植物对土壤侵蚀和浅层滑坡具有抑制作用^[1]，通过其根系与土体的摩擦作用将土体的剪切力转化为自身抗拉力，以加筋和锚固的作用来提高土体强度^[2]。在土体发生剪切破坏时，根系的轴向力可以增加根土复合体的抗剪强度^[3]，根系可以加固土壤，增加土壤稳定性^[4]，同时根系分泌物也可以增加土壤抗侵蚀能力。根系的固土能力主要体现在根系的抗拉力和抗拔力上，这种对土壤强度的加强作用常被称为根系的附加黏聚力^[5]。现有的大部分研究将植物根系当做根土复合体的附加黏聚力来计算^[6]，平行于土壤表面的分析通过其抗拉强度和土壤间的摩擦力降低土壤开裂、崩塌的危险^[7]。在浅层边坡中，植物根系通过根-土接触面复杂的力学相互作用提高土体的抗剪强度来增加斜坡的稳定性^[8]。根系对土体的机械加强作用同时也被其与土壤间的摩擦力和根系的分布所影响。随着植物根系的密度增大，其固体效果显著提高^[9]。如果植被生长密度低，植物根系周围的土壤颗粒容易发生滑动，导致根系的加固作用降低。而在森林火灾发生后，火烧会使植物根系腐烂死亡，根系数量和根系加筋性能降低^[9]；因此，研究火烧后含根土力学特性的变化以及火后边坡生态修复工作的实施有着重要作用。

林火发生后，浅层滑坡和泥石流等次生灾害的发生与含根土体力学性质的改变密切相关。森林火灾是一种常见的破坏性自然灾害，会燃烧植被，改变土壤入渗，增加径流量，且火烧后土壤渗透性发生改变^[10]；林冠层、枯枝落叶及腐殖质在发生火灾后严重破坏，导致土壤表层的持水量受到影响，破坏土壤结构，加剧水土流失^[11]；同时森林火灾还会降低水质，导致水利灾害频发^[12]。有研究表明，约40%的火灾区域发生泥石流和浅层滑坡等次生地质灾害^[13]。由于山火对植被根系的烧焙作用，往往致使表部根系烧焦而后腐烂，将会对所在部位土体物理力学性质产生劣化作用，Wondzell等^[14]研究表明火后泥石流物源起动以浅表层滑坡为主，火灾后期流域内的树根逐渐腐烂，导致泥石流的发生。根系腐烂造成对土体加固能力的降低通常被认为是火灾后浅层滑坡增加和随后的泥石流发生的主要诱因^[15]。2018年，美国加利福尼亚州发生火灾后泥石流，造成23人死亡，至少167人受伤，408间房屋受损^[16]；2020年，中国四川省凉山州木里县发生火灾后次生泥石流灾害，造成房屋、耕地、桥涵等不同程度受损。部分学者对于火烧后土壤理化性质的改变做出研究，然而，对于不同火烧等级、不同林地在火后含根土体力学性质的改变以及根系失效机理的解释仍存在模糊性。

鉴于此，笔者对火烧迹地不同火烧等级、不同类型的林地进行调查，采集植物根系和原状含根土体进行力学试验，分析3种火烧程度和3种土层深度对火烧迹地土壤物理力学性质的影响，并与健康林地进行对比研究，以期为缙云山火烧迹地的生态恢复和地质灾害防治提供理论依据。

研究区所在地为重庆市北碚区缙云山国家级自然保护区(E 106°17′~106°24′、N 29°41′~29°52′)，该保护区的整体面积约7 600 hm²，具有典型的亚热带季风湿润性气候特征，年平均气温为13.6 ℃。年平均相对湿度为87%，年平均降雨量为1 611.8 mm，年平均蒸发量为777.1 mm。岩层为三迭纪须家河组厚层石英砂岩，土壤类型主要为酸性黄壤。缙云山植被资源丰富，森林覆盖率达96.6%。2022年8月21日晚，重庆市缙云山国家级自然保护区北碚区歇马街道虎头村发生山火，火势凶险且蔓延极快，在各方救援力量的不懈努力下，于8月26日扑灭全部森林明火。

根据火烧强度划分标准^[17]，将其分为轻度、中度、重度3个等级，将烧死木＜30%，乔木熏黑高度＜2 m的区域划分为轻度火烧区域；烧死木占30%~70%，乔木熏黑高度2~5 m的区域定义为中度火烧区域；烧死木＞70%，熏黑高度＞5 m的林分划分为重度火烧区域。火灾现场照片如图 1所示。

图 1(Fig. 1)

图 1 不同火烧程度样地选择 Fig. 1 Sample site selection with different burn severity

缙云山山火于2022年8月26日被全部扑灭，本研究在灾后1个月内对2种林地、3个火烧等级的火灾迹地进行植物根系调查和土样采集，并分别在健康林地采集对照土样。在斜坡上遭受火灾的区域各选取3个点，以选取的火烧林地中的典型单株马尾松(Pinus massoniana)、毛竹(Phyllostachys edulis)为圆心，开挖半径1 m、深度30 cm的土壤剖面(图 2)，为保证试验效果，取样位置的地形坡度、植被类型、土壤性质均相似。然后在剖面固定自制的根系统计网格，统计各径级的根系数量，使用电子游标卡尺测量埋入土壤中的根系上中下3个部位的直径，然后取平均值，根据0~2，≥2~4，≥4~6，≥6~8和≥8 mm划分为5个根系径级，统计开挖深度范围内的根系数量。根系调查结束后，采用内径6.18 cm，高2.00 cm的取土环刀在土壤剖面上每隔10 cm采集原状土，同层土采集3个重复试样。

图 2(Fig. 2)

图 2 火烧区域根系生物量调查 Fig. 2 Investigation of root biomass in a burned area

根系统计结束后，在剖面上采集根系样品并装进密封袋中保存，对采集的单根样浸水8 h后取出，确保含水一致，4 ℃冷藏保鲜备用，尽量保持根系的活性，带回实验室进行根系的单根抗拉试验。对采集的根系进行筛选，选取形态笔直的根系，截取其15 cm长的根段在微机控制电子万能试验机进行试验。根系抗拉强度T_r(MPa)为

式中：F_max为根系断裂时所承受的最大拉抗力，N；D为根系直径，mm。

试验中采用ZJ型应变控制式直剪仪对土壤的抗剪强度进行测试，并按照土工试验标准进行^[18]。本试验中设置3个垂直荷载分别是100、200和300 kPa，剪切速率为0.8 mm/min直到土壤被剪坏或者读数不再变化，每间隔1 s记录1次数据。

土壤抗剪强度τ(kPa)和施加的法向应力σ(kPa)之间的关系可以表达为

式中：c为土壤黏聚力，kPa；φ为土壤内摩擦角，(°)。

针阔混交林和竹林在不同火烧程度下根系分布情况如图 3所示，对于未被火烧的健康根系，细根数量较多，且分布于整个土层中，主要集中在0~2、≥2~4和≥4~6 mm，对于直径＜2 mm的细根，针阔混交林在轻度、中度与中度火烧地区分别比未被火烧地区减少16%、28%和44%，竹林分别减少17%、25%和50%；对于径级为≥2~4 mm的根系，针阔混交林在轻度、中度与中度火烧地区分别比未被火烧地区减少57%、40%和66%，竹林分别减少33%、26%和65%。径级＜2 mm时，轻度火烧区与未被火烧区的根系数量差异较小，而中等火烧区与重度火烧区明显减少。在径级≥8 mm时，中度火烧区和重度火烧区根系数量迅速衰减。

图 3(Fig. 3)

图 3 未被火烧及火烧迹地针阔混交林和竹林不同径级根系数量 Fig. 3 Number of roots in different diameter classes in unburned and burned theropencedrymion and bamboo forests

对于未被火烧的健康根系，细根数量较多，且分布于整个土层中，对于火后的根系结构，可以明显看出表层细根数量相比于未被火烧的树木有所降低，且细根在土层中分布不均匀，这与细根的腐烂有关。由图 3可知，未被火烧的根系数量显著大于火烧后的根系数量，表明土体表层根系在火烧后腐烂严重，导致根系数量减少，且随着火烧程度的增加，细根数量的减少程度显著增加。活的植物可以通过机械效应和蒸发蒸腾诱导的吸力增加土壤的抗剪强度，根系对土壤强度的贡献取决于根系数量、分布和力学性能，枯死的根系会随着火灾后时间的延长而逐渐腐烂^[19]。这一过程减少根的数量，降低其力学性能。

针阔混交林和竹林根系极限抗拉强度随根系直径的变化如图 4所示，竹林未被火烧、轻度、中度和重度火烧地区试验成功的直径(mm)范围为0.30≤D≤5.49、0.30≤D≤5.51、0.35≤D≤5.31和0.53≤D≤5.10，抗拉强度(MPa)范围分别为16≤T_r≤55、10≤T_r≤46、10≤T_r≤38和7≤T_r≤44;针阔混交林未被火烧、轻度、中度和重度火烧地区试验成功的直径(mm)范围为0.7≤D≤5.3，0.9≤D≤5.3、0.9≤D≤5.3和0.7≤D≤5.1，抗拉强度(MPa)范围为31≤T_r≤122、27≤T_r≤118、18≤T_r≤120和7≤T_r≤116。根系极限抗拉强度随直径的增加而降低，整体呈幂函数下降。对比火后及未被火烧根系的极限抗拉强度，其值随火烧程度的增加而显著降低，这和根系数量随火烧程度的增加而降低的趋势相对应，再次证明火后根系的腐烂不但会导致根系数量的衰减，更会导致根系本身强度的降低，进而导致含根土体抗剪强度的降低。

图 4(Fig. 4)

Tr: Tensile strength, MPa 图 4 未被火烧及火烧迹地针阔混交林和竹林根系抗拉强度和直径的关系 Fig. 4 Tensile strength diameter relationship of root system between unburned and burned theropencedrymion and bamboo forests

土壤种类的黏聚力与内摩擦角见表 1，其中c和tanφ的系数均极显著。当法向应力相同时，在3种不同土层深度下，针阔混交林和竹林的未火烧区根土复合体的抗剪强度均明显大于火烧区，中度火烧区与重度火烧区下降较为明显。

表 1(Tab. 1)

表 1 不同土样种类内摩擦角及黏聚力 Tab. 1 Internal friction Angle and cohesion of different soil samples 林分类型 Forest type 火烧程度 Burned severity 黏聚力Cohesion/kPa 内摩擦角Internal friction angles/(°) 0~10 cm 10~20 cm 20~30 cm 0~10 cm 10~20 cm 20~30 cm 针阔混交林 Theropencedrymion 未被火烧Unburned 25.88 30.23 53.67 9.75 10.94 14.45 轻度火烧Lowly burned 13.15 9.90 18.63 10.82 12.98 11.89 中度火烧Moderately burned 12.67 9.46 17.33 8.82 9.12 9.93 重度火烧Highly burned 3.60 8.08 18.17 9.68 8.48 7.09 竹林 Bamboo forest 未被火烧Unburned 28.68 29.33 55.67 9.09 8.54 8.25 轻度火烧Lowly burned 19.72 21.61 40.00 8.10 6.89 8.82 中度火烧Moderately burned 13.92 19.11 45.58 7.46 5.90 8.00 重度火烧Highly burned 10.76 12.33 15.44 7.19 6.85 6.05

表 1 不同土样种类内摩擦角及黏聚力 Tab. 1 Internal friction Angle and cohesion of different soil samples

不同火烧等级混交林、竹林抗剪强度与正应力的关系如图 5和图 6所示。在土层深度为0~10 cm时，针阔混交林的轻度、中度和重度火烧地区的土壤黏聚力相较于未被火烧地区分别下降49%、51%和86%，竹林的轻度、中度和重度火烧地区的土壤黏聚力分别下降45%、51%和62%；土层深度为10~20 cm时，针阔混交林的轻度、中度和重度火烧地区的土壤黏聚力相较于未被火烧地区分别下降67%、69%和73%，竹林的轻度、中度和重度火烧地区的土壤黏聚力分别下降36%、35%和58%；土层深度为20~30 cm时，针阔混交林的轻度、中度和重度火烧地区的土壤黏聚力相较于未被火烧地区分别下降65%、68%和66%，竹林的轻度、中度和重度火烧地区的土壤黏聚力分别下降28%、18%和72%，由此可见，火烧等级对土壤黏聚力有较大影响。相较于黏聚力，火灾前后内摩擦角的变化较小，火烧区域相较未被火烧区域总体减小，实验中发现，对于土层深度为20~30 cm轻度火烧竹林、土层深度为0~10 cm轻度火烧竹针阔混交林和土层深度为10~20 cm轻度火烧混交林，内摩擦角增加7%、11%和19%。

图 5(Fig. 5)

τ: shear strength, kPa; σ: Normal stress, kPa 图 5 不同火烧等级针阔混交林抗剪强度与正应力的关系 Fig. 5 Relationship between shear strength and normal stress of theropencedrymion with different burned severity

图 6(Fig. 6)

图 6 不同火烧等级竹林抗剪强度与正应力的关系 Fig. 6 Relationship between shear strength and normal stress of bamboo forest with different burned severity

植物根系增加边坡稳定性主要是由于细根的黏聚力和粗根的锚固作用^[20]。发生森林火灾后，植被大量烧毁，地表裸露，导致表层土壤根系逐渐腐烂，数量减少，且不同径级根系减少程度对不同火烧程度敏感性不同^[21]，随着火烧等级上升，径级＜2 mm的根系数量在中等火烧和重度火烧区域衰减最为明显，雷鸣宇等^[22]研究发现灾后根系数量随火烧时间增加而大幅下降，细根相较于粗根腐烂速度更快，数量降低幅度更大，这与本研究结果相一致。

在之前的研究中，已经建立根系极限抗拉力与根系直径的幂函数关系^[23]，在林火发生后这种幂函数关系同样存在，对于相同火烧程度的根系，其极限抗拉强度随着直径增加而减小，对于相同直径的根系，随着火烧等级的增加，其极限抗拉强度迅速衰减，说明火烧程度增加，根系数量腐烂严重，造成根系强度削弱，本研究测定的直径＜2 mm的根系极限抗拉强度在相同火烧等级中衰减幅度最大，这可能是由于细根的比表面积更大，与土壤接触面积更大，因此在火灾发生后，更容易被土壤微生物分解^[24]，而粗根需要更久的时间腐烂，强度相较于细根下降不明显。

火灾发生后，根土复合体的抗剪强度、黏聚力明显降低，植物根系通过增加土壤黏聚力来增加土壤的抗剪强度，这与Wu^[25]的理解是一致的，灾后土壤黏聚力显著下降，可能是因为灾后发生土壤侵蚀导致黏土含量减少，土壤较粗颗粒相对增加^[26]，王瑞等^[27]研究发现，森林火灾改变土壤粒径级配和有机质含量，土壤团聚体稳定性降低，更容易解体；这些变化都会导致灾后土壤残余根系数量下降、黏聚力减少及力学特性的变化。

1) 径级＜2 mm时，轻度火烧区与未被火烧区的根系数量差异较小，而中等火烧区与重度火烧区明显减少；对于未被火烧的健康根系，细根数量较多，且随着火烧程度的增加，细根数量的减少程度显著增加。

2) 根系极限抗拉强度随直径的增加而降低，整体呈幂函数下降。对比火后及未被火烧根系的极限抗拉强度，其值随火烧程度的增加而显著降低。

3) 当法向应力相同时，在3种不同土层深度下，针阔混交林和竹林的未火烧区根土复合体的抗剪强度均明显大于火烧区，中度火烧区与重度火烧区下降较为明显。同时火烧等级对土壤黏聚力有较大影响，随着火烧等级上升，黏聚力衰减幅度增大。