黃廣杰, 段青松, 李建興, 熊壽德, 劉武江, 保銳琴, 張立蕓

(1.云南農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院, 昆明 650201; 2.云南農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利學(xué)院, 昆明 650201;3.中國(guó)電建集團(tuán)昆明勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司, 昆明 650051; 4.云南農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院, 昆明 650201)

三江并流區(qū)位于青藏高原東南部，橫斷山脈縱谷地帶，是我國(guó)最大的世界自然遺產(chǎn)地，也是世界生物多樣性和民族文化多元性最豐富的地區(qū)之一。三江并流區(qū)是我國(guó)西南生態(tài)屏障的重要部分和核心區(qū)域，區(qū)內(nèi)怒江、瀾滄江、金沙江3條大河并行而流170 km，從海拔6 740 m的梅里雪山最高峰到700 m左右的怒江河谷，地形高差懸殊巨大[1]；該區(qū)處于地殼運(yùn)動(dòng)活躍區(qū)和地殼構(gòu)造板塊碰撞點(diǎn)，巖質(zhì)松軟、巖層節(jié)理發(fā)育、巖石破碎，成土母質(zhì)易于風(fēng)化，滑坡、泥石流、崩塌等災(zāi)害頻發(fā)[2]，是我國(guó)水土流失高發(fā)地區(qū)之一[1]。在國(guó)家大力興建水利設(shè)施的大背景下，豐富的水能資源使三江流域深受國(guó)家水能水電資源開發(fā)的青睞，三江干流規(guī)劃建設(shè)的大型以上的水電站達(dá)23座[3]，各電站大壩的運(yùn)行將使“三江”水位既受自然節(jié)律調(diào)控，也更多受人為調(diào)控，在三江沿岸形成許多大面域消落帶，在反復(fù)的江水、徑流、重力等多重營(yíng)力作用下，消落帶成為了土壤侵蝕的重災(zāi)區(qū)，不僅對(duì)水庫(kù)的安全運(yùn)行造成一定影響，更是頻繁影響沿岸人民的交通出行，甚至威脅人民生命財(cái)產(chǎn)安全。

黃登水電站地處云南省怒江州蘭坪縣營(yíng)盤鎮(zhèn)境內(nèi)，是瀾滄江上游規(guī)劃河段的第六級(jí)水電站，于2019年6月工程完建，電站裝機(jī)容量1 900 MW，電站水庫(kù)貫穿蘭坪和維西兩縣，總庫(kù)容1.67×109m3，屬I等大(1)型，豐水期最高水位1 619 m，枯水期最低水位1 586 m[4-5]，水庫(kù)調(diào)度運(yùn)行在最低與最高水位線間形成了水位高差33 m的消落帶。庫(kù)區(qū)地勢(shì)陡峭、河谷深切、基巖風(fēng)化度高、生態(tài)敏感性脆弱性強(qiáng)，水土流失嚴(yán)重，沿江88 km長(zhǎng)度范圍的庫(kù)岸發(fā)育了近60處活動(dòng)性滑坡[3]，超過(guò)了怒江、瀾滄江和金沙江干流流域滑坡總數(shù)的10%，是三江并流區(qū)沿江滑坡發(fā)育最頻繁、最密集的區(qū)段，黃登水庫(kù)在該區(qū)水庫(kù)中具有較強(qiáng)的代表性。

消落帶是連接水陸生態(tài)系統(tǒng)的交錯(cuò)、過(guò)渡區(qū)域，兼具水域和陸地兩重屬性；也是生態(tài)環(huán)境比較脆弱的敏感地帶和易污染地帶，其生態(tài)修復(fù)是一個(gè)世界性難題[6-7]。嚴(yán)重的土壤侵蝕已成為消落帶主要的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題[7]，消落帶生態(tài)治理主要以植被恢復(fù)為主，篩選固土抗蝕的優(yōu)勢(shì)植物是消落帶治理的前提和基礎(chǔ)。植物具有良好的固土抗蝕的能力，由地上部分和地下根系共同體現(xiàn)，一方面植物通過(guò)其地上部分?jǐn)r擋降雨、徑流、波浪，發(fā)揮緩沖作用，從而弱化侵蝕強(qiáng)度；另一方面，植物根系穿插纏繞在土體中，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)、護(hù)擋、牽拉作用抵抗外來(lái)侵蝕營(yíng)力從而固持土壤，提高土壤抗侵蝕性能[8]。植物根系在土壤侵蝕防治中起主導(dǎo)作用，其固土抗蝕效應(yīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于地上部分[9]，且利用草本植物在消落帶進(jìn)行植被重建較為經(jīng)濟(jì)、高效[10]。

近年來(lái)，學(xué)者越來(lái)越關(guān)注消落帶植物根系及其固土抗蝕性的研究。徐少君等[11]、李建興等[12]分別通過(guò)含根土體靜水崩解、直剪試驗(yàn)研究表明根系可顯著增強(qiáng)土體的抗水蝕特性和抗剪強(qiáng)度，鐘榮華等[13-14]、徐文秀等[15]通過(guò)單根拉伸試驗(yàn)研究了5種草本根系的抗拉性能并預(yù)估了固土能力，指出草本根系具有良好的固土能力。但以上研究多以三峽庫(kù)區(qū)消落帶的狗牙根(Cynodondactylon(Linn.)Pers.)等草本為主，有關(guān)三江并流區(qū)水庫(kù)消落帶的植物研究還未見(jiàn)報(bào)道。研究植物根系形態(tài)特征可洞察植物對(duì)生長(zhǎng)環(huán)境的適應(yīng)能力以及抗逆性[16]，土體中的植物根系可將土體承受的剪力轉(zhuǎn)變?yōu)樽陨硭芾瓚?yīng)力而增強(qiáng)土體抗剪強(qiáng)度，因此根系的抗拉性能指標(biāo)抗拉強(qiáng)度、極限延伸率、楊氏模量等是反映根系固土抗蝕能力的重要參數(shù)[15,17]。本研究選取瀾滄江黃登水庫(kù)消落帶的5種適生草本，對(duì)比分析根系形態(tài)及抗拉特性，以期為三江并流區(qū)水庫(kù)消落帶生態(tài)治理，尤其是消落帶土壤侵蝕防治的草本植物物種選擇提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于維西縣維登鄉(xiāng)黃登水庫(kù)庫(kù)尾左岸平緩開闊的消落帶(27°6′56″N，99°10′29″E)，該區(qū)域地處橫斷山脈縱谷地帶碧羅雪山山系尾部，屬“三江并流”核心地帶，年均氣溫14.9℃，年均降雨量938.6 mm。黃登水庫(kù)蓄水前，區(qū)內(nèi)有狗牙根、青蒿(ArtemisiaannuaL.)、馬鞭草(VerbenaofficinalisL．)、白茅草(ImperatacylindricaL.)等原生草本，水庫(kù)運(yùn)行后，僅有狗牙根零星分布。2019年5月1日—15日，為重建消落帶植被，在區(qū)內(nèi)淺水位(水位高程1 618～1 619 m)進(jìn)行了植被配置，栽植了菖蒲(AcoruscalamusL.)、狗牙根兩種鄉(xiāng)土物種和香根草(Vetiverzizanioides)、鳳仙花(ImpatiensbalsaminaL.)、美人蕉(CannaindicaL.)、風(fēng)車草(CyperusalternifoliusL.)、花葉蘆竹(Arundodonaxvar.versicolor)、蘆葦(PhragmitescommunisTrin.)等共16種草本植物，一年的淹水落干后，狗牙根、香根草、花葉蘆竹、風(fēng)車草、美人蕉、菖蒲、蘆葦?shù)戎参镩L(zhǎng)勢(shì)較好，其余植物未存活。

1.2 樣地選擇及采樣

2020年11月下旬，黃登水庫(kù)消落帶退水后，挖取花葉蘆竹、風(fēng)車草、美人蕉、菖蒲和蘆葦?shù)母怠，F(xiàn)場(chǎng)挖掘發(fā)現(xiàn)5種草本根系主要分布在地下50 cm以內(nèi)，故每種草本選取5株健壯植株，以植株為中心，在長(zhǎng)、寬、深均為50 cm的范圍挖取根系，挖掘時(shí)盡量避免對(duì)根系的機(jī)械損傷，挖出的根系做好保鮮處理盡快帶回實(shí)驗(yàn)室。

1.3 根系分析

待測(cè)根系用水洗凈后吸干水分，置于潔凈的高透掃描盤中，用毛刷輕輕撥開根系，使根系最大限度延展在盤中，用Epson 12000 XL掃描儀中在400 dpi下進(jìn)行灰度掃描，用WinRhizo根系分析系統(tǒng)分析根系形態(tài)指標(biāo)?；ㄈ~蘆竹、美人蕉、菖蒲、蘆葦為根莖型植物[18-19]，都有粗壯的地下莖，從地下莖長(zhǎng)出的較細(xì)根系與須根型風(fēng)車草根系[19]類似。大量研究表明植物發(fā)揮固土護(hù)坡的作用的主要是細(xì)根[12,13-15,17]，為便于比對(duì)，本研究根系相關(guān)參數(shù)的統(tǒng)計(jì)均未計(jì)入根莖型植物的地下莖。

1.4 單根拉伸試驗(yàn)

本試驗(yàn)以50 mm標(biāo)距，對(duì)每種草本100根順直、無(wú)損傷的根系進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。用電子數(shù)顯游標(biāo)卡尺測(cè)量根系中間處的直徑作為單根直徑，用山度牌SN100數(shù)顯拉力試驗(yàn)機(jī)(量程100 N、精度為0.05 N)測(cè)定單根最大抗拉力，用百分表(量程為0～25 mm，精度為0.01 mm)測(cè)定單根伸長(zhǎng)量。試驗(yàn)前，在試驗(yàn)機(jī)夾具兩端纏繞軟布膠帶以增加根系與夾具間的摩擦力，把上下夾具的間距調(diào)為50 mm，夾緊根系，用手勻速轉(zhuǎn)動(dòng)試驗(yàn)機(jī)旋鈕開始試驗(yàn)，拉伸速率參照鐘榮華等[13]控制在10～15 mm/min。試驗(yàn)中，根系只有在根中間 1/3段發(fā)生斷裂時(shí)測(cè)得的數(shù)據(jù)有效。根系力學(xué)指標(biāo)及計(jì)算方法[15,20]如下：

(1)

(2)

(3)

式中:Tr為根系抗拉強(qiáng)度(MPa);F為根系最大抗拉力(N);D為根系直徑(mm);ε為根系縱向應(yīng)變,即極限延伸率(%);ΔL為根系拉斷時(shí)的伸長(zhǎng)量(mm);50為拉伸根系原長(zhǎng),即標(biāo)距(mm);Er為楊氏模量(MPa)。

1.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

采用Microsoft Excel軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)整理和回歸分析，用SPSS 21.0軟件Duncan氏新復(fù)極差法進(jìn)行差異顯著性分析，用Origin 2019軟件繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 草本植物根系形態(tài)指標(biāo)比較

圖1為5種草本根系的圖像，5種草本的新根均為白色，老根顏色同中有異，5種草本根系均發(fā)育良好，無(wú)病蟲害。5種草本根系形態(tài)指標(biāo)見(jiàn)表1，根系平均直徑、根系體積都以花葉蘆竹最大，風(fēng)車草次之，蘆葦最小，花葉蘆竹和蘆葦間差異極顯著；根系長(zhǎng)度、根系表面積都以風(fēng)車草最大，花葉蘆竹次之，蘆葦最小，且風(fēng)車草和蘆葦間差異極顯著。美人蕉和菖蒲根系的所有形態(tài)指標(biāo)都排在第三或第四位，且兩種間各指標(biāo)均無(wú)極顯著差異。5種草本根系平均直徑和根系長(zhǎng)度、表面積、體積的最大差異分別為1.69倍，2.10倍，2.97倍，4.97倍。

草本植物根系直徑的分級(jí)目前還未形成統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，參照以往消落帶草本植物的研究[12-15]以及段青松等[21]對(duì)草本植物根系直徑的分級(jí)，本研究分7個(gè)徑級(jí)對(duì)根系的長(zhǎng)度、表面積、體積進(jìn)行詳細(xì)分析，見(jiàn)表2。由表2可知，5種草本直徑大于1 mm的根系長(zhǎng)度、表面積、體積的占比分別在59.91%～63.70%，74.14%～91.41%，88.39%～98.36%之間，大于1 mm的根系為5種草本根系的主體。且5種草本根系的長(zhǎng)度、表面積表現(xiàn)為：花葉蘆竹和風(fēng)車草在直徑大于2 mm的徑級(jí)占比最大，其余3種在1～2 mm的徑級(jí)占比最大；根系體積表現(xiàn)為：蘆葦在1～2 mm的徑級(jí)占比最大，其余4種均在直徑大于2 mm的徑級(jí)占比最大。

圖1 5種草本植物根系

表1 5種草本根系形態(tài)指標(biāo)

表2 不同徑級(jí)根系各結(jié)構(gòu)指標(biāo)占總量的比例 %

2.2 草本植物根系抗拉力和抗拉強(qiáng)度比較

5種草本根系拉伸試驗(yàn)總共測(cè)試成功266根，平均成功率為53.2%，測(cè)試成功的直徑范圍為0.35～3.06 mm，測(cè)得根系抗拉力范圍為3.59～64.53 N，平均抗拉力依次為花葉蘆竹(33.04 N)>風(fēng)車草(18.44 N)>菖蒲(18.35 N)>蘆葦(11.16 N)>美人蕉(10.26 N)。根系抗拉強(qiáng)度范圍為2.31～73.70 MPa，平均抗拉強(qiáng)度依次為花葉蘆竹(34.33 MPa)>菖蒲(16.45 MPa)>風(fēng)車草(14.85 MPa)>蘆葦(12.81 MPa)>美人蕉(7.54 MPa)。

不同植物根系的抗拉力、抗拉強(qiáng)度隨直徑的變化幅度不同[15]，但5種植物的抗拉力、抗拉強(qiáng)度均隨直徑增大而增大、減小(圖2)，且都與直徑間存在冪函數(shù)關(guān)系(表3)。

圖2 5種草本根系抗拉力、抗拉強(qiáng)度隨直徑的變化特征

表3 5種草本根系抗拉力、抗拉強(qiáng)度與直徑間的回歸方程

2.3 草本植物根系極限延伸率和楊氏模量比較

由表4可知，本研究測(cè)試成功的5種草本根系的直徑間無(wú)顯著差異。

5種草本根系的平均極限延伸率菖蒲(24.28%)>風(fēng)車草(19.45%)>蘆葦(17.43%)>花葉蘆竹(12.66)>美人蕉(8.20%)，且兩兩間差異達(dá)極顯著水平。5種草本根系的楊氏模量范圍為20.43～1 178.68 MPa，以花葉蘆竹(313.44 MPa)最大，菖蒲(70.47 MPa)最小，花葉蘆竹與其余草本差異極顯著，最大差異高達(dá)4.45倍。5種草本根系的楊氏模量同抗拉強(qiáng)度一致，隨根系直徑的增大呈冪函數(shù)減小(p<0.01)，但不同草本的變化幅度不同(圖3)。

表4 5種草本根系極限延伸率與楊氏模量參數(shù)

圖3 5種草本根系楊氏模量隨直徑的變化特征

3 討 論

3.1 根系形態(tài)及其影響因素

植物根系的形態(tài)與分布首先由植物本身的遺傳特性所決定[16]，環(huán)境變化對(duì)植物根系也有重要影響[22]，根系表面積、體積越大，根系越長(zhǎng)，越有利于植物吸收土壤水分和養(yǎng)分，從而更好地適應(yīng)生長(zhǎng)環(huán)境[23]。本研究中5種草本植物生長(zhǎng)在同樣的環(huán)境中，受相同土壤水分和養(yǎng)分影響，根系形態(tài)指標(biāo)的差異很大程度上反映了各草本本身的特性以及適應(yīng)研究區(qū)環(huán)境的能力，花葉蘆竹和風(fēng)車草根系的所有形態(tài)指標(biāo)都位居前二，說(shuō)明二者根系發(fā)達(dá)。根系長(zhǎng)度主要由根系數(shù)量以及單根長(zhǎng)度決定，根系表面積和體積則由根系直徑、數(shù)量、長(zhǎng)度共同決定，花葉蘆竹、風(fēng)車草根系相比于其余3種草本直徑更大、長(zhǎng)度更長(zhǎng)，故根系表面積和體積也更大。5種草本直徑大于1 mm的根系長(zhǎng)度、表面積和體積占比大，這與5種草本根系本身的直徑有關(guān)[16]，直徑大于1 mm的根系占多數(shù)。整體上直徑大于2 mm的根系體積占總體積的比例最大，是因?yàn)楦敌螤钫w上接近于圓柱體，故直徑大的根系對(duì)體積貢獻(xiàn)更大。

3.2 根系抗拉性能及其影響因素

直徑是對(duì)根系抗拉性能影響最顯著的因子之一[13-15,17]，5種植物根系的抗拉力和抗拉強(qiáng)度分別隨直徑的變大而增大和減小，且與直徑均呈冪函數(shù)相關(guān)，這與國(guó)內(nèi)外大量草本、灌木、喬木根系的研究結(jié)果[13-15,17,24-30]一致。5種植物根系的楊氏模量隨直徑增大呈冪函數(shù)減小，這與田佳等[28]對(duì)花棒(Hedysarumscoparium)和沙柳(Salixpsammophila)以及周林虎等[29]對(duì)檸條錦雞兒(Caraganakorshinskii)、中寧枸杞(LyciumChinese)、白刺(Nitrariatangutorum)和霸王(Sarcozygiumxanthoxylon)的研究結(jié)論一致?；ㄈ~蘆竹是蘆竹的變種，但在相同徑級(jí)條件下，本研究中花葉蘆竹的抗拉力和抗拉強(qiáng)度都高于馮國(guó)建等[31]對(duì)蘆竹的研究結(jié)果，其原因可能是兩種植物具有種間差異，植物根系抗拉性能受根系微觀結(jié)構(gòu)[26]、化學(xué)組分[27]、水分[30]影響，不同生長(zhǎng)期植物根系抗拉性能亦所差異[32]。因此進(jìn)一步對(duì)不同淹水梯度、不同生長(zhǎng)時(shí)期消落帶植物根系抗拉特性進(jìn)行研究具有一定的價(jià)值和意義。

3.3 在黃登水庫(kù)消落帶中的應(yīng)用

從根系形態(tài)看，5種草本根系均發(fā)育良好，都適應(yīng)了研究區(qū)環(huán)境，均可作為黃登水庫(kù)消落植被恢復(fù)的候選物種。

以固土抗蝕的角度分析，當(dāng)發(fā)生滑坡等災(zāi)害，土體受外力作用時(shí)，生長(zhǎng)在土壤中的根系可將土體承受的剪力轉(zhuǎn)變?yōu)樽陨硭艿睦瓚?yīng)力來(lái)增強(qiáng)土體抗剪強(qiáng)度，發(fā)揮固土作用[15,17]。5種草本根系平均抗拉力花葉蘆竹(33.04 N)>風(fēng)車草(18.44 N)>菖蒲(18.35 N)>蘆葦(11.16 N)>美人蕉(10.26 N)，抗拉強(qiáng)度花葉蘆竹(34.33 MPa)>菖蒲(16.45 MPa)>風(fēng)車草(14.85 MPa)>蘆葦(12.81 MPa)>美人蕉(7.54 MPa)。5種植物根系都能抵抗一定的拉應(yīng)力，發(fā)揮固土作用，花葉蘆竹根系抗拉力和抗拉強(qiáng)度都最大，其抗拉強(qiáng)度相當(dāng)于Ⅰ級(jí)鋼筋[33](235 MPa)的14.6%，在土體中有明顯的加筋作用，所能承受的極限拉應(yīng)力最大，美人蕉則最小。植物根系具有彈塑性材料的特點(diǎn)[17]，根系極限延伸率、楊氏模量是衡量其變形能力的重要指標(biāo)，極限延伸率越大，抵抗塑性變形的能力越強(qiáng)，楊氏模量越大，抵抗彈性變形的能力越強(qiáng)[15,20]。5種草本根系極限延伸率菖蒲(24.28%)>風(fēng)車草(19.45%)>蘆葦(17.43%)>花葉蘆竹(12.66)>美人蕉(8.20%)，楊氏模量花葉蘆竹(313.44 MPa)>美人蕉(110.72 MPa)>風(fēng)車草(79.57 MPa)>蘆葦(78.49 MPa)>菖蒲(70.47 MPa)。由此可得菖蒲抵抗塑性變形的能力最強(qiáng)，滑坡發(fā)生時(shí)在一定的彈性形變范圍內(nèi)對(duì)下滑土體的有較強(qiáng)的緩沖作用，花葉蘆竹根系的存在則使得土體抵抗彈性變形的能力明顯變強(qiáng)[15]。美人蕉雖楊氏模量排在第二位，但其所能承受的拉應(yīng)力、應(yīng)變均最小，展現(xiàn)出一定脆性。根系發(fā)達(dá)，抗拉強(qiáng)度大的植物固土作用更強(qiáng)[12-14,22]，由此可得花葉蘆竹固土作用最強(qiáng)，是黃登水庫(kù)消落帶優(yōu)勢(shì)固土植物。

4 結(jié) 論

(1) 5種草本中，花葉蘆竹和風(fēng)車草的根系形態(tài)指標(biāo)均高于其余3種草本，根系較為發(fā)達(dá)；直徑大于1 mm的根系為5種草本根系的主體，直徑大于2 mm的根系整體上對(duì)體積貢獻(xiàn)最大。

(2) 5種草本根系的抗拉力、抗拉強(qiáng)度和楊氏模量與直徑之間都為冪函數(shù)關(guān)系。

(3) 5種草本根系均可抵抗一定拉應(yīng)力力，花葉蘆竹根系抗拉力、抗拉強(qiáng)度、楊氏模量均最大，其抵抗拉伸作用的能力最強(qiáng)，固土力最強(qiáng)，美人蕉最弱。

總體而言，5種草本根系都發(fā)育良好，均可作為黃登水庫(kù)消落帶植被重建的候選物種，花葉蘆竹是優(yōu)勢(shì)固土草本。研究結(jié)果可推廣運(yùn)用到三江并流區(qū)和其他條件類似的水庫(kù)消落帶。