基岩风化作用下不同土壤类型与层厚对根系形态及单根抗拉特性的影响研究

《CATENA》：Morphology of root systems and tensile properties of individual roots across various soil types and layer thicknesses induced by bedrock weathering

本文研究了基岩风化形成的不同土壤类型（粉砂质砂土SM和瘦质粘土CL）与层厚（30、50、70 cm）对胡枝子和苔草根系形态（herringbone/cardioid/rectangular/triangular模式）及单根抗拉特性（抗拉强度、杨氏模量）的影响，揭示了土壤机械阻抗、养分含量与持水量对根系适应性生长的调控机制，为山区植被加固土壤防治浅层滑坡和侵蚀提供理论依据。

　　

^Highlight

^土壤养分

图5显示了不同土壤类型（CL和SM）与层厚（30、50和70 cm）下的氮和有效磷含量。CL中的氮含量范围在0.10% g/kg到0.16% g/kg之间，比SM高出65.3%（p < 0.05）。根据先前研究（国家土壤调查办公室，1992），氮含量0.15%–0.3%是区分高氮和低氮环境的阈值。据此标准，CL和SM分别属于高氮和低氮环境。有效磷含量在CL中为14.6–18.3 mg/kg，比SM高42.7%（p < 0.05）。CL和SM的氮磷比分别为10.2和9.8，表明两种土壤类型均受氮限制。随着土层厚度增加，SM中的氮含量从0.10% g/kg增加到0.12% g/kg，而CL中从0.14% g/kg增加到0.16% g/kg。有效磷含量在SM中从14.6 mg/kg增加到16.2 mg/kg，在CL中从17.8 mg/kg增加到18.3 mg/kg。这些变化归因于较厚土层中增强的风化作用和养分积累。

^讨论

在山区，浅层滑坡的破坏面可能发生在植被根区内或根区下方（Danjon等，2008；Zhou等，2025；Zhu等，2017）。基于野外地质调查，破坏面位于植被根区内的浅层滑坡是研究区的主要类型。如图15所示，根系与土壤之间的力学相互作用为浅层边坡提供加固（Gray和Barker，2004）。根系形态（如根长和根尖数）和单根抗拉特性（如抗拉强度和杨氏模量）共同决定了根系加固土壤的有效性。本研究结果表明，SM中的根系具有更长的根长和更多的根尖，这有利于根系在较大土壤体积中锚固，从而更有效地传递剪力。相比之下，CL中的根系较短，但单根在CL中表现出较低的杨氏模量，意味着更大的变形能力，这可能通过根系拉伸吸收更多能量来延缓滑坡启动。随着土层厚度增加，单根抗拉特性改善，这可能增强根系在较厚风化层边坡中的加固作用。因此，在SM和较薄土层中，边坡更容易发生侵蚀，而CL和较厚土层则更容易发生浅层滑坡，这与野外观察一致。这些发现强调了在山区地质灾害评估中考虑土壤类型和层厚的重要性。

^结论

胡枝子（L. formosa）在SM中主要呈现人字形根系，而在CL中主要为心形模式。对于苔草（C. lanceolata），SM和CL中的根系分别显示矩形和三角形模式。SM的低机械阻抗有利于根系向深层土壤扩展以获取有限的养分和水分。CL的高机械阻抗阻碍了主根发育，而侧根在营养丰富的条件下通过边界细胞脱落和分泌物随机生长。土层厚度对根系形态有显著影响，较厚土层促进根系纵向发育。单根在CL中的抗拉强度和杨氏模量低于SM，但随着土层厚度增加而改善。这些变化可通过土壤机械阻抗、养分含量和持水量解释，为理解植被加固土壤机制提供了新见解。