Spatial differences in， and factors influencing， the shear strength of typical herb root-soil complexes in the Loess Plateau of China

doi:10.11686/cyxb2022228

Abstract

Abstract:

The aim of this study was to explore the spatial differences in the shear resistance of root-soil complexes of herbaceous plants on the Loess Plateau of China. Soils with three different textures were selected from three sites： From north to south， Liudaogou （sandy loam in Shenmu）， Fangta （silty loam in Ansai）， Yongshouliang （clay loam in Yongshouliang）. Lolium perenne （with a fibrous root system） and Medicago sativa （with a tap root system） were planted in pots containing these soils. The soils without plants served as controls. After 4 months， the soil physicochemical properties， root characteristics， and shear strength （cohesion and internal friction angle） of root-soil complexes in the 0-10 cm， 10-20 cm， and 20-30 cm layers were measured. It was found that： 1） Soil organic matter （SOM）， mean weight diameter （MWD）， and cohesion （c） increased after planting L. perenne and M. sativa as compared to soils without plants， but the internal friction angle （φ） was basically unchanged. The influence of plants on the soil physiochemical and shear strength decreased with depth within the soil profile， and L. perenne had stronger effects than M. sativa on the soils’ physical and physicochemical properties and shear strength. 2） From sandy loam， to silty loam， to clay loam soils， c showed an increasing trend， andthe values of root parameters and bulk density （BD） decreased. The soils were ranked， from highest to lowest SOM and MWD， as follows： clay loam>sandy loam>silty loam. The highest values ofSOM， MWD， and c were in the clay loam soil. 3） A principal component analysis showed that root characteristics contributed significantly to the shear strength of root-soil complexes in sandy loam soil， while the soil characteristics contributed significantly to the shear strength of the root-soil complexes in silty loam and clay loam soils. This multivariate evaluation of the shear strength of root-soil complexes of herbaceous plants provides basic data and a theoretical reference for further studies of soil and water conservation on the Loess Plateau of China.

Key words: shear strength, soil texture, principal component analysis, Loess Plateau

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Figures/Tables 9

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土壤质地 Soil texture	植物类型 Plant type	土层 Soil layer （cm）	根长密度 RLD （×10^-2 cm·cm^-3）	根表面积密度 RSAD （×10^-2 cm²·cm^-3）	根体积密度 RVD （×10^-3 cm³·cm^-3）
S	H	0~10	423.87±163.41Aa	60.56±32.19Aa	10.73±6.53Aa
		10~20	245.62±68.19Ab	36.63±13.07Aa	6.46±2.94Aa
		20~30	99.48±56.06Ac	11.86±8.41Ab	1.77±1.51Ab
	Z	0~10	22.36±14.51Ab	7.65±7.34Ab	5.27±7.26Aa
		10~20	76.59±25.76Aa	10.67±4.77Aab	2.45±1.17Aa
		20~30	117.91±44.24Aa	16.48±7.09Aa	2.74±1.28Aa
A	H	0~10	295.56±121.61ABa	21.11±11.34Ba	2.74±2.03Ba
		10~20	367.83±244.30Aa	24.70±11.82Aa	3.24±3.32ABa
		20~30	88.80±70.06Ab	6.97±4.93Ab	1.00±0.58Aa
	Z	0~10	10.42±6.43Aa	1.08±0.74Ab	0.16±0.11Aa
		10~20	17.49±10.82Ba	2.36±1.09Ba	0.72±0.70Ba
		20~30	16.72±12.49Ba	2.09±1.00Ba	1.04±1.14Ba
Y	H	0~10	167.67±138.46Ba	21.19±13.89Ba	3.61±1.56Ba
		10~20	19.09±13.92Bb	2.12±1.95Bb	0.34±0.32Bb
		20~30	6.07±3.39Bb	0.61±0.46Bb	0.08±0.07Bb
	Z	0~10	9.50±5.17Aa	2.44±1.35Aa	0.77±0.52Aa
		10~20	3.94±2.88Cb	1.07±1.12Bab	0.36±0.48Bab
		20~30	4.56±3.93Bb	0.73±0.59Cb	0.20±0.16Bb

土壤质地 Soil texture	植物类型 Plant type	土层 Soil layer （cm）	根长密度 RLD （×10^-2 cm·cm^-3）	根表面积密度 RSAD （×10^-2 cm²·cm^-3）	根体积密度 RVD （×10^-3 cm³·cm^-3）
S	H	0~10	423.87±163.41Aa	60.56±32.19Aa	10.73±6.53Aa
		10~20	245.62±68.19Ab	36.63±13.07Aa	6.46±2.94Aa
		20~30	99.48±56.06Ac	11.86±8.41Ab	1.77±1.51Ab
	Z	0~10	22.36±14.51Ab	7.65±7.34Ab	5.27±7.26Aa
		10~20	76.59±25.76Aa	10.67±4.77Aab	2.45±1.17Aa
		20~30	117.91±44.24Aa	16.48±7.09Aa	2.74±1.28Aa
A	H	0~10	295.56±121.61ABa	21.11±11.34Ba	2.74±2.03Ba
		10~20	367.83±244.30Aa	24.70±11.82Aa	3.24±3.32ABa
		20~30	88.80±70.06Ab	6.97±4.93Ab	1.00±0.58Aa
	Z	0~10	10.42±6.43Aa	1.08±0.74Ab	0.16±0.11Aa
		10~20	17.49±10.82Ba	2.36±1.09Ba	0.72±0.70Ba
		20~30	16.72±12.49Ba	2.09±1.00Ba	1.04±1.14Ba
Y	H	0~10	167.67±138.46Ba	21.19±13.89Ba	3.61±1.56Ba
		10~20	19.09±13.92Bb	2.12±1.95Bb	0.34±0.32Bb
		20~30	6.07±3.39Bb	0.61±0.46Bb	0.08±0.07Bb
	Z	0~10	9.50±5.17Aa	2.44±1.35Aa	0.77±0.52Aa
		10~20	3.94±2.88Cb	1.07±1.12Bab	0.36±0.48Bab
		20~30	4.56±3.93Bb	0.73±0.59Cb	0.20±0.16Bb

指标 Index	S		A		Y
指标 Index	PC1	PC2	PC1	PC2	PC1	PC2
土壤含水量ω	-0.17	0.94	-0.86	0.46	0.95	-0.10
容重Bulk density	-0.36	0.92	-0.98	0.04	-0.89	0.25
土壤有机质Soil organic matter	0.89	0.34	0.71	-0.59	0.01	0.70
平均重量直径MWD	0.21	0.69	0.86	-0.34	0.57	0.68
根长密度RLD	0.94	-0.26	-0.21	0.97	-0.37	0.90
根表面积密度RSAD	0.95	-0.27	-0.19	0.97	-0.42	0.88
根体积密度RVD	0.89	-0.23	-0.13	0.98	-0.50	0.82
特征值Eigenvalue	4.58	2.47	5.48	2.04	4.64	2.09
方差贡献率Variance contribution rate （%）	57.21	30.87	68.52	25.55	58.00	26.08
累计方差贡献率Cumulative variance contribution rate （%）	57.21	88.08	68.52	94.07	58.00	84.08

指标 Index	S		A		Y
指标 Index	PC1	PC2	PC1	PC2	PC1	PC2
土壤含水量ω	-0.17	0.94	-0.86	0.46	0.95	-0.10
容重Bulk density	-0.36	0.92	-0.98	0.04	-0.89	0.25
土壤有机质Soil organic matter	0.89	0.34	0.71	-0.59	0.01	0.70
平均重量直径MWD	0.21	0.69	0.86	-0.34	0.57	0.68
根长密度RLD	0.94	-0.26	-0.21	0.97	-0.37	0.90
根表面积密度RSAD	0.95	-0.27	-0.19	0.97	-0.42	0.88
根体积密度RVD	0.89	-0.23	-0.13	0.98	-0.50	0.82
特征值Eigenvalue	4.58	2.47	5.48	2.04	4.64	2.09
方差贡献率Variance contribution rate （%）	57.21	30.87	68.52	25.55	58.00	26.08
累计方差贡献率Cumulative variance contribution rate （%）	57.21	88.08	68.52	94.07	58.00	84.08

土壤质地Soil texture	指标Index	多元线性回归方程Multiple linear regression equation	R²
S	c	c =1.205PC1+1.618PC2+8.883	0.873
S	φ	φ=-0.112PC1-0.135PC2+27.339	0.791
A	c	c =-0.377PC1+1.541PC2+9.055	0.605
A	φ	φ=-0.340PC1-0.716PC2+27.028	0.805
Y	c	c=1.685PC1-1.236PC2+14.298	0.891
Y	φ	φ=0.291PC1-0.118PC2+25.705	0.666