華北土石山區(qū)公路邊坡常見(jiàn)植物根系地下分布特征

徐洪雨，王英宇，宋桂龍?，韓烈保

(1.北京林業(yè)大學(xué)草坪研究所，100083，北京;2.北京市京石園林綠化有限公司，102600，北京)

根系是植物吸收水分、營(yíng)養(yǎng)的主要器官，即使在深層土壤中僅有很少比例的細(xì)根存在，它們對(duì)植物水分和營(yíng)養(yǎng)吸收也發(fā)揮著非常重要的作用［1］。刺槐(Robinia pseudoacacia L.)曾經(jīng)一度被認(rèn)為是淺根系樹(shù)種，沒(méi)有明顯的主根［2］，但有研究表明，在黃土高原地區(qū)刺槐是深根系樹(shù)種［3］，根系在深層土壤中也有較多的分布。對(duì)胡枝子(Lespedeza bicolor Turcz.)的研究多見(jiàn)于生物學(xué)特性、生態(tài)學(xué)等方面的報(bào)道，對(duì)地下根系的研究報(bào)道尚屬少見(jiàn)［4-6］。趙淑芬等［7］的研究表明，胡枝子根系干質(zhì)量的72.28%都分布在0～20 cm的耕作層內(nèi)，并且其細(xì)根含量豐富，在10～20 cm土層內(nèi)粗根和細(xì)根的干質(zhì)量相當(dāng)，在30 cm以下的土層中粗根和中根逐漸消失，主要以細(xì)根為主。紫穗槐(Amorpha fruticosa L.)為典型的深根系直根樹(shù)種，有明顯的主根和Ⅰ級(jí)側(cè)根，且有Ⅲ級(jí)以上側(cè)根的分布，紫穗槐的根系對(duì)邊坡具有很好的穩(wěn)定作用，是較為理想的生態(tài)護(hù)坡植物［8］。郭彥軍［9］對(duì)紫花苜蓿(Medicago sativa L.)的根系形態(tài)進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，紫花苜蓿的根系屬于直根系，由主根和側(cè)根組成。雖然沙打旺(Astragalus adsurgens Pall.)與紫花苜蓿同為豆科的優(yōu)良牧草，但關(guān)于沙打旺根系的研究鮮見(jiàn)報(bào)道，沙打旺也為直根系，由主根和側(cè)根組成，為深根系植物［10］。高羊茅(Festuca arundinacea)為常用的草坪草，關(guān)于其根系地下分布的研究也不多，成文競(jìng)等［11］在對(duì)3種草坪草根系研究后得出，高羊茅的根系分布較深，可到達(dá)地下1.8 m，另外高羊茅為禾本科植物，根系的類(lèi)型為典型的須根系。Gray將木本根系分為主直根型、散生根型和水平根型［12］。鑒于以上分析，根據(jù)Gray的根系分類(lèi)系統(tǒng)，紫穗槐為主直根型，胡枝子為散生根型，刺槐在以往的研究中無(wú)明顯主根，但是在邊坡的立地條件下，刺槐主根明顯，在本研究中將其定義為主直根型。草本植物紫花苜蓿和沙打旺為主直根系，高羊茅為須根系。近年來(lái)，隨著根系研究方法的增多，關(guān)于根系的研究較多，但是，由于邊坡的立地條件等原因，關(guān)于邊坡植物根系地下分布的研究有很多不足。經(jīng)典的根系研究方法較少，主要為環(huán)刀法，因此，對(duì)根系的地下分布特征的描述還存在一定的局限性。筆者以京承高速公路(三期)為研究對(duì)象，采用挖掘法，調(diào)查研究邊坡幾種常用植物根系的地下分布特征，以期為邊坡植物根系固土效應(yīng)研究及邊坡植被恢復(fù)工作提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地點(diǎn)的概述

試驗(yàn)地點(diǎn)為京承高速公路(三期)，是京承高速公路的一段。京承高速公路是國(guó)家高速公路網(wǎng)規(guī)劃中大廣(大慶—廣州)的重要組成部分，全長(zhǎng)209.1 km，北京段長(zhǎng)132.4 km。京承高速公路(三期)位于北京市密云縣東北部山區(qū)，起于密云縣穆家峪鎮(zhèn)沙峪溝，與京承高速公路(二期)相接，止于京冀交界處司馬臺(tái)，與京承高速公路河北承德段相接，全長(zhǎng)62.7 km，公路周?chē)参锶郝湄S富，綠色覆蓋度大，環(huán)境優(yōu)美。

京承高速公路(三期)邊坡主要有巖石邊坡和土石邊坡2種類(lèi)型，其中以巖石邊坡為主。巖石邊坡多由弱風(fēng)化凝灰?guī)r和花崗巖構(gòu)成，坡體表層多有風(fēng)化，主要有3種形式:1)強(qiáng)風(fēng)化，巖體表層存在風(fēng)化層，部分似土狀，部分為堅(jiān)硬石子，風(fēng)化嚴(yán)重的巖體形成斷層;2)中度風(fēng)化，風(fēng)化的巖體有裂縫，裂縫間有許多易剝落的石子，但是石子堅(jiān)硬，體積很小;3)弱風(fēng)化，風(fēng)化的巖體有裂縫，形成大石塊，石塊之間裂縫很小，沒(méi)有易剝落的石子或者似土的物質(zhì)。土石邊坡多由強(qiáng)風(fēng)化的片麻巖、頁(yè)巖等構(gòu)成，堅(jiān)硬石塊與風(fēng)化土混在一起。巖石邊坡的植被恢復(fù)采用客土噴播和厚層基材2種恢復(fù)技術(shù)，土石邊坡采用客土噴播技術(shù)，噴播方式為干噴加濕噴相結(jié)合。截至試驗(yàn)研究開(kāi)展時(shí)(2011-10)，邊坡植被恢復(fù)年限已達(dá)到2年。

1.2 邊坡的選擇

對(duì)以京承高速公路(三期)邊坡幾種常見(jiàn)植物根系進(jìn)行調(diào)查研究，試驗(yàn)邊坡基本信息見(jiàn)表1。

1)邊坡的坡向。通常我國(guó)將南作為標(biāo)準(zhǔn)的陽(yáng)坡，它與東南坡和西南坡統(tǒng)稱(chēng)為陽(yáng)坡(即157.5°～247.5°，以正北方為0°)，將北坡作為標(biāo)準(zhǔn)的陰坡，它與東北坡和西北坡統(tǒng)稱(chēng)為陰坡(即0°～67.5°，292.5°～ 360°，以正北方為 0°)，其余稱(chēng)為陰陽(yáng)坡［13］。

2)基質(zhì)厚度。人工基質(zhì)層的厚度約為8 cm，即地表到達(dá)SNS防護(hù)網(wǎng)的距離。由于邊坡部分位置凹陷和凸起，這些位置的基質(zhì)厚度則高于或低于8 cm。

3)巖體風(fēng)化程度。巖體表層有風(fēng)化，風(fēng)化的巖體有裂縫，形成大石塊，石塊之間裂縫很小，沒(méi)有易剝落的石子或者似土的物質(zhì)。

表1 邊坡基本信息Tab．1 Basic information of studied slope

1.3 供試植物的選擇及根系調(diào)查處理方法

1)標(biāo)準(zhǔn)植株的選擇。在試驗(yàn)邊坡設(shè)置5 m×5 m的正方形樣地，選取對(duì)角線(xiàn)交點(diǎn)和該正方形四角分別做2 m×2 m面積相等的小樣方5個(gè)，分別編號(hào)標(biāo)記。詳細(xì)調(diào)查5個(gè)小樣方灌木的數(shù)量，單株的株高、冠幅、地徑等地上部分形態(tài)指標(biāo)，求得單株株高、冠幅和地徑大小的平均值，將平均值作為供試植株選擇的依據(jù)。

經(jīng)調(diào)查，5個(gè)試驗(yàn)樣方木本植物平均密度分別為胡枝子0.8株/m2、紫穗槐0.7株/m2、刺槐0.7株/m2，草本植物的平均密度紫花苜蓿0.3株/m2、沙打旺0.2株/m2、高羊茅3叢/m2、波斯菊(Cosmos bipinnatus Cav.)50 株/m2、岐莖蒿(Artemisia igniaria Maxim.)3 株/m2、鬼針草(Bidens pilosa Linn.)15株/m2，邊坡植被層總蓋度約70%。

在5個(gè)小樣方內(nèi)，選擇3株符合標(biāo)準(zhǔn)株要求的植物進(jìn)行根系調(diào)查。調(diào)查之前，首先將植物地上部分伐倒，帶回室內(nèi)烘干稱(chēng)量地上部分的干質(zhì)量。供試植物的基本情況見(jiàn)表2。

表2 供試植物基本情況Tab．2 Basic condition of sample plants

2)根系調(diào)查及處理。根系調(diào)查采用挖掘法，同時(shí)由于巖石邊坡基質(zhì)層較薄，20 cm以下基本為坡體巖石界面，故按垂直坡面的土層深度分0～10 cm、10～20 cm、＞20 cm共3個(gè)層次進(jìn)行根系挖掘，在以下論述中，為方便將3層依次分別稱(chēng)為1層、2層和3層。挖掘時(shí)自上而下進(jìn)行，按根系自然分布狀態(tài)挖掘，為不破壞根系自然分布狀態(tài)，隨挖隨與鐵絲網(wǎng)固定，并在層與層交接的界面處的根系上進(jìn)行標(biāo)記，為能順利將全部根系都挖出，待根系全部挖出后再剪斷分別進(jìn)行裝袋。挖掘時(shí)用毛刷小心清除根系間的基質(zhì)，并把基質(zhì)分層裝袋帶回實(shí)驗(yàn)室，然后經(jīng)5 mm×5 mm的篩過(guò)篩后挑選出殘余根系，再分別放入對(duì)應(yīng)各層的根系袋中。在挖掘根系時(shí)，對(duì)每層根系主根與邊坡的夾角分別進(jìn)行測(cè)量，夾角范圍在0°～180°之間，以根徑為基點(diǎn)，向下坡位生長(zhǎng)為0°～90°，向上坡位生長(zhǎng)為 90°～ 180°，此角度具有方向性。

依據(jù)上述方法對(duì)每株供試植物根系進(jìn)行挖掘，所獲得的根系用清水洗凈后，用吸水紙吸干，采用Epson Twain Pro(32 bit)根系掃描儀和根系分析應(yīng)用系統(tǒng)WINRhizo對(duì)根系長(zhǎng)度進(jìn)行分級(jí)測(cè)定，分d＞5、2＜d≤5、0＜d≤2共3個(gè)等級(jí)，把d＞5的根系定義為粗根，2＜d≤5的根系定義為中根，0＜d≤2的根系定義為細(xì)根［8，14］，其中d為根系直徑，單位mm。根系掃描后，裝回原帶，用烘干法測(cè)量其干質(zhì)量。進(jìn)行根系掃描及干質(zhì)量測(cè)量后，對(duì)所獲得的數(shù)據(jù)取平均值后再進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 根系的垂直分布特征

2.1.1 根系長(zhǎng)度

1)不同徑級(jí)根系長(zhǎng)度。不同植物根系各徑級(jí)根長(zhǎng)測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表3?？梢钥闯?3種木本植物的總根長(zhǎng)比較結(jié)果為胡枝子(4 683.39 cm)＞刺槐(4 514.35 cm)＞紫穗槐(2 585.24 cm)，刺槐和胡枝子的總根長(zhǎng)相近，遠(yuǎn)遠(yuǎn)長(zhǎng)于紫穗槐根系的總根長(zhǎng);單株刺槐根長(zhǎng)最大為4 602.18 cm，最小為4 425.16 cm;單株胡枝子最長(zhǎng)根長(zhǎng)為4 746.73 cm，最短根長(zhǎng)為4 519.40 cm;單株紫穗槐根長(zhǎng)最大為2 594.11 cm，最小為2 525.74 cm。從木本植物各徑級(jí)根長(zhǎng)所占的比例來(lái)看，刺槐為粗根＞中根＞細(xì)根，胡枝子為細(xì)根＞中根＞粗根，紫穗槐為粗根＞細(xì)根＞中根，刺槐和紫穗槐以粗根為主，所占的比例分別為53.27%和40.74%，胡枝子以細(xì)根為主，比例占到37.76%。

3種草本植物的總根長(zhǎng)比較結(jié)果為高羊茅(1 170.43 cm)＞沙打旺(963.83 cm)＞紫花苜蓿(612.76 cm)。對(duì)于草本植物根系的分級(jí)特征，紫花苜蓿為粗根＞細(xì)根＞中根，沙打旺為粗根＞中根＞細(xì)根，高羊茅為細(xì)根＞中根＞粗根。紫花苜蓿和沙打旺以粗根為主，所占比例分別達(dá)到了51.98%和61.30%，高羊茅以細(xì)根為主，所占比例達(dá)到了60.54%。

表3 植物根系各徑級(jí)根長(zhǎng)及其比例Tab．3 Root length and its ratio of different diameter classes

2)不同土層根系長(zhǎng)度。植物根系長(zhǎng)度在各土層的比例見(jiàn)圖1。從圖1(a)可以看出，3種木本植物根長(zhǎng)在各土層的比例呈降低趨勢(shì)。刺槐根長(zhǎng)在1層和2層的比例基本相同，而胡枝子和紫穗槐根長(zhǎng)在1層的比例較大，紫穗槐根長(zhǎng)在1層的比例高達(dá)69.98%。刺槐和胡枝子根長(zhǎng)在各土層的比例變化趨勢(shì)較緩，在3層的比例仍達(dá)到23.62%和19.35%;紫穗槐根長(zhǎng)在各土層的比例變化趨勢(shì)較急，根系主要分布在1層和2層，在2個(gè)土層的比例累積達(dá)到97.28%，在3層的比例驟然降低，僅為2.72%。

從圖1(b)可以看出:草本植物高羊茅根系集中分布在1層，為典型的淺根系植物;紫花苜蓿和沙打旺根長(zhǎng)在各土層的比例逐漸增加，紫花苜蓿根長(zhǎng)在各土層的比例先降低再增加，沙打旺的逐漸增加，2種植物根長(zhǎng)在3層的比例分別達(dá)到了46.55%和60.72%。

2.1.2 根系干質(zhì)量

1)不同土層根系干質(zhì)量。根系在邊坡的固土效應(yīng)與根系含量存在一定的聯(lián)系［15］。筆者對(duì)不同土層的根系干質(zhì)量進(jìn)行了調(diào)查，根系干質(zhì)量在各土層所占比例見(jiàn)圖2。

圖1 地下不同深度土層根長(zhǎng)比例Fig．1 Ratio of root length in different soil layers

圖2 地下不同深度土層根干質(zhì)量比例Fig．2 Ratio of root dry mass in different soil layers

刺槐、胡枝子和紫穗槐總根系干質(zhì)量的大小分別為刺槐(73.01 g)＞紫穗槐(45.45 g)＞胡枝子(35.46 g)。從圖2(a)可以看出，3種木本植物根系干質(zhì)量在各土層的比例逐漸降低。刺槐根系干質(zhì)量在各土層的比例變化趨勢(shì)較緩;胡枝子根系干質(zhì)量主要分布在1層，比例占到77.53%，其在2層和3層的根系干質(zhì)量較小，在2層的比例驟然降低;紫穗槐根系干質(zhì)量主要分布在1層和2層，累積比例達(dá)到98.67%，在3層所占比例驟然降低，僅為1.33%。

3種草本植物的根系干質(zhì)量分別為紫花苜蓿(16.77 g)＞沙打旺(12.45 g)＞高羊茅(0.31 g)。從圖2(b)可以看出，紫花苜蓿和沙打旺根系干質(zhì)量在各土層的比例逐漸增加，在3層的比例分別達(dá)到了50.72%和56.98%，而高羊茅的根系集中分布在1層。

2)根冠比。根冠比是植物地上部與地下部相關(guān)性的重要指標(biāo)，在一定程度上可以反應(yīng)植物對(duì)邊坡的固土效應(yīng)。根冠比大，表明植物地下部的生長(zhǎng)好于地上部分，對(duì)根系固土護(hù)坡效應(yīng)的發(fā)揮非常有利。幾種供試植物的根冠比見(jiàn)表4。可知:木本植物根冠比的大小為刺槐＞紫穗槐＞胡枝子;草本植物根冠比的大小為紫花苜蓿＞高羊茅＞沙打旺。另外，包括木本植物和草本植物，只有紫花苜蓿的根冠比超過(guò)了1，且高達(dá)4.41。

表4 幾種植物的根冠比Tab．4 Root shoot ratio of plants

2.2 根系在邊坡地下分布的角度

1)根系地下分布角度的理論研究。根系在基巖表面表現(xiàn)為以地莖為中心向四周輻射分布，在植株受力向單根受力轉(zhuǎn)化過(guò)程中，離地莖中心越遠(yuǎn)，單根的應(yīng)力越小，主要因?yàn)槠渑c坡面的夾角較?。?6］。單根地下分布角度的不同影響單根抗拉拔力的大小，地下分布的角度也會(huì)影響整體根系的抗拉拔力大小［8］。植物根系與邊坡的夾角如圖3所示，α為植物根系與邊坡的夾角，β為邊坡的傾角，α和β之間存在圖中所示的關(guān)系。

圖3 植物根系的地下分布的角度Fig．3 Distribution characteristic of roots

2)邊坡植物根系地下分布的角度。幾種試驗(yàn)植物根系地下分布角度調(diào)查結(jié)果見(jiàn)表5。可知，木本植物刺槐和紫穗槐為主直根型(圖4(a)和4(b))，草本植物紫花苜蓿和沙打旺為直根系(圖4(c)和4(d))，4種植物都有明顯的主根。從表5可以看出，隨著地下深度的加深，主根與邊坡的夾角變小。刺槐和沙打旺在1層的夾角達(dá)到80°，在2層內(nèi)急劇變小到40°，在2層和3層之間主根與邊坡夾角變化趨勢(shì)稍緩。紫穗槐和紫花苜蓿在3個(gè)土層的夾角變化趨勢(shì)較緩。以上4種植物，主根與邊坡在3層的夾角都較小，約在20°～35°之間，此時(shí)主根基本是沿著巖面向下生長(zhǎng)。

木本植物胡枝子為散生根型(見(jiàn)圖4(e))，無(wú)主根，但根系發(fā)達(dá)。胡枝子根系在坡面垂直坡面向上分布的范圍較淺，在坡面水平方向上分布范圍較大，可超過(guò)1 m。胡枝子基部一級(jí)根系直徑較大，與主干大多成約90°角向坡面四周延伸，形成一個(gè)圓形的網(wǎng)，與SNS防護(hù)網(wǎng)交織在一起，可對(duì)邊坡起到很好的加固作用。高羊茅為須根系植物(見(jiàn)圖4(f))，須根與邊坡的夾角約為10°，基本為沿著坡面向下生長(zhǎng)。高羊茅根系直徑小，且垂直坡面方向上分布較淺，主要在基質(zhì)內(nèi)生長(zhǎng)，此類(lèi)型根系可對(duì)邊坡起加筋作用。

3 結(jié)論與討論

1)木本植物刺槐和紫穗槐以粗根根長(zhǎng)比例最大，胡枝子細(xì)根根長(zhǎng)比例最大。草本植物中紫花苜蓿和沙打旺粗根根長(zhǎng)比例最大，高羊茅細(xì)根根長(zhǎng)比例最大。

表5 植物根系地下分布的角度Tab．5 Distribution characteristic of root angle under earth

木本植物的總根長(zhǎng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)比草本植物的長(zhǎng)，在邊坡植被恢復(fù)過(guò)程中，木本植物對(duì)邊坡起主要的養(yǎng)護(hù)作用。木本植物中，刺槐和胡枝子總根長(zhǎng)相當(dāng)，遠(yuǎn)大于紫穗槐。草本植物中，總根長(zhǎng)長(zhǎng)度高羊茅＞沙打旺＞紫花苜蓿。

圖4 幾種典型植物邊坡分布狀態(tài)Fig．4 Distribution on slope of several typical plants

木本植物在各土層的根長(zhǎng)比例逐漸減小，紫穗槐為淺根性木本，相比紫穗槐，刺槐和胡枝子為深根性木本。草本植物紫花苜蓿和沙打旺在各土層的根長(zhǎng)比例逐漸增大，為深根性草本，高羊茅則不同，為典型的淺根性。

2)根系干質(zhì)量的大小，木本植物刺槐＞紫穗槐＞胡枝子，草本植物紫花苜蓿＞沙打旺＞高羊茅。木本植物根系干質(zhì)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于草本植物。木本植物根系干質(zhì)量在各土層比例逐漸降低，草本植物紫花苜蓿和沙打旺根系干質(zhì)量在各土層比例逐漸增加，高羊茅根系主要分布在地下10 cm范圍內(nèi)。根冠比的大小，木本植物刺槐＞紫穗槐＞胡枝子，草本植物紫花苜蓿＞高羊茅＞沙打旺。

3)隨著地下深度的加深，刺槐、紫穗槐、紫花苜蓿和沙打旺的主根與邊坡夾角逐漸變小，最終貼著巖面順勢(shì)向下生長(zhǎng)，遇到巖縫后則進(jìn)入巖縫生長(zhǎng)。高羊茅的須根在基質(zhì)層內(nèi)沿著坡面向下生長(zhǎng)。胡枝子根系垂直坡面分布范圍較淺，以莖干為中心向坡面四周延伸。

根系抗拉強(qiáng)度受根系直徑大小的影響，隨根徑增大而減小。對(duì)于相同的根系剖面率，細(xì)根系提供的抗拉力將比粗根系大［12］。從本研究中對(duì)各植物根系長(zhǎng)度的分析對(duì)比來(lái)看，相比其他幾種植物，胡枝子和高羊茅對(duì)邊坡的固土效應(yīng)更好。胡枝子和高羊茅無(wú)明顯主根，根系雖然發(fā)達(dá)，但地下分布范圍淺，根系主要對(duì)土體起加筋作用。紫花苜蓿和沙打旺主根發(fā)達(dá)，但側(cè)根含量低，根系對(duì)土體主要起錨固作用。刺槐的根系發(fā)達(dá)，且主根明顯，根系對(duì)土體可起到很好的錨固和加筋作用。

在邊坡立地條件下，近水平方向生長(zhǎng)的根系可以與工程SNS柔性防護(hù)網(wǎng)交織在一起，增加根系的加筋效應(yīng)。垂直坡面或豎直方向生長(zhǎng)的根系，遇到巖石界面后，生長(zhǎng)方向發(fā)生改變，貼著巖面順勢(shì)向下生長(zhǎng)(圖4(c))，不利于根系錨固作用的發(fā)揮;然而，有部分根系，遇到存在縫隙的巖石界面，根系會(huì)扎入裂縫生長(zhǎng)(圖4(e))，由于根系與巖石的摩擦系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于根系與土壤的摩擦因數(shù)，此種情況非常有利根系錨固作用的發(fā)揮。

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