川西亚高山冷杉根系-土壤力学互作机制及其对浅层边坡稳定性评估的意义

《Earthquake Research Advances》：Root–Soil Mechanical Interactions in a Subalpine Abies fabri Forest (SW China)

　　

摘要：土壤-根系力学互作（soil–root mechanical interaction）控制着森林边坡对浅层滑坡（shallow landslides）的抵抗力，然而对于中国川西地区优势亚高山针叶树种——冷杉（Abies fabri，即Faber's fir，以下简称A. fabri）的物种特异性加固数据仍缺乏系统表征。本研究整合了野外根系挖掘、36个直径1.3至8.0 mm根系试样的单轴拉伸试验（uniaxial tensile testing）、拔出力试验（pull-out testing）以及固结不排水三轴压缩试验（consolidated undrained triaxial compression, CU），以量化根系空间分布、拉伸力学行为、锚固响应以及根系-土壤复合体的不排水三轴响应。根系分布特征强烈集中于浅层土壤剖面，最上层30 cm占深度积分根面积比（root area ratio, RAR）总量的50.4%至54.6%。拉伸行为表现出显著的直径依赖性：峰值拉伸应力随直径增大而降低，而峰值拉伸力随直径增大而增加，较大根系峰值拉伸力接近400 N。与既有根系生物力学文献一致，较小直径根系表现出更高的比拉伸应力（specific tensile stress），而较大直径根系提供更大的绝对拉伸力。峰值拉伸力可由单调幂律关系表示，即Fpeak = 13.56d1.66，其中Fpeak为峰值拉伸力（N），d为根系直径（mm）（留一交叉验证LOOCV R2 = 0.733，RMSE = 51.6 N）。拔出力试验揭示了三阶段力-位移响应，且峰后行为存在变异性，表明仅凭峰值抗力无法完全描述渐进变形条件下的根系锚固行为。在100 kPa围压下进行CU三轴压缩加载时，RVR 1.0%试样在20%轴向应变下表现出高于RVR 0%试样的偏应力（deviator stress）和较低的孔隙水压力（pore-water pressure, PWP）。上述发现表明，A. fabri根系加固作用需要结合深度依赖性分布函数、直径分层拉伸参数、位移依赖性锚固模型以及不排水加载条件下PWP响应的考量，以改进浅层边坡灾害评估，包括未来对地震触发失稳的分析。

亚高山冷杉根系加固浅层边坡的力学机制：从单根拉伸到根-土复合体不排水响应的系统研究

一、研究背景与科学问题

川西亚高山森林地处高地震活动区，强震曾反复触发大范围滑坡及严重次生灾害。陡峭的森林山坡需要能够补充常规工程措施的稳定方案。植物根系可通过拉伸荷载传递、土壤-根系界面阻力、机械互锁和锚固作用加固浅层土壤。既有物理和数值研究表明，根土强度模型的不同表征方式会显著影响地震震动期间预测的边坡变形和累积滑移量。因此，物种特异性的根系分布和力学数据是未来地震边坡稳定性评估的基础参数。

尽管根系加固研究已广泛开展，但将田间根系分布、根系拉伸行为、拔出锚固和不排水根-土响应整合于一体的数据集仍然有限。这一空白在冷杉（Abies fabri）上尤为突出——目前尚无该物种的物种特异性力学数据集，现有区域数据主要涉及杉木（Cunninghamia lanceolata）及其他非亚高山物种。此外，既有研究通常仅聚焦于单一尺度：或关注根系尺度的力学特性（如拉伸强度和拔出阻力），或关注直接剪切或三轴试验中的复合根-土行为。然而，这些试验类别提供的是互补信息：拉伸试验量化单根承载能力；拔出试验表征位移依赖性锚固和峰后抗力；固结不排水三轴试验评估根系掺入对偏应力和孔隙水压力（PWP）发展的影响。因此，单根的高拉伸强度并不必然直接转化为更高的根-土剪切强度或边坡稳定性，因为整个根系系统的加固作用还取决于根面积比（RAR）、根系朝向和构型、锚固、根-土互作以及根系相对于潜在破坏面的位置。

本研究旨在通过整合野外挖掘、单轴拉伸试验、拔出试验和CU三轴压缩试验，系统评估A. fabri根系的加固行为。具体目标包括：(i) 量化根系性状（RAR、根系密度RD、根系生物量RB、根系数量N）的深度依赖性分布；(ii) 评估单根拉伸行为的直径依赖性；(iii) 表征拔出阻力、渐进锚固动员和峰后响应；(iv) 评估根体积比（RVR）对不排水加载条件下根-土复合体偏应力和PWP响应的影响。

二、主要技术方法

研究人员在四川省贡嘎山海螺沟冰川森林区（28°38′37″N, 102°07′47″E）选取两株不同胸径（DBH-120和DBH-125）的A. fabri个体进行根系挖掘。采用280 cm × 280 cm平面、110 cm深度的矩形挖掘域，按20 cm × 20 cm × 20 cm网格逐层开挖，记录根系数量与直径并计算RAR、RD、RB。对36个直径1.3–8.0 mm的根系试样进行单轴拉伸试验（MTS Bionix伺服液压系统，1 mm min^-1加载速率），提取峰值拉伸力、峰值拉伸应力、弹性模量及断裂韧性等参数。对6个直径1.8–3.5 mm的根系进行拔出试验（50 cm埋深，1.0 mm min^-1单调拔出）。对RVR为0%、0.25%、0.50%和1.0%的根-土复合体试样（直径50 mm、高100 mm）在100 kPa有效围压下进行CU三轴压缩试验（0.01 mm min^-1剪切速率至20%轴向应变）。土壤为低塑性砂土（USCS分类为SW），干密度1.64 g cm^-3，含水率11%。

三、研究结果

3.1 根系性状的深度依赖性分布与贡献

根系数量（N）、根系密度（RD）、根系生物量（RB）和根面积比（RAR）均随土壤深度增加而显著降低，根系系统集中于浅层剖面。最高值一般出现在10–30 cm深度范围内，50 cm以下各参数显著下降，90–110 cm处保持低值。DBH-125树的各根系性状普遍高于DBH-120树，但由于每棵DBH值仅代表单株个体，这些差异被视作描述性株间变异而非DBH效应。深度积分贡献分析表明，最浅两个深度等级（0–30 cm）合计贡献了DBH-120深度积分RAR的54.6%和DBH-125的50.4%。两棵树的RB超过60%出现在上部50 cm范围内。N和RD遵循相同模式。这表明可用于截切潜在浅层变形带的根系数量、生物量和总横截面积均在地表附近最大。

3.2 根系拉伸行为

应力-应变曲线表现为低应变阶段的陡峭应力增长、非线性峰前阶段和伴随拉伸破坏的最终陡峭应力下降。较小直径根系达到的峰值拉伸应力水平普遍高于较大直径根系。峰值应力超过20 MPa的试样仅出现在直径约2.7 mm以下的根系中，而所有直径大于5 mm的根系的峰值应力均低于14 MPa。测试根系中记录到的最大拉伸应力为24.8 MPa。

峰值拉伸应力范围为4.5至24.8 MPa，均值为14.3 ± 5.6 MPa，随直径增大显著降低（Pearson r = ?0.675, p < 0.001；Spearman ρ = ?0.570, p < 0.001）。3–4 mm等级的平均峰值应力最高（18.4 ± 0.8 MPa），7–8 mm等级降至5.18 ± 1.03 MPa。方差分析（ANOVA F(4,28) = 5.59, p = 0.002）和Kruskal-Wallis检验（H = 14.94, p = 0.005）均表明等级间差异显著。Bonferroni校正后的Mann-Whitney比较识别出一个显著等级对比：2–3 mm等级（17.3 ± 4.0 MPa）与6–7 mm等级（8.9 ± 1.9 MPa）差异显著（U = 71, p_adj = 0.002）。

与拉伸应力相反，峰值拉伸力随根系直径强烈增加（Pearson r = +0.891, p < 0.001；Spearman ρ = +0.938, p < 0.001），范围从最小根系（d = 1.3 mm）的14.5 N到d = 6.5 mm根系的399.9 N。等级平均峰值力从1–2 mm等级的33.5 ± 16.3 N增至6–7 mm等级的285.0 ± 66.8 N。等级间差异高度显著（ANOVA F(4,28) = 37.60, p < 0.001；Kruskal-Wallis H = 28.07, p < 0.001）。最终选定幂律模型F_peak = 13.56d^1.66（LOOCV R2 = 0.733, RMSE = 51.6 N, MAE = 35.2 N）作为峰值拉伸力的预测方程，因为多项式模型在测量范围内出现非单调转折点，与根系力学预期趋势不一致。

初始弹性模量范围为0.11至26.7 MPa %^-1，随根系直径增大而显著降低（Spearman ρ = ?0.706, p < 0.001）。d ≤ 3 mm根系的平均弹性模量为5.99 ± 5.4 MPa %^-1，d ≥ 5 mm根系为1.52 ± 0.8 MPa %^-1（Mann-Whitney, p < 0.001）。断裂韧性和破坏应变与直径无显著相关性（Pearson r = ?0.233, p = 0.172；r = +0.100, p = 0.563），表明直径单独无法解释这些变形相关性状的变异。

3.3 根系拔出行为

六根直径1.8–3.5 mm的A. fabri根系拔出试验显示，所有试样均表现为力快速初始增加、明显峰值和峰后抗力降低的三阶段响应。峰值拔出力的范围为约6.0至9.2 N，3.0和3.5 mm根系达到最大峰值力（均接近9 N），1.8和2.8 mm根系的最大值较低（约6.0–6.6 N）。峰值抗力一般在约2–7 mm的小位移处动员。峰后行为差异显著：1.8和2.0 mm根系峰后快速衰减，拔出力在约20–22 mm位移处趋近于零；2.2 mm根系衰减较缓，在约30 mm位移处仍保持可测抗力；3.0和3.5 mm根系表现出最持久的峰后响应，其中3.5 mm根系在30–40 mm位移处仍保持约2.7–3.0 N的拔出抗力。这表明拔出抗力并非仅由峰值力决定，位移达到峰值所需的幅度、峰后软化速率和大位移处保留的力均因根系而异。

3.4 根-土复合体的不排水三轴响应

所有试样在初始剪切阶段偏应力快速增加，在约2–4%轴向应变处达到峰值偏应力，随后在持续不排水加载中表现出峰后软化。RVR 0%试样在约2–3%轴向应变处达到约133 kPa的峰值偏应力，而RVR 0.50%和RVR 1.0%试样达到约138 kPa，峰值偏应力的最大增幅约为4%。峰后差异更为显著：在20%轴向应变处，RVR 0%试样的偏应力约为58 kPa，而RVR 1.0%试样保持在约105 kPa，增幅约81%。RVR 0.25%和0.50%试样表现出不随根含量单调变化的中间峰后响应。

孔隙水压力在所有试样中均于初始加载阶段快速增加，随后随持续剪切逐渐增长，表明饱和土在不排水压缩下具有收缩趋势。RVR 1.0%试样在峰值偏应力出现区间及峰后剪切期间均表现出低于RVR 0%试样的PWP。在20%轴向应变处，RVR 0%试样发展了约113 kPa的PWP，而RVR 1.0%试样约为93 kPa，即RVR 1.0%试样的PWP约低18%。

四、讨论与结论

讨论部分指出，A. fabri根系加固应被理解为变形依赖的土壤-根系互作过程，而非简单的峰值偏应力增加。加固作用首先取决于根系在浅层土壤剖面中的空间可用性——RAR、RD、RB和根系数量控制着可截切潜在剪切带的根系材料数量；一旦变形发展，穿越或嵌入该带的根系通过拉伸、土壤-根系界面摩擦、机械互锁和锚固动员拉伸抗力。这一力学路径与表观黏聚力概念（如Wu-Waldron框架）一致。

研究结论表明，A. fabri根系加固的准确表征需要同时考虑深度依赖性分布函数、直径分层拉伸参数、位移依赖性锚固模型以及不排水加载条件下的PWP响应。田间RAR控制着可截切潜在浅层剪切带的根系材料总量，拉伸行为控制单根可承载的荷载，拔出行为控制位移过程中荷载在土壤-根系界面的传递方式。因此，在进行浅层边坡稳定性评估时，应综合考量田间根系分布、直径分层拉伸参数和位移依赖性锚固。CU试验结果表明，在不排水条件下，根系掺入对峰值偏应力影响有限，但在峰后大应变变形阶段与更高的偏应力相关，同时RVR 1.0%试样表现出约18%更低的PWP发展，这对理解地震触发失稳条件下根系加固的贡献具有重要意义。研究同时强调，由于每RVR水平仅测试一个试样，各RVR水平间的比较属于描述性而非统计性；100 kPa围压并非浅层原位的代表应力状态（上部1 m根系带的自重应力约18 kPa），因此测量响应不应直接外推至浅层原位应力条件。单调CU结果表征的是静态不排水行为，评估地震荷载下的响应需要循环或动力试验。