三江源區(qū)植物根-土復(fù)合體的抗拉拔力特征及影響因素分析

羅春燕, 吳 楚, 蘆光新, 德科加, 張 明, 王軍邦

(1.青海大學(xué) 土木工程學(xué)院, 西寧 810003; 2.長(zhǎng)江大學(xué) 園藝園林學(xué)院, 湖北 荊州 4340252;3.青海大學(xué) 農(nóng)牧學(xué)院, 西寧 810033; 4.青海省畜牧獸醫(yī)科學(xué)院, 810016; 5.中國(guó)科學(xué)院 地理科學(xué)與資源研究所, 北京 100094)

三江源區(qū)植物根-土復(fù)合體的抗拉拔力特征及影響因素分析

羅春燕1, 吳 楚2, 蘆光新3, 德科加4, 張 明4, 王軍邦5

(1.青海大學(xué) 土木工程學(xué)院, 西寧 810003; 2.長(zhǎng)江大學(xué) 園藝園林學(xué)院, 湖北 荊州 4340252;3.青海大學(xué) 農(nóng)牧學(xué)院, 西寧 810033; 4.青海省畜牧獸醫(yī)科學(xué)院, 810016; 5.中國(guó)科學(xué)院 地理科學(xué)與資源研究所, 北京 100094)

為研究高寒地區(qū)草地恢復(fù)過(guò)程中牧草根系固土穩(wěn)定性機(jī)制，在青藏高原三江源區(qū)對(duì)燕麥根—土復(fù)合體進(jìn)行原位拉拔試驗(yàn)，系統(tǒng)分析了燕麥根—土復(fù)合體抗拉力的表現(xiàn)特征及影響因素。結(jié)果表明：(1) 根—土復(fù)合體的抗拉力在不同地形、種植方式等不同情況下，表現(xiàn)出的特征不一致。高密度區(qū)比低密度區(qū)的抗拉力小，撒播區(qū)比條播區(qū)的抗拉力小，高坡度區(qū)比低坡度區(qū)抗拉力小，遠(yuǎn)離沖蝕溝區(qū)比沖蝕溝區(qū)附近抗拉力小，且差異顯著(P<0.05)。(2) 根—土復(fù)合體的抗拉力與地上生物學(xué)性狀相關(guān)性低，與根系生物學(xué)性狀相關(guān)性高。(3) 復(fù)合體的抗拉力與根徑(RD)、須根條數(shù)(RN)呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，與根長(zhǎng)(RL)、單根生物量(RW)呈顯著正相關(guān)(P<0.05)。

三江源區(qū); 植物根—土復(fù)合體; 抗拉力; 生物學(xué)特性; 燕麥

植物的根系是植物重要的組成部分之一，它既是源器官，也是匯器官。從生物學(xué)和生態(tài)功能來(lái)看，根系具有吸收、輸送水分和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的生物學(xué)功能，同時(shí)參與土壤—環(huán)境之間物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng)生態(tài)過(guò)程[1]；從根系固土力學(xué)模型來(lái)看，主要體現(xiàn)在兩方面：其一，深粗根系的錨固作用和淺細(xì)根系的三維加筋作用[2]。根系在生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中，通過(guò)穿插、纏繞、固結(jié)等形式與土體發(fā)生相互作用，促使土—土以及根—土間的摩擦力以及土體的黏聚強(qiáng)度增加[3-4]；其二，根系自身具備的抗拉、抗剪的性能，從而增強(qiáng)了土體的抗剪強(qiáng)度[5-8]。因此，根系與土壤的相互作用對(duì)于穩(wěn)定土體、增強(qiáng)土體抗風(fēng)蝕和水蝕的能力具有重要的意義[9-12]。

青藏高原由于地處特殊的環(huán)境地理位置，其生態(tài)系統(tǒng)極其脆弱性。草地一旦破環(huán)，地表10—20 cm土壤在風(fēng)蝕、水蝕作用下極易產(chǎn)生水土流失，形成荒漠化土地。近年來(lái)，由于氣候變化和人類擾動(dòng)的影響，青藏高原因水土流失造成的荒漠化問(wèn)題日趨嚴(yán)重，在世界范圍內(nèi)引起了高度的關(guān)注。面對(duì)草原退化、水土流失、荒漠化這一嚴(yán)峻問(wèn)題，近些年來(lái)，有關(guān)部門和學(xué)者對(duì)退化草地的恢復(fù)和治理等方面開(kāi)展了大量的研究工作[13-15]。但是荒漠化的土壤營(yíng)養(yǎng)匱乏、土壤水分含量低，牧草根系難以固土，土壤經(jīng)常遭受雨水沖蝕的危害，這不僅造成經(jīng)濟(jì)損失，而且還會(huì)引起再次退化的可能，從某種程度上說(shuō)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)真正意義上的植被恢復(fù)和退化草地的治理。因此，針對(duì)這種特殊生境，有必要從生物學(xué)特性和生物力學(xué)特性的層面上重新認(rèn)識(shí)植物對(duì)復(fù)雜環(huán)境的適應(yīng)能力及其對(duì)惡劣氣候造成災(zāi)害的抵抗能力。鑒于植物根系在固土和對(duì)土壤抗沖方面的強(qiáng)大作用，從植物根系及其根—土復(fù)合體力學(xué)特性的角度，研究植物根系的固土機(jī)制和土壤的抗沖蝕性能，對(duì)退化草地的治理與植被恢復(fù)具有重要的意義。

植物根系的抗拉拔力是表征植物根系固持土體力學(xué)作用機(jī)理的一個(gè)重要參數(shù)。當(dāng)土體遭受破壞產(chǎn)生滑動(dòng)面時(shí)，植物根系的較大變形可以將植物根系所受到的拉拔力傳遞到穩(wěn)定的深層土體，也可以將植物根系所受的拉拔力轉(zhuǎn)化為植物根系的側(cè)向摩擦阻力，從而降低植物根系本身所受到的拉拔力，這樣即可增加植物根系固持土體的能力[16]。目前根—土復(fù)合體的研究主要從準(zhǔn)黏聚力原理[17]、摩擦加筋原理[18]和等效圍壓原理[19]3個(gè)方面揭示了根—土復(fù)合體的力學(xué)特性變化機(jī)制。根—土加筋復(fù)合體力學(xué)效應(yīng)的試驗(yàn)表明，根—土復(fù)合體達(dá)到極限強(qiáng)度發(fā)生破壞時(shí)，根系很少被拉斷，而更多的是根系從土體中被拉出，因此分布在土體淺層的細(xì)根系對(duì)土體加固作用的實(shí)質(zhì)是根系通過(guò)與土體的接觸作用，將部分甚至全部抗拉能力轉(zhuǎn)化為土體的抗剪切強(qiáng)度[20-21]。因此，通過(guò)研究根—土復(fù)合體的抗拉力比測(cè)定單個(gè)根系的抗拉力及拉力強(qiáng)度，在反映根系固土和穩(wěn)定土體方面更具有實(shí)際的意義。

本研究通過(guò)原位根—土復(fù)合體的拉拔試驗(yàn)，對(duì)青藏高原三江源區(qū)燕麥種植區(qū)根—土復(fù)合體的抗拉力進(jìn)行研究，分析燕麥種植區(qū)不同地形、種植方式等條件下，根—土復(fù)合體抗拉力的表現(xiàn)特征，結(jié)合燕麥生長(zhǎng)期植株和根系等的生物學(xué)指標(biāo)，分析根—土復(fù)合體的抗拉力與生物學(xué)性狀之間的相互關(guān)系。旨在明確青藏高原三江源區(qū)人工草地植物根—土復(fù)合體抗拉力的變化規(guī)律，揭示根—土復(fù)合體穩(wěn)定性的影響因素，以期為研究區(qū)及其周邊地區(qū)退化草地恢復(fù)和治理提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)樣區(qū)概況

試驗(yàn)選在青海大學(xué)—清華大學(xué)三江源高寒草地生態(tài)系統(tǒng)野外觀測(cè)站進(jìn)行，觀測(cè)站所處位置為214國(guó)道716 km處，青海省玉樹(shù)州稱多縣珍秦鎮(zhèn)，地理坐標(biāo)為北緯33°24′30″，東經(jīng)97°18′00″，海拔高度為4 270 m，氣候?yàn)榈湫偷母咴箨懶詺夂?，年平均氣溫?5.6～3.8℃，年均降水量為562.2 mm，年度降水主要分布在6—9月份，約占全年降水的75%。

1.2 試驗(yàn)種植區(qū)及植物

試驗(yàn)種植區(qū)面積為14.53 hm2，地處沖積扇下方的二級(jí)階地，北部地勢(shì)高且坡度較大，平均坡度為15°～20°，南部地勢(shì)低且稍微平整，從東向西形成一個(gè)緩坡，平均坡度為5°～10°，坡向北偏西10°，土壤為典型砂壤土，整個(gè)種植區(qū)礫石較多。

根據(jù)試驗(yàn)區(qū)氣候特點(diǎn)，選取對(duì)當(dāng)?shù)丨h(huán)境適應(yīng)性較好的燕麥品種(青海444)，2013年5月15日播種，種植方式主要采用條播和撒播，以磷酸二銨和市售成品有機(jī)肥作為基肥。采用的種植流程是：地表適度平整、表層翻耕、磨耙開(kāi)溝、種子播種、磨耙覆土填壓。

1.3 根-土復(fù)合體的拉拔力測(cè)定

目前沒(méi)有適宜的拉力儀。拉拔力測(cè)定參照劉國(guó)彬[22]的方法，稍有改動(dòng)。主要采用以彈簧秤為主體的記錄儀。測(cè)定時(shí)用特制的曲面根夾，夾緊齊地面部分燕麥根莖的兩端，用兩根尼龍繩與彈簧秤相連，并保持垂直，尼龍繩的長(zhǎng)度視田間燕麥植株的平均高度而定，測(cè)定時(shí)采用的尼龍繩長(zhǎng)度一致。記錄以植株周圍土壤開(kāi)始松動(dòng)并拔起的瞬間刻度值，作為衡量拉力(F1)的相對(duì)大小，再測(cè)定拔起的植物根—土復(fù)合體(拔起的根—土復(fù)合體大小盡可能保持一致，以植株為中心直徑d值為5 cm，多余的土體人為切去)的重力為(F2)，以ΔF=F1-F2作為衡量根—土復(fù)合體拉拔力的相對(duì)大小。ΔF的統(tǒng)計(jì)單位采用力的國(guó)際單位，用N表示。

1.4 測(cè)定內(nèi)容

在燕麥抽穗期，以種植密度、種植方式、坡度及沖蝕溝作為4種不同處理，分別測(cè)定燕麥根—土復(fù)合體相對(duì)拉拔力。根據(jù)燕麥種植區(qū)種植、地形及沖蝕程度等實(shí)際情況，燕麥種植密度分為5個(gè)水平，即0～50株/m2、50～100株/m2、100～150株/m2、150～200株/m2、200株以上/m2；種植方式主要分條播和撒播2個(gè)水平；坡度分0～10°，10～20°，20～30°，30°以上4個(gè)水平；按離開(kāi)沖蝕溝的距離分0—5 cm，5—10 cm，10—15 cm，15—20 cm，20—25 cm。

1.5 燕麥生物學(xué)指標(biāo)的測(cè)定

在現(xiàn)場(chǎng)采用鋼卷尺測(cè)定燕麥植株的高度(H)，清點(diǎn)分蘗數(shù)(MN)，并逐一做好標(biāo)記并編號(hào)，抖落燕麥植株根部的土壤，避免損傷根，盡可能保證根在土壤中的原位形狀，測(cè)定根自然分散寬度的最大值，作為根分散幅度值(RF)。將完整植物帶回室內(nèi)，用自來(lái)水沖去根周圍的土壤，自然晾干，自根莖處剪斷，測(cè)定單株地上生物量(SW)及單根生物量(RW)，燕麥根系指標(biāo)主要有根徑(RD)、根長(zhǎng)(RL)、須根條數(shù)(RN)。除根徑直徑采用游標(biāo)卡尺量測(cè)外，其它均用直尺測(cè)定，單株地上生物量和地下生物量采用便攜式天平稱重。

1.6 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

所有數(shù)據(jù)均用Microsoft Excel錄入并作圖，采用DPS 6.55進(jìn)行數(shù)據(jù)分析[25]。方差分析差多重比較采用LSD法，兩對(duì)平均數(shù)的比較采用t檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 燕麥根-土復(fù)合體抗拉拔力的原位表現(xiàn)特征

在試驗(yàn)種植區(qū)主要針對(duì)播種情況和地形條件，進(jìn)行燕麥根—土復(fù)合體抗拉力試驗(yàn)。圖1可以看出，在燕麥不同種植密度與根—土復(fù)合體的拉拔力有關(guān)。本研究設(shè)置的5個(gè)種植密度水平下，100～150株/m2的密度是抗拉拔力由大變小的一個(gè)“拐點(diǎn)”，在低密度種植區(qū)，燕麥根—土復(fù)合體抗拉拔力大，在高密度種植區(qū)，燕麥根—土復(fù)合體抗拉拔力小，低密度種植區(qū)和高密度種植區(qū)的抗拉力值有差異顯著性(P<0.05)。這一結(jié)果可能的原因是，當(dāng)燕麥種植密度較小時(shí)，燕麥植株高度高，分蘗數(shù)多，葉片數(shù)多，且可以充分進(jìn)行光合作用，這樣，地上部分可為根系生長(zhǎng)和發(fā)育提供大量的光合作用的產(chǎn)物，單個(gè)根發(fā)育健全，且其長(zhǎng)度和粗度相對(duì)較大，對(duì)土體的緊密地進(jìn)行包裹和纏繞，因而其根系對(duì)土體的凝聚能力強(qiáng)，土體的穩(wěn)定性好，因此根—土復(fù)合體的抗拉力大。條播的方式與撒播方式相比，根—土復(fù)合物的抗拉力較大，且差異顯著(P<0.05)(圖2)。這可能的原因與種植的深度有關(guān)，在三江源地區(qū)，燕麥條播時(shí)的開(kāi)溝深度一般為5～8 cm，種子播種萌發(fā)后，其根系很快能夠入土，因土壤相對(duì)較松軟，根系的生長(zhǎng)發(fā)育速度比較快。在不同坡度的種植區(qū)，燕麥根—土復(fù)合體的抗拉力大表現(xiàn)為：坡度大的地段(20°以上)，根—土復(fù)合體的抗拉力較小，而在相對(duì)平整的地段上(20°以下)，根—土復(fù)合體的抗拉力較大(圖3)。根—土復(fù)合體的抗拉力隨著坡度增加而變小，可能與土壤含水量、緊實(shí)度和容重等物理性質(zhì)有關(guān)。坡度相對(duì)較大的地段，土層含水量低，土壤結(jié)構(gòu)相對(duì)松散，土層相對(duì)薄，這些因素影響了燕麥根系生長(zhǎng)發(fā)育，也影響了根系和土壤的結(jié)合力，因此，根—土復(fù)合體的抗拉力減小。圖4所示的結(jié)果表明，離沖刷溝越近，抗拉力越小，相反，離沖蝕溝越遠(yuǎn)，抗拉拔力越大。在野外，可以肉眼觀察到，暴雨沖蝕形成的細(xì)溝兩側(cè)，存留的細(xì)根仍呈網(wǎng)狀分布而土粒已全流失，在有的溝壁發(fā)現(xiàn)土粒和團(tuán)聚體被根系串連呈念珠狀懸干溝沿，因此，根—土復(fù)合體中的根密度，可能也是影響抗拉拔力的一個(gè)因素。從上述試驗(yàn)結(jié)果可以看出，植物的生長(zhǎng)狀況、根系的發(fā)育以及根—土復(fù)合體中根密度，與根—土復(fù)合體的抗拉力有一定的關(guān)系，尤其是單根平均直徑與根—土復(fù)合體的抗拉力，不同種植方式下，燕麥地上生長(zhǎng)過(guò)程中光合作用的產(chǎn)物在根部的積累不同，單根平均直徑也不盡相同，單根直徑大，抗拉拔力也大，因此表現(xiàn)出的原位拉拔力的結(jié)果是：高密度區(qū)比低密度區(qū)的抗拉力小，撒播區(qū)比條播區(qū)的抗拉力小，高坡度區(qū)比低坡度區(qū)的抗拉力小，遠(yuǎn)離沖蝕溝區(qū)比沖蝕溝區(qū)附近抗拉力小。

2.2 燕麥地上生物學(xué)性狀與抗拉力關(guān)系

為了進(jìn)一步研究影響燕麥根—土復(fù)合體拉拔力的影響因素，選取表征試驗(yàn)期燕麥地上生物學(xué)性狀、根系生物學(xué)性狀指標(biāo)，主要以兩個(gè)變量間相關(guān)系數(shù)最大的趨勢(shì)曲線方程和決定系數(shù)，研究燕麥根—土復(fù)合體拉拔力與這些因素的相互關(guān)系，由圖5可以看出，植株高度、分蘗數(shù)、單株地上生物量、葉生物量、莖生物量及總?cè)~片數(shù)等表征燕麥地上生物學(xué)性狀的6個(gè)指標(biāo)與燕麥根—土復(fù)合體拉拔力相關(guān)系數(shù)較小，說(shuō)明燕麥的地上生物學(xué)性狀對(duì)燕麥根—土復(fù)合體拉拔力的直接作用較小。

圖1不同密度種植區(qū)根-土復(fù)合體的抗拉拔力特征圖2不同播種方式根-土復(fù)合體的抗拉拔力特征

圖3不同坡度根-土復(fù)合體的抗拉拔力特征圖4不同離沖刷溝距離根-土復(fù)合體的抗拉拔力特征

圖5 燕麥地上生物學(xué)特性與抗拉力的關(guān)系

2.3燕麥地下生物學(xué)性狀與抗拉力關(guān)系

由圖6可以看出，表征根系的地下生物學(xué)性狀與根—土復(fù)合體拉拔力關(guān)系的相關(guān)系數(shù)高，尤其是須根條數(shù)和根徑的相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.900 0以上，其中須根條數(shù)與抗拉力的相關(guān)系數(shù)為R2=0.903 3，根徑與抗拉力的相關(guān)系數(shù)為R2=0.953 7。其次是單根生物量和根長(zhǎng)，與根分散幅度的相關(guān)系數(shù)最低。由于受試驗(yàn)條件限制，對(duì)根在土壤中的原位分布狀況，采用根分散幅度，具體測(cè)定方法是，抖落燕麥植株根部的土壤，小心地放到鋪有白紙的平面上，測(cè)定根自然分散寬度的最大值，作為根分散幅度值。實(shí)際上根在土壤中的分布形式比較復(fù)雜，如果僅僅通過(guò)測(cè)定根自然分散寬度的最大值來(lái)作為衡量根在土壤中分布情況，難免有些不足，因此，在今后的研究中，量化根在土壤中分布的指標(biāo)比較關(guān)鍵。

圖6 燕麥根系生物學(xué)特性與抗拉力的關(guān)系

2.4根-土復(fù)合體拉拔力與生物學(xué)指標(biāo)的相關(guān)性分析

相關(guān)分析有助于分析根—土復(fù)合體抗拉力及根系相關(guān)性狀的相互關(guān)系，對(duì)生物學(xué)相關(guān)性狀6個(gè)因子和根—土復(fù)合體抗拉力進(jìn)行相關(guān)分析，所得各變量之間相關(guān)系數(shù)及各系數(shù)差異顯著性結(jié)果如表1所示。根—土復(fù)合體抗拉力(F)與根徑(RD)、須根條數(shù)(RN)呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，與根長(zhǎng)(RL)、單根生物量(RW)呈顯著正相關(guān)(P<0.05)，與根分散幅度(RF)相關(guān)性較小。其相關(guān)系數(shù)大小排序?yàn)椋焊鶑?RD)>須根條數(shù)((RD)>單根生物量(RW)>根長(zhǎng)(RL)>根分散幅度(RF)。根系生物學(xué)性狀之間也存在相互聯(lián)系，單根生物量(RW)與須根條數(shù)(RN)和根徑(RD)呈極顯著正相關(guān)(P<0.05)，根長(zhǎng)(RL)與須根條數(shù)((RN)和根徑(RD)顯著正相關(guān)(P<0.05)；根徑(RD)和須根條數(shù)((RN)呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)。

表1 根-土復(fù)合體抗拉力及生物學(xué)相關(guān)性狀的相關(guān)性

注：**表示在0.01水平上顯著；*表示在0.05水平上顯著。

3 討論與結(jié)論

植物根系在生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中，纏繞和固結(jié)土壤[23]、增強(qiáng)土層團(tuán)聚體[24]、強(qiáng)化土壤滲透力[25]以及根分泌物及有機(jī)質(zhì)增加土壤中大粒級(jí)水穩(wěn)性團(tuán)聚體[26]等對(duì)根系提高根土復(fù)合體的穩(wěn)定性起著非常重要的作用。植物根系對(duì)土體錨固作用和加筋作用是提高土體穩(wěn)定性最主要的效應(yīng)和最明顯的原因[27]。穩(wěn)定的土體根—土復(fù)合體增強(qiáng)了植物抵抗風(fēng)化吹蝕、流水沖刷和重力侵蝕的能力，對(duì)促進(jìn)植物根系的生長(zhǎng)發(fā)育具有重要的意義。因此從根土復(fù)合體穩(wěn)定性的角度研究植物根系固土能力，為草地退化和植被恢復(fù)提供了一個(gè)新的思路。

根系因子與土體穩(wěn)定性方面有很好的相關(guān)性[28-29]。本研究選取單根生物量、根長(zhǎng)、須根條數(shù)、根分散幅度及根徑5個(gè)根的參數(shù)，同時(shí)也選取了單株生物量、分蘗數(shù)和高度3個(gè)表征植物地上生物性狀的指標(biāo)，初步得出結(jié)論，根—土復(fù)合物拉拔力主要與根系因子關(guān)系密切，包括：根的分布形式、根的數(shù)量和根的質(zhì)量。大量的研究也證實(shí)了植物的根量、根徑以及根長(zhǎng)與抗拉力有一定的關(guān)系。Burroughs[30]比較研究了兩者針葉樹(shù)種根系的密度和木材采伐后根系強(qiáng)度，研究得出松樹(shù)根系的抗拉強(qiáng)度在采伐后的3～5年間會(huì)下降大概50%，40個(gè)月后，根系的抗拉強(qiáng)度基本會(huì)消失，在林木被砍伐后的3 a內(nèi)，根系數(shù)量會(huì)出現(xiàn)顯著的下降趨勢(shì)，而且單個(gè)根系所具有的抗拉強(qiáng)度也會(huì)有所下降。方便等[31]在研究三葉草根系與土體的抗剪強(qiáng)度關(guān)系時(shí)發(fā)現(xiàn)，根—土復(fù)合體在同一含根量下，其抗剪強(qiáng)度均隨著法向應(yīng)力的增加而增加，在同一法向應(yīng)力下，隨著含根量的增大，根—土復(fù)合體的抗剪強(qiáng)度、粘聚力和內(nèi)摩擦角均呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)。無(wú)論是對(duì)喬、灌木還是草本根系的研究，都認(rèn)為土壤表層有根系土壤的抗沖性高于底層土壤，根量，尤其是細(xì)根的根長(zhǎng)、根量與土壤抗沖性的關(guān)系密切[32]。但封金財(cái)和王建華[33]研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)有少量根存在時(shí)，土層的抗剪強(qiáng)度可被提高，會(huì)很大程度上對(duì)邊坡的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。但并不是根量越多對(duì)邊坡土體的加筋作用越大，而存在一個(gè)最佳值，即為臨界含根量。鐘亮根[34]也認(rèn)為，當(dāng)土中的含根量較少時(shí)，根—土可充分接觸并發(fā)揮摩阻作用，另一方面，根系的深入形成根—土復(fù)合體，使根的抗拉及抗剪能力傳入到土的抗剪能力中，進(jìn)而約束了土體在橫向和軸向的變形，且隨著含根量的增大其抗剪強(qiáng)度也增大，直到達(dá)到一個(gè)峰值。因此粘聚力、內(nèi)摩擦角增大，但是，當(dāng)根系含量達(dá)到一定含量時(shí)，因?yàn)楦禂?shù)量過(guò)度增加會(huì)使根系之間互相交錯(cuò)，導(dǎo)致根系與土體不能充分形成根土復(fù)合體，因此對(duì)土體的加筋效應(yīng)有所減低。本研究發(fā)現(xiàn)，燕麥根—土復(fù)合體的抗拉力與根量(單根生物量和徐根條數(shù))有一定的相關(guān)性，但不是影響抗拉力的主要因素。

很早以前就有學(xué)者提出不同直徑的根系對(duì)根系抗拉強(qiáng)度的影響非常顯著，并認(rèn)為直徑小的細(xì)根所具有的抗拉強(qiáng)度比粗根要高出數(shù)倍[35]。Bischetti認(rèn)為植物的根系尤其是小于1.0～2.0 mm徑級(jí)的植物根系，具有穩(wěn)定土層結(jié)構(gòu)、增加大于2 mm粒級(jí)水穩(wěn)性團(tuán)粒和有機(jī)質(zhì)含量、創(chuàng)造抗沖性土體的生物動(dòng)力學(xué)性質(zhì)功能[36]。劉國(guó)彬等[22]對(duì)草本毛根即根徑在0.1～1.0 mm范圍內(nèi)的根系的力學(xué)特性進(jìn)行了測(cè)定，結(jié)果顯示，這個(gè)直徑范圍內(nèi)的根系同樣也具有一定的機(jī)械強(qiáng)度、彈性和塑性。大量的研究發(fā)現(xiàn)，單根抗拉強(qiáng)度與根徑間呈冪函數(shù)或指數(shù)函數(shù)的關(guān)系[37-41]。李紹才等[41]通過(guò)試驗(yàn)分析，得出根系達(dá)到最大伸長(zhǎng)和根系直徑有直接關(guān)系。這可能與木質(zhì)素的含量有關(guān)。需要對(duì)根系做形態(tài)上的解剖加以證實(shí)。

關(guān)于根長(zhǎng)和拉伸速率對(duì)根系抗拉強(qiáng)度的影響方面，張東升[42]對(duì)長(zhǎng)江上游針葉林的研究表明，根系的抗拉強(qiáng)度隨著根長(zhǎng)的增加減小，且兩者的相關(guān)關(guān)系并不是正相關(guān)，而是多數(shù)表現(xiàn)為幕函數(shù)關(guān)系，朱清科等[43]對(duì)長(zhǎng)江上游地區(qū)的峨眉冷杉、冬瓜楊和杜鵲的根系進(jìn)行了研究,得出在根系彈性形變范圍內(nèi)，在根徑相同的情況下，根長(zhǎng)不同其彈性模量不同。但在草本植物根系方面的研究較少。

研究認(rèn)為，有根系的土壤比沒(méi)有根系的土壤在達(dá)到土體破壞前，能承受較大的剪切位移[44-45]。通過(guò)試驗(yàn)認(rèn)為，植物影響土壤剪切強(qiáng)度的主要因素是植物根系的形態(tài)和根系在土體中的幾何分布[46-48]，隨著對(duì)植物根系研究技術(shù)的不斷成熟[49-50]，近年來(lái)對(duì)根系分布的研究較多，夏振堯等[2]研究發(fā)現(xiàn)，含根量多并且根系分布相對(duì)均勻的土層根系分形維數(shù)較大，土層粘聚力增加值與土層內(nèi)根系分形維數(shù)存在顯著正相關(guān)關(guān)系。因?qū)嶒?yàn)條件限制，本實(shí)驗(yàn)沒(méi)有進(jìn)行根系分形維數(shù)，但采用根分布幅度作為量化根分布的大致情況，發(fā)現(xiàn)根分布幅度與抗拉力有一定的相關(guān)性，認(rèn)為與根的分布有密切的關(guān)系。

本研究在不同坡度、不同播種方式、不同離開(kāi)沖蝕溝的距離、不同種植密度等條件下，根—土復(fù)合體的抗拉力表現(xiàn)不同。除了上述影響抗拉力的根系因子因素，立地因子(包括當(dāng)?shù)丨h(huán)境、土壤環(huán)境、季節(jié)等)對(duì)根系的抗拉強(qiáng)度有一定的影響。對(duì)于根系深淺不同的植物，其根系固持土體的作用機(jī)理也不相同[51]。這說(shuō)明研究根—土相互作用力學(xué)效應(yīng)時(shí)還有許多其他植物根系特性應(yīng)該考慮，其中包括植物根系與土壤的材料特性、分布形態(tài)、根—土復(fù)合體的根系含量以及水分含量，還有根系與土、土與土之間的內(nèi)摩擦角和粘聚力、不同根系特性植物的固土差異、根—土復(fù)合體中土體和根的結(jié)合方式。因此，通過(guò)定量測(cè)定根系抗拉強(qiáng)度、根系生物量、根系分布方向角、根系面積比(根系面積比是指剪切面上所有發(fā)揮作用的根的截面積之和與土體截面積之比)等指標(biāo)，通過(guò)綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)，研究根系對(duì)土體淺層加固作用是非常有必要的。

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TensileResistanceCharacteristicsofRoot-SoilCompositeSystemandInfluenceFactorAnalysisinSanjiangyuanRegionsofQinghai-TibetPlateau

LUO Chun-yan1, WU Chu2, LU Guang-xin3, DE Ke-jia4, ZHANG Ming4, WANG Jun-bang5

(1.CollegeofCivilEngineering,QinghaiUniversity,Xi′ning810016,China; 2.CollegeofHorticultureandGardening,YangtzeUniversity,Jingzhou,Hubei, 434025,China; 3.CollegeofAgricultureandAnimalHusbandry,QinghaiUniversity,Xi′ning810016,China; 4.QinghaiAcademyofAnimalScienceandVeterinaryMedicine,Xi′ning810016,China; 5.InstituteofGeographicSciencesandNatureResourcesResearch,CAS,Beijing100101,China)

To study the stability mechanism of the root-soil complex in restored alpine meadow, the tests for the tensile resistance of plant roots were carried out in Sanjiangyuan Regions of Qinghai—Tibet Plateau. The performance characteristics of the root tensile resistance and factors affecting root-soil complex were analyzed. All the results showed that: (1) the root-soil complex showed different characteristics under the conditions of different terrain and different planting way, the root tensile resistance in the area with high density of oats is smaller than that in the area with low density of oats, sowing ways affected the root tensile resistance, the root tensile resistance in the area with drilling sowing way is smaller than that in the area with scattering sowing way, slopes affect the root tensile resistance, the root tensile resistance in the area with greater slopes is smaller than that in the area with less slopes, in addition, the distances from the planting sites to the erosive ditches also affect the root tensile resistance, the root tensile resistance in the areas far away from the erosive ditches is significantly less than that in the area near the erosive ditches(P<0.05); (2) the correlation between root tensile resistance and the biological characteristics of the ground-above parts of oat plants was low, but is high between root tensile resistance and the biological characteristics of the ground-below parts of oat plants; (3) there are significant positive correlations with root diameters (RD), root numbers ((RN), root length (RL), the biomass of single roots (RW) (P<0.05).

Sanjiangyuan Regions of Qinghai-Tibet Plateau; root-soil complex; root tensile resistance, biological characteristics; Oats

2013-11-27

：2013-12-19

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“青藏高原耐低溫纖維素分解真菌多樣性的研究”(41261064);農(nóng)業(yè)部公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項(xiàng)項(xiàng)目“青藏高原社區(qū)畜牧業(yè)關(guān)鍵技術(shù)研究與示范”(201203007)

羅春燕(1974—),女,重慶市人,副教授,研究方向:土力學(xué)。E-mail:1196810929@qq.com

王軍邦(1974—),男,青海省湟中縣人,博士,研究方向:全球變化生態(tài)學(xué)。E-mail:jbwang@igsnrr.ac.cn

TU411.7

：A

：1005-3409(2014)05-0260-07