草本植物对边坡稳定性影响研究进展

郭洋楠， 宫传刚， 杨 剑， 朱国庆

(1．神华神东煤炭集团有限责任公司， 陕西 神木 7193151，2.安徽理工大学， 安徽 淮南 232001；3. 中国矿业大学矿山生态修复教育部工程研究中心， 江苏 徐州 221116；4.山东省采煤塌陷地与采空区治理工程研究中心， 山东 济宁 272100)

由于边坡浅层破坏具有隐蔽性、累积性和长期性，导致该重要的生态坏境问题常常被忽视。影响边坡浅层破坏的因素主要包括地形条件、气候条件及人类活动，根据联合国粮食及农业组织(Food and Agriculture Organization of the United Nations，FAO)的报告显示，可持续的土地管理策略需充分考虑边坡浅层破坏的控制[1]。

边坡浅层破坏是边坡土壤侵蚀常见诱发因素[2]，其表现为地表植物、表层松散土壤(或替代材料)的剥离破坏过程。边坡浅层破坏常以浅层滑坡(Shallow landslides)和浅层侵蚀(Shallow erosion)为主：(1)浅层滑坡是指当边坡重力超过其内部最大阻力时发生的滑坡运动[3]，通常是由表土孔隙水压力增加、土壤凝聚力降低导致的边坡内部物理过程引起，常发生在土壤内部的软弱滑动层上[4]；(2)浅层侵蚀通常由积雪体运动[5]、动物踩踏[6]或人类活动[7]等扰动因素造成，过度扰动造成植物退化及地表拉伸型裂隙，雨水或融雪水入渗后形成滑动面，进而导致地表植物破坏和表层土壤流失[8]。边坡浅层破坏会造成农业用地水肥流失[9]、水域生态系统质量下降[10]、交通基础设施受损[11]，甚至会诱发滑坡、泥石流等地质灾害[12]。自然生态环境一旦遭到破坏，恢复起来难度较大，单纯依靠自然恢复往往需要数十年时间[13]，且恢复期间易发生二次破坏[14]。而人工恢复措施成本高，且难以保证获得预期的治理效果，因此如何有效防治边坡浅层破坏显得尤为重要。

适当的生态边坡工程预防措施要比灾害发生后再实施治理措施要更加有效[15]。植物对于边坡起到“加筋”作用，在有害荷载作用时会协同受力并协调形变，能够很好地预防边坡浅层破坏，且不同植物配置管理方式直接影响边坡浅层破坏发生概率[16]。因此，生态边坡工程不仅能够维持生态系统的稳定性，也是防治各类滑坡的常用方法[17]，对于提升边坡稳定性、抑制水土流失具有重要现实意义。然而，有时生态边坡工程措施却可能在固坡方面起到反作用，即在湿度大、坡度陡的坡地条件下，草本密根层在促进降水就地入渗的同时，也将地表根土层饱和软化，进而使得坡面在重力作用下整体下滑，呈现“剥皮”式浅层滑坡[18]。

近年来，生态边坡工程相关研究主要集中于灌木和乔木的固坡机制上，在理论和实践上均取得了重大进展[19]。相比而言，草本植物对边坡稳定性提升的相关机理研究较少，对草本植物在边坡稳定性提升机理和动态认识上仍需进一步探究[20]。与木本植物相比，草本植物在相同条件下具有更高的物种密度和多样性、更短的生长周期、更快的演替速度。深入开展针对草本植物的固坡效果研究，对于边坡浅层破坏的防治具有重要意义。本文对草本植物对边坡稳定性提升相关研究进行梳理，并与木本植物进行对比分析与讨论，立足工程和生态角度探讨草本植物的固坡过程及未来的研究方向。

1 草本植物边坡稳定性提升研究现状

边坡稳定性是指边坡岩土体在一定坡高和坡度条件下的稳定程度，是边坡抵抗自身破坏的力学表现[4]。若边坡重力超过其内部最大阻力，则可能发生浅层滑坡[21]或浅层侵蚀[22]。边坡稳定性主要受地形特征、水文条件、土壤理化性质及植物参数等因素影响，草本植物通过生态过程改善边坡水文条件，通过根系“加筋”作用来提升边坡机械强度，是提升边坡稳定性最有效的生态工程管理措施之一。

1.1 优化水文条件

坡面水文条件(如土壤入渗率、含水率)的变化是边坡浅层破坏的主要诱发因素[13,23]，草本植物通过改变其覆盖区域水文条件，达到影响边坡稳定性的效果，其影响过程如下：(1)通过增加地表粗糙度间接增强降雨或融雪水入渗，提升土壤含水率和保水能力，导致土体自重增加、孔隙水压力增大、土壤凝聚力降低，进而导致边坡抗剪切能力下降、稳定性降低[24]；(2)在降雨充沛地区，通过根系水势差作用与叶片蒸腾作用吸收土壤水，减少土壤含水率，进而提高边坡稳定性[23,25-26]。

优化边坡水文条件，即控制边坡土壤入渗率的同时保持较低含水率是维持边坡稳定性的有效措施[24]。草本边坡相比较于乔灌边坡或裸土边坡，在改变水文条件方面具有不同特征：一方面，茂密的草本茎叶能通过滞留部分降雨、削弱雨滴飞溅侵蚀，起到降低土壤团聚体破碎的作用[27-28]，同时茂密的草本茎叶也具有较高的水分蒸散能力，从而降低土壤含水率[25]；另一方面，草本植物密集的茎、叶使得坡面粗糙度增加，因而地表径流、壤中流速度变慢，水分入渗时间变久，从而增加土壤持水能力[29]。

此外，草本植物在影响地裂缝发育方面也具有不同表现：一方面，草本植物覆盖会限制收缩裂缝的形成和发育，进而提高边坡稳定性，在土壤粘土含量较高区域，会出现由于干旱或植物吸水作用引起的地表收缩裂缝，使得降雨再次来临时水分快速入渗到深层土壤中进而威胁边坡稳定性[30]。有研究表明，干旱收缩型裂缝在稀疏植物或裸土边坡的出现频率远高于茂密植物边坡，但后者裂缝持续时间更久[31]。另一方面，植物根系也会通过生物物理过程加速岩土风化，腐烂根系形成根土间隙也增加了土壤孔隙度，形成优先流通道[32]，进而增强了土壤渗透性及含水率，对边坡稳定性起负面作用。笔者认为，草本植物对边坡土壤渗透率的影响不能一概而论，应综合考虑边坡土壤理化性质、植物物种组成、边坡地貌特征及局部气候特征等多方面因素。

综上所述，植物通过改变坡面水文条件进而影响边坡稳定性，既有正面影响，也有负面影响。整体对边坡稳定性影响程度不仅受气候、土壤理化性质、表土层厚度、微地貌特征、土壤生物等区域下垫面和生境的影响[33]，也受物种组成、植物配置及植物结构等生态因素影响[34]。

1.2 提升表土抗性

1.2.1减少浅层滑坡 浅层滑坡是造成边坡失稳的最主要因素，草本植物可有效降低边坡浅层滑坡发生的概率。从力学角度分析，一般认为草本植物根系受力时是非弹性形变，据此可建立非刚性根(Nonrigid roots)与土体间的受力加固模型[35]。草本植物根系向下发育形成密根层和稀根层(图1)。根系的加筋作用使含根土体抗剪强度增强，进而有效提高边坡机械稳定性、抑制浅层滑坡[36-37]。除了竖直根系的加筋作用以外，水平根、茎及其他紧密交织生长的植物纤维可通过交织效应(Surface-mat Effect)构成根-土复合体[20,38]。该复合体符合摩尔-库伦定律，可改变土体力学特性，为土壤提供额外粘聚力[38-39]。同时，在这种交织效应下，即使只有少量根系贯穿潜在剪切破坏面并将表层土与深层土相连，水平植物纤维也可以将局部剪切应力从边坡浅层破坏隐患点传递到稳定区域，从而提升边坡整体稳定性[20]。

如图1所示，箭头表示边坡重力沿坡面的分力，红色虚线表示潜在边坡破坏面。图中区域Ⅰ为边坡稳定区，区域Ⅱ-Ⅵ为潜在浅层滑坡区，区域Ⅱ-Ⅳ为拉伸应力区，Ⅴ-Ⅵ为压缩应力区。在区域Ⅱ、Ⅵ中，大量根系贯穿潜于剪切面而形成稳定的根-土复合体，根系加筋作用与交织效应同时对抗滑坡拉力应力；在区域Ⅲ-Ⅴ中，少了根系贯穿潜剪切面，根系加筋作用效果降低，此时交织效应仍发挥作用，将区内部分剪切应力传递到区域Ⅰ、Ⅱ和Ⅵ等相对稳定区。

图1 草本植物根系对浅层滑坡的防治机理示意图

1.2.2缓解浅层侵蚀 大量研究表明，地表径流侵蚀[40]、浅层潜流侵蚀[41]、雪蚀[42]、冻融侵蚀[43]等都是造成边坡浅层侵蚀的主要因素。

雨季短时集中强降雨在增加坡体自重的同时，也降低了土体强度，雨水汇流后在坡面形成临时性地表径流和内部渗流是造成边坡浅层侵蚀的主要诱因。浅层侵蚀发展过程中，侵蚀形式为：面蚀(片流侵蚀)—细沟侵蚀—浅沟侵蚀—切沟侵蚀，这是一个侵蚀程度逐步增强的链状发展过程[44]。密集的草本植物具有滞留降雨、削减雨滴动能、减缓地表径流的坡面冲刷、再分配侵蚀能量的作用[45]，从而提高土壤抗蚀性[46]。

在北方及青藏高原等严寒地区，边坡除雨季受到径流侵蚀外，还会受到雪蚀和冻融侵蚀的破坏[47-48]。厚重的积雪在重力作用下与坡面间形成滑动趋势[49]，一旦发生积雪滑移或雪崩现象，极易造成地表浅层侵蚀[50]。冻融侵蚀则一般发生于初春，当气温逐渐升至融雪线附近，表土在昼夜温差作用下处于反复冻-融循环状态，并在表土层反复形成不稳定融化层。雪水入渗降低土壤凝聚力、表土粉化降低抗侵蚀能力，此时疏松、粉化的表土呈过饱和状，形成塑性融冻泥流缓慢向下移动[51-52]。边坡草本植物的种植可隔绝积雪与表土直接接触，增加坡面粗糙度及滑移阻力、降低冻融损害程度，进而缓解浅层侵蚀。

1.3 草本植物固土护坡优势

相较于草本植物，木本植物的生命周期长且季节稳定性高，因此被认为更适合于边坡破坏防治[24]。有学者比较了不同类型植物对边坡稳定性的提升效果，发现草本植物对于预防面蚀(片流侵蚀)和细沟侵蚀效果更为显著，而木本植物对于预防大面积边坡破坏效果更佳[53]。相比于草地边坡，林地边坡发生滑坡的概率更低，且滑坡坡面更陡[54-55]。然而有学者指出，二者进行对比分析时难以剔除林下草本植物的贡献，也难以充分考虑不同地形、土壤质量、植物与地貌的共同演化过程等立地条件的影响[13,54]，同时林地边坡浅层破坏往往更具隐蔽性而易被低估，因此难以进行客观对比[55]。

边坡的稳定性与根系的密度和长度有关，与草本植物相比，木本植物只有在其粗大的根系贯穿潜在剪切破坏面时才能体现出“锚固优势”[56]，而在边坡滑动应力过大时，粗壮的根部常与周边土壤滑脱，其锚固效应未能得到充分的发挥。同时木本植物巨大的地表生物量对于边坡也有负面影响，例如在强风或暴风雨环境下可能会被连根拔起而造成额外边坡破坏[16]。此外，林地的质量高低也极大地影响固坡效果，例如林间间隙大、地下生物量低、健康状态差的林地很难起到预期固坡效果[24,46]。

与木本植物的少量粗根系(图2A)不同，草本植物拥有大量细根系(图2B)，且深度大多集中于对边坡整体稳定性影响最大的表层十几到几十厘米处[57]。草本植物的浅层根系与表土形成的根-土复合体不仅极大地增加土体抗剪强度，而且为土壤微生物提供更稳定的繁衍空间，有助于提高土壤团聚体稳定性和生境的良性循环[58]。在生态边坡工程建设中，为保证边坡根-土界面快速融合，植物的快速建设是关键环节，草本植物以生长快、密度高的优势可以起到快速固坡的效果[59]。同样的，草本植物的群落稳定性和生物多样性也对边坡加固起到很大影响[60]，例如当草地开始退化时，极易引起坡面的片流侵蚀、细沟侵蚀、积雪滑动侵蚀和冻融侵蚀[14,20]。

图2 常见木本植物和草本植物根系边坡加固示意图

综上可知，在对边坡稳定性提升方面，木本和草本植物无法进行简单对比，不同条件下的不同物种固坡效果差异巨大[61-62]。具体固坡效果不仅取决于生境条件、物种特性、水文条件及表土抗性等方面，还取决于生态工程建设的可操作性、经济性及管理模式等方面(表1)。生态边坡工程应当根据具体生境，因地制宜地选取适当植物进行边坡加固。

表1 木本与草本植物边坡加固对比表

2 草本植物根系参数研究现状

植物根系参数是影响边坡加固效果的最主要因素，下面将从草本植物根系的分布特征、几何形态及抗拉强度等方面，就草本植物根系的固坡效果进行阐述[35]。

2.1 根系分布特征

根系分布特征主要指根长密度(Root length density,RLD)、地下生物量(Underground biomass,UB)、横截面积比(Root area ratio，RAR)及根系深度(Rooting depth，RD)等评价植物对边坡加固作用的重要指标。

根长密度是指单位土壤体积中根的总长度(m·m-3)，可以反映根系数量和根系分布状况，因而被用作边坡稳定性的指标之一。然而由于根长密度测量难度较大，因此常用地下生物量作为替代指标。根系生物量是指单位土壤体积中根的总干重(kg·m-3)，在一定程度上可以使用地上生物量对根系生物量进行估算[59,63]。然而值得注意的是，根系生物量指标无法区分根系粗细分类和粗细级配，而在相同根系生物量下，稠密的细根系要比稀疏的粗根系固土能力更强[64]。根系横截面积比是根系截面积所占总面积的比值(m2·m-2)，其值与根系抗拉强度相关[65]。同样，根系面积比也无法区分根系的粗细分类和粗细级配，亦难以量化微小直径(Ф<0.25 mm)的根系，因此会低估拥有大量细根系的草地对边坡的加固能力[66]。根系深度决定了植物对边坡加固的范围[16,67]。草本植物对边坡土壤抗剪强度及凝聚力的增强作用主要在根系集中的表土10～20 cm处[68-69]。植物根系深度除受物种类型影响外，还受种植密度及土壤物理性质的影响。较高的种植密度造成植物间对养分和水分的竞争从而促使其根系的纵向发育[68]。然而硬度过大的土层或浅层基岩面则会限制根系生长，使根系在基岩与土层之间形成潜在滑动破坏面，增加了边坡破坏风险[66,70]。

由以上研究可以看出，目前根系研究的分类方法尚未形成统一标准，且根系分布特征的野外实测数据获取难度较大，亟需建立一套有效的研究体系来量化植物根系对边坡的稳定作用，进而为生态边坡工程措施提供适应性管理策略[71-72]。

2.2 根系几何形态

根系的几何形态特征主要包括直径-长度比、曲率及空间分布特征等，这些因素直接影响边坡土壤在降雨期间的抗剪强度和交织效应的效果[73]。

在根系类型上，草本植物可分为直根系(Taproot system)草本和须根系(Fibrous root system)草本。直根系草本根系生物量高、根长密度低，须根系草本则相反。由于须根系植物具有较高的根长密度，因而常认为其边坡加固效果更佳[57,74]。也有学者指出，在生物多样性丰富的地区，以直根系植物为主的草本边坡也具有较强的加固效果[20]。因此，根系对边坡的加固效果更取决于植物类型而非根系类型。

此外，草本根系不同生长部位以及不同生长阶段的固坡效果亦相差较大[75]，水平和侧向根系有时比垂直根系固坡效果更加显著[63]，不同草本根系受力时根-土机械作用过程[76]、增强土体抗崩解特性[77]等方面均具有显著差异性。

2.3 根系抗拉强度

植物根系的抗拉强度(Tensile strength)是指其承受静态拉伸时抵抗断裂的能力，即根系最大负载力与其截面积之比(N·mm-2)，是评估植物力学固坡效果的又一重要指标。根系抗拉强度的测量方式相对简单，但耗时较大。测量时需注意将根系固定于测量系统中时不能影响根系自身性质，要保证根系受力均匀以减少测量误差[78]。调查发现，不同物种根系抗拉强度差异巨大，从数千帕(kPa)到数十兆帕(MPa)不等[79-80]。同一物种根系抗拉强度也受生境[17,65]、植株密度[66]、根系深度[81]、根系部位[65]、根系年龄[65,82]、根系湿度[83]、截面微观结构[84]等多种因素影响。一般情况下，同种物种根系抗拉强度与根系直径呈反比[84-85]，与土壤抗剪强度呈正比[86]，由此可见，稠密的须根对边坡加固效果更佳[78,87]。因此在定量计算根系对边坡的加固作用时，需同时考虑根系横截面积比及其直径级配分布。

3 草本植物生态边坡工程指导策略

在了解草本植物对边坡稳定性的提升机理及优势后，需应用到生态边坡工程的实践中去。生态边坡工程融合了生态学和工程学相关理念，在边坡稳定性提升方面起到重要作用。工程措施及后续适应性管理措施会持续影响边坡生境和植物状态，进而改变边坡水文条件和表土抗性，最终影响边坡稳定性及生态服务功能(图3)。

图3 生态边坡工程措施及管理措施对边坡稳定性的影响过程

3.1 物种选择

生态边坡工程一般需经历植物建立、群落正向演替以及长期稳定性管理3个阶段。物种选择在生态边坡工程中尤为重要，不同草本的根系对土层的利用空间及对土壤环境(如土壤含水率、pH值、养分、微生物等)适应程度不同，单一物种不仅由于其根系参数的局限性而难以充分利用表土空间[81]，而且难以适应多样化土壤环境。物种间竞争则会提高区域内根系总体生物量、密度及抗拉强度，达到更好固坡效果[59,88]。此外，在相同生境下，不同类型草本植物的根系参数差异较大[61,89]；在不同生境下，同种草本植物个体间的根系参数差异也较大[83,90]。因此在生态边坡工程中应注意物种的选择与搭配，可根据边坡不同立地条件及潜在剪切破坏面情况进行最优物种配置[81,91]。在非干旱区，原则上应当优选地下生物量大且直根系、须根系相结合的物种配置模式，以实现根系功能和结构的多样性，在具有更高的生态服务价值及生态系统恢复力的同时，达到立体式护坡的目的[64,92]；在干旱/半干旱地区，则不宜种植耗水量大的植物，以防止地下水快速消耗而导致生境恶劣，同时种植密度需符合区域生态承载力。

对于矿山尾矿、排土场或其他人工边坡而言，往往面临地貌复杂、土壤贫瘠、环境恶劣的问题，以至于难以形成稳定的根系系统[93]。在植物建立初期应当把重心放在土壤生境改良上，因地制宜的选择速生本地草本植物作为先锋物种，配合人工管理措施以加速修复区植物建立和群落正向演替速率，达到对土壤生境提质增效的目的[94]。

3.2 工程实践

在现有理论基础上，生态边坡工程越发重视草本植物的固坡作用，同时注重农学、草学、生态学、园艺学等多学科交叉技术的融合应用。

生态边坡工程建设充分发挥草本植物生物多样性高、物种密度大、根系成型周期短、演替速度快的优势，优选本地建群种进行配置[81,95]。在植物建立阶段根据最佳植物配置模式，按先锋种、过度种、演替种、顶级种的配搭方式进行不同阶段的种植，以快速恢复至稳定群落[96]。再结合适应性管理策略，在群落演替及后期管理阶段进行适当放牧或刈割等中度干扰以防止生物多样性降低及不利物种的过度传播[97-98]。条件允许时，所选物种兼顾水资源净化、碳固存、经济性(食物、饲料、药材或造纸原材料等)、观赏性等其他服务价值[99]。总而言之，现阶段利用生态边坡工程建立的生态系统具有较强的稳定性和恢复力，能在自维持、免维护的基础上保持多维度的生态服务功能。

4 结语

本文通过对国内外草本植物固坡机理、效果及优缺点的研究进行深入分析，阐述了草本植物根系参数对边坡稳定性的影响过程，梳理了草本植物在生态边坡工程中的作用及注意事项。得出结论如下：

植物通过根系吸水作用、叶片蒸腾作用、改善地表渗透率、增加坡面粗糙度等方式改变坡面水文条件；通过根系加筋效果、交织效应提升土壤凝聚力和抗剪强度，从而改善边坡稳定性；木本与草本植物的固坡能力各有优劣，固坡效果受生境和物种类型影响较大，因此不宜进行简单对比；生态边坡工程前期建设应当因地制宜地选用本地建群种进行配置，多种物种组合不仅具有更高稳定性，而且根系可以充分利用地下空间；后期稳定性管理需有长期规划，以保证演替进程、物种多样性、持续固坡效果及其他生态服务价值。