1.2 国内外研究现状
生态宜居视角下堆积体土壤侵蚀与防治研究的国内外研究现状分为三个方面：一是城乡建设中的生态宜居性研究现状；二是堆积体土壤侵蚀研究进展；三是土壤侵蚀防治理论与方法研究现状。
1.2.1 城乡建设中的生态宜居性研究现状
党的十八大以来，习近平总书记围绕生态文明建设提出的一系列新理念、新思想、新战略，成为新时代生态文明建设的根本遵循和行动指南。建设生态宜居的美丽乡村，是贯彻习近平生态文明思想，实施乡村振兴战略、推进美丽中国建设的一项重要内容。这是实现社会主义现代化强国目标的内在要求。党的十九大明确了“建成富强民主文明和谐美丽的社会主义现代化强国”的奋斗目标，把“坚持人与自然和谐共生”这一理念纳入新时代坚持和发展中国特色社会主义的基本方略，进一步明确了建设生态文明、建设美丽中国的总体要求。
推动生态宜居城乡建设，就是要补齐城乡生态环境的短板，为建设美丽中国、实现中华民族永续发展做出积极贡献。生态宜居是坚持以人为本发展理念的具体体现。随着经济社会不断发展，日益严重的环境污染和频繁发生的食品安全事件已成为民生之患、民心之痛。人民群众过去“盼温饱”、现在“盼环保”，过去“求生存”、现在“求生态”，对干净的水源、清新的空气、安全的食品、优美的环境等方面的要求越来越高。良好的生态环境是最公平的公共产品，是最普惠的民生福祉。推动生态宜居城乡建设，就是要充分发挥乡村良好生态环境这个最大优势将经济发展与生态文明建设有机融合起来，为广大人民群众提供更多优质生态产品，努力满足人民对美好生活的向往。
生态宜居是推动城乡面貌整洁，实现“质的提升”的必然选择。经过上一轮的新城乡建设，城乡普遍硬化了道路、安装了路灯、改建了厕所、完善了健身设施等，城乡面貌有了很大的改善，但生态环境仍然存在不少问题，农业生态系统亟待改善。城乡面貌整洁侧重于外表的干净整洁，而生态宜居更加注重人与自然和谐共生，更加强调尊重自然、顺应自然、保护自然，是对城乡面貌整洁“质的提升”。推动生态宜居城乡建设，就是要在为人们提供充足、优质、安全农产品的基础上，还要提供怡静的田园风光、清新的自然环境等生态产品，以及农耕文化、乡情乡愁等精神产品。
建设生态宜居美丽乡村，重要的是对“宜”字有深刻的认识，科学把握美丽城乡建设和经济发展之间的辩证关系，努力实现二者的相互促进、相得益彰，实现自然之美与人文之美、传统之美与现代之美的有机统一。客观确定生态宜居城乡建设的阶段目标。生态宜居城乡建设，不仅要体现在改善乡村生态环境质量上，更要反映在提升广大农民群众对乡村美好生活的满意度上。生态宜居城乡建设目标应和实施乡村振兴战略的总目标相一致，分为两个阶段：第一阶段，城乡人居环境明显改善，美丽宜居城乡建设扎实推进，城乡生态环境明显好转，农业生态服务能力逐步提高；第二阶段，城乡生态环境根本好转，美丽宜居乡村基本实现。笔者将其概括为“清、爽、安、定”四个字。“清”和“安”强调的是农民群众对居住环境最基本的需求，属外在的表现；“爽”和“定”强调的是农民群众对生活质量精神层次的追求，属内在的本质。“清”是环境优美的外在表现。整洁的人居环境、干净的水源和清洁的空气，是建设生态宜居美丽乡村的首要目标。要学好用好浙江“千万工程”经验，深入实施城乡人居环境整治三年行动，重点围绕城乡污水处理、生活垃圾收集处置、城乡厕所改造和城乡面貌提升等关键性内容，加大统筹推进力度，完善各项基础设施，打好实施乡村振兴战略的第一场硬仗，描绘出一幅城乡面貌整洁、山清水秀、环境优美的美丽乡村新画卷。“爽”是环境优美的内在需求。“爽”是一种幸福感，是发自内心深处、油然而生的一种惬意、爽快，是人们在环境清新、绿色生态、鸟语花香的自然状态中，由眼、耳、鼻、舌、身的感知，进而达到神清气爽、内心愉悦。建设生态宜居美丽乡村，既要保持天朗气清的自然环境，又要打造优美怡然的生态环境，让广大农民群众过上幸福美满的生活。“安”是舒适宜居的物质满足。住房安全和食品安全是人类生活与健康的基础，前者是乡村最基本的民生保障，后者是广大人民群众的共同追求。建设生态宜居美丽乡村，亟须加快改善农民群众住房条件，全面加强饮用水水源地保护，大力发展绿色优质农产品，确保农民群众住得安全、吃得放心。“定”是舒适宜居的精神享受。改革开放40余年来，农民的生活条件得到极大改善，现在农民的要求不仅限于有放心的农产品和安全适用的住所等，公平正义、和谐有序的社会环境也已成为人们生活的重要需求。建设生态宜居美丽乡村，不仅要让农民群众有稳定可靠的收入，有配套完善的公共服务，而且要有平安稳定、无忧无虑的生活，不断提升他们的获得感、幸福感、安全感。
关于矿山的生态建设方面，何芳、徐友宁、乔冈等（2010）认为我国矿区的生态恢复工作可分为四个发展阶段：第一阶段，20世纪50年代，通过填埋、刮土、覆土等措施将退化土地改造成可耕种土地；第二阶段，20世纪70—80年代，土地修复开始系统化；第三阶段，20世纪90年代，土地修复中生态修复加强；第四阶段，进入21世纪以来，以矿区生态系统健康和环境安全为目标，多技术综合恢复治理。张进德、张德强、田磊（2007）梳理我国矿山地质环境保护与恢复治理的发展进程：2001年，国家财政投入资金，通过设立矿山地质环境治理工程项目的形式在全国范围内对土壤侵蚀隐患严重与危害巨大、生态环境破坏严重的矿山地质环境治理工程进行引导性资助；2005年，我国开始立法强制采矿权人对其所有的在矿山开采中产生的环境问题进行治理，并建立了矿山地质环境保证金制度；自2009年起，我国将矿山地质环境保护与恢复治理方案编制和矿山土地复垦方案编制作为申请采矿权或采矿权延续、年检的前置条件；自2010年开始，我国加大对遗留矿山地质环境治理专项经费投入，先后部署了历史遗留老矿山环境治理项目、资源枯竭型城乡矿山地质环境治理项目和矿山地质环境治理示范工程项目等一系列的治理工程。姜建军、刘建伟、张进德等（2005）认为长期大规模和超强度的矿产资源开发，为国家建设做出贡献的同时，也造成了生态环境的严重破坏甚至生态失衡；随着乡村振兴战略的实施，新型城镇化不断推进，城乡建设步伐加快，资源需求增加与生态环境恶化之间的矛盾日渐突出，生态宜居压力越来越大。
在国外，为塑造生态宜居的生存环境，诸多发达国家十分重视矿山地质环境的治理、恢复、土地复垦。Cullen（1998）提出英国矿山开发之初必须同时提出生态恢复及管理计划，并制定了生态恢复的衡量标准。Neri A. C.（2010）指出，澳大利亚采取崇尚自然、以人为本、恢复原始的闭矿理念，实施边开采边关闭的治理工程，生态恢复包括植被分布及动物栖息地在内的多种设计，并要求环境管理活动贯穿于整个矿山的开采、运营至闭矿的过程。Reid C.（2009）对加拿大、丹麦等国开展露天煤矿开发对生态环境的影响机制与恢复进行了研究，要求解决好环境和安全两方面的问题。Fourie A.（2006）阐释了清洁生产工艺及高新采矿技术对煤矿开发生态保护的作用等，不仅要求恢复土地的使用价值，而且要求恢复生态平衡，保持环境的优美和生态系统的稳定。
1.2.2 堆积体土壤侵蚀研究进展
常见的工程建设堆积体一般来源于矿山开发、表土剥离、硐室开挖、尾矿堆筑等过程，受挖填方施工时段、材料质量、标段划分、运距等诸多因素的影响，各种生产建设项目在施工中很难做到土石方挖填平衡，容易形成大量堆积体，为人为水土流失提供了充足的物质来源。各种堆积体失去了原生土壤的结构且一般具有较陡松散堆积面，是人为水土流失的主要地貌单元。不同的生产建设项目对地表的扰动情况及弃土弃渣的堆置形式存在较大差异，线性工程建设项目多沿施工作业面呈线状堆积，水利水电、城建等项目多呈点状或面状堆积。不同的堆积体由于其物料来源、堆积方式、汇水面积、土壤类型、坡度坡长等条件的不同，其水土流失类型和形式差异较大。
1994年，国际侵蚀控制学会提出需要解决生产建设项目区的土壤侵蚀问题。美国在1997年颁布了《露天采矿管理与复垦法》，是首个为生产建设项目弃土场复垦立法的国家。该法的实施极大地促进了美国等西方国家弃土场水土保持工作的进程，推动了矿区弃土的土壤侵蚀机理、控制及其生态恢复方面的研究。Zhao Z.等（2013）、Heras等（2008）、Haigh和Gentcheva（2002）、Kalin C.（2002）研究强调了矿区地表的生态恢复以生态系统本身自组织和自调控能力为主、人工调控为辅的手段。高速公路基建场地的水土流失也是国外扰动地表水土流失研究的热点，Macdonald等（2015）研究表明，道路建设工程形成的大量裸露下垫面会改变原地表径流及地下水等水文要素，进而影响土壤流失。山区高速公路修建在其涵洞或者道路排水沟处侵蚀沟发育的风险增大，Nysse等（2002）认为道路填方堆积体也极易发生重力侵蚀；Wemple等（2001）认为高速公路修建形成了一系列环境敏感区，其中堆积体的土壤侵蚀程度和强度最大，加之重力、水力等作用，泥石流、滑坡等突发性侵蚀形式也极易发生。Gardner和Gerrard（2003）、Takken等（2001）认为矿产开采的发展较快，开采过程中由于人为大量扰动，矿区堆积体对漫流、产流、产沙过程会产生直接或间接影响，因此矿区土壤侵蚀是研究焦点所在。20世纪60年代，苏联对矿区排土场的土地复垦技术进行研究。Wolman和Schick C.（1967）提出了由于施工和采矿而堆积形成松散物的侵蚀问题。Meyer等（1971）用径流小区模拟6种不同下垫面条件的堆积体，发现裸露下垫面侵蚀最严重，有覆盖措施可明显减少水土流失。Rubio等（1984）研究了矿区堆积体侵蚀的特性，认为表层风化程度增加、入渗能力下降，侵蚀量会随之减小。
在国内，自20世纪50年代以来，学者开始关注生产建设活动造成的水土流失，矿山地质环境保护及其土地复垦工作的探索与实践也在快速发展。20世纪70年代，朱显漠院士提出人类需要控制人为加速侵蚀；80年代，随着采矿业高速发展，矿区的复垦研究被提上日程；90年代，我国召开生产建设项目土地退化的防治技术研讨会后，我国关于生产建设项目的土壤侵蚀及其防治技术的研究逐渐增多，堆积体土壤侵蚀引起了广泛关注。蔺明华（2008）提出弃土弃渣和人为扰动地表是生产建设项目新增水土流失的主要来源，并详细介绍了其成因、侵蚀过程与机理。随着我国综合国力的提升，快速增长的基础设施建设与生态环境的矛盾日趋凸显。近十年来，国内大批学者对生产建设项目不同类型下垫面水土流失特征进行研究，张翔等（2016）、戎玉博等（2016）、王雪松等（2015）、史东梅等（2015）、张乐涛等（2013）旨在构建有针对性的水土流失测算模型，为准确测算生产建设下垫面土壤侵蚀量、合理控制水土流失提供依据。
生产建设项目区的堆积体的侵蚀类型包括水力侵蚀、重力侵蚀、风蚀和其他特殊侵蚀类型，有着区别于传统农耕地土壤侵蚀的特殊性及严重性。李夷荔（2001）关注到20世纪40年代生产建设项目造成的水土流失问题。吕佼容（2021）对堆积体类型进行概化研究，确定了3种标准堆积体下垫面，分别为散乱锥状堆积、坡顶平台车辆碾压堆积、依坡倾倒堆积。散乱锥状堆积和依坡倾倒中的坡面薄层堆积在后期研究中更名为土方无来水堆积体，而依坡倾倒中的坡沟堆积和坡顶平台车辆碾压堆积更名为土方有来水堆积体。康宏亮等（2016）、王雪松等（2015）、史倩华等（2015）、李建明等（2014）认为堆积体是扰动下垫面物质的集合，粒径大小不一的砾石广泛存在于堆积体中，特别是在土石山区开挖建设的情况下；中砾石含量仅设置在0～30%范围内，对于砾石含量超过40%的堆积体鲜有研究涉及，且这些研究中所用砾石粒径均小于5cm，未涉及其他更大粒径的情况。吕佼荣（2021）为了深入了解砾石在堆积体土壤侵蚀中的作用机制，发现加大砾石含量、粒径涵盖范围以及考虑不同粒径混合的影响可扩充对砾石在堆积体水蚀过程中作用机理的认识；同时发现量化含量和粒径两方面特性分别的贡献率对深入了解砾石在堆积体土壤侵蚀中的作用、改进模型中土石质因子取值的科学性也有重要的参考价值。该学者还认为目前已有堆积体土壤侵蚀的研究，均忽视了微地形的影响，堆积体因其结构松散、坡度陡的特征，在侵蚀过程中有比一般山区坡面更剧烈的微地形变化，反过来在微地形演化的过程中，径流的空间分布也随之响应，进而对径流侵蚀力学性质产生影响，反作用于侵蚀产沙过程；因此探究微地形时空变异特征与土壤侵蚀的关系可丰富堆积体土壤侵蚀研究成果，为土壤流失量测算提供新的思路。
堆积体一般以土石混合体的形式存在于各类施工区内，堆积体所含砾石是土壤中粒径大于1cm的块石或者结构体。Cerda（2001）、赵暄等（2012）认为砾石是影响水文和侵蚀过程的关键因子，其影响体现在土壤侵蚀测算模型中的土石质因子中；深入了解砾石对土壤侵蚀的影响，对提高土石质因子取值的科学性和可靠性有重要意义。Nearing等（2017）、Wang等（2012）、Cousin等（2003）、Bunte和Poesen（1993）认为，土壤中的砾石一方面保护土壤免受雨滴击溅和径流冲刷的直接影响，另一方面还通过影响土壤的物理性质（如容重、孔隙度、含水量、表土结皮等）、水文过程（如降雨再分配、土壤入渗、径流产生及地表径流的水动力学特性等）间接地对土壤侵蚀发挥作用。
在坡面产流方面，李建明等（2014）和王雪松等（2015）均发现不同砾石含量坡面产流率的变化不显著；戎玉博等（2018）的研究结果显示坡面径流率随着砾石含量的增加而减小；康宏亮等（2016）表明坡面产流率随砾石含量的增加先上升后下降，并在10%处存在阈值。砾石含量在不同试验条件下对堆积体水文过程的影响不同。相应地，在坡面产沙方面，戎玉博等（2018）和李建明等（2014）均发现，砾石含量与黄土区堆积体坡面产沙量呈显著负相关关系；康宏亮等（2016）指出砾石含量对风沙区堆积体侵蚀的影响因雨强而异：当雨强为1mm/min时，砾石会促进坡面产沙；当雨强大于1mm/min时，砾石含量增加有显著的减沙效益。另外，王舌松等（2015）发现砾石含量增加加剧了红土锥状堆积体坡面侵蚀。堆积体侵蚀量随砾石含量的变化并未与产流的变化趋势完全一致，可见砾石对堆积体侵蚀产沙的影响不能一概而论，其影响还需进一步探究。关于砾石粒径对堆积体土壤侵蚀的影响还未有研究涉及。
雨强对堆积体土壤侵蚀的影响。土壤侵蚀影响因素有降雨、土壤性质、微地形、植被覆盖等，其中降雨是土壤侵蚀的主要因素，对土壤侵蚀的影响最显著（Hancock et al.，2008）。雨滴动能随着降雨强度的增加而增加，进而引起径流和侵蚀的增加；Liu等（2013）、Keim等（2006）研究指出，产流量、产沙量和径流含沙率都随着降雨强度增加而增大；Wen等（2015）、Berger等（2010）指出降雨强度也会影响入渗；Shigaki等（2007）指出，随着降雨强度增加，土壤结皮发育更盛导致入渗率降低。Liu等（2015）研究发现，堆积体土壤侵蚀的各项量化指标均与降雨强度相关。张荣华等（2018）研究发现，堆积体坡面产流开始时间与降雨强度呈负相关关系。当坡面开始产流，产流率一般与降雨强度呈显著的正相关关系；相应地，堆积体土壤侵蚀率也随降雨强度的增加而增大（李建明等，2016；戎玉博等，2016）。除了产流产沙特征，雨强还对坡面稳定性有影响，李叶鑫等（2017）研究发现，土壤容重和土壤稳定性均随降雨强度增加而降低。
降雨条件下生态工程堆积体浅层失稳是堆积体工程中常见的、造成财产损失的重要土壤侵蚀之一。随着经济社会快速发展、基础设施持续完善，基础工程建设和环境保护的矛盾日益突出；在道路、水电、城镇、矿山等工程建设中，大量的原有山地被开发利用，产生了大量的深挖高填工程，损毁了自然地质历史形成的土体的原有结构和其上覆被的植物，形成了大量的堆积体；伴随着后期植物护坡形成的这种堆积体有别于自然堆积体，是一类各向异性、结构无序、无胶结或弱胶结的特殊地质体，其在降雨条件下诱发的深度1～2m浅部滑移现象普遍存在，常被概括为“降雨型浅层滑坡”（韩金明，2011；连继峰，2015）。滑坡、坍塌、泥石流等安全隐患，对土壤侵蚀防护、堆积体浅层失稳治理、水土保持等都产生了极其不利的影响，造成了巨大损失（刘果果，2016）。特别是降雨条件下有坡面植物的非饱和含根系土质堆积体浅层滑移问题，仍是环境岩土界研究的热门问题、难点问题（芦建国，2008）。众多土壤侵蚀事故显示，雨水是影响生态工程堆积体稳定、导致生态工程堆积体滑移的最常见的环境诱发要素，是浅层滑坡最关键的触发因素，因此，对此方面做研究显得尤为必要（马世国，2014）。
岩土体水致劣化效应研究方面。岩土体介质是一种经长时间地质作用而形成的复杂材料，这种复杂材料在地下水渗流及自然风化等诸多因素长期作用下，其强度、弹性模量等物理力学参数会随时间推移明显弱化，即岩土体的动态劣化效应；在漫长的地质历史中，促使岩土体强度劣化的因素较为复杂（倪卫达，2014）。现有研究成果表明，从驱动因素视角可将岩土体动态劣化归结为风化劣化、流变劣化、震动劣化与水致劣化四类；围绕植物根系固土，本书重点关注岩土体的水致劣化。水作为一种地质营力而引起岩土体劣化是导致各类岩土体变形破坏的重要原因。在我国古代即有“水得土而流，土得水而柔”这样对水致劣化作用的朴素认识。根据现代地质相关研究，岩土体在自然界受水的周期性干湿循环作用或长期浸泡时，其力学性能将随其结构的分解而逐步劣化降低，这就是水致劣化效应。目前，已有大量学者围绕干湿循环作用下岩土体动态劣化开展研究。王铁行（2020，2021）做压实黄土的干湿循环试验，建立了压实黄土的结构性本构关系，认为干湿循环对填土的变形影响较大。龚壁卫（2006）针对膨胀土干湿循环过程中的吸力变化和强度变化特征，采用体积压力板仪实现脱湿和吸湿过程，由此制备不同吸力的试样，通过直剪试验测试不同吸力下的抗剪强度，进而研究了干湿循环过程对土体的影响。曹玲（2007）通过对千将坪滑坡滑带土在干湿循环试验条件下与天然非饱和土试验结果的比较，研究了干湿循环条件下滑坡滑带土强度特性及其变形特性，揭示了千将坪滑坡的失稳机制。刘新荣等（2008）对砂岩在干湿循环作用下的力学性质进行研究，得到完整砂岩在干湿循环作用下抗剪强度的衰减规律，并将其运用于库岸堆积体的稳定分析中。姚华彦等（2010）采用常规单轴和三轴压缩试验，研究砂岩的弹性模量、抗压强度、黏聚力和内摩擦角等力学指标随干湿循环次数增加的变化规律。周世良等（2012）采用常规三轴压缩试验，分析泥岩试样在干湿循环条件下抗剪强度参数的劣化规律，并将试验成果运用于库岸堆积体的时变稳定性研究中。在长期饱水作用下，岩土体力学性能劣化规律的研究成果相对较少，周翠英等（2005）、郭富利等（2007）分别通过试验研究了在长期饱水作用下泥岩岩块力学特性的变化规律，结果表明，泥岩的力学强度指标随饱水时间的增长而逐渐降低并趋于定值，呈负指数函数规律衰减。学者围绕岩土体水致劣化开展了大量深入研究，却鲜有考虑植物根系固土水文效应的岩土体水质劣化研究，这一点有待补充。
土壤结构体概念方面。土壤结构体是指土壤颗粒通过各种团聚作用而形成的不同形状、大小的土块和土团，体现着土壤颗粒的一般性质，并且有着自身的综合性质（杨凯，2013）。土壤结构体对土壤入渗、坡面产流产沙具有一定的影响。按照外部形状，土壤结构体一般被归纳为四种基本类型：一是块状结构体和核状结构体，多为立方体，纵、横两轴大致相等，边面不明显，一般较紧实；二是柱状和棱柱状结构体，纵轴大于横轴，多呈直状，棱角不明显的称为柱状，棱角明显的称为棱柱状结构体；三是片状结构体，横轴大于纵轴，呈扁平状；四是团粒结构体，包括团粒结构和微团聚体。团粒结构是指近似球形、疏松多孔的团聚体，是土壤肥力特征之一。堆积体是由弃土弃渣堆积而成，含有大小不一的块状土壤结构体。赵暄等（2012）的野外调查结果显示，块石和土壤结构体重力分选作用明显，在室内进行下垫面仿真设计时，对粒径小于10mm的坡面组成物质可不考虑坡面位置的差异性，堆积体所含结构体可视为直径大于10mm的自然土壤块状结构体。在以往关于堆积体土壤侵蚀的模拟试验中，将土壤结构体等同于砾石处理，在试验时将结构体筛除，使用直径小于1cm的细粒土作为堆积物质，并未关注土壤结构体对堆积体侵蚀特征的影响。而在实际情况下，结构体作为固结土块，降雨过程中不免会发生破碎和溃散，其能否等同于砾石且其对堆积体产流产沙的影响仍需探明。
侵蚀下垫面微地形研究进展。表面微地形是在雨滴、表面径流侵蚀和人类耕作活动的作用下形成的表面微形貌的形态特征，它对地表径流和侵蚀过程的影响不可忽视。与大地形相比，微地形是指小范围内起伏不平的表面特征，其相对高度不超过5～25cm，也称为“表面粗糙度”（张青峰等，2012）。Hansen等（1999）认为在坡面侵蚀过程中，泥沙的运输和沉积导致微地形的空间分布发生变化；反过来，微地形伴随着侵蚀过程，还将通过其自身的升高、下降和位置变化而影响径流的产生和流向、径流量的大小，进而影响侵蚀类型变化以及侵蚀量的大小。综上，地表微地形不仅是土壤侵蚀发生的直接结果，也是导致侵蚀进一步发展的原因，是一个综合因素，它能够反映坡面侵蚀动态及各因子相互作用。地面三维激光扫描技术（Terrain Laser Scanner）作为一项新兴的地形测量方法得到了广泛的应用，其利用高速激光测量，可直接从实物进行快速的三维数据采集及模型重构（马立广，2005）。在水土保持领域，越来越多的学者将这种能够快速获取坡面地形数据的高新技术手段应用于土壤侵蚀监测和防治领域的研究，同时推动了土壤侵蚀监测技术朝着更加快速化、高精度化的趋势发展。三维激光扫描技术可快速获取扫描区域大量高程点，建立数字高程模型（Digital Elevation Model）分析地面形态的变化，观测坡面的侵蚀空间分布情况、细沟立体形态、土表微地形等，并可快速计算坡面侵蚀量。地表粗糙度（Soil Surface Roughness）即地表在比降梯度最大方向上凹凸不平的形态和起伏状况，具有空间异质性。地表粗糙度是反映微地形的定量指标。坡面土体在雨滴溅蚀和片蚀共同作用下会形成细小沟道，这些细沟内土壤颗粒为细沟股流所分离和搬运的过程称为细沟侵蚀。坡面细沟的产生标志着坡面主要侵蚀方式的改变，而且坡面水动力学特性及侵蚀动力都将随细沟的产生和发展状况发生本质改变，其搬运力和侵蚀力均远大于雨滴击溅和片状水流所具有的搬运力和侵蚀力。目前细沟侵蚀方面的研究较多关注细沟产生时的临界条件、水沙关系及影响因素、细沟发育过程及形态特征等方面。研究表明，坡面侵蚀形式一旦由面状侵蚀发展为细沟侵蚀，其侵蚀量会成倍或数十倍增长，可占坡面总侵蚀量的70%以上。然而，坡面细沟发育和分布在细沟侵蚀过程中表现出很强的随机性，如何准确表达和测量细沟在坡面发育的形态特征以及预测细沟侵蚀量是一大难题。作为坡面土壤侵蚀产物的输送通道，研究堆积体坡面发育过程及其与侵蚀产沙的关系具有重要的科学意义和现实意义。
1.2.3 土壤侵蚀防治理论与方法研究现状
堆积体土壤侵蚀的重要诱发因素之一是降雨，根系固坡机理研究对象涉及雨水、土体、根系，故土壤侵蚀防治理论与方法研究现状从降雨—土体—根系相互作用、含根土体水力学特性、含根土体力学模型谈起，分根系固坡国内研究现状与根系固坡国外研究现状。
根系固坡国内研究现状。降雨是影响有植物覆被堆积体稳定、诱导生态工程堆积体浅部失稳最普遍、最主要的环境诱发因素之一，尤其是浅层滑移最关键的诱发因素之一（蔡瑞卿，2016）；关于降雨触发生态工程堆积体浅层失稳，学者在雨水入渗侵蚀方面做了大量研究（张永杰，2012），发现降雨触发土壤侵蚀是降雨转化为土体水并与土体组成部分发生作用、改变土体物理力学特性、在一定地形地貌条件下发生的土壤侵蚀。土的工程性状与水是密不可分的，同一土体在不同含水率情况下其物理力学性能指标也会差别很大，特别是土体重度与土体基质吸力的改变，这也是降雨触发众多生态工程堆积体浅层土壤侵蚀的主要原因（郭颖，2013）。根据草本根系内部水分运输组织特征，植物根系属维管根系（通过木质部、韧皮部维管束组织运移水分），绝大部分水分是根系中根毛（根尖表皮土的毛状物）从土体中吸收的，以维持植物的碳及营养元素循环、水分平衡、能量平衡。狗牙根等草本植物须根系或直根系作为堆积体浅部土体组成部分，由于其生命活力（呼吸作用、蒸腾作用、光合作用）、根系材料本身的力学强度（抗拉强度）、生长根系形态特征，显著影响着土体物理力学性能，在改善土体强度方面成效显著，增大了堆积体地质体的各向异性（杜振东，2010）。雨水增大土体重度为堆积体植物生长提供水分，土体含蓄水源为堆积体植物生长提供源源不断的物质基础，根系吸收水分可提高堆积体土体基质吸力、改善土体强度（罗清井，2015）。土体水分蒸发量、根系吸水量影响土体吸力的变化（孔令伟，2012），这对于利用植物加固堆积体浅层有重要作用（徐宗恒，2017）；为了测量土体吸力、计算根系吸水量、利用根系吸水量预测土体吸力变化，有必要研究雨水—土体—根系之间的相互作用（毛伶俐，2007）。雨水、土体、根系之间的水分平衡是一个持续的动态系统（单炜，2012），在植物光合作用、呼吸作用、蒸腾作用等动力推动下，土体中部分水分进入大气环流，热气流上升、冷气流下沉形成降水，降雨到达坡面后转化为与堆积体稳定性相关的三类水：地表径流、土体水、地下水。土体水被植物根系吸收又回到植物的光合作用、呼吸作用、蒸腾作用上，由此形成雨水—土体—根系之间的水分动态平衡（戚国庆，2004）；不少岩土领域的学者、工程师对这种雨水、土体、根系的相互作用做了大量研究（宋云，2005），很多生态工程堆积体浅层失稳类土壤侵蚀都是由于雨水入渗改变了土体物理力学状态、正压力水头增加、负压力水头降低所致（吴宏伟，2017）。雨水—土体—根系彼此相互作用形成对植物覆被斜坡稳定性的影响因素，如图1-1所示。
图1-1 雨水—土体—根系彼此作用示意
陈晋龙（2015）以某垃圾填埋场生态恢复为例，通过现场试验场地建设、规划监测系统，含水量传感器、土体环境温度传感器、热传输张力计、高量程张力计、2100F张力计、供电系统、传输系统、采集系统布置方案，在自然条件下实地试验、测量了狗牙根覆被土体、香根草覆被土体、无植物覆被土体水分运移规律、土体吸力变化规律，对比、分析了针对狗牙根、香根草覆被的雨水—土体—根系相互作用特征。宋相兵（2014）选取了狗牙根护坡的河堤堆积体做了室外的双环入渗试验、室内的人工模拟降雨试验，分析了狗牙根护坡的坡面集水情况、入渗情况，认为狗牙根覆被的堆积体土体入渗率大于裸坡土体入渗率，原因是狗牙根改变了土体结构，使土体多出了不规则大孔隙，为水分优先流提供了入渗通道；研究了坡度、降雨对堆积体土体孔隙水运移规律的影响。王维早（2017）以王正塝第四纪含角砾、碎石、粉质黏土堆积体滑体为例，运用双环入渗试验研究了特大暴雨诱发平缓浅层滑坡的规律，通过室内试验与原位试验，根据土水特征曲线与饱和水力传导系数，获取了研究样地土体非饱和水力传导系数；通过实测值对Gardner土水曲线、Van Genuchten土水曲线、Fredlund-Xing土水曲线进行了验证，结果认为研究样地不均匀土体组成的滑体存在优势入渗通道、土的饱和渗透系数相差100倍的数量级，三种土水曲线函数均能较好地模拟研究样地土体的水力特性。解河海（2011）从水分、土体、根系的角度推导了大孔隙优先流土体的入渗函数模型，用水力学中达西定律模拟基质流区的水流入渗，用运动波方程结合优先流大孔隙的形状参数模拟大孔隙流区的水流流动，用质量守恒方程汇项反映基质中入渗流与大孔隙流之间的水量交换，通过土柱实验结合TDR探针模拟、记录土体含水率，结果显示所建立水流耦合入渗模型能够较好地反映土体底部排水出流线及土体含水量随时间的发展变化规律。
降雨对土体物理力学性质的改变，学者们多是从统计学的角度，以降雨强度、降雨持续时间、累计降雨量三项指标为切入点研究降雨型滑坡。降雨型滑坡中的浅层堆积体失稳直接原因是降雨诱发，本质上是土中水对降雨的响应，是非饱和土体中雨水的入渗、渗流，此环节不仅受降雨强度、降雨持续时间、累计降雨量等降雨特征因素影响，还受土体物质组成、根系、结构等因素影响。现有研究多是非饱和均质土体中孔隙水作用机理，常剔除根系对降雨入渗的影响。国内外有学者结合具体的地质体对不同地理区域的降雨强度与降雨持续时间进行统计，总结出了浅层滑坡发生时的降雨强度、降雨持续时间、累计降雨量之间的关系，不同作者得出的有一定适用范围的降雨参数与堆积体浅层滑坡失稳关系表达如表1-1所示（表1-1中各字母含义：i表示某次降雨事件的降雨强度值，D表示某次降雨事件的降雨持续时间，E表示某次降雨事件的累计降雨量值，h表示降雨事件小时时间单位）。
表1-1 降雨参数与浅层滑坡失稳关系表达
收集整理发现，针对堆积体浅层失稳的降雨特征指标统计分析有限，且主要集中在i-D关系上，浅层滑坡发生时的临界降雨指标是降雨强度和降雨持续时间（彭旭东，2015）。这些基于统计学角度的相互关系是基于区域性的观测结果，具有很强的时空变异性；而实践中经常遇到工程地质环境条件相似的斜坡在同一降雨条件下，有的斜坡失稳、有的稳定存在。对某一斜坡体的失稳，引发滑坡的降雨往往不全是强度最大的一次，或者雨量最大的一次，而是伴随着降雨事件在某一特定的演化阶段、特定时刻发生的突然破坏；如果用常规的极限平衡方法，较难获得理想的解释。
郑重、赵云胜等（2012）结合向家坡堆积体浅层滑坡案例，总结了降雨量与坡体位移之间的关系，运用尖点突变模型研究了该堆积体浅层失稳的破坏机理。许建聪（2005）应用尖点突变模型分析堆积体浅层失稳的机理，对降雨量与坡体位移量的关系拟合与郑重等学者一致。西北农林科技大学的张少妮（2015）从植物生长年限的角度分析了植物对土体雨水入渗过程的影响。巫锡勇（2005）提出经过稳定计算的生态工程堆积体土体多是具备自稳能力的，但曾强（2016）、张家明（2013）认为降雨条件下坡面有径流、坡体有大孔隙优先流，雨水下渗时其自稳能力会显著降低。唐正光（2013）、徐宗恒（2014）、沈水进（2011）、石晓春（2013）、沈辉（2012）就生态工程堆积体客土稳定性、降雨入渗优先流、降雨参数、坡体形态参数、土体参数建立了理论分析模型，认为短时间暴雨主要对渗透系数大、客土薄的生态工程堆积体破坏性更强，长时间小雨主要对渗透系数小、客土厚的生态工程堆积体破坏性更强，提出生态工程堆积体防护应结合降雨条件进行设计。王亮（2006）用试验土槽建立简便易操作的稳定渗流模型研究渗流对堆积体浅层稳定性的影响，监测有渗流、无渗流条件下不同坡度倾斜堆积体变形破坏，结果显示有渗流时倾斜堆积体稳定性受到严重扰动。傅鹤林等（2009）在现场进行人工降雨与开挖模拟实验，研究了雨水入渗、开挖切土情况下堆积体的破坏模式，认为生态工程堆积体浅层破坏是雨水入渗增大了土体孔隙水压力、软化了土体。黄涛（2004）建立固体废弃物堆积体模型，研究三维生态网护坡技术；龙辉（2002）用压力盒测量滑动推力室内渗流试验的方式模拟降雨条件下的堆积体变形破坏；刘世波（2014）研究了在后缘充水、坡面降雨、前缘涨水情况下水量与堆积体变形的关系；李永辉（2017）用累计入渗量评价堆积体稳定性，得出降雨条件下此类堆积体变形经历初始吸水阶段—中期变形增长阶段—降雨后期变形迅速增长阶段—停雨后期变形稳定阶段的破坏规律；豆红强（2015）认为三维网生态护坡中网垫类型、坡体特征、草籽密度影响着雨水入渗侵蚀强弱；李文广（2004）认为入渗量大且快时堆积体更易破坏，提出固体废弃物堆积体坡面植草加浆砌片石处理的护坡措施。
罗先启（2005）建立大型室内生态工程堆积体试验仿真系统，通过人工支配降雨系统设备、多个物理指标量的测验系统、无接触变形量测验系统等先进技术研究生态工程堆积体中雨水—土体—根系相互作用规律；林鸿州（2009）推导低含水率时引发的土体拉裂，大、高含水率诱发的部分或整个坡体破坏，认为降雨诱发堆积体失稳可能是小含水量引起的拉裂破坏转化为大含水量诱发的整体破坏。根据赵娇娜（2012）、张少妮（2015）对非饱和堆积体土体水力学特性的研究成果，非饱和土水力传导系数及含水率与堆积体土体吸力成反比；非饱和土总吸力sT、非饱和土体渗透系数k（s）可表示为式（1-1）。式（1-1）表明土体总吸力由土体s与根系渗透吸力两部分组成，植物蒸腾作用是非饱和土体基质吸力的重要组成部分。
式（1-1）中，R为气体常数，T为温度，υW0为水的密度的倒数，ωV为水的摩尔质量，uV为堆积体土体中水头弯液面土方的部分蒸气压力值（张久龙，2012），uV1为同一堆积体土体中水头在较大容器中液面土方的部分蒸气压力值，uV0为环境温度相同时纯水水面土方饱和蒸气压力值，s为土体基质吸力，b=ln（106），ks为饱和渗透系数，y为关于吸力积分的虚拟变量，θ′为θ的导数。
很多试验结果表明，植物影响着土体持水能力、渗透系数、基质吸力（张伟伟，2017），植物根系既可有效降低土体入渗速率，又能提高土体持水能力（李家春，2004）。堆积体土体持水能力是做稳定性评价时要重点分析考虑的特性（高朝侠，2014）。在研究样地植物堆积体稳定性评价分析中，考虑植物根系对堆积体土体持水能力影响的含根土体持水能力曲线模型，帮助分析降雨事件整个过程中植物堆积体土体基质吸力变化，进而更合理地分析植物根系加固堆积体作用机理（盛丰，2015）。根据吴宏伟（2017）提出的用根系体积比（RV）表达的含根土体孔隙比概念（植物根系占据土体孔隙孔体积的概念），结合土体三相组成草图，含根土的孔隙比er可以表示为式（1-2）；土水特征曲线表征的是含水率与基质吸力关系的函数模型，为了模拟含根系土体的持水能力，在已知研究样地素土试样土水特征曲线、植物根系体积比RV的基础上，引入Gallipoli D.等（2003）提出的用含根土体孔隙比er表达的土水特征函数模型如式（1-3）所示；结合含根土的含水率、孔隙率、饱和度三项比例指标换算关系对式（1-3）做进一步调整如式（1-4）所示，应用式（1-4）拟合研究样地植物堆积体土体的持水能力曲线，进而更科学地分析植物堆积体的稳定性。
式（1-2）、式（1-3）、式（1-4）中，er为含根系土孔隙比；e0为素土孔隙比；RV为根系体积比；Sr为土体饱和度（%）；θw为降雨入渗情况下传导区土体体积含水率（%）；n为孔隙率（%）；sg为含根土体吸力（kPa）；m1、m2、m3、m4是无量纲参数，m1、m2控制着含根系土体持水能力曲线的基本形状且m2>1，m3、m4与进气值相关。
赵冰琴（2017）做裸坡素土试样水力特性试验，翟文光（2016）用改进的Gardner非饱和土体土水特征模型拟合试验数据。在此基础上，结合Gallipoli D.等（2003）提出的含根土体孔隙比er表达的土水特征曲线模型拟合植物含根土体水力特性试验数据；与素土试样做对比，分析植物根系对堆积体土体水力特性的影响，并获取相应参数（毕港，2012）。土体压实度与根系生长阻力成正比，与土体持水能力、渗透系数成反比，影响着植物的生长与土体吸力变化；找到既能有利于植物生长，又能满足工程需要的最优压实度对增强堆积体浅层稳定、控制雨水入渗侵蚀有重要意义（吴宏伟，2017）。李宁（2012）认为GA模型用于有积水的入渗情况，ML模型则更好地反映了降雨过程中有积水的入渗情况，但未考虑雨强小于堆积体土体饱和水力传导系数时的情况，或由于堆积体坡度坡面无积水的情况。
除模型、理论、试验研究外，采用何种监测技术研究土体水力学特性也较为关键（郑志均，2014）。王华（2010）选取残积土堆积的堆积体或河堤或实验场地堆积体为研究对象，埋设各类监测传感器。左自波（2013）现场或室内监测孔隙水压力、含水率数据变化，研究含根土体水力学特性。朱小利（2009）认为高强度降雨产生冲蚀破坏、低强度降雨产生滑坡，存在门槛集聚降雨量，其提出用集聚降雨量评估土壤侵蚀等级及进行灾害预报；王福恒（2009）做了室内人工降雨装置和土工模型，用钢尺测量堆积体模型裸露侧面湿润锋锋面位置，用高精度土体水分测定仪测量含水率，发现入渗率和压实度成反比、与降雨强度关系不大，湿润锋锋面随降雨持续向下阶梯状延伸发展。李焕强（2009）对不同地形地貌形态堆积体模型进行试验，用光纤设备、传感技术获取含水率变化，得出降雨对小坡角堆积体水力特性影响大、对变形影响小，降雨对大坡角堆积体水力特性影响小、对变形影响大的结论。这些新的监测技术、室内试验模型更有利于深入研究降雨诱发生态工程堆积体浅层破坏机理。根据先前学者（侯龙，2012）对非饱和土体力学模型的研究成果，基质吸力既可增强土体抗剪强度，又可提高土体剪胀性，冯国建（2015）认为堆积体土体自身抗剪强度的增强能有效控制降雨水力侵蚀，增强堆积体自身稳定性。考虑土体基质吸力的非饱和无根土抗剪强度可表达为式（1-5）：
式（1-5）中，c′为土体有效黏聚力部分，（σn-ua）为土体有效法向应力部分，θ为自然状态下土体体积含水率，（ua-uW）为土体基质吸力部分，θs为饱和体积含水率，φ′为土体有效内摩擦角，θr为残存体积含水率。
周云艳等（2010）将草本植物根系形态分为3类：主直根型、散生根型、水平根型。散生根型以根茎为中心向四面八方辐射状发育生长。王元战等（2015）开展含根量对土体强度影响的试验研究，通过对比含根系原状土与含一定质量根系重塑土的固结排水三轴试验，得出当室内重塑的含根土根系含量是自然状态根土体根系含量的4～6倍时，室内重塑根土体试样与自然状态根土试样破坏强度相等的结论。嵇晓雷（2013）对护坡植物做了调查，认为植物根系为直径0.5mm左右的数量众多的直径差别不大的须根根系，其根系生长范围内与土体交织形成网状，土体被根系穿插缠绕，板结成含根土体，做不同根系形态的固结不排水三轴剪切试验，得出根系形态不同时对土体抗剪强度的改善也是不同的结论。
目前在岩土工程堆积体防护设计中少有从工程角度综合考虑根系作用的，主要是对根系护坡机理认识不够深刻（温智，2013）；根系在堆积体土体中的加筋模型有待完善（汤明高，2016）；根系一方面通过自身力学强度改善堆积体浅层稳定性，另一方面从植物蒸腾作用、根系吸水角度改善堆积体土体水力学特性，进而提高堆积体土体强度（齐丹，2016）。从草本植物类须根根系固坡力学模型角度分析，周正军（2011）、史炜（2013）认为植物护坡工程中，植物根系与堆积体土体可视为根土复合的一个整体，而陈春晖（2012）认为根系可视为加筋材料，在有外荷载作用时协同受力并协调变形；大量测验、分析、研究显示，有生命活力的根系能增添土体整体性、增进土体抗剪强度（张锋，2010），土体与根系协同受力、协调变形的特性对于增长生态工程堆积体浅层稳定性具有重要意义（马强，2017）。目前，主要有摩擦加筋原理与准黏聚力原理两种理论观点揭示含须根根系土体力学强度特性机理规律（邓华锋，2013）；植物根系固土的加筋机理主要反映在根系能增添含根土体的抗剪强度参数，对抗剪强度参数中黏聚力的增长尤为显著（于士程，2015）；相对于裸坡，生态工程堆积体中含根土体黏聚力的增长加强了土体强度，提高了生态工程堆积体抵抗降雨或其他外荷载的能力，稳定性显著提高（刘昌义，2017）；虽然国内学者注意到草本植物须根类根系力学加筋作用对堆积体土体强度的提高及对土体各向异性改善的固坡效应，但具体研究报道却不多见（吴宏伟，2015）。关于土体基质吸力与土体抗剪强度参数关系方面，蒋必凤（2017）认为抗剪强度参数随基质吸力的变化而变化，丁自伟（2017）认为抗剪强度指标与土体吸力关系曲线在一定区间近似为直线，王秀菊（2016）提出用改进的莫尔库伦破坏准则描述非饱和土抗剪强度。
生态护坡的新工法、新技术多种多样，有草本植物型多孔混凝土技术、公路堆积体喷射草本植物种子法、纤维土绿化工法、高次团粒绿化工法、生态混凝土技术（李辉，2013）。对于植物根系形态的护坡机理，陈洪凯（2015）从加筋土、锚固理论等工程力学角度开展了大量试验研究；何玉琼（2013）在根系植物学领域的植物护坡水土保持方面做了大量理论研究，指出根系形态就是对土体强度产生影响的重要因素之一。
生态工程堆积体数值模拟与试验方面。生态工程堆积体中根系使土中应力场发生变化，应力变化使堆积体土体非均质性更进一步（姜伟，2007）；含根土体属各向异性材料，涉及水、土、根系彼此作用，应力应变关联复杂（胡其志，2010）。有限元法是在分割近似原理基础上，将复杂的连续的块体离散为有限个几何形状简单的单元作为块体的等效域，以各单元节点处位移或应力为变量建立平衡方程组，求解方程组获取各单元节点上的应变或应力值，计算结果精度取决于网格划分细度（格日乐，2014）；可用于分析土体内部位移和应力分布、指定区域参数、边界条件并求解相应的稳定性系数，配合计算机绘图可将计算的堆积体土体应力应变结果用图形准确、清晰且形象地表现出来（刘果果，2016）。应用有限元分析含根土体堆积体的关键点是分析计算模式（刘兴宁，2014）。常用分析计算模式有四类：第一类是根土分离，忽略根系与土体的相对错动，假定根土之间能自动变形协调，但模型复杂、不易计算（简文星，2017）；第二类是将草本植物须根根系视作外来荷载施加在划分好的土体单元上（丁金华，2014）；第三类是在土体与根系之间设接触单元，将接触单元、土体单元、根系单元视作有机统一体（薛方，2010）；第四类是将含根土体视为均值材料，设定根系与土体之间的力学模型，模型虽简化，但不能反映分析形态、根土复杂的相互作用，需引入修正参数（陈昌富，2008）。此外，研究人员冯刚（2011）、范秋雁（2007）在堆积体渗流场变化、堆积体稳定方面做了大量工作；许建聪（2005）用有限元软件结合实测的数据模拟了降雨入渗条件下基质吸力与含水率动态变化规律；杨有海（2004）从多学科交叉的角度，将电荷守恒定律、质量守恒定律与非饱和土力学相结合取用有限元做分析；卢坤林（2012）推导多场耦合条件下生态工程堆积体稳定性计算模型；李明（2010）先做离心模型试验，再用数值模拟验证；甘建军（2014）用数值模拟做大变形堆积体稳定性研究。
根系固坡国外研究现状。Buczko U.（2007）研究了降雨和气温变化对含根土涵养水分的影响，为了阐述土体拒水率的年际变化，对欧洲中部气候条件下土体水分与前期降雨和采样点前温度之间的关系做了分析，认为根土体涵水与季节变化息息相关。Butler A. J.（2010）估算了降雨时生态工程堆积体坡面与坡体水分的交换量与交换面积的换算。Caine N.（1980）分析了一定降雨强度下堆积体浅层失稳滑动向泥石流转换的时间控制，通过查阅文献，编制了降雨诱发浅层滑坡、泥石流事故数据库，建立了降雨参数与浅层滑坡泥石流的最低强度关系，认为浅层堆积体破坏随降雨持续时间（10min～35d）线性减小，确定了浅层滑坡和泥石流可能引发的最小识别值，并得到了阈值曲线。Crosta G. B.（2001）对触发泥石流和滑坡的降雨阈值进行了研究。Guzzetti F.（2007）调查、统计、分析了中欧和南欧引发山体浅层滑坡的降雨阈值。Jakob M.（2003）研究了哥伦比亚省温哥华北边山区浅层滑坡发生的降雨量阈值，收集了18场暴雨数据，将触发因素与非诱发因素进行区分，选择有意义的变量，提出了一种将前期降雨与径流数据结合起来的方法，开发了触发函数判别函数。Zhan L. T.（2007）研究了降雨条件下有草植物非饱和膨胀土堆积体的雨水入渗规律，沿堆积体深度方向测量了降雨雨水入渗特征及相应的正的孔隙水压力，比较了有草植物堆积体与裸坡的入渗速率，非饱和膨胀土裂隙发育情况是影响雨水入渗的重要因素。Stuart Mead（2016）研究了强降雨诱发泥石流时，引用浅层滑坡计算模型与坡面入渗侵蚀模型的可行性，并对两种模型做了对比分析。
Stokes A.（2009）从理想根系形态角度对保护自然环境与防治滑坡做了深入研究，讨论了堆积体失稳蠕动与根系质量、根系分布形状、根系发育的关系，分析了气象环境、根系直径、长度、生长方向是如何改变堆积体土体固有环境与性状的，认为须根系在堆积体失稳时起到重要作用。Vna Beek L. P. H.（2004）通过生态工程评价，讨论了根系固坡效应与水文地质条件下堆积体稳定的相对重要性。Zhu H.（2015）研究了考虑植物蒸腾作用的生态工程堆积体土体吸力评价，以中国香港地区植物堆积体为例，认为土体水分变化会导致土体吸力变化、土体抗剪强度变化、影响堆积体稳定性，了解堆积体根系吸水是至关重要的，而根系吸水与植物特性有关，存在不确定性；采用修正的非饱和介质水流动方程，引入植物汇项，研究降雨前堆积体干燥过程对降雨后堆积体土体吸力的影响，提出均匀形根系分布、三角形根系分布结构能够反映根系对土体水分的吸收。分析结果显示，蒸腾速率相同时，不同根系形态的保水能力区别不大，入渗速率低时蒸腾速率变异系数越高，干燥时间越长，植物对堆积体土体吸力的影响范围越广，干燥2d的生态工程堆积体安全系数显著提高。Pollen-Bankhead N.（2010）以河岸堆积体为研究对象，研究根系交织的土体水文、水力学特性对河岸堆积体稳定性的影响；对河岸堆积体不同植物蒸腾作用做试验，用张力监测计测定30cm和70cm深度土体吸力，估算出基质吸力与黏聚力定量关系，讨论了季节变化对基质吸力的影响，总结出岸坡抗冲刷能力与根体积成正比，量化了草本植物须根根系与直根根系存在对河岸生态工程堆积体安全系数潜移默化的影响。
Aravena J. E.（2011）运用X射线成像技术与数值模拟方法研究了含根土体在受压时的水力学特性及根系对含根土体水力特性的影响，用X射线显示土颗粒间接触的演变及其对部分饱和条件下集料之间水流的影响，发现根系会引起土体团聚体之间接触面积增大、土体密实度增加，导致根系附近非饱和土体导水率增加。Alejandro Gonzalez-Ollauri（2017）研究了含根土体对不同水文条件的响应。Brodersen C. R.（2010）利用高分辨率计算机成像技术研究了水分在根系中的运移规律，发现水分在根系内运移存在栓塞效应，如不能导流会导致植物枯萎，对护坡植物的养护很重要。Gardner W. R.（1958）推导了水分在非饱和土中运移的稳态解及其在土体—植物—大气相互作用中的应用。Garg A.（2015）对有七叶草生长的堆积体，比较了植物蒸腾作用、水分在根系—土体之间的运移对堆积体土体基质吸力的影响。探讨了蒸腾与蒸发对土体吸力增量的贡献；用叶面积指数与根表面积指数反映植物对土体基质吸力的影响。Segal E.（2008）利用MRI技术研究根系土根毛吸水特性及其对土体水力学特性的影响，得出如下结论，根毛主要通过毛尖区域吸水，垂直于根表面的根毛生长能扩大根有效吸水直径、增加根系吸水量，根毛生长增加动态水头、进一步加大根系吸水效率。Ning Lu（2008）认为基质吸力是应力变量，并进行了专门讨论。
Mickovski S. B.（2011）做了根土试样与无根土试样的直剪试验有限元数值模拟，利用有限元软件对根土复合试样直剪试验进行了二维和三维有限元模拟，采用根形态、根系强度参数简化模型，对根土体与无根土体强度关系进行了建模，假设根系为线弹性材料、土体为塑性材料。结果显示，根土体强度取决于土体与根系的材料特征，无根土二维与三维模拟结果差别不大，有根土三维模拟结果与二维模拟结果差别较大，三维模拟较好地反映了根系分布形态。Lin D. G.（2010）以生长马基诺竹的堆积体为调查对象，对堆积体含根土体做了直剪试验与三维数值研究，分析了根系对土体强度与堆积体稳定性的影响。Fang Hui-min（2016）从土地耕作能量输入的角度做了秸秆土的室内重塑土直剪试验，认为大量遗留在田间的水稻秆或小麦秆会增加土体有机碳存储、减少土体侵蚀，且可显著改变土体抗剪强度，发现含秸秆土黏聚力与内摩擦角有较高相关性；秸秆含水量对秸秆强度有显著影响，且秸秆含水量存在最优值。Rahardjo H.（2008）做了非均质、颗粒直径差别较大土体的直剪试验，分析了粗粒材料对土体水力特性与抗剪强度的影响。Hossain M. A.（2010）做了花岗岩风化形成的不饱和土体的抗剪强度试验与该类土的膨胀性试验，拿获得的试验数据与土水抗拉曲线（土体基质吸力模型）比较，对强度参数进行了修正，发现试验数据略高于模型分析结果。Mingjing Jiang（2014）用室内试验分析了天然黄土与重塑黄土的结构特征。Yinghao Huang（2011）研究了固化与重塑固化材料的力学行为变化规律。
国外学者Lu Ning（2008）认为基质吸力是状态变量，吸应力更能表征非饱和土体基质吸力对土体强度的贡献；Zhu H.（2015）研发了便携式测量脱湿与吸湿过程中土水特征曲线、水力传导曲线的室内试验设备；Tatizana C.（1987）开发了远程水力特征参数数据采集系统及数据后处理软件Hydrus-TRIM，根据实地监测数据、结合基质吸力理论，成功预测了研究点非饱和土坡浅层滑动的发生。
Hong-Hu Zhu（2015）在室内制作生态工程堆积体模型，在堆积体中埋入光纤监测网，结合计算机控制技术，模拟分析含根土体堆积体变形破坏演化全过程。Indraratna B.（2006）做了根系基质吸力效应的数值分析，结果显示，根系能显著提高非饱和土体基质吸力、土体抗剪强度，抑制堆积体土体移动。Xi Chen（2014）探讨了用三维有限元分析的大型生态工程堆积体稳定性二次网格搜索方案，为了改进有限元法抗剪强度折减的安全系数搜索方案，从统计角度提出了二分法搜索算法，以减少不收敛的可能性，同时也提出了一种新的以粗网格搜索和细网格搜索为特征的双网格搜索算法；通过对堆积体的三维排水、不排水进行分析，发现其所提新算法有明显优势。Nyambayo V. P.（2010）做基于根系吸水的植物蒸腾数值模拟，数值模拟考虑地表径流、地下水的提取，认为根系是涉及大气、植物、土体相互作用的复杂过程，要想准确预测植物对土体孔隙水压力的影响，需要建立流体流动连续方程，且模拟植物蒸腾过程的算法。
Jun-Fan Yan（2015）提出了定量的基于DTS堆积体的渗流监测技术；为在渗流监测中提高测量灵敏度和准确性，学者介绍了一种新型渗流速率分布式测温系统，设计并制作了碳纤维电缆，提出了一种特征温度，设计并进行了一次试验，验证了该技术在定量测量渗流速率方面的可行性，结果表明该技术与渗流速率之间具有良好的线性关系。Xiao Jin Jiang（2017）以东北农业基地为调查研究对象，研究了残存在土体中的塑料薄膜对土体物理力学性质的影响、对土体中水分渗流路径及其他特性的影响。L. Z. Wu（2017）用室内模型模拟了降雨诱发黄土堆积体破坏的室内特征，利用激光扫描仪观察黄土滑坡变形破坏特征，对降雨入渗引起的黄土堆积体非饱和渗流进行了数值分析，确定了降雨入渗与黄土堆积体稳定之间的关系。Leung A. K.（2015）分析了苏铁与七叶草两种植物根系对堆积体入渗率和导水率的影响，认为入渗率与导水率是植物护坡稳定性计算的两个重要参数，做了双环入渗试验，与裸坡相比，有植物堆积体土体保持了至少50%的吸力，证明了根系吸水对土体基质吸力的影响。另外，在土体基质吸力作用下，植物根系堵塞了土体孔隙，使得土体吸力随含水率增大而降低的响应滞后；在潮湿条件下进行试验时，由于蒸腾率<0.2mm/d，草本植物与灌木植物覆被的土体的入渗率、导水率、吸力差异量小于10%，没有显著区别。Sonnenberg R.（2010，2011）做了含根系土的离心机试验模拟，通过试验揭示了根的轴向应变与弯曲应变调动机理、根对堆积体破坏机理的影响，量化了不同根系形态提供的加固量，与常用根系加筋模型进行了比较，提出了考虑根系抗拔的加固计算方法。
Liu C.（2009）研究了生态工程堆积体浅层滑动的渐进破坏机理。Fan C. C.（2012）提出了基于应变控制模式的含根土体抗剪强度模型，模型考虑了根系生长方向、根系性质及根系在土体中的剪切变形，将预测结果与现场剪切试验数据进行比较，认为所提含根土体抗剪强度模型能应用于实践。Zhan T. L.（2013）推导了降雨条件下非饱和无限堆积体雨水入渗模型，分析了该模型在堆积体稳定性分析中的应用。Andriola P.（2009）对意大利南部火山碎屑岩类矿山堆积体做了分析，讨论了考虑根系作用的堆积体稳定性计算模型，并与半定量的经验方法做了比较。Baum R. L.（2005）对西雅图与埃弗雷特之间铁路段的填土生态工程堆积体稳定性做了预警研究。Danjon F.（2008）研究了似根系的三维结构模型在堆积体浅层防护中的应用。Guillermo Tardio（2015）探讨了如何用含根土体协同变形模型评价生态工程堆积体稳定性。Wu T. H.（1979）研究了阿拉斯加威尔士王子岛的根系强度与山体滑坡强度，阐述了根系对滑坡的影响；通过室内试验、现场试验，研究了退耕还林前后堆积体的稳定性，测定了坡体的孔隙水压力和抗剪强度，建立了土体—根系系统模型，评价了给根系对抗剪强度的贡献，计算所得安全系数与堆积体失稳观测结果基本一致。Yu-peng C. A.（2014）提出了一种堆积黏性土坡大变形时的非线性固结参数法。Shi X. S.（2016）建立了含混合物重塑黏土的压缩行为模型。Yong-Le Chen（2017）调查了中国西北沙漠区域植物分布特征及植物根系分布特征，研究了根系与砂土的变形协调机理。Schwarz M.（2010）以意大利托斯卡纳生态工程堆积体为例，研究了植物在堆积体稳定性分析中的作用，并对植物的固坡作用进行了量化；作者提出了生态工程堆积体浅层稳定性分析的机械稳定性标准反分析，侧重量化根系的横向加固作用，用纤维束模型对不同根系形态和力学性能的根束应力—应变行为进行量化，这种模型能够量化根系加筋位移行为，模型精度取决于根系倾斜度、土体力学特性、根系形态等参数。Romano N.（2011）研究了季节变化情况下土体—植物—大气相互作用模型参数的确定问题。Rong-jian L. I.（2014）分析了黄土的结构特征，提出了含裂隙黄土强度的节点强度公式初步框架。Tony L. T. Zhan（2013）对降雨条件下非饱和无限土坡降雨入渗模型进行了推导，并验证了其在堆积体稳定性分析中的应用，证明了所提模型对低进气值粗土是可用的，该分析方法考虑了水的影响；建立模型进行了一系列参数分析，结果显示颗粒较粗的残积土坡由低渗透层覆盖时，堆积体将受到连续的破坏。Naser A. Al-Shayea（2001）研究了黏粒含量与含水量耦合作用下对非饱和黄土性能的影响，结果显示黏粒含量与含水率对土体强度的影响是综合的，黏粒含量主要是影响导水率与溶胀势；对于黏质砂土，当黏粒含量达到40%时导水率急剧下降，超过40%后降低缓慢许多，土体黏聚能力随含水量的增长而增进，但存在限值。
Rees S. W.（2012）探讨了根系吸水对土中水的诱导及其对堆积体稳定性的影响，以灌木类根系附近水分迁移模式、堆积体稳定性，建立了包含汇项的非饱和水流动数值模型，纳入土体基质吸力分析堆积体稳定性，采用有限元法求解水分传递方程，所得根系吸水预测结果得到了验证，与实测数据吻合较好；结果显示，根系吸水把堆积体安全系数提高了约8%。Gallipoli D.（2003）做了非饱和土饱和度变化的模拟，实验数据采集涉及恒定吸力作用下润湿、各向同性加载和卸载、恒定吸力剪切、恒定含水量剪切等多种应力路径；考虑孔隙率变化的影响，结合弹塑性应力—应变模型提出了可以表示饱和程度不可逆变化与剪切引起饱和度变化的非饱和土饱和度变化的一种改进关系。
Chen X. W.（2015）基于生物炭应用于填埋场的可行性，对生态平衡与堆积体浅层稳定性进行了研究，认为生物炭能有效促进植物持续生长。Flora T. Y. Leung（2015）选取中国香港地区堆积体土代表性植物，分析了根系对斜坡稳定性的影响。Galloway J. N.（2008）综述了碳在土体与植物之间循环转换的问题、新特性和可能解决的方法。Ghestem M.（2011）分析了植物根系对土中水与堆积体稳定性的影响。Giovanni B. Chirico（2013）分析了植物对瞬态非饱和条件下堆积体稳定性的影响。Maurel C.（2008）研究了植物根系水分运移的多条膜通道功能，探究了植物蒸腾作用、根系吸水、矿物质运移的作用机理，膜通道功能影响着植物的生长与水分吸收；Mcelrone A. J.（2013）研究了根系吸水和水分在植物体内的运移、蒸腾作用；Yuze Wang（2016）提出了一种黄土改良的膨润土截流墙处铅与水分的吸附与迁移规律。Wheeler T. D.（2008）研究了在负压力水头情况下合成树的蒸腾作用机理。White P. J.（2010）综述了绿色可持续发展背景下植物生长营养元素的搭配方案；Wong C. C.（2007）在温室内研究了铅—锌污染土体中种植香根草的菌根作用，结果显示接种AMF可保护香根草免受铅锌危害，保护程度取决于真菌和香根草组合情况，讨论了AMF在铅锌污染土体中结合植物的修复潜力。Wong J. T. F.（2015）研究了填埋场覆盖材料中活性炭改良土体透气性。Taylor N. G.（2008）分析了植物纤维素合成的生物工程及其沉积过程。Saha S.（2008）将植物生长与人口数量相结合，从降雨、季节、根系吸水影响深度的角度研究了佛罗里达州灌木丛生态工程堆积体中土体水分与植物体内水势、叶片面积、气孔导度、植物存活率之间的相互关系。
N. R. Duckett（2014）研究了含根土体堆积体稳定性预测工具，将研制工具成功应用于根土相互作用，准确预测了根土体变形过程中根系轴向或侧向位移，发现黏聚因子对土体抗剪强度贡献更明显，不同的根系横截面面积具有不同的抗剪强度，根弯曲承载力在确定其补强潜力时具有重要意义。Normaniza Osman（2006）研究了预测生态工程堆积体稳定性的参数：土体水分和根系形体；对马来西亚一高速公路沿线5个不同坡度生态工程堆积体进行了调查，分析植物对堆积体稳定性的影响，结果显示植物密度高、根长密度高的堆积体稳定性最好。根系形态与剪切强度正相关，含水率与土体抗剪强度、含水率与土体透水能力均负相关。
Preti F.（2010）开展了水文、土体学、植物特征、根系形态特征信息提取的生态工程堆积体工程评估，该方法是分析性的，被成功应用于意大利中部两个案例研究，适用于易于获得数据的生态工程堆积体工程，无须校对；根表面积、根系分布深度作为根系函数参数，对坡面生态系统恢复与土体非破坏性分析有一定参考价值。Resat Ulusay（2014）以土耳其褐煤露天开采形成的矿坑堆积体为研究对象，从水文地质角度分析了矿坑类堆积体稳定性岩土工程综合评价；根据先前的实验室数据与分析，作者开展了为期两年的岩土水文地质勘查项目，在现有矿井和矿区范围内进行岩土工程和水文地质调查，结果显示，坑坡稳定性对多平面破坏是敏感的，煤层承压水是影响矿坑稳定的不利因素。L. Lu（2015）分析了地震情况下地下水对堆积体浅层稳定性的影响。
植物根系固土强度试验研究。试验研究植物根系固土强度，已引起众多学者的关注。有的学者用室内土工试验研究含根土体抗剪强度，如刘小燕等（2013）对根土复合体做室内直剪试验，认为根系可提高土体黏聚力；王元战等（2015）开展含根量对土体强度影响的三轴试验研究；程鹏等（2016）做了植物根系固土原理的力学试验研究，建立了香根草根系直径与抗拉强度的关系式；张伟伟等（2017）对植物根系固土护堤功能进行了研究，通过对含根土抗剪强度的测定，发现含根土抗剪强度与根系含量正相关；N. R. Duckett（2014）通过直剪试验发现黏聚因子对土体抗剪强度贡献更明显；Kamchoom V.等（2014）阐述了一套能够体现植物蒸腾作用与根系形态特征的新型植物根系模型离心机拔出试验。有的学者通过原位测试分析植物根系对土体强度的影响，如Leung A. K.等（2015）做双环入渗试验，分析了苏铁与七叶草两种植物根系对堆积体入渗率和导水率的影响；陈晋龙（2015）通过建设的试验场地，测量狗牙根覆被、香根草覆被、无覆被土体水分运移，研究狗牙根、香根草覆被的雨水—土体—根系相互作用特征。这些室内试验与原位测试研究都认为植物根系可以改善土体强度，但忽略了试验数据的优化处理。
根系形态特征、土体基质吸力也是影响根系固土强度的重要因素。在这方面，李珍玉等（2017）通过全断面开挖法研究根系在土体中分布形态，结果显示根系朝向坡脚方向生长，根系分布范围沿土层深度方向呈先增大后减小趋势；任柯（2018）结合植物根系生长原则及拓扑优化理论，提出用分形理论的L系统模拟根系，并以黑麦草根土复合体为例做了模拟验证，认为植物根系主要起到加筋作用；Giovanni B. Chirico等（2013）研究根土相互作用，分析土壤水文条件与气候环境对根系生长形态的影响，研究植物根系对瞬态非饱和土体力学特性的影响，预测根系吸水对土体基质吸力的影响；NG C. W. W.等（2013）研究了植物根系吸水对土体基质吸力大小与分布深度的影响，认为植物茎叶部分与土体基质吸力之间不存在直接关系；Alejandro Gonzalez-Ollauri等（2017）研究不同水文条件对含根土体强度的影响，提出了一种根土复合体吸力函数，认为存在最佳含水量使得根系有最佳固土效果，但这个理论预测与试验结论间存在偏差。学者们围绕植物根系固土强度试验研究做了大量工作，但鲜有做根土复合体试样干湿循环动三轴试验研究的，这方面仍有待完善。
植物根系固土量化模型研究。植物根系固土模型是量化、评估根系固土效果的科学方法。Wu T. H.等（1979）从力学平衡角度建立了垂直根系的固土模型，认为根系固土的实质是根系增加了土壤抗剪强度。Fan C.（2012）从剪切位移表示根系变形模式的角度建立了较粗根系的固土模型，认为不同变形模式的根系对土体强度的贡献量是有区别的。Pollen N.等（2005）假设所有根系具有相同弹性，从根系渐进破坏角度建立根系固土模型，认为根系固土过程是荷载不断重新分配的动态过程。Schwarz M.等（2012）建立根系固土模型综合考虑根系直径、长度、弯曲、分支、抗拉强度及土的含水量、根土摩擦，认为根系拔出力是位移的函数。Jagath C. Ekanayake等（1999）从能量法角度、基于抗剪试验应力—应变关系曲线建立根系固土模型，通过计算根土复合体与素土体抗剪能量差量化根系固土能力。田佳等（2015）总结了植物根系固土理论模型与数值模型近40年的研究成果。传统根系固土模型从工程力学角度做了大量研究工作，但对根系固土模型中参数取值的精度考虑不足，模拟值与工程实践出入较大。本书梳理现有广泛应用的根系固土模型，并做对比分析（见表1-2）。
表1-2 根系固土模型对比
综上国内外研究现状，先前学者的研究涉及降雨与生态工程堆积体稳定关系研究、非饱和土体水力学特性研究、基质吸力与堆积体土体强度关系研究、根系强度及根系形态研究、根土复合特性研究、降雨条件下堆积体稳定的室外监测与室内模型试验研究、有限元数值分析研究，在岩土体水致劣化、植物根系固土强度、试验及模型方面做了大量工作，这些研究成果显示：在降雨入渗侵蚀分析方面，对堆积体植物，特别是植物根系与降雨入渗相互作用机理研究较少，植物对降低雨水入渗侵蚀的贡献量研究较少。表面上看，生态防护中植物根系在雨水入渗引起坡体滑移的贡献量是微不足道的，但生态工程堆积体浅层滑动的发生应该是降雨特征、坡体特征、土体特征、植物特征相互综合作用的结果，因此雨水—土体—根系相互作用及植物对堆积体稳定的间接作用还是有研究价值的，这些研究成果为本书撰写提供了理论依据与思路。笔者初步认为：将岩土体水致劣化与植物根系固土相耦合，做考虑根系形态特征的根系固土能力量化模型研究，可能是利用植物根系固土护坡科学化、合理化的关键。如果能够进一步证实这一设想，合理认识植物根系固土能力，将会为科学防治堆积体土壤侵蚀提供一个新思路，助推生态宜居城乡建设。