人造根在根-土模拟试验中的应用及优化设计

兰惠娟 杜鹃 王道杰 何松膛 陈文乐 赵鹏

摘要：人造根作为根-土模拟试验中真实根系的替代品，在研究根系与水土流失相互关系的试验中得到了广泛运用。通过总结几种应用广泛的人造根材料与构型、人造根参与的主要试验和人造根有效性验证方法，发现目前人造根还存在未考虑人造根材料在根-土试验过程中的生物化学反应、无法模拟须根系植物固土作用、表面过于平整光滑导致根土接触面摩擦力比真实情况偏小、忽略植物枝叶雨水截获功能的问题。基于此，提出通过以下4种方法来改进上述问题：① 通过优化选材、合理布置、表面防护等避免根-土表面的生化反应;② 设计一种能模拟须根系植物的人造根构型;③ 通过打磨人造根表面以增大根-土接触面积和粗糙度;④ 参与降雨试验时，在人造根基础上添加植物地上部分雨水拦挡结构，希望借此能加深人们对人造根的认识，完善和发展人造根技术，使人造根能更好地服务于相关科学试验。

关 键 词：根-土模拟试验; 人造根材料; 人造根构型; 优化设计; 水土流失防治

在生态环境脆弱的山区，滑坡、泥石流等灾害极易发生。这些灾害造成了严重的水土流失，形成大量裸露边坡，不利于植被生长恢复，使环境陷入“生态环境脆弱-水土流失-生态环境更脆弱-水土流失加剧”的恶性循环[1]。目前，针对灾害防治主要有工程措施与植被措施[2-3]。传统的工程措施边坡加固大多采用混凝土及錨杆等刚性防护，破坏了自然生态的和谐[4-5]。而植被措施是一种低投入、低维护、环境兼容的固土护坡方式[6]，其中起主要作用的为植物根系[7]。目前已明确了植物根系的固土护坡原理为：根系通过深入到土体中，对土体产生锚固效应，密集根系形成的网络结构能固定疏松的土壤颗粒，增加土体抗剪强度。所以植物根系不仅能防治土壤侵蚀，还具有加固坡体，减少浅层滑坡和泥石流等灾害的作用[8-9]。

为评价植物根系对土体抗剪强度的增强作用，探明根-土复合体相互作用机理以及对植物根系加筋固土能力的定量评价，国内外学者主要采用野外原位拉拔试验，植物根系加筋土的剪切试验，人工降雨试验等[10-11]。但由于根系采样难度大，在实际操作中，存在根系被误挖断，新鲜根系养护困难等诸多问题，采用真实根开展试验研究极其困难[1]。因此，部分学者尝试用由真实根为原型简化而来的理想化几何形状的人造根来探究植物根-土相互作用机制[12]。人造根试验能提供比真实植物根系试验更好的控制测试环境，实验过程可重现性高，试验结果具有可比性，能帮助我们更好地了解植物根系与边坡土体相互作用机理。

1 人造根简介

1.1 人造根材料

人造根作为真实根系在科学试验中的替代品，学者们一直在改进其材料以更加贴近真实根的特性。1996年为研究根系抗拔力，A Stokes和J Ball[13]用人造根来模拟低龄树的根系，其中主根由直径3 mm的粗钢丝线代替，侧根由直径1.5 mm的细钢丝代替。所用人造根在一定程度上能模拟真实根系，但其材料强度与真实根系存在较大差异。后期学者们改进材料，用木材模拟乔木根系，橡胶模拟灌木和草本根系[14]，这两种材料是目前被运用最广泛的人造根材料。近年来，人造根材料的选取更为多元化，如在研究根系的吸水特性时，选择具有较大进气值（100 kPa）的醋酸纤维材料[12]制作人造根。

人造根参与模拟试验，主要涉及到根-土相互作用，为保证人造根的模拟效果，人造根材料应与植物根系的力学性能相似。工程上常用抗拉强度与弹性模量来评价材料的力学特性。表1列出了多种广泛用于生态修复和边坡加固的乔、灌、草植被根系与几种常用的人造根材料平均强度。

1.2 人造根构型

根系构型指植物根系在生长介质中的空间造型和分布[27]，是影响植物根系的抗拔能力的主要因素[28]。通常来说，根系构型是非常复杂的[29-30]。尽管菜豆已经是相对简单的根系构型了，利用几何建模软件SimRoot拟合出苗龄14 d的菜豆根系[27]，但输出的图像已非常复杂（见图1），而成熟菜豆根系已经复杂到不能用图像准确描述了。鉴于真实根系的复杂程度与难获取性，可采用人造根参与试验，但用人造根将植物的每条根系模拟出来不现实且没有必要。于是，不少学者将植物根型归类、简化，并用人造根模拟简化后的几何形状。例如向师庆等根据林木各类根的生长发育状况将根型分为水平根型、垂直根型、斜生根型、复合根型等[31];吴宏伟等[32]根据其他学者的研究成果[33]将4种植物根系简化为规则的几何形状：均布型、三角形、指数形和椭圆形（见图2）;Stokes A等[13]设计了5种著名的人造根构型（见图3）。其中图3（a）只含主根，根总长度为30 cm;图3（b） 含两个一级侧根，一级侧根与二级侧根的夹角θ可为30°，60°或 90°;图3（c） 含两个与主根垂直的一级侧根，侧根长为10 cm;图3（d） 含多个均匀一级侧根，侧根长8 cm，在主根上的间距为3 cm;图3（e） 含多个随机侧根，每个根长如图所示。这组人造根被广泛应用，学者们根据试验需要，改进其侧根位置与夹角，发明了鱼骨状型、二分叉型人造根[14]。此外，学者们还针对具体的植物，制作对应的人造根模型，现已有鸭脚木（Schefflera octophylla）、桃金娘（Rhodomyrtus tomentosa）和毛稔（Melastoma sanguineum）的人造根模型[12]。

2 人造根应用概况

2.1 人造根有效性验证

利用人造根参与科学试验虽能提供较好的控制条件、提高试验效率，但人造根与真实根系在外形特征、

植物生理特性等方面存在较大差异，所以选择人造根参与试验前，应验证人造根的构型合理性、是否能实现所研究的根系功能，从而提高试验结果的可信度。

不同试验中检验人造根构型合理性的方法不同。例如，不少学者通过对比真实植物根系和人造根的主根侧根夹角来检验夹角设置的合理性。人造根的侧根与主根夹角一般设置为30°～90°，而实际测量到的棉花、欧洲落叶松等植物不同土层深度内主根与侧根夹角大多在20°～130°之间[34]，人造根的主侧根夹角均在真实主侧根夹角范围内，这说明角度设置合理。另一种验证人造根构型合理性的方法为对比人造根与真实植物根系的根系横截面积比（RAR）。如果真实植物根系和人造根的RAR在变化趋势、取值范围上均具有一致性，即可说明人造根构型合理[12]。此外，还可以通过与前人的研究成果做对比来验证人造根构型合理性。例如，人造根模型试验发现，当侧根与主根夹角为90°时，根系的抗拔力最强。野外原位测量发现低龄欧洲落叶松在0～4 cm浅层土中的根系主侧根平均夹角为89°，当植物被垂直拔起时，它们承担了大部分侧向抵抗张力[35]，这与人造根的试验结果相符，证明试验所用的人造根构型合理。

与人造根构型合理性检验相比，人造根功能的验证较为复杂，一般通过做验证实验来实现。例如，MICKOVSKI S B等[14]在探究影响根系抗拔力的主要因素时，不仅做了人造根的拉拔试验，还在同等实验条件下做了柳树根系的对照组，结果表明，人造根与真实根的试验结果十分相似。根系抗拔力大小为鱼骨状型>二分叉型>直根型，湿砂土中的抗拔力均大于干砂土，拔出时的应力应变曲线变化趋势相似，只是数值稍有不同，这表明人造根能很好地模拟真实根系与土体的相互作用。同样，为验证人造根能模拟植物根系吸水，Ng C W W等[25]测量了裸坡、人造根边坡和种植鸭脚木树的植被边坡的初始孔隙水压力分布情况，并与静置36 h后的情况对比。结果表明，36 h后人造根边坡内的负孔隙水压力的变化趋势、数值均与植被边坡相似，这表明试验所用人造根能模拟植物根系吸水。

2.2 人造根在模拟试验中的应用情况

人造根在根-土模拟实验中应用广泛，参与的试验类型由易到难不断发展。最初为简单的人造根拉拔试验，结果表明：根系抗拔力的大小主要取决于侧根的数量与位置;刚度更大的根具有更强的抗拔力;根系在湿砂土中的抗拔力强于干砂土[36-37]。试验结果与真实植物拉拔试验结果一致[38-39]，在根系抗拔力的研究上取得了较大发展。但这些试验在人造根材料、试验土体代表性、土体压实度、土壤水分含量和数据分析方法方面还存在巨大提升空间。MICKOVSKI等[14]在利用人造根探究根系锚定土体和加固土体的详细机制时，对上述问题进行了系统优化。他们采用了刚度较大的木材与弹性较好的橡胶制成3种不同构型的人造根，分别将人造根埋在干砂土与湿砂土中垂直拔出，在分析数据时采用了半横截面模型来解释将根系从全断面拉出的结果，建立了用根硬度、根构型、土壤含水量（孔隙水压力）3个参数预测根系抗拔力的方程式。近年来，随着科学技术的发展，人造根开始应用于各种离心机试验中。Sonnenberg等[36]为探究植物根对斜坡稳定性的强化机制，将安装了人造根的土坡置于离心机中，对比不同材料（木材、橡胶和柳枝）、不同构型（直型根和二分叉根）、不同数量的人造根对土坡的加固效果。试验现象和数据表明在边坡受到外界干扰时，根系通过自身发生轴向应变和弯曲应变阻止斜坡变形与坍塌。此外，他们利用多种极限平衡法计算了各种条件下的边坡稳定性，量化了根系对边坡的加固作用，推动了根系固坡效果定量评价的发展。

3 现有人造根存在的问题与优化设计

利用人造根代替真实根进行的科学试验已探明了多个科学问题，其成果已被广泛应用于育种技术、植物克隆技术、边坡加固技术，给社会带来巨大经济价值。但人造根还存在一些问题，需进一步完善。

3.1 人造根材料在根-土试验中的生化反应

与真实根系一样，人造根代替真实根系参与试验时，其表面与土壤接触紧密，根-土面易发生物理、化学和生物反应，导致人造根性能发生较大变化。例如醋酸纤维，这种材料在湿态下的强度仅为干态时的60%～70%，其干态下的断裂伸长率为湿态下的55%～85%[40]，如果用醋酸纤维人造根参与土壤含水量变化的试验，试验结果必然存在较大误差。除材料本身性质将随环境因子改变的情况以外，人造根材料还有与土壤发生化学反应的可能。例如铁丝材料的人造根，在湿土中极易和水、空气发生化学反应，24 h后铁丝就被明显锈蚀[41]。锈蚀后的铁丝不仅材料强度降低，其表面粗糙度、根土接触面积均发生明显变化，会对试验造成较大误差。同样，橡胶材料在与空气中的臭氧、土壤水分等长期作用下，会出现变软、变硬和拉伸强度降低等老化现象[42]。所以，单独以材料强度为人造根选材指標是远远不足的，应在满足材料强度的基础上，充分考虑材料在土壤中可能发生的生物化学反应，优化人造根选材。如在满足试验条件的前提下尽量选择非降解型高分子材料，保证其在试验过程中性质稳定不与土壤发生反应[43]。如无法找到满足试验要求的惰性材料，应注意所选人造根材料的使用范围与时间，并采取一定的防护和补救措施。例如保持醋酸纤维材料周围土体的含水量不发生改变、在长达数月的试验中注意更换老化橡胶和在铁丝上刷一层惰性材料保护漆等。

3.2 模拟根系网络结构

根据根系的形态和生长特性，可分为直根系和须根系两类。直根系有发达的粗而长的主根，其固土原理是，粗壮的主根扎入土层深处，就像锚杆一样将土体锚固起来，表现出深根锚固效应，根越长、越粗，锚固效果越好;其侧根通过产生斜向牵引力提高土体斜向抗拉强度，从而提高土体抗滑力[6]。须根系无明显主根，只有许多细长像胡须的根，其固土原理为须状根与土壤紧密结合，在土中形成网络结构，能固持松散土颗粒，根-土复合体的力学特性与加筋土类似，可有效提高土体的抗拉、抗剪能力[1]，从而加固边坡，减少滑坡、泥石流等山地灾害的发生。而目前的人造根为一条主根与少量侧根的结合，只能模拟侧根不发达的直根系对土体的锚固作用，无法模拟侧根发达的直根系植物，如图4[31]中的侧柏（Platycladus orientalis（L.）Franco）根系，更无法模拟须根系形成的密集根系网络对土体的网络加筋固持作用。

基于此，本文提出一种能模拟须根系和侧根发达的直根系的新型人造根，它由橡胶网（或其他适宜材料）层层叠加而成（如图5所示，图中以3层为例），以原点为起点，根系生物量密度沿x、z、y轴逐渐减小，变化趋势与原位挖掘实验所测得的“距植株水平距离越远，根系质量密度越小;根系生物量密度随土层深度增加逐渐减小”[4，7]规律相符，说明此人造根构型设计合理。此外，本文的新型人造根还可通过调节橡胶网开度、层数、每层长度，网格间夹角等，使安装新型人造根的土体根面积比（RAR）与含真实植物根系的土体一致，在模拟某一具体植物根系时，能与原型根保持较高相似度。

3.3 考虑根表粗糙度

在将根系拔出时，根系与土壤的接触面将产生抵抗根系滑动趋势的作用力，即根土面的摩擦阻力，根系与土壤颗粒的接触面积直接影响了摩擦力的大小。自然界的根系表面通常是凹凸不平的，这将导致表面较为平整的人造根的真实根具有更大的根土接触面积和粗糙度，从而导致人造根的摩擦力比真实情况偏小，抗拔力偏小，对土体的加固作用偏小。为解决上述问题，可在制作人造根时，用具有较高硬度颗粒的砂纸打磨人造根表面，加大根土接触面积和粗糙度，模拟出真实根的粗糙表面。粗糙度可用尝试法确定，即在选定人造根材料后，逐步打磨人造根表面，使同等土壤条件下人造根与原型根的抗拔力相等，此时的人造根表面即为人造根粗糙度设计值。

3.4 考虑植物的水文作用

植物一般含地上枝叶与地下根系两部分，为了减少工作量并排除干扰项，学者们在做植物根系试验时，一般会在试验开始前将植物的枝叶剪掉[4]。但部分试验并不适合这种方法，如植被边坡上的人工降雨试验。这是由于植物群落地上的高低错落结构对雨水进行层层截留，减小雨滴打击动能，减少土壤溅蚀，改变水分下渗过程，推迟产流汇流时间，削减洪峰流量。这将改变坡面的产流产沙过程，增加降雨过程中的边坡稳定性，如果直接将枝叶减掉，不考虑植物枝叶的雨水截获作用，坡体的安全系数将被低估。同样，利用人造根探究根系在降雨条件下对边坡的加固效果时，只在坡体内埋设人造根而忽略植物茎叶，将会造成实验误差。

为避免误差发生，Sonnenberg R等[36]在利用人造根探究植物根系对边坡的加固作用时，舍弃了人工降雨诱导坡体破坏的方法，由实验员不断向坡体内注水，逐渐升高地下水位、提高孔隙水压力来诱发坡体失稳破坏，实验装置如图6（a）所示。但这种土壤浸润线由下至上扩散的坡体破坏，一般只发生在水库渗水导致的边坡失稳案例中，适用范围较小。事实上，大多数边坡失稳还是由于天然降雨，土体浸润线由上至下的扩散导致的。人工降雨法诱导坡体破坏能模拟坡体降雨破坏的全过程，研究成果适用范围更广。

为兼顾降雨试验中的植物枝叶水文效应与更广的试验成果适用范围，本文提出了一种优化方法，即在坡体埋设人造根的基础上，增加层次分明的拦挡雨水结构，如图6（b）所示，可使试验结果更接近实际情况。其中拦挡结构的大小、形状、高度等，由人造根与原型根的比尺确定。降雨发生时，拦挡结构能像植物枝叶一样对坡面起到保护作用，减少土壤侵蚀、调节径流等，能很好地模拟枝叶的雨水截获功能。

4 结 语

人造根作为科学试验中的根系替代物，能减少试验工作量，增加试验精度与试验重现性。本文从人造根的材料选择、构型设计方面简要介绍了人造根，另外从人造根参与的主要试验、人造根有效性验证方法方面总结了人造根的应用概况。此外，还针对目前人造根存在的问题，提出人造根的优化设计方法：① 通过优化选材、合理布置、表面防护等措施避免根-土表面发生生化反应造成试验误差;② 用新型网状人造根模拟须根系植物根系对土体的网络加筋作用;③ 将人造根表面打磨粗糙，模拟根系表面的粗糙度，增加人造根根系与土体的接触面积;④ 在利用人造根参与降雨试验时，考虑植物的水文作用，增加植物地上部分拦挡结构设计。

人造根技术还在不断发展与完善中，希望将来的人造根能更加准确的模拟真实植物与土体的相互作用，参与更多种类的科学试验，并将试验结果用于生活生产，促进社会发展。

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（编辑：黄文晋）