不同扦插方式对旱柳生长特征的影响

李益 陶佳

摘要 [目的]研究以扦插柳枝为主的土壤生物工程技术最佳施工方式。[方法]以旱柳为研究对象，对不同扦插直径、深度及角度施工方式下新生枝条及根系在不同时期的生长参数进行调查和分析。[结果]采用扦插直径>1.5～3.0 cm，扦插深度为30 cm和扦插角度垂直于地面的施工方式时，植物整体生长情况较其他对照工况好，特别是生长至360 d，植物地上部分和根系生长差异显著（P<0.05）;冗余分析（RDA）表明，不同扦插方式对植物生长参数影响大小排序依次为扦插深度、扦插直径、扦插角度。植物地上生物量、株高和根系生物量与扦插直径和扦插角度之间具有较高的正相关性，其相关性大小排序依次为地上生物量、株高、根系生物量。而植物根系數量与不同扦插方式之间呈显著负相关。[结论]选择扦插直径为>1.5～3.0 cm旱柳枝条，扦插深度为30 cm，并垂直于地面进行扦插，植物生长情况最佳，且植物后期生长情况显著好于初期生长情况。

关键词 土壤生物工程;扦插方式;生长参数;RDA

中图分类号 S792.12文献标识码 A

文章编号 0517-6611（2019）20-0115-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2019.20.030

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Effects of Different Cutting Methods on Salix matsudana Koidz. Growth Characteristics

LI Yi，TAO Jia （School of Civil，Architectural and Environmental Engineering，Hubei University of Technology，Wuhan，Hubei 430068）

Abstract [Objective] In order to study the best construction method of soil bioengineering technology based on cutting willow.[Method] Taking willow as the research object，to investigate and analyze the growth parameters of fresh shoots and roots in different periods under different cutting diameters，depths and angles.[Result]When the cutting diameter >1.5-3.0 cm，the cutting depth was 30 cm and the cutting angle was perpendicular to the ground，the overall growth of the plant was better than the other control conditions，especially when the plant grew to 360 d，the aerial parts and root growth of plant were significantly different （P<0.05）.Redundancy analysis （RDA） indicated the effect of different cutting methods on plant growth parameters was cutting depth > cutting diameter > cutting angle.There was a high positive correlation between aboveground biomass，plant height，underground biomass and cutting diameter，cutting angle.And the order of their relevance was aboveground biomass > plant height > underground biomass.There was a significant negative correlation between the amount of plant root coefficient and different cutting methods.[Conclusion]The best condition of plant growth is when the cuttage diameter >1.5-3.0 cm，the cutting depth is 30 cm and the cuttage is perpendicular to the ground.Plant growth in late stage is significantly better than initial growth.

Key words Soil bioengineering;Cutting method;Growth parameters;RDA

土壤生物工程作为一种效果良好的河岸生态修复措施在国内外已得到广泛的应用[1-3]。植物枝条作为土壤生物工程施工材料适宜性的研究也日渐成为国际上研究土壤生物工程技术的热点和重点[4]。该工程的最大特点是采用有生命力的植物根、茎（枝）或整体作为结构的主体元素，把它们按特定的方法种植在边坡的不同位置[5-6]。在土壤生物工程施工中，植物根系生长特征主要取决于植物类型以及施工方法[7]，而根系生长和分布特征又决定了其对坡岸的稳定作用[8-10]。研究不同施工植物材料和施工方法作用下，根系随时间和空间的分布特征显得十分重要。

扦插柳枝具有极高存活率，其根系发达，对于降低坡面侵蚀、提高岸坡土壤抗剪能力、维持岸坡稳定性具有重要作用[11-12]。

目前，关于土壤生物工程过程中扦插柳枝的研究集中于提高扦插柳枝的存活率，生长特征及其根系特征等方面，而不同扦插方式下柳枝生长特征及其边坡稳定性的研究甚少[13-14]。研究表明，不同扦插方式对柳枝生长有着不同的影响[15]。扦插方法的改变对于柳枝的存活率、根系生长及其生物量有着重要影响，不同扦插方式下岸坡安全系数也相差甚远，同时正确选择植物材料施工方式也是土壤生物工程成功的关键性因素[16-17]。该研究分析不同扦插方式下植物新生枝条及根系在不同時期的发展特征，筛选适宜的施工方式，以期为河流的生态治理与恢复提供实践指导依据。

1 材料与方法

1.1 研究点概况 研究点位于湖北省武汉市湖北工业大学生态修复实验基地（30°28′18.04″N，114°18′6.94″E），地处北纬亚热带，属于典型的亚热带季风气候，海拔15 m左右，雨量充沛，日照充足，具有夏季高温、冬季稍凉湿润等特点，年平均气温15.8～17.5 ℃，年平均日照时数为1 831.2 h，年平均降水量为1 205 mm，雨量集中在初夏梅雨季节，丰水期4—9月平均降水量818.7 mm，年无霜期为242 d。经试验测得样地土体为黏质土，含水率为18.7%。

1.2 材料及试验设计 选取健壮、无病虫害、木质化好的旱柳枝条，基部斜削，顶部平齐。试验前制作7个5 m×2 m×1 m无顶箱体，内部填土，按8种扦插工况进行试验设置（表1）。扦插间距为50 cm×50 cm，每种工况设置3个重复，共16组，48株。完工后180、360 d对植物地上和根系生长特征进行调查。

1.3 测定指标及方法

1.3.1 植物地上部分调查。待植物生长至180、360 d时，测量不同时期植株生长高度，并将植物茎干和叶片剪下装至塑封带内带回实验室称其鲜重，随后将其放置75 ℃的恒温烘箱内24 h称其干重，并计算其地上生物量。

1.3.2 植物根系调查。待植物生长至180、360 d时将植物地下部分采用全挖法进行集集，洗净根部泥土，晾干做好标记带回实验室。用游标卡尺测定根系直径，利用直尺和卷尺测定每层根系总根长，计算其根长密度。将洗净根系放至350 mL量筒中，通过排水法计算根系体积。将植物根系放入恒温烘箱烘干至恒重（75 ℃，48 h），测定其干重，并计算其根质量密度，其中根长密度和根质量密度采用下面公式计算：

根长密度（RLD）=L/V（1）

根质量密度（RMD）=M/V（2）

式中，RMD为根质量密度（g/cm3）;M为根系干重（g）;L为根系长度（cm）;V为土体体积（2 500 cm3）。

1.4 数据处理 利用SPSS19.0对植物生长参数进行单因素方差分析（ANOVA），用生态学软件Canoco4.5将不同扦插方式作为解释变量，植物生长参数作为响应因子进行冗余分析（redundancy analysis，RDA）。用Origin2017进行作图。

2 结果与分析

2.1 不同扦插直径对柳枝生长特征的影响

2.1.1 地上部分生长特征。植物地上部分（叶、茎、枝）生长特征能有效反映植物生长表现[18]。覆盖于土壤表面的叶片和茎秆可以有效地减少雨水对地表的直接冲刷，同时植物的蒸腾作用和光合作用是生态系统循环的重要过程。因此植物地上部分生长特征是土壤生物工程生态护坡的重要指标[8，19]。

对不同直径扦插植物地上部分生长特征监测表明（表2），植物生长至180 d，工况2地上生物量和株高与工况1、工况3差异显著（P<0.05）。其中，工况2较工况1和工况3地上生物量分别高出36.69%和76.59%，株高分别高出21.23%和23.32%。植物生长至360 d时，工况2地上生物量和株高与工况1、工况3显著差异（P<0.05），其中，工况2较工况1和工况3地上生物量分别高出69.38%和34.87%，株高分别高出21.23%及10.90%。180～360 d期间植物生长较快，3种工况180 d与360 d植物地上部分生长差异显著（P <0.05），地上生物量分别增加了3.35～6.06倍。

2.1.2 根系生长特征。植物根系不仅可以改善土壤理化性质，增强土体内部结构，而且对提高岸坡稳定性起着重要作用[20-22]。研究表明，直径小于1 mm的须根与土壤组成的根系-土壤复合有机整体可以有效提高土壤水稳定性团聚体数量，进而显著增强根系的固土效应[23]。

由图1可知，植物生长180 d后，3种扦插施工方式根系总体积、总根长、根长密度和根质量密度差异不显著，其中根系总体积为31.03～92.56 mm3、总根长为1 052.66～1 241.25 cm、根长密度为0.004 211～0.004 965 cm/cm3、根质量密度为0.047 2～0.175 8 g/cm3。植物生长360 d后，工况2植物总体积、根系生物量和根质量密度显著大于工况1和工况3（P<0.05），工况1和工况3根系生长情况差异不显著。相较于工况1和工况 工况2根系生物量分别高出76.24%和59.76%，总体积分别高出69.65%和77.63%，根质量密度分别高出76.24%和59.76%。3种工况总根长和根长密度差异不显著。360 d时植物根系发展迅速，除根质量密度外，其他4个参数与180 d时相比差异显著（P<0.05）。整体来看，工况2根系生长情况最好，其次为工况 工况1根系生长表现最差。

2.2 不同扦插深度对柳枝生长特征的影响

2.2.1 地上部分生长特征。由表3可知，植物生长至180 d，不同扦插深度地上生物量、株高差异不显著（P>0.05）。工况6植物地上生物量较工况4和工况5分别高出12.89%和26.49%，株高分别增加31.90%和6.67%。植物生长至360 d，工况6植物表现最好，地上生物量达747.32 g，较工况4和工况5分别高155.83%和66.65%;株高为432.32 cm，较工况4和工况5分别增加25.96%和8.50%。3种工况360 d的生长

情况与180 d相比差异显著（P<0.05），此期间植物生长情况良好。总体来看，扦插深度为30 cm比扦插深度为10、20 cm的地上部分生长情况好。

2.2.2 根系生长特征。由图2可知，扦插枝条生长至180 d，工况5根质量密度与工况4和6相比差异显著（P<0.05），工况5表现较好。扦插枝条生长至360 d，不同扦插深度植物根系生长情况差异显著（P<0.05），工况6表现最好。扦插枝条生长至180 d，扦插深度为20 cm（工况5）根系生物量最大，为47.53 g;扦插枝条生长至360 d，工况6根系生长情况迅速增加，其中总根长较工况4和工况5分别增加7.31%和228.20%，根系总体积分别增加132.60%和336.00%，根系生物量分别增加192.00%和147.10%，根长密度分别增加7.31%和228.20%，根质量密度分别增加192.00%和147.10%。总体来看，扦插深度为30 cm时，根系生长情况最好。

2.3 不同扦插角度对柳枝生长特征的影响

2.3.1 地上部分生长特征。由表4可知，植物生长至180 d，不同扦插角度植物地上部分生长差异不显著（P>0.05）。待植物生长至360 d，工况8较工况7植物地上生物量和株高分别高出129.38%和18.70%。2种工况360 d的生长情况与180 d相比差异显著（P<0.05）。总体来看，枝条扦插角度为90°植物地上部分生长情况优于扦插角度为45°枝条。

2.3.2 根系生长特征。由图3可知，扦插植物生长至180 d，工况7和工况8根系生长无显著差异。扦插植物生长至360 d，工况8总根长、总体积、根系生物量、根长密度和根质量密度比工况7分别高出14.26%、114.30%、119.00%、14.26%和119.00%，两者根质量密度、根系生物量和总体积表现出显著差异（P<0.05）。总体来看，扦插角度为90°的枝条根系生长情况比扦插角度为45°时好。

的RDA综合分析

不同工况下植物生长参数显著性分析表明，不同扦插工况之间植物生长差异较显著，不同工况下植物整体生长表现为工况6>工况8（工况2、工况5）>工况3>工况7>工况1>工况4。

为研究不同扦插方式对植物生长参数的影响，利用Canoco4.5软件将扦插植物地上生物量、株高、根长、根系体积、根系生物量作为响应变量，扦插直径、深度和角度作为解释变量进行冗余分析（RDA）[24-26]。RDA二维排序图可直观反映出植物生长参数与不同扦插方式之间的相关性[27-28]，轴1、轴2、轴3和轴4的特征根的相关系数分别为94.8%、94.1%、92.8和90.0%，到轴4的累计合理解释变量为87.3%，因此不同扦插方式与植物生长参数之间的RDA排序分析结果可信。

由图4可知，红色箭线表示不同扦插方式，箭线越长，表示对植物生长参数影响越大。可见，不同的扦插深度和直径对植物生长参数影响较大，不同扦插方式对植物生长参数影响大小排序依次为扦插深度、扦插直径、扦插角度。植物地上生物量、株高和根系生物量与扦插直径和扦插角度之间具有较高的正相关性，与扦插直径和扦插角度之间的相关性大小排序依次为地上生物量、株高、根系生物量。地上生物量、株高、根系生物量、根长和根系体积与扦插深度均具有较好的正相关性，植物根系数量与不同扦插方式之间呈现显著负相关性。

3 结论

（1）不同扦插直径旱柳枝条生长参数之间差异显著（P<0.05），扦插直径>1.5～3.0 cm（工况2）植物整体生长表现情况最佳。植物生长至360 d，工况2较工况1植物地上生物量、株高、根系总体积、根系生物量和根質量密度分别高出69.38%、21.23%、69.65%、76.24%和76.24%，较工况3分别高出34.87%、10.90%、77.63%、59.76%和59.76%。

（2）旱柳枝条扦插深度为30 cm时（工况6），植物整体生长情况表现最佳。植物生长至360 d，工况6植物地上生物量、株高、总根长、根系总体积、根系生物量、根长密度和根质量密度较工况4分别高出115.83%、25.96%、7.31%、132.60%、192.00%、7.31%和192.00%，较工况5分别高出66.65%、8.50%、228.20%、336.00%、147.10%、228.20%和147.10%。

（3）90°扦插枝条整体生长情况好于45°扦插枝条，植物生长至360 d，工况8植物地上生物量、株高、总根长、根系总体积、根系生物量、根长密度和根质量密度比工况7分别高出129.38%、18.70%、14.26%、114.30%、119.00%、14.26%和119.00%。

（4）不同扦插方式对植物生长参数影响大小排序依次为扦插深度、扦插直径、扦插角度。植物地上生物量、株高和根系生物量与扦插直径和扦插角度之间具有较高的正相关性，其与扦插直径和扦插角度之间的相关性大小排序依次为地上生物量、株高、根系生物量。而植物根系数量与不同扦插方式之间呈现显著负相关性。

综上，采用扦插柳枝方式作为土壤生物工程技术措施时，应选择扦插直径>1.5～3.0 cm旱柳枝条，扦插深度为30 cm，并垂直于地面进行扦插。研究结果为土壤生物工程扦插措施的应用提供了一定的指导。

参考文献

[1] ZHU H，ZHANG L M.Field investigation of erosion resistance of common grass species for soil bioengineering in Hong Kong[J].Acta geotechnica，2015，11（5）：1-13.

[2] DHITAL Y P，KAYASTHA R B，SHI J.Soil bioengineering application and practices in Nepal[J].Environmental management，2013，51（2）：354-364.

[3] 娄会品，高甲荣.京郊琉璃河河岸带土壤生物工程的生态效应[J].西北林学院学报，2016，31（1）：304-308.

[4] 夏继红，严忠民.国内外城市河道生态型护岸研究现状及发展趋势[J].中国水土保持，2004（3）：20-21.

[5] 刘瑛，高甲荣，顾岚.基于植物柔韧性的土壤生物工程护岸材料选择[J].北京林业大学学报，2013，35（6）：74-79.

[6] LI M H，EDDLEMAN K E.Biotechnical engineering as an alternative to traditional engineering methods： A biotechnical streambank stabilization design approach[J].Landscape and urban planning，2002，60（4）：225-242.

[7] FERNANDES J P，GUIOMAR N.Simulating the stabilization effect of soil bioengineering interventions in Mediterranean environments using limit equilibrium stability models and combinations of plant species[J].Ecological engineering，2016，88：122-142.

[8] 高甲荣，吕晶，李晓宏，等.土壤生物工程在沿河公路护坡中的初期水土保持效应[J].水土保持学报，2010，24（1）：69-72，85.

[9] ROMANO N，LIGNOLA G P，BRIGANTE M，et al.Residual life and degradation assessment of wood elements used in soil bioengineering structures for slope protection[J].Ecological engineering，2016，90：498-509.

[10] 李晓凤，陈丽华，宋恒川，等.柳杉不同树龄根系加筋作用对边坡稳定性的影响[J].四川农业大学学报，2013，31（3）：258-263.

[11] 顾岚，高甲荣，王颖，等.码石扦插联合生态护坡技术研究及其应用[J].水土保持研究，2012，19（1）：222-225.

[12] 王兵，高甲荣，陈琼，等.护岸柳树表层根系生长的影响因素[J].东北林业大学学报，2014，42（12）：26-29，42.

[13] 丰田，邱宙廷，李光范，等.植被护坡中根土复合土体抗剪强度分析[J].水利水电技术，2018，49（7）：174-180.

[14] 嵇晓雷，杨平.基于根系形态的根系固坡作用数值分析[J].南京林业大学学报（自然科学版），2013，37（2）：113-117.

[15] 宋香静，李胜男，郭嘉，等.不同盐分水平对柽柳扦插苗根系生长及生理特性的影响[J].生态学报，2018，38（2）：606-614.

[16] 钱斌天.土壤生物工程技术植物材料的筛选和施工方式研究[D].北京：北京林业大学，2013.

[17] 王颖，高甲荣，娄会品，等.土壤生物工程中植物材料的应用：以昌平试验区为例[J].中国水土保持科学，2011，9（4）：55-59.

[18] 李曼.武夷山主要森林类型植物根、茎、叶功能性状关联研究[D].福州：福建师范大学，2017.

[19] 娄会品，高甲荣，王越，等.土壤生物工程减少坡面侵蚀效果[J].水土保持学报，2011，25（4）：50-53.

[20] 及金楠，张志强，郭军庭，田佳.黄土高原刺槐和侧柏根系固坡的有限元数值模拟[J].农业工程学报，2014，30（19）：146-154.

[21] 嵇晓雷，杨平.基于根系形态的根系固坡作用数值分析[J].南京林业大学学报（自然科学版），2013，37（2）：113-117.

[22] BJERAGER P，DITLEVSEN O.Influence of uncertainty of local friction angle and cohesion on the stability of slope in coulomb soil[M]//THOFT CHRISTENSEN P.Reliability theory and its application in structural and soil mechanics.The Hague，The Netherlands：Springer，1983.

[23] 瞿晴，徐紅伟，吴旋，等.黄土高原不同植被带人工刺槐林土壤团聚体稳定性及其化学计量特征[J].环境科学，2019，40（6）：2904-2911.

[24] 王长伟，刘勇，李国雷，等.不同林农复合模式对造林1年后毛白杨幼林根系的影响[J].北京林业大学学报，2019，41（1）：32-41.

[25] SYARIF M，SAMPEBULU V，TJARONGE M W，et al.Characteristic of compressive and tensile strength using the organic cement compare with portland cement[J].Case studies in construction materials，2018，9：1-8.

[26] BERGMEIER E，DIMOPOULOS P.Fagus sylvatica forest vegetation in Greece：Syntaxonomy and gradient analysis[J].Journal of vegetation science，2001，12（1）：109-126.

[27] 马守臣，徐炳成，王和洲，等.根系冗余对小麦籽粒产量和水分利用效率的影响[J].应用与环境生物学报，2010，16（3）：305-308.

[28] GUO J J，CHEN J G.RACK1 genes regulate plant development with unequal genetic redundancy in Arabidopsis[J].BMC Plant Biology，2008，8（1）：1-11.