华北土石山区公路边坡常见植物根系地下分布特征

徐洪雨，王英宇，宋桂龙†，韩烈保

(1.北京林业大学草坪研究所，100083，北京;2.北京市京石园林绿化有限公司，102600，北京)

根系是植物吸收水分、营养的主要器官，即使在深层土壤中仅有很少比例的细根存在，它们对植物水分和营养吸收也发挥着非常重要的作用［1］。刺槐(Robinia pseudoacacia L.)曾经一度被认为是浅根系树种，没有明显的主根［2］，但有研究表明，在黄土高原地区刺槐是深根系树种［3］，根系在深层土壤中也有较多的分布。对胡枝子(Lespedeza bicolor Turcz.)的研究多见于生物学特性、生态学等方面的报道，对地下根系的研究报道尚属少见［4-6］。赵淑芬等［7］的研究表明，胡枝子根系干质量的72.28%都分布在0～20 cm的耕作层内，并且其细根含量丰富，在10～20 cm土层内粗根和细根的干质量相当，在30 cm以下的土层中粗根和中根逐渐消失，主要以细根为主。紫穗槐(Amorpha fruticosa L.)为典型的深根系直根树种，有明显的主根和Ⅰ级侧根，且有Ⅲ级以上侧根的分布，紫穗槐的根系对边坡具有很好的稳定作用，是较为理想的生态护坡植物［8］。郭彦军［9］对紫花苜蓿(Medicago sativa L.)的根系形态进行了系统的研究，紫花苜蓿的根系属于直根系，由主根和侧根组成。虽然沙打旺(Astragalus adsurgens Pall.)与紫花苜蓿同为豆科的优良牧草，但关于沙打旺根系的研究鲜见报道，沙打旺也为直根系，由主根和侧根组成，为深根系植物［10］。高羊茅(Festuca arundinacea)为常用的草坪草，关于其根系地下分布的研究也不多，成文竞等［11］在对3种草坪草根系研究后得出，高羊茅的根系分布较深，可到达地下1.8 m，另外高羊茅为禾本科植物，根系的类型为典型的须根系。Gray将木本根系分为主直根型、散生根型和水平根型［12］。鉴于以上分析，根据Gray的根系分类系统，紫穗槐为主直根型，胡枝子为散生根型，刺槐在以往的研究中无明显主根，但是在边坡的立地条件下，刺槐主根明显，在本研究中将其定义为主直根型。草本植物紫花苜蓿和沙打旺为主直根系，高羊茅为须根系。近年来，随着根系研究方法的增多，关于根系的研究较多，但是，由于边坡的立地条件等原因，关于边坡植物根系地下分布的研究有很多不足。经典的根系研究方法较少，主要为环刀法，因此，对根系的地下分布特征的描述还存在一定的局限性。笔者以京承高速公路(三期)为研究对象，采用挖掘法，调查研究边坡几种常用植物根系的地下分布特征，以期为边坡植物根系固土效应研究及边坡植被恢复工作提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验地点的概述

试验地点为京承高速公路(三期)，是京承高速公路的一段。京承高速公路是国家高速公路网规划中大广(大庆—广州)的重要组成部分，全长209.1 km，北京段长132.4 km。京承高速公路(三期)位于北京市密云县东北部山区，起于密云县穆家峪镇沙峪沟，与京承高速公路(二期)相接，止于京冀交界处司马台，与京承高速公路河北承德段相接，全长62.7 km，公路周围植物群落丰富，绿色覆盖度大，环境优美。

京承高速公路(三期)边坡主要有岩石边坡和土石边坡2种类型，其中以岩石边坡为主。岩石边坡多由弱风化凝灰岩和花岗岩构成，坡体表层多有风化，主要有3种形式:1)强风化，岩体表层存在风化层，部分似土状，部分为坚硬石子，风化严重的岩体形成断层;2)中度风化，风化的岩体有裂缝，裂缝间有许多易剥落的石子，但是石子坚硬，体积很小;3)弱风化，风化的岩体有裂缝，形成大石块，石块之间裂缝很小，没有易剥落的石子或者似土的物质。土石边坡多由强风化的片麻岩、页岩等构成，坚硬石块与风化土混在一起。岩石边坡的植被恢复采用客土喷播和厚层基材2种恢复技术，土石边坡采用客土喷播技术，喷播方式为干喷加湿喷相结合。截至试验研究开展时(2011-10)，边坡植被恢复年限已达到2年。

1.2 边坡的选择

对以京承高速公路(三期)边坡几种常见植物根系进行调查研究，试验边坡基本信息见表1。

1)边坡的坡向。通常我国将南作为标准的阳坡，它与东南坡和西南坡统称为阳坡(即157.5°～247.5°，以正北方为0°)，将北坡作为标准的阴坡，它与东北坡和西北坡统称为阴坡(即0°～67.5°，292.5°～ 360°，以正北方为 0°)，其余称为阴阳坡［13］。

2)基质厚度。人工基质层的厚度约为8 cm，即地表到达SNS防护网的距离。由于边坡部分位置凹陷和凸起，这些位置的基质厚度则高于或低于8 cm。

3)岩体风化程度。岩体表层有风化，风化的岩体有裂缝，形成大石块，石块之间裂缝很小，没有易剥落的石子或者似土的物质。

表1 边坡基本信息Tab．1 Basic information of studied slope

1.3 供试植物的选择及根系调查处理方法

1)标准植株的选择。在试验边坡设置5 m×5 m的正方形样地，选取对角线交点和该正方形四角分别做2 m×2 m面积相等的小样方5个，分别编号标记。详细调查5个小样方灌木的数量，单株的株高、冠幅、地径等地上部分形态指标，求得单株株高、冠幅和地径大小的平均值，将平均值作为供试植株选择的依据。

经调查，5个试验样方木本植物平均密度分别为胡枝子0.8株/m2、紫穗槐0.7株/m2、刺槐0.7株/m2，草本植物的平均密度紫花苜蓿0.3株/m2、沙打旺0.2株/m2、高羊茅3丛/m2、波斯菊(Cosmos bipinnatus Cav.)50 株/m2、岐茎蒿(Artemisia igniaria Maxim.)3 株/m2、鬼针草(Bidens pilosa Linn.)15株/m2，边坡植被层总盖度约70%。

在5个小样方内，选择3株符合标准株要求的植物进行根系调查。调查之前，首先将植物地上部分伐倒，带回室内烘干称量地上部分的干质量。供试植物的基本情况见表2。

表2 供试植物基本情况Tab．2 Basic condition of sample plants

2)根系调查及处理。根系调查采用挖掘法，同时由于岩石边坡基质层较薄，20 cm以下基本为坡体岩石界面，故按垂直坡面的土层深度分0～10 cm、10～20 cm、＞20 cm共3个层次进行根系挖掘，在以下论述中，为方便将3层依次分别称为1层、2层和3层。挖掘时自上而下进行，按根系自然分布状态挖掘，为不破坏根系自然分布状态，随挖随与铁丝网固定，并在层与层交接的界面处的根系上进行标记，为能顺利将全部根系都挖出，待根系全部挖出后再剪断分别进行装袋。挖掘时用毛刷小心清除根系间的基质，并把基质分层装袋带回实验室，然后经5 mm×5 mm的筛过筛后挑选出残余根系，再分别放入对应各层的根系袋中。在挖掘根系时，对每层根系主根与边坡的夹角分别进行测量，夹角范围在0°～180°之间，以根径为基点，向下坡位生长为0°～90°，向上坡位生长为 90°～ 180°，此角度具有方向性。

依据上述方法对每株供试植物根系进行挖掘，所获得的根系用清水洗净后，用吸水纸吸干，采用Epson Twain Pro(32 bit)根系扫描仪和根系分析应用系统WINRhizo对根系长度进行分级测定，分d＞5、2＜d≤5、0＜d≤2共3个等级，把d＞5的根系定义为粗根，2＜d≤5的根系定义为中根，0＜d≤2的根系定义为细根［8，14］，其中d为根系直径，单位mm。根系扫描后，装回原带，用烘干法测量其干质量。进行根系扫描及干质量测量后，对所获得的数据取平均值后再进行数据分析。

2 结果与分析

2.1 根系的垂直分布特征

2.1.1 根系长度

1)不同径级根系长度。不同植物根系各径级根长测定结果见表3。可以看出:3种木本植物的总根长比较结果为胡枝子(4 683.39 cm)＞刺槐(4 514.35 cm)＞紫穗槐(2 585.24 cm)，刺槐和胡枝子的总根长相近，远远长于紫穗槐根系的总根长;单株刺槐根长最大为4 602.18 cm，最小为4 425.16 cm;单株胡枝子最长根长为4 746.73 cm，最短根长为4 519.40 cm;单株紫穗槐根长最大为2 594.11 cm，最小为2 525.74 cm。从木本植物各径级根长所占的比例来看，刺槐为粗根＞中根＞细根，胡枝子为细根＞中根＞粗根，紫穗槐为粗根＞细根＞中根，刺槐和紫穗槐以粗根为主，所占的比例分别为53.27%和40.74%，胡枝子以细根为主，比例占到37.76%。

3种草本植物的总根长比较结果为高羊茅(1 170.43 cm)＞沙打旺(963.83 cm)＞紫花苜蓿(612.76 cm)。对于草本植物根系的分级特征，紫花苜蓿为粗根＞细根＞中根，沙打旺为粗根＞中根＞细根，高羊茅为细根＞中根＞粗根。紫花苜蓿和沙打旺以粗根为主，所占比例分别达到了51.98%和61.30%，高羊茅以细根为主，所占比例达到了60.54%。

表3 植物根系各径级根长及其比例Tab．3 Root length and its ratio of different diameter classes

2)不同土层根系长度。植物根系长度在各土层的比例见图1。从图1(a)可以看出，3种木本植物根长在各土层的比例呈降低趋势。刺槐根长在1层和2层的比例基本相同，而胡枝子和紫穗槐根长在1层的比例较大，紫穗槐根长在1层的比例高达69.98%。刺槐和胡枝子根长在各土层的比例变化趋势较缓，在3层的比例仍达到23.62%和19.35%;紫穗槐根长在各土层的比例变化趋势较急，根系主要分布在1层和2层，在2个土层的比例累积达到97.28%，在3层的比例骤然降低，仅为2.72%。

从图1(b)可以看出:草本植物高羊茅根系集中分布在1层，为典型的浅根系植物;紫花苜蓿和沙打旺根长在各土层的比例逐渐增加，紫花苜蓿根长在各土层的比例先降低再增加，沙打旺的逐渐增加，2种植物根长在3层的比例分别达到了46.55%和60.72%。

2.1.2 根系干质量

1)不同土层根系干质量。根系在边坡的固土效应与根系含量存在一定的联系［15］。笔者对不同土层的根系干质量进行了调查，根系干质量在各土层所占比例见图2。

图1 地下不同深度土层根长比例Fig．1 Ratio of root length in different soil layers

图2 地下不同深度土层根干质量比例Fig．2 Ratio of root dry mass in different soil layers

刺槐、胡枝子和紫穗槐总根系干质量的大小分别为刺槐(73.01 g)＞紫穗槐(45.45 g)＞胡枝子(35.46 g)。从图2(a)可以看出，3种木本植物根系干质量在各土层的比例逐渐降低。刺槐根系干质量在各土层的比例变化趋势较缓;胡枝子根系干质量主要分布在1层，比例占到77.53%，其在2层和3层的根系干质量较小，在2层的比例骤然降低;紫穗槐根系干质量主要分布在1层和2层，累积比例达到98.67%，在3层所占比例骤然降低，仅为1.33%。

3种草本植物的根系干质量分别为紫花苜蓿(16.77 g)＞沙打旺(12.45 g)＞高羊茅(0.31 g)。从图2(b)可以看出，紫花苜蓿和沙打旺根系干质量在各土层的比例逐渐增加，在3层的比例分别达到了50.72%和56.98%，而高羊茅的根系集中分布在1层。

2)根冠比。根冠比是植物地上部与地下部相关性的重要指标，在一定程度上可以反应植物对边坡的固土效应。根冠比大，表明植物地下部的生长好于地上部分，对根系固土护坡效应的发挥非常有利。几种供试植物的根冠比见表4。可知:木本植物根冠比的大小为刺槐＞紫穗槐＞胡枝子;草本植物根冠比的大小为紫花苜蓿＞高羊茅＞沙打旺。另外，包括木本植物和草本植物，只有紫花苜蓿的根冠比超过了1，且高达4.41。

表4 几种植物的根冠比Tab．4 Root shoot ratio of plants

2.2 根系在边坡地下分布的角度

1)根系地下分布角度的理论研究。根系在基岩表面表现为以地茎为中心向四周辐射分布，在植株受力向单根受力转化过程中，离地茎中心越远，单根的应力越小，主要因为其与坡面的夹角较小［16］。单根地下分布角度的不同影响单根抗拉拔力的大小，地下分布的角度也会影响整体根系的抗拉拔力大小［8］。植物根系与边坡的夹角如图3所示，α为植物根系与边坡的夹角，β为边坡的倾角，α和β之间存在图中所示的关系。

图3 植物根系的地下分布的角度Fig．3 Distribution characteristic of roots

2)边坡植物根系地下分布的角度。几种试验植物根系地下分布角度调查结果见表5。可知，木本植物刺槐和紫穗槐为主直根型(图4(a)和4(b))，草本植物紫花苜蓿和沙打旺为直根系(图4(c)和4(d))，4种植物都有明显的主根。从表5可以看出，随着地下深度的加深，主根与边坡的夹角变小。刺槐和沙打旺在1层的夹角达到80°，在2层内急剧变小到40°，在2层和3层之间主根与边坡夹角变化趋势稍缓。紫穗槐和紫花苜蓿在3个土层的夹角变化趋势较缓。以上4种植物，主根与边坡在3层的夹角都较小，约在20°～35°之间，此时主根基本是沿着岩面向下生长。

木本植物胡枝子为散生根型(见图4(e))，无主根，但根系发达。胡枝子根系在坡面垂直坡面向上分布的范围较浅，在坡面水平方向上分布范围较大，可超过1 m。胡枝子基部一级根系直径较大，与主干大多成约90°角向坡面四周延伸，形成一个圆形的网，与SNS防护网交织在一起，可对边坡起到很好的加固作用。高羊茅为须根系植物(见图4(f))，须根与边坡的夹角约为10°，基本为沿着坡面向下生长。高羊茅根系直径小，且垂直坡面方向上分布较浅，主要在基质内生长，此类型根系可对边坡起加筋作用。

3 结论与讨论

1)木本植物刺槐和紫穗槐以粗根根长比例最大，胡枝子细根根长比例最大。草本植物中紫花苜蓿和沙打旺粗根根长比例最大，高羊茅细根根长比例最大。

表5 植物根系地下分布的角度Tab．5 Distribution characteristic of root angle under earth

木本植物的总根长远远比草本植物的长，在边坡植被恢复过程中，木本植物对边坡起主要的养护作用。木本植物中，刺槐和胡枝子总根长相当，远大于紫穗槐。草本植物中，总根长长度高羊茅＞沙打旺＞紫花苜蓿。

图4 几种典型植物边坡分布状态Fig．4 Distribution on slope of several typical plants

木本植物在各土层的根长比例逐渐减小，紫穗槐为浅根性木本，相比紫穗槐，刺槐和胡枝子为深根性木本。草本植物紫花苜蓿和沙打旺在各土层的根长比例逐渐增大，为深根性草本，高羊茅则不同，为典型的浅根性。

2)根系干质量的大小，木本植物刺槐＞紫穗槐＞胡枝子，草本植物紫花苜蓿＞沙打旺＞高羊茅。木本植物根系干质量远远大于草本植物。木本植物根系干质量在各土层比例逐渐降低，草本植物紫花苜蓿和沙打旺根系干质量在各土层比例逐渐增加，高羊茅根系主要分布在地下10 cm范围内。根冠比的大小，木本植物刺槐＞紫穗槐＞胡枝子，草本植物紫花苜蓿＞高羊茅＞沙打旺。

3)随着地下深度的加深，刺槐、紫穗槐、紫花苜蓿和沙打旺的主根与边坡夹角逐渐变小，最终贴着岩面顺势向下生长，遇到岩缝后则进入岩缝生长。高羊茅的须根在基质层内沿着坡面向下生长。胡枝子根系垂直坡面分布范围较浅，以茎干为中心向坡面四周延伸。

根系抗拉强度受根系直径大小的影响，随根径增大而减小。对于相同的根系剖面率，细根系提供的抗拉力将比粗根系大［12］。从本研究中对各植物根系长度的分析对比来看，相比其他几种植物，胡枝子和高羊茅对边坡的固土效应更好。胡枝子和高羊茅无明显主根，根系虽然发达，但地下分布范围浅，根系主要对土体起加筋作用。紫花苜蓿和沙打旺主根发达，但侧根含量低，根系对土体主要起锚固作用。刺槐的根系发达，且主根明显，根系对土体可起到很好的锚固和加筋作用。

在边坡立地条件下，近水平方向生长的根系可以与工程SNS柔性防护网交织在一起，增加根系的加筋效应。垂直坡面或竖直方向生长的根系，遇到岩石界面后，生长方向发生改变，贴着岩面顺势向下生长(图4(c))，不利于根系锚固作用的发挥;然而，有部分根系，遇到存在缝隙的岩石界面，根系会扎入裂缝生长(图4(e))，由于根系与岩石的摩擦系数远远大于根系与土壤的摩擦因数，此种情况非常有利根系锚固作用的发挥。

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