櫸樹等11個樹種根系土壤抗剪切能力的研究

萬 欣，何小洋，芮雯奕，王 磊，季永華，張紀(jì)林

(1.江蘇省林業(yè)科學(xué)研究院， 江蘇 南京 211153； 2.東臺市農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心果樹站， 江蘇 東臺 224200；3.江蘇省科學(xué)技術(shù)情報研究所， 江蘇 南京 210042)

土壤的抗剪性即在外界營力(降雨沖刷、重力等)的作用下，土壤離開母體發(fā)生相對位移過程中，土壤自身或土壤受根系牽制作用抵抗被剪切破壞的位移阻力，常用土壤的抗剪強度來表示。土體的抗剪強度指在外力的作用下, 發(fā)生變形和滑動時所具有的抵抗剪切破壞的極限程度。其大小直接反映了土體在外力的作用下發(fā)生剪切破壞變形的難易程度。土壤的抗剪強度由內(nèi)摩擦力和粘結(jié)力共同決定。

植物根系是改善土壤理化性質(zhì)最重要的因素。強大的植物根系不僅可以從土壤中吸收植物生長所需要的營養(yǎng)和水分，而且對于改良土壤的結(jié)構(gòu)和成分，在增強土壤抗剪切能力方面有著重要的作用[1]。龐大的林木根系穿插在土壤的孔隙中，與土壤形成土壤-根系的復(fù)合體，一方面根系通過分泌物等將周圍的細(xì)土顆粒凝聚，增大土壤的粘結(jié)力；另一方面根系錨固于土壤中，對土壤產(chǎn)生顯著“加筋”作用，從而起到固土效果，增大了土壤的整體抗剪強度。此外土體遭機械破壞，土壤的位移阻力減小，導(dǎo)致土壤發(fā)生相對位移。目前其相關(guān)研究主要集中在力學(xué)方面。

有研究表明，由于根系的穿插、擠壓和纏繞導(dǎo)致土壤中的大粒級水穩(wěn)性團(tuán)聚體(WSA)增加，進(jìn)而提高土壤的抗剪切能力[2-3]。張金池等[4]曾進(jìn)行過沿海防護(hù)林造林樹種根系土壤抗沖性的研究，結(jié)果表明根徑在1 mm以下的細(xì)根對土壤抗侵蝕性的強化效應(yīng)顯著。吳欽孝[5]認(rèn)為,根系對土體抗剪強度的影響，主要決定于土壤中根表面和根抗拉力的大小。國內(nèi)外關(guān)于植物根系提高土壤抗剪切強度的定量研究也多集中在喬灌木[6-12]。本研究以蘇柳8-26、蘇柳9-6、蘇柳172、蘇柳795、楓香樹、木荷、烏桕、紅葉石楠、鄂西紅豆、美國梧桐、櫸樹等11個樹種為研究對象，通過研究各樹種根系的抗剪能力，以期為農(nóng)田防護(hù)林的營造、推廣及其效益分析等提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試樹種及土壤基本理化性質(zhì)

本研究在江蘇省東臺市國有林場內(nèi)進(jìn)行。蘇柳8-26、蘇柳9-6、蘇柳172、蘇柳795、楓香樹、木荷、烏桕、紅葉石楠、鄂西紅豆、美國梧桐、櫸樹等均為2年生栽培樹種。

由于該11個供試樹種在同一塊林地內(nèi)，因此樹種根際土壤的基本理化性質(zhì)基本一致。土壤的基本理化性質(zhì)如表1所示。

表1 供試土壤基本理化性質(zhì)

1.2 試驗方法

1.2.1 根系樣品采集 在每種樹林內(nèi)，按5 m ×5 m 的間距均勻布12個樣點，根據(jù)2年生樹種根系普遍的生長規(guī)律和生長速度，每個樣點在距樹根基部20 cm處挖掘出寬l m、深0.6 m的土壤剖面[10]，然后對根系進(jìn)行采集。為保證空白對照樣品跟有根土壤樣品的土壤理化性質(zhì)一致，故取林地內(nèi)無根的土壤樣品作為空白對照。

1.2.2 根系生物量的測定 本研究采用土柱法[13]進(jìn)行根系生物量的測定。根據(jù)每種樹木的根系深淺程度，采集一定體積的土塊，然后將土塊的根系按≤1 mm，>1 mm這2個徑級分類，并把各類根系樣品放在80 ℃恒溫條件下烘干至恒量(24 h)，用電子天平稱量干質(zhì)量。根系生物量即為單位體積的根系干質(zhì)量。

1.2.3 土壤抗剪切力的測定 本研究采用剪切箱和YJ-26 型靜態(tài)電阻應(yīng)變儀的方法[14],對有根土樣和無根土樣(空白對照)進(jìn)行剪切測定。

供實測的立方土體寬40 cm、 長40 cm、 高20 cm, 4個面全部切開并移走土壤。供測試用的裝置有4個部分: 一個給土體提供剪力的剪切箱；一個推動剪切箱并在土體下底面產(chǎn)生剪力的千斤頂，一個測量土體位移的位移表，一個測量剪力量值的 YJ-26 型靜態(tài)電阻應(yīng)變儀(由傳感器和電阻表構(gòu)成)。具體操作方法：轉(zhuǎn)動旋轉(zhuǎn)柄, 可使千斤頂對土體產(chǎn)生剪力，推進(jìn)速度控制在0.1 mm/s。在牽拉過程中, 傳感器將剪力大小以電阻值的形式顯示在電阻表中。用公式(1)，(2),(3),可以算出施加在土體上的剪力(FS), 當(dāng)土墩被剪破時垂直根提供的抗剪阻力(Fr)，最后得出根系土壤抗剪切力。公式如下：

F=εK

(1)

Fr=Frmax-Fsmax

(2)

Δτ=Fr/A

(3)

式中，K是電阻-剪力轉(zhuǎn)換系數(shù),實驗室標(biāo)定為3.148 N/k;Fsmax為在土體被剪破時的最大剪力;Frmax為土體因土壤本身的抗剪強度而產(chǎn)生的最大抗剪阻力; A為土體剪切面積。

1.3 數(shù)據(jù)分析處理

將試驗測定數(shù)據(jù)用Excel軟件進(jìn)行整理分析，并做柱狀圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 根系生物量

蘇柳8-26、蘇柳9-6、蘇柳172、蘇柳795、楓香樹、木荷、烏桕、紅葉石楠、鄂西紅豆、美國梧桐、櫸樹等11個樹種根系的生物量如圖1所示。

圖1 櫸樹等11種樹種根系生物量

結(jié)果表明，根徑≤1 mm的根系中，美國梧桐、蘇柳8-26和櫸樹的生物量最多，達(dá)到6 g/dm3左右，其次是蘇柳795、紅葉石楠和鄂西紅豆，蘇柳9-6的生物量最小，僅為2 g/dm3左右。在根徑>1 mm的根系中，美國梧桐生物量最大，達(dá)到16 g/dm3，其次是蘇柳172、蘇柳795和櫸樹，蘇柳9-6的生物量最小，僅為3.8 g/dm3。

2.2 根系土壤抗剪切力

蘇柳8-26、蘇柳9-6、蘇柳172、蘇柳795、楓香樹、木荷、烏桕、紅葉石楠、鄂西紅豆、美國梧桐、櫸樹等11個樹種根系的土壤抗剪切能力如圖2所示。

注：不同小寫字母表示結(jié)果之間存在顯著性差異(P圖2 櫸樹等11個樹種土壤抗剪切力比較

結(jié)果表明，在土壤抗剪切力方面，櫸樹的抗剪切力最大，均達(dá)到60 kPa左右；而蘇柳8-26的抗剪切力最小，僅為40 kPa。由此可見，樹木根系增強了土體的抗剪強度，但是由于各個樹種根系自身特性的不同而產(chǎn)生差異。

在土體發(fā)生剪切破壞的過程中，處于剪切面邊緣的土壤或根系才是土體抗剪強度的主要承擔(dān)者，靠近剪切面的樹種根系越多，其抵抗剪切破壞的能力越強?？辜袅姷臋螛涓翟诒患羟羞^程中，土壤自身先被破壞之后，完全由樹木根系承擔(dān)主要的抗剪切能力；對于抗剪切力弱的蘇柳8-26根系，其與土壤的結(jié)合作用要強，這表現(xiàn)在增加了土壤自身發(fā)生剪切破壞的位移量，而在這之后由根系承擔(dān)的抗剪強度的值卻小于抗剪力強的櫸樹根系。這可能是由于蘇柳8-26的根系生長較快，根系中的木質(zhì)素含量多，而櫸樹根系由于生長緩慢，其根系中所含的纖維素較多，使得蘇柳8-26根系的抗彎強度要好于櫸樹，而其抗拉強度卻要比櫸樹根系差。

此外，由圖2可知，通過與空白對照的數(shù)據(jù)比較，無根土壤的抗切強度比其他有根土壤的抗切能力低很多?？梢?，有根土壤的抗剪強度是土壤和根系綜合作用的結(jié)果。樹木根系在土壤中生長，其根尖對周圍的土壤產(chǎn)生壓力, 隨著根尖的圓形擴大, 四周的土壤產(chǎn)生變形而形成根道, 致使根道四周的土壤容重增加, 土壤內(nèi)聚力和摩擦力也隨之增強。此外，根面的凹凸不平及眾多的叉根、根節(jié)、根毛,增加了根與土壤之間的接觸面積, 在根系膨脹的作用下, 根系與土壤之間的摩擦力增加，抗剪強度也隨之增強。

3 討論與展望

綜上所述，在11個樹種中，櫸樹、蘇柳9-6、紅葉石楠和蘇柳172的抗剪切能力較好。可見，根系可提高土壤抗剪強度。一般認(rèn)為，根系可分為深粗根和淺細(xì)根2種，并認(rèn)為深粗根體現(xiàn)錨固作用，淺細(xì)根體現(xiàn)加筋作用[15]。在營造森林的過程中，最先作用于土壤的植物是草本，之后灌木和喬木開始慢慢生長。在生長前期，幼樹對土體的加固作用直接決定著其穩(wěn)定性，當(dāng)喬木長大之后，其根系深入到巖基層，形成很強的錨固作用，對坡體的穩(wěn)固作用大大增強[16]。由于本研究區(qū)域內(nèi)林下灌木草本稀少，所以喬木根系對土壤的加固作用就顯得極為重要。根系整體結(jié)構(gòu)在很大程度上影響著剪切力在土壤中的傳遞，在剪切過程中，根系整體與土壤的結(jié)合可以看作是一連串加強作用的聯(lián)合，并且其整體的變形也會有效抵抗剪切破壞。盡管不同植物由于根數(shù)量以及直徑的不同導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的不同，但是根系整體的這種作用卻是不可忽視的。

此外，根系本身的抗剪能力比土體本身強許多倍[17-19]。周躍等[14]在研究云南松垂直根的土壤增強作用時發(fā)現(xiàn),根系的存在可提高土體抗剪強度達(dá)7 183%, 并指出植物的垂直根系可以把淺層根際土層錨固到深層土體上,側(cè)根的作用強度與側(cè)根的密度成正比。吳欽孝[5]也認(rèn)為, 根系對土體抗剪強度的影響因素是根表面積和根系抗拉力，土壤移動會增加土體間的摩擦力, 植物根系因不易被拉斷, 而使根表面與土體間摩擦力得到充分發(fā)揮, 對土體產(chǎn)生較大的固持力, 從而使土壤保持穩(wěn)定。

為了更深入研究植物根系抗剪力在水土保持中的作用機制，今后應(yīng)從以下幾方面進(jìn)一步研究：

(1)建立土壤抗剪切強度模型，并從土層構(gòu)造、根系生長以及根系力學(xué)、根系固土機制等方面深入研究；(2)土壤抗侵蝕和抗剪切力的影響因素是土壤理化性質(zhì)和生物多因子綜合作用的結(jié)果,應(yīng)進(jìn)一步研究土壤動物和微生物的耦合作用及其作用機理；(3)開拓并深化根際效應(yīng)的研究。受植物根系的影響, 距根系 1—5 mm范圍內(nèi)的微土區(qū)域被大量的細(xì)菌、真菌和原生動物所包圍, 它是水分、養(yǎng)分和微生物以及根系分泌物生理作用區(qū)域。可以預(yù)測，樹木根際在農(nóng)田林網(wǎng)、防護(hù)林水土保持中的作用研究，將開拓一個嶄新的研究領(lǐng)域。