浙南山区6种优势乔木植物根系的力学特性研究

2010-07-30李贺鹏岳春雷陈友吾袁位高李建兵

浙江林业科技 2010年3期

李贺鹏，岳春雷*，陈友吾，江波，袁位高，李建兵

（1. 浙江省林业科学研究院，浙江杭州 310023；2. 浙江省安吉县良朋镇林业站，浙江安吉 313309）

水土流失、山体滑坡、泥石流等自然灾害往往造成巨大的经济损失和威胁人类的生命安全，同时也对生态环境造成不同程度的破坏，而植物在防治水土流失、稳定边坡等方面发挥着关键作用。但在过去较长时期内，有关植被减少表土侵蚀作用的研究大多集中在植物的地上部分，而对根系的作用研究则被忽略[1]；近年来，植物根系的固土护坡机理、根—土相互作用等研究越来越受到学者们的重视，成为生态学研究的热点之一[2～4]，同时在不同类型植物的单根抗拉特性、根—土复合体的抗剪特性、根系固土的力学增强效应、根系护坡固土模型及机理等方面开展了许多研究[5～14]。目前，普遍接受的解释根系固坡机理的模型是由Wu提出[15]，并由Waldron[16]和Wu等[17]发展的Wu-Waldron模型[18]，其中影响固坡效果的主要因素是根系抗拉强度和根面积比[19]，但是也受根径、根系类型、空间分布及密度、生活史特点、更新速度等因素影响[20]。尽管国内外关于植物林草根系力学特性的研究有一些资料报道，但缺乏系统性、数据库不健全[4]，特别是关于植物根系抗拉强度的测定资料目前仍比较少[21]。因此，开展护坡植物根系力学性质方面的研究显得尤为重要。

浙江省地处我国东南沿海，山地丘陵众多，由于台风、暴雨等频繁，致使山体滑坡、泥石流等地质灾害时有发生，目前已查明滑坡及隐患超过4000多处。尽管全省森林植被覆盖率超过60%，但是有关植被根系的相关研究仅限于浙北地区[22～23]，而林木植物根系力学方面的研究尚未见报道。因此，本文针对浙江南部山区的植被郁闭度较高且容易发生山体滑坡、泥石流区域，开展林木根系的力学特性研究，用于指导山区林相改造，实现亚热带常绿阔叶林地区森林生态系统的综合功能的优化和提升，以期为山体滑坡和泥石流易发区的生产实践和山体水土保持提供科学支持，同时也可丰富固土护坡的理论体系。

1 研究区域自然概况

研究区域位于浙江省西南部的庆元县荷地镇石木下村附近山体南坡（27° 33′ 56″ N，119° 18′ 52″ E），海拔880 m。该区地处亚热带南缘，属亚热带季风气候，温暖湿润，冬暖夏凉，四季分明，年平均气温18.1℃，年平均无霜期256 d，年平均降水量1427.0 mm。地貌以丘陵山地为主，土壤类型以红壤、黄壤为主，山体坡度约45°；地带性植被类型属中亚热带常绿阔叶林，由于地理条件优越，植物资源丰富，植被郁闭度70%～90%，乔木植物以壳斗科的甜槠（Castanopsis eyrei）、苦槠（C. sclerophylla）、石栎（Lithocarpus glaber）等（常绿林），金缕梅科的枫香（Liquidambar formosana）等和漆树科的南酸枣（Choerospondias axillaris）等次生林（落叶林）为主，原人工林以马尾松（Pinus massoniana）、柳杉（Cryptomeria fortune）、杉木（Cunninghamia lanceolata）优势树种为主；灌木植物以毛杜鹃（Rhododendron pulchrum）、檵木（Loropetalum chinense）为优势种；草本植物以青绿苔草（Carex breviculmis）为优势种；蕨类植物以里白（Diplopterygium glaucum）、狗脊蕨（Woodwardia japonica）为主；其它植物主要有桤木（Alnus cremastogyne）、黄瑞木（Adinandra millettii）、毛花猕猴桃（Actinidia eriantha）、山茶（Camellia japonica）、江南越桔（Vaccinium mandarinorum）、野茉莉（Styrax japonicus）、柃木（Eurya japonica）、窄基红褐柃（E. rubiginosavar.attenuata）、格药柃（E. muricata）、乌药（Lindera aggregata）、络石（Trachelospermum jasminoides）、卷柏（Selaginella tamariscina）、乌饭树（Vaccinium bracteatum）、白栎（Quercus fabri）、网脉芽豆藤（Callerya reticulata）、野蔷薇（Rosa multiflora）、尖连蕊茶（Camellia cuspidata）、菝葜（Smilax china）、八角枫（Alangium chinense）、茅栗（Castanea seguinii）、香港黄檀（Dalbergia millettii）、红楠（Machilus thunbergii）、木通（Akebia quinata）、白檀（Symplocos paniculata）、老鼠矢（S. stellaris），土茯苓（Smilax glabra）、铁冬青（Ilex rotunda）、矩形叶鼠刺（Itea chinensisvar.oblonga）、马银花（Rh. ovatum）、满山红（Rh. mariesii）、五节芒（Miscanthus floridulus）等。

2 材料与方法

2.1 试验设计

在山腰中部偏上区域设定30 m×30 m的样方，根据植物群落中优势植物种类确定试验树种。本研究选取具有代表性的6种乔木树种进行研究，常绿树种为甜槠和苦槠，落叶树种为枫香和南酸枣，针叶树种为马尾松和杉木；然后原位测定不同树种根系土壤的抗剪强度；以树根基处为中心，挖掘植物根系，深度保持在50 cm以内；为了有效保持根系的水分含量，将挖出的新鲜根立即放入塑封袋内密封保存，同时作好记录并贴上标签，带回实验室放置4℃冰箱保存；最后取土壤样品1个，放置塑封袋密封保存。

2.2 试验方法

2.2.1 土壤含水量测定采取野外仪器现场测定和土壤样品实验室测定两种方法。野外土壤含水量测定采用三参数仪（Dalta-T WETTM 英国DALTA-T公司生产）；实验室内测定采用烘干称重法。

2.2.2 抗剪强度测定以树根基部为中心，半径50 cm的圆范围内利用机械式十字板剪力仪现场测定植物的抗剪强度；每个树种根部土壤抗剪强度测定4 ～ 5次。

2.2.3 抗拉力测定将带回实验室的鲜根进行单根拉伸试验，测量仪器为电子式人造板万能试验机（型号：MWD-10（0 ～ 10 kN），济南试金集团有限公司和济南试验机厂制造），测定时间在90 min内完成。单根拉伸试验的具体步骤：以5 ～ 10 cm为测定长度将供试根段夹持在工作台上的拉伸夹具间，然后电脑操作控制根断拉伸，直至断裂。试验中，为避免单根在受力时出现打滑或在夹具两端处被拉断的现象，采用在夹具两端缠绕和添加柔性物质等方法以增大根系与夹具间的摩擦。用游标卡尺详细记录断裂处根系的直径，每个根段进行旋转测量3次。为了减少试验误差，保证每种植物根系的试验根断测定有效值不少于10个。

2.2.4 抗拉强度根据试验所得相关数据，如根系直径、最大抗拉力等，计算根段的抗拉强度。根段的抗拉强度计算公式为：

式中：P为根系抗拉强度（MPa）、F为最大拉力（N）、D为拉断处根系直径（mm）。

2.3 数据分析

所有数据均采用SPSS和Excel软件进行统计和分析。使用Origin和Photoshop软件进行绘图。

3 结果与分析

3.1 根系直径与根系抗拉力的关系

从不同树种根系直径与抗拉力关系的3组拟合函数的各个指标（表1）可以看出，各拟合函数的相关系数（R2）均超过了0.83，成显著性正相关关系（P ＜ 0.001）（表2）。在3组拟合函数中，指数函数的相关系数都明显低于其它两组函数，而线性函数中除了甜槠（R2= 0.9941）和马尾松（R2= 0.9984）高于幂函数（甜槠R2=0.9885和马尾松R2= 0.9836）的相关系数外，其它树种的相关系数都低于幂函数。因此在分析过程中均采用幂函数。

表1 不同树种根系直径与抗拉力间的拟合函数比较Table 1 Comparison on fitting functions for relation between root system and tensile force

从图1可以看出，每个树种的抗拉力与根径均成显著的幂函数关系，随着根径的增加，根系的抗拉力迅速增加，这主要是由于根截面积的迅速增加，导致根的抗拉力迅速增加。通相关性分析发现，6个树种根系根茎与抗拉力成极显著正相关（P ＜ 0.001）（表2），而不同树种根系的抗拉力差异较大；当根茎R≤2.15 mm时，6种植物的抗拉力关系是苦槠 ≥ 南酸枣＞甜槠＞马尾松＞枫香＞杉木；当根茎R ＞ 2.15 mm时，这些植物的抗拉力关系是南酸枣＞苦槠＞甜槠＞马尾松＞枫香＞杉木。由此可见，以杉木等针叶树种占优势的山地植被的抗雨水冲蚀能力相对较低，而以苦槠、枫香、甜槠等阔叶林为主的植被群落的抗冲蚀能力则相对较高。

表2 不同树种根径与抗拉力和抗拉强度的相关性分析（P ＜ 0.001）Table 2 Correlation analysis on root diameter with tensile strength of different tree species

表3 不同树种根系直径与抗拉强度间的幂函数特征Table 3 Power function of relation between root diameter and tensile strength of different tree species

3.2 根系抗拉强度与根系直径的关系

图1 不同树种根系直径与抗拉力关系Figure 1 Relation of root diameter withtensile force of different tree species

图2 不同树种根系直径与抗拉强度关系Figure 2 Relation of root diameter with tensile strength of ifferent tree species

通过相关性分析发现，苦槠、甜槠、枫香、南酸枣、马尾松和杉木根系的抗拉强度和直径存在极显著的负相关性（P ＜ 0.001），其相关系数分别为－0.894、－0.996、－0.901、－0.809、－0.963和－0.830（表2）。由根系直径与抗拉强度回归分析结果显示：所有根系的抗拉强度均与直径成显著幂函数负相关（表 3），即随着乔木植物直径的增大，抗拉强度呈减小趋势（图 2）。另外，从图 2可以看出，不同植物根系抗拉强度的差异比较明显，其中苦槠和南酸枣的抗拉强度相对较大，而杉木的抗拉强度最低。

4 讨论与结论

4.1 根系抗拉力

植物根系不同于一般的工程材料，其力学特征因植物种类不同而差异显著。6种植物根系的抗拉力中杉木的最低，甜槠、枫香和马尾松三者居中且差异不明显，南酸枣和苦槠较高，这主要是由不同植物根系遗传差异、构造差异等因素造成的。植物根系的木纤维含量及排列方式等明显影响其抗拉力[12]，如狼牙刺（Sophora davidii）根柔软，木纤维排列紧密，而连翘（Forsythia suspensa）根脆而硬，木纤维排列疏松，因此前者抗拉力明显大于后者[8]。本研究中，杉木根系明显不同于其它植物，其根皮疏松，且脆而硬，故其抗拉力相对较小；另外，这些植物根系的结构成分（如木纤维、胶原蛋白含量及排列方式，以及各细胞组分等）、分布特点等都可能影响单根的抗拉力性能，有关这方面的研究尚待继续深入。

研究证实，植物根系抗拉力与根径成幂函数正相关或指数函数正相关关系[8,23～27]，如杉木，水青冈（Fagus langipeliolata）与日本黑松（Pinus thunbergii）等，其根径与拔根抵抗力大约成指数正相关[23～25]，以及如野々田稔郎等[25]建立的杉木根系拉力（T）与根径（d）的方程为T= 2.754d2.06（r = 0.9670）。本研究结果也进一步证实了上述结论：即不同树种根的抗拉力与根径均成幂函数正相关关系，根的抗拉力随着根径的增加而迅速增大，不同树种根的抗拉能力有显著差异。

4.2 根系抗拉强度

影响根系固坡力学方面的主要根系参数包括根的抗拉强度、根数、根表面积、根长和根径等方面[28]。由原位根系拉拔试验表明，须根比主根有利于加固土壤和提高土体抗剪强度，须根增加根系的表面积，增大了根系与土壤的接触面积，使根系与土壤间的摩擦阻力增大[7,26,29]。在根系径级相同的情况下，须根发达的根系要比主直根系抗拉强度大[30]，本研究结果证实了上述观点，即6种乔木植物根系的抗拉强度随着根径加粗而逐渐降低，植株根系越长、分支越多、径级越低，而其抗拉强度则越大。另外，这6种植物中仅发现杉木根系的须根相对较少，其抗拉强度则相对偏低；而南酸枣和苦槠的根系中须根所占比例较高，其抗拉强度值要明显高于其它植物。

目前关于植物根系抗拉强度的测定资料比较少，但是多数研究发现抗拉强度与其直径成指数或幂函数负相关[18]，即树根抗拉强度与直径成反比，表明细根比粗根更有利于土壤加固和抗剪强度的提高[3,12,13,26,31～33]。但也有个别研究结果认为植物根系与其直径成幂函数正相关的报道[24]。本研究中6种树种的根系抗拉强度与其直径成幂函数负相关关系，这与上述大多数研究结果相一致。关于植物根系与其直径的函数关系，迄今为止研究所涉及的植物种类较少，因此需要加大有关该方面的相关研究。

本研究中根系最大抗拉强度值偏低，如苦槠55.8 MPa（最小直径r = 1.25 mm，下同）、甜槠41.9 MPa（r =0.91 mm）、枫香41.3 MPa（r = 0.77 mm）、南酸枣63.9 MPa（r = 0.99 mm）、杉木11.6 MPa（r = 1.40mm）、马尾松、南酸枣33.4 MPa（r = 1.15 mm），这主要是由所选根系材料径级（＞ 0.50 mm）所致。在预测根系固坡效应的过程中，一般只测定一定径级以内细根的抗拉强度，如直径范围0.15 ～ 4.5 mm的根系抗拉强度值变化幅度为20 ～ 730 MPa[3]，其中发现最大的为山毛榉（Fagus sylvatica），变化幅度400 ～ 700 MPa；目前所记录的根系抗拉强度的植物大约有67种，如柳树9 ～ 36 MPa，杨树5 ～ 38 MPa，桤树4 ～ 74 MPa，黄杉19 ～ 61 MPa，银槭15 ～ 30 MPa，西铁杉27 MPa等[19]。通常情况下许多学者以细根系（≤3 mm）为研究材料，因为该区段的根系具有最大抗拉强度[3,12,19]。由此可见，植物细根在防治水土流失、山体滑坡和泥石流过程中发挥着关键作用，如发生于1997年5月8日的广东省从化市部分地区的山洪滑坡，很多覆盖树木的山坡被山洪冲毁，而草山草坡几乎安然无恙或受损很小[18]。因此，在山体滑坡、泥石流易发区除了开展乔木植物根系固土护坡的力学研究外，有关灌木植物、草本植物的根系力学性质方面的研究还有待进一步开展。

4.3 结论

（1）6种植物的单根抗拉力都随着根系直径的增加而增大，其中杉木的抗拉力最低，甜槠、枫香和马尾松居中，苦槠和南酸枣的较高。

（2）所有6种植物的根系直径与抗拉力间的拟合函数中以幂函数最为适合，并且6种植物的根系直径与抗拉力间成幂函数正相关关系。

（3）6种植物抗拉强度随着根系直径增加而降低，并且所有植物根系抗拉强度与其直径成幂函数负相关关系，其中杉木的抗拉强度明显低于其它树种。

（4）根据上述各指标分析结果看，苦槠和南酸枣的固土护坡作用较大，枫香、甜槠、马尾松居中，杉木的最差。

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