黃土丘陵溝壑區(qū)主要物種根莖力學(xué)特性

徐海燕, 于衛(wèi)潔, 王巧利, 焦菊英

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 林學(xué)院, 陜西 楊凌 712100; 2.西北農(nóng)林科技大學(xué)　水土保持研究所, 陜西 楊凌 712100; 3.周河鎮(zhèn)政府, 陜西 靖邊 718500)

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黃土丘陵溝壑區(qū)主要物種根莖力學(xué)特性

徐海燕1, 于衛(wèi)潔2, 王巧利3, 焦菊英2

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 林學(xué)院, 陜西 楊凌 712100; 2.西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所, 陜西 楊凌 712100; 3.周河鎮(zhèn)政府, 陜西 靖邊 718500)

植物根莖力學(xué)特性影響著植被固定土壤和攔截的能力，是植被抗侵蝕特性研究不可缺少的一部分。在延河流域選取的6個典型小流域內(nèi)，對鐵桿蒿(Artemisiagmelinii)、茭蒿(Artemisiagiralii)、達烏里胡枝子(Lespedezadavurica)、阿爾泰狗哇花(Heteropappusaltaicus)、豬毛蒿(Artemisiascoparia)、蒙古蒿(Artemisiamongolica)的根莖進行廣泛采樣，在測量其根直徑、抗拉力、抗拉強度、莖直徑、抗彎強度和剛度、木質(zhì)素和纖維素含量等指標的基礎(chǔ)上，探討了植物根莖力學(xué)特性。結(jié)果表明：根系直徑與抗拉力呈顯著的正相關(guān)關(guān)系，與抗拉強度呈顯著的負相關(guān)關(guān)系，且均可用冪函數(shù)進行擬合；隨著莖的直徑增長抗彎剛度不斷加強、抗彎強度趨于穩(wěn)定；豬毛蒿莖平均直徑、最大抗壓力和抗彎剛度較其他物種大；達烏里胡枝子的莖抗彎剛度較小，根系抗拉強度和莖抗彎強度卻最大；抗彎強度與木質(zhì)素含量、纖維素含量和纖維素/木質(zhì)素均具有顯著的相關(guān)關(guān)系。

黃土丘陵溝壑區(qū); 抗拉力; 抗彎剛度; 抗彎強度; 力學(xué)特性

黃土丘陵溝壑區(qū)由于受地理位置的過渡性、氣候變化的劇烈性、地形和地貌的復(fù)雜性、土壤的易蝕性以及人類活動對植被的破壞等多種因素影響，水土流失嚴重、生態(tài)環(huán)境脆弱。植被恢復(fù)是退化生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)的前提與關(guān)鍵。黃土丘陵溝壑區(qū)“退耕還林(草)”生態(tài)工程實施后，不同立地條件下大面積土地退耕，植被得到有效恢復(fù)并顯著改善了生態(tài)環(huán)境。然而，植被能否恢復(fù)到可有效防止土壤侵蝕的狀態(tài)，不僅取決于侵蝕環(huán)境對植被的干擾程度，而且依賴于植物自身的抗侵蝕特性，如固土和攔截作用。植物根系是固定和支撐植物體的重要器官，而且根系力學(xué)性能也影響著植被固土的力學(xué)作用。大量的研究結(jié)果表明，植被可以有效攔截徑流中攜帶的枯落物，枯落物對地表的覆蓋不僅保證了地表不被徑流沖刷，而且斷絕徑流新的泥沙來源[1-2]；植物也能有效攔截徑流泥沙，在基部形成土堆，對植被及其土壤環(huán)境都有積極的影響[3-4]。因此，不同植物根莖力學(xué)的差異性可能會導(dǎo)致其抵抗徑流沖刷和攔截的能力不同，是植被抗侵蝕特性研究不可缺少的一部分。

近年來，植物根系的固土護坡機理、根土相互作用等研究越來越受到學(xué)者們的重視，使得根系力學(xué)特征的研究成為生態(tài)學(xué)研究的熱點之一[5-7]。例如，劉國彬等[8]曾利用自制的毛根拉力測定裝置對黃土高原12種常見牧草0.1～1.0 mm毛根的力學(xué)特性進行了系統(tǒng)的研究。對于植物莖的力學(xué)特性方面的研究主要集中在牧草和農(nóng)作物，用于解決農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的問題[9-10]；而從莖稈抵抗侵蝕的角度出發(fā)，針對自然恢復(fù)植被的研究很少。因此，本研究在結(jié)合前人研究的基礎(chǔ)上，通過對該區(qū)域幾種常見的典型植物根莖力學(xué)特征進行系統(tǒng)的研究，探討植物根莖抗侵蝕的力學(xué)特性，并為進一步完善黃土高原植被與土壤侵蝕關(guān)系理論提供基礎(chǔ)與依據(jù)。

1　研究方法

1.1研究區(qū)概況

研究區(qū)位于黃土丘陵溝壑區(qū)的延河流域(36°23′—37°17′N，108°45′—110°28′E)，地處陜西省北部，是黃河的一級支流，全長286.9 km，流域總面積為7 687 km2。主要支流有杏子河、坪橋川、西川河、蟠龍川等[11]。河道平均比降為3.29‰，平均坡度為17°，平均海拔為1 218 m[12]。該區(qū)域春季干旱多風(fēng)，夏季旱澇相間，秋季溫涼濕潤，冬季寒冷干燥。降水年際年內(nèi)變化大且季節(jié)分配不均勻，屬暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候。土壤類型主要為黃綿土，土質(zhì)疏松，抗蝕抗沖性差。區(qū)域內(nèi)廣泛分布有鐵桿蒿(Artemisiagmelinii)、茭蒿(Artemisiagiralii)、達烏里胡枝子(Lespedezadavurica)、阿爾泰狗哇花(Heteropappusaltaicus)、豬毛蒿(Artemisiascoparia)、蒙古蒿(Artemisiamongolica)等植物物種。在本研究中，從北到南選取周家山流域、石子灣流域、三王溝流域、陳家坬流域、毛堡則流域和尚和年流域的自然恢復(fù)坡面作為對象進行研究。

1.2根莖力學(xué)特性測定

1.2.1試驗材料為了使取樣具有代表性，在每個流域內(nèi)，選取10～15個坡面作為樣地進行取樣。選取鐵桿蒿、茭蒿、豬毛蒿、蒙古蒿、達烏里胡枝子和阿爾泰狗哇花作為研究對象，每個物種選取10株標準株。單根的采集主要采用挖坑的方法，采集土層深度為0—20 cm，挖掘時應(yīng)盡量避免破壞根的結(jié)構(gòu)從而造成機械損傷以至影響根的抗拉力。挖出根后采集根中無病蟲害，且比較直的部分，長度為2～10 cm，標記好后放入生物干冰中保存，帶回實驗室在4℃冰箱中保存，并在24 h內(nèi)對根系進行拉伸試驗[6]。

莖的取樣與根系取樣同時進行，每個物種選取5～15株標準株，用枝剪剪取植物距其基部0～20 cm的植物莖稈，裝入密封袋并編號，然后放入生物干冰中保存，帶回實驗室用4℃冰箱中保存，并在24 h內(nèi)對莖進行試驗。由于取樣量較大(每個物種共剪取的莖為130～650個)，為了便于處理，根據(jù)直徑的大小每隔0.1 mm進行分級，每個莖級有5～50個重復(fù)。

1.2.2力學(xué)特性測試方法采用型號為HG-500的數(shù)顯推拉力計，將其固定在HM-1K手動臥式拉力測試臺上來進行根系抗拉力試驗，測定根系拉斷時的最大抗拉力。

利用植物莖稈強度儀(YYD-1)，采用三點抗壓的原理進行莖稈抗壓強度測試。為了便于后期對相關(guān)指標的計算，按照直徑大小調(diào)節(jié)支架之間的跨度L(即莖的測試長度，L=10×2r)，其中r為莖半徑[13]。將莖放在儀器上，慢慢轉(zhuǎn)動手柄使莖稈彎曲，直到莖稈出現(xiàn)斷裂的瞬間，記錄最大抗壓力及其對應(yīng)的彎曲撓度。

1.3莖稈纖維素與木質(zhì)素含量測定

纖維素是細胞壁的主要成分，植物的細胞壁強大的纖絲網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)為細胞組織以及整個植物體提供機械支撐作用。木質(zhì)素是一種復(fù)雜的聚合物，具有可以使細胞相連的作用，填充于纖維素構(gòu)架中從而來增強植物莖稈的機械強度[14]。因此，建立纖維素與木質(zhì)素與力學(xué)特征值的關(guān)系，為探索是否可以運用物種纖維素與木質(zhì)素測定代替力學(xué)特征值的測量而達到簡化試驗的目的提供依據(jù)。

與力學(xué)特性測試樣品采集方法相同，用枝剪剪取植物距其基部0～20 cm左右的植物莖稈，裝入密封袋并編號。將采回的樣品在65℃下烘干至恒重，然后用微型粉樣機(FZ102)粉碎，并將在同一小流域中采集的樣品混合后作為1個重復(fù)，共有6個。采用72%濃硫酸水解法測定纖維素的含量，濃硫酸法測定木質(zhì)素的含量[15]。

1.4數(shù)據(jù)分析

根的抗拉強度(P)是指根在拉伸斷裂前所能夠承受的最大拉力，計算公式如下：

P=4F/πD2

(1)

式中：F——最大抗拉力(N)；D——斷裂處根直徑(mm)。

莖的抗彎剛度是指受外力作用下材料抵抗變形的能力，EI值越大，莖變形后的彎曲率越小?？箯潖姸韧ǔＪ侵覆牧蠌澢敝帘黄茐臅r其所能承受的最大的彎曲正應(yīng)力。因此，可用抗彎剛度(EI)與抗彎強度(σ)來表征莖的攔截能力和抵抗自身損害的能力。計算公式分別如下：

EI=fL3/48Y

(2)

式中：f——載荷(N)；L——跨度(mm)；Y——彎曲撓度(mm)。

σ=M/W

(3)

M=fL/4

(4)

W=πD3/32

(5)

式中：σ——抗彎強度(MPa)；M——最大彎矩(N·mm)；W——莖稈抗彎截面系數(shù)(mm3)；D——莖的直徑(mm)。

采用SPSS軟件對根的直徑與其力學(xué)特征值、莖稈纖維素和木質(zhì)素與力學(xué)特性值進行泊松相關(guān)分析。

2　結(jié)果與分析

2.1根的力學(xué)特征

由表1可知，6個物種的根的平均直徑均小于1 mm，即6個物種的根系均以1 mm以下為主，根系平均直徑從大到小依次是茭蒿、鐵桿蒿、阿爾泰狗哇花、達烏里胡枝子、蒙古蒿和豬毛蒿。達烏里胡枝子的抗拉力明顯大于其他物種。受根系截面面積和抗拉力的影響，物種間的抗拉強度差異也較為明顯，從大到小依次為達烏里胡枝子、豬毛蒿、阿爾泰狗哇花、蒙古蒿、鐵桿蒿和茭蒿。

表1　根的平均直徑、抗拉力和抗拉強度

注：表中相關(guān)數(shù)據(jù)為平均數(shù)±標準差，下表同。

由圖1可知，根系直徑與抗拉力呈顯著的正相關(guān)關(guān)系，與抗拉強度呈顯著的負相關(guān)關(guān)系；所有物種的根系直徑和抗拉力、抗拉強度之間均可用冪函數(shù)進行擬合；由擬合曲線可知，隨著根系直徑的增加，抗拉力的增長率不斷增加，但抗拉強度卻逐漸趨于穩(wěn)定，即在直徑較小時，抗拉力主要受抗拉強度的影響；根系直徑較大時，抗拉力主要受根系直徑的影響。

表2莖的力學(xué)特性值

物種樣本數(shù)量/株平均直徑/mm最大抗壓力/N彎曲撓度/mm抗彎剛度/(N·m2)抗彎強度/MPa鐵桿蒿6372.27±0.4914.77±7.444.00±1.12901.1972.92茭蒿4762.42±0.5416.62±7.384.14±1.061186.5872.27豬毛蒿3612.65±0.9118.53±11.004.98±1.361435.4867.35蒙古蒿1302.26±0.409.96±3.774.24±1.14566.5949.53阿爾泰狗哇花3342.64±0.4912.79±5.544.61±1.251343.4146.37達烏里胡枝子4782.30±0.4815.19±7.335.01±1.35768.6573.12

2.2莖的力學(xué)特性

由表2可知，6個物種的平均直徑范圍為2.26～2.65 mm，平均彎曲撓度為4.00～5.01 mm，平均最大抗壓力為9.96～18.53 N。

其中，豬毛蒿莖稈的平均直徑、最大抗壓力和抗彎剛度較其他物種大；根據(jù)抗彎強度和抗彎剛度的公式可知，由于抗彎強度的大小受到測試莖稈的截面的影響，盡管達烏里胡枝子的抗彎剛度較小，抗彎強度卻最大，在受到徑流沖刷時，易發(fā)生變形卻不易斷裂。

圖1　根系直徑與其抗拉力、抗拉強度之間的關(guān)系

隨著莖的直徑增長抗彎剛度不斷加強，豬毛蒿的抗彎剛度可超過10 000 N·m2。阿爾泰狗哇花的抗彎強度隨著直徑的增加有逐漸減小的趨勢；鐵桿蒿、茭蒿、豬毛蒿、達烏里胡枝子和蒙古蒿的莖抗彎強度隨著直徑的變化并無明顯的增加或減小，而是達到某一個值后，抗彎強度處于相對穩(wěn)定狀態(tài)(圖2)。

2.3莖力學(xué)特性與其纖維素和木質(zhì)素含量的關(guān)系

由表3可知，6個物種的木質(zhì)素和纖維素的含量分別為14.33%～16.69%和16.62%～35.76%，纖維素/木質(zhì)素的值為1.16～2.14。各物種間木質(zhì)素含量并無明顯差異；阿爾泰狗哇花和達烏里胡枝子的纖維素含量差異較其他的物種間要大。由圖3可知，不同物種間的抗彎剛度與木質(zhì)素含量、纖維素含量及纖維素/木質(zhì)素(纖維素與木質(zhì)素含量的比值)均無顯著的相關(guān)關(guān)系，而抗彎強度與木質(zhì)素含量、纖維素含量和纖維素/木質(zhì)素均具有顯著的相關(guān)關(guān)系。

3　討論與結(jié)論

徑流產(chǎn)生后，植被根莖可以有效地固定土壤和攔截徑流攜帶的枯落物和泥沙，同時，根莖也承受著徑流所施加的力。本研究中，測量物種根的抗拉力、莖的抗彎剛度均隨著莖稈直徑的增加而增大，由此可知，對于某一物種來說，隨著植被的不斷生長，根的固定和莖的攔截能力不斷增強；進一步可推測，在植被生長初期，如幼苗階段，植被根莖細而脆弱，嚴重的侵蝕可能會造成根莖的斷裂從而使植被死亡，導(dǎo)致自然植被恢復(fù)過程緩慢。

盡管根據(jù)定居—競爭權(quán)益法則和演替生態(tài)位理論可知，演替早期物種主要依賴繁殖力高、繁殖體傳播距離遠，先定居生境；演替前期與后期物種同時出現(xiàn)，演替前期物種短期內(nèi)要比演替后期物種表現(xiàn)好，究其原因為演替前期物種在資源相對豐富的條件下可迅速生長[16-17]。然而，在黃土高原，坡面退耕初期土壤侵蝕嚴重，豬毛蒿作為先鋒物種在惡劣的環(huán)境中發(fā)展，其抵抗侵蝕的能力也可能是它成功建群的關(guān)鍵因素之一。

在本研究中，草本植物豬毛蒿的根系抗拉強度僅次于木質(zhì)化程度較高的半灌木達烏里胡枝子，莖的平均最大抗壓力和抗彎剛度比5個演替中后期物種要大，這也從其根莖力學(xué)特性方面說明了豬毛蒿具有較強的抗侵蝕能力。

圖2　不同莖級的平均抗彎剛度和強度

表3　莖的纖維素和木質(zhì)素含量

注：以小流域為調(diào)查單元進行的纖維素和木質(zhì)素的測量，測量物種的樣本數(shù)為6。

由于具有操作方法簡單、便于測量的特點，在以往的研究中，莖的彎曲撓度、抗彎剛度一般作為農(nóng)作物抗倒伏性能指標而進行測量；彎曲撓度越大、抗彎剛度越小作物的抗倒伏能力越差，將不利于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)[10]。然而作為植被抵抗侵蝕的指標，大的彎曲撓度和小的抗彎剛度表明莖稈具有較好的柔韌性，這可能是自然植被適應(yīng)環(huán)境的特性。

本研究中，彎曲撓度大、抗彎剛度小的典型物種為達烏里胡枝子，其植株高30～80 cm，莖直立、斜生或平臥[18]。好的柔韌性不僅可以使其植株不易在徑流的沖刷下折斷，在斜生和平臥的情況下，植株也可通過增加地面的覆蓋度來減輕侵蝕對坡面造成的損壞。此外，與其他5個物種相比，達烏里胡枝子的根系抗拉強度和莖的抗彎強度均最大，可承受更大的徑流所產(chǎn)生的壓強。因此，達烏里胡枝子作為黃土高原群落演替中的典型優(yōu)勢群落，它的根莖力學(xué)特性可能是促進該群落在侵蝕嚴重的坡面發(fā)展的主要抗侵蝕策略之一。

圖3　莖的纖維素和木質(zhì)素含量與力學(xué)特性值的關(guān)系

莖稈主要由纖維素、木質(zhì)素、蛋白質(zhì)等有機高分子材料組成[19]。木質(zhì)素在植物體內(nèi)具有機械支持的功能，與纖維素共同形成植物體骨架。木質(zhì)素與纖維素結(jié)合緊密，其配合比和排列結(jié)構(gòu)如同“鋼筋混凝土”的作用決定著莖稈的強度[20]。在黃土丘陵溝壑區(qū)，研究物種的抗彎強度與纖維素、木質(zhì)素以及木質(zhì)素與纖維素質(zhì)量分數(shù)的比值呈顯著相關(guān)關(guān)系。因此，本研究的探索說明運用物種纖維素與木質(zhì)素測定可代替力學(xué)特征值的測量而達到簡化試驗的目的是可行的。

本研究基于大量的測量數(shù)據(jù)，建立了根系、莖稈直徑與其力學(xué)特性值之間的關(guān)系模型，為簡化調(diào)查根系和莖稈的力學(xué)特性提供了依據(jù)。除了根莖的力學(xué)特性，影響植被抗侵蝕特性的因素還有很多，例如，根的密度、生物量，莖的密度等[21-22]，因此還需要進一步開展研究。

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Mechanical Properties of Stem and Root of Main Plant Species in the Hilly-Gully Loess Plateau

XU Haiyan1, YU Weijie2, WANG Qiaoli3, JIAO Juying2

(1.CollegeofForestry,NorthwestA&FUniversity,Yangling,Shaanxi712100,China; 2.InstituteofSoilandWaterConservation,NorthwestA&FUniversity,Yangling,Shaanxi712100,China; 3.ZhouheTownshipGovernment,Jingbian,Shaanxi718500,China)

Mechanical properties of plant affect the capacity of vegetation to stabilize soil and intercept sediment and litter, and the survey on them is an indispensable part of the study on soil anti-erosion ability. Six small watersheds were selected for sampling in Yanhe River Basin. The main species wereArtemisiagmelinii,Artemisiagiralii,Lespedezadavurica,Heteropappusaltaicus,ArtemisiascopariaandArtemisiamongolica. Their mechanical properties were surveyed. The results showed that the root diameter for every species had significant correlation with its tensile resistance and tensile strength (p<0.05), respectively, and both of them could be fitted by power function. As stem diameter increased, its stiffness strengthened and its strength became stable. For the stem ofArtemisiascoparia, its main diameter, tensile resistance and bending stiffness were larger than those of the other species. Stem bending strength and root tensile strength ofLespedezadavuricawere larger than those of the other species. Stem bending strength had significant correlation with cellulose content, lignin content and cellulose-content/lignin-content (p<0.05) among the main species, respectively.

the Hilly-Gully Loess Plateau; tensile resistance; bending stiffness; bending strength; mechanical property

2015-06-18

2015-06-24

水利部公益性行業(yè)科研專項經(jīng)費項目(201501045);國家自然科學(xué)基金面上項目“黃丘區(qū)坡面退耕與淤地壩對坡溝系統(tǒng)侵蝕產(chǎn)沙的阻控機理”(41371280);國家科技支撐計劃項目“黃河中游主要來沙區(qū)林草減沙作用分析”(2012BAB02B05-3)

徐海燕(1989—),女(蒙古族),內(nèi)蒙古興安盟人,碩士研究生,研究方向為流域生態(tài)學(xué)。E-mail:545906813@qq.com

焦菊英(1965—),女,陜西寶雞人,博士,研究員,博士生導(dǎo)師,主要從事土壤侵蝕與植被關(guān)系及水土保持效益評價的研究。E-mail:jyjiao@ms.iswc.ac.cn

S157.1

A

1005-3409(2016)01-0313-06