年轻蓝桉（Eucalyptus globulus）根系安第斯土壤的表观剪切强度垂直分层：跨七个对比性USCS土壤类别的配对区块证据

《Forests》：Vertical Mechanical Stratification of Young Eucalyptus globulus-Rooted Andean Soils Across Seven Contrasting Soil Classes

　　

深度分辨的根系森林土壤力学响应难以解释，因为根系特性和土壤状态可能随采样深度共同变化。本研究检验了在年轻蓝桉（Eucalyptus globulus）下方采集的七个对比性安第斯统一土体分类系统（USCS）类别中，表观抗剪强度参数是否存在共同的土内深度排序，采样层位为表层（0–50 cm）、中层（50–150 cm）和深层（150–200 cm）。研究人员采用法向应力为50、100和200 kPa的直接剪切试验拟合表观Mohr–Coulomb参数（c_app和φ_app），同时单独评估干根质量含量（RC）；土壤类别作为配对区组单元。平均c_app从表层到深层增加了38.7%，所有七种土壤均遵循相同的表层<中层<深层排序（Friedman p < 0.001；Kendall W = 1.000），而平均RC下降了16.2%（Friedman p = 0.0019）。在唯一近似深度匹配的根系-裸土比较中，深层根系c_app在每个土壤类别中均超过约170 cm裸土参考值，超出量为15.64 ± 1.28 kPa（精确Wilcoxon p = 0.0156）。新颖之处在于跨土壤配对区组证明，尽管土壤类别差异很大，相同的表观黏聚力排序仍然存在，而RC呈现相反剖面。该模式与深度相关而非因果关系，因为密度、水分状态、应力历史以及未测量的根系性状在各层位未被独立控制。

根系加固是土壤-植物耦合过程，而非可在不同位点或土壤状态间不变地迁移的物种系数。现有综述强调，实测加固量取决于土壤基质、根系几何、加载路径、水分状态及根系表征的空间尺度。直接剪切、界面、结构和各向异性研究同样表明，根系含量、直径、方向、结构和应力方向可改变根系土壤的 mobilized resistance。因此，当根系穿过不同土壤层次时，深度分辨表征尤为重要。水分条件进一步增加变异性，层位特异性直接剪切、拔拉试验和非饱和土研究表明，含水量和吸力同时影响土壤基质和根系阻力的 mobilization。对于蓝桉（Eucalyptus globulus），垂直变化尤为相关，野外研究报告根系密度随深度、距树干距离和土壤机械阻力强烈变化。研究区域位于厄瓜多尔南部Loja山间盆地，区域地质和岩土工程文献记录了非均质新近系材料和复杂斜坡过程，滑坡易发性和活动变形已被多种技术研究。然而，一个核心方法学问题仍然存在：深度分辨的野外采样同时改变根系特性和土壤状态，因此观测到的垂直强度梯度不能单独归因于根系。可辩护的分析必须保留重复土壤类别结构，区分根系剖面内变化与根系-裸土对比，并仅在存在近似可比较裸土参考的深度限制根系相关推断。本研究通过将七个对比性统一土体分类系统（USCS）土壤作为三个根系层位的配对区组，并单独处理深层区间以进行唯一近似深度匹配的根系-裸土比较，解决了这一问题。主要新颖之处并非通用蓝桉系数，而是跨土壤检验：在不同土壤基质中，同一土内力学排序是否持续存在。

研究人员在厄瓜多尔南部Loja盆地Punzara地区开展实验，采集约1.5年生蓝桉下七个对比性USCS类别（CL-ML、MH、CH、OH、OL、CL、ML）的根土试样，将采样层位分为表层（0–50 cm）、中层（50–150 cm）和深层（150–200 cm）。试验使用内径约61.8 mm、高20.0 mm的环刀试样，采用ASTM D3080参考的直接剪切框架，在法向应力50、100、200 kPa下进行，剪切速率1.2 mm/min，归档记录明确为快速剪切条件。拟合线性Mohr-Coulomb表达式得到表观黏聚力（c_app）和表观内摩擦角（φ_app）。干根质量含量（RC）按干根质量占干土质量百分比计算。统计分析以土壤类别为重复区组（n=7），对RC、c_app、φ_app分别进行Friedman秩检验，以Kendall W为效应量；层位间两两比较采用精确配对Wilcoxon符号秩检验并作Holm校正；深层根系-裸土差异按土壤类别配对，对Δc_deep和Δφ_deep分别作正态性检验后采用配对t检验或精确Wilcoxon检验，并以加性区组ANOVA作参数敏感性分析。所有分析在Python 3.13.5中完成，数据与代码公开于Zenodo。

研究结果：

3.1 根系质量含量的垂直分布：通过分层测量RC，RC从表层0.159±0.057%降至中层0.141±0.056%和深层0.133±0.058%，表层至深层降低16.2%。Friedman检验显示剖面差异显著（χ²(2)=12.56，p=0.001873，W=0.897），Holm校正后仅表层-深层对比显著（p_adj=0.046875），中层-深层为p_adj=0.0625。区组ANOVA敏感性分析F(2,12)=15.43，p=0.000482，偏η²=0.720。

3.2 深度相关的表观Mohr–Coulomb响应：通过直接剪切试验拟合参数，平均c_app从表层26.99±16.43 kPa增至中层32.42±15.82 kPa和深层37.43±17.05 kPa，表层至深层增加38.7%。所有七种土壤均呈现表层<中层<深层排序，Friedman检验显著（χ²(2)=14.00，p=0.000912），Kendall W=1.000，所有配对对比在Holm校正后显著（p_adj=0.046875）。平均φ_app从24.32±5.96°增至25.48±6.20°，同样所有土壤类别排序一致（W=1.000），但φ_app因与c_app来自同一拟合包络线且排水状态未完全验证，作为次要响应。

3.3 近似深度匹配的深层根系-裸土比较：在深层（150–200 cm）与约170 cm裸土参考的比较中，所有七个土壤类别的根系c_app均超过裸土值，差值范围13.52–17.62 kPa，平均15.64±1.28 kPa（95% CI 14.46–16