喀斯特坡地拉巴豆地埂篱根及根-土复合体力学特性

唐 菡,谌 芸,刘枭宏,何丙辉,李 勇, 强娇娇,李 铁

西南大学资源环境学院,岩溶环境重庆市重点实验室, 重庆 400715

喀斯特坡地不同于其他地区,具有独特的“二元三维”[1]地质构造。地表水土流失严重,加之成土速率低、土层薄、土体与母岩之间存在明显软硬界面的特点[1],一旦当地植被受到人为干扰破坏,水土流失加剧,原本处于平衡状态的生境将向石漠化方向演变[2]。工程措施(如依自然地形建蓄水池、用挡墙维护落水洞等[3])与植物措施(如关键点位布置植物、植物篱等)结合的方式[4]最能有效缓解水土流失加剧的困境。地埂篱为植物篱中的一种,最初用于集水,20世纪初用于水土保持,主要通过根系及根对土体的加强达到固土作用[5]。草本植物须根量大且根系集中分布于浅土层,其对薄土的固持效果较灌、乔木显著,这是由于深粗根(d>2.0 mm)在土体中起抗滑桩和扶壁的作用,而浅细根(d≤2.0 mm)主要为三维加筋、固结土壤的作用[6- 7]。地埂篱根系主要通过三方面加强土体：1)通过穿插于土体中增大根与土粒、土粒与土粒间的摩擦力；2)根系分泌物促进土粒胶结作用,增加土体粘聚力和抗蚀性能；3)根系自身的抗拉、抗剪性能也能在一定程度上增强土体的抗剪、抗冲力[8- 10]。

拉巴豆(DolichoslablabL.)为豆科蝶形花亚科菜豆族扁豆属,是热带、亚热带温暖地区优良的高营养高产牧草和蔬菜[11],有较高的经济价值,较强的环境适应性和良好的水土保持功能。我国西南喀斯特地区地势偏远、环境恶劣、贫困率高,将拉巴豆应用于喀斯特坡地,既可带动经济发展又可保持水土。目前,西南地区虽已推广种植,但有关其生态效应的研究仅涉及根系生物特性[12],根系的力学特性研究方面存在空白。已有研究证明不同植物根系具有不同的力学特性,即使同一种植物,在不同环境或于不同径级也存在较大差异[13]。喀斯特植物根系主要受限于土壤厚度和水分,根系形态特征随着限制条件改变的同时,其化学成分和力学特性也随之改变[13]。有关根系力学特征的研究表明根系抗拉特性(抗拉强度、延伸率、弹性模量等)与化学成分、微观结构皆存在一定的相关性[13- 18],但少见以岩溶地貌为背景的根系力学特性方面的研究[6]。本文对喀斯特坡地拉巴豆地埂篱根及根-土复合体在不同坡位的形态分布、力学和化学成分特征进行了综合分析,从不同坡位、不同径级根系之间各指标的相关性和差异性着手,探讨根及根-土复合体的力学特性及影响因素,旨在探索拉巴豆地埂篱根系的水土保持潜能及在喀斯特地区推广价值,为喀斯特坡地科学实施水土保持措施提供理论支撑。

1 材料和方法

1.1 研究区概况

研究区位于重庆市酉阳土家族苗族自治县泔溪镇龙潭槽谷,地处东经108°58′,北纬28°58′(具体位置见图1)。槽谷由背斜发育,谷底及顺层坡一侧为碳酸盐岩,黄壤,坡度30°左右。该区年均温14.6℃,年均降雨量1200 mm,年均日照时长1131 h,无霜期261 d,雨热同期,降雨主要集中于5—9月,属典型的中亚热带季风湿润气候。采样区处于顺层坡人工林坡面内,整个坡面植被覆盖率较低,主要为花椒经济林,另外存在少量抗旱、耐瘠薄野生乔灌草,如马尾松(Pinusmassoniana)、红背山麻杆(Alchorneatrewioides)、沿阶草(Ophiopogonbodinieri)等。

图1 研究区位置图Fig.1 Study area location map黄色区域表示顺层坡研究区

1.2 样品采集

依据自然条件差异,坡面可划分为上、中、下三个坡位,上坡岩石裸露率及坡度明显大于中、下坡,而下坡土层最厚,相邻坡位间海拔相差约为50 m。2018年4月于坡面的上、中、下坡位地埂位置撒播拉巴豆,播种密度0.03 kg/m2(出苗率80%左右),每个坡位篱带长约200 m、宽约20 cm,常规管护。

全根根系的采集：2018年7月中旬取植株根系,采用挖掘法,每个坡位取5株标准株(标准株的选择参见[19]),为保证根系完整性,连根带土一并带回实验室。

根-土复合体的采集：每个坡位选取3个对照点(未播拉巴豆地段)和3个地埂篱地点(选点位于拉巴豆标准株附近)。对照裸地取样时将土壤表面的植株、枯落物等杂质清理干净,避开杂草根系用铝盒、容重环刀(底面积20 cm2,高5 cm)、抗剪环刀(底面积30 cm2,高2 cm)取土。地埂篱地取样时先将拉巴豆地上部分剪去,扒掉2 cm土层(0—2 cm土层无根系生长),每个抗剪环刀均以植株为中心取样；采集抗冲环刀(长×宽×高：20 cm×10 cm×10 cm)时选取植株密度相近的区域。对照裸地共计36个抗剪土样,地埂篱地共计36个抗剪土样和9个抗冲样。

1.3 测定项目与方法

1.3.1土壤基础物理性质

土壤容重、孔隙度(总孔隙度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度)、饱和含水量、田间持水量和自然含水率的测定采用环刀法[20]。

1.3.2根系形态指标

所取根土样品置于0.05 mm的网筛中用细弱的水冲洗,分离根土晾干表面水分,整个过程轻柔避免损伤根系。根-土复合体中的根在抗剪、抗冲试验后再处理,所有根系试样尽快测定以得到最精确数据。采用EPSON(PERFECTION C700)扫描仪进行根系灰度扫描,WinRHIZO(Pro.2009)根系分析系统进行分析,具体操作步骤和计算过程参考[10]。

1.3.3根系化学成分

将全根根系样按0.0

1.3.4单根抗拉特性指标

从全根根系中剪取顺直、直径较均一且完好无损的根备用。拉伸试验夹具钳口处应力集中,为避免根皮受夹具应力破坏产生脱皮现象或皮断裂让试验机误记录为根断裂,在根两头包上医用橡皮胶,可分散夹具周边应力增加摩擦力提高试验成功率(拉伸断裂点位于根样中部视为试验成功),包上胶带后根系样本标距为50 mm[24]。采用测力范围0—5 kN,加载速率范围0—60 MPa/s,最小分度值1×10-5N的微机控制电子万能试验机,夹具型号DSA502A。样本试验前用精度为0.01 mm的数显游标卡尺(型号CD- 6 ASX)测量根系上中下3个点位的直径取均值即为平均直径,拉伸速率设置为7 mm/min(速率设置参考[25]),每次试验微机自动记录所有数据。

1.3.5根-土复合体力学指标

土壤抗剪强度用南京土壤仪器厂生产的ZJ型应变控制式直剪仪测定并根据库伦定律计算内摩擦角φ和粘聚力c。冲刷试验的冲刷槽坡度定为30°,试验过程及测定方法见[10]。

1.4 数据处理

运用Microsoft Office Excel 2013和 SPSS 22.0软件进行数据统计分析。进行了差异性检验(One-way ANOVA)、协方差分析(Multivariable)和相关分析(Spearman)。

2 结果与分析

2.1 根系形态与化学成分特征

2.1.1根系形态特征

对各坡位全根根系进行形态指标统计以及差异性分析,得出(表1)：整体上d≤1.0 mm根系占优势,全根根系平均重量仅1 mg左右。各全根指标不同坡位之间均无显著性差异,同一径级指标在不同坡位,仅下坡根尖数(Root tips,RT)显著大于上、中坡,同一坡位0.0

全根指标除RT外均于中坡出现最大值。根长(Root length,RL)和根表面积(Root surface area,RSA),下坡大于上坡；RT呈现下坡>中坡>上坡的特征。径级指标显示：0.0中坡>上坡；0.5下坡>上坡。各坡位RL、RT最大值均出现在0.01.0 mm各径级。0.0

结合采样情况和随机选取的根系灰度扫描图2和表1、表2可知：拉巴豆侧根发达(尤其是上坡)、大部分向土层深厚的区域延展,主根较短且深度小于15 cm,细根量大；中、下坡细根量较上坡大且RL、RSA、RT和根的分支均较上坡增加；上坡根系无根瘤菌而下坡根瘤菌明显。上坡土壤物理性质较差,容重大且与中、下坡有显著差异,总孔隙度、饱和含水量和自然含水率显著小于中、下坡。由此可见土壤物理性质对根系生长产生了一定的影响,透气性差且含水量低的上坡土壤的根系各项指标值均较小。

表1 不同坡位拉巴豆根系全根与径级指标

表中数据为平均值±标准误差(n=5),不同小写字母表示同一指标不同径级间存在显著差异(P<0.05)；不同大写字母表示同一指标不同坡位间存在显著差异(P<0.05)

表2 顺层坡不同坡位地埂篱土壤的基本物理性质

表中数据为平均值±标准误差(n=9),不同小写字母表示同一指标不同坡位间存在显著差异(P<0.05)

图2 拉巴豆根系灰度扫描图Fig.2 Grayscale scan of Dolichos lablab L.A1、A2表示上坡随机根系; B1、B2表示中坡根系; C1、C2表示下坡根系

2.1.2根系化学成分特征

对根系纤维素(Cellulose,C)、半纤维素(Hemicellulose,H)、木质素(Lignin,L)含量进行测量,结果表明：纤维素含量均值中坡>上坡>下坡,木质素含量排序与纤维素相反,半纤维素含量于中坡值最大,上、下坡均值相近,但各化学成分于各坡位之间均无显著性差异。

将直径与这三个指标进行回归分析,回归方程见图3。纤维素含量与直径的拟合曲线为幂函数关系,半纤维素、木质素含量与直径均为二次多项式函数关系。相关性分析得出,仅0.0

图3 不同径级根系化学成分含量与平均直径的关系Fig.3 Relationships between root chemical composition content and different diameters

2.2 单根极限抗拉力与抗拉强度

试验成功的拉巴豆根系直径范围为0.19—0.93 mm,平均值为0.46 mm,试验成功率65.52%。极限抗拉力范围为1.06—18.56 N,均值6.77 N。抗拉强度范围6.97—57.50 MPa,均值29.57 MPa。抗拉特性与直径的拟合方程均为幂函数形式,其指数表征极限抗拉力随直径的增长率、衰减率,系数可被视为比例因子[26]。拟合方程中不同坡位的指数和系数均有一定的差异,极限抗拉力与直径的拟合方程显示各坡位增长率相似,但下坡比例因子较上、中坡低；抗拉强度与直径拟合方程显示中坡较上、下坡衰减率高0.80、1.67倍,比例因子相似。虽同为一种植物,但其根系力学特性由于环境影响造成根系化学成分含量或粗细根比例不一致,从而导致不同坡位根系拟合方程常量的差异。

2.2.1单根极限抗拉力及影响因素

拟合结果显示(图4),极限抗拉力与直径正相关,同一直径的极限抗拉力中坡>上坡>下坡。将直径和对应根系极限抗拉力进行自然对数变换,以直径为协变量进行协方差分析,结果表明直径对极限抗拉力无显著影响。极限抗拉力上坡与中、下坡均有显著性差异。

回归分析表明(仅对存在显著相关关系的变量进行说明,表3)： 0.5

2.2.2单根抗拉强度及影响因素

抗拉强度与直径负相关(图4),协方差分析表明直径对抗拉强度有显著性影响(P<0.05)。 0.0上坡>下坡；d>1.0 mm径级随直径增大抗拉强度变化平缓,坡位排序为：上坡>中坡>下坡。由此可见抗拉强度受直径影响且对0.0

乳化剂是微乳剂配方的关键性因素．一般的非离子型表面活性剂HLB值对温度的变化很敏感，离子型表面活性剂的亲水亲油平衡对温度变化不敏感，但其在低温下的溶解度显著降低[5]．实验中乳化剂用非离子型和离子型表面活性剂复配，其HLB值在13～15之间．

回归分析表明(表3)：0.0

图4 抗拉特性与直径在不同坡位的关系Fig.4 Relationships between maximum tension, tensile strength and mean diameter of Dolichos lablab L. at different slope portions

径级Diameter根系化学成分Root chemical compositions极限抗拉力Maximum tension F/N抗拉强度Tensile strength T/MPa回归函数R2Pearson回归函数R2Pearson0.0

*表示在0.05的水平上显著相关,**表示在0.01的水平上极显著相关

2.3 根-土复合体抗剪/冲性能特征

2.3.1复合体中根的形态和化学成分特征

表4表明：根系形态指标中仅抗剪土样根表面积密度(Root surface area density,RSAD)上坡显著大于中、下坡,根重密度(Root weight density,RWD)上坡显著大于中坡。抗冲土样坡位间的根系形态指标均无显著性差异。根-土复合体抗剪土样的根系形态指标均为上坡>下坡>中坡而抗冲土样形态指标于中、下坡较高。具体表现为抗冲土样根系RSAD于下坡值最大,根体积密度(Root volume density,RVD)、RWD于中坡值最大；抗剪土样根系指标于各坡位呈现与抗冲土样根系指标和全根根系指标相反的规律。由此可见,不同坡位土层厚度的差异,影响着根系生长分布。较厚土层根系舒展从而更加分散、扎根较深,较薄土层(如上坡),根系相对集中于表土层,所以上坡抗剪土样根量较中、下坡大,各指标值亦较高。

抗剪土样仅上坡木纤比显著大于下坡,其他指标均无显著性差异。抗冲土样各指标均无显著性差异。总体上抗剪和抗冲土样中、下坡根系纤维素含量均较上坡高；而抗剪与抗冲土样木质素含量排序分别为中坡>上坡>下坡、下坡>中坡>上坡；抗剪土样木纤比和木质素含量排序一致。结合全根根系的形态指标再次表明,纤维素含量与根系径级有一定的相关性,中、下坡细根量大,其纤维素含量也表现出更高的水平。

表4 不同坡位抗剪、抗冲土样根系形态与化学成分指标

表中数据为平均值±标准误差(n=3),不同小写字母表示同一指标不同坡位间存在显著差异(P<0.05)

2.3.2复合体的抗剪强度指标及影响因素

表5中地埂篱地的内摩擦角、粘聚力(下坡除外)均大于对照裸地,仅上坡粘聚力与对照裸地存在显著性差异。中坡粘聚力显著小于上、下坡且减幅高达1倍以上。数值上内摩擦角排序：中坡>下坡>上坡,坡位间波动幅度较小,对照裸地与地埂篱地均值分别为85.42°、86.08°；粘聚力排序：上坡>下坡>中坡,对照裸地与地埂篱地均值分别为27.60 kPa、36.92 kPa,地埂篱地较对照粘聚力的增幅最高达45.67%。

相关性分析得出(表6)：上坡复合体内摩擦角与RVD、RWD呈显著和极显著正相关,上、中坡粘聚力与RVD呈显著负相关。RLD和RSAD,RVD和RWD总是与抗剪指标有一致或相似的相关关系,如各坡位的内摩擦角与RLD、RSAD都呈负相关,与RVD、RWD均呈正相关。

表5 不同坡位根-土复合体抗剪强度指标和抗冲指标

表中数据为平均值±标准误差(n=3),不同小写字母表示同一指标不同坡位间存在显著差异(P<0.05)；不同大写字母表示同一指标的对照与地埂篱地间存在显著差异(P<0.05)

图5 不同坡位土壤抗冲指数动态变化 Fig.5 Dynamic changes of Anti-scourability at different slope portions

2.3.3复合体的抗冲指数及影响因素

抗冲指数均值排序(表5)：下坡>中坡>上坡,坡位之间的数值变幅在0.34—5.31之间。差异性检验表明,在抗冲指数动态变化过程中t=4 min时各坡位之间有显著性差异。冲刷过程中各坡位复合体抗冲指数均呈波状变化(图5),冲刷初期抗冲指数值最低,上、下坡抗冲指数峰值较中坡延迟4 min,各坡位均呈先增后减再平缓波动上升趋势。冲刷初期由于表层土壤基本无根系且多浮土所以流失土量大；随着时间增加抗冲指数先增后减,这个过程主要是根系起到的缓冲作用；随后泥沙量渐渐变少,抗冲指数基本处于缓升趋势。整体来看,中、下坡复合体抗冲性能较优,上坡抗冲指数小其波动幅度也较小。

抗冲指数受RSAD和纤维素影响(表6),中、下坡抗冲指数与RSAD呈显著正相关、与纤维素呈显著或极显著负相关关系。纤维素和木质素含量与抗冲指标有相反的相关关系,如抗冲指数与纤维素含量呈负相关,却与木质素含量呈正相关。

表6 不同坡位根-土复合体抗剪强度指标和抗冲指标与根系形态指标、化学成分相关关系

Table 6 Correlation analysis between shear strength parameters, anti-scourability, and root morphology paratemns, chemical compositions at different slope portions

指标Parameters根长密度Root length density根表面积密度Root surface area density根体积密度Root volume density根重密度Root weight density纤维素Cellulose木质素Lignin木纤比Wood fiber ratio半纤维素Hemicellulose内摩擦角上坡-0.383-0.6980.997*0.998**0.4400.471-0.096-0.781Internal friction angle中坡-0.993-0.8410.7350.897-0.9870.158-0.731-0.753下坡-0.620-0.5160.7800.835-0.0210.030-0.2130.988粘聚力上坡0.6240.869-0.980*-0.960-0.641-0.2480.3290.907Cohesion中坡0.6190.977-0.971*-0.946-0.947-0.3170.610-0.850下坡0.6020.920-0.937-0.908-0.834-0.8610.940-0.660抗冲指数上坡-0.5900.7410.8070.739-0.906*0.7620.6630.140Anti-scourability中坡-0.2000.985*0.9640.971-0.990**0.9550.999*-0.987下坡-0.3900.833*0.8100.775-0.916*0.8850.946-0.116

*表示在0.05的水平上显著相关,**表示在0.01的水平上极显著相关

3 讨论

3.1 拉巴豆根系形态分布及影响因素

喀斯特地区植物根系为适应土壤和水分异质性强(高位、陡坡土薄缺水)的环境,形成了自身响应机制[7,27]。研究区中拉巴豆根系的形态与分布在不同坡位产生了空间变异。全根和径级指标均表现为中、下坡大于上坡；0.0

喀斯特坡地土储量的空间变异可通过根系在土体中的分布深度与集中程度反演获知。上坡地势高、水土流失动力潜能大且侵蚀力较强,所以土层最薄,中坡接收上坡流失物质后土层增厚,形成与下坡相似甚至更优的土壤条件。本研究得出抗剪土样根系总体指标排序均为上坡>下坡>中坡,看似有悖于全根根系形态指标规律,实则反映不同坡位根系分布随土储量的变化：上坡土层薄,根系相对集中；中坡土层厚,根系相对舒展分散；下坡与中坡土层厚度相似,根系亦相对分散。

结合土壤物理性质发现,根系与土壤的交互作用形成了一个正反馈机制：根量较大、细根量多、形态指标较优的中、下坡,土壤容重、总孔隙度、饱和含水量和自然含水率均较上坡优,土壤物理性质优良又促进根系的分化发育。由此可见,植物根系形态特征与地势、土壤厚度、土壤水等有一定的关联[13,29]。

3.2 拉巴豆根系抗拉特性及影响因素

草本根系抗拉试验成功率一般在60%—75%[17,25]范围内,拉巴豆根系试验成功率为65.52%,相较灌乔木根系成功率高[18,30- 31]。拉巴豆平均抗拉强度29.57 MPa,约为狗牙根(d≤1.5 mm)的1.16倍、马唐(d≤1.5 mm)的2.03倍[17,32],可见拉巴豆根系有较好的生物力学特性。不同坡位根系抗拉特性指标与直径的拟合方程虽均为幂函数相关,但其常数存在一定差异,这种现象可归结为环境影响了粗、细根的比例和根系化学成分含量,同时试验误差产生相较真实值一定程度的偏移[30];不同径级根系抗拉特性指标与化学成分含量的回归方程常数的差异也存在实验误差影响,具体影响因素和变化机制还有待验证。

本研究中拉巴豆根系极限抗拉力随直径增大而增大,抗拉强度随直径减小而增强,这与大部分草、灌根系力学特性一致[8,25]。极限抗拉力与木质素含量和木纤比均正相关,抗拉强度与纤维素含量正相关、与木质素含量和木纤比均负相关。大量研究得出同样结论[8,17,32],而某些研究却指出抗拉强度与纤维素含量存在负相关关系[15],以及抗拉特性与化学成分无相关关系的结论[33]。关于抗拉特性与化学成分关系不一的本质原因目前存在这样的解释：根系维管束中木质部与韧皮部的化学成分含量存在差异,且在增粗生长的动态变化过程中木质部与韧皮部的分化速率不同从而导致不同物种或同一物种不同径级抗拉特性与化学成分关系的变化[15]。还有研究指出环境因素间接影响木质部中成分含量[13],生长于山脊、坡地等分散地形的根系相较平地、沟谷地等汇聚地形的强度更大,其原理在于较大应力环境下根系木质部的木纤比降低、纤维素局部积累,从而使根系抗拉强度变大[13,33]。

3.3 拉巴豆根-土复合体力学特性及影响因素

根-土复合体相较对照裸地内摩擦角和粘聚力均增大,内摩擦角排序：中坡>下坡>上坡,粘聚力：上坡>下坡>中坡。大量研究指出草本根系能有效提高土体抗剪强度[9,34]。剪切过程,根系与土颗粒表面摩擦力及颗粒间嵌入作用产生的咬合力影响内摩擦角大小,分泌物与土壤颗粒间胶结作用影响粘聚力大小[9],所以内摩擦角、粘聚力一般随根长密度、根表面积密度的增大而增大[8- 9]。本研究显示上坡复合体较另两坡位粘聚力更大,这与根系形态指标变化一致：上坡复合体根系形态指标均较大,根体积密度、根重密度尤其突出(均较中、下坡大1.5倍以上,且有显著性差异)。但相关分析得出上坡根系形态指标与粘聚力无显著相关,甚至负相关(根体积密度),这表明粘聚力并非受根系影响。本研究中拉巴豆生长时间较短,单位土体根量少,对土体的抗剪性能影响未达显著水平,或土壤类型差异导致粘聚力受其他因素影响更突出。已有研究证明含水率也显著影响粘聚力,随含水率增加,粘聚力呈先增后减的变化趋势(达峰值时含水率约为20%[35])。由中坡根量大但含水率太高(接近峰值含水率的两倍)最终粘聚力表现最差,猜想本研究的粘聚力受含水率影响更大。

抗冲指数与形态指标和化学成分相关分析表明,其仅受根表面积、纤维素影响。相关研究表明不同背景环境或土壤类型影响抗冲指数的因素存在差异,土壤物理性质(容重、总孔隙度、细砂粒含量等)[36]、有机质[9]、毛根量[34]、毛根形态指标(根长、根表面积等)[37]均被证明与抗冲指数相关。本研究抗冲指数呈波动变化并最终平稳上升,这与杨玉梅等[37]在四川雅安黄壤研究区的结论类似,谌芸等[10]于紫色土区得出抗冲指数动态变化可用对数函数或二次函数较好拟合,不同土壤类型为产生差异的主要原因。

4 结论

1)拉巴豆根系全根指标中根长、根表面积、根体积、根重均表现为中坡>下坡>上坡； 0.0

2)抗拉强度与直径呈幂函数负相关；抗拉强度与纤维素呈对数函数正相关、与木质素和木纤比均呈对数函数负相关；极限抗拉力与木质素呈对数函数正相关、与木纤比呈线性函数正相关。总体上抗拉强度与较细径级、极限抗拉力与较粗径级的化学成分相关度更高。

3)复合体根系形态指标均于上坡的抗剪土样出现最大值,而抗冲土样于中、下坡值较大。仅上坡抗剪土样的根体积密度和根重密度显著大于中、下坡。化学成分指标中抗剪、抗冲土样纤维素含量均于中、下坡值较高。仅上坡抗剪土样的木纤比显著大于中、下坡。

4)复合体内摩擦角、粘聚力均较对照裸地增大,但仅上坡位的粘聚力显著大于对照。内摩擦角随根体积密度、根重密度增大而增大,粘聚力随根体积密度增大而减小。抗冲指数随根表面积密度增大而增大、随纤维素含量增大而减小。