冀西北地区白桦根系-土壤界面摩擦性能

赵东晖，冀晓东※，张 晓，李 肖，张海江，薛治国

（1. 北京林业大学水土保持学院，北京 100083；2. 张家口市崇礼区林业和草原局，张家口 076350）

0 引 言

林木根系可以有效地增强土壤的抗侵蚀性能，提高边坡的稳固能力，同时兼具调节地表径流、控制水土流失、涵养水源等作用[1-3]。通过浅根系对土体的加筋作用、深根系对土体的锚固作用以及侧根系的牵拉作用，山坡土体的抗剪强度和边坡阻滑力得以提高，林木根系固土力学效应得到了有效地发挥[4]。

近几十年来，根系固土在理论及试验研究方面均取得了长足的进步。为了选择适合选定地域的植物种类，预测含根系边坡的稳定性，学者们围绕根系固土效应和机理开展了研究，并建立了一系列相应的模型[5]。在试验研究方面，针对根土复合体抗剪[6]、抗侵蚀[7]、抗冲刷性能[8]的研究较多，植物根系-土壤界面摩擦性能的研究近些年来也得到了学界学者的广泛关注，当前研究中采用的植被根系主要有油松（Pinus tabuleeformis）[9-12]、银杏（Ginkgo biloba）树苗[13]、山矾（Symplocos sumuntia）[14]、多花木兰（Indigofera amblyantha）[15]、苜蓿（Alfalfa）[16]等乔灌草根系，且研究变量多为拔出荷载加载速率、根系直径、埋深、土壤干密度、土壤含水率等因素。现有研究多表明：根土界面摩擦力随加载速率（根系被拔出的快慢）、根系直径、根系在土中埋深、土壤干密度的增大而增大[9-13]，随土壤含水率的增加呈现先增后减的趋势[10,14]。除上述研究变量外，不同的环境对根系生长也有一定的影响。冀西北地区是中国典型的生态脆弱地区，自20世纪70年代开始，为了治理风沙，防止水土流失，保护当地生态环境，实施建设京津风沙源治理、退耕还林、三北防护林等工程，形成多种植被生长格局，在当地生态环境保护中发挥了重要作用。白桦（Betula platyphylla）作为主要造林树种，适宜在当地环境下生长，但目前针对白桦根系与土壤界面摩擦性能的研究较少，考虑海拔等环境因素及根系生长方向对白桦根土界面摩擦性能影响暂未引起广泛关注，白桦根系固持土体的效果尚不明确。

张家口市崇礼区位于冀西北地区，山地多，海拔差异性大，不同的海拔条件下，土壤结构、温度、湿度、PH值、生物群落、物种丰富度不同，植物生长环境不同，会造成植物根系生长及生理生态特征的差异性[17-19]。该地区降水较多，年均降水量500 mm左右，但时空分布不均，植被破坏，水土流失严重[20]。研究当地天然次生演替树种——白桦根系固持土体的作用对当地造林树种的选取、林木保护环境机理的研究具有重要理论及现实意义。本研究考虑了根系直径、根系土中埋深、土壤含水率、根系生长的环境（海拔）以及根系生长方向等因素，以白桦根系为研究对象，采用直接拔出的方法，准确的量测在外荷载作用下根系与土壤之间的相对位移及根系与土壤接触界面上的摩擦力等指标，定量分析根系直径、根系在土中的埋置深度、土壤含水率、海拔和根系生长方向等因素对白桦根系与土壤摩擦性能的影响，为研究白桦根系与土壤界面摩擦性能的研究提供理论依据及数据支持，对冀西北地区林木树种的选择和生态环境的保护具有重要的意义。

1 样地概况及研究方法

1.1 样地概况

试验研究区位于河北省西北部张家口市崇礼区太子城河流域（北纬40°50′～41°00′，东经115°16′～115°31′），面积为232.94 km2。该地区气候类型为东亚大陆性季风气候，土壤类型为栗钙土、棕壤、褐土和草甸土4类，林区土壤以棕壤为主。森林植被类型主要是天然次生林植被，以白桦为主，兼有红桦（Betula albo-sinensis）、椴树（Tilia）、五角枫（Acer mono）等，人工林木有落叶松（Larix principis-rupprechtii）、云杉（Picea）、杨树（Poplar）、油松等[21]。

1.2 研究方法

1.2.1 试验材料

试验选取当地主要天然次生林树种-白桦根系作为研究对象。白桦为深根型树种，主直根系，抗风、抗旱、耐严寒、耐瘠薄，对土壤适应性强。根系发达，在垂直分布上均超过1 m。采样时间为2019年7—8月，分4次采样，每次采样1棵树的根系。地点为太子城河流域根据海拔选择的不同样地，如图1所示。除海拔条件不同，其他条件基本一致（太子城河流域山地林木植被大部分分布于阴坡、半阴半阳坡，灌草植物多分布于阳坡及阴坡、半阴半阳坡的坡下；试验材料取样地处于半阴半阳坡，灌草多分布于坡下位置，人工种植落叶松分布于坡中位置，天然次生演替树种白桦分布于坡上位置，林区土壤为棕壤，试验所取白桦标准木均位于半阴半阳坡、坡上位置，斜坡，坡度在23°～28°之间）。在样地基本信息调查的基础上，在4个样地选取树龄20 a的生长状况良好的标准木各1棵，共4棵，将地上部分伐倒，采用完全挖掘法将地下部分全部挖出，挖掘过程中按照根系的生长方向进行分类，同时注意对根系的保护。经过筛选、分拣，将生长正常、无病虫害、茎杆通直均匀突触少、表皮完整无损的鲜活根系用游标卡尺量测根系直径，取直径小于10 mm的根系清洁后装入标好采样地名、根系生长方向的密封袋保存，送回实验室在冰箱4 ℃的环境下进行冷藏保存，将根系材料在采样后1周内完成试验，减少根系失水。

进行样地调查选定标准木后，在标准木附近用环刀法挖取土壤，带回实验室，测算土壤含水率、干密度。经计算，在4个样地所取的土壤，土壤含水率范围在12.92%～14.67%之间，土壤干密度在1.54～1.61 g/cm3之间，平均值与棋盘梁标准木附近土壤含水率相近（土壤含水率为13.85%，干密度为1.58 g/cm3），故试验所用土样取棋盘梁样地标准木周径1 m范围内，挖去20 cm表层土，取20～100 cm深度范围内的土壤，现场过筛，筛去大块土块、石块，装入塑封袋带回实验室，用于土样的制备。

1.2.2 试验装置

试验装置为北京林业大学植被力学实验室自主研发的根系拉拔试验机，该试验装置由数据采集系统、驱动系统、加载系统和试件装载平台组成。其中，数据采集系统主要由10 kN的荷载传感器、0.000 1 mm的精密位移传感器LVDT和数据采集仪、数据采集及分析软件、电脑组成，驱动系统由2个同步自伺服电机和竖向线性运动单元组成，加载系统由可上下移动的运动横梁和固定根系的夹头（夹头上方连接荷载传感器）组成，试件装载系统主要由盛装根土试样的试件盒和试件平台组成。在试件平台左右两侧用磁力座固定位移计，用于测定根系拔出过程中的位移（采用两个位移计为避免一个位移计在测定中产生误差，用于校核位移）。试件盒是边长200 mm的立方体钢盒，其一面无壁，紧邻无壁面是一可用螺栓固定的活动面，此活动面中部有一长42 mm、宽10 mm的缝隙用于放入根系。同时配有用于击实土体的质量4 kg的铁锤一个。

1.2.3 试样制备及试验

称取适量土样，依据试验设定的含水率进行配制，将配制好的土样分层倒入试件盒内并进行击实。土样分5层分别击实，第3层需分2次分别填入，先填部分土后将白桦根系从有缝隙的表面插入试件盒内，按照试验设计中的根系埋深调整根系在土壤中的长度（此过程中要注意调整根系使其尽量处于缝隙中部，以防止根系在击实或后期试验过程中与试件盒缝隙边缘发生接触，影响试验的准确性），再进行第2次装土，然后击实，经过多次试验，当总击实次数为23次时试样的含水率为13.85%，干密度为1.58 g/cm3。所有试件盒外的根系长度留150 mm，分为50 mm自由端长和100 mm用于夹头夹紧。埋入土中的根系部分等长度分为三段，用游标卡尺分别测量三段根系的直径并取平均值，直径沿根长变化超过0.5 mm时更换根系。试件制作完成后静置24 h，使得根系与土壤间的接触达到相对稳定状态。24 h后将试件盒固定于装载平台，使有缝隙面朝上，用横梁夹头夹紧根系后，以10 mm/min的加载速率将根系从土中匀速拔出，在根系被拔出过程中同步采集根系拔出力及拔出位移。室内试验时间为2019年7—9月初，按照不同变量条件分为11组，共试验根系127根，其中7根在夹头处断裂或在试件盒缝隙处磨皮，有效数据120根。试验变量控制如表1所示。试验操作分析时，控制选定变量为单一变量，其他变量相同。试验数据采用Origin软件进行处理、拟合分析及出图，采用Canoco 4.5软件进行冗余分析（Redundancy analysis, RDA）。

表1 试验变量Table 1 Experimental variables

2 结果与分析

2.1 破坏模式分析

在拔出结果中，白桦根系典型的破坏模式有完全拔出破坏和拔断破坏（包括土中拔断和根土接触界面拔断）2种，其中完全拔出破坏根系116组，拔断破坏根系4组。土体被击实至土壤含水率与干密度和自然状态下相近时，土壤对根系产生垂直于摩擦面的压应力，压应力随着根系埋深、直径的增大而增大，同时根系表皮的粗糙程度越大，其与土壤间的摩擦力就越大。由于试验设定的加载速率为10 mm/min，过程缓慢，在拔出过程中，根系与周围土壤产生相对滑移后可近似认为试件盒中白桦根系受力平衡，即根系受仪器施加的拔出力和根系与土壤间的摩擦力大小相等，方向相反[11]。试样典型破坏模式与根系拔出力-位移曲线如图2所示。

如图2a所示，完全拔出破坏根系的拔出力-位移曲线可分为上升段、陡峭下降段，平稳拔出段[12]。在拔出过程中，根系受力被拉伸的同时，力由加载头位置向下传递，根土接触界面处的根系最先受根土间摩擦力影响，随着力逐渐由此位置向下传递，根系所受拔出力逐渐增大，直至土中根系所有截面均受力，根系开始与周围土壤产生相对滑移。根土间的摩擦力随着其相对滑移的增大而增大，直至两者界面连接结构、整体稳定性开始发生破坏，根系拔出力达到最大摩擦力，即曲线中的峰值点B。继续加载，根系、土壤间的接触面积随着根系从土体中被拔出而逐渐减少，同时因根系埋置方式与自然生长状态相似，上部较下部更为粗一些（虽整体直径大致接近，但还是有所区别），也造成了根系被拔出过程中，同一位置土壤与根系环向接触面积逐渐减少。随着根土界面连接结构进一步破坏，拔出力（即摩擦力）随着位移的增大而大幅减小，即为图中的陡峭下降段BC段。持续加载至根系与土壤间的接触面积几乎为0，根土之间的摩擦力近乎消失，根系随之被拔出，即为曲线中的CE段。因根系表面粗糙不平，其在拔出过程中表面上的突触与土粒产生摩擦，导致其拔出力-位移曲线非线性或平滑变化，波动起伏。

图2b表示的是根系在土中被拉断时的拔出力-位移曲线图。试验过程中根系受力同根系被拔出相似，但因根系直径较小，根土间的摩擦力超过了根系本身的拉伸强度，在根系受拉力未达到最大摩擦力时就发生了断裂，即B点。在根系断裂后，被拉断根系的下部不再受力，荷载大幅下降，如图中BC段所示，残余荷载由土中剩余部分根系承担，随着进一步的拉伸，根土界面摩擦力进一步减小，如图中CD段所示。DE段情况同被拔出根系CE段相似。对于根土接触界面拔断破坏的根系，前半部分（AB段）与根系土中拔断破坏类似，当拔出力达到根系极限承载力B点时，根系被拔断，荷载瞬间降为0。

2.2 根系直径及埋深对根系-土壤摩擦性能的影响

以埋深为控制变量时，控制其他试验变量一致，按照根系在土中不同埋置深度（50、100和150 mm）设计并进行试验（表1分组1、2、3）。试验过程中，根土界面摩擦力在整体上随着根系直径的增大而增大。同时，在其他条件相同、根系径级相近的条件下，根土界面摩擦力随着埋深的增大而增大，直径较小时，其最大摩擦力差别不大，直径越大，不同埋深的根系与土壤间的最大摩擦力差别越大。根土界面摩擦力同根系直径满足F=aDb的幂函数关系，经回归分析可知，决定系数都在0.9以上，拟合良好，如图3所示。在根系直径相同或相近的条件下，根土界面摩擦力增大幅度随埋深的增大逐渐减小，如根系径级约2.8 mm时，埋深100 mm的根系较50 mm的根土界面摩擦力增长了36.9 N、而埋深150 mm的根系比100 mm仅增长5.9 N，如图4所示。埋深越深，根土界面摩擦力增长程度越小，在其他径级相近的根系上得到了相同的结论。

2.3 含水率对根系-土壤摩擦性能的影响

以含水率为控制变量时，控制其他试验变量一致，按照不同含水率（11.85%、13.85%、15.85%和17.85%）进行配比并试验（表1分组8、9、10和11）。研究选取了各含水率条件下均有的直径相近（约为2.8、4.6和8.6 mm）的根系进行对比，在根系直径相近的情况下，根土界面摩擦力随着土壤含水率的增大呈现先增后减的变化趋势；当土壤含水率由11.85%增至15.85%时，根系最大拔出力逐渐增大，当含水率从15.85%增至17.85%时，土中根系最大拔出力下降，如图5所示。最大拔出力对应土体含水率范围在13.85%～17.85%之间。经回归分析得，不同含水率白桦根系拔出力与直径关系为幂函数关系，且决定系数均大于0.82，拟合性良好，老虎沟样地不同土壤含水率条件下根系拔出力与直径的关系如图6所示。

2.4 根系取样位置（海拔高度、生长方向）对根系-土壤摩擦性能的影响

海拔高度不同会造成植物生长环境的不同，其中光照强度具有明显的差异。其相应地理位置的光照强度不同，光照强度通过调节根系生物量的分配影响根系的生长及生理生态特征的变化，进而影响根系的物理力学特性以及根土界面摩擦性能。白桦分布区域广泛，为探究环境对根土界面摩擦性能的影响，从不同海拔条件下样地（南沟房1 695 m，下水泉1 741 m，棋盘梁1 775 m，老虎沟1 898 m）选取白桦根系进行试验（表1分组3、5、7、9）。结果表明：在根系直径相近的条件下，白桦根土界面摩擦力随着海拔的上升而增大。图7为不同海拔（样地不同）条件下土中根系最大拔出力试验结果，由图可见，仅在南沟房样地存在一个离群值，同时该样地根系的根土摩擦力离散程度小，较为集中。随着海拔的上升，箱线图中的中位线逐渐上升，根土界面摩擦力逐渐增大，根系的1.5倍四分位数间距逐渐变大，离散程度也越大。老虎沟样地海拔较其他3个样地的海拔高出许多，光照增多，根系表皮生物量较大，同径级条件下的根系与土壤间的摩擦力也较其他样地的根系大，离散程度较大。

以根系生长方向为控制变量时，控制其他试验变量一致，按照不同的生长方向（坡上方向，水平方向和坡下方向）采集根系并进行试验（表1分组4、5、6）。结果表明：在直径相近的条件下，整体上随着根系生长方向由坡下方向、水平方向向坡上方向变化，白桦根系与土壤间的最大摩擦力逐渐增大，图8为不同生长方向的根系拔出力与直径的关系比较。不同生长方向根系拔出力随直径增长过程递增趋势相近，差异不大。经回归分析得，不同生长方向白桦根系拔出力与直径关系为幂函数关系，且决定系数均大于0.96，拟合性良好。研究发现，在不同的试验变量条件下，根系拔出过程中最大拔出力对应的峰值滑移同根系直径没有一定的线性或非线性关系。

2.5 各因素对根系-土壤摩擦性能影响的综合比较

为进一步比较海拔、根系生长方向、根系土壤埋深、根系直径、土壤含水率等因素对根土界面摩擦性能的影响作用大小，基于试验数据进行冗余分析，如图9所示。第一排序轴特征值为71.8%，第二排序轴特征值为23.4%，两轴共解释了各变量与根土界面摩擦性能关系的95.2%，因此可以使用二维排序图表现二者的相关关系。结果表明：各影响因素与根土界面摩擦指标均呈正相关，根系直径和海拔对根土界面摩擦力贡献接近且较高，其余变量对根土界面摩擦力影响由大到小依次为土壤含水率、根系生长方向、根系埋深。

3 讨 论

在拔出过程中，土中根系有完全拔出和拔断2种破坏模式，学者们针对油松[9-12]、银杏树苗[13]、苜蓿[16]等植物根系的拉拔试验均得到了与本文试验结果相似的破坏模式。其中傅胤榕等[13]通过对银杏树苗施加恒定速率横向加载的拉拔试验，模拟外力荷载下根系的倾倒过程。研究表明：在粉质砂土中，根系抗拉拔力-位移曲线中抗拉拔力的变化可以概括为平缓上升、陡峭上升和缓慢上升达到峰值3个阶段。因其采用的是根系横向加载试验系统，而本试验采用的是垂直加载系统，对根系进行竖向拉拔，故曲线不同。

根土界面摩擦力在整体上随着根系直径、根系在土中埋深的增大而增大。根系直径越大，埋置深度越深，土中根系表面积越大，根土接触面积越大，同时土压力随着土体深度的增加而增大，在拔出过程中根系与土壤间的界面摩擦力也越大[9-12,22]。拉拔过程中，根土界面最大摩擦力与根系直径具有明显的正相关关系。郑力文等[11]根据油松拉拔试验，将根系简化为通直的圆柱体模型，推导出了根系所受摩擦力与根系直径的线性关系式。Zhang等[23]对沙棘的拉拔试验，得出了沙棘根系抗拔力与根系直径满足幂函数关系。使用线性函数和幂函数对白桦根系最大拔出力与根系直径的关系进行拟合，发现幂函数相关性更好，拟合优度更高，本研究采用幂函数进行拟合，拟合效果良好。

针对土壤含水率对根土界面摩擦性能的影响主要得出以下结论：土壤含水率在一定范围内增大有利于植物根系-土壤的锚固作用，当超过一定范围后，根土的摩擦锚固作用将会降低[10,13]。杨闻达等[14]对山矾主直根系拉拔力的室内试验研究及张强[24]对黑沙蒿（Artemisia ordosica）根土界面性能的研究也得到了与本试验相似的结果。从根土接触面角度分析，当根土界面上存在毛细水时，根土表面的湿润作用，会使得毛细水面向内弯曲，并在水气分界面上会产生沿着曲面的切线方向指向内部的表面张力，该张力的存在，使根土界面上形成了一种毛细压力，增加了根土间的黏聚力。此黏聚力随着土壤含水率的增加呈现先增后减的规律，使得根土间的作用力呈现相同的变化规律[25]。从土壤饱和度的角度分析，随着含水率的增大，土壤饱和度增大，水分子的增多导致土粒间孔隙水压力增强，基质吸力增大，土体中的强结合水与弱结合水逐渐达到平衡状态，根土界面充分结合，此时土壤黏聚力最大，根土界面摩擦力达到最大值；土体饱和度随着含水率的增大继续增大，土粒间的黏聚力和基质吸力随之减小，弱结合水膜的加厚削弱了土粒间的分子引力，根系与土体的咬合程度降低，两者间的摩擦力随之降低[26]。

植物所在环境会影响根系的生长，其他条件相近的前提下，不同海拔位置的根系与土壤间的界面摩擦性能也有所差异。海拔高度不同，其相应位置的环境不同，直接或间接的会影响到植物根系生理生态特征的变化[17-19]。因海拔对植物根系具体影响较为复杂，难以明确，本研究主要考虑不同海拔的光照因素对根系成分的影响。根系的化学成分会影响其本身的抗拉力及抗拉强度，植物根细胞壁的主要结构成分有纤维素，纤维素对张力的发展具有很高的抵抗力[27]。抗拉强度高且纤维素含量高的植物根系能够更有助于提高土壤强度[28]。随着海拔梯度的升高，光照强度增加，光照度对生物量的分配有着重要的影响[29]。在高光照度下将足够的碳分配到根部，提高对矿物质的吸收，导致根系生物量的增加[30]。侯晓娟研究发现在各海拔梯度下，武功山草甸植被根系特征参数（生物量密度、根长密度、根表面积密度）随着海拔的升高有升高的趋势[31]，生物量较高的根系具有较高的抗拔力[22]。试验研究发现随着根系生长方向由坡下方向、水平方向向坡上方向变化，白桦根系与土壤间的摩擦力逐渐增大。乔木在生长过程中，树干不断增粗长高，自身质量随之增大，根系循水生长，在吸收水分及养分供给树生长的同时，自身不断增粗，沿树干径向、深度方向扩张、与土壤的接触面积逐渐增大，其中柱及皮层的构造也在不断改变，相较于沿坡下生长的，沿坡上方向生长的树根需要提供更大的拉力来抵抗树体自身质量防止其倾覆，保证树体的整体稳定性。同样，针对植物根系本身沿生长方向变化的研究较少，需要进一步的研究分析。

4 结 论

本研究以冀西北地区白桦根系为研究对象，从白桦根系直径、埋深、土壤含水率、生长环境（海拔）及生长方向等方面考虑，对土中根系进行拉拔试验，探究了根土界面摩擦性能，主要结论如下：

1）土中根系在拔出过程中，有拔出破坏和拔断破坏2种破坏模式，2种破坏模式均有阶段特性。完全拔出破坏根系的拔出力-位移曲线可分为上升段、陡峭下降段，平稳拔出段3个阶段。在根系直径较小的情况下，根土间的摩擦力超过了根系本身的拉伸强度，在达到根系临界破坏荷载时，根系被拉断，荷载急剧下降，后半部分因根系拔断位置（土中或根土界面）不同而不同。

2）根土摩擦力在整体上随着根系直径、埋深的增大而增大，且在径级相近的情况下，埋深越深，根土摩擦力增长程度越小；在根系直径相近的情况下，根土摩擦力随着土壤含水率的增大呈现先增后减的变化趋势；经回归分析，不同埋深、不同含水率、不同生长方向条件下白桦根系直径与拔出力呈幂函数正相关关系，且决定系数大于0.82，拟合性良好；随着海拔的升高（1 695～1 898 m），根系生长方向沿坡下方向、水平方向、坡上方向变化，根土摩擦力逐渐增大；不同的条件下，根系拔出过程中最大拔出力对应的峰值滑移同根系直径没有一定的关系。

3）冗余分析结果表明：各影响因素与根土界面摩擦指标均呈正相关，根系直径和海拔对根土界面摩擦力贡献接近且较高，其余变量对根土界面摩擦力的影响由大到小依次为土壤含水率、根系生长方向、根系埋深。