磨盤山4種典型護(hù)坡植物根系特征及其對土壤含水率的影響

薛 楊, 趙洋毅,2, 段 旭,2, 曹光秀, 杜玉雪

(1.西南林業(yè)大學(xué)生態(tài)與環(huán)境學(xué)院，云南 昆明 650224;2.國家林業(yè)和草原局云南玉溪森林生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測研究站，云南 昆明 650224)

當(dāng)前，植物護(hù)坡技術(shù)廣泛應(yīng)用于各種生產(chǎn)建設(shè)項目中人工邊坡的治理，具有經(jīng)濟(jì)成本低、美化景觀、凈化空氣、蓄水保土等優(yōu)點，能夠在彌補(bǔ)工程措施不足的同時，顯著提高植物護(hù)坡的綜合效益[1-2].植物固土護(hù)坡功能主要源自根系的作用[3]，已有研究證實，植物根系構(gòu)型特征、地下分布特點、生態(tài)學(xué)特性等與土壤結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度均有明顯關(guān)系[4-6]，植物根系與邊坡土體的關(guān)系研究是目前邊坡穩(wěn)定研究的熱點.

針對植物的根系形態(tài)特征，已有學(xué)者做了不同的歸類劃分及模型模擬[7-9]，如：利用β削減方程研究根系地下分布特征，建立根系影響范圍的3D模型.受植物不同的生物學(xué)特性和生長立地條件影響，植物根系特征差異很大[10]，描述起來較繁雜，且根系生長環(huán)境特殊，觀察、取樣困難，對多種植物的根系描述統(tǒng)計不完整和不系統(tǒng)，影響了研究的進(jìn)展.研究表明，邊坡土壤自然含水率是影響邊坡穩(wěn)定性的重要因素[11-12]，植物根系可充分吸收和利用因降雨造成的土層積水，降低地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生概率[13-14]；部分植物根系具有將地下水或深層土壤水通過根系吸收再釋放到表層土壤中，從而改善土壤水分分布格局的功能[15]；同時地下分布的根系可增加根土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度，提高土體穩(wěn)定性[16-17]，但這些研究大多集中在北方地區(qū)，對西南地區(qū)的研究較少.西南土石山紅壤區(qū)因其獨特的氣候和土壤特點會對植物的根系形態(tài)及其與土壤的相互作用產(chǎn)生不一樣的影響.在探討根系對土壤的影響中，大多數(shù)研究集中于根系形態(tài)學(xué)指標(biāo)對土壤性質(zhì)的直接影響效應(yīng)，忽略了各指標(biāo)之間的相互影響也可能會對土壤性質(zhì)產(chǎn)生不同的間接效應(yīng)，而一般的統(tǒng)計學(xué)方法無法計算這種間接效應(yīng)，導(dǎo)致分析結(jié)果夸大或降低某一根系指標(biāo)對土壤的影響效果.

云南地區(qū)常用的護(hù)坡灌草植物主要有杜鵑(Rhodoendrondecorum)、山茶(Camelliajaponica)、馬纓花(Rhododendrondelavayi)、珍珠花(Lyoniaovalifolia)、狼尾草(Pennisetumalopecuroides)、黑麥草(Loliumperenne)、白三葉(Trifoliumrepens)、高羊茅(Festucaelata)、狗牙根(Cynodondactylon)、香根草(Vetiveriazizanioides)、畫眉草(Eragrostispilosa)等，常用護(hù)坡植物是在總結(jié)全國護(hù)坡植物種類的基礎(chǔ)上，結(jié)合云南地區(qū)的氣候類型進(jìn)行選擇.針對區(qū)域內(nèi)植物的護(hù)坡作用研究較少，在本土植物物種篩選上也缺少系統(tǒng)的探索與研究[18-21].目前云南地區(qū)可利用的護(hù)坡植物還不足以滿足建設(shè)的需要，需培育或篩選出更多的護(hù)坡植物，以適應(yīng)西南地區(qū)公路通?？缭綆讉€不同氣候帶地區(qū)的特點.栽秧泡(Rubuspectinellus)和皺葉狗尾草(Setariapalmifolia)為水土保持植物[22]，皺葉狗尾草對紫莖澤蘭的生長具有抑制作用[23]，燈芯草(Juncuseffuses)、星毛金錦香(Osbeckiasikkimensis)在西南區(qū)分布廣泛，護(hù)坡效果較好且具有園林觀賞性[24]，研究區(qū)中栽秧泡、皺葉狗尾草、燈芯草、星毛金錦香分布較多且均具有一定的水土保持作用潛力.

因此，本研究以西南紅壤人工土質(zhì)邊坡為切入點，選取自然更新的鄉(xiāng)土植物栽秧泡、星毛金錦香、燈芯草、皺葉狗尾草為研究對象，對4種植物采用完整挖掘法，調(diào)查分析植物根系特征，建立結(jié)構(gòu)方程模型，將根系對土壤的直接與間接影響相結(jié)合，分析這4種植物對邊坡土壤水分的影響，為探究紅壤區(qū)人工邊坡植物根系固土機(jī)理提供重要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù).

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于云南玉溪市新平彝族傣族自治縣磨盤山地區(qū)，地處云貴高原、橫斷山地和青藏高原南緣的地理結(jié)合部(23°46′18″—23°54′34″N，101°16′06″—101°16′12″E)，屬亞熱帶高原性氣候，海拔高差大(1 260～2 614 m)，氣候垂直變化明顯，干濕分明，具有雨熱同季的氣候特點，最高氣溫33.0 ℃，最低氣溫-2.2 ℃，年平均氣溫15.5～23.7 ℃.5—10月為雨季，6—8月雨量較集中，年平均降雨量1 000～1 100 mm.磨盤山土壤以第三紀(jì)古紅土發(fā)育的山地紅壤和玄武巖紅壤為主，土壤偏酸性，質(zhì)地緊實，厚度以中厚土壤層為主，局部為薄土層，土層厚度1 m左右.

磨盤山人工土質(zhì)公路邊坡較多，其邊坡恢復(fù)植被主要有馬纓花、杜鵑、龍膽草(Gentianascabra)、鹽膚木(Rhuschinensis)、山漆樹(Rhusdelcvayi)、云南野山茶(Elsholtziabodinieri)、圓穗蓼(Polygonummacrophyllum)、葛麻姆(Puerarialobatavar.montana)、高山櫟(Queroussemicarpifolia)、云南油杉(Keteleeriaevelyniane)、山合歡(Albiziakclkora)、星毛金錦香、皺葉狗尾草、燈心草、栽秧泡.

1.2 標(biāo)準(zhǔn)植物及根系調(diào)查方法

1.2.1 標(biāo)準(zhǔn)植株的選取 選擇研究區(qū)磨盤山國家森林公園內(nèi)公路的人工土質(zhì)邊坡(2014年1月開挖產(chǎn)生，坡度13°～22°，海拔1 450～2 100 m).根據(jù)生態(tài)學(xué)調(diào)查方法，在試驗邊坡上設(shè)置10 m×20 m的樣地8個，并在每個樣地設(shè)置5 m×5 m的灌草樣方4個，同時在每個樣地中設(shè)置2～3個1 m×1 m的小樣方，詳細(xì)調(diào)查試驗所選植物的數(shù)量、株高、冠幅、地徑等，通過調(diào)查后確定有代表性的試驗標(biāo)準(zhǔn)株(表1).

表1 試驗植物基本信息Table 1 Basic information of 4 plants studied

為保障根系的完整性，標(biāo)準(zhǔn)株采樣基于經(jīng)典文獻(xiàn)中的完整挖掘法結(jié)合根系跟蹤法進(jìn)行[25-28].在上坡、中坡、下坡均勻選取標(biāo)準(zhǔn)株，每種植物6～9株，挖掘時將地上部分伐倒，沿根系自然生長方向自上而下每10 cm一層，逐層挖掘.具體方法：首先用鐵鏟挖取確定根系的走勢；然后沿著根系走勢小心清理泥土，露出完整根系，每層完成后用彩色膠帶在根系上標(biāo)記，并與鐵絲網(wǎng)固定，以防破壞根系構(gòu)型；整株根系挖出后帶回實驗室，用清水沖洗根系上的殘余泥土，每種植物選取代表性根系進(jìn)行拍照，分析其分布特征.

1.2.2 根系指標(biāo)測定 按照每10 cm一層對植物根系自上而下進(jìn)行標(biāo)記，使用盒尺(精度0.1 mm)逐根分層測量植物根系的長度；然后將根平均分為3段，分別用游標(biāo)卡尺(精度0.01 mm)測量3段根系直徑，取平均值得到單根直徑(長根系適當(dāng)增加測量點)；按照每10 cm為一層，剪斷根系，80 ℃恒溫烘干根系至恒重得到干質(zhì)量.

根系表面積的計算方法[25]：Si=πDiLi，其中，Si為第i條根段的表面積，Di為第i條根段的平均直徑，Li為第i條根段的長度.

根系分布削弱模型[26-27]：Y=1-βd，其中，Y為地表到一定深度的根系根量累積百分比，d為土層深度(cm)，β為根系分布削弱系數(shù)值.

1.3 土壤取樣及含水率測定

圖1 取土示意圖Fig.1 Schematic diagram of soil sampling

土壤取樣時分別選取上坡、中坡、下坡的標(biāo)準(zhǔn)株，每種植物選取3株標(biāo)準(zhǔn)株，并以標(biāo)準(zhǔn)株為中心，其最大冠幅為邊長設(shè)置正方形樣方(圖1)，最大限度的確保樣方內(nèi)無其他植物，然后分別在樣方的內(nèi)接正方形頂點(A、B、C、D)及其距標(biāo)準(zhǔn)株1/2處，用土鉆法(直徑Φ=13 mm土鉆)按0～10、10～20、20～30、30～40 cm機(jī)械分層取土，每層3個重復(fù)，用鋁盒收集土壤樣本，帶回實驗室測定土壤含水率，此取樣方法能夠統(tǒng)一土樣位置與根系之間的合理距離，同時在每次取土后對鉆孔處將多余土體回填，孔洞進(jìn)行封堵處理，避免因鉆孔造成的土壤擾動和降雨影響.

2018年5—7月每月測定2～3次土壤含水率，為減小由于不同降雨條件所產(chǎn)生的影響，依據(jù)固定樣地附近布設(shè)的全自動野外氣象站(德國Envidata-thies)實時監(jiān)測的降雨特征數(shù)據(jù)，統(tǒng)一在小雨量、低雨強(qiáng)的降雨情況下進(jìn)行土壤樣品采集，為避免降雨當(dāng)天雨水未完全入滲至土壤，于降雨后的第6日開始采集土樣采集.同時選取邊坡環(huán)境一致的無植被裸地邊坡作為對照，采集裸地對照邊坡土壤樣品，對比分析根系對土壤含水率的影響.

1.4 結(jié)構(gòu)方程模型的建立

結(jié)構(gòu)方程模型(structural equation model, SEM)是基于變量的協(xié)方差矩陣來分析變量之間關(guān)系的一種多元統(tǒng)計方法[28-29].當(dāng)需要分析的變量較多且多變量之間存在復(fù)雜的因果關(guān)系時，結(jié)構(gòu)方程模型可以彌補(bǔ)一般統(tǒng)計軟件的不足，在因子分析的基礎(chǔ)上增添路徑分析，將因子分析與通徑分析相結(jié)合，對無法直接測量變量之間的關(guān)系通過相關(guān)可測量變量來表征分析.

在結(jié)構(gòu)方程模型中，可直接觀察測定得到的為顯變量或稱可測變量，無法直接測定得到的為潛變量.結(jié)構(gòu)方程模型由測量方程和結(jié)構(gòu)方程兩部分構(gòu)成，測量方程是用來描述潛變量和可測變量之間的關(guān)系，結(jié)構(gòu)方程是用來描述潛變量與潛變量之間的關(guān)系.由下列方程表示：

x=∧xξ+δ

(1)

y=∧yη+ε

(2)

η=Bη+Γξ+ζ

(3)

其中，方程(1)和方程(2)被稱之為測量方程，方程(3)則是結(jié)構(gòu)方程.x是外生可測變量向量；ξ是外生潛變量向量；y是內(nèi)生可測變量向量；η是內(nèi)生潛變量向量；∧x為外生可測變量與外生潛變量之間的關(guān)系，是外生可測變量在外生潛變量上的因子負(fù)荷矩陣；∧y為內(nèi)生可測變量與內(nèi)生潛變量之間的關(guān)系，是內(nèi)生可測變量在內(nèi)生潛變量上的因子負(fù)荷矩陣；B是內(nèi)生潛變量的關(guān)系陣；Γ則表示外生潛變量對于內(nèi)生潛變量的影響；δ和ε為測量方程的誤差項；ζ為結(jié)構(gòu)方程的誤差項.

2 結(jié)果與分析

2.1 典型灌、草植物根系特征

2.1.1 根系構(gòu)型特征 植物根系的生長分布構(gòu)型在很大程度上影響著土體的穩(wěn)定性，根系形態(tài)學(xué)構(gòu)型的研究，可為我國“公路邊坡植被恢復(fù)”護(hù)坡技術(shù)提供參考依據(jù).不同植物類型，其根系的地下分布形態(tài)差異較大，相同植物類型，其根系地下分布形態(tài)差異較小.依據(jù)顏正平[30]的根系構(gòu)型分類方法，通過觀察測量植物根系細(xì)根分布深度、細(xì)根數(shù)量、大根不同深度分布、大根根數(shù)類別、各深度分布頻度、分布最大深度、擴(kuò)展方式、分布基本型態(tài)8項根系形態(tài)決定因子發(fā)現(xiàn)：草本植物燈芯草(圖2C)和皺葉狗尾草(圖2D)根系構(gòu)型屬M(fèi) type團(tuán)網(wǎng)型構(gòu)型，其根系為散生須根，集中生長在根株下方，水平延伸范圍有限，地下垂直分布于淺至中層(0～30 cm)土層；灌木植物栽秧泡(圖2A)和星毛金錦香(圖2B)根系構(gòu)型屬V type垂直型構(gòu)型，其根系含主直根，沿垂直或與中垂線較小的夾角向下生長可至較深土層，側(cè)根水平或斜向下生長，于淺、中土層的生長較為茂密，延展范圍較小.

A：栽秧泡；B：星毛金錦香；C：燈芯草；D：皺葉狗尾草.圖2 典型灌、草植物根系形態(tài)特征Fig.2 Root morphological characteristics of typical shrubs and herbs

圖3 不同植物根系長度隨土層深度的變化Fig.3 Root length varies with soil layer of different plants

2.1.2 根系長度特征 根系長度是表征根系吸收能力和固土影響范圍的一個重要參數(shù).從圖3可以看出，4種植物的總根長表現(xiàn)為燈芯草(894.88 cm)>皺葉狗尾草(845.87 cm)>栽秧泡(210.13 cm)>星毛金錦香(186.01 cm)，且4種植物的根系長度隨著土層加深呈減小的趨勢.根系集中分布在0～20 cm土層中，約占總根長的82.7%～96.84%，根系長度在20～30 cm土層急劇減小，在30～40 cm土層無草本根系，灌木根系分布<2.7%.草本植物根系地下最深分布至29 cm，但其總根長是灌木總根長4～4.8倍.所選植物根系分布規(guī)律與蘆建國[31]研究結(jié)果相似，但根系分布深度較淺，其原因主要為研究區(qū)降雨充沛，淺土層水分含量較高，植物無需向深土層延伸尋找水源.從穩(wěn)定性方面來說，土體抗剪強(qiáng)度隨根長密度的增大而增大，所選的草本植物淺層土中根長密度遠(yuǎn)大于灌木，對提高淺層土壤穩(wěn)定性的貢獻(xiàn)更大，這與北方灌木、草本固土能力的對比結(jié)果相同[32]，說明在不同土壤類型下草本仍能發(fā)揮出色的固土能力.所選草本植物根系最大垂直分布與白三葉(Trifoliumrepens)相似[33]但較黑麥草(Loliumperenne)、高羊茅(Festucaelata)淺，但在淺層土的分布比例遠(yuǎn)大于黑麥草、高羊茅(72.5%～87.6%)[6]，淺層土加筋效果更明顯.

2.1.3 根系直徑組成特征 根系的直徑組成對植物根系的固土方式、生理活性強(qiáng)弱有很大聯(lián)系[34].本研究將根系直徑分為3種類型：0.5 mm≤細(xì)根≤1 mm、1 mm<中根≤2 mm、粗根>2 mm，比較每種類型在各植株中所占比例并分析各植物根系的特點.

圖4 不同植物根系直徑結(jié)構(gòu)Fig.4 Diameter structure of plant root

如圖4所示，不同植物其細(xì)根占根系所有徑級的比例表現(xiàn)為栽秧泡(77.78%)>星毛金錦香(73.00%)>皺葉狗尾草(70.20%)>燈芯草(55.41%)，草本<灌木；中根占根系所有徑級的比例表現(xiàn)為燈芯草(45.00%)>皺葉狗尾草(30.00%)>星毛金錦香(23.36%)>栽秧泡(15.43%)，草本>灌木；粗根占根系所有徑級的比例，栽秧泡6.79%，最大徑級為4.34 mm，星毛金錦香3.65%，最大徑級為3.42 mm，草本無粗根.所選植物的代表根徑均為細(xì)根.這與程洪[35]對草本根系直徑研究結(jié)果一致，而灌木根系直徑普遍比徐洪雨[32]的研究結(jié)果要小很多，原因可能是研究區(qū)氣候環(huán)境的不同，南方環(huán)境濕潤，土壤含水率較高，在適宜的環(huán)境中植物為了快速生長，選擇具有更強(qiáng)吸收能力的細(xì)根，而北方降雨少，土壤中自然含水率低，需要強(qiáng)壯的粗根克服阻力向下生長尋找水源.

2.1.4 灌木植物根系直徑垂直分布特征 由于草本植物根系直徑差異變化較小，灌木植物根系直徑的差異較大，因此選擇灌木栽秧泡和星毛金錦香，對其根系直徑的垂直分布特征進(jìn)行比較分析.由圖5可知，栽秧泡與星毛金錦香的根系直徑地下垂直分布情況大體相同，不同徑級根系比例均隨著土層的加深而降低，其中細(xì)根變化最為明顯；同一土層中，根系徑級比例均表現(xiàn)為細(xì)根>中根> 粗根，這與植株根系直徑組成結(jié)構(gòu)相一致，說明各徑級根系在隨土層加深的變化過程中其徑級之間的結(jié)構(gòu)比例保持不變，在地下垂直分布均勻.

圖5 2種灌木根系直徑的垂直分布特征Fig.5 Vertical distribution of root diameter for 2 types of shrubs

圖6 不同土層根系表面積Fig.6 Root surface area in different layers of soil

2.1.5 根系表面積特征 根表面積是最能直觀體現(xiàn)根系吸收效率的重要指標(biāo)[29]，表面積越大，根系的吸收能力、生根能力越強(qiáng)，根系固土能力越大.由圖6可知，4種植物的平均根系總表面積表現(xiàn)為燈心草(207.93 cm2)>皺葉狗尾草(169.98 cm2)>栽秧泡(43.23 cm2)>星毛金錦香(35.38 cm2)，草本根系總表面積遠(yuǎn)大于灌木根系，且總表面積隨著土層的加深而減少.

通過數(shù)據(jù)對比可知根系表面積分布特征類似于根系長度的分布特征，根系長度與根系表面積相關(guān)性較高，分布趨勢大體一致，這與以往的有關(guān)研究結(jié)論相似.本研究所選草本植物根系表面積較常用護(hù)坡植物白三葉根系表面積(67.34 cm2)更大，但小于高羊茅(215.38 cm2)[25]，說明所選草本植物根系的吸收能力較好.

2.1.6 植物根系干質(zhì)量特征 4種植物根系總干質(zhì)量表現(xiàn)為皺葉狗尾草(5.50 g)>燈芯草(5.22 g)>星毛金錦香(2.01 g)>栽秧泡(1.70 g)，草本>灌木.由圖7可以看出，根系干質(zhì)量隨土層的加深呈遞減趨勢，其中91.72%～96.83%的根系干質(zhì)量分布在0～20 cm層，在20～30 cm土層根系干質(zhì)量急劇減少.灌木根系干質(zhì)量在深層土的平均含量僅占4.3%及3.22%.

本研究所選草本植物的根系干質(zhì)量約為白三葉根系干質(zhì)量的2倍，但卻遠(yuǎn)小于高羊茅(23.19 g)[25]，這可能與植物生長的立地條件和自身遺傳特性相關(guān)[36-37]，說明所選草本植物根系符合護(hù)坡植物根系特征.

圖7 土層深度與植物根系干質(zhì)量關(guān)系曲線Fig.7 Relationship curve of soil depth and dry root mass

2.1.7 根系分布削弱模型 通過根系形態(tài)指標(biāo)的數(shù)據(jù)對比來了解根系地下的垂直分布情況是不完善的.Gale et al[27]通過對不同樹種根系分布特征的研究，提出了一個根系垂直分布模型，其中β值越大，根系分布越深，β值越小，根系分布越淺.根系削弱系數(shù)值大小與根體積或根密度無關(guān)，只是說明了根系垂直分布特征與深度的關(guān)系.該模型只適用于同類型植株的比較，不同類型植物的根系生長方式差異較大，無法一起比較.

由表2可得，當(dāng)根系累積50 %以上時，草本植物削弱系數(shù)表現(xiàn)為β值燈芯草(0.93)>皺葉狗尾草(0.92)，灌木植物削弱系數(shù)表現(xiàn)為β值栽秧泡(0.89)>星毛金錦香(0.80)，表明燈芯草比皺葉狗尾草根系的垂直分布更大，栽秧泡比星毛金錦香根系的垂直分布更大.

在根系累積90%時，草本植物削弱系數(shù)表現(xiàn)為β值皺葉狗尾草(0.88)>燈心草(0.84)，灌木植物削弱系數(shù)表現(xiàn)為β值栽秧泡(0.85)>星毛金錦香(0.84)，即皺葉狗尾草和栽秧泡在同種植物類型下根系的垂直分布更深.結(jié)合野外實地發(fā)現(xiàn)，栽秧泡地下分布最深可達(dá)39 cm，星毛金錦香達(dá)36 cm.所以根系干質(zhì)量累積90%以上的β值更能代表根系的地下分布規(guī)律.

表2 根系分布削弱系數(shù)β值Table 2 Values of root extinction coefficient β

2.2 根系特征與土層含水率的關(guān)系

2.2.1 植被覆蓋對土壤含水率的影響 植物根系對土體含水率作用明顯，有顯著的水土保持作用[39].由表3可知，不同類型樣地土壤含水率差異顯著(P<0.05)，不同土層深度土壤含水率差異性顯著(P<0.05).

所選的裸地對照邊坡基本狀況與試驗灌草邊坡樣地大致相同，灌草坡各土層含水率明顯高于裸地邊坡，說明植被覆蓋對提高土壤含水率有明顯作用[15]，其原因可能是由于根系充分的吸收利用降雨，提高了同空間內(nèi)根際土壤含水量，同時根系一定程度改善了土壤結(jié)構(gòu)，保水能力提升.所以探討具體各根系形態(tài)指標(biāo)對提高土壤含水率的影響是接下來應(yīng)討論的重點.

表3 不同類型地土壤含水率1)Table 3 Soil moisture content of different vegetation types

1)同列不同大寫字母表示同一土層不同樣地類型土壤含水率差異顯著(P<0.05)，同行不同小寫字母表示相同樣地類型不同土層間土壤含水率差異顯著(P<0.05).

2.2.2 根系形態(tài)學(xué)指標(biāo)與土壤根系持水量的關(guān)系 構(gòu)建結(jié)構(gòu)方程路徑圖(圖8)，可以幫助我們明確根系形態(tài)對土壤根系持水量的直接和間接影響效應(yīng).根據(jù)試驗設(shè)計控制變量的原則，植物根系形態(tài)學(xué)指標(biāo)為土壤持水量的主要影響因子.將根系特性作為潛變量(ξ1)，由可測變量根系的干重(X1)和表面積(X2)來計測；潛變量根系范圍(ξ3)由可測變量根系累計垂直長度(X3)和根系水平投影總根長(X4)表征；視根系結(jié)構(gòu)為潛變量(ξ2)由可測變量細(xì)根含量(X5)、中根含量(X6)、粗根含量(X7)共同表征.將土壤含水率視為內(nèi)生潛變量記作η.

圖8 根系形態(tài)與土壤根系持水量關(guān)系修正路徑圖Fig.8 Diagram of revised pathways between root morphology and soil root water content

如表4模型擬合指數(shù)總體表現(xiàn)較好，均達(dá)到擬合指數(shù)要求，從統(tǒng)計學(xué)角度經(jīng)過修正后得到的根系形態(tài)學(xué)對土壤持水量影響關(guān)系模型比較合理.

表4 結(jié)構(gòu)方程模型擬合結(jié)果檢驗Table 4 Tests of fitting results of structural equation models

潛變量根系特性和土壤含水率路徑系數(shù)為0.94，P=0.025<0.05，即當(dāng)荷載為1時，根系特性提高1，土壤持水量相應(yīng)增加0.94，說明根系特性對土壤持水量起主要的正影響作用.潛變量根系結(jié)構(gòu)和根系范圍關(guān)于土壤含水率存在負(fù)相關(guān)的路徑系數(shù)-0.39和-0.44，這表明當(dāng)荷載一定時，隨著根系結(jié)構(gòu)和根系范圍的各自變化，土壤持水量可能產(chǎn)生負(fù)相關(guān)的變化.圖8中潛變量對可測變量土壤持水量的路徑系數(shù)為直接影響，但各潛變量之間存在兩兩相關(guān)的內(nèi)因變化，這會使得潛變量對土壤持水量產(chǎn)生間接影響，所以潛變量對土壤持水量的影響應(yīng)為直接影響與間接影響的共同作用，如表5中總影響所示.

表5 潛變量對土壤含水率的影響Table 5 Effects of latent variables on soil moisture content

可測變量對潛變量的貢獻(xiàn)差異：潛變量根系結(jié)構(gòu)與可測變量粗根的路徑系數(shù)為0.47，P=0.000<0.05，細(xì)根-0.91，P=0.041<0.05，中根-0.80，P=0.032<0.05，粗根貢獻(xiàn)最大，則認(rèn)為：粗根是控制潛變量根系結(jié)構(gòu)的主要因素，這與實際測量中(圖4)，當(dāng)粗根的含量達(dá)到4.35%時，根型由草本植物的M type型變?yōu)楣嗄局参锏腣 type型.根據(jù)前文測量可知粗根含量越大，根長、根表面積、根干質(zhì)量越小，根系吸水能力減弱，在方程中體現(xiàn)為根系結(jié)構(gòu)對根系特性、根系范圍存在-0.87、-0.98的負(fù)相關(guān)影響，對內(nèi)生潛變量土壤含水率存在-0.78的負(fù)影響，實際測量與模型模擬相一致，表明本次所建立結(jié)構(gòu)方程的可信度較高.

可測變量之間的關(guān)系：細(xì)根與表面積路徑系數(shù)0.54，P=0.008，即表面積受細(xì)根含量影響較大且影響為正，但他們表征的潛變量根系特性與根系結(jié)構(gòu)之間存在路徑系數(shù)-0.87的負(fù)相關(guān)影響，說明中根、粗根與根系表面積存在負(fù)相關(guān)，原因為表面積隨根徑的增大而減小.

綜上所述，根系特性對土壤持水量有較大影響，表征根系特性的表面積與干重又受到粗根的影響，因為粗根含量決定著根系結(jié)構(gòu)，粗根含量多，細(xì)根和中根含量就少，從而間接影響同細(xì)根和中根有密切關(guān)系的表面積和干重.所以結(jié)合文中草本植物根系與灌木植物根系特征綜合考慮，有著較多細(xì)根和較大累計根系范圍的草本植物對改善土壤中水分含量、水土保持作用有著更大的貢獻(xiàn).

3 結(jié)論

采用全挖掘法采樣，對磨盤山公路土質(zhì)邊坡典型的灌木、草本植物根系的形態(tài)特征及不同土層含水率進(jìn)行調(diào)查和研究，得到以下主要結(jié)論:(1)所選灌木植物根系屬主直根垂直構(gòu)型，草本植物根系屬散生須根團(tuán)網(wǎng)構(gòu)型，根系集中分布在0～20 cm土層，分布比例為星毛金錦香82.70%、栽秧泡87.26%、皺葉狗尾草91.72%、燈心草96.84%，這種根系分布格局有利于根系對來自于降水的土壤表層水分的吸收.

(2)4種植物的不同根徑地下垂直分布均勻，細(xì)根為代表根系含量均大于50%；根表面隨土層加深而減小，植物吸水能力燈心草>皺葉狗尾草>栽秧泡>星毛金錦香.

(3)植被覆蓋區(qū)土體含水率明顯高于裸地含水率，隨土層加深含水量逐漸降低.結(jié)構(gòu)方程模型顯示根系特性為提升土壤含水率的主要因素，存在總路徑系數(shù)0.99的顯著正相關(guān)影響，而根系特性由可測變量粗根的含量控制.所以在實際應(yīng)用中，可根據(jù)根系形態(tài)學(xué)特征中粗根含量來挑選改善土壤含水率的護(hù)坡植物.

綜上，2種植物類型根系均能充分穿插纏繞土體，以錨固加筋的方式增強(qiáng)邊坡穩(wěn)定性，同時有效吸收土壤的水分和養(yǎng)分起到涵養(yǎng)水源改善土壤的效果.其中草本植物更適合土層較淺或較貧瘠的公路邊坡，灌木適合土層較深邊坡，當(dāng)選擇灌草植物搭配的配置方式固土保水效果最佳，同時形成以灌—草為一體的群落系統(tǒng)，改善生態(tài)環(huán)境，增強(qiáng)坡面景觀效應(yīng).