土壤水力侵蝕是影響水土環境的重要因素，大規模工程建設形成的人工坡面以及天然坡面的水土流失預防與治理是水土流失控制的關鍵。隨著人們生態意思的增強，植被固土護坡技術已在坡面治理工程中得到越來越多的應用?；钚灾参锔狄环矫婵赏ㄟ^物理作用（如根系生長及其死亡腐爛等）或生理化學作用（如根系分泌物、土壤水分吸收利用等）改善土壤物理性狀，增大土壤入滲和傳導能力[1-5],降低地表徑流強度或集中流引起的土壤侵蝕[6-7];另一方面，相對于土體而言，植被根系本身具有較強的抗拉能力[8-10],從而增強整個土壤-根系系統的抗剪切破壞能力[3].所有這些因素，都會在一定程度上減少坡面水土流失。
大量研究結果表明，土壤-根系復合體的抗剪強度由土壤本身的抗剪強度以及根系系統增加的抗剪強度兩部分組成[11-13],即：τf=τfs+τfr（1）式中：τf,土壤-根系復合體抗剪強度，kPa;τfs,無根系土壤抗剪強度，kPa,其大小主要與土壤質地、密度以及含水量等土壤性質有關；τfr,因土壤中存在植被根系而增加的土壤抗剪強度，kPa.一般認為，土壤中根系的存在只增大土壤粘聚力而對土壤內摩擦角的影響較小[14-15].
不同的植物種類及其根系類型以及同種植物的不同生長階段和生長環境，其根系性質及其固土作用差異極大[3,12,16].一年生草本植物根系淺且細，根系直徑一般小于1mm,多分布在20~30cm的表層土壤內[9,16-20].草本植物根系可增大土壤的抗沖抗蝕能力[17,21],抑制土壤水力侵蝕[6,21-23].草本植物對改善土壤團聚體的穩定性以及增強土壤粘聚力、表土加固和土壤抗剪強度的作用明顯優于喬灌木[3-4,12,14-15,18].Mickovski等[22]的研究結果顯示，人工種植的幼年香根草可增大土壤抗剪強度36%或2.7kPa.
Cammeraat等[24]對一年生天然草本植被（主要為二穗短柄草、香草科、景天屬和蠟菊屬等混合植被）的測試結果顯示，草本植被根系平均可增大土壤抗剪強度0.6kPa.
Burylo等[15]通過模型計算，認為草本植被根系可增大表層20cm土壤抗剪強度5kPa以上。我國北方常見的稗草和狗尾巴草等一年生天然草本植被根系對土壤抗剪強度的影響作用尚未見報道。
人們對木本植被（喬灌木）根系對土坡穩定性的影響已經有了較深入的理解和認識[25-26].由于試驗方法的局限性以及研究對象的復雜性，草本植被對土壤侵蝕影響的研究目前較多集中在植被的地上部分，研究對象主要針對人工植被系統或是人工加根的擾動土樣[6,14,17,27-28],這與自然植被條件下土壤中根系分布以及根系與土壤之間的接觸狀況有較大差別。而對天然草本植物的關注，主要集中在如何控制對農田作物生長的影響方面，而較少關注其有利的方面特別是天然草本植被地下部分對生態環境的影響[9].因此，本研究針對一年生天然草本植被，探討其根系對土壤抗剪強度的影響效果，旨在對自然條件下草本植被固土護坡作用加深理解，以期為建立生態環保型水土流失防護技術體系提供理論支持。
1材料與方法
1.1試樣采集
試樣采自北京市昌平區沙河鎮滿井西村苗圃園中的林間空地（N40°9′，E116°15′,海拔高度45m）.
昌平區屬于暖溫帶大陸性季風氣候區，年均降水量和年均氣溫分別為550.3mm和11.8 ℃.取樣地土壤無生活垃圾或工業垃圾，其天然植被主要是稗草（Echinochloa crusgalli（L.）Beauv.）和狗尾巴草（Setaria viridis（L.）Beauv.）。測試土壤的粘粒、粉粒和砂粒含量分別為16.0%、50.5%和33.5%,其質地屬于粉質壤土。
選擇地勢平坦、天然草本植被類型均一、且植被覆蓋度與周邊環境相對一致的大約4m2區域作為試樣采集區。在試樣采集區內，采集點隨機布置。為使采樣點更具代表性，采樣點避開植株位置處。
土壤取樣深度為5~20cm.采集試樣時，首先清除取樣點地表以上部分的植被，將地表鏟平 （2~5cm）。在環刀（內徑61.8mm,高20mm）內壁涂一薄層凡士林，將環刀刃口向下、水平放置在取樣點，然后用靜力緩慢施壓環刀。待環刀壓入土中一定距離后，用削土刀切去環刀外部周邊土體，以便環刀順利壓入土中。當環刀中土體伸出環刀上邊沿一定距離后，將環刀及其周邊土體一塊取出，用削土刀削去環刀周邊及其上、下面以外多余的土體。將初步修整后的環刀土體用塑料布包緊裹實后放入試樣箱內，帶回試驗室。在運輸過程中，避免因振動而破壞土體的原狀結構。在取環刀試樣的同時，對每個取樣點同步取一定質量的土樣放進鋁盒中密封，以測定土壤含水量。
根據一年生天然草本植物的生長階段，本研究共取試樣4次，時間分別為3月10日、4月10日、6月10日和8月10日。第1次采集有效試樣13組，第2次和第3次各50組，第4次29組，共142組有效試樣。
1.2試驗方法
試驗采用南京土壤儀器廠生產的ZJ電動應變控制式直剪儀，按 《土工試驗方法標準GB/T50123-1999》規定的程序和要求測定土壤-根系復合體抗剪強度[29].測定時，仔細將環刀上、下部土體用削土刀刮平，并將環刀外部用潔凈干布擦拭干凈后稱重。剪切速度設定為0.8mm/min（4轉/min）,垂直豎向應力設為50kPa.
試樣所受的剪應力按式（2）計算：
式中：
τ,土壤-根系復合體剪應力，kPa;R,量力環測表讀數，0.01 mm;C,量力環校正系數，1.838N/0.01mm;A0,試樣受力面積，cm2.
在土壤-根系復合體抗剪強度測試時，若果量力環讀數達到穩定或出現峰值后顯著減小，則在剪切位移量為4mm時停止剪切試驗；若果量力環讀數一直增大，則在剪切位移量為6mm時停止剪切試驗。根據式（2）計算的剪應力數據和位移計測定的數據，以剪應力為縱坐標、剪切變形量為橫坐標，繪制剪應力與剪變形量關系圖。選取剪應力與剪變形關系曲線上的峰值點或穩定值為土壤-根系復合體抗剪強度；若無明顯峰值點或穩定值時，取剪切變形量為4mm時所對應的剪應力為抗剪強度。
土壤密度按環刀法測定，土壤質量含水量采用電烘箱烘干法測定，土壤質地采用篩分與密度計聯合測定法測定[29].直剪試驗完成后，采用鋼尺、千分尺和電子天平測定每個試樣中所有根系的特征值如根系長度、根系直徑和根系重量。根系橫斷面面積根據根系直徑計算。
1.3數據處理與分析
采用SPSS 20.0（SPSS Inc.,Chicago,USA）雙變量相關分析法，分析試驗數據各變量之間的相關性；根據偏相關分析法（雙尾檢驗）和逐步回歸分析法（P≤0.05），確定各影響因素對土壤-根系復合體抗剪強度的貢獻程度。
2結果與分析
2.1土壤密度與含水量對抗剪強度的影響
不同取樣時間土壤-根系復合體抗剪強度隨土壤干密度的變化（圖1（a））。土壤-根系復合體抗剪強度隨著土壤干密度的增加而線性增大，兩者顯著相關（P<0.001）。6和8月份的土壤-根系復合體抗剪強度隨土壤干密度的增大程度稍微大于3和4月份，這可能與土壤中植被根系數量的增多及其力學性能的增強有關。
4次取樣的測試結果顯示，土壤-根系復合體抗剪強度隨土壤含水量的增加而線性減?。▓D1（b）），兩者顯著相關 （P <0.001）。這一試驗結果與Osman和Barakbah、楊亞川等以及Fan和Su的結論一致[2,21,30-31].水分是土壤顆粒之間的潤滑劑。
當水分增多時，土壤顆粒在外力作用下更容易發生相對位移，從而導致土壤-根系復合體抗剪強度隨土壤含水量的增加而降低。
2.2植被根系對抗剪強度的影響
土壤含根量一般可用單位體積土壤所含的植被根系總質量和總根長或單位面積土壤所含的根面積即根重密度、根長密度和根-土面積比表示。根重密度和根長密度對土壤-根系復合體抗剪強度的影響（圖2）.
土壤-根系復合體抗剪強度隨著根重密度或根長密度的增加而增大（圖2），且抗剪強度與根重密度或根長密度均呈顯著正相關（P≤0.001）。這與已有的研究結論相似[2,6,14,22,28,31].不同月份之間的根重密度差異相對較?。▓D2（a）），但8月份的根長密度顯著大于其他月份（圖2（b）），這可能與植被在不同生長期的根莖變化有關。根-土面積比對土壤-根系復合體抗剪強度的影響不顯著（數據未給出）。
2.3土壤和根系因子對抗剪強度的貢獻
土壤-根系復合體抗剪強度與土壤干密度、土壤含水量以及植被根系各參數之間的偏相關系數R2見表1.從表1可以看出，雖然土壤-根系復合體抗剪強度與土壤干密度、土壤含水量、根重密度、根長密度以及根-土面積比之間的偏相關系數在不同的取樣時間各不相同，但土壤干密度、土壤含水量以及根重密度和根-土面積比是影響土壤-根系復合體抗剪強度的主要因子，且土壤-根系復合體抗剪強度與土壤干密度或土壤含水量的相關程度大于其與根重密度或根-土面積比的相關程度。
為了進一步區分土壤干密度、土壤含水量、根重密度、根長密度和根-土面積比對土壤-根系復合體抗剪強度的貢獻大小，對4次取樣的抗剪強度與土壤干密度、土壤含水量、根重密度、根長密度和根-土面積比之間進行逐步線性回歸分析。分析結果顯示，土壤-根系復合體抗剪強度與土壤干密度、土壤含水量以及根重密度在P<0.001統計水平顯著相關。由于對土壤-根系復合體抗剪強度的貢獻較小，根長密度和根-土面積比2個參數被剔除。以土壤干密度、土壤含水量和根重密度作為土壤抗剪強度的影響因子，全部4次取樣數據的多元線性回歸方程為：
式中：
τf,土壤-根系復合體抗剪強度，kPa;ρd,土壤干密 度，t/m3;θ,土壤含水量，%;ρrw,根重密度，kg/m3.
土壤-根系復合體抗剪強度與土壤干密度、土壤含水量以及根重密度之間的標準回歸系數（Beta值）分別為0.456（P<0.001）、-0.321（P<0.001）和0.186（P<0.01）。這些數值再一次證實，影響土壤-根系復合體抗剪強度各因子的大小順序為：土壤干密度>土壤含水量>根重密度。決定系數R2由一般回歸分析的0.438減小到目前的0.405,但自變量數量由5個減少到3個，更便于應用。
各次取樣以及全部4次取樣數據的統計結果顯示，根重密度與根-土面積比之間在P≤0.01統計水平顯著相關（數據未給出）。除4月份外，根重密度與根長密度也在P≤0.05統計水平相關。而根長密度與根-土面積比之間的相關性較差。由于根重密度易于測定，且可較好地代表根長密度和根-土面積比這2個表征土壤含根量的參數，因此在研究一年生草本植被根系對土壤-根系復合體抗剪強度的影響時，可采用根重密度作為代表草本植被根系的特征參數。
3討論
稗草和狗尾巴草屬于一年生須根系禾本科草本植物[32-33].作為活性材料，一年生草本植被的固土護坡作用效果與其生長階段密切相關。北京地區冬季干燥少雨，降水主要集中在6-9月份（78.3%）.
3月份平均氣溫大約為0~12 ℃,稗草和狗尾巴草等草本植物尚未開始正常生長[32-37],此時土壤中的根系為上一年度植物的遺留根系，根系直徑明顯大于其他取樣時間（3月份平均根系直徑為0.164±0.084mm）。但經過整個冬季的腐爛后，這些殘余的植物根系雖然具有一定的質量、長度和直徑，但其抗拉強度已顯著降低，它對土壤-根系復合體抗剪強度并無顯著的促進作用（表1），反而可能會因為根系占據一定的土壤空間而導致土壤-根系復合體抗剪強 度稍微 減小 （圖2）;4月份平均氣溫為8~20℃,此時草本植物剛開始萌芽生長，其根系主要為初生根系，根系生長速度快但數量少[38],根系直徑相對較大（平均0.060±0.029mm）;6月份平均氣溫為19~30℃,北京地區開始進入雨季。隨著降雨量增加和氣溫的明顯升高，稗草和狗尾巴草等草本植物進入快速生長發育期[32-33,35-36];8月份以后，草本植物進入生長旺盛期。雖然6和8月份草本植被的根系直 徑并不大 （分別為0.038±0.020和0.032±0.013mm），但此階段的植被根系數量較多，根系長且壯，根系抗拉強度也較大。稗草和狗尾巴草的生育期一般為75~150d,在9月份以后逐漸進入成熟期。因此，草本植被根系對土壤-根系復合體抗剪強度的強化作用在8月份時明顯大于本試驗中的其他取樣月份，且隨著土壤含根量的增加而顯著增大（圖2）。一年生草本植被根系在不同生育階段的力學性能以及在土壤含水量較大條件下植被根系對土壤-根系復合體抗剪強度的增強效果尚需進一步調查研究。
在測試的土壤環境（土壤干密度（1.33±0.10）t/m3和土壤含水量12.28%±3.82%）條件下，根據式（3）計算可知，一年生草本植物的根重密度每增加1.0kg/m3,土壤-根系復合體的抗剪強度可增大1.077kPa.由于本研究的取樣點位置避開了植物主根區，且為人類生產活動干擾較大的苗圃林間空地，因此測定的土壤含根量相對較低（圖2）。一般溫帶的天然草本植物根重密度可達5~10kg/m1甚至更大[18-20].當土壤中植被根重密度為5和10kg/m3時，土壤-根系復合體的抗剪強度比無根系土壤的抗剪強度可分別增大19.8%和39.5%.這一貢獻程度與Loades等報道的大田大麥根系對土壤抗剪強度29%的貢獻率相似[6].因此，一年生天然須根系草本植被對表層土壤抗剪強度的強化作用是顯著的。從力學角度來看，這將會增大表層土壤的運移阻力從而有助于抑制土壤水力侵蝕[23].
4結論
1）土壤-根系復合體抗剪強度隨著土壤干密度的增大而增大，但隨土壤含水量的增大而減小。
2）土壤-根系復合體抗剪強度與根重密度的相關性大于它與根長密度或根-土面積比的相關性。土壤-根系復合體抗剪強度隨著根重密度的增大而增大。根重密度可以作為表征一年生草本植被根系對土壤-根系復合體抗剪強度影響的根系特征參數。
3）土壤干密度和土壤含水量對土壤抗剪強度的影響程度大于一年生天然草本植被根系的影響程度，但一年生天然草本植被根系對土壤-根系復合體抗剪強度的強化效果顯著。在根重密度為5~10kg/m3時，土壤-根系復合體抗剪強度比無根系土壤抗剪強度可增大19.8% ~39.5%.
