植物根系固土作用研究綜述

杜玉雪 趙洋毅 薛楊

摘要：植物根系是植物吸收水分和養(yǎng)分的重要器官。從植物根系方面來研究土壤抗慢蝕能力是一個多學(xué)科交叉的新領(lǐng)域。植物根系通過增強(qiáng)土壤的抗蝕性、抗沖性、抗剪強(qiáng)度以及根系的錨固力作用，提高了土壤的抗侵蝕能力。對于更有效控制水土流失、保護(hù)和改善生態(tài)環(huán)境具有非常重要的意義。

關(guān)鍵詞：植物根系;土壤抗蝕性;土壤抗沖性;土壤抗剪強(qiáng)度;錨固力作用

植物根系是植物吸收水分和養(yǎng)分的重要器官，植物正常的生長發(fā)育是地上部分的光合作用和地下部分根群吸收水分、養(yǎng)分相統(tǒng)一的過程。根在土體內(nèi)的生長促使土-土以及根-土間的摩擦增加，同時根系自身的抗拉、抗剪性能也增強(qiáng)了土的抗剪切性能，這些對于植物根系的固土作用著很重要的意義。

1.根系增強(qiáng)土壤抗侵蝕性能

土壤抗侵蝕性劃分為抗蝕性和抗沖性[1] ?？刮g性是指士壤抵抗水分分散和懸浮的能力，主要與土壤內(nèi)在理化性質(zhì)有關(guān);抗沖性是指土壤抵抗徑流機(jī)械破壞和推移的能力，主要與土壤的物理性質(zhì)和外在的生物因素有關(guān)。植物根系增加土壤的抗侵蝕能力主要通過兩種方式[2] ：一是通過根系在土體中交錯穿插、網(wǎng)絡(luò)固持土壤;二是通過改善土壤的物理性質(zhì)，提高土壤自身的水力學(xué)性質(zhì)從而增強(qiáng)土體的抗侵蝕能力，植物根系能明顯增強(qiáng)土壤的抗沖性、滲透性及土體的剪切強(qiáng)度等。

2.植物根系增強(qiáng)土壤抗沖性

早在上世紀(jì)60年代，朱顯謨先生就指出生物措施是水士保持中最有效和最根本的方法。他認(rèn)為土壤抗沖性的增強(qiáng)，主要取決于根系的纏繞和固結(jié)作用，這種作用使土體有較高的水穩(wěn)結(jié)構(gòu)和抗蝕強(qiáng)度，從而不易被徑流帶走。盧立霞等[3] 究表明：12種須根系植物對土壤抗沖性均有顯著的增強(qiáng)效應(yīng)，不同植物種對于土壤抗沖性增強(qiáng)的貢獻(xiàn)大小不同，貢獻(xiàn)大小與根系特征密切相關(guān)，并建立了各種植物對土壤抗沖性增強(qiáng)值與根系生物量及形態(tài)學(xué)指標(biāo)之間的回歸關(guān)系。封金財[4] 采用有限元方法對植物根系加固邊坡的作用規(guī)律進(jìn)行了模擬分析，隨著根的長度增加，邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)也逐漸提高，但當(dāng)根的長度超過3m時，邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)將不再增加。根的數(shù)量對邊坡穩(wěn)定性的影響與根長相同，在一定范圍內(nèi)，根的數(shù)量越多，邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)越高;根對邊坡加固作用的發(fā)揮也與根的位置有很大的關(guān)系。根的長度、數(shù)量都是隨著時間的推移而增長的，所以根的固坡效果也隨著時間的推移而加強(qiáng)。

3.植物根系具有“加筋錨固作用”

許多學(xué)者對根加筋坡面土體的作用已經(jīng)開展了大量的研究，總結(jié)出土體抗剪強(qiáng)度的增加歸因于土壤-根系的相互作用，并且還建立了根-土相互作用的分析模型。

林木根系參與在土體中，土體抗剪強(qiáng)度發(fā)生如下變化[5] ：（1）根系在土體內(nèi)生長時，根尖向四周土體產(chǎn)生軸向壓力，根尖后面形成圓形擴(kuò)大，使土壤變形形成根道根道四周土壤相對密度、土壤內(nèi)聚力、剪脹力和摩擦力增加。（2）根面的凹凸不平及眾多的叉根、根節(jié)、根毛，增加了根土間接觸面積，在根系膨脹的作用下，根系-土間的摩擦力增加。（3）根系本身的抗拉、抗剪和抗壓縮力大土體許多倍。（4）根系分泌的化學(xué)物質(zhì)有利于土壤顆粒的膠結(jié)。

4.植物根系固土作用機(jī)理研究

劉國彬1996年在研究草本植物根系固結(jié)土壤機(jī)理時，提出根系纏繞、固結(jié)土壤、強(qiáng)化抗沖性作用取決于網(wǎng)絡(luò)串連作用、根土黏結(jié)作用及根系生物化學(xué)作用。根系化學(xué)作用效應(yīng)通過植物繁生改善土體構(gòu)型來實(shí)現(xiàn)。黃綿土中其效應(yīng)達(dá)51%，根土黏結(jié)作用是網(wǎng)絡(luò)串連作用的2倍，二者都隨有效根面積增加而增加。程洪曾提出植物根系固土機(jī)制模式具有4個層次，即根系材料力學(xué)、根系網(wǎng)絡(luò)串聯(lián)作用、根系-土壤有機(jī)復(fù)合體的黏結(jié)作用及根系-土壤間生物化學(xué)作用。認(rèn)為植物根系與土粒接觸面上產(chǎn)生的膠結(jié)物質(zhì)，通過土體中多價陽離子Ca2+，F(xiàn)e2+，Al3+形成的陽離子橋，多糖-OH，H鍵及范德華力等有機(jī)膠體、無機(jī)膠體作用，共同構(gòu)成根系-土壤有機(jī)復(fù)合體系。

僅僅從作用力方面或抗沖性、抗剪性、錨固力提高進(jìn)行研究，距揭示根系固土的本質(zhì)還存在距離，因?yàn)楦蹬c土的相互作用和關(guān)鍵機(jī)制沒有被揭示[6] 。根系具有加筋作用，并不等于真正的鋼筋，根系在土壤中進(jìn)行生長發(fā)育屬于活性材料，同時根與土粒之間形成統(tǒng)一體。根土之間實(shí)現(xiàn)完整的結(jié)合，其界面形成有機(jī)-無機(jī)復(fù)合體之后，才能進(jìn)行水分運(yùn)輸、物質(zhì)轉(zhuǎn)移，形成土壤-植物-大氣連續(xù)體。所以今后要加強(qiáng)對植物根系材料力學(xué)特性和根-土復(fù)合體形成機(jī)制的研究，更重要的是從根-土微觀機(jī)制上進(jìn)行研究，才能揭示出植物根系固土本質(zhì)。

5.結(jié)論

從植物根系方面來研究土壤抗侵蝕能力是一個多學(xué)科交叉的新領(lǐng)域。通過多學(xué)科、多領(lǐng)域的聯(lián)合研究，系統(tǒng)地認(rèn)識植物根系對土壤侵蝕控制的機(jī)理。對于更有效地控制水土流失、保護(hù)和改善生態(tài)環(huán)境具有非常重要的意義。防治土壤侵蝕必將為我國生態(tài)環(huán)境恢復(fù)與重建，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略發(fā)揮重要作用。這也是水土保持及荒漠化防治理論深入發(fā)展的需要植物根系固土機(jī)制或模式問題的解決。有助于沙漠化、荒漠化等嚴(yán)重生態(tài)問題的解決，對我國迅速發(fā)展城市化過程中大量基礎(chǔ)建設(shè)遺留下來的工程邊坡、棄石土場及尾礦等人工生態(tài)恢復(fù)和生態(tài)化進(jìn)程，也同樣具有重要理論指導(dǎo)作用。

參考文獻(xiàn)：

[1] 毛璀，孟廣濤，問躍;植物根系對土壤侵蝕控制機(jī)理的研究[J]，水土保持研究，2006.13（2）：241 -243.

[2] 王庫;植物根系對土壤抗侵蝕能力的影響[J]，土壤與環(huán)境，2001.10（3）：250-252

[3] 盧立霞，曾波;三皖庫區(qū)嘉陵江岸生優(yōu)勢須根系植物根系對土壤抗沖性的增強(qiáng)效應(yīng)研究[J]，西南師范大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2006.31（3）：157-161.

[4] 封金財;植物根系對邊坡的加固作用模擬分析[J]，江蘇工業(yè)學(xué)院學(xué)報，2005，17（3）：27-29.

[5] 潘義國，丁貴杰，彭云等，關(guān)于植物根系在土壤抗侵蝕和抗剪切中的作用研究進(jìn)展[J]，貴州林業(yè)科技，2007.35（2）：10-13.

[6] 程洪，謝濤，唐春等;植物根系力學(xué)與周土作用機(jī)理研究綜述[J]，水土保持通報2006，26（1）：97-101.

作者簡介：

杜玉雪（1997-），女，云南大理人。

基金項(xiàng)目：

云南省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2018BB018）;云南省省級大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目“基于數(shù)值模擬的植物根系的固土效應(yīng)研究”（S201710677022）。

（作者單位：西南林業(yè)大學(xué)生態(tài)與環(huán)境學(xué)院）