冻融循环下实验合成含草本植物根系根际的机械退化

《Rhizosphere》：Mechanical degradation of experimentally synthesized rhizosphere with herbaceous plant roots subjected to freeze-thaw cycles

　　

**摘要**
自然冻融循环会改变表层土壤的力学性质，导致基础设施产生使用性能损伤。生物工程技术被认为是针对城市绿色挡土结构和道路路堤边坡的可持续的缓解方法。因此，本研究的主要目标是在直接剪切装置中模拟现场条件，探究冻融循环对定制根系合成系统在低法向应力下的力学与剪切行为的影响。研究中采用高羊茅（*Lolium arundinaceum*）进行培育，该物种是一种原产于全球寒冷地区的冷季型草本植物。测试后，将剪切试样取出以测量根含量和根系面积比（RAR）。结果显示，由于根系对强度的渐进参与和动员，植生试样的剪切强度持续增大，并表现出延性剪切强度行为。明显的是，根系加固诱发了膨胀性的体积剪切行为，从而促成强度累积，而这在裸土中是不存在的。相反，冻融循环由于冻结导致的水分膨胀和颗粒重新排列，破坏了根-土耦合作用，降低了根区的强度。然而，令人振奋的是，即使在经历冻融循环之后，植生试样仍表现出比裸试样更高的强度。这些发现突显了须状植被在提高受季节性冻融条件影响的地表浅层土壤的力学稳定性方面的有效性。

**引言**
冻融循环是由寒冷及季节性冻土区周期性温度波动引起的。全球约有 3,576 万平方千米冻土（Liu 等，2016）。近年来，由于全球变暖，这些寒冷地区正在经历的变化引发了研究人员的关注（González-Herrero 等，2024）。气候变暖的一个显著影响是冻融循环的增加，这会影响土壤结构（Eski?ar 等，2015；Asli Boz 和 Alper Sezer，2018）。在水向冰转化及逆向转化的过程中，土壤结构发生变化。这一过程导致冰体膨胀，重新排列土壤颗粒并改变其力学性质，最终削弱土壤颗粒之间的粘结（Arabchobdar 等，2024；Tang 等，2023）。这可能导致边坡失稳、抗剪强度降低以及冻融诱发的滑坡事件（Yazdani 等，2024；Yang 等，2022）。通过植被的使用可以有效改善土壤特性并提高边坡稳定性（Schmidts 等，2001；Mickovski 等，2006；Liang 等，2017）。植被作为可持续且经济的手段，通过蒸腾作用和根系加固改变土壤的水文与力学性质，从而增强土壤的力学性能（Yazdani 等，2024；Liu 等，2024a；Kamchoom 等，2016）。草本根系在提高土壤抗剪强度、控制侵蚀和预防浅层滑坡方面起着关键作用（Comino 和 Druetta，2010；Chao 等，2017）。

近年来，许多研究集中探讨了冻融循环对土壤的不利影响。早期研究指出，这些循环会改变土壤的多种物理性质，包括孔隙比、阿特伯格界限、粒径分布和渗透性（Chamberlain 和 Gow，1979；Qi 等，2006）。其他研究则关注了经历冻融循环的土壤的力学性质。例如，Liu 等（2010）对冻融循环下粉质土的动力性质进行了综合的试验研究，发现在初始循环中动态剪切模量下降。Xu 等（2021）考察了冻土在不同冻融循环后受循环荷载作用下的累积变形行为，发现冻融循环造成永久应变增加后，经过六个循环，土壤因冻融循环造成的退化不再明显。实验室研究表明，冻融循环次数增加会显著降低土壤的弹模和粘聚力（Tang 等，2018；Yang 等，2024；Zhao 等，2023）。然而，关于内摩擦角的研究结果不一致。一些研究表明其变化较小，表明其受冻融循环影响不大（Lu 等，2018；Bo 等，2015），而另一些研究则得出结论认为内摩擦角减小（Tang 等，2022；Wu 等，2023）。相反地，Liu（2016）报告称冻融循环可能会增加内摩擦角。此外，一些研究探讨了冻融循环的微观结构效应，指出会产生土壤破碎、颗粒粘结破坏以及更细颗粒的形成（Han 等，2018；Zhang 等，2019；Wu 等，2023；Zhang 等，2025）。冻结过程会诱发体积膨胀，在土体基质内产生相当大的应力。因此，反复冻融循环可以改变孔隙大小分布，增加中等和大孔隙的比例，最终损害土壤的力学完整性（Tang 等，2023；Zhao 等，2023）。研究表明，这些结构改变累积效应显著降低了土壤的刚度、抗剪强度和整体稳定性——这些是控制寒冷地区近地表土壤稳定性和景观响应的重要参数（Wu 等，2023；Yang 等，2024）。实验研究一致显示，随着冻融循环次数的增加，土壤力学性质下降。在膨胀性粘土、黄土和硫酸盐盐渍土等各类土壤中也观察到了类似的力学退化现象（Zhou 等，2018；Zhang 等，2019；Yang 等，2018；Mohammadabadi 等，2019）。

尽管已有大量研究探讨了用于缓解冻融退化的土壤添加剂，但这些方法通常引发环境问题。使用模拟根系的人工纤维已被证明可以改进土壤抵抗冻融循环的特性。Roustaie 等（2015）观察到未加固试样的强度降低比纤维加固试样更为明显。Ding 等（2018）对聚丙烯纤维和水泥稳定土进行了无侧限压缩试验，得出结论，虽然添加水泥和纤维可以增强土壤抗压强度，但冻融循环显著降低了土壤强度。然而，使用这些化学稳定剂引发了环境问题，包括土壤碱性增加、二氧化碳排放、热岛效应、水污染以及抑制植被生长（Soldo 等，2020；Bozyigit 等，2021；Zhang 等，2025）。

尽管已有大量关于冻融和根系对土壤各自影响的综合研究，但只有少数研究探索了冻融循环下根系与土壤的相互作用。Liu 等（2024b）发现根系提高了土壤的抗剪强度；根-土复合体在第一次冻融循环后粘聚力急剧下降，而内摩擦角几乎未受影响，此外，更高的含水率进一步加剧了冻融循环的不利影响。类似地，Wang 等（2024a）发现草本根系通过根网络维持颗粒连接性，延缓了裂缝发展和结构损伤的出现，但总体而言，粘聚力在冻融循环下仍会下降。Wang 等（2024b）发现马尼拉草根系减少了开裂和膨胀，尽管反复冻融最终仍会削弱根-土粘结。相比之下，Song 等（2025）使用了形态完整的蓝肯塔基草，通过剪切试验和 X 射线 CT 显示，须状根网络可以重新分布应力并延缓冻融退化。然而，只有少数研究考察了冻融过程如何改变根系介导的土壤加固和近地表土壤稳定性，而这些研究要么将根系视为混合组分，将死根与土壤混合，这并不能准确代表根系的自然形态和结构；要么其研究缺乏多次冻结循环。

根据简要的文献综述，关于冻融循环和植被对根-土复合体力学行为的共同影响的研究非常有限。表 1 总结了现有关于冻融循环下根-土复合体行为的研究。本研究的三大主要局限包括：第一，一些研究仅将植被量化为覆盖率或随机混合的根-土组分，而不是自然生长、形态上具有代表性的根系（Wang 等，2024b）；因此，须状根系通过自然结构动员抗拉阻力的方式无法被严格捕获。第二，先前研究的试验条件通常在较高的围压下（例如，200 kPa；Wang 等，2024b）或永冻土环境中进行（Wang 等，2024a），这些条件更适用于深层或连续冻结的土壤，而不是与绿色挡土墙和道路路堤边坡相关的浅层（<1 m）季节性冻结层。同时也应注意到，草类根系渗透到更深层对应高应力水平的情况不太可能发生。第三，以往研究均未系统地建立根系形态的定量指标（如根系面积比和干根生物量）与跨越长期冻融重复循环的体积行为演化（即收缩或膨胀）之间的关联。

因此，本研究的主要目标是通过对以下三项核心创新的实现来解决这些研究空白：（i）开发一种新型培养模具，在确保能够无损提取以进行直接剪切试验的同时，保留活的草本根系的自然完整结构；（ii）在三个具有代表性的浅层根区深度的低法向应力（7.1、14.2、21.3 kPa）下，进行五级冻融水平（0、1、3、5 和 10 次循环）的试验；（iii）对每个测试试样同时进行根系面积比和干根生物量的定量测定，从而能够与抗剪强度参数及应力-膨胀行为建立直接关联。

**研究区与土壤材料**
试验土壤采自伊朗德黑兰 Kan 区 Sangan 地区的一个边坡。该地区属于季节性寒冷气候，冬季温度可低至 -12 °C，海拔约 2,100 米。表 2 汇总了该土壤的一些基本物理性质。粒径分布曲线如图 1 所示，根据统一土壤分类系统（ASTM），该土壤被分类为级配良好的粉砂（SW-SM）。

**无冻融作用下的剪切行为**
为进一步证实所观察剪切响应的可靠性，还对额外试样的结果进行了考察。图 4 比较了主控制试样与在 7.1 kPa 法向应力下测试的两个额外试样的直接剪切响应。三个试样的峰值抗剪强度仅有微小差异，标准差为 1.81 kPa，两个额外试样的整体剪切应力-水平位移表现相似。

**根生物量和 RAR 的差异**
应注意，根系干重和 RAR 在试样间存在自然差异（表 3），15 个植生试样的干根重量范围为 0.14% 至 0.36%（变异系数 ≈ 21%）。该差异在最高法向应力水平（21.3 kPa）下更为明显，该应力水平下 1 次和 5 次循环试样的根含量约为同一应力水平下 0、3 和 10 次循环试样的根含量的二分之一。21.3 kPa 下观察到的非单调趋势应予以考量。

**结论**
本研究通过试验探索了在季节性冻融波动条件下，高羊茅物种用于加固和增强绿色挡土墙及道路边坡裸露表面的潜在应用。所采用的寒区植物在一种新型实验室模具装置中进行培养，不仅能提供理想样本以契合装置试验盒，还能最大限度地减少此类复合活体系统的试样扰动。根据直接剪切试验的结果……

**CRediT 作者贡献声明**
Mohammad Erfan Mahdavi Rad：撰写—原始草稿、方法学、调查、形式分析、数据整理、概念构思。

Hamed Sadeghi：撰写——审阅与编辑、监督、资源、项目管理、资金获取、概念化

未引用参考文献
Adeli Ghareh Viran和Binal，2018；ASTM D2487-17；ASTM D3080-04；Badakhshan等，2023；B?hm，1979；Boz和Sezer，2018；Chamberlain和Gow，1979a；Chamberlain和Gow，1979b；Chen等，2024；Drewry等，2021；Eldesouky等，2015；Gray和Barker，2013；Gray和Ohashi，1983；Kamchoom等，2022a；Kamchoom等，2022b；Liu等，2019；Lu等，2019；Merotto Junior和Mundstock，1999；Michalowski等，2003；Ng等，2016；Rognli等，2010；Roustaei等，2015

数据可用性声明
支持本研究结果的现有数据可向通讯作者提出合理请求后获取。

利益冲突声明
作者声明，他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系可能影响本文所报告的工作。

生成式AI及AI辅助技术在写作过程中的使用声明
在撰写本作品过程中，作者使用了ChatGPT-4和5以及Grammarly来提高可读性和语言质量。在使用该工具/服务后，作者对内容进行了审阅和必要的编辑，并对所发表文章的内容承担全部责任。

利益冲突声明
? 作者声明，他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系可能影响本文所报告的工作。

致谢
本研究由伊朗国家科学基金会（INSF）资助，项目编号：4035488。

Mohammad Erfan Mahdavi Rad | Hamed Sadeghi