植物根系腐烂作用下根土复合材料力学性能的随时间演变

《Soil and Tillage Research》：Temporal evolution of mechanical properties of root-soil composites under plant root decay

根系力学特性随时间衰减及其对土体剪切强度的影响：以马尾松为例，系统研究0-90天 decay过程中细根与粗根的横截面积保留率、拉伸强度及界面摩擦系数变化规律，揭示细根力学性能衰退更快（93%以上）的特性，阐明根系分解导致土体剪切强度衰减的量化机制，为坡地稳定性评估提供理论依据。

　　植物根系在土壤加固和浅层边坡稳定性中扮演着重要角色，其独特的机械加固和锚固效应有助于增强土壤的结构和强度。然而，随着根系的分解，这些机械性能会逐渐减弱，进而影响边坡的稳定性。因此，理解根系分解过程及其对土壤力学性能的影响对于生态工程和地质灾害管理具有重要意义。本研究通过实验室条件下的控制实验，系统地分析了马尾松（*Pinus massoniana*）根系在0至90天内的分解模式，重点监测其拉伸强度和横截面积的变化，并评估这些变化对根系与土壤界面摩擦力以及复合剪切强度的影响。

根系的分解是一个复杂的生物地球化学过程，受到多种因素的共同作用。例如，微生物代谢、环境条件、化学物质的影响等都会加速根系的分解。在本研究中，通过使用5%的六六六（hexazinone）溶液，模拟了根系在自然条件下可能经历的分解过程。这种化学物质能够有效促进根系的分解，使得研究结果更加贴近实际。通过这种方法，研究人员能够观察到根系在不同时间点的物理和力学特性变化，从而更准确地评估其对土壤结构和稳定性的影响。

研究结果显示，新鲜的细根（直径0-1毫米）在初始阶段表现出较高的拉伸强度（32.7 MPa），而粗根（直径2-3毫米）的拉伸强度较低（19.1 MPa）。然而，随着时间推移，细根的拉伸强度下降速度更快，导致其在60天后迅速衰减，甚至低于粗根的拉伸强度。这种现象表明，细根在分解过程中更容易受到微生物的分解作用，而粗根则由于结构更为复杂，分解速度相对较慢。此外，细根在分解后，其横截面积的保留率也显著下降，而粗根则表现出相对稳定的横截面积保留趋势。

根系与土壤界面的摩擦力在分解过程中同样经历了显著变化。新鲜的粗根在初始阶段表现出更高的摩擦力，其最大拔出力是细根的三倍。然而，随着分解时间的延长，特别是在90天后，由于根系与土壤之间的空隙增加以及根系生物量的减少，摩擦系数出现了59-68%的指数级下降。这表明，根系的分解不仅影响其自身的力学性能，还会削弱其与土壤之间的相互作用，从而降低整个根系-土壤复合系统的稳定性。

根系的破坏模式在分解过程中也发生了变化。细根在45天后，随着分解的进行，其破坏模式从拔出破坏转变为断裂破坏。这一转变发生在300 kPa的法向压力下，表明细根在分解后更容易发生断裂，而不是从土壤中拔出。而粗根则在60天后才表现出显著的破坏，其残余强度仍然较高，说明粗根在分解过程中能够维持较长的力学性能。这种破坏模式的差异进一步揭示了不同直径根系在分解过程中的不同行为特征。

同时，根系对剪切强度的贡献也随着分解过程而发生变化。粗根的剪切强度贡献在分解后减少了60%，而细根的剪切强度贡献则下降超过93%。这种显著的下降意味着，细根在分解后几乎失去了其对土壤的加固能力，而粗根虽然也受到分解的影响，但其对剪切强度的贡献仍然相对较高。因此，根系的分解不仅影响其自身的力学性能，还会显著降低整个根系-土壤复合系统的剪切强度，从而增加浅层滑坡的风险。

根系的分解对土壤力学性能的影响不仅仅局限于拉伸强度和摩擦力的下降，还涉及到土壤结构的破坏。随着根系的分解，原本紧密的根系-土壤结构逐渐被大孔隙取代，导致土壤颗粒之间的连接减弱，从而降低土壤的整体稳定性。这种结构变化会显著影响土壤的剪切强度，使得边坡更容易发生滑动。因此，根系的分解不仅影响其自身的力学性能，还会对整个土壤结构产生深远的影响。

本研究通过建立一个基于纤维加固理论的框架，系统地追踪了根系分解过程中拉伸强度、根系-土壤界面摩擦力以及剪切强度的演变过程。该框架旨在提供一种更全面的方法，以理解根系分解对土壤力学性能的综合影响。通过这种方法，研究人员能够更准确地评估根系分解对边坡稳定性的影响，并为生态工程中的稳定性评估和灾害风险管理提供科学依据。

此外，本研究还强调了根系分解过程中多个力学参数之间的相互作用。以往的研究多集中于单一指标（如剪切强度或拔出阻力），而忽视了不同参数之间的内在关联。这种单一因素的分析方法限制了对根系分解过程中复杂力学演变的全面理解。因此，本研究尝试从多个角度出发，综合分析根系分解对土壤力学性能的影响，以提供更全面的科学证据。

研究还指出，根系分解的速度与根系直径密切相关。细根由于其较大的比表面积和较为简单的结构，更容易被微生物分解，而粗根则由于结构更为复杂，分解速度相对较慢。这种差异导致了细根在分解过程中表现出更快的力学性能下降，而粗根则能够维持更长的力学性能。因此，在进行土壤加固和边坡稳定性评估时，需要考虑不同直径根系的分解速度和力学性能变化。

通过本研究的实验和分析，研究人员能够更准确地量化根系分解对土壤力学性能的影响。这种量化分析不仅有助于理解根系分解的动态过程，还能够为生态工程中的稳定性评估和灾害风险管理提供科学依据。此外，本研究还强调了根系分解过程中多个力学参数之间的相互作用，这为今后的研究提供了新的方向和思路。

综上所述，根系的分解是一个复杂而动态的过程，其对土壤力学性能的影响是多方面的。本研究通过系统的实验和分析，揭示了根系分解对土壤结构和稳定性的影响机制，为生态工程中的稳定性评估和灾害风险管理提供了重要的科学依据。未来的研究可以进一步探索不同环境条件下根系分解的动态变化，以及其对土壤力学性能的长期影响，以期为生态工程和地质灾害管理提供更加全面和精确的指导。