植物根系固土作用研究综述

杜玉雪 赵洋毅 薛杨

摘要：植物根系是植物吸收水分和养分的重要器官。从植物根系方面来研究土壤抗慢蚀能力是一个多学科交叉的新领域。植物根系通过增强土壤的抗蚀性、抗冲性、抗剪强度以及根系的锚固力作用，提高了土壤的抗侵蚀能力。对于更有效控制水土流失、保护和改善生态环境具有非常重要的意义。

关键词：植物根系;土壤抗蚀性;土壤抗冲性;土壤抗剪强度;锚固力作用

植物根系是植物吸收水分和养分的重要器官，植物正常的生长发育是地上部分的光合作用和地下部分根群吸收水分、养分相统一的过程。根在土体内的生长促使土-土以及根-土间的摩擦增加，同时根系自身的抗拉、抗剪性能也增强了土的抗剪切性能，这些对于植物根系的固土作用着很重要的意义。

1.根系增强土壤抗侵蚀性能

土壤抗侵蚀性划分为抗蚀性和抗冲性[1] 。抗蚀性是指士壤抵抗水分分散和悬浮的能力，主要与土壤内在理化性质有关;抗冲性是指土壤抵抗径流机械破坏和推移的能力，主要与土壤的物理性质和外在的生物因素有关。植物根系增加土壤的抗侵蚀能力主要通过两种方式[2] ：一是通过根系在土体中交错穿插、网络固持土壤;二是通过改善土壤的物理性质，提高土壤自身的水力学性质从而增强土体的抗侵蚀能力，植物根系能明显增强土壤的抗冲性、渗透性及土体的剪切强度等。

2.植物根系增强土壤抗冲性

早在上世纪60年代，朱显谟先生就指出生物措施是水士保持中最有效和最根本的方法。他认为土壤抗冲性的增强，主要取决于根系的缠绕和固结作用，这种作用使土体有较高的水稳结构和抗蚀强度，从而不易被径流带走。卢立霞等[3] 究表明：12种须根系植物对土壤抗冲性均有显著的增强效应，不同植物种对于土壤抗冲性增强的贡献大小不同，贡献大小与根系特征密切相关，并建立了各种植物对土壤抗冲性增强值与根系生物量及形态学指标之间的回归关系。封金财[4] 采用有限元方法对植物根系加固边坡的作用规律进行了模拟分析，随着根的长度增加，边坡稳定性安全系数也逐渐提高，但当根的长度超过3m时，边坡稳定性安全系数将不再增加。根的数量对边坡稳定性的影响与根长相同，在一定范围内，根的数量越多，边坡稳定性安全系数越高;根对边坡加固作用的发挥也与根的位置有很大的关系。根的长度、数量都是随着时间的推移而增长的，所以根的固坡效果也随着时间的推移而加强。

3.植物根系具有“加筋锚固作用”

许多学者对根加筋坡面土体的作用已经开展了大量的研究，总结出土体抗剪強度的增加归因于土壤-根系的相互作用，并且还建立了根-土相互作用的分析模型。

林木根系参与在土体中，土体抗剪强度发生如下变化[5] ：（1）根系在土体内生长时，根尖向四周土体产生轴向压力，根尖后面形成圆形扩大，使土壤变形形成根道根道四周土壤相对密度、土壤内聚力、剪胀力和摩擦力增加。（2）根面的凹凸不平及众多的叉根、根节、根毛，增加了根土间接触面积，在根系膨胀的作用下，根系-土间的摩擦力增加。（3）根系本身的抗拉、抗剪和抗压缩力大土体许多倍。（4）根系分泌的化学物质有利于土壤颗粒的胶结。

4.植物根系固土作用机理研究

刘国彬1996年在研究草本植物根系固结土壤机理时，提出根系缠绕、固结土壤、强化抗冲性作用取决于网络串连作用、根土黏结作用及根系生物化学作用。根系化学作用效应通过植物繁生改善土体构型来实现。黄绵土中其效应达51%，根土黏结作用是网络串连作用的2倍，二者都随有效根面积增加而增加。程洪曾提出植物根系固土机制模式具有4个层次，即根系材料力学、根系网络串联作用、根系-土壤有机复合体的黏结作用及根系-土壤间生物化学作用。认为植物根系与土粒接触面上产生的胶结物质，通过土体中多价阳离子Ca2+，Fe2+，Al3+形成的阳离子桥，多糖-OH，H键及范德华力等有机胶体、无机胶体作用，共同构成根系-土壤有机复合体系。

仅仅从作用力方面或抗冲性、抗剪性、锚固力提高进行研究，距揭示根系固土的本质还存在距离，因为根系与土的相互作用和关键机制没有被揭示[6] 。根系具有加筋作用，并不等于真正的钢筋，根系在土壤中进行生长发育属于活性材料，同时根与土粒之间形成统一体。根土之间实现完整的结合，其界面形成有机-无机复合体之后，才能进行水分运输、物质转移，形成土壤-植物-大气连续体。所以今后要加强对植物根系材料力学特性和根-土复合体形成机制的研究，更重要的是从根-土微观机制上进行研究，才能揭示出植物根系固土本质。

5.结论

从植物根系方面来研究土壤抗侵蚀能力是一个多学科交叉的新领域。通过多学科、多领域的联合研究，系统地认识植物根系对土壤侵蚀控制的机理。对于更有效地控制水土流失、保护和改善生态环境具有非常重要的意义。防治土壤侵蚀必将为我国生态环境恢复与重建，实现可持续发展战略发挥重要作用。这也是水土保持及荒漠化防治理论深入发展的需要植物根系固土机制或模式问题的解决。有助于沙漠化、荒漠化等严重生态问题的解决，对我国迅速发展城市化过程中大量基础建设遗留下来的工程边坡、弃石土场及尾矿等人工生态恢复和生态化进程，也同样具有重要理论指导作用。

参考文献：

[1] 毛璀，孟广涛，問跃;植物根系对土壤侵蚀控制机理的研究[J]，水土保持研究，2006.13（2）：241 -243.

[2] 王库;植物根系对土壤抗侵蚀能力的影响[J]，土壤与环境，2001.10（3）：250-252

[3] 卢立霞，曾波;三皖库区嘉陵江岸生优势须根系植物根系对土壤抗冲性的增强效应研究[J]，西南师范大学学报（自然科学版），2006.31（3）：157-161.

[4] 封金财;植物根系对边坡的加固作用模拟分析[J]，江苏工业学院学报，2005，17（3）：27-29.

[5] 潘义国，丁贵杰，彭云等，关于植物根系在土壤抗侵蚀和抗剪切中的作用研究进展[J]，贵州林业科技，2007.35（2）：10-13.

[6] 程洪，谢涛，唐春等;植物根系力学与周土作用机理研究综述[J]，水土保持通报2006，26（1）：97-101.

作者简介：

杜玉雪（1997-），女，云南大理人。

基金项目：

云南省重点研发计划项目（2018BB018）;云南省省级大学生创新训练计划项目“基于数值模拟的植物根系的固土效应研究”（S201710677022）。

（作者单位：西南林业大学生态与环境学院）