黄河源区六种草本植物根系抗拔力特征及其影响因素研究

王 程，胡夏嵩，刘昌义*，李希来，付江涛，卢海静，赵吉美，邢光延，何伟鹏，杨馥铖，李国荣

(1.青海大学地质工程系，青海 西宁 810016；2.青海大学农牧学院，青海 西宁 810016；3.青海大学农林科学院，青海 西宁 810016)

近年来，受全球气候变暖等因素影响，黄河源区高寒草地出现不同程度退化现象，给源区生态环境带来一定程度影响和潜在危害[1]。2018年青海境内退化草地总面积为3 131.04×104hm2,占全省天然草地总面积的74.70%[2]。草地退化导致土壤根系含量减少，降低土体强度，使植物和土壤更易受到侵蚀，加剧了水土流失、浅层滑坡等地质灾害的发生[3]。多年来，国内外学者对草地退化成因、机理及防治措施等方面开展研究[4-13]，指出科学有效防治黄河源区草地退化，保护源区草地生态环境刻不容缓[13-15]。

已有研究表明，植物根系可对周围土体起到加筋和锚固作用[16]。其影响因素表现为根系数量、根系方向、根系抗拔力、根系抗拉强度及根-土相互作用，其中植物根系抗拔力可作为评价植物固土作用的重要指标[16-18]。国内外学者在植物根系原位抗拔力方面开展了大量试验研究，李本锋等[19]对黄河源区不同水文期护岸植物根系开展原位拉拔试验，指出华扁穗草(BlysmussinocompressusTang et Wang)、线叶嵩草(Kobresiacapillifolia(Decne.)C.B.Clarke)和金露梅(PotentillafruticosaL.)3种优势植物根系抗拔力随根径增大呈幂函数增加；周林虎等[20]对西宁盆地黄土区生长期为3年的柠条锦鸡儿(CaraganakorshinskiiKom.)、中宁枸杞(LyciumbarbarumL.)、白刺(NitrariatangutorumBor.)和霸王(Zygophyllumxanthoxylon(Bunge)Maxim.)4种灌木开展原位拉拔试验，得到4种灌木根系抗拔力与根长、根数之间呈正相关函数关系；Lai等[21]通过对生长期为4年的20株雨树(SamaneasamanMerr.)进行原位拉拔试验，得到雨树抗拔力与其根系尺寸、根径和冠幅之间呈正相关关系；Xu等[22]通过对生长期为18个月的香根草(Vetiveriazizanioides(L.)Nash)进行原位拉拔试验，得到植物抗拔力随着根长增加而增大。

综上所述，已有研究多是考虑单一因素条件下，开展植物根径、根数和根长等因素对抗拔力影响，鲜有涉及土体物理性质、植物根-土相互作用等多种因素耦合作用对植物根系抗拔力影响的研究。基于此，本研究以黄河源区高寒草地为研究区，在现场调查和取样基础上，对区内草本植物根系特征、土体物理性质、紧实度、含根量、根-土复合体黏聚力和单根抗拉强度等因素进行研究，采用多因素耦合方式探讨其对植物根系抗拔力影响及作用程度。该研究结果对有效防治黄河源区高寒草地退化引发水土流失、土壤侵蚀、浅层滑坡等灾害，具有理论研究价值和实际指导意义。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于青海黄南州河南县特根塘试验区，试验区地理坐标为101°28′E，34°51′N，平均海拔为3 580 m。区内为高原大陆性气候，属高原亚寒带湿润气候区，年均气温为9.2℃～14.6℃，年均降雨量为597.1～615.5 mm，年均蒸发量为1 349.70 mm[23]。河南县东西长127.67 km，南北宽94.36 km，面积为6 997.45 km2，特根塘试验区离县城约18 km，交通条件较为便利[24]。另外，特根塘试验区处于山前冲洪积平原，地形平坦，土体类型为砂类土，草地类型为以嵩草为主的高寒草甸型草地，区内植物主要包括矮嵩草(KobresiahumilisK.)、高山嵩草(KobresiapygmaeaC.B.Clarke.)、紫花针茅(StipapurpureaGriseb.)、溚草(Koeleriacristata(L.)Pers)、冷地早熟禾(PoacrymophilaKeng.)、垂穗披碱草(ElymusnutansGriseb.)及细叶亚菊(AjaniatenuifoliaTzvel.)、风毛菊(SaussureajaponicaDC.)、麻花艽(GentianastramineaMaxim.)、黄花棘豆(OxytropisochrocephalaBunge.)等[25]。

1.2 试验材料

野外调查与取样工作于2020年8月开展。试验区草地处于同一草场，其地形、土壤和植物生长环境条件基本一致。根据区内草地植物生长状况，筛选出6种优势草本植物为试验供试种，即分别为：矮嵩草、高山嵩草、紫花针茅、溚草、冷地早熟禾、垂穗披碱草。野外调查结果表明，所选6种植物在区内地表分布均匀，物种间相互混生，未出现明显集中区域。本研究随机在试验区不同位置选择6种植物进行原位拉拔试验，并在该位置设置取样点制取6种优势植物生长区土体密度、含水率试样和根-土复合体直接剪切试样，并及时带回实验室开展室内相关试验。本研究中，在野外试验区每种植物设置3个取样点，取样深度为地表以下0～10 cm处，每个取样点制取1组4个根-土复合体直剪试样(同时作为密度试样)和2个含水率试样。

1.3 试验方法

1.3.1原位拉拔试验 采用型号为HP-300数显式推拉力计(最大负荷值为300 N，精度为0.1 N)进行植物根系原位拉拔试验。试验过程中首先将拉力仪一端夹持植株根系近地表部分，然后沿竖直方向向上缓慢匀速拉拔，待试样根系全部拉拔出土壤后，仪器自动记录根系拔出时的最大拉拔力，试验仪器及原位拉拔试验过程如图1所示。本研究中每种植物分别取40株进行原位拉拔试验，待试样完全拉出后拆卸根系试样并统计拔出的植物根的数量，采用卷尺统计每个根的根长，采用游标卡尺统计每个根的根径，并分别计算其平均根长和平均根径。

图1 研究区6种草本植物原位拉拔试验及其试验过程

1.3.2土体物理性质指标测定 本研究根据《土工试验方法标准》(GB/T 50123-2019)，采用环刀法测得土体天然密度，采用烘干法测得土体含水率。

土体紧实度试样采用FieldScout SC 900土壤紧实度测量仪进行测量，试验过程如图2所示，将土壤紧实度仪探头缓慢匀速插入土壤中直至地表以下20 cm处，插入过程中仪器按2.5 cm深度间隔自动记录所受压力值，并换算成紧实度值，测量完成后缓慢拔出测量仪读取紧实度值，每种植物生长区土体测得10组数据。

图2 研究区6种草本植物生长区土体紧实度试验过程

1.3.3单根拉伸试验和根-土复合体直剪试验 本研究过程中，对区内6种草本进行现场制取植物根系试样，将每种植物完整挖出，将根土复合体放入密封袋中，并及时带回实验室进行单根拉伸试验。室内试验过程中，采用电子万能试验机(最大负荷5 kN，精度为0.01 N)，设置好单根拉伸试验的各项参数(标距为20 mm、拉伸速率为20 mm·min-1)，通过单根拉伸试验得到6种植物单根抗拉力，测量单根根径后根据公式(1)计算其单根抗拉强度，每种植物进行60次单根拉伸试验。

单根抗拉强度计算公式为：

(1)

(1)式中：P为单根抗拉强度，单位为MPa；F为单根最大抗拉力，单位为N；D为根系的直径，单位为mm。

与此同时，在区内每种植物生长区域分别制取3组直剪试样(每组4个根-土复合体试样)，并及时带回实验室，采用南京土壤仪器，有限公司生产的ZJ型应变控制式直剪仪分别在50，100，200，300 kPa垂直压力作用下进行直剪试验，得到6种不同植物其根-土复合体抗剪强度指标粘聚力c值和内摩擦角φ值。待直剪试验结束后，将试样放入土工筛中用水浸泡，待试样土体吸水变软后，再用清水将试样中土颗粒全部冲走而留下根系，将根系烘干称取干质量，得到复合体试样中的含根量。含根量的具体计算公式为：

(2)

(2)式中，mr为根-土复合体试样含根量，单位为mg·cm-3；ms为根-土复合体试样所含干根质量，单位为mg；V为根-土复合体试样体积，计算时采用每组4个试样的总体积，即为240 cm3。

1.3.4数据分析 本项研究采用Excel软件进行数据整理与分析，并使用SPSS 22.0软件进行单因素方差分析和相关性分析，显著性水平为P<0.05，用Origin 2021软件进行绘图。

2 结果与分析

2.1 6种草本植物试验结果

2.1.16种草本植物根系抗拔力及其根系生长量指标特征 如表1所示为区内6种草本植物平均抗拔力及根径、根数和根长试验统计结果。6种草本植物根系抗拔力由大至小依次为矮嵩草(46.50 N)、高山嵩草(37.50 N)、紫花针茅(28.99 N)、垂穗披碱草(27.42 N)、溚草(18.50 N)、冷地早熟禾(16.45 N)；其中，矮嵩草和高山嵩草平均抗拔力显著大于其他4种草本(P<0.05)，矮嵩草抗拔力(46.50 N)相对于紫花针茅抗拔力(28.99 N)增大17.51 N，其增加幅度为60.40%。此外，区内6种草本平均抗拔力相对最大的矮嵩草，其根数和根长均显著大于其他5种草本(P<0.05)，且根径亦仅较溚草小，其平均根径、根数和根长分别为0.30 mm，6.55根，4.32 cm。

表1 研究区6种草本植物平均抗拔力与根径、根数和根长试验统计结果

2.1.2土体物理性质指标、含根量和紧实度测定结果及其特征 研究区6种草本生长区土体密度较为接近，由于区内草地土体中植物根系较发育，土体中根系含量多而土颗粒含量相对少，其密度均低于1 g·cm-3，土体密度由大至小依次为矮嵩草、溚草、高山嵩草、紫花针茅、冷地早熟禾、垂穗披碱草生长区土体(表2)。区内6种草本生长区土体含水率由大至小依次为垂穗披碱草、高山嵩草、矮嵩草、冷地早熟禾、紫花针茅、溚草，且含水率之间差异不显著。此外，区内6种草本植物其根-土复合体试样中，矮嵩草复合体含根量最高为12.11 mg·cm-3，垂穗披碱草和紫花针茅次之，均为11.06 mg·cm-3，高山嵩草、冷地早熟禾和溚草其含根量相对较低，分别为5.37，3.19和2.03 mg·cm-3。区内6种草本生长区土体紧实度在地表以下0～20 cm处，其平均值由大至小依次为紫花针茅、高山嵩草、矮嵩草、垂穗披碱草、冷地早熟禾、溚草。

表2 研究区6种草本植物土体物理性质指标和含根量试验结果

如图3所示为区内6种草本植物生长区土体紧实度试验结果。6种草本生长区其土体紧实度在地表以下2.5～5 cm处出现最大值，在地表以下12.5 cm处出现最小值。结合野外试验区地表以下土体结构分析可知，区内土体紧实度在地表以下2.5～5 cm处出现最大值,其主要原因在于，该深度为植被根系密集分布层，相互紧密缠绕的根系一定程度阻挡探针刺入，当探针刺穿该根系密集层后，紧实度值呈逐渐降低的特征，而在12.5 cm深度以下土体紧实度增加则归因于随着深度增加其土体密度逐渐增大所致。

图3 研究区6种草本植物生长区土体紧实度随深度变化关系

2.1.3单根拉伸试验结果及其特征 区内6种草本平均单根抗拉力由大至小依次为溚草、垂穗披碱草、冷地早熟禾、矮嵩草、高山嵩草、紫花针茅，其平均单根抗拉强度由大至小为垂穗披碱草(135.89 MPa)、冷地早熟禾(115.21 MPa)、矮嵩草(40.55 MPa)、紫花针茅(31.22 MPa)、高山嵩草(28.46 MPa)、溚草(28.34 MPa)；其中，垂穗披碱草和早熟禾其平均抗拉强度显著大于其他4种草本(P<0.05)，垂穗披碱草平均抗拉强度(135.89 MPa)相对于矮嵩草平均抗拉强度(40.55 MPa)增大95.34 MPa，其增加幅度为235.12%(表3)。

表3 研究区6种草本植物单根拉伸试验结果

如图4所示为区内6种草本植物平均抗拉力与根径之间的关系曲线。6种草本植物均表现出随着根径增加，其平均抗拉力亦逐渐增大的变化规律，且平均抗拉力与根径之间符合指数函数正相关关系。由图5可知，本研究中6种草本其平均抗拉强度与根径间呈幂函数负相关关系，即表现为随着根径增加，平均抗拉强度呈逐渐减小的变化趋势。

图4 研究区6种草本植物单根抗拉力与根径之间的关系曲线

图5 研究区6种草本植物单根抗拉强度与根径之间的关系曲线

2.1.4根-土复合体抗剪强度特征 如表4所示为区内6种草本植物根-土复合体直剪试验结果。6种草本植物根-土复合体的黏聚力c值由大至小依次为垂穗披碱草、冷地早熟禾、高山嵩草、矮嵩草、紫花针茅、溚草，即垂穗披碱草和冷地早熟禾根-土复合体的平均黏聚力c值显著大于其他4种草本(P<0.05)，其中垂穗披碱草根-土复合体的黏聚力c值最大，为21.57 kPa，较溚草增加20.61 kPa。

表4 研究区6种草本植物根-土复合体试样直剪试验结果

2.2 6种草本植物根系抗拔力影响因素分析

区内6种草本其根径、根数、根长与抗拔力间呈显著正相关关系(P<0.05)，其中，根径与抗拔力间的相关系数(R)为0.881，根数与抗拔力间的相关系数(R)为0.727，根长与抗拔力间的相关系数(R)为0.969(表5)。由表5还可知，区内6种草本生长区土体密度、紧实度、含根量和根-土复合体黏聚力与抗拔力间呈正相关关系，其相关系数(R)分别为0.644，0.193，0.649，0.150。单根抗拉强度、土体含水率与抗拔力之间呈负相关关系，相关系数(R)分别为-0.488和-0.322。

表5 研究区6种草本植物根系抗拔力影响因素Pearson相关分析结果

3 讨论

国内外学者在有关植物根系抗拔力原位试验方面开展了大量研究。胡夏嵩[26]对种植于青藏铁路沱沱河段路基边坡，生长期为5年的垂穗披碱草(ElymusnutansGriseb.)进行野外拉拔试验，结果表明植物根系抗拔力与须根数量、根径等呈正相关关系。周霞[27]采用原位拉拔试验分析影响紫花苜蓿(MedicagosativaL.)根系拉拔力的因素，得到其根系抗拔力随着根径、根长的增加而增大。王桂尧等[28]对生长于湖南长沙地区，生长期为1年的湿地松(PinuselliottiEngelm.)进行原位拉拔试验，指出随着土壤含水率增加，其抗拔力表现出单调递减或先增大后减小的变化趋势。Norris J N[29]通过对英国东南部地区生长的英国栎(QuercusroburL.)和单子山楂(CrataegusmonogynaJacq.)进行原位拉拔试验，评价了根系潜在固土能力，指出植物根系抗拔力随着根径增加而增大。本研究所得到的区内6种草本抗拔力与其根径、根长和根数之间呈正相关关系，与土体含水率间则呈负相关关系的研究结论，与上述学者的研究结论基本一致。

本研究中，植物通过根系与土体之间的结合作用来抵抗植物拉拔作用的过程，具体表现为：当植物受到拉力作用时，植物通过深扎在土壤中的根系提供抗拉力，其所具有的抗拉力与植物根系自身生长特性有关，表现为根径愈大、根数愈多、根长愈长，其与土体间的结合程度亦愈大，表现出具有相对较大的抗拔力[20,26]；此外，土体密度、紧实度愈大，则根系与土体间的结合程度亦愈强，提供给根系与土体之间的摩擦力亦愈大，进而起到抵抗拉拔的作用[29-32]，而土体含水率增大则起到润滑作用，并一定程度降低根系与土体间的摩擦力[28]。本研究通过开展试验区原位拉拔试验和对比分析，结果表明区内6种草本植物中，矮嵩草和高山嵩草为该区原生草地优势植物种，这2种植物根系相对较发达，其抗拔力亦相对较大；相应地，区内禾本科植物垂穗披碱草、早熟禾及数量相对较少的紫花针茅和溚草等植物种，植物根径、根数等指标表现出相对不及原生草地矮嵩草和高山嵩草，因此在原位拉拔试验过程中所提供的抗拔力亦相对不及前者，在受到地表拉拔作用时，其根系相对于前两种易于被拔出，结果使其表现出根-土之间的摩擦力相对不及前者显著。

4 结论

研究区6种草本根系抗拔力由大至小依次为矮嵩草(46.50 N)、高山嵩草(37.50 N)、紫花针茅(28.99 N)、垂穗披碱草(27.42 N)、溚草(18.50 N)、冷地早熟禾(16.45 N)，表明原生草地优势植物矮嵩草和高山嵩草，表现出具有相对更大抗拔力特性，对有效防治区内草地退化以及水土流失、抵抗土壤侵蚀等方面起到显著性作用；禾本科植物例如垂穗披碱草、冷地早熟禾其根-土复合体黏聚力c值相对较大，则在增强土体黏聚力方面表现出显著作用。因此，结合上述不同植物特征，有助于优势草本植物种筛选和开展植被恢复试验，并对有效防治黄河源区原生草地植物退化现象，以及恢复源区草地生态和提高草地抵抗土壤侵蚀和退化的能力，具有重要理论研究价值和实际指导意义。