坡度對巖石邊坡植物根系分布及抗拔力的影響
【摘要】 采用全挖法,對平地和邊坡條件下胡枝子和紫花苜蓿根系分布特征進行調(diào)查,分析邊坡之間、平地與邊坡之間根系分布特征的差異性。設置3個處理,使用“液壓式拉力計”測量邊坡植物根系抗拔力大小,分析不同邊坡間根系抗拔力的差異性,及抗拔力的相關性。主要研究結果如下：1)隨著邊坡坡度的增大,胡枝子根系的分枝級數(shù)及其Ⅱ級根的直徑發(fā)生明顯的變化。在60°邊坡,Up-slope方向根系的生長角度增大。隨著坡度增大,Up-slope和Down-slope方向根系的根系分布范圍、長度比例、生物量比例發(fā)生規(guī)律性的變化。隨著坡度的增大,紫花苜蓿主根直徑、側根中Ⅰ級根和Ⅱ級直徑發(fā)生規(guī)律性變化。主根的生長方向不隨邊坡改變而改變,側根和主根的長度比例、細根和中根的長度比例出現(xiàn)規(guī)律變化。紫花苜蓿主根和側根生物量比例在3個邊坡間存在顯著性差異(a=0.01)。2)平地和邊坡胡枝子根構型相同,ⅠI級根與主干的角度相同。但是平地胡枝子根系的分級、Ⅱ級根直徑、不同徑級根系長度比例與邊坡的存在差異性。平地和邊坡紫花苜蓿根構型相同,主根的生長方向相同。但是,平地紫花苜蓿根系主根的直徑、側根的分枝、Ⅱ級根直徑、中根和粗根的長度比例與邊坡的存在差異性。3)胡枝子根系抗拔力大小,在60°邊坡,處理間存在顯著差異(a=0.05),40°和50°邊坡處理間無顯著差異。另外,同一處理在邊坡間無明顯差異。對于紫花苜蓿根系抗拔力,邊坡間無明顯差異。胡枝子和紫花苜蓿根系抗拔力的大小,與根系長度、生物量等存在正相關性,但是相關性不明顯,可能與邊坡特殊立地條件及特殊的防護措施有關。植物對高陡巖石邊坡的防護作用不容忽視,應該得以重視。希望加強巖石邊坡植物根系固土、固坡效應及相應機制的研究。
1引言
1.1研究背景
隨著我國高速公路的大量建設，需要對工程遺留下來的人工創(chuàng)傷進行修復，傳統(tǒng)的工程防護主要有灰梁或三合土抹面、噴混凝土、獎砲片石護坡、銷噴護坡、貓噴網(wǎng)護坡等。采用傳統(tǒng)的工程防護，在恢復工程初期，對邊坡的穩(wěn)定性及抗侵燭具有很好的效果，但是隨著鋼筋的腐燭和混凝土的風化，工程防護的效果逐漸越來越差。20世紀90年代末，我國引進邊坡生態(tài)恢復技術，這樣不僅達到了防護邊坡的效果，而且還加快了邊坡植被恢復的進程，邊坡植被能夠與周圍自然環(huán)境相協(xié)調(diào)，符合人們對環(huán)境要求的不斷提高。
植物的地上部分和地下根系在防治土壤侵燭、控制水土流失方面均具有極其顯著的作用，主要包括植物地上部分的水文效應和植物地下根系的固土護坡效應。植物地下的細根、淺根能夠對邊坡旳基質層起到加筋作用，固持土壤，深根則起到鋪固的作用，將基質層錨固在邊坡坡體上，而且對邊坡坡體也能起到抗滑樁的作用。
植物根系分布特征直接影響著根系固土效應的發(fā)揮，但是，礙于根系生長在地下，不容易觀察，并且根系的研究方法比較匱乏，根系分布特征的描述不夠全面，尤其是在二維根構型特征的描述上沒有綜合指標，這使得關于根系分布特征的研究發(fā)展緩慢。植物對邊坡的固土護坡效應為邊坡生態(tài)恢復的主要目的，在邊坡條件下，坡度是邊坡立地條件的主要特征之一，目前關于坡度對邊坡植被恢復的影響、坡度對根系生長的影響以及坡度對根系固土效應的研究少見報道。在邊坡條件下，坡度對根系分布特征的影響以及由根系分布特征造成對根系固土效應的影響，這方面少見報道，對其研究進行研究，為了解邊坡植物根系固土護坡機制做出貢獻。
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1.2相關的根系理論研究
1.2.1根構型研究
受生物遺傳和環(huán)境因素的影響，根系的幾何形態(tài)千差萬別。植物根系分為直根系和須根系兩大類（高信曾，1982)，但是，近年來人們更多地用根構型來描述根系地下的分布狀態(tài)。根構型是用來表征根系幾何形態(tài)的，是指同一根系中不同類型的根型單元在空間的分布。當然了，根系構型是描述根系立體幾何特征的綜合概念，它包括立體幾何構型和平面幾何構型（嚴小龍，等，2000)。Gray等（1996)將木本植物的根系形態(tài)進行簡化，主要分為主直根型、散生根型和水平根型3種類型（如圖 1-1)。
根據(jù)現(xiàn)有資料，未找到將草本植物根系形態(tài)進行簡化的分類標準，所以，參考高信曾（1982)的關于植物根系的分類方法，草本植物根系主要分為兩類，一類為具有明顯主根的直根系，一類為須根系，無明顯主根。為方便植物間進行對比，本研究將具有主根的草本植物根系稱為主直根型。
1.2.2根系定量分析方法
根系形態(tài)的定量描述包括二位平面和三維立體的描述。二位平面描述多使用數(shù)量、長度、表面積、體積、生物量、密度以及根毛的數(shù)量和長度等參數(shù)來描述，但是，關于三維立體幾何構型的描述還沒有綜合特征指標，多采用根系的分枝狀況、側根生長分布狀況以及根系向地性生長等特征指標來進行粗略的描述（梁泉，等，2007)。
傳統(tǒng)的根系定量分析方法主要為環(huán)刀法和挖掘法，隨著科學技術的發(fā)展，出現(xiàn)許多先進的測量手段。對根系形態(tài)參數(shù)進行測量的方法可以歸結為以下5種：人工直接測量法、物理化學間接法、計算機掃描和圖像分析法、根系原位觀測法和計算機數(shù)學模型模擬法（梁泉，等，2007)。
1.2.3植物根系對邊坡的防護機理
前人的研究表明，植物對邊坡的防護作用包括地上部分的蓮葉的水文效應與植物根系的固坡效應，其中，根系的固坡效應是植物對邊坡生態(tài)防護的主要作用。圖1-2是植物對邊坡防護的示意圖。
1)水文效應。自然降雨與人工繞水時，水滴會對邊坡基質層產(chǎn)生侵燭或濺燭作用，植物地上部枝葉及地表的覆蓋物可以降低水滴的破壞作用。水滴在下落過程中遇到枝葉的阻擋，降低水滴的勢能，減輕水滴對基質的濺燭作用。另外，地表徑流是邊坡基質侵燭和坡體失穩(wěn)的主要因素，地表覆蓋物可以對降雨起到截貿(mào)和削弱的作用，降低雨水對邊坡的危害。
2)固坡效應。邊坡植物根系穿過基質層，與巖體接觸，在巖體有縫隙的情況下，根系可以扎入巖體，這樣根系、基質層、巖體三者形成復合體，根系起到了紐帶的作用，將三者聯(lián)系起來，根系達到固土、固坡的效應。根系的固土、固坡效應主要表現(xiàn)在深根系的錨固作用、淺細根系的加筋作用（宋云，2004;姜志強，等，2005;周德培，等，2003)。
植物的深根系會穿過邊坡的基質層，進入巖體表層的風化層，將基質層錨固到風化的巖體上，這樣的深根系就在基質層和巖體風化層之間起到了抗滑柱和扶壁的作用，抵抗坡體向下產(chǎn)生的剪應力。
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2試驗設計
2.1研究內(nèi)容
2.1.1主要研究內(nèi)容
1)平地植物根系分布特征；2)邊坡植物根系分布特征；3)邊坡植物根系抗拔力大小。
2.1.2研究植物的選擇
研究所選擇的植物為北方公路邊坡綠化2種常用植物，具體為胡枝子和紫花苜蓿。其中胡枝子為散生根型，紫花苜宿為主直根型。
2.1.3試驗地點的選擇
平地試驗研究的地點為河北定州市“燕青園藝場”，邊坡試驗研究的地點為京承高速公路（3期）邊坡。
選擇3個坡向相近、坡度不同（宋桂龍，等，2010)的邊坡進行試驗調(diào)查。在Long等（2011)和Sun等（2008)進行坡度對植物根系描固力影響的研究中，由于試驗的破壞性，未對邊坡進行重復試驗，而是在每個邊坡設置多個取樣重復即可，本研究參考其樣地設置方法，選擇坡度分別約為40°、50°和60°的3個邊坡作為試驗研究的地點。
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2.2研究方法
2.2.1供試植株的確定
在試驗地點，根據(jù)植物的平均株高確定標準株，然后根據(jù)標準株的規(guī)格選擇供試植株。木本植物供試植物蓮干中心100cm范圍內(nèi)最好無其它木本植物，方便根系調(diào)查。表2-1為平地試驗研究供試植株的地上部特征，表2-2為邊坡試驗供試植株的地上部特征。
2.2.2根系分布特征
1)平地植物根系分布特征在平地選擇3a的胡枝子和3a的紫花苜猜進行根系分布特征的調(diào)查，每種植物重復調(diào)查3次。調(diào)查前24h將取樣區(qū)饒水至飽和，24h后進行試驗，根據(jù)植物根系走向，盡量將供試植物根系全部挖出，用帶土的實驗盆帶回實驗室，清水沖凈后進行相關指標的測定，對3株植物的調(diào)查指標進行統(tǒng)計分析。
室外觀測指標：根系發(fā)達程度、根系分枝、根系直徑、根系分布范圍以及根系與邊坡夾角等。
2)邊坡植物根系分布特征
在3個試驗邊坡，每個邊坡選擇3a生胡枝子3株，分別對Up-slope和Down-slope(肖盛燮，等，2006;趙志明，等，2006)方向的根系進行挖掘，根據(jù)植物根系走向盡量將根系全部挖出。根系挖掘前24h將樣方灌水至基質飽和，方便根系挖掘。將挖出的根系分別裝入帶土的實驗盆帶回實驗室，清水沖凈后進行相關指標的測定，對3株植物的調(diào)查指標進行統(tǒng)計分析。
室外觀測指標：巖面狀況、根系發(fā)達程度、根系分枝、根系直徑、根系分布范圍以及根系與邊坡夾角等。
室內(nèi)測定指標：不同徑級根系長度、根系生物量（105°C烘至恒重）以及主根和側根長度占總根長的比例。根系長度的測量使用Epson Twain Pro(32bit)掃描儀和分析應用系統(tǒng)WINRhizo,掃描根系時，根據(jù)根系的直徑進行分級處理，將的根系定義為細根，將2mm＜d≤5mrn的根系定義為中根，將2mm＞d＞5mm的根系定義為粗根。在105°C條件下將根系供至恒重，測量根系的生物量。
2.2.3抗拔力試驗
邊坡植物根系抗拔力的大小，使用“液壓式拉力計”（見圖2-1)進行測定。根系拉拔試驗設置3個處理（如圖2-2)，T1處理：對根系不進行任何處理，對根系整體進行拉拔，T2處理：將Up-slope的根系去掉，對剩余的Down-slope根系進行拉拔，T3處理：將Down-slope的根系去掉，對剩余的Up-slope根系進行拉拔。
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3坡度對邊坡植物根系分布的影響..............................................16
3.1 胡枝子..............................................16
3.1.1對根系分枝的影響..............................................16
3.1.2對根系分布范圍的影響..............................................16
3.1.3對根系生長角度的影響..............................................17
3.1.4對根系長度的影響..............................................18
3.1.5對根系生物量的影響..............................................19
3.2紫花苜蓿..............................................20
3.2.1對根系分枝的影響..............................................20
3.2.2對根系生長角度的影響..............................................20
3.2.3對根系長度的影響..............................................21
3.2.4對根系生物量的影響..............................................22
3.3小結..............................................23
4平地與邊坡植物根系分布的差異..............................................24
4.1胡枝子..............................................24
4.1.1平地胡枝子根系分布..............................................24
4.1.2根系分枝的差兄..............................................25
4.1.3根系生長角度的差異..............................................25
4.1.4不同徑級根系比例的差異..............................................26
4.2紫花苜蓿..............................................26
4.2.1平地紫花苜蓿根系分布..............................................26
4.2.2根系分枝的差異..............................................27
4.2.3根系牛長角度的差異..............................................28
4.2.4不同徑級根系比例的差異..............................................28
4.3 坡度對邊坡植物根系抗拔力的影響..............................................30
5.1空白對照試驗..............................................30
5.2坡度對胡枝子根系抗拔力的影響..............................................30
5.2.1抗拔力大小..............................................30
5.2.2拉拔試驗后調(diào)査..............................................31
5.3坡度對紫花苜蓿根系抗拔力的影響..............................................33
5.3.1抗拔力大小..............................................33
5.3.2拉拔試驗后調(diào)查..............................................33
5.4坡度對錨桿抗拔力的影響..............................................34
5.4.1抗拔力大小..............................................34
5.4.2拉拔試驗后調(diào)查..............................................35
5.5抗拔力與根系分布的相關性..............................................35
5.5.1胡枝子根系抗拔力與地下分布的相關性..............................................35
5.5.2紫花苜蓿根系抗拔力與地下分布的相關性..............................................35
5.6小結..............................................36
6結論與討論
6.1結論
1)隨著坡度增大，胡枝子根系分枝級數(shù)增大，n級根直徑明顯減�。╢1=0.01)。Up-slope方向的根系生長角度在40°和50°邊坡為0~10°,在60°邊坡變?yōu)?0?40°，隨著坡度增大，Up-slope方向根系的分布范圍變小，對應根系長度比例及生物量比例逐漸減小。在3個邊坡，Down-slope方向根系生長角度為0~10°，隨著坡度增大，Down-slope方向根系的分布范圍變大，對應根系長度比例及生物量比例逐漸減大。
隨著坡度增大，紫花苜猜主根的直徑逐漸增大，側根分枝級數(shù)未發(fā)生變化，其中I級根和II級直徑逐漸減小。在3個邊坡，紫花苜宿主根豎直向下生長，與平地相同。隨著坡度增大，側根長度比例逐漸增大，主根的長度比例逐漸減少，同時細根的長度比例逐漸增大，中根的長度比例逐漸減小。在3個邊坡，主根生物量比例60°>40°>50°（a-0.01),側根生物量比例 60°>40°〉50°（0=0.01)。
2)平地和邊坡胡枝子都為散生根型，無明顯主根。平地胡枝子根系分枝級數(shù)較邊坡的稍大，n級根直徑與50°邊坡相近，小于40°邊坡，大于60°邊坡。I級根與主干夾角80?90°,與邊坡胡枝子相近。平地胡枝子細根比例明顯大于邊坡，中根和粗根比例明顯小于邊坡（a=0.01)。
平地和邊坡紫花苜蓿都為主直根型，有明顯主根。平地紫花首猜主根直徑與40°邊坡相近，明顯小于50° (a=0.05)和60° (a=0.01)邊坡。側根的分枝級數(shù)比邊坡的稍大，I級根直徑與邊坡相近，n級直徑明顯小于40°邊坡（a=0.05)，與50°和60°邊坡無明顯差異。主根豎直向下生長，與邊坡相同。細根長度比例與3個邊坡無明顯差異，中根和粗根的長度比例與50°邊坡的相近，明顯小于40°邊坡（a=0.01 )，明顯大于60°邊坡（a=0.05或a=0.01)。
3)對于胡枝子根系的抗拔力，T1處理大于T2和T3處理的抗拔力。對于同一處理的抗拔力，在不同邊坡之間無明顯差異。在60°邊坡，T1處理與T2處理、T1與T3處理的抗拔力存在顯著差異(a=0.05)，在40°和50°邊坡，處理之間無明顯差異。隨著坡度的增大，紫花R猜抗拔力逐漸增大，對于T1處理，邊坡之間無明顯差異。
邊坡胡枝子根系抗拔力其根系長度和根系生物量成正相關性，與根系長度的相關性+顯著，與根系生物量的相關性顯著。邊坡紫花苜稽根系抗拔力與其主根、側根以及全根的長度和生物量成正相關關系，但是相關性不顯著。另外，紫花苜宿根系的抗拔力與主根的斷根齊徑也成正相關性，相關性不顯著。
6.2討論
6.2.1坡度對植物根系分布的影響
經(jīng)過本研究的調(diào)查分析，隨著邊坡坡度的增大，胡枝子根系長度和生物量逐漸減小，其中Up-slope方向根系的變化幅度較大，Down-slope方向的根系變化幅度較小。這就說明，隨著邊坡坡度的改變，胡枝子根系的變化主要是Up-slope方向根系的數(shù)量和長度的改變，Up-slope方向根系在胡枝子根系變化中扮演重要角色。由于胡枝子根系中細根的長度比例最大，所以，在胡枝子根系隨邊坡坡度變化時，細根的變化也是最大的。
6.2.2坡度對植物根系抗拔力的影響
有研究表明，在基巖風化程度相近的情況下，植物根系抗拔力隨地蓮、株高及地下生物量的增加而增大，之間具有很好的指數(shù)關系（李紹才，等，200.6;李國榮，等，2008)。在本研究中，無論是在平地條件下，還是在邊坡條件下，胡枝子的根系長度和根系生物量都要遠大于紫花苜猜的，并且胡枝子根系的抗拔力也大于紫花苜蓿的，這與前人的研究結論相符。
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7展望
1)目前，關于根系抗拔力的研究多是通過根系原位拉拔試驗、室內(nèi)單根抗拉強度的測定等。目前，關于根系抗拔力大小與根系分布角度的研究少見報道。個人認為可以加強單根地下分布角度的調(diào)查，加強單根抗拔力與根系分布角度相關性的研究，從對單根的抗拔力與根系角度的關系，建立單根與全根抗拔力的模型。
2)目前，對根構型的描述主要是從二維平面角度進行描述，描述指標參數(shù)主要為根系的數(shù)量、長度、表面積及根毛的數(shù)量和長度等。今年來有人提出根構型特征包括三位立地幾何特征，但是目前并沒有定量描述植物根系三維立體幾何特征的綜合指標。個人認為，根系地下生長角度的描述可以作為根構型的描述指標，加深對根系地下生長角度描述的研究。
3)前人的研究表明，機械壓力影響根系的生長特征（Long, etal, 2011)，也有研究表明，植物根系的生長受激素種類和水平的影響和控制（江玲，等，2000;郭棟梁，等，2008;唐研，2008;周紅玲，等，2009)。本研究發(fā)現(xiàn)，坡度對植物根系的生長及分布會產(chǎn)生一定的影響，隨著坡度的增大，主要是Up-slope方向根系的數(shù)量和長度的變化，比如紫花苜精，在巖石擠壓作用下，主根容易發(fā)生分叉現(xiàn)象，根系直徑和根系活性也會發(fā)生變化。那么植物在邊坡條件下，這些由于立地因素或機械壓力對根系產(chǎn)生的影響，又是如何通過根系激素的調(diào)節(jié)來完成的呢，那種激素的濃度發(fā)生了變化呢，可以加深這方面的相關研究。了解激素的調(diào)節(jié)機制，相反也可以通過激素的調(diào)節(jié)使根系向著有利的方向生長，更好地發(fā)揮根系的固土效應。
4)邊坡植物根系受拉拔力后，根系的破壞形式有兩種，一種受力后容易被拔出，稱為摩擦型根系，一種受力后容易被拉斷，稱為鋪固型根系（趙志明，等，2006)。究竟什么樣的根系是摩擦型根系，什么樣的根系是鋪固型根系，如何影響根系的固土護坡效應等等問題，需要進一步的研究。有研究表明，根系的拉拔力與基質含水量和巖體界面特征等具有相關性，那么根系的破壞形式與它們又是什么樣的關系。同一根系在+同含水量的基質中其破壞形式都可能是不同的，臨界含水量是什么樣的，由此根系不同的破壞形式對根系的固土效應又有什么樣的影響，這些方面的研究少見報道，可以加深對其研究，加深對根系固土護坡機制的了解。
5)植物根系抗拔力的大小與植物根系單根的數(shù)量、單根的直徑有著密不可分的關系。每一單根都會與土壤或治?石相互作用，根系受到拉拔力時，力則會分配到每一單根上。那么，假如根系單根的數(shù)量越多，根系受到拉拔力時，分配到每一單根的力就會越小，根系整體所能承受的拉拔力也會越大。
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