護坡植物根系分布及抗拉力學特性

袁雪紅　高照良　張翔　杜捷張小娟

摘要：為了探討草本植物根系固土的主要機制。以適宜的護坡植物白三葉、小冠花、黑麥草、早熟禾為研究對象，對它們的根系分布特征和抗拉特性進行研究。結(jié)果表明：隨著土層深度的增加，禾本科植物的根長密度以指數(shù)函數(shù)形式逐漸減少，豆科植物的根長密度以多項式形式先增后減；隨著距主莖距離的增加，禾本科植物根長密度逐漸減少，豆科植物根長密度先增后減；在根徑0.1～3 mm范圍內(nèi)，豆科植物平均抗拉力大于禾本科植物，豆科植物的抗拉力與根徑呈冪函數(shù)關系，早熟禾和黑麥草的抗拉力與根徑分別呈指數(shù)函數(shù)和對數(shù)函數(shù)關系；四種植物根系抗拉強度均表現(xiàn)為隨根徑的增加而減小；四種植物根系應力與應變關系表現(xiàn)為對數(shù)函數(shù)關系，表現(xiàn)為非線性彈性特征；根徑相同時，不同植物的應力表現(xiàn)為：白三葉>小冠花>黑麥草>早熟禾。運用主成分分析法綜合分析其護坡特性，表現(xiàn)為豆科植物優(yōu)于禾本科植物，其中白三葉的護坡效益最好。

關鍵詞：草本植物；根長密度；抗拉強度；應力；主成分分析

中圖分類號：S157 文獻標志碼：A 文章編號：

16721683（2016）05011707

Distribution and mechanical characteristics of roots of slope protection plants

YUAN Xuehong1，2，GAO Zhaoliang1，3，ZHANG Xiang4，DU Jie3，ZHANG Xiaojuan3

（1.Institute of Soil and Water Conservation，Chinese Academy of Sciences and Ministry of Water Resources，Yangling 712100，China；2.University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China；3.Institute of Soil and Water Conservation，Northwest Agriculture and Forestry University，Yangling 712100，China；4.College of Water conservation and Architectural engineering，Northwest Agriculture and Forestry University，Yangling 712100，China）

Abstract：In order to reveal the mechanism of soil reinforcement by herb roots，we selected 4 typical hillslope protection plants，Trifolium repens L，Coronilla varia L，Lolium perenne L and Poa annua L to study the spatial distribution of root length density and tensile properties.The result showed：With the increase of the soil depth，the root length density （RLD） of gramineous plants gradually reduced in the form of exponential function，while the RLD of legumes first increased and then decreased，with a polynomial fitting curve.With the increase of the distance to the stem，RLD of gramineous plants decreased gradually，while RLD of legumes plants increased first and then decreased.In the roots diameter range of 0.1～3 mm，the average tensile resistance of leguminous plants was greater than that of the gramineae plants.Legumes root tensile resistance and root diameter showed a power function relationship，and the relationship between tensile resistance and diameter of Kentucky bluegrass and ryegrass was exponential function and logarithmic function relationship，respectively.The tensile strength of four species decreased with the increases of root diameter and their stress and strain showed a logarithmic function relationship，which illustrated that their roots were inelastic.At the same diameter，different plants showed variance with stress as ranked：White Clover > Crown vetch > Ryegrass > Kentucky bluegrass.Using the principal component analysis （PCA） to comprehensively analyze the characteristics of the plant to protect the slope，we could conclude that leguminous plants were better than gramineous plants and White Clover was the optimal in the four plants.

Key words：grass plant；root length density；tensile strength；strain；principal component analysis

黃土高原地區(qū)土質(zhì)邊坡土壤結(jié)構(gòu)松散、植物根系缺乏，導致其抗沖性極差，極易發(fā)生崩塌、滑坡、泥石流等自然災害[1]。傳統(tǒng)的土質(zhì)邊坡防護主要運用漿砌石及混凝土等工程措施，破壞了自然生態(tài)和諧[2]。植物措施不僅可以穩(wěn)固坡體、防止滑坡和崩塌，同時可以改善生態(tài)環(huán)境，因此近年來植物固坡越來越受歡迎[3]。

植被主要通過根系的空間分布和力學特性及其與土壤之間的作用機制來提高土壤抗侵蝕性、抗沖性、抗剪切性等[4]。呂春娟等[5]研究表明根系在土體中延伸、穿插、交織分布，增強土層整體性，提高其抗沖性。國內(nèi)外學者分別對喬木[3]、灌木[6]、草本[7]進行研究，發(fā)現(xiàn)植物根系有很大的抗拉力，且抗拉力與根徑存在冪函數(shù)關系。王萍花等[8]建立了林木單根抗拉力學模型。大量研究[911]表明抗拉強度與根徑呈冪函數(shù)關系。Wu[12]和Waldron[13]用力學機制模型闡明了根系平均抗拉強度和根系面積比對土壤侵蝕的影響。李勇等[1415]研究了喬灌草根系對土壤水力學及物理性質(zhì)的影響，及根系提高土壤抗沖性作用的關系，建立了根系提高土壤抗沖機制的數(shù)學模型。劉國彬等[1617]研究發(fā)現(xiàn)根系生物力學特征在固結(jié)土壤和強化抗沖性上意義重大。劉秀萍等[18]研究表明根系空間分布增強了土壤抗剪強度。Bischetti等[19]發(fā)現(xiàn)土壤抗剪強度與根系生物量之間呈線性關系，Mattie等[20]發(fā)現(xiàn)根系抗拉強度與土壤抗剪強度成正相關關系。

植被對邊坡固持力的大小主要取決于根徑、根長、抗拉力、抗拉強度等。多數(shù)學者從土壤理化性質(zhì)、根系抗拉強度和根系生物量方面進行研究，而對根長密度、根系不同徑級、以及根系的垂直和水平分布對護坡特性的影響研究較少。另外，人們對喬木、灌木的根系的力學特性研究較多，而對草本植物的研究較少。因此，本試驗選取黃土高原常見的護坡植物白三葉、小冠花、黑麥草、早熟禾，對其根系的空間分布特征及抗拉特性進行研究。綜合分析其護坡特性，篩選出適宜的護坡植物，為研究根系固土護坡的力學機理提供新的參考資料，也為當?shù)刈o坡植物的選擇提供相關理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗樣地概況

試驗點位于中國科學院安塞水土保持綜合試驗站，地理坐標為N36°51′29.52″，E109°19′22.06″，距延安市30 km，海拔1 068～1 309 m，屬于屬暖溫帶半干旱氣候，年平均降雨量500 mm，其中60 %集中在7月-9月，年均氣溫8.8 ℃，無霜期160 d左右。該區(qū)土壤主要為黃綿土，土地類型多樣，地處黃土高原腹地，屬典型黃土丘陵溝壑區(qū)。

1.2 試驗設計和樣品采集

根據(jù)當?shù)氐臍夂?、植物資源、自然環(huán)境等狀況，選擇抗旱性、抗貧瘠性、抗逆性強、根系發(fā)達、植株矮小、生長迅速、自我繁殖能力強的多年生護坡植物作為研究對象，即主要有白三葉（Trifolium repens L.）、小冠花（Coronilla varia L.）、黑麥草（Lolium perenne L.）、早熟禾（Poa annua L.）。選擇地勢平坦，土壤質(zhì)地均一，周圍無高大喬木和建筑物處，設置A、B、C、D、E 5個試驗小區(qū)，其中E為對照（裸露地）。在各區(qū)內(nèi)進一步劃分出3個6 m×4 m的小區(qū)。于2012年4月8日同時撒播，播種前先平整土地，統(tǒng)一清除地面的磚塊、石塊。松動小區(qū)表土，均勻播種，表層覆大約1 cm的土輕輕壓實，覆蓋一層遮陽網(wǎng)，澆一定量水，使水分透過遮陽網(wǎng)滲透到土

中，且完全濕潤土壤。出苗后，掀去遮陽網(wǎng)，幼苗期，各區(qū)進行定期除雜草、澆水等常規(guī)管理保證其存活率。為保證試驗條件一致，幼苗成活以后不再進行澆水，植株1 m范圍之內(nèi)沒有其它植物干擾，且在清理雜草時盡量不破壞土壤結(jié)構(gòu)。小區(qū)布設見圖1。

2012年10月初，在試驗小區(qū)中，選取長勢良好，能代表整體水平且在直徑1 m 范圍內(nèi)沒有其它雜草干擾的植株作為試驗植株。以該植株為中心，用方形取樣器分層、分距取樣（規(guī)格分別為10 cm×10 cm×10 cm和10 cm×10 cm×5 cm兩種取樣器）。垂直深度為 0～10 cm 時，每5 cm取一層；10～50 cm時，每10 cm取一層，共取6層土樣。在水平范圍內(nèi)，距植株10 cm和20 cm分別取樣，共取5個剖面。取樣時做好標記。

1.3 樣品測定

樣品帶回實驗室后進行洗根，并用根系掃描儀（LC4800）和IPP圖像分析軟件對根系的各項指標（根長、根徑等）進行測定分析。將待測植物根系按照<0.3 mm、0.3～0.5 mm、0.5～1.0 mm、1.0～1.5 mm、1.5～2.0 mm、>2.0 mm七個徑級進行分級，每一徑級15根，每根長度為6 cm，作為試驗材料。在待測根系上每隔1.5 cm用細彩筆作標記，并用游標卡尺測量各處根徑，每個標記處正交方向各測量1次，取平均值作為其根系直徑。將待測根系按不同徑級放入有標記的自封袋內(nèi)，模擬取樣地點的土壤溫度和濕度進行保存，于24 h內(nèi)進行拉力試驗。拉力采用HDE500電動單柱立式推拉力計測試臺和HG200數(shù)顯拉力計模擬根系受拉作用，每0.2 s計數(shù)一次；用拉力儀測定根系拉斷時的最大拉力（每2 s自動記錄1次讀數(shù)）。

1.4 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計分析

運用Excel 2007和SPSS 18.0軟件對參數(shù)分別進行LSD差異性分析、主成分分析，Pearson相關分析；運用origin進行作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同植物根長密度的空間分布

植物根系的空間分布影響著其固土效應。在0～50 cm土層中，四種植物的總根長密度表現(xiàn)為：黑麥草>早熟禾>白三葉>小冠花，總體表現(xiàn)為禾本科植物的總根長密度大于豆科植物。黑麥草在不同土層的根長密度顯著大于其他幾種植物。白三葉、黑麥草和早熟禾的根系主要集中在0～10 cm土層，根長密度分別是10～20 cm的2.28倍、3.98倍和5.65倍，是20～30 cm土層的3.09倍、7.58倍和18.54倍，是大于30 cm土層的2.73倍、7.98倍和16.11倍。而小冠花的根系主要集中在10～30 cm土層，其根長密度分別是0～10 cm、30～40 cm和40～50 cm的2.32倍、3.26倍和4倍（見表1）。

禾本科植物的根長密度隨土層深度的增加而減少，其擬合曲線為指數(shù)函數(shù)，與韓鳳朋[21]等對禾本科植物長芒草的研究結(jié)果相吻合；豆科植物的根長密度隨土層深度的增加先增后減，其擬合曲線為多項式函數(shù)。

在水平方向上，白三葉、黑麥草和早熟禾的根系主要集中在距植株0～5 cm的范圍內(nèi)，分別占總根長密度的43.63%、68.10%和53.73%。小冠花的根系主要集中在距植株5～15 cm范圍內(nèi)，占總根長密度的39.70%。隨著距植株距離的增加，禾本科植物的根長密度逐漸減少，而豆科植物無明顯規(guī)律（見表2）。

綜合分析表明，豆科植物主根較深，側(cè)根發(fā)達呈放射狀。雖然禾本科植物的根長密度大于豆科植物，但根冠較小，生長較淺，不利于對深層水分和養(yǎng)分的吸收和利用。

2.2 根系的抗拉力、抗拉強度與根徑的關系

在根徑0.1～3 mm范圍內(nèi)，豆科植物平均抗拉力是禾本科植物的5倍左右（見表3）。四種植物抗拉力與根徑呈正相關關系，豆科植物根系的抗拉力與根徑呈冪函數(shù)關系（見圖2），與劉國彬等[16]的研究結(jié)果一致；早熟禾和黑麥草的抗拉力與根徑分別呈指數(shù)函數(shù)和對數(shù)函數(shù)關系。

強度隨著根徑的增大而減?。ㄒ妶D2），說明根徑越小抗拉強度越大，與王闊等的研究結(jié)果一致[22]。

2.3 應力和應變關系分析

應力與應變關系是對根系結(jié)構(gòu)、變形、斷裂理論

以及根土復合體進行力學分析的主要依據(jù)之一。四種植物根系應力應變曲線均表現(xiàn)為：根系受拉初期，隨著應變的增加應力呈對數(shù)函數(shù)增長，擬合方程為y=alnx+b，其中：a表示在相同應力下應變變化率的大小，反映了植物對于外力變化的敏感程度。四種植物根系應變的變化率表現(xiàn)為：白三葉>小冠花>黑麥草>早熟禾（見表4），表明豆科植物對拉力的敏感性大于禾本科植物。

在相同的根徑下，不同植物應力和應變的變化不同，相同的應變時應力大小表現(xiàn)為：白三葉>小冠花>黑麥草>早熟禾。四種植物應力應變曲線的斜率漸減，應力與應變之間不符合胡克定律而是表現(xiàn)為非線性彈性特征。在根徑為0.34 mm和1.04 mm時，禾本科植物與豆科植物差異顯著，且均為白三葉的應力最大。這是由于植物種類的差異，決定組成結(jié)構(gòu)差異，使根系力學性能存在差異[23]。

2.4 主成分分析法對植物護坡效果評價

為了綜合考慮其護坡效果，選取與植物護坡效益相關的指標如：抗拉力、抗拉強度、根徑、根長密度、應變等，運用SPSS進行主成分分析。對數(shù)據(jù)進行標準化處理，得不同因素的相關系數(shù)矩陣（見表5）。

由表5可以看出，所選指標中抗拉力與根徑、抗拉強度有一定的相關性，即這些指標在信息上有重疊。而主成分分析法恰恰能夠避免這一弊端，真實反映邊坡植物的護坡效果。累積貢獻率的大小體現(xiàn)了用主成分分析的可靠性。在提取特征值的過程中，前2個特征值均大于1，它們的累積貢獻率達99.82%，根據(jù)大于85%原則，選取前兩個因子作為主成分，進行綜合評價可靠性較強。由因子荷載矩陣可以看出，第一主成分主要反映了抗拉力、根徑的信息，第二主成分較好的反映抗拉強度信息，通過對成分荷載矩陣進行轉(zhuǎn)換可得出系數(shù)及表達式。

3 討論

大量研究證實，根系的垂直分布是植被與環(huán)境因子之間相互作用的結(jié)果[2425]。草本植物的根系絕大部分為周轉(zhuǎn)較快的細根，能有效改善土壤的理化性質(zhì)。李建興等[26]研究發(fā)現(xiàn)根系投影面積越大，固土能力越強。本研究發(fā)現(xiàn)豆科植物的投影面積大于禾本科，可知豆科植物的根系固土能力大于禾本科植物。李勇等[27]研究發(fā)現(xiàn)，根密度越大，根系穩(wěn)定土壤結(jié)構(gòu)的絕對值越大，穩(wěn)定土壤結(jié)構(gòu)的有效性越大。本研究表明禾本科植物根長密度大于豆科植物，據(jù)此推斷禾本科植物的固土效果大于豆科植物。因此，要確定豆、禾植物的固土效果，還需進一步研究根系投影面積和根長密度哪一因素起主導作用。

根系力學特性受很多因素的影響。本研究發(fā)現(xiàn)在根徑0.1～3 mm范圍內(nèi)，豆科植物平均抗拉力是禾本科植物的5倍左右，而劉國彬等[16]研究表明在根徑范圍為0.1～0.2 mm時，禾本科植物的平均抗拉力大于豆科植物。這可能是由于隨著根系的增加豆科植物的抗拉力的增加速率大于禾本科植物，在根徑范圍增大時使豆科植物的平均抗拉力大于禾本科植物。因此，根系直徑范圍對植物的抗拉力有很大影響。大量研究表明根系的抗拉強度與根系纖維素的含量有關。Hu[28]和朱海麗等[29]認為細根纖維素含量很高，使其具有很大的抗拉強度。趙麗兵等[30]對紫花苜蓿和馬唐根的抗拉強度研究也發(fā)現(xiàn)，在維持根抗拉強度上纖維素的作用大于木質(zhì)素。然而對于抗拉強度與根系纖維素含量的關系尚無明確定論，還需進一步研究。

4 結(jié)論

（1）禾本科植物的根長密度隨土層深度的增加以指數(shù)函數(shù)形式減少；豆科植物的根長密度隨土層深度的增加以多項式形式先增后減。

（2）在根徑為01～3 mm范圍內(nèi)，豆科植物平均抗拉力是禾本科植物的5倍左右。豆科植物根系的抗拉力與根徑呈冪函數(shù)關系，早熟禾和黑麥草的抗拉力與根徑分別呈指數(shù)函數(shù)和對數(shù)函數(shù)關系。平均抗拉強度表現(xiàn)為白三葉3449 PMa>黑麥草1563 PMa>早熟禾1424 PMa>小冠花1068 PMa。

（3）四種植物根系應力-應變曲線均表現(xiàn)為：根系受拉初期，隨著應變的增加應力呈對數(shù)函數(shù)增長，擬合方程為y=alnx+b。四種植物根系應變變化率表現(xiàn)為：白三葉>小冠花>黑麥草>早熟禾，豆科植物對拉力的敏感性大于禾本科植物。

（4）綜合分析禾本科植物和豆科植物的護坡效益發(fā)現(xiàn)豆科植物優(yōu)于禾本科植物，且在豆科植物中，白三葉優(yōu)于小冠花。

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