朱錦奇，王云琦，王玉杰，張會(huì)蘭，白雪琪，李云鵬，劉 勇

（北京林業(yè)大學(xué) 水土保持學(xué)院，北京100083）

在中國(guó)北方山區(qū)，溝蝕和淺層滑坡導(dǎo)致了大量的水土流失，而植被覆蓋可以加固邊坡，防止土壤和養(yǎng)分流失。邊坡穩(wěn)定程度取決于根系的總量分布、根土復(fù)合體的抗拉強(qiáng)度、抗剪切強(qiáng)度和根系土壤之間的相互作用。其中，根土復(fù)合體的抗拉強(qiáng)度是最重要的因素之一。目前已有大量學(xué)者對(duì)根土復(fù)合體的抗拉強(qiáng)度進(jìn)行了研究［1－4］。根土復(fù)合體抗拉強(qiáng)度絕大程度體現(xiàn)在植物根系抗拉強(qiáng)度上。而植物根系抗拉強(qiáng)度則體現(xiàn)在提高土壤抗剪切強(qiáng)度上，同時(shí)也能影響植物本身錨固力［5］。對(duì)植物根系抗拉強(qiáng)度的研究多數(shù)集中在植物根系所處的位置、季節(jié)，根系的直徑和植物生長(zhǎng)的周?chē)h(huán)境等與植物種類(lèi)和立地因子有關(guān)的因素上［6］。Lindstr?m 等［7］的研究顯示野外生長(zhǎng)樟子松（Pinus sylvestris var.mongolica）的植物根系抗拉強(qiáng)度要大于人工種植的樟子松。在一年中的不同季節(jié)，植物根系抗拉強(qiáng)度也被證實(shí)會(huì)發(fā)生變化，冬季時(shí)候的植物根系抗拉強(qiáng)度大于夏季，這主要原因是植物根系含水量的減?。?］。因此，研究單根抗拉強(qiáng)度有利于人們量化根系固土效能，科學(xué)合理的對(duì)固坡植物物種進(jìn)行選擇與空間配置的設(shè)計(jì)，提高植物固坡效果。

很多研究證實(shí)，根系的抗拉強(qiáng)度隨著根系直徑的增加而減小，但缺少一些對(duì)根系本身特性的研究來(lái)解釋這一現(xiàn)象。已有研究對(duì)植物纖維素含量進(jìn)行了分析，以此來(lái)研究植物纖維素含量對(duì)植物根系抗拉強(qiáng)度的影響，但是僅此一個(gè)指標(biāo)來(lái)確定根系特性，無(wú)法解釋不同物種根土復(fù)合體之間抗剪強(qiáng)度的差異。

為研究不同植物根系主成分含量的差異對(duì)根系抗拉強(qiáng)度與根系固土效果的影響，本文選取北方山區(qū)常見(jiàn)植物種油松、元寶楓兩種植物根系進(jìn)行試驗(yàn)，通過(guò)研究油松、元寶楓兩種植物根系中纖維素、半纖維素與木質(zhì)素含量，研究其與植物根系直徑的關(guān)系，分析植物根系抗拉強(qiáng)度變化的原因。同時(shí)使用Wu等［9］模型與植物根系根土復(fù)合體直剪試驗(yàn)，討論兩種植物根系由于組成成分含量不同所導(dǎo)致的植物根土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度的差異性。

本試驗(yàn)選擇油松與元寶楓兩種北方地區(qū)常見(jiàn)造林樹(shù)種進(jìn)行研究。植物根系取得地位于北京林業(yè)大學(xué)鷲峰國(guó)家森林公園，位于北京市西北郊，東經(jīng)116°28′，北緯39°54′，為華北暖溫帶半濕潤(rùn)半干旱大陸性氣候，年平均氣溫12.2℃，年平均降雨量700mm，多集中在7—9月。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

1.1.1 根系采集 為了最大限度減小植物之間立地條件造成的相互影響，在選擇樣本時(shí)盡量選擇周?chē)?00cm范圍內(nèi)無(wú)其他喬木生長(zhǎng)且植物根系生長(zhǎng)良好的區(qū)域。由于試驗(yàn)所用根系樣本需要完整的放入直剪盒內(nèi)，因此為了減小所選樹(shù)種間的生長(zhǎng)差異，應(yīng)選取地上直徑為20mm左右的幼樹(shù)，并且保證所有樣本盡可能分布在同一區(qū)域內(nèi)。采取人工挖掘的方式進(jìn)行采掘以避免根系機(jī)械損傷，最大限度保證根系的整體結(jié)構(gòu)，開(kāi)挖深度為600mm。挖出植物根系后，從不同直徑的樹(shù)根隨機(jī)選取生長(zhǎng)正常、無(wú)病蟲(chóng)害、莖桿通直均勻的新鮮活根系，用刷子去除根系表面土壤，放入裝滿土樣的密封袋內(nèi)，帶回實(shí)驗(yàn)室后，盡快進(jìn)行試驗(yàn)，以保證根系材料的活性。

1.1.2 土壤樣品制備 在試驗(yàn)樣地內(nèi)，取200—300mm土層的原狀土，并測(cè)定土壤含水量。通過(guò)小盒直剪試驗(yàn)測(cè)定原狀土黏聚力和內(nèi)摩擦角，并用電子天平測(cè)定土壤質(zhì)量來(lái)計(jì)算土壤密度。測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 土樣物理性質(zhì)

由于土壤取回后水分會(huì)有一定損失，因此根據(jù)測(cè)定的土壤含水量，通過(guò)TDR對(duì)直剪盒內(nèi)含水量進(jìn)行控制。靜置1d后，控制直剪盒內(nèi)土壤含水量在20.8%。使用土壤緊實(shí)度儀控制直剪盒內(nèi)土壤緊實(shí)度在71kPa。在進(jìn)行大根直剪試驗(yàn)前，對(duì)土壤的含水量與緊實(shí)度進(jìn)行反復(fù)測(cè)定，以保證每次直剪試驗(yàn)土壤物理性質(zhì)均與表1結(jié)果一致。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 根系各組分含量的測(cè)定

（1）纖維素測(cè)定。纖維素為β—葡萄糖殘基組成的多糖，在酸性條件下加熱能分解成β—葡萄糖。β—葡萄糖在強(qiáng)酸作用下，可脫水生成β—糠醛類(lèi)化合物。β—糠醛類(lèi)化合物與蒽酮脫水縮合，生成黃色的糠醛衍生物。顏色的深淺可間接定量測(cè)定纖維素含量。

（2）木質(zhì)素的測(cè)定。木質(zhì)素測(cè)定原理是利用濃硫酸水解試樣中的非木質(zhì)素部分，剩下的殘?jiān)礊槟举|(zhì)素。

（3）半纖維素的測(cè)定。采用間接測(cè)定法，測(cè)定總纖維素的含量，減去纖維素的含量即為半纖維素的含量［10］。

1.2.2 根系抗拉試驗(yàn) 在植物根系的采集過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)1～6mm直徑內(nèi)的植物根系占植物總根系量的92%，試驗(yàn)選擇對(duì)1～6mm直徑的植物根系進(jìn)行等分，即分為6個(gè)徑級(jí)進(jìn)行抗拉試驗(yàn)測(cè)定。試驗(yàn)測(cè)定的根系長(zhǎng)度必須大于6cm，同時(shí)保證選擇的根系新鮮且粗細(xì)均勻。在試驗(yàn)過(guò)程中，夾子與根系交接的部位最易破裂，為了防止這一現(xiàn)象發(fā)生，在夾子與根系之間增加一層海綿墊。植物根系在拉伸過(guò)程中，根系樣本從中間斷裂，判斷該試驗(yàn)成功，數(shù)據(jù)有效。確保在每個(gè)徑級(jí)的植物根系都有3組有效數(shù)據(jù)，即18組根系抗拉強(qiáng)度的有效數(shù)據(jù)。

1.2.3 植物根系直剪試驗(yàn) 直剪試驗(yàn)是測(cè)試根土復(fù)合體與無(wú)根土的抗剪強(qiáng)度值，并將其做對(duì)比。但是這種方法的缺陷是直接評(píng)定出根系對(duì)土壤黏聚力的增強(qiáng)效果，很難把根系對(duì)一塊土壤的加固效果隔離開(kāi)來(lái)研究。而且在試驗(yàn)過(guò)程中，無(wú)法保證試驗(yàn)中根土復(fù)合體結(jié)構(gòu)與未擾動(dòng)根土復(fù)合體結(jié)構(gòu)一樣。為了解決這些問(wèn)題，Wu等提出，試驗(yàn)的準(zhǔn)確程度很大程度上取決于直剪盒尺寸的大小，直剪盒的尺寸越大，越能反映出真實(shí)的情況，同時(shí)也能為根系固土模型的研究提供基礎(chǔ)。因此，本次試驗(yàn)選擇自制直剪盒，大小為300mm×300mm，總高度為200mm，其中上盒為100mm，下盒為100mm，盒體材料為5mm厚度的PVC板，盒體內(nèi)部拋光打磨。

2 結(jié)果與討論

2.1 根系直徑與根系抗拉強(qiáng)度

根系抗拉強(qiáng)度與根系直徑之間的關(guān)系并不是線性關(guān)系。如圖1所示，油松與元寶楓根系直徑與抗剪強(qiáng)度均存在指數(shù)關(guān)系。Bazant和Kazemi于1990年對(duì)植物根系抗拉強(qiáng)度進(jìn)行了研究，得出植物根系抗拉強(qiáng)度與直徑的關(guān)系公式：σ＝aD－b。

本研究通過(guò)對(duì)根系拔出強(qiáng)度測(cè)定得出油松與元寶楓根系抗拉強(qiáng)度與根系直徑計(jì)算公式：y＝17.448x－0.199，y ＝15.24x－0.174，與 Bazant 和Kazemi的研究相一致，根系的抗拉力受直徑影響較大。大部分學(xué)者認(rèn)為，根系的抗拉力與根徑呈冪函數(shù)或指數(shù)函數(shù)關(guān)系，不同植物的根系抗拉力與根徑的回歸關(guān)系差異較大，這與植物生長(zhǎng)的立地條件、根系種類(lèi)、根生長(zhǎng)方位和組織結(jié)構(gòu)等有關(guān)，而且不同植物的根系抗拉強(qiáng)度與根系直徑的關(guān)系差異也比較大［11］。

圖1 根系抗拉強(qiáng)度與根系直徑的關(guān)系

2.2 根系主要成分與根系抗拉強(qiáng)度的關(guān)系

纖維素是植物細(xì)胞壁最重要的成分，可以簡(jiǎn)單的表述為一種β—D—葡萄糖組成的線性高分子聚合物，纖維素分子以伸展的長(zhǎng)鏈形式存在。平行排列的纖維素分子鏈之間和鏈內(nèi)均有大量氫鍵，使之具有晶體性質(zhì)，有高度的穩(wěn)定性和抗化學(xué)降解的能力。纖維素含量的多少，關(guān)系到植物細(xì)胞機(jī)械組織發(fā)達(dá)與否。因而影響植物根系的強(qiáng)度，進(jìn)而影響植物根系固土的效果。

由表2可知，油松根系與元寶楓根系的平均纖維素含量分別為52.65%和46.42%。元寶楓根系纖維素含量小于油松根系如圖2所示。兩種植物根系的纖維素含量都與根系直徑呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，植物根系纖維素含量隨著植物直徑的增加而減小，而且兩種植物減小趨勢(shì)類(lèi)似。植物根系的直徑為0.1～7.0mm，無(wú)論是油松還是元寶楓根系纖維素的含量與植物根系直徑均存在顯著一階線性關(guān)系，而植物根系抗拉強(qiáng)度隨著根系纖維素含量的增加而顯著增加（圖3）。油松根系抗剪強(qiáng)度值為12.38～17.27MPa，元寶楓為11.38～15.17MPa。當(dāng)根系直徑小于3mm時(shí)，油松根系抗剪強(qiáng)度高于元寶楓根系，而在根系直徑越大的情況下，兩種樹(shù)種根系的抗剪強(qiáng)度將逐漸接近。Bischetti等對(duì)植物細(xì)根進(jìn)行了進(jìn)一步研究，發(fā)現(xiàn)植物根系抗拉強(qiáng)度最大值出現(xiàn)在0.2～0.5mm［1］。對(duì)該范圍內(nèi)植物進(jìn)行根系纖維素含量測(cè)定發(fā)現(xiàn)，該徑級(jí)內(nèi)的植物根系纖維素含量最高可達(dá)到90%以上。

表2 油松、元寶楓根系各主要成分的平均含量

圖2 油松、元寶楓根系直徑與各主要成分含量的關(guān)系

半纖維素是指在植物細(xì)胞壁中與纖維素共生、可溶于堿溶液，遇酸后遠(yuǎn)較纖維素易于水解的那部分植物多糖。半纖維素具有親水性能，這將造成細(xì)胞壁的潤(rùn)脹，可賦予纖維彈性。植物根系中的半纖維素含量相對(duì)于纖維素含量與木質(zhì)素含量是非常低的，在測(cè)定植物根系抗拉強(qiáng)度的時(shí)候，半纖維素含量的上升對(duì)植物根系抗拉強(qiáng)度不能產(chǎn)生明顯作用。在Archer和Sj?str?m的研究中發(fā)現(xiàn)植物根系主要強(qiáng)度體現(xiàn)為在根系受到拉伸變形時(shí)恢復(fù)的能力，但不能提高植物的抗扭曲破壞特性［12－13］。

木質(zhì)素是苯丙烷類(lèi)結(jié)構(gòu)單元構(gòu)成的三維網(wǎng)狀聚酚高分子化合物，尤其是在木本植物中，木質(zhì)素是木質(zhì)部細(xì)胞壁的主要成分之一。在木材中，木質(zhì)素作為一種填充和黏結(jié)物質(zhì)，在木材細(xì)胞中以物理或化學(xué)的方式使纖維素之間黏結(jié)和加固，增強(qiáng)木材的機(jī)械強(qiáng)度［14］。油松與元寶楓植物根系的木質(zhì)素評(píng)價(jià)含量分別為28.12%和26.38%（表2）。油松與元寶楓木質(zhì)素含量都隨直徑的增大而減小（圖2）。在使用SPSS對(duì)比分析后發(fā)現(xiàn)，植物根系木質(zhì)素含量的升高比纖維素含量的提高對(duì)根系抗剪強(qiáng)度提升更加顯著。在Hathaway等［15］對(duì)植物根系抗拉強(qiáng)度與木質(zhì)素含量的研究中發(fā)現(xiàn)，植物根系木質(zhì)素含量對(duì)植物的根系抗拉強(qiáng)度有十分顯著的影響，特別是在植物根系含水量比較高的情況下。

植物中纖維素含量與半纖維素含量之和為植物根系綜纖維素含量，油松與元寶楓植物根系綜纖維素含量分別為64.73%和60.22%。以往研究證實(shí)不同植物類(lèi)型的根系纖維素含量不同，且本試驗(yàn)的研究結(jié)果與以往研究的綜纖維素含量在同一范圍內(nèi)。Chiatante等［16］研究發(fā)現(xiàn)，綜纖維素含量平均值為65%，Hathaway等［15］對(duì)楊柳科的6種植物根系的研究發(fā)現(xiàn)，植物根系的平均綜纖維素含量為72%。植物綜纖維素含量與植物根系抗拉強(qiáng)度之間有十分重要的聯(lián)系，對(duì)于不同物種，植物綜纖維素含量的差異性很大。

當(dāng)根系直徑發(fā)生變化時(shí)，根系的各組分含量都隨之發(fā)生變化。在該次試驗(yàn)中，根系中纖維素與半纖維素含量都隨著根系直徑的增加而減少，而根系中木質(zhì)素含量隨著根系直徑的增加而增加（圖2）。為使試驗(yàn)結(jié)果盡量準(zhǔn)確，不同徑級(jí)的植物根系選擇為同一條根系上的不同分支。由于無(wú)法判斷植物根系處于幼年期還是成年期（無(wú)法通過(guò)根系的直徑來(lái)判斷植物根系的成熟程度），所以在研究中，我們無(wú)法由此判斷植物根系各個(gè)成熟階段的成分含量來(lái)分析植物根系抗拉特性，這將是以后研究的重點(diǎn)。

如圖3所示，油松、元寶楓植物根系抗拉強(qiáng)度與其各主成分含量均呈線性關(guān)系。植物纖維素含量與木質(zhì)素含量的增加使植物根系抗拉強(qiáng)度急劇增加，而植物根系半纖維素含量的上升使得植物根系抗拉強(qiáng)度顯著減小。這主要是由于在植物組織中，木質(zhì)素作為一種填充和黏結(jié)物質(zhì)，在植物細(xì)胞中以物理或化學(xué)的方式使纖維素之間黏結(jié)和加固，增強(qiáng)了植物組織的機(jī)械強(qiáng)度［15］。

圖3 油松、元寶楓根系主成分含量與抗拉強(qiáng)度的關(guān)系

2.3 整根的固土效能

Wu［9］和 Waldron［17］的根土復(fù)合體模型是用于分析和計(jì)算根系固土效果的常用模型，該模型的計(jì)算基于土壤黏聚力與內(nèi)摩擦角。該模型認(rèn)為土壤根系增強(qiáng)的土壤強(qiáng)度為增強(qiáng)了土壤的黏聚力，把根系增強(qiáng)（Cr）與素土的強(qiáng)度相加來(lái)得到根土復(fù)合體的抗剪強(qiáng)度。

式中：Ashearplang——直 剪 面 的 面 積 （m2）；Cr——在Ashearplane的直剪面上所有根系所能產(chǎn)生的抗剪強(qiáng)度增強(qiáng)總量（kPa）；Tr——直剪面上根系的平均強(qiáng)度（kPa）；1.2——模型中校正后的根系系數(shù)Ai為根系的面積和（m2）。

根據(jù)Wu［9］簡(jiǎn)單的垂直根系模型，根系增強(qiáng)的抗剪強(qiáng)度僅僅與根系的數(shù)量和根系的強(qiáng)度相關(guān)。

眾多研究表明Wu的模型高估了根系增強(qiáng)的抗剪強(qiáng)度值，該值在16.5%～32.7%。Reinstenberg［18］在根的拉拔試驗(yàn)和Docker等［19］在根的拉拔測(cè)試和含根土的直接剪切測(cè)試中也證實(shí)了根系的逐漸破壞現(xiàn)象。由此，Wu模型假設(shè)所有的根同時(shí)被破壞，使計(jì)算的根系增強(qiáng)值偏高。

本試驗(yàn)為了彌補(bǔ)Wu模型的不足，不計(jì)算根系增強(qiáng)值，但為了對(duì)比根系抗拉強(qiáng)度對(duì)根系增強(qiáng)抗剪強(qiáng)度的影響，使用大盒直剪設(shè)備直接測(cè)定抗拉強(qiáng)度增強(qiáng)值和根系面積，比較單位面積的根系對(duì)根系增強(qiáng)值得影響（表3）。表3中比值部分為根系增強(qiáng)值除以根系面積比率并乘以10－4后的結(jié)果，下文將稱其為植物根系固土效能值。

對(duì)比油松與元寶楓，根系抗拉強(qiáng)度大的油松比元寶楓更能增強(qiáng)土壤的抗剪能力。油松根系根土復(fù)合體的強(qiáng)度比值大于元寶楓根系，在同種根構(gòu)型的情況下，根系的抗拉強(qiáng)度對(duì)植物根系根土復(fù)合體的抗剪切強(qiáng)度產(chǎn)生一定影響，平均抗拉強(qiáng)度差值為56.3kPa。

表3 油松與元寶楓根土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度對(duì)比

根據(jù)6組植物的根系結(jié)構(gòu)，統(tǒng)計(jì)具體每個(gè)根系中各種徑級(jí)根系的數(shù)量，計(jì)算植物根系平均的纖維素、木質(zhì)素、半纖維素含量。6組植物平均主成分含量與相對(duì)應(yīng)植物固土效能值的關(guān)系見(jiàn)圖4。植物根系固土效果好壞與植物根系纖維素含量與木質(zhì)素含量有很大關(guān)系，并且隨著植物根系纖維素含量與木質(zhì)素含量上升植物根系固土效果越好。半纖維素由于含量較低，關(guān)系并不顯著。油松根系因?yàn)槔w維素含量與木質(zhì)素含量都比元寶楓要高，所以其固土效果也比元寶楓好。對(duì)比3株不同的油松與元寶楓植物發(fā)現(xiàn)，植物根面積比率顯示了植物的生長(zhǎng)發(fā)育程度。

通過(guò)計(jì)算平均根系的主成分發(fā)現(xiàn)，在植物根系結(jié)構(gòu)中隨著植物個(gè)體的生長(zhǎng)，小于2mm徑級(jí)所占的比重增大會(huì)導(dǎo)致植物根系平均纖維素含量與木質(zhì)素含量升高，在植物的生長(zhǎng)過(guò)程中，單位含根量的土壤的抗剪切能力也將逐漸升高。

圖4 植物根系主要成分平均含量與植物根系固土效能值

3 結(jié)論

本文通過(guò)植物主要成分的測(cè)定，對(duì)比分析了他們對(duì)植物根系抗拉強(qiáng)度的影響，最終對(duì)植物根系固土效果的影響進(jìn)行分析。油松與元寶楓根系的直徑與植物根系抗拉強(qiáng)度擬合度最好的曲線被證實(shí)為y＝ax－b。隨著植物根系直徑的增加，根系纖維素與木質(zhì)素含量均減小，而半纖維素含量略有降低；植物根系抗拉強(qiáng)度的強(qiáng)弱主要由根系纖維素含量與木質(zhì)素的含量決定，纖維素與木質(zhì)素含量較高的植物根系抗拉強(qiáng)度更大。在研究根系增強(qiáng)土壤抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)中，通過(guò)單位面積比率上根系增強(qiáng)抗剪強(qiáng)度的值對(duì)比油松根系與元寶楓根系增強(qiáng)土壤抗剪強(qiáng)度的效果，發(fā)現(xiàn)植物根系抗拉強(qiáng)度對(duì)增強(qiáng)效果有顯著影響；隨著植物根系纖維素與木質(zhì)素含量升高，植物根系固土效果也將變得更好。

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