根的形态特征作为提高中国黄土高原典型草原土壤抗性的主要因素

《Soil and Tillage Research》：Root morphological characteristics as predominant factors enhancing soil resistance in typical grasslands of the Chinese Loess Plateau

草本植物根系形态与力学特性对黄土高原土壤抗蚀性的影响研究。选取8种草本植物（5种 taproot、3种 fibrous），通过240个未扰动土壤样本测定不同剪切应力下的侵蚀力（rill erodibility）。结果显示：1）草本根系形态和力学特性显著影响土壤抗蚀性，其中形态学特征贡献率最大（53%），力学特性次之（5%），几何特征最小（1%）；2）taproot 系统侵蚀力是 fibrous 的5.86倍，最高达0.497 m/s?1；3）侵蚀力与根系表面积密度、拓扑指数呈负相关，与根力学凝聚力呈正相关，分形维度、拓扑指数与力学特性共同构成侵蚀力预测模型。

　　

王建芳|刘国斌|王冰|马伟伟

教育部草地生态系统重点实验室（甘肃农业大学），中国兰州730070

摘要

草本植物的根系在防止土壤侵蚀方面起着关键作用，这归功于其复杂的网络结构和强大的机械性能。然而，目前的研究尚未建立根系形态和机械特性与土壤侵蚀之间的关联。在这项研究中，我们从黄土高原选择了八种典型的草本植物。使用240个未受干扰的土壤样本，在六种剪切应力下测量了土壤的抗侵蚀性（通过细沟侵蚀性来反映）。结果表明，这八种草地的细沟侵蚀性范围为0.008至0.497米每秒，而草地的细沟侵蚀性比裸土低10-99%。具有直根系的植物表现出更高的细沟侵蚀性，比纤维根系高出5.86倍。八种草本植物的根系在几何形状、形态和机械特性上存在差异，表明根系从多个角度影响了土壤的抗侵蚀性。细沟侵蚀性与根质量密度、根表面积密度和根长度密度呈指数关系降低。此外，发现细沟侵蚀性与根系形态（分形维数和拓扑指数）和机械特性（根抗拉强度和凝聚力）之间存在幂函数关系。尽管根系的几何形状、形态和机械特性都能影响土壤抗侵蚀性，但形态特性影响最大。方差分解分析的结果表明，根系的几何形状、形态和机械特性解释了土壤抗侵蚀性总方差的98%，其中形态参数占53%，机械特性占5%，几何特性占1%。根系几何特性的总体效应为负效应，而形态和机械特性为正效应。在这些根系特性中，拓扑指数对土壤抗侵蚀性的贡献最大。最后，通过表面积密度、拓扑指数和根凝聚力模拟了细沟侵蚀性。本研究提供了不同根系特性如何调节土壤抗侵蚀性的机制理解，为黄土高原及类似生态脆弱地区的植被选择和基于根系的土壤侵蚀控制策略提供了理论基础。

引言

植被在生态恢复计划中对于减缓土壤侵蚀起着至关重要的作用（Jiang等人，2020年）。它通过增强水力阻力并减少径流排放来调节地表径流产生的力量。具体来说，植被类型和密度是决定其增加流动阻力和减少径流能力的关键因素（Ding和Fu，2022年）。植被指数可以反映植被影响土壤侵蚀的各种组成部分，如冠层结构、根系和凋落物（Wang等人，2025年）。其中，植被覆盖度是一个常用的指标，用于表示植被在减少侵蚀中的作用，因为它易于测量（Faucon等人，2017年；Lou等人，2022年）。然而，Gyssels等人（2005年）认为，土壤流失的减少可能归因于冠层覆盖度（地上生物量）和植物根系。另一项研究发现，植被减少土壤侵蚀的作用主要与植物根系有关（Wang等人，2014年）。在许多土壤侵蚀模型中，土壤抗侵蚀性（反映土壤抵抗侵蚀力的固有能力）通常用临界剪切应力（τ_c）和细沟侵蚀性（Kr）来表示（De Baets等人，2007年）。尽管已经明确植物根系显著影响土壤抗侵蚀性，但对其精确的定量效应和潜在机制仍存在理解上的空白。

植物根系的减蚀潜力源于根系-土壤基质内的复杂相互作用，这些相互作用改变了土壤的机械和水文性质（Eviner和Chapin，2003年；Ma等人，2022年）。植物根系通过结合和粘附效应增强了土壤的稳定性和对水蚀的抵抗力（Wang等人，2014年）。根据Wang和Zhang（2017年）的研究，结合效应是指通过加固土壤质量和增加其剪切强度来减少土壤脱离（Knapen等人，2007年；Herbrich等人，2018年）。虽然植物根系的压缩强度较低，但它们的抗拉强度很高（Aznan等人，2025年）。随着植物生长过程中根系与土壤质量的交织，形成的根系-土壤基质获得了抗拉和抗压强度，从而提高了土壤对流动水的抵抗力（Xin等人，2016年）。相比之下，粘附效应涉及根系分泌物通过范德华力和分子间作用力粘附土壤颗粒，促进土壤团聚体的形成，降低容重，并增加土壤有机质含量和凝聚力（Orwin和Wardle，2005年；Steele等人，2012年）。植物根系还提高了引发侵蚀所需的临界剪切应力，降低了细沟侵蚀性，从而提高了土壤对地表径流冲刷的抵抗力（Wang等人，2018年；Parhizkara等人，2021年）。

植物根系可以显著抑制土壤侵蚀，其有效性在很大程度上取决于各种根系特性（Stokes等人，2009年；Vannoppen等人，2017年；Ma等人，2021年）。已经使用了几种根系几何特性（包括根直径、质量密度、长度密度、表面积密度和体积比）来量化土壤侵蚀与根系特征之间的关系，有效评估了这些特性如何影响侵蚀过程。先前的研究表明，随着根质量密度、根长度密度、根表面积密度和根体积密度的增加，土壤侵蚀呈指数下降（De Baets等人，2007年；Ye等人，2017年；Xiao等人，2022年）。植物根系形成了一个复杂的交织网络，将土壤颗粒紧密结合在一起，从而直接增强了土壤的抗侵蚀性。然而，上述参数未能有效或直接捕捉根系网络结构如何防止土壤侵蚀。最近采用分形理论的研究引入了拓扑指数、分形丰度、分形维数、平均链接角度和平均链接长度等参数来描述根系网络的空间结构（Ji等人，2020年；Fan等人，2022年）。然而，对这些参数与土壤侵蚀之间关联的全面研究仍然不足。此外，植物根系的机械特性也有助于土壤加固（Ekanayake和Ginthinguri，2000年；Wang等人，2022年）。细根在土壤基质中表现出较高的抗拉强度和弹性，在土壤固结中起着关键作用（Waldron和Dakessian，1981年；Nilaweera和Natalaya，1999年）。这种抗拉强度足以抵抗地表径流冲刷，尽管这些机械特性常常被忽视。

中国黄土高原的特点是土壤高度易碎且易侵蚀，降雨强度大且集中，土壤退化历史悠久，被认为是全球侵蚀最严重的地区之一。在“ Grain for Green”项目实施后，大量农田被废弃，随后经历了自然植被的演替。这导致草地迅速扩展，到2010年底面积达到了2.6×10^5平方公里，占黄土高原总面积的41.7%，成为该地区的主要土地利用类型（Jiao等人，2012年；Li等人，2016年）。草本植物通过其根系也能有效控制土壤侵蚀。根系的几何形状、形态和机械特性在影响土壤侵蚀方面起着重要作用。在最近的研究中，通常使用单一根系几何特性来量化植物根系对土壤侵蚀的影响，忽略了更广泛的形态和机械特性。这种有限的方法阻碍了对植物根系如何促进土壤保护的全面理解。由于对植物根系对侵蚀过程的多方面影响了解不足，提高现有土壤侵蚀模型的准确性仍然具有挑战性。我们的研究重点分析了黄土高原八种典型草本植物（五种具有直根系的草本植物和三种具有纤维根系的植物）的根系。研究旨在1）展示不同物种的根系几何形状、形态和机械特性的差异，2）量化根系几何形状、形态和机械特性对细沟侵蚀性的贡献，3）揭示根系特性对细沟侵蚀性的影响机制。

研究区域和地点选择

本研究在陕西省安塞县的志方沟小流域进行（北纬36°46′28″–36°46′42″，东经109°13′03″–109°16′46″）。这是黄土高原典型的黄土丘陵和沟壑区域，面积为8.27平方公里，海拔范围为1010至1431米。该地区气候温暖，处于半湿润和半干旱条件的过渡带。年平均降水量和温度分别为505毫米和8.8摄氏度。超过70%的降水量

八种典型草地中的根系形态特性

八种代表性草本植物的根系形态参数、分形维数、分形丰度、拓扑指数、平均链接角度和平均链接长度存在显著差异（图2）。根的分形维数范围为0.34至1.34，其中BYC的值最高，SDW的值最低。分形丰度范围为0.002至0.128，最大值（ZHMX）与最小值（CMC）的比值为45.19。SDW的拓扑指数值最高，为

根系类型对土壤抗侵蚀性的影响

根系类型的差异导致了土壤抵抗侵蚀能力的差异。先前的研究将植物根系类型对土壤侵蚀影响的差异与根生物量的差异联系起来（Herbrich等人，2018年）。具有较高生物量的植物根系表明其土壤加固能力更强，从而减少了土壤侵蚀（Wang等人，2025年）。具有直根系的草本植物的细沟侵蚀性比具有纤维根系的草本植物高5.86倍。

结论

总之，不同植物之间的根系特性存在显著差异，导致土壤抗侵蚀性也有显著差异。细沟侵蚀性的范围为0.008至0.497米每秒，其中SDW的值最高，比其他草本植物高1.19–63.73倍。总体而言，具有直根系的草本植物的平均细沟侵蚀性比具有纤维根系的草本植物高5.86倍。根系的几何形状、形态和机械特性显著影响

作者贡献声明

马伟伟：撰写 – 审稿与编辑，监督，概念构思。王冰：撰写 – 审稿与编辑，方法学，资金获取，概念构思。刘国斌：撰写 – 审稿与编辑，监督。王建芳：撰写 – 原稿，方法学，概念构思。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了“选拔甘肃农业大学关键研究项目最佳候选人的公开竞争机制”（KLGE-2024–07）、国家自然科学基金（42377352、42271042）和国家重点研发计划（2022YFF1300405）的资助。作者感谢中国科学院安塞水土保持研究站和水资源部的技术支持。