葉 超，郭忠錄，蔡崇法，閆峰陵，馬中浩

(1.華中農(nóng)業(yè)大學(xué)水土保持研究中心，湖北 武漢 430072； 2.長(zhǎng)江水資源保護(hù)科學(xué)研究所，湖北 武漢 430010)

5種草本植物根系理化特性及其相關(guān)性

葉 超1，郭忠錄1，蔡崇法1，閆峰陵2，馬中浩1

(1.華中農(nóng)業(yè)大學(xué)水土保持研究中心，湖北 武漢 430072； 2.長(zhǎng)江水資源保護(hù)科學(xué)研究所，湖北 武漢 430010)

為理解草本植物根系的主要化學(xué)成分對(duì)根系力學(xué)特性影響，選取武漢地區(qū)5種常見(jiàn)的水土保持草本植物，開(kāi)展了根系抗拉特性研究。根系直徑范圍選取0～1.5 mm，按直徑分成4個(gè)徑級(jí)，并按根系分級(jí)測(cè)定了纖維素、木質(zhì)素和半纖維素含量，計(jì)算了綜纖維素含量和木纖比。結(jié)果表明，5種根系4個(gè)徑級(jí)的抗拉力、抗拉強(qiáng)度均表現(xiàn)為香根草(Vetiveriazizanioides)>百喜草(Paspalumnatatu)>狗牙根(Cynodondactylon)>馬尼拉草(Zoysiamatrella)>狗尾草(Setariaviridis)。香根草和百喜草的根系具有較大的抗拉力學(xué)特性，與其它3種植物根系的抗拉力學(xué)特性差異顯著(P<0.05)。隨著直徑增大，5種根系抗拉力均增大，而抗拉強(qiáng)度均減小，兩者均表現(xiàn)為冪函數(shù)關(guān)系。5種植物不同徑級(jí)根系纖維素含量范圍為21.90%～34.57%，木質(zhì)素含量為12.85%～19.42%，半纖維素含量為14.31%～20.22%，綜纖維素含量為38.52%～51.83%，木纖比為0.37～0.90。根系抗拉力與纖維素、綜纖維素含量顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)，與木纖比顯著正相關(guān)(P<0.05)；抗拉強(qiáng)度則均與纖維素、綜纖維素含量顯著正相關(guān)(P<0.05)，與木質(zhì)素含量、木纖比顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)。纖維素、木質(zhì)素、綜纖維素含量和木纖比與5種草本植物根系的力學(xué)性質(zhì)有較好的相關(guān)關(guān)系。研究結(jié)果表明，香根草和百喜草可作為武漢重要的固土護(hù)坡植物種類(lèi)，為分析植物根系力學(xué)、化學(xué)性質(zhì)和直徑的相互作用關(guān)系提供理論依據(jù)。

草本植物；根系；抗拉力學(xué)特性；化學(xué)成分；固土效應(yīng)

植被是最常用的水土保持生物，植被能攔截降雨、減少降雨侵蝕力，其根系也可改善土壤理化性質(zhì)，增強(qiáng)土壤結(jié)構(gòu)，提高土壤抗侵蝕能力[1-2]。植被根系對(duì)提高坡面穩(wěn)定性起著重要的作用，根系護(hù)坡固土主要包括根系生物力學(xué)性能以及根系-土壤復(fù)合有機(jī)整體的加固效應(yīng)兩方面[3]，主要集中在喬、灌木植物深粗根系的錨固作用[3-4]，與草本植物淺細(xì)根系的加筋作用[1,5-8]。植物根系中對(duì)固土效應(yīng)起顯著作用的是小于1 mm的須根[9]。草本植物中以須根系占絕大多數(shù)，由于其密度大、數(shù)量多且根系抗拉強(qiáng)度比粗根大等特點(diǎn)，須根對(duì)土壤剪切強(qiáng)度增加值是喬、灌木根系的2～3倍[1,5]，草本植物根系的護(hù)坡固土作用比喬、灌植物根系更顯著[5,10-11]?？梢?jiàn)，根系力學(xué)性質(zhì)及固土效應(yīng)與直徑大小緊密相關(guān)，而這一現(xiàn)象已經(jīng)被歸因于根系主要化學(xué)成分的差異[12-15]。

根系的主要化學(xué)成分包括纖維素、半纖維素和木質(zhì)素等[16]，而綜纖維素(纖維素與半纖維素含量之和)和木纖比(木質(zhì)素和纖維素含量的比值)反映了這3種成分的綜合特征，這幾種主要化學(xué)成分都關(guān)系到植物細(xì)胞機(jī)械組織發(fā)達(dá)程度，進(jìn)而影響到植物根系的抗拉力學(xué)特性。

目前，國(guó)內(nèi)外關(guān)于植被的根系抗拉力學(xué)特性與根系直徑的定量關(guān)系的研究，主要集中在深根系的喬、灌木植被上[13-14,17-18]。有關(guān)植物根系主要化學(xué)成分與力學(xué)性質(zhì)相互作用機(jī)制的研究，也多見(jiàn)于喬灌木根系[19-25]，有關(guān)淺根系草本植物的根系主要化學(xué)成分含量、根系直徑以及力學(xué)性質(zhì)之間相互作用機(jī)制的報(bào)道不多。鑒于此，本研究將選取5種常見(jiàn)的水土保持草本植物香根草(Vetiveriazizanioides)、百喜草(Paspalumnatatu)、狗牙根(Cynodondactylon)、馬尼拉草(Zoysiamatrella)和狗尾草(Setariaviridis)，比較分析根系抗拉力學(xué)特性和主要化學(xué)成分隨根系直徑的變化規(guī)律，探討化學(xué)成分對(duì)根系抗拉力學(xué)性能的影響，以期揭示草本植物根系力學(xué)性質(zhì)變化的內(nèi)在因素，為區(qū)域水土保持及生態(tài)重建提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究點(diǎn)概況及根系材料

試驗(yàn)點(diǎn)位于華中農(nóng)業(yè)大學(xué)水土保持試驗(yàn)基地，地處武漢市東南部，地理位置為114°22′ E，30°29′ N。區(qū)域?qū)賮啛釒Ъ撅L(fēng)濕潤(rùn)氣候區(qū)，年均溫約16.9 ℃，年平均降水量約1 260 mm，主要集中在4月-8月，占全年降水量的70%。土壤類(lèi)型為第四紀(jì)黃褐色粘土發(fā)育的黃棕壤?；貎?nèi)植草小區(qū)由多種草本植物分區(qū)域種植形成，每塊區(qū)域分別種植一種植物，面積約為10 m×5 m。各種植區(qū)域隨機(jī)取3個(gè)土壤采樣點(diǎn)，取0-15 cm土壤樣品和環(huán)刀樣，測(cè)得土壤容重為1.28 g·cm-3、pH為5.79、質(zhì)地、有機(jī)質(zhì)含量為15.42 g·kg-1、陽(yáng)離子交換量(CEC)19.29 cmol·kg-1，土壤質(zhì)地為粉質(zhì)粘土，其中砂粒占11.6%、粉粒占46.3%、粘粒占42.1%。

1.2 試驗(yàn)材料

選取5種常見(jiàn)的草本植物，香根草、百喜草、狗牙根、馬尼拉草和狗尾草，這5種植物根系發(fā)達(dá)、耐旱耐貧瘠、適應(yīng)性強(qiáng)，是研究區(qū)及周邊區(qū)域水土保持工程常用的優(yōu)勢(shì)物種。供試植物于2014年4月在試驗(yàn)區(qū)分區(qū)域種植，其中香根草采取幼苗移栽，馬尼拉草采用草皮移植，其它3種采用播撒草種的方式進(jìn)行種植。5種草本植物的根系材料于2014年10月成熟期時(shí)在植草小區(qū)采集。在各根系種植區(qū)域內(nèi)進(jìn)行均勻采樣。挖掘深度選取在0-30 cm，隨機(jī)選取生長(zhǎng)正常、無(wú)病蟲(chóng)害的新鮮活根系，挖掘過(guò)程中盡量避免對(duì)根系的機(jī)械損傷。經(jīng)清潔后，放入密封袋，帶回實(shí)驗(yàn)室在4 ℃環(huán)境下保存。取得的試樣一周內(nèi)測(cè)完，以保證根系材料的新鮮。

1.3 根系抗拉力學(xué)特性測(cè)定

選取長(zhǎng)度為10～15 cm、粗細(xì)較為均勻的根段，根系直徑用電子游標(biāo)卡尺(精度為0.01 mm)測(cè)定3個(gè)等分點(diǎn)處直徑，取其平均值(mm)作為根段的直徑，用D表示[21]。本研究中，除香根草外，其它4種根系直徑均未見(jiàn)有大于1.5 mm徑級(jí)的根系出現(xiàn)，故每種草本植被根系直徑范圍均選取為0～1.5 mm，保持一致。按直徑大小劃分為4個(gè)徑級(jí)：徑級(jí)Ⅰ(0

根系抗拉力的測(cè)定采用指針式測(cè)力計(jì)和電動(dòng)立式機(jī)臺(tái)(溫州山度儀器有限公司生產(chǎn)，型號(hào)SN-50和SJY-500)，最大量程為50 N，拉伸速度設(shè)定為10 mm·min-1，測(cè)量根系抗拉力。固定根系時(shí)，為了避免根系滑出夾具，夾具內(nèi)側(cè)面采用槽狀設(shè)計(jì)，根系固定時(shí)將根段兩端伸入夾具3 cm左右，根系置于夾頭的中間部位。試驗(yàn)過(guò)程中若出現(xiàn)根段在夾具兩端斷裂或者滑出夾具現(xiàn)象，則該數(shù)據(jù)舍棄；根段在夾具中間或接近中間處破壞時(shí)則為有效數(shù)據(jù)，以保證根系的斷裂是由于拉力引起的而不是由于測(cè)試過(guò)程中其它的任何損傷引起。5種植物4個(gè)徑級(jí)測(cè)試成功的根樣數(shù)共計(jì)456根(表1)。為保證試驗(yàn)的準(zhǔn)確性，根系抗拉試驗(yàn)以及化學(xué)成分測(cè)定的試驗(yàn)所需要的根系數(shù)量，均控制為大致相等的數(shù)量。由采樣時(shí)先采集過(guò)量的根系，進(jìn)行根徑分級(jí)后，使得所需的不同徑級(jí)內(nèi)的各草本植物數(shù)量大致接近，進(jìn)行抗拉試驗(yàn)和化學(xué)成分的測(cè)定。

根系抗拉強(qiáng)度(P，MPa)的計(jì)算公式[17]為:

P=4F/πD2.

式中，F(xiàn)為根系最大抗拉力(N)；D為根系平均直徑(mm)。

1.4 根系化學(xué)成分含量測(cè)定與計(jì)算

抗拉力學(xué)特性測(cè)定后的根系按各徑級(jí)分類(lèi)后進(jìn)行化學(xué)成分分析，分析指標(biāo)為纖維素、木質(zhì)素、半纖維素。植物纖維素和木質(zhì)素采用酸性洗滌劑-碘量法測(cè)定[26]，半纖維素采用鹽酸水解-DNS法測(cè)定[26]。根據(jù)這3種成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)計(jì)算出綜纖維素質(zhì)量分?jǐn)?shù)和木纖比。

表1 5種草本各徑級(jí)測(cè)定的根樣數(shù)

注Note: I,0≤0.4 mm; Ⅱ, 0.4 mm

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 18.0軟件對(duì)所測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，用平均值和標(biāo)準(zhǔn)誤表示測(cè)定結(jié)果，分別對(duì)各根系力學(xué)特性和主要化學(xué)成分進(jìn)行單因素方差分析，并用LSD法對(duì)各測(cè)定數(shù)據(jù)進(jìn)行多重比較；采用Excel 2010制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 根系的力學(xué)特性分析

5種草本植物根系拉力測(cè)試成功根系樣本總數(shù)為456根，根系直徑為0.19～1.48 mm，根系的平均抗拉力依次為香根草(22.37 N)>百喜草(13.10 N)>狗牙根(10.39 N)>馬尼拉草(9.91 N)>狗尾草(8.28 N)，平均抗拉強(qiáng)度從大到小依次為香根草(50.55 MPa)>百喜草(31.97 MPa)>狗牙根(25.48 MPa)>馬尼拉草(23.78 MPa)>狗尾草(20.20 MPa)(圖1)。5種植物各徑級(jí)內(nèi)根系的抗拉力和抗拉強(qiáng)度均服從上述規(guī)律。各根系抗拉強(qiáng)度的大小順序與抗拉力的大小順序一致，可能是各試驗(yàn)根系在不同直徑下獲取數(shù)量大致相等，且直徑大小也大致相似。

不同物種間時(shí)，各徑級(jí)的香根草根系的抗拉力和抗拉強(qiáng)度均顯著大于其它4種根系，百喜草根系的抗拉強(qiáng)度顯著大于其它3種根系(P<0.05)。香根草和百喜草的根系相較其它3種植物具有較大的抗拉力學(xué)特性。不同徑級(jí)間時(shí)，除徑級(jí)Ⅰ和徑級(jí)Ⅱ之間外，其它各徑級(jí)間根系的抗拉力差異顯著(P<0.05)；香根草和馬尼拉草各徑級(jí)間根系抗拉強(qiáng)度差異顯著(P<0.05)，而狗牙根和狗尾草除徑級(jí)3和徑級(jí)4之間外，其它各徑級(jí)間根系的抗拉強(qiáng)度差異顯著(P<0.05)(圖1)。5種根系的抗拉力均隨直徑增大而增大，而抗拉強(qiáng)度均隨直徑增大而減小，均表現(xiàn)為冪函數(shù)(表2)。

2.2 根系的主要化學(xué)成分含量分布特征

根系中纖維素、木質(zhì)素和半纖維素含量之和約為60%，差異較小，但不同植物根系中不同化學(xué)成分的含量存在一定差異(表3)。不同徑級(jí)根系纖維素含量范圍為21.90%～34.57%，木質(zhì)素為12.85%～19.42%，半纖維素為14.31%～20.22%，綜纖維素為38.52%～ 51.83%，木纖比為0.37～0.90。各根系中均是纖維素的平均含量最高，而木質(zhì)素和半纖維素平均含量高低各有不同。百喜草、香根草和馬尼拉草中木質(zhì)素平均含量低于半纖維素，而其它兩種植物中木質(zhì)素高于半纖維素。

香根草的纖維素平均含量顯著大于馬尼拉草和狗尾草(P<0.05)，木質(zhì)素平均含量顯著小于其它4種植物(P<0.05)，半纖維素和綜纖維素平均含量顯著大于其它4種植物(P<0.05)，而木纖比則表現(xiàn)為香根草顯著小于狗牙根、馬尼拉草和狗尾草(P<0.05)。不同植物間各成分含量在分徑級(jí)比較時(shí)與平均含量的大小關(guān)系有所差異。各徑級(jí)中香根草根系的纖維素均大于其它植物，而馬尼拉草均小于其它植物；香根草的木質(zhì)素均小于其它植物，而狗尾草均大于其它植物；香根草的綜纖維素均大于其它植物；香根草的木纖比均小于其它植物，而馬尼拉草均大于其它植物。不同徑級(jí)間各化學(xué)成分含量的差異性各有不同。隨著徑級(jí)的增大，纖維素含量均逐漸減小，其中馬尼拉草和狗尾草的徑級(jí)Ⅰ和徑級(jí)Ⅳ之間差異顯著(P<0.05)；木質(zhì)素含量除狗牙根、馬尼拉和狗尾草中徑級(jí)Ⅳ小于徑級(jí)Ⅲ外，其它各徑級(jí)的含量均是逐漸增大；半纖維素含量各

圖1 5種草本根系抗拉特性隨直徑變化趨勢(shì)

注：不同大寫(xiě)字母表示同一植物不同根徑間根系力學(xué)性質(zhì)差異顯著(P<0.05)，不同小寫(xiě)字母表示同一根徑不同植物間根系力學(xué)性質(zhì)差異顯著(P<0.05)。

Note: Different capital letters for the same plant species indicate significant difference between different root tensile properties of root diameter classes at the 0.05 level using Duncan’s test, different lowercase letters for the same root diameter class indicate significant differences in root tensile properties between different plant species at the 0.05 level using Duncan’s test.

表2 5種草本根系抗拉性能和直徑間回歸函數(shù)

注：D為根系平均直徑；**P<0.01；*P<0.05。

Note: D is root mean diameter; **,P<0.01, and *,P<0.05.

表3 5種草本根系的主要化學(xué)成分含量

注：不同大寫(xiě)字母表示同一植物不同徑級(jí)間根系主要化學(xué)成分差異顯著(P<0.05)，不同小寫(xiě)字母表示同一徑級(jí)不同植物間根系主要化學(xué)成分差異顯著(P<0.05)。

Note: Different capital letters for the same plant species indicate significant difference between different root main chemical compositions among root diameter classes at the 0.05 level using Duncan’s test. Different lowercase letters for the same root diameter class indicate significant differences in root main chemical compositions between different plant species at the 0.05 level using Duncan’s test.

徑級(jí)中大小關(guān)系各有不同，沒(méi)有明顯的變異規(guī)律；各徑級(jí)間木質(zhì)素和半纖維素均無(wú)顯著差異(P>0.05)；而木纖比均逐漸增大，不同徑級(jí)間表現(xiàn)出顯著差異(P<0.05)。

5種根系的纖維素和綜纖維素含量與根系直徑極顯著負(fù)相關(guān)(r=0.67，P=0.000；r=0.56，P=0.000)，而木質(zhì)素含量和木纖比則與根系直徑極顯著正相關(guān)(r=0.47，P=0.000；r=0.76，P=0.000)，半纖維素含量與根系直徑?jīng)]有表現(xiàn)出明顯的相關(guān)關(guān)系(r=0.18，P=0.164)。

2.3 根系的力學(xué)特性與主要化學(xué)成分的關(guān)系

對(duì)于抗拉力，5種植物根系均與纖維素含量極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01)；百喜草根系與綜纖維素含量顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)，其它4種植物根系與綜纖維素含量極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01)；狗牙根和百喜草根系與木質(zhì)素含量極顯著正相關(guān)(P<0.01)，馬尼拉草和狗尾草與木質(zhì)素含量顯著正相關(guān)(P<0.05)；狗牙根和百喜草根系與半纖維素含量顯著正相關(guān)(P<0.05)；5種植物根系均與木纖比極顯著正相關(guān)(P<0.01)(表4)。

對(duì)于抗拉強(qiáng)度，5種植物根系均與纖維素、綜纖維素含量極顯著正相關(guān)(P<0.01)；狗牙根和百喜草根系與木質(zhì)素含量極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01)，其它3種植物根系與木質(zhì)素含量顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)；狗牙根根系與半纖維素含量顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)；5種植物根系均與木纖比顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)。

各植物根系的抗拉力與纖維素含量均極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01)；除百喜草根系的抗拉力與綜纖維素含量顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)，其余植物根系的抗拉力與綜纖維素含量均極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01)；各植物根系的抗拉力與木纖比均極顯著正相關(guān)(P<0.01)；而各植物根系的抗拉強(qiáng)度與纖維素、綜纖維素含量均極顯著正相關(guān)(P<0.01)，與木纖比均極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01)，狗牙根和百喜草根系的抗拉強(qiáng)度與木質(zhì)素含量極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01)，其余3種植物的抗拉強(qiáng)度與木質(zhì)素含量均顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)。說(shuō)明纖維素、木質(zhì)素含量和木纖比與5種根系的力學(xué)性質(zhì)有較好的線性關(guān)系，而半纖維素含量在不同植物根系上與直徑表現(xiàn)出不同的相關(guān)關(guān)系，使得不同植物根系間半纖維素與抗拉力學(xué)特性之間的相關(guān)性存在差異。

表4 5種草本植物根系力學(xué)特性與主要化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)的相關(guān)系數(shù)(r)

注：*,P<0.01；*,P<0.05；ns,未達(dá)到顯著性相關(guān)。

Note: ** and * , significant correlation at 0.01 and 0.05 level, respectively; ns, no significant correlation. Lignin/cellulose, ratio of cellulose to lignin content.

3 討論

3.1 根系力學(xué)特性與直徑關(guān)系

本研究所測(cè)試根徑范圍為0.19～1.48 mm，抗拉力范圍為0.81～70.13 N，抗拉強(qiáng)度范圍為14.40～96.61 MPa。5種草本植物根系的抗拉力隨直徑的增大而增大，抗拉強(qiáng)度隨直徑的增大而減小，均表現(xiàn)為冪函數(shù)關(guān)系，其中根系抗拉強(qiáng)度的擬合函數(shù)表示為T(mén)r(d)= αd-β[13-14]。對(duì)于抗拉強(qiáng)度較大的根系，具有較大的α值和較小的β值[14,17]。本研究中，各根系抗拉強(qiáng)度隨直徑變化的擬合函數(shù)中α和β值的大小關(guān)系符合上述變化規(guī)律(表2)，根系抗拉力和抗拉強(qiáng)度特性與根系直徑的變化關(guān)系分別與前人在研究歐洲山毛櫸(Fagussylvatica)、歐洲落葉松(Larixdecidua)、海岸松(Pinuspinaster)、紫花苜蓿(Medicagosativa)和馬唐(Digitariasanguinalis)等植被上的結(jié)果一致[14,18,22-23,25,27-28]，在數(shù)值上有所不同。分析原因可能是本研究選取的研究對(duì)象是草本植物根系，根徑范圍集中在1.5 mm以下，并分成4個(gè)徑級(jí)，每個(gè)徑級(jí)的根系數(shù)量大致相等，使得根系分布較為均勻，而前人研究中所用根系多以喬、灌木為主，且其根系直徑與本研究中所用材料差異較大，從而根系力學(xué)性質(zhì)的大小差異較大。

3.2 根系主要化學(xué)成分含量與直徑關(guān)系

5種草本根系的纖維素含量為21.90%～34.57%，木質(zhì)素為12.85%～19.42%，半纖維素為14.31%～20.22%，綜纖維素為38.52%～51.83%，與紫花苜蓿和馬唐等草本植物[28]以及油松(Pinustabuliformis)[20]、元寶楓(Acertruncatum)[20]、冷杉(Abiesfabri)[23]、櫟樹(shù)(Quercus)[27]等喬木植物根系中的纖維素、綜纖維素含量接近。本研究中，各根系纖維素和綜纖維素含量與根系直徑呈反比關(guān)系，木質(zhì)素含量和木纖比則與根系直徑呈正比關(guān)系，半纖維素含量與根系直徑?jīng)]有表現(xiàn)出明顯的相關(guān)關(guān)系。但，油松、元寶楓等喬木植物根系中木質(zhì)素含量與直徑大小呈反比關(guān)系，而半纖維素含量則與直徑大小呈正比關(guān)系[20]；霸王(Sarcozygiumxanthoxylon)根系中半纖維素質(zhì)量分?jǐn)?shù)與直徑大小呈反比關(guān)系，而木質(zhì)素含量與直徑之間規(guī)律性不顯著[24]；油松、白樺(Betulaplatyphylla)等喬木植物根系纖維素和半纖維素含量與直徑大小呈正比關(guān)系，而木質(zhì)素含量和木纖比與直徑大小呈反比關(guān)系[21,25]，這些結(jié)論與本研究結(jié)果并不一致?？赡苁且?yàn)槠渌芯空咚褂玫脑囼?yàn)根系多為直徑為1～8 mm的喬灌木植物的粗根系，其理化性質(zhì)與本研究中所用材料的性質(zhì)差異較大。

3.3 根系主要化學(xué)成分對(duì)抗拉特性與的相關(guān)性

5種草本植物根系的抗拉力學(xué)特性，與根系內(nèi)纖維素、木質(zhì)素、綜纖維素和木纖比等成分有著良好的相關(guān)性，這一結(jié)論與前人在關(guān)于楊樹(shù)(Populus)[16]、海岸松[22]、冷杉[23]、紫花苜蓿和馬唐[28]等植物上的研究結(jié)果較相似。這5種植物中，香根草和百喜草的抗拉力和抗拉強(qiáng)度與其它3種植物根系差異顯著，但幾種主要化學(xué)成分并非都存在顯著差異。有研究發(fā)現(xiàn)，一些根系抗拉力學(xué)相近的種類(lèi)，其主要化學(xué)成分含量卻相差很大[20,22-25]。不同植物的根系抗拉力學(xué)性質(zhì)與不同的化學(xué)成分存在顯著相關(guān)性，說(shuō)明不同物種其根系直徑差異也較大，使得影響根系抗拉力學(xué)的化學(xué)成分也不同。

此外，除了根系的化學(xué)成分，根系的力學(xué)性質(zhì)可能還受到其它例如根系的遺傳因素、內(nèi)部結(jié)構(gòu)等因素的影響[13]。許多研究從植物微觀角度上闡明植物內(nèi)部化學(xué)成分、直徑與力學(xué)強(qiáng)度的作用關(guān)系。根系細(xì)胞壁中纖維素含量對(duì)于維持根系抗拉強(qiáng)度的作用大于木質(zhì)素，在抵抗根系張力破壞上的起著顯著作用[28-29]。纖維素分子鏈在細(xì)胞壁中形成的微纖絲沿細(xì)胞的軸向排列，決定了植物根系的順紋抗拉強(qiáng)度[30-31]。微纖絲是纖維素分子鏈組成的最小絲狀機(jī)構(gòu)單元，而微纖絲角是細(xì)胞次生壁S2層微纖絲排列方向與細(xì)胞主軸所形成的夾角[31]。微纖絲角的大小影響植物單根抗拉強(qiáng)度，且二者呈良好的負(fù)相關(guān)關(guān)系，是植物機(jī)械性能的主要決定因子之一[30]，而微纖絲角隨根系直徑增大而增大，因此，從根系內(nèi)部結(jié)構(gòu)的角度上闡明了抗拉強(qiáng)度與直徑呈負(fù)相關(guān)關(guān)系[30-31]，解釋了纖維素、半纖維素含量與抗拉強(qiáng)度呈正比關(guān)系[22-23,32]的原因。而不同植物根系的纖維素含量相差不大，但抗拉強(qiáng)度差異較大，說(shuō)明植物根系的抗拉強(qiáng)度除了與纖維素含量有關(guān)之外，還與根系的纖維強(qiáng)度、排列緊密程度以及根系的其它物質(zhì)組成有著重要關(guān)系[28]。可能也是本研究中香根草與其它幾種植物的纖維素含量差別不大，但強(qiáng)度差別很大的原因。因此，將根系的力學(xué)特性、化學(xué)成分與內(nèi)部結(jié)構(gòu)等方面結(jié)合起來(lái)開(kāi)展更多的分析，將有助于更好地了解根系力學(xué)機(jī)理的作用本質(zhì)。

4 結(jié)論

本研究選取的5種草本植物中，香根草和百喜草相較其它3種植物有著更為發(fā)達(dá)的地下部分和致密的地上部分[33-34]。依據(jù)對(duì)各根系力學(xué)性質(zhì)的探討，這兩種植物的根系有著良好的抗拉力學(xué)特性，對(duì)地表覆蓋程度以及根系對(duì)土壤的固持作用更好，使得其在水土保持工程上的使用更廣泛，應(yīng)用效果也更佳?？梢?jiàn)，香根草和百喜草在水土保持工程上是一種成功有效的固土護(hù)坡植物種類(lèi)。

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(責(zé)任編輯 武艷培)

Relationship between root tensile mechanical properties and main chemical components of five herbaceous species

Ye Chao1, Guo Zhong-lu1, Cai Chong-fa1, Yan Feng-ling2, Ma Zhong-hao1

(1.Huazhong Agricultural University, Wuhan 430070, China;2.Changjiang Water Resources Protection Institute, Wuhan 430010, China)

To explore the effect of root chemical components on the mechanical properties of five common herbaceous species in Central China, root tensile tests were conducted on their roots. The tested roots were divided into four groups with diameters ranging from 0 to 1.5 mm, and then their root chemical components such as cellulose, lignin, and hemicellulose content were measured. In addition, the holocellulose and ratio of lignin to cellulose contents were calculated. The results showed that the root tensile force and strength of the five species were in the following descending order:Vetiveriazizanioides>Paspalumnatatu>Cynodondactylon>Zoysiamatrella>Setariaviridisin each diameter class. A comparison of the different species in each group revealed that the tensile properties ofV.zizanioidesandP.natatuwere significantly higher than those of the other three species were (P<0.05). Furthermore, the different diameter classes of the five species showed a significantly increased tensile force while the tensile strength decreased significantly with increasing root diameter. Both the tensile force and strength were shown to be power functions (P<0.05). The analysis of the root chemical components showed that the values were in the range of 21.90%～34.57%, 12.85%～19.42%, 14.31%～19.34%, 38.52%～51.83%, and 0.37～0.83 for the cellulose, lignin, hemicellulose, holocellulose, and ratio of lignin to cellulose content, respectively. Interestingly, the root diameter of the five species was negatively correlated with the cellulose and holocellulose contents but positively correlated with the lignin and the ratio of lignin to cellulose contents. However, no significant correlation was found between the hemicellulose content and root diameter. The root tensile force was negatively correlated with the cellulose and holocellulose content, and positively correlated with the ratio of the lignin to cellulose content while the root tensile strength was positively correlated with the cellulose and holocellulose content, and negatively correlated with the lignin and the ratio of lignin to cellulose content. All the correlations were statistically significant, and the above the results indicate that cellulose, holocellulose, lignin, and the ratio of lignin to cellulose contents exhibited a good correlation with the mechanical properties of the herbaceous species roots. Therefore, this study provided useful information on the relationship between the mechanical properties, chemical components, and diameter of these plant roots.

herb; roots; tensile mechanical properties; chemical composition; soil reinforcement

Guo Zhong-lu E-mail:zlguohzau@163.com

10.11829/j.issn.1001-0629.2016-0325

2016-07-17 接受日期：2016-08-30

國(guó)家自然科學(xué)基金(41671273、41301285)；中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)資金(2662015PY043)

葉超(1987-)，男，湖北羅田人，在讀博士生，主要從事水土保持侵蝕機(jī)理研究。E-mail:yechaohzau@163.com

郭忠錄(1980-)，男，山西定襄人，副教授，博士，主要從事水土保持侵蝕機(jī)理研究。E-mail:zlguohzau@163.com

Q946-33

A

1001-0629(2017)3-0598-09*

葉超,郭忠錄,蔡崇法,閆峰陵,馬中浩.5種草本植物根系理化特性及其相關(guān)性.草業(yè)科學(xué),2017,34(3)：598-606.

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