不同種植間距對香根草植物邊坡優(yōu)先流發(fā)育特征的影響

于 師, 李珍玉, 王夢珂, 江學(xué)良, 歐陽淼

(中南林業(yè)科技大學(xué) 土木工程學(xué)院, 湖南 長沙 410004)

目前，關(guān)于植物邊坡穩(wěn)定性的研究大多數(shù)是建立在植物根系對邊坡土體產(chǎn)生力學(xué)效應(yīng)和水力效應(yīng)的基礎(chǔ)上。力學(xué)效應(yīng)是植物根系可以增加土壤黏聚力和根系提供的抗拉強(qiáng)度來提高土壤的抗剪強(qiáng)度[1]；水力效應(yīng)則是植物的蒸騰作用能夠減少土壤中的孔隙水壓力和滲透率[2]，增加土壤的基質(zhì)吸力，從而提高土壤的持水能力[3]，保證淺層邊坡的穩(wěn)定性。這些效應(yīng)都是植物根系對邊坡穩(wěn)定性的有利影響，然而植物根系也會(huì)對邊坡穩(wěn)定帶來不利的影響。在降雨條件下，雨水會(huì)沿著扎根于邊坡土體的植物根系更快地滲入到土體之中，使得植物根系周圍邊坡土體孔隙水壓力增大，進(jìn)而產(chǎn)生不利的水力效應(yīng)。這種水和溶質(zhì)沿著土壤大孔隙、蟲洞或者植物根系等通道，繞開土壤基質(zhì)區(qū)域，快速遷移到深層邊坡土壤中的一種水分運(yùn)動(dòng)形式，被稱為優(yōu)先流。優(yōu)先流動(dòng)的水分通過土壤孔隙的優(yōu)勢通道以背離Darcy定律形式快速入滲到邊坡土壤中，使邊坡土壤導(dǎo)水率增大，進(jìn)而使土體中的孔隙水壓力急劇增大，對邊坡穩(wěn)定造成了不利影響。因此，研究降雨條件下植物邊坡中優(yōu)先流的發(fā)育情況對植物邊坡的穩(wěn)定性具有重要意義。

近年來許多國內(nèi)外學(xué)者對不同植被類型和不同孔隙結(jié)構(gòu)類型的土壤優(yōu)先流發(fā)育情況進(jìn)行了相關(guān)研究，徐宗恒等[4]通過染色示蹤試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)云南松和狗牙根對于斜坡優(yōu)先流發(fā)育狀態(tài)是不同的，云南松比較狗牙根優(yōu)先流發(fā)育更為活躍。張英虎等[5]采用染色示蹤試驗(yàn)研究了林木根長密度和根系生物量與優(yōu)先流的變化關(guān)系，發(fā)現(xiàn)植物根系特征與優(yōu)先流存在密切的關(guān)系。Murielle等[6]通過理論研究分析發(fā)現(xiàn)死亡根系或腐爛后的通道、新生根系占據(jù)的腐爛通道和活根系通道周圍的根系通道都會(huì)形成優(yōu)先路徑，從而影響土壤的孔隙水壓力。Tang等[7]研究了兩種不同巖性場地在4個(gè)山坡位置的優(yōu)先流狀況，結(jié)果表明頁巖比砂巖土壤具有更高發(fā)育程度的優(yōu)先流狀態(tài)。在許多邊坡發(fā)生滑坡時(shí)，滑動(dòng)面處會(huì)發(fā)現(xiàn)許多優(yōu)先入滲通道。因此分析優(yōu)先入滲通道是研究邊坡優(yōu)先流的前提。

在植物邊坡中，植物的種植間距是影響植物根系優(yōu)先入滲通道的重要因素[8]。植物種植間距越小，根系會(huì)生長得更多。雖然這些植物根系吸水使土壤中的水分快速蒸騰土壤基質(zhì)吸力增大，但是也導(dǎo)致形成更多根系優(yōu)勢入滲通道[9]，形成更大的大孔隙網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)雨水通過這些大孔隙優(yōu)先路徑快速遷移到邊坡土壤中，誘導(dǎo)潛在滑動(dòng)面處孔隙水壓力快速變化，就會(huì)引起淺層邊坡的不穩(wěn)定。目前，關(guān)于植物邊坡穩(wěn)定性的研究考慮優(yōu)先流的相關(guān)文獻(xiàn)不多。本文以香根草植物邊坡為研究對象，選擇兩種不同的降雨量、兩種不同的種植間距開展現(xiàn)場示蹤試驗(yàn)，分析優(yōu)先流在香根草邊坡中的發(fā)育特征，研究植物根系與優(yōu)先流之間的關(guān)系，以期為進(jìn)一步研究降雨條件下植物根系對邊坡土體穩(wěn)定性的影響提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與研究方法

模擬公路路堤邊坡實(shí)際情況，設(shè)計(jì)了一段長20 m，平均坡度約為40°的室外試驗(yàn)路堤邊坡。試驗(yàn)選用湖南地區(qū)分布較廣的紅壤土作為邊坡填充土壤。試驗(yàn)邊坡填筑后，在不同區(qū)域種植了間距分別為50 cm/株和10 cm/株的香根草植株(見圖1a)。生長2 a后，香根草分蘗生長，邊坡覆蓋率幾近50%(如圖1b所示)。

圖1 不同種植年限香根草植物邊坡試驗(yàn)段

1.1 染色示蹤試驗(yàn)

采用染色示蹤試驗(yàn)研究降雨后水流在土壤里的流動(dòng)狀況，獲得優(yōu)先流發(fā)育特征。目前染色示蹤試驗(yàn)多采用亞甲藍(lán)和碘化鉀—淀粉等作為示蹤劑，將其溶入水中，使該溶液滲入到土壤中進(jìn)行染色，再通過挖掘土壤剖面分析水流在土壤里的滲流情況。本試驗(yàn)選擇碘化鉀—淀粉示蹤劑來可視化水流入滲路徑，與亞甲藍(lán)溶液相比，碘離子具有更好的流動(dòng)性，對根系損害較小。其工作原理是碘化鉀中碘離子在硝酸鐵作用下被氧化成碘分子，利用濕潤的淀粉來吸附碘分子發(fā)生顯色反應(yīng)[10]。第一步先配置示蹤劑，利用碘化鉀(KI)配置碘離子溶劑，配置比例是20 g/L；第二步配置指示劑，在50 ml去離子水中加入50 g可溶性淀粉并拌勻后，加入到800 ml煮沸的去離子水中。靜置溶液使其變得清晰，待冷卻至室溫后，加入硝酸高鐵〔Fe(NO3)3·9H2O〕，溶解后裝入留置瓶中[11]，放置在干燥陰暗處保存。

示蹤劑試驗(yàn)開展于2021年8月，長沙平均最高氣溫約39 ℃，平均最低氣溫26 ℃。在進(jìn)行試驗(yàn)前，將香根草邊坡土壤表面小心地清理干凈并保證邊坡至少3 d的干燥，清理時(shí)注意不要破壞土壤的原有結(jié)構(gòu)。坡上位置靠近香根草，將香根草多余的葉子剪掉避免妨礙試驗(yàn)，留出尺寸為50 cm×50 cm的試驗(yàn)面積，再沿著坡向?qū)?0 cm×30 cm×0.8 mm(長×高×厚)的鐵板用小木錘錘入土壤中，錘入土體內(nèi)大約15 cm，錘擊時(shí)注意盡量不要破壞鐵皮框內(nèi)土壤結(jié)構(gòu)。

試驗(yàn)選擇30 mm和50 mm降雨量來模擬大雨和暴雨時(shí)情況，降雨持續(xù)2 h。試驗(yàn)步驟是先在香根草種植間距50 cm/株和種植間距10 cm/株以50 mm的降雨量來模擬，再在10 cm/株的香根草邊坡處以30 mm降雨量的模擬降雨試驗(yàn)。前期準(zhǔn)備工作完成后，將配置好的碘離子溶液用噴灑裝置均勻噴灑在邊坡上。模擬降雨試驗(yàn)如圖2所示。

圖2 香根草植物邊坡模擬降雨試驗(yàn)

模擬降雨完成后在內(nèi)框染色區(qū)域蓋上塑料薄膜，防止突然下雨和地表蒸發(fā)，待1～2 h后開始開挖剖面。一個(gè)試驗(yàn)區(qū)開挖1個(gè)剖面，剖面開挖位置大約在順坡方向的中間位置，每個(gè)剖面挖掘到入滲最大垂直深度以下大約15 cm。垂直剖面挖掘好后，用小鏟刀削平剖面，再用毛刷小心清除附著于垂直剖面上的土顆粒。將指示劑均勻噴灑在土壤剖面上，等待約30 min，土壤剖面上淀粉與碘化鉀發(fā)生反應(yīng)后漸漸顯色。用高清照相機(jī)給染色剖面進(jìn)行拍照，隨后按照同樣的方式完成所有染色剖面拍照。土壤染色情況如圖3所示。

圖3 香根草植物邊坡土壤染色剖面

1.2 香根草根系的特征測定

在進(jìn)行剖面開挖時(shí)，同時(shí)保護(hù)好土中的香根草根系，待拍照完成后，需要將香根草挖出。在降雨區(qū)域50 cm×50 cm的范圍內(nèi)將邊坡土壤垂直方向分為4層，分別為0—10，10—20，20—30，30—40 cm，統(tǒng)計(jì)分析這4層土壤內(nèi)的香根草根系的特征。具體步驟是將每層土挖出后利用篩子將碎土篩掉，小心清理根系上的土壤，再手動(dòng)清除大土顆粒，只留下香根草的根系。將根系放入干燥處自然風(fēng)干，最后對香根草根系生物數(shù)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，統(tǒng)計(jì)時(shí)利用游標(biāo)卡尺測量根系直徑，分別測量每根香根草的上、中、下3段位置的直徑，再取其平均值作為該根系的直徑。最后根據(jù)根系徑級和根系長度采用公式(1)估算出香根草根系表面積[12]，計(jì)算表達(dá)式如下：

S=πRL

(1)

式中：S是根系表面積(cm2);R是根系直徑(cm);L是根系長度(cm)。

1.3 圖像處理

首先利用軟件對現(xiàn)場染色照片進(jìn)行初步處理，將其轉(zhuǎn)化為二值圖，導(dǎo)出格式為png的圖片。圖片中黑色代表土壤染色區(qū)域，即優(yōu)先流區(qū)域；白色代表土壤未染色區(qū)域，即基質(zhì)區(qū)域。利用Python-3.9.2編程對染色剖面二值圖進(jìn)行量化處理，統(tǒng)計(jì)基質(zhì)區(qū)域與優(yōu)先流區(qū)域的像素點(diǎn)個(gè)數(shù)，存入Excel表格中并計(jì)算優(yōu)先流的相關(guān)特征參數(shù)，最后用軟件繪制出圖形。染色剖面處理如圖4所示。

圖4 土壤染色剖面二值化處理結(jié)果

2 結(jié)果與分析

2.1 優(yōu)先流量化參數(shù)

本文選擇染色面積比率、優(yōu)先流比[13]和優(yōu)先入滲路徑3個(gè)優(yōu)先流量化參數(shù)，分析在不同種植間距下植物邊坡優(yōu)先流的發(fā)育特征，研究在降雨過程中優(yōu)先流的作用對邊坡土體中水分分布的影響。

(1) 染色面積比率。染色面積比率是量化土壤優(yōu)先流的一個(gè)主要指標(biāo)，它是土壤染色剖面面積占總剖面面積的比例，并能夠直觀地反映雨水入滲狀態(tài)，其表達(dá)式如下。

(2)

式中：Dc是染色面積比率(%);Dp是染色區(qū)域(優(yōu)先流區(qū)域);Dm是未染色區(qū)域(基質(zhì)區(qū)域);Dp和Dm是通過python程序統(tǒng)計(jì)的黑白像素點(diǎn)個(gè)數(shù)利用Excel進(jìn)行計(jì)算。

(2) 優(yōu)先流比。優(yōu)先流比Pf是優(yōu)先流區(qū)域染色面積與總?cè)旧娣e的比值，它能反映出水流在優(yōu)先流區(qū)域的響應(yīng)，優(yōu)先流比越大說明優(yōu)先流發(fā)育程度越大。

(3)

式中：uf為基質(zhì)流深度(基質(zhì)流深度是剖面染色面積比率大于80%的臨界深度,單位是(cm);w是染色剖面寬度(cm);Ds是剖面染色區(qū)域面積(cm2)。

(3) 優(yōu)先入滲路徑。優(yōu)先入滲路徑是指在水流遷移到指定邊坡土層深度的染色入滲路徑，它可以在染色試驗(yàn)中通過分析染色切片圖像來得到。本文采用染色路徑寬度(SPW)來劃分優(yōu)先入滲路徑數(shù)量[14]，即染色路徑數(shù)量，SPW根據(jù)公式(4)所得。

(4)

式中：SPW是染色路徑寬度(邊坡土壤某一深度的獨(dú)立染色路徑的寬度，mm); SN是指定染色路徑寬度的像素點(diǎn)數(shù)量(pixel);R是圖像分辨率,本文R=1 pixel/mm。

2.2 香根草植物邊坡土壤染色特征

取3個(gè)垂直染色剖面面積圖進(jìn)行優(yōu)先流分析，發(fā)現(xiàn)不同的降雨量和不同的種植間距的香根草邊坡土壤剖面呈現(xiàn)出不同染色特征。土壤剖面的染色面積比率隨著土層深度變化的趨勢如圖5所示。圖右下角是經(jīng)過圖像處理的染色剖面二值圖。圖5a的香根草種植間距為10 cm/株，降雨量為50 mm；圖5b的香根草種植間距為10 cm/株，降雨量為30 mm；圖5c的香根草種植間距為50 cm/株，降雨量為50 mm。

由圖5可知，隨著土層深度增加，染色面積比率都呈減少的趨勢。在降雨量為50 mm的作用下，間距為10 cm/株的香根草種植區(qū)域，在0—10 cm土層范圍內(nèi)染色面積比率大部分區(qū)域都小于80%，說明已經(jīng)發(fā)生了優(yōu)先流動(dòng)，但染色路徑不連續(xù)；而間距為50 cm/株的香根草種植區(qū)域，在0—10 cm土層范圍內(nèi)染色面積比率約在80.00%～92.82%之間，說明此時(shí)0—10 cm范圍內(nèi)多為基質(zhì)流。在10—35 cm土層深度范圍，不同降雨量和不同的種植間距的香根草邊坡染色面積比率均呈線性減少的趨勢。在香根草種植間距為10 cm/株的圖5a和5b中，在土深約15 cm處存在染色面積比率突變的現(xiàn)象，這表明在這些位置處聚集大量的水分，導(dǎo)致局部含水量迅速增大。種植間距大的香根草邊坡染色面積比率大于80%曲線圍起來的面積要比種植間距小得要多。該現(xiàn)象表明，種植間距大的香根草邊坡區(qū)域土壤發(fā)生了更多的基質(zhì)流動(dòng)，種植間距小的香根草邊坡區(qū)域發(fā)生了更多的優(yōu)先流動(dòng)。通過對模擬降雨的數(shù)據(jù)分析，計(jì)算出不同降雨量和不同的種植間距的香根草邊坡土壤剖面優(yōu)先流參數(shù)(見表1)，優(yōu)勢入滲路徑數(shù)量如圖6所示。

圖5 植物邊坡染色剖面面積比隨土層深度變化趨勢

由表1可知，種植間距小的垂直剖面的染色面積比率和優(yōu)先流比均大于種植間距大的染色面積比率和優(yōu)先流比，這說明了香根草種植間距小時(shí)優(yōu)先流發(fā)育程度高。因?yàn)榉N植間距越小，香根草的根系生物數(shù)量會(huì)越多，而香根草根系生物數(shù)量在垂直方向分布是符合Gauss曲線[15]的，表層根系生物數(shù)量分布越多也就越容易產(chǎn)生優(yōu)先路徑，形成優(yōu)先孔隙網(wǎng)，在降雨時(shí)會(huì)加大植物邊坡的水力響應(yīng)。此次試驗(yàn)只持續(xù)了2 h降雨過程，在不同降雨量的條件下，最大入滲土層深度約在35 cm處，所以最大入滲深度與不同降雨量之間關(guān)系并不明顯，0—35 cm范圍內(nèi)降雨對土壤的優(yōu)先流發(fā)育影響很大。在種植間距為10 cm/株的條件下，50 mm降雨量的染色面積比率49.68%和優(yōu)先流比79.96%均大于30 mm降雨量的染色面積比率36.11%和優(yōu)先流比67.25%，說明當(dāng)降雨量增加時(shí)，會(huì)促進(jìn)植物邊坡中的優(yōu)先流的發(fā)育，使該深度范圍的邊坡土體含水率增大，相應(yīng)增加土中的孔隙水壓力，導(dǎo)致邊坡土體抗剪強(qiáng)度減小，不利于邊坡穩(wěn)定。當(dāng)土層深度約在35 cm以下時(shí)，根系生物數(shù)量會(huì)大大減少而導(dǎo)致優(yōu)先路徑并不發(fā)達(dá)，不足以產(chǎn)生優(yōu)先流動(dòng)。因此，雖然植物根系在力學(xué)效應(yīng)方面能夠加固邊坡，但是同時(shí)需要考慮由植物根系路徑產(chǎn)生的優(yōu)先流動(dòng)在邊坡土壤中不利的水文效應(yīng)。

表1 優(yōu)先流計(jì)算參數(shù)

2.3 香根草植物邊坡土壤優(yōu)先入滲路徑數(shù)量

優(yōu)先入滲路徑數(shù)量(染色路徑數(shù)量)可以用來表示水分入滲邊坡土壤時(shí)垂直方向的水流分化程度。圖6是在50 mm和30 mm降雨量的作用下不同種植間距的香根草邊坡土壤染色路徑數(shù)量分布趨勢。

圖6 植物邊坡染色路徑數(shù)量隨土層深度變化趨勢

從圖6中可以發(fā)現(xiàn)，在50 mm降雨量的作用下，50 cm/株和10 cm/株種植間距的香根草染色路徑數(shù)量隨著土層深度的增加呈現(xiàn)先增長后減少的趨勢。染色路徑數(shù)量峰值分別出現(xiàn)在土層深度約為10 cm和18 cm處，說明這些地方水流分化程度最嚴(yán)重。當(dāng)土層深度在10 cm以下時(shí)，50 cm/株的染色路徑數(shù)量迅速減少，并且種植間距10 cm/株的土壤染色路徑數(shù)量明顯多于50 cm/株，表明種植間距小加大了土層深度10 cm以下的優(yōu)先流發(fā)育程度。種植間距10 cm/株的香根草邊坡，在30 mm和50 mm降雨量的作用下，土層深度5 cm以下時(shí)50 mm降雨量的染色路徑數(shù)量多于30 mm降雨量。因此，染色路徑數(shù)量會(huì)隨著降雨量的增大而增多，加大優(yōu)先流在土壤的發(fā)育程度。

2.4 邊坡土壤優(yōu)先流與香根草根系的關(guān)系

為了進(jìn)一步分析植物邊坡中優(yōu)先流的入滲特征，研究優(yōu)先流與植物根系之間的關(guān)系，對香根草根系生物數(shù)量和根系表面積與優(yōu)先流量化參數(shù)進(jìn)行了分析。植物根系生物數(shù)量是每一土層內(nèi)所包含的香根草根系數(shù)量，香根草根系表面積通過公式(1)計(jì)算得到，香根草根系的特征調(diào)查結(jié)果如表2所示。

表2 香根草根系特征統(tǒng)計(jì)

2.4.1 優(yōu)先流與根系生物數(shù)量的關(guān)系 根系生物數(shù)量不同，在降雨時(shí)邊坡土壤中水分聚集程度和擴(kuò)散程度也會(huì)有所差異，進(jìn)而對邊坡穩(wěn)定的影響也不同。為了調(diào)查統(tǒng)計(jì)香根草根系數(shù)量，將土層總共分為4層，分別調(diào)查統(tǒng)計(jì)0—10，10—20，20—30，30—40 cm土層深度內(nèi)的香根草根系生物數(shù)量。通過對比不同種植間距下降雨量為50 mm的平均染色面積比率與植物根系生物數(shù)量之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)在香根草邊坡土壤0—10 cm土層深度范圍內(nèi)平均染色面積比率和植物根系生物數(shù)量均最大。并且隨著土層深度的增加，平均染色面積比率與植物根系生物數(shù)量都逐漸減少。統(tǒng)計(jì)分析將平均染色面積比率與香根草的根系生物數(shù)量關(guān)系，結(jié)果如圖7所示。

由圖7可知，平均染色面積比率與香根草根系生物數(shù)量大致呈線性關(guān)系，兩者都具有較強(qiáng)的相關(guān)性。當(dāng)平均染色面積比率越大時(shí)，邊坡優(yōu)先流發(fā)育程度會(huì)越高，這表明在香草邊坡表層土壤中會(huì)存在的較多由根系產(chǎn)生的優(yōu)先通道，在降雨時(shí)會(huì)使香根草邊坡土壤發(fā)生優(yōu)先流動(dòng)，并使雨水入滲到更深的土壤中，改變邊坡土壤的水力性質(zhì)。

圖7 優(yōu)先流與香根草根系生物數(shù)量的關(guān)系

2.4.2 優(yōu)先流與根系表面積的關(guān)系 根系的表面積在雨水入滲時(shí)起到重要作用，根系表面積越大，就會(huì)有更多水分接觸根系表面。根系復(fù)雜交錯(cuò)，在邊坡土壤中形成連續(xù)、相通的優(yōu)先路徑，引導(dǎo)水分入滲。統(tǒng)計(jì)分析優(yōu)先流與根系表面積之間的關(guān)系(圖8)。

圖8 優(yōu)先流與香根草根系表面積的關(guān)系

從圖8可知，平均染色面積比率與香根草根系表面積之間具有較好的線性相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)在0.90以上。說明當(dāng)香根草根系表面積越大，有更多的水分沿著根系表面流動(dòng)，產(chǎn)生更多的入滲流量，增大了土壤的含水量而不利于邊坡穩(wěn)定。

3 討 論

通過對兩種不同種植間距的香根草邊坡進(jìn)行現(xiàn)場示蹤劑試驗(yàn)，結(jié)果表明邊坡中存在由植物根系形成的高度發(fā)達(dá)的優(yōu)先路徑，尤其在香根草種植間距較小時(shí)，優(yōu)先路徑更加明顯，這可能使得在降雨過程中邊坡土壤的含水率迅速增加，相應(yīng)孔隙水壓力迅速增大而引發(fā)淺層土體滑坡。通過試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，本試驗(yàn)種植間距為10 cm/株的香根草邊坡的優(yōu)先流比為79.96%，大于侯芳等[16]研究的永定河(北京段)濱河帶的藤本植被優(yōu)先流比69.44%和次生喬木林的優(yōu)先流比56.48%；該種植間距下香根草邊坡土壤的垂直染色面積比率是49.68%，分別是藤本植物和次生喬木林染色面積比率的1.45，1.61倍，這也說明了香根草的根系更為發(fā)達(dá)更容易產(chǎn)生優(yōu)先流。韓巧玲等[17]對天然次生林和榛子林兩種林地的優(yōu)先流染色特征進(jìn)行了研究，研究結(jié)果表明天然次生林的總?cè)旧娣e比率為35.1%，榛子林的總?cè)旧娣e比率為50.6%。本文試驗(yàn)種植間距為10 cm/株的香根草邊坡土壤總?cè)旧娣e比率為49.68%，處于天然次生林和榛子林根系土壤總?cè)旧娣e比率之間。駱紫藤[18]采用40 mm和70 mm兩種入滲水量，研究在華北土石山區(qū)典型分布的闊葉林和針葉林優(yōu)先流分布特征時(shí)發(fā)現(xiàn)，在40 mm入滲水量下闊葉林平均染色面積比率是大約是針葉林的1.38倍；而施加70 mm入滲水量時(shí)，闊葉林的平均染色面積比率顯著小于針葉林平均染色面積比率，并且當(dāng)入滲水量由40 mm變成70 mm時(shí)，其染色面積比率會(huì)增加。該結(jié)論與本文研究的不同降雨量條件下香根草邊坡優(yōu)先流發(fā)育特征相比具有類似性，優(yōu)先流發(fā)育程度隨降雨量的增加而增大。優(yōu)先流的發(fā)育不僅隨植物類型而不同，而且不同的入滲水量，不同質(zhì)地和不同植物種植間距也會(huì)影響優(yōu)先流的發(fā)育程度。

植物的根系是影響優(yōu)先流發(fā)育狀態(tài)重要因素之一。許多研究表明，植物根系改變了土壤的滲透性，形成優(yōu)勢通道。徐宗恒等[4]研究昆明市呈貢新區(qū)馬卡山兩類植被(云南松和狗牙根)發(fā)育斜坡的特征參數(shù)與植物根系的關(guān)系發(fā)現(xiàn)，云南松和狗牙根的總?cè)旧娣e比率與植物根系量密度都呈較好的正相關(guān)關(guān)系；總?cè)旧窂綌?shù)量和根系生物量密度同樣呈正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)也在0.9以上。本文通過分析平均染色面積比率和現(xiàn)場統(tǒng)計(jì)香根草的根系生物數(shù)量發(fā)現(xiàn)，種植間距小和種植間距大的香根草邊坡的平均染色面積比率與植物根系生物數(shù)量都隨著土層的深度增加而減少，擬合后發(fā)現(xiàn)兩者具有較強(qiáng)的線性相關(guān)性。侯芳等[16]研究藤本植物和次生喬木林的總?cè)旧娣e比率和植物根長密度的相關(guān)關(guān)系時(shí)得到類似結(jié)論，即它們的總?cè)旧娣e比率與根長密度具有正相關(guān)的關(guān)系。邵一敏等[19]在研究金沙江干熱河谷典型林草地植物根系對土壤優(yōu)先流的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)，染色面積比率與植物的根長密度、根重密度和不同根徑的根系表面積之間存在密切的關(guān)系，其中林地和荒草地的根重密度與染色面積比率之間是正相關(guān)的關(guān)系，并且林地和荒草地的根系直徑小于1 mm的根系表面積也呈現(xiàn)顯著相關(guān)關(guān)系。本文在研究香根草根系總表面積與優(yōu)先流之間的關(guān)系時(shí)也發(fā)現(xiàn)兩者之間存在線性關(guān)系，相關(guān)系數(shù)較高。

植物生態(tài)護(hù)坡已經(jīng)廣泛使用在實(shí)際工程當(dāng)中，香根草根系發(fā)達(dá)，單根抗拉強(qiáng)度高[20]，近年來被許多學(xué)者用來作為研究邊坡穩(wěn)定性的對象，香根草根系會(huì)提高邊坡土壤的抗剪強(qiáng)度，而其發(fā)達(dá)的根系生物數(shù)量也會(huì)影響土壤優(yōu)先流動(dòng)。降雨滑坡問題一直以來是學(xué)者們研究的重點(diǎn)，研究香根草邊坡不同降雨量下邊坡優(yōu)先流的發(fā)育，是為了進(jìn)一步為植物邊坡穩(wěn)定性提供依據(jù)，同時(shí)考慮不同香根草種植間距，合理分配種植間距，使根系護(hù)坡在力學(xué)效應(yīng)和水文效應(yīng)上最大化。

4 結(jié) 論

(1) 通過對香根草邊坡土壤進(jìn)行染色剖面分析，可以得到香根草種植間距小的邊坡土壤優(yōu)先流發(fā)育程度高于香根草種植間距大的。在相同降雨量條件下，種植間距小的總?cè)旧娣e比率、優(yōu)先流比均大于種植間距大的香根草邊坡的總?cè)旧娣e比率和優(yōu)先流比，分別是種植間距大的1.55，1.76倍。

(2) 通過對比不同降雨量條件下的10 cm/株種植間距下香根草邊坡土壤染色剖面參數(shù)發(fā)現(xiàn)，50 mm的降雨量增大了邊坡優(yōu)先流的發(fā)育程度，30 mm降雨量的總?cè)旧娣e比率和優(yōu)先流比均小于50 mm的總?cè)旧娣e比率和優(yōu)先流比，并且在短期持續(xù)降雨條件下，不同降雨量沒有影響土壤水分的最大入滲深度。

(3) 50 cm/株和10 cm/株種植間距的香根草染色路徑數(shù)量隨著土層深度的增加呈現(xiàn)先增長后減少的趨勢，在土層深度10 cm范圍內(nèi)時(shí)，染色路徑數(shù)量變化不明顯；當(dāng)土層深度在10 cm以下時(shí)，種植間距10 cm/株的土壤染色路徑數(shù)量明顯多于50 cm/株。種植間距10 cm/株的香根草土壤邊坡在30 mm和50 mm降雨量的作用下，土層深度10 cm以下時(shí)50 mm降雨量的染色路徑數(shù)量多于30 mm降雨量。染色路徑數(shù)量會(huì)隨著降雨量的增大而增多，并且加大了優(yōu)先流在土壤的發(fā)育程度。

(4) 通過對降雨面積范圍內(nèi)的香根草根系的特征進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果表明平均染色面積比率與香根草根系生物數(shù)量和根系表面積之間具有較好的線性擬合關(guān)系，說明香根草根系特征與優(yōu)先流密切相關(guān)。