坡位對(duì)優(yōu)勢(shì)植物分布與根系力學(xué)特性影響
2023-12-31 00:00:00付江濤趙吉美劉昌義余冬梅胡夏嵩李希來李世珍
草地學(xué)報(bào) 2023年7期
摘要：本試驗(yàn)選取青海貴德地區(qū)席芨灘滑坡區(qū)為研究區(qū)，以異針茅（Stipa aliena Keng）和阿洼早熟禾（Poa araratica Trautv.）為研究對(duì)象，以取樣點(diǎn)、坡位和植物種為獨(dú)立變量，采用單因素方差分析，對(duì)供試植物根系力學(xué)特性指標(biāo)進(jìn)行分析。結(jié)果表明：隨坡位上升，土體含水率降低，坡頂和坡中低于坡腳；相同坡位處，采樣點(diǎn)差異總體上未導(dǎo)致根系力學(xué)特性產(chǎn)生顯著性差異；坡位對(duì)植物根系力學(xué)特性產(chǎn)生影響，表現(xiàn)為隨坡位升高，阿洼早熟禾根徑、抗拉力、拉伸極限應(yīng)變率增加，而抗拉強(qiáng)度和楊氏模量降低，異針茅則表現(xiàn)出不一致的變化規(guī)律；與異針茅相比，阿洼早熟禾根徑、抗拉力和拉伸極限應(yīng)變率較高，而其抗拉強(qiáng)度和楊氏模量較低。研究結(jié)果可為干旱半干旱區(qū)開展邊坡植物生態(tài)恢復(fù)，以及坡面水土流失、淺層滑坡等災(zāi)害防治提供理論支撐。
關(guān)鍵詞：黃河上游；席芨灘滑坡；邊坡坡位；植物根系；根系力學(xué)特性
中圖分類號(hào)：S981.25 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-0435（2023）07-2020-11
Impact of Slope Position on the Distribution and Biomechanical Properties of Roots of Dominant Herbs
FU Jiang-tao1，2， ZHAO Ji-mei3， LIU Chang-yi3， YU Dong-mei4， HU Xia-song3*， LI Xi-lai5， LI Shi-zheng3
（1. Qinghai Academy of Agriculture and Forestry Sciences， Qinghai University， Xining， Qinghai Province 81006， China; 2. School of Civil Engineering and Architecture， Shaanxi University of Technology， Hanzhong， Shaanxi Province 723000， China; 3. Department of Geological Engineering， Qinghai University， Xining， Qinghai Province 810016， China; 4. Qinghai Institute of Salt Lakes， Chinese Academy of Sciences， Xining， Qinghai Province 810008， China; 5. College of Agriculture and Animal Husbandry， Qinghai University， Xining， Qinghai Province 810016， China）
Abstract：Xijitan giant landslide located in the Guide county，Qinghai，were selected as the study area;and two herbaceous species （Stipa aliena Keng and Poa araratica Trautv.） growing in such area were selected as the study species. Slope position and species were selected as the independent variables to test their impacts on the soil moisture content，soil natural density，the distribution of the species，and the biomechanical properties of roots of plants in the vegetative communities based on One-way ANOVA analysis. The results show that with slope position increasing，soil moisture content decreased and the slope toe had a higher soil moisture content，followed by slope top and slope middle，respectively. In the same slope position，sampling position leads to insignificant difference on the biomechanical properties of plant roots. However，slope position caused a significant difference on the biomechanical properties of roots，that is，with slope position increasing，the diameter，tensile resistance，and tensile strain at crack of P. araratica roots increased，whereas its tensile strength and Young’s modulus decreased. Conversely，this variation was totally different from that for S. aliena. Besides，compared to S. aliena，P. araratica had a higher variation in its diameter，tensile resistance and tensile strain at crack，but a lower variation in its tensile strength and Young’s modulus. The results could provide a theoretical basis for slope ecological restoration，soil erosion and shallow landslide prevention and control in arid and semi-arid areas of the upper Reaches of the Yellow River.
Key words：Upper regions of the Yellow River;Xijitan landslide;Slope position;Plant roots;Bio-mechanical property of roots
生態(tài)護(hù)坡作為一種生態(tài)防護(hù)措施可有效提高邊坡覆蓋度和土體強(qiáng)度，從而起到顯著提高邊坡抗侵蝕能力和穩(wěn)定性的作用[1-2]。采用生態(tài)防護(hù)技術(shù)對(duì)邊坡進(jìn)行防護(hù)主要通過植物地上莖葉水文效應(yīng)和地下根系力學(xué)效應(yīng)得以實(shí)現(xiàn)[1-2]。其中，力學(xué)效應(yīng)主要包括植物根系對(duì)邊坡土體的加筋、錨固以及牽引作用等[1-2]。已有研究表明，植物根系單根力學(xué)特性指標(biāo)（抗拉力、抗拉強(qiáng)度、拉伸極限應(yīng)變率和拉伸模量）以及根系結(jié)構(gòu)形態(tài)指標(biāo)（根徑、根長(zhǎng)/根系數(shù)量密度和根系面積比等）是定量評(píng)價(jià)根系提高土體強(qiáng)度的主要參數(shù)[1-4]。因此，明確植物根系力學(xué)特性指標(biāo)和根系結(jié)構(gòu)形態(tài)指標(biāo)，是準(zhǔn)確評(píng)價(jià)植物固土護(hù)坡貢獻(xiàn)的前提和關(guān)鍵。
相關(guān)研究表明，坡度、坡向等因素不僅可影響植物分布及其群落結(jié)構(gòu)還可以影響植物生物量分布以及植物根系結(jié)構(gòu)等[5-10]，而不同的根系結(jié)構(gòu)形態(tài)對(duì)邊坡穩(wěn)定性也不相同[11-12]。由此可認(rèn)為地形因素可直接影響植物群落結(jié)構(gòu)、植物生物量分配及根系結(jié)構(gòu)形態(tài)，進(jìn)而間接地影響其固土護(hù)坡效果。植物單根力學(xué)特性指標(biāo)作為衡量植物固土護(hù)坡力學(xué)效應(yīng)的另一主要因素是否一定程度地受到地形因子的影響，尚需進(jìn)一步深入探討。
坡位（坡頂、坡中和坡腳）作為丘陵地區(qū)地形因子的重要組成部分，可影響植物群落及其地上和地下生物量的分布[4-7]，而有關(guān)坡位對(duì)植物根系力學(xué)特性指標(biāo)的影響程度尚需進(jìn)一步研究。由此，本研究以位于黃河上游的席芨灘巨型滑坡為研究區(qū)，以生長(zhǎng)于不同坡位處優(yōu)勢(shì)植物為研究對(duì)象，對(duì)各坡位土體物理性質(zhì)指標(biāo)開展測(cè)定和優(yōu)勢(shì)植物根系開展單根拉伸實(shí)驗(yàn)，測(cè)定土體含水率、天然密度、土壤粒徑組成以及植物根系根徑、抗拉力、抗拉強(qiáng)度、拉伸極限應(yīng)變率和楊氏模量等指標(biāo)；在此基礎(chǔ)上，分別選取坡位和植物屬種為控制因子，并以土壤上述物理指標(biāo)和植物根系單根力學(xué)指標(biāo)為因變量，通過單因素方差分析，探討土壤物理指標(biāo)和植物根系力學(xué)特性指標(biāo)在不同坡位處的變化特征，并分別評(píng)價(jià)坡位對(duì)土壤物理指標(biāo)的影響及坡位和屬種差異對(duì)優(yōu)勢(shì)植物根系力學(xué)特性指標(biāo)影響。本研究結(jié)果可為研究區(qū)及黃河上游流域邊坡開展水土保持、生態(tài)保護(hù)提供理論依據(jù)和實(shí)際指導(dǎo)。
1 材料與方法
1.1 研究區(qū)概況及供試種植物采樣方法
研究區(qū)席芨灘滑坡（101°27′ E，36°06′ N，海拔約2 220～3 150 m）位于貴德盆地中部黃河北岸低山丘陵區(qū)，滑體前緣延伸至黃河沿岸，是貴德盆地滑坡群中方量最大的滑坡，具有多次發(fā)育的特點(diǎn)[13]。該滑坡區(qū)由新近系上新統(tǒng)砂巖、砂礫巖構(gòu)成，單層厚度約2 m，泥巖呈層狀分布，單層厚度約0.3～3 m，砂礫巖出露于山體下部，呈淺黃灰色，結(jié)構(gòu)致密，單層厚度約15～25 cm，山體表層土體干燥質(zhì)地堅(jiān)硬，遇水軟化[13]。此外，該滑坡地處貴德斷陷盆地的中部黃河北岸，德欽寺-阿什貢斷裂沿滑坡后壁處通過，該斷層走向?yàn)?90°，傾角為53～57°[13]。該滑坡體周圍地下水主要受大氣降水入滲補(bǔ)給，地下水類型屬孔隙水和裂隙水。該滑坡堆積體長(zhǎng)約7 200 m，寬約3 500 m，厚約65 m，方量達(dá)8.4×108m3，為新近系泥巖巨型滑坡[13]。
本研究采樣點(diǎn)位于主滑坡西南發(fā)育次級(jí)滑坡土丘上，該土丘高度約為50 m，朝向?yàn)槟希露燃s為15°～25°，土體類型以粉土為主。采樣點(diǎn)植物生長(zhǎng)區(qū)土體主要由黃土、風(fēng)化泥巖及砂礫石組成，土質(zhì)較為松散且含水率相對(duì)較低，該區(qū)域周邊土壤侵蝕較為強(qiáng)烈。區(qū)內(nèi)沿坡頂至坡腳處，植物數(shù)量、種類和生物量逐漸增多（如圖1A所示），故本研究分別選取坡頂、坡中和坡腳為采樣點(diǎn)（如圖1B所示），并對(duì)采樣點(diǎn)植物分布開展調(diào)查、鑒定和分類。植物采集方法根據(jù)文獻(xiàn)[14]進(jìn)行。采樣點(diǎn)主要植物為阿洼早熟禾（Poa araratica Keng.）、灰綠藜（Chenopodium glaucum L.）、異針茅（Stipa aliena Keng）、多裂駱駝蓬（Peganum multisectum （Maxim.） Bobr.）、西伯利亞三毛草（Trisetum sibiricum）、五柱琵琶柴（Reaumuria kaschgarica Rupr.）和珍珠豬毛菜（Salsola passerina Bunge）等。其中，阿洼早熟禾、異針茅、多裂駱駝蓬和珍珠豬毛菜為主要優(yōu)勢(shì)植物，多裂駱駝蓬為主根型草本植物[15]，其根系深入地下較深，珍珠豬毛菜為直根型半灌木植物[15]；而阿洼早熟禾及異針茅均為散生根型禾本科草本[15]，這2種草本根系相對(duì)較為密集。由于散生根植物早熟禾及異針茅在水土保持中的作用強(qiáng)于區(qū)內(nèi)根型為主根或直根的其它植物[16]，而多裂駱駝蓬和珍珠豬毛菜根系均埋藏較深且現(xiàn)場(chǎng)采集較為困難，本研究選取阿洼早熟禾及異針茅為試驗(yàn)對(duì)象。此外，需說明的是，阿洼早熟禾在區(qū)內(nèi)坡頂、坡中和坡腳處均有分布，而異針茅則主要在坡中和坡腳處分布。
1.2 研究方法
1.2.1 野外植物根系采集 在采集植物試樣前，首先確定擬采集植物，然后用鐵鎬將植物生長(zhǎng)范圍內(nèi)土體挖松，并以植物生長(zhǎng)中心為圓心，以植物生長(zhǎng)范圍為外緣外擴(kuò)10 cm，用鐵鏟將該范圍內(nèi)的土體全部挖出，再將該范圍內(nèi)的植物及根系全部采集，采用抖根的方式，將附著于根系上的土顆粒全部去除；最后，將植物放入大號(hào)自封袋中編號(hào)并保存于溫度為-4℃的環(huán)境中以防止根系發(fā)生腐爛。此外，為保證試驗(yàn)結(jié)果的可靠性，在每個(gè)坡位處均進(jìn)行2次平行采樣。此外，需說明的是從坡位角度考慮，本研究開展的平行實(shí)驗(yàn)重復(fù)數(shù)量較為有限，其原因在于該研究區(qū)植被分布較為稀疏，因此在基本滿足開展試驗(yàn)的前提下，還要實(shí)現(xiàn)合理保護(hù)區(qū)內(nèi)地表植被正常生長(zhǎng)和避免過度擾動(dòng)的目的。基于上述原則，在區(qū)內(nèi)采集試樣過程中，按照每個(gè)坡位選取了2個(gè)采樣點(diǎn)；與此同時(shí)，為確保數(shù)據(jù)的可靠性，本研究采取將每組試驗(yàn)的樣本數(shù)設(shè)定為60個(gè)。
1.2.2 試驗(yàn)方法 本研究植物生長(zhǎng)區(qū)土體含水率測(cè)定采用烘干法[17]，土體密度測(cè)定采用環(huán)刀稱重法[17]，土體類型確定采用篩分法并結(jié)合密度計(jì)法[17]，植物干質(zhì)量測(cè)定按照文獻(xiàn)[18]相關(guān)步驟開展。植物根系單根力學(xué)特性指標(biāo)（根徑、抗拉力、抗拉強(qiáng)度、極限拉伸應(yīng)變率和拉伸模量）測(cè)定及計(jì)算方法為：在開展單根拉伸試驗(yàn)之前，為避免植物根系因含水量差異對(duì)試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響，將供試植物根系放置于自來水中浸泡60 min，以確保供試根系含水率保持一致；然后，隨機(jī)選取長(zhǎng)度大于50 mm的單根為試驗(yàn)對(duì)象，將根段夾持于拉伸儀（上海衡冀HY-0580）后，啟動(dòng)儀器對(duì)其開展拉伸試驗(yàn)；待根段斷裂后，記錄其斷裂時(shí)的拉伸力（Fr）和相應(yīng)的拉伸長(zhǎng)度（Δl），并用數(shù)顯游標(biāo)卡尺測(cè)定其斷裂位置處根徑（分別測(cè)定3次，取其平均值dr）。為保證試驗(yàn)結(jié)果的可靠性，各試樣重復(fù)60次。單根抗拉強(qiáng)度（Tr）、單根拉伸極限應(yīng)變率（εr）和楊氏模量（Er）可通過如下公式（1）（2）和（3）進(jìn)行計(jì)算[19]。
式中，tr為單根抗拉強(qiáng)度（MPa）；Tr為單根斷裂時(shí)的抗拉力（N）；dr為單根根徑（mm）；εr為單根極限拉伸應(yīng)變率（%）；Δl為單根在軸向拉力作用下的伸長(zhǎng)量（mm）；l為根系的夾持長(zhǎng)度（mm）；Er為單根拉伸模量或楊氏模量（MPa）。
1.2.3 數(shù)據(jù)處理方法 首先，基于最小二乘法建立供試植物根徑與單根力學(xué)特性指標(biāo)關(guān)系，并以決定系數(shù)最大值所對(duì)應(yīng)的函數(shù)作為描述根徑與單根抗拉特性指標(biāo)關(guān)系的方程；其次，為確定同一坡位不同取樣位置對(duì)植物單根力學(xué)特性影響，以采樣位置為自變量（解釋變量），以單根力學(xué)特性指標(biāo)為響應(yīng)變量，通過單因素方差分析檢驗(yàn)采樣位置對(duì)植物根系各力學(xué)特性指標(biāo)的影響；最后，以坡位為自變量，以土體含水率和天然密度及根系力學(xué)特性指標(biāo)為響應(yīng)變量，借助于單因素方差分析檢驗(yàn)坡位對(duì)各植物根系不同力學(xué)特性指標(biāo)的影響；另外，數(shù)據(jù)處理使用軟件SPSS 12.0，采用R語(yǔ)言繪制相關(guān)圖件。
2 結(jié)果與分析
2.1 坡位對(duì)區(qū)內(nèi)植物多樣性影響
由表1可知，區(qū)內(nèi)3個(gè)坡位中，坡腳處植物數(shù)量小于坡中處，但其干質(zhì)量最大，主要植物為多裂委陵菜、阿洼早熟禾、異針茅、線葉嵩草，而坡中處植物數(shù)量相對(duì)最多，干質(zhì)量次之，主要植物為珍珠豬毛菜、多裂駱駝蓬、二裂委陵菜、五柱琵琶柴、阿洼早熟禾、線葉嵩草，而坡頂處植物數(shù)量和干質(zhì)量均最小，主要植物為珍珠豬毛菜、阿洼地早熟禾、線葉嵩草。
2.2 植物根徑與其單根力學(xué)指標(biāo)關(guān)系
圖2為區(qū)內(nèi)不同取樣位置阿洼早熟禾與異針茅單根根徑與其單根力學(xué)特性指標(biāo)間的函數(shù)關(guān)系。其中，A為根徑與抗拉力關(guān)系，B為根徑與抗拉強(qiáng)度關(guān)系，C為根徑與拉伸極限應(yīng)變率關(guān)系，D為根徑與楊氏模量關(guān)系。由該圖可知，2種植物單根抗拉力和拉伸極限應(yīng)變率均隨根徑呈指數(shù)或冪函數(shù)增加，而單根抗拉強(qiáng)度和楊氏模量則與根徑之間總體上呈負(fù)相關(guān)性關(guān)系，即隨根徑增加，單根抗拉強(qiáng)度和楊氏模量表現(xiàn)出指數(shù)或冪函數(shù)降低的變化特征，其擬合函數(shù)關(guān)系如表2所示。
2.3 取樣位置對(duì)植物單根力學(xué)特性指標(biāo)影響
表3為區(qū)內(nèi)不同坡位處供試植物根系力學(xué)特性指標(biāo)測(cè)定結(jié)果。由該表可知，對(duì)于阿洼早熟禾，在坡頂處其根徑、抗拉力和拉伸極限應(yīng)變率均最大，在坡中其根徑、抗拉力和抗拉強(qiáng)度均最小，而在坡腳處抗拉強(qiáng)度和拉伸模量最大，拉伸極限應(yīng)變率最小。對(duì)于異針茅，除拉伸模量外，坡腳處各值均大于坡中。此外，除個(gè)別指標(biāo)外，同一坡位不同采樣位置各指標(biāo)間未產(chǎn)生顯著性差異，該結(jié)果說明同一坡位不同采樣位置2種植物單根力學(xué)特性指標(biāo)未產(chǎn)生顯著性差異，如表3所示。
另外，進(jìn)一步對(duì)比2種供試植物相同采樣位置各指標(biāo)值可知，阿洼早熟禾在坡中處的根徑、抗拉力和拉伸極限應(yīng)變率大于異針茅，但其抗拉強(qiáng)度和拉伸模量小于異針茅，而生長(zhǎng)于坡腳處的阿洼早熟禾除拉伸模量和抗拉強(qiáng)度外，其余各指標(biāo)均小于生長(zhǎng)于坡腳處的異針茅。
2.4 坡位對(duì)區(qū)內(nèi)土壤物理性質(zhì)及植物根系力學(xué)特性指標(biāo)影響
2.4.1 坡位對(duì)土體物理性質(zhì)指標(biāo)影響 通過對(duì)比可知，隨坡位下降土體含水率由4.26%增至9.84%，且坡頂和坡中處土體含水率并未表現(xiàn)出顯著性差異；此外，土體天然密度在坡腳處最小，為1.02 g·cm-3，而在坡中處最大，且坡中與坡頂處未表現(xiàn)出顯著性差異（表4）。
2.4.2 坡位對(duì)植物單根力學(xué)特性指標(biāo)影響 對(duì)于阿洼早熟禾，在坡頂處其根徑顯著大于其它坡位（Plt;0.05），坡頂處根徑分別為坡中和坡腳處的1.09倍和1.07倍，且坡腳和坡中處差異不顯著（圖3A）；抗拉力在坡頂處最大，其次為坡腳處，且坡頂和坡腳處差異不顯著（圖3C）；抗拉強(qiáng)度在坡腳處最大，在坡中處最小，且在坡中和坡腳處差異顯著（Plt;0.05，圖3E）；拉伸極限應(yīng)變率在坡頂處最大，其次為坡中處，在坡腳處最小，且坡頂和坡中處差異不顯著（圖3G）；楊氏模量在坡腳處最大，其次為坡中處，在坡頂處最小，且坡頂和坡中處差異不顯著（圖3I）。通過上述分析可知，隨坡位由坡頂過渡至坡腳，阿洼早熟禾根徑、抗拉力和拉伸極限應(yīng)變率總體呈遞減變化，而抗拉強(qiáng)度和拉伸模量則呈增加的變化特征。
對(duì)于異針茅，坡腳處其根徑（圖3B）、抗拉力（圖3D）、抗拉強(qiáng)度（圖3F）和拉伸極限應(yīng)變率（圖3H）均高于坡中處，而楊氏模量（圖3 J）則低于其坡中處，且除抗拉強(qiáng)度外，其余指標(biāo)在相鄰組間均存在顯著差異（Plt;0.05）。
對(duì)2種植物在同一坡位處的單根力學(xué)特性指標(biāo)進(jìn)一步分析可知，阿洼早熟禾在坡中處根徑大于異針茅，而坡腳處則小于異針茅；相類似地，坡腳處生長(zhǎng)的異針茅抗拉力亦高于阿洼早熟禾，而坡中處阿洼早熟禾抗拉力略高于異針茅，其它指標(biāo)則在不同坡位處表現(xiàn)出基本相類似的變化規(guī)律。
2.5 植物類型對(duì)其單根力學(xué)特性影響
由圖4A、圖4D可知，區(qū)內(nèi)阿洼早熟禾根徑和拉伸極限應(yīng)變率均顯著高于異針茅（Plt;0.05），而阿洼早熟禾單根抗拉力則略大于異針茅（圖4B）。不同于上述3項(xiàng)指標(biāo)，阿洼早熟禾抗拉強(qiáng)度和楊氏模量均小于異針茅，但其顯著性則表現(xiàn)出不相同，其中抗拉強(qiáng)度未體現(xiàn)出顯著性差異（圖4C），而楊氏模量則表現(xiàn)出顯著性差異（Plt;0.05，圖4E）。
3 討論
3.1 研究區(qū)坡位對(duì)土壤物理指標(biāo)及植物分布影響
地形是塑造山區(qū)土壤和植被分布格局重要的環(huán)境因子[20-24]，其中坡位的差異可導(dǎo)致土壤水熱資源與生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)產(chǎn)生差異[20-24]，其結(jié)果將間接地影響坡面植物生長(zhǎng)發(fā)育以及對(duì)土壤容重、孔隙度、含水量及持水量等再分配[20-24]，使土壤和植被類型呈明顯的異質(zhì)性[20-24]。本研究結(jié)果表明，區(qū)內(nèi)坡頂和坡中處土壤含水率（lt;5.00%）顯著低于下坡位（9.84%），其原因在于坡腳處為一低洼凹地，而坡中處土壤含水率低于坡頂處的原因可能與取樣位置處光照條件及植物分布和植物根系形態(tài)有關(guān)，即坡中植物分布數(shù)量明顯高于坡頂處且坡中植物主要為珍珠豬毛菜和多裂駱駝蓬等灌草植物，其根系較為發(fā)達(dá)且根型為主直根型，該植物類型及根型對(duì)土壤水分的消耗高于以散生根型為主的阿洼早熟禾及異針茅等禾本科草本植物[25-26]，該結(jié)果與Su等[27]和Wang等[28]研究結(jié)果基本一致。上述學(xué)者認(rèn)為土壤剖面含水率受控于該區(qū)域植物密度和主直根型植物的分布，且在相同條件下，灌木生長(zhǎng)區(qū)土壤含水率通常低于草本植物生長(zhǎng)區(qū)[27-28]。此外，本研究中坡腳處土壤含水率顯著高于其它坡位，而其天然密度顯著低于其他坡位的主要原因在于坡腳位于已干涸的滑坡湖邊緣，該滑坡湖存在的植物腐殖質(zhì)及有機(jī)質(zhì)使其土壤密度較低且持水能力高于其他坡位[29-30]。
本研究中阿洼早熟禾在邊坡坡頂、坡中和坡腳3處均有廣泛分布，而異針茅僅分布于坡中和坡腳處，導(dǎo)致2種植物分布產(chǎn)生差異的主要原因可能在于不同坡位處土體含水率存在差異，有文獻(xiàn)[31-34]指出“坡位作為重要的地形因子，光照、溫度在不同坡位均不相同，它會(huì)影響地表土壤入滲和持水能力并影響地表淋溶、降水及蒸散發(fā)過程，進(jìn)而影響土壤水分動(dòng)態(tài)特征，使得同一坡面不同坡位處植物分布產(chǎn)生差異”。此外，阿洼早熟禾屬耐旱型禾本科早熟禾屬植物[35-36]，而同屬于禾本科的異針茅則主要分布于高寒草甸區(qū)[37-38]。2種植物表現(xiàn)出的不同分布格局可能與植物對(duì)不同坡位處含水量、土壤養(yǎng)分及光照適應(yīng)性有關(guān)。本研究中，坡頂、坡中和坡腳土壤含水率存在的差異可能是影響2種植物分布產(chǎn)生差異的原因之一。
3.2 取樣位置及坡位對(duì)植物根徑與其單根力學(xué)特性指標(biāo)關(guān)系的影響
本研究中，阿洼早熟禾、異針茅根系根徑與抗拉力和拉伸極限應(yīng)變率之間均存在正冪函數(shù)或正指數(shù)函數(shù)關(guān)系，而與抗拉強(qiáng)度和楊氏模量間則存在負(fù)冪函數(shù)或負(fù)指數(shù)函數(shù)關(guān)系，該結(jié)論與Wu等[3]，Vergani等[20]和Fan等[39]相關(guān)學(xué)者得到的研究結(jié)論基本一致。本研究中，同一坡位不同采樣位置處，植物根徑與同一指標(biāo)擬合函數(shù)的參數(shù)相差較為明顯，如阿洼早熟禾在坡頂不同采樣位置，其單根根徑與抗拉力關(guān)系分別為冪函數(shù)和指數(shù)函數(shù)關(guān)系，該結(jié)果說明根徑與抗拉力間表現(xiàn)出的關(guān)系是獨(dú)立于采樣位置的；相類似地，根徑與抗拉強(qiáng)度、拉伸極限應(yīng)變率和拉伸模量等其他指標(biāo)間的擬合關(guān)系亦存在類似的規(guī)律。
此外，需指出的是有關(guān)植物單根根徑與其拉伸極限應(yīng)變率和楊氏模量間函數(shù)關(guān)系的研究相對(duì)較少，其主要原因在于植物單根拉伸極限應(yīng)變率和楊氏模量不能直接應(yīng)用于Wu氏模型[1]。在實(shí)際情況中，植物根系與土體形成的根-土復(fù)合體受到外荷載時(shí)，植物根系和土體需同時(shí)發(fā)生形變，根系通過與土體的接觸界面與土體協(xié)同變形，共同承擔(dān)外荷載[1，3]。故在此過程中，明確植物根徑與其拉伸極限應(yīng)變率和楊氏模量之間的函數(shù)關(guān)系，從而準(zhǔn)確計(jì)算植物單根拉伸極限應(yīng)變率和楊氏模量是確保建立根-土協(xié)同變形模型的關(guān)鍵[1]。綜上所述，拓展植物單根拉伸極限應(yīng)變率和楊氏模量的研究深度，對(duì)于進(jìn)一步揭示植物根系與土體之間協(xié)同變形規(guī)律，建立更加準(zhǔn)確的根-土相互作用模型具有理論研究?jī)r(jià)值。
3.3 坡位對(duì)植物單根力學(xué)特性影響
按照Wu氏模型關(guān)系表達(dá)式，植物根系對(duì)土體抗剪強(qiáng)度的貢獻(xiàn)主要包括2個(gè)方面，即植物根系面積比（Root sectional area ratio to rooted soil sectional area，RAR）和單根平均抗拉強(qiáng)度[1]。其中，諸多因素可影響植物單根平均抗拉強(qiáng)度，例如根系含水量[3]、植物生長(zhǎng)環(huán)境[3，20，40]、生長(zhǎng)時(shí)間[41]以及實(shí)驗(yàn)條件[3，20，42]等（如標(biāo)距、加載速率等因素）。就植物生長(zhǎng)環(huán)境對(duì)植物根系拉伸特性而言，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已開展了大量相關(guān)研究，但植物根徑作為生態(tài)護(hù)坡中衡量植物根系固土護(hù)坡效果相對(duì)直觀的指標(biāo)之一，其在不同坡位的分布規(guī)律及其特征方面的研究則有待于進(jìn)一步加深，并由此所產(chǎn)生的根系力學(xué)特性響應(yīng)亦需進(jìn)一步探討。
本研究中，2種供試植物根徑及其根系力學(xué)特性在不同坡位表現(xiàn)出不同的變化規(guī)律，如阿洼早熟禾根徑、抗拉力和拉伸極限應(yīng)變率隨坡位升高表現(xiàn)出增加的變化規(guī)律，而抗拉強(qiáng)度和楊氏模量則表現(xiàn)出降低的變化規(guī)律；相反地，異針茅隨坡位升高，其根徑、抗拉力和拉伸極限應(yīng)變率均表現(xiàn)出降低，而抗拉強(qiáng)度和楊氏模量則表現(xiàn)出增加的變化特征，導(dǎo)致這2種供試植物根系力學(xué)特性指標(biāo)表現(xiàn)出差異的原因可能與植物生長(zhǎng)環(huán)境有關(guān)系，例如高坡位處土壤大粒徑顆粒含量較高，土壤含水率、小粒徑土壤以及養(yǎng)分含量較低[14，43]，這些因素均構(gòu)成了植物生長(zhǎng)環(huán)境的差異，從而導(dǎo)致相同植物在不同生長(zhǎng)環(huán)境下根系力學(xué)特性指標(biāo)表現(xiàn)出不同的特性[44]。以上2種草本植物根系力學(xué)特征在相同坡位表現(xiàn)出不同的變化趨勢(shì)，一定程度上意味著在與區(qū)內(nèi)氣候環(huán)境相類似的地區(qū)開展植被生態(tài)恢復(fù)篩選先鋒植物種時(shí)，需考慮不同植物對(duì)坡位變化的適宜性，以便提高生態(tài)恢復(fù)效率。
3.4 植物屬種差異對(duì)植物根系力學(xué)特性影響
本研究中，異針茅和阿洼早熟禾屬種間的差異是導(dǎo)致其根徑、抗拉力、抗拉強(qiáng)度、極限拉伸應(yīng)變率和拉伸模量產(chǎn)生差異的主導(dǎo)性因素之一。植物根系力學(xué)特性主要由其根系化學(xué)組分（木質(zhì)素、纖維素、半纖維素、果膠質(zhì)）含量及各組分含量比例決定的，如生長(zhǎng)于不同環(huán)境的同種植物根系力學(xué)特性表現(xiàn)出的差異主要是由其根系木質(zhì)素、纖維素、半纖維素和果膠質(zhì)的差異所決定的[45-46]，且植物根系抗拉力與其纖維素含量、半纖維含量、綜纖維素含量間呈正相關(guān)關(guān)系，而與木質(zhì)素含量和木質(zhì)素與纖維素含量比存在負(fù)相關(guān)性，同時(shí)抗拉強(qiáng)度與纖維素含量、半纖維含量、綜纖維素含量之間呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，與木質(zhì)素含量、木質(zhì)素與纖維素含量比存在正相關(guān)性[47，48]。
4 結(jié)論
隨坡位上升，土壤含水率由9.84%遞減至4.26%，坡腳土壤含水率顯著高于其他坡位，阿洼早熟禾在坡頂、坡中和坡腳均有分布，而異針茅僅分布于坡腳和坡中；阿洼早熟禾及異針茅根徑與其單根力學(xué)指標(biāo)關(guān)系均可由冪函數(shù)或指數(shù)函數(shù)進(jìn)行描述，且該函數(shù)關(guān)系不依賴于采樣點(diǎn)位置的選擇；在相同坡位不同采樣位置，阿洼早熟禾、異針茅單根力學(xué)特性指標(biāo)總體未表現(xiàn)出顯著性差異；相比較于異針茅，阿洼早熟禾根徑、抗拉力和拉伸極限應(yīng)變率相對(duì)較高，而其抗拉強(qiáng)度和楊氏模量則表現(xiàn)出較低的特征。
參考文獻(xiàn)
[1] GARY D H，ANDREW T L. Biotechnical slope protection and erosion control[M]. New York：Van Nostrand Reinhold Company，1982：37-54
[2] 付江濤，李光瑩，虎嘯天，等. 植物固土護(hù)坡效應(yīng)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J]. 工程地質(zhì)學(xué)報(bào)，2014，22（6）：1135-1146
[3] WU Z，LEUNG AK，BOLDRIN D，et al. Variability in root biomechanics of Chrysopogon zizanioides for soil eco-engineering solutions[J]. Science of The Total Environment，2021（776）：145943
[4] CHEN Y，TANG H，HE B H，et al. Root tensile strength of terrace hedgerow plants in the karst trough valleys of SW China：Relation with root morphology and fiber content[J]. International Soil and Water Conservation Research，2022，10（4）：677-686
[5] 趙鵬，屈建軍，徐先英，等. 長(zhǎng)江源區(qū)沙化高寒草地植被群落特征及其與地形因子的關(guān)系[J]. 生態(tài)學(xué)報(bào)，2019，39（3）：1030-1040
[6] CAO W M，LIU T X，WANG X X，et al. Effects of soil properties on vegetation community composition across a semiarid ecosystem [J]. Journal of Arid Environments，2022，198：104700
[7] 張彩霞，趙文勤，黨寒利，等. 準(zhǔn)噶爾盆地南緣不同坡向?qū)Χ堂参锷锪糠峙浜突瘜W(xué)計(jì)量特征的影響[J]. 西北植物學(xué)報(bào)，2021，41（1）：151-158
[8] FERRARI F R，SCHAEFER C，PEREIRA A B，et al. Coupled soil-vegetation changes along a topographic gradient on King George Island，maritime Antarctica[J]. Catena，2021（198）：105038
[9] DAR A A，PARTHASARATHY N. Community associations and ecological drivers of understory vegetation across temperate forests of Kashmir Himalayas，India[J]. Trees，F(xiàn)orests and People，2022，8：100217
[10]LI Q，SHI X Y，WU Q Q. Exploring suitable topographical factor conditions for vegetation growth in Wanhuigou catchment on the Loess Plateau，China：A new perspective for ecological protection and restoration[J]. Ecological Engineering，2020，158：106053
[11]ANTONINO D I，BRUNO L，GABRIELLA S S，et al. Root system architecture of Quercus pubescens trees growing on different sloping conditions[J]. Annals of Botany，2005，95：351-361
[12]FAN C C，TSAI M H. Spatial distribution of plant root forces in root-permeated soils subject to shear[J]. Soil and Tillage Research，2016，156：1-15
[13]趙無忌. 黃河上游貴德盆地滑坡泥石流扇發(fā)育特征及地貌演化過程[D]. 北京：中國(guó)地質(zhì)大學(xué)，2015：52-63
[14]DAI L C，GUO X W，KE X，et al. Moderate grazing promotes the root biomass in Kobresia meadow on the northern Qinghai-Tibet Plateau[J]. Ecology and Evolution，2019，9（16）：9395-9406
[15]錢崇澍，陳煥鏞. 中國(guó)植物志[EB/OL]. http：//www.iplant.cn/frps，2022-11-06
[16]李華坦，趙玉嬌，李國(guó)榮，等. 寒旱環(huán)境黃土區(qū)植物護(hù)坡原位模擬降雨實(shí)驗(yàn)研究[J]. 水土保持研究，2014，21（6）：304-311
[17]交通部公路科學(xué)研究生院. JTG E40-2007 公路土工試驗(yàn)規(guī)程[S]. 北京：人民交通出版社，2007：31-81
[18]王巖松. 生物炭對(duì)黃土陡坡土壤改良與植物生長(zhǎng)影響的研究[D]. 北京：北京林業(yè)大學(xué)，2020：8
[19]付江濤，李曉康. 垂穗披堿草根系力學(xué)特性統(tǒng)計(jì)分析[J]. 山地學(xué)報(bào)，2020，38（6）：894-903
[20]VERGANI C，CHIARADIA E A，BISCHETTI G B. Variability in the tensile resistance of roots in alpine forest tree species[J]. Ecological Engineering，2012（46）：43-56
[21]張夢(mèng)旭，劉蔚，朱猛，等. 祁連山森林草原帶土壤屬性和植被生物量對(duì)坡向和坡位的響應(yīng)[J]. 冰川凍土，2021，43（1）：233-241
[22]盧立娜，趙雨興，胡莉芳，等. 沙棘（Hippophae rhamnoides Linn）種植對(duì)鄂爾多斯砒砂巖地區(qū)土壤容重、孔隙度與貯水能力的影響[J]. 中國(guó)沙漠，2015，35（5）：1171-1176
[23]張星星，劉小芳，趙勇鋼，等. 黃土丘陵區(qū)檸條坡地水分空間異質(zhì)性及其主控因素[J]. 中國(guó)水土保持科學(xué)（中英文），2020，18（6）：24-32
[24]石春茂，羅婭，楊勝天，等. 干熱河谷區(qū)不同坡位土壤水分對(duì)降雨的響應(yīng)特征[J]. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，2022，33（5）：1352-1362
[25]ZHANG Z D，HUANG M B. Effect of root-zone vertical soil moisture heterogeneity on water transport safety in soil-plant-atmosphere continuum in Robinia pseudoacacia[J]. Agricultural Water Management，2021，246：106702
[26]WANG K，MA Z，ZHANG X，et al. Effects of vegetation on the distribution of soil water in gully edges in a semi-arid region[J]. Catena，2020，195：104719
[27]SU B Q，SHANGGUAN Z P. Decline in soil moisture due to vegetation restoration on the Loess Plateau of China[J]. Land Degradation and Development，2018，30（3）：290-299
[28]WANG C，WANG S，F(xiàn)U B J，et al. Soil moisture variations with land use along the precipitation gradient in the north-south transect of the Loess Plateau[J]. Land Degradation and Development，2017，28（3）：926-935
[29]ALFRED O，JAN M，VEGARD M，et al. In situ effects of biochar on aggregation，water retention and porosity in light-textured tropical soils[J]. Soil and Tillage Research，2016，155：35-44
[30]REHMAN A，NAWAZ S，ALGHAMDI H A，et al. Effects of manure-based biochar on uptake of nutrients and water holding capacity of different types of soils [J]. Case Studies in Chemical and Environmental Engineering，2020，2：100036
[31]LIN Y M，CUI P，GE Y G，et al. The succession characteristics of soil erosion during different vegetation succession stages in dry-hot river valley of Jinsha River，upper reaches of Yangtze River[J]. Ecological Engineering，2014，62：13-26
[32]郭利軍，王百田，王旭虎. 晉西黃土區(qū)土地利用類型對(duì)陽(yáng)坡土壤水分特征的影響[J]. 應(yīng)用與環(huán)境生物學(xué)報(bào)，2020，26（3）：643-648
[33]RIGBY J R，PORPORATO A. Simplified stochastic soil-moisture models：a look at infiltration[J]. Hydrology Earth System Science Discussion，2019，3（4）：861-871
[34]CASALINI A I，BOUZA P J，BISIGATO A J. Geomorphology，soil and vegetation patterns in an arid ecotone[J]. Catena，2019，174：353-361
[35]田莉華，周青平，盧素錦，等. 不同種類早熟禾苗期抗旱性綜合評(píng)價(jià)[J]. 草地學(xué)報(bào)，2017，25（3）：561-566
[36]唐紅，孫吉雄，李福源，等. 干旱脅迫對(duì)青海游憩草地質(zhì)量的影響[J]. 草業(yè)科學(xué)，2009，26（6）：159-165
[37]陳子萱，田福平，鄭陽(yáng). 施肥對(duì)瑪曲高寒沙化草地主要植物種生態(tài)位的影響[J]. 草地學(xué)報(bào)，2011，19（5）：884-888
[38]韓天虎，趙忠，王安祿，等. 青藏高原東緣異針茅草地群落組成及生產(chǎn)力研究[J]. 草業(yè)學(xué)報(bào)，2007（6）：62-66
[39]FAN C，SU C F. Role of roots in the shear strength of root-reinforced soils with high moisture content[J]. Ecological Engineering，2008，33（2）：157-166
[40]BOLDRIN D，LEUNG A K，BENGOUGH A G. Root biomechanical properties during establishment of woody perennials[J]. Ecological Engineering，2017，109：196-206
[41]劉昌義，胡夏嵩，趙玉嬌，等. 寒旱環(huán)境草本與灌木植物單根拉伸實(shí)驗(yàn)強(qiáng)度特征研究[J].工程地質(zhì)學(xué)報(bào)，2017，25（1）：1-10
[42]ZHANG C B，ZHOU S，CHEN L H，et al. Effects of gauge length and strain rate on the tensile strength of tree roots[J]. Trees，2012，26：1577-1584
[43]DAI L C，GUO X W，KE X，et al. The variation in soil water retention of alpine shrub meadow under different degrees of degradation on northeastern Qinghai-Tibetan Plateau[J]. Plant and Soil，2021，458：231-244
[44]LIKITLERSUANG S，PHAN T N，BOLDRIN D，et al. Influence of growth media on the biomechanical properties of the fibrous roots of two contrasting vetiver grass species[J]. Ecological Engineering，2022，178：106574
[45]GENET M，STOKES A，SALIN F，et al. The influence of cellulose content on tensile strength in tree roots[J]. Plant and Soil，2005，278：1-9
[46]喬娜，余芹芹，盧海靜，等. 寒旱環(huán)境植物護(hù)坡力學(xué)效應(yīng)與根系化學(xué)成分響應(yīng)[J]. 水土保持研究，2012，19（3）：108-113
[47]呂春娟，陳麗華. 華北典型植被根系抗拉力學(xué)特性及其與主要化學(xué)成分關(guān)系[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2013，29（23）：69-78
[48]ZHANG C B，CHEN L H，JIANG J. Why fine tree roots are stronger than thicker roots：The role of cellulose and lignin in relation to slope stability[J]. Geomorphology，2014，206：196-202
（責(zé)任編輯 閔芝智）
