根系固土主導(dǎo)力學(xué)因素與差異性評價(jià)

劉福全, 劉 靜,* , 姚喜軍, 張永亮, 苑淑娟

1 內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)生態(tài)環(huán)境學(xué)院, 呼和浩特 010019 2 內(nèi)蒙古自治區(qū)灌溉排水發(fā)展中心, 呼和浩特 010019

根系固土主導(dǎo)力學(xué)因素與差異性評價(jià)

劉福全1, 劉 靜1,*, 姚喜軍1, 張永亮1, 苑淑娟2

1 內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)生態(tài)環(huán)境學(xué)院, 呼和浩特 010019 2 內(nèi)蒙古自治區(qū)灌溉排水發(fā)展中心, 呼和浩特 010019

為了探究影響根系固土的主導(dǎo)力學(xué)因素，并為侵蝕區(qū)固土抗蝕植物種的篩選提供部分依據(jù)。以3—4年生(4年生為主)5種內(nèi)蒙古干旱、半干旱地區(qū)常見的水土保持植物：檸條(CaraganamicrophyllaLam.)、沙柳(SalixpsammophilaC.wang et Ch.Y.Yang)、沙地柏(SabinavulgarisAnt.)、白沙蒿(ArtemisiasphaerocephalaKrasch.)、沙棘(HippophaerhamnoidesLinn.)為研究對象，針對春季土壤干旱和夏季暴雨(土壤濕潤)兩種自然條件，對影響5種植物根系固土的10項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行主成分分析。結(jié)果表明，根系抗拉力學(xué)特性是影響植物根系固土的主導(dǎo)力學(xué)因素，其次為根-土界面摩阻特性，最后是根-土復(fù)合體抗剪特性。在此基礎(chǔ)上，從根系力學(xué)特性的角度出發(fā)，運(yùn)用層次分析法對兩個(gè)時(shí)期5種植物根系固土能力的差異性進(jìn)行評價(jià)。在評價(jià)過程中，為了保證評價(jià)數(shù)據(jù)完整性，減小專家主觀因素所帶來的誤差，使評價(jià)結(jié)果更具科學(xué)性，該文將兩個(gè)時(shí)期主成分分析所得3個(gè)力學(xué)特性的方差貢獻(xiàn)率作為權(quán)重。評價(jià)結(jié)果顯示，根系固土指數(shù)為：春季土壤干旱時(shí)期，檸條(0.834)>沙柳(0.330)>沙地柏(-0.066)>白沙蒿(-0.206)>沙棘(-0.864)；夏季暴雨時(shí)期分別為，檸條(0.876)>沙地柏(0.218)>沙柳(0.065)>白沙蒿(-0.404)>沙棘(-0.755)。5種植物中，檸條根系的抗拉力學(xué)特性顯著優(yōu)于其他植物，可作為干旱、半干旱地區(qū)固土抗蝕的重要參考樹種。

根系固土; 力學(xué)特性; 主導(dǎo)力學(xué)因素; 主成分分析; 評價(jià); 層次分析法

隨著生物措施在防治水土流失方面的廣泛運(yùn)用，根系固土已成為當(dāng)前生態(tài)環(huán)境領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。綜合近年來國內(nèi)外學(xué)者對根系固土機(jī)理的研究成果[1-4]，影響根系固土的力學(xué)因素主要集中于根系的抗拉力學(xué)特性、根-土界面摩阻特性和根-土復(fù)合體抗剪特性[5-8]。雖然眾多學(xué)者已展開了大量的研究，但目前為止，哪種力學(xué)特性在根系固土過程中起主導(dǎo)作用尚不明確，有關(guān)該方面的研究尚未見報(bào)道。

受植物自身生理與遺傳特性的影響，根系的力學(xué)特性在不同植物間有所區(qū)別，從而造成植物根系的固土抗蝕能力也存在著種間差異。而固土抗蝕植物種的選擇正確與否不僅是改善水土流失現(xiàn)狀的關(guān)鍵，也直接關(guān)系到該地區(qū)植被重建效果與生態(tài)恢復(fù)的進(jìn)程。目前，有關(guān)干旱、半干旱地區(qū)固土抗蝕植物種篩選的研究尚未見報(bào)道，這也成為當(dāng)前該地區(qū)亟待解決的問題。

鄂爾多斯市伊金霍洛旗屬于干旱、半干旱地區(qū)，該地區(qū)春季氣候干旱，降水主要集中于夏季，且多為短歷時(shí)、高強(qiáng)度的暴雨。而在不同生長時(shí)期和土壤含水率下，根系的力學(xué)特性差異顯著[6]?；诖?，本文針對春季土壤干旱和夏季暴雨兩種自然條件，以該地區(qū)5種常見水土保持植物為研究對象，探索制約植物根系固土的主導(dǎo)力學(xué)因素。并針對根系的3種力學(xué)特性，構(gòu)建根系固土層次結(jié)構(gòu)模型，對5種植物根系固土抗蝕能力的差異性進(jìn)行評價(jià)。以期揭示根系固土的力學(xué)機(jī)理，并為侵蝕區(qū)固土抗蝕植物種的篩選提供部分參考。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于內(nèi)蒙古鄂爾多斯市伊金霍洛旗境內(nèi)，地處毛烏素沙漠東北緣，內(nèi)蒙古鄂爾多斯高原東南部，位于亞洲中部草原向荒漠草原過渡的干旱、半干旱地帶。地形呈西高東低的走勢，屬于晉陜黃土高原的北緣水蝕溝壑丘陵區(qū)，海拔在1300—1500 m之間。地理坐標(biāo)為，109°45′—110°40′E， 38°50′—39°40′N。

試驗(yàn)區(qū)的地帶性土壤主要以風(fēng)沙土和栗鈣土為主，還有黃綿土、草甸土、鹽土和沼澤土。由于風(fēng)成沙在該區(qū)主要表現(xiàn)為流動沙和半固定沙，且多為就地搬運(yùn)起沙，所以土壤機(jī)械組成較粗，砂粒含量多，土壤結(jié)構(gòu)疏松，物理性粘粒少，有機(jī)質(zhì)含量低，易遭受風(fēng)蝕和流水侵蝕。

采用篩析法與密度計(jì)法聯(lián)合測定土樣。土壤機(jī)械組成如表1所示，通過參考中國土壤質(zhì)地分類標(biāo)準(zhǔn)[9]，將試驗(yàn)區(qū)土壤類型定名為砂壤土。

表1 土壤機(jī)械組成

2 研究方法

2.1 主成分分析法

主成分分析的基本思想是將多個(gè)具有一定相關(guān)性的指標(biāo)，重新組合成一組新的相互無關(guān)的綜合指標(biāo)來代替原來的指標(biāo)。綜合指標(biāo)在所有線性組合中的方差越大，表示其包含的信息越多，對所有指標(biāo)的綜合能力也就越強(qiáng)[10]。本文借助SAS9.0軟件對反映根系數(shù)量特征與根系力學(xué)特性的10個(gè)因子進(jìn)行主成分分析，通過確定各主成分中起支配作用的因子來探討影響根系固土的主導(dǎo)力學(xué)因素。

2.2 層次分析法

層次分析法是一種簡單實(shí)用的多目標(biāo)決策分析方法。該法的基本原理是將結(jié)構(gòu)復(fù)雜、數(shù)據(jù)量冗雜的問題分解為若干層次和若干元素，通常采用專家咨詢法，即由多位經(jīng)驗(yàn)豐富的專家對同一層次中的多個(gè)元素進(jìn)行兩兩比較來構(gòu)造判斷矩陣，確定各個(gè)元素在該層次中的重要程度，而重要程度通常用1—9標(biāo)度法來表示，由此計(jì)算出各元素在其層次中所占的權(quán)重，進(jìn)而得出各個(gè)實(shí)測數(shù)據(jù)指標(biāo)的組合權(quán)重[11]。

2.2.1 構(gòu)建層次結(jié)構(gòu)模型

層次結(jié)構(gòu)模型由目標(biāo)層、準(zhǔn)則層、方案層和指標(biāo)層4個(gè)層次構(gòu)成。準(zhǔn)則層選用春季土壤干旱和夏季暴雨兩個(gè)時(shí)期主成分分析所得3個(gè)力學(xué)特性的方差貢獻(xiàn)率作為權(quán)重。方案層和指標(biāo)層由生態(tài)學(xué)、植物學(xué)、土壤學(xué)、水土保持與荒漠化防治方向的專家以及課題組主要成員在內(nèi)的10人進(jìn)行打分，確定各指標(biāo)權(quán)重。

由于5種植物根系的力學(xué)特性在不同生長時(shí)期和土壤含水率下的差異顯著。從而認(rèn)為，兩種自然條件下，根系的3種力學(xué)特性在固土過程中具有不同的重要程度。為了減小專家打分過程中主觀因素所帶來誤差，選用主成分分析結(jié)果中各力學(xué)特性占全體指標(biāo)的方差貢獻(xiàn)率作為差異性評價(jià)的權(quán)重。層次結(jié)構(gòu)模型與評價(jià)指標(biāo)權(quán)重如表2所示。

2.2.2 一致性檢驗(yàn)

借助Excel軟件并運(yùn)用和積法[11]得到各判斷矩陣的一致性比率CR。經(jīng)計(jì)算，層次單排序與層次總排序均具有滿意的一致性(CR<0.1)。

2.2.3 根系固土指數(shù)

根系固土指數(shù)等于所有實(shí)測數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)值與其對應(yīng)的組合權(quán)重值乘積的累加值。將數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理可消除量綱與變量數(shù)值大小的影響，標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)值反映與平均值間的偏離程度，正值表示高于平均值，負(fù)值表示低于平均值。由于本文的各項(xiàng)評價(jià)指標(biāo)的實(shí)測值均表現(xiàn)為數(shù)值越大越有利于固土，因此，植物根系固土指數(shù)越大，其固土抗蝕能力越強(qiáng)：

式中,PI為根系固土指數(shù)；Xij為第i種植物第j項(xiàng)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化值；Wj為第j項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重值；n為評價(jià)指標(biāo)個(gè)數(shù)。

2.3 指標(biāo)選擇及其試驗(yàn)方法

2.3.1 根-土復(fù)合體抗剪特性

根系數(shù)量越多，分布越廣，抵抗土體剪切作用的能力越強(qiáng)。累計(jì)根長能夠反映根系分布與數(shù)量特征。因此，選用代表根根-土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度和累計(jì)根長來反映根-土復(fù)合體的抗剪特性。由庫倫公式可知，抗剪強(qiáng)度由粘聚力和內(nèi)摩擦角兩個(gè)參數(shù)決定。為了更加直觀地反映根系對土體抗剪強(qiáng)度的增強(qiáng)作用，選擇根-土復(fù)合體的粘聚力和內(nèi)摩擦角相對于素土的增長率作為評價(jià)根-土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度的指標(biāo)。

表2 根系固土層次結(jié)構(gòu)模型

在研究區(qū)樣地內(nèi)，采用整株挖掘法挖出3株標(biāo)準(zhǔn)株植物根系，將根系每隔0.1 mm進(jìn)行分級，測量各徑級根系的長度，以3株植物的平均值為結(jié)果，取與力學(xué)特性相對應(yīng)根徑范圍的累計(jì)根長作為分析數(shù)據(jù)；根-土復(fù)合體抗剪試驗(yàn)采用ZJ-型數(shù)采四聯(lián)應(yīng)變控制式電動直剪儀，選取每種植物代表根根徑范圍內(nèi)的相同直徑的根系(1.25 mm)構(gòu)建根-土復(fù)合體試件，每個(gè)試樣垂直均勻布設(shè)4條根，每組試驗(yàn)做4個(gè)荷載(12.5, 25, 50, 100 kPa)，每個(gè)荷載3個(gè)平行。春季土壤干旱時(shí)期，采用土壤含水率為4.34%(試驗(yàn)地春季原狀土含水率)的慢剪(土壤孔隙水不承壓、 0.02 mm/min)指標(biāo)；夏季暴雨條件采用快剪(土壤孔隙水承壓、 0.8 mm/min)指標(biāo)，土壤含水率為23.6%(吸水飽和含水率)。

2.3.2 根-土界面摩阻特性

單根拉拔試驗(yàn)?zāi)軌蚰M土體發(fā)生滑動或塌陷時(shí)根系從土體中被完全拔出的難易程度，為了消除不同植物單根根表面積不同所帶來的誤差，選取單根臨界滑動拉拔力與其對應(yīng)根表面積的比值，即拉拔摩阻特性來反映不同植物間單位根表面積所受摩擦力的大小。根-土界面摩擦力與根-土接觸面積和根系表面粗糙程度呈正比。因此，選用拉拔摩阻特性、累計(jì)根表面積及代表根根-土界面直剪摩擦系數(shù)相對于素土的增長率作為評價(jià)根-土界面摩阻特性的指標(biāo)。

根-土界面摩阻試驗(yàn)試驗(yàn)由單根拉拔摩阻試驗(yàn)與直剪摩擦試驗(yàn)構(gòu)成。單根拉拔摩阻試驗(yàn)用直徑6 cm、長度8 cm的PVC管裝載土樣，將長度為9 cm的直段根固定在管中部直徑為1 cm的圓孔中，采用YG(B)026H-250型織物強(qiáng)力機(jī)(精度為0.01，拉力量程為0—2500 N)進(jìn)行拉拔，每個(gè)根徑3次重復(fù)；直剪摩擦試驗(yàn)的儀器及條件參數(shù)設(shè)定與根-土復(fù)合體抗剪試驗(yàn)相同。但試驗(yàn)中，剪切盒上盒放土樣，下盒嵌入表面粘有根系表皮的圓木塊，根軸線方向與受剪方向平行，模擬根與土分離時(shí)的受力狀況，由庫侖公式計(jì)算根-土界面的摩擦系數(shù)；根表面積的測量方法與根系長度大致相同，不做贅述。

2.3.3 根系抗拉力學(xué)特性

選用春季生長初期和夏季生長旺盛期直根抗拉強(qiáng)度、側(cè)根分支處抗拉強(qiáng)度、代表根變形特性作為評價(jià)根系抗拉力學(xué)特性的指標(biāo)。根系的抗拉強(qiáng)度反映根系在單位橫截面積上所受拉力的大小，但根系在土體中不僅以直根的形式出現(xiàn)，還存在較多含量的側(cè)根，當(dāng)土體發(fā)生相對移動時(shí)，側(cè)根分支處仍會受到力的作用。因此，選擇直段根和側(cè)根分支處兩種根系形態(tài)來反映根系的抗拉強(qiáng)度。變形特性由彈性模量和本構(gòu)特征構(gòu)成。彈性模量(根系彈性應(yīng)力與彈性應(yīng)力的比值)衡量根系發(fā)生彈性形變難易程度；本構(gòu)特征(根系極限應(yīng)力與極限應(yīng)變的比值)反映根系整體抵抗形變的能力。

試驗(yàn)包括直根抗拉試驗(yàn)、側(cè)根分支處抗拉試驗(yàn)和代表根彈塑性試驗(yàn)。根系抗拉試驗(yàn)儀器采用織物強(qiáng)力機(jī)，在500 mm/min的加載速度下拉伸根系至斷裂(在夾口處斷裂時(shí)，數(shù)據(jù)無效)，每個(gè)直徑3次重復(fù)。在進(jìn)行側(cè)根抗拉試驗(yàn)過程中，將試驗(yàn)根的上級根垂直固定在強(qiáng)力機(jī)的上夾具上，兩根下級根分別用自制三點(diǎn)固定式夾具夾持，下級根固定時(shí)調(diào)整夾具的角度以確保每一下級根軸向受力；彈塑性特性試驗(yàn)采用重復(fù)加載法，即以10 mm/min的速度對代表根進(jìn)行15—18次反復(fù)拉伸，繪制σ-ε曲線，計(jì)算彈性模量與本構(gòu)特征。

2.4 試驗(yàn)根的選取

課題組在根系抗拉試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，由于根系材料特性的約束，在夾具設(shè)計(jì)過程中，始終未能解決由于單根抗拉強(qiáng)度過大而導(dǎo)致根系在夾口處滑脫或夾扁斷裂的情況，尚有待于在今后的試驗(yàn)中進(jìn)一步地研究和改善。同時(shí)，通過對4年生5種植物代表根[12]的研究發(fā)現(xiàn)，直徑小于3.0 mm的根系占據(jù)根系總數(shù)的主體，在78.40%—96.84%之間。所以，對直徑小于3.0 mm根系的力學(xué)特性進(jìn)行研究在很大程度上能夠反映植物根系整體的固土能力。并且，直徑小于0.3 mm的單根力學(xué)特性極差，較小的彎曲變形就會發(fā)生斷裂。為了保證試驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確，避免誤差，本文選擇以根徑0.3—3.0 mm的根系為研究對象。主成分分析采用該徑級范圍的累計(jì)根表面積、累計(jì)根長、平均拉拔摩阻特性、直根平均抗拉強(qiáng)度和側(cè)根分支處平均抗拉強(qiáng)度作為分析指標(biāo)。但根系的抗拉強(qiáng)度、根表面積和根系長度在不同徑級間的差異顯著，為了分析根系的力學(xué)特性與數(shù)量特征在不同徑級間的差異，本文將除研究對象為代表根(抗剪強(qiáng)度、界面摩擦系數(shù)和變形特性)以外所有指標(biāo)劃分為0.3—1.0 mm、1.0—2.0 mm、2.0—3.0 mm三個(gè)徑級范圍。

3 結(jié)果與分析

3.1 影響根系固土的主導(dǎo)力學(xué)因素

借助SAS9.0軟件對春季土壤干旱與夏季暴雨條件下影響根系固土的10個(gè)指標(biāo)進(jìn)行主成分分析，各指標(biāo)的原始數(shù)據(jù)見表3。

表4為春夏兩時(shí)期前3個(gè)主成分各指標(biāo)影響系數(shù)，由表4看出，春季土壤干旱與夏季暴雨兩種自然條件的第一主成分均由代表根彈性模量、代表根本構(gòu)特征、直根抗拉強(qiáng)度、側(cè)根分支處抗拉強(qiáng)度4項(xiàng)指標(biāo)構(gòu)成，反映根系的抗拉力學(xué)特性；第二主成分中，單根拉拔摩阻特性、累計(jì)根表面積、根-土界面摩擦系數(shù)的影響系數(shù)最大，表現(xiàn)為根-土界面的摩阻特性；春季土壤干旱時(shí)的第三主成分由累計(jì)根長和根-土復(fù)合體粘聚力組成，夏季暴雨時(shí)則由根-土復(fù)合體粘聚力和內(nèi)摩擦角構(gòu)成，均反映根-土復(fù)合體抗剪特性。

由此得出，春季土壤干旱和夏季暴雨時(shí)期，影響5種植物根系固土的主導(dǎo)力學(xué)因素首先是根系的抗拉力學(xué)特性，其次是根-土界面摩阻特性，最后為根-土復(fù)合體抗剪特性。

3.2 5種植物根系固土差異性評價(jià)

由植物根系的固土機(jī)理可知，根系對土體強(qiáng)度的加強(qiáng)作用可分為深粗根錨固作用和淺細(xì)根的加筋作用，二者在固持土體的過程中均發(fā)揮著重要作用。但在暴雨條件下，細(xì)根的固土作用更為明顯。尤其是直徑小于1.0 mm的根系在提高土壤的水力學(xué)效應(yīng)方面的貢獻(xiàn)最大[13]。其分泌的有機(jī)物可作為促進(jìn)土粒團(tuán)聚的膠結(jié)劑，增強(qiáng)土壤抗分散、懸浮的能力，須根還能有效地增強(qiáng)土壤滲透性，減少徑流，降低水流對土壤的沖刷，提高土壤抗沖性和抗蝕性[14-16]。

表3 春季土壤干旱與夏季暴雨條件下主成分分析原始數(shù)據(jù)

表4 兩個(gè)時(shí)期前3個(gè)主成分各指標(biāo)影響系數(shù)

綜合上述分析，本文將春季土壤干旱時(shí)期3個(gè)徑級范圍的根系賦予同等權(quán)重；夏季暴雨時(shí)期，各徑級根系在固土抗蝕過程中的重要性為0.3—1.0 mm>1.0—2.0 mm>2.0—3.0 mm。

春季土壤干旱條件下各指標(biāo)實(shí)測值與綜合指數(shù)值如表5所示。由下表看出，該時(shí)期5種植物根系固土指數(shù)分別為：檸條(0.834)>沙柳(0.303)>沙地柏(-0.066)>白沙蒿(-0.206)>沙棘(-0.864)。

春季生長初期檸條代表根變形特性、直根抗拉強(qiáng)度和側(cè)根分支處抗拉強(qiáng)度均大于其他四種植物，表現(xiàn)出較好的抗拉力學(xué)特性，根系固土指數(shù)在5種植物中最高，推測原因可能與檸條根系內(nèi)部的纖維組成有關(guān)；沙柳根-土復(fù)合體粘聚力明顯高于其他植物，具有較強(qiáng)的根-土復(fù)合體抗剪特性，雖然抗拉力學(xué)特性的各項(xiàng)指標(biāo)明顯小于檸條，但卻高于沙地柏、白沙蒿和沙棘，同樣表現(xiàn)出較好的抗拉力學(xué)特性，使得沙柳根系的固土指數(shù)僅次于檸條；沙地柏根系固土能力在5種植物中居中等地位，原因可能與其根系數(shù)量有關(guān)。課題組研究發(fā)現(xiàn)，沙地柏累計(jì)根表面積和累計(jì)根長均大于其他4種植物，0.3—3.0 mm的根系數(shù)量最多，分別較檸條、沙柳、白沙蒿、沙棘多出8.24%、40.46%、44.88%、75.24%。盡管如此，較差的根系抗拉力學(xué)特性仍使得沙地柏根系固土指數(shù)小于沙柳；5種植物中，白沙蒿單根拉拔摩阻特性最高，具有較好的根-土界面摩阻特性，推測原因可能與白沙蒿根系表面的粗糙程度有關(guān)。但白沙蒿根-土復(fù)合體抗剪特性和代表根變形特性在5種植物中最差。研究發(fā)現(xiàn)，白沙蒿根系的材料特性與脆性材料相似，較小的形變就極易發(fā)生斷裂，導(dǎo)致白沙蒿根系的固土能力較弱；5種植物中，沙棘0.3—3.0 mm的根系數(shù)量最少，造成沙棘的累計(jì)根長和累計(jì)根表面積最小。較為光滑的根系表面可能是其單根拉拔摩阻特性和根-土界面摩擦系數(shù)最小的主要原因。

夏季暴雨條件下各指標(biāo)實(shí)測值與綜合指數(shù)值見表6，可以看出，5種植物根系固土指數(shù)分別為：檸條(0.876)>沙地柏(0.218)>沙柳(0.065)>白沙蒿(-0.404)>沙棘(-0.755)。

與春季土壤干旱條件下的評價(jià)結(jié)果大致相同，根系固土指數(shù)仍為檸條最高，白沙蒿與沙棘最小。但該時(shí)期沙地柏根系固土指數(shù)卻高于沙柳，這是因?yàn)楸┯陾l件下，細(xì)根具有較強(qiáng)的抗沖性與抗蝕性，固土作用明顯優(yōu)于粗根，而5種植物中，沙地柏須根最為發(fā)達(dá)，直徑小于1.0 mm的根量占根系總數(shù)69.47%，遠(yuǎn)高于其他4種植物，但較差的抗拉力學(xué)特性仍使其固土指數(shù)次于檸條；由表5和表6可以看出，兩時(shí)期各指標(biāo)的實(shí)測值也有所差異。其中，暴雨時(shí)期沙地柏根-土界面摩擦系數(shù)高于白沙蒿，在5種植物中最大，推測原因可能與沙地柏根系表面的親水特性有關(guān)；生長初期沙棘根系的抗拉強(qiáng)度在5種植物中最小，但生長旺盛期白沙蒿根系抗拉強(qiáng)度普遍小于沙棘，推測原因可能與白沙蒿根系在生長旺盛期的含水率較高有關(guān)。

4 結(jié)論與討論

有學(xué)者提出，當(dāng)土體出現(xiàn)滑動或裂縫時(shí)，根系與土體發(fā)生相對移動，由于植物根系的材料特性，根系在土體中受摩擦與拉伸作用較多而受剪切作用較少。因此，與根系的抗拉力學(xué)特性和根-土界面摩阻特性相比，根-土復(fù)合體抗剪特性在根系固持土體過程中所發(fā)揮的作用并不明顯[17]。由于生物材料的柔韌性，根系在受力后的變形拉直會由淺層根系傳遞至深層根系，使不穩(wěn)定的土壤表層與未遭到破壞影響并依然具有較高承載能力的深層土體形成整體，進(jìn)而對土體的滑動過程形成緩沖，限制土體發(fā)生進(jìn)一步移動[18]。由此認(rèn)為，根系只有在能夠承受較大程度變形的同時(shí)還具有較高的抗拉強(qiáng)度，才能保證根系在土體中受拉而不發(fā)生斷裂，使根-土界面的摩阻特性得以充分發(fā)揮。本文的實(shí)測數(shù)據(jù)表明，白沙蒿根-土界面摩阻特性普遍優(yōu)于其他4種植物，但根-土復(fù)合體抗剪特性與抗拉力學(xué)特性較差，較小的彎曲變形就會使根系發(fā)生斷裂，表現(xiàn)出脆性的材料特性。在此，為了更加客觀地評價(jià)植物根系的固土抗蝕能力，在不刻意突出根系各力學(xué)特性重要性的前提下，賦予3種力學(xué)特性同等重要的權(quán)重，并對5種植物根系固土抗蝕的差異性進(jìn)行評價(jià)。結(jié)果表明，春季土壤干旱和夏季暴雨時(shí)期，檸條根系固土指數(shù)最高，分別為0.529和0.669；白沙蒿僅高于沙棘，但仍低于平均水平，分別為-0.113和-0.378。從而說明，僅有較好的界面摩阻特性并不能顯著提高植物根系的固土能力，盡管本質(zhì)上講，根系所受的剪切力和抗拉力是由根系粗糙表面與土粒之間鑲嵌作用產(chǎn)生的摩擦力提供的[19]，但抗拉力學(xué)特性才是保證植物根系具有較強(qiáng)固土抗蝕能力的前提條件，若根系的抗拉力學(xué)特性較差，微小的拉伸變形就使根系發(fā)生斷裂，即便根系表面具有較高的粗糙程度，也無法顯著提高土體對滑移的抵抗力，仍會降低土體的力學(xué)強(qiáng)度，造成淺層軟弱、松動、不穩(wěn)定土體的離層滑落。結(jié)合上述分析與本文的研究結(jié)果，最終得出：根系的抗拉力學(xué)特性是制約植物根系固土的主導(dǎo)力學(xué)因素，其次是根-土界面摩阻特性，最后為根-土復(fù)合體抗剪特性。

表5 春季土壤干旱條件下各指標(biāo)實(shí)測值與綜合指數(shù)值

表6 夏季土暴雨條件下各指標(biāo)實(shí)測值與綜合指數(shù)值

目前，有關(guān)干旱、半干旱地區(qū)固土抗蝕植物種篩選的研究尚處于探索階段，如何對植物的固土抗蝕能力進(jìn)行評價(jià)缺乏系統(tǒng)和完整的方法。基于此，本文針對春季土壤干旱與夏季暴雨兩種自然條件，從根系力學(xué)特性的角度出發(fā)，將主成分分析法與層次分析法相結(jié)合，對5種植物根系固土能力的差異性進(jìn)行評價(jià)。結(jié)果顯示，根系固土指數(shù)在春季土壤干旱時(shí)期為：檸條(0.834)>沙柳(0.303)>沙地柏(-0.066)>白沙蒿(-0.206)>沙棘(-0.864)；夏季暴雨時(shí)期分別為：檸條(0.876)>沙地柏(0.218)>沙柳(0.065)>白沙蒿(-0.404)>沙棘(-0.755)。因此，對于地表擾動大、地下水破壞嚴(yán)重且土壤水分虧缺的采煤塌陷區(qū)來說，檸條和沙柳可作為重要的水土保持參考樹種；對受水力侵蝕較為嚴(yán)重的地區(qū)而言，檸條和沙地柏是抗沖、抗蝕的理想植物種。

綜上所述，抗拉力學(xué)特性是制約植物根系固土的主導(dǎo)力學(xué)因素，侵蝕區(qū)在篩選固土抗蝕植物種時(shí)，應(yīng)盡量選擇根系抗拉力學(xué)特性較好的植物。5種內(nèi)蒙古干旱、半干旱地區(qū)常見的水土保持植物中，檸條根系的抗拉力學(xué)特性明顯優(yōu)于其他植物，可作為侵蝕區(qū)首選的固土抗蝕植物。

[1] Bourrier F, Kneib F, Chareyre B, Fourcaud T. Discrete modeling of granular soils reinforcement by plant roots. Ecological Engineering, 2013, 61: 646-657.

[2] Burylo M, Hudek C, Rey F. Soil reinforcement by the roots of six dominant species on eroded mountainous marly slopes (Southern Alps, France). CATENA, 2011, 84(1/2): 70-78.

[3] 陸桂紅, 楊順, 王鈞, 歐國強(qiáng). 植物根系固土力學(xué)機(jī)理的研究進(jìn)展. 南京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2014, 38(2): 151-156.

[4] 鐘貞明, 桂勇, 羅嗣海, 鄧通發(fā), 周軍平. 植物護(hù)坡對邊坡穩(wěn)定性作用機(jī)理研究綜述. 路基工程, 2013, (6): 1-7.

[5] 呂春娟, 陳麗華. 華北典型植被根系抗拉力學(xué)特性及其與主要化學(xué)成分關(guān)系. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào), 2013, 29(23): 69-78.

[6] 苑淑娟, 牛國權(quán), 劉靜, 張欣, 邢會文, 姚喜軍. 瞬時(shí)拉力下兩個(gè)生長期4種植物單根抗拉力與抗拉強(qiáng)度的研究. 水土保持通報(bào), 2009, 29(5): 21-25.

[7] 廖晶晶, 羅緒強(qiáng), 羅光杰, 魏華煒. 三種護(hù)坡植物根-土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度比較. 水土保持通報(bào), 2013, 33(5): 118-122.

[8] 邢會文, 劉靜, 王林和, 姚喜軍, 王成龍, 張永亮, 周丹丹. 檸條、沙柳根與土及土與土界面摩擦特性. 摩擦學(xué)學(xué)報(bào), 2010, 30(1): 87-91.

[9] 孫向陽. 土壤學(xué). 北京: 中國林業(yè)出版社, 2005: 118-121.

[10] 于秀林, 任雪松. 多元統(tǒng)計(jì)分析. 北京: 中國統(tǒng)計(jì)出版社, 1999: 154-156.

[11] 王珠娜, 史玉虎, 潘磊, 陳磊夫, 高新濤. 層次分析法在退耕還林生態(tài)效益評價(jià)指標(biāo)體系建立中的應(yīng)用. 湖北林業(yè)科技, 2007, (3): 1-4.

[12] 邢會文, 姚喜軍, 劉靜, 王林和, 耿威. 4種植物代表根的研究. 內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2008, 29(4): 22-25.

[13] 王庫. 植物根系對土壤抗侵蝕能力的影響. 土壤與環(huán)境, 2001, 10(3): 250-252.

[14] 周正朝, 上官周平. 子午嶺次生林植被演替過程的土壤抗沖性. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2006, 26(10): 3270-3275.

[15] 張穎, 牛健植, 謝寶元, 余新曉, 朱建剛, 李維. 森林植被對坡面土壤水蝕作用的動力學(xué)機(jī)理. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2008, 28(10): 5084-5094.

[16] 杜欽, 楊淑慧, 任文玲, 仲啟鋮, 王開運(yùn). 植物根系固岸抗蝕作用研究進(jìn)展. 生態(tài)學(xué)雜志, 2010, 29(5): 1014-1020.

[17] 王萍花, 陳麗華, 冀曉東, 周朔, 呂春娟, 蔣坤云. 白樺根系力學(xué)特性的定量研究. 水土保持通報(bào), 2011, 31(4): 154-158.

[18] 呂春娟, 陳麗華, 周碩, 宋恒川, 蓋小剛, 冀曉東, 張心平. 油松根系固土的基本力學(xué)特性. 水土保持學(xué)報(bào), 2011, 25(5): 17-20, 25-25.

[19] 黃曉樂, 許文年, 夏振堯. 植被混凝土基材2種草本植物根-土復(fù)合體直剪試驗(yàn)研究. 水土保持研究, 2010,17(4): 158-161, 165-165.

Mechanical factors influencing soil-reinforcement by roots and identifying appropriate plant species for erosion control

LIU Fuquan1, LIU Jing1,*, YAO Xijun1, ZHANG Yongliang1, YUAN Shujuan2

1CollegeofEcologyandEnvironmentalScience,InnerMongoliaAgriculturalUniversity,Huhhot010019,China2InnerMongoliaAutonomousRegionofIrrigationandDrainageDevelopmentCenter,Huhhot010019,China

Influenced by the physiological and genetic characteristics of plants, the mechanical properties of roots differ significantly, with the result that species vary in their ability to resist soil erosion. The selection of species to reinforce soil and prevent erosion is the key to improving not only soil and water conservation, but also vegetation and ecological restoration. Research to identify suitable plant species is still in its early stages, and studies addressing many issues are urgently needed.CaraganamicrophyllaLam,SalixpsammophilaC.wang & Ch.Y.Yang,SabinavulgarisAnt,ArtemisiasphaerocephalaKrasch, andHippophaerhamnidesLinn are common plants used in soil and water conservation projects in the arid and semi-arid regions of Inner Mongolia. Rainfall is concentrated in summer with short-duration and high-intensity. The mechanical properties of roots differ significantly with growth period and soil moisture conditions. In order to study the mechanical factors influencing soil-reinforcement by roots and identify suitable anti-erosion plant species for this area, root tensile strength, root-soil surface friction, and root-soil composite shear strength of five plant species were studied. During the spring drought period and summer wet period, ten indicators of efficacy in erosion prevention (root-soil composite cohesion, root-soil composite equivalent friction angle, root-soil interface sheer strength, cumulative surface area, interface friction coefficient, representative root elasticity modulus, representative root constitutive properties, taproot tensile strength, lateral branch root tensile strength, length of cumulative root length) of the five species at the age of 3—4 (mainly 4) years were measured. The data were then analyzed using principal component analysis (PCA) with SAS9.0 software. The PCA results indicate that tensile mechanical strength had the greatest influence on soil reinforcement, followed by root-soil surface friction, and then root-soil composite shear strength. Based on these mechanical factors, the performance of the five species was evaluated. In order to maintain the integrity of the data and reduce uncertainty caused by subjective expert assessments, the variance contribution to the PCA of each of the three mechanical characteristics was used as to weight an analytic hierarchy process (AHP). The results showed the soil-reinforcement indices in the drought period were rankedCaraganamicrophyllaLam (0.834) >SalixpsammophilaC.wang et Ch.Y.Yang (0.303) >SabinavulgarisAnt (-0.066) >ArtemisiasphaerocephalaKrasch (-0.206) >HippophaerhamnidesLinn (-0.864), while in the wet period they were rankedCaraganamicrophyllaLam (0.876) >SabinavulgarisAnt (0.218) >SalixpsammophilaC.wang et Ch.Y.Yang (0.065) >ArtemisiasphaerocephalaKrasch (-0.404) >HippophaerhamnidesLinn (-0.755). The results suggest that species with better root tensile strength should be chosen reinforce soil and prevent erosion. Of the five species,CaraganamicrophyllaLam is the preferred soil-reinforcement and anti-erosion plant in arid and semi-arid regions due to its high root tensile strength.

soil-reinforcement by roots; mechanical property; dominant mechanical factor; principal component analysis; assessment; analytic hierarchy process

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51064021); 內(nèi)蒙古基金重點(diǎn)項(xiàng)目(2010ZD16)

2014-03-05; < class="emphasis_bold">網(wǎng)絡(luò)出版日期:

日期:2014-12-05

10.5846/stxb201403050375

*通訊作者Corresponding author.E-mail: ljing58@126.com

劉福全, 劉靜, 姚喜軍, 張永亮, 苑淑娟.根系固土主導(dǎo)力學(xué)因素與差異性評價(jià).生態(tài)學(xué)報(bào),2015,35(19):6306-6315.

Liu F Q, Liu J, Yao X J, Zhang Y L, Yuan S J.Mechanical factors influencing soil-reinforcement by roots and identifying appropriate plant species for erosion control.Acta Ecologica Sinica,2015,35(19):6306-6315.