《Soil and Tillage Research》：Effects of
Alhagi sparsifolia root content and soil moisture content on soil deformation and strength under different freeze-thaw temperature conditions
编辑推荐：
新疆冷旱区沙土冻融循环中阿尔泰小镇花根系加固效应研究。采用冻融循环与直剪试验结合的环境扫描电镜分析，揭示了根系含量对沙土变形阶段（5阶段）及强度（剪切应力增5-45%）的调控机制，最佳根系含量0.28-0.35%随土壤含水量升高而递减，抑制冻融变形超51%。
张美雪|李青林|罗宣兵|陈文娟|王瑞|于帅龙|杨光
石河子大学水资源与建筑工程学院，中国石河子832000
摘要
本研究聚焦于中国新疆的寒冷干旱地区，探讨了Alhagi sparsifolia根系在冻融条件下对砂土的加固效果。通过冻融循环试验和直剪试验，并结合环境扫描电子显微镜（ESEM）技术，分析了不同土壤含水量（8–14%）和冻结温度（-5至-20℃）下根系加固对砂土变形和强度特性的影响。结果表明，土壤在冻融循环过程中的变形经历了五个不同的阶段，且受到土壤含水量和温度的显著控制。根系的加入使土壤的最大变形减少了30%以上，在高土壤含水量（14%）时，其抑制效果超过了51%。在低含水量土壤（8%）中，过量的根系（>0.35%）会导致变形反弹，这归因于根系的聚集和界面空隙的形成。在最佳根系含量（0.28–0.35%）下，根土复合体的最大剪应力增加了5–45%，具体增幅取决于土壤含水量和冻结温度。此外，最佳根系含量随着土壤含水量的增加而降低。这些结果表明Alhagi sparsifolia在提高冻融条件下的土壤稳定性方面的有效性，并强调了根系加固的非线性和对水分的敏感性。本研究为优化寒冷干旱环境中的植被基坡体稳定策略提供了理论基础。
引言
在寒冷干旱地区，冻融循环会导致土壤水分迁移，从而引发冻胀、融沉和裂缝扩展。多项研究表明（Han等人，2025年；Song等人，2025年），冻融裂缝的产生和扩展会改变土壤的应力-应变行为，破坏土壤结构的整体完整性，并削弱潜在滑动面上的抗剪能力，从而促进浅层滑坡的发生。此外，Hou等人（2025年）和Liu等人（2024b年）报告称，在高海拔和季节性冻结地区，由冻融过程直接引起的坡体结构损伤和不稳定事件较为常见。这些研究表明，冻融过程对坡体变形和破坏具有关键影响，因此有必要开发适用于寒冷干旱环境的坡体加固策略。与传统的刚性工程方法（如锚索、挡土墙和砂浆石护坡）相比，基于植被的生态坡体保护是一种经济可行、可持续且环保的坡体加固方式（Wang和Wang，2023年；Xiong和Huang，2022年）。在寒冷干燥的气候条件下，具有广泛根系但需水量低的沙漠灌木在维持土壤稳定性方面起着关键作用（Ebrahimi等人，2019年；He等人，2024年；Zong等人，2023年）。因此，定量评估灌木根系在冻融条件下对土壤加固的贡献对于优化寒冷干旱环境中的植被基坡体稳定具有重要的科学意义。
植被加固主要通过根系的机械和水文效应实现（Bordoloi和Ng，2020年；Gonzalez-Ollauri等人，2021年），其中根系的机械加固（以下简称根系加固）被广泛认为是控制坡体稳定性的主导机制（Liu等人，2021a年；Yang等人，2022年）。Zhu等人（2022年）证明根系可以穿透潜在的剪切面并与周围土壤基质交织形成根土复合体，从而增加复合体的表观凝聚力，进而提高土壤的抗剪强度。Ghestem等人（2014年）和Su等人（2022年）发现，缺乏植物根系的土壤通常具有较高的抗压强度但抗拉强度较低。相反，当根系嵌入土壤中时，会形成根土复合体，表现出改善的抗拉性能和弹性变形能力。Yu等人（2020年）研究了中国塔里木河沿岸植物的根系，发现由于土壤颗粒和根系在剪切过程中的摩擦和互锁作用，土壤剪应力可以有效传递到根系的抗拉强度中。在土壤-根系复合系统中，土壤特性和抗剪强度主要受根系的几何和空间特性（如根系密度、深度分布和直径）、根系类型以及环境因素（如土壤湿度）的影响（Guo等人，2024年；Wang等人，2020年）。进一步的研究表明，植被的稳定效果通常主要依赖于主根（Cao等人，2025年；Li等人，2023年）。为了量化根系对土壤机械加固的贡献，研究人员通常将根系机械试验与根系加固模型（如Wu和Waldron模型（WWM）和纤维束模型（FBM）相结合，以建立理论框架（Mao，2022a年）。例如，Ji等人（2020年）提出了三种能量驱动的纤维束模型算法（FBMs-W），通过与其他模型的比较证明了它们的保守性和稳定性。此外，一些研究者认为无根土壤的主要破坏模式是整体剪切破坏，而在根土复合体中则是根系拔出主导破坏行为（Li等人，2024年）。Yang等人（2022年）进一步分析了基于界面粘结强度的根土系统中的根系破坏模式，并使用改进的Wu和Waldron模型（WWM）计算了复合尾矿的抗剪强度增量。
上述研究为植被根系在土壤保护方面的作用提供了宝贵的理论和实践支持。然而，关于根土复合体在冻融作用下的耦合变形和强度行为的研究仍然有限。目前，只有少数研究关注冻融循环后土壤强度的变化（Song等人，2025年；Wang等人，2024b年）。例如，Yang等人（2017年）进行了拔出试验和无约束压缩强度试验，研究了冻融循环和植物根系对土壤强度的影响，发现冻融循环的次数显著影响植物的加固效果。Wang等人（2024a年）对根土复合体系统进行了直剪试验，探讨了冻融频率、含水量、根系生物量和土壤抗剪强度之间的相关性；他们的结果表明，土壤凝聚力随着冻融频率的增加而显著下降。总之，现有研究主要集中在冻融循环对根土复合体强度的影响上，而不同根系含量条件下的强度和变形变化模式仍不明确。
中国新疆自治区以其寒冷干旱的气候特征而闻名，占全国陆地面积的六分之一（Wang等人，2025年）。该地区土壤侵蚀严重，水蚀面积达873,000平方公里（Zhang等人，2015a年），坡体灾害频繁发生（Zhuang等人，2021年）。尽管如此，新疆不同冻融温度条件下根土复合体的加固机制仍不甚清楚，特别是关于土壤变形和强度以及根系含量的关系。本研究选择了Alhagi sparsifolia作为实验植物，这是一种典型的沙漠物种，以其发达的根系和对寒冷、干旱及盐分的强耐受性而著称（Tariq等人，2022年）。实验土壤选为新疆天山北麓山坡上广泛分布的砂土。在不同的土壤含水量、冻结温度和根系含量条件下，对冻融后的砂土进行了变形监测和直剪试验，系统量化了Alhagi sparsifolia根系对土壤变形的抑制和加固效果，为寒冷干旱地区的土壤稳定、坡体保护和河岸生态修复提供了理论基础。
测试土壤和Alhagi sparsifolia根系的特征
未受扰动的土壤样本采集自新疆玛纳斯河流域（东经85°57'，北纬43°59'）的河岸坡地，该地区属于中温大陆性干旱至半干旱气候类型。冬季寒冷，夏季炎热，以干旱、降雨稀少和蒸发量大为特点。年平均气温为8.7℃，年平均降水量为237.7毫米。年平均积雪深度约为250毫米。
不同含水量和温度下平原土壤的变形
图7展示了不同含水量和冻结温度下平原土壤试样的垂直变形随时间的变化过程。整个变形过程可以分为五个阶段：第一阶段：低含水量土壤中的冷却引起的冻缩和高含水量土壤中的缓慢冻胀；第二阶段：冷却引起的冻胀；第三阶段：冻胀的稳定；第四阶段：低含水量土壤中的加热引起的融胀；
不同冻结温度和含水量下试样的变形特性分析
先前的研究表明，平原土壤在冻融过程中的变形受多种因素影响，包括温度、含水量、干密度、土壤类型、覆土压力和盐分含量（Liu等人，2021b年；Zhang等人，2010年；Zhang等人，2022年）。Wang等人（2022年）报告称，封闭系统中土壤的冻结变形行为受初始含水量的显著影响。
结论
本研究探讨了
Alhagi sparsifolia根系对砂土在冻融作用下的变形和抗剪强度的影响。基于在重塑粉砂上进行的实验室实验，土壤含水量范围为8%至14%，根系含量为0%至0.49%，冻结温度在-5℃至-20℃之间，主要结论如下：
(1)冻融循环过程中的土壤变形可以分为五个阶段，这些阶段主要受土壤含水量的控制
作者贡献声明
张美雪：撰写——审稿与编辑，撰写——初稿，数据整理。李青林：监督，资源管理，项目管理，数据整理。罗宣兵：可视化，数据验证，方法论，概念化。杨光：监督，方法论，概念化。于帅龙：可视化，调查，概念化。陈文娟：数据验证，监督，调查，概念化。王瑞：可视化，数据验证，调查，
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金青年科学基金（项目编号：42102312）、新疆生产建设兵团青年拔尖人才项目（项目编号：2024DB050）、石河子大学青年创新拔尖人才计划（项目编号：CXBJ202313）以及石河子市科技项目（项目编号：2023NY01）的支持。
