喀斯特地区的二元结构背景及化学溶蚀、重力侵蚀和水力侵蚀综合作用导致水土流失严重且特殊^[1], 一直是学术界关注的热点。治理水土流失的核心是生态修复, 关键是恢复林草^[2]。植物措施不仅能控制土壤侵蚀, 还能增强生态系统稳定性和生物多样性, 增加土壤有机碳含量与储量^[3], 其在防治土壤侵蚀和增强边坡稳定性等方面的作用已经被广泛认可^[4—6]。根系对于植物发挥固土固坡作用至关重要, 有研究表明草原植被因素导致的土壤侵蚀减少量中有一半以上是源于根系^[7]。植物通过根系的物理和化学作用增强土体稳定, 有效防治浅层滑坡和减少水土流失。植物措施还具有低成本和良好生态效益等优点, 广泛应用于边坡防护工程^[8]。探究影响边坡稳定的根系性状, 可为喀斯特地区因地制宜进行浅层滑坡和水土流失治理提供理论支持。

目前, 国内外学者对于影响植物根系固土固坡的因素进行了大量研究。一些研究表明, 林冠宽度和根土盘直径会影响乔木边坡的稳定性^[9]；植被边坡的安全系数随着树木间距的增加而降低^[10]；随着生长时间增加, 刺槐(Robinia pseudoacacia L.)^[11]和紫花苜蓿(Medicago sativa L.)^[12]根系对边坡加固效果增强；坡度影响树木对边坡的加固效果^[13]；不同根系形态中指数形根系形态的植被对增强边坡稳定性效果最好^[14]；边坡安全系数随土壤饱和度的增加和土壤含盐量的降低而降低^[15]；Temgoua等人^[16]的研究表明根系产生的附加粘聚力显著提高了边坡稳定性。大量研究表明根系性状如根体积密度^[17]和根表面积密度^[18]与根-土复合体抗剪强度密切相关。前人研究多集中于坡度、土壤饱和度、生长时间和植物种类等对边坡稳定的影响以及根系性状对土体抗剪强度的影响, 而综合考虑草本植物根系性状、土壤理化力学性质和边坡稳定性的研究较少。鉴于此, 本研究在重庆市酉阳土家族苗族自治县泔溪镇选取典型喀斯特坡地开展试验, 以50 m高差划分上、中、下三个坡位并种植沿阶草(Ophiopogon bodinieri H.)和拉巴豆(Dolichos lablab L.)两种草本植物, 通过直剪试验、根系灰度扫描、无限边坡稳定分析模型和结构方程模型分析草本植物根系性状和土壤理化力学性质对边坡稳定的影响, 探究影响边坡稳定的关键根系性状及根系在不同坡位的作用。以期为喀斯特地区生态恢复及因地制宜布设植物措施治理喀斯特坡地浅层滑坡和水土流失提供理论依据。

1 材料与方法 1.1 试验区概况

试验区位于重庆市酉阳土家族苗族自治县泔溪镇一典型喀斯特坡地, 岩体为碳酸盐岩, 基岩裸露率约为25%, 坡度约30°, 海拔为350—513 m。以50 m高差将坡地分为上、中、下三个坡位, 上坡和中坡土层平均厚度约25 cm, 下坡土层平均厚度约30 cm。土壤为石灰性黄壤, pH为7.37, 全氮含量为2.19 g/kg, 全磷含量为0.59 g/kg, 全钾含量为19.14 g/kg, 有机质含量为11.52 g/kg。酉阳地处亚热带季风气候区, 年均气温约14.6 ℃, 年均降水量1200 mm, 其中80%以上发生在4月至10月, 年均日照时长1131 h, 无霜期261 d。

1.2 试验设计

基于生态和经济效益原则选择沿阶草和拉巴豆两种草本植物。沿阶草为当地优势物种^[6], 根系发达, 耐旱能力强。拉巴豆具有固氮功能, 茎叶可作优质牧草, 可以适应典型的石灰性和酸性黄壤条件, 在风化石砾中也能较好生长^[19]。试验区内于2021年4月移栽沿阶草(株行距为5 cm、成活率90%), 撒播拉巴豆(密度30 g/m²、成活率80%)。两种植物在上坡、中坡和下坡各种1带, 共布设6带植物, 以三个坡位的裸地为对照处理(CK)。植物带宽度设计为20—30 cm, 长度为200 m左右。2021年9月采集沿阶草、拉巴豆土壤样品和根-土复合体样品, 采样时植物均处于生长旺盛期, 沿阶草覆盖率约60%, 拉巴豆覆盖率约65%。

1.3 样品采集

土壤样品采集：每种处理每个坡位采集3个容重环刀(底面积20 cm², 高5 cm)、3个铝盒和3袋散土, 共采集27个容重环刀、27个铝盒以及27袋散土。

抗剪土样采集：在每带植物的两端和中间选取4个点, 每点采集1个抗剪环刀(底面积30 cm², 高2 cm), 这4个抗剪环刀为一组, 每个坡位各采集3组重复, 共计采集27组抗剪土样(108个抗剪环刀)。

1.4 测定项目与方法 1.4.1 土壤理化性质

采用环刀法和烘干法测定土壤容重和含水率；采用吸管法测定土壤机械组成；采用湿筛法测定土壤水稳性团聚体含量^[20]；采用重铬酸钾外加热法测定土壤有机质含量。

1.4.2 根-土复合体抗剪强度指标

采用ZJ型应变控制式直剪仪测定并根据库伦定律计算内摩擦角φ和粘聚力c, 具体方法见文献^[6]。

1.4.3 根-土复合体根系性状

测定土体抗剪强度指标后, 将根系清洗出来, 采用EPSON(PERFECTION C700)根系扫描仪对根系进行灰度扫描, 再利用WinRHIZO(Pro.2009)根系分析软件对图像进行分析, 从而获得根表面积、根体积和根长。扫描结束后, 将根系样品在65 ℃烘箱中烘干48 h后称重, 以获得根干质量。由于抗剪环刀中的根系样品不是整株根系, 故使用根长密度、根体积比和根表面积密度作为根系形态性状, 将根质量密度作为根系生物量性状, 将比根长和根组织密度作为根系功能性状^[21]。

1.4.4 边坡安全系数计算

采用无限边坡稳定分析模型计算安全系数(slope stability factor of safety, F_s), 该模型假定边坡任意铅直断面的材料组成、强度参数以及所受荷载均相同, 它是一种边坡稳定性分析的实用简化模型。该模型同时考虑了根系拉力和土壤吸力的作用, 因本文仅考虑根系的机械作用力, 不考虑孔隙水压力的公式为^[22]：

(1)

式中, F_s为边坡安全系数；φ为土壤内摩擦角, °；β为坡度, °；c为土壤粘聚力, kPa；H为土层厚度, cm；γ为土壤容重, g/cm³。

1.5 数据处理与分析

采用Microsoft Excel 2021对数据进行统计分析；IBM SPSS Statistics 27.0进行差异显著性检验(Duncan法, P < 0.05)和Pearson相关分析；Origin 2022作图；R 4.2.3软件lavaan包实现结构方程模型。

2 结果与分析 2.1 边坡稳定性分析

边坡安全系数在同一坡位不同处理之间均表现为沿阶草>拉巴豆>CK, 且沿阶草处理与CK存在显著性差异(图 1)。沿阶草处理上、中、下坡的边坡安全系数较CK分别提高了149.97%、150.21%和179.96%, 拉巴豆处理的则分别提高了75.53%、54.23%和52.27%。可见, 沿阶草和拉巴豆均能提高边坡稳定性, 且沿阶草的效果好于拉巴豆。沿阶草对下坡安全系数提升最大, 而拉巴豆对上坡安全系数提升最大。

三种处理的边坡安全系数在坡位间呈现不同规律。CK处理, 中坡和下坡的边坡安全系数显著大于上坡, 分别较上坡提高了25.94%和34.42%；沿阶草处理, 下坡的边坡安全系数显著大于上坡, 中坡和下坡间则无显著性差异；拉巴豆处理的边坡安全系数在各坡位间均无显著性差异。

2.2 土壤理化力学性质

由表 1可知, 下坡拉巴豆处理的容重显著高于CK, 上坡拉巴豆处理的水稳性团聚体含量显著高于CK, 中坡沿阶草和拉巴豆处理的粉粒含量显著高于CK。三个坡位有机质含量表现为CK大于沿阶草和拉巴豆处理, 其中在下坡表现出显著性差异。不同坡位间, CK和沿阶草处理上坡容重大于中坡和下坡, CK处理下坡含水率显著高于上坡。黏粒含量在不同坡位间均表现为下坡大于中坡和上坡, 其中CK处理下坡显著大于中坡和上坡。

三种处理的土壤内摩擦角和粘聚力如图 2所示。同一坡位不同处理之间的土壤内摩擦角均无显著差异, 说明草本植物根系对土壤内摩擦角并未产生显著影响。根系的加固主要影响粘聚力, 而对内摩擦角没有显著影响^[18]。

土壤粘聚力在不同处理间均表现为沿阶草>拉巴豆>CK。沿阶草处理上、中、下坡的土壤粘聚力分别是CK的5.11、3.37和4.34倍, 拉巴豆处理分别是CK的2.98、2.24和1.97倍。上坡仅沿阶草和CK处理之间差异显著, 而中坡和下坡三种处理土壤粘聚力之间差异显著。三种处理土壤粘聚力均表现为下坡>中坡>上坡, 且下坡均显著大于上坡。沿阶草、拉巴豆和CK处理下坡土壤粘聚力较上坡分别提高了78.67%、38.62%和109.97%。

2.3 根系性状

如图 3所示, 两种植物下坡根系均较上坡和中坡发达, 这与前人^[6]在喀斯特地区的研究一致, 根系形态受土壤环境的影响而变化^[23]。在根系生物量方面, 沿阶草和拉巴豆的根质量密度均表现为下坡>中坡>上坡, 且下坡显著大于上坡, 分别是上坡的1.67和2.71倍。沿阶草处理的根质量密度在上、中、下坡均显著大于拉巴豆, 分别是拉巴豆的5.99、2.78和3.70倍。在根系形态性状方面, 不同坡位间, 沿阶草仅根表面积密度在下坡显著大于上坡, 是上坡的2.05倍。拉巴豆的根长密度和根表面积密度在中坡和下坡显著高于上坡, 而根体积比在中坡显著高于上坡和下坡。在根系功能性状方面, 两种草本植物的比根长和根组织密度在坡位间差异不显著。拉巴豆的比根长在上、中、下坡均显著大于沿阶草, 分别是沿阶草的3.36、2.85和2.24倍。

2.4 边坡稳定影响因素分析

由表 2可知, 边坡安全系数与土壤粘聚力极显著正相关, 与土壤粉粒含量极显著负相关(P < 0.01), 与土壤黏粒显著正相关, 与大于0.25 mm水稳性团聚体含量显著负相关(P < 0.05)。边坡安全系数与土壤粘聚力相关性最强, 拟合结果表明两者呈对数函数关系(图 4)。

如表 3所示, 边坡安全系数与根长密度、根表面积密度和根质量密度极显著正相关, 与比根长极显著负相关(P < 0.01), 其中与根质量密度相关性最强, 相关系数为0.85。

应用卡方检验P值、拟合优度指数和近似误差均方根等指标^[24]评估结构方程模型的拟合优度, 表明模型与数据拟合较好(P=0.419>0.05, GFI=0.988>0.9, RMSEA=0.032 < 0.06)。结构方程模型表明仅根质量密度对边坡安全系数的直接影响极显著(P < 0.01), 标准化路径系数为0.85。根长密度和比根长通过根质量密度间接影响边坡安全系数, 根表面积密度和根组织密度通过比根长间接影响边坡安全系数, 根体积比对边坡安全系数的影响不显著(图 5)。综上所述, 根质量密度是影响边坡稳定的关键根系性状。

3 讨论

研究结果表明在喀斯特地区种植草本植物可以提高边坡安全系数且须根系的提高效果好于直根系。前人研究也证实刺槐^[11]、紫花苜蓿^[12]和拧条(Caragana korshinskii K.)^[25]等植物均能提高边坡安全系数。张立芸等人^[26]的研究也表明须根系比直根系固定表土的能力更强。这主要是因为须根系植物根系发达, 很少出现为发展部分根系而牺牲细根和单根的情况。喀斯特地区土层浅薄^[27], 须根系能在浅土层形成致密的根系网络进而有效固持土壤。研究还表明沿阶草处理对下坡安全系数提升最大, 而拉巴豆处理对上坡安全系数提升最大。这是由于根系通过加筋和锚固两方面作用以增强土体抗剪强度和提高边坡浅层稳定性^[28], 须根系植物的细根主要发挥加筋作用而直根系的主根主要发挥锚固作用^[25]。下坡土壤水肥条件较优^[29], 根系生长不受限。细根数量多更能发挥须根系的加筋效果进而增强边坡稳定性^[30]。上坡通常面临更恶劣的生长环境, 植物主要通过根系伸长和提高深层根占比的方式适应恶劣环境^[31—32]。上坡直根系的主根必须纵向生长, 以便它们可以扩展到更深的岩石缝隙中吸收水分和养分。这造成直根系植物对上坡的锚固作用优于中、下坡。因此, 须根系在下坡能发挥最优的加筋作用, 直根系在上坡能最大发挥锚固作用。

试验区土壤理化性质表明两种草处理的土壤有机质含量较CK略有下降。而前人^[3]研究表明生态恢复增加了石漠化地区土壤有机碳含量。这可能与本研究两种草处理存在人为收割用于试验有关, 人为收割减少土壤有机质通过根系和地上生物量分解返回土壤。与对照相比, 人为收割造成土壤有机质转移。虽然根系腐殖质和分泌物可以增加土壤有机质含量, 但由于植物种植时间短, 其增加量可能低于人为收割造成的减少量。Wang等人^[33]在西南典型喀斯特植被修复区的研究也表明无植被覆盖的土壤有机质含量高于皇竹草(Pennisetum sinese R.)和砂仁(Amomum villosum L.)两个草地恢复区。在土壤力学性质中, 边坡安全系数与土壤粘聚力相关性最强, 相关系数达到0.95(P < 0.01), 由土壤粘聚力所代表的土体抗剪强度不仅是评估土壤可蚀性的指标, 也是边坡稳定性分析的重要输入参数^[15]。边坡安全系数与土壤粘聚力呈对数函数关系, 这与前人^[34]对刺槐和侧柏(Platycladus orientalis F.)的研究结果相似。边坡稳定性受多种因素影响, 土壤粘聚力是关键因素之一, 含水量和地下水位等其他因素也影响边坡稳定性^[9—15]。因此, 虽然增加土壤粘聚力有助于提高边坡稳定性, 但这一效果存在上限。

结构方程模型表明根质量密度是影响边坡稳定的关键根系性状, 植物根系通过其生物物理及化学效应在减少土壤侵蚀和增强边坡稳定方面发挥着重要作用^[35—36]。根系在生长过程中与土体形成网状结构, 通过物理上结合土壤颗粒提供加筋和锚固作用。同时, 根系分泌物通过范德华力粘附土壤颗粒, 增强土壤抗侵蚀能力和稳定性^[37]。高根质量密度意味着更多植物根系参与了加固坡面土体的过程, 从而使坡面更能抵抗边坡失稳, 并提高边坡安全系数。根质量密度从坡上到坡下逐渐增加, 所以随着坡位降低, 边坡稳定性增强。根质量密度随着坡位变化与不同坡位的根系生长环境有关, 这与Geng等人^[38]在黄土高原对华扁穗草(Blysmus sinocompressus T. et W.)、早熟禾(Poa annua L.)和长芒草(Stipa bungeana T.)的研究结果一致, 其研究表明根质量密度与海拔负相关。本研究位于喀斯特地区, 降雨集中, 水土流失严重。土壤水分和养分由于水土流失自然向边坡上的低洼处移动, 导致中、下坡的环境比上坡好^[29], 植物根系生长更发达。坡位间根系形态变化是土壤水分和养分含量空间变异的反映。拉巴豆的根长密度和根表面积密度在中坡和下坡显著高于上坡, 这与颜哲豪等人^[6]在同一地区的研究结果一致。而沿阶草处理的根系形态在坡位之间差异不显著, 这表明沿阶草能较好地适应喀斯特地区不同坡位的生境, 而拉巴豆受坡位间生境影响较大。两种草处理之间的根系形态没有表现出显著性差异, 这与Wang等人^[21]在黄土高原的研究结果不同, 这一方面由于本研究所在喀斯特地区的环境与黄土高原不同, 土层浅薄且具有地表地下二元结构^[1], 植物生长存在限制。另一方面可能由采样方法不同造成, Wang等人^[21]使用5 cm高的抗冲环刀采集根-土复合体样本, 而本研究使用2 cm高的抗剪环刀采集样本。

4 结论

(1) 沿阶草和拉巴豆均提高了喀斯特边坡浅层稳定性。两种草处理的边坡安全系数是对照的1.52—2.80倍, 其中须根系沿阶草的固坡效果显著优于直根系的拉巴豆。沿阶草和拉巴豆处理的最优坡位分别是下坡和上坡, 二者的边坡安全系数相较于对照分别提高了179.96%和75.53%。

(2) 沿阶草和拉巴豆均显著提高了土壤粘聚力, 两种草处理的土壤粘聚力是对照的1.97—5.11倍。沿阶草的根质量密度显著大于拉巴豆, 是拉巴豆的2.78—5.99倍。不同坡位间, 两种草处理的根质量密度、根表面积密度和土壤粘聚力均表现为下坡显著大于上坡。

(3) 土壤粘聚力和根质量密度是影响边坡浅层稳定性的关键指标。边坡安全系数与土壤粘聚力正相关, 且呈对数函数关系(R²=0.91, P < 0.01)。结构方程模型中仅根质量密度对边坡安全系数的直接影响显著, 标准化路径系数为0.85(P < 0.01)。喀斯特地区边坡浅层防护宜分坡位选取不同根系类型的草本植物, 且根质量密度高的植物有利于边坡稳定。