《Geotechnics》：Soil Texture Influences the Magnitude and Depth Persistence of Alfalfa Reinforcement and Its Contribution to Slope Stability
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基于植被的边坡稳定依赖于随土壤质地和深度变化的力学与水力学耦合过程。本研究将为期五个月、高0.5 m的土柱试验与全年二维瞬态渗流及解析无限边坡模型相结合，量化紫花苜蓿（Medicago sativa L.）及含菌根制剂对粉质黏土（silty clay，SC）和
基于植被的边坡稳定依赖于随土壤质地和深度变化的力学与水力学耦合过程。本研究将为期五个月、高0.5 m的土柱试验与全年二维瞬态渗流及解析无限边坡模型相结合，量化紫花苜蓿（Medicago sativa L.）及含菌根制剂对粉质黏土（silty clay，SC）和粉质砂土（silty sand，SS）浅层根区稳定性的影响。18个土柱（每种土壤–处理组合n = 3）分别设置未种植对照（C）、紫花苜蓿（A）及紫花苜蓿加菌根制剂（A + MF）。测定了生物量、饱和导水率（ks）及六个深度处的饱和直剪响应。相对于A，A + MF使SC中回收根系干质量增加24.5%、SS中增加53.2%，ks分别增加46.6%和47.4%。析因方差分析（ANOVA）检测到ks存在土壤×处理交互作用（p = 0.00052），但生物量无此交互作用。指数型表观黏聚力（apparent cohesion，ca）剖面将加固幅度与深度持久性区分开来；A/A + MF的拟合衰减深度在SC中为0.167/0.176 m，在SS中为0.064/0.22 m。将实测力学与水力参数应用于代表性1V:3H天然无限边坡的365天模型。所有种植工况的年最小根区安全系数（factor of safety，FoS）均高于其对照，但持水、吸水及暴雨时序敏感性改变了A与A + MF的排序。因此，在评价生物处理的浅层边坡时，应同时表征加固幅度、深度持久性及土壤特异性水文过程。
研究背景方面，强降雨与干燥交替通过基质吸力快速丧失、孔隙水压力上升、表面侵蚀及干燥相关劣化等途径，使天然边坡、交通土工构筑物和路堤失稳。传统结构措施在大加固力需求场合仍不可或缺，但土壤生物工程作为补充性基于自然的策略日益受到重视，因其可兼顾侵蚀控制、浅层力学加固与水文调节并带来生态协同效益。植被通过力学与水力耦合机制改变边坡行为：力学加固源于根系抗拉阻力、根–土界面摩擦、分枝与锚固以及根系相对潜在剪切面的空间分布；水力效应包括截留、根系吸水、蒸散发诱导吸力及生物诱导的孔隙结构、持水性和导水率变化。这些过程方向并不一致：根系吸水可促进事件间干燥，而根系形成的大孔隙和饱和导水率增加可在湿润期加速水分再分布。水力加固与力学加固的相对贡献具有时间依赖性：水文加固在干燥期可能显著，但在持续降雨、吸力消散时减弱，而力学根系加固在湿润后仍可调动。因此，生物量、ks或干燥态强度增量均不足以单独作为边坡性能指标。在工程模型中，根系加固常以附加或表观黏聚力ca表示，但若在整个名义根区赋单一值则可能产生误导，因为根系丰度与调动通常随深度减小，且场尺度稳定性对根系黏聚力的空间分布敏感。紫花苜蓿为多年生直根型豆科植物，具优势主根轴和细侧根，已有试验表明其根系可提高土壤抗剪阻力，但响应随根系发育、土壤质地、应力水平和水分条件变化。根际还可能受微生物关联进一步改变，丛枝菌根真菌可影响养分获取、植物–水分关系和团聚体形成。在此背景下，本研究将深度分辨的饱和力学测量与处理特异性饱和导水率联系到全年根区边坡稳定性，目的是：（i）比较两种土壤中紫花苜蓿生物量与ks并检验土壤×处理交互作用；（ii）表征0.5 m以浅六个深度的调动饱和抗剪阻力；（iii）描述加固幅度与深度持久性；（iv）在瞬态渗流模型耦合无限边坡计算中考察实测参数集。研究人员假设A + MF相对A会增加地下发育与力学加固，而观测幅度、持久性及模拟稳定性响应在两种土壤间存在差异。研究结论表明：A + MF相对单种紫花苜蓿使SC中回收根系干质量平均增加24.5%、SS中增加53.2%，经Tukey多重比较两者差异显著，而地上生物量差异不显著；生物量的土壤×处理交互作用不显著，故SS中较大百分比增量不能确立该土壤中更强的制剂响应；这些发现描述的是商业制剂整体效应，种植–对照比较还包含养分管理差异。A + MF相对A使平均饱和导水率在SC中增加46.6%、SS中增加47.4%；对全部六个土壤–处理组作Tukey检验时，A + MF–A差异在SS中显著而在SC中不显著；相对未种植对照，A + MF在两种土壤中均显著提高导水率；土壤×处理交互作用对绝对导水率显著但对数变换后不显著，表明两土壤间比例响应不同的证据仍不确定。力学加固随深度变化，A与A + MF的拟合衰减深度λc在SC中分别为0.167和0.176 m，在SS中分别为0.064和0.218 m；0–0.50 m积分黏聚力指数在SC中约为0.79和0.98 kPa·m，在SS中约为0.10和0.38 kPa·m；SC保持较大绝对加固，而SS表现出较大的持久性比例增量；Ic可用于剖面间比较，但稳定性计算需局部ca(z)；从37–100 kPa试验正应力外推至浅层场应力仍存在不确定性。在所采用的基于土水特征曲线（soil–water retention curve，SWRC）的强度关系下，C、A、A + MF的年最小FoS在SC中分别为1.11、1.86和2.00，在SS中分别为1.78、2.43和2.38；10月湿润控制五个工况，而SS-A在1月下旬达到最小值；匹配输入比较表明，在压力历史和有效饱和度不变时，A + MF力学属性提高最小FoS，而水力条件变化可抵消该效益，解释了为何更强加固并不总产生更高年最小值。部分持水、根系吸水及降雨历时敏感性情景逆转了A与A + MF排序；折减黏聚力和吸力强度比较进一步表明建模假设的影响；这些情景为探索性比较而非统计置信区间；结果适用于所研究的两种土壤和规定的0.05–0.49 m根区搜索范围，不包含更深层和整体失稳机制；在定量设计应用前需处理特异性持水测量、重复低应力与非饱和剪切试验及现场验证。
研究方法方面，研究采用五种关键技术方法：一是为期五个月的温室土柱试验，土样采自英国伯克郡梅登黑德，设置两种土壤与三种处理共18个土柱；二是用落头法测定完整土柱饱和导水率，并用接触滤纸法测定干燥土水特征曲线；三是采用饱和直剪试验在六个深度区间表征调动抗剪响应，以归一化水平位移12.5%处的终值剪应力定义共同调动包络；四是用指数表观黏聚力剖面分离加固幅度与深度持久性，并计算0–0.50 m积分表观黏聚力指数；五是在Python中实现二维瞬态非饱和渗流与解析无限边坡耦合框架，以2020年7月16日至2021年7月15日Whiteknights降雨和网格化Penman–Monteith参考潜在蒸散发驱动，并进行持水、吸水、强度和暴雨历时敏感性分析。
研究结果方面，3.1植物生物量与饱和导水率：五个月后地上干质量在SC-A、SC-A + MF、SS-A、SS-A + MF中分别为2.673、2.937、2.390和2.607 g，析因模型未检测到土壤效应、处理效应或交互作用，Tukey比较均不显著；回收根系干质量在SC中A与A + MF分别为0.0798和0.0993 g，在SS中分别为0.0527和0.0807 g，土壤与处理效应显著而交互作用不显著，A + MF在两种土壤中均显著大于A，SC在两种处理中均大于SS；根冠比在SC中由0.0298升至0.0338，在SS中由0.0220升至0.0309；平均ks由C到A到A + MF在SC中为0.067、0.189和0.277 m d?1，在SS中为0.198、0.418和0.616 m d?1，原始尺度析因模型检测到土壤、处理效应及交互作用，对数变换后交互作用不显著。3.2饱和调动剪切响应：50 mm和90 mm深度剪切曲线在施加范围内呈位移硬化，同一正应力下种植试样终值抗剪阻力一般大于对照，A + MF进一步增加；饱和排除了基质吸力解释，但对照–种植对比还包含养分管理差异。3.3加固幅度与深度持久性：所有种植处理表观黏聚力随深度降低，0.05 m处SC-A与SC-A + MF的ca为3.76和4.71 kPa，SS-A与SS-A + MF为0.75和1.55 kPa；0.30 m处SC为0.75和1.05 kPa，SS为0.015和0.45 kPa；0.48 m处SC仍为0.30和0.40 kPa，SS-A为零而SS-A + MF保留0.23 kPa；对数线性拟合R2较高，SC中c0由5.0升至5.93 kPa、λc由0.167升至0.176 m，SS中c0由1.56升至1.93 kPa、λc由0.064升至0.218 m；0–0.50 m积分Ic在SC中A/A + MF为0.79/0.98 kPa·m，在SS中为0.10/0.38 kPa·m。3.4全年根区稳定性：根区FoS随气候强迫变化，C/A/A + MF年最小值在SC中为1.11/1.86/2.00，在SS中为1.78/2.43/2.38；所有种植工况均高于对照，五个工况受10月3日控制，SS-A受1月30日控制；SC对照在10月接近FoS = 1.0，而两个种植SC工况及所有SS工况保持在1.5参考线以上；SC中A + MF一般高于A，而SS种植曲线交叉，SS-A + MF年最小值比SS-A低2.1%。3.5敏感性与匹配输入比较：持水扰动下各处理年最小值范围变化，部分情景逆转种植处理排序；吸水扰动同样可逆转基线排序；折减或零表观黏聚力改变种植年最小值；匹配输入比较表明在共同水力历史下用A + MF力学属性替换A力学属性可提高阻力，而水力替换可抵消该力学增益；暴雨历时重放显示SC处理排序在24 h与3 h情景间逆转，SS-A从24 h到3 h降低约0.6%，且SS面板因窗口覆盖不等不能作为共同暴雨下的处理比较。
讨论部分总结：4.1两种土壤中的生物与水力响应指出制剂提高回收根系干质量，但根系–土壤交互作用不显著，地上质量无显著差异；由于产品含多种微生物和生物刺激成分且未测殖民化，不能分离各组分贡献，A与A + MF共享种植、灌溉和养分制度提供共同基础，而与C比较还包含养分管理差异；导水率在种植处理下增加且SS在各匹配处理中高于SC，原始尺度显著交互作用涉及绝对导水率差异，对数变换后不显著使比例响应证据不确定。4.2土壤质地对根系加固剖面的影响表明饱和直剪提供共同水力参照，拟合剖面揭示两种土壤模式不同：SC中A + MF主要提高近表面加固，SS中加固幅度较小但λc和Ic大幅增加；c0为外推表面幅度，λc为指数剖面降至约37%的深度，Ic为规定深度下剖面面积，不能直接作为黏聚力用于稳定性计算；强度包络尤其低应力下仍不确定，每个包络在37–100 kPa三个正应力下各用一个试样，无法分离应力效应与试样变异性，需重复低应力试验。4.3耦合水文与季节稳定性表明基于SWRC强度关系下年最小FoS在种植处理下高于对照，但加入制剂在SC中提高最小值而在SS中略降低，说明较差水力条件可抵消额外力学阻力；匹配输入比较澄清该平衡，水力历史不变时A + MF力学属性提高两种土壤最小FoS，而替换A + MF水力历史可通过更强湿润或吸力降低抵消该效益，因控制日期和深度可变化，不能赋予力学与水力加固可加百分比贡献；持水和吸水敏感性改变处理排序，共享基线持水曲线和吸水规定简化了需处理特异性测量的过程。4.4根区安全系数解释与局限指出计算FoS描述实验表征根区内稳定性，四个种植工况基线最小值均出现在0.49 m最深考虑面，重复选择下边界使深度限制尤为重要；搜索范围排除更深平移、圆弧或复合机制及有限坡顶坡脚几何效应，浅层高值不能确立整体边坡稳定；降雨时序引入进一步限制，基线将日总量均匀分布于24 h并每6 h记录，小时事件重放保留前期条件和日总量但以24、6或3 h施加降雨，SC 10月处理排序在24与3 h间逆转，SS面板混合不同窗口最低值不能解释为共同暴雨下处理比较；3 h降雨下较高SC最小值与入渗上限下较少入渗和较多径流一致，依赖该边界假设而不意味更强降雨普遍提高稳定性；单一生长状态贯穿气象年、无季节生根、衰老或冠层变化，吸水敏感性评估所选假设而未确立实测生物量差异如何影响需水，处理特异性ks在整个4 m水力窗口赋值但仅在0.5 m土柱测定，测量向深度转移、侧向排水假设和现场非均质性仍为不确定性来源；持水扰动未考察θs或θr变化、滞后、优先流或随时间变化持水，基于SWRC的吸力–强度关系未经这些根系复合体非饱和剪切试验验证。4.5对浅层边坡评估的启示指出处理选择应考虑可能滑动深度处可用阻力及土壤对降雨和干燥的响应，报告c0、λc和完整ca(z)剖面及取样深度和调动准则可使力学结果更一致地转入稳定性计算，水力表征应包括导水率、持水和植物用水；结果支持在所研究两种土壤和建模条件内比较，更广泛土壤质地关系和现场设计值需进一步证据；下一步最有用的是重复低应力剪切试验、根系构型和真菌殖民化测量及各处理持水和蒸腾测量，现场孔隙水压力监测和亚日降雨记录有助于评估模拟水力响应，涉及更深失稳或坡顶坡脚几何时需与允许更广破坏面的有限边坡分析比较。
