張 欣王 博劉鐵軍郭建英王虎剛楊振奇

(1.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院 內(nèi)蒙古陰山北麓草原生態(tài)水文國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站,北京100038;2.水利部 牧區(qū)水利科學(xué)研究所,內(nèi)蒙古 呼和浩特010020;3.內(nèi)蒙古師范大學(xué),內(nèi)蒙古 呼和浩特010020;4.內(nèi)蒙古自治區(qū)水利事業(yè)發(fā)展中心,內(nèi)蒙古 呼和浩特010020)

植物根系既具有吸收、傳輸水分和養(yǎng)分的生物功能,也兼?zhèn)浞€(wěn)固自身并固持土體抵抗侵蝕的力學(xué)功能[1]。長(zhǎng)期以來,能夠積極發(fā)揮枝葉防風(fēng)和根系固土效能的植物措施,一直是中國(guó)北方進(jìn)行植被重建和生態(tài)修復(fù)的主要方式。尤其在半干旱礦區(qū)的復(fù)雜侵蝕環(huán)境中,因灌木根系在減弱土壤侵蝕,加固斜坡,固持土體等方面都能發(fā)揮積極的作用,使得該類植物成為邊坡防護(hù)的首選物種以及區(qū)域水土流失防治的是首道防線[2]。

灌木根系的固土效能主要取決于其生物力學(xué)特性。因根系是由纖維素、半纖維素和木質(zhì)素等化學(xué)物質(zhì)組成,類似于高聚物材料,自身具有抗拉、抗壓、抗折和抗彎曲等力學(xué)特性,對(duì)土體產(chǎn)生有效的約束[3]。一方面通過與土體錯(cuò)綜纏繞形成一種加筋土,有效抵抗土體變形[4],另一方面根系如同錨桿一樣扎入土體中,將淺層土體與深層土體嵌合在一起,使土體更加堅(jiān)固和穩(wěn)定[5]。從生長(zhǎng)及力學(xué)特性角度研究不同灌木根系錨固土體、抵抗土體位移和變形能力,對(duì)于正確理解灌木根系固土抗蝕特性并充分發(fā)揮其保育水土、防風(fēng)固沙的作用有重要意義。而不同灌木自身特性的種間差異又可造成其固土效能的差異化,在半干旱礦區(qū)侵蝕防控和精準(zhǔn)植被建設(shè)的雙重需求下,這種差異化特征將成為物種選擇的基礎(chǔ)依據(jù)。

目前關(guān)于植物根系抗拉力學(xué)特性的研究多集中于植物種類[6]、土壤含水量[7]、季節(jié)變化等外部因素[8]及根系直徑、結(jié)構(gòu)特征[9]、活性、化學(xué)組成等[10]內(nèi)部因素的影響,且基本均為靜荷載下根系拉伸試驗(yàn),獲取的數(shù)據(jù)也僅能代表靜態(tài)下根系力學(xué)特性。但實(shí)際上,在自然界中,尤其是在以風(fēng)蝕為主的干旱半干旱區(qū),風(fēng)力不間斷地吹蝕作用于植物地上枝葉,形成動(dòng)荷載由莖干不斷地向地下根系傳導(dǎo),使根系處于循環(huán)拉伸的疲勞狀態(tài),形成疲勞性塑性損傷[11]。在這種動(dòng)荷載作用下,植物根系的抗拉力學(xué)特性會(huì)發(fā)生何種變化?是否會(huì)影響其固土效能,進(jìn)而改變?nèi)郝浼巴馏w的穩(wěn)定性?

本研究以半干旱礦區(qū)常見植物北沙柳(Salix psammophila)、小葉錦雞兒(Caraganamicrophylla)和沙棘(Hippophaerhamnoides)為研究對(duì)象,對(duì)3種灌木根系形態(tài)的垂直分布差異性進(jìn)行分析,并開展動(dòng)荷載拉拔試驗(yàn),模擬研究風(fēng)力吹蝕下循環(huán)拉拔造成的根系疲勞對(duì)直根及側(cè)根分支處抗拉力學(xué)特性的影響,探討典型灌木根系固土力學(xué)及疲勞性能的差異性,以明確不同灌木根系的固土功能特征,為生態(tài)脆弱區(qū)植被恢復(fù)過程中的物種篩選和侵蝕有效防控提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于內(nèi)蒙古鄂爾多斯市伊金霍洛旗與陜西省榆林市交界處,該區(qū)域?qū)儆谏窀獤|勝煤田神東礦 區(qū),地 理 坐 標(biāo) 為:110°05′—110°30′E,39°27′—39°15′N,海拔1 310 m,屬于大陸性干旱半干旱氣候,年均氣溫8.9℃,年均降水量396.8 mm,年均蒸發(fā)量1 790.4 mm,無霜期130 d,該地區(qū)土壤貧瘠,成土母質(zhì)主要有風(fēng)積沙、沖積物和洪積物,土壤粒徑主要以砂礫為主。生態(tài)環(huán)境脆弱,屬于典型的荒漠化草原景觀,植被主要分布有北沙柳、小葉錦雞兒、沙棘、黑沙蒿(Artemisiaordosica)、沙米(Agriophyllum squarrosum)、胡枝子(Lespedezabicolor)等。

1.2 樣地設(shè)置

礦區(qū)自2005年開始針對(duì)采煤沉陷區(qū)進(jìn)行生態(tài)治理,主要選擇小葉錦雞兒、沙棘和北沙柳進(jìn)行帶狀栽植,植被建設(shè)10 hm2,初植密度為220株/hm2。針對(duì)研究?jī)?nèi)容和研究對(duì)象,選擇長(zhǎng)勢(shì)良好的人工建植灌木群落:小葉錦雞兒群落、北沙柳群落和沙棘群落,分別布設(shè)3塊20 m×20 m灌木樣方。統(tǒng)計(jì)各灌木樣方中灌叢蓋度、密度等樣地參數(shù),在各灌木樣方中隨機(jī)選取生長(zhǎng)狀況健康的植株20株,測(cè)量每株基徑D(mm)、冠幅C(m2)、株高H(m),計(jì)算均值并依此選擇標(biāo)準(zhǔn)株,生長(zhǎng)指標(biāo)詳見表1。

表1 研究區(qū)灌木標(biāo)準(zhǔn)株生長(zhǎng)狀況

1.3 根系形態(tài)測(cè)定

對(duì)所選供試植株根系進(jìn)行整株保護(hù)性挖掘,選擇逐層去土,土層設(shè)置為0—10,10—20,20—30,30—40 cm以及40 cm以下土層,整株根系挖掘深度要求不出現(xiàn)細(xì)毛根為止。每一土層暴露出來的根系利用軟毛刷刷去根系表層附土,剪斷后按徑級(jí)分裝如密封袋冷藏。使用Epson Expression 10000XL高精度掃描儀對(duì)單位面積內(nèi)的累計(jì)根長(zhǎng)、根體積以及根表面積進(jìn)行測(cè)定,使用Win RHIZO 2009年系統(tǒng)對(duì)根系形態(tài)學(xué)指標(biāo)進(jìn)行分析。根生物量采用烘干法進(jìn)行測(cè)定。整株根系指標(biāo)為各土層根系所測(cè)指標(biāo)之和。

1.4 根系疲勞試驗(yàn)方法

根系是由各個(gè)徑級(jí)的直段根與側(cè)根分支處連接構(gòu)成的復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。從根的拓?fù)鋵W(xué)特性的角度來分析,灌木側(cè)根分支主要為二分枝型。二分枝型的側(cè)根去掉主根,剩下的兩部分側(cè)根直徑粗細(xì)相差很小,呈人字形。2019年5月在研究區(qū)內(nèi)挖取3種灌木2～4 mm根徑范圍內(nèi)的直根和側(cè)根分支處若干,將挖取的根系覆蓋根際土,放入冷藏箱低溫保存帶回實(shí)驗(yàn)室,在10 d內(nèi)完成試驗(yàn),以保證試驗(yàn)過程中根系具有活性。試驗(yàn)前采用精度為0.01 mm電子游標(biāo)卡尺精確測(cè)量供試根直徑,圖1a為直根,十字交叉測(cè)量A,O,B三點(diǎn)直徑,計(jì)算平均值作為直根根徑采用游標(biāo)卡尺;圖1b為側(cè)根分支處,每隔120°測(cè)量分支節(jié)點(diǎn)O、上級(jí)直根A和2條下級(jí)側(cè)根B處的直徑,計(jì)算平均值作為側(cè)根分支處的根徑。測(cè)試部分長(zhǎng)度為6 cm,陰影部分為夾具加持段。

圖1 供試根形態(tài)示意圖

利用TY 8000伺服控制材料試驗(yàn)機(jī)對(duì)供試根施加軸向循環(huán)荷載。試驗(yàn)分3組進(jìn)行,A組為單次荷載下的根系極限抗拉力試驗(yàn),測(cè)定供試根的極限抗拉力,供試根樣本數(shù)為40個(gè),其中直根和側(cè)根分支處各20;B組為輕度循環(huán)荷載,施力強(qiáng)度為A組所測(cè)極限抗拉力的30%。第1次執(zhí)行測(cè)試前輸入30%極限力數(shù)值,以便在固定的拉力值時(shí)對(duì)根系停止拉伸,循環(huán)進(jìn)行50次,加載速度設(shè)定為20 mm/min,循環(huán)中途滑脫、表皮破裂或斷裂均視為無效數(shù)據(jù),其中直根試驗(yàn)成功率為55%,供試根樣本數(shù)為80個(gè),有效數(shù)據(jù)為44個(gè),側(cè)根分支處試驗(yàn)成功率為46%,供試根樣本數(shù)為80個(gè),有效數(shù)據(jù)為36個(gè)。當(dāng)50次循環(huán)完成后,以相同加載速度將供試根以勻速拉伸直至完全斷裂,記錄斷裂時(shí)的拉力值。C組為重度循環(huán)荷載,施力強(qiáng)度為A組所測(cè)極限抗拉力的70%。第1次執(zhí)行測(cè)試前輸入70%極限力數(shù)值,后續(xù)操作同B組,其中直根試驗(yàn)成功率為30%,供試根樣本數(shù)為80個(gè),有效數(shù)據(jù)為24個(gè),側(cè)根分支處試驗(yàn)成功率為25%,供試根樣本數(shù)為80個(gè),有效數(shù)據(jù)為20個(gè)。循環(huán)完成后將所有供試根勻速拉斷并記錄拉力值。根系抗拉強(qiáng)度計(jì)算公式為:

式中:δ為抗拉強(qiáng)度(MPa);F為抗拉力(N);D為根系平均直徑(mm)。

1.5 數(shù)據(jù)處理與分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理及作圖采用Excel及SigmaPlot 14.0軟件完成,采用SPSS 20.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)。選取最小顯著極差法(LSD)對(duì)3種灌木根系形態(tài)、直根及側(cè)根分支處在單次荷載、輕度循環(huán)荷載和重度循環(huán)荷載下的抗拉力學(xué)特性進(jìn)行差異性檢驗(yàn)(α=0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 灌木根系形態(tài)特征差異性

單位面積根生物量是反映植物根系在土壤內(nèi)生長(zhǎng)狀況的指標(biāo)。由圖2可知,3種灌木根生物量差異顯著(p＜0.05),表現(xiàn)為:北沙柳(9.46±3.73 g/m2)＞小葉錦雞兒(5.77±1.37 g/m2)＞沙棘(2.37±0.36 g/m2),且根生物量均隨土體加深而逐層遞減。北沙柳、小葉錦雞兒和沙棘根生物量均在0—10 cm的表層土體所占比例最大,分別占總生物量的41.86%,34.87%和38.88%。單位面積累計(jì)根長(zhǎng)是反映植物根系吸收水分和養(yǎng)分能力的指標(biāo)。

圖2 灌木根系形態(tài)指標(biāo)變化

由圖2可知,3種灌木累計(jì)根長(zhǎng)差異顯著(p＜0.05),表現(xiàn)為北沙柳(1 015.49±295.11 cm/m2)＞小葉錦雞兒(718.76±132.62 cm/m2)＞沙棘(362.82±65.43 cm/m2),且均在10—20 cm的淺層土體所占比例最高,依次占總根長(zhǎng)的28.19%,24.93%和36.42%。單位面積根體積也是反映植物根系吸收和傳導(dǎo)水肥的重要指標(biāo),由圖2可知,3種灌木根體積差異顯著(p＜0.05),表現(xiàn)為:北沙柳(8.78±2.44 cm3/m2)＞小葉錦雞兒(5.11±1.12 cm3/m2)＞沙棘(2.73±1.06 cm3/m2),根體積均隨土層加深而減小,在0—10 cm的表層土體所占比例最大,分別占根總體積的39.41%,30.42%和36.21%。單位面積根表面積是影響根系固土的重要指標(biāo),由圖2可知,3種灌木根表面積差異顯著(p＜0.05),表現(xiàn)為:北沙柳(335.38±68.01 cm2/m2)＞小葉錦雞兒(231.39±60.06 cm2/m2)＞沙棘(158.63±59.09 cm2/m2),且均在10—20 cm的淺層土體所占比例最高,依次占總根表面積的28.61%,30.72%和31.01%。

2.2 循環(huán)荷載對(duì)灌木直根抗拉特性的影響

根系抗拉力和抗拉強(qiáng)度是反映其對(duì)外力軸向拉拔破壞抵抗能力的指標(biāo)。由表2可知,在2～4 mm根徑范圍內(nèi),北沙柳、小葉錦雞兒和沙棘直根在單次、輕度和重度循環(huán)荷載后,抗拉力均與根徑呈冪函數(shù)正相關(guān),抗拉強(qiáng)度均與根徑呈冪函數(shù)負(fù)相關(guān)。由表3可知,3種灌木直根在單次、輕度和重度循環(huán)荷載后抗拉力均差異顯著(p＜0.05),均表現(xiàn)為小葉錦雞兒抗拉力最大,北沙柳次之,沙棘抗拉力最低,抗拉強(qiáng)度在種間具有相同的差異性。循環(huán)荷載能夠顯著提升北沙柳和小葉錦雞兒直根的抗拉力學(xué)特性,且隨荷載程度增加,提升幅度增大,相比單次荷載,輕度循環(huán)荷載后二者抗拉力分別增加20.26%和58.99%,抗拉強(qiáng)度分別增大14.57%和34.63%;重度循環(huán)荷載后二者抗拉力分別增加25.98%和83.30%,抗拉強(qiáng)度分別增大28.78%和47.68%。相比單次荷載,沙棘直根抗拉力學(xué)特性在輕度循環(huán)荷載下有所下降但差異不顯著,抗拉力和抗拉強(qiáng)度分別降低3.28%和6.83%,而在重度循環(huán)荷載下抗拉性能又顯著提升,抗拉力和抗拉強(qiáng)度分別增加50.06%和53.95%。

表2 循環(huán)荷載下灌木直根極限抗拉力學(xué)與根徑回歸分析

表3 循環(huán)荷載下灌木直根抗拉力學(xué)特性差異性分析

2.3 循環(huán)荷載對(duì)灌木側(cè)根分支處抗拉特性的影響

由表4可知,在2～4 mm根徑范圍內(nèi),北沙柳、小葉錦雞兒和沙棘的側(cè)根分支處在單次、輕度和重度循環(huán)荷載后,抗拉力均與根徑呈冪函數(shù)正相關(guān),抗拉強(qiáng)度與均根徑呈冪函數(shù)負(fù)相關(guān)。由表5可知,3種灌木側(cè)根分支處抗拉力差異顯著(p＜0.05),單次荷載下小葉錦雞兒抗拉力最大,北沙柳次之,沙棘抗拉力最低,但在輕度和重度循環(huán)荷載后則表現(xiàn)為:沙柳＞小葉錦雞兒＞沙棘,抗拉強(qiáng)度在種間具有相同的差異性。循環(huán)荷載對(duì)3種灌木側(cè)根分支處的影響不盡相同,能夠顯著提升北沙柳側(cè)根分支處的抗拉力學(xué)特性,且隨荷載程度增加,提升幅度增大,輕度和重度循環(huán)荷載后北沙柳抗拉力分別增加71.52%和107.08%,抗拉強(qiáng)度分別增大113.81%和168.26%;而小葉錦雞兒側(cè)根分支處在循環(huán)荷載后抗拉力和抗拉強(qiáng)度均出現(xiàn)明顯的下降,相比單次荷載,二者分別降低50.45%和54.25%(輕度和重度無差異)輕度循環(huán)荷載對(duì)沙棘側(cè)根分支處抗拉力學(xué)特性無明顯影響,但重度循環(huán)荷載可顯著增加其抗拉力和抗拉強(qiáng)度,二者分別增加33.52%和41.57%。

表4 循環(huán)荷載下灌木側(cè)根分支處極限抗拉力學(xué)與根徑回歸分析

表5 循環(huán)荷載灌木側(cè)根分支處抗拉力學(xué)特性差異性分析

3 討論

3.1 形態(tài)學(xué)特性對(duì)根系固土的影響

在半干旱礦區(qū)的復(fù)雜侵蝕環(huán)境中,固土抗蝕作用是根系首要發(fā)揮的生態(tài)功能。在本研究中,北沙柳的根系形態(tài)指標(biāo)如根生物量、根體積、根長(zhǎng)和根表面積均是最優(yōu)值,小葉錦雞兒次之,沙棘的根系形態(tài)表現(xiàn)最差,表明北沙柳根系能夠更好地支撐土體并減輕位移變形的程度。這是因?yàn)楦敌螒B(tài)是決定固土效能的直接指標(biāo),根系與土體的接觸面積越大,根—土界面摩擦力隨之增大[12]。當(dāng)土體在采煤沉陷的重力作用或其他侵蝕營(yíng)力破壞下發(fā)生變形時(shí),土體與根系間將會(huì)形成相互錯(cuò)動(dòng)的趨勢(shì),這種趨勢(shì)一方面能被根—土界面的摩阻力所抵抗,另一方面,根系的側(cè)向約束力也能有效減弱土體位移[13]。Frydman等[14]也表明根系密度和長(zhǎng)度越大,地下生物量越大,則植物保持水土的能力越強(qiáng)。試驗(yàn)結(jié)果還表明,3種灌木根生物量、體積和表面積均集中分布于表層和淺層土體,具有隨土層加深而減小的趨勢(shì),以分形理論對(duì)植物根系分布結(jié)構(gòu)的研究表明,根系分形維數(shù)與根系加筋能力具有一致的變化,根系生物量集度越高,分形維數(shù)越大,則植物根系對(duì)土體的加固能力增強(qiáng)[15]。這說明在半干旱礦區(qū),北沙柳等的根系對(duì)表層和淺層土體具有更好的固持作用,對(duì)深層土體的支撐作用相對(duì)較弱。

3.2 抗拉力學(xué)特性對(duì)根系固土的影響

不同植物種間根系抗拉強(qiáng)度差異明顯。本試驗(yàn)結(jié)果表明,小葉錦雞兒?jiǎn)胃鶚O限抗拉強(qiáng)度(單次荷載)均顯著大于北沙柳和沙棘,因?yàn)楦悼估?、抗拉?qiáng)度等材料力學(xué)指標(biāo)可量化反映根系的力學(xué)支撐效應(yīng)[16],表明小葉錦雞兒根系對(duì)土體有較高的力學(xué)加固和保護(hù)作用。單根抗拉力和抗拉強(qiáng)度的差異可能與植物根系化學(xué)成分含量差異有關(guān),小葉錦雞兒根系纖維素和綜纖維素含量高于后者,這兩種成分凝聚成的纖維束可增強(qiáng)根系的材料力學(xué)強(qiáng)度[17]。不同植被類型中,小葉錦雞兒?jiǎn)胃估瓘?qiáng)度明顯低于黑麥草、百喜草和香根草等草本植物[18],但明顯高于白樺、油松和落葉松等喬木[19],與檸條錦雞兒和霸王等灌木相近[20]。根系含水量、纖維素微纖絲排列方式、木質(zhì)素含量、解剖結(jié)構(gòu)等綜合作用導(dǎo)致了這種差異的產(chǎn)生[21]。本研究表明,北沙柳、小葉錦雞兒和沙棘單根抗拉力均與根徑呈冪函數(shù)正相關(guān),抗拉強(qiáng)度均與根徑呈冪函數(shù)負(fù)相關(guān),這與關(guān)于白刺、霸王、黃花柳等[20,22]植物的研究結(jié)果一致,也符合Tosi等[23]提出的抗拉強(qiáng)度Tr與根徑D的回歸方程(Tr=aD-b),這種現(xiàn)象出現(xiàn)的原因主要是纖維素微纖絲存在于根系細(xì)胞壁中,承擔(dān)著拉力傳導(dǎo)的功能并決定了根系強(qiáng)度,其含量普遍表現(xiàn)為隨根徑增大而降低的趨勢(shì)[24]。

3.3 疲勞特性對(duì)根系固土的影響

試驗(yàn)結(jié)果表明,相比單次荷載,3種灌木直根在循環(huán)荷載后抗拉力和抗拉強(qiáng)度均出現(xiàn)明顯提升,這與學(xué)者對(duì)油松[25]和側(cè)柏[11]的研究結(jié)果相似。說明風(fēng)力等循環(huán)動(dòng)荷載造成的植物根系疲勞可改變其材料力學(xué)特性,在一定程度上會(huì)增強(qiáng)單根抗拉拔能力,也相應(yīng)提高了根系增強(qiáng)土體抗蝕能力的程度。這種“增強(qiáng)效應(yīng)”可能是因?yàn)樵谘h(huán)荷載過程中根細(xì)胞會(huì)逐漸失去水分并對(duì)空間結(jié)構(gòu)形成擠壓,纖維素微纖絲形成聚集并形成強(qiáng)有力的纖維束,以根系彈性的喪失來換取更強(qiáng)的抗拉能力[26]。但根型對(duì)疲勞特性存在一定影響,試驗(yàn)結(jié)果表明,小葉錦雞兒側(cè)根分支處的抗拉力和抗拉強(qiáng)度在循環(huán)荷載后出現(xiàn)了明顯下降,抵抗外力拉拔破壞的能力被顯著削弱,這可能是因?yàn)樾∪~錦雞兒側(cè)根分支處的分支節(jié)點(diǎn)是根網(wǎng)的易損部位[27],在循環(huán)拉拔下節(jié)點(diǎn)處容易產(chǎn)生裂隙,根段的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性被破壞,導(dǎo)致抗拉強(qiáng)度減弱,對(duì)土體的支撐和側(cè)向約束力將被抑制,固土效能降低。

4 結(jié)論

(1)3種灌木根生物量、累計(jì)根長(zhǎng)、根體積和根表面積種間差異顯著,均表現(xiàn)為:北沙柳＞小葉錦雞兒＞沙棘。根系形態(tài)指標(biāo)均具有隨土體加深而遞減的趨勢(shì),根生物量和根體積集中分布于0—10 cm的表層土體,累計(jì)根長(zhǎng)和根表面積集中分布于10—20 cm的淺層土體。

(2)3種灌木直根在單次、輕度和重度循環(huán)荷載后,抗拉力均與根徑呈冪函數(shù)正相關(guān),抗拉強(qiáng)度均與根徑呈冪函數(shù)負(fù)相關(guān),且抗拉力和抗拉強(qiáng)度均表現(xiàn)為:小葉錦雞兒＞北沙柳＞沙棘;循環(huán)荷載能夠顯著提升3種灌木直根的抗拉力和抗拉強(qiáng)度,重度循環(huán)荷載后的提升效果更明顯。

(3)3種灌木側(cè)根分支處在單次、輕度和重度循環(huán)荷載后,抗拉力與抗拉強(qiáng)度隨根徑的變化與直根相似。單次荷載下小葉錦雞兒側(cè)根分支處抗拉力最大,北沙柳次之,沙棘最低,但在輕度和重度循環(huán)荷載后則表現(xiàn)為:沙柳＞小葉錦雞兒＞沙棘;循環(huán)荷載后北沙柳和沙棘側(cè)根分支處的抗拉力學(xué)性能明顯增加,但小葉錦雞兒卻被顯著削弱。