黄荆根系在风化岩石边坡上的锚固研究

张 丞，李绍才，孙海龙，3，龙 凤，罗龙皂，芦荻秋，王云翔

(1.四川大学水利水电学院，四川成都610065;2.四川大学生命科学院，四川成都610064;3.四川省励自生态技术有限公司，四川成都610031;4.西南大学资源环境学院，重庆400715)

1 黄荆根系边坡的锚固作用

在中国西南地区，黄荆是人工石质边坡自然恢复过程中常见的木本先锋物种，这一物种在这一地区石质边坡的坡面生态工程中得到了广泛应用。但笔者发现，在不同的石质边坡上仍然有很多失败的案例，比如暴风雨后，一些基岩相对完整的边坡上栽植了几年的黄荆被连根拔起。根的锚固作用主要取决于根系的特性，比如根的布局和抗拉强度。这一地区石质边坡的坡面生态工程人工覆土层较浅薄(一般在15 cm以下)，坚硬的基岩平面经常限制根的垂直生长。我们推测，浅层土壤下基岩的性质(如风化程度)影响根系的布局，也影响黄荆的锚固阻力。因此，这里研究在不同风化岩质边坡上黄荆根系的锚固特征。

根系锚固测定的一个难点是实际力的施加问题。笔者观察到黄荆的倾倒集中于沿坡向下，因此，一个沿坡向下的横向位移(把植物拉倒)可能更能模拟自然的机械力。因此选择了不同风化程度石质边坡的坡面生态工程上的黄荆进行了拉倒试验。该研究的目的，一是了解黄荆根系在不同风化程度边坡上的生长分布;二是分析基岩风化程度对黄荆根系锚固阻力的影响。我们希望这些研究能对该地区石质边坡坡面生态工程的稳定性有所帮助。

2 材料与方法

2.1 试验地介绍

试验于中国西南地区成都境内龙泉山脉的3个石质边坡上(边坡特征见表1)进行，事先对这3个边坡进行了坡面生态工程建设。它们的地理位置均位于北纬30°38'，东经104°29'，海拔高度在234～256 m。该地区属亚热带季风气候，年平均气温16.3℃，最热月(7月)平均气温25.8℃，最冷月(1月)平均气温5.6℃，年平均降水量1 146.5 mm。

笔者查阅了1996年对这3个边坡进行防护时的勘查资料，对这三个边坡岩石的风化程度进行了定性及定量描述(表1)。

表1 中国西南部龙泉山脉3个边坡的岩石特征参数和风化程度指标

这3个边坡的坡面生态工程方式为混凝土框格植被护坡。框形单元的面积为16 m2。框架内填入含有植物种子和植物纤维的壤土，土层厚度为12 cm。植物种子为采收的野生黄荆种子(播种量为3 g/m2)与草种(狗牙根，播种量为2 g/m2;高羊茅，播种量6 g/m2)的混合。

经过8年的演替，最早建植的狗牙根和高羊茅已几乎被乡土植物代替，播种的黄荆依然存在，而且长势较好，但每个框格内仅有3～5株。

2.2 拉拔试验

在每个边坡随机选择12个框格，每个框格选择位于中央的1株黄荆进行试验，因此共有36株黄荆进行试验，所选黄荆的株高和基茎列于表2。这样共有来自强风化、弱风化和微风化三个边坡上的36株植株进行试验。将每个边坡上的12株植株分为4个试验，每个试验采取不同处理:第一个试验不进行任何处理，作为对照直接拉倒;第二个试验将土层人工浇水至饱和，稳定24 h后试验;第三个试验将下坡向的土层清除，仅保留基茎周围5 cm范围内的土壤，并用铲子将下坡向的侧根沿土壤剖面全部铲断;第四个试验将土壤层用手工清除，使根系完全暴露，仅保留基茎周围5 cm范围内的土壤。

实验时将树干从地面上30 cm砍掉，应用一个机动绞盘(型号为DF2000—5，上海，中国)，有5 kN最大的强度功率。绞盘安置在坡底锚入地面的钢钎上，缆索在试验之初保持与坡面水平(图1)。缆索附件的高度为离土层面5 cm，每棵树的高度都相同。由安装在绞盘和目标树中间的力的传感器来测定施加到目标树木的张力，并用数据记录器(型号Almemo2290－8，Ahlborn，德国)每1 s记录一次。为了测定在吊起试验中主干的偏转角，在茎基部安装了一个倾角器。角的测定由另一个同样的数据记录器每1 s进行记录，与传感器录入器同步进行。为防止拉拔时滑动，将茎干的皮除去，用石棉布包住，然后用一金属夹夹住，金属夹依据灌木地径的大小可以调节。以10°min－1的速度施加扭力，观察根的运动及树的旋转中心，计算最大倾覆力矩。在拔起后，仔细寻找断裂的根或者其它机械破坏的现象。

表2 用于拉拔试验的黄荆特征，数据为平均值加标准差

2.3 根系测量

分为上坡向与下坡向，统计根系的数量和长度(从生长点到根尖的距离)，用游标卡尺测量它们在接近着生点处较均匀的一段的直径。根系分别测量重量(在70℃下干燥直到衡重)。也统计扎入岩体裂隙中的根系数量、在裂隙中的长度及根系在基岩平面处的直径。

2.4 数据分析

所有数据都输入SPSS软件，用ANOVA来计算研究中所出现的参数。

图1 实验装置示意

3 结果

3.1 根系的生长与分布

在三种边坡上，所有黄荆的主根发育较差，在长度超过10 cm后就迅速变细变短了，但具有发达的一级侧根，它们从接近根颈的直根部分萌发向四周辐射生长。

每株黄荆都有部分二级侧根下垂扎入岩石裂隙中，没有发现一级侧根下垂扎入的现象。扎入裂隙中的根系表现出了极大的变形，尤其在那些裂隙宽度比根在基岩平面处的直径小的区域，根系在裂隙内部呈扁平状，而不是像外部根系接近圆形。

对不同坡面黄荆根系指标进行了比较(表3)。一级侧根在微风化边坡上具有较高的重量和长度，但数量和直径没有发现显著的差异。微风化边坡上，二级侧根的数量和重量要显著高于其他边坡。扎入强风化边坡岩石裂隙中的二级侧根数、在裂隙中的长度及在基岩平面处的直径要高于其他边坡。

表3 黄荆的根系指标

三种生境条件下，黄荆的上坡向一、二级侧根的数量及根系的总重量略高于下坡向，但差异没有达到显著水平(表4)。

表4 上坡向与下坡向侧根数量及重量对比

3.2 根系的锚固与断裂

在微风化岩石边坡上，试验4中清除土层的3株黄荆的拔起试验全部失败了，因为缆索刚拉直，植株就发生了倾翻。因此，在后面的结果中都不再报道关于微风化边坡上的试验4。在所有风化边坡上都没有发生茎被拉断的现象。当黄荆完全被拉倒后，扎入上坡向岩石裂隙中的二级侧根被完全拉断，下坡向的根没有断裂的情况发生。岩石裂隙中二级侧根的断点多数在基岩平面附近。

在试验1、试验2中的植株被拉倒后，只在上坡向的土体中可以发现断裂后残留的根系，包括一级侧根和二级侧根，但仅限于细小的根尖部位，而下坡向土体中的根系没有断裂发生。从试验4(强、中)的试验可以观察到，当倾倒进行时，虽然有扎入上坡向裂隙中的二级侧根单独断裂情况发生，但倾覆力矩随着位移变化还是逐渐增加，达到一个最大值。一旦有较多的二级侧根同时断裂，倾覆力矩就明显下降了(图2)。不同坡面及不同的试验处理，倾覆力矩和位移曲线形状的记录有相同模式。

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试验1、试验2和试验3对最大倾覆力矩有不同程度的影响(表5)。无论怎样处理的试验，最大倾覆力矩的大小均为强风化＞弱风化＞微风化，它们之间的差异达到了极显著水平(P＜0.01)。

图2 清除土层后倾覆力矩与主干倾斜角度关系。

实线为强风化边坡上的一株黄荆(地径11.21 cm)，a点后记录了上坡向岩石裂隙中24条二级侧根同时断裂。虚线为弱风化边坡上的一株黄荆(地径11.16 cm)，b点后记录了上坡向岩石裂隙中19条二级侧根同时断裂。

表5 不同风化坡面不同处理黄荆的最大倾覆力矩及主干倾斜角度，数据为平均值加标准差，给出了样本数。

4 讨论

4.1 关于根系分布

根可以穿透比自身直径小的裂缝(MacDonald and Gordon，1984)和圆柱形孔隙(Scholefield and Hall，1985)，所以根系也具有扎入岩石裂隙的能力。岩石裂隙的阻力导致了根系的变形(呈扁平状)，较宽的裂隙可能也使根系在强风化边坡裂隙中能扎入的更深些。我们知道岩体裂隙里的水分条件要高于其他区域，干旱胁迫条件下会诱导根系的扎入生长，这种现象在那些自然石质边坡上经常会被发现。在这里由于浅层土壤的水容量低，使植物受水分胁迫的几率高，驱动根系向裂隙中生长的因子可能是水分条件。但我们还不清楚为什么一级侧根没有扎入裂隙，这还没有找到合理的解释。

一些研究结果显示，坡面植物根系的变形程度要高于水平面生长的植物根系。由于风载荷、自身载荷及土壤重力载荷引起根系的不对称分布，上坡向生长的根系较下坡向发达(Di Iorio et al.，2005)。但我们的研究没有发现显著的差异，至少在根系的物质分配上如此。可能由于薄层土壤的重量低，使根系受土壤的载荷较弱，同时这些灌木本身要矮小些，受风的影响也要小一些。

4.2 关于根系锚固

在植株沿坡向下倾倒过程中，上坡向根系抵抗拔出(或拔断)，下坡向根系抵抗弯曲(Crook＆Ennos 1996)。研究表明上坡向根系的锚固作用在防止植株被拉倒过程中有主要贡献，因为把下坡向根系铲断后，最大倾覆力距下降幅度在强风化边坡上平均为21%，在弱风化边坡上平均为26%，在微风化边坡上平均为33%。

土体中根在断裂时，多数根系最细的末端部分还锚入土壤。但扎入岩石裂隙中的根系断点不是在裂隙内部最细处，而是在基岩平面附近，可能由于根系在受拉过程中，扎入岩石裂隙内部根系所受拉力向根侧摩擦阻力转化，而使根组织自身的应力减小。根系能发生同时断裂，因为单独断裂的根不可能与力的位移曲线下降一致，断裂顺序也并不必须与根尺寸相关(Bailey et al.2002)。

5 结论

岩体裂隙的分布可能是影响人工栽种黄荆在岩石坡面稳定的一个显著因子。对于微风化边坡，黄荆似乎并不能发挥锚固的积极作用这种生境下，黄荆可能并不完全适用于陡峭岩石边坡的生态防护。

从这次研究中得出的结论对提高关于该地区岩石边坡坡面生态工程的稳定很有帮助，并了解了砂岩的风化程度怎样影响黄荆根系的分布及其锚固作用。然而，必须承认的是，这个研究还有很多不足，需要对裂隙分布与根系构形之间关系进行数学模型化的研究，也需进一步对不同的岩性及植物的发育动态下的锚固行为进行研究。

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