《Frontiers in Plant Science》：Herbaceous species mitigate the influence of wetting-drying cycles on the infiltration potential of clayey soil
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本刊特约推荐：本研究系统揭示草本植物（Cynodon dactylon/Lolium perenne/Festuca arundinacea）通过根系物理-生化作用抑制黏土干裂、提升团聚体稳定性（MWD），调控土壤水特征曲线（SWCC）参数（α/n/θs/θr）与孔隙水形态（T2C），最终减缓干湿循环对黏性土入渗潜能（SIR）的强化效应，为工程边坡生态防护提供理论依据。
引言
黏性土构成的边坡、垃圾填埋场衬垫等岩土结构在干湿循环作用下易发生开裂和渗透性变化，进而诱发地质灾害。虽然植被对边坡稳定性具有公认的积极影响，但干湿循环过程中植被如何调控黏性土的入渗特性尚不明确。本研究以青藏高原东缘典型低塑性黏土为对象，通过模拟自然干湿循环过程，系统量化草本植物对土壤结构、水力特性及入渗潜能的调控机制。
材料与方法
试验设置四种处理：狗牙根（Vs1）、黑麦草（Vs2）、高羊茅（Vs3）植被土及裸土对照（Bs），每组三个重复。土壤按1.55 g·cm-3密度分层压实后，进行5次干湿循环（每次循环含120分钟降雨和自然干燥过程）。监测指标包括：干燥裂隙形态（表面裂隙率/平均宽度/数量）、团聚体平均重量直径（MWD）、土壤水特征曲线（SWCC）参数（采用van Genuchten模型拟合）、核磁共振（NMR）弛豫时间（T2）分析的孔隙水形态（吸附水与可动水比例RMA），以及稳定入渗率（SIR）。同时利用扫描电镜（SEM）和WinRHIZO根系分析系统表征土壤微观结构和根系形态参数。
结果
- 1.
土壤团聚体稳定性与微观结构变化
干湿循环导致裸土大团聚体（>1 mm）占比下降，MWD从0.667 mm显著降至0.521 mm（P<0.05），而植被土MWD逆势增长（Vs2增幅最大）。SEM显示裸土经循环后颗粒间胶结弱化、孔隙扩大，植被土则因根系分泌物形成的絮状有机基质填充孔隙，保持结构稳定。
- 2.
干燥裂隙演化规律
裸土裂隙参数在第二次干燥过程达到峰值（裂隙率8.91%），后续循环中因细颗粒填充作用趋于稳定。植被土裂隙发育显著受抑，最终裂隙率仅为裸土的1/4（Vs1：1.86%），其中浅根型草种（Vs1、Vs2）通过根系机械阻力和均匀耗水双重作用抑制裂隙，深根型草种（Vs3）主要依赖降低土体吸力梯度。
- 3.
土壤水特征曲线响应
裸土SWCC随循环次数增加持续下移，饱和含水率（θs）和残余含水率（θr）分别下降12.3%和9.8%，进气值从6 kPa降至3 kPa。植被土SWCC变化微弱，且θs、θr均高于裸土，其中Vs3的持水能力最强。
- 4.
孔隙水形态转变
NMR分析显示，裸土可动水/吸附水比值（RMA）经5次循环后激增61.07%，T2曲线积分面积扩大；植被土两类水分占比仅微增（Vs2的RMA增幅≤7.85%），表明根系有效延缓了孔隙水的活化。
- 5.
入渗特性与关联机制
裸土稳定入渗率（SIR）提升83.17%，而植被土增幅仅为7.69%~18.06%。相关性分析表明，裸土SIR与MWD、θs负相关，与SWCC参数α和RMA正相关（P<0.05）；植被土SIR则与MWD、θs、RMA正相关，与α负相关。根系参数显示，Vs2的细根（直径<0.5 mm）占比最高，其快速周转对土壤理化性质改良作用最显著。
讨论
干湿循环通过改变黏土孔隙分布（α↑）和可动水占比（RMA↑）显著提升裸土入渗能力，而植被通过根系物理缠绕、分泌物胶结及均匀耗水作用，抑制裂隙发育、增强团聚体稳定性，进而延缓渗透性强化。三种草本的调控效率差异源于根系构型：狗牙根（Vs1）的密集须根网络与黑麦草（Vs2）的高细根密度更利于表层土壤改良，高羊茅（Vs3）的深根特性则主要影响深层土体水力学行为。本研究明确植被覆盖可降低工程边坡因干湿循环导致的渗透性突变风险，为生态护坡技术提供参数化设计依据。
结论
草本植物能有效减缓干湿循环对黏性土入渗潜能的强化效应，其核心机制在于根系调控的土壤结构稳定化与水力特性优化。建议边坡生态防护优先选择深直根系草种（如高羊茅），并配合压实控制与抗侵蚀措施，以提升长期稳定性。本研究首次整合孔隙结构-团聚体-孔隙水-根系形态多维度指标，为黏性土水文生态效应评估提供了新范式。
