第1章根系形态特征
根系的形态特征很大程度上决定着根系整体在土壤加固作用中的表现，因此对于根系形态的研究也更为深入和具体。对根系形态进行研究的过程中，能够代表根系形态特征的指标一般为根系长度、根系分枝类型、单位面积含根量、根系倾斜角度以及根系结构类型等。
不同类型的植物根系往往具有不同延伸水平的生长距离和垂直生长距离，生长在地下的植物根系有着3D立体的结构，不仅存在根系粗细的差别，还存在着分枝角度、分枝节点数量、延展深度以及宽度的拓扑学结构（Gregory，2006）。这些根系的拓扑学结构在之前的研究中，包含根系的尺寸特征（根系体积、直径、长度、深度、密度和水平伸展距离等）（Smitetal.，2000;Bohm，2012;Coutts，1983）、群根的结构特征（分枝角度、分枝节点数量、分枝密度、拓扑深度和根系分配直径等）（Fitter，1987;Oppelt et al.，2001;van Noordwijk et al.，1994）、根系密度特征（根面积比、根重密度和根长密度等）（Gray and Barker，2004;Gyssels et al.，2005;Smit et al.，2000）。在以上所有提到的根系生物量特征参数中，只有少数的几个参数被广泛使用，特别是在根系固土效果的计算中，更多使用的还是根系密度特征的参数（Abe and Ziemer，1991;Gray and Sotir，1996）。其中有些参数几乎还没有被使用过，但其作用依然不可忽视。
根系生物量的相关指标受植物类型、土壤条件以及气候条件等因素影响。不同植物类型以及相同植物不同生长时期的根系所能达到的生长范围和深度都不相同。根系的生物量特征决定了根系对土壤的加固效果和对土壤质地的改造强度，因此在不同作用下对根系生物量特征的描述指标的计算和选择就显得尤其重要。根系生物量的研究中一般选择的指标有：根面积比（root area ratio，RAR），即穿过土壤某一平面的单位面积的根系横截面积；根重密度（root density），即单位土壤质量的根系的质量；根长密度（root length density，RLD），即单位体积土壤内根系的总长度等。计算植物固土效果的不同方式时，为更准确地量化其效果，应选择不同的指标对其生物量特征进行描述。其中，计算植物根系固土效果时，较多地使用根面积比作为根系生物量的参数（Abe and Ziemer，1991;Gray and Megahan，1981;Waldron，1977）。
1.1根系长度
生长在地下的植物根系往往能够延伸到土壤中的很大范围，决定根系在土壤中的生长范围的指标主要为根系的水平生长距离和垂直生长距离。根系的水平生长距离和垂直生长距离受到很多因素的制约，其中*为重要的是植物种类、土壤条件以及气候条件。
姜志强和孙树林（2004）研究发现，不同植物种类的根系在生长过程中所表现出的特性存在差异，表现在根系的生长深度和生长范围，通常将其称为深根系植物和浅根系植物。深根系植物存在较粗的根系，通常可以伸入很深的土壤中。由于较深根系植物的存在，土壤的渗透性能增强，降低了坡面径流量，从而减少了坡面水土流失，保证了坡面的稳定。而浅根系植物虽然在土壤中埋深较浅，但是其浅层土壤的含根量要明显大于深根系植物，含根量的增加带来的是土壤黏聚力的增大，导致土壤抵抗剪切破坏的能力增强，土体更不容易被破坏。
George等（1997）研究发现，土壤条件也是影响根系生长的一个重要因素，土壤中水肥条件的好坏直接决定着植物根系的生长。土壤温度可以影响根系对水分和矿质元素的吸收以及呼吸速率等生理过程，而林木生长也需要适宜的土壤水分及通气条件。除此之外，土壤中矿质元素的含量也会对根系生长产生影响。Coleman等（1992）得出土壤中Al3+的存在会影响根尖对钙、镁等矿质元素的吸收，进而影响根冠生长的结论。刘剑锋等（2009）发现土壤中Fe2+含量的增加能够促进根系对土壤中其他矿质元素的吸收，从而增强土壤中还原酶的活性。而土壤中不同氮碳含量比例会使得根系在生长过程中表现出不同的生长模式，土壤中氮含量减少会促进细根的增长，但会促进一级侧根分枝。
气候因素对植物根系生长的影响主要体现在降水和温度两个方面，在水涝条件下，由于根系缺氧，根系活力下降，根系对养分的吸收能力降低，进而影响根系的生长。而水分缺乏或达到永久萎蔫含水量时会导致根系生长减慢或停止，根系栓质化并进入高度休眠状态。由于在自然条件下根冠生长所需要的温度是时刻变化的，因此在寒冷地区根系的生长可能存在一个较长的冬眠期。当夏季来临时，由低温造成的土壤中水和原生质的黏性过大，根系如果没有在较短的时间内恢复活性，就会导致根系的生长延后，继而造成根系形态和生理特征发生改变；并且不同植物根系生长所需的*适温度也会随着种植位置的不同而产生很大差异，植物生长呈现区域性特征。
1.2根系分布角度类型
根系分布角度的分类方式多样，宋朝枢等（1964）综合根系的着生部位以及根系在土壤中的倾斜角度，将根系划分为直根、支柱根、水平支柱根和垂直支柱根四类。向师庆和赵相华（1981）根据根的着生部位及其在土壤中的伸展情况，又将根系分为水平根、主根、副主根、下垂根、斜根、心状根和根基七类。而后更多的学者将根系类型分得更为精细，根系类型可分为根砧、直根、侧直根、水平根、斜生细蔓根、内膛根、垂直根、腐殖质竞争根和吸收根九类。国外比较认可的是Strong和Roi（1983）对根系类型的划分方法，他们将根系划分为直根、侧根、内膛根以及吸收根四类。
考虑到林木根系在坡体稳定中所起到的作用，更多学者根据根系在土壤中生长的倾斜角度不同，从形态学角度出发，将生长在一株植物上的根系按照倾斜角度的不同大致分为以下三种（图1.1）:水平根，特指水平方向生长的根系，一般由与树干直接相连的主根分枝产生；垂直根，特指垂直向下生长的粗根，对于大多数植物，垂直根是唯一的；倾斜根，特指在土壤中倾斜生长的根系，倾斜根系有的从主根上分枝产生，有的从水平根上分枝产生，但一般根系直径较小，根系数量较多。
图1.1三种不同根系类型稳固坡体示意图
三种根系分布角度类型在边坡稳定中所起到的作用不同，一般来说，含有较多垂直根系的植物，其根系能够穿过潜在的剪切滑动面，进而在发生剪切破坏时抵抗滑动面的滑移。而Schwarz等（2010a）发现相比于含有较少粗根或者垂直根的土体，其抗剪强度虽然有所提高，但明显弱于有较多倾斜根的土体。而沿着水平生长的水平根，在植物种植密度较大的林地内，其根系相互联结形成网状结构，在发生滑坡等山地灾害时，其形成的网状结构能够很好地抵抗土体的崩坏，甚至在一些地区，植物与植物间的土壤已经崩坏消失，但水平根形成的巨大网状结构维持着坡面的稳定。在发生剪切破坏过程中，由于根系的倾斜角度不同，发挥作用的根系有效面积以及受力角度会产生很大差异，因此不同倾斜角度的根系在生长过程中扮演不同的角色，共同抵抗浅层滑坡的发生。
1.3含根量
土壤中根系的含量直接影响着根土复合体的抗剪能力，根系在土壤中的含根量随着土壤深度的增加而减少。尽管有的研究表明一些根系的埋深可以达到几米甚至几十米，但是绝大多数情况下，有效根系的分布仅为1～3m，80%的根系存在于60cm深度的土层内，因此可以说根系的固土效果仅限于浅层滑坡情况。在发生浅层滑坡的过程中，处于滑动面上的截面积的含根量直接影响着坡体的滑移性能。单位面积内含根量越大，其抵抗滑移的能力越强，而在0～60cm土壤深度，根土复合体的抗剪能力也随着土壤深度的增加而减少，主要是因为含根量的减少。
除此之外，与平行于剪切面的根系相比，垂直于剪切面的根系一般在剪切破坏过程中被拔出，此时土壤不再发挥剪切强度，破坏力主要作用于根系强度以及根系与土壤间原始的摩擦力。在单位面积内根面积比相同的情况下，含根量越多，根系的直径越小，根表面积越大；而当含根量增多时，大直径根系存在于破坏面上，带来更强的拔出强度，而根表面积的减少直接导致根系与土壤间的原始摩擦力减小，但相对于根系直径增加带来的拔出强度，其减小的作用微乎其微。
土壤中含根量增加的影响还体现在对土壤颗粒的吸附上，一些胶状土壤颗粒极易附着在根系四周，它们与根系间的作用力有时要比剪切破坏力强很多，当发生土体的剪切破坏时，即使根系已经裸露在剪切面外，附着在根系上的土壤颗粒依然存在。当剪切破坏作用消失时，这些附着在根系上的土壤颗粒形成致密的蓬松结构，当其他土壤颗粒运动到此时，就会团聚成更大的土壤结构，崩坏的土体也就更容易恢复。
1.4根系分枝类型
根系的分枝类型一般指同一植物根系中不同类型根在生长介质中的平面造型和分布。根系分枝类型既是一个空间概念也是一个时间概念，不同类型的植物根系在生长过程中受到环境以及自身的影响，其根系分枝类型会产生很大差异。由于在现实中描述根系分枝类型存在很大困难，因此一般采用软件模拟手段构建植物根系的生长模型，以探讨根系分枝类型的差异。
目前较为流行的模拟植物根系生长的为L系统，其本质是用一种字符重写系统，通过植物根系生长过程经验公式的抽象表达，进而展现出植物的拓扑结构。由于植物根系根轴之间的连接是通过根系拓扑学参数来表达的，其不会受到根轴自身转向或畸变的影响，因此一般将根系分枝类型分为三类（图1.2）:鲱鱼型、二分枝型和二分枝鲱鱼型。鲱鱼型根系结构特点表现为主根上的侧根仅发生一次分枝，侧根无分枝；二分枝型根系结构表现为主根上的根系存在二次分枝，但分枝数量较少；二分枝鲱鱼型根系则表现为鲱鱼型和二分枝型综合的特点，即主根和侧根都存在鲱鱼型分枝。评价根系固土的效果时，确定了根系的分枝类型后，描述根系分枝类型的主要参数（如根系数量、根系分枝夹角以及根系长度等）就可以粗略推断出来，进而可以量化表达含有不同根系分枝类型的根系对土体的稳固作用。
图1.2根系分枝类型图
1.5根系结构类型
由于受到生长环境和树种的影响，植物根系结构类型往往存在很大差异。根系在土壤中的空间分布随着其生长而逐渐表现出一定的规律。Wilde（1958）*早对根系生长的空间规律进行了总结，他将植物根系分成三种类型，分别为扁平板根型（plate root type）、团网状根型（heart root type）以及主根型（tap root type）。在这基础之上，很多学者根据研究区域的地质地貌特征又对根系进行了其他的分类。Burylo等（2011）给出了另外一套分类标准，他按照根系结构中水平根系、倾斜根系以及垂直根系的比例将根系结构类型分为三类（图1.3）:水平根系为主的主根型（tap-like root system with a vigorous centralverticalroot and few fine laterals）、粗壮垂直根系为主的主根型（tap-likerootsystemwithanidentifiable larger central root and many thinner laterals）以及细根为主的心根型Heart root system with many fibrous roots）。
第2章根系生物力学特征
2.1根系化学组成特征
植物根系的强度对植物根系的固土效能起着重要的作用，Crook和Ennos（1996）称存在75%的根系在土壤破坏时发挥了抗拉特性来固定土壤，并随着土壤的破坏而被拉断。植物根系的强度受植物种类、根系的直径、根系的长度、根系的含水量、植物的生长和死亡的不同时期等因素的影响，而对植物根系化学组成的研究，可以揭示其内在的影响机制。
植物根系的主要成分有三种，分别是：纤维素、半纤维素和木质素。纤维素是一种葡萄糖的线性聚合物，通常具有扁平的带状结构，也是植物细
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