护坡植物根系分布及抗拉力学特性

袁雪红　高照良　张翔　杜捷张小娟

摘要：为了探讨草本植物根系固土的主要机制。以适宜的护坡植物白三叶、小冠花、黑麦草、早熟禾为研究对象，对它们的根系分布特征和抗拉特性进行研究。结果表明：随着土层深度的增加，禾本科植物的根长密度以指数函数形式逐渐减少，豆科植物的根长密度以多项式形式先增后减；随着距主茎距离的增加，禾本科植物根长密度逐渐减少，豆科植物根长密度先增后减；在根径0.1～3 mm范围内，豆科植物平均抗拉力大于禾本科植物，豆科植物的抗拉力与根径呈幂函数关系，早熟禾和黑麦草的抗拉力与根径分别呈指数函数和对数函数关系；四种植物根系抗拉强度均表现为随根径的增加而减小；四种植物根系应力与应变关系表现为对数函数关系，表现为非线性弹性特征；根径相同时，不同植物的应力表现为：白三叶>小冠花>黑麦草>早熟禾。运用主成分分析法综合分析其护坡特性，表现为豆科植物优于禾本科植物，其中白三叶的护坡效益最好。

关键词：草本植物；根长密度；抗拉强度；应力；主成分分析

中图分类号：S157 文献标志码：A 文章编号：

16721683（2016）05011707

Distribution and mechanical characteristics of roots of slope protection plants

YUAN Xuehong1，2，GAO Zhaoliang1，3，ZHANG Xiang4，DU Jie3，ZHANG Xiaojuan3

（1.Institute of Soil and Water Conservation，Chinese Academy of Sciences and Ministry of Water Resources，Yangling 712100，China；2.University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China；3.Institute of Soil and Water Conservation，Northwest Agriculture and Forestry University，Yangling 712100，China；4.College of Water conservation and Architectural engineering，Northwest Agriculture and Forestry University，Yangling 712100，China）

Abstract：In order to reveal the mechanism of soil reinforcement by herb roots，we selected 4 typical hillslope protection plants，Trifolium repens L，Coronilla varia L，Lolium perenne L and Poa annua L to study the spatial distribution of root length density and tensile properties.The result showed：With the increase of the soil depth，the root length density （RLD） of gramineous plants gradually reduced in the form of exponential function，while the RLD of legumes first increased and then decreased，with a polynomial fitting curve.With the increase of the distance to the stem，RLD of gramineous plants decreased gradually，while RLD of legumes plants increased first and then decreased.In the roots diameter range of 0.1～3 mm，the average tensile resistance of leguminous plants was greater than that of the gramineae plants.Legumes root tensile resistance and root diameter showed a power function relationship，and the relationship between tensile resistance and diameter of Kentucky bluegrass and ryegrass was exponential function and logarithmic function relationship，respectively.The tensile strength of four species decreased with the increases of root diameter and their stress and strain showed a logarithmic function relationship，which illustrated that their roots were inelastic.At the same diameter，different plants showed variance with stress as ranked：White Clover > Crown vetch > Ryegrass > Kentucky bluegrass.Using the principal component analysis （PCA） to comprehensively analyze the characteristics of the plant to protect the slope，we could conclude that leguminous plants were better than gramineous plants and White Clover was the optimal in the four plants.

Key words：grass plant；root length density；tensile strength；strain；principal component analysis

黄土高原地区土质边坡土壤结构松散、植物根系缺乏，导致其抗冲性极差，极易发生崩塌、滑坡、泥石流等自然灾害[1]。传统的土质边坡防护主要运用浆砌石及混凝土等工程措施，破坏了自然生态和谐[2]。植物措施不仅可以稳固坡体、防止滑坡和崩塌，同时可以改善生态环境，因此近年来植物固坡越来越受欢迎[3]。

植被主要通过根系的空间分布和力学特性及其与土壤之间的作用机制来提高土壤抗侵蚀性、抗冲性、抗剪切性等[4]。吕春娟等[5]研究表明根系在土体中延伸、穿插、交织分布，增强土层整体性，提高其抗冲性。国内外学者分别对乔木[3]、灌木[6]、草本[7]进行研究，发现植物根系有很大的抗拉力，且抗拉力与根径存在幂函数关系。王萍花等[8]建立了林木单根抗拉力学模型。大量研究[911]表明抗拉强度与根径呈幂函数关系。Wu[12]和Waldron[13]用力学机制模型阐明了根系平均抗拉强度和根系面积比对土壤侵蚀的影响。李勇等[1415]研究了乔灌草根系对土壤水力学及物理性质的影响，及根系提高土壤抗冲性作用的关系，建立了根系提高土壤抗冲机制的数学模型。刘国彬等[1617]研究发现根系生物力学特征在固结土壤和强化抗冲性上意义重大。刘秀萍等[18]研究表明根系空间分布增强了土壤抗剪强度。Bischetti等[19]发现土壤抗剪强度与根系生物量之间呈线性关系，Mattie等[20]发现根系抗拉强度与土壤抗剪强度成正相关关系。

植被对边坡固持力的大小主要取决于根径、根长、抗拉力、抗拉强度等。多数学者从土壤理化性质、根系抗拉强度和根系生物量方面进行研究，而对根长密度、根系不同径级、以及根系的垂直和水平分布对护坡特性的影响研究较少。另外，人们对乔木、灌木的根系的力学特性研究较多，而对草本植物的研究较少。因此，本试验选取黄土高原常见的护坡植物白三叶、小冠花、黑麦草、早熟禾，对其根系的空间分布特征及抗拉特性进行研究。综合分析其护坡特性，筛选出适宜的护坡植物，为研究根系固土护坡的力学机理提供新的参考资料，也为当地护坡植物的选择提供相关理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验样地概况

试验点位于中国科学院安塞水土保持综合试验站，地理坐标为N36°51′29.52″，E109°19′22.06″，距延安市30 km，海拔1 068～1 309 m，属于属暖温带半干旱气候，年平均降雨量500 mm，其中60 %集中在7月-9月，年均气温8.8 ℃，无霜期160 d左右。该区土壤主要为黄绵土，土地类型多样，地处黄土高原腹地，属典型黄土丘陵沟壑区。

1.2 试验设计和样品采集

根据当地的气候、植物资源、自然环境等状况，选择抗旱性、抗贫瘠性、抗逆性强、根系发达、植株矮小、生长迅速、自我繁殖能力强的多年生护坡植物作为研究对象，即主要有白三叶（Trifolium repens L.）、小冠花（Coronilla varia L.）、黑麦草（Lolium perenne L.）、早熟禾（Poa annua L.）。选择地势平坦，土壤质地均一，周围无高大乔木和建筑物处，设置A、B、C、D、E 5个试验小区，其中E为对照（裸露地）。在各区内进一步划分出3个6 m×4 m的小区。于2012年4月8日同时撒播，播种前先平整土地，统一清除地面的砖块、石块。松动小区表土，均匀播种，表层覆大约1 cm的土轻轻压实，覆盖一层遮阳网，浇一定量水，使水分透过遮阳网渗透到土

中，且完全湿润土壤。出苗后，掀去遮阳网，幼苗期，各区进行定期除杂草、浇水等常规管理保证其存活率。为保证试验条件一致，幼苗成活以后不再进行浇水，植株1 m范围之内没有其它植物干扰，且在清理杂草时尽量不破坏土壤结构。小区布设见图1。

2012年10月初，在试验小区中，选取长势良好，能代表整体水平且在直径1 m 范围内没有其它杂草干扰的植株作为试验植株。以该植株为中心，用方形取样器分层、分距取样（规格分别为10 cm×10 cm×10 cm和10 cm×10 cm×5 cm两种取样器）。垂直深度为 0～10 cm 时，每5 cm取一层；10～50 cm时，每10 cm取一层，共取6层土样。在水平范围内，距植株10 cm和20 cm分别取样，共取5个剖面。取样时做好标记。

1.3 样品测定

样品带回实验室后进行洗根，并用根系扫描仪（LC4800）和IPP图像分析软件对根系的各项指标（根长、根径等）进行测定分析。将待测植物根系按照<0.3 mm、0.3～0.5 mm、0.5～1.0 mm、1.0～1.5 mm、1.5～2.0 mm、>2.0 mm七个径级进行分级，每一径级15根，每根长度为6 cm，作为试验材料。在待测根系上每隔1.5 cm用细彩笔作标记，并用游标卡尺测量各处根径，每个标记处正交方向各测量1次，取平均值作为其根系直径。将待测根系按不同径级放入有标记的自封袋内，模拟取样地点的土壤温度和湿度进行保存，于24 h内进行拉力试验。拉力采用HDE500电动单柱立式推拉力计测试台和HG200数显拉力计模拟根系受拉作用，每0.2 s计数一次；用拉力仪测定根系拉断时的最大拉力（每2 s自动记录1次读数）。

1.4 数据处理与统计分析

运用Excel 2007和SPSS 18.0软件对参数分别进行LSD差异性分析、主成分分析，Pearson相关分析；运用origin进行作图。

2 结果与分析

2.1 不同植物根长密度的空间分布

植物根系的空间分布影响着其固土效应。在0～50 cm土层中，四种植物的总根长密度表现为：黑麦草>早熟禾>白三叶>小冠花，总体表现为禾本科植物的总根长密度大于豆科植物。黑麦草在不同土层的根长密度显著大于其他几种植物。白三叶、黑麦草和早熟禾的根系主要集中在0～10 cm土层，根长密度分别是10～20 cm的2.28倍、3.98倍和5.65倍，是20～30 cm土层的3.09倍、7.58倍和18.54倍，是大于30 cm土层的2.73倍、7.98倍和16.11倍。而小冠花的根系主要集中在10～30 cm土层，其根长密度分别是0～10 cm、30～40 cm和40～50 cm的2.32倍、3.26倍和4倍（见表1）。

禾本科植物的根长密度随土层深度的增加而减少，其拟合曲线为指数函数，与韩凤朋[21]等对禾本科植物长芒草的研究结果相吻合；豆科植物的根长密度随土层深度的增加先增后减，其拟合曲线为多项式函数。

在水平方向上，白三叶、黑麦草和早熟禾的根系主要集中在距植株0～5 cm的范围内，分别占总根长密度的43.63%、68.10%和53.73%。小冠花的根系主要集中在距植株5～15 cm范围内，占总根长密度的39.70%。随着距植株距离的增加，禾本科植物的根长密度逐渐减少，而豆科植物无明显规律（见表2）。

综合分析表明，豆科植物主根较深，侧根发达呈放射状。虽然禾本科植物的根长密度大于豆科植物，但根冠较小，生长较浅，不利于对深层水分和养分的吸收和利用。

2.2 根系的抗拉力、抗拉强度与根径的关系

在根径0.1～3 mm范围内，豆科植物平均抗拉力是禾本科植物的5倍左右（见表3）。四种植物抗拉力与根径呈正相关关系，豆科植物根系的抗拉力与根径呈幂函数关系（见图2），与刘国彬等[16]的研究结果一致；早熟禾和黑麦草的抗拉力与根径分别呈指数函数和对数函数关系。

强度随着根径的增大而减小（见图2），说明根径越小抗拉强度越大，与王阔等的研究结果一致[22]。

2.3 应力和应变关系分析

应力与应变关系是对根系结构、变形、断裂理论

以及根土复合体进行力学分析的主要依据之一。四种植物根系应力应变曲线均表现为：根系受拉初期，随着应变的增加应力呈对数函数增长，拟合方程为y=alnx+b，其中：a表示在相同应力下应变变化率的大小，反映了植物对于外力变化的敏感程度。四种植物根系应变的变化率表现为：白三叶>小冠花>黑麦草>早熟禾（见表4），表明豆科植物对拉力的敏感性大于禾本科植物。

在相同的根径下，不同植物应力和应变的变化不同，相同的应变时应力大小表现为：白三叶>小冠花>黑麦草>早熟禾。四种植物应力应变曲线的斜率渐减，应力与应变之间不符合胡克定律而是表现为非线性弹性特征。在根径为0.34 mm和1.04 mm时，禾本科植物与豆科植物差异显著，且均为白三叶的应力最大。这是由于植物种类的差异，决定组成结构差异，使根系力学性能存在差异[23]。

2.4 主成分分析法对植物护坡效果评价

为了综合考虑其护坡效果，选取与植物护坡效益相关的指标如：抗拉力、抗拉强度、根径、根长密度、应变等，运用SPSS进行主成分分析。对数据进行标准化处理，得不同因素的相关系数矩阵（见表5）。

由表5可以看出，所选指标中抗拉力与根径、抗拉强度有一定的相关性，即这些指标在信息上有重叠。而主成分分析法恰恰能够避免这一弊端，真实反映边坡植物的护坡效果。累积贡献率的大小体现了用主成分分析的可靠性。在提取特征值的过程中，前2个特征值均大于1，它们的累积贡献率达99.82%，根据大于85%原则，选取前两个因子作为主成分，进行综合评价可靠性较强。由因子荷载矩阵可以看出，第一主成分主要反映了抗拉力、根径的信息，第二主成分较好的反映抗拉强度信息，通过对成分荷载矩阵进行转换可得出系数及表达式。

3 讨论

大量研究证实，根系的垂直分布是植被与环境因子之间相互作用的结果[2425]。草本植物的根系绝大部分为周转较快的细根，能有效改善土壤的理化性质。李建兴等[26]研究发现根系投影面积越大，固土能力越强。本研究发现豆科植物的投影面积大于禾本科，可知豆科植物的根系固土能力大于禾本科植物。李勇等[27]研究发现，根密度越大，根系稳定土壤结构的绝对值越大，稳定土壤结构的有效性越大。本研究表明禾本科植物根长密度大于豆科植物，据此推断禾本科植物的固土效果大于豆科植物。因此，要确定豆、禾植物的固土效果，还需进一步研究根系投影面积和根长密度哪一因素起主导作用。

根系力学特性受很多因素的影响。本研究发现在根径0.1～3 mm范围内，豆科植物平均抗拉力是禾本科植物的5倍左右，而刘国彬等[16]研究表明在根径范围为0.1～0.2 mm时，禾本科植物的平均抗拉力大于豆科植物。这可能是由于随着根系的增加豆科植物的抗拉力的增加速率大于禾本科植物，在根径范围增大时使豆科植物的平均抗拉力大于禾本科植物。因此，根系直径范围对植物的抗拉力有很大影响。大量研究表明根系的抗拉强度与根系纤维素的含量有关。Hu[28]和朱海丽等[29]认为细根纤维素含量很高，使其具有很大的抗拉强度。赵丽兵等[30]对紫花苜蓿和马唐根的抗拉强度研究也发现，在维持根抗拉强度上纤维素的作用大于木质素。然而对于抗拉强度与根系纤维素含量的关系尚无明确定论，还需进一步研究。

4 结论

（1）禾本科植物的根长密度随土层深度的增加以指数函数形式减少；豆科植物的根长密度随土层深度的增加以多项式形式先增后减。

（2）在根径为01～3 mm范围内，豆科植物平均抗拉力是禾本科植物的5倍左右。豆科植物根系的抗拉力与根径呈幂函数关系，早熟禾和黑麦草的抗拉力与根径分别呈指数函数和对数函数关系。平均抗拉强度表现为白三叶3449 PMa>黑麦草1563 PMa>早熟禾1424 PMa>小冠花1068 PMa。

（3）四种植物根系应力-应变曲线均表现为：根系受拉初期，随着应变的增加应力呈对数函数增长，拟合方程为y=alnx+b。四种植物根系应变变化率表现为：白三叶>小冠花>黑麦草>早熟禾，豆科植物对拉力的敏感性大于禾本科植物。

（4）综合分析禾本科植物和豆科植物的护坡效益发现豆科植物优于禾本科植物，且在豆科植物中，白三叶优于小冠花。

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