黃土區(qū)3種優(yōu)勢(shì)灌木根土復(fù)合體的抗剪強(qiáng)度研究

楊 路, 杜 峰,2, 秦晶晶, 程 帥, 李宏斌

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 林學(xué)院, 陜西 楊凌712100; 2.中國(guó)科學(xué)院 水利部 水土保持研究所, 陜西 楊凌712100)

由于黃土丘陵區(qū)地形和氣候的原因，存在很多潛在滑塌的坡體，使得水土流失成為該地區(qū)十分突出的環(huán)境問(wèn)題。目前，這些坡體需要進(jìn)行穩(wěn)定性評(píng)價(jià)、監(jiān)測(cè)與護(hù)坡加固。隨著國(guó)家鄉(xiāng)村振興和西部大開(kāi)發(fā)戰(zhàn)略的實(shí)施，中西部黃土區(qū)的項(xiàng)目建設(shè)越來(lái)越重視。但由于黃土區(qū)地質(zhì)構(gòu)造的特點(diǎn)，這些項(xiàng)目建設(shè)會(huì)嚴(yán)重破壞當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境，形成滑坡等自然災(zāi)害[1]。為了解決這一問(wèn)題，在建設(shè)中會(huì)修建很多工程坡體。對(duì)于這些工程坡體的坡面防護(hù)，在施工上主要采用工程措施，這種施工方式投資大、生態(tài)效益低、養(yǎng)護(hù)的成本高[2]。因此，工程坡體應(yīng)以低成本的生物防護(hù)為主[3]。在今后的水土保持工程設(shè)計(jì)上護(hù)坡植物作為一種環(huán)境友好、功能可持續(xù)的生物措施，應(yīng)予大力提倡，所以研究護(hù)坡植物對(duì)固土護(hù)坡的影響就顯得尤為重要[4]。

護(hù)坡植物主要是通過(guò)不同直徑根系與土壤錯(cuò)綜復(fù)雜連接在一起形成根土復(fù)合體，其中細(xì)根主要通過(guò)內(nèi)聚力、摩擦力和剪脹力，對(duì)土壤起到“加筋”的作用；較粗的深根系主要通過(guò)抗拉拔力將土壤“錨定”在較深的土層中[5-6]。粗根和細(xì)根分別通過(guò)抗屈服力和抗剪增強(qiáng)作用對(duì)淺層潛在剪切面起抗剪增強(qiáng)作用。因而，護(hù)坡植物根系的形態(tài)指標(biāo)如根徑、地下垂直分布和根長(zhǎng)密度等都對(duì)邊坡加固起到重要影響[7]，而能夠量化這些因素對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響的手段就是進(jìn)行抗拉和抗剪切的試驗(yàn)，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)有大量研究表明植物根系的抗拉強(qiáng)度和根土復(fù)合體的抗剪強(qiáng)度是決定不同植物根系提高坡體穩(wěn)定性的重要因素[8-10]。以往學(xué)者對(duì)灌木根系的力學(xué)特性進(jìn)行了很多研究，其中，王劍敏等[8]對(duì)中亞熱帶的3種灌木進(jìn)行了根土復(fù)合體抗剪切的研究，其沒(méi)有分析不同土層剪切強(qiáng)度的變化規(guī)律；李佳等[11]對(duì)淺層滑坡多發(fā)區(qū)的4種典型灌木和趙玉嬌等[12]對(duì)寒旱環(huán)境下的兩種灌木進(jìn)行了抗剪強(qiáng)度特征分析，他們都是通過(guò)在實(shí)驗(yàn)室中對(duì)重塑土進(jìn)行根土復(fù)合體的抗剪研究，但是重塑土與原狀土在抗剪特性方面還是有一些差別[13]。針對(duì)以上情況，本文選取黃土區(qū)3種常見(jiàn)的鄉(xiāng)土護(hù)坡灌木達(dá)烏里胡枝子、沙棘和狼牙刺作為研究對(duì)象，野外采用三維土柱挖取灌木的根系，并對(duì)其進(jìn)行單根抗拉試驗(yàn)和基于原狀土的根土復(fù)合體剪切試驗(yàn)，探尋不同灌木在不同土層對(duì)土壤力學(xué)特性作用的特征，從而為護(hù)坡灌木的選擇和配置提供一些建議，以便更合理進(jìn)行水土保持工程設(shè)計(jì)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

研究區(qū)位于陜北安塞區(qū)高橋鄉(xiāng)(108°6′54′—109°19′23′′E，36°30.45′′—37°19′3′′N)，地處內(nèi)陸黃土丘區(qū)，地貌復(fù)雜多樣，境內(nèi)溝壑縱橫。全區(qū)四季長(zhǎng)短不等，干濕分明，年平均氣溫8.8℃，年日照時(shí)數(shù)2 395.6 h。當(dāng)?shù)氐膬?yōu)勢(shì)物種有達(dá)烏里胡枝子(Lespedezadavurica)、中國(guó)沙棘(Hippophaerhamnoides)和狼牙刺(Sophoraviciifolia)等。

在對(duì)當(dāng)?shù)刂脖环植歼M(jìn)行廣泛的野外踏查基礎(chǔ)上，在天然坡體的樣地選取3個(gè)典型的有達(dá)烏里胡枝子、中國(guó)沙棘和狼牙刺分布的單株，每種選三株作為研究對(duì)象，植株所在區(qū)域?yàn)辄S棉土。于2018年和2019年對(duì)樣地進(jìn)行預(yù)處理：在選定灌木周圍3 m內(nèi)，使用人工拔除和塑料膜上覆土遮陽(yáng)的方法去除其他草本植物活體根系，2020年6—10月進(jìn)行正式野外和室內(nèi)作業(yè)試驗(yàn)。

1.2 樣品采集

在對(duì)植物處理之前，將各個(gè)植物地上部分的株高、基徑和生物量等進(jìn)行記錄(表1)，之后將植物的地上部分進(jìn)行切除。隨后在各個(gè)植物根系某個(gè)固定方向，沿著植物的基部畫一條直線，在直線的一側(cè)，用定制環(huán)刀(10 cm×10 cm×10 cm)逐層從上向下取原狀土做剖面，直至取到水平和垂直方向上沒(méi)有目標(biāo)植物根系的分布為止，將取好的土柱進(jìn)行方位上的三維坐標(biāo)標(biāo)記，并裝入不透光的密封袋帶回實(shí)驗(yàn)室。使用剪切儀(ZJ-2等應(yīng)變直剪儀，南京寧曦土壤儀器有限公司)配套的環(huán)刀(30 cm×2 cm)隨機(jī)對(duì)每層的原狀土進(jìn)行取樣，測(cè)量當(dāng)?shù)赝寥赖暮俊?/p>

表1 3種優(yōu)勢(shì)灌木的基本情況

1.3 樣品分析

從上到下算出各土層的自重應(yīng)力大小分別為0，1.47，2.94，4.41，5.88，7.35，8.82，10.29，11.76，12.23 kPa荷載，利用剪切儀對(duì)配套環(huán)刀內(nèi)的土樣進(jìn)行直剪試驗(yàn)，測(cè)定土壤的抗剪強(qiáng)度。直剪試驗(yàn)結(jié)束后，將剪切后的土樣和各個(gè)土層的土樣置于孔徑為0.1 mm的網(wǎng)篩中去除土壤，從篩選出來(lái)的每種植物根系中選取20～30個(gè)根段并用清水洗干凈，用數(shù)顯的游標(biāo)卡尺(精度0.01 mm)測(cè)定根系的直徑，然后將根段放在拉力儀(東莞市智取精密儀器有限公司生產(chǎn)的ZQ-21B型，精度0.5級(jí)，分度值0.001 N)固定夾子中，拉伸的長(zhǎng)度統(tǒng)一設(shè)置為5 cm，直到把各個(gè)根段拉斷，記錄單根被拉斷時(shí)所受的最大抗拉力。將剩余根系進(jìn)行清洗并把根系上殘留水分蒸發(fā)掉，隨后將所有的根系分批次放在掃描儀(EPSON生產(chǎn)的V33)上掃描，獲取根系的二維根系掃描圖像。最后，將各個(gè)土層中根系分別放在烘箱里面烘干，用分析天平(千分之一)測(cè)量根系的干重，用來(lái)計(jì)算根系生物量。

1.4 試驗(yàn)方法

1.4.1 根系形態(tài)參數(shù)的計(jì)算 借助環(huán)刀對(duì)根系進(jìn)行逐層取樣，3種灌木根系形態(tài)參數(shù)計(jì)算公式如下：

ρ根長(zhǎng)=L根長(zhǎng)/V

(1)

ρ表面積=S表面積/V

(2)

ρ根徑=D直徑/V

(3)

ρ生物量=B生物量/V

(4)

式中：ρ根長(zhǎng)表示根長(zhǎng)密度；L根長(zhǎng)表示環(huán)刀內(nèi)根系的長(zhǎng)度；V表示環(huán)刀體積；ρ表面積表示根表面積密度；S表面積表示環(huán)刀內(nèi)根系的表面積；ρ根徑表示根徑密度；D根徑表示環(huán)刀內(nèi)根系的直徑；ρ生物量表示根生物量密度；B生物量表示環(huán)刀內(nèi)烘干根系的生物量。

1.4.2 單根抗拉強(qiáng)度的計(jì)算： 利用拉力儀測(cè)不同徑級(jí)根系的最大抗拉力，用游標(biāo)卡尺測(cè)定拉斷時(shí)根系的直徑，單根的抗拉強(qiáng)度計(jì)算公式如下：

(5)

式中：Pi為第i根的單根抗拉強(qiáng)度(MPa)；Fi為第i根的最大抗拉力(N)；Di為第i根的根徑(mm)。

1.4.3 剪應(yīng)力的計(jì)算： 剪應(yīng)力的計(jì)算公式如下：

(6)

式中：τ為剪切力(kPa)；C為測(cè)力計(jì)率定系數(shù)(N/0.01 mm)；R為測(cè)力計(jì)讀數(shù)(0.01 mm)；A0為試樣面積(本文中的試樣面積為30 cm2)；10為單位換算系數(shù)。

1.5 數(shù)據(jù)處理

利用Image-Pro Plus 6.0對(duì)不同植物的根系掃描圖像進(jìn)行形態(tài)參數(shù)的分析，測(cè)定的指標(biāo)包括根系長(zhǎng)度、根系直徑和根表面積等[3]。使用Excel 2019對(duì)測(cè)出的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總整理，采用Origin 2019對(duì)最后數(shù)據(jù)進(jìn)行做圖和回歸分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 3種灌木根系垂直分布特征

由圖1A和圖1B可知，沙棘的根長(zhǎng)集中位于0—40 cm的土層，占總根長(zhǎng)的72.5%，達(dá)烏里胡枝子和狼牙刺相對(duì)于沙棘根系分布較深。隨著土層深度的增加，達(dá)烏里胡枝子和狼牙刺的根長(zhǎng)密度與根表面積密度都有整體逐漸減小的趨勢(shì)，其中達(dá)烏里胡枝子在30—40 cm的土層深度，最大根長(zhǎng)密度為2.29 cm/cm3，最大根表面積密度為0.67 cm2/cm3，狼牙刺在0—10 cm的土層深度，最大根長(zhǎng)密度為3.905 cm/cm3，最大根表面積密度為1.09 cm2/cm3。狼牙刺根長(zhǎng)密度與土層多項(xiàng)式擬合為y=0.0006x2-0.0754x+4.7817(R2=0.783，p<0.05)，隨著土層深度的增加，呈先減后增的變化趨勢(shì)，狼牙刺根表面積與土層擬合為y=-0.0078x+1.1401(R2=0.7914，p<0.05)，隨著土層深度的增加，呈負(fù)相關(guān)線性逐漸遞減的變化趨勢(shì)。而沙棘根長(zhǎng)密度和根表面積密度表現(xiàn)為先增加后減少而后又增又減的特征，在30—40 cm的土層深度，最大根長(zhǎng)密度為7.75 cm/cm3，最大根表面積密度為0.97 cm2/cm3。由圖1C可知，隨著土層深度的增加，達(dá)烏里胡枝子根徑密度沒(méi)有顯著的變化規(guī)律，基本穩(wěn)定在0.05 cm/cm3左右，而沙棘和狼牙刺的根徑密度表現(xiàn)出先增后減的變化趨勢(shì)，其中在30—40 cm的土層深度，沙棘最大的根徑密度為0.103 cm/cm3，狼牙刺最大的根徑密度為0.085 cm/cm3。由圖1D可知，達(dá)烏里胡枝子生物量密度與土層擬合為y=305.69x-1.98(R2=0.9026，p<0.05)，隨著土層深度的增加，呈負(fù)相關(guān)冪函數(shù)下降的趨勢(shì)，沙棘生物量密度與土層多項(xiàng)式函數(shù)擬合為y=-0.0005x2+0.0335x+0.323(R2=0.6362，p<0.05)，隨著土層深度的增加，呈先增后減的下降的趨勢(shì)，狼牙刺生物量密度與土層擬合為y=-0.1864x+15.918(R2=0.9539，p<0.05)，隨著土層深度的增加，呈負(fù)相關(guān)線性函數(shù)下降的趨勢(shì)，且3種灌木集中位于0—40 cm的土層中，生物量密度分別約占總量的91.34%，89.92%和73.89%，其中在0—10 cm的土層深度，達(dá)烏里胡枝子和狼牙刺的最大生物量密度分別為2.49 g/cm3和14.77 g/cm3。

圖1 3種灌木根系形態(tài)參數(shù)隨土層的垂直變化

2.2 3種灌木根系單根抗拉力學(xué)特征

在試驗(yàn)中測(cè)出來(lái)的達(dá)烏里胡枝子、沙棘和狼牙刺的根徑區(qū)間分別為0.16～1.12 mm，0.28～1.16 mm，0.34～2.18 mm，排除在抗拉試驗(yàn)中拉壞的根系，達(dá)烏里胡枝子、沙棘和狼牙刺的樣本量分別為21，15，19。從表2和圖2A可以看出，3種灌木的抗拉力隨著直徑(D)的增大而增大，且變化的趨勢(shì)越來(lái)越大，均呈現(xiàn)正相關(guān)的冪函數(shù)關(guān)系(aDb,b>1)，單根抗拉力的相關(guān)系數(shù)大于0.967 9。3種灌木單根最大的抗拉力區(qū)間分別為2.2～56 N，3.42～18.6 N和2.1～48.3 N，在相同根徑下，最大抗拉力從大到小為達(dá)烏里胡枝子>沙棘>狼牙刺。從表2和圖2B可以得出，3種灌木的抗拉強(qiáng)度隨著直徑(D)的增大而減小，且變化的趨勢(shì)越來(lái)越小，均呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)的冪函數(shù)關(guān)系(aDb,b<1)，單根抗拉強(qiáng)度的相關(guān)系數(shù)大于0.839 4。3種灌木單根最大的抗拉強(qiáng)度區(qū)間為56.87～109.47 MPa，17.61～55.25 MPa和12.87～41.88 MPa，當(dāng)相同根徑時(shí)，它們的最大抗拉強(qiáng)度表現(xiàn)為達(dá)烏里胡枝子>沙棘>狼牙刺。

圖2 3種灌木抗拉力和抗拉強(qiáng)度與根徑的相關(guān)關(guān)系

表2 3種灌木抗拉力、抗拉強(qiáng)度與根徑的回歸方程

2.3 3種灌木根際范圍內(nèi)根-土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度的垂直分布特征

3種灌木根際范圍內(nèi)垂直土層的含水量在9%～17%，由圖3可知，隨著土層的深入，達(dá)烏里胡枝子根土復(fù)合體的抗剪強(qiáng)度表現(xiàn)出先增加后減少，而后又增加又減少的趨勢(shì)，在20—30 cm和50—70 cm的土層深度，相對(duì)于其他兩個(gè)灌木，達(dá)烏里胡枝子根土復(fù)合體的抗剪強(qiáng)度最大，直到土層70 cm以下，達(dá)烏里胡枝子根系分布很少，其根土復(fù)合的抗剪強(qiáng)度逐漸減小。在黃土區(qū)測(cè)得素土的抗剪強(qiáng)度為29.5 kPa，在土層深度為30 cm時(shí)，達(dá)烏里胡枝子根土復(fù)合體的抗剪強(qiáng)度最大為73.16 kPa，較素土提高了2.48倍。沙棘根土復(fù)合體的抗剪強(qiáng)度隨著土層的深入，表現(xiàn)出先增加后減少的趨勢(shì)，沙棘根土復(fù)合體的抗剪強(qiáng)度最大為76.6 kPa，較素土提高了2.59倍，在30—50 cm的土層深度，相對(duì)于其他兩個(gè)灌木，沙棘根土復(fù)合體的抗剪強(qiáng)度最大。狼牙刺根土復(fù)合體的抗剪強(qiáng)度隨著土層的深入，表現(xiàn)出逐漸遞減的趨勢(shì)，狼牙刺根土復(fù)合體的抗剪強(qiáng)度最大為65.13 kPa，較素土提高了2.21倍，在0—20 cm的土層深度，相對(duì)于其他兩個(gè)灌木，狼牙刺根土復(fù)合體的抗剪強(qiáng)度最大。

圖3 3種灌木根際范圍內(nèi)根土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度垂直分布特征

3 討 論

不同護(hù)坡植物的根系形態(tài)特點(diǎn)，可以通過(guò)根系的形態(tài)指標(biāo)來(lái)反映，其中包括根長(zhǎng)、根表面積、根徑等。根長(zhǎng)越長(zhǎng)可以增加根系的拓展延伸能力，更大的總表面積可以增加根系土體的接觸面積，更長(zhǎng)的根系直徑可以提高根系錨定土壤的能力，根長(zhǎng)、根表面積、根徑與固土護(hù)坡的能力密切相關(guān)，有研究發(fā)現(xiàn)根長(zhǎng)密度和根表面積密度可以很好地解釋根系的固土機(jī)理[14-15]。本研究對(duì)3種灌木根系的形態(tài)參數(shù)進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)3種灌木主要分布在0—40 cm的土層中，分別約占總生物量密度的91.34%，89.92%和73.89%，這個(gè)結(jié)論和史敏華等[16]的研究結(jié)論一致。隨著土層深度的增加，達(dá)烏里胡枝子和狼牙刺的根長(zhǎng)密度和根表面積密度都呈逐漸減小的趨勢(shì)，且沙棘和達(dá)烏里胡枝子在30～40 cm的土層深度，都達(dá)到最大的根長(zhǎng)密度和最大根表面積，達(dá)烏里胡枝子的分別為2.29 cm/cm3和0.67 cm2/cm3，沙棘的分別為7.75 cm/cm3，0.97 cm2/cm3，說(shuō)明沙棘和達(dá)烏里胡枝子在30～40 cm的土層深度中分布比較集中，對(duì)土壤起到加固的作用最大。狼牙刺的根長(zhǎng)密度隨著土層深度的增加，呈先減后增的變化趨勢(shì)，3種灌木中狼牙刺的分根較深，根系分布深度不同也直接影響到固土護(hù)坡作用的范圍[17]。沙棘和狼牙刺的根徑密度表現(xiàn)出先增后減的變化趨勢(shì)，其中在30～40 cm的土層深度，沙棘最大的根徑密度為0.103 cm/cm3，狼牙刺最大的根徑密度為0.085 cm/cm3。說(shuō)明沙棘和狼牙刺在這個(gè)深度內(nèi)，對(duì)土壤的錨定作用最好[18]。

植物根系的單根抗拉力和抗拉強(qiáng)度可以反映其對(duì)邊坡穩(wěn)定性的貢獻(xiàn)大小，根系對(duì)邊坡的力學(xué)特性主要表現(xiàn)在淺根系“加筋作用”和深根系“錨定”的作用，植物的抗拉特性受多種因素影響，其中包括根系形態(tài)、木質(zhì)素和纖維素的含量、根系直徑等[19]。3種灌木的抗拉力隨著根徑(D)的增大而增大，且變化的趨勢(shì)越來(lái)越大，均呈現(xiàn)正相關(guān)的冪函數(shù)關(guān)系(aDb,b>1)，單根抗拉力與直徑擬合時(shí)的相關(guān)系數(shù)都大于0.967 9，說(shuō)明擬合的效果都很好，造成上述這種情況主要是粗根相比較細(xì)根橫截面積的迅速增加導(dǎo)致的，這與薛楊[20]、馮國(guó)建[21]等的研究結(jié)論相一致。3種灌木的抗拉強(qiáng)度隨著根徑(D)的增大而減小，且變化的趨勢(shì)越來(lái)越小，均呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)的冪函數(shù)關(guān)系(aDb,b<1)，單根抗拉強(qiáng)度的相關(guān)系數(shù)大于0.839 4，在相同根徑下，最大抗拉強(qiáng)度從大到小為達(dá)烏里胡枝子>沙棘>狼牙刺，這與李佳等[11]的研究結(jié)論相似。表明根徑較小的達(dá)烏里胡枝子根系有更多的細(xì)根，可以更好地吸附土壤，增加了根系的抗拉強(qiáng)度，同時(shí)也反映出細(xì)根和毛根提供的抗拉強(qiáng)度要大于粗根系，這個(gè)主要是因?yàn)橹睆捷^小的根系，與土壤顆粒接觸的更加充分，相比于狼牙刺的粗根在產(chǎn)生位移時(shí)會(huì)產(chǎn)生更大的摩擦力，在產(chǎn)生剪切時(shí)細(xì)根往往會(huì)拉斷，但是細(xì)根的柔韌性更好，而直徑較大的根系容易被整體撥出，而產(chǎn)生的抗拉強(qiáng)度很小[22-23]。

根系在土壤中起到明顯的加筋作用，使得土壤的抗剪強(qiáng)度顯著增加，從而讓根系與土壤形成互相作用的整體，既土壤—根系復(fù)合體[24]。根土復(fù)合體的抗剪強(qiáng)度是衡量邊坡穩(wěn)定性的重要因素，其值越大根系的抗剪切能力越強(qiáng)，越有助于對(duì)坡體的穩(wěn)固[11]。在本研究中，可以發(fā)現(xiàn)3種灌木都顯著提高了根土復(fù)合體的抗剪強(qiáng)度，可以有效提高坡體的穩(wěn)定性，根系的存在對(duì)于提高淺層坡體的穩(wěn)定性作用更加的明顯[25]。達(dá)烏里胡枝子根土復(fù)合體的抗剪強(qiáng)度隨著土層的深入，表現(xiàn)出先增加后減少，而后又增加又減少的趨勢(shì)，在20—30 cm和50—70 cm的土層深度，相對(duì)于其他兩個(gè)灌木，達(dá)烏里胡枝子根土復(fù)合體的抗剪強(qiáng)度最大。由于達(dá)烏里胡枝子的根系主要分布在地下30 cm以內(nèi)，所以在這個(gè)深度區(qū)間達(dá)烏里胡枝子根土復(fù)合體的抗剪強(qiáng)度逐漸增加，而到了40 cm以下的土層深度，隨著達(dá)烏里胡枝子根系毛細(xì)根的增加，又會(huì)使其根土復(fù)合體的抗剪強(qiáng)度增加，直到土層70 cm以下，達(dá)烏里胡枝子根系分布很少了，其根土復(fù)合體的抗剪強(qiáng)度比較小，進(jìn)而也說(shuō)明細(xì)根對(duì)于土壤的抗剪作用更大一些[26]。在30—50 cm的土層深度，相對(duì)于其他兩種灌木，沙棘根土復(fù)合體的抗剪強(qiáng)度最大，在本文中沙棘根系分布的土層最淺，是由于沙棘的水平根系發(fā)達(dá)，且本文中研究的沙棘是一個(gè)分株沒(méi)有明確主根，在垂直方向上根系分布有限，同時(shí)在淺層坡體根系分布也相對(duì)較細(xì)，所以也很好地提高了土壤的抗剪強(qiáng)度。狼牙刺根土復(fù)合體的抗剪強(qiáng)度隨著土層的深入，表現(xiàn)出逐漸遞減的趨勢(shì)，在0—20 cm的土層深度，相對(duì)于其他兩個(gè)灌木，狼牙刺根土復(fù)合體的抗剪強(qiáng)度最大。對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)不同灌木最大抗剪強(qiáng)度的土層深度不同，這個(gè)和植物的種屬性有關(guān)，使得不同灌木根系的構(gòu)型特點(diǎn)和分根類型有很大的差別。

4 結(jié) 論

(1)本文通過(guò)三維坐標(biāo)土柱挖掘法探究達(dá)烏里胡枝子、沙棘和狼牙刺根系在垂直方向上分布的特點(diǎn)，研究發(fā)現(xiàn)3種灌木主要分布在0—40 cm的土層中，生物量密度分別約占總量的91.34%，89.92%和73.89%，沙棘和狼牙刺的根長(zhǎng)密度、根表面積密度和生物量密度大于達(dá)烏里胡枝子，3種灌木的根長(zhǎng)密度、根表面積密度和生物量密度隨著土層深度的增加而表現(xiàn)出整體遞減的趨勢(shì)。

(2)達(dá)烏里胡枝子、沙棘和狼牙刺的抗拉力隨著根徑的增大而增大，且變化的趨勢(shì)越來(lái)越大，均呈現(xiàn)正相關(guān)的冪函數(shù)(aDb,b>1)關(guān)系，不同灌木的抗拉強(qiáng)度隨著根徑的增大而減小，且變化的趨勢(shì)越來(lái)越小，均呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)的冪函數(shù)關(guān)系(aDb,b<1)，當(dāng)根徑相同時(shí)，3種灌木的最大抗拉強(qiáng)度表現(xiàn)為達(dá)烏里胡枝子>沙棘>狼牙刺，說(shuō)明達(dá)烏里胡枝子和沙棘的細(xì)根具有更好的固土護(hù)坡能力。

(3)3種灌木都提高了根土復(fù)合體的抗剪強(qiáng)度，可以有效提高坡體的穩(wěn)定性，且不同灌木根土復(fù)合體的抗剪強(qiáng)度在地下垂直分布是不同的。隨著土層的深入，達(dá)烏里胡枝子根土復(fù)合體的抗剪強(qiáng)度，表現(xiàn)出先增后減而后又增又減的趨勢(shì)，沙棘根土復(fù)合體的抗剪強(qiáng)度表現(xiàn)出先增后減的趨勢(shì)，狼牙刺根土復(fù)合體的抗剪強(qiáng)度表現(xiàn)出逐漸遞減的趨勢(shì)。不同灌木根土復(fù)合體最大抗剪強(qiáng)度的土層都不相同，達(dá)烏里胡枝子的土層深度區(qū)間是20—30 cm和50—70 cm，沙棘的土層深度是30—50 cm，狼牙刺的土層深度是0—20 cm。從不同灌木根土復(fù)合體的抗剪強(qiáng)度垂直分布特征來(lái)看，達(dá)烏里胡枝子和沙棘的根系更顯著提高了土體的抗剪強(qiáng)度，建議在黃土區(qū)生態(tài)護(hù)坡中優(yōu)先選擇達(dá)烏里胡枝子和沙棘，可以為護(hù)坡植物的選擇和配置提供一些參考。