根-土复合体固持能力的研究进展和展望

Research progress and prospects of root-soil complex reinforcement capacity

摘要

目的 系统揭示根-土复合体固土能力的作用机制，厘清其关键影响因素，并明确该领域当前面临的问题与未来亟需突破的研究方向。 方法 通过文献分析和对比分析法对根-土复合体固持能力的测定方法、影响因素和作用机制进行了梳理。 结果 （1） 根-土复合体固持能力研究主要包括野外原位试验与室内剪切试验，其中野外大型直剪试验在特定自然条件下能较好地反映特定的研究目标，室内三轴试验和直剪试验条件可控性和重复性好，但难以完全模拟根系真实的空间分布与长期应力环境；（2） 明确了固持能力的影响因素主要包含土壤性质和根系特征等方面，其更侧重研究根系力学和形态特征的直接影响；（3） 现有根-土复合体固持能力模型主要基于乔木根系特征参数构建，因此在评估灌草植物根系固持土壤能力时适用性较为有限。现有研究多将根系固土机制归因于物理加筋作用，而根系分泌物、化学成分等介导的化学胶结作用机制应是未来研究的重点方向。 结论 未来研究需进一步揭示植物根系与土壤之间相互作用的动态平衡机制，阐明不同植物类型的抗剪特性差异，区分根系特征在固土过程中物理与化学机制的具体贡献，并构建适用于灌草植物的根-土复合体模型，研究结果可为植被恢复、土壤侵蚀防治与水土保持提供理论支持与实践参考。

Abstract

Objective This study systematically reveals the effect mechanisms of the soil reinforcement capacity of root-soil complex， clarifies their key influencing factors， and identifies current challenges and future research directions requiring breakthroughs in this field. Methods The measurement methods， influencing factors， and effect mechanisms of root-soil complex are reviewed through literature analysis and comparative analysis. Results （1） Research on the reinforcement capacity of root-soil complex primarily includes field in-situ tests and laboratory shear tests. Field large-scale direct shear tests effectively reflect specific research objectives under certain natural conditions， while laboratory triaxial and direct shear tests are controllable and repeatable. However， these tests have difficulty in fully simulating the real spatial distribution of root systems and long-term stress environments. （2） The influencing factors of reinforcement capacity mainly include soil properties and root characteristics， with a greater emphasis on direct influencing factors of root mechanics and morphological characteristics. （3） Existing models for the reinforcement capacity of root-soil complex are primarily constructed based on characteristic parameters of tree root systems. Therefore， their applicability in assessing the soil reinforcement capacity of shrub and herbaceous plant root systems is relatively limited. Current studies mostly attribute soil reinforcement mechanisms of root systems to physical reinforcement effects， while chemical cementation mechanisms of root exudates and chemical components should be a key focus of future research. Conclusion Future research should further reveal the dynamic equilibrium mechanisms of interactions between plant roots and soil， clarify differences in shear resistance characteristics among various plant types， distinguish the specific contributions of physical and chemical mechanisms of root characteristics in the soil reinforcement process， and construct a root-soil complex model applicable to shrub and herbaceous plants. The research findings can provide theoretical support and practical references for vegetation restoration， soil erosion control， and soil and water conservation.

Graphical abstract

关键词

根-土复合体 / 固持能力 / 抗剪特性 / 影响因素 / 作用机制

Key words

root-soil complex / reinforcement capacity / shear resistance characteristics / influencing factors / effect mechanism

在气候变化和人类活动双重压力下，全球面临着广泛的土壤侵蚀加剧和功能退化问题^［1］。土壤侵蚀是影响人类生存与发展的重要环境问题，严重制约着全球经济社会的可持续发展^［2］。我国现有土壤侵蚀总面积356.92万km²，造成经济损失约占我国GDP总量的3.50%。现阶段土壤侵蚀对我国生态安全和水环境安全构成严重威胁，制约了我国经济社会的可持续发展以及生态文明建设。其中，植被能够发挥调节径流、增强土壤抗侵蚀性能、提高边坡稳定性等作用^［3］。近年来，植被固土保水作为保护生态环境的重要技术，已成为生态修复领域的研究热点。该领域综合了恢复生态学、植物学、土壤学和水土保持原理等多学科。边坡工程实践中，植物护坡特有的力学、水文和生态效应等被广泛地应用^［4］。植物根系对土体有加筋和锚固效果，能提高土体抗剪强度，有效改善边坡土体结构，改变土体基质吸力，提高边坡稳定性^［5］。因此，探究根-土复合体固持能力的影响因素和机制对提高坡面稳定性和土壤抗侵蚀能力具有重要意义。

根-土复合体固持能力（Soil Reinforcement）又名“加筋土”，最早由法国工程师Henri Vidal于1965年提出，是指土壤与加筋材料组成的复合体，二者共同受力并协调变形^［6］。在生态护坡领域可以解释为植物根系作为加筋锚固材料与土壤共同形成根-土复合体提高坡面稳定性。根-土复合体固持能力主要指标有抗剪强度、黏聚力、内摩擦角、位移—剪应力等。近年来，抗剪强度作为分析坡面稳定性和土壤抗蚀生的重要指标，被广泛应用于地区性生态保护和水土流失评价。根据莫尔-库伦（Mohr-Coulomb）定量表示：

{\tau }_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}=c+\sigma \mathrm{t}\mathrm{a}\mathrm{n}\phi（1）

式中τ_max为抗剪强度（kPa）；σ为垂直压力（kPa）；c为黏聚力（kPa）；φ为内摩擦角（°）。

部分学者针对黏聚力、剪切力、内摩擦角与土壤可蚀性的关系开展了相关研究。肖培青等^［7］研究指出在不同植被下垫面条件下土壤黏聚力与坡面径流量和侵蚀产沙量呈显著的负相关关系，同时建立了不同植被下坡面临界径流切应力与土壤剪应力和黏聚力的关系。夏艳华^［8］研究表明在低压条件下饱和原状土壤黏聚力>2 kPa时与黄土抗冲系数（K_r ）有强烈的正相关关系，而内摩擦角与K_r 没有直接关系。颜哲豪等^［9］研究表明拉巴豆和光叶苕子的根系形态特征和抗拉特性对喀斯特坡地根-土复合体抗剪和抗冲性能的贡献度较高。姚军^［10］对黄土丘陵区淳化县和安塞区的研究表明，耕作方式、土壤含水量、坡度、黏粒含量、植物根系是根-土复合体抗剪强度的主要影响因素，而降雨强度和土壤有机质对其影响不大。

基于根-土复合体与土壤侵蚀关系的重要性，以根-土复合体固持能力的测定方法、影响因素、作用机制3个方面为研究视角，对国内外的研究进行梳理并提出目前有关根-土复合体固持能力方面主要存在的问题及亟需开展的研究方向，以期为生态脆弱区植被恢复、土壤侵蚀与水土保持领域关键科学问题等提供重要的理论价值和工程借鉴。

1 根-土复合体固持能力的测定方法

根-土复合体固持能力测定方法主要包括野外土壤原位剪切测试和室内剪切试验。原位剪切试验主要有大型直剪试验和原位十字板剪切试验。室内剪切试验主要有三轴试验（Triaxial Test）和直剪试验（Direct Shear Test）等^［11］。目前研究者主要使用三轴试验、直剪试验和野外大型直剪试验进行分析^［11-20］（表1）。

根-土复合体固持能力测定方法中三轴试验和直剪试验条件可控和重复性好，但难以完全模拟实际的土壤受力状态、根系真实的空间分布与长期应力环境。野外大型直剪仪器一般是经过研究者依据自身试验的特点自行设计，相较于统一的试验仪器标准更适合某一特定的研究目标（图1）。北京林业大学的朱锦奇等将大型直剪试验仪器设计为剪切盒剪切系统、加载测试系统、根系分布系统和数据传输系统等几方面，对乔灌木根系固土能力进行定量研究^［19］。Yildiz等用自行设计的大型可倾斜式直剪仪对根系和土壤渗透性进行直剪试验，结果表明抗剪强度的提高不仅仅是根系贡献，也可能是土壤的膨胀结果，而膨胀性取决于相对土壤密度和围压，土壤扩容膨胀的增加会放大植物根系的影响^［20］。

2 根-土复合体固持能力的影响因素研究

2.1 土壤性质对固持能力的影响因素研究

2.1.1 土壤含水量和容重

土壤颗粒间的力以及颗粒间连接方式和胶结作用主要受土壤含水量的影响。随土壤含水量增加，土壤黏聚力呈指数函数或线性函数减小的趋势，而土壤内摩擦角表现为先减小后趋于稳定的趋势。但是也有研究发现土壤含水量与抗剪指标并不是简单的线性函数或者指数函数的关系。张健乐等研究表明，当土壤含水量为10%时，重庆紫色坡耕地的黏聚力（22.76 kPa）和内摩擦角（29.08°）为最大值^［21］。倪九派等研究发现土壤含水量为10%，黄壤的黏聚力最大值为278.28 kPa，而土壤含水量为5%时，内摩擦角最大值为35.56°^［22］。王萌等研究发现在土壤容重为1.70 g/cm³和土壤含水量为13%时青海的黄土黏聚力和内摩擦角为最大值，分别为162.9 kPa和23.22°^［23］。Dolinar and Trauner分析重塑饱和黏性土壤含水量与剪切强度的关系结果表明，随着土壤含水量增大，土壤黏聚力呈先增大后减小的趋势^［24］。

此外，国内外开展研究多从不同的耕作措施与施肥管理入手，通过间接改变容重和孔隙度进而改变土壤抗剪强度。土壤容重是土壤结构密实程度的综合反映，土壤含水量减小和容重增加二者的交互作用可显著提高黏聚力。

2.1.2 土壤颗粒粒径和团聚体

土壤颗粒的形状和大小可以引起土壤结构和土壤力学性质在微观结构和宏观尺度上的变化。Kokusho等对不同颗粒径级的含有细沙和砾石的土壤进行抗剪强度研究发现，在土壤容重相同时，由于粒径大小存在很大差异，使得不同土壤颗粒的抗剪强度差异较大^［25］。Cho等对3种土壤颗粒形状的力学强度研究发现，土壤颗粒的大小差异性越大和不规则程度越高，土壤内摩擦角就会越大^［26］。杨永红等发现土壤黏聚力与土壤颗粒粒径呈负相关关系^［27］，而蔡奕等研究发现土壤内摩擦角与土壤颗粒粒径呈正相关关系^［28］。

土壤团聚体是土壤结构的基本单元，同时也是研究土壤颗粒粒径的最直接的表征。土壤团聚体破碎程度直接影响表层结皮、土壤入渗等侵蚀过程。大多数研究均采用在室内通过饱和重塑土来测定土壤抗剪强度，但该方法在对饱和重塑土进行压缩时忽略了土壤水稳性团聚体的破碎过程，未能很好地解释土壤团聚体粒径对抗剪强度的影响。

2.2 根系特征对固持能力的影响因素研究

植物根系特征的差异性影响根-土复合体固持能力，根系特征指标的选取和计算显得尤其重要。目前，部分学者研究根系特征主要是根系形态特征（根长密度RLD、根表面积密度RSAD、根系直径D、根体积密度RVD、根生物量密度RMD和根面积比RAR）、根系抗拉力学特征（抗拉强度T_r 、抗拉力T_f 和极限延伸率ε_max）和根系化学成分含量特征（纤维素、半纤维素、木质素）。

2.2.1 根系形态特征和类型

植物根系在固土方面至关重要，开展了一系列研究量化根-土复合体抗剪特性与根系形态特征之间的关系。根-土复合体抗剪强度随RLD、RSAD和RVD的增加呈指数函数或者线性函数上升的趋势^［29］；RAR相同条件下，与粗根相比，细根（<2 mm）对根-土复合体抗剪强度提高作用更显著^［30］。草本植物根-土复合体黏聚力与根径<5 mm的根系形态指标（RLD，RSAD和RVD）呈显著或极显著正相关关系^［31］。与草本植物根系相比，乔灌木植物根-土复合体内摩擦角随着RLD和RSAD的增大呈对数函数增加^［14］。根-土复合体的内摩擦角提高原因是乔灌木根系与土壤间的接触面积较大，加之众多根毛、叉根、根节和凹凸不平的根面都大大增大了根系和土壤之间的接触面积，接触面积越大，其摩擦力越大，从而直接提高内摩擦角。

植物根系在不同的陆地生态系统和气候条件下具有不同的结构。Burylo等基于水平根和垂直根的比例，提出了3种根系结构，包括直根型（粗主根中心垂直，侧边细微根）、板根型（中心垂直根和较多的侧边细根系）和散根型（须根根系，无主根）^［32］。随后，Li等提出了H、R、VH、V、M和W根系共6种结构类型^［33］。Wang等研究6种植物根系构型，发现与裸土相比H型根系下土壤抗剪强度改善甚微，而R型和V型根系下土壤抗剪强度改善最显著。R型的倾斜根系比例较高，V型有大部分垂直根，这说明植物根系对土壤锚固强化作用主要是由垂直根和倾斜根影响^［14］。其原因是倾斜的根系能够有效地利用自身与土壤之间的摩擦作用，同时利用摩擦力的分力来阻碍根-土复合体发生的剪切变形；而垂直的根系通过根系自身的抗拉强度来抵抗剪切破坏变形。

乔木植物根系固土的基本单元是单根力学性能的研究。研究发现油松垂直根系与刺槐水平根系与胸高直径、水平根与主根、胸径与根系生物量之间呈幂函数关系，土壤容重、含水量、垂直压力、树种根系特性是影响根-土复合体抗剪强度的主要因素^［34］。灌草植物根系主要分为直根系和须根系，研究表明黄土高原须根系灌草植物减少土壤侵蚀提高土壤抗剪强度的结果相比直根系灌草植物提高92.3%^［35］。D≤1 mm的须根系，由于其表面着生有丰富的根毛，从而大大增加了根系表面积，对于土壤固持能力起着巨大的作用，进而提高了土壤抗剪强度。

综上须根系灌草植物、垂直和倾斜林木植物根系常认为固土效果最佳。根系形态和类型决定了根系加固在土壤中的分布和效果。黄土区草本和灌木植物根系主要分布于0—60 cm土层；而在黏性土壤中生长的植物根系主要集中在0—30 cm土层^［36］。大部分乔灌草植物根系的分布深度为1~3 m，其中0—60 cm土层深度的根系固土效果作用最大，力学加固作用主要针对浅表层土壤的抗剪强度和稳定性，深层固土作用随着根系含量的减少而逐渐降低。

2.2.2 根系抗拉力学特征

根系抗拉力学决定了根-土复合体受外力作用时的应变状态，是根系固土和提高坡面稳定性的一个重要指标和影响因素。在通常状况下，土壤是一种不易被压缩但易发生拉伸或剪切破坏的材料，而根系则具有很好的塑性强度。在抵抗土壤的剪切破坏过程中，根系与土壤之间的摩擦力，将根系抗拉强度（T_r ）传递到土壤中，最终提高了土壤抗剪强度。Crook等指出75%的根系在土壤破坏时发挥了抗拉特性来固持土壤，并随着土壤的破坏而被拉断^［37］。其中，根系构型对根系T_r 的影响较为明显，分支的须根系（D<1 mm）T_r 值相对较高，而单一的直根系T_r 值相对较低^［38］。

植物根系直径（D）与根系抗拉力学特性存在显著相关关系，同时不同植物根系T_r 存在较大差别，即使是同一植物根系T_r 也存在较大差异，不同植物根系抗拉强度存在差异^［39-40］。目前根系直径（D）与抗拉强度（T_r ）、抗拉力（T_f ）和极限延伸率（ε_max）的研究主要存在以下3方面的关系。第一，D与T_r 呈负相关关系，与T_f 呈正相关。植物根系T_r 随着D增加呈指数函数或幂函数降低，T_f 则与之相反。第二，D与T_r 和T_f 呈线性相关关系，即植物根系T_r 随着D增加呈线性函数降低，T_f 与之相反。第三，D与根系T_r 或T_f 无明显相关性。研究表明部分树种1~12 mm的根系T_r 值为8~85 MPa，其变化并无明显的规律，即与D无明显相关关系^［41］。

基于此，从材料力学角度看根系直径（D）与抗拉强度（T_r ）普遍呈现负相关的幂函数关系，符合材料的尺寸效应原理，即细根内部缺陷更少，更易接近材料理论强度。而直径与抗拉力（T_f ）因截面增大而呈正相关，直径与延伸率的关系则受化学成分调控，这表明细根具有更好的变形能力。植物根系抗拉强度差异性除受植物物种自身根系形态特征（根径、根长、根系构型）的影响外，还受植物物种生长的海拔、坡度、坡向、温度、土壤含水量、土壤密度和土壤养分等外界因素的影响。

2.2.3 根系化学成分特征

植物根系化学成分特征是揭示根系固土内在机制的重要依据。植物根系化学成分主要包含纤维素、半纤维素、木质素、综纤维素（全纤维素）和木纤比。

纤维素是一种葡萄糖的线性聚合物，通常具有扁平的带状结构^［42］，也是植物细胞壁的组成中含量最高的一种多糖，是植物细胞壁最主要的组成成分。半纤维素是在植物细胞壁中将纤维素和木质素紧密地互相贯穿在一起的一种多糖混合物。与纤维素的分子结构不同，半纤维素并不是均一性的多糖，而是由结构相似的多糖构成的一种碳水化合物的混合物^［42］。半纤维素具有较强的亲水性，会使细胞壁润胀，从而使纤维具有弹性。半纤维素呈现出一种不规则的非晶结构，导致其强度小，其含量的高低主要表现在抗扭转的强度。木质素是细胞壁中除纤维素外第二丰富的化学成分，是一种天然高分子聚合物，具有三维立体结构，其通过共价和非共价相互作用与细胞壁多糖结合形成木质素多糖复合物，以此保证了细胞壁的结构完整性。木质素对植物木质结构部分的支撑和刚度具有至关重要的作用^［42］。在细胞壁的孔隙中，主要由木质素填充了纤维素、半纤维素和果胶成分之间的孔隙。这些化学成分的联合作用会有效提高根系细胞壁的机械强度，进而根系抗拉强度得到显著提高。

不同植物类型的抗拉强度—根径关系的相似或不同实际反映了根系化学组成和解剖结构的相似性和差异性。植物根系化学成分含量与根系直径的普遍结果是植物根系的纤维素、半纤维素和木质素的含量随着根系直径的增加而降低，且和植物根系T_r 存在显著的相关性^［43］。纤维素是抗拉强度的主要承载体，半纤维素赋予弹性，木质素则提供刚性。在生长周期中，随根系成熟、木质化程度加深，其强度增加而延伸率降低。植物根系化学组分比例的差异主要为须根系植物因纤细根系中高比例的纤维素表现出抗拉强度较高，而直根系则依赖木质化粗根提供巨大抗拉力。

综合来看，植物根系特征与土壤理化性质是根-土复合体固持能力的重要影响因素。植物根系特征，既由植物类型内在决定，又受植物生长的立地条件和土壤性质等外界因素影响。即使同一土壤质地和相似气候条件下，植物根系的生长活动、生物和力学特性表现出明显的季节性，进而根-土复合体特性呈现较强动态差异性。

3 根-土复合体固持能力的理论模型和作用机制研究

3.1 根-土复合体固持能力的理论模型研究

植物根系可以有效地增强固土能力，使土壤抗剪强度提高50%~70%。为定量评估植物根系对土壤固持效果，研究者们基于土力学和材料力学等理论提出了植物根系固土力学模型（表2）。

根系固土模型的发展是一个从简单到复杂、从理想化到真实化的过程。FBM解决了“渐进破坏”的问题，RBM在此基础上进一步解决了“根系形态”的问题，RR模型尝试从“整体拓扑网络”的角度进行提升。目前研究模型的选择和适用性高度依赖于目标植物的根系构型。对于主根木本植物，RR模型或RBM可能更优；对于须根系草本植物，需要对RBM进行重大修正或开发全新的模型框架。例如，田佳等研究发现，RBM对存在大量细根、根系分枝角度差异较大且存在较多水平根系的草本植物适用性较差^［44］。因此，研究不同植物根系类型（特别是灌草植物）对固持能力模型进行系数校正是非常必要且实用。

3.2 根-土复合体固持能力作用机制研究

植物根系是植物与土壤进行物质交换的通道，对深入认识根-土复合体固持影响机制具有深远意义。根系固土能力可分为2方面作用机制。

首先是根系物理作用，在植物根系生长过程中通过交织和穿插到土壤中并对土壤施加压力，使土壤颗粒个体挤压在一起形成土壤团聚体，尤其是大量须根的存在增加了土壤团聚体含量。同时当植物根系吸收一定量的土壤水分时，土壤水分的减少有利于土壤颗粒聚集形成水稳性团聚体^［2］，将土壤颗粒或团聚体结合在一起，使它们成为一个整体，增强了土壤抵抗流水侵蚀的能力，进而提高了土壤的稳定性。当降雨或地面水流引起土壤分离时，根系在土壤中表现出拉伸、压缩和屈曲行为，可以增加土壤抗剪强度，改善坡面浅层土壤剪应力，并且通过加筋表层土壤和锚固深层土壤，降低土壤孔隙水压力，提高土壤稳定性^［14］。因此，根系的物理结合交织会进一步提高土壤稳定性。

其次是根系生物化学作用。植物根系与土壤之间的生物化学相互作用对土壤性质产生重要影响^［48］。植物根系的生长可以促进土壤团聚体的形成，降低土壤容重，增加土壤的黏聚力和有机质含量，降低土壤侵蚀能力和提高临界剪切力，进而通过根—土相互作用提高土壤固持能力^［49］。伴随植被恢复和植物根系生长对土壤性质产生的物理和化学作用实际上就是植物根系增强固土的主要内在机制^［50］。研究表明，只有当植物种植10 a时，根系附加黏聚力才会超过10 kPa^［51］。植物根系的生长时间的增加影响根-土复合体的动态变化特征，而且根系生长多久其物理和生物化学作用对固土产生效应并分别发挥多少效能，这两方面是未来研究的侧重点（图2）。目前关于土壤理化性质对根-土复合体固持能力的影响因素是基于不同土地利用方式的差异性导致其土壤理化性质的变化进而影响土壤稳定性。因此，研究在不同土壤质地下植物根系和土壤的相互反馈作用是根-土复合体固持能力的影响因素和机制最重要的基础研究。

4 结论

（1）根-土复合体固持能力测定方法及根系与土壤之间的相互作用。本文从野外大型直剪试验、三轴试验和直剪试验归纳分析方法的优缺点。目前测定方法更多依据特定目标而决定采取某种或几种方法。植物根系侧重于通过自身物理形态和抗拉力学作用直接影响根-土复合体固持能力，而土壤侧重于通过植物根系生物化学作用对土壤理化性质产生影响，从而间接影响根-土复合体固持能力。因此，植物根系与土壤之间相互作用的动态平衡应是未来的研究重点。

（2）根-土复合体固持能力的影响因素及其机制。本文侧重于植物根系直径、根系生物力学等本身具有的特征和土壤理化性质（特别是物理性质）等土壤本身具有的特征对固持能力主要影响因素进行归类分析。其中根系抗拉特性、形态特性、土壤含水量是提高固土能力最直接的影响因素。后续应将植物根系生物化学指标对根-土复合体固持能力的间接作用机制作为未来的重点研究方向之一。

（3）根-土复合体固持能力模型。根-土复合体固持能力模型侧重于通过乔木和木本植物根系参数逐层递进，以最准确、最简便的方法量化根系的增强。但目前模型均不适用于灌草植物根系，而且并未完全加入土壤参数的差异性、根系—土壤以及根系—根系之间相互作用。基于此，根-土复合体固持能力复合模型的研究应是未来重点研究的方向。

5 展望

目前国内外关于生态护坡工程开展了大量研究并取得了重要进展与丰硕成果。但就结合根-土复合体固持能力影响因素和作用机制等方面实践而言还有如下3个方面有待加强：

（1）目前大多数研究主要集中于某种特定植物根系和单一土壤质地对根-土复合体固持能力的影响，然而自然条件下土壤性质存在地带性差异，且多种植物共同生长。因此，不同植物根系特征和土壤性质如何相互作用提高固持能力及动态变化应引起关注。

（2）不同植物根系类型的研究多集中在单一恢复模式研究基础上，而野外实地多种植物共存，且植物有明显的季节生长特征和群落演替阶段。不同恢复年限下植物根系如何相互补充并影响根-土复合体固持能力的变化特征及其长时间动态变化尚不清晰；同时，目前也缺乏对植物根系物理和生物化学作用各自发挥效能的时间节点及如何区分两者贡献的分析。

（3）目前关于根系生长对土壤性质的影响研究较为清晰，但是对不同恢复年限下植物根系生长及其根系驱动的土壤性质变化进而影响固持能力变化的认识还缺乏报道。这导致大多数已构建的根-土复合体固持模型仅包含根系参数，而并未涉及土壤参数，从而难以明确区分植物根系固土的物理和化学机制。

参考文献

[1] 郝好鑫，吕凤玲，闫峰陵，等.基于植物功能性状的土壤侵蚀退化修复框架［J］.中国水土保持科学，2024，22（2）：159-166.

[2] Hao H X， Lü F L， Yan F L， et al. A plant functional trait-based framework for ecological restoration of eroded land［J］. Science of Soil and Water Conservation， 2024，22（2）：159-166.

[3] 张光辉.退耕驱动的近地表特性变化对土壤侵蚀的潜在影响［J］.中国水土保持科学，2017，15（4）：143-154.

[4] Zhang G H. Potential effects of changes in near soil surface characteristics driven by farmland abandonment on soil erosion［J］. Science of Soil and Water Conservation， 2017，15（4）：143-154.

[5] 史志华，刘前进，张含玉，等.近十年土壤侵蚀与水土保持研究进展与展望［J］.土壤学报，2020，57（5）：1117-1127.

[6] Shi Z H， Liu Q J， Zhang H Y， et al. Study on soil erosion and conservation in the past 10 years： progress and prospects［J］. Acta Pedologica Sinica， 2020，57（5）：1117-1127.

[7] Xu H， Li T B， Chen J N， et al. Characteristics and applications of ecological soil substrate for rocky slope vegetation in cold and high-altitude areas［J］. Science of the Total Environment， 2017，609：446-455.

[8] 吴宏伟.大气—植被—土体相互作用：理论与机理［J］.岩土工程学报，2017，39（1）：1-47.

[9] Wu H W. Atmosphere-plant-soil interactions： theories and mechanisms［J］. Chinese Journal of Geotechnical Engineering， 2017，39（1）：1-47.

[10] Schlosser F， Long N T. Recent results of French research on reinforced earth［J］. Journal of the Construction Division， 1974，100（3）：223-237.

[11] 肖培青，姚文艺，王国庆，等.植被作用下土壤抗剪强度和径流侵蚀力的耦合效应［J］.水科学进展，2016，27（2）：224-230.

[12] Xiao P Q， Yao W Y， Wang G Q， et al. Effects of soil shear strength and runoff erosivity on slopes with different vegetation cover［J］. Advances in Water Science， 2016，27（2）：224-230.

[13] 夏艳华.黄土抗侵蚀能力与抗剪强度关系研究［J］.水利水电技术，2012（9）：119-122.

[14] Xia Y H. Study on correlation between erosion resistance and shear strength of loess［J］. Water Resources and Hydropower Engineering， 2012（9）：119-122.

[15] 颜哲豪，谌芸，刘枭宏，等.喀斯特坡地2种地埂篱根-土复合体抗剪和抗冲性能综合评价［J］.生态学报，2022，42（5）：1811-1820.

[16] Yan Z H， Chen Y， Liu X H， et al. Comprehensive evaluation of shear strength and anti-scourability of root-soil complex of two grass hedgerows in karst slope land［J］. Acta Ecologica Sinica， 2022，42（5）：1811-1820.

[17] 姚军.黄土坡耕地土壤抗剪强度与侵蚀的关系研究［D］.陕西杨凌：西北农林科技大学，2009.

[18] Yao J. Relationship of soil shearing strength and erosion sloping cultivated land on Loess Plateau［D］. Shaanxi Yangling： Northwest A&F University， 2009.

[19] 李广信.高等土力学［M］.北京：清华大学出版社，2004.

[20] Li G X. Advanced Soil Mechanics［M］. Beijing： Tsinghua University Press， 2004.

[21] Zhang C B， Chen L H， Liu Y P， et al. Triaxial compression test of soil–root composites to evaluate influence of roots on soil shear strength［J］. Ecological Engineering， 2010，36（1）：19-26.

[22] Ni X Q， Zhang Z， Ye B， et al. Unique relation between pore water pressure generated at the first loading cycle and liquefaction resistance［J］. Engineering Geology， 2022，296：106476.

[23] Wang X H， Ma C， Wang Y Q， et al. Effect of root architecture on rainfall threshold for slope stability： variabilities in saturated hydraulic conductivity and strength of root-soil composite［J］. Landslides， 2020，17（8）：1965-1977.

[24] 周云艳，陈建平，杨倩，等.植物根系固土护坡效应的原位测定［J］.北京林业大学学报，2010，32（6）：66-70.

[25] Zhou Y Y， Chen J P， Yang Q， et al. In situ measurement of mechanical effect of plant root systems on soil reinforcement and slope protection［J］. Journal of Beijing Forestry University， 2010，32（6）：66-70.

[26] Löbmann M T， Tonin R， Wellstein C， et al. Determination of the surface-mat effect of grassland slopes as a measure for shallow slope stability［J］. Catena， 2020，187：104397.

[27] Ma′ruf M F. Shear strength of Apus bamboo root reinforced soil［J］. Ecological Engineering， 2012，41：84-86.

[28] Veylon G， Ghestem M， Stokes A， et al. Quantification of mechanical and hydric components of soil reinforcement by plant roots［J］. Canadian Geotechnical Journal， 2015，52（11）：1839-1849.

[29] 朱锦奇，王云琦，王玉杰，等.根系主要成分含量对根系固土效能的影响［J］.水土保持通报，2014，34（3）：166-170，177.

[30] Zhu J Q， Wang Y Q， Wang Y J， et al. Effect of root main component content on its soil-binding capacity［J］. Bulletin of Soil and Water Conservation， 2014，34（3）：166-170，177.

[31] Yildiz A， Graf F， Rickli C， et al. Determination of the shearing behaviour of root-permeated soils with a large-scale direct shear apparatus［J］. Catena， 2018，166：98-113.

[32] 张健乐，史东梅，刘义，等.土壤容重和含水率对紫色土坡耕地耕层抗剪强度的影响［J］.水土保持学报，2020，34（3）：162-167，174.

[33] Zhang J L， Shi D M， Liu Y， et al. Effects of soil bulk density and water content on shear strength of cultivated-layer in purple soil sloping farmland［J］. Journal of Soil and Water Conservation， 2020，34（3）：162-167，174.

[34] 倪九派，高明，魏朝富，等.土壤含水率对浅层滑坡体不同层次土壤抗剪强度的影响［J］.水土保持学报，2009，23（6）：48-50.

[35] Ni J P， Gao M， Wei C F， et al. Effects of soil water content on soil shearing strength to different soil layer of shallow landslide［J］. Journal of Soil and Water Conservation， 2009，23（6）：48-50.

[36] 王萌，张吾渝，常立君，等.含水率和干密度对青海重塑黄土强度影响研究［J］.青海大学学报：自然科学版，2016，34（2）：5-11.

[37] Wang M， Zhang W Y， Chang L J， et al. Effects of moisture content and dry density on strength of remolded loess in Qinghai［J］. Journal of Qinghai University， 2016，34（2）：5-11.

[38] Dolinar B， Trauner L. The impact of structure on the undrained shear strength of cohesive soils［J］. Engineering Geology， 2007，92（1/2）：88-96.

[39] Kokusho T， Hara T， Hiraoka R. Undrained shear strength of granular soils with different particle gradations［J］. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering， 2004，130（6）：621-629.

[40] Cho G C， Dodds J， Santamarina J C. Particle shape effects on packing density， stiffness， and strength： natural and crushed sands［J］. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering， 2006，132（5）：591-602.

[41] 杨永红，刘淑珍，王成华，等.含根量与土壤抗剪强度增加值关系的试验研究［J］.水土保持研究，2007，14（3）：287-288，291.

[42] Yang Y H， Liu S Z， Wang C H， et al. Experimental research on the relation between increasing value of shearing strength with root system［J］. Research of Soil and Water Conservation， 2007，14（3）：287-288，291.

[43] 蔡奕，施斌，刘志彬，等.团聚体大小对填筑土强度影响的试验研究［J］.岩土工程学报，2005，27（12）：1482-1486.

[44] Cai Y， Shi B， Liu Z B， et al. Experimental study on effect of aggregate size on strength of filled soils［J］. Chinese Journal of Geotechnical Engineering， 2005，27（12）：1482-1486.

[45] Helsen K， Vannoppen W， Honnay O， et al. Both below-ground and above-ground functional traits can help predict levee grassland root length density as a proxy for flow erosion resistance［J］. Journal of Vegetation Science， 2016，27（6）：1254-1263.

[46] De Baets S， Poesen J， Gyssels G， et al. Effects of grass roots on the erodibility of top soils during concentrated flow［J］. Geomorphology， 2006，76（1/2）：54-67.

[47] 强娇娇，颜哲豪，谌芸，等.喀斯特区3种草篱根-土复合体抗剪性能及其影响因素［J］.草业学报，2020，29（12）：27-37.

[48] Qiang J J， Yan Z H， Chen Y， et al. Factors affecting the shear strength of root-soil complexes from three types of grass hedgerows in a karst area［J］. Acta Prataculturae Sinica， 2020，29（12）：27-37.

[49] Burylo M， Rey F， Mathys N， et al. Plant root traits affecting the resistance of soils to concentrated flow erosion［J］. Earth Surface Processes and Landforms， 2012，37（14）：1463-1470.

[50] Li Y P， Wang Y Q， Ma C， et al. Influence of the spatial layout of plant roots on slope stability［J］. Ecological Engineering， 2016，91：477-486.

[51] 宋维峰.林木根系与均质土间相互物理作用机理研究［D］.北京：北京林业大学，2006.

[52] Song W F. Study on physical mechanism of interface between root system and loess soils［D］. Beijing： Beijing Forestry University， 2006.

[53] Wang B， Li P P， Huang C H， et al. Effects of root morphological traits on soil detachment for ten herbaceous species in the Loess Plateau［J］. Science of the Total Environment， 2020，754：142304.

[54] Ma J L， Wang B， Yu R H， et al. A study on soil erodibility and the applicability of estimation methods in Robinia pseudoacacia L. mixed forests on the Loess Plateau， China［J］. Catena， 2025，261：109580.

[55] Crook M J， Ennos A R. The anchorage mechanics of deep rooted larch， Larix europea×L. japonica［J］. Journal of Experimental Botany， 1996，47（10）：1509-1517.

[56] Bordoni M， Cislaghi A， Vercesi A， et al. Effects of plant roots on soil shear strength and shallow landslide proneness in an area of northern Italian Apennines［J］. Bulletin of Engineering Geology and the Environment， 2020，79（7）：3361-3381.

[57] 张玉，朱海丽，张珂，等.3种滨河植物单根抗拉特性与其微观结构关系［J］.干旱区研究，2022，39（2）：572-583.

[58] Zhang Y， Zhu H L， Zhang K， et al. Relationship between tensile properties and microstructure of single root of three riparian plants［J］. Arid Zone Research， 2022，39（2）：572-583.

[59] 王鑫皓，黄盛，李通，等.植被缓冲带固土护坡效应研究：以涪江流域潼南段为例［J］.中国水土保持科学，2025，23（2）：199-209.

[60] Wang X H， Huang S， Li T， et al. Research on the soil reinforcement effects of vegetation buffer zone： a case study of the Tongnan section of the Fujiang River Basin［J］. Science of Soil and Water Conservation， 2025，23（2）：199-209.

[61] De Baets S， Poesen J， Reubens B， et al. Root tensile strength and root distribution of typical Mediterranean plant species and their contribution to soil shear strength［J］. Plant and Soil， 2008，305（2）：207-226.

[62] Obembe O O， Jacobsen E， Visser R， et al. Cellulose-hemicellulose networks as target for in planta modification of the properties of natural fibres［J］. Academic Journals， 2006，1（3）：76-86.

[63] 叶超，郭忠录，蔡崇法，等.5种草本植物根系理化特性及其相关性［J］.草业科学，2017，34（3）：598-606.

[64] Ye C， Guo Z L， Cai C F， et al. Relationship between root tensile mechanical properties and main chemical components of five herbaceous species［J］. Pratacultural Science， 2017，34（3）：598-606.

[65] 田佳，曹兵，及金楠，等.花棒沙柳根与土及土与土界面直剪摩擦试验与数值模拟［J］.农业工程学报，2015，31（13）：149-156.

[66] Tian J， Cao B， Ji J N， et al. Direct shear friction test and numerical simulation of soil-soil and root-soil interface of Hedysarum Scoparium and Salix Psammophila［J］. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering， 2015，31（13）：149-156.

[67] Wu T H. Root reinforcement of soil： review of analytical models， test results， and applications to design［J］. Canadian Geotechnical Journal， 2013，50（3）：259-274.

[68] Pollen N. Temporal and spatial variability in root reinforcement of streambanks： accounting for soil shear strength and moisture［J］. Catena， 2007，69（3）：197-205.

[69] Mao Z， Yang M， Bourrier F， et al. Evaluation of root reinforcement models using numerical modelling appro-aches［J］. Plant and Soil， 2014，381（1/2）：249-270.

[70] 刘小光.林木根系与土壤摩擦锚固性能研究［D］.北京：北京林业大学，2013.

[71] Liu X G. Study on friction and anchorage characteristics between root system and soil［D］. Beijing： Beijing Forestry University， 2013.

[72] Reid J B， Goss M J. Effect of living roots of different plant species on the aggregate stability of two arable soils［J］. Journal of Soil Science， 1981，32（4）：521-541.

[73] Wang B， Zhang G H. Quantifying the binding and bonding effects of plant roots on soil detachment by overland flow in 10 typical grasslands on the Loess Plateau［J］. Soil Science Society of America Journal， 2017，81（6）：1567-1576.

[74] Sidle R C， Bogaard T A. Dynamic earth system and ecological controls of rainfall-initiated landslides［J］. Earth-Science Reviews， 2016，159：275-291.

基金资助

国家自然科学基金(42277320)

国家自然科学基金(42077058)

陕西省自然科学基金(2025JC-YBQN-428)

陕西省教育厅项目(24JK0375)

陕西理工大学 人才启动项目(X20240036)