張超波, 周 霞, 李東嶸, 蔣 靜, 魏 楊

(太原理工大學(xué), 太原 030024)

北方土石山區(qū)作為我國(guó)水土流失的一個(gè)重要類型區(qū)，因區(qū)內(nèi)土層薄、水土流失危害大而受到長(zhǎng)期關(guān)注[1]。植物措施作為防治水土流失的主要措施之一，對(duì)于我國(guó)生態(tài)文明建設(shè)非常重要。近年來(lái)，植物根系固土護(hù)坡的力學(xué)效應(yīng)受到廣泛關(guān)注和研究[2]。一般認(rèn)為，覆蓋植被的土體發(fā)生淺表層滑動(dòng)時(shí)，滑動(dòng)土體和根系均發(fā)生變形，由于在變形模量方面土壤與根系之間有較大差異，二者出現(xiàn)相互錯(cuò)動(dòng)或相互錯(cuò)動(dòng)趨勢(shì)。這種錯(cuò)動(dòng)或錯(cuò)動(dòng)趨勢(shì)被二者之間的摩擦阻力所抵抗，使得滑移面附近土體中產(chǎn)生的剪應(yīng)力部分轉(zhuǎn)移給植物根系，轉(zhuǎn)化為根系的拉應(yīng)力[3-4]。因此，植物根系固土護(hù)坡過(guò)程中發(fā)揮的抗拉和抗拔性能是固持水土的重要力學(xué)性能和指標(biāo)。根系原位拉拔試驗(yàn)和室內(nèi)拉伸試驗(yàn)是研究根系抗拔和抗拉力學(xué)性能的主要手段[5]。原位拉拔試驗(yàn)，開(kāi)展較多的是針對(duì)整株植物的拉拔，測(cè)定的是植株被拔出時(shí)的最大抗拔力[6-9]，一般稱為植株抗拔力[10]，而且原位拉拔較多針對(duì)喬灌植物根系[11-16]，草本植物根系開(kāi)展較多集中在室內(nèi)拉伸試驗(yàn)，缺少針對(duì)土石山區(qū)草本植物單根開(kāi)展的原位拉拔試驗(yàn)，而且對(duì)于草本植物根系拉拔力與根徑和土層深度等影響因素的關(guān)系尚不清楚。

本文通過(guò)開(kāi)展根系原位拉拔力學(xué)試驗(yàn)，研究了山西省土石山區(qū)3 種典型草本植物香根草(VetiveriazizanioidesL.)、百喜草(PaspalumnotatumFlugge)、黑麥草(LoliumperenneL.)根系的拉拔力，以及其隨根徑和土層深度的變化規(guī)律。研究結(jié)果可為實(shí)際生態(tài)固土工程中草本植物的種植和選擇提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

原位拉拔試驗(yàn)所需植物根系位于山西省太原市西北24 km處的崛圍山區(qū)，該山呈南北走向，平均海拔1 352 m，地理位置介于112°25.628′—112°26.469′E，37°57.821′—37°58.108′N。屬于暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候類型。全年平均有130～150 d的無(wú)霜期，早晚、晝夜溫差較大，年平均溫度7～10℃，最低氣溫可達(dá)-28 ℃，最高氣溫可達(dá)40 ℃。全年日照時(shí)間約為2 400—2 600 h，降雨主要集中在7—9月份。年平均降水量約為470 mm。崛圍山植被以油松、側(cè)柏和黃櫨等林木和香根草、黑麥草和百喜草等草本為主[17]。該區(qū)地表水均屬黃河流域汾河水系，汾河一級(jí)支流泥屯河、柏板河、楊興河、澗河均在區(qū)內(nèi)匯入汾河。平均地表水資源510萬(wàn)m3，地下水資源為3 891萬(wàn)m3，全區(qū)水資源總量為4 057萬(wàn)m3。

1.2 試驗(yàn)儀器

本試驗(yàn)以研究區(qū)廣泛分布的香根草、黑麥草和百喜草3種草本植物根系為研究對(duì)象，測(cè)定其拉拔力。試驗(yàn)儀器包括：(1) 根徑測(cè)量：電子游標(biāo)卡尺，精度為0.01 mm；(2) 根長(zhǎng)及土層深度測(cè)量：卷尺，精度為1 mm；(3) 單根拉拔力：測(cè)力計(jì)，測(cè)力量程為0～100 N，精度為0.05 N；(4) 野外根系挖掘采用的其他儀器與工具：刷子、鐵鏟和鐵鍬等。

1.3 單根原位拉拔試驗(yàn)

選擇生長(zhǎng)狀況良好植株，以植株為中心，用鐵鍬和鐵鏟等工具環(huán)向開(kāi)挖植株附近土壤剖面。露出單根后，為避免開(kāi)挖過(guò)程對(duì)根部產(chǎn)生破壞，采用刷子和小鏟進(jìn)一步清理單根周邊土壤，直至單根一端外露長(zhǎng)度5 cm左右。利用電子游標(biāo)卡尺測(cè)量根樣3個(gè)不同位置直徑，取其平均值作為根樣直徑。用測(cè)力計(jì)夾住單根一端，然后橫向勻速拉拔，直至根樣拔斷，記錄對(duì)應(yīng)測(cè)力計(jì)讀數(shù)，獲得單根拉拔力。根據(jù)研究區(qū)土層厚度較薄和草本植物根系分布較淺的特點(diǎn)，開(kāi)挖土壤剖面深度分為0—10 cm和10—20 cm兩層。

1.4 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析采用SPSS 16.0 for Windows軟件(SPSS，Chicago，IL，USA)。不同變量之間關(guān)系采用冪函數(shù)回歸分析。3種植物間根徑和拉拔力差異顯著性檢驗(yàn)采用方差分析(ANOVA)。同一根徑組下，不同深度間根徑和拉拔力差異顯著性檢驗(yàn)采用獨(dú)立樣本T檢驗(yàn)(Independent-Samples T test)。采用Excel 2007(Microsoft Corporation)制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 3種植物整體拉拔力結(jié)果

3種草本植物單根拉拔力測(cè)試成功單根樣本總數(shù)為568。由表1可知，香根草根徑范圍為0.05～0.78 mm，百喜草根徑范圍為0.07～0.67 mm，黑麥草根徑范圍為0.05～0.58 mm。香根草平均根徑(0.43 mm)顯著高于百喜草(0.31 mm)和黑麥草(0.29 mm)(p<0.05)；香根草單根平均拉拔力(7.94 N)也顯著高于黑麥草(5.75 N)和百喜草(4.62 N)。盡管百喜草和黑麥草之間平均根徑無(wú)顯著性差異(p=0.39)，但單根平均拉拔力黑麥草(5.75 N)要顯著高于百喜草(4.62 N)。

2.2 不同深度下草本植物單根拉拔力與根徑冪函數(shù)關(guān)系

由圖1可知，在0—10 cm，10—20 cm土層中，單根拉拔力均隨根徑增加而增大，且兩者之間滿足冪函數(shù)F=aDb關(guān)系。冪函數(shù)相關(guān)常數(shù)見(jiàn)表2。常數(shù)b值越大，表明冪函數(shù)曲線更陡，拉拔力隨根徑增加而增大的速度越快。相比10—20 cm土層，0—10 cm土層的香根草和百喜草單根拉拔力隨根徑增大而增長(zhǎng)速度更快，而黑麥草單根拉拔力隨根徑增大而增長(zhǎng)速度在兩個(gè)土層中基本相同。據(jù)單根拉拔力與根徑之間冪函數(shù)關(guān)系(表2)推測(cè)，本文3種植物小于0.1 mm單根拉拔力均小于2 N。

表1 草本植物單根拉拔力

注：根徑和拉拔力平均值列不同小寫字母表示三組植物之間在p<0.05水平下有顯著性差異，下表和下圖同。

圖1草本植物單根拉拔力與根徑關(guān)系

植物土層深度/cm數(shù)量參數(shù)a 參數(shù)b 判定系數(shù)R2香根草0—109022.631.390.7310—2010921.841.320.84百喜草0—108526.461.550.7810—209520.471.340.76黑麥草0—1010026.091.240.7810—209923.651.260.84

2.3 不同根徑組下不同深度草本植物單根拉拔力與根徑差異顯著性對(duì)比關(guān)系

本研究中植物根系直徑范圍為0.05～0.80 mm，將根系分為兩組進(jìn)行對(duì)比，0.4 mm接近根徑范圍中間值且完整，因此根徑分組按0.4 mm劃分。由圖2可知：D≤0.4 mm根徑組下，香根草直徑顯著高于百喜草和黑麥草，但拉拔力卻沒(méi)有顯著高于百喜草和黑麥草，甚至稍低于黑麥草；百喜草和黑麥草根徑?jīng)]有顯著差異，但黑麥草單根拉拔力顯著高于百喜草。表明D≤0.4 mm時(shí)，黑麥草單根拉拔力最高。D>0.4 mm根徑分組下，平均根徑大小順序?yàn)橄愀?百喜草>黑麥草，且三者之間根徑差異顯著；香根草和黑麥草單根拉拔力顯著高于百喜草，香根草和黑麥草之間單根拉拔力無(wú)顯著差異。表明D>0.4 mm時(shí)，黑麥草單根拉拔力性能較好，香根草次之，百喜草單根拉拔力三者中最弱。

根徑D≤0.4 mm和D>0.4 mm兩個(gè)組間，3種植物的根徑和拉拔力均是D>0.4 mm組高于D≤0.4 mm組，這是因?yàn)閱胃瘟κ芨鶑匠叽缧?yīng)影響(圖1)。因此，單根拉拔力的比較需在根徑無(wú)顯著差異情況下開(kāi)展。比較同一根徑組下、不同土層間根徑和拉拔力結(jié)果可知(表3)：3種植物在D≤0.4 mm和D>0.4 mm兩個(gè)根徑組下，0—10 cm，10—20 cm兩個(gè)土層間根徑?jīng)]有顯著差異。除了百喜草單根在D>0.4 mm組下，0—10 cm土層根徑稍小于10—20 cm土層根徑外，其他分組下，均是0—10 cm土層根徑稍大于10—20 cm土層根徑。黑麥草單根在D≤0.4 mm和D>0.4 mm兩個(gè)根徑組下，0—10 cm，10—20 cm兩個(gè)土層間拉拔力均出現(xiàn)顯著差異，即0—10 cm土層拉拔力均顯著高于10—20 cm土層。香根草和百喜草單根在兩個(gè)根徑組下，0—10 cm，10—20 cm兩個(gè)土層間拉拔力未出現(xiàn)顯著差異，表明香根草和百喜草兩種植物單根在兩個(gè)土層內(nèi)拉拔力特性相似，而黑麥草單根拉拔力在表層土壤優(yōu)于下層土壤。

圖2 不同根徑組下草本植物單根根徑D(mm)和拉拔力F(N)

表3 不同根徑組和不同土層下草本植物單根

注：表中根徑和拉拔力數(shù)值為平均值±標(biāo)準(zhǔn)偏差，每行數(shù)值后不同小寫字母表示同一植物和根徑組下不同深度兩組之間在p<0.05水平下有顯著性差異。

3 結(jié)論與討論

由于3種植物原位單根拉拔力試驗(yàn)結(jié)果較少，本文將所測(cè)3種植物拉拔力結(jié)果與已發(fā)表的單根室內(nèi)拉伸抗拉力結(jié)果(表4)對(duì)比可知[17-19]：香根草單根抗拉力是拉拔力的1.5～3.1倍；百喜草單根抗拉力是拉拔力的1.1～2.0倍；黑麥草單根抗拉力是拉拔力的0.8～2.0倍。因?yàn)楦抵睆椒秶灰恢?，根系抗拉力?huì)隨根徑增加而增大，表4中根系抗拉力對(duì)應(yīng)根系直徑明顯粗于本研究根系直徑，因此從現(xiàn)有結(jié)果尚無(wú)法得出同一植物根系抗拉力一定高于拉拔力的結(jié)論。

表4 草本植物單根抗拉力

3種草本植物單根拉拔力隨著根徑的增大而增加，且拉拔力與根徑之間滿足冪函數(shù)關(guān)系。這種冪函數(shù)關(guān)系同根系抗拉力與根徑之間冪函數(shù)關(guān)系非常相似，主要原因可能也在于根系主要化學(xué)組分含量的不同[20-21]；相比10—20 cm土層，0—10 cm土層的香根草和百喜草單根拉拔力隨根徑增大而增長(zhǎng)速度更快，而黑麥草單根拉拔力隨根徑增大而增長(zhǎng)速度在兩個(gè)土層中基本相同。根徑作為根系橫向尺寸，其一定程度直觀地反應(yīng)了根系拉拔力學(xué)性能。本文小于0.1 mm的根系研究數(shù)量較少，一方面在于其數(shù)量較少較短；另一方面其拉拔力極低，雖然小于0.1 mm根系通過(guò)根系分泌物粘結(jié)土壤，對(duì)于固土起著不可忽略作用，但由于其木質(zhì)化程度非常低，力學(xué)性能較0.1 mm以上毛根和細(xì)根低得多，輕微土壤擾動(dòng)甚至流水沖刷就能將其破壞[22]。

整體上，單根拉拔力從大到小順序表現(xiàn)為香根草>黑麥草>百喜草，而且三者之間差異顯著；但在D≤0.4 mm和D>0.4 mm兩個(gè)根徑組下，黑麥草均表現(xiàn)出較好的拉拔力性能。在0—10 cm，10—20 cm兩個(gè)土層間，香根草和百喜草兩種植物單根拉拔力性能相似，而黑麥草單根拉拔力在表層土壤發(fā)揮效果優(yōu)于下層土壤。

因此，從單根拉拔力角度考慮，3種植物中可優(yōu)先選擇黑麥草用于草本植物措施固持淺表層土壤。本試驗(yàn)探究了草本植物在不同根徑組下和土層深度下的單根抗拔性能，研究結(jié)果可為北方土石山區(qū)水土保持植物措施草本植物物種選擇提供理論依據(jù)。