喀斯特坡地拉巴豆地埂籬根及根-土復(fù)合體力學(xué)特性

唐 菡,諶 蕓,劉梟宏,何丙輝,李 勇, 強(qiáng)嬌嬌,李 鐵

西南大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院,巖溶環(huán)境重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 重慶 400715

喀斯特坡地不同于其他地區(qū),具有獨(dú)特的“二元三維”[1]地質(zhì)構(gòu)造。地表水土流失嚴(yán)重,加之成土速率低、土層薄、土體與母巖之間存在明顯軟硬界面的特點(diǎn)[1],一旦當(dāng)?shù)刂脖皇艿饺藶楦蓴_破壞,水土流失加劇,原本處于平衡狀態(tài)的生境將向石漠化方向演變[2]。工程措施(如依自然地形建蓄水池、用擋墻維護(hù)落水洞等[3])與植物措施(如關(guān)鍵點(diǎn)位布置植物、植物籬等)結(jié)合的方式[4]最能有效緩解水土流失加劇的困境。地埂籬為植物籬中的一種,最初用于集水,20世紀(jì)初用于水土保持,主要通過根系及根對土體的加強(qiáng)達(dá)到固土作用[5]。草本植物須根量大且根系集中分布于淺土層,其對薄土的固持效果較灌、喬木顯著,這是由于深粗根(d>2.0 mm)在土體中起抗滑樁和扶壁的作用,而淺細(xì)根(d≤2.0 mm)主要為三維加筋、固結(jié)土壤的作用[6- 7]。地埂籬根系主要通過三方面加強(qiáng)土體：1)通過穿插于土體中增大根與土粒、土粒與土粒間的摩擦力；2)根系分泌物促進(jìn)土粒膠結(jié)作用,增加土體粘聚力和抗蝕性能；3)根系自身的抗拉、抗剪性能也能在一定程度上增強(qiáng)土體的抗剪、抗沖力[8- 10]。

拉巴豆(DolichoslablabL.)為豆科蝶形花亞科菜豆族扁豆屬,是熱帶、亞熱帶溫暖地區(qū)優(yōu)良的高營養(yǎng)高產(chǎn)牧草和蔬菜[11],有較高的經(jīng)濟(jì)價值,較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性和良好的水土保持功能。我國西南喀斯特地區(qū)地勢偏遠(yuǎn)、環(huán)境惡劣、貧困率高,將拉巴豆應(yīng)用于喀斯特坡地,既可帶動經(jīng)濟(jì)發(fā)展又可保持水土。目前,西南地區(qū)雖已推廣種植,但有關(guān)其生態(tài)效應(yīng)的研究僅涉及根系生物特性[12],根系的力學(xué)特性研究方面存在空白。已有研究證明不同植物根系具有不同的力學(xué)特性,即使同一種植物,在不同環(huán)境或于不同徑級也存在較大差異[13]。喀斯特植物根系主要受限于土壤厚度和水分,根系形態(tài)特征隨著限制條件改變的同時,其化學(xué)成分和力學(xué)特性也隨之改變[13]。有關(guān)根系力學(xué)特征的研究表明根系抗拉特性(抗拉強(qiáng)度、延伸率、彈性模量等)與化學(xué)成分、微觀結(jié)構(gòu)皆存在一定的相關(guān)性[13- 18],但少見以巖溶地貌為背景的根系力學(xué)特性方面的研究[6]。本文對喀斯特坡地拉巴豆地埂籬根及根-土復(fù)合體在不同坡位的形態(tài)分布、力學(xué)和化學(xué)成分特征進(jìn)行了綜合分析,從不同坡位、不同徑級根系之間各指標(biāo)的相關(guān)性和差異性著手,探討根及根-土復(fù)合體的力學(xué)特性及影響因素,旨在探索拉巴豆地埂籬根系的水土保持潛能及在喀斯特地區(qū)推廣價值,為喀斯特坡地科學(xué)實(shí)施水土保持措施提供理論支撐。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于重慶市酉陽土家族苗族自治縣泔溪鎮(zhèn)龍?zhí)恫酃?地處東經(jīng)108°58′,北緯28°58′(具體位置見圖1)。槽谷由背斜發(fā)育,谷底及順層坡一側(cè)為碳酸鹽巖,黃壤,坡度30°左右。該區(qū)年均溫14.6℃,年均降雨量1200 mm,年均日照時長1131 h,無霜期261 d,雨熱同期,降雨主要集中于5—9月,屬典型的中亞熱帶季風(fēng)濕潤氣候。采樣區(qū)處于順層坡人工林坡面內(nèi),整個坡面植被覆蓋率較低,主要為花椒經(jīng)濟(jì)林,另外存在少量抗旱、耐瘠薄野生喬灌草,如馬尾松(Pinusmassoniana)、紅背山麻桿(Alchorneatrewioides)、沿階草(Ophiopogonbodinieri)等。

圖1 研究區(qū)位置圖Fig.1 Study area location map黃色區(qū)域表示順層坡研究區(qū)

1.2 樣品采集

依據(jù)自然條件差異,坡面可劃分為上、中、下三個坡位,上坡巖石裸露率及坡度明顯大于中、下坡,而下坡土層最厚,相鄰坡位間海拔相差約為50 m。2018年4月于坡面的上、中、下坡位地埂位置撒播拉巴豆,播種密度0.03 kg/m2(出苗率80%左右),每個坡位籬帶長約200 m、寬約20 cm,常規(guī)管護(hù)。

全根根系的采集：2018年7月中旬取植株根系,采用挖掘法,每個坡位取5株標(biāo)準(zhǔn)株(標(biāo)準(zhǔn)株的選擇參見[19]),為保證根系完整性,連根帶土一并帶回實(shí)驗(yàn)室。

根-土復(fù)合體的采集：每個坡位選取3個對照點(diǎn)(未播拉巴豆地段)和3個地埂籬地點(diǎn)(選點(diǎn)位于拉巴豆標(biāo)準(zhǔn)株附近)。對照裸地取樣時將土壤表面的植株、枯落物等雜質(zhì)清理干凈,避開雜草根系用鋁盒、容重環(huán)刀(底面積20 cm2,高5 cm)、抗剪環(huán)刀(底面積30 cm2,高2 cm)取土。地埂籬地取樣時先將拉巴豆地上部分剪去,扒掉2 cm土層(0—2 cm土層無根系生長),每個抗剪環(huán)刀均以植株為中心取樣；采集抗沖環(huán)刀(長×寬×高：20 cm×10 cm×10 cm)時選取植株密度相近的區(qū)域。對照裸地共計36個抗剪土樣,地埂籬地共計36個抗剪土樣和9個抗沖樣。

1.3 測定項(xiàng)目與方法

1.3.1土壤基礎(chǔ)物理性質(zhì)

土壤容重、孔隙度(總孔隙度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度)、飽和含水量、田間持水量和自然含水率的測定采用環(huán)刀法[20]。

1.3.2根系形態(tài)指標(biāo)

所取根土樣品置于0.05 mm的網(wǎng)篩中用細(xì)弱的水沖洗,分離根土晾干表面水分,整個過程輕柔避免損傷根系。根-土復(fù)合體中的根在抗剪、抗沖試驗(yàn)后再處理,所有根系試樣盡快測定以得到最精確數(shù)據(jù)。采用EPSON(PERFECTION C700)掃描儀進(jìn)行根系灰度掃描,WinRHIZO(Pro.2009)根系分析系統(tǒng)進(jìn)行分析,具體操作步驟和計算過程參考[10]。

1.3.3根系化學(xué)成分

將全根根系樣按0.0

1.3.4單根抗拉特性指標(biāo)

從全根根系中剪取順直、直徑較均一且完好無損的根備用。拉伸試驗(yàn)夾具鉗口處應(yīng)力集中,為避免根皮受夾具應(yīng)力破壞產(chǎn)生脫皮現(xiàn)象或皮斷裂讓試驗(yàn)機(jī)誤記錄為根斷裂,在根兩頭包上醫(yī)用橡皮膠,可分散夾具周邊應(yīng)力增加摩擦力提高試驗(yàn)成功率(拉伸斷裂點(diǎn)位于根樣中部視為試驗(yàn)成功),包上膠帶后根系樣本標(biāo)距為50 mm[24]。采用測力范圍0—5 kN,加載速率范圍0—60 MPa/s,最小分度值1×10-5N的微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī),夾具型號DSA502A。樣本試驗(yàn)前用精度為0.01 mm的數(shù)顯游標(biāo)卡尺(型號CD- 6 ASX)測量根系上中下3個點(diǎn)位的直徑取均值即為平均直徑,拉伸速率設(shè)置為7 mm/min(速率設(shè)置參考[25]),每次試驗(yàn)微機(jī)自動記錄所有數(shù)據(jù)。

1.3.5根-土復(fù)合體力學(xué)指標(biāo)

土壤抗剪強(qiáng)度用南京土壤儀器廠生產(chǎn)的ZJ型應(yīng)變控制式直剪儀測定并根據(jù)庫倫定律計算內(nèi)摩擦角φ和粘聚力c。沖刷試驗(yàn)的沖刷槽坡度定為30°,試驗(yàn)過程及測定方法見[10]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

運(yùn)用Microsoft Office Excel 2013和 SPSS 22.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析。進(jìn)行了差異性檢驗(yàn)(One-way ANOVA)、協(xié)方差分析(Multivariable)和相關(guān)分析(Spearman)。

2 結(jié)果與分析

2.1 根系形態(tài)與化學(xué)成分特征

2.1.1根系形態(tài)特征

對各坡位全根根系進(jìn)行形態(tài)指標(biāo)統(tǒng)計以及差異性分析,得出(表1)：整體上d≤1.0 mm根系占優(yōu)勢,全根根系平均重量僅1 mg左右。各全根指標(biāo)不同坡位之間均無顯著性差異,同一徑級指標(biāo)在不同坡位,僅下坡根尖數(shù)(Root tips,RT)顯著大于上、中坡,同一坡位0.0

全根指標(biāo)除RT外均于中坡出現(xiàn)最大值。根長(Root length,RL)和根表面積(Root surface area,RSA),下坡大于上坡；RT呈現(xiàn)下坡>中坡>上坡的特征。徑級指標(biāo)顯示：0.0中坡>上坡；0.5下坡>上坡。各坡位RL、RT最大值均出現(xiàn)在0.01.0 mm各徑級。0.0

結(jié)合采樣情況和隨機(jī)選取的根系灰度掃描圖2和表1、表2可知：拉巴豆側(cè)根發(fā)達(dá)(尤其是上坡)、大部分向土層深厚的區(qū)域延展,主根較短且深度小于15 cm,細(xì)根量大；中、下坡細(xì)根量較上坡大且RL、RSA、RT和根的分支均較上坡增加；上坡根系無根瘤菌而下坡根瘤菌明顯。上坡土壤物理性質(zhì)較差,容重大且與中、下坡有顯著差異,總孔隙度、飽和含水量和自然含水率顯著小于中、下坡。由此可見土壤物理性質(zhì)對根系生長產(chǎn)生了一定的影響,透氣性差且含水量低的上坡土壤的根系各項(xiàng)指標(biāo)值均較小。

表1 不同坡位拉巴豆根系全根與徑級指標(biāo)

表中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤差(n=5),不同小寫字母表示同一指標(biāo)不同徑級間存在顯著差異(P<0.05)；不同大寫字母表示同一指標(biāo)不同坡位間存在顯著差異(P<0.05)

表2 順層坡不同坡位地埂籬土壤的基本物理性質(zhì)

表中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤差(n=9),不同小寫字母表示同一指標(biāo)不同坡位間存在顯著差異(P<0.05)

圖2 拉巴豆根系灰度掃描圖Fig.2 Grayscale scan of Dolichos lablab L.A1、A2表示上坡隨機(jī)根系; B1、B2表示中坡根系; C1、C2表示下坡根系

2.1.2根系化學(xué)成分特征

對根系纖維素(Cellulose,C)、半纖維素(Hemicellulose,H)、木質(zhì)素(Lignin,L)含量進(jìn)行測量,結(jié)果表明：纖維素含量均值中坡>上坡>下坡,木質(zhì)素含量排序與纖維素相反,半纖維素含量于中坡值最大,上、下坡均值相近,但各化學(xué)成分于各坡位之間均無顯著性差異。

將直徑與這三個指標(biāo)進(jìn)行回歸分析,回歸方程見圖3。纖維素含量與直徑的擬合曲線為冪函數(shù)關(guān)系,半纖維素、木質(zhì)素含量與直徑均為二次多項(xiàng)式函數(shù)關(guān)系。相關(guān)性分析得出,僅0.0

圖3 不同徑級根系化學(xué)成分含量與平均直徑的關(guān)系Fig.3 Relationships between root chemical composition content and different diameters

2.2 單根極限抗拉力與抗拉強(qiáng)度

試驗(yàn)成功的拉巴豆根系直徑范圍為0.19—0.93 mm,平均值為0.46 mm,試驗(yàn)成功率65.52%。極限抗拉力范圍為1.06—18.56 N,均值6.77 N?？估瓘?qiáng)度范圍6.97—57.50 MPa,均值29.57 MPa?？估匦耘c直徑的擬合方程均為冪函數(shù)形式,其指數(shù)表征極限抗拉力隨直徑的增長率、衰減率,系數(shù)可被視為比例因子[26]。擬合方程中不同坡位的指數(shù)和系數(shù)均有一定的差異,極限抗拉力與直徑的擬合方程顯示各坡位增長率相似,但下坡比例因子較上、中坡低；抗拉強(qiáng)度與直徑擬合方程顯示中坡較上、下坡衰減率高0.80、1.67倍,比例因子相似。雖同為一種植物,但其根系力學(xué)特性由于環(huán)境影響造成根系化學(xué)成分含量或粗細(xì)根比例不一致,從而導(dǎo)致不同坡位根系擬合方程常量的差異。

2.2.1單根極限抗拉力及影響因素

擬合結(jié)果顯示(圖4),極限抗拉力與直徑正相關(guān),同一直徑的極限抗拉力中坡>上坡>下坡。將直徑和對應(yīng)根系極限抗拉力進(jìn)行自然對數(shù)變換,以直徑為協(xié)變量進(jìn)行協(xié)方差分析,結(jié)果表明直徑對極限抗拉力無顯著影響。極限抗拉力上坡與中、下坡均有顯著性差異。

回歸分析表明(僅對存在顯著相關(guān)關(guān)系的變量進(jìn)行說明,表3)： 0.5

2.2.2單根抗拉強(qiáng)度及影響因素

抗拉強(qiáng)度與直徑負(fù)相關(guān)(圖4),協(xié)方差分析表明直徑對抗拉強(qiáng)度有顯著性影響(P<0.05)。 0.0上坡>下坡；d>1.0 mm徑級隨直徑增大抗拉強(qiáng)度變化平緩,坡位排序?yàn)椋荷掀?中坡>下坡。由此可見抗拉強(qiáng)度受直徑影響且對0.0

乳化劑是微乳劑配方的關(guān)鍵性因素．一般的非離子型表面活性劑HLB值對溫度的變化很敏感，離子型表面活性劑的親水親油平衡對溫度變化不敏感，但其在低溫下的溶解度顯著降低[5]．實(shí)驗(yàn)中乳化劑用非離子型和離子型表面活性劑復(fù)配，其HLB值在13～15之間．

回歸分析表明(表3)：0.0

圖4 抗拉特性與直徑在不同坡位的關(guān)系Fig.4 Relationships between maximum tension, tensile strength and mean diameter of Dolichos lablab L. at different slope portions

徑級Diameter根系化學(xué)成分Root chemical compositions極限抗拉力Maximum tension F/N抗拉強(qiáng)度Tensile strength T/MPa回歸函數(shù)R2Pearson回歸函數(shù)R2Pearson0.0

*表示在0.05的水平上顯著相關(guān),**表示在0.01的水平上極顯著相關(guān)

2.3 根-土復(fù)合體抗剪/沖性能特征

2.3.1復(fù)合體中根的形態(tài)和化學(xué)成分特征

表4表明：根系形態(tài)指標(biāo)中僅抗剪土樣根表面積密度(Root surface area density,RSAD)上坡顯著大于中、下坡,根重密度(Root weight density,RWD)上坡顯著大于中坡?？箾_土樣坡位間的根系形態(tài)指標(biāo)均無顯著性差異。根-土復(fù)合體抗剪土樣的根系形態(tài)指標(biāo)均為上坡>下坡>中坡而抗沖土樣形態(tài)指標(biāo)于中、下坡較高。具體表現(xiàn)為抗沖土樣根系RSAD于下坡值最大,根體積密度(Root volume density,RVD)、RWD于中坡值最大；抗剪土樣根系指標(biāo)于各坡位呈現(xiàn)與抗沖土樣根系指標(biāo)和全根根系指標(biāo)相反的規(guī)律。由此可見,不同坡位土層厚度的差異,影響著根系生長分布。較厚土層根系舒展從而更加分散、扎根較深,較薄土層(如上坡),根系相對集中于表土層,所以上坡抗剪土樣根量較中、下坡大,各指標(biāo)值亦較高。

抗剪土樣僅上坡木纖比顯著大于下坡,其他指標(biāo)均無顯著性差異。抗沖土樣各指標(biāo)均無顯著性差異?？傮w上抗剪和抗沖土樣中、下坡根系纖維素含量均較上坡高；而抗剪與抗沖土樣木質(zhì)素含量排序分別為中坡>上坡>下坡、下坡>中坡>上坡；抗剪土樣木纖比和木質(zhì)素含量排序一致。結(jié)合全根根系的形態(tài)指標(biāo)再次表明,纖維素含量與根系徑級有一定的相關(guān)性,中、下坡細(xì)根量大,其纖維素含量也表現(xiàn)出更高的水平。

表4 不同坡位抗剪、抗沖土樣根系形態(tài)與化學(xué)成分指標(biāo)

表中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤差(n=3),不同小寫字母表示同一指標(biāo)不同坡位間存在顯著差異(P<0.05)

2.3.2復(fù)合體的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)及影響因素

表5中地埂籬地的內(nèi)摩擦角、粘聚力(下坡除外)均大于對照裸地,僅上坡粘聚力與對照裸地存在顯著性差異。中坡粘聚力顯著小于上、下坡且減幅高達(dá)1倍以上。數(shù)值上內(nèi)摩擦角排序：中坡>下坡>上坡,坡位間波動幅度較小,對照裸地與地埂籬地均值分別為85.42°、86.08°；粘聚力排序：上坡>下坡>中坡,對照裸地與地埂籬地均值分別為27.60 kPa、36.92 kPa,地埂籬地較對照粘聚力的增幅最高達(dá)45.67%。

相關(guān)性分析得出(表6)：上坡復(fù)合體內(nèi)摩擦角與RVD、RWD呈顯著和極顯著正相關(guān),上、中坡粘聚力與RVD呈顯著負(fù)相關(guān)。RLD和RSAD,RVD和RWD總是與抗剪指標(biāo)有一致或相似的相關(guān)關(guān)系,如各坡位的內(nèi)摩擦角與RLD、RSAD都呈負(fù)相關(guān),與RVD、RWD均呈正相關(guān)。

表5 不同坡位根-土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度指標(biāo)和抗沖指標(biāo)

表中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤差(n=3),不同小寫字母表示同一指標(biāo)不同坡位間存在顯著差異(P<0.05)；不同大寫字母表示同一指標(biāo)的對照與地埂籬地間存在顯著差異(P<0.05)

圖5 不同坡位土壤抗沖指數(shù)動態(tài)變化 Fig.5 Dynamic changes of Anti-scourability at different slope portions

2.3.3復(fù)合體的抗沖指數(shù)及影響因素

抗沖指數(shù)均值排序(表5)：下坡>中坡>上坡,坡位之間的數(shù)值變幅在0.34—5.31之間。差異性檢驗(yàn)表明,在抗沖指數(shù)動態(tài)變化過程中t=4 min時各坡位之間有顯著性差異。沖刷過程中各坡位復(fù)合體抗沖指數(shù)均呈波狀變化(圖5),沖刷初期抗沖指數(shù)值最低,上、下坡抗沖指數(shù)峰值較中坡延遲4 min,各坡位均呈先增后減再平緩波動上升趨勢。沖刷初期由于表層土壤基本無根系且多浮土所以流失土量大；隨著時間增加抗沖指數(shù)先增后減,這個過程主要是根系起到的緩沖作用；隨后泥沙量漸漸變少,抗沖指數(shù)基本處于緩升趨勢。整體來看,中、下坡復(fù)合體抗沖性能較優(yōu),上坡抗沖指數(shù)小其波動幅度也較小。

抗沖指數(shù)受RSAD和纖維素影響(表6),中、下坡抗沖指數(shù)與RSAD呈顯著正相關(guān)、與纖維素呈顯著或極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。纖維素和木質(zhì)素含量與抗沖指標(biāo)有相反的相關(guān)關(guān)系,如抗沖指數(shù)與纖維素含量呈負(fù)相關(guān),卻與木質(zhì)素含量呈正相關(guān)。

表6 不同坡位根-土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度指標(biāo)和抗沖指標(biāo)與根系形態(tài)指標(biāo)、化學(xué)成分相關(guān)關(guān)系

Table 6 Correlation analysis between shear strength parameters, anti-scourability, and root morphology paratemns, chemical compositions at different slope portions

指標(biāo)Parameters根長密度Root length density根表面積密度Root surface area density根體積密度Root volume density根重密度Root weight density纖維素Cellulose木質(zhì)素Lignin木纖比Wood fiber ratio半纖維素Hemicellulose內(nèi)摩擦角上坡-0.383-0.6980.997*0.998**0.4400.471-0.096-0.781Internal friction angle中坡-0.993-0.8410.7350.897-0.9870.158-0.731-0.753下坡-0.620-0.5160.7800.835-0.0210.030-0.2130.988粘聚力上坡0.6240.869-0.980*-0.960-0.641-0.2480.3290.907Cohesion中坡0.6190.977-0.971*-0.946-0.947-0.3170.610-0.850下坡0.6020.920-0.937-0.908-0.834-0.8610.940-0.660抗沖指數(shù)上坡-0.5900.7410.8070.739-0.906*0.7620.6630.140Anti-scourability中坡-0.2000.985*0.9640.971-0.990**0.9550.999*-0.987下坡-0.3900.833*0.8100.775-0.916*0.8850.946-0.116

*表示在0.05的水平上顯著相關(guān),**表示在0.01的水平上極顯著相關(guān)

3 討論

3.1 拉巴豆根系形態(tài)分布及影響因素

喀斯特地區(qū)植物根系為適應(yīng)土壤和水分異質(zhì)性強(qiáng)(高位、陡坡土薄缺水)的環(huán)境,形成了自身響應(yīng)機(jī)制[7,27]。研究區(qū)中拉巴豆根系的形態(tài)與分布在不同坡位產(chǎn)生了空間變異。全根和徑級指標(biāo)均表現(xiàn)為中、下坡大于上坡；0.0

喀斯特坡地土儲量的空間變異可通過根系在土體中的分布深度與集中程度反演獲知。上坡地勢高、水土流失動力潛能大且侵蝕力較強(qiáng),所以土層最薄,中坡接收上坡流失物質(zhì)后土層增厚,形成與下坡相似甚至更優(yōu)的土壤條件。本研究得出抗剪土樣根系總體指標(biāo)排序均為上坡>下坡>中坡,看似有悖于全根根系形態(tài)指標(biāo)規(guī)律,實(shí)則反映不同坡位根系分布隨土儲量的變化：上坡土層薄,根系相對集中；中坡土層厚,根系相對舒展分散；下坡與中坡土層厚度相似,根系亦相對分散。

結(jié)合土壤物理性質(zhì)發(fā)現(xiàn),根系與土壤的交互作用形成了一個正反饋機(jī)制：根量較大、細(xì)根量多、形態(tài)指標(biāo)較優(yōu)的中、下坡,土壤容重、總孔隙度、飽和含水量和自然含水率均較上坡優(yōu),土壤物理性質(zhì)優(yōu)良又促進(jìn)根系的分化發(fā)育。由此可見,植物根系形態(tài)特征與地勢、土壤厚度、土壤水等有一定的關(guān)聯(lián)[13,29]。

3.2 拉巴豆根系抗拉特性及影響因素

草本根系抗拉試驗(yàn)成功率一般在60%—75%[17,25]范圍內(nèi),拉巴豆根系試驗(yàn)成功率為65.52%,相較灌喬木根系成功率高[18,30- 31]。拉巴豆平均抗拉強(qiáng)度29.57 MPa,約為狗牙根(d≤1.5 mm)的1.16倍、馬唐(d≤1.5 mm)的2.03倍[17,32],可見拉巴豆根系有較好的生物力學(xué)特性。不同坡位根系抗拉特性指標(biāo)與直徑的擬合方程雖均為冪函數(shù)相關(guān),但其常數(shù)存在一定差異,這種現(xiàn)象可歸結(jié)為環(huán)境影響了粗、細(xì)根的比例和根系化學(xué)成分含量,同時試驗(yàn)誤差產(chǎn)生相較真實(shí)值一定程度的偏移[30];不同徑級根系抗拉特性指標(biāo)與化學(xué)成分含量的回歸方程常數(shù)的差異也存在實(shí)驗(yàn)誤差影響,具體影響因素和變化機(jī)制還有待驗(yàn)證。

本研究中拉巴豆根系極限抗拉力隨直徑增大而增大,抗拉強(qiáng)度隨直徑減小而增強(qiáng),這與大部分草、灌根系力學(xué)特性一致[8,25]。極限抗拉力與木質(zhì)素含量和木纖比均正相關(guān),抗拉強(qiáng)度與纖維素含量正相關(guān)、與木質(zhì)素含量和木纖比均負(fù)相關(guān)。大量研究得出同樣結(jié)論[8,17,32],而某些研究卻指出抗拉強(qiáng)度與纖維素含量存在負(fù)相關(guān)關(guān)系[15],以及抗拉特性與化學(xué)成分無相關(guān)關(guān)系的結(jié)論[33]。關(guān)于抗拉特性與化學(xué)成分關(guān)系不一的本質(zhì)原因目前存在這樣的解釋：根系維管束中木質(zhì)部與韌皮部的化學(xué)成分含量存在差異,且在增粗生長的動態(tài)變化過程中木質(zhì)部與韌皮部的分化速率不同從而導(dǎo)致不同物種或同一物種不同徑級抗拉特性與化學(xué)成分關(guān)系的變化[15]。還有研究指出環(huán)境因素間接影響木質(zhì)部中成分含量[13],生長于山脊、坡地等分散地形的根系相較平地、溝谷地等匯聚地形的強(qiáng)度更大,其原理在于較大應(yīng)力環(huán)境下根系木質(zhì)部的木纖比降低、纖維素局部積累,從而使根系抗拉強(qiáng)度變大[13,33]。

3.3 拉巴豆根-土復(fù)合體力學(xué)特性及影響因素

根-土復(fù)合體相較對照裸地內(nèi)摩擦角和粘聚力均增大,內(nèi)摩擦角排序：中坡>下坡>上坡,粘聚力：上坡>下坡>中坡。大量研究指出草本根系能有效提高土體抗剪強(qiáng)度[9,34]。剪切過程,根系與土顆粒表面摩擦力及顆粒間嵌入作用產(chǎn)生的咬合力影響內(nèi)摩擦角大小,分泌物與土壤顆粒間膠結(jié)作用影響粘聚力大小[9],所以內(nèi)摩擦角、粘聚力一般隨根長密度、根表面積密度的增大而增大[8- 9]。本研究顯示上坡復(fù)合體較另兩坡位粘聚力更大,這與根系形態(tài)指標(biāo)變化一致：上坡復(fù)合體根系形態(tài)指標(biāo)均較大,根體積密度、根重密度尤其突出(均較中、下坡大1.5倍以上,且有顯著性差異)。但相關(guān)分析得出上坡根系形態(tài)指標(biāo)與粘聚力無顯著相關(guān),甚至負(fù)相關(guān)(根體積密度),這表明粘聚力并非受根系影響。本研究中拉巴豆生長時間較短,單位土體根量少,對土體的抗剪性能影響未達(dá)顯著水平,或土壤類型差異導(dǎo)致粘聚力受其他因素影響更突出。已有研究證明含水率也顯著影響粘聚力,隨含水率增加,粘聚力呈先增后減的變化趨勢(達(dá)峰值時含水率約為20%[35])。由中坡根量大但含水率太高(接近峰值含水率的兩倍)最終粘聚力表現(xiàn)最差,猜想本研究的粘聚力受含水率影響更大。

抗沖指數(shù)與形態(tài)指標(biāo)和化學(xué)成分相關(guān)分析表明,其僅受根表面積、纖維素影響。相關(guān)研究表明不同背景環(huán)境或土壤類型影響抗沖指數(shù)的因素存在差異,土壤物理性質(zhì)(容重、總孔隙度、細(xì)砂粒含量等)[36]、有機(jī)質(zhì)[9]、毛根量[34]、毛根形態(tài)指標(biāo)(根長、根表面積等)[37]均被證明與抗沖指數(shù)相關(guān)。本研究抗沖指數(shù)呈波動變化并最終平穩(wěn)上升,這與楊玉梅等[37]在四川雅安黃壤研究區(qū)的結(jié)論類似,諶蕓等[10]于紫色土區(qū)得出抗沖指數(shù)動態(tài)變化可用對數(shù)函數(shù)或二次函數(shù)較好擬合,不同土壤類型為產(chǎn)生差異的主要原因。

4 結(jié)論

1)拉巴豆根系全根指標(biāo)中根長、根表面積、根體積、根重均表現(xiàn)為中坡>下坡>上坡； 0.0

2)抗拉強(qiáng)度與直徑呈冪函數(shù)負(fù)相關(guān)；抗拉強(qiáng)度與纖維素呈對數(shù)函數(shù)正相關(guān)、與木質(zhì)素和木纖比均呈對數(shù)函數(shù)負(fù)相關(guān)；極限抗拉力與木質(zhì)素呈對數(shù)函數(shù)正相關(guān)、與木纖比呈線性函數(shù)正相關(guān)?？傮w上抗拉強(qiáng)度與較細(xì)徑級、極限抗拉力與較粗徑級的化學(xué)成分相關(guān)度更高。

3)復(fù)合體根系形態(tài)指標(biāo)均于上坡的抗剪土樣出現(xiàn)最大值,而抗沖土樣于中、下坡值較大。僅上坡抗剪土樣的根體積密度和根重密度顯著大于中、下坡。化學(xué)成分指標(biāo)中抗剪、抗沖土樣纖維素含量均于中、下坡值較高。僅上坡抗剪土樣的木纖比顯著大于中、下坡。

4)復(fù)合體內(nèi)摩擦角、粘聚力均較對照裸地增大,但僅上坡位的粘聚力顯著大于對照。內(nèi)摩擦角隨根體積密度、根重密度增大而增大,粘聚力隨根體積密度增大而減小?？箾_指數(shù)隨根表面積密度增大而增大、隨纖維素含量增大而減小。