%時(shí)，牛筋草根-土界面抗拔強(qiáng)度均高于馬唐，兩者之間呈顯著差異（P<0.05），分別增加了76.43%、10.05%、26.52%和3.86%；而當(dāng)土壤含水率為25%時(shí)，根-土界面抗拔強(qiáng)度表現(xiàn)為馬唐>牛筋草。表明在土壤含水率較高時(shí)，馬唐根-土界面抗拔強(qiáng)度要優(yōu)于牛筋草。此外，3 種草本根-土界面在5 個(gè)土壤含水率下的平均抗拔強(qiáng)度表現(xiàn)為：牛筋草［（281.61±71.73）MPa］>馬唐［（255.74±81.82）MPa］>稗草［（247.48±66.32）MPa］，且馬唐和稗草根-土界面抗拔強(qiáng)度無(wú)顯著差異（P>0.05）。由此可知，牛筋草根-土界面的土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和抗拔性能總體上優(yōu)于馬唐和稗草。

2.3 土壤含水率對(duì)草本根-土界面摩阻特性指標(biāo)的影響

2.3.1土壤含水率對(duì)直剪摩阻特性的影響 研究區(qū)內(nèi)3 種草本植物根-土界面黏聚力均表現(xiàn)出隨著土壤含水率（土壤含水率范圍為5%~25%）的增加呈先減小后增大的變化規(guī)律。通過(guò)線性擬合可知草本根-土界面黏聚力與土壤含水率之間符合二次多項(xiàng)式函數(shù)關(guān)系（表3）。由根-土界面黏聚力與土壤含水率之間的決定系數(shù)計(jì)算結(jié)果可知，牛筋草根-土界面的黏聚力與土壤含水率之間的決定系數(shù)（R2）為0.629，高于馬唐和稗草。表明牛筋草根-土界面的黏聚力與土壤含水率相關(guān)性程度較大（P<0.05）。

表3 埂坎3 種草本根-土界面摩阻特性指標(biāo)與土壤含水率關(guān)系Table 3 Relationships between root-soil interface friction characteristics of 3 kinds of herbs and soil water content

隨著土壤含水率的增加，3 種草本植物根-土界面摩擦系數(shù)均呈先增加后減小的變化趨勢(shì)，且牛筋草根-土界面的摩擦系數(shù)高于馬唐和稗草（表2）。根據(jù)相關(guān)性分析結(jié)果可知，除稗草根-土界面的摩擦系數(shù)與土壤含水率無(wú)顯著相關(guān)關(guān)系，馬唐和牛筋草根-土界面摩擦系數(shù)與土壤含水率可用二次多項(xiàng)式函數(shù)較好擬合且呈顯著負(fù)相關(guān)（R2≥0.774，P<0.05）。綜上可知，當(dāng)土壤含水率較大時(shí)，草本根-土界面的摩擦系數(shù)急劇減小。

2.3.2土壤含水率對(duì)拉拔摩阻特性的影響 分別對(duì)試驗(yàn)區(qū)內(nèi)3 種典型草本植物根-土界面的拉拔摩阻特性（最大抗拔力和抗拔強(qiáng)度）與土壤含水率進(jìn)行回歸分析（表3）。馬唐根-土界面最大抗拔力與土壤含水率可用冪函數(shù)較好擬合（R2=0.893）且呈顯著正相關(guān)（P<0.05），最大抗拔力隨著土壤含水率的增大而增大；稗草根-土界面最大抗拔力與土壤含水率可用二次多項(xiàng)式函數(shù)較好擬合（R2=0.598）且呈正相關(guān)；牛筋草根-土界面最大抗拔力與土壤含水率可用二次多項(xiàng)式函數(shù)較好擬合（R2=0.640）且呈正相關(guān)。

埂坎上典型的3 種草本植物根-土界面抗拔強(qiáng)度與土壤含水率符合二次多項(xiàng)式函數(shù)關(guān)系（表3），即均表現(xiàn)為隨著土壤含水率的增加呈先增大后減小的趨勢(shì)。其中，稗草和牛筋草根-土界面抗拔強(qiáng)度均在土壤含水率為15%~20%達(dá)到最大值。此外，馬唐根-土界面抗拔強(qiáng)度與土壤含水率呈顯著正相關(guān)（P<0.05）。

綜上，雖然埂坎上3 種草本根-土界面抗拔摩阻特性與土壤含水率之間關(guān)系的回歸分析曲線各有不同，但由表2 可知，埂坎上3 種草本根-土界面抗拔強(qiáng)度仍表現(xiàn)出隨著土壤含水率的增加呈先增大后減小的變化規(guī)律。

2.4 紫色土埂坎草本根-土界面抗拔力與根系滑動(dòng)位移

3 種草本根-土界面的抗拔力隨滑動(dòng)位移變化趨勢(shì)相似（圖3）。在根系拉拔初期，即馬唐、稗草和牛筋草根-土界面抗拔力分別為0~3.3 N、0~2.6 N 和0~1.4 N，根-土界面抗拔力呈線性增長(zhǎng)，其增長(zhǎng)幅度比根系滑動(dòng)位移增長(zhǎng)幅度大。隨著根系進(jìn)一步被拔出，根-土界面抗拔力隨滑動(dòng)位移的增大呈波動(dòng)增加的變化趨勢(shì)，直至抗拔力達(dá)到最大值，其中馬唐、稗草和牛筋草根-土界面平均最大抗拔力分別為1.82、1.66 和1.46 N。3 種草本植物根-土界面達(dá)到最大抗拔力后并未迅速下降，而是在一定滑動(dòng)位移區(qū)間內(nèi)保持恒定，其中馬唐、稗草和牛筋草根-土界面最大抗拔力平均分別在根系滑動(dòng)位移為2.86~18.01 mm、4.79~46.98 mm 和1.88~28.64 mm 區(qū)間內(nèi)保持恒定。根-土界面在一定滑動(dòng)位移區(qū)間內(nèi)保持最大抗拔力后，出現(xiàn)波動(dòng)減小并趨于穩(wěn)定，直至拉拔摩阻試驗(yàn)結(jié)束。3 種草本根-土界面抗拔力平均分別下降至0.4、1.3 和0.2 N。

圖3 3 種草本根-土界面抗拔力與根系位移關(guān)系Fig.3 Relationship between pulling resistance and displacement for 3 kinds of herbs

在不同土壤含水率梯度下，稗草根-土界面與滑動(dòng)位移關(guān)系曲線差異性較大，這主要是因?yàn)榘薏莞?土界面間的相互作用力在極低和極高土壤含水率時(shí)有所變化。具體表現(xiàn)在，稗草根-土界面在土壤含水率為5%和25%時(shí)，抗拔力隨著滑動(dòng)位移的增加呈波動(dòng)增大并趨于穩(wěn)定，這與整體草本根-土界面與滑動(dòng)位移關(guān)系曲線表現(xiàn)的變化趨勢(shì)略有不同。

3 討論

3.1 土壤含水率對(duì)根系拉拔摩阻力學(xué)特征的影響

土壤含水率不僅影響根系在土壤中的生長(zhǎng)狀況，還決定了草本植物根-土界面的摩阻特性［21-28］。隨著含水率的增加，草本植物根-土界面的黏聚力、摩擦系數(shù)、最大抗拔力和抗拔強(qiáng)度整體上呈先增大后減小的趨勢(shì)。這主要是因?yàn)楫?dāng)土壤含水率較小時(shí)，土壤顆粒之間不僅間隙較大且兩者之間的結(jié)合鍵較弱，同時(shí)，根系與土壤顆粒之間接觸松散，根-土界面之間聯(lián)結(jié)和黏聚力較弱，導(dǎo)致根系與土壤之間的摩擦系數(shù)和抗拔力也較小。土壤顆粒與水之間隨著增加的含水率逐漸形成結(jié)合水膜，增大根系與土壤顆粒之間的咬合能力，使得根-土界面間的黏聚力和抗拔力也隨之增大。當(dāng)土壤含水率增加到一定程度后（15%左右），土壤顆粒周圍的結(jié)合水膜的厚度變大，土壤顆粒之間的間距增加，而根系與土壤顆粒接觸的面積減少，導(dǎo)致土體對(duì)根系的咬合作用隨之減小。此外，土壤水在根-土界面還起到一個(gè)潤(rùn)滑作用，從而降低了根-土界面的黏聚力和抗拔力。

不同草本植物根-土界面的土壤含水率、空間排列和組織結(jié)構(gòu)均存在差異，導(dǎo)致根-土界面抗拔力與根系滑動(dòng)位移也有所不同［13，26］。本研究表明，除了稗草在土壤含水率為5%時(shí)抗拔力與滑動(dòng)位移的變化趨勢(shì)不同以外，其余兩種草本根-土界面抗拔力與滑動(dòng)位移變化趨勢(shì)均表現(xiàn)為抗拔力在抗拔初期迅速波動(dòng)增加并達(dá)到最大值，最后波動(dòng)減小并趨于穩(wěn)定。該研究結(jié)果與邢會(huì)文［26］的研究一致，這是因?yàn)楦道纬跗冢当砻孑^為粗糙，能與土壤顆粒緊密結(jié)合，根系滑動(dòng)位移受根系本身因受力而拉伸，根-土界面間靜摩擦力隨著根系滑動(dòng)位移的增大而增大直至達(dá)到最大靜摩擦力。之后隨著拉拔試驗(yàn)的繼續(xù)，根-土界面土壤顆粒重新排列并逐步趨于平滑，同時(shí)，根-土界面間靜摩擦力轉(zhuǎn)為滑動(dòng)摩擦力，使兩者之間的連接結(jié)構(gòu)被破壞，根系與土壤界面接觸面積隨之減小，導(dǎo)致根-土界面間的摩擦力和抗拔力急劇減小并趨于穩(wěn)定，直至根系被拔出為止。而稗草在低土壤含水率（5%）下表現(xiàn)出相反的趨勢(shì)，即隨著滑動(dòng)位移的增大其抗拔力逐漸增大并趨于平穩(wěn)，這有可能是因?yàn)榘薏莸母到Y(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，在極低含水率梯度下，根-土界面之間的靜摩擦力較大，在試驗(yàn)設(shè)定的滑動(dòng)位移條件下，依然能夠保持較大的靜摩擦力。此外，根-土界面的摩擦力是根系固土護(hù)埂功能的關(guān)鍵，只有當(dāng)根-土界面之間摩擦力較大時(shí)，根系抗拉作用和固土能力才隨之增強(qiáng)，其中根-土界面間的抗拔力和摩擦力在較高土壤含水率（20%~25%）下較大，本研究結(jié)果可得出雨季對(duì)根系固土的能力有較大影響。

3.2 草本類型對(duì)根-土界面摩阻特性的影響

草本根-土界面的摩阻特性主要受草本植物類型、土壤含水率、根系表面糙度、土壤密度等因素的影響［21，23-24，27-28］。本研究表明，馬唐和稗草的根-土界面黏聚力高于牛筋草，且牛筋草根-土界面黏聚力值整體偏低（表2）。由此可知，牛筋草根系表面對(duì)土壤吸附力作用較低，牛筋草根-土界面的黏聚力在根系提高土壤抗剪強(qiáng)度時(shí)作用不大，這與田佳等［15］的研究結(jié)果類似。但是，牛筋草根-土界面的摩擦系數(shù)和抗拔摩阻特性均高于馬唐和稗草。這可能是因?yàn)楦当砻姘纪苟仍酱螅渑c土壤顆粒接觸面積就越大，從而根-土界面間的摩擦系數(shù)增大。由此可得出牛筋草根系凹凸度相對(duì)較大是其根-土界面摩擦系數(shù)高于1 且大于其他兩種草本根-土界面的原因之一，但還需要進(jìn)一步進(jìn)行驗(yàn)證。

此外，馬唐、稗草和牛筋草根-土界面的抗剪強(qiáng)度和垂直荷載的關(guān)系均服從土力學(xué)經(jīng)典理論的莫爾-庫(kù)倫準(zhǔn)則（Mohr-Coulomb），這一研究結(jié)果也得到了不少研究學(xué)者的證實(shí)［27-28］。這表明隨著垂直荷載的增大，土壤顆粒間的間距受到擠壓而減小，草本根系與土體之間接觸更加緊密，則根-土界面間的摩擦阻力和抗剪強(qiáng)度也隨之增大，此時(shí)根系固土效果增加。其中，在相同的垂直荷載條件和土壤含水率條件下，牛筋草根-土界面抗剪強(qiáng)度及抵抗變形能力顯著高于馬唐和稗草。

綜上可知，在埂坎上生存的草本植物中，牛筋草表現(xiàn)出較好的適應(yīng)性，能夠更好地發(fā)揮自身的抗拉能力，增大其對(duì)土壤的固結(jié)能力，從而達(dá)到維持埂坎穩(wěn)定性的效果，建議將牛筋草作為維護(hù)紫色土埂坎穩(wěn)定性的關(guān)鍵草本。還需要說(shuō)明的是，根-土界面摩阻特性除了與土壤含水率和草本根系類型有關(guān)外，還受土壤干密度、根系數(shù)量、根系直徑以及根系生長(zhǎng)期影響［21，29］。因此在后續(xù)研究中，還應(yīng)針對(duì)紫色土埂坎的草本根-土界面的摩阻特性做進(jìn)一步分析研究，以便加強(qiáng)埂坎穩(wěn)定性的生態(tài)防護(hù)工作。

4 結(jié)論

1）在試驗(yàn)土壤含水率條件下，紫色土埂坎3 種草本根-土界面直剪摩阻特性與土壤含水率顯著相關(guān)（P<0.05）。隨土壤含水率的增加，根-土界面黏聚力均呈先減小后增大的變化趨勢(shì)，而摩擦系數(shù)呈先增加后減小變化趨勢(shì)，且均符合二次多項(xiàng)式函數(shù)關(guān)系。其中，當(dāng)含水率在15%~20%時(shí)，根-土界面黏聚力達(dá)到最小值，摩擦系數(shù)達(dá)到最大值。

2）土壤含水率對(duì)草本根-土界面抗拔摩阻特性影響顯著（P<0.05）。隨著土壤含水率的增加，根-土界面最大抗拔力和抗拔強(qiáng)度整體上呈先增大后減小的趨勢(shì)。根-土界面抗拔力與滑動(dòng)位移變化趨勢(shì)基本一致，抗拔力在抗拔試驗(yàn)初期波動(dòng)增加并迅速達(dá)到最大值，然后波動(dòng)減小并趨于穩(wěn)定。

3）草本根-土界面間抗剪強(qiáng)度和垂直荷載的關(guān)系服從莫爾-庫(kù)倫準(zhǔn)則。在較高土壤含水率（20%~25%）下，草本根-土界面間抗拔力較大。牛筋草根-土界面平均最大抗拔力和抗拔強(qiáng)度分別是馬唐的1.18 和1.30倍，稗草的1.14 和1.10 倍。整體而言，牛筋草根-土界面摩阻強(qiáng)于馬唐和稗草。