6种水土保持植物枝条的数量特征

格日乐，额尔敦花†，宋想斌，孙保平

(1.内蒙古农业大学生态环境学院，010019，呼和浩特;2.西南林业大学环境科学与工程学院，650224，昆明;3.北京林业大学水土保持学院，100083，北京)

6种水土保持植物枝条的数量特征

格日乐1，额尔敦花1†，宋想斌2，孙保平3

(1.内蒙古农业大学生态环境学院，010019，呼和浩特;2.西南林业大学环境科学与工程学院，650224，昆明;3.北京林业大学水土保持学院，100083，北京)

植物枝条生物力学特性是研究植物地上部分防风抗蚀作用的基础。以内蒙古准格尔露天煤矿排土场平台和边坡上栽植的柠条、沙棘、紫花苜蓿、沙打旺、杨柴、草木犀6种常见水土保持植物的地上部分枝条为研究对象，研究枝条数量特征，确定其代表枝，从而为几种植物枝条生物力学性质的研究提供基础数据和相关参数。代表枝的确定将枝条以0.5mm为一个径级进行分级，分别计算每个径级组的累计枝数量比例、累计枝长比例、累计枝表面积比例和累计枝干质量比例，取这4个值相对较大的径级组作为各自的代表枝。结果表明：柠条代表枝径级为0.5～1和1～1.5mm，沙棘为1～1.5和1.5～2mm，杨柴为0～0.5和0.5～1mm，紫花苜蓿为0.5～1mm，沙打旺为0.5～1和1～1.5mm，草木犀为1～1.5mm。因此，在内蒙古准格尔采煤矿区及相似地区，在植物防风抗蚀生物力学性质的研究中，建议以上述6种水土保持植物作代表枝径级为主要研究范围。

枝条;代表枝;径级

长期以来，有关土壤侵蚀研究偏重于宏观层面、偏重于植被地上部对土壤侵蚀的防护效应，不同植被配置—坡度—土壤耦合的侵蚀规律、侵蚀量以及保水保土效益研究一直是热点问题［1-7］。有关植物地上部防风抗蚀的研究主要以植物增大地表粗糙度，降低近地表风速，减小径流流速为主。袁浩基［8］的 研 究 表 明，沙 棘 (Hippophae rhamnoidesLinn.)林可减少地表径流80%。赵鸿雁等［9］进行人工模拟降雨后对沙棘林的径流量进行分析，认为5年生沙棘的径流量为裸地的62.8%，泥沙量为裸地的12.8%。侯喜禄等［10］的研究表明，2～6年生的柠条(CaraganamicrophyliaLam.)林地的年径流量占荒坡的58.4%，成林的年径流量仅占荒坡的8.9%。

目前植被防治土壤风蚀研究内容主要包括植被防治土壤风蚀机制、植被覆盖对土壤风蚀影响以及植被配置格局对土壤风蚀影响的研究［11］。植被防治土壤风蚀的机制是植被通过覆盖地表、分解风力以及阻挡输沙等途径，从而有效地降低风速，减弱风速强度，削弱风对地表土粒的分离和搬运，起到控制风蚀的作用。其中植被的特征如覆盖度、密度、高度、宽度、形状以及排列方式等都会在不同程度上影响植被的防风作用［12-13］。

植被对地表土壤风蚀防护作用的影响因素除了植被覆盖度外，还与植株的形状、植物枝条的抗弯曲力和柔性变形、抗拉力等生物力学特性、植物植株的分布格局等因素密切相关;然而，在过去的研究中，植被覆盖度往往是研究的核心，而地上部分防风抗蚀的生物力学特性的研究国内外报道甚少，仅有的少量报道是针对小麦(Triticun aestivumLinn)、玉米(ZeamaysL.)等农作物，研究特定茎秆作物的抗倒伏性，为作业机械设计提供技术参数［14-18］。

内蒙古中西部地区是冬春季大风、夏季暴雨—大风交替作用下的风水复合侵蚀区。大风、暴雨过境时，植物体承受强大的风力和冲刷力的作用。树木枝叶具有较强的弹性，外力作用在植物体上，通过枝叶的阻挡、牵引等消耗一部分能量，从而越过植物体后，风力和冲刷力减小;因此，在植物地上部分发挥作用方面，枝叶本身的力学特性是研究其防风固沙、固土抗蚀机制的关键，其中枝条抗拉特性是生物力学特性的重要组成部分，是研究植物地上部分防风抗蚀作用的基础。

鉴于此，笔者以内蒙古自治区中西部大型采煤矿区准格尔煤田露天矿排土场平台和边坡上栽植的几种常见水土保持植物沙棘、柠条、杨柴(Hedysarum fruticosumPal.var.lignosum(Trautv.)Kitag)、沙打旺(Astragalus adsurgensPall.)、草木犀(Melilotus officinalisLinn)、紫花苜蓿(Medicago sativaL)等的地上部分枝条为对象，研究其数量特征，从而确定每种植物枝条代表枝，为今后几种植物地上部分防风抗蚀、防治土壤侵蚀的生物力学机制研究提供基础数据和相关参数，也为内蒙古风蚀和沙化严重地区、风水复合侵蚀区、采煤矿区环境治理工程的生物措施中有效地进行植物种的选择、配置，进而为上述地区灌、草结合、树种混交、牧草混播的理想模式进行防风固沙、防治土壤侵蚀提供科学的理论依据。

1 研究区自然概况

黑岱沟露天煤矿位于内蒙古自治区鄂尔多斯市准格尔旗东部，E 111°13'～111°20'，N 39°43'～39°49'，属于晋、陕、蒙接壤黄土地区，海拔1 025～1 302m。地处黄河西岸，面积52.11 km2。矿区气候属于中温带半干旱大陆性季风气候，年平均气温7.2℃，年均降水量404.1mm，多集中在7—9月，约占全年降水量的60%～70%，且以暴雨的形式出现。秋末和冬春盛行西北风，多年平均风速3.6m/s，年平均大风时间达42.2 d，年均沙尘暴17～26 d。因受强烈侵蚀的影响，矿区内地带性土壤不明显，非地带性土壤黄绵土广泛分布。矿区土壤主要为黄绵土，微碱性，肥力低下。排土场台阶上的土壤均为复填土，因排土车辆碾压较紧密。矿区内地带性植被属暖温型草原带，植被稀疏低矮，盖度一般在30%以下，天然森林已全遭破坏。

2 研究方法

2.1 样地及标准株选择

2011年9月，在实验区的内排土场平台(平均高度1 255m，土壤为复填土)选择生长良好的柠条、沙棘、杨柴、沙打旺、紫花苜蓿和草木犀样地，其中沙棘和柠条2种灌木造林方式为植苗造林，株行距为1.5m×1.5m，半灌木杨柴及其他3种草本植物均为直播造林，盖度为60%，对每一种植物随机抽取4年生植株50株(其中草木犀为2年生)作为1个样本，测其地径、株高及冠幅，计算其平均值。在50株样本中找出与平均值最接近的5株植物作为标准株进行研究。植株生长状况及标准株选取见表1。

表1 植株生长状况及标准株选取Tab．1 Growth conditions of plant and selection of standard strain

2.2 枝条数量分级测定方法

将选择好的标准株，首先测定各级枝条的数量，然后分别剪下，用精度为0.01mm的游标卡尺测量每一条枝的直径，并以0.5mm(枝刺等叶变态除外)为1个径级，从0～0.5mm开始至4.5～5mm分为10个径级，之后分为5～10mm和＞10mm2个径级对枝条进行分级，若某一个枝条跨越多个径级，则在临界点处将其剪断，分别归入相应的径级中。枝条长度用盒尺测量，第i条枝的表面积

式中：Di为第i条枝的平均直径;Li为第i条枝的长度。

将2种灌木和半灌木杨柴及3种草本植物各个径级的枝条分别在75℃(草本及半灌木)和85℃(灌木)条件下烘12 h，然后用1%的天平称量各个径级枝的干质量。

2.3 代表枝的确定

如果针对每种植物的整个枝条研究植物地上部枝条防风抗蚀的生物力学特性，工作量大，重复性小，针对上述问题，确定每种植物枝条的代表枝［19］。通过将植物地上部分枝条以0.5mm为一个径级进行分级，分别计算每个径级的累计枝数量、累计枝长、累计枝表面积、累计枝干质量比例进行分析判断，取这4个值相对较大的径级组，同时考虑植物种的环境适应性特点，确定各自的代表枝。

3 结果与分析

3.1 枝条分枝和不同径级枝条的数量特征

3.1.1 枝条分枝数量特征 从6种植物枝条分枝数量特征(表2)可以看出，枝条的总数量是柠条＞杨柴＞沙棘＞紫花苜蓿＞草木犀＞沙打旺，其中柠条有Ⅴ级侧枝，占总枝数的22.75%，沙棘只有Ⅲ级侧枝，表明柠条枝条分枝能力较沙棘强。半灌木杨柴及3种草本植物间相比较，只有杨柴有Ⅳ级侧枝，其他3种草本植物只有Ⅱ级侧枝，表明杨柴枝条分枝能力较紫花苜蓿、沙打旺和草木犀强。2种灌木植物中，柠条Ⅲ级侧枝枝数＞Ⅳ级侧枝枝数＞Ⅴ级侧枝枝数＞Ⅱ级侧枝枝数＞Ⅰ级侧枝枝数，且Ⅰ级和Ⅱ级侧枝枝数所占比例和为21.22%，明显小于Ⅲ级、Ⅳ级和Ⅴ级侧枝枝数所占比例和(78.77%)，表明柠条以细枝分布为主。沙棘为Ⅱ级侧枝枝数＞Ⅲ级侧枝枝数＞Ⅰ级侧枝枝数，且沙棘Ⅱ级侧枝枝数占总枝条的65.67%，明显大于其他序级，表明沙棘以粗枝分布为主。另外，从2种灌木植物不同序级枝条数量分布比例来看，均表现出分布不均匀的特点。

表2 6种植物枝条分枝数量特征Tab．2 Characteristics of branch quantity of six kinds of plant spieces

半灌木杨柴及3种草本植物中，从杨柴各序级枝条数量分布比例来看，其Ⅰ级和Ⅱ级侧枝枝数所占比例和为21.52%，明显小于Ⅲ级和Ⅳ级侧枝枝数所占比例和(78.49%)。表明杨柴枝条分布特点与柠条相似，以细枝分布为主，而且从各序级侧枝枝条数所占比例来看，表现出分布不均匀的特点。而紫花苜蓿、沙打旺和草木犀均为Ⅱ级分枝，即这3种草本植物分枝能力相同且小于杨柴。从不同序级枝条数量分布比例来看，紫花苜蓿、沙打旺和草木犀3种草本植物，均为Ⅱ级侧枝枝数＞Ⅰ级侧枝枝数，即紫花苜蓿为58% ＞42%、沙打旺为73.68% ＞42%、草木犀为83.33% ＞16.67%，3种草本植物枝条分布的均匀程度大小顺序为紫花苜蓿＞沙打旺＞草木犀。

3.1.2 不同径级枝条的数量特征 对6种植物的标准株枝条进行分级，结果见表3，分级后枝的总数量大小顺序为，杨柴＞柠条＞沙棘＞紫花苜蓿＞沙打旺＞草木犀，其中柠条分级前后枝数变化为228条，沙棘则为78条，表明柠条每一条枝跨越的直径变化较沙棘更大。从2种灌木枝条分级后的数量特征来看，柠条在0.5～1.5mm径级组范围内枝条数量最多为396条，占总数的52.73%，以较细枝条分布为主，沙棘则在1～2.0mm径级组范围内枝数量最多为87条，占总数的57.62%。

表3 6种植物枝条分级后的数量特征Tab．3 Characteristics of branch quantity of six kinds of plant spieces after classification of diameter

从半灌木杨柴及3种草本植物枝条分级后的数量特征来看，首先，杨柴在0～1mm径级组范围内枝数量最多为1 378条，占总数的88.9%，以细枝分布为主;紫花苜蓿在0.5～1mm径级组范围内枝数量最多为41条，占总数的53.25%;沙打旺则在0.5～1.5mm径级组范围内枝数量最多为22条，占总枝条数的52.38%。草木犀在1～1.5mm径级组范围内枝数量最多为21条，占总数的60%。其次，半灌木杨柴及3种草本植物分级前后枝数变化从大到小的顺序为杨柴(1 126条)＞紫花苜蓿(27条)＞沙打旺(23条)＞草木犀(11条)，表明杨柴每一条枝跨越的直径变化最大，枝径分布不均匀，而紫花苜蓿、沙打旺和草木犀每一条枝直径变化相对较均匀。

3.2 代表枝的确定

对6种植物标准株间累计枝数量比例、累计枝长比例、累计枝表面积比例和累计枝干质量比例进行方差分析得出：每种植物的标准株间上述4方面在a=0.05下均无显著差异。

从表4中可以看出，柠条枝径在0.5～2mm的累计枝长比例和是57.73%、沙棘在1～2mm累计枝长比例和是54.58%。从累计枝表面积比和累计干质量的比例来看，柠条枝条数量比例大的径级组0.5～1.5mm对应的累计枝表面积比例与累计枝干质量的比例相反却小，分别为17.81%和7.86%，而沙棘则相反，其枝条数量比例大的枝径组1～2mm对应的累计枝表面积比例与累计干质量比例也相应大，其值分别为38.94%和29.16%。

表4 6种植物累计枝数量、累计枝长度、累计枝表面积、累计枝干质量的比例Tab．4 The percentage of cumulative amount，cumulative length，surface area and dry weight of six kinds of plant spieces

半灌木杨柴及3种草本植物中，从累计枝长比例来看，杨柴在0～1mm的占86.76%，紫花苜蓿在0.5～1.5mm的占74.58%，沙打旺在0.5～1.5mm的占 39.72%%，而草木犀在 1～1.5mm的占51.60%。从累计枝表面积比例来说，杨柴在0～1mm的占63.55%，紫花苜蓿在0.5～1.5mm的占59.76%，沙打旺在0.5～1.5mm的占22.77%，草木犀在1～1.5mm的占40.68%。从累计干质量比例来看，杨柴在0～1mm的占47.03%，紫花苜蓿在0.5～1.5mm的占56.31%，沙打旺在0.5～1.5mm的占12.5%，草木犀在1～1.5mm的41.55%。

根据上述分析结果，综合考虑每种植物枝条上述4方面的数量分布特点，同时考虑几种植物对排土场大风、干旱贫瘠环境的适应特点，最终确定柠条的代表枝径级为0.5～1mm和1～1.5mm，沙棘的代表枝径级为1～1.5mm和1.5～2mm。4种草本植物的代表枝径级分别是，杨柴为0～0.5mm和0.5～1mm，紫花苜蓿为0.5～1mm，沙打旺代表枝径级为0.5～1mm和1～1.5mm，草木犀代表枝径级为1～1.5mm。

4 结论与讨论

几种植物枝条的分枝能力有差异，2种灌木相比较，柠条的分枝能力较沙棘强，这除了与植物本身的遗传特性有关外也与植物生长的环境条件密不可分。综合考虑累计枝数、累计枝长、累计枝表面积和累计枝干质量比例4方面，以及植物对干旱贫瘠、大风环境的适应性特点，在枝条生物力学性质的研究中，建议在内蒙古准格尔矿区再塑地貌——排土场及相似地区6种水土保持植物主要研究的枝茎范围分别是，柠条为0.5～1mm和1mm～1.5mm，沙棘为1～1.5mm和1.5～2mm。半灌木杨柴及3种草本植物中，杨柴为0～0.5mm和0.5～1mm，紫花苜蓿为0.5～1mm，沙打旺为0.5～1mm和1～1.5mm，草木犀为1～1.5mm。

树种不同其生物学特性不同，则表现为枝条的数量特征也不同，几种植物中半灌木杨柴和柠条枝条的分枝能力最强，且2种植物代表枝径级均以细枝分布为主，植物材料的直径不同则生物力学特性不同［20-23］，而植物枝条的柔韧性、弯曲性等生物力学性质均对粗糙度影响较大［19］，进而对防风、抗蚀防治土壤侵蚀的作用也不同，关于这方面特性有待进一步研究。

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Branch quantity characteristic of six kinds of soil and water conservation plants

Ge Rile1，Er Dunhua1，Song Xiangbin2，Sun Baoping3

(1.College of Ecology and Environmental Science，Innermongolia Agricultural University，010019，Hohhot;2.Southwest Forestry College，Environmental Science and Engineering，650224，Kunming;3.School of Soil and Water Conservation，Beijing Forestry University，100083，Beijing：China)

The biomechanical properties of branches is the basis for the study on effect of aerial part of plants on the windbreak and soil erosion reduction.In this paper the branches of six kinds of soil and water conservation plants(Caraganamicrophylia，Hippophae rhamnoides，Medicago sativa，Astragalus adsurgens，Hedysarum fruticosum，andmelilotus officinalis)in Waste Dump of Stripmine in Heidaigou were taken as research object.Through studying the the characteristic of branch quantity，representative branches of plants were determined，thus the bais data and relevant parameter were supplied to the study of biomechanical properties of branches.The process of selecting representative branches is that：firstly，the diameters of branches were divided into several classes with distance of 0.5millimeter.Then，the percentage of cumulative amount，cumulative length，surface area and dry weight of branches of each diameter class was calculated respectively，and diameter classes with high percentage of these values were selected as representative diameter classes.The results showed representative diameter classes of several plants，respectively，i.e.Caraganamicrophylia 0.5-1mm，1-1.5mm，Hippophae rhamnoides 1-1.5mm，1.5-2mm，Hedysarum fruticosum 0-0.5mm，0.5-1mm，Medicago sativa 0.5-1mm Astragalus adsurgens 0.5-1mm，1-1.5mm，Melilotus officinalis 1-1.5mm.In the study of the biomechanical properties of branches，it is recommended that in Innermongolia Zhungeer coalmining area and similar areas，representative diameter classes of the six kinds of soil and water conservation plant is themain study focus.

branch;representitive branches;diameter class

2012-03-04

2012-09-19

国家自然科学基金“准格尔露天煤矿排土场水土保持功能植被固土抗蚀生物力学响应机制”(41161046)

格日乐(1970—)，女，博士，副教授。主要研究方向：水土保持与荒漠化防治。E-mail：gerile81@sohu.com

简介：额尔敦花(1986—)，女，硕士研究生。主要研究方向：草地生态学。E-mail：eerdunhua2008@163.com

(责任编辑：程 云)