全 文 ：收稿日期：2011- 06- 05；修订日期：2011- 07- 21
基金项目：公益性行业（农业）科研专项经费项目(200903001- 2- 2)资助
作者简介：李为萍（1978-），女，内蒙古多伦人，讲师，在读博士，主要从事土体抗剪性能研究、节水灌溉理论与新技术研究。
E- mail：nmnd_liwp@163.com
*通讯作者：E- mail：shb@imau.edu.cn
沙地柏根系径级对根土复合体抗剪强度的影响
李为萍 a，史海滨 a *，胡 敏 b
（内蒙古农业大学 a.水利与土木建筑工程学院，b.职业技术学院，内蒙古 呼和浩特 010018）
摘 要：采用应变控制式直剪仪，通过对含不同沙地柏根系径级的扰动土进行室内直剪试验，分析研究根土复合体的抗剪性
能。结果表明沙地柏根系的加入，增强了土体的抗剪强度，且根土复合体的抗剪强度符合库伦定律；当所含根系径级小于某个
极限值时，根土复合体的抗剪强度随着径级的增大而增大，当超过这一极限值，则随着所含根系径级的增大，其抗剪强度逐渐
减小，随着根系径级的逐步增大，由于根自身抵抗土体剪切变形能力增强，使得根土复合体的抗剪强度值开始回升；一定竖向
荷载下，根土截面比△过小，对复合体抗剪性能影响微弱；根土截面比过大，根系与土壤胶结力降低，对抗剪强度产生负影响，
因此，存在一个最佳根土截面比，在此比值附近，根土复合体的抗剪强度达到最大。本研究可为沙地柏在作为水土保持树种栽
植方面提供理论依据。
关 键 词：根土复合体；抗剪强度；沙地柏；根系径级
中图分类号：TU432 文献标识码：A 文章编号：0564- 3945(2012)04- 0934- 04
Vol .43 ,No .4
Aug . , 2012
土 壤 通 报
Chinese Journal of Soil Science
第 43卷第 4期
2012年 8月
水土流失已成为关系到经济发展和人民生活的
大问题。生物软措施是环境保护、防治水土流失的重
要手段。采用生物软措施 - 植物措施遏制水土流失已
广泛应用[1~3]。植物根系对土壤力学方面影响的研究成
为比较活跃的研究领域[4~8]。杨亚川等（1996）以草本植
物为研究对象，提出了“土壤 - 根系复合体”的新概念[9]，
即将根系与土壤视为一体简称复合体，研究结果表明
在有草本植被的条件下，复合体抗剪强度符合库伦定
律。封金材等（2003）[10]在根系固坡作用机理中提出“根
的面积比率（Root Area Ratio）”的概念，简记为 RAR，
它是衡量根在土中含量的一个常用的指标，指的是在
一个土层断面上（水平断面或垂直断面）根的截面面
积与总断面面积的比率。胡其志等（2010）[11]通过对加
入草本植物狗牙根根系的根土复合体进行直接剪切
试验，研究在不同含根量和在不同垂直压力情况下根
土复合体抗剪强度变化情况。结果表明，狗牙根根系
具有提高土体抗剪强度的作用，根土复合体的抗剪强
度随着含根量的增加而增大，但当含根量达到一定值
时根土复合体的强度增加并不明显，即存在最佳含根
量区域。
沙地柏（sabinavulugaris）在防治荒漠化和水土流
失方面起着重要的作用[12,13]。本文通过室内直剪试验，
研究在有沙地柏根系存在情况下的根土复合体抗剪
强度与所含根系径级大小及根土截面比之间的变化
规律。以期为今后沙地柏作为水土保持树种栽植方面
提供技术参数与理论支持。
1 材料与方法
采样地位于呼和浩特南郊内蒙古农业大学科技
园区沙地柏苗圃内，2010年 5月 12日采样。该地地势
平坦，南北走向，苗圃面积为 200 m× 10 m，采样点地
表湿润，土质紧密，颗粒较细，颜色呈黄褐色。该地表
主要植被为沙地柏（sabinavulugaris）又称臭柏、圆柏，
为柏科圆柏属长绿匍匐针叶灌木，主根退化，侧根发
达并横向延伸，以吸取不多的大气降水，其根系是灌
木根系中极具有代表性的根系，是较小苗木根系中适
合室内试验的一种，而且在防治荒漠化和水土流失方
面起着重要的作用。
1.1 取样方法
随机选取 20棵长势良好的沙地柏样株测其冠幅、
树高、胸径和地径，然后根据各指标平均值选取一株
作为标准株。在距离标准株 50 cm处挖一个 50 cm×
50 cm的正方形剖面，在靠近所选沙地柏根系一侧坑
的 0 ~ 30 cm用环刀取无根原状土试样放入保湿器中，
密封带回，用于室内测定土的天然密度、干密度、孔隙
率；取 20 kg左右的扰动土，用于做直剪试验。在苗圃
取沙地柏根若干，沙地柏根系主要分布在 0 ~ 30 cm土
层内，侧根多而密，根系横向发展，整个根系形状近似
为伞状。取回后迅速埋入校园内林木长势繁茂的土壤
中，以保持其新鲜，用于扰动土配根。试验田土壤基本
4 期
物理性质见表 1、表 2，试验田土壤属于粉质粘土。
表 1 试验田基本物理性质指标
Table 1 The in dexes of basic physical property of the tested soil
土层 (cm)
Soil horizon
0 ~ 30
含水率 (%)
Water content
22.651
风干含水率 (%)
Air drymoisture content
1.031
天然密度 (g cm-3)
Natural density
1.622
干密度 (g cm-3)
Dry density
1.501
孔隙率 n (%)
Porosity
31.752
孔隙比 e
Porosity ratio
0.461
表 2 试验田土壤颗粒组成表
Table 2 The soil particle composition of the tested soil
颗粒直径 (mm)
Particle diameter
百分比 (%)
< 2
100
< 1
98.812
< 0.5
89.873
< 0.25
43.033
< 0.075
19.440
< 0.02515
10.444
< 0.01049
6.197
< 0.00538
4.831
< 0.00178
2.882
1.2 沙地柏根系分级
对所取的沙地柏根系按根系直径从 0 ~ 4.0 mm每
隔 0.5 mm分一级，取 2 cm长为一段根，即与直剪仪环
刀高度相同。用精度为 0.001的游标卡尺测量根的直
径，分别测上中下三处，相差小于 0.5 mm，每个径级制
备 4个受试土样，用于做剪切试验不同的竖向荷载
（50 kPa、100 kPa、200 kPa、400 kPa）。每个试样分布 4
根，分好后放置于自封袋中，贴好径级标签。
1.3 直剪试样制备
⑴模拟取样现场的含水率与干容重制备扰动土，
具体制备过程参见《土工试验方法标准》[14]；
⑵对于制备无根扰动土试样，取称重后的扰动
土，用击实方法将土分 3次全部击入环刀内，修平并
擦净环刀外壁；
⑶对于制备有根扰动土试样，先插入沙地柏根
系，将分级的根均匀分布于受试土样中，将称好的扰
动土用小刀分多次全部击入环刀内，保持根轴线与受
剪面垂直，修平并擦净环刀外壁；
⑷试样制备应迅速操作，或在保湿间内进行，如
不及时用，需放入试样保湿器中。
1.4 直剪试验
采用应变控制式直剪仪对扰动土试样进行快剪
试验，每组试验取四个试样，分别施加 P（50 kPa、100
kPa、200 kPa、400 kPa）垂直压力，确定土的抗剪强度指
标：内摩擦角 Φ和粘聚力 c。具体过程参见《土工试验
方法标准》[14]。
2 结果与讨论
为直观的区分有根与无根对土体抗剪强度的影
响，需通过试验计算出对应竖向荷载作用下的无根扰
动土和有不同沙地柏根系径级存在条件下的根土复
合体抗剪强度值。由图 1可知，无根及有根扰动土在
不同竖向荷载作用下，当土样体积、密度和含水率一
定时，其抗剪强度 τf与剪切面上的法向应力 σ呈正
比，其试验点可拟和成线性关系式，即 τf = σtgφ + c式,
其中 φ是土粒与土粒、土粒与根系之间的综合内摩擦
角；c是土粒与土粒、土粒与根系之间的凝聚力，表明
有根扰动土的抗剪强度符合库伦定律。
试验表明，在各级竖向荷载作用下，无根扰动土
（所含根系径级为 0）的抗剪强度值均为最小值，表明
图 1 无根系及不同根系径级下扰动土抗剪强度图
Fig.1 The shear strength without root or under the disturbance of different
levels of soil- root composites
图 2 含不同径级根系扰动土抗剪强度对比图
Fig. 2 The comparison of shear strength under the disturbance of different
diameter levels of root composites
李为萍等：沙地柏根系径级对根土复合体抗剪强度的影响 935
第 43 卷土 壤 通 报
根系的存在增强了土体的抗剪强度值。根系径级在 0
~ 1.0 mm范围内时，在相同竖向荷载作用下，土样抗
剪强度所含根系径级越大，抗剪强度越大。随着竖向
荷载的增大，根土复合体抗剪强度的峰值前移，表明，
细根对抗剪强度的作用越来越明显；当根系径级处于
1 ~ 3.5 mm范围内时，根土复合体的抗剪强度随着径
级的增大整体上呈现递减趋势；分析其原因，随着根
系径级增大，根系与土体的胶结力减弱，不能最大限
度发挥出复合体的抗剪效果。而当根系径级超过 3.5
mm时，根土复合体抗剪强度产生回升趋势，分析其原
因，可能是由于此时所含根系较粗，根系自身抵抗抗
剪切变形的能力增强，从而弥补了部分因为根土间胶
结力减弱而使根土复合体抗剪强度降低的数值。
上面已经提到不同根系径级对复合体抗剪性能
的影响，下面主要讨论衡量根影响土体抗剪强度影响
的另一个指标─根土截面比。这里所说的根土截面比
是指制备有根扰动土试样时，试样中根的总截面积与
试样总面积之比。
△=
4
i=1
Σsi s （1）
式中，△─根土面积比；
si─单根的截面积，cm2；
s′─试样环刀的面积，cm2；
i─环刀中根的个数。
直剪试验试样环刀面积为 30 cm2。
根据公式（3）计算可得各扰动土试样根土截面比
由图 3可以看出根土截面比对土的抗剪强度影
响较大。不同竖向荷载作用下，根土截面比与抗剪强
度间的曲线变化趋势相同。随着 △值的增大，均存在
某一极限值，当根土截面比 △低于此极限值时，抗剪
强度值总体上呈上升趋势，随着竖向荷载的增加，抗
剪强度峰值逐渐前移。当根土截面比 △超过某个极值
时，根土复合体的抗剪强度值与 △呈负相关关系，根
土复合体的抗剪强度值逐渐下降，随着 △值继续增
加，在各级竖向荷载作用下，均有当 △ ≈ 0.7时，根土
复合体的抗剪强度值开始上升。
3 结论
本文通过对无根扰动土及含不同根系径级的沙
地柏根系的扰动土进行室内直剪试验，得到如下结
论。
（1）沙地柏根系的加入，增强了土体的抗剪强度，
且根土复合体的抗剪强度符合库伦定律；
（2）在一定程度上，当根系径级小于某个极限时，
根土复合体的抗剪强度随着径级的增大而增大，当超
过这个极限，则随着径级的增大，其抗剪强度逐渐减
小，随着根系径级的逐步增大，由于根自身抵抗土体
剪切片形的能力增强，使得根土复合体的抗剪强度值
开始回升；
（3）在一定竖向荷载下，根土截面比 △过小，对复
合体抗剪性能影响微弱；根土截面比过大，根系与土
壤胶结力降低，对抗剪强度产生负影响，因此，存在一
个最佳根土截面比，在此比值附近，根土复合体的抗
剪强度达到最大。
通过本研究，发现的不足及今后应当继续开展的
工作：①在扰动土配根过程中，应经过试验论证以提
供合理可行的扰动土配根方案，从而使得根与土能够
实现真正的复合在一起②试验室模拟原状土来配置
扰动土，将风干扰动土按原状土的密度、含水率配置，
但不能再现原状土的原有结构，所得到的根土复合体
的抗剪强度值与原状土有一定的误差存在。
参考文献：
[ 1 ] 刘川顺, 郑 勇, 关洪林, 等. 灌木对黄土边坡的加固效应[J]. 武汉
大学学报（工学版）, 2010, 43(1): 55 - 59.
[ 2 ] 朱 力, 吴 展, 袁郑棋. 生态植被护坡作用机理研究 [J]. 土工基
础, 2009, 23(1): 46 - 49.
[ 3 ] 程 洪, 谢 涛, 唐 春, 等. 植物根系力学与固土作用机理研究
综述[J]. 水土保持通报, 2006, 26(1): 97 - 102.
[ 4 ] 程 洪, 颜传盛, 李建庆, 等. 草本植物根系网的固土机制模式与
力学试验研究[J]. 水土保持研究, 2006, 13(1): 97 - 102.
[ 5 ] 杨 璞, 向志海, 胡夏嵩, 等. 根对土壤加强作用的研究[J]. 清华大
学学报(自然科学版), 2009, 49(2): 305 - 308.
[ 6 ] 胡夏嵩, 李国荣, 朱海丽, 等. 寒旱环境灌木植物根 - 土相互作用
及其护坡力学效应 [J]. 岩石力学与工程学报, 2009, 28 (3): 613 -
图 3 根土截面比与根土复合体抗剪强度关系曲线
Fig .3 The shear strength relation curves between the soil- root composite and
root soil cross- section ratio
936
4 期
620.
[ 7 ] 朱海丽, 胡夏嵩, 毛小青, 等. 青藏高原黄土区护坡灌木植物根系
力学特性研究 [J]. 岩石力学与工程学报, 2008, 27 (增 2): 3445 -
3452.
[ 8 ] 张超波, 陈丽华, 刘秀萍, 等. 黄土高原刺槐根系固土的力学增强
效应评价[J]. 水土保持学报, 2009, 23(2): 57 - 60.
[ 9 ] 杨亚川,莫永京,王芝芳,等.土壤 - 草本植物根系复合体抗水蚀强
度与抗剪强度试验研究[J].中国农业大学学报, 1996, 1(2): 31 - 38.
[10] 封金财, 王建华. 植物根系的存在对边坡稳定性的作用[J]. 华东交
通大学学报, 2003, 20(5): 42 - 45.
[11] 胡其志, 周 政, 肖本林, 等. 生态护坡中土壤含根量与抗剪强度
关系试验研究[J]. 土工基础, 2010, 24(5): 85 - 87.
[12] 姚喜军, 刘 静, 王林和, 等. 快剪条件下柠条和沙地柏根系提高
土壤抗剪特性研究[J]. 内蒙古农业大学学报, 2008, 29(4): 82 - 86.
[13] 张 欣, 姚喜军, 刘 静, 等. 土壤孔隙水承压条件下 4 种根－土
复合体抗剪特性[J]. 水土保持通报, 2010, 30(4): 22 - 26.
[14] 《土工试验方法标准》(GB/T 50123 - 1999). 北京: 中国水利水
电出版社, 1999.
The Effect of Root Diameter of Sabinavulugaris on the Shear Strength in
Root-Soil Composites
LI Wei- ping a, SHI Hai- bin a *, HU Min b
(Inner Mongolia Agricultural University a. Water Conservancy and Civil Engineering College;
b. Vocational and Technical College, Inner Mongolia Agricultural University, Hohhot 010018, China.)
Abstract: In this paper, using t he direct shear apparatus, the shear strength of soil- root composites containing
different diameter roots of Sabinavulugaris was researched. The results showed that the colonization of Sabinavulugaris
roots increased soil shear strength and shear strength of soil- root composites accorded with Coulombs law. As the
diameter of root contained was lower than a threshold, the shear strength of soil- root composites increased as the
diameter increased. When over the limit, the shear strength of soil- root composites decreased as the diameter
increased. With the gradual increase of root diameter, the resistance capacity of root to the shear increased and made
the shear strength values of soil- root composites begin to rise. Under certain vertical load, if the root soil cross- section
ratio is too small, the root influenced Shear strength of composites weakly; if the root soil section ratio was too large,
the cement between root and soil was reduced, and roots had a negative influence on the shear strength. Therefore,
there was an optimum soil root cross- section ratio, and when the root soil cross- section ratio was near to the optimum
value, the shear strength of the root soil composite reached to the maximum. This study could provide a theoretical
basis for Sabinavulugaris plantation in the soil and water conservation areas.
Key words: Soil- root composites; Shear strength; Sabinavulugaris; Root diameter
李为萍等：沙地柏根系径级对根土复合体抗剪强度的影响 937