三峽庫(kù)區(qū)紫色土坡耕地草本地埂植物根系分布及抗拉力學(xué)特征

周 萍, 文安邦, 嚴(yán)冬春, 史忠林, 龍 翼

(中國(guó)科學(xué)院 水利部 成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所, 山地表生過程與生態(tài)調(diào)控重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 四川 成都 610041)

試驗(yàn)研究

三峽庫(kù)區(qū)紫色土坡耕地草本地埂植物根系分布及抗拉力學(xué)特征

周 萍, 文安邦, 嚴(yán)冬春, 史忠林, 龍 翼

(中國(guó)科學(xué)院 水利部 成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所, 山地表生過程與生態(tài)調(diào)控重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 四川 成都 610041)

[目的] 探究三峽庫(kù)區(qū)紫色土坡耕地3種草本地埂植物根系分布及抗拉特征，為揭示地埂植物根系固結(jié)地埂提供理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支持。[方法] 以三峽庫(kù)區(qū)自然恢復(fù)的蓑草、人工種植的韭菜和蠶豆這3種草本地埂植物根系為研究對(duì)象，對(duì)比分析其根系在不同地埂土壤深度的分布規(guī)律及根系抗拉特性。[結(jié)果] (1) 在0—40 cm深度土壤中3種草本地埂植物根系直徑變化表現(xiàn)出：蠶豆根系>韭菜根系>蓑草根系。3種草本地埂植物根系直徑與地埂土壤的土層深度間服從指數(shù)函數(shù)關(guān)系。(2) 在0—40 cm地埂土層深度范圍內(nèi)，韭菜根系生物量與蓑草根系和蠶豆根系生物量之間存在顯著性差異(p<0.05)，韭菜和蠶豆地埂植物根系生物量隨土層深度的增加而逐漸減小，蓑草地埂植物根系生物量隨土層深度的增加先增加后減小。(3) 3種草本地埂植物根系的單根平均抗拉力次序?yàn)樾Q豆根系(10.53 N)>蓑草根系(6.03 N)>韭菜根系(4.51 N)，3種地埂植物根系單根抗拉力與根徑呈冪函數(shù)關(guān)系(p<0.05)。3種地埂植物根系的抗拉強(qiáng)度表現(xiàn)為蓑草根系(45.91 MPa)>蠶豆根系(18.02 MPa)>韭菜根系(12.20 MPa)。(4) 3種草本地埂植物根系黏聚力變化順序?yàn)椋核虿莞?0.013 1 kPa)>蠶豆根系(0.009 4 kPa)>韭菜根系(0.005 5 kPa)且3種地埂植物根系黏聚力與土層深度呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系(p<0.01)。[結(jié)論] 自然恢復(fù)的蓑草地埂在三峽庫(kù)區(qū)較其他兩種人工種植的地埂植物有更好的固結(jié)地埂效果，從而有效控制坡面土壤侵蝕和水土流失。草本植物固結(jié)地埂可為三峽庫(kù)區(qū)坡耕地治理提供新思路。

三峽庫(kù)區(qū)坡耕地; 草本地埂植物; 根系分布; 根系抗拉特征; 根系黏聚力

文獻(xiàn)參數(shù)： 周 萍, 文安邦, 嚴(yán)冬春, 等.三峽庫(kù)區(qū)紫色土坡耕地草本地埂植物根系分布及抗拉力學(xué)特征[J].水土保持通報(bào)，2017,37(3)：1-6.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.03.001； Zhou Ping, Wen Anbang, Yan Dongchun, et al. Roots distribution and tensile properties of herbages on hedge of sloping cultivated lands of purple soils in Three Gorges Reservoir region[J]. Bulletin of Soil and Water Conservation, 2017,37(3)：1-6.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.03.001

近年來(lái)，植物措施被廣泛應(yīng)用于邊坡防護(hù)、水土流失治理及生態(tài)防護(hù)等生態(tài)工程中[1]。植物根系可在土壤中形成交錯(cuò)密布的根系網(wǎng)絡(luò)，根系對(duì)土體起到加筋作用，從而提高了土體的強(qiáng)度，達(dá)到固結(jié)土體的目的，有效發(fā)揮了植物的固土抗蝕作用[2]。植物根系可以改變土壤結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)土壤抗沖蝕性，提高土體的穩(wěn)定性。植物根系加固土壤的力學(xué)原理研究始于19世紀(jì)80年代[3]，當(dāng)根土復(fù)合體受到剪切力時(shí)根土發(fā)生錯(cuò)動(dòng)，根系通過根土界面的摩擦作用，把土中的剪應(yīng)力轉(zhuǎn)化成為根的拉應(yīng)力，從而增強(qiáng)了根土復(fù)合體的抗剪強(qiáng)度，進(jìn)而具有了固結(jié)土壤的能力。因此，根系與土體結(jié)合的緊密程度和根系抗拉阻力是固結(jié)土壤的關(guān)鍵因素[4]。近年來(lái)對(duì)根系固土研究主要集中在對(duì)根土界面摩阻特性和根土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度上，宋維峰等[5]將摩擦阻力引入到根系與土體界面之間的相互作用，提出了根土界面摩擦系數(shù)的概念，楊亞川等[6]、劉國(guó)彬等[7]研究了草本植物根系的抗剪強(qiáng)度，其結(jié)果表明植物細(xì)根具有較強(qiáng)的抗拉力，張欣等[8]分析了檸條、沙柳等灌木根系對(duì)提高土體抗剪強(qiáng)度的作用。而針對(duì)植物根系抗拉力學(xué)特性的研究相對(duì)較少[9-10]。根系對(duì)土壤黏聚力的增強(qiáng)效應(yīng)是評(píng)價(jià)根系固土能力的重要指標(biāo)[11]。對(duì)植物根系抗拉強(qiáng)度的研究能較好地解釋植物根系網(wǎng)絡(luò)固土機(jī)理。但目前對(duì)紫色土坡耕地草本植物根系對(duì)地埂土壤的固結(jié)作用及影響因素的研究報(bào)道不多。因此，本文擬選取三峽庫(kù)區(qū)坡耕地自然恢復(fù)地埂植物蓑草(Eulaliopsisbinata)和人工種植地埂植物韭菜(Alliumtuberosum)和蠶豆(Viciafaba)根系為研究對(duì)象，對(duì)3種草本植物根系分布特征及根系抗拉特征進(jìn)行研究，以期為三峽庫(kù)區(qū)坡耕地地埂植物篩選、坡耕地水土流失控制和坡耕地治理提供理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支持。

1 研究區(qū)概況及研究方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于三峽庫(kù)區(qū)水土保持與環(huán)境研究站(107°3′—108°14′E， 30°03′—30°35′N)附近。該區(qū)屬亞熱帶東南季風(fēng)區(qū)，雨量充沛，年降水量1 100～1 400 mm，降水多集中在4—10月，占全年的70%以上;年日照時(shí)間1 327 h，太陽(yáng)總輻射能347 kJ/m2，無(wú)霜期340 d，年均溫18.2 ℃，≥10 ℃的年積溫5 891.4 ℃，相對(duì)濕度80%，海拔117～1 680 m。該區(qū)巖層為侏羅系沙溪廟組砂巖、粉砂巖和泥巖，以中性紫色土為主，三峽庫(kù)區(qū)紫色土的土壤有機(jī)質(zhì)含量均值為6.76 g/kg，全氮含量均值為0.98 g/kg，土壤pH值為7.66，陽(yáng)離子交換率均值為32.82 cmol/kg。土壤容重為1.34 g/cm3，土壤顆粒組成為2～0.2 mm粒徑的土壤顆粒占13.53%，0.2～0.02 mm粒徑占37.73%，0.02～0.002 mm粒徑占30.38%，<0.002 mm粒徑占18.36%。紫色土富含鉀、鈣、錳、鐵等礦質(zhì)元素，耕地土層厚度一般在0.3～0.6 m。該區(qū)域內(nèi)土地利用方式有旱地、水田、林地等，坡面耕作方式以順坡耕種為主，主要種植作物有玉米(Zeamays)、紅薯(Ipomoeabatatas)、黃豆(Glycinemax)、花生(Arachishypogaea)、柑橘(Citrusreticulata)等。

1.2 研究方法

1.2.1 樣地選擇和樣品采集 在踏查典型坡耕地坡面的基礎(chǔ)上，根據(jù)典型性和代表性原則選擇坡耕地地埂上生長(zhǎng)的自然恢復(fù)地埂植物蓑草和人工種植地埂植物韭菜和蠶豆為研究對(duì)象，采集這3種典型地埂植物根系樣品，樣品采集時(shí)間為2015年7月。選擇健壯的植株去除植株的地上部分后，在每個(gè)樣點(diǎn)用環(huán)刀沿著植株豎直向下取樣。草本地埂植物的根系基本分布于0—40 cm土層范圍，用環(huán)刀取樣時(shí)每10 cm取1層土樣，分4層取樣。每個(gè)樣點(diǎn)重復(fù)取樣3次。將采集的樣品攤于塑料布上，用鑷子仔細(xì)把根系揀出、揀盡，并去除樣品中其余雜質(zhì)，然后將根系樣品分別編號(hào)后保存于自封袋中帶回實(shí)驗(yàn)室備用。

1.2.2 根系力學(xué)性質(zhì)測(cè)定 為了探究地埂植物根系的力學(xué)性質(zhì)，進(jìn)行了地埂植物單根的抗拉試驗(yàn)。將新鮮坡耕地地埂植物蓑草、韭菜和蠶豆根系洗凈后擦干，在實(shí)驗(yàn)室冰箱4 ℃環(huán)境中冷藏保存并盡快測(cè)試，以保證根系材料的新鮮狀態(tài)。在根系力學(xué)性質(zhì)測(cè)定前，先用游標(biāo)卡尺在待測(cè)的根段上選取3個(gè)部位分別測(cè)量其根徑，取其平均值作為該根段的根徑。根系抗拉試驗(yàn)采用試制的根系抗拉試驗(yàn)裝置，抗拉強(qiáng)度σe(MPa)由下式計(jì)算得到：

σe=Pmax/(πd2/4)=4Pmax/(πd2)

(1)

式中：Pmax——根系的極限抗拉力(N)；d——在斷裂處兩端用游標(biāo)卡尺測(cè)量根系的直徑，取兩者的平均值作為斷裂處的根徑d(mm)。為了消除夾持力對(duì)根系抗拉力學(xué)性質(zhì)的影響，本研究去除根系抗拉試驗(yàn)裝置夾持器附近斷裂的根系抗拉力值。

1.2.3 根系黏聚力計(jì)算 根系對(duì)土壤抗剪的增強(qiáng)作用采用當(dāng)前國(guó)際上流行的Wu氏模型估算[3,12]。根據(jù)Wu氏模型，根系對(duì)土壤抗剪強(qiáng)度的增加值，即根系黏聚力(Cr,kPa)為：

Cr=1.2×Tr(Ar/As)

(2)

式中：Tr——土壤剪切面上所有根系的平均抗拉強(qiáng)度(MPa)；As——根系在剪切面上的總橫截面積(m2)；As——土壤剪切面總面積(m2)；Ar/As——根面積比(RAR)，即根系總橫截面積與土壤剪切面總面積之比。

1.2.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析 對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用單因素方差分析(ANOVA)檢驗(yàn)不同植物類型地埂土壤及不同土層地埂土壤抗沖性及抗剪強(qiáng)度的差異。統(tǒng)計(jì)分析皆在SPSS 18.0統(tǒng)計(jì)分析軟件中進(jìn)行。

2 結(jié)果與分析

2.1 3種草本地埂植物根系直徑在不同地埂土層深度分布特征

三峽庫(kù)區(qū)坡耕地蓑草和韭菜地埂植物根系直徑隨著地埂土層深度的增加表現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)，而蠶豆地埂植物根系的直徑隨著地埂土層深度的增加而逐漸減小。在0—40 cm深度的地埂土壤中，3種草本地埂植物根系直徑變化表現(xiàn)出：蠶豆根系>韭菜根系>蓑草根系。蠶豆根徑平均值為0.905 mm，韭菜根系平均值為0.673 mm，蓑草根系根徑平均值為0.419 mm，可以看出人工種植的地埂植物根系較自然恢復(fù)的地埂植物根系粗。蓑草和韭菜地埂植物根系的直徑在0—20 cm深度的地埂土壤中主要是較粗根系，而蠶豆地埂植物根系的直徑在0—10 cm深度的地埂土壤中主要是較粗根系(圖1)。在0—10 cm土層中，蠶豆人工草本地埂植物根系的直徑與韭菜和蓑草地埂植物根系的直徑存在顯著性差異(p<0.05)，在10—20 cm深度的土層中，3種地埂植物根系的直徑間均存在顯著性差異(p<0.05)，而在20—30和30—40 cm深度的土層中，3種地埂植物根系的直徑間均不存在顯著性差異(p>0.05)。同時(shí)，3種草本地埂植物根系的直徑在地埂土壤的不同土層深度中均具有顯著性差異(p<0.05)。通過對(duì)3種草本地埂植物根系直徑與地埂土壤的土層深度進(jìn)行擬合分析，發(fā)現(xiàn)均遵從指數(shù)函數(shù)分布(表1)，這與李建興等[13]的研究結(jié)果一致。

圖1 三峽庫(kù)區(qū)3種草本地埂植物根系 直徑在地埂土壤中的分布特征表1 3種草本地埂植物根系直徑與地埂土壤深度關(guān)系

地埂植物類型采樣個(gè)數(shù)地埂植物根系直徑/mm擬合方程R2P蓑草40D=0.6619e-0.198H0.6073<0.05蠶豆42D=1.6616e-0.260H0.9978<0.05韭菜48D=0.9525e-0.148H0.6259<0.05

2.2 地埂植物根系生物量在不同地埂土層深度分布特征

植物根系在地埂土壤中的穿插、纏繞，根系與地埂土壤形成特殊的根—土復(fù)合體，能夠增強(qiáng)地埂土壤的穩(wěn)定性。根系形態(tài)決定了根系在土壤中的分布和效果[14]。如圖2所示，在0—40 cm深度的地埂土壤中，人工種植的地埂植物韭菜和蠶豆根系生物量分別為107.74±1.74，95.52±1.16 g/m2，自然恢復(fù)的地埂植物蓑草根系生物量為98.08±1.02 g/m2，顯著性檢驗(yàn)結(jié)果表明，在0—40 cm地埂土層深度范圍內(nèi)，韭菜根系生物量與蓑草根系和蠶豆根系生物量之間存在顯著性差異(p<0.05)。3種草本地埂植物在不同地埂土層深度的根系生物量變化存在差異，韭菜和蠶豆地埂植物根系生物量表現(xiàn)為隨著土層深度的增加而逐漸減小趨勢(shì)，而蓑草地埂植物根系生物量隨著土層深度的增加呈現(xiàn)出先增加后減小的趨勢(shì)，在10—20 cm深度的地埂土壤中其根系生物量達(dá)到最大值。3種草本地埂植物根系均為須根型，根系分布深度主要集中在0—20 cm土層深度范圍內(nèi)。在0—10和10—20 cm土層深度，3種草本地埂植物根系生物量變化為：蠶豆根系>韭菜根系>蓑草根系，這主要是因?yàn)樾Q豆屬于豆科植物，蠶豆根瘤菌主要分布在0—20 cm深度土層，在0—20 cm深度土層蠶豆根系的生物量占總生物量的83%。韭菜根系的根徑較粗，其根系主要分布在0—30 cm深度的地埂土壤中。而蓑草根系生物量在10—20 cm深度的地埂土壤中所占比例最大。

注：不同小寫字母表示同一地埂土壤深度不同草本地埂植物根系生物量在p<0.05水平存在顯著差異。

圖2 三峽庫(kù)區(qū)3種草本地埂植物根系生物量分布特征

2.3 3種草本地埂植物根系抗拉性能

根系固土力學(xué)性能離不開根系自身抗拉力學(xué)性能[15]。具有較大抗拉強(qiáng)度的根系將有助于提高植物對(duì)土壤的固結(jié)能力，對(duì)單根的生物力學(xué)性能研究是根系固土研究的基礎(chǔ)，也是評(píng)價(jià)不同植物固土能力的重要指標(biāo)。地埂植物根系通過與土壤相互作用發(fā)揮自身的抗拉強(qiáng)度，從而達(dá)到固持土壤，維持埂坎穩(wěn)定性的效果。如圖3所示，庫(kù)區(qū)3種草本地埂植物根徑范圍為0.23～1.42 mm，單根抗拉力范圍為1.9～16.70 N，3種草本地埂植物根系的單根平均抗拉力次序?yàn)樾Q豆根系(10.53 N)>蓑草根系(6.03 N)>韭菜根系(4.51 N)，但在不同根徑級(jí)內(nèi)3種草本根系的抗拉力大小次序不盡相同。3種地埂植物根系單根抗拉力與根徑呈冪函數(shù)關(guān)系(p<0.05)，3種草本地埂植物根系的單根抗拉力與根徑的相關(guān)性都達(dá)到0.97以上。

圖3 3種地埂植物根系單根抗拉力與根徑關(guān)系

如圖4所示，3種草本地埂植物根系的單根抗拉強(qiáng)度范圍為10.52～74.65 MPa，3種地埂植物根系的抗拉強(qiáng)度表現(xiàn)為蓑草根系(45.91 MPa)>蠶豆根系(18.02 MPa)>韭菜根系(12.20 MPa)。蓑草根系的抗拉強(qiáng)度最高，主要是因?yàn)樗虿莞鶑阶兓秶^小，為0.23～0.61 mm，平均根徑為0.41 mm，韭菜根系由于含水量較高，因此單根抗拉強(qiáng)度較低。

圖4 3種地埂植物根系單根抗拉強(qiáng)度與根徑關(guān)系

從試驗(yàn)結(jié)果可知，地埂植物根系的抗拉強(qiáng)度越強(qiáng)，越有利于緩沖埂坎土壤的下滑力，提高根系固土能力，從而增加地埂的穩(wěn)定性。因此，自然恢復(fù)的蓑草地埂的穩(wěn)定性最高，其次為人工種植的蠶豆地埂和韭菜地埂。通過對(duì)3種草本地埂植物根系的直徑與單根抗拉強(qiáng)度進(jìn)行擬合分析，發(fā)現(xiàn)均服從冪函數(shù)分布規(guī)律(p<0.05)，且蓑草的蠶豆地埂植物根系的直徑與單根抗拉強(qiáng)度的相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.98以上，韭菜地埂植物根系的直徑與單根抗拉強(qiáng)度的相關(guān)系數(shù)為0.81。這表明，隨著地埂植物根系直徑的加粗，單根抗拉強(qiáng)度均呈遞減趨勢(shì)，自然恢復(fù)的蓑草地埂植物根系減小幅度最快，其次為蠶豆根系，減幅最小的為韭菜根系。

2.4 3種草本地埂植物根系的黏聚力變化特征

根系面積比(root area ratio, RAR)即單位面積土體內(nèi)根系面積所占比例。如圖5所示，不同地埂土壤深度3種草本地埂植物根系比表面積隨著地埂土壤深度的加深不斷降低。在0—40 cm深度的地埂土壤深度范圍內(nèi)，3種草本地埂之屋根系比表面積平均值變化為：蠶豆地埂(0.000 51)>韭菜地埂(0.000 40)>蓑草地埂(0.000 28)。這主要與地埂植物根系直徑有關(guān)。通過對(duì)地埂植物根系比表面積與地埂土層深度進(jìn)行擬合回歸可知，3種地埂植物根系面積比與土層深度呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系(p<0.01)。

圖5 不同地埂土壤深度3種草本地埂植物根系比表面積特征

運(yùn)用Wu氏模型估算了三峽庫(kù)區(qū)3種草本地埂植物根系黏聚力，如圖6所示，3種草本地埂植物根系對(duì)土壤黏聚力的增強(qiáng)值變化順序?yàn)椋核虿莞?0.013 1 kPa)>蠶豆根系(0.009 4 kPa)>韭菜根系(0.005 5 kPa)。自然恢復(fù)的蓑草地埂植物和人工種植的韭菜地埂植物最大根系黏聚力出現(xiàn)在土壤表層0—10 cm深度，并隨著土層深度的增加而減小。人工種植的蠶豆地埂植物最大根系黏聚力出現(xiàn)在土壤表層10—20 cm深度，在0—40 cm土層深度范圍內(nèi)，蠶豆地埂植物根系黏聚力呈現(xiàn)出先增加后減小趨勢(shì)。這可能是因?yàn)樾Q豆在0—10 cm土層深度的根瘤菌占有一定比例，影響了根系黏聚力的測(cè)定。對(duì)不同土壤深度3種地埂植物根系黏聚力的顯著性檢驗(yàn)結(jié)果表明，在0—10 cm深度地埂土壤深度范圍內(nèi)，自然恢復(fù)的蓑草地埂植物根系的黏聚力與人工種植的蠶豆和韭菜地埂植物根系黏聚力存在顯著差異(p<0.05)，2種人工種植的地埂植物根系黏聚力的差異不顯著。在10—20 cm深度土層，3種地埂植物根系的黏聚力均存在顯著差異(p<0.05)。而在20—30 cm深度和30—40 cm深度土層，韭菜地埂植物根系的黏聚力與蓑草和蠶豆地埂植物根系黏聚力之間存在顯著差異(p<0.05)，蓑草和蠶豆地埂植物根系黏聚力在這2個(gè)土層深度間的差異不顯著。對(duì)3種草本地埂植物根系黏聚力與地埂土層深度進(jìn)行擬合回歸(表2)可知，3種地埂植物根系黏聚力與土層深度呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系(p<0.01)。

注：不同小寫字母表示同一地埂土壤深度不同草本地埂植物根系黏聚力在p<0.05水平存在顯著差異。

圖6 不同地埂土壤深度3種草本地埂植物根系黏聚力特征 表2 3種草本地埂植物根系比表面積和黏聚力與土層深度關(guān)系

注：p<0.01。

3 討 論

紫色土是三峽庫(kù)區(qū)的主要土壤類型，由于紫色土土層較薄，坡面水土流失嚴(yán)重。紫色土坡耕地的坡面上每隔一定間距有土質(zhì)地埂的存在，土質(zhì)地埂能有效減少坡耕地上方來(lái)水來(lái)沙，而地埂上生長(zhǎng)的植物根系能夠有效固結(jié)地埂。地埂植物發(fā)揮其固結(jié)土壤的作用主要是由于地下部的根系網(wǎng)絡(luò)，但不同屬種的植物由于遺傳、生長(zhǎng)特性、外界環(huán)境、土壤條件等差異，導(dǎo)致根系的形態(tài)特征、力學(xué)特性等相差較大，從而表現(xiàn)出不同的固土能力[16]。植物根系地下生物量越大，根系分布越深，植物的抗逆性也越強(qiáng)，保持水土能力就越強(qiáng)。隨著耕作時(shí)間的逐年延長(zhǎng)，土質(zhì)地埂年復(fù)一年攔截坡耕地上方來(lái)水來(lái)沙，逐漸改變坡面微地形，逐步減小坡度，梯化坡地，從而有效減少坡耕地水、土和養(yǎng)分流失[17]。

根系抗拉力學(xué)特性對(duì)于根系發(fā)揮固土力學(xué)能力非常重要，植物根系抗拉特性由多種因素決定，如植物種類、根系的構(gòu)型、顯微結(jié)構(gòu)等及根系內(nèi)部木質(zhì)素、纖維素的排列和含量[18]等。已有研究表明，草本植物根系平均抗拉強(qiáng)度與喬木、灌木根系的差距不大，有的甚至高于喬木灌木[19]，這主要與草本植物根徑較小有關(guān)。本研究中自然恢復(fù)的蓑草地埂植物根系直徑雖小，但其單根抗拉強(qiáng)度及根系對(duì)土壤的黏聚力均較其他2種根徑稍大的人工種植的地埂植物根系強(qiáng)。三峽庫(kù)區(qū)紫色土草本地埂植物根系的存在顯著提高了土體的抗剪切能力，這種增強(qiáng)作用主要是通過地埂植物根系增加了土壤的黏聚力來(lái)實(shí)現(xiàn)的，而植物根系對(duì)內(nèi)摩擦角的影響很小。草本地埂植物根系可以顯著增強(qiáng)對(duì)土壤的黏聚力，提高土壤的抗侵蝕能力，從而有效控制坡面土壤侵蝕和水土流失。三峽庫(kù)區(qū)草本地埂植物根系發(fā)達(dá),具有較強(qiáng)的抗拉強(qiáng)度,特別是自然恢復(fù)的蓑草地埂植物根系對(duì)地埂土壤的固結(jié)作用強(qiáng)于其他2種人工種植的地埂植物，蓑草地埂植物根系的抗拉強(qiáng)度為45.91 MPa，較蠶豆根系和韭菜根系抗拉強(qiáng)度高2～3倍。蓑草地埂植物根系生長(zhǎng)在地埂上，表現(xiàn)出較強(qiáng)的適應(yīng)性，可有效減少坡面土壤侵蝕和水土流失，更好地發(fā)揮穩(wěn)定和固結(jié)地埂作用。三峽庫(kù)區(qū)草本地埂植物根系能夠有效固結(jié)地埂，這可為該區(qū)坡耕地水土流失有效防治和坡耕地治理提供新思路。

本研究主要對(duì)三峽庫(kù)區(qū)3種地埂植物的根系分布，根系生物量，單根抗拉力及抗拉強(qiáng)度進(jìn)行了研究，由于草本地埂植物根系大多為須根系，因此完整的地埂植物根系較難獲得，且受根系分析軟件等試驗(yàn)條件的限制，未進(jìn)行草本地埂植物完整根系的特征分析。今后將對(duì)試驗(yàn)區(qū)內(nèi)典型草本地埂植物完整根系特征這方面做進(jìn)一步研究。

4 結(jié) 論

(1) 在0—40 cm深度土壤中3種草本地埂植物根系直徑變化表現(xiàn)出：蠶豆根系>韭菜根系>蓑草根系。蓑草和韭菜地埂植物根系直徑隨地埂土層深度的增加先增大后減小，而蠶豆地埂植物根系直徑隨地埂土層深度的增加而逐漸減小。3種草本地埂植物根系直徑與地埂土壤的土層深度間服從指數(shù)函數(shù)關(guān)系。

(2) 在0—40 cm地埂土層深度范圍內(nèi)，韭菜根系生物量與蓑草根系和蠶豆根系生物量之間存在顯著性差異(p<0.05)，韭菜和蠶豆地埂植物根系生物量隨土層深度的增加而逐漸減小，蓑草地埂植物根系生物量隨土層深度的增加先增加后減小。

(3) 3種草本地埂植物根系的單根平均抗拉力次序?yàn)樾Q豆根系(10.53 N)>蓑草根系(6.03 N)>韭菜根系(4.51 N)，3種地埂植物根系單根抗拉力與根徑呈冪函數(shù)關(guān)系(p<0.05)。3種地埂植物根系的抗拉強(qiáng)度表現(xiàn)為蓑草根系(45.91 MPa)>蠶豆根系(18.02 MPa)>韭菜根系(12.20 MPa)。

(4) 3種草本地埂植物根系黏聚力變化順序?yàn)椋核虿莞?0.013 1 kPa)>蠶豆根系(0.009 4 kPa)>韭菜根系(0.005 5 kPa)且3種地埂植物根系黏聚力與土層深度呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系(p<0.01)。蓑草天然地埂植物根系對(duì)坡耕地地埂土壤的固結(jié)作用強(qiáng)于人工種植的蠶豆和韭菜地埂植物，蓑草地埂植物根系生長(zhǎng)在地埂上，表現(xiàn)出較強(qiáng)的適應(yīng)性，可為三峽庫(kù)區(qū)坡耕地地埂植物篩選、坡耕地治理提供數(shù)據(jù)支持。

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Roots Distribution and Tensile Properties of Herbages on Hedge of Sloping Cultivated Lands of Purple Soils in Three Gorges Reservoir Region

ZHOU Ping, WEN Anbang, YAN Dongchun, SHI Zhonglin, LONG Yi

(TheKeyLaboratoryofMountainSurfaceProcessesandEcologicalRegulation,InstituteofMountainHazardsandEnvironment,ChineseAcademyofSciences,Chengdu,Sichuan610041,China)

[Objective] We aimed to illustrate the roots distribution and tensile properties of three herbages on the hedge of sloping cultivated lands of purple soils in Three Gorges Reservoir region, in order to supply the theory evidence and data supports for hedge consolidation with hedge plants. [Methods] One natural herbage,Eulaliopsisbinata, and two artificial herbages,AlliumtuberosumandViciafabawere selected and their root distributions and root tensile properties in different soil depths were compared. [Results] (1) Diameters of the three herbages in 0—40 cm soil depth ranked as:V.faba>A.tuberosum>E.binata. Exponential function can be used to described their relationship between their diameter and the distributed soil depth. (2) There existed obviously significant difference between the roots biomass ofA.tuberosumand the root biomass ofV.fabaandE.binatain 0—40 cm soil depth(p<0.05). Root biomass ofA.tuberosumandV.fabawere both decreased with the downward distribution in soil, but the root biomass ofE.binatafirstly increased then decreased with the increase of soil depth. (3) Mean root tensile force of the three hedge herbages ranked as:V.faba(10.53 N)>E.binata(6.03 N)>A.tuberosum(4.51 N). And mean root tensile force was found dependent in power function upon root dimeter(p<0.05). Meanwhile, the rank of mean root tensile strength wasE.binata(45.91 MPa)>V.faba(18.02 MPa)>A.tuberosum(12.20 MPa). (4) The mean root cohesion of the three herbages ranked as:E.binata(0.013 1 kPa) >V.faba(0.009 4 kPa)>A.tuberosum(0.005 5 kPa). And exponential relationship between mean root cohesion and soil depths was well fitted(p<0.01). [Conclusion] The natural hedge herbage ofE.binatahad better performances in soil reinforcement and soil conservation in this region, which could be used to effectively conserve soil and water from the sloping lands. And the herbage reinforcement of the hedge is a new idea for sloping cultivated land harness in the Three Gorges Reservoir region.

sloping cultivated lands in Three Gorges Reservoir region; herbage hedge plants; roots distribution; roots tensile properties; roots cohesion

2016-09-29

2016-10-19

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“土質(zhì)地埂對(duì)紫色土坡耕地梯化過程的作用機(jī)理”(41671286)；中國(guó)科學(xué)院科技服務(wù)網(wǎng)絡(luò)(STS)項(xiàng)目“三峽庫(kù)區(qū)生態(tài)清潔小流域建設(shè)技術(shù)體系試驗(yàn)示范”(KFJ-SW-STS-175, KFJ-EW-STS-008)；國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃課題“多因素影響下長(zhǎng)江泥沙來(lái)源及分布變化研究”(2016YFC0402301)

周萍(1981—),女(漢族),陜西省漢中市人,博士，副研究員，主要從事坡耕地土壤侵蝕與水土保持研究。E-mail:zp09@imde.ac.cn。

文安邦(1964—),男(漢族),重慶市忠縣人,碩士,研究員,主要從事土壤侵蝕與水土保持研究。 E-mail:wabang@imde.ac.cn。

A

1000-288X(2017)03-0001-06

S157.4