植物根系固坡抗蝕的效應(yīng)與機(jī)理研究進(jìn)展_W

1、應(yīng) 用 生 態(tài) 學(xué) 報(bào) 2007年 4月 第 18卷 第 4期 Ch inese Journa l of A pp lied E co logy, A pr. 2007, 18( 4): 895- 904植物根系固坡抗蝕的效應(yīng)與機(jī)理研究進(jìn)展* *熊燕梅夏漢平李志安蔡錫安( 中國科學(xué)院華南植物園生態(tài)研究所, 廣州 510650)摘要植物根系對(duì)抵抗坡體淺層滑坡和表土侵蝕起著巨大的作用. 植物根系通過增強(qiáng)土體的抗剪強(qiáng)度發(fā)揮固坡效應(yīng). 目前有關(guān)植物根系固坡機(jī)理的模型較多, 普遍接受的是 W u W al dron模型. 該模型表明, 植物根系產(chǎn)生的土體抗剪強(qiáng)度的增量與根系的平均抗拉強(qiáng)度和根面積比成正比

2、, 應(yīng)用該模型評(píng)價(jià)根系固坡效應(yīng)的 2個(gè)最重要因素是根系的平均抗拉強(qiáng)度和根面積比. 研究發(fā)現(xiàn), 土壤抗侵蝕性隨著植物根系數(shù)量的增加而提高, 但未有一致的定量函數(shù)關(guān)系. 植物根系提高土壤抗侵蝕性主要通過直徑小于 1 mm 的須根起作用. 須根通過增加土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體的數(shù)量與粒徑等作用來提高土壤的穩(wěn)定性, 以抵抗水流分散; 須根還能有效地增強(qiáng)土壤滲透性, 減少徑流, 從而達(dá)到減少土壤沖刷的目的.關(guān)鍵詞 植物根系 固坡效應(yīng) 土體抗剪強(qiáng)度 根系抗拉強(qiáng)度 土壤抗侵蝕性文章編號(hào)1001- 9332( 2007) 04- 0895- 10 中圖分類號(hào)Q 14 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼AE ffects and mechan

3、ism s of plan t roots on slope re in forcem en t and soil erosion resis tance: A research review. X IONG Yan m e,i X IA H an p ing, L I Zh i an, CA I X i an ( Institute of E cology,South China B otanical Garden, Chinese A cadem y of Sciences, Guangzhou 510650, China ). Chin. J. App l.E col. , 2007,

4、18( 4) : 895- 904.A bstract: Plant roots play an important ro le in resisting the shallow landslip and topso il erosion o f slopes by ra ising so il shear streng th. Am ong the m odels in interpret ing the m echan ism s o f slope re inforcem ent by plan t roo ts, W u W aldron m ode l is a w idely ac

5、cepted one. In th is m ode,l the rein forced so il strength by p lant roots is posit ively proportiona l to average root tensile strength and root area ratio, the tw o m ost important facto rs in evaluating slope re in forcem ent effect of p lant roots. It w as found that so il erosion resistance in

6、creased w ith the number of plant roots, though no consistent quantitative functional relationsh ip w as observed betw een them. The increase of so il erosion resist ance by p lant roo ts w asm ain ly through the act ions of f iber roots less than 1 mm in diam eter, wh ile fiber roots enhanced the s

7、oil stab ility to resistw ater d ispersion v ia increasing the num ber and d iameter of soilw ater stab le aggregates. F ine roots cou ld also mi crease runo ff and w eaken soil ve so il perm eability effective lyto deK ey words: plant roots; slope re inforcem en;t so il shear streng th;r

8、oo t tensile strength; so il erosion resistance.1 引言土質(zhì)邊坡的不穩(wěn)定包括表層不穩(wěn)定、淺層不穩(wěn)定和深層不穩(wěn)定. 表層不穩(wěn)定表現(xiàn)為坡面土壤的侵蝕及其導(dǎo)致的水土流失; 淺層不穩(wěn)定和深層不穩(wěn)定表現(xiàn)為淺層和深層坡體滑移, 以及導(dǎo)致泥石流等災(zāi)害的發(fā)生 62 . 與淺層滑坡相比, 深層滑坡發(fā)生頻率較少, 對(duì)它的預(yù)測(cè)也極為困難 31 . 深層滑坡主要受 * 國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目 ( 30230733).* * 通訊作者. E m ai:l x iahanp scbg. ac. cn 2006 04 03 收稿, 2007 01 28 接受.地質(zhì)結(jié)構(gòu)等方面

9、的影響, 植被對(duì)它的抑制作用并不大; 但對(duì)于防治表土侵蝕和淺層滑坡這兩類最常見的邊坡不穩(wěn)定類型來說, 植被所起的作用則非常大.對(duì)于邊坡的淺層滑動(dòng)、崩塌, 植被的控制作用主要通過地下根系的錨固坡體、增加土體的抗剪強(qiáng)度 等來實(shí)現(xiàn)的. 植物根系對(duì)增強(qiáng)坡體穩(wěn)定性、抗滑坡的作用早在 20世紀(jì) 60年代就已為人們所認(rèn)識(shí), 隨后研究者們開展了大量關(guān)于植物根系固坡機(jī)制的研 究. 但是, 在很長一段時(shí)間內(nèi), 可能是由于植物根系位于地下, 而植物地上部分又似乎明顯地起著減弱雨滴擊濺、阻攔地表徑流的作用, 結(jié)果使有關(guān)植被減 4期熊燕梅等: 植物根系固坡抗蝕的效應(yīng)與機(jī)理研究進(jìn)展 905少表土侵蝕作用的研究大多集中在植

10、物的地上部 分, 而對(duì)根系的作用研究則被忽略 20 . 實(shí)際上, 植被是通過地上冠層、莖干、枯枝落葉層以及地下根系等 多個(gè)層次共同作用改變徑流的水文學(xué)性質(zhì), 以及土壤的機(jī)械抗侵蝕沖刷性能來控制水土流失的. 植被控制坡面水土流失的效應(yīng)已經(jīng)有相應(yīng)的預(yù)測(cè)模型, 如RUSAL模型和WEPP模型等. 這些模型估算出的 力來實(shí)現(xiàn)的 14 . 為了評(píng)價(jià)植物根系對(duì)增強(qiáng)土體穩(wěn)定性的貢獻(xiàn), 從 20世紀(jì) 60年始, 許多研究者通過對(duì)含根土體進(jìn)行剪切試驗(yàn)測(cè)定其抗剪強(qiáng)度, 其值與相同條件下測(cè)定的無根土體的抗剪強(qiáng)度之差即為根系對(duì)土體抗剪強(qiáng)度的增量. 例如, 赤楊 ( A lnus gluti nosa )根系對(duì)土體抗剪

11、強(qiáng)度的增量與單位體積土體中含有的根系鮮質(zhì)量成正比, 其抗剪強(qiáng)度增量最大 - 2 13 65植被對(duì)減少土壤侵蝕的作用就包括了地下根系的貢可 達(dá) 10 kN m. Ziem er也得出抗剪強(qiáng)度增 獻(xiàn) 8, 19 .在植被護(hù)坡過程中, 根系對(duì)穩(wěn)固坡體、防止滑坡和崩塌起重要作用, 同時(shí)對(duì)提高坡面表土抗侵蝕性也起著舉足輕重的作用. 近年來, 隨著世界各地特別是發(fā)展中國家水土流失、滑坡和泥石流的不斷增加, 有關(guān)植物根系對(duì)控制坡面水土流失的效應(yīng)與固土護(hù) 坡機(jī)理的研究越來越受到學(xué)者們的重視. 本文針對(duì)有關(guān)植物根系的固坡抗蝕效益、過程和機(jī)理的研究 進(jìn)展作一個(gè)綜述, 以期能引起生態(tài)學(xué)家們更多的關(guān)注, 也期待能為日

12、后開展生態(tài)護(hù)坡工程, 特別是在有效物種選擇和預(yù)測(cè)坡面抗蝕效果方面提供理論參 考.2 植物根系與坡體穩(wěn)固性的關(guān)系2 1 植物根系的固坡效應(yīng) 18 大量的工程實(shí)踐和室內(nèi)試驗(yàn)都表明, 土體的破壞大多數(shù)是剪切破壞. 當(dāng)土體受到剪切力作用時(shí)會(huì)產(chǎn)生阻抗力, 當(dāng)剪切力增大到一定程度導(dǎo)致土體即將發(fā)生剪切破壞時(shí), 土體便產(chǎn)生最大的阻抗力. 單位土體產(chǎn)生的最大阻抗力被稱作土體的抗剪強(qiáng)度. 土體抗剪強(qiáng)度是一個(gè)反映土體抗崩塌、抗滑坡的重要 指標(biāo), 一般通過剪切試驗(yàn)進(jìn)行測(cè)定, 其測(cè)定結(jié)果可用抗剪強(qiáng)度曲線表示 ( 圖 1). 抗剪強(qiáng)度曲線的斜率為tan , 截距為 C, 那么土壤的抗剪強(qiáng)度為 :S =tan + C( 1

13、)量與根系生物量之間呈線性正比關(guān)系. 由于直接的剪切試驗(yàn)?zāi)軌虮容^準(zhǔn)確地測(cè)定根系的固坡效應(yīng), 至今仍為許多研究者采用, 如 H engchaovan ich等 25 對(duì)香根草( Vetiveria zizanioides) 的根土復(fù)合體進(jìn)行剪切試驗(yàn), 測(cè)得其根系對(duì)土體抗剪強(qiáng)度的增量最大可達(dá) 8 92 kN m - 2. 還有一些研究者通過土壤的剪切試驗(yàn)得出剪切力與剪切位移的曲線, 這些曲線表明根系不但能增加土體的最大剪切力, 還能增加土體的最大剪切位移 12, 28 . 由此可見, 植物根系通過增強(qiáng)坡體抗剪強(qiáng)度來加固坡體的效應(yīng)相當(dāng)顯著.圖 1 土體抗剪強(qiáng)度曲線 18Fig. 1 So il sh

14、ear strength curve.2 2 根系固坡模型及機(jī)理 為了深入探究根系增強(qiáng)土體抗剪強(qiáng)度的機(jī)理,W u式中, S 表示土壤抗剪強(qiáng)度 ( kPa ); 為法向應(yīng)力 55 首先提出, W aldron 50 、W u 等 56 進(jìn)一步發(fā)展 ( kP a), 垂直于剪切力的方向; 為土壤內(nèi)摩擦角; C 為土壤粘聚力( kPa). 土體的穩(wěn)定性與 和 C 有很大關(guān)系, 和 C 稱為土體抗剪強(qiáng)度指標(biāo). 同一土體的抗剪強(qiáng)度隨著法向應(yīng)力的增大而增大.在有植被生長的斜坡上, 如果發(fā)生土體滑動(dòng), 那么滑動(dòng)體在移動(dòng)時(shí)必然要帶動(dòng)分布于滑動(dòng)面以下斜 坡土體中的根系一起移動(dòng). 而根系和土壤緊密結(jié)合, 受力位移

15、就會(huì)與土壤間產(chǎn)生摩擦力. 根纖維提高土體的抗剪強(qiáng)度主要是通過根土接觸面的摩擦力, 把根因受力拉直產(chǎn)生的抗拉力轉(zhuǎn)變成根土復(fù)合體抗剪 形成了一個(gè)解釋根系固坡機(jī)制的簡潔有效的模型( 簡稱W u W a ldron模型 ). 在該模型中, 含有根系的土體受剪切的過程如圖 2所示.圖 2顯示, 假設(shè)根的表面受到足夠的摩擦力和約束力使根不被拉出, 那么, 當(dāng)土體中有剪切力發(fā)生時(shí), 根的錯(cuò)動(dòng)位移使根內(nèi)產(chǎn)生拉力, 根被拉斷的瞬間發(fā)揮出抗拉強(qiáng)度 T r, 而沿剪切面切線方向的分量 T r sin 可抵抗剪切變形, 直接增加土壤抗剪強(qiáng)度 !S1, 即 !S1 = T r sin ; 沿法線方向的分量 T r co

16、s可增加剪切面上的法向應(yīng)力, 即! = T r cos . 結(jié) 圖 2 植物根在土體剪切區(qū)中受剪切過程 ( 仿文獻(xiàn) 43 )F ig.2 P lant root be ing sheared in a so il shear zone ( Imita ted from re ference 43 ).A ) 剪切前的根 Root before sheared; B ) 受剪切發(fā)揮抗拉強(qiáng)度的根 Root sheared to m ob il ize ten sile strength.合式( 1) , 則該分量對(duì)抗剪強(qiáng)度的增量 !S2 = !這就是說, 根系產(chǎn)生的土體抗剪強(qiáng)度的增量與根系的平均抗

17、拉強(qiáng)度和根面積比成正比. 這一簡化的W u W aldron模型是迄今為止解釋植物根系增強(qiáng)坡體穩(wěn)定性最直觀、最簡單、最有效的模型之一, 仍被普遍應(yīng)用 4, 37, 46- 47 . 因此, 只要知道根系的平均抗拉強(qiáng)度以及根面積比, 即可通過式( 4) 來評(píng)價(jià)由根系產(chǎn)生的土體抗剪強(qiáng)度的增量.2 3 影響根系固坡效果的因素 2 3 1 根系抗拉強(qiáng)度 植物根系能承受一定的拉力作用而保持不斷, 在拉力逐漸增大到根被拉斷的瞬間, 外加拉力定義為根的最大抗拉力 ( F r, M Pa). 對(duì)于相同植物種, 根的最大抗拉力與根直徑大小有關(guān),普遍應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)公式為 31 :tan , 于是, 根土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度

18、的增量為:F r= nDm( 5)!S = !S1 + !S2 = T r( sin + costan ) ( 2)式中, !S 為根系對(duì)土體抗剪強(qiáng)度的增加值, Tr 為根的抗拉強(qiáng)度, 為根受剪切后偏移的角度.后來, 一些學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了土壤的剪切測(cè)定, 繪式中, D 為根直徑 ( mm ) ; n 和 m 為給定樹種的經(jīng)驗(yàn)系數(shù), 二者的值都大于 0. 對(duì)同種植物而言, 根系最大抗拉力與其直徑成正比. 根的抗拉強(qiáng)度( T r ) 定義為單位根截面積上所能承受的最大抗拉力, 即:制出含根土體與無根土體的抗剪強(qiáng)度曲線, 并進(jìn)行比較, 發(fā)現(xiàn) 2種曲線的斜率沒有變化, 但有根土體的T r = F r/#

19、r2( 6)曲線在縱軸的截距增加了 28, 42 . 再結(jié)合圖 1可知, 截距增加, 表明有根的土壤粘聚力比無根的大, 而斜率不變, 即 2種土體的內(nèi)摩擦角一致. 因此, 根系對(duì)土體抗剪強(qiáng)度的增強(qiáng)是通過增加土壤粘聚力來實(shí)現(xiàn)的.式( 2)只是針對(duì)單根的簡化模型. 對(duì)穿過剪切面上所有發(fā)揮作用的根系而言, 土體抗剪強(qiáng)度的增量則變?yōu)?!S = TR ( A R /A S ) ( sin + costan )( 3)式中, TR 為穿過剪切面所有發(fā)揮作用的根系平均抗式中, r為根半徑 ( mm ). 將式 ( 5) 代入式 ( 6), 同時(shí)將根半徑轉(zhuǎn)換為直徑, 那么, 根的抗拉強(qiáng)度為:T r= 4nDm

20、 - 2 /#( 7)對(duì)同種植物來說, 根的抗拉強(qiáng)度 T r 與其直徑 D 成正相關(guān)還是負(fù)相關(guān)取決于 D 的指數(shù)是正值還是負(fù)值. 當(dāng) m 2 時(shí), T r 隨 D 增大而增大; 而當(dāng) m 2時(shí), Tr 隨 D 增大而減小. 目前, 關(guān)于植物根系抗拉強(qiáng)度的測(cè)定資料比較少, 但是多數(shù)研究發(fā)現(xiàn) T r 與 D 成指數(shù)負(fù)相關(guān), 因?yàn)?D 的指數(shù) m - 2多在- 0 76 - 0 45之間 31 . 例如, 朱清科等 63 觀測(cè)到冬瓜楊 ( Populus拉強(qiáng)度, A R 為剪切面上所有發(fā)揮作用的根系截面積 purdom ii )根系的 F r1 5418= 1 6887D, 即 m 2, Tr 與D

21、之和, A S 為土體截面積, A R /AS 為剪切面上所有發(fā)揮 作用的根系截面積之和與土體截面積之比, 稱為根面積比 ( root area rat io, RAR ) . 其中, AR = N i A i, T R = T i N i A i / N i A i (T i是直徑為第 i徑級(jí)的根的抗拉強(qiáng)度, N i 是直徑為第 i 徑級(jí)的根的數(shù)量, Ai 是直徑為第 i 徑級(jí)的根的平均截面積 ). W u 等 56 在野外及室內(nèi)實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上, 發(fā)現(xiàn) ( sin + costan ) 對(duì) 、 的通常變化范圍 ( 40! 70!, 20! 40!) 不敏感, 其值基本保持在 1 0 1 3范圍內(nèi)

22、, 因此, 穿過剪切面上的所有根系對(duì)土體抗剪強(qiáng)度的增量通常簡寫為:!S = 1 2TR (A R /A S )( 4)呈負(fù)相關(guān); Abe等 2 對(duì)日本柳杉( Cryp tom eria jap oni ca )根系的抗拉強(qiáng)度測(cè)定后, 發(fā)現(xiàn) m 值為 1 447; 史敏華等 49 對(duì)石灰?guī)r區(qū)荊條 ( V itex negundovar. heterophy lla )、油松 (P inus tabulaeform is)等 8種喬、灌木樹種的根系進(jìn)行了研究, 發(fā)現(xiàn) m 值均 2. 此外, 國外諸多學(xué)者的研究也發(fā)現(xiàn)樹根抗拉強(qiáng)度與其直徑成 反比 4, 11, 16, 37, 40 . 表明細(xì)根比粗根

23、更有利于土壤加固和抗剪強(qiáng)度的提高. 1997 年 5月 8日, 廣東省從化市部分地區(qū)山洪暴發(fā), 很多覆蓋樹木的山坡被山洪沖毀, 而草山草坡幾乎安然無恙或受損很小 3 . 這為植草護(hù)坡提供了理論支持.由表 1可以看出, 不同物種中植物根系的抗拉 表 1 常用水土保持與護(hù)坡植物根的平均抗拉強(qiáng)度利堅(jiān)草 L yg eum spa rtum37 8 37K u nzea ericoid es var. ericoides32 5 53Tab. 1 Root ten sile strength of som e p lan t sp ecies used often for erosion con tro

24、l and slop e stab ilization植物種類 Plan t species平均抗拉強(qiáng)度M ean tensi le strength ( M Pa)資料來源Reference resource植物種類 Plan t species平均抗拉強(qiáng)度M ean ten sile s trength ( M Pa)資料來源Referen ce resource香根草 Vetiveria zizanioide s75( 40 120)* 24香根草 Vetiveria zizanioide s85( 22 9 186 7) 7異葉鐵杉 T suga he terophy lla2724莎

25、草 Jun cel lu s sero tinu s24 5( 29 1 20 2) 7銀白槭 A cer sa ccharinum( 15 30)24毛花雀稗 P aspa lumd i la ta tum19 7( 15 2 24 3) 7大麥 H ord eum vu lga re( 15 31)24百喜草 P aspa lum nota tum19 2( 16 9 24 2) 7苔蘚 M oss( 2 7 )24白三葉 Trifolium repens24 6( 19 7 26 1) 7歐洲水青岡 F ag us sylva tica57 5 4馬尼拉草 Z oysia m a tre

26、lla17 5( 10 4 20 1) 7紅皮柳 S al ix pu rpurea51 5 4狗牙根 Cynod on da ctylon13 5( 10 0 15 9) 7黃花柳 S al ix cap rea47 8 4假儉草 E remoch loa ophiuroides27 3 7歐洲落葉松 L arix d ecid ua66 1 4膠皮楓香樹 L iqu idam ba r styra cif lua32 11歐洲榛 C orylus avel lana67 9 4美國梧桐 P la tanu s occiden tal is28 11綠赤楊 A lnu s v irid is

27、20 4 4黑柳 S al ix nigra25 11歐洲云杉 P icea abie s38 9 4美洲榆 U lm u s am erica na33 11歐洲白蠟 F rax inu s excelsior36 9 4刺槐 R obin ia pseud oa ca cia45 11濱藜 A trip lex ha limu s57 237河樺 B etu la n ig ra26 11粘膠乳香樹 P i stac ia lent iscu s55 037輻射松 P inu s rad iata17 6 53* 括號(hào)內(nèi)數(shù)值為觀測(cè)值的變化范圍 Data in brackets w ere

28、change ranges of observed values.強(qiáng)度有很大差異. 這一方面與植物根系的粗細(xì)和類型( 直根或須根) 有關(guān); 另一方面, 不同測(cè)定條件以及實(shí)驗(yàn)本身存在的誤差也會(huì)導(dǎo)致測(cè)定結(jié)果的不同. 如Hengchaovanich等 24 測(cè)得香根草根系的平均抗拉強(qiáng)度 T R 為 75 M Pa( 變幅 40 120 M Pa), 而程洪等 7 測(cè)得的結(jié)果為 85M Pa( 變幅 23 187 M Pa). 因此, 這些不同來源的測(cè)定結(jié)果僅供工程實(shí)施時(shí)作為物種選擇的參考, 更精確的測(cè)定還有待進(jìn)一步開展.在預(yù)測(cè)根系固坡效應(yīng)的過程中, 一般只測(cè)定一定徑級(jí)以內(nèi)細(xì)根的抗拉強(qiáng)度. 由于細(xì)根與

29、土壤顆粒結(jié)合比較緊密, 根土之間摩擦力比較大, 而且彈性較好, 在土體受剪過程中, 細(xì)根被拉斷而發(fā)揮出抗拉強(qiáng)度; 而粗大的根在受力過程中一般被完整拔出, 只激發(fā)出部分抗拉作用, 達(dá)不到抗拉強(qiáng)度值, 因此粗根的抗拉強(qiáng)度對(duì)固坡效果沒有明顯貢獻(xiàn) 4, 28 . 對(duì)于細(xì)根的界定, 不同的學(xué)者可能有所不同. B ischetti等 4 在研究中只測(cè)定直徑在 5 mm 以內(nèi)根系的抗拉強(qiáng)度; 47 Schm idt等 對(duì) 12種樹種進(jìn)行研究時(shí), 均測(cè)定直徑 在 6 5 mm 以下的細(xì)根. 同一學(xué)者對(duì)不同植物測(cè)定的根徑范圍也可能不同. M attie等 37 測(cè)定草本植物 Lygeum spartum 是直徑

30、在 1 1 1 8 mm 之間的細(xì)根, 而對(duì) P istacia lentiscus和 Atrip lex halimus 2 種灌木的直徑分別在 4 2和 4 6 mm 以下; 但多數(shù)學(xué)者定義直徑在 2 mm 或 5 mm 以下的為細(xì)根 15, 44 . 由于全根系平均抗拉強(qiáng)度與根系徑級(jí)分布特征密切相關(guān) 7, 24 , 而環(huán)境條件是通過影響植物根系的生長來 影響根系徑級(jí)的分布, 因此, 全根系平均抗拉強(qiáng)度也會(huì)受環(huán)境條件的影響. 但是, 與物種對(duì)根系抗拉強(qiáng)度的巨大影響作用相比較, 環(huán)境條件的差異對(duì)抗拉強(qiáng)度的影響并不顯著 4 .2 3 2 根面積比 根面積比( RAR )是在一定土壤深度上有固坡

31、效應(yīng)的根系密度的一個(gè)指標(biāo). 如前所述, RAR是指剪切面上所有發(fā)揮作用的根的截面積之 和與土體截面積之比, 與根系在土壤中的空間分布和形態(tài)特征直接相關(guān). 而植物根系的數(shù)量、生長深度、生長方向等特征除了受物種的影響外, 還與土壤環(huán)境有密切關(guān)系. 同一物種在不同的生長地或在不同栽植密度和樹齡情況下, 其地下根系的數(shù)量和形態(tài)分布均不相同. 因此, 同種植物的 RAR 隨土層深度的 分布特征因生長地點(diǎn)、氣候和土壤環(huán)境、植被狀 況( 密度、樹齡等 ) 的不同而有很大差異 46 . 此外, 植物根系的數(shù)量通常隨土層深度和離樹樁距離的增加而下降, RAR也隨著土壤深度和離樹樁距離的增加 4效果積累必需的根系

32、抗拉強(qiáng)度和 RAR 分布特征的數(shù)據(jù).3 植物根系與土壤抗侵蝕性的關(guān)系而逐漸減小.在對(duì)根系固坡效應(yīng)的研究中, 測(cè)定根系 RAR通常只測(cè)定能發(fā)揮抗拉強(qiáng)度的細(xì)根. B ischetti等 4 測(cè)定 RAR 時(shí)只是測(cè)定直徑在 10 mm 內(nèi)根系的總橫截面積與土體截面積之比, 有效根系 RAR的數(shù)值范圍在 0 7% 以內(nèi). 如前所述, 由于粗大的根被完整拔出對(duì)增強(qiáng)根土復(fù)合體的抗剪強(qiáng)度沒有明顯貢獻(xiàn), 若將粗根也進(jìn)行測(cè)定, 會(huì)強(qiáng)烈地影響 RAR 的值, 使測(cè)定結(jié)果與實(shí)際發(fā)揮作用的根系數(shù)量產(chǎn)生很大的偏差.由于植物根系的 RAR 隨土層深度的分布特征與植物種類、環(huán)境、地點(diǎn)、植被狀況等因素密切相關(guān), 因此, 在某

33、地、某次研究中測(cè)定的 RAR 值一般只在該地點(diǎn)有意義, 而不宜移到其他地點(diǎn), 而且隨著時(shí)間的推移和植被生長狀況的改變, RAR 值也會(huì)發(fā)生變化 53 . Abe等 1 曾經(jīng)根據(jù)特定研究中的測(cè)定值建立根系數(shù)量分布的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ? 但是在推廣應(yīng)用時(shí), 其參數(shù)必須因每一變化的植物種或土壤、氣候類型、植被 狀況等進(jìn)行修正, 而且修正參數(shù)的過程仍然不能避免每次研究都需要挖取該地的根系進(jìn)行測(cè)定. 這就使得應(yīng)用 W u W aldron模型定量評(píng)價(jià)植物根系的固坡效應(yīng)時(shí)在操作上有著較大的局限性.鑒于此, 許多研究者提出各種辦法來解決影響W uW aldron模型應(yīng)用的問題. K rogstad 27 依據(jù)植物生長

34、過程中地上、地下部分的相互影響和數(shù)量關(guān)系, 設(shè)定一系列的假設(shè), 從樹木基徑與根系徑級(jí)分布的關(guān)系、樹葉生物量與根系生物量的關(guān)系等, 由易于測(cè)量的植物地上部分的數(shù)量指標(biāo)來推算根系數(shù)量情 況, 從而使對(duì)根系的固坡效應(yīng)的計(jì)算得以簡化和易于應(yīng)用. 劉秀萍等 34 對(duì)由樹木基徑推測(cè)根系形態(tài)的原理進(jìn)行了詳細(xì)的數(shù)學(xué)推導(dǎo). 然而, 基于這樣一系列假設(shè)之上的計(jì)算結(jié)果將使精確度和可信度大大降 低. 因此, 有研究者提出, 對(duì)于區(qū)域范圍的典型植物種群和植被狀況, 有必要對(duì)其根系的平均抗拉強(qiáng)度以及根系 RAR這兩個(gè)指標(biāo)進(jìn)行直接的試驗(yàn)測(cè)定, 其測(cè)定值將在該區(qū)域范圍內(nèi)具有較好的代表性, 從而為該區(qū)域評(píng)價(jià)植物根系的固坡效應(yīng)提

35、供相對(duì)可靠的 數(shù)據(jù)資 4料. B ischetti等 對(duì)意大利北部地區(qū) 8 種典型樹種根系的抗拉強(qiáng)度和 RAR 隨土層深度的變化規(guī)律進(jìn)行了測(cè)定; M attie等 37 則研究了地中海沿岸區(qū)域 3 種常用固坡樹種的根系力學(xué)和形態(tài)學(xué)特征, 以便在應(yīng)用 W u W a ldron 模型評(píng)價(jià)這些樹種的固坡 植物根系是改善土壤抗侵蝕環(huán)境最重要的因素 之一, 在穩(wěn)定土壤結(jié)構(gòu)、提高土壤抗沖性、防治土壤侵蝕等方面具有不可忽視的作用 32 ; 特別是草本植物, 雖然其地上部分莖葉對(duì)減少徑流沖刷也能起一定作用, 但地下部分根系在降低土壤沖刷方面往往起決定性作用 54 .3 1 植物根系提高土壤抗侵蝕性效應(yīng) 19

36、36年, 有研究分別測(cè)定植物根系和地上部分對(duì)提高土壤抗侵蝕能力的貢獻(xiàn), 試驗(yàn)物種包括高梁( Sorghum vu lgare )、玉米 ( Z ea mays )、紫花苜 蓿(M edicago sativa) 等幾種禾本科和豆科草本植物, 結(jié)果發(fā)現(xiàn), 草本植物根系對(duì)減少土壤侵蝕起著重要的作用, 尤其是紫花苜蓿和玉米, 可使侵蝕量減少48% 20.之后很長時(shí)間內(nèi)較少出現(xiàn)關(guān)于植物根系與土壤抗侵蝕性關(guān)系的報(bào)道. 直到最近 20年, 根系對(duì)提高土壤抗侵蝕能力的作用才引起學(xué)者們的重視 5, 17,26, 45 . 國外關(guān)于植物根系與土壤抗侵蝕性關(guān) 系的研究多集中在草本植物根系的各根量指標(biāo)與土 壤抗侵蝕

37、效應(yīng)的相關(guān)性分析上. Gyssels等 21 指出, 隨著根重密度( kg m - 3 )或根長密度( km m- 3 ) 的增加, 相對(duì)土壤侵蝕率( 有根土壤侵蝕率與無根土壤侵蝕率之比) 指數(shù)下降. 用于衡量土壤侵蝕性的指標(biāo)常用土壤分散率表示. 相對(duì)土壤分散率 ( 有根 土壤分散率與無根土壤分散率之比) 與根長密度呈指數(shù)負(fù)相關(guān) 35 - 36 . de Baets等 8 的研究得出, 相對(duì)土壤分散率與根重密度、根長密度、RAR 都成指數(shù)負(fù)相關(guān)關(guān)系.我國有關(guān)植物根系提高土壤抗侵蝕性的研究主 要集中在黃土高原地區(qū). 20 世紀(jì) 70 年代, 朱顯謨等 65 針對(duì)黃土高原土壤侵蝕的特征, 將土壤抗

38、侵蝕 性分為抗沖性和抗蝕性兩方面; 同時(shí)指出, 土壤抗沖性的研究將是揭示黃土高原土壤侵蝕規(guī)律的關(guān)鍵, 黃土高原的抗沖性基本上代表了黃土高原土壤的抗 侵蝕性 10 . 80年代, 國內(nèi)一些學(xué)者開始對(duì)黃土高原土壤抗沖性成因、不同植物根系提高土壤抗沖性的 生物動(dòng)力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行綜合系統(tǒng)的研究; 90年代又以根系參數(shù)與土壤抗沖性的關(guān)系研究為基礎(chǔ), 對(duì)根系強(qiáng)化土壤抗沖性的有效性及其改善土壤物理和水文 性質(zhì)的作用機(jī)制進(jìn)行了深入研究, 從而開辟了我國在植物根系提高土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性及抗沖性研究方面 的新領(lǐng)域 23, 29- 30, 54 .在研究根系提高土壤抗沖性的過程中, 研究對(duì)象包括了從喬木、灌木到草本植物,

39、這些不同生活型的植物根系在徑級(jí)組成、粗細(xì)根的比例等方面有很大的差異. 因此, 我國學(xué)者更進(jìn)一步地發(fā)現(xiàn)了植物根系不同徑級(jí)對(duì)提高土壤抗侵蝕性的不同效應(yīng). 李勇等 29 對(duì)油松( P inus tabulaeform is) 林的研究發(fā)現(xiàn), 對(duì)土壤抗沖性起重要作用的是 1 mm 的須根密度; 在有效根密度 (指 100 cm2 土壤截面上對(duì)土壤抗沖性能有明顯增強(qiáng)效應(yīng)的 1 mm 須根的個(gè)數(shù) ) 的范圍內(nèi), 根系提高土壤抗沖性的效應(yīng)與根數(shù)密度 ( 個(gè)- 2100 cm ) 成正比; 20 25 年生油松人工林根系提高- 2土壤抗沖性能的最低有效根密度為 26 34個(gè) 100 cm , 土層有效深度為

40、70 cm, 從而提出了根系提高土壤抗沖性的有效根密度和有效土壤深度的概念. 吳彥等 57 和陳士銀等 6 的研究結(jié)果都發(fā)現(xiàn), 土壤飽和滲透系數(shù)、總孔隙度、有機(jī)質(zhì)含量和土壤中水穩(wěn)性團(tuán)聚體數(shù)量等表征土壤抗侵蝕能力的土壤性質(zhì)的改善值僅與直徑 1 mm 的須根量 ( g 1 000cm-)3和根密度之間呈顯著或極顯著相關(guān), 而與其它根系參數(shù)之間相關(guān)性不明顯. 張金池等 60 對(duì)巖質(zhì)海岸防護(hù)林主要造林樹種根系強(qiáng)化土壤抗沖性的研 究發(fā)現(xiàn), 根徑在 1 mm 以下的細(xì)根對(duì)土壤抗沖性的強(qiáng)化效應(yīng)顯著, 土壤抗沖性強(qiáng)化值與土壤中 1 mm 徑級(jí)的根重 ( g 1 000 cm - 3土) 間服從線性正相關(guān)關(guān)系.

41、 丁軍等 9 在紅壤丘陵區(qū)林地根系對(duì)土壤抗沖增強(qiáng)效應(yīng)的研究中, 把不同徑級(jí)的根密度與土壤抗沖性強(qiáng)化值聯(lián)系起來, 也發(fā)現(xiàn)土壤抗沖性增強(qiáng)值與 0 854x 1 mm 徑級(jí)的須根密度( g 1 000 cm- 3土) 密切相關(guān), 經(jīng)回歸分析符合冪函數(shù)關(guān)系. 蔣定生等 22- 23 在野外調(diào)查的基礎(chǔ)上, 對(duì)根徑 1 mm 的根系在土體中的分布密度與土壤的抗沖性進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析, 結(jié)果表明, 土壤的抗沖性( S0 ) 與 3 mm 的大粒級(jí)水穩(wěn)性團(tuán)聚體增加, 從而增強(qiáng)土壤抗分散、抗懸浮的能力. 植物根系特別是大量須根的存在增加土壤團(tuán)聚體含量, 概括起來有以下幾方面的原因 48 : 1)根系對(duì)土壤所施加的壓

42、力引起附近土粒分離, 并使土壤單體擠壓在一起, 形成團(tuán)聚體; 2) 當(dāng)根系附近水分被植物吸收時(shí), 土壤水分的減少有利于土壤顆粒聚集形成水穩(wěn)性團(tuán)聚體; 3) 植物根系生理活動(dòng)的分泌物對(duì)土壤的膠結(jié)作用, 將根系附近較小的團(tuán)聚體粘聚形成較大的團(tuán)聚體. 此外, 根系還能促進(jìn)微生物活性, 使有機(jī)質(zhì)在微生物的作用下分解, 產(chǎn)生相當(dāng)穩(wěn)定的高分子聚合有機(jī)酸, 防止團(tuán)聚體消散, 從而增加團(tuán)聚體的穩(wěn)定性.直徑 1 mm 的須根增強(qiáng)土壤抗沖性的機(jī)理還在于須根上豐富的根毛對(duì)土壤物理性質(zhì)的改善作 用. 劉國彬 33 對(duì)直徑為 0 1 1 0 mm 的根進(jìn)行觀 測(cè), 發(fā)現(xiàn)它們表現(xiàn)出巨大的抗拉能力, 足以抵抗徑流的沖刷力.

43、 因此, 土壤的沖刷流失可能不是由于根系的斷裂, 而是根土分離或未被固結(jié)而造成的; 直徑在0 1 0 4 mm 的根系表面著生有豐富的根毛, 從而大大增加了根的表面積, 對(duì)于固結(jié)土壤起著巨大的作用, 尤其是有利于大團(tuán)聚體 ( 2 mm ) 的形成. 他們發(fā)現(xiàn), 根系表面積指標(biāo)與團(tuán)聚體的相關(guān)性比根長 度指標(biāo)要好, 因此認(rèn)為用細(xì)根表面積來評(píng)價(jià)其提高土壤水穩(wěn)性團(tuán)粒、強(qiáng)化抗沖性的作用比用有效根密 度或根系生物量更能揭示其固結(jié)土壤的作用機(jī)制, 并建議用有效根面積 ( 10 cm 10 cm 10 cm 土體中0 1 0 4 mm 細(xì)根表面積) 作為根系豐富程度的指標(biāo) 33 . 以往關(guān)于直徑 1 mm 或

44、 3 mm 的根系數(shù)量與土壤抗沖性的關(guān)系分析, 其實(shí)質(zhì)是反映了這些根系上根毛作用的大小.菌根是真菌與植物根系結(jié)合形成的特殊共生體 ( 80% 以上的植物存在菌根), 對(duì)土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性也起著非常重要的作用. 根系與其上共生的真菌的生理代謝活動(dòng)為土壤顆粒粘結(jié)形成微團(tuán)聚體 ( 直徑 0 25 mm )創(chuàng)造了條件, 尤其是菌根上菌絲串聯(lián)纏繞作用和分泌粘性物質(zhì)是微團(tuán)聚體形成的主要因 素; 而根系與真菌菌絲的互相纏繞形成龐大的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)促進(jìn)微團(tuán)聚體進(jìn)一步固結(jié)形成大團(tuán)聚體 ( 直徑 壤中大粒級(jí)水穩(wěn)性團(tuán)粒的增加, 減小土壤容重, 同時(shí), 細(xì)根對(duì)土壤穿插、擠壓所產(chǎn)生的裂隙和細(xì)根死亡分解所遺留的空穴, 是土壤非毛

45、管孔隙的主要來源. 這些作用與變化都明顯地改善了土壤的滲透性能.4 展望植物根系的固坡效應(yīng)較早就為人們普遍認(rèn)識(shí), 解釋其固坡機(jī)理的 W uW a ldron模型也獲得研究者們較一致的認(rèn)可. 但是在實(shí)際工程中應(yīng)用該模型定量評(píng)價(jià)根系的固坡效應(yīng)卻不多見. 其中一個(gè)重要原因是根系平均抗拉強(qiáng)度 TR 和根比面積 RAR隨土層分布的可用數(shù)據(jù)資料還較為缺乏. 目前已有的各類方法都難以做到快捷準(zhǔn)確地測(cè)定 TR 和 RAR 值, 而且由于根系力學(xué)和形態(tài)學(xué)特征受環(huán)境差異的影響, 常常使觀測(cè)數(shù)據(jù)產(chǎn)生較大變異而不具有推廣意義. 因此, 今后要加強(qiáng)對(duì)根系形態(tài)與特性的研究, 特別是 0 25 mm ) 39, .41 其

46、中, 直徑在 0 2 1 mm 的須根環(huán)境對(duì)根系形態(tài)與特性影響規(guī)律的研究, 為某地測(cè)根長與水穩(wěn)性土壤團(tuán)聚體的平均直徑呈顯著正相 關(guān), 可能是因?yàn)檫@一徑級(jí)的細(xì)根形成的菌根最多 38 .3 2 2 植物根系增強(qiáng)土壤滲透性 根系對(duì)提高土壤滲透性的作用主要是根系能將土壤單粒粘結(jié)起來, 同時(shí)也能將板結(jié)密實(shí)的土體分散, 并通過根系自身的腐解和轉(zhuǎn)化合成腐殖質(zhì), 使土壤有良好團(tuán)聚結(jié)構(gòu)和孔隙狀況 51 . 王芝芳等 52 研究發(fā)現(xiàn), 土壤草本植被根系復(fù)合體的滲透系數(shù)隨含根量增加而增大, 而滲水率的增大主要是根系的作用. 根系一方面使土壤的透水性即復(fù)合體的滲透系數(shù)增大, 接納雨水的能力增強(qiáng); 另一方面, 根與莖在

47、其連接處, 即根頸部位形成微型攔土柵阻止土粒搬運(yùn), 使土粒在根莖連接處沉積而形成許多微型濾水土體, 這些濾水土體就像一個(gè)個(gè)微型土壩一樣, 分別在其所在位置攔住徑流去向, 使其減緩, 地面滯水量增大, 從而使徑流沿程滲透水量增大. 香根草綠籬帶之所以能有效攔截地表徑流與泥沙, 其主要原因就是如此 58 . 根系對(duì)土壤滲透性能的改善以細(xì)根的作用尤為突出. 趙鴻雁等 61 發(fā)現(xiàn), 土壤因植物根系的存在變得疏松多孔, 特別是大量的細(xì)根與根毛更新快, 不但增加了土壤有機(jī)質(zhì)含量, 而且死亡的根系所占的土壤空間在一段時(shí)間后, 形成孔狀形態(tài), 增大了土壤下滲的能力, 減小了地表徑流量. 吳彥等 57 通過對(duì)樹

48、木根系的研究, 得出了須根系( 1 mm )與土壤滲透性之間的回歸方程, 顯示須根對(duì)土壤飽和滲透系數(shù)的影響是首要的. 總的來看, 須根通過積累有機(jī)質(zhì), 促使土 得的根系數(shù)據(jù)在其他環(huán)境中的應(yīng)用提供參數(shù)修正的 依據(jù); 同時(shí)應(yīng)逐步完善典型區(qū)域及典型植被類型下常用固土護(hù)坡物種的 T R 和 RAR 分布等數(shù)據(jù)資料的積累, 為在區(qū)域范圍內(nèi)評(píng)價(jià)根系的固坡效應(yīng)提供方便.實(shí)際上, 通過測(cè)定根系 T R 和 RAR 值, 然后套用W u W aldron 模型計(jì)算根系對(duì)土體抗剪強(qiáng)度的增量, 其值將比直接由剪切試驗(yàn)得到的值明顯偏大. 例如, 通過對(duì)香根草根土壤復(fù)合體進(jìn)行剪切試驗(yàn), 測(cè)定T R 和 RAR 值, 然

49、后根據(jù)W u W aldron模型計(jì)算得到的根系對(duì)土體抗剪強(qiáng)度的增強(qiáng)值是剪切試驗(yàn)得到的 實(shí)際增強(qiáng)值的 3倍左右 25 . 究其原因是該模型基于這樣一條基本假設(shè): 所有根的初始狀態(tài)都是垂直穿過土體剪切面, 而且在同一時(shí)刻被拉斷, 即在某一時(shí)刻所有根系都產(chǎn)生最大抗拉力來抵抗外力剪切, 結(jié)果計(jì)算根系為增強(qiáng)坡體抗剪強(qiáng)度所提供的抗拉強(qiáng)度 為所有單根抗拉強(qiáng)度之和. 事實(shí)上, 在剪切面上受剪切過程中, 根先被沿著位移方向拉直最后被拉斷, 但由于每條根在土壤中生長方向各異, 其彎曲狀況和與剪切面的初始夾角也不同, 因此各條根被拉斷的時(shí)刻是不相同的, 任一時(shí)刻都只有部分根系發(fā)揮出抗拉強(qiáng)度 11, 27 . 為此

50、, 今后的研究還應(yīng)在模型改進(jìn)方面有所重視, 對(duì)參數(shù) T R 和 RAR進(jìn)行一定的修正, 進(jìn)一步確定有效的根系抗拉強(qiáng)度和根面積比, 力求與根系發(fā)揮作用的實(shí)際情況相一致.另外, 有關(guān) T r 和根直徑 D 的函數(shù)關(guān)系, 絕大多數(shù)學(xué)者觀測(cè)到的 T r 與 D 成反比, 即 T r 隨 D 的增加 而減小, 但也有少數(shù)的研究獲得相反的結(jié)果. 朱清科等 63 測(cè)定峨眉冷杉 ( Abies fabri ) 根系的抗拉力與其直徑的關(guān)系為: F = 0 403D 2 3626. 其 m 值大于 2, 根 Journal of Southw est Agricultural Univer sity ( 西南農(nóng)業(yè)

51、大學(xué)學(xué)報(bào) ), 22( 5): 468- 471 ( in Ch inese) 7Cheng H (程 洪 ), Zhang X Q ( 張新全 ). 2002. A nrexper mi enta l study on herb plant root system for streng th據(jù)式( 7) , T r 隨 D 增大而增大, 即 T r 與 D 成正比. 而這 % 異常 &的實(shí)驗(yàn)結(jié)果究竟是來源于實(shí)驗(yàn)誤差, 還是真實(shí)情況的反映? 今后應(yīng)增加對(duì)更多物種根系抗拉強(qiáng)度的測(cè)定, 為植物固坡工程中選擇合適的植物種類提供必要的數(shù)據(jù)積累和選擇依據(jù).雖然根系提高土壤抗侵蝕性的過程和機(jī)理的研究起步較

52、晚, 但從國內(nèi)外已有的研究報(bào)道來看, 我國在這方面的研究處于世界較先進(jìn)水平 32 . 有關(guān)植物根系與土壤抗侵蝕性的研究中, 由于不同的研究者運(yùn)用不同的表征土壤抗侵蝕性的指標(biāo)和表征根量的 指標(biāo), 使研究得出的植物根系與土壤抗侵蝕性的關(guān)系呈現(xiàn)多種函數(shù)類型, 研究結(jié)果之間難以定量比較; 而且, 國外研究集中在農(nóng)作物或牧草等禾本科草本植物, 而國內(nèi)研究多集中在黃土高原地區(qū)的水土保持樹種或灌、草植物. 由于植物類型和地理環(huán)境的差異, 也使得研究結(jié)果之間可比性較低. 這些都為進(jìn)一步揭示植物根系提高土壤抗侵蝕性的機(jī)理帶來了障 礙. 因此, 今后應(yīng)該擴(kuò)大研究的區(qū)域范圍和植物種類, 以便獲得更多的研究結(jié)果積累,

53、 從而真正揭示植物根系提高土壤抗侵蝕性的機(jī)理, 也為篩選最佳的提princ iple of so il fixation. Bulletin of Soil and W ater Con serva tion (水土保持通報(bào) ), 22 ( 5): 20- 24 ( in Ch i nese) 8 de Baets S, P oesen J, Gy sse ls G, et al. 2006. Effects of grass roo ts on the erod ibility o f topso ils during concen trated flow. Geom orphology, 76: 54- 67 9 D ing J (丁 軍 ), W ang Z Q (王兆騫 ), Chen X (陳欣 ), et a.l 2002. S tudy on increased e ffect of s