山西土石山区3种草本植物根拉拨特性

张超波, 周 霞, 李东嵘, 蒋 静, 魏 杨

(太原理工大学, 太原 030024)

北方土石山区作为我国水土流失的一个重要类型区，因区内土层薄、水土流失危害大而受到长期关注[1]。植物措施作为防治水土流失的主要措施之一，对于我国生态文明建设非常重要。近年来，植物根系固土护坡的力学效应受到广泛关注和研究[2]。一般认为，覆盖植被的土体发生浅表层滑动时，滑动土体和根系均发生变形，由于在变形模量方面土壤与根系之间有较大差异，二者出现相互错动或相互错动趋势。这种错动或错动趋势被二者之间的摩擦阻力所抵抗，使得滑移面附近土体中产生的剪应力部分转移给植物根系，转化为根系的拉应力[3-4]。因此，植物根系固土护坡过程中发挥的抗拉和抗拔性能是固持水土的重要力学性能和指标。根系原位拉拔试验和室内拉伸试验是研究根系抗拔和抗拉力学性能的主要手段[5]。原位拉拔试验，开展较多的是针对整株植物的拉拔，测定的是植株被拔出时的最大抗拔力[6-9]，一般称为植株抗拔力[10]，而且原位拉拔较多针对乔灌植物根系[11-16]，草本植物根系开展较多集中在室内拉伸试验，缺少针对土石山区草本植物单根开展的原位拉拔试验，而且对于草本植物根系拉拔力与根径和土层深度等影响因素的关系尚不清楚。

本文通过开展根系原位拉拔力学试验，研究了山西省土石山区3 种典型草本植物香根草(VetiveriazizanioidesL.)、百喜草(PaspalumnotatumFlugge)、黑麦草(LoliumperenneL.)根系的拉拔力，以及其随根径和土层深度的变化规律。研究结果可为实际生态固土工程中草本植物的种植和选择提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

原位拉拔试验所需植物根系位于山西省太原市西北24 km处的崛围山区，该山呈南北走向，平均海拔1 352 m，地理位置介于112°25.628′—112°26.469′E，37°57.821′—37°58.108′N。属于暖温带大陆性季风气候类型。全年平均有130～150 d的无霜期，早晚、昼夜温差较大，年平均温度7～10℃，最低气温可达-28 ℃，最高气温可达40 ℃。全年日照时间约为2 400—2 600 h，降雨主要集中在7—9月份。年平均降水量约为470 mm。崛围山植被以油松、侧柏和黄栌等林木和香根草、黑麦草和百喜草等草本为主[17]。该区地表水均属黄河流域汾河水系，汾河一级支流泥屯河、柏板河、杨兴河、涧河均在区内汇入汾河。平均地表水资源510万m3，地下水资源为3 891万m3，全区水资源总量为4 057万m3。

1.2 试验仪器

本试验以研究区广泛分布的香根草、黑麦草和百喜草3种草本植物根系为研究对象，测定其拉拔力。试验仪器包括：(1) 根径测量：电子游标卡尺，精度为0.01 mm；(2) 根长及土层深度测量：卷尺，精度为1 mm；(3) 单根拉拔力：测力计，测力量程为0～100 N，精度为0.05 N；(4) 野外根系挖掘采用的其他仪器与工具：刷子、铁铲和铁锹等。

1.3 单根原位拉拔试验

选择生长状况良好植株，以植株为中心，用铁锹和铁铲等工具环向开挖植株附近土壤剖面。露出单根后，为避免开挖过程对根部产生破坏，采用刷子和小铲进一步清理单根周边土壤，直至单根一端外露长度5 cm左右。利用电子游标卡尺测量根样3个不同位置直径，取其平均值作为根样直径。用测力计夹住单根一端，然后横向匀速拉拔，直至根样拔断，记录对应测力计读数，获得单根拉拔力。根据研究区土层厚度较薄和草本植物根系分布较浅的特点，开挖土壤剖面深度分为0—10 cm和10—20 cm两层。

1.4 数据分析

数据统计分析采用SPSS 16.0 for Windows软件(SPSS，Chicago，IL，USA)。不同变量之间关系采用幂函数回归分析。3种植物间根径和拉拔力差异显著性检验采用方差分析(ANOVA)。同一根径组下，不同深度间根径和拉拔力差异显著性检验采用独立样本T检验(Independent-Samples T test)。采用Excel 2007(Microsoft Corporation)制图。

2 结果与分析

2.1 3种植物整体拉拔力结果

3种草本植物单根拉拔力测试成功单根样本总数为568。由表1可知，香根草根径范围为0.05～0.78 mm，百喜草根径范围为0.07～0.67 mm，黑麦草根径范围为0.05～0.58 mm。香根草平均根径(0.43 mm)显著高于百喜草(0.31 mm)和黑麦草(0.29 mm)(p<0.05)；香根草单根平均拉拔力(7.94 N)也显著高于黑麦草(5.75 N)和百喜草(4.62 N)。尽管百喜草和黑麦草之间平均根径无显著性差异(p=0.39)，但单根平均拉拔力黑麦草(5.75 N)要显著高于百喜草(4.62 N)。

2.2 不同深度下草本植物单根拉拔力与根径幂函数关系

由图1可知，在0—10 cm，10—20 cm土层中，单根拉拔力均随根径增加而增大，且两者之间满足幂函数F=aDb关系。幂函数相关常数见表2。常数b值越大，表明幂函数曲线更陡，拉拔力随根径增加而增大的速度越快。相比10—20 cm土层，0—10 cm土层的香根草和百喜草单根拉拔力随根径增大而增长速度更快，而黑麦草单根拉拔力随根径增大而增长速度在两个土层中基本相同。据单根拉拔力与根径之间幂函数关系(表2)推测，本文3种植物小于0.1 mm单根拉拔力均小于2 N。

表1 草本植物单根拉拔力

注：根径和拉拔力平均值列不同小写字母表示三组植物之间在p<0.05水平下有显著性差异，下表和下图同。

图1草本植物单根拉拔力与根径关系

植物土层深度/cm数量参数a 参数b 判定系数R2香根草0—109022.631.390.7310—2010921.841.320.84百喜草0—108526.461.550.7810—209520.471.340.76黑麦草0—1010026.091.240.7810—209923.651.260.84

2.3 不同根径组下不同深度草本植物单根拉拔力与根径差异显著性对比关系

本研究中植物根系直径范围为0.05～0.80 mm，将根系分为两组进行对比，0.4 mm接近根径范围中间值且完整，因此根径分组按0.4 mm划分。由图2可知：D≤0.4 mm根径组下，香根草直径显著高于百喜草和黑麦草，但拉拔力却没有显著高于百喜草和黑麦草，甚至稍低于黑麦草；百喜草和黑麦草根径没有显著差异，但黑麦草单根拉拔力显著高于百喜草。表明D≤0.4 mm时，黑麦草单根拉拔力最高。D>0.4 mm根径分组下，平均根径大小顺序为香根草>百喜草>黑麦草，且三者之间根径差异显著；香根草和黑麦草单根拉拔力显著高于百喜草，香根草和黑麦草之间单根拉拔力无显著差异。表明D>0.4 mm时，黑麦草单根拉拔力性能较好，香根草次之，百喜草单根拉拔力三者中最弱。

根径D≤0.4 mm和D>0.4 mm两个组间，3种植物的根径和拉拔力均是D>0.4 mm组高于D≤0.4 mm组，这是因为单根拉拔力受根径尺寸效应影响(图1)。因此，单根拉拔力的比较需在根径无显著差异情况下开展。比较同一根径组下、不同土层间根径和拉拔力结果可知(表3)：3种植物在D≤0.4 mm和D>0.4 mm两个根径组下，0—10 cm，10—20 cm两个土层间根径没有显著差异。除了百喜草单根在D>0.4 mm组下，0—10 cm土层根径稍小于10—20 cm土层根径外，其他分组下，均是0—10 cm土层根径稍大于10—20 cm土层根径。黑麦草单根在D≤0.4 mm和D>0.4 mm两个根径组下，0—10 cm，10—20 cm两个土层间拉拔力均出现显著差异，即0—10 cm土层拉拔力均显著高于10—20 cm土层。香根草和百喜草单根在两个根径组下，0—10 cm，10—20 cm两个土层间拉拔力未出现显著差异，表明香根草和百喜草两种植物单根在两个土层内拉拔力特性相似，而黑麦草单根拉拔力在表层土壤优于下层土壤。

图2 不同根径组下草本植物单根根径D(mm)和拉拔力F(N)

表3 不同根径组和不同土层下草本植物单根

注：表中根径和拉拔力数值为平均值±标准偏差，每行数值后不同小写字母表示同一植物和根径组下不同深度两组之间在p<0.05水平下有显著性差异。

3 结论与讨论

由于3种植物原位单根拉拔力试验结果较少，本文将所测3种植物拉拔力结果与已发表的单根室内拉伸抗拉力结果(表4)对比可知[17-19]：香根草单根抗拉力是拉拔力的1.5～3.1倍；百喜草单根抗拉力是拉拔力的1.1～2.0倍；黑麦草单根抗拉力是拉拔力的0.8～2.0倍。因为根系直径范围不一致，根系抗拉力会随根径增加而增大，表4中根系抗拉力对应根系直径明显粗于本研究根系直径，因此从现有结果尚无法得出同一植物根系抗拉力一定高于拉拔力的结论。

表4 草本植物单根抗拉力

3种草本植物单根拉拔力随着根径的增大而增加，且拉拔力与根径之间满足幂函数关系。这种幂函数关系同根系抗拉力与根径之间幂函数关系非常相似，主要原因可能也在于根系主要化学组分含量的不同[20-21]；相比10—20 cm土层，0—10 cm土层的香根草和百喜草单根拉拔力随根径增大而增长速度更快，而黑麦草单根拉拔力随根径增大而增长速度在两个土层中基本相同。根径作为根系横向尺寸，其一定程度直观地反应了根系拉拔力学性能。本文小于0.1 mm的根系研究数量较少，一方面在于其数量较少较短；另一方面其拉拔力极低，虽然小于0.1 mm根系通过根系分泌物粘结土壤，对于固土起着不可忽略作用，但由于其木质化程度非常低，力学性能较0.1 mm以上毛根和细根低得多，轻微土壤扰动甚至流水冲刷就能将其破坏[22]。

整体上，单根拉拔力从大到小顺序表现为香根草>黑麦草>百喜草，而且三者之间差异显著；但在D≤0.4 mm和D>0.4 mm两个根径组下，黑麦草均表现出较好的拉拔力性能。在0—10 cm，10—20 cm两个土层间，香根草和百喜草两种植物单根拉拔力性能相似，而黑麦草单根拉拔力在表层土壤发挥效果优于下层土壤。

因此，从单根拉拔力角度考虑，3种植物中可优先选择黑麦草用于草本植物措施固持浅表层土壤。本试验探究了草本植物在不同根径组下和土层深度下的单根抗拔性能，研究结果可为北方土石山区水土保持植物措施草本植物物种选择提供理论依据。