植物根系固土試驗研究進展

摘" 要：植物根系固土技術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理，基于現有研究成果，利用VOSviewer軟件對2000—2023年植物根系固土領域文獻進行關鍵詞聚類分析，得出植物根系固土試驗研究常用的方法有根土復合體剪切試驗、單根抗拉試驗、根系構型試驗和原位拉拔試驗，分類歸納4種試驗方法的適用性及應用情況。詳細梳理各試驗方法的研究進展，總結根系參數、土壤性質和環境條件對固土效果的影響。未來研究需優化試驗方法，更準確地模擬實際條件中根土復合體的受力，以提高試驗研究結論的準確性和代表性。

關鍵詞：根系固土；文獻計量；根系構型；抗剪強度；單根抗拉試驗；原位拉拔試驗

中圖分類號：TU411 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：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

隨著人類對礦產資源的不斷開采和大規模基礎設施建設的增加，人工邊坡的規模逐漸增大，引發了嚴重的水土流失和土地沙化，加劇了生態系統的退化[1]。傳統的護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，與生態和諧的可持續性發展相悖[2]。因此，生物軟措施作為環境保護和水土保持的手段受到越來越多的關注。植物根系對土體的加筋和錨固作用，對防治表土侵蝕和淺層滑坡2類最常見的邊坡不穩定，發揮著關鍵作用[3]。鑒于此，本文以中國知網（CNKI）和Web of Science數據庫為源，以VOSviewer軟件為研究工具，基于文獻關鍵詞計量結果，對2000—2023年國內外植物根系固土試驗研究進行綜合分析，概述了根系固土試驗的類型、對象、儀器和適用性，總結了影響根系護坡效應的相關因素和植物根系固土試驗研究的進展，提出了未來研究展望，以期為植物根系固土研究發展提供科學參考。

1" 植物根系固土試驗方法文獻分析

本文以關鍵詞作為研究內容和主題的核心表征，分別對中文文獻和外文文獻進行了量化分析。以“根系固土”“固土護坡”“（土壤）抗剪強度”“邊坡穩定（性）”“根（-）土復合體”“邊坡”“根系力學特性”“直剪試驗”和“生態護坡”為主題，檢索中國知網（CNKI）數據庫和Web of Science核心數據庫中2000—2023年內發表的論文，共獲得中文文獻1 916篇、英文文獻1 865篇。剔除學位論文、書籍、會議論文、重復、無作者和研究主題不符文獻后，最終得到中文文獻767篇，英文文獻550篇。利用VOSviewer軟件對文獻樣本進行關鍵詞聚類分析。

1.1" CNKI數據庫中文文獻關鍵詞共現圖譜

結合2000—2023年CNKI數據庫植物根系固土中文文獻關鍵詞共現圖譜（圖1），延伸出有關植物根系固土試驗的關鍵詞主要有“抗剪強度”“抗拉強度”“根系形態”和“拉拔強度”等。其中，“抗剪強度”“抗拉強度”出現的頻次高，距離中心位置近，兩者對應了直剪試驗和單根抗拉試驗；“根系形態”對應的根系構型試驗靠近中心，但出現頻次較低；“拉拔強度”所對應的原位拉拔試驗節點小、出現頻次低。這表明直剪試驗、單根抗拉試驗是國內研究根系固土最常用的試驗，根系構型試驗重要性強但開展的頻次較低，原位拉拔試驗的使用較少。

1.2" Web of Science核心數據庫英文文獻關鍵詞共現圖譜

由2000—2023年Web of Science核心數據庫植物根系固土英文文獻關鍵詞共現圖譜（圖2）衍生出的有關植物根系固土試驗的關鍵詞主要有“抗剪強度”“根系抗拉強度”“抗拔強度”和“根系構型”。其中，“抗剪強度”節點最大，“根系抗拉強度”次之，再是“抗拔強度”，根系構型的節點最小、出現頻次最低。這表明國外研究最常用的是直剪試驗及單根抗拉試驗，其次是原位拉拔試驗，根系構型試驗開展較少。

1.3" 根系固土試驗方法概述

針對文獻計量解析出的4種常用試驗，從類型、試驗對象、常用試驗儀器和研究內容4個方面進行對比分析，見表1。

2" 植物根系構型試驗

2.1" 植物根系的空間構型

人工全挖法的關鍵在于開挖過程中不改變植物根系的空間結構。因此，開挖操作需要按照“由外到內、逐層開挖”的原則進行。為維持根系的原有結構，一些學者建議開挖時采用十字架來固定植物的位置[4]。表2總結了基于人工全挖法的植物根系空間構型研究情況，并列舉了文章的研究內容。李珍玉等[5]針對香根草根系的空間分布進行了全面的根系研究，結果顯示根系隨土層深度的增加呈現先增大后減小的趨勢，根系密度沿土層剖面呈現Logistic曲線分布，且坡腳方向的根系粗密，坡頂方向的根系細疏。李珍玉等[4]的后續研究對香根草的根系角度分布進行了補充，發現在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，發現其根系主要分布在0～0.6 m的土層深度范圍內，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，而中齡期則呈現先增大后減小的趨勢。Zhang等[7]對白柳的研究結果表明，白柳根系具有對稱性和上坡生長的特點，根系主要分布在土壤的圓柱形區域。

探地雷達技術（Ground Penetrating Radar，GPR）是一種新興的無損檢測技術，其工作原理基于電磁波在介電常數不同的介質界面反射的現象，通過分析反射信號的時延、形狀、頻譜特征等參數，推斷目標的深度、空間分布[8]。目前GPR技術可識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到識別閾值。因此，GPR技術主要應用于樹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" 植物根系的形態特征

根系的形態特征，如根徑、根長、根體積和根表面積，主要通過2種主要方法獲取：一種是將根系近似為圓柱體，進行人工測量并進行計算；另一種方法是利用計算機輔助圖像分析系統進行根系形態特征分析，相對于傳統方法具有更好的精度和效率[10]。表3對不同根系形態特征統計方法進行了對比。

3" 力學試驗

3.1" 根土復合體剪切試驗

剪切試驗主要包括直接剪切試驗、三軸壓縮試驗等。直接剪切試驗因其簡便、經濟、易操作的特點，是根系固土研究中最常用的試驗。李建興等[11]運用直剪試驗研究發現，隨著根長密度和根表面積密度的增加，土壤內摩擦角和黏聚力均顯著增加，但根重密度對土體抗剪強度影響不明顯。王莉茹等[12]的研究指出根長密度、根重密度、根系表面積密度與抗剪強度增加值之間呈正相關的對數函數關系。同時，陳義君等[13]通過直剪試驗揭示了土體抗剪強度與根重密度、根表面積密度、根長密度和含水率正相關；不同坡度條件下的抗剪強度為3°邊坡的抗強度大于25°的邊坡。Zhou等[14]的研究發現，在植被生長期，犬齒牙、多花木蘭和草灌木混合物的根土復合體的抗剪強度先增大后減小。王貴榮等[15]對重塑土進行直剪試驗發現，在含砂量增加的情況下，根土復合體的黏聚力先增大后減小，而隨著根面積比的增加，根土復合體的抗剪強度逐漸增強。展鵬等[16]在干濕交替條件下對重塑土進行直剪試驗發現，干濕交替時，干濕交替下，抗剪強度下降，根長、根徑增大與抗剪強度增大，黏聚力、內摩擦角與土體容重呈正相關，土體抗剪強度較原狀土體弱。劉國松等[17]在凍融條件下對根土復合體試樣進行研究發現，植物根系能夠阻隔一部分土體溫差變化，減緩土體黏聚力下降幅度。表4總結了根土復合體直剪試驗研究情況。可以觀察到，研究者們對于根系長密度、根表面積密度、根長對抗剪強度的影響結論較為一致，但在根重密度這一參數對土體抗剪強度的影響上，研究結論尚不統一，需要進一步深入以明確影響規律。

3.2" 單根抗拉試驗

植物根系抗拉性能的測定采用單根抗拉試驗進行測定，試驗儀器有微型萬能材料試驗機、拉力儀、簡易彈簧秤或其他自制儀器。研究內容涉及根系直徑、根系長度、根系含水率、化學物質和土壤含水率等因素對于根系抗拉性能的影響。表5是對單根抗拉試驗研究情況的總結。張春濤等[18]發現根系抗拉特性與纖維素含量呈顯著正相關，而與半纖維素和木質素含量呈顯著負相關。蘇雪萌等[19]的研究結果顯示，當根徑一定時，根系的最大抗拉力和極限抗拉強度隨根長的增大而減少。毛正君等[20]的研究揭示了加載速率對紫花苜蓿根系抗拉力和抗拉強度的顯著影響。Feng等[21]發現根的抗拉強度隨根徑的增大而減小，而拉力隨根徑增大而增大。Zhu等[22]發現，隨著土壤體積含水量的增加，根系抗拉強度持續下降，降低約15%。Lee等[23]的研究結論指出，風應力顯著降低了澳大利亞松幼苗根系的抗拉強度。此外，Zhang等[24]的研究結果顯示，具有相同直徑的根，拉力、抗拉強度和彈性模量隨著植物年齡的增長而增加。Ekeoma等[25]的研究表明，根系經過干燥60 min后的最大強度和楊氏模量值分別是水和根的3倍和4倍，當含水量下降時，根系的抗拉強度和楊氏模量迅速增加。總結以上內容發現，根系抗拉性能受到根系結構、環境條件及根系生長過程中的變化等多種因素的影響，這些發現對于理解根系在土壤中的功能以及植被護坡工程的設計具有重要的指導意義。但目前的試驗研究主要采用靜荷載，實際情況中根系常常在土壤中受到往復的拉力作用，因此動態荷載下根系的性能研究有待深入。

3.3" 原位拉拔試驗

原位拉拔試驗在自然環境中進行。試驗中，根系受到逐漸增大的拉拔力，模擬實際場景中可能發生的土體滑動情況，監測根系在拉拔過程中的抗拉阻力。周霞等[26]對紫花苜蓿進行研究發現，根系拉拔力與根長、根系表面積呈正相關。Ji等[27]研究了油松，發現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]發現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，結果顯示種植樹木相比天然樹木具有更強的錨固能力。Hou等[30]對紫穗槐的研究顯示，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根數的增加呈指數函數增大，且隨生長期的延長，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象，發現土壤含鹽量由0.59%增長至2.00%時，單根最大抗拔出力先增大后減小，并在含鹽量為1.00%時達到峰值，符合二次函數關系。原位拉拔試驗研究情況總結于表6中。結果顯示，植物根系的抗拔力在不同條件下表現出多樣性和復雜性，受到根系結構、土壤性質以及植物生長狀態等因素的影響。然而，目前的研究大多集中在根系的宏觀或幾何層面，根系中的化學物質與抗拔力關系的研究較少。

4" 結論與展望

植物根系固土試驗研究已經取得了豐富成果，不斷明確了根系參數、土壤性質和環境條件對根系固土效果的影響，并對部分影響進行了量化，為植物根系固土力學模型的建立和改進提供了重要參考。然而，仍存在一些問題和難點需要解決，因此對植物根系固土試驗研究提出以下展望。

1）無損檢測技術的研究。由于探地雷達技術的限制，草本植物的根系構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根系空間構型的影響。未來的研究需要加強無損檢測技術的研究，以減少人為因素對根系空間構型的影響。

2）根系參數對抗剪強度影響的研究。盡管根系參數對抗剪強度的影響已經有了較為一致的結論，但在部分參數（如根重密度）對抗剪強度影響的研究結論上仍存在差異。未來需要進一步開展這方面的研究，以期達到試驗結果的統一。

3）動態荷載下的根系抗拉試驗的研究。目前根系抗拉試驗大多采用靜荷載。然而，實際場景中的根系常常會經歷動態或往復的拉力作用。因此，單純采用靜荷載難以準確模擬根系在土體中的受力情況，存在欠缺。未來研究應加強動態荷載在根系抗拉強度研究中的應用，以更準確地評估根系的抗拉性能。

4）根系中微觀物質對抗拔強度影響的研究。目前，原位拉拔試驗研究聚焦于根系幾何或宏觀因素對抗拔強度的影響。根系內部的化學物質是否對根系拉拔強度造成影響，是未來研究的重要方向。

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