格日樂，劉艷琦，阿如旱，娜日蘇，斯 琴，張永亮

我國是世界上最大的煤炭生產(chǎn)國，煤炭資源的開發(fā)對我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)和社會發(fā)展起到了重要的支撐作用，但也引發(fā)了一系列的生態(tài)環(huán)境問題。露天采煤礦區(qū)是直接剝離表土和礦層的上覆巖層，使礦層暴露后開采，并在采區(qū)內(nèi)外分層堆置剝離巖土與矸石、尾礦等廢棄物，從而形成階梯寶塔狀的排土場。大型排土場的最大垂直高度在400 m左右，最大容量達(dá)10億m3［1］。新建大型排土場平臺由于重型卡車碾壓表層嚴(yán)重壓實(shí)、高坡度大坡長的松散坡面、巖土混排、復(fù)雜的物料組成，長時(shí)間的不均勻沉陷、特殊的孔隙、裂縫和洞穴分布，形成了與原地貌顯著不同的侵蝕特征。因壓實(shí)造成植物扎根困難和大量地表徑流;因有沉陷裂縫存在，徑流匯集鉆入裂縫，集中下滲，下滲水從下伏邊坡間出露，誘發(fā)崩塌、滑坡和坡面泥石流，或鉆向基底，降低基底承載力，整體失陷。而植物措施對于改善養(yǎng)分十分貧瘠的排土場，是一項(xiàng)長期可行的水土流失治理措施［2］。

根系是植物吸收水分和養(yǎng)分的重要器官。強(qiáng)大的根系系統(tǒng)不但可以從土壤中吸收自身生長所必須的水分和養(yǎng)分，而且對于改良土壤結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)土壤抗侵蝕能力等也有著重要作用。根系在土體內(nèi)的生長促使土－土界面和根－土界面的摩擦力不斷增加，同時(shí)根系自身的抗拉、抗剪性能也使土壤的抗剪切能力不斷在增強(qiáng)［3］。這些作用是植物地上部分所不具備的，因此，研究植物根系對土壤侵蝕的影響一直以來是生態(tài)學(xué)、土壤侵蝕學(xué)等學(xué)科研究的重要內(nèi)容［4-11］。近年來，隨著根系研究方法的發(fā)展，人們對根系分布特征［12-25］和固土力學(xué)性能的研究也越來越多［26-33］。根系數(shù)量越多、根越長，則分布的越深、越廣，植物根系固土能力就越強(qiáng)，即根系數(shù)量特征和結(jié)構(gòu)特征對于植物根系固土有著重要影響。鑒于此，筆者以內(nèi)蒙古中西部大型采煤礦區(qū)準(zhǔn)格爾煤田黑岱溝露天礦再塑地貌—排土場植被恢復(fù)與重建中3種2～4齡典型水土保持鄉(xiāng)土植物楊柴(Hedysarum laeve)、沙打旺(Astragalus adsurgens)和草木樨(Melilotus suaveolens)的根系為對象，通過研究根系直徑、根長、根表面積等參數(shù)及其數(shù)量分布特征，從而確定每種植物根系的代表根，進(jìn)而為下一步3種植物根系生物力學(xué)特性的研究奠定基礎(chǔ)，同時(shí)也為正確認(rèn)識3種植物根系形態(tài)結(jié)構(gòu)特征提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)自然概況

準(zhǔn)格爾煤田黑岱溝露天煤礦位于內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市準(zhǔn)格爾旗東部(E111°13'～ 111°20'，N39°43'～39°49')，海拔在1 025 ～1 302 m 之間，地處黃河西岸，屬于晉、陜、蒙接壤黃土地區(qū)一部分，是我國乃至世界水土流失最嚴(yán)重的地區(qū)之一，風(fēng)蝕沙化、水土流失極為嚴(yán)重，土壤侵蝕模數(shù)最高可達(dá)1.8萬 t/km2年［34］。研究區(qū)自然概況已另文［13］發(fā)表，這里不再贅述。

1.2 樣地及標(biāo)準(zhǔn)株選擇

2013年9月中旬，在研究區(qū)的內(nèi)排土場平臺，平臺海拔為1 255 m，中心經(jīng)緯度為 N 39°47'15″、E 111°16'07″，選擇生長良好的2～4年生楊柴、沙打旺以及草木樨樣地。隨機(jī)抽取每種植株50株作為一個(gè)樣本，再測其地徑(最大直徑)、株高及冠幅，并計(jì)算平均值。在50株樣本中找出與平均值最接近的5株植株作為標(biāo)準(zhǔn)株進(jìn)行研究。每種植物的造林方式、植株生長狀況已另文［14-15］發(fā)表。

1.3 根系分級測定

用整株挖掘法挖出選擇好的標(biāo)準(zhǔn)株根系，測定各級根系的數(shù)量，然后分別剪下，用精度為0.01 mm的電子游標(biāo)卡尺按0.5 mm為間隔對根系進(jìn)行分級，若某一條根跨越多個(gè)徑級，則在臨界點(diǎn)處將其剪斷，分別歸入相應(yīng)的徑級中［2］。根長用鋼卷尺測量，并按下式計(jì)算根系表面積:

Si=3.14DiLi。

式中:Si為第i條根段的表面積;Di為第i條根段的平均直徑;Li為第i條根段的長度。

1.4 代表根確定方法

代表根的確定方法是將根系以0.5 mm為間隔進(jìn)行分級，計(jì)算每個(gè)徑級的累計(jì)根數(shù)量、累計(jì)根長、累計(jì)根表面積，取這3個(gè)值比例(%)相對較大的徑級組作為各自的代表根。

2 結(jié)果與分析

2.1 3種植物側(cè)根分級及不同徑級根系的數(shù)量分布特征

2.1.1 側(cè)根分級的數(shù)量分布特征 從主根上發(fā)生的根稱為一級側(cè)根，又稱支根或次生根，由一級側(cè)根上發(fā)生的根為二級側(cè)根，依次可分生多級側(cè)根。表1示出3種植物側(cè)根分級(序級)的數(shù)量分布特征。

表1 3種植物側(cè)根分級的數(shù)量分布特征Tab．1 Number distribution of lateral roots for three plants

從表1中可以看出，根的總數(shù)方面，草木樨(79根)＞沙打旺(67根)＞楊柴(52根)，即3種植物根系的分枝能力大小順序?yàn)椴菽鹃兀旧炒蛲緱畈?，這與植物自身生物學(xué)特性有關(guān)。按照不同側(cè)根數(shù)量統(tǒng)計(jì)，3種植物均有Ⅲ級側(cè)根，其中，楊柴和沙打旺Ⅲ級側(cè)根根數(shù)＞Ⅱ級側(cè)根根數(shù)＞Ⅰ級側(cè)根根數(shù)，且Ⅱ級和Ⅲ級側(cè)根根數(shù)所占比例和分別為楊柴87%和沙打旺80%，明顯大于Ⅰ級側(cè)根根數(shù)所占比例(13%和20%)。草木樨Ⅲ級側(cè)根根數(shù)＞Ⅰ級側(cè)根根數(shù)＞Ⅱ級側(cè)根根數(shù)，且Ⅱ級和Ⅲ級側(cè)根根數(shù)所占比例和為71%，明顯大于Ⅰ級側(cè)根根數(shù)所占比例28%，表明3種植物根系在土壤中均以細(xì)根分布為主。

將同種植物在不同側(cè)根分級后根數(shù)進(jìn)行差異性檢驗(yàn)，結(jié)果顯示楊柴側(cè)根分級后的根數(shù)間有明顯差異(a=0.05)，沙打旺、草木樨的Ⅰ、Ⅱ級側(cè)根數(shù)間無明顯差異、與Ⅲ級側(cè)根數(shù)間均有明顯差異(a=0.05)(表2)。

表2 3種植物側(cè)根分級后根數(shù)的差異性檢驗(yàn)表Tab．2 Difference validation of number of classified lateral roots for three plants

從表3中可以看出，3種植物的Ⅰ級側(cè)根數(shù)間有明顯差異，Ⅱ級側(cè)根數(shù)間無明顯差異，沙打旺與草木樨Ⅲ級側(cè)根數(shù)間無明顯差異，但上述2種植物均與楊柴間有明顯差異(a=0.05)。

表3 3種植物相同序級間側(cè)根數(shù)的差異性檢驗(yàn)表Tab．3 Difference validation of the number of lateral roots between the same classes for three plants

2.1.2 不同徑級根系的數(shù)量分布特征 3種植物根系不同徑級數(shù)量分布特征見表4。以0.5 mm為間隔進(jìn)行分徑級后根的總數(shù)量是草木樨(90根)＞沙打旺(74根)＞楊柴(53根)，3種植物均在0～1.5 mm徑級范圍內(nèi)根數(shù)量最多，即3種植物根系分徑級后根數(shù)主要分布在小徑級范圍內(nèi)。3種植物在分級(序級)和分徑級后根數(shù)變化大小為草木樨(40根)＞沙打旺(19根)＞楊柴(－3根)，表明3種植物根系在分級后數(shù)量草木樨和沙打旺均有所增加，而楊柴則稍有減少，但差值很小。

將同種植物不同徑級根數(shù)進(jìn)行差異性檢驗(yàn)，結(jié)果顯示，楊柴總體呈現(xiàn)相鄰徑級間無顯著性差異，沙打旺和草木樨則總體呈現(xiàn)≤1.5～2 mm徑級時(shí)差異性顯著，＞1.5～2 mm則相鄰徑級間無顯著性差異的特點(diǎn)。這與3種植物在分級(序級)和分徑級后根數(shù)變化大小的結(jié)果，即3種植物根系在分級后數(shù)量草木樨和沙打旺均有所增加，而楊柴則稍有減少，但差值很小的結(jié)論相吻合。表明楊柴根系直徑變化較均勻，而沙打旺和草木樨在小徑級時(shí)根系直徑變化較大。

對3種植物間相同徑級下根系的數(shù)量分布特征進(jìn)行差異性檢驗(yàn)，結(jié)果表明在1.5～2 mm徑級時(shí)3種植物的根數(shù)有明顯差異(a=0.05)，而在其他根徑下則至少總有2個(gè)種間表現(xiàn)為無顯著性差異的特點(diǎn)(a=0.05)，分析原因一方面與植物種生物學(xué)特性有關(guān)，另一方面也受立地條件的影響的緣故，關(guān)于這點(diǎn)需要進(jìn)行進(jìn)一步研究。

2.2 3種植物根系代表根

對楊柴、沙打旺和草木樨每種植物的5個(gè)標(biāo)準(zhǔn)株各自的累計(jì)根數(shù)量比例、累計(jì)根長比例、累計(jì)根表面積比例進(jìn)行方差分析得出:每種植物的標(biāo)準(zhǔn)株間累計(jì)根數(shù)量比例、累計(jì)根長比例、累計(jì)根表面積比例均無顯著差異(a=0.05)。

從表5中可以看出，楊柴、沙打旺和草木樨根系的累計(jì)根數(shù)比例在0～1.5 mm直徑范圍內(nèi)分別占總根數(shù)的82.26%、81.07%和74.17%，說明3種植物根系均以小徑級分布為主。從累計(jì)根長比例來看，楊柴根系在0～1.5 mm徑級內(nèi)累計(jì)根長比例和為56.14%、沙打旺為63.64%、草木樨為58.00%，即3種植物0～1.5 mm徑級細(xì)根累計(jì)長度占據(jù)根系總長度的主體。楊柴累計(jì)根表面積比例在0～1.5 mm直徑范圍內(nèi)占據(jù)總根系的36.57%、沙打旺是41.21%，草木樨為49.67%，而在0～2.5 mm直徑范圍內(nèi)楊柴累計(jì)根表面積比例占總根系的60.17%、沙打旺是74.30%，草木樨為75.07%。綜合上述結(jié)果，從3種植物根系的累計(jì)根數(shù)量、累計(jì)根長度和累計(jì)根表面積比例3方面判斷，確定3種植物代表根徑級分別為楊柴0～2.5 mm范圍，而沙打旺和草木樨代表根徑級相同為0～1.5 mm范圍。

表4 3種植物不同徑級根系的數(shù)量分布特征Tab．4 Distribution characteristics of numbers in different diameter class for three plants

表5 3種植物累計(jì)根數(shù)量、累計(jì)根長、累計(jì)根表面積比例Tab．5 Percent of cumulative roots’number，cumulative root length，and cumulative surface area for three plants %

3 討論與結(jié)論

前期研究表明，從累計(jì)根數(shù)量、累計(jì)根長度、累計(jì)根表面積和累計(jì)根干質(zhì)量的比例這4方面判斷同時(shí)考慮2種灌木(檸條和沙棘)根系對排土場干旱、貧瘠環(huán)境的適應(yīng)特點(diǎn)，確定檸條和沙棘的代表根徑級分別為:檸條(0～0.5 mm，0.5～1 mm和1～1.5 mm)，沙棘(0.5 ～1 mm 和1 ～1.5 mm)［2］;紫花苜蓿代表根徑級為(0～0.5 mm，0.5～1 mm和1～1.5 mm)［15］。即灌木檸條和沙棘根系分布特點(diǎn)以及草本植物紫花苜蓿的根系分布特點(diǎn)表現(xiàn)一致，細(xì)根均占總根的主體。前期雖然研究了部分灌木和部分草本植物，但植物種類有限，為進(jìn)一步驗(yàn)證是否在此研究區(qū)其他植物根系分布也具有此特點(diǎn)，所以本文進(jìn)一步研究了半灌木楊柴和草本植物沙打旺和草木樨。研究表明，3種植物代表根徑級分別為楊柴0～2.5 mm范圍、沙打旺和草木樨代表根徑級相同為0～1.5 mm范圍。這一結(jié)果與檸條、沙棘和紫花苜蓿的根系分布特點(diǎn)也具有一致性。分析原因，這可能主要與植物種生物學(xué)特性密切相關(guān)，同時(shí)根系分布特點(diǎn)受立地條件的影響較大。3種植物均分布在排土場平臺上，排土場平臺受大型機(jī)械的碾壓，土層較緊實(shí)，同土壤干旱和瘠薄，植物為適應(yīng)平臺緊實(shí)、干旱和瘠薄的土壤環(huán)境，根系表現(xiàn)出明顯的可塑性特點(diǎn)，即以細(xì)根分布為主，通常細(xì)根的比例越大，單位面積的吸收比例越大。劉定輝等［9］的研究表明細(xì)根對纏繞固結(jié)土壤，強(qiáng)化土壤抗沖性有巨大作用，所以在植物根系固土抗蝕的作用中，細(xì)根亦具有不可忽視的作用。這也反映3種植物能適應(yīng)排土場緊實(shí)、干旱和貧瘠的土壤環(huán)境。

3種植物根系的分枝能力有差異，其中2種草本植物草木樨和沙打旺根系的分枝能力較半灌木楊柴強(qiáng)，且植物種不同則側(cè)根數(shù)量分布特點(diǎn)不同。3種植物中，楊柴根系直徑變化較均勻，而沙打旺和草木樨在小徑級時(shí)根系直徑變化較大。這可能除了與植物本身的生物學(xué)特性有關(guān)以外還和其生長的立地條件以及植物種對環(huán)境適應(yīng)性特點(diǎn)有關(guān)。因此，在根系固土抗蝕生物力學(xué)性質(zhì)的研究中，建議在內(nèi)蒙古準(zhǔn)格爾露天煤礦再塑地貌—排土場及相似地區(qū)，3種植物主要研究的根系徑級范圍為其代表根徑級范圍。

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