李益 陶佳

摘要?[目的]研究以扦插柳枝為主的土壤生物工程技術(shù)最佳施工方式。[方法]以旱柳為研究對象，對不同扦插直徑、深度及角度施工方式下新生枝條及根系在不同時期的生長參數(shù)進行調(diào)查和分析。[結(jié)果]采用扦插直徑>1.5～3.0 cm，扦插深度為30 cm和扦插角度垂直于地面的施工方式時，植物整體生長情況較其他對照工況好，特別是生長至360 d，植物地上部分和根系生長差異顯著（P<0.05）;冗余分析（RDA）表明，不同扦插方式對植物生長參數(shù)影響大小排序依次為扦插深度、扦插直徑、扦插角度。植物地上生物量、株高和根系生物量與扦插直徑和扦插角度之間具有較高的正相關(guān)性，其相關(guān)性大小排序依次為地上生物量、株高、根系生物量。而植物根系數(shù)量與不同扦插方式之間呈顯著負相關(guān)。[結(jié)論]選擇扦插直徑為>1.5～3.0 cm旱柳枝條，扦插深度為30 cm，并垂直于地面進行扦插，植物生長情況最佳，且植物后期生長情況顯著好于初期生長情況。

關(guān)鍵詞?土壤生物工程;扦插方式;生長參數(shù);RDA

中圖分類號?S792.12文獻標(biāo)識碼?A

文章編號?0517-6611（2019）20-0115-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2019.20.030

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

Effects of Different Cutting Methods on Salix matsudana Koidz. Growth Characteristics

LI Yi，TAO Jia?（School of Civil，Architectural and Environmental Engineering，Hubei University of Technology，Wuhan，Hubei 430068）

Abstract?[Objective] In order to study the best construction method of soil bioengineering technology based on cutting willow.[Method] Taking willow as the research object，to investigate and analyze the growth parameters of fresh shoots and roots in different periods under different cutting diameters，depths and angles.[Result]When the cutting diameter >1.5-3.0 cm，the cutting depth was 30 cm and the cutting angle was perpendicular to the ground，the overall growth of the plant was better than the other control conditions，especially when the plant grew to 360 d，the aerial parts and root growth of plant were significantly different （P<0.05）.Redundancy analysis （RDA） indicated the effect of different cutting methods on plant growth parameters was cutting depth > cutting diameter > cutting angle.There was a high positive correlation between aboveground biomass，plant height，underground biomass and cutting diameter，cutting angle.And the order of their relevance was aboveground biomass > plant height > underground biomass.There was a significant negative correlation between the amount of plant root coefficient and different cutting methods.[Conclusion]The best condition of plant growth is when the cuttage diameter >1.5-3.0 cm，the cutting depth is 30 cm and the cuttage is perpendicular to the ground.Plant growth in late stage is significantly better than initial growth.

Key words?Soil bioengineering;Cutting method;Growth parameters;RDA

土壤生物工程作為一種效果良好的河岸生態(tài)修復(fù)措施在國內(nèi)外已得到廣泛的應(yīng)用[1-3]。植物枝條作為土壤生物工程施工材料適宜性的研究也日漸成為國際上研究土壤生物工程技術(shù)的熱點和重點[4]。該工程的最大特點是采用有生命力的植物根、莖（枝）或整體作為結(jié)構(gòu)的主體元素，把它們按特定的方法種植在邊坡的不同位置[5-6]。在土壤生物工程施工中，植物根系生長特征主要取決于植物類型以及施工方法[7]，而根系生長和分布特征又決定了其對坡岸的穩(wěn)定作用[8-10]。研究不同施工植物材料和施工方法作用下，根系隨時間和空間的分布特征顯得十分重要。

扦插柳枝具有極高存活率，其根系發(fā)達，對于降低坡面侵蝕、提高岸坡土壤抗剪能力、維持岸坡穩(wěn)定性具有重要作用[11-12]。

目前，關(guān)于土壤生物工程過程中扦插柳枝的研究集中于提高扦插柳枝的存活率，生長特征及其根系特征等方面，而不同扦插方式下柳枝生長特征及其邊坡穩(wěn)定性的研究甚少[13-14]。研究表明，不同扦插方式對柳枝生長有著不同的影響[15]。扦插方法的改變對于柳枝的存活率、根系生長及其生物量有著重要影響，不同扦插方式下岸坡安全系數(shù)也相差甚遠，同時正確選擇植物材料施工方式也是土壤生物工程成功的關(guān)鍵性因素[16-17]。該研究分析不同扦插方式下植物新生枝條及根系在不同時期的發(fā)展特征，篩選適宜的施工方式，以期為河流的生態(tài)治理與恢復(fù)提供實踐指導(dǎo)依據(jù)。

1?材料與方法

1.1?研究點概況?研究點位于湖北省武漢市湖北工業(yè)大學(xué)生態(tài)修復(fù)實驗基地（30°28′18.04″N，114°18′6.94″E），地處北緯亞熱帶，屬于典型的亞熱帶季風(fēng)氣候，海拔15 m左右，雨量充沛，日照充足，具有夏季高溫、冬季稍涼濕潤等特點，年平均氣溫15.8～17.5 ℃，年平均日照時數(shù)為1 831.2 h，年平均降水量為1 205 mm，雨量集中在初夏梅雨季節(jié)，豐水期4—9月平均降水量818.7 mm，年無霜期為242 d。經(jīng)試驗測得樣地土體為黏質(zhì)土，含水率為18.7%。

1.2?材料及試驗設(shè)計?選取健壯、無病蟲害、木質(zhì)化好的旱柳枝條，基部斜削，頂部平齊。試驗前制作7個5 m×2 m×1 m無頂箱體，內(nèi)部填土，按8種扦插工況進行試驗設(shè)置（表1）。扦插間距為50 cm×50 cm，每種工況設(shè)置3個重復(fù)，共16組，48株。完工后180、360 d對植物地上和根系生長特征進行調(diào)查。

1.3?測定指標(biāo)及方法

1.3.1?植物地上部分調(diào)查。待植物生長至180、360 d時，測量不同時期植株生長高度，并將植物莖干和葉片剪下裝至塑封帶內(nèi)帶回實驗室稱其鮮重，隨后將其放置75 ℃的恒溫烘箱內(nèi)24 h稱其干重，并計算其地上生物量。

1.3.2?植物根系調(diào)查。待植物生長至180、360 d時將植物地下部分采用全挖法進行集集，洗凈根部泥土，晾干做好標(biāo)記帶回實驗室。用游標(biāo)卡尺測定根系直徑，利用直尺和卷尺測定每層根系總根長，計算其根長密度。將洗凈根系放至350 mL量筒中，通過排水法計算根系體積。將植物根系放入恒溫烘箱烘干至恒重（75 ℃，48 h），測定其干重，并計算其根質(zhì)量密度，其中根長密度和根質(zhì)量密度采用下面公式計算：

根長密度（RLD）=L/V（1）

根質(zhì)量密度（RMD）=M/V（2）

式中，RMD為根質(zhì)量密度（g/cm3）;M為根系干重（g）;L為根系長度（cm）;V為土體體積（2 500 cm3）。

1.4?數(shù)據(jù)處理?利用SPSS19.0對植物生長參數(shù)進行單因素方差分析（ANOVA），用生態(tài)學(xué)軟件Canoco4.5將不同扦插方式作為解釋變量，植物生長參數(shù)作為響應(yīng)因子進行冗余分析（redundancy analysis，RDA）。用Origin2017進行作圖。

2?結(jié)果與分析

2.1?不同扦插直徑對柳枝生長特征的影響

2.1.1?地上部分生長特征。植物地上部分（葉、莖、枝）生長特征能有效反映植物生長表現(xiàn)[18]。覆蓋于土壤表面的葉片和莖稈可以有效地減少雨水對地表的直接沖刷，同時植物的蒸騰作用和光合作用是生態(tài)系統(tǒng)循環(huán)的重要過程。因此植物地上部分生長特征是土壤生物工程生態(tài)護坡的重要指標(biāo)[8，19]。

對不同直徑扦插植物地上部分生長特征監(jiān)測表明（表2），植物生長至180 d，工況2地上生物量和株高與工況1、工況3差異顯著（P<0.05）。其中，工況2較工況1和工況3地上生物量分別高出36.69%和76.59%，株高分別高出21.23%和23.32%。植物生長至360 d時，工況2地上生物量和株高與工況1、工況3顯著差異（P<0.05），其中，工況2較工況1和工況3地上生物量分別高出69.38%和34.87%，株高分別高出21.23%及10.90%。180～360 d期間植物生長較快，3種工況180 d與360 d植物地上部分生長差異顯著（P <0.05），地上生物量分別增加了3.35～6.06倍。

2.1.2?根系生長特征。植物根系不僅可以改善土壤理化性質(zhì)，增強土體內(nèi)部結(jié)構(gòu)，而且對提高岸坡穩(wěn)定性起著重要作用[20-22]。研究表明，直徑小于1 mm的須根與土壤組成的根系-土壤復(fù)合有機整體可以有效提高土壤水穩(wěn)定性團聚體數(shù)量，進而顯著增強根系的固土效應(yīng)[23]。

由圖1可知，植物生長180 d后，3種扦插施工方式根系總體積、總根長、根長密度和根質(zhì)量密度差異不顯著，其中根系總體積為31.03～92.56 mm3、總根長為1 052.66～1 241.25 cm、根長密度為0.004 211～0.004 965 cm/cm3、根質(zhì)量密度為0.047 2～0.175 8 g/cm3。植物生長360 d后，工況2植物總體積、根系生物量和根質(zhì)量密度顯著大于工況1和工況3（P<0.05），工況1和工況3根系生長情況差異不顯著。相較于工況1和工況 工況2根系生物量分別高出76.24%和59.76%，總體積分別高出69.65%和77.63%，根質(zhì)量密度分別高出76.24%和59.76%。3種工況總根長和根長密度差異不顯著。360 d時植物根系發(fā)展迅速，除根質(zhì)量密度外，其他4個參數(shù)與180 d時相比差異顯著（P<0.05）。整體來看，工況2根系生長情況最好，其次為工況 工況1根系生長表現(xiàn)最差。

2.2?不同扦插深度對柳枝生長特征的影響

2.2.1?地上部分生長特征。由表3可知，植物生長至180 d，不同扦插深度地上生物量、株高差異不顯著（P>0.05）。工況6植物地上生物量較工況4和工況5分別高出12.89%和26.49%，株高分別增加31.90%和6.67%。植物生長至360 d，工況6植物表現(xiàn)最好，地上生物量達747.32 g，較工況4和工況5分別高155.83%和66.65%;株高為432.32 cm，較工況4和工況5分別增加25.96%和8.50%。3種工況360 d的生長

情況與180 d相比差異顯著（P<0.05），此期間植物生長情況良好?？傮w來看，扦插深度為30 cm比扦插深度為10、20 cm的地上部分生長情況好。

2.2.2?根系生長特征。由圖2可知，扦插枝條生長至180 d，工況5根質(zhì)量密度與工況4和6相比差異顯著（P<0.05），工況5表現(xiàn)較好。扦插枝條生長至360 d，不同扦插深度植物根系生長情況差異顯著（P<0.05），工況6表現(xiàn)最好。扦插枝條生長至180 d，扦插深度為20 cm（工況5）根系生物量最大，為47.53 g;扦插枝條生長至360 d，工況6根系生長情況迅速增加，其中總根長較工況4和工況5分別增加7.31%和228.20%，根系總體積分別增加132.60%和336.00%，根系生物量分別增加192.00%和147.10%，根長密度分別增加7.31%和228.20%，根質(zhì)量密度分別增加192.00%和147.10%。總體來看，扦插深度為30 cm時，根系生長情況最好。

2.3?不同扦插角度對柳枝生長特征的影響

2.3.1?地上部分生長特征。由表4可知，植物生長至180 d，不同扦插角度植物地上部分生長差異不顯著（P>0.05）。待植物生長至360 d，工況8較工況7植物地上生物量和株高分別高出129.38%和18.70%。2種工況360 d的生長情況與180 d相比差異顯著（P<0.05）?？傮w來看，枝條扦插角度為90°植物地上部分生長情況優(yōu)于扦插角度為45°枝條。

2.3.2?根系生長特征。由圖3可知，扦插植物生長至180 d，工況7和工況8根系生長無顯著差異。扦插植物生長至360 d，工況8總根長、總體積、根系生物量、根長密度和根質(zhì)量密度比工況7分別高出14.26%、114.30%、119.00%、14.26%和119.00%，兩者根質(zhì)量密度、根系生物量和總體積表現(xiàn)出顯著差異（P<0.05）?？傮w來看，扦插角度為90°的枝條根系生長情況比扦插角度為45°時好。

的RDA綜合分析

不同工況下植物生長參數(shù)顯著性分析表明，不同扦插工況之間植物生長差異較顯著，不同工況下植物整體生長表現(xiàn)為工況6>工況8（工況2、工況5）>工況3>工況7>工況1>工況4。

為研究不同扦插方式對植物生長參數(shù)的影響，利用Canoco4.5軟件將扦插植物地上生物量、株高、根長、根系體積、根系生物量作為響應(yīng)變量，扦插直徑、深度和角度作為解釋變量進行冗余分析（RDA）[24-26]。RDA二維排序圖可直觀反映出植物生長參數(shù)與不同扦插方式之間的相關(guān)性[27-28]，軸1、軸2、軸3和軸4的特征根的相關(guān)系數(shù)分別為94.8%、94.1%、92.8和90.0%，到軸4的累計合理解釋變量為87.3%，因此不同扦插方式與植物生長參數(shù)之間的RDA排序分析結(jié)果可信。

由圖4可知，紅色箭線表示不同扦插方式，箭線越長，表示對植物生長參數(shù)影響越大?？梢?，不同的扦插深度和直徑對植物生長參數(shù)影響較大，不同扦插方式對植物生長參數(shù)影響大小排序依次為扦插深度、扦插直徑、扦插角度。植物地上生物量、株高和根系生物量與扦插直徑和扦插角度之間具有較高的正相關(guān)性，與扦插直徑和扦插角度之間的相關(guān)性大小排序依次為地上生物量、株高、根系生物量。地上生物量、株高、根系生物量、根長和根系體積與扦插深度均具有較好的正相關(guān)性，植物根系數(shù)量與不同扦插方式之間呈現(xiàn)顯著負相關(guān)性。

3?結(jié)論

（1）不同扦插直徑旱柳枝條生長參數(shù)之間差異顯著（P<0.05），扦插直徑>1.5～3.0 cm（工況2）植物整體生長表現(xiàn)情況最佳。植物生長至360 d，工況2較工況1植物地上生物量、株高、根系總體積、根系生物量和根質(zhì)量密度分別高出69.38%、21.23%、69.65%、76.24%和76.24%，較工況3分別高出34.87%、10.90%、77.63%、59.76%和59.76%。

（2）旱柳枝條扦插深度為30 cm時（工況6），植物整體生長情況表現(xiàn)最佳。植物生長至360 d，工況6植物地上生物量、株高、總根長、根系總體積、根系生物量、根長密度和根質(zhì)量密度較工況4分別高出115.83%、25.96%、7.31%、132.60%、192.00%、7.31%和192.00%，較工況5分別高出66.65%、8.50%、228.20%、336.00%、147.10%、228.20%和147.10%。

（3）90°扦插枝條整體生長情況好于45°扦插枝條，植物生長至360 d，工況8植物地上生物量、株高、總根長、根系總體積、根系生物量、根長密度和根質(zhì)量密度比工況7分別高出129.38%、18.70%、14.26%、114.30%、119.00%、14.26%和119.00%。

（4）不同扦插方式對植物生長參數(shù)影響大小排序依次為扦插深度、扦插直徑、扦插角度。植物地上生物量、株高和根系生物量與扦插直徑和扦插角度之間具有較高的正相關(guān)性，其與扦插直徑和扦插角度之間的相關(guān)性大小排序依次為地上生物量、株高、根系生物量。而植物根系數(shù)量與不同扦插方式之間呈現(xiàn)顯著負相關(guān)性。

綜上，采用扦插柳枝方式作為土壤生物工程技術(shù)措施時，應(yīng)選擇扦插直徑>1.5～3.0 cm旱柳枝條，扦插深度為30 cm，并垂直于地面進行扦插。研究結(jié)果為土壤生物工程扦插措施的應(yīng)用提供了一定的指導(dǎo)。

參考文獻

[1] ZHU H，ZHANG L M.Field investigation of erosion resistance of common grass species for soil bioengineering in Hong Kong[J].Acta geotechnica，2015，11（5）：1-13.

[2] DHITAL Y P，KAYASTHA R B，SHI J.Soil bioengineering application and practices in Nepal[J].Environmental management，2013，51（2）：354-364.

[3] 婁會品，高甲榮.京郊琉璃河河岸帶土壤生物工程的生態(tài)效應(yīng)[J].西北林學(xué)院學(xué)報，2016，31（1）：304-308.

[4] 夏繼紅，嚴忠民.國內(nèi)外城市河道生態(tài)型護岸研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].中國水土保持，2004（3）：20-21.

[5] 劉瑛，高甲榮，顧嵐.基于植物柔韌性的土壤生物工程護岸材料選擇[J].北京林業(yè)大學(xué)學(xué)報，2013，35（6）：74-79.

[6] LI M H，EDDLEMAN K E.Biotechnical engineering as an alternative to traditional engineering methods： A biotechnical streambank stabilization design approach[J].Landscape and urban planning，2002，60（4）：225-242.

[7] FERNANDES J P，GUIOMAR N.Simulating the stabilization effect of soil bioengineering interventions in Mediterranean environments using limit equilibrium stability models and combinations of plant species[J].Ecological engineering，2016，88：122-142.

[8] 高甲榮，呂晶，李曉宏，等.土壤生物工程在沿河公路護坡中的初期水土保持效應(yīng)[J].水土保持學(xué)報，2010，24（1）：69-72，85.

[9] ROMANO N，LIGNOLA G P，BRIGANTE M，et al.Residual life and degradation assessment of wood elements used in soil bioengineering structures for slope protection[J].Ecological engineering，2016，90：498-509.

[10] 李曉鳳，陳麗華，宋恒川，等.柳杉不同樹齡根系加筋作用對邊坡穩(wěn)定性的影響[J].四川農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，2013，31（3）：258-263.

[11] 顧嵐，高甲榮，王穎，等.碼石扦插聯(lián)合生態(tài)護坡技術(shù)研究及其應(yīng)用[J].水土保持研究，2012，19（1）：222-225.

[12] 王兵，高甲榮，陳瓊，等.護岸柳樹表層根系生長的影響因素[J].東北林業(yè)大學(xué)學(xué)報，2014，42（12）：26-29，42.

[13] 豐田，邱宙廷，李光范，等.植被護坡中根土復(fù)合土體抗剪強度分析[J].水利水電技術(shù)，2018，49（7）：174-180.

[14] 嵇曉雷，楊平.基于根系形態(tài)的根系固坡作用數(shù)值分析[J].南京林業(yè)大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2013，37（2）：113-117.

[15] 宋香靜，李勝男，郭嘉，等.不同鹽分水平對檉柳扦插苗根系生長及生理特性的影響[J].生態(tài)學(xué)報，2018，38（2）：606-614.

[16] 錢斌天.土壤生物工程技術(shù)植物材料的篩選和施工方式研究[D].北京：北京林業(yè)大學(xué)，2013.

[17] 王穎，高甲榮，婁會品，等.土壤生物工程中植物材料的應(yīng)用：以昌平試驗區(qū)為例[J].中國水土保持科學(xué)，2011，9（4）：55-59.

[18] 李曼.武夷山主要森林類型植物根、莖、葉功能性狀關(guān)聯(lián)研究[D].福州：福建師范大學(xué)，2017.

[19] 婁會品，高甲榮，王越，等.土壤生物工程減少坡面侵蝕效果[J].水土保持學(xué)報，2011，25（4）：50-53.

[20] 及金楠，張志強，郭軍庭，田佳.黃土高原刺槐和側(cè)柏根系固坡的有限元數(shù)值模擬[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2014，30（19）：146-154.

[21] 嵇曉雷，楊平.基于根系形態(tài)的根系固坡作用數(shù)值分析[J].南京林業(yè)大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2013，37（2）：113-117.

[22] BJERAGER P，DITLEVSEN O.Influence of uncertainty of local friction angle and cohesion on the stability of slope in coulomb soil[M]//THOFT?CHRISTENSEN P.Reliability theory and its application in structural and soil mechanics.The Hague，The Netherlands：Springer，1983.

[23] 瞿晴，徐紅偉，吳旋，等.黃土高原不同植被帶人工刺槐林土壤團聚體穩(wěn)定性及其化學(xué)計量特征[J].環(huán)境科學(xué)，2019，40（6）：2904-2911.

[24] 王長偉，劉勇，李國雷，等.不同林農(nóng)復(fù)合模式對造林1年后毛白楊幼林根系的影響[J].北京林業(yè)大學(xué)學(xué)報，2019，41（1）：32-41.

[25] SYARIF M，SAMPEBULU V，TJARONGE M W，et al.Characteristic of compressive and tensile strength using the organic cement compare with portland cement[J].Case studies in construction materials，2018，9：1-8.

[26] BERGMEIER E，DIMOPOULOS P.Fagus sylvatica forest vegetation in Greece：Syntaxonomy and gradient analysis[J].Journal of vegetation science，2001，12（1）：109-126.

[27] 馬守臣，徐炳成，王和洲，等.根系冗余對小麥籽粒產(chǎn)量和水分利用效率的影響[J].應(yīng)用與環(huán)境生物學(xué)報，2010，16（3）：305-308.

[28] GUO J J，CHEN J G.RACK1 genes regulate plant development with unequal genetic redundancy in Arabidopsis[J].BMC Plant Biology，2008，8（1）：1-11.