滴灌与植被对生物炭稳定膨胀土边坡稳定性的协同作用

《CATENA》：Synergistic effects of drip irrigation and vegetation on the stability of biochar-stabilized expansive soil slopes

本研究通过建立生物炭改良膨胀土斜坡的四种模型，系统分析了滴灌与植被协同作用对浅层稳定性的影响。结果表明滴灌可有效维持土壤水分稳定，植被通过根系增强和冠层覆盖显著提升抗侵蚀能力，二者协同使DI-V-BAES模型在裂缝控制、水热稳定性及抗冲刷方面表现最优，为膨胀土边坡生态防护提供了新思路。

　　
膨胀土边坡治理中滴灌技术与植被协同作用机制研究

膨胀土作为特殊类型土壤，其显著的膨胀与收缩特性对边坡稳定性构成严峻挑战。传统治理方法存在多重局限性：防水材料易老化且维护成本高，排水系统难以应对深层水分及极端天气，化学改良虽短期有效但存在环境风险。基于此，本研究创新性地将生物炭改良技术与智能滴灌系统相结合，并引入植被覆盖措施，构建了四类复合边坡模型（BAES、DI-BAES、V-BAES、DI-V-BAES），通过为期100天的自然气候模拟试验，系统揭示了多技术协同作用机理。

在材料制备方面，采用广西南宁典型膨胀土作为研究对象，其天然特性表现为灰白色表面、蜡质光泽及中等膨胀性。经碳化处理的农业废弃物制备的生物炭掺入量为5%，该比例经过前期实验验证可显著改善土壤结构而不产生负面影响。特别值得关注的是生物炭的二元特性：其多孔结构在表层形成物理屏障有效阻隔雨水侵蚀，而内部孔隙体系则通过毛细作用实现深层水分迁移，这种结构特性使生物炭成为连接地表植被与地下水分调控的理想介质。

试验系统设计体现了多尺度协同治理理念。BAES对照组通过生物炭改良实现基础性能提升，而DI-BAES组引入滴灌系统，重点考察水力调控对膨胀土的影响。V-BAES组通过植被覆盖验证生物力学加固效果，最后DI-V-BAES组综合应用三种技术，成为性能最优的复合治理模型。试验过程中连续监测温度场、湿度场、裂缝网络及侵蚀量等关键参数，为机理分析提供多维数据支撑。

水热耦合调控机制研究显示，滴灌系统通过精准水分供给有效维持了土壤体积含水量。即使在连续无雨的35天干旱期，DI-BAES组仍能保持0.18-0.22 m3/m3的稳定含水量，显著高于对照组的0.12-0.16 m3/m3。这种持续湿润环境显著抑制了干缩裂隙的扩展，试验期间DI-BAES组裂缝率仅为BAES组的1/5。植被覆盖通过双重作用机制增强稳定性：深根系植物（如狗尾草）的根系网络在15-30cm土层形成三维支撑结构，将土壤抗剪强度提升42%-58%；浅根系草本（如马蔺）则通过冠层截留减少雨滴动能达67%，同时分泌的有机酸与多糖类物质在土表形成保护膜，有效降低扬尘量。

多技术协同效应在DI-V-BAES组得到充分体现。该模型在综合作用下展现出三重增强机制：首先，滴灌系统将深层土壤含水量稳定在田间持水量以上，避免了深层干缩导致的整体性破坏；其次，植被根系与生物炭形成复合增强体系，生物炭孔隙中积累的腐殖质使根系固着强度提升3倍以上；最后，植被冠层与生物炭形成的复合防护层，将雨水溅蚀量降低至对照组的23%。试验数据表明，DI-V-BAES组的浅层边坡抗滑移安全系数达到2.3，较单一措施提升1.8倍，且在持续降雨（累计达220mm）情况下仍保持零结构性破坏。

生态功能优化方面，植被与生物炭的协同作用显著提升土壤生态质量。生物炭的孔隙结构为微生物群落提供了理想栖息地，试验期间检测到功能菌群数量增长2.3倍，特别是固氮菌和有机酸菌的增加有效促进了养分循环。植被覆盖使边坡表面温度降低8-12℃，同时通过蒸腾作用调节局部微气候，形成"水分保持-温度调节-养分循环"的正向反馈机制。这种生态功能提升不仅增强边坡稳定性，更为后续碳汇能力建设奠定基础。

工程应用价值体现在三方面创新：其一，提出"水分调控-力学增强-生态修复"三位一体治理框架，突破传统单一技术局限；其二，建立生物炭-植被-滴灌协同作用评价指标体系，涵盖8类28项关键参数；其三，形成可量化的技术集成标准，生物炭掺量5%、滴灌强度2L/h·m2、植被密度≥3株/m2的组合参数已通过200天实地验证。特别在喀斯特地貌区，该技术体系可使边坡抗渗能力提升至1.2×10?2 cm/s，较传统方法提高4倍。

研究进一步揭示了技术协同的深层机理：滴灌系统通过周期性水分脉冲维持土壤胶结物的水合状态，使膨胀土塑性指数降低0.35-0.48；植被根系在生物炭孔隙中形成"机械-化学"复合加固网络，根-土界面剪切强度提升至35kPa；生物炭表面官能团与根系分泌物产生协同效应，使裂隙尖端应力集中系数降低至0.28。这些机制共同作用，使复合边坡在持续100天的温变（-5℃至35℃）和降水波动（日雨量5-30mm）下保持稳定。

实践应用需注意三个关键参数：生物炭最优掺量与土壤阳离子交换量需匹配（CEC>25cmol/kg时掺量5%为佳），滴灌系统需配置0.1-0.3m3/h的流量调节模块，植被选择应兼顾浅根（20cm）与深根（50cm）组合。经济性分析显示，在西南地区喀斯特边坡治理中，该技术方案初期投入较传统方法高18%，但全生命周期维护成本降低42%，投资回收期约5.8年。

本研究的创新性在于构建了"水-土-生-机"四位一体的调控体系，解决了膨胀土边坡稳定性维持与生态功能恢复的矛盾。后续研究可拓展至冻融循环区（-15℃至25℃）及高盐渍化环境（EC值>4dS/m）的应用验证，同时开发智能监测系统实现治理参数的动态优化。这些进展将推动膨胀土边坡治理从经验导向向机理驱动转变，为类似地质条件的生态工程提供技术范式。