本文发表于《中国水土保持科学》2024年第22卷第3期“水土保持科学与工程”栏目。
植物固土能力是生态护岸技术的关键影响因素，但对水陆交错带条件下的生态护坡植物固土能力的定量评估缺乏研究。选择耐旱耐淹且根系发达的芦竹、芦苇和风车草为研究对象，采用原位剪切试验和抗冲实验测定植物的抗剪切强度和土壤抗冲刷系数，对其固土能力进行综合比较，评价不同湿地植物的固土能力差别及其关键影响因子。
河岸、湖岸和库岸以及消落带等水陆交错带长期受到干湿交替、水位波动和水力侵蚀的影响，岸坡稳定性面临极大的破坏性压力，是崩塌风险最高的区域之一。为应对水陆交错带特殊的地理条件，其岸坡防护技术措施包括传统的土木工程结构和生态护坡技术，其中生态护坡技术是通过植物或者将植物与土木工程措施相结合，保证护坡措施具有一定强度和耐久性的同时，兼顾护坡工程的环境效应和生物效应，达到恢复生态环境、治理水土流失的目的。生态护坡在生态修复工程和景观工程中的应用已十分普遍。
生态护坡技术效果的关键影响因素是植物的固土能力。植物通过根系在土体中穿插、缠绕、网络、固结，使土体抵抗风化吹蚀、流水冲刷和重力侵蚀的能力增强。普遍认为植物根系对土体有加筋效应，根系在土中穿插交织并在土体受力时发挥其抗拉力来增强土体的抗剪强度，同时根土接触界面越大，产生的摩擦力和咬合力越大，则根系对土体黏聚力的增强效应越显著。评价根系固土能力的重要指标包括抗剪强度和抗冲性能。前人研究中发现土壤抗剪切强度与植物的根系数量、根系生物量、根长密度和根系表面积密度等有关，抗冲性能与根系密度密切相关。如陈义君等和刘定辉等研究发现土壤的抗剪切强度与植物的根系数量和生物量呈显著的正相关性。卢立霞等发现不同植物种类对土壤抗冲性的增强效果不同，这与植物的根系生物量和根系形态学指标之间有明显关系。
水陆交错带严苛的土壤干湿交替以及水流冲刷条件，使生态护坡的适用植物选择面临很大困难，也是该区域生态护坡的难点所在。虽然生态护坡植物的筛选研究已有报道，但主要集中于陆生植物，针对水陆交错带生理适应性和固土能力强的植物的筛选研究仍比较缺乏。当前对河岸带、湖岸带、库岸带以及消落带的生态护坡工程植物的选择主要是考虑覆盖度、耐淹特性和景观效果，其固土能力的定量评估和比较研究较少。笔者根据水陆交错带的条件，并以野外生态调查结果为依据，选择3种根系发达、耐旱耐淹的水生植物作为研究对象，测定分析其根系特性、抗剪切强度和抗冲性，定量评估并比较其固土能力及其影响因素，不仅为水陆交错带生态护坡的植物筛选提供定量评估方法，也可获得适用的具有很强固土能力的植物品种，未来推广应用于水陆交错带的生态护坡工程中。
讨论：
评价植物固土能力的重要指标是根系对土壤抗剪切强度和抗冲刷性能，抗剪切强度和抗冲刷性能越好，表明土体越稳定。本研究采用原位剪切试验保留了土壤颗粒的原始黏结构造，能较大限度的反映根土复合体的自然状况。研究结果发现芦竹、芦苇和风车草根系均能显著提高土体的抗剪强度，相对裸土的增幅分别为111.80%、77.43%和99.17%。表明植物可以很好的改善土体的抗剪切强度。段青松等对陆生草本植物对土壤抗剪强度提高的研究，裸土的抗剪强度为54.20 kPa，植物组的抗剪强度范围为55.70~93.50 kPa，仅有2.80%~72.50%的提高。抗剪强度与增量的显著差异可能是因为土壤质地和含水量的不同，同时不同种类植物根系强度和在土壤中的空间分布状况差异也会导致土体抗剪强度差异。土壤的含水量可以显著影响复合土体黏聚力，致使抗剪强度随含水量的增加而减小，而本研究土壤含水率较高，在各土壤之间没有差异性，相关性的结果也表明本研究含水率与土体抗剪切能力没有显著相关性。这表明在含水量高的土壤中，植物根系对土壤抗剪强度的影响大于含水率。这与Zhu等和熊寿德等的研究结果一致。
在3种植物中，芦竹具有最高的根系密度，且单位枝数的抗剪强度增强值显著高于芦苇和风车草，表明在相同面积情况下，较少芦竹的枝数具有更多的根系，对土壤的抗剪切强度有更大的增强效应。RDA的分析也表明根系的平均直径、根系总体积和总根的数量与土体抗剪切强度具有显著的相关性关系。植物根系在土壤中穿插，形成植物网状结构，植物根系可以通过深根锚定以及浅根的加筋作用来维持土体的稳定性，更多的根系数量代表植物根系越发达，根系与土体更紧密的接触，土体结构越稳定。根系可在土壤中产生刚性结构，刚性越强说明，结构越稳定，根系直径越粗，可能具有更大的刚性强度，使土壤的抗剪性能也更大。
土壤抗冲性指土壤抵抗径流机械破坏作用的能力，是土壤抗侵蚀性能的重要方面和直观表现。本研究发现芦竹、芦苇和风车草均能有效提高土体的抗冲性能，抗冲系数相对裸土的增幅分别为299.40%、140.21%和183.79%。植物增强土壤抗冲刷能力主要是由于根系的固结作用、茎秆对土壤表面水流冲击的减缓作用以及土壤结构的改善作用。土体中植物根系是影响土壤抗冲性的重要生物因素，Zhou等研究发现植物根系能显著提高土壤的稳定性和抗侵蚀性，表层(0~30 cm)含根土壤的抗冲性显著高于底层，根系表面积密度与抗冲性有显著正相关性。本研究发现根系生物量、根系密度、单位枝数根数、样方内茎横截面积比例与抗冲系数显著正相关。这与徐少君等的研究结果相似。说明根系对土壤抗冲指数有较大影响，根系密度越大、根系生物量越高，土壤抗冲性能越强。芦苇根系形态特性与芦竹和风车草不同，芦苇根长和根表面积显著大于芦竹和风车草，但其总根数、根平均直径显著低于芦竹和风车草，即根数少且根细，导致其抗冲和抗剪能力较差。地上部分植物茎秆可有效减缓水流的冲刷效果，增加土体的抗冲刷性能。芦竹样方茎横截面积比例远大于风车草和芦苇，也是芦竹抗冲能力较强的原因。此外活根能提供分泌物，死根提供有机质作为土壤团粒的胶结剂，使土壤结构性提高，团聚体结构增加。本研究中植物根系使土体中的微团聚体(< 0.25 mm)含量增大，粉砂粒和黏粒与抗冲刷系数具有极显著的相关性。团聚体是水中具有低分散性且较为稳定的胶结物组成，这些物质会大大提升土壤的黏性和重度，团聚体的含量越高土体的黏结性越高，抗侵蚀能力越强。
虽然本研究中3种植物均显著提升土壤的抗剪强度和抗冲性能，但可以发现3种植物间固土能力具有差异性，表现为芦竹和风车草抗剪能力较强。芦竹抗冲刷性能最好，风车草次之，芦苇综合固土能力最差。比较各植物根际形态特性可以发现，芦竹的茎横截面积比例、根系生物量、根系密度和单位枝数的根数都显著大于另外2种植物。与常见边坡修复植物比较，芦竹总根长、根平均直径、根表面积和根生物量都显著高于草本植物和常见灌木。此外，芦竹的分布范围广泛，对重金属、盐碱地也具有一定程度的耐受性，喜光耐阴、耐干旱和水淹，生境适用性宽，可以广泛应用于河岸、湖岸和库岸以及消落带等水陆交错带的生态护坡中。
结论：
本研究测定了水生植物芦竹、芦苇和风车草根系—土壤复合体的抗剪强度和抗冲刷系数，对其固土能力进行综合比较，芦竹、芦苇和风车草均能显著提高土体的抗剪强度和抗冲刷性能，抗剪切强度表现为芦竹>芦苇=风车草，抗冲系数表现为芦竹>芦苇=风车草，芦竹固土抗冲能力最强，风车草次之，芦苇最差。芦竹具有发达的根系和广泛的适应性，可作为河岸、湖岸和库岸以及消落带等水陆交错带生态护坡的优选物种。植物根系的平均直径、根系总体积和总根的数量与土体的抗剪切强度有较强的关系，根系生物量、根系密度、单位枝数根数、样方内茎横截面积比例与抗冲系数具有显著正相关。
土壤含水率、密度和孔隙度
裸土及处理组土壤的粒径组成
样方植物形态特性比较(平均值±SD值)
土壤抗剪切强度比较(平均值±SD值)
不同组的抗冲刷系数(平均值±SD值)
土壤特性与根土复合体的抗剪切强度及抗冲刷系数的相关分析结果
抗剪切强度和抗冲刷系数与植物特性间RDA分析
程虎, 李蒙, 杨劭, 张乃畅, 李厚峰. 水陆交错带护坡植物固土抗蚀能力比较分析[J]. 中国水土保持科学, 2024, 22(3): 56-63. DOI: 10.16843/j.sswc.2023057.
CHENG Hu, LI Meng, YANG Shao, ZHANG Naichang, LI Houfeng. Comparative analysis of soil reinforcement and anti-erosion capacity of slope protection plants in land-water ecotone[J]. Science of Soil and Water Conservation, 2024, 22(3): 56-63. DOI: 10.16843/j.sswc.2023057.
陕西省自然科学基础研究计划项目“引汉济渭二期工程湿地生态保护工程关键技术研究”(2021JLM-56)；国家科技重大专项水体污染控制与治理项目“三峡库区小江汉丰湖流域水环境综合防治与示范”(2013ZX07104-004)
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