唐 菡,諶 蕓,劉梟宏,何丙輝,李 勇, 強(qiáng)嬌嬌,李 鐵

西南大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院,巖溶環(huán)境重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 重慶 400715

喀斯特坡地不同于其他地區(qū),具有獨(dú)特的“二元三維”[1]地質(zhì)構(gòu)造。地表水土流失嚴(yán)重,加之成土速率低、土層薄、土體與母巖之間存在明顯軟硬界面的特點(diǎn)[1],一旦當(dāng)?shù)刂脖皇艿饺藶楦蓴_破壞,水土流失加劇,原本處于平衡狀態(tài)的生境將向石漠化方向演變[2]。工程措施(如依自然地形建蓄水池、用擋墻維護(hù)落水洞等[3])與植物措施(如關(guān)鍵點(diǎn)位布置植物、植物籬等)結(jié)合的方式[4]最能有效緩解水土流失加劇的困境。地埂籬為植物籬中的一種,最初用于集水,20世紀(jì)初用于水土保持,主要通過(guò)根系及根對(duì)土體的加強(qiáng)達(dá)到固土作用[5]。草本植物須根量大且根系集中分布于淺土層,其對(duì)薄土的固持效果較灌、喬木顯著,這是由于深粗根(d>2.0 mm)在土體中起抗滑樁和扶壁的作用,而淺細(xì)根(d≤2.0 mm)主要為三維加筋、固結(jié)土壤的作用[6- 7]。地埂籬根系主要通過(guò)三方面加強(qiáng)土體：1)通過(guò)穿插于土體中增大根與土粒、土粒與土粒間的摩擦力；2)根系分泌物促進(jìn)土粒膠結(jié)作用,增加土體粘聚力和抗蝕性能；3)根系自身的抗拉、抗剪性能也能在一定程度上增強(qiáng)土體的抗剪、抗沖力[8- 10]。

拉巴豆(DolichoslablabL.)為豆科蝶形花亞科菜豆族扁豆屬,是熱帶、亞熱帶溫暖地區(qū)優(yōu)良的高營(yíng)養(yǎng)高產(chǎn)牧草和蔬菜[11],有較高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值,較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性和良好的水土保持功能。我國(guó)西南喀斯特地區(qū)地勢(shì)偏遠(yuǎn)、環(huán)境惡劣、貧困率高,將拉巴豆應(yīng)用于喀斯特坡地,既可帶動(dòng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展又可保持水土。目前,西南地區(qū)雖已推廣種植,但有關(guān)其生態(tài)效應(yīng)的研究?jī)H涉及根系生物特性[12],根系的力學(xué)特性研究方面存在空白。已有研究證明不同植物根系具有不同的力學(xué)特性,即使同一種植物,在不同環(huán)境或于不同徑級(jí)也存在較大差異[13]?？λ固刂参锔抵饕芟抻谕寥篮穸群退?根系形態(tài)特征隨著限制條件改變的同時(shí),其化學(xué)成分和力學(xué)特性也隨之改變[13]。有關(guān)根系力學(xué)特征的研究表明根系抗拉特性(抗拉強(qiáng)度、延伸率、彈性模量等)與化學(xué)成分、微觀結(jié)構(gòu)皆存在一定的相關(guān)性[13- 18],但少見(jiàn)以巖溶地貌為背景的根系力學(xué)特性方面的研究[6]。本文對(duì)喀斯特坡地拉巴豆地埂籬根及根-土復(fù)合體在不同坡位的形態(tài)分布、力學(xué)和化學(xué)成分特征進(jìn)行了綜合分析,從不同坡位、不同徑級(jí)根系之間各指標(biāo)的相關(guān)性和差異性著手,探討根及根-土復(fù)合體的力學(xué)特性及影響因素,旨在探索拉巴豆地埂籬根系的水土保持潛能及在喀斯特地區(qū)推廣價(jià)值,為喀斯特坡地科學(xué)實(shí)施水土保持措施提供理論支撐。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于重慶市酉陽(yáng)土家族苗族自治縣泔溪鎮(zhèn)龍?zhí)恫酃?地處東經(jīng)108°58′,北緯28°58′(具體位置見(jiàn)圖1)。槽谷由背斜發(fā)育,谷底及順層坡一側(cè)為碳酸鹽巖,黃壤,坡度30°左右。該區(qū)年均溫14.6℃,年均降雨量1200 mm,年均日照時(shí)長(zhǎng)1131 h,無(wú)霜期261 d,雨熱同期,降雨主要集中于5—9月,屬典型的中亞熱帶季風(fēng)濕潤(rùn)氣候。采樣區(qū)處于順層坡人工林坡面內(nèi),整個(gè)坡面植被覆蓋率較低,主要為花椒經(jīng)濟(jì)林,另外存在少量抗旱、耐瘠薄野生喬灌草,如馬尾松(Pinusmassoniana)、紅背山麻桿(Alchorneatrewioides)、沿階草(Ophiopogonbodinieri)等。

圖1 研究區(qū)位置圖Fig.1 Study area location map黃色區(qū)域表示順層坡研究區(qū)

1.2 樣品采集

依據(jù)自然條件差異,坡面可劃分為上、中、下三個(gè)坡位,上坡巖石裸露率及坡度明顯大于中、下坡,而下坡土層最厚,相鄰坡位間海拔相差約為50 m。2018年4月于坡面的上、中、下坡位地埂位置撒播拉巴豆,播種密度0.03 kg/m2(出苗率80%左右),每個(gè)坡位籬帶長(zhǎng)約200 m、寬約20 cm,常規(guī)管護(hù)。

全根根系的采集：2018年7月中旬取植株根系,采用挖掘法,每個(gè)坡位取5株標(biāo)準(zhǔn)株(標(biāo)準(zhǔn)株的選擇參見(jiàn)[19]),為保證根系完整性,連根帶土一并帶回實(shí)驗(yàn)室。

根-土復(fù)合體的采集：每個(gè)坡位選取3個(gè)對(duì)照點(diǎn)(未播拉巴豆地段)和3個(gè)地埂籬地點(diǎn)(選點(diǎn)位于拉巴豆標(biāo)準(zhǔn)株附近)。對(duì)照裸地取樣時(shí)將土壤表面的植株、枯落物等雜質(zhì)清理干凈,避開雜草根系用鋁盒、容重環(huán)刀(底面積20 cm2,高5 cm)、抗剪環(huán)刀(底面積30 cm2,高2 cm)取土。地埂籬地取樣時(shí)先將拉巴豆地上部分剪去,扒掉2 cm土層(0—2 cm土層無(wú)根系生長(zhǎng)),每個(gè)抗剪環(huán)刀均以植株為中心取樣；采集抗沖環(huán)刀(長(zhǎng)×寬×高：20 cm×10 cm×10 cm)時(shí)選取植株密度相近的區(qū)域。對(duì)照裸地共計(jì)36個(gè)抗剪土樣,地埂籬地共計(jì)36個(gè)抗剪土樣和9個(gè)抗沖樣。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.3.1土壤基礎(chǔ)物理性質(zhì)

土壤容重、孔隙度(總孔隙度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度)、飽和含水量、田間持水量和自然含水率的測(cè)定采用環(huán)刀法[20]。

1.3.2根系形態(tài)指標(biāo)

所取根土樣品置于0.05 mm的網(wǎng)篩中用細(xì)弱的水沖洗,分離根土晾干表面水分,整個(gè)過(guò)程輕柔避免損傷根系。根-土復(fù)合體中的根在抗剪、抗沖試驗(yàn)后再處理,所有根系試樣盡快測(cè)定以得到最精確數(shù)據(jù)。采用EPSON(PERFECTION C700)掃描儀進(jìn)行根系灰度掃描,WinRHIZO(Pro.2009)根系分析系統(tǒng)進(jìn)行分析,具體操作步驟和計(jì)算過(guò)程參考[10]。

1.3.3根系化學(xué)成分

將全根根系樣按0.0

1.3.4單根抗拉特性指標(biāo)

從全根根系中剪取順直、直徑較均一且完好無(wú)損的根備用。拉伸試驗(yàn)夾具鉗口處應(yīng)力集中,為避免根皮受夾具應(yīng)力破壞產(chǎn)生脫皮現(xiàn)象或皮斷裂讓試驗(yàn)機(jī)誤記錄為根斷裂,在根兩頭包上醫(yī)用橡皮膠,可分散夾具周邊應(yīng)力增加摩擦力提高試驗(yàn)成功率(拉伸斷裂點(diǎn)位于根樣中部視為試驗(yàn)成功),包上膠帶后根系樣本標(biāo)距為50 mm[24]。采用測(cè)力范圍0—5 kN,加載速率范圍0—60 MPa/s,最小分度值1×10-5N的微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī),夾具型號(hào)DSA502A。樣本試驗(yàn)前用精度為0.01 mm的數(shù)顯游標(biāo)卡尺(型號(hào)CD- 6 ASX)測(cè)量根系上中下3個(gè)點(diǎn)位的直徑取均值即為平均直徑,拉伸速率設(shè)置為7 mm/min(速率設(shè)置參考[25]),每次試驗(yàn)微機(jī)自動(dòng)記錄所有數(shù)據(jù)。

1.3.5根-土復(fù)合體力學(xué)指標(biāo)

土壤抗剪強(qiáng)度用南京土壤儀器廠生產(chǎn)的ZJ型應(yīng)變控制式直剪儀測(cè)定并根據(jù)庫(kù)倫定律計(jì)算內(nèi)摩擦角φ和粘聚力c。沖刷試驗(yàn)的沖刷槽坡度定為30°,試驗(yàn)過(guò)程及測(cè)定方法見(jiàn)[10]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

運(yùn)用Microsoft Office Excel 2013和 SPSS 22.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析。進(jìn)行了差異性檢驗(yàn)(One-way ANOVA)、協(xié)方差分析(Multivariable)和相關(guān)分析(Spearman)。

2 結(jié)果與分析

2.1 根系形態(tài)與化學(xué)成分特征

2.1.1根系形態(tài)特征

對(duì)各坡位全根根系進(jìn)行形態(tài)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)以及差異性分析,得出(表1)：整體上d≤1.0 mm根系占優(yōu)勢(shì),全根根系平均重量?jī)H1 mg左右。各全根指標(biāo)不同坡位之間均無(wú)顯著性差異,同一徑級(jí)指標(biāo)在不同坡位,僅下坡根尖數(shù)(Root tips,RT)顯著大于上、中坡,同一坡位0.0

全根指標(biāo)除RT外均于中坡出現(xiàn)最大值。根長(zhǎng)(Root length,RL)和根表面積(Root surface area,RSA),下坡大于上坡；RT呈現(xiàn)下坡>中坡>上坡的特征。徑級(jí)指標(biāo)顯示：0.0中坡>上坡；0.5下坡>上坡。各坡位RL、RT最大值均出現(xiàn)在0.01.0 mm各徑級(jí)。0.0

結(jié)合采樣情況和隨機(jī)選取的根系灰度掃描圖2和表1、表2可知：拉巴豆側(cè)根發(fā)達(dá)(尤其是上坡)、大部分向土層深厚的區(qū)域延展,主根較短且深度小于15 cm,細(xì)根量大；中、下坡細(xì)根量較上坡大且RL、RSA、RT和根的分支均較上坡增加；上坡根系無(wú)根瘤菌而下坡根瘤菌明顯。上坡土壤物理性質(zhì)較差,容重大且與中、下坡有顯著差異,總孔隙度、飽和含水量和自然含水率顯著小于中、下坡。由此可見(jiàn)土壤物理性質(zhì)對(duì)根系生長(zhǎng)產(chǎn)生了一定的影響,透氣性差且含水量低的上坡土壤的根系各項(xiàng)指標(biāo)值均較小。

表1 不同坡位拉巴豆根系全根與徑級(jí)指標(biāo)

表中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤差(n=5),不同小寫字母表示同一指標(biāo)不同徑級(jí)間存在顯著差異(P<0.05)；不同大寫字母表示同一指標(biāo)不同坡位間存在顯著差異(P<0.05)

表2 順層坡不同坡位地埂籬土壤的基本物理性質(zhì)

表中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤差(n=9),不同小寫字母表示同一指標(biāo)不同坡位間存在顯著差異(P<0.05)

圖2 拉巴豆根系灰度掃描圖Fig.2 Grayscale scan of Dolichos lablab L.A1、A2表示上坡隨機(jī)根系; B1、B2表示中坡根系; C1、C2表示下坡根系

2.1.2根系化學(xué)成分特征

對(duì)根系纖維素(Cellulose,C)、半纖維素(Hemicellulose,H)、木質(zhì)素(Lignin,L)含量進(jìn)行測(cè)量,結(jié)果表明：纖維素含量均值中坡>上坡>下坡,木質(zhì)素含量排序與纖維素相反,半纖維素含量于中坡值最大,上、下坡均值相近,但各化學(xué)成分于各坡位之間均無(wú)顯著性差異。

將直徑與這三個(gè)指標(biāo)進(jìn)行回歸分析,回歸方程見(jiàn)圖3。纖維素含量與直徑的擬合曲線為冪函數(shù)關(guān)系,半纖維素、木質(zhì)素含量與直徑均為二次多項(xiàng)式函數(shù)關(guān)系。相關(guān)性分析得出,僅0.0

圖3 不同徑級(jí)根系化學(xué)成分含量與平均直徑的關(guān)系Fig.3 Relationships between root chemical composition content and different diameters

2.2 單根極限抗拉力與抗拉強(qiáng)度

試驗(yàn)成功的拉巴豆根系直徑范圍為0.19—0.93 mm,平均值為0.46 mm,試驗(yàn)成功率65.52%。極限抗拉力范圍為1.06—18.56 N,均值6.77 N?？估瓘?qiáng)度范圍6.97—57.50 MPa,均值29.57 MPa?？估匦耘c直徑的擬合方程均為冪函數(shù)形式,其指數(shù)表征極限抗拉力隨直徑的增長(zhǎng)率、衰減率,系數(shù)可被視為比例因子[26]。擬合方程中不同坡位的指數(shù)和系數(shù)均有一定的差異,極限抗拉力與直徑的擬合方程顯示各坡位增長(zhǎng)率相似,但下坡比例因子較上、中坡低；抗拉強(qiáng)度與直徑擬合方程顯示中坡較上、下坡衰減率高0.80、1.67倍,比例因子相似。雖同為一種植物,但其根系力學(xué)特性由于環(huán)境影響造成根系化學(xué)成分含量或粗細(xì)根比例不一致,從而導(dǎo)致不同坡位根系擬合方程常量的差異。

2.2.1單根極限抗拉力及影響因素

擬合結(jié)果顯示(圖4),極限抗拉力與直徑正相關(guān),同一直徑的極限抗拉力中坡>上坡>下坡。將直徑和對(duì)應(yīng)根系極限抗拉力進(jìn)行自然對(duì)數(shù)變換,以直徑為協(xié)變量進(jìn)行協(xié)方差分析,結(jié)果表明直徑對(duì)極限抗拉力無(wú)顯著影響。極限抗拉力上坡與中、下坡均有顯著性差異。

回歸分析表明(僅對(duì)存在顯著相關(guān)關(guān)系的變量進(jìn)行說(shuō)明,表3)： 0.5

2.2.2單根抗拉強(qiáng)度及影響因素

抗拉強(qiáng)度與直徑負(fù)相關(guān)(圖4),協(xié)方差分析表明直徑對(duì)抗拉強(qiáng)度有顯著性影響(P<0.05)。 0.0上坡>下坡；d>1.0 mm徑級(jí)隨直徑增大抗拉強(qiáng)度變化平緩,坡位排序?yàn)椋荷掀?中坡>下坡。由此可見(jiàn)抗拉強(qiáng)度受直徑影響且對(duì)0.0

乳化劑是微乳劑配方的關(guān)鍵性因素．一般的非離子型表面活性劑HLB值對(duì)溫度的變化很敏感，離子型表面活性劑的親水親油平衡對(duì)溫度變化不敏感，但其在低溫下的溶解度顯著降低[5]．實(shí)驗(yàn)中乳化劑用非離子型和離子型表面活性劑復(fù)配，其HLB值在13～15之間．

回歸分析表明(表3)：0.0

圖4 抗拉特性與直徑在不同坡位的關(guān)系Fig.4 Relationships between maximum tension, tensile strength and mean diameter of Dolichos lablab L. at different slope portions

徑級(jí)Diameter根系化學(xué)成分Root chemical compositions極限抗拉力Maximum tension F/N抗拉強(qiáng)度Tensile strength T/MPa回歸函數(shù)R2Pearson回歸函數(shù)R2Pearson0.0

*表示在0.05的水平上顯著相關(guān),**表示在0.01的水平上極顯著相關(guān)

2.3 根-土復(fù)合體抗剪/沖性能特征

2.3.1復(fù)合體中根的形態(tài)和化學(xué)成分特征

表4表明：根系形態(tài)指標(biāo)中僅抗剪土樣根表面積密度(Root surface area density,RSAD)上坡顯著大于中、下坡,根重密度(Root weight density,RWD)上坡顯著大于中坡?？箾_土樣坡位間的根系形態(tài)指標(biāo)均無(wú)顯著性差異。根-土復(fù)合體抗剪土樣的根系形態(tài)指標(biāo)均為上坡>下坡>中坡而抗沖土樣形態(tài)指標(biāo)于中、下坡較高。具體表現(xiàn)為抗沖土樣根系RSAD于下坡值最大,根體積密度(Root volume density,RVD)、RWD于中坡值最大；抗剪土樣根系指標(biāo)于各坡位呈現(xiàn)與抗沖土樣根系指標(biāo)和全根根系指標(biāo)相反的規(guī)律。由此可見(jiàn),不同坡位土層厚度的差異,影響著根系生長(zhǎng)分布。較厚土層根系舒展從而更加分散、扎根較深,較薄土層(如上坡),根系相對(duì)集中于表土層,所以上坡抗剪土樣根量較中、下坡大,各指標(biāo)值亦較高。

抗剪土樣僅上坡木纖比顯著大于下坡,其他指標(biāo)均無(wú)顯著性差異?？箾_土樣各指標(biāo)均無(wú)顯著性差異?？傮w上抗剪和抗沖土樣中、下坡根系纖維素含量均較上坡高；而抗剪與抗沖土樣木質(zhì)素含量排序分別為中坡>上坡>下坡、下坡>中坡>上坡；抗剪土樣木纖比和木質(zhì)素含量排序一致。結(jié)合全根根系的形態(tài)指標(biāo)再次表明,纖維素含量與根系徑級(jí)有一定的相關(guān)性,中、下坡細(xì)根量大,其纖維素含量也表現(xiàn)出更高的水平。

表4 不同坡位抗剪、抗沖土樣根系形態(tài)與化學(xué)成分指標(biāo)

表中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤差(n=3),不同小寫字母表示同一指標(biāo)不同坡位間存在顯著差異(P<0.05)

2.3.2復(fù)合體的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)及影響因素

表5中地埂籬地的內(nèi)摩擦角、粘聚力(下坡除外)均大于對(duì)照裸地,僅上坡粘聚力與對(duì)照裸地存在顯著性差異。中坡粘聚力顯著小于上、下坡且減幅高達(dá)1倍以上。數(shù)值上內(nèi)摩擦角排序：中坡>下坡>上坡,坡位間波動(dòng)幅度較小,對(duì)照裸地與地埂籬地均值分別為85.42°、86.08°；粘聚力排序：上坡>下坡>中坡,對(duì)照裸地與地埂籬地均值分別為27.60 kPa、36.92 kPa,地埂籬地較對(duì)照粘聚力的增幅最高達(dá)45.67%。

相關(guān)性分析得出(表6)：上坡復(fù)合體內(nèi)摩擦角與RVD、RWD呈顯著和極顯著正相關(guān),上、中坡粘聚力與RVD呈顯著負(fù)相關(guān)。RLD和RSAD,RVD和RWD總是與抗剪指標(biāo)有一致或相似的相關(guān)關(guān)系,如各坡位的內(nèi)摩擦角與RLD、RSAD都呈負(fù)相關(guān),與RVD、RWD均呈正相關(guān)。

表5 不同坡位根-土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度指標(biāo)和抗沖指標(biāo)

表中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤差(n=3),不同小寫字母表示同一指標(biāo)不同坡位間存在顯著差異(P<0.05)；不同大寫字母表示同一指標(biāo)的對(duì)照與地埂籬地間存在顯著差異(P<0.05)

圖5 不同坡位土壤抗沖指數(shù)動(dòng)態(tài)變化 Fig.5 Dynamic changes of Anti-scourability at different slope portions

2.3.3復(fù)合體的抗沖指數(shù)及影響因素

抗沖指數(shù)均值排序(表5)：下坡>中坡>上坡,坡位之間的數(shù)值變幅在0.34—5.31之間。差異性檢驗(yàn)表明,在抗沖指數(shù)動(dòng)態(tài)變化過(guò)程中t=4 min時(shí)各坡位之間有顯著性差異。沖刷過(guò)程中各坡位復(fù)合體抗沖指數(shù)均呈波狀變化(圖5),沖刷初期抗沖指數(shù)值最低,上、下坡抗沖指數(shù)峰值較中坡延遲4 min,各坡位均呈先增后減再平緩波動(dòng)上升趨勢(shì)。沖刷初期由于表層土壤基本無(wú)根系且多浮土所以流失土量大；隨著時(shí)間增加抗沖指數(shù)先增后減,這個(gè)過(guò)程主要是根系起到的緩沖作用；隨后泥沙量漸漸變少,抗沖指數(shù)基本處于緩升趨勢(shì)。整體來(lái)看,中、下坡復(fù)合體抗沖性能較優(yōu),上坡抗沖指數(shù)小其波動(dòng)幅度也較小。

抗沖指數(shù)受RSAD和纖維素影響(表6),中、下坡抗沖指數(shù)與RSAD呈顯著正相關(guān)、與纖維素呈顯著或極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。纖維素和木質(zhì)素含量與抗沖指標(biāo)有相反的相關(guān)關(guān)系,如抗沖指數(shù)與纖維素含量呈負(fù)相關(guān),卻與木質(zhì)素含量呈正相關(guān)。

表6 不同坡位根-土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度指標(biāo)和抗沖指標(biāo)與根系形態(tài)指標(biāo)、化學(xué)成分相關(guān)關(guān)系

Table 6 Correlation analysis between shear strength parameters, anti-scourability, and root morphology paratemns, chemical compositions at different slope portions

指標(biāo)Parameters根長(zhǎng)密度Root length density根表面積密度Root surface area density根體積密度Root volume density根重密度Root weight density纖維素Cellulose木質(zhì)素Lignin木纖比Wood fiber ratio半纖維素Hemicellulose內(nèi)摩擦角上坡-0.383-0.6980.997*0.998**0.4400.471-0.096-0.781Internal friction angle中坡-0.993-0.8410.7350.897-0.9870.158-0.731-0.753下坡-0.620-0.5160.7800.835-0.0210.030-0.2130.988粘聚力上坡0.6240.869-0.980*-0.960-0.641-0.2480.3290.907Cohesion中坡0.6190.977-0.971*-0.946-0.947-0.3170.610-0.850下坡0.6020.920-0.937-0.908-0.834-0.8610.940-0.660抗沖指數(shù)上坡-0.5900.7410.8070.739-0.906*0.7620.6630.140Anti-scourability中坡-0.2000.985*0.9640.971-0.990**0.9550.999*-0.987下坡-0.3900.833*0.8100.775-0.916*0.8850.946-0.116

*表示在0.05的水平上顯著相關(guān),**表示在0.01的水平上極顯著相關(guān)

3 討論

3.1 拉巴豆根系形態(tài)分布及影響因素

喀斯特地區(qū)植物根系為適應(yīng)土壤和水分異質(zhì)性強(qiáng)(高位、陡坡土薄缺水)的環(huán)境,形成了自身響應(yīng)機(jī)制[7,27]。研究區(qū)中拉巴豆根系的形態(tài)與分布在不同坡位產(chǎn)生了空間變異。全根和徑級(jí)指標(biāo)均表現(xiàn)為中、下坡大于上坡；0.0

喀斯特坡地土儲(chǔ)量的空間變異可通過(guò)根系在土體中的分布深度與集中程度反演獲知。上坡地勢(shì)高、水土流失動(dòng)力潛能大且侵蝕力較強(qiáng),所以土層最薄,中坡接收上坡流失物質(zhì)后土層增厚,形成與下坡相似甚至更優(yōu)的土壤條件。本研究得出抗剪土樣根系總體指標(biāo)排序均為上坡>下坡>中坡,看似有悖于全根根系形態(tài)指標(biāo)規(guī)律,實(shí)則反映不同坡位根系分布隨土儲(chǔ)量的變化：上坡土層薄,根系相對(duì)集中；中坡土層厚,根系相對(duì)舒展分散；下坡與中坡土層厚度相似,根系亦相對(duì)分散。

結(jié)合土壤物理性質(zhì)發(fā)現(xiàn),根系與土壤的交互作用形成了一個(gè)正反饋機(jī)制：根量較大、細(xì)根量多、形態(tài)指標(biāo)較優(yōu)的中、下坡,土壤容重、總孔隙度、飽和含水量和自然含水率均較上坡優(yōu),土壤物理性質(zhì)優(yōu)良又促進(jìn)根系的分化發(fā)育。由此可見(jiàn),植物根系形態(tài)特征與地勢(shì)、土壤厚度、土壤水等有一定的關(guān)聯(lián)[13,29]。

3.2 拉巴豆根系抗拉特性及影響因素

草本根系抗拉試驗(yàn)成功率一般在60%—75%[17,25]范圍內(nèi),拉巴豆根系試驗(yàn)成功率為65.52%,相較灌喬木根系成功率高[18,30- 31]。拉巴豆平均抗拉強(qiáng)度29.57 MPa,約為狗牙根(d≤1.5 mm)的1.16倍、馬唐(d≤1.5 mm)的2.03倍[17,32],可見(jiàn)拉巴豆根系有較好的生物力學(xué)特性。不同坡位根系抗拉特性指標(biāo)與直徑的擬合方程雖均為冪函數(shù)相關(guān),但其常數(shù)存在一定差異,這種現(xiàn)象可歸結(jié)為環(huán)境影響了粗、細(xì)根的比例和根系化學(xué)成分含量,同時(shí)試驗(yàn)誤差產(chǎn)生相較真實(shí)值一定程度的偏移[30];不同徑級(jí)根系抗拉特性指標(biāo)與化學(xué)成分含量的回歸方程常數(shù)的差異也存在實(shí)驗(yàn)誤差影響,具體影響因素和變化機(jī)制還有待驗(yàn)證。

本研究中拉巴豆根系極限抗拉力隨直徑增大而增大,抗拉強(qiáng)度隨直徑減小而增強(qiáng),這與大部分草、灌根系力學(xué)特性一致[8,25]。極限抗拉力與木質(zhì)素含量和木纖比均正相關(guān),抗拉強(qiáng)度與纖維素含量正相關(guān)、與木質(zhì)素含量和木纖比均負(fù)相關(guān)。大量研究得出同樣結(jié)論[8,17,32],而某些研究卻指出抗拉強(qiáng)度與纖維素含量存在負(fù)相關(guān)關(guān)系[15],以及抗拉特性與化學(xué)成分無(wú)相關(guān)關(guān)系的結(jié)論[33]。關(guān)于抗拉特性與化學(xué)成分關(guān)系不一的本質(zhì)原因目前存在這樣的解釋：根系維管束中木質(zhì)部與韌皮部的化學(xué)成分含量存在差異,且在增粗生長(zhǎng)的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程中木質(zhì)部與韌皮部的分化速率不同從而導(dǎo)致不同物種或同一物種不同徑級(jí)抗拉特性與化學(xué)成分關(guān)系的變化[15]。還有研究指出環(huán)境因素間接影響木質(zhì)部中成分含量[13],生長(zhǎng)于山脊、坡地等分散地形的根系相較平地、溝谷地等匯聚地形的強(qiáng)度更大,其原理在于較大應(yīng)力環(huán)境下根系木質(zhì)部的木纖比降低、纖維素局部積累,從而使根系抗拉強(qiáng)度變大[13,33]。

3.3 拉巴豆根-土復(fù)合體力學(xué)特性及影響因素

根-土復(fù)合體相較對(duì)照裸地內(nèi)摩擦角和粘聚力均增大,內(nèi)摩擦角排序：中坡>下坡>上坡,粘聚力：上坡>下坡>中坡。大量研究指出草本根系能有效提高土體抗剪強(qiáng)度[9,34]。剪切過(guò)程,根系與土顆粒表面摩擦力及顆粒間嵌入作用產(chǎn)生的咬合力影響內(nèi)摩擦角大小,分泌物與土壤顆粒間膠結(jié)作用影響粘聚力大小[9],所以內(nèi)摩擦角、粘聚力一般隨根長(zhǎng)密度、根表面積密度的增大而增大[8- 9]。本研究顯示上坡復(fù)合體較另兩坡位粘聚力更大,這與根系形態(tài)指標(biāo)變化一致：上坡復(fù)合體根系形態(tài)指標(biāo)均較大,根體積密度、根重密度尤其突出(均較中、下坡大1.5倍以上,且有顯著性差異)。但相關(guān)分析得出上坡根系形態(tài)指標(biāo)與粘聚力無(wú)顯著相關(guān),甚至負(fù)相關(guān)(根體積密度),這表明粘聚力并非受根系影響。本研究中拉巴豆生長(zhǎng)時(shí)間較短,單位土體根量少,對(duì)土體的抗剪性能影響未達(dá)顯著水平,或土壤類型差異導(dǎo)致粘聚力受其他因素影響更突出。已有研究證明含水率也顯著影響粘聚力,隨含水率增加,粘聚力呈先增后減的變化趨勢(shì)(達(dá)峰值時(shí)含水率約為20%[35])。由中坡根量大但含水率太高(接近峰值含水率的兩倍)最終粘聚力表現(xiàn)最差,猜想本研究的粘聚力受含水率影響更大。

抗沖指數(shù)與形態(tài)指標(biāo)和化學(xué)成分相關(guān)分析表明,其僅受根表面積、纖維素影響。相關(guān)研究表明不同背景環(huán)境或土壤類型影響抗沖指數(shù)的因素存在差異,土壤物理性質(zhì)(容重、總孔隙度、細(xì)砂粒含量等)[36]、有機(jī)質(zhì)[9]、毛根量[34]、毛根形態(tài)指標(biāo)(根長(zhǎng)、根表面積等)[37]均被證明與抗沖指數(shù)相關(guān)。本研究抗沖指數(shù)呈波動(dòng)變化并最終平穩(wěn)上升,這與楊玉梅等[37]在四川雅安黃壤研究區(qū)的結(jié)論類似,諶蕓等[10]于紫色土區(qū)得出抗沖指數(shù)動(dòng)態(tài)變化可用對(duì)數(shù)函數(shù)或二次函數(shù)較好擬合,不同土壤類型為產(chǎn)生差異的主要原因。

4 結(jié)論

1)拉巴豆根系全根指標(biāo)中根長(zhǎng)、根表面積、根體積、根重均表現(xiàn)為中坡>下坡>上坡； 0.0

2)抗拉強(qiáng)度與直徑呈冪函數(shù)負(fù)相關(guān)；抗拉強(qiáng)度與纖維素呈對(duì)數(shù)函數(shù)正相關(guān)、與木質(zhì)素和木纖比均呈對(duì)數(shù)函數(shù)負(fù)相關(guān)；極限抗拉力與木質(zhì)素呈對(duì)數(shù)函數(shù)正相關(guān)、與木纖比呈線性函數(shù)正相關(guān)?？傮w上抗拉強(qiáng)度與較細(xì)徑級(jí)、極限抗拉力與較粗徑級(jí)的化學(xué)成分相關(guān)度更高。

3)復(fù)合體根系形態(tài)指標(biāo)均于上坡的抗剪土樣出現(xiàn)最大值,而抗沖土樣于中、下坡值較大。僅上坡抗剪土樣的根體積密度和根重密度顯著大于中、下坡。化學(xué)成分指標(biāo)中抗剪、抗沖土樣纖維素含量均于中、下坡值較高。僅上坡抗剪土樣的木纖比顯著大于中、下坡。

4)復(fù)合體內(nèi)摩擦角、粘聚力均較對(duì)照裸地增大,但僅上坡位的粘聚力顯著大于對(duì)照。內(nèi)摩擦角隨根體積密度、根重密度增大而增大,粘聚力隨根體積密度增大而減小?？箾_指數(shù)隨根表面積密度增大而增大、隨纖維素含量增大而減小。