黄土高原植物根系生长对土壤结构的力学影响：根径诱导的压实效应与剪切强度增强机制

本文通过控制实验模拟黄土高原粗根生长过程，系统研究了不同直径（1-3 cm）根系 analogues 对土壤压力、容重（bulk density）及抗剪强度（cohesion c、internal friction angle φ）的力学影响。研究发现3 cm根径可产生最高土壤压力（5.9–6.8 kPa），使容重增至1.49–1.52 g/cm3，c值和φ值分别提升42.95%和76.96，并引发土壤剪切行为从应变硬化向应变软化转变。本研究首次将根系诱导压实（root-induced compaction）确立为区别于机械加固（root-soil composites）和水文效应（plant water uptake）的第三大土壤强化机制，为黄土高原植被恢复与边坡稳定策略提供了新视角。

　　

Highlight

局部压实与剪切强度增强：大直径根系在5厘米半径范围内显著提升土壤压力与干容重，其中D3处理（3厘米根径）表现出最强的压实效应。这种容重增加通过增强颗粒间接触力，直接提升了黏聚力（c）和内摩擦角（φ），最终强化了土壤抗剪强度。

剪切行为转变：根系压实使土壤剪切响应从应变硬化（strain-hardening）转为应变软化（strain-softening），表明大根系周边可能存在潜在破坏面。这种转变提示植被恢复工程需关注根系周边局部力学特性的空间异质性。

结构方程模型（PLS-SEM）验证机制：模型分析表明，根系在生长穿透过程中对周边土壤施加径向压力，通过提升容重间接增强c和φ值。该路径独立于传统的根-土复合体机械锚固和植物吸水产生的水文效应，证实根系诱导压实是第三种关键的土壤强化机制。

生态管理启示：研究强调在黄土高原等生态脆弱区，粗根诱导的压实效应可提升浅层土壤稳定性，但同时也可能因局部强度差异增加浅层滑坡风险。建议在植被恢复规划中统筹考虑根系直径分布与土壤力学反馈，优化边坡稳固策略。

Conclusions

本研究明确了粗根穿透对土壤物理力学性质的重要影响，主要结论包括：

1. 1.
   局部压实与剪切强度增强：大直径根系在5厘米半径内显著提升土壤压力与容重，D3处理压实效应最显著。容重增加通过增强颗粒间作用力直接提升黏聚力（c）和内摩擦角（φ）。
2. 2.
   剪切行为转变：根系压实使土壤从应变硬化转向应变软化，提示大根系周边可能存在潜在破坏面。
3. 3.
   机制验证：结构方程模型（PLS-SEM）证实根系通过施加径向压力→提升容重→增强c和φ的独立路径，确立根系诱导压实为第三种土壤强化机制。