《Ecological Engineering》：Effects of root surface roughness and wettability on hydromechanical root–soil interfacial shear behaviour
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Raul Batista Araujo de Sousa | Anthony Kwan Leung | Jianbin Liu | Jun Zhu中国香港特别行政区清水湾香港科技大学土木与环境工程系，沿海城市气候韧性国家重点实验室摘要植物根部为稳定浅坡提供加固作用，并维持树木的稳
Raul Batista Araujo de Sousa | Anthony Kwan Leung | Jianbin Liu | Jun Zhu
中国香港特别行政区清水湾香港科技大学土木与环境工程系，沿海城市气候韧性国家重点实验室
摘要
植物根部为稳定浅坡提供加固作用，并维持树木的稳定性，这种加固/锚固效应由根系与土壤的相互作用决定。然而，根表面的微观特性，尤其是粗糙度和润湿性，及其对界面剪切行为的影响却很少被研究。在本研究中，通过一系列界面直剪试验，研究了在不同正应力（20–50 kPa）和Toyoura沙土不同饱和度条件下，具有不同表面粗糙度和润湿性的根系的力学剪切行为。采用新技术通过3D打印模拟真实根皮的粗糙度，并通过亲水涂层模拟润湿性。结果表明，在干燥条件下，界面摩擦角随粗糙度非线性增加；当粗糙度较高时，由于土壤颗粒在根皮凸起处堵塞，摩擦角趋于稳定。在非饱和条件下，亲水表面的强度高于疏水表面，这归因于稳定毛细桥的形成，从而增加了摩擦角和黏附力。对主根的拔出试验表明，表面粗糙度是主要因素，而对于细粒土壤，润湿性可能尤为重要。这一发现强调了在物理模型试验中模拟根系微观特性的必要性。
引言
根系在将植物固定在地面上起着关键作用，能够抵抗风力和重力负荷（Zhang等人，2020年）。植物根部还通过机械加固和提高蒸腾作用下的土壤剪切强度来促进坡度稳定（Stokes等人，2009年；Kamchoom等人，2014年；Leung等人，2017年）。单株树木和植被坡度的稳定性通常取决于根系结构（RSA）抵抗拔出力的能力（Zhang等人，2020年；Zhang等人，2023年；Zhu等人，2022年；Zhu等人，2023年）。根系结构的拔出阻力是其形态特征（如长度、分枝、曲折度）、生物力学性质（如抗拉强度和抗弯强度）以及根系与周围土壤界面相互作用的结果（Schwarz等人，2010年；Zhu等人，2022年）。几十年来，研究广泛表征了根系的形态和抗拉性能（Mattia等人，2005年；Bischetti等人，2009年；Schwarz等人，2010年；de Sousa等人，2024b年），并且拔出试验常用于研究界面剪切行为（Kamchoom等人，2014年等）。然而，尽管根系-土壤界面的微观特征是数值模型的重要输入参数，但这些特征仍相对未被充分研究（Zhu等人，2024年；Zhu等人，2025年）。研究不足的原因可能包括根系结构的多样性（Genet等人，2008年；Loades等人，2010年）以及历史研究偏颇，例如侧重于易于测量的根系特征，以及在数值模型中假设根系-土壤完全粘结（即无滑动；Wu等人，1979年；Huang等人，2025年）。
包括离心模型在内的小尺度物理建模为在受控环境中研究根系拔出机制提供了有效工具（de Sousa等人，2024a；de Sousa等人，2024b）。这种方法通常依赖根系模拟物来代表真实的根系系统（Kamchoom等人，2014年；Liang等人，2020年）。然而，设计能够准确再现真实根系关键界面特征的根系模拟物面临重大挑战，尤其是其表面粗糙度和润湿性。粗糙度在工程材料（如钢材、混凝土、木材和土工膜）的土壤-结构相互作用中的重要性已被充分证实（Dove和Frost，1999年；Han等人，2018年；Wang等人，2020年；Rauthause等人，2020年）。对于根系而言，外皮组织（这里仅指外部死亡组织，不包括内部活组织如韧皮部和形成层）呈现出复杂的多尺度纹理，从光滑细腻到粗糙有裂纹不等，且会随植物种类和环境条件变化（Whitmore，1962年）。Mickovski等人（2010年）发现，真实根系的拔出力比形态相似的木质模拟物高出200%，部分原因归于真实根系表面更粗糙。尽管如此，由于根系表面的多尺度复杂性难以表征且在物理模型中难以忠实再现，粗糙度往往被忽视（de Sousa等人，2024a）。缺乏一致的根皮粗糙度量化方法也为创建具有代表性的根系模拟物带来了挑战。
除了粗糙度之外，根表面的润湿性也是另一个关键因素，但在非饱和土壤的测试中长期以来被忽视，而这种土壤在大多数自然或人造坡面的表层较常见。真实根表面通常是亲水的，促使与土壤颗粒形成毛细水桥，通过基质吸力增强界面黏附（Taiz和Zeiger，2010年）。相比之下，根系模拟物通常由疏水聚合物3D打印而成。这种润湿性的差异意味着真实根-土壤界面存在的任何毛细效应在疏水模拟物的界面都会发生改变。这种润湿性不匹配对界面剪切行为的影响，以及随之对拔出阻力的影响尚不明确，可能导致物理模型中低估了根系的加固作用。
本研究旨在通过系统研究根表面粗糙度和润湿性对根-土壤界面力学剪切行为的影响，填补这些知识空白，从而为設計逼真的根系模拟物提供实验验证的见解，提高根系加固评估的准确性，进而提高坡度稳定性和树根锚固效果的预测。具体目标包括：（1）量化真实根皮表面的粗糙度和润湿性，以便控制这些特征并用于解释根-土壤界面剪切行为；（2）使用快速原型制作和化学涂层来真实再现真实根皮的表面粗糙度和润湿性；（3）在不同的正应力下对这些模拟物进行界面直剪试验，并研究不同土壤饱和度的影响；（4）研究观察到的界面剪切响应差异对根系拔出行为的影响，并讨论这对物理建模中设计逼真根系模拟物的启示。
章节摘录
模拟植物根表面
本研究中，从Eucalyptus urophylla的主根桩附近收集了十个木质粗根段（直径20–50毫米），以捕捉多种自然根皮纹理。用自来水冲洗后，仅选择没有可见损伤或腐烂的根段表面。从这些根段中选取了三个平面根皮区域（每个约为20毫米×80毫米），具有明显不同的表面纹理（图1a和b），以便捕捉...
根表面粗糙度
如图1b所示，每根根皮的纵向和横向中心线（分别为y10和x40）上的表面轮廓如图3所示。值得注意的是，根皮的随机性体现在峰谷的非重复性和内在的无序分布上。与根皮3相比，根皮1和2的峰谷分布更为均匀，振幅和间距相对一致。相比之下，根皮3显示了更宽的...
讨论
以下讨论重点关注两个关键方面，这些方面将本研究的根-土壤界面与更常研究的工程界面区分开来：根皮粗糙度的生物来源各向异性和随机性，以及非饱和条件下毛细桥的润湿性依赖稳定性。
结论
本研究全面探讨了根表面粗糙度和润湿性对根-土壤界面力学剪切行为的影响，填补了现有文献中的重要研究空白。本工作的一个关键贡献是开发并应用了一种方法，在3D打印板上准确再现根皮复杂地形，并结合亲水涂层模拟自然润湿性，从而实现了...
CRed iT作者贡献声明
Raul Batista Araujo de Sousa：撰写——原始草稿、方法论、数据分析、概念化。Anthony Kwan Leung：撰写——审稿与编辑、监督、概念化。Jianbin Liu：撰写——审稿与编辑、概念化。Jun Zhu：撰写——审稿与编辑、概念化。
资助声明
本研究得到了香港研究资助委员会（16202422，N_HKUST603/22）和创新及科技委员会（ITC-SKLCRCC26EG01）的支持。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
作者衷心感谢香港研究资助委员会（16202422，N_HKUST603/22）和创新及科技委员会（ITC-SKLCRCC26EG01）提供的资助。
