紫穗槐根系形態(tài)與固土護(hù)坡效應(yīng)研究

嵇曉雷　夏光輝　張海亞

摘要：本文采用紫穗槐根系的現(xiàn)場調(diào)查和根系掃描圖像數(shù)據(jù)的方法，通過對根長量、根長密度、根體積和單位體積土中含根量4根系指標(biāo)數(shù)據(jù)的測定和分析，研究根系對邊坡土體水土保持的效果。結(jié)果顯示，紫穗槐屬于深根性直根樹種，主干根的優(yōu)勢極為顯著，分布最深可達(dá)50 cm土層以下，須根在各個(gè)土壤層次中均有不同徑級根系的分布，根長和根量指標(biāo)也隨著土層的加深而均勻遞減。 根系能夠?qū)ν馏w起到錨固和加筋作用，對邊坡表層土體的水土侵蝕起到有效保護(hù)作用。

關(guān)鍵詞：紫穗槐；根系；空間分布；水土保持

中圖分類號：S157.9文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號：1004-3020（2016）01-0016-04

Abstract： Based on the field observation data and rootsscaning photos， we studied the effects of Amorpha fruticosa root system on the slope soil and water conservation by analyzing the index data from root length， root length density， root volume and root content per soil unit. The result showed that A. fruticosa had the feature of deep and tap roots with main root as deep as 50 cm underground， and the fine roots with different diameter distributed in all of different soil levels， and the root length and root volume decreased with the soil level deepening. We concluded that the root system of A. fruticosa functions efficiently in soil reinforcement and soil erosion resistance of slope surface.

Key words： Amorpha fruticosa；root system；spatial distribution；soil and water conservation

植物生態(tài)護(hù)坡是利用植物根系涵水固土的原理穩(wěn)定公路邊坡同時(shí)美化生態(tài)環(huán)境的一種新技術(shù)，利用植物根系防止土壤侵蝕和水土流失，既可以取代傳統(tǒng)工程護(hù)坡對環(huán)境造成的破壞，還可以節(jié)省造價(jià)投入，美化公路景觀[1-2]。而不同植物根系對邊坡土層水土保持作用不同，主要與植物根系的分布形態(tài)、根系的強(qiáng)度根以及根系土中的含量等因素有關(guān)系[3]。本文根據(jù)植物根系空間分布特征與邊坡水土保持效應(yīng)的相關(guān)關(guān)系，針對根系與土的相互作用機(jī)理，選擇高速公路常見護(hù)坡植物紫穗槐進(jìn)行研究，結(jié)合根系空間分布特征，對高速公路坡面穩(wěn)定性的加強(qiáng)作用等綜合情況，探討高速公路邊坡護(hù)坡灌木根系的保持水土效益，為高速公路生態(tài)護(hù)坡研究領(lǐng)域提供理論支持和實(shí)際參考。

1紫穗槐根系固土護(hù)坡機(jī)理概述

植物根系的護(hù)坡機(jī)理主要從根系的力學(xué)效應(yīng)進(jìn)行分析，不同類型的植物根系體現(xiàn)護(hù)坡機(jī)理不同，主要是指地下根系的加筋、錨固效應(yīng)，紫穗槐為典型的深根性直根樹種，主干根的優(yōu)勢極為顯著，標(biāo)準(zhǔn)株主根徑約20 mm，分布最深可達(dá)50 cm土層以下，根系黃褐色。主根系具備一定的強(qiáng)度和剛度，可以穿過坡體淺部松散風(fēng)化層，錨固到深處較穩(wěn)定的巖土層，通過主根和側(cè)根與周邊土體的摩擦作用把根系與周邊土體聯(lián)合起來，起到預(yù)應(yīng)力錨桿的作用。紫穗槐須根柔軟纖細(xì)，在各個(gè)土層中均有不同徑級根系分布，根長和根量指標(biāo)隨著土層的加深而均勻遞減。須根系可看作天然加筋材料，根土復(fù)合體可看作為加筋土，植物根系在土中分布比工程加筋材料分布復(fù)雜[4-5]。根系在土體中分布呈網(wǎng)狀、縱橫交錯(cuò)，隨著深度的增加含根量逐漸減少，在根系盤結(jié)范圍內(nèi)的土體可看作根—土復(fù)合材料[6]。因此可按加筋土原理來分析含根土體的受力狀態(tài)，即把土中的根看作加筋材料，根系如同加筋材料一樣對土體起到加筋增強(qiáng)的作用，從而使根土復(fù)合體的強(qiáng)度明顯提高[7-8]。

2.1標(biāo)準(zhǔn)株取樣

首先對紫穗槐進(jìn)行樣地調(diào)查，采集地點(diǎn)為寧常高速公路東屏立交互通段，種植時(shí)間為3年，株高218 cm，冠幅95 cm，地徑2 cm，地上部分生物量215 g，繁殖類型為實(shí)生，種植區(qū)位于坡度35°的半陽面，在試驗(yàn)區(qū)設(shè)5 m×5 m的樣地，先進(jìn)行立地條件的調(diào)查，包括采樣地點(diǎn)、坡向、坡度、伴生物種等方面。依據(jù)概率論和數(shù)理統(tǒng)計(jì)的原理進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)株的選擇。

（1）在大的樣方中，利用圍合的正方形，選取對角線交點(diǎn)和該正方形四角分別作2 m×2 m面積相等的小樣方5個(gè)，編號為1，2，3，4，5（見圖1）。

（2）詳細(xì)調(diào)研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)，算出各小樣方的數(shù)據(jù)平均值作為該樣地灌木的平均株高、冠幅和地徑，作為標(biāo)準(zhǔn)株取樣的依據(jù)。

（3）在5個(gè)小樣方內(nèi)選擇3株符合平均株高、冠幅和地徑的標(biāo)準(zhǔn)株（作為3次重復(fù)），然后進(jìn)行根系取樣調(diào)查[9]。

2.2根系處理

按照植物自然生長的規(guī)律，進(jìn)行自上而下分層分布進(jìn)行，采用操作方法為：按土層深度分為0～10，10～20，20～30，30～40，40～50，50 cm以下6個(gè)層次。首先清理表層雜物，觀察土層中不再有根系為止。將樣本做好標(biāo)記帶回實(shí)驗(yàn)室，經(jīng)清水清洗，去除土壤顆粒及各種雜質(zhì)，用吸水紙吸干后，取3個(gè)樣本，做3次重復(fù)，并求取平均值作為根系形態(tài)學(xué)數(shù)據(jù)[3]。

2.3根系指標(biāo)的測定

首先，將預(yù)處理過的根系樣品分別按照土層、徑級的不同利用電子天平測量根系鮮重。其次，利用根系掃描儀和WINRhizo根系分析軟件，對各土層、徑級的根系進(jìn)行掃描和分析處理，主要包括根系直徑、根長、根長密度、單位土體含根量、根系體積等指標(biāo)。試驗(yàn)設(shè)計(jì)過程中選擇與邊坡生態(tài)防護(hù)效果關(guān)系最為密切的指標(biāo)進(jìn)行分析，利用Excel表格錄入數(shù)據(jù)并利用根系分析軟件進(jìn)行處理和分析。

3結(jié)果與分析

3.1根系空間分布特征

紫穗槐為典型的深根性直根樹種，標(biāo)準(zhǔn)株主根分布平均最深可達(dá)50 cm土層以下，根系分布最深能達(dá)到80 cm土層，根系黃褐色。主根徑約20 mm，有明顯的主根和Ⅰ級側(cè)根，并有Ⅲ級以上側(cè)根的分布。主干根的優(yōu)勢極為顯著，有明顯的向地性生長的特征。須根較為柔軟纖細(xì)，根上著生許多豆科植物特有的菌根根瘤[9]（見圖2，3）。

3.2根長量

根長是表明根系吸收功能的一個(gè)重要參數(shù)，將根系按照根徑分為0 mm

從表1可知：徑級大于2 mm主根系能夠達(dá)到50 cm土層以下，對邊坡表層土體起到錨固作用。根系總根長為6 83783 cm，其中0～10 cm占根系總長的6716%，10～20 cm占根系總長的158%，20～30 cm占根系總長的671%，30～40 cm占根系總長的248%，40～50 cm占根系總長的176%，50 cm以下的占根系總長的609%，徑級0 mm

3.3根體積的垂直分布

根體積指標(biāo)體現(xiàn)了根系空間分布，能夠直接反映根系在生長介質(zhì)中的生長分布情況和延伸特點(diǎn)，以及根系吸收水分和營養(yǎng)物質(zhì)與錨固邊坡土體之間的緊密聯(lián)系。分析根系對土壤的加筋作用效果的重要參數(shù)，對紫穗槐根體積垂直分布的研究，可以更好地探討根系的固土能力及增加坡面抗侵蝕能力，具體參數(shù)見表2所示。

通過表2數(shù)據(jù)可知：隨著土層深度的增加，根系體積呈現(xiàn)明顯的下降趨勢，0 mm

3.4根長密度

根長密度是反映根系固土護(hù)坡能力的重要指標(biāo)，若根長值為須根（即吸收根）的測定值，則所得的根長密度稱為有效根長密度，這個(gè)指標(biāo)廣泛應(yīng)用于植物的根系吸水研究，是反映須根空間分布狀況的一個(gè)重要指標(biāo)。不同灌木的根長密度分布呈現(xiàn)出不同的特征，根長密度也是評價(jià)根系固土效果的重要指標(biāo)。具體參數(shù)見表3所示。

從表3中數(shù)據(jù)可見：紫穗槐根長密度主要分布在土層0～40 cm中，其中10～20 cm土層根長密度值分布最大，達(dá)8832 mm·dm-3，可見紫穗槐根系對于土體加筋作用主要分布在土層10～40 cm處。通常邊坡表層布置草皮，起到防止雨水侵蝕的作用，紫穗槐灌木主要起到草本植物根系不能達(dá)到的土層加固作用，因此將灌木與草本植物結(jié)合使用，將發(fā)揮各自的固坡特性，更加有效地防止公路邊坡的水土流失，保證邊坡表層土體穩(wěn)定。

3.5單位體積土中含根量

土中根的含量不同，根對土的加筋作用效果就不同，從而植物對邊坡穩(wěn)定性的影響程度不同。一般情況下，用RAR（根的面積比率）來描述土中根的分布情況。“根的面積比率”是指在特定一個(gè)土體斷面上，根的橫截面積占總斷面面積的比率。根的面積比率是土層深度的函數(shù)。另一種衡量土中根的含量的方法就是“根的生物量集度”，即單位體積土中根的質(zhì)量，能與“根的面積比率”進(jìn)行互相轉(zhuǎn)化。試驗(yàn)中為了考慮根系生物特性，突出試驗(yàn)的準(zhǔn)確性，對邊坡現(xiàn)場進(jìn)行根系取樣試驗(yàn)，試驗(yàn)主要考慮須根的加筋作用，在取樣時(shí)選擇D<5 mm的根系進(jìn)行測量。具體做法是在現(xiàn)場挖取尺寸為20 cm （長）×20 cm（寬）的試塊，每個(gè)試塊沿深度方向再次分為0～10，10～20，20～30，30～40，40～50，50 cm以下，共6個(gè)層次，用清水洗凈根系，用濾紙吸干根系表面水份，用電子天平測定不同層次根系的質(zhì)量。測量結(jié)果經(jīng)計(jì)算列入表4，圖4為含根量隨土層深度變化曲線。

根據(jù)表4數(shù)據(jù)和含根量隨土層深度變化分布圖可知，紫穗槐根系的含根量在10～20 cm范圍內(nèi)最多，20 cm以下隨著土層深度的增加逐漸減少。總根量基本集中在30 cm范圍內(nèi)，土層50 cm以下根含量很少，只占總質(zhì)量的7%，與根長密度、根體積、根長量等根系指標(biāo)變化趨勢相同，這些根系形態(tài)指標(biāo)能夠客觀的反映根系在土層中隨深度變化情況。

4結(jié)論與討論

通過對紫穗槐根系根長量、根體積的垂直分布、根長密度、單位體積土中含根量的測定指標(biāo)分析，明確了邊坡土體的穩(wěn)定性和土體的形態(tài)參數(shù)有密切的關(guān)系，說明試驗(yàn)數(shù)據(jù)能夠較為全面地反映根系對于生態(tài)邊坡的防護(hù)效果。在各個(gè)土壤層次中，紫穗槐的根系均有不同徑級根系的分布，根系長度并隨著土層深度的加大呈現(xiàn)遞減的趨勢，紫穗槐根系中主要為小于2 mm的須根，根系主要分布在30 cm的淺層土層中。根體積作為衡量根系空間分布的參考指標(biāo)，對探討根系垂直分布特征具有一定的參考意義，由于根體積主要是由D>5 mm的直根分布所決定，根體積最大值均分布于0～10 cm土層內(nèi)，不同徑級分布較為均勻，根體積在土層中的分布呈現(xiàn)出較緩慢的下降趨勢。有效根長密度分布大體呈現(xiàn)出隨著土層的增加，有效根長密度逐漸減少的趨勢，這與須根根長在土層中的分布有一定的相似性，也與根系自然傘狀分布的規(guī)律接近。紫穗槐根系在土壤中盤根錯(cuò)節(jié)，與土壤結(jié)合成為根土混合體，是邊坡土體成為帶預(yù)應(yīng)力的加筋材料，同時(shí)邊坡土體中因?yàn)橹参锔档拇嬖诳梢约哟笸馏w之間的摩擦系數(shù)，提高了土體的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，從而對于邊坡水土流失起到很好地防護(hù)作用，因而是較為理想的生態(tài)護(hù)坡植物。

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（責(zé)任編輯：鄭京津）