草本植物根系加固与干湿循环耦合时效作用对黄土复合体强度的微观机制研究

针对植被护坡工程中根系加固时效性与干湿循环劣化耦合作用机制不明确的问题，本研究以紫花苜蓿-黄土复合体为对象，通过三轴压缩试验结合CT扫描和核磁共振（NMR）等微观测试，揭示了根系生长阶段与干湿循环次数对复合体抗剪强度的动态影响。结果表明，根系通过抑制土体孔隙粗化、胶结物水解等微观损伤，显著抵消干湿循环导致的强度劣化，为生态护坡设计提供了理论依据。

　　

在黄土高原等生态脆弱区，植被护坡是防治浅层滑坡和侵蚀的重要措施。植物根系通过缠绕、固结土壤形成根-土复合体（root-soil composite），提升土体抗剪强度（shear strength）。然而，季节性干湿循环（dry-wet cycles）会导致土体反复胀缩，引发孔隙粗化（pore coarsening）、胶结物水解（cement hydrolysis）等微观损伤，削弱其力学性能。尽管前人已关注根系加固的时效性（time effect）或干湿循环的单独影响，但两者耦合作用机制尚不明确，制约了植被护坡工程的长期稳定性评估。

针对这一科学问题，宁夏回族自治区重点研发项目支持的研究团队以紫花苜蓿（alfalfa）-黄土复合体为研究对象，通过控制栽培获取不同生长期样本，结合三轴压缩试验、CT扫描和核磁共振（NMR）技术，系统分析了干湿循环次数与根系生长阶段对复合体强度及微观结构的动态影响。

关键技术方法
研究选取陕西西安高陵区黄土，栽培紫花苜蓿至不同生长期后，测定根系形态参数（根长密度RLD、根表面积密度RSAD等）。对裸土和根-土复合体进行0-5次干湿循环处理，随后开展三轴剪切试验获取黏聚力（cohesion）和内摩擦角（internal friction angle），并利用CT和NMR量化孔隙分布、裂隙发育等微观指标。

研究结果

紫花苜蓿根系形态特征的生长期变化
随着生长期延长，紫花苜蓿主根长度和直径显著增加（P<0.01），侧根呈伞状分布，根面积比（RAR）、RLD和RSAD等参数均显著提升，表明根系网络扩展增强了土体锚固能力。

根系加固的时效性效应
相同干湿循环次数下，根-土复合体有效黏聚力显著高于裸土（P<0.05），且随植物生长期延长而递增。例如，经历3次干湿循环后，成熟期复合体黏聚力较幼苗期提升约40%，证实根系生长可动态补偿环境劣化。

干湿循环的微观损伤机制
CT扫描显示，干湿循环导致裸土孔隙率增加20%-30%，裂隙网络扩展；NMR检测到小孔隙（<0.1μm）向大孔隙（>10μm）转化。而根-土复合体中，根系通过物理约束抑制裂隙贯通，使孔隙分布保持稳定。

讨论与结论
研究首次阐明了根系加固与干湿循环的耦合时效机制：

1. 动态协调效应：根系生长（生长期延长）通过增加RLD和RSAD提升土体整体性，而干湿循环通过疲劳损伤削弱强度，两者形成动态平衡。
2. 微观保护机制：根系与土体力学性质差异（高抗拉vs.高抗压）抑制了干湿循环引发的孔隙粗化和胶结破坏，延缓强度劣化。
3. 工程启示：紫花苜蓿等深根植物在护坡工程中更具优势，其根系网络可有效抵消季节性气候导致的土体强度波动。

该研究发表于《Soil and Tillage Research》，为生态护坡的植物选型和维护周期制定提供了科学依据，填补了环境-生物耦合作用机制的理论空白。未来研究可拓展至不同植被类型和土质条件下的普适性验证。