三峡库区几种耐水淹植物根系力学特征与土壤抗剪强度

徐少君++曾波++类淑桐

摘要：为明确耐水淹植物根系的力学特征及其对土壤抗剪强度的增强效应，研究了10种耐水淹植物根系的根体积密度、不同径级的最大抗拉力，计算了各物种根系的平均抗剪强度、对土壤的抗剪强度理论增强值，并测量了根系对土壤的抗剪强度实际增强值。研究发现：①不同耐水淹物种根系的平均最大抗拉力和平均抗剪强度差异较大，它们的值分别在4.25～14.81 N及6.55～28.94 MPa之间，其中，甜根子草的平均最大抗拉力最大，达到了14.81 N，显著高于其他所有物种；狗牙根和香附子有较大的平均抗剪强度，分别为28.94和22.06 MPa，显著高于其他物种，而空心莲子草最低。②不同物种根系的最大抗拉力随根系径级的增加而增大，其关系均符合幂函数方程y=axb（P<0.001）；③不同物种根系的抗剪强度随径级的变化而变化，除卡开芦、牛鞭草和秋华柳外，其变化特征符合方程y=a+bx+cx2（P<0.05）；④不同物种的根系对土壤抗剪强度的增强值不一样，就理论值而言，香附子增加值最大，其值为1.16 MPa，显著高于其他物种，其次为荻和香根草等；从实际测量值来看，香附子对土壤抗剪强度增加值也最大，其值达到了27.52 MPa，显著高于其他物种，其次为荻和香根草等。结果表明，植物根系的最大抗拉力及抗剪强度与根系的径级关系密切；根系对土壤抗剪强度的增强值与根系的抗剪强度密切相关，实际应用Wu-Waldron模型还需考虑其他因素的影响；香附子具有较强的增强土壤抗剪能力，其次为荻和香根草等，空心莲子草和狗牙根的增强作用相对较弱。

关键词：三峡库区消落区；抗剪强度；根系力学特征；根系径级

中图分类号：S157；Q948 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2016）18-4664-07

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.18.012

消落区是指因水位周期性变动而形成的一段特殊区域，三峡库区形成以后，在库区两岸会形成最高垂直落差达30 m、长约600 km的消落区[1，2]。按照三峡工程调度方案和受库区自然气候的影响，三峡库区消落区将要长期遭受冬春季不同强度的水淹和夏秋季较强的雨水及其形成地表径流的冲蚀，长期水淹会造成消落区内原有植被的退化，进而也会影响库区库岸边坡土体的稳定，甚至会出现坡体崩塌的风险。

大量的工程实践和室内试验表明，土体的破坏大多数是剪切破坏，土体受到剪切破坏时会产生抵抗这种破坏的抗剪切力，单位土体产生的抵抗土体剪切破坏时最大阻抗力，称为土壤抗剪强度，是一个反映土体抗崩塌、抗滑坡的重要指标[3]。土壤的抗剪强度符合库仑定律[4]：

S=σtanФ+C （1）

其中，S表示土壤的抗剪强度（kPa），σ为法向应力（kPa），垂直于剪切力方向；Ф为土壤内磨擦角，C为土壤粘聚力（kPa）。植物可以通过地下的根系来锚固坡体、增加土壤的抗剪强度。植物根系增强土体抗剪强度普遍采用Wu-Waldron模型[5，6]（图1），假设根的表面受到足够的摩擦力和约束力使根不被拉出，当土体中有剪切力发生时，根被拉断的瞬间发挥出最大抗拉力F和抗剪强度Tr，结合库仑定律，根土复合体抗剪强度的增量为：

ΔS=Tr·sinθ+Tr·cosθ=Tr（sinθ+cosθ·tanФ） （2）

对穿过剪切面上所有发挥作用的根系而言，土体抗剪强度的增量则变为：

ΔS=TR（AR/AS）（sinθ+cosθ·tanФ） （3）

Wu等[6，7]在野外及室内试验基础上，发现（sinθ+cosθ·tanФ）对θ、Ф的通常变化范围（40°≤θ≤70°，20°≤Ф≤40°）不敏感，其值基本保持在1.0～1.3范围内，因此，穿过剪切面上的所有根系对土体抗剪强度的增量通常简写为：

ΔS=1·2TR（AR/AS） （4）

其中，TR为穿过剪切面所有发挥作用的根系平均抗剪强度，AR为剪切面上所有发挥作用的根系截面积之和，AS为土体截面积，AR/AS为剪切面上所有发挥作用的根系截面积之和与土体截面积之比，称为根面积比。在实际应用中，根体积比具有较好的可操作性，因此研究者用根体积比（单位土壤体积中的根系体积）替换根面积比[8]，即AR/AS=（AR·h）/（AS·h）=VR/VS，（VR为所有根系的体积，VS为根系所占土壤的体积，h表示根系及土壤的所占体积的高度），则公式（4）变为：

ΔS=1·2TR（VR/VS） （5）

土体边坡的不稳定通常分为浅层滑坡和深层滑坡，与深层滑坡相比，浅层滑坡发生的频率较大，并与植被关系密切[3，9]。利用植被尤其是林木树种来稳定河流及库岸边坡已有多年的研究经验[8，10-13]，然而三峡库区消落区水淹的深度和强度是罕见的，为兼顾对库区航运安全的影响，利用高大或挺水树木的风险也随之增加，因而利用耐水淹的草本植物或低矮的灌木，在消落区内人工构建耐水淹植物被认为是保护三峡库区生态环境的重要措施之一[14，15]。生长在三峡自然消落区的植被，对长年河流自然汛期水位涨落已有了一定的适应能力，应该是构建库区消落区的潜在备选物种，但这些物种根系的力学特征及其与土壤抗剪强度的增强效应的相关研究鲜有报道。因此，本研究对10个物种根系的最大抗拉力、抗剪强度、根系径级及其增强土壤抗剪能力进行研究，明确其根系的力学特征，增加土壤抗剪强度的能力，使用Wu-Waldron模型直接判断植被根系增强土壤抗剪强度强弱的可能性，进而为三峡消落区植被的筛选和构建、保护库岸边坡的稳定等研究提供必要的建议和帮助。

1 材料与方法

1.1 试验材料

除香根草（Vetiveria zizanioides）外，所选的物种均为自然生长于三峡库区江（库）岸及其支流的常见植物，分别为荻（Triarrhena sacchariflora）、狗牙根（Cynodon dactylon）、空心莲子草（Alternanthera philoxeroides）、卡开芦（Phragmites karka）、牛鞭草（Hemarthria compressa）、秋华柳（Salix variegata）、甜根子草（Saccharum spontaneum）、香附子（Cyperus rotundus）、野古草（Arundinella anomala）等，它们对河流自然汛期水位涨落已有了一定的适应能力，部分物种已被证实具有一定的耐水淹和固坡护岸能力[16-18]，可用于三峡库区消落带植被构建的优先考虑物种。

1.2 试验设计

首先采集目标物种当年生幼苗（新生分蘖），秋华柳为一年生的实生苗，分别种植于直径20 cm、深15 cm的有相同土质花盆中，每目标物种种20盆，设置相同土质的无植株花盆做为对照，并置于相同的生长环境。在植株恢复生长期间，实行除草浇水等常规管理。植物生长成成年植株后进行根系力学试验。

1.3 根系力学指标的测定

1.3.1 根系-土壤复合体抗剪强度 使用现场叶片测试仪（Eijkelkamp Agrisearch Equipment Model 14.05）测量不同物种的根系-土壤复合体及空白对照的土壤抗剪强度，植物根系增强土壤抗剪强度的增加值则为两者的差值。

1.3.2 根系最大抗拉力 根系的最大抗拉力是指根系所能承受的最大拉力，其值等于拉断根系时的外力。本研究利用数字测力仪（SHIMPO FGJ-5）测量根系拉断时所需的最大外力，从而得到根系的最大抗拉力。具体过程如下：先将植物的根系用清水洗干净后，用自制的设备固定根系的一端，再将其悬挂在固定于铁架台上的数字测力仪的挂钩上；然后用外力作用于根系的另一端，由小变大，直到拉断根系，从而读出根系断裂时的最大拉力（图2）；最后使用游标卡尺测量根系拉断处的直径大小。

1.3.3 根系的抗剪强度 利用根系最大抗拉力和根系拉断处的直径，计算出根系的抗剪强度，公式为Tr=F/（π（D/2）2）。

1.3.4 根体积比 根体积的测定使用根系分析系统（WinRHIZO Pro. 2004c）来完成，土体的体积根据试验中花盆的容积来计算。

2 结果与分析

2.1 根系最大抗拉力

2.1.1 根系平均最大抗拉力 甜根子草根系的平均最大抗拉力为14.81 N，显著高于其他物种（P<0.05），狗牙根根系平均最大抗拉力值最小，为4.25 N，其次为牛鞭草，并且两者根系的平均最大抗拉力值均显著低于其他8个物种（P<0.05），荻、空心莲子草、卡开芦、秋华柳及香根草等的根系平均最大抗拉力较接近，最大抗拉力值在11 N左右（图3）。

2.1.2 根系最大抗拉力与径级 10种耐水淹植物根系的最大抗拉力，均随着根系径级的增大而增大，虽然其增强的幅度不尽相同，但都符合幂函数关系，即F=mDn，F为最大抗拉力，单位为N；D为根系的直级，单位为mm；公式中的m、n为常数。就这10个物种而言，m值在5.126～14.684之间，n值则在1.201～2.231之间（图4）。此外，图中还可以看出物种地下部分的径级分布范围集中在0.1～4.0 mm之间，但物种之间还有明显的不同，如狗牙根和牛鞭草的根系径级在1 mm以下，而空心莲子草的地下部分的径级则达到了4 mm左右。

2.2 根系抗剪强度

2.2.1 根系平均抗剪强度 10种耐水淹物种根系的平均抗剪强度各不相同，其值集中在6～29 MPa之间（图5）。其中狗牙根根系的平均抗剪强度值最大，其值达到了28.94 MPa，显著高于其他9个种；其次为香附子，为22.06 MPa，也与其他9个种之间有显著性差异；空心莲子草的值最小，为6.55 MPa，显著低于其他所有物种的平均抗剪强度。荻、卡开芦和香根草的根系抗剪强度无显著差异，而牛鞭草、秋华柳及野古草之间无显著差异。

2.2.2 根系抗剪强度与径级 结果显示（图6），根系的抗剪强度随着径级的变化而变化，除卡开芦、牛鞭草外，其他7个物种的根系抗剪强度与根系径级之间符合二次线性回归关系，牛鞭草的则呈幂函数关系。各物种之间的变化趋势不尽相同，荻、空心莲子草、香附子、秋华柳、香根草及野古草根系的抗剪强度先随着根系径级的增大而减小，后又随着径级的增大而增大，它们分别在径级约1.14、2.65、1.08、1.40、1.08和0.86 mm处出现拐点；狗牙根和甜根子草根系的抗剪强度则表现出与荻相反的趋势，即先增大后减小，拐点分别出现在径级的约0.43和1.08 mm处，卡开芦根系抗剪强度没有呈现出较明显的变化趋势。

2.3 根系抗剪强度与土壤抗剪强度增强值

2.3.1 理论抗剪强度增强值 由式（5）所得到的10种耐水淹物种对土壤的抗剪强度增强值的范围在0.074～1.162 MPa，其中香附子的增强值最大，达到了1.162 MPa，显著高于其他9个物种，其次为荻和野古草，分别为0.599和0.595 MPa，狗牙根和空心莲子草的理论增强值最小，仅为0.074和0.077 MPa（图7）。

2.3.2 实测抗剪强度增强值 用现场叶片测试仪获取的根系对土壤剪切强度实际增强值的范围在9.479～27.521 MPa之间，其值远远高于理论增强值，特别是香附子，更为明显。就实测值来看，香附子根系对土壤抗剪强度增强值最大，达到了27.521 MPa，均显著高于其他9个物种的增强值；秋华柳的值最小，为9.48 MPa（图7）。除空心莲子草外，其他所有物种的理论值和实测值之间的变化趋势一致（图7），即实际抗剪强度增强值与理论抗剪强度增强值呈正相关，符合线性回归（图8）。

3 讨论

植物根系主要由纤维素、半纤维素、木质素、蛋白质和果胶等物质组成，具有扩张、抗压和抗曲折性能，起坚固和支持作用。随着根系直径的不断增大，纤维素和木质素在径向和轴向都明显增加，从而表现为根系的抗拉力和抗剪强度随根系直径增大而增大[19]。本研究关注的10个物种的细根，其最大抗拉力与根系径级之间呈幂函数关系，且均表现出这种规律，但根系的抗剪强度并未出现这种趋势，抗剪强度和径级之间多呈现出二次函数的关系，即每一个物种在某一个径级处出现一拐点。其中的5个物种，即荻、空心莲子草、香附子、香根草和野古草，在拐点前表现出根系的抗剪强度随根系的径级增加反而减小的趋势，这也从另一角度说明，就单根而言，细根对土壤抗剪强度的增加贡献很大，其“加筋”作用明显。植物根系抗拉、抗剪等力学特性与其微观结构、化学组分存在相关性，又由于不同物种的根系结构上差异较大，又在不同生理状态和不同生长环境下，根系材料的力学性质差异很大，所以很多的研究成果出现较大的差别。

根系是影响土壤理化性质的最重要的因素之一[20]，就根系力学特征对土壤抗剪强度的贡献来讲，植物根系中的粗根和细根对土壤抗剪强度的贡献不尽相同。细根的径级较小，但与土壤接触紧密，所以在土壤受到外力作用时，其与土壤的磨擦力较大而不易被拉出，首先发挥抗剪作用。粗根则相反，当细根被拉断时，其与土壤的磨擦力减小，在土体受到外力剪切时，易被拉出而不能发挥出抗剪作用，此时发挥抗剪的主要是土壤本身。可见细根在对土壤的抗剪强度增强上贡献较大，所以研究者在对根系固坡的研究中，只测定根系中的细根[21-23]。然而，粗根对土壤抗剪强度的增加也是有较大贡献的，主要表现在：当细根发挥抗剪作用时，由于弹力，延展等作用，反作用于粗根，粗根再带动其他的细根发挥出抗剪增强作用，也就是说粗根在整体发挥抗剪作用中起到了关键作用。从Wu-Waldron模型可以看出，根系土壤抗剪强度的增强，不仅决定于根系的平均抗剪强度，还取决于根系在土壤剪切面上的根量。本研究中，狗牙根根系的平均抗剪强度最大，并显著高于其他9个物种，但其根系的总根量较小，所以对土壤的抗剪强度增强值最小，秋华柳也有类似的特点。香附子根系的平均抗剪强度较大，显著高于除狗牙根外的其他8个物种，并且有较多的根量，所以它对土壤抗剪强度的增强作用最为明显。在本研究的物种中，荻和卡开芦均有发达的地下根状茎，这些根状茎在整个根系发挥抗剪切作用上，也会起到不同程度的增强作用，因此，尽管只对它们的细根进行了测量和研究，但它们的整个根系对土壤抗剪强度的贡献应该很大，应该说这些物种在构建消落区中都能很好地发挥增强土壤稳定、防止滑坡的重要作用。

Wu-Waldron模型很好地解释了根系力学特征对土壤抗剪强度的增强原理，然而，影响土壤抗剪强度的因素是多方面的。研究表明，植物细根不断地生长、死亡并迅速分解，死亡细根的分解产物，以及活细根周围所产生的糖类、有机酸等根际分泌物，都是土粒之间团聚的胶结物质，这种生理作用改变土壤的理化性质，增加土壤的内聚力、增大聚合水溶性颗粒等，进一步增强了土壤的抗剪能力[24]。因此，本研究中，由Wu-Waldron模型所得出的根系抗剪强度理论增强值要小于根系对土壤抗剪强度的实际测量值，从两者之间相关系数值远高于他人的研究结果[25]来看，说明根系对土壤抗剪强度的增强不仅仅是根系力学本身，根系对土壤的理化作用也是不容忽视的。此外，有研究显示，土壤抗剪强度随着土壤含水量的增加而减小[26]，而根系对土壤抗剪强度的增加是随着土壤含水量增加而加强[25]，这意味着土壤含水量较低时，土壤本身的理化特征是发挥抗剪强度的主要因素，而在含水量增强时，土壤本身的抗剪能力下降，此时根系对土壤抗剪能力的贡献就明显加强。植物体在作为“土壤-植物-大气”连续体中的一个重要环节，植物可以通过蒸腾作用使根系吸收土壤中过多的水分，降低土壤含水量，从而起到增强土壤抗剪强度的作用[27-29]。在本研究中，Wu-Waldron模型中的根面积比（RAR）测定时，拥有须根系的草本植物相对于有主根系的林木或灌木来说，测量要困难得多，而以往的研究也多集中在护坡的树木或灌林上，所以在本研究中以根体积比来代替根面积比，这对Wu-Waldron模型的运算结果也产生一定的影响。

4 结论

10种耐水淹物种根系的最大抗拉力随着根系的径级增加而增大，且符合方程y=axb；根系的抗剪强度与根系的径级关系较为复杂，荻、空心莲子草、香附子、香根草和野古草的根系抗剪强度随着径级的增大先减小后增大，狗牙根、秋华柳和甜根子草则有相似的特点，它们根系的抗剪强度随着径级的增大先升高后降低，这8个物种的抗剪强度与径级之间符合方程y=a+bx+cx2，而牛鞭草则呈幂函数的关系。相比较而言，甜根子草的根系有着最大的抗拉能力，狗牙根、牛鞭草等有着较小的抗拉能力；在抗剪强度方面，狗牙根和香附子的根系抗剪能力较强，空心莲子草的根系抗剪能力最弱。

10个物种均能不同程度地增加土壤抗剪强度，但增强的程度有所差别，其中香附子的增强作用最为明显，其次是荻和香根草等。Wu-Waldron模型关于根系对土壤抗剪增强的简化方程可以在一定程度上反映出各物种对土壤抗剪增强的强弱，但和试验测量的真实增强值之间有差别。因此，在考查根系对土壤抗剪强度的增强作用时，除了关注根系本身的力学特征外，还应考虑根系生长过程中通过对土壤理化性质改变而使土壤抗剪强度的增强作用。

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