《Ecohydrology & Hydrobiology》：The influence of herbaceous plant root system characteristics in typical arid and semi-arid slope ecological restoration areas on rainwater infiltration
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•与直根系（Eleusine indica）相比，纤维根系（Setaria viridis，Stipa capillata）的侧向水分再分配延迟了10分钟，受根系直接影响的区域还有额外的9分钟响应延迟。•根表面积密度和根体积密度与入渗模型参数之间存在显著的正相关（p < 0.05
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与直根系（Eleusine indica）相比，纤维根系（Setaria viridis，Stipa capillata）的侧向水分再分配延迟了10分钟，受根系直接影响的区域还有额外的9分钟响应延迟。
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根表面积密度和根体积密度与入渗模型参数之间存在显著的正相关（p < 0.05），这有助于提高对最大入渗率和水分衰减阈值的预测。
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在干旱/半干旱地区进行坡面生态恢复时，应优先选择根表面积密度高的纤维根系物种，同时搭配直根系物种以优化深层入渗。
引言
在强降雨或极端降水事件中，陡峭的斜坡极易发生地质灾害，如泥石流和浅层滑坡，对区域社会经济稳定和可持续发展构成严重威胁（Galanti等人，2018年）。科学界普遍认为，降雨引起的浅层滑坡频率增加与坡面系统内的水分入渗过程及其相关的水文动态密切相关（Li等人，2022年；Zhang等人，2023年）。具体来说，雨水渗透会引发孔隙水压力增加，并导致颗粒逐渐迁移和流失。这些相互作用的进程会增强土壤的水力传导性和结构退化，从而加剧斜坡不稳定的风险（Cui等人，2014年；Zhuang等人，2021年）。为了减轻这些由入渗引发的地质灾害，利用生态恢复技术的生态工程方案在斜坡稳定工作中越来越受到重视（Song等人，2024年）。这种方法利用植被介导的机制来控制土壤侵蚀和斜坡失稳，植被、土壤基质及其复合体之间的协同作用是维持坡面生态系统完整性的基础（Li等人，2021年）。在生态干预中，根系的功能作用尤为重要（Godt等人，2009年）。植被根系通过抗拉强度和土壤固定作用为表层土壤提供机械支撑，同时通过生物地球化学过程改变土壤的物理化学特性（Vergani等人，2017年）。
在植被生长过程中，根系的穿透和根土相互作用使许多研究认识到，土壤渗透性受到土壤性质和根系特征的影响。土壤相关的因素包括孔隙度、容重、有机质含量和盐度，而根系参数主要包括根生物量、根长度密度、根表面积和根体积（Cui等人，2019年；Leung等人，2015年；Liu等人，2020年；Wu等人，2021年）。Jotisankasa和Sirirattanachat（2017年）研究表明，草本植物的根系在调节土壤水分入渗方面比土壤性质更具潜力。一方面，枯死的根系在土壤基质中持续存在或分解，增加了大孔隙度和非毛细孔隙度，从而显著提高入渗率（Wu等人，2021年）。另一方面，在干旱和半干旱地区，根系形成微通道并将有机碳引入土壤，促进土壤团聚体的稳定性和结构 modification，进而改变入渗动态（Huang等人，2017年；Six等人，2004年）。此外，同一土壤层中不同发育阶段的根系的生物力学性质在生长过程中会发生变化，导致不同植物物种之间的根系分布存在显著的空间异质性（Comino和Druetta，2010年）。因此，全面评估根土复合体的稳定机制迫切需要综合研究根系形态与土壤性质之间的相互作用，特别是它们与土壤水分动态的耦合效应。
许多研究探讨了根系特征对水分入渗的影响：一些草本植物发展出主要分布在表层土壤（0–30厘米）的纤维根系，形成密集的网络来调节水文路径；而其他植物则具有大直径、延长的直根，可以穿透几米深的土壤（Guo等人，2019年；Liu等人，2019年）。比较分析显示，VH型根系在水文性能上优于R型和V型根系，尤其是在干旱/半干旱环境中，以直根为主的物种比浅根植物更有效地提高入渗率（Huang等人，2017年；Song等人，2024年；Wang等人，2020年）。然而，当前的研究在描述根土水分相互作用方面存在双重局限性。首先，根际土壤的水文动态经常通过简化的根区概念化而被过度简化（Chen等人，2023年；Liu等人，2020年），入渗分析主要依赖于生物量指标和根系体积参数（Wang等人，2023年；Zhang等人，2024年）。这种简化掩盖了根系拓扑结构对入渗路径调节机制的影响。例如，尽管Zhang等人（2020年）通过改进Green-Ampt模型完善了土壤水分剖面曲线，Mao等人（2016年）提出了使用双重线性函数的新土壤含水量分布模型来替代均匀水分假设，但这两项研究都没有明确说明根系形态特征如何调节入渗动态的空间异质性。其次，模型应用存在显著的地域差异：de Almeida等人（2018年）在植被覆盖区域使用Horton模型获得了最佳入渗率预测，但同样未能明确建立模型参数与根系形态特征之间的联系。这一知识空白凸显了两个未解决的科学问题：缺乏对根系特征与入渗模型参数之间动态响应的定量描述，以及对模型适用性变化与根土相互作用空间异质性关联的 insufficient 理解。因此，如图1和图2所示，推进与实际坡面恢复场景相适应的精确研究对于阐明根系特征在入渗过程中的功能作用至关重要。
因此，本研究量化了用于坡面生态修复的根系结构（RSA）参数及其相应根际土壤的土壤性质（Eleusine indica (L.) Gaertn.，Setaria viridis (L.) P. Beauv.，以及 Stipa capillata L.）。通过与无植被斜坡的比较分析，系统评估了根系在干旱和半干旱生态系统中对水文入渗过程的调节作用。研究目标有两个：（1）阐明特定植物类型的RSA特征（包括根长度密度、特定根表面积和分支复杂性）与关键土壤参数（团聚体稳定性、有机质含量和孔隙度）之间的相关性；（2）使用HYDRUS-2D水文模型数值量化特定植物根系形态特征对入渗动态的相对贡献。这些发现为生态恢复过程中的根际介导的入渗调节提供了机制性见解，进一步加深了我们对坡面稳定过程中根土水力相互作用的理解。
章节片段
研究区域
研究区域位于中国西北部的丘陵黄土地带（海拔705–1240米），靠近甘肃省陇南市武都区的梁水镇，位于白龙河中游。该地区具有半干旱大陆性气候，年平均降水量约为470毫米。年际变化较大，特别湿润年份的年降水量可达700至900毫米（Wang等人，2019年）。温度制度显示
土壤性质对根系特征的响应
表1和表2总结了每种植被类型的土壤物理和化学性质。如表1和表3所示，三种草本植物的根系特征存在显著差异：SC的根长度（989.81厘米）、根体积（5.97立方厘米）和根表面积（276.23平方厘米）分别比SV高1.74倍、5.97倍和3.24倍，比EI高6.02倍、2.21倍和4.02倍。值得注意的是，EI采用了粗根适应策略，
根系特征与土壤特征及雨水入渗的相关性
在解释结果之前，需要重申本节讨论的入渗率是基于未经校准的HYDRUS-2D模型得出的。因此，这里的比较反映了在相同边界条件下根系结构的相对机制差异，而不是绝对的现场值。所有定量陈述都应在这种比较背景下理解。土壤水力性质和植物根系结构特征广泛
结论
本研究通过实地采样三种草本植物——Setaria viridis（SV）、Eleusine indica（EI）和Stipa capillata（SC），结合HYDRUS-2D模拟，研究了根系形态特征对典型干旱和半干旱坡面生态修复区域雨水入渗动态的调节机制。通过将根土流场划分为受根系直接影响区和间接影响区，提出了一个包含根系结构参数的改良入渗模型
CRediT作者贡献声明
Long Qian：撰写——初稿，数据整理。Xia Wang：资金筹集。Junwu Wang：可视化，验证。Yunfei Zhao：撰写——审阅与编辑。Yujin Chen：软件。Yazhen Li：监督。Liujun Li：调查。Ziyang Niu：可视化，正式分析。Yarong Zhang：方法论，概念化。
Long Qian|Xia Wang|Junwu Wang|Yunfei Zhao|Yujin Chen|Yazhen Li|Liujun Li|Ziyang Niu|Yarong Zhang
