半干旱区复杂多变的气候条件和地貌类型,形成了极为敏感的脆弱生态区,多年来对该区域土壤侵蚀防治的研究和实践从未中断,通过植物措施进行破损生态修复更是此中重点。植物根系因其在土体中穿插、缠绕,形成对土体类似“加筋”和“锚固”的作用,提高土体抵抗各种侵蚀的能力,已成为植物发挥固土抗蚀效能的主要体现。本研究以半干旱区典型灌木:小叶锦鸡儿(Caragana microphylla)、沙棘(Hippophae rhamnoides)、黑沙蒿(Artemisia ordosica)、沙柳(Salix psammophila)为研究对象,采用材料力学和植物理化分析的研究手段,通过野外原位模拟和室内控制试验,平行研究4种植物直根和侧根分支处单次荷载极限抗拉力学特性及其影响因素;分别研究根系在瞬时拉拔和持续拉拔两种破坏形式致损后,生长和极限抗拉力学的自修复特性;从微观角度分析根系主要化学成分含量对极限抗拉力学特性的影响;在此基础上,综合极限力、修复率及根系化学成分等影响因素,建立评价指标体系,明确不同灌木根系的自修复固上指数。本研究能够丰富根系固土抗蚀理论体系,可为根系破坏荷载作用下固土力学模型的建立奠定基础;对以神东矿区为代表的脆弱生态区精准植被建设均具有重要的理论和实践意义。主要研究结论如下:(1)4种灌木根系单次荷载作用后的极限抗拉力和抗拉强度种间差异显著,均表现为小叶锦鸡儿>沙柳>沙棘>黑沙蒿:4种灌木根系极限抗拉力学特性在生长初期和生长盛期差异显著,小叶锦鸡儿生长盛期大于生长初期,其他3种反之。根径显著影响灌木根系极限力学特性,4种灌木表现为极限抗拉力随根径增大呈幂函数增长,抗拉强度随根径增大呈幂函数或指数函数减小;侧根分支处极限抗拉力和抗拉强度弱于直根,是根系网络的易损部位。在相同程度拉拔损伤后,4种灌木根系极限抗拉力学指标修复率为沙柳(65.42%)>沙棘(44.76%)>小叶锦鸡儿(37.83%)>黑沙蒿(30.32%);生长指标修复率由大到小为沙柳(75.36%)>小叶锦鸡儿(67.94%)>沙棘(61.97%)>黑沙蒿(61.03%)。4种灌木根系自修复固土指数为:小叶锦鸡儿(5.03)>沙柳(2.89)>沙棘(-1.97)>黑沙蒿(-5.96),表明小叶锦鸡儿根系损伤自修复后的固土能力最强,沙柳次之,黑沙蒿最弱。(2)侵蚀类型影响灌木根系损伤自修复能力,持续拉拔对灌木根系生长及极限抗拉力学特性的破坏显著大于瞬时拉拔,受损后的自修复能力较差。持续拉拔损伤后,小叶锦鸡儿根系生长指标和极限抗拉力学指标修复率分别为瞬时拉拔损伤的78.06%和56.42%,沙柳根系分别为80.58%和73.06%,沙棘根系分别为69.66%和67.55%,黑沙蒿根系分别为75.74%和58.59%。(3)损伤程度显著影响根系生长指标和极限抗拉力学自修复能力,重度损伤对灌木根系活性、生长速率、极限抗拉力和抗拉强度的抑制作用显著大于轻度损伤,极易造成根系死亡。重度损伤后,小叶锦鸡儿根系生长指标和极限抗拉力学指标修复率分别为轻度损伤的80.55%和86.24%,沙柳根系分别为82.44%和88.18%,沙棘根系分别为82.50%和72.45%,黑沙蒿根系分别为84.74%和72.82%。(4)修复时长能够显著影响灌木根系拉拔损伤后生长指标和极限抗拉力学特性的自修复能力。受损后的修复时间越长,根系能够更好地消除外力损伤所产生的负反馈,修复率越大,固土能力越强。拉拔损伤自修复12个月后,小叶锦鸡儿根系生长指标修复率和极限抗拉力学指标修复率分别为自修复3个月的1.48和3.32倍,沙柳根系分别为1.38和5.29倍,沙棘根系分别为1.75和3.81倍,黑沙蒿根系分别为1.18和8.16倍。(5)根型对灌木根系拉拔损伤后生长指标和极限抗拉力学指标自修复能力的影响因植物而异。小叶锦鸡儿根系生长指标修复率为侧根分支处略大于直根3.77%,极限抗拉力学指标修复率为直根显著大于侧根分支处20.80%;沙柳根系生长指标修复率为直根略大于侧根分支处1.74%,极限抗拉力学指标修复率为侧根分支处大于直根6.35%;沙棘和黑沙蒿根系生长指标和极限抗拉力学指标修复率均为侧根分支处大于直根,前者侧根分支处分别高出直根2.42%和2.20%,后者分别高出5.19%和 5.82%。(6)4种灌木根系化学成分含量种间差异显著,小叶锦鸡儿根系纤维素、半纤维素和棕纤维素含量最多,沙棘根系木质素含量和木纤比最大。根型和根径均能够显著影响根系化学成分含量的分配。根系化学成分含量对4种灌木根系极限抗拉力和抗拉强度有不同程度的影响,间接影响根系自修复后的固土能力。4种灌木根系化学成分对其极限抗拉力的平均贡献率依次为:纤维素(80.67%)>棕纤维素(72.49%)>半纤维素(64.00%)>木纤比(60.24%)>木质素(52.76%),表明纤维素是影响灌木根系极限抗拉力学特性最主要的化学成分。