根系主要成分含量對根系固土效能的影響

朱錦奇，王云琦，王玉杰，張會蘭，白雪琪，李云鵬，劉 勇

（北京林業(yè)大學(xué) 水土保持學(xué)院，北京100083）

在中國北方山區(qū)，溝蝕和淺層滑坡導(dǎo)致了大量的水土流失，而植被覆蓋可以加固邊坡，防止土壤和養(yǎng)分流失。邊坡穩(wěn)定程度取決于根系的總量分布、根土復(fù)合體的抗拉強度、抗剪切強度和根系土壤之間的相互作用。其中，根土復(fù)合體的抗拉強度是最重要的因素之一。目前已有大量學(xué)者對根土復(fù)合體的抗拉強度進行了研究［1－4］。根土復(fù)合體抗拉強度絕大程度體現(xiàn)在植物根系抗拉強度上。而植物根系抗拉強度則體現(xiàn)在提高土壤抗剪切強度上，同時也能影響植物本身錨固力［5］。對植物根系抗拉強度的研究多數(shù)集中在植物根系所處的位置、季節(jié)，根系的直徑和植物生長的周圍環(huán)境等與植物種類和立地因子有關(guān)的因素上［6］。Lindstr?m 等［7］的研究顯示野外生長樟子松（Pinus sylvestris var.mongolica）的植物根系抗拉強度要大于人工種植的樟子松。在一年中的不同季節(jié)，植物根系抗拉強度也被證實會發(fā)生變化，冬季時候的植物根系抗拉強度大于夏季，這主要原因是植物根系含水量的減?。?］。因此，研究單根抗拉強度有利于人們量化根系固土效能，科學(xué)合理的對固坡植物物種進行選擇與空間配置的設(shè)計，提高植物固坡效果。

很多研究證實，根系的抗拉強度隨著根系直徑的增加而減小，但缺少一些對根系本身特性的研究來解釋這一現(xiàn)象。已有研究對植物纖維素含量進行了分析，以此來研究植物纖維素含量對植物根系抗拉強度的影響，但是僅此一個指標(biāo)來確定根系特性，無法解釋不同物種根土復(fù)合體之間抗剪強度的差異。

為研究不同植物根系主成分含量的差異對根系抗拉強度與根系固土效果的影響，本文選取北方山區(qū)常見植物種油松、元寶楓兩種植物根系進行試驗，通過研究油松、元寶楓兩種植物根系中纖維素、半纖維素與木質(zhì)素含量，研究其與植物根系直徑的關(guān)系，分析植物根系抗拉強度變化的原因。同時使用Wu等［9］模型與植物根系根土復(fù)合體直剪試驗，討論兩種植物根系由于組成成分含量不同所導(dǎo)致的植物根土復(fù)合體抗剪強度的差異性。

本試驗選擇油松與元寶楓兩種北方地區(qū)常見造林樹種進行研究。植物根系取得地位于北京林業(yè)大學(xué)鷲峰國家森林公園，位于北京市西北郊，東經(jīng)116°28′，北緯39°54′，為華北暖溫帶半濕潤半干旱大陸性氣候，年平均氣溫12.2℃，年平均降雨量700mm，多集中在7—9月。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

1.1.1 根系采集 為了最大限度減小植物之間立地條件造成的相互影響，在選擇樣本時盡量選擇周圍300cm范圍內(nèi)無其他喬木生長且植物根系生長良好的區(qū)域。由于試驗所用根系樣本需要完整的放入直剪盒內(nèi)，因此為了減小所選樹種間的生長差異，應(yīng)選取地上直徑為20mm左右的幼樹，并且保證所有樣本盡可能分布在同一區(qū)域內(nèi)。采取人工挖掘的方式進行采掘以避免根系機械損傷，最大限度保證根系的整體結(jié)構(gòu)，開挖深度為600mm。挖出植物根系后，從不同直徑的樹根隨機選取生長正常、無病蟲害、莖桿通直均勻的新鮮活根系，用刷子去除根系表面土壤，放入裝滿土樣的密封袋內(nèi)，帶回實驗室后，盡快進行試驗，以保證根系材料的活性。

1.1.2 土壤樣品制備 在試驗樣地內(nèi)，取200—300mm土層的原狀土，并測定土壤含水量。通過小盒直剪試驗測定原狀土黏聚力和內(nèi)摩擦角，并用電子天平測定土壤質(zhì)量來計算土壤密度。測定結(jié)果見表1。

表1 土樣物理性質(zhì)

由于土壤取回后水分會有一定損失，因此根據(jù)測定的土壤含水量，通過TDR對直剪盒內(nèi)含水量進行控制。靜置1d后，控制直剪盒內(nèi)土壤含水量在20.8%。使用土壤緊實度儀控制直剪盒內(nèi)土壤緊實度在71kPa。在進行大根直剪試驗前，對土壤的含水量與緊實度進行反復(fù)測定，以保證每次直剪試驗土壤物理性質(zhì)均與表1結(jié)果一致。

1.2 試驗方法

1.2.1 根系各組分含量的測定

（1）纖維素測定。纖維素為β—葡萄糖殘基組成的多糖，在酸性條件下加熱能分解成β—葡萄糖。β—葡萄糖在強酸作用下，可脫水生成β—糠醛類化合物。β—糠醛類化合物與蒽酮脫水縮合，生成黃色的糠醛衍生物。顏色的深淺可間接定量測定纖維素含量。

（2）木質(zhì)素的測定。木質(zhì)素測定原理是利用濃硫酸水解試樣中的非木質(zhì)素部分，剩下的殘渣即為木質(zhì)素。

（3）半纖維素的測定。采用間接測定法，測定總纖維素的含量，減去纖維素的含量即為半纖維素的含量［10］。

1.2.2 根系抗拉試驗 在植物根系的采集過程中，發(fā)現(xiàn)1～6mm直徑內(nèi)的植物根系占植物總根系量的92%，試驗選擇對1～6mm直徑的植物根系進行等分，即分為6個徑級進行抗拉試驗測定。試驗測定的根系長度必須大于6cm，同時保證選擇的根系新鮮且粗細均勻。在試驗過程中，夾子與根系交接的部位最易破裂，為了防止這一現(xiàn)象發(fā)生，在夾子與根系之間增加一層海綿墊。植物根系在拉伸過程中，根系樣本從中間斷裂，判斷該試驗成功，數(shù)據(jù)有效。確保在每個徑級的植物根系都有3組有效數(shù)據(jù)，即18組根系抗拉強度的有效數(shù)據(jù)。

1.2.3 植物根系直剪試驗 直剪試驗是測試根土復(fù)合體與無根土的抗剪強度值，并將其做對比。但是這種方法的缺陷是直接評定出根系對土壤黏聚力的增強效果，很難把根系對一塊土壤的加固效果隔離開來研究。而且在試驗過程中，無法保證試驗中根土復(fù)合體結(jié)構(gòu)與未擾動根土復(fù)合體結(jié)構(gòu)一樣。為了解決這些問題，Wu等提出，試驗的準(zhǔn)確程度很大程度上取決于直剪盒尺寸的大小，直剪盒的尺寸越大，越能反映出真實的情況，同時也能為根系固土模型的研究提供基礎(chǔ)。因此，本次試驗選擇自制直剪盒，大小為300mm×300mm，總高度為200mm，其中上盒為100mm，下盒為100mm，盒體材料為5mm厚度的PVC板，盒體內(nèi)部拋光打磨。

2 結(jié)果與討論

2.1 根系直徑與根系抗拉強度

根系抗拉強度與根系直徑之間的關(guān)系并不是線性關(guān)系。如圖1所示，油松與元寶楓根系直徑與抗剪強度均存在指數(shù)關(guān)系。Bazant和Kazemi于1990年對植物根系抗拉強度進行了研究，得出植物根系抗拉強度與直徑的關(guān)系公式：σ＝aD－b。

本研究通過對根系拔出強度測定得出油松與元寶楓根系抗拉強度與根系直徑計算公式：y＝17.448x－0.199，y ＝15.24x－0.174，與 Bazant 和Kazemi的研究相一致，根系的抗拉力受直徑影響較大。大部分學(xué)者認為，根系的抗拉力與根徑呈冪函數(shù)或指數(shù)函數(shù)關(guān)系，不同植物的根系抗拉力與根徑的回歸關(guān)系差異較大，這與植物生長的立地條件、根系種類、根生長方位和組織結(jié)構(gòu)等有關(guān)，而且不同植物的根系抗拉強度與根系直徑的關(guān)系差異也比較大［11］。

圖1 根系抗拉強度與根系直徑的關(guān)系

2.2 根系主要成分與根系抗拉強度的關(guān)系

纖維素是植物細胞壁最重要的成分，可以簡單的表述為一種β—D—葡萄糖組成的線性高分子聚合物，纖維素分子以伸展的長鏈形式存在。平行排列的纖維素分子鏈之間和鏈內(nèi)均有大量氫鍵，使之具有晶體性質(zhì)，有高度的穩(wěn)定性和抗化學(xué)降解的能力。纖維素含量的多少，關(guān)系到植物細胞機械組織發(fā)達與否。因而影響植物根系的強度，進而影響植物根系固土的效果。

由表2可知，油松根系與元寶楓根系的平均纖維素含量分別為52.65%和46.42%。元寶楓根系纖維素含量小于油松根系如圖2所示。兩種植物根系的纖維素含量都與根系直徑呈負相關(guān)關(guān)系，植物根系纖維素含量隨著植物直徑的增加而減小，而且兩種植物減小趨勢類似。植物根系的直徑為0.1～7.0mm，無論是油松還是元寶楓根系纖維素的含量與植物根系直徑均存在顯著一階線性關(guān)系，而植物根系抗拉強度隨著根系纖維素含量的增加而顯著增加（圖3）。油松根系抗剪強度值為12.38～17.27MPa，元寶楓為11.38～15.17MPa。當(dāng)根系直徑小于3mm時，油松根系抗剪強度高于元寶楓根系，而在根系直徑越大的情況下，兩種樹種根系的抗剪強度將逐漸接近。Bischetti等對植物細根進行了進一步研究，發(fā)現(xiàn)植物根系抗拉強度最大值出現(xiàn)在0.2～0.5mm［1］。對該范圍內(nèi)植物進行根系纖維素含量測定發(fā)現(xiàn)，該徑級內(nèi)的植物根系纖維素含量最高可達到90%以上。

表2 油松、元寶楓根系各主要成分的平均含量

圖2 油松、元寶楓根系直徑與各主要成分含量的關(guān)系

半纖維素是指在植物細胞壁中與纖維素共生、可溶于堿溶液，遇酸后遠較纖維素易于水解的那部分植物多糖。半纖維素具有親水性能，這將造成細胞壁的潤脹，可賦予纖維彈性。植物根系中的半纖維素含量相對于纖維素含量與木質(zhì)素含量是非常低的，在測定植物根系抗拉強度的時候，半纖維素含量的上升對植物根系抗拉強度不能產(chǎn)生明顯作用。在Archer和Sj?str?m的研究中發(fā)現(xiàn)植物根系主要強度體現(xiàn)為在根系受到拉伸變形時恢復(fù)的能力，但不能提高植物的抗扭曲破壞特性［12－13］。

木質(zhì)素是苯丙烷類結(jié)構(gòu)單元構(gòu)成的三維網(wǎng)狀聚酚高分子化合物，尤其是在木本植物中，木質(zhì)素是木質(zhì)部細胞壁的主要成分之一。在木材中，木質(zhì)素作為一種填充和黏結(jié)物質(zhì)，在木材細胞中以物理或化學(xué)的方式使纖維素之間黏結(jié)和加固，增強木材的機械強度［14］。油松與元寶楓植物根系的木質(zhì)素評價含量分別為28.12%和26.38%（表2）。油松與元寶楓木質(zhì)素含量都隨直徑的增大而減?。▓D2）。在使用SPSS對比分析后發(fā)現(xiàn)，植物根系木質(zhì)素含量的升高比纖維素含量的提高對根系抗剪強度提升更加顯著。在Hathaway等［15］對植物根系抗拉強度與木質(zhì)素含量的研究中發(fā)現(xiàn)，植物根系木質(zhì)素含量對植物的根系抗拉強度有十分顯著的影響，特別是在植物根系含水量比較高的情況下。

植物中纖維素含量與半纖維素含量之和為植物根系綜纖維素含量，油松與元寶楓植物根系綜纖維素含量分別為64.73%和60.22%。以往研究證實不同植物類型的根系纖維素含量不同，且本試驗的研究結(jié)果與以往研究的綜纖維素含量在同一范圍內(nèi)。Chiatante等［16］研究發(fā)現(xiàn)，綜纖維素含量平均值為65%，Hathaway等［15］對楊柳科的6種植物根系的研究發(fā)現(xiàn)，植物根系的平均綜纖維素含量為72%。植物綜纖維素含量與植物根系抗拉強度之間有十分重要的聯(lián)系，對于不同物種，植物綜纖維素含量的差異性很大。

當(dāng)根系直徑發(fā)生變化時，根系的各組分含量都隨之發(fā)生變化。在該次試驗中，根系中纖維素與半纖維素含量都隨著根系直徑的增加而減少，而根系中木質(zhì)素含量隨著根系直徑的增加而增加（圖2）。為使試驗結(jié)果盡量準(zhǔn)確，不同徑級的植物根系選擇為同一條根系上的不同分支。由于無法判斷植物根系處于幼年期還是成年期（無法通過根系的直徑來判斷植物根系的成熟程度），所以在研究中，我們無法由此判斷植物根系各個成熟階段的成分含量來分析植物根系抗拉特性，這將是以后研究的重點。

如圖3所示，油松、元寶楓植物根系抗拉強度與其各主成分含量均呈線性關(guān)系。植物纖維素含量與木質(zhì)素含量的增加使植物根系抗拉強度急劇增加，而植物根系半纖維素含量的上升使得植物根系抗拉強度顯著減小。這主要是由于在植物組織中，木質(zhì)素作為一種填充和黏結(jié)物質(zhì)，在植物細胞中以物理或化學(xué)的方式使纖維素之間黏結(jié)和加固，增強了植物組織的機械強度［15］。

圖3 油松、元寶楓根系主成分含量與抗拉強度的關(guān)系

2.3 整根的固土效能

Wu［9］和 Waldron［17］的根土復(fù)合體模型是用于分析和計算根系固土效果的常用模型，該模型的計算基于土壤黏聚力與內(nèi)摩擦角。該模型認為土壤根系增強的土壤強度為增強了土壤的黏聚力，把根系增強（Cr）與素土的強度相加來得到根土復(fù)合體的抗剪強度。

式中：Ashearplang——直 剪 面 的 面 積 （m2）；Cr——在Ashearplane的直剪面上所有根系所能產(chǎn)生的抗剪強度增強總量（kPa）；Tr——直剪面上根系的平均強度（kPa）；1.2——模型中校正后的根系系數(shù)Ai為根系的面積和（m2）。

根據(jù)Wu［9］簡單的垂直根系模型，根系增強的抗剪強度僅僅與根系的數(shù)量和根系的強度相關(guān)。

眾多研究表明Wu的模型高估了根系增強的抗剪強度值，該值在16.5%～32.7%。Reinstenberg［18］在根的拉拔試驗和Docker等［19］在根的拉拔測試和含根土的直接剪切測試中也證實了根系的逐漸破壞現(xiàn)象。由此，Wu模型假設(shè)所有的根同時被破壞，使計算的根系增強值偏高。

本試驗為了彌補Wu模型的不足，不計算根系增強值，但為了對比根系抗拉強度對根系增強抗剪強度的影響，使用大盒直剪設(shè)備直接測定抗拉強度增強值和根系面積，比較單位面積的根系對根系增強值得影響（表3）。表3中比值部分為根系增強值除以根系面積比率并乘以10－4后的結(jié)果，下文將稱其為植物根系固土效能值。

對比油松與元寶楓，根系抗拉強度大的油松比元寶楓更能增強土壤的抗剪能力。油松根系根土復(fù)合體的強度比值大于元寶楓根系，在同種根構(gòu)型的情況下，根系的抗拉強度對植物根系根土復(fù)合體的抗剪切強度產(chǎn)生一定影響，平均抗拉強度差值為56.3kPa。

表3 油松與元寶楓根土復(fù)合體抗剪強度對比

根據(jù)6組植物的根系結(jié)構(gòu)，統(tǒng)計具體每個根系中各種徑級根系的數(shù)量，計算植物根系平均的纖維素、木質(zhì)素、半纖維素含量。6組植物平均主成分含量與相對應(yīng)植物固土效能值的關(guān)系見圖4。植物根系固土效果好壞與植物根系纖維素含量與木質(zhì)素含量有很大關(guān)系，并且隨著植物根系纖維素含量與木質(zhì)素含量上升植物根系固土效果越好。半纖維素由于含量較低，關(guān)系并不顯著。油松根系因為纖維素含量與木質(zhì)素含量都比元寶楓要高，所以其固土效果也比元寶楓好。對比3株不同的油松與元寶楓植物發(fā)現(xiàn)，植物根面積比率顯示了植物的生長發(fā)育程度。

通過計算平均根系的主成分發(fā)現(xiàn)，在植物根系結(jié)構(gòu)中隨著植物個體的生長，小于2mm徑級所占的比重增大會導(dǎo)致植物根系平均纖維素含量與木質(zhì)素含量升高，在植物的生長過程中，單位含根量的土壤的抗剪切能力也將逐漸升高。

圖4 植物根系主要成分平均含量與植物根系固土效能值

3 結(jié)論

本文通過植物主要成分的測定，對比分析了他們對植物根系抗拉強度的影響，最終對植物根系固土效果的影響進行分析。油松與元寶楓根系的直徑與植物根系抗拉強度擬合度最好的曲線被證實為y＝ax－b。隨著植物根系直徑的增加，根系纖維素與木質(zhì)素含量均減小，而半纖維素含量略有降低；植物根系抗拉強度的強弱主要由根系纖維素含量與木質(zhì)素的含量決定，纖維素與木質(zhì)素含量較高的植物根系抗拉強度更大。在研究根系增強土壤抗剪強度試驗中，通過單位面積比率上根系增強抗剪強度的值對比油松根系與元寶楓根系增強土壤抗剪強度的效果，發(fā)現(xiàn)植物根系抗拉強度對增強效果有顯著影響；隨著植物根系纖維素與木質(zhì)素含量升高，植物根系固土效果也將變得更好。

［1］ Bischetti G B，Chiaradia E A，Simonato T，et al.Root strength and root area ratio of forest species in Lombardy（Northern Italy）［J］.Plant and Soil，2005，278（1／2）：11－22.

［2］ Norris J E.Root reinforcement by hawthorn and oak roots on a highway cut－slope in Southern England［J］.Plant and Soil，2005，278（1／2）：43－53.

［3］ Roering J J，Schmidt K M，Stock J D，et al.Shallow landsliding，root reinforcement，and the spatial distribution of trees in the Oregon Coast Range［J］.Canadian Geotechnical Journal，2003，40（2）：237－253.

［4］ Morgan R P C，Rickson R J.Slope Stabilization and Erosion Control：A Bioengineering Approach［M］.Taylor ＆Francis，1994.

［5］ Ennos A R，F(xiàn)itter A H.Comparative functional morphology of the anchorage systems of annual dicots［J］.Functional Ecology，1992，6（1）：71－78.

［6］ Gray D H，Sotir R B.Biotechnical and soil bioengineering slope stabilization：A practical guide for erosion control［M］.John Wiley ＆Sons，1996.

［7］ Lindstr?m A，Rune G.Root deformation in plantations of container－grown Scots pine trees：Effects on root growth，tree stability and stem straightness［J］.Plant and Soil，1999，217（1／2）：29－37.

［8］ Stokes A，Mattheck C.Variation of wood strength in tree roots［J］.Journal of Experimental Botany，1996，47（5）：693－699.

［9］ Wu T H，McKinnell III，W P，et al，Strength of tree roots and landslides on Prince of Wales Island，Alaska［J］.Canadian Geotech－nical Journal，1979，16（1）：19－33.

［10］ 波欽諾克X H.植物生物化學(xué)分析方法［M］.荊家海，丁鐘榮譯.北京：科學(xué)出版社，1981.

［11］ 陳麗華，余新曉，張東升，等.整株林木垂向拔拉試驗研究［J］.資源科學(xué)，2004（1）：39－43.

［12］ Archer R R.Growth stresses and strains in trees［M］.Springer－Verlag，1987.

［13］ Sj?str?m E.Wood chemistry：fundamentals and applications［M］.Gulf Professional Publishing，1993.

［14］ 楊淑惠.植物纖維化學(xué)［M］.北京：中國輕工業(yè)出版社，2001.

［15］ Hathaway R L，Penny D.Root strength in some Populus and Salix clones［J］.New Zealand Journal of Botany，1975，13（3）：333－344.

［16］ Chiatante D，Scippa S G，Di Iorio A，et al.The influence of steep slopes on root system development［J］.Journal of Plant Growth Regulation，2002，21（4）：247－260.

［17］ Waldron L J.The shear resistance of root－permeated homogeneous and stratified soil［J］.Soil Science Society of America Journal，1977，41（5）：843－849.

［18］ Riestenberg M M.Anchoring of thin colluvium by roots of sugar maple and white ash on hillslopes in Cincinnati［M］.US Government Printing Office，1994.

［19］ Docker B B，Hubble T C T.Quantifying root－reinforcement of river bank soils by four Australian tree species［J］.Geomorphology，2008，100（3）：401－418.