三峽庫區(qū)幾種耐水淹植物根系力學特征與土壤抗剪強度

徐少君++曾波++類淑桐

摘要：為明確耐水淹植物根系的力學特征及其對土壤抗剪強度的增強效應，研究了10種耐水淹植物根系的根體積密度、不同徑級的最大抗拉力，計算了各物種根系的平均抗剪強度、對土壤的抗剪強度理論增強值，并測量了根系對土壤的抗剪強度實際增強值。研究發(fā)現：①不同耐水淹物種根系的平均最大抗拉力和平均抗剪強度差異較大，它們的值分別在4.25～14.81 N及6.55～28.94 MPa之間，其中，甜根子草的平均最大抗拉力最大，達到了14.81 N，顯著高于其他所有物種；狗牙根和香附子有較大的平均抗剪強度，分別為28.94和22.06 MPa，顯著高于其他物種，而空心蓮子草最低。②不同物種根系的最大抗拉力隨根系徑級的增加而增大，其關系均符合冪函數方程y=axb（P<0.001）；③不同物種根系的抗剪強度隨徑級的變化而變化，除卡開蘆、牛鞭草和秋華柳外，其變化特征符合方程y=a+bx+cx2（P<0.05）；④不同物種的根系對土壤抗剪強度的增強值不一樣，就理論值而言，香附子增加值最大，其值為1.16 MPa，顯著高于其他物種，其次為荻和香根草等；從實際測量值來看，香附子對土壤抗剪強度增加值也最大，其值達到了27.52 MPa，顯著高于其他物種，其次為荻和香根草等。結果表明，植物根系的最大抗拉力及抗剪強度與根系的徑級關系密切；根系對土壤抗剪強度的增強值與根系的抗剪強度密切相關，實際應用Wu-Waldron模型還需考慮其他因素的影響；香附子具有較強的增強土壤抗剪能力，其次為荻和香根草等，空心蓮子草和狗牙根的增強作用相對較弱。

關鍵詞：三峽庫區(qū)消落區(qū)；抗剪強度；根系力學特征；根系徑級

中圖分類號：S157；Q948 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2016）18-4664-07

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.18.012

消落區(qū)是指因水位周期性變動而形成的一段特殊區(qū)域，三峽庫區(qū)形成以后，在庫區(qū)兩岸會形成最高垂直落差達30 m、長約600 km的消落區(qū)[1，2]。按照三峽工程調度方案和受庫區(qū)自然氣候的影響，三峽庫區(qū)消落區(qū)將要長期遭受冬春季不同強度的水淹和夏秋季較強的雨水及其形成地表徑流的沖蝕，長期水淹會造成消落區(qū)內原有植被的退化，進而也會影響庫區(qū)庫岸邊坡土體的穩(wěn)定，甚至會出現坡體崩塌的風險。

大量的工程實踐和室內試驗表明，土體的破壞大多數是剪切破壞，土體受到剪切破壞時會產生抵抗這種破壞的抗剪切力，單位土體產生的抵抗土體剪切破壞時最大阻抗力，稱為土壤抗剪強度，是一個反映土體抗崩塌、抗滑坡的重要指標[3]。土壤的抗剪強度符合庫侖定律[4]：

S=σtanФ+C （1）

其中，S表示土壤的抗剪強度（kPa），σ為法向應力（kPa），垂直于剪切力方向；Ф為土壤內磨擦角，C為土壤粘聚力（kPa）。植物可以通過地下的根系來錨固坡體、增加土壤的抗剪強度。植物根系增強土體抗剪強度普遍采用Wu-Waldron模型[5，6]（圖1），假設根的表面受到足夠的摩擦力和約束力使根不被拉出，當土體中有剪切力發(fā)生時，根被拉斷的瞬間發(fā)揮出最大抗拉力F和抗剪強度Tr，結合庫侖定律，根土復合體抗剪強度的增量為：

ΔS=Tr·sinθ+Tr·cosθ=Tr（sinθ+cosθ·tanФ） （2）

對穿過剪切面上所有發(fā)揮作用的根系而言，土體抗剪強度的增量則變?yōu)椋?/p>

ΔS=TR（AR/AS）（sinθ+cosθ·tanФ） （3）

Wu等[6，7]在野外及室內試驗基礎上，發(fā)現（sinθ+cosθ·tanФ）對θ、Ф的通常變化范圍（40°≤θ≤70°，20°≤Ф≤40°）不敏感，其值基本保持在1.0～1.3范圍內，因此，穿過剪切面上的所有根系對土體抗剪強度的增量通常簡寫為：

ΔS=1·2TR（AR/AS） （4）

其中，TR為穿過剪切面所有發(fā)揮作用的根系平均抗剪強度，AR為剪切面上所有發(fā)揮作用的根系截面積之和，AS為土體截面積，AR/AS為剪切面上所有發(fā)揮作用的根系截面積之和與土體截面積之比，稱為根面積比。在實際應用中，根體積比具有較好的可操作性，因此研究者用根體積比（單位土壤體積中的根系體積）替換根面積比[8]，即AR/AS=（AR·h）/（AS·h）=VR/VS，（VR為所有根系的體積，VS為根系所占土壤的體積，h表示根系及土壤的所占體積的高度），則公式（4）變?yōu)椋?/p>

ΔS=1·2TR（VR/VS） （5）

土體邊坡的不穩(wěn)定通常分為淺層滑坡和深層滑坡，與深層滑坡相比，淺層滑坡發(fā)生的頻率較大，并與植被關系密切[3，9]。利用植被尤其是林木樹種來穩(wěn)定河流及庫岸邊坡已有多年的研究經驗[8，10-13]，然而三峽庫區(qū)消落區(qū)水淹的深度和強度是罕見的，為兼顧對庫區(qū)航運安全的影響，利用高大或挺水樹木的風險也隨之增加，因而利用耐水淹的草本植物或低矮的灌木，在消落區(qū)內人工構建耐水淹植物被認為是保護三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境的重要措施之一[14，15]。生長在三峽自然消落區(qū)的植被，對長年河流自然汛期水位漲落已有了一定的適應能力，應該是構建庫區(qū)消落區(qū)的潛在備選物種，但這些物種根系的力學特征及其與土壤抗剪強度的增強效應的相關研究鮮有報道。因此，本研究對10個物種根系的最大抗拉力、抗剪強度、根系徑級及其增強土壤抗剪能力進行研究，明確其根系的力學特征，增加土壤抗剪強度的能力，使用Wu-Waldron模型直接判斷植被根系增強土壤抗剪強度強弱的可能性，進而為三峽消落區(qū)植被的篩選和構建、保護庫岸邊坡的穩(wěn)定等研究提供必要的建議和幫助。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

除香根草（Vetiveria zizanioides）外，所選的物種均為自然生長于三峽庫區(qū)江（庫）岸及其支流的常見植物，分別為荻（Triarrhena sacchariflora）、狗牙根（Cynodon dactylon）、空心蓮子草（Alternanthera philoxeroides）、卡開蘆（Phragmites karka）、牛鞭草（Hemarthria compressa）、秋華柳（Salix variegata）、甜根子草（Saccharum spontaneum）、香附子（Cyperus rotundus）、野古草（Arundinella anomala）等，它們對河流自然汛期水位漲落已有了一定的適應能力，部分物種已被證實具有一定的耐水淹和固坡護岸能力[16-18]，可用于三峽庫區(qū)消落帶植被構建的優(yōu)先考慮物種。

1.2 試驗設計

首先采集目標物種當年生幼苗（新生分蘗），秋華柳為一年生的實生苗，分別種植于直徑20 cm、深15 cm的有相同土質花盆中，每目標物種種20盆，設置相同土質的無植株花盆做為對照，并置于相同的生長環(huán)境。在植株恢復生長期間，實行除草澆水等常規(guī)管理。植物生長成成年植株后進行根系力學試驗。

1.3 根系力學指標的測定

1.3.1 根系-土壤復合體抗剪強度 使用現場葉片測試儀（Eijkelkamp Agrisearch Equipment Model 14.05）測量不同物種的根系-土壤復合體及空白對照的土壤抗剪強度，植物根系增強土壤抗剪強度的增加值則為兩者的差值。

1.3.2 根系最大抗拉力 根系的最大抗拉力是指根系所能承受的最大拉力，其值等于拉斷根系時的外力。本研究利用數字測力儀（SHIMPO FGJ-5）測量根系拉斷時所需的最大外力，從而得到根系的最大抗拉力。具體過程如下：先將植物的根系用清水洗干凈后，用自制的設備固定根系的一端，再將其懸掛在固定于鐵架臺上的數字測力儀的掛鉤上；然后用外力作用于根系的另一端，由小變大，直到拉斷根系，從而讀出根系斷裂時的最大拉力（圖2）；最后使用游標卡尺測量根系拉斷處的直徑大小。

1.3.3 根系的抗剪強度 利用根系最大抗拉力和根系拉斷處的直徑，計算出根系的抗剪強度，公式為Tr=F/（π（D/2）2）。

1.3.4 根體積比 根體積的測定使用根系分析系統(tǒng)（WinRHIZO Pro. 2004c）來完成，土體的體積根據試驗中花盆的容積來計算。

2 結果與分析

2.1 根系最大抗拉力

2.1.1 根系平均最大抗拉力 甜根子草根系的平均最大抗拉力為14.81 N，顯著高于其他物種（P<0.05），狗牙根根系平均最大抗拉力值最小，為4.25 N，其次為牛鞭草，并且兩者根系的平均最大抗拉力值均顯著低于其他8個物種（P<0.05），荻、空心蓮子草、卡開蘆、秋華柳及香根草等的根系平均最大抗拉力較接近，最大抗拉力值在11 N左右（圖3）。

2.1.2 根系最大抗拉力與徑級 10種耐水淹植物根系的最大抗拉力，均隨著根系徑級的增大而增大，雖然其增強的幅度不盡相同，但都符合冪函數關系，即F=mDn，F為最大抗拉力，單位為N；D為根系的直級，單位為mm；公式中的m、n為常數。就這10個物種而言，m值在5.126～14.684之間，n值則在1.201～2.231之間（圖4）。此外，圖中還可以看出物種地下部分的徑級分布范圍集中在0.1～4.0 mm之間，但物種之間還有明顯的不同，如狗牙根和牛鞭草的根系徑級在1 mm以下，而空心蓮子草的地下部分的徑級則達到了4 mm左右。

2.2 根系抗剪強度

2.2.1 根系平均抗剪強度 10種耐水淹物種根系的平均抗剪強度各不相同，其值集中在6～29 MPa之間（圖5）。其中狗牙根根系的平均抗剪強度值最大，其值達到了28.94 MPa，顯著高于其他9個種；其次為香附子，為22.06 MPa，也與其他9個種之間有顯著性差異；空心蓮子草的值最小，為6.55 MPa，顯著低于其他所有物種的平均抗剪強度。荻、卡開蘆和香根草的根系抗剪強度無顯著差異，而牛鞭草、秋華柳及野古草之間無顯著差異。

2.2.2 根系抗剪強度與徑級 結果顯示（圖6），根系的抗剪強度隨著徑級的變化而變化，除卡開蘆、牛鞭草外，其他7個物種的根系抗剪強度與根系徑級之間符合二次線性回歸關系，牛鞭草的則呈冪函數關系。各物種之間的變化趨勢不盡相同，荻、空心蓮子草、香附子、秋華柳、香根草及野古草根系的抗剪強度先隨著根系徑級的增大而減小，后又隨著徑級的增大而增大，它們分別在徑級約1.14、2.65、1.08、1.40、1.08和0.86 mm處出現拐點；狗牙根和甜根子草根系的抗剪強度則表現出與荻相反的趨勢，即先增大后減小，拐點分別出現在徑級的約0.43和1.08 mm處，卡開蘆根系抗剪強度沒有呈現出較明顯的變化趨勢。

2.3 根系抗剪強度與土壤抗剪強度增強值

2.3.1 理論抗剪強度增強值 由式（5）所得到的10種耐水淹物種對土壤的抗剪強度增強值的范圍在0.074～1.162 MPa，其中香附子的增強值最大，達到了1.162 MPa，顯著高于其他9個物種，其次為荻和野古草，分別為0.599和0.595 MPa，狗牙根和空心蓮子草的理論增強值最小，僅為0.074和0.077 MPa（圖7）。

2.3.2 實測抗剪強度增強值 用現場葉片測試儀獲取的根系對土壤剪切強度實際增強值的范圍在9.479～27.521 MPa之間，其值遠遠高于理論增強值，特別是香附子，更為明顯。就實測值來看，香附子根系對土壤抗剪強度增強值最大，達到了27.521 MPa，均顯著高于其他9個物種的增強值；秋華柳的值最小，為9.48 MPa（圖7）。除空心蓮子草外，其他所有物種的理論值和實測值之間的變化趨勢一致（圖7），即實際抗剪強度增強值與理論抗剪強度增強值呈正相關，符合線性回歸（圖8）。

3 討論

植物根系主要由纖維素、半纖維素、木質素、蛋白質和果膠等物質組成，具有擴張、抗壓和抗曲折性能，起堅固和支持作用。隨著根系直徑的不斷增大，纖維素和木質素在徑向和軸向都明顯增加，從而表現為根系的抗拉力和抗剪強度隨根系直徑增大而增大[19]。本研究關注的10個物種的細根，其最大抗拉力與根系徑級之間呈冪函數關系，且均表現出這種規(guī)律，但根系的抗剪強度并未出現這種趨勢，抗剪強度和徑級之間多呈現出二次函數的關系，即每一個物種在某一個徑級處出現一拐點。其中的5個物種，即荻、空心蓮子草、香附子、香根草和野古草，在拐點前表現出根系的抗剪強度隨根系的徑級增加反而減小的趨勢，這也從另一角度說明，就單根而言，細根對土壤抗剪強度的增加貢獻很大，其“加筋”作用明顯。植物根系抗拉、抗剪等力學特性與其微觀結構、化學組分存在相關性，又由于不同物種的根系結構上差異較大，又在不同生理狀態(tài)和不同生長環(huán)境下，根系材料的力學性質差異很大，所以很多的研究成果出現較大的差別。

根系是影響土壤理化性質的最重要的因素之一[20]，就根系力學特征對土壤抗剪強度的貢獻來講，植物根系中的粗根和細根對土壤抗剪強度的貢獻不盡相同。細根的徑級較小，但與土壤接觸緊密，所以在土壤受到外力作用時，其與土壤的磨擦力較大而不易被拉出，首先發(fā)揮抗剪作用。粗根則相反，當細根被拉斷時，其與土壤的磨擦力減小，在土體受到外力剪切時，易被拉出而不能發(fā)揮出抗剪作用，此時發(fā)揮抗剪的主要是土壤本身。可見細根在對土壤的抗剪強度增強上貢獻較大，所以研究者在對根系固坡的研究中，只測定根系中的細根[21-23]。然而，粗根對土壤抗剪強度的增加也是有較大貢獻的，主要表現在：當細根發(fā)揮抗剪作用時，由于彈力，延展等作用，反作用于粗根，粗根再帶動其他的細根發(fā)揮出抗剪增強作用，也就是說粗根在整體發(fā)揮抗剪作用中起到了關鍵作用。從Wu-Waldron模型可以看出，根系土壤抗剪強度的增強，不僅決定于根系的平均抗剪強度，還取決于根系在土壤剪切面上的根量。本研究中，狗牙根根系的平均抗剪強度最大，并顯著高于其他9個物種，但其根系的總根量較小，所以對土壤的抗剪強度增強值最小，秋華柳也有類似的特點。香附子根系的平均抗剪強度較大，顯著高于除狗牙根外的其他8個物種，并且有較多的根量，所以它對土壤抗剪強度的增強作用最為明顯。在本研究的物種中，荻和卡開蘆均有發(fā)達的地下根狀莖，這些根狀莖在整個根系發(fā)揮抗剪切作用上，也會起到不同程度的增強作用，因此，盡管只對它們的細根進行了測量和研究，但它們的整個根系對土壤抗剪強度的貢獻應該很大，應該說這些物種在構建消落區(qū)中都能很好地發(fā)揮增強土壤穩(wěn)定、防止滑坡的重要作用。

Wu-Waldron模型很好地解釋了根系力學特征對土壤抗剪強度的增強原理，然而，影響土壤抗剪強度的因素是多方面的。研究表明，植物細根不斷地生長、死亡并迅速分解，死亡細根的分解產物，以及活細根周圍所產生的糖類、有機酸等根際分泌物，都是土粒之間團聚的膠結物質，這種生理作用改變土壤的理化性質，增加土壤的內聚力、增大聚合水溶性顆粒等，進一步增強了土壤的抗剪能力[24]。因此，本研究中，由Wu-Waldron模型所得出的根系抗剪強度理論增強值要小于根系對土壤抗剪強度的實際測量值，從兩者之間相關系數值遠高于他人的研究結果[25]來看，說明根系對土壤抗剪強度的增強不僅僅是根系力學本身，根系對土壤的理化作用也是不容忽視的。此外，有研究顯示，土壤抗剪強度隨著土壤含水量的增加而減小[26]，而根系對土壤抗剪強度的增加是隨著土壤含水量增加而加強[25]，這意味著土壤含水量較低時，土壤本身的理化特征是發(fā)揮抗剪強度的主要因素，而在含水量增強時，土壤本身的抗剪能力下降，此時根系對土壤抗剪能力的貢獻就明顯加強。植物體在作為“土壤-植物-大氣”連續(xù)體中的一個重要環(huán)節(jié)，植物可以通過蒸騰作用使根系吸收土壤中過多的水分，降低土壤含水量，從而起到增強土壤抗剪強度的作用[27-29]。在本研究中，Wu-Waldron模型中的根面積比（RAR）測定時，擁有須根系的草本植物相對于有主根系的林木或灌木來說，測量要困難得多，而以往的研究也多集中在護坡的樹木或灌林上，所以在本研究中以根體積比來代替根面積比，這對Wu-Waldron模型的運算結果也產生一定的影響。

4 結論

10種耐水淹物種根系的最大抗拉力隨著根系的徑級增加而增大，且符合方程y=axb；根系的抗剪強度與根系的徑級關系較為復雜，荻、空心蓮子草、香附子、香根草和野古草的根系抗剪強度隨著徑級的增大先減小后增大，狗牙根、秋華柳和甜根子草則有相似的特點，它們根系的抗剪強度隨著徑級的增大先升高后降低，這8個物種的抗剪強度與徑級之間符合方程y=a+bx+cx2，而牛鞭草則呈冪函數的關系。相比較而言，甜根子草的根系有著最大的抗拉能力，狗牙根、牛鞭草等有著較小的抗拉能力；在抗剪強度方面，狗牙根和香附子的根系抗剪能力較強，空心蓮子草的根系抗剪能力最弱。

10個物種均能不同程度地增加土壤抗剪強度，但增強的程度有所差別，其中香附子的增強作用最為明顯，其次是荻和香根草等。Wu-Waldron模型關于根系對土壤抗剪增強的簡化方程可以在一定程度上反映出各物種對土壤抗剪增強的強弱，但和試驗測量的真實增強值之間有差別。因此，在考查根系對土壤抗剪強度的增強作用時，除了關注根系本身的力學特征外，還應考慮根系生長過程中通過對土壤理化性質改變而使土壤抗剪強度的增強作用。

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