浙南山區(qū)6種優(yōu)勢(shì)喬木植物根系的力學(xué)特性研究

李賀鵬，岳春雷*，陳友吾，江 波，袁位高，李建兵

（1. 浙江省林業(yè)科學(xué)研究院，浙江 杭州 310023；2. 浙江省安吉縣良朋鎮(zhèn)林業(yè)站，浙江 安吉 313309）

水土流失、山體滑坡、泥石流等自然災(zāi)害往往造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和威脅人類的生命安全，同時(shí)也對(duì)生態(tài)環(huán)境造成不同程度的破壞，而植物在防治水土流失、穩(wěn)定邊坡等方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。但在過(guò)去較長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)，有關(guān)植被減少表土侵蝕作用的研究大多集中在植物的地上部分，而對(duì)根系的作用研究則被忽略[1]；近年來(lái)，植物根系的固土護(hù)坡機(jī)理、根—土相互作用等研究越來(lái)越受到學(xué)者們的重視，成為生態(tài)學(xué)研究的熱點(diǎn)之一[2～4]，同時(shí)在不同類型植物的單根抗拉特性、根—土復(fù)合體的抗剪特性、根系固土的力學(xué)增強(qiáng)效應(yīng)、根系護(hù)坡固土模型及機(jī)理等方面開展了許多研究[5～14]。目前，普遍接受的解釋根系固坡機(jī)理的模型是由Wu提出[15]，并由Waldron[16]和Wu等[17]發(fā)展的Wu-Waldron模型[18]，其中影響固坡效果的主要因素是根系抗拉強(qiáng)度和根面積比[19]，但是也受根徑、根系類型、空間分布及密度、生活史特點(diǎn)、更新速度等因素影響[20]。盡管國(guó)內(nèi)外關(guān)于植物林草根系力學(xué)特性的研究有一些資料報(bào)道，但缺乏系統(tǒng)性、數(shù)據(jù)庫(kù)不健全[4]，特別是關(guān)于植物根系抗拉強(qiáng)度的測(cè)定資料目前仍比較少[21]。因此，開展護(hù)坡植物根系力學(xué)性質(zhì)方面的研究顯得尤為重要。

浙江省地處我國(guó)東南沿海，山地丘陵眾多，由于臺(tái)風(fēng)、暴雨等頻繁，致使山體滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害時(shí)有發(fā)生，目前已查明滑坡及隱患超過(guò)4000多處。盡管全省森林植被覆蓋率超過(guò)60%，但是有關(guān)植被根系的相關(guān)研究?jī)H限于浙北地區(qū)[22～23]，而林木植物根系力學(xué)方面的研究尚未見(jiàn)報(bào)道。因此，本文針對(duì)浙江南部山區(qū)的植被郁閉度較高且容易發(fā)生山體滑坡、泥石流區(qū)域，開展林木根系的力學(xué)特性研究，用于指導(dǎo)山區(qū)林相改造，實(shí)現(xiàn)亞熱帶常綠闊葉林地區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)的綜合功能的優(yōu)化和提升，以期為山體滑坡和泥石流易發(fā)區(qū)的生產(chǎn)實(shí)踐和山體水土保持提供科學(xué)支持，同時(shí)也可豐富固土護(hù)坡的理論體系。

1 研究區(qū)域自然概況

研究區(qū)域位于浙江省西南部的慶元縣荷地鎮(zhèn)石木下村附近山體南坡（27° 33′ 56″ N，119° 18′ 52″ E），海拔880 m。該區(qū)地處亞熱帶南緣，屬亞熱帶季風(fēng)氣候，溫暖濕潤(rùn)，冬暖夏涼，四季分明，年平均氣溫18.1℃，年平均無(wú)霜期256 d，年平均降水量1427.0 mm。地貌以丘陵山地為主，土壤類型以紅壤、黃壤為主，山體坡度約45°；地帶性植被類型屬中亞熱帶常綠闊葉林，由于地理?xiàng)l件優(yōu)越，植物資源豐富，植被郁閉度70%～90%，喬木植物以殼斗科的甜櫧（Castanopsis eyrei）、苦櫧（C. sclerophylla）、石櫟（Lithocarpus glaber）等（常綠林），金縷梅科的楓香（Liquidambar formosana）等和漆樹科的南酸棗（Choerospondias axillaris）等次生林（落葉林）為主，原人工林以馬尾松（Pinus massoniana）、柳杉（Cryptomeria fortune）、杉木（Cunninghamia lanceolata）優(yōu)勢(shì)樹種為主；灌木植物以毛杜鵑（Rhododendron pulchrum）、檵木（Loropetalum chinense）為優(yōu)勢(shì)種；草本植物以青綠苔草（Carex breviculmis）為優(yōu)勢(shì)種；蕨類植物以里白（Diplopterygium glaucum）、狗脊蕨（Woodwardia japonica）為主；其它植物主要有榿木（Alnus cremastogyne）、黃瑞木（Adinandra millettii）、毛花獼猴桃（Actinidia eriantha）、山茶（Camellia japonica）、江南越桔（Vaccinium mandarinorum）、野茉莉（Styrax japonicus）、柃木（Eurya japonica）、窄基紅褐柃（E. rubiginosavar.attenuata）、格藥柃（E. muricata）、烏藥（Lindera aggregata）、絡(luò)石（Trachelospermum jasminoides）、卷柏（Selaginella tamariscina）、烏飯樹（Vaccinium bracteatum）、白櫟（Quercus fabri）、網(wǎng)脈芽豆藤（Callerya reticulata）、野薔薇（Rosa multiflora）、尖連蕊茶（Camellia cuspidata）、菝葜（Smilax china）、八角楓（Alangium chinense）、茅栗（Castanea seguinii）、香港黃檀（Dalbergia millettii）、紅楠（Machilus thunbergii）、木通（Akebia quinata）、白檀（Symplocos paniculata）、老鼠矢（S. stellaris），土茯苓（Smilax glabra）、鐵冬青（Ilex rotunda）、矩形葉鼠刺（Itea chinensisvar.oblonga）、馬銀花（Rh. ovatum）、滿山紅（Rh. mariesii）、五節(jié)芒（Miscanthus floridulus）等。

2 材料與方法

2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在山腰中部偏上區(qū)域設(shè)定30 m×30 m的樣方，根據(jù)植物群落中優(yōu)勢(shì)植物種類確定試驗(yàn)樹種。本研究選取具有代表性的6種喬木樹種進(jìn)行研究，常綠樹種為甜櫧和苦櫧，落葉樹種為楓香和南酸棗，針葉樹種為馬尾松和杉木；然后原位測(cè)定不同樹種根系土壤的抗剪強(qiáng)度；以樹根基處為中心，挖掘植物根系，深度保持在50 cm以內(nèi)；為了有效保持根系的水分含量，將挖出的新鮮根立即放入塑封袋內(nèi)密封保存，同時(shí)作好記錄并貼上標(biāo)簽，帶回實(shí)驗(yàn)室放置4℃冰箱保存；最后取土壤樣品1個(gè)，放置塑封袋密封保存。

2.2 試驗(yàn)方法

2.2.1 土壤含水量測(cè)定 采取野外儀器現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定和土壤樣品實(shí)驗(yàn)室測(cè)定兩種方法。野外土壤含水量測(cè)定采用三參數(shù)儀（Dalta-T WETTM 英國(guó)DALTA-T公司生產(chǎn)）；實(shí)驗(yàn)室內(nèi)測(cè)定采用烘干稱重法。

2.2.2 抗剪強(qiáng)度測(cè)定 以樹根基部為中心，半徑50 cm的圓范圍內(nèi)利用機(jī)械式十字板剪力儀現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定植物的抗剪強(qiáng)度；每個(gè)樹種根部土壤抗剪強(qiáng)度測(cè)定4 ～ 5次。

2.2.3 抗拉力測(cè)定 將帶回實(shí)驗(yàn)室的鮮根進(jìn)行單根拉伸試驗(yàn)，測(cè)量?jī)x器為電子式人造板萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)（型號(hào)：MWD-10（0 ～ 10 kN），濟(jì)南試金集團(tuán)有限公司和濟(jì)南試驗(yàn)機(jī)廠制造），測(cè)定時(shí)間在90 min內(nèi)完成。單根拉伸試驗(yàn)的具體步驟：以5 ～ 10 cm為測(cè)定長(zhǎng)度將供試根段夾持在工作臺(tái)上的拉伸夾具間，然后電腦操作控制根斷拉伸，直至斷裂。試驗(yàn)中，為避免單根在受力時(shí)出現(xiàn)打滑或在夾具兩端處被拉斷的現(xiàn)象，采用在夾具兩端纏繞和添加柔性物質(zhì)等方法以增大根系與夾具間的摩擦。用游標(biāo)卡尺詳細(xì)記錄斷裂處根系的直徑，每個(gè)根段進(jìn)行旋轉(zhuǎn)測(cè)量3次。為了減少試驗(yàn)誤差，保證每種植物根系的試驗(yàn)根斷測(cè)定有效值不少于10個(gè)。

2.2.4 抗拉強(qiáng)度 根據(jù)試驗(yàn)所得相關(guān)數(shù)據(jù)，如根系直徑、最大抗拉力等，計(jì)算根段的抗拉強(qiáng)度。根段的抗拉強(qiáng)度計(jì)算公式為：

式中：P為根系抗拉強(qiáng)度（MPa）、F為最大拉力（N）、D為拉斷處根系直徑（mm）。

2.3 數(shù)據(jù)分析

所有數(shù)據(jù)均采用SPSS和Excel軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析。使用Origin和Photoshop軟件進(jìn)行繪圖。

3 結(jié)果與分析

3.1 根系直徑與根系抗拉力的關(guān)系

從不同樹種根系直徑與抗拉力關(guān)系的3組擬合函數(shù)的各個(gè)指標(biāo)（表1）可以看出，各擬合函數(shù)的相關(guān)系數(shù)（R2）均超過(guò)了0.83，成顯著性正相關(guān)關(guān)系（P ＜ 0.001）（表2）。在3組擬合函數(shù)中，指數(shù)函數(shù)的相關(guān)系數(shù)都明顯低于其它兩組函數(shù)，而線性函數(shù)中除了甜櫧（R2= 0.9941）和馬尾松（R2= 0.9984）高于冪函數(shù)（甜櫧R2=0.9885和馬尾松R2= 0.9836）的相關(guān)系數(shù)外，其它樹種的相關(guān)系數(shù)都低于冪函數(shù)。因此在分析過(guò)程中均采用冪函數(shù)。

表1 不同樹種根系直徑與抗拉力間的擬合函數(shù)比較Table 1 Comparison on fitting functions for relation between root system and tensile force

從圖1可以看出，每個(gè)樹種的抗拉力與根徑均成顯著的冪函數(shù)關(guān)系，隨著根徑的增加，根系的抗拉力迅速增加，這主要是由于根截面積的迅速增加，導(dǎo)致根的抗拉力迅速增加。通相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)，6個(gè)樹種根系根莖與抗拉力成極顯著正相關(guān)（P ＜ 0.001）（表2），而不同樹種根系的抗拉力差異較大；當(dāng)根莖R≤2.15 mm時(shí)，6種植物的抗拉力關(guān)系是苦櫧 ≥ 南酸棗 ＞ 甜櫧 ＞ 馬尾松 ＞ 楓香 ＞ 杉木；當(dāng)根莖R ＞ 2.15 mm時(shí)，這些植物的抗拉力關(guān)系是南酸棗 ＞ 苦櫧 ＞ 甜櫧 ＞ 馬尾松 ＞ 楓香 ＞ 杉木。由此可見(jiàn)，以杉木等針葉樹種占優(yōu)勢(shì)的山地植被的抗雨水沖蝕能力相對(duì)較低，而以苦櫧、楓香、甜櫧等闊葉林為主的植被群落的抗沖蝕能力則相對(duì)較高。

表2 不同樹種根徑與抗拉力和抗拉強(qiáng)度的相關(guān)性分析（P ＜ 0.001）Table 2 Correlation analysis on root diameter with tensile strength of different tree species

表3 不同樹種根系直徑與抗拉強(qiáng)度間的冪函數(shù)特征Table 3 Power function of relation between root diameter and tensile strength of different tree species

3.2 根系抗拉強(qiáng)度與根系直徑的關(guān)系

圖1 不同樹種根系直徑與抗拉力關(guān)系Figure 1 Relation of root diameter withtensile force of different tree species

圖2 不同樹種根系直徑與抗拉強(qiáng)度關(guān)系Figure 2 Relation of root diameter with tensile strength of ifferent tree species

通過(guò)相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)，苦櫧、甜櫧、楓香、南酸棗、馬尾松和杉木根系的抗拉強(qiáng)度和直徑存在極顯著的負(fù)相關(guān)性（P ＜ 0.001），其相關(guān)系數(shù)分別為－0.894、－0.996、－0.901、－0.809、－0.963和－0.830（表2）。由根系直徑與抗拉強(qiáng)度回歸分析結(jié)果顯示：所有根系的抗拉強(qiáng)度均與直徑成顯著冪函數(shù)負(fù)相關(guān)（表 3），即隨著喬木植物直徑的增大，抗拉強(qiáng)度呈減小趨勢(shì)（圖 2）。另外，從圖 2可以看出，不同植物根系抗拉強(qiáng)度的差異比較明顯，其中苦櫧和南酸棗的抗拉強(qiáng)度相對(duì)較大，而杉木的抗拉強(qiáng)度最低。

4 討論與結(jié)論

4.1 根系抗拉力

植物根系不同于一般的工程材料，其力學(xué)特征因植物種類不同而差異顯著。6種植物根系的抗拉力中杉木的最低，甜櫧、楓香和馬尾松三者居中且差異不明顯，南酸棗和苦櫧較高，這主要是由不同植物根系遺傳差異、構(gòu)造差異等因素造成的。植物根系的木纖維含量及排列方式等明顯影響其抗拉力[12]，如狼牙刺（Sophora davidii）根柔軟，木纖維排列緊密，而連翹（Forsythia suspensa）根脆而硬，木纖維排列疏松，因此前者抗拉力明顯大于后者[8]。本研究中，杉木根系明顯不同于其它植物，其根皮疏松，且脆而硬，故其抗拉力相對(duì)較??；另外，這些植物根系的結(jié)構(gòu)成分（如木纖維、膠原蛋白含量及排列方式，以及各細(xì)胞組分等）、分布特點(diǎn)等都可能影響單根的抗拉力性能，有關(guān)這方面的研究尚待繼續(xù)深入。

研究證實(shí)，植物根系抗拉力與根徑成冪函數(shù)正相關(guān)或指數(shù)函數(shù)正相關(guān)關(guān)系[8,23～27]，如杉木，水青岡（Fagus langipeliolata）與日本黑松（Pinus thunbergii）等，其根徑與拔根抵抗力大約成指數(shù)正相關(guān)[23～25]，以及如野々田稔郎等[25]建立的杉木根系拉力（T）與根徑（d）的方程為T= 2.754d2.06（r = 0.9670）。本研究結(jié)果也進(jìn)一步證實(shí)了上述結(jié)論：即不同樹種根的抗拉力與根徑均成冪函數(shù)正相關(guān)關(guān)系，根的抗拉力隨著根徑的增加而迅速增大，不同樹種根的抗拉能力有顯著差異。

4.2 根系抗拉強(qiáng)度

影響根系固坡力學(xué)方面的主要根系參數(shù)包括根的抗拉強(qiáng)度、根數(shù)、根表面積、根長(zhǎng)和根徑等方面[28]。由原位根系拉拔試驗(yàn)表明，須根比主根有利于加固土壤和提高土體抗剪強(qiáng)度，須根增加根系的表面積，增大了根系與土壤的接觸面積，使根系與土壤間的摩擦阻力增大[7,26,29]。在根系徑級(jí)相同的情況下，須根發(fā)達(dá)的根系要比主直根系抗拉強(qiáng)度大[30]，本研究結(jié)果證實(shí)了上述觀點(diǎn)，即6種喬木植物根系的抗拉強(qiáng)度隨著根徑加粗而逐漸降低，植株根系越長(zhǎng)、分支越多、徑級(jí)越低，而其抗拉強(qiáng)度則越大。另外，這6種植物中僅發(fā)現(xiàn)杉木根系的須根相對(duì)較少，其抗拉強(qiáng)度則相對(duì)偏低；而南酸棗和苦櫧的根系中須根所占比例較高，其抗拉強(qiáng)度值要明顯高于其它植物。

目前關(guān)于植物根系抗拉強(qiáng)度的測(cè)定資料比較少，但是多數(shù)研究發(fā)現(xiàn)抗拉強(qiáng)度與其直徑成指數(shù)或冪函數(shù)負(fù)相關(guān)[18]，即樹根抗拉強(qiáng)度與直徑成反比，表明細(xì)根比粗根更有利于土壤加固和抗剪強(qiáng)度的提高[3,12,13,26,31～33]。但也有個(gè)別研究結(jié)果認(rèn)為植物根系與其直徑成冪函數(shù)正相關(guān)的報(bào)道[24]。本研究中6種樹種的根系抗拉強(qiáng)度與其直徑成冪函數(shù)負(fù)相關(guān)關(guān)系，這與上述大多數(shù)研究結(jié)果相一致。關(guān)于植物根系與其直徑的函數(shù)關(guān)系，迄今為止研究所涉及的植物種類較少，因此需要加大有關(guān)該方面的相關(guān)研究。

本研究中根系最大抗拉強(qiáng)度值偏低，如苦櫧55.8 MPa（最小直徑r = 1.25 mm，下同）、甜櫧41.9 MPa（r =0.91 mm）、楓香41.3 MPa（r = 0.77 mm）、南酸棗63.9 MPa（r = 0.99 mm）、杉木11.6 MPa（r = 1.40mm）、馬尾松、南酸棗33.4 MPa（r = 1.15 mm），這主要是由所選根系材料徑級(jí)（＞ 0.50 mm）所致。在預(yù)測(cè)根系固坡效應(yīng)的過(guò)程中，一般只測(cè)定一定徑級(jí)以內(nèi)細(xì)根的抗拉強(qiáng)度，如直徑范圍0.15 ～ 4.5 mm的根系抗拉強(qiáng)度值變化幅度為20 ～ 730 MPa[3]，其中發(fā)現(xiàn)最大的為山毛櫸（Fagus sylvatica），變化幅度400 ～ 700 MPa；目前所記錄的根系抗拉強(qiáng)度的植物大約有67種，如柳樹9 ～ 36 MPa，楊樹5 ～ 38 MPa，榿樹4 ～ 74 MPa，黃杉19 ～ 61 MPa，銀槭15 ～ 30 MPa，西鐵杉27 MPa等[19]。通常情況下許多學(xué)者以細(xì)根系（≤3 mm）為研究材料，因?yàn)樵搮^(qū)段的根系具有最大抗拉強(qiáng)度[3,12,19]。由此可見(jiàn)，植物細(xì)根在防治水土流失、山體滑坡和泥石流過(guò)程中發(fā)揮著關(guān)鍵作用，如發(fā)生于1997年5月8日的廣東省從化市部分地區(qū)的山洪滑坡，很多覆蓋樹木的山坡被山洪沖毀，而草山草坡幾乎安然無(wú)恙或受損很小[18]。因此，在山體滑坡、泥石流易發(fā)區(qū)除了開展喬木植物根系固土護(hù)坡的力學(xué)研究外，有關(guān)灌木植物、草本植物的根系力學(xué)性質(zhì)方面的研究還有待進(jìn)一步開展。

4.3 結(jié)論

（1）6種植物的單根抗拉力都隨著根系直徑的增加而增大，其中杉木的抗拉力最低，甜櫧、楓香和馬尾松居中，苦櫧和南酸棗的較高。

（2）所有6種植物的根系直徑與抗拉力間的擬合函數(shù)中以冪函數(shù)最為適合，并且6種植物的根系直徑與抗拉力間成冪函數(shù)正相關(guān)關(guān)系。

（3）6種植物抗拉強(qiáng)度隨著根系直徑增加而降低，并且所有植物根系抗拉強(qiáng)度與其直徑成冪函數(shù)負(fù)相關(guān)關(guān)系，其中杉木的抗拉強(qiáng)度明顯低于其它樹種。

（4）根據(jù)上述各指標(biāo)分析結(jié)果看，苦櫧和南酸棗的固土護(hù)坡作用較大，楓香、甜櫧、馬尾松居中，杉木的最差。

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