在国家“双碳”战略和山水林田湖草沙综合治理的背景下，水土保持措施将不仅以保护水土为单一的指标，其碳汇效益与综合的生态修复效益也被提到更加重要的地位，水土保持的植物措施的作用进一步凸显。在水土保持植物措施的实施过程中，植物的遴选是实施效益的核心影响因素，而所选植物多久能对土壤发挥效益是需要重点考虑的问题。

通常认为，植物的固土效果主要通过植物根系的机械加固作用，根系可以通过机械加筋作用和对土壤本身结构的改变提高土壤的抗剪能力，进而提高边坡稳定性^[1]，而植物根系的抗拉强度特性被证明对根系的固土效果具有十分重要的影响^[2]。根系抗拉强度是根系重要的力学指标，对植物根系的机械固土效果具有重要的影响，而通过对不同植物根系的抗拉强度测试发现，根系的抗拉强度存在较大差异^[3]。根系的抗拉强度受到根系含水量、化学组成^[4]和微观结构等众多因素的影响，但对根系抗拉强度影响最大的因素为植物种^[5]和根系直径，大量研究证实植物根系的抗拉强度与根系直径间存在负幂函数关系^[6]。因此在植物根系的固土研究中，应将植物根系的抗拉特性与根系直径相结合，才能对不同植物根系的潜在固土能力有更好的评估，为水土保持植物的选择提供理论依据。植物根系能对土壤产生机械加强作用。许多学者通过根系力学实验或根系固土模型来量化根系的机械加强作用。以往的研究将根-土复合体作为一种加筋材料，根系通过其加筋作用增强土体抗剪强度，在库伦定律基础项中加入一项附加黏聚力，并通过该项来表征根系对土壤的机械加强作用。

根系分泌的糖、氨基酸，以及植物凋落物的分解等会增加土壤有机质含量^[7]，而土壤有机质的存在则被证实并有助于土壤团聚体的形成^[8]，从孔隙度、颗粒物组成等方面而改善土壤结构，进而对土壤抗剪强度指标产生影响。例如，Fatter等^[9]的研究发现草本植物可以有效的提升土壤的有机质含量，并协同提升土壤的团聚体稳定性、土壤抗剪强度等；同时也证实种植不同类型的植物种(乔、灌、草)对土壤的加固效益是不同的。为区分不同植物对土壤的加固效果，笔者将植物根系通过加筋对土壤进行加固的作用定义为机械加固作用，将植物通过根系分泌物、土壤微生物活动等改变土壤本身结构和成分的作用定义为化学加固作用。现阶段对根系固土的研究中，较多集中于根系的机械加强作用，较少研究涉及植物的化学固土作用，同时不同植物类型种植不同时间，其机械固土与化学固土作用的效益及各自贡献率还有待探究。

笔者选择重庆缙云山地区的四川山矾(Symplocos setchuensis)和狗牙根(Cynodon dactylon)作为研究对象。在林窗裸地种植2种植物样本，对种植后3年的土壤抗剪强度、根系分布密度和根系强度等指标进行测定，评估不同植物种在不同种植时期、不同土层的固土效益，探讨不同植物种的土壤加固效益和作用机制。

研究区位于中国西南地区，重庆市北碚区缙云山国家级自然保护区内，地理坐标为E 106°17′~106°24′、N 29°41′~29°52′(图 1)，试验地海拔846 m。研究所用的气象数据来自于重庆缙云山三峡库区森林生态系统国家定位观测研究站。试验样地所在的缙云山地区属于典型的亚热带季风湿润性气候，年平均气温13.6 ℃。年平均相对湿度87%，年平均降雨量1 611.8 mm，年平均蒸发量777.1 mm，实验区域的平均坡度5°。研究区所处位置的土壤在统一土壤分类系统中(Unified Soil Classification System)可被划分为OL(organic silts and silty clays with low plasticity)类。缙云山自然保护区内的植物类型主要是混合常绿阔叶林，主要植物类型有：四川山矾新木姜子(Neolitsea aurata)和四川杨桐(Adinandra bockiana)等。笔者采用的植物样本为四川山矾，是一种亚热带阔叶常绿小乔木，可适应多种气候环境特征，且有较好经济价值，广泛分布于中国西南地区(http://www.iplant.cn/)^[10]。

图 1(Fig. 1)

图 1 缙云山研究区位图 Fig. 1 Regional profile of the study area in Jinyun Mountain

移植前对土壤的各类理化特性参数进行测定，并通过翻耕的手段，移除3个样地内(用于种植四川山矾、狗牙根)的土壤中的大颗粒石头、动物尸体等杂质。于缙云山植物园选择一年生的四川山矾进行采集，将其移植到研究种植区进行种植。共种植四川山矾样本24棵，间距为>2 m，并在移植前期在土壤上覆盖无纺布进行保护。狗牙根采用播种的方式种植，播种密度为8 g/m²。在播种后，采用土壤粉末和无纺布覆盖，保护草籽不被冲走，并减小土壤的蒸发作用。所有的植物于2012年3月移植完成。

植物根系的样本将在植物的种植生长后2年和生长后3年进行采集，并测定其抗拉强度(T，MPa)。在种植样地内，挖取完整的根土样本，之后用小木刷清理附着在根系上的土壤，将根系做保鲜处理，带回实验室进行进一步实验，开挖深度通常＜40 cm。使用小钢锯将根系从植物的主根上分离，收集的根系样本直径范围在0~10 mm内。植物根系的直径采用游标卡尺，分别测定根系样本的3个位置并求取平均值而来。所有的根系样品采取挖出土壤剖面的方式进行采集，并于每年的5月进行采集。采集后，根系样品放入15%的酒精溶液，并放置于实验室的4 ℃的恒温箱中内进行保鲜。所有的根系都将在采集后的2周内完成所有的测试。采用WDW-5型万能测试仪(松顿，中国上海，精度±0.5%)进行测定，拉力的施加速度为10 mm/min，夹具之间的根系长度至少大于所测根系直径的15倍。根系断裂在中间2/3的部分才记录为试验成功，并记录此时的最大拉力。每组成功15个样品后停止试验，共测样品数293根，得到有效数据90个，成功率为30.7%。

土壤的抗剪强度测试主要用于获取植物的化学固土作用(c_c)，需要分别对植物种植后土壤的抗剪强度与附近裸地的抗剪强度进行测试。在四川山矾和狗牙根的样地内，挖出深度为40 cm，大小为50 cm×50 cm大小的土壤剖面，使用大小为6.18 cm，高度为2 cm的钢制土壤环刀取得原状土壤样本。分别于0~20和20~40 cm土层分别取样12个，每个研究期内共取原状土壤样72个，3年共取样216个。所有的原状土取样点都避开根系，保证里面无土壤外的其他杂质，剖面的挖取方式为S型。所有的取样时间都在每年的5月，降雨后的48 h后，此时土壤的体积含水率在23%~25%之间。在取样后，原状土壤样本被放入密封箱内保存，带回实验室后放入4 ℃的恒温箱内进行保存。

土壤抗剪强度采用南京土壤仪器厂的ZJ型应变控制直剪仪(四联)进行测定，试验所用剪切速率为2 mm/min，每组测定土壤样本4个，对样本分别施加25、50、75和100 kPa的法向压力，水平剪切进行时读取百分表上读数，直到数值不再上升或者开始减小时停止试验，记录最大值。根据4个不同荷载下抗剪强度值计算样本的黏聚力(c)和内摩擦角(φ)。为确保土壤含水量在短期内的稳定，所有试验都在样品采集后的3 d内完成。

根面积比(root area ratio，RAR)采用植物根系的横截面积除去所占剪切面的面积^[11]；根长密度(root length density，RLD)采用根系的总长度除以区域的体积。根系的抗拉强度使用此式进行计算：

式中：T为根的抗拉强度，MPa；D为根直径，mm；F_max为根系断裂时的所受的最大拉力，kN。

根系的杨氏模量E_r使用此公式进行计算：

式中：F_y为根系屈服点的拉力值，N；L为根长，m；ΔL为根系屈服点的伸长量，m。因为根系本身并非均质材料，且部分根系本身存在一些弯曲的情况，因此根系的屈服点的寻找一直是研究的难点问题。笔者对抗拉曲线求一阶导数，将屈服点出现的位置定义为导数曲线的准线性部分^[10]。

植物根系的机械固土作用(c_r，kPa)采用RBMw^[12]进行计算，RBMw所有的计算都使用R语言进行(www.ecorisq.org/openFTP/Schwarz.zip)。RBM_W模型是现阶段计算根系机械固土效果使用最广，计算结果最准确的模型之一。模型中的抗拉强度和杨氏模量参数(β和E₀)由实测而来。α_t和b_t的计算式为

式中：T_i为根系i的抗拉强度，MPa；D_i为根系i的直径，mm；α_t和b_t为根系抗拉的拟合参数。根长和根直径的相互关系模型(既模型中的θ和L₀)都采用同样的方式进行计算，四川山矾和狗牙根分别计算值为0.81、46.82和0.47、90.32。根系韦伯分布参数(r和ω，该参数与根系破坏的比例相关)采用RBM_W模型中的常量11和0.5。所有的参数设定如表 1所示。

表 1(Tab. 1)

表 1 RBMW参数设定 Tab. 1 RBMW parameter setting 物种Species 时间Time 根系抗拉的拟合参数 Fitting parameters of root tensile strength 根系杨氏模量的拟合参数 Fitting parameters of root Young’s modulus 根系根长和直径拟合参数 Fitting parameters of root length and diameter αt bt β E0 θ L0 四川山矾Symplocos setchuensis 第2年Second year -0.33 20.86 -0.79 784.69 0.81 46.82 第3年Third year -0.29 20.47 -0.80 862.19 狗牙根Cynodon dactylon 第2年Second year -1.09 20.94 -0.92 617.13 0.47 90.32 第3年Third year -0.98 20.28 -0.79 577.39

表 1 RBMW参数设定 Tab. 1 RBMW parameter setting

本研究中的应变与理想土直接剪切中的应变不同，原始模型中定义应变为垂直于剪切方向的变形，而本研究中将应变定义为相对于原始直剪盒状态下剪切方向的变化量，这样的定义方式过去广泛运用于根土复合体研究中^[13]。通常情况下，植物对土壤改良后，土壤黏聚力值的变化定义为植物化学加固土壤的值c_c，可表达为：

式中：c_c为植物种植下的土壤黏聚力值，kPa；c_s为裸地的土壤黏聚力值，kPa。

使用多元统计方法对植物根系力学特性、土壤剪切特性进行多元统计分析、协方差分析以及主成分分析，所有数据在分析前都进行标准化。所有分析置信区间设定为95%，数据分析采用Rstudio 2022，拟合曲线使用Origin 2022制作。

在植物恢复种植后，植物根系的密度将会随着植物的生长而增加(图 2)。首先，狗牙根作为草本植物具有较快的生长速度，在生长的第2年，其0~20 cm土层的根面积比和根长密度都快速增加，其中根长密度增加到0.15，显著的高于四川山矾样地的根长密度(约为2倍，P < 0.01)。随植物继续增长，其根长密度不发生显著变化。2个植物种的根面积比的差距减小，但狗牙根依然显著的高于四川山矾(约为1.5倍，P < 0.01)。四川山矾的0~20 cm土层的根长密度和根面积比都随着植物的生长而显著增加(P < 0.01)。狗牙根几乎没有根系深入到20~40 cm土层，四川山矾虽然有根系分布于该土层，但其随植物生长的变化也不显著(P>0.1)。

图 2(Fig. 2)

图 2 植物恢复种植后不同时期和不同土层的根系密度 Fig. 2 Root density of plant at different soil layer and time after plant restoration

在同一直径上，四川山矾根系的抗拉强度略高于狗牙根(12.66%)，而杨氏模量则高出幅度更大(38.65%)，植物根系的抗拉强度与杨氏模量都与根系的直径较好的符合幂指数函数关系(图 3)。随着植物的生长，2种植物的抗拉强度与杨氏模量都略微增加(P>0.1)。

图 3(Fig. 3)

图 3 植物种植后不同时期和不同土层的根系抗拉强度和杨氏模量 Fig. 3 Root tensile strength and Young's modulus of plant in different time and different layer after plant restoration

2种植物种植下的无根土的抗剪强度参数都要高于裸地(图 4)。首先，四川山矾的任意土层的内摩擦角综合而言都略高于裸地，但结果并不显著(P>0.1)，除第3年的0~20 cm土层，四川山矾样地内的内摩擦角显著高于裸地(约为7%，P < 0.1)。而狗牙根样地内土壤的内摩擦角则与裸地内的无显著的差别。其次，四川山矾在所有土层的土壤黏聚力都要显著的高于裸地(P < 0.01)，其中0~20 cm土层高出约23%，20~40 cm土层的高出约19%。狗牙根仅在0~20 cm土层的土壤黏聚力显著的高于裸地(约为30%，P < 0.01)，在20~40 cm土层则略高于裸地但结果不显著(约为5%，P>0.1)。结果显示植物的化学加固作用与根系的分布呈正相关关系。

图 4(Fig. 4)

图 4 不同植物恢复后土壤内摩擦角与黏聚力 Fig. 4 Cohesion and friction angle of soil after different plant restoration

如表 2所示，2个物种对土壤的加固效果都是机械加固作用高于化学加固作用，其中在0~20 cm土层狗牙根的机械加固作用约高于化学加固作用51.81%，而四川山矾则高26.20%；在20~40 cm土层四川山矾的机械加固作用比化学加固作用高42.45%狗牙根则不存在显著差别。

表 2(Tab. 2)

表 2 植物对土壤的综合加固效益和各组分的贡献率 Tab. 2 Comprehensive reinforcement benefits of plants to soil and the contribution rate of each component 物种 Species 土层 Soil layer/ cm 时间 Time 根系机械加固 Root mechanical reinforcement/ kPa 贡献率 Contribution/ % 化学加固作用 Root Chemical reinforcement/ kPa 贡献率 Contribution/ % 无根土黏聚力 Cohesion of root-free soil/kPa 根土复合体黏聚力 Cohesion of rooted soil/ kPa 四川山矾 Symplocos setchuensis 0~20 第2年Second year 5.39 22.02 4.43 18.09 14.65 19.08 第3年Third year 6.52 25.58 4.36 17.11 14.60 18.96 狗牙根 Cynodon dactylon 第2年Second year 11.43 34.78 6.79 20.66 14.65 21.44 第3年Third year 14.76 41.94 5.83 16.56 14.60 20.43 四川山矾 Symplocos setchuensis 20~40 第2年Second year 5.23 25.43 1.59 7.74 13.75 15.35 第3年Third year 5.37 24.53 4.51 20.62 12.00 16.51 狗牙根 Cynodon dactylon 第2年Second year 0.20 1.51 -0.35 -2.57 13.75 13.40 第3年Third year 0.06 0.46 1.94 13.87 12.00 13.94

表 2 植物对土壤的综合加固效益和各组分的贡献率 Tab. 2 Comprehensive reinforcement benefits of plants to soil and the contribution rate of each component

笔者研究的植物根系的抗拉强度和杨氏模量所有的数值都基本符合Stokes等^[14]对67种植物的研究结果，且植物根系的抗拉强度与杨氏模量都与根系的直径较好的符合幂指数函数关系。笔者发现2个研究植物种的根系强度都随着植物生长而增加。这与Loades等^[15]的结果类似，但与Genet等^[16]的结果不符。成熟的根系通常会木质素含量更高，而其纤维素与半纤维素的含量则会更少，木质素含量与根系的抗拉强度呈正相关关系，而纤维素含量则相反^[17]，因此成熟的根系的抗拉强度应该更高。

通常认为乔木在土壤化学和物理特性的改造方面优于灌木和草本植物^[18]，其中微生物活性和供氮能力^[19]、土壤水分和地下生物量^[20]等的改良效果乔木植物普遍占优，土壤化学或生物学指标的提高可加速土壤团聚体的形成，进而提高土壤的黏聚力。在笔者研究中，狗牙根在种植的第2年0~20 cm的土壤黏聚力大于四川山矾，而在第3年以及其他的土层，狗牙根种植下的土壤抗剪强度参数皆较低。另外，草本植物较多的根系，对土壤的挤压、穿插和分割作用通常都更强，土壤的原有结构被破坏导致土壤黏聚力的降低，是狗牙根种植下土壤抗剪强度较低的重要因素之一。

不同类型的植物可能通过不同的方式加固土壤。笔者分别对机械加固作用与化学加固作用分别研究。其中，机械加固作用为5~15 kPa，该结果与Cazzuffi等^[21]的研究类似，其发现不同类型植物的机械固土作用大约是5~10 kPa，且都随着土壤的加深而减小。关于化学加固方面的研究较少，笔者发现植物的化学加固作用与植物根系的分布密度呈正相关关系，证明植物对于土壤抗剪强度的作用较多是依赖于根系的作用，包括根系对土壤有机质的影响等。因此，在研究如何提高植物固土效果时，更多的应该关注如何使植物根系的分布更广，这也在部分果园的相关研究^[22]中被证实。

1) 四川山矾和狗牙根都可以通过机械与化学固土作用加固土壤，但狗牙根仅在种植的第2年，通过其较快生长的特性，在0~20 cm土层提供的固土效益高于四川山矾，第3年后其固土效益并不显著的高于四川山矾。

2) 四川山矾和狗牙根对土壤的加固效果都是机械加固作用高于化学加固作用，其中0~20 cm土层，狗牙根的机械加固作用比化学加固作用高约51.87%，而四川山矾则高26.20%。在20~40 cm土层，四川山矾的机械加固作用高于化学加固作用42.45%，狗牙根则不存在显著差别。