坡度对岩石边坡植物根系分布及抗拔力的影响
【摘要】 采用全挖法,对平地和边坡条件下胡枝子和紫花苜蓿根系分布特征进行调查,分析边坡之间、平地与边坡之间根系分布特征的差异性。设置3个处理,使用“液压式拉力计”测量边坡植物根系抗拔力大小,分析不同边坡间根系抗拔力的差异性,及抗拔力的相关性。主要研究结果如下：1)随着边坡坡度的增大,胡枝子根系的分枝级数及其Ⅱ级根的直径发生明显的变化。在60°边坡,Up-slope方向根系的生长角度增大。随着坡度增大,Up-slope和Down-slope方向根系的根系分布范围、长度比例、生物量比例发生规律性的变化。随着坡度的增大,紫花苜蓿主根直径、侧根中Ⅰ级根和Ⅱ级直径发生规律性变化。主根的生长方向不随边坡改变而改变,侧根和主根的长度比例、细根和中根的长度比例出现规律变化。紫花苜蓿主根和侧根生物量比例在3个边坡间存在显著性差异(a=0.01)。2)平地和边坡胡枝子根构型相同,ⅠI级根与主干的角度相同。但是平地胡枝子根系的分级、Ⅱ级根直径、不同径级根系长度比例与边坡的存在差异性。平地和边坡紫花苜蓿根构型相同,主根的生长方向相同。但是,平地紫花苜蓿根系主根的直径、侧根的分枝、Ⅱ级根直径、中根和粗根的长度比例与边坡的存在差异性。3)胡枝子根系抗拔力大小,在60°边坡,处理间存在显著差异(a=0.05),40°和50°边坡处理间无显著差异。另外,同一处理在边坡间无明显差异。对于紫花苜蓿根系抗拔力,边坡间无明显差异。胡枝子和紫花苜蓿根系抗拔力的大小,与根系长度、生物量等存在正相关性,但是相关性不明显,可能与边坡特殊立地条件及特殊的防护措施有关。植物对高陡岩石边坡的防护作用不容忽视,应该得以重视。希望加强岩石边坡植物根系固土、固坡效应及相应机制的研究。
1引言
1.1研究背景
随着我国高速公路的大量建设，需要对工程遗留下来的人工创伤进行修复，传统的工程防护主要有灰梁或三合土抹面、喷混凝土、奖砲片石护坡、销喷护坡、猫喷网护坡等。采用传统的工程防护，在恢复工程初期，对边坡的稳定性及抗侵烛具有很好的效果，但是随着钢筋的腐烛和混凝土的风化，工程防护的效果逐渐越来越差。20世纪90年代末，我国引进边坡生态恢复技术，这样不仅达到了防护边坡的效果，而且还加快了边坡植被恢复的进程，边坡植被能够与周围自然环境相协调，符合人们对环境要求的不断提高。
植物的地上部分和地下根系在防治土壤侵烛、控制水土流失方面均具有极其显著的作用，主要包括植物地上部分的水文效应和植物地下根系的固土护坡效应。植物地下的细根、浅根能够对边坡旳基质层起到加筋作用，固持土壤，深根则起到铺固的作用，将基质层锚固在边坡坡体上，而且对边坡坡体也能起到抗滑桩的作用。
植物根系分布特征直接影响着根系固土效应的发挥，但是，碍于根系生长在地下，不容易观察，并且根系的研究方法比较匮乏，根系分布特征的描述不够全面，尤其是在二维根构型特征的描述上没有综合指标，这使得关于根系分布特征的研究发展缓慢。植物对边坡的固土护坡效应为边坡生态恢复的主要目的，在边坡条件下，坡度是边坡立地条件的主要特征之一，目前关于坡度对边坡植被恢复的影响、坡度对根系生长的影响以及坡度对根系固土效应的研究少见报道。在边坡条件下，坡度对根系分布特征的影响以及由根系分布特征造成对根系固土效应的影响，这方面少见报道，对其研究进行研究，为了解边坡植物根系固土护坡机制做出贡献。
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1.2相关的根系理论研究
1.2.1根构型研究
受生物遗传和环境因素的影响，根系的几何形态千差万别。植物根系分为直根系和须根系两大类（高信曾，1982)，但是，近年来人们更多地用根构型来描述根系地下的分布状态。根构型是用来表征根系几何形态的，是指同一根系中不同类型的根型单元在空间的分布。当然了，根系构型是描述根系立体几何特征的综合概念，它包括立体几何构型和平面几何构型（严小龙，等，2000)。Gray等（1996)将木本植物的根系形态进行简化，主要分为主直根型、散生根型和水平根型3种类型（如图 1-1)。
根据现有资料，未找到将草本植物根系形态进行简化的分类标准，所以，参考高信曾（1982)的关于植物根系的分类方法，草本植物根系主要分为两类，一类为具有明显主根的直根系，一类为须根系，无明显主根。为方便植物间进行对比，本研究将具有主根的草本植物根系称为主直根型。
1.2.2根系定量分析方法
根系形态的定量描述包括二位平面和三维立体的描述。二位平面描述多使用数量、长度、表面积、体积、生物量、密度以及根毛的数量和长度等参数来描述，但是，关于三维立体几何构型的描述还没有综合特征指标，多采用根系的分枝状况、侧根生长分布状况以及根系向地性生长等特征指标来进行粗略的描述（梁泉，等，2007)。
传统的根系定量分析方法主要为环刀法和挖掘法，随着科学技术的发展，出现许多先进的测量手段。对根系形态参数进行测量的方法可以归结为以下5种：人工直接测量法、物理化学间接法、计算机扫描和图像分析法、根系原位观测法和计算机数学模型模拟法（梁泉，等，2007)。
1.2.3植物根系对边坡的防护机理
前人的研究表明，植物对边坡的防护作用包括地上部分的莲叶的水文效应与植物根系的固坡效应，其中，根系的固坡效应是植物对边坡生态防护的主要作用。图1-2是植物对边坡防护的示意图。
1)水文效应。自然降雨与人工绕水时，水滴会对边坡基质层产生侵烛或溅烛作用，植物地上部枝叶及地表的覆盖物可以降低水滴的破坏作用。水滴在下落过程中遇到枝叶的阻挡，降低水滴的势能，减轻水滴对基质的溅烛作用。另外，地表径流是边坡基质侵烛和坡体失稳的主要因素，地表覆盖物可以对降雨起到截贸和削弱的作用，降低雨水对边坡的危害。
2)固坡效应。边坡植物根系穿过基质层，与岩体接触，在岩体有缝隙的情况下，根系可以扎入岩体，这样根系、基质层、岩体三者形成复合体，根系起到了纽带的作用，将三者联系起来，根系达到固土、固坡的效应。根系的固土、固坡效应主要表现在深根系的锚固作用、浅细根系的加筋作用（宋云，2004;姜志强，等，2005;周德培，等，2003)。
植物的深根系会穿过边坡的基质层，进入岩体表层的风化层，将基质层锚固到风化的岩体上，这样的深根系就在基质层和岩体风化层之间起到了抗滑柱和扶壁的作用，抵抗坡体向下产生的剪应力。
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2试验设计
2.1研究内容
2.1.1主要研究内容
1)平地植物根系分布特征；2)边坡植物根系分布特征；3)边坡植物根系抗拔力大小。
2.1.2研究植物的选择
研究所选择的植物为北方公路边坡绿化2种常用植物，具体为胡枝子和紫花苜蓿。其中胡枝子为散生根型，紫花苜宿为主直根型。
2.1.3试验地点的选择
平地试验研究的地点为河北定州市“燕青园艺场”，边坡试验研究的地点为京承高速公路（3期）边坡。
选择3个坡向相近、坡度不同（宋桂龙，等，2010)的边坡进行试验调查。在Long等（2011)和Sun等（2008)进行坡度对植物根系描固力影响的研究中，由于试验的破坏性，未对边坡进行重复试验，而是在每个边坡设置多个取样重复即可，本研究参考其样地设置方法，选择坡度分别约为40°、50°和60°的3个边坡作为试验研究的地点。
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2.2研究方法
2.2.1供试植株的确定
在试验地点，根据植物的平均株高确定标准株，然后根据标准株的规格选择供试植株。木本植物供试植物莲干中心100cm范围内最好无其它木本植物，方便根系调查。表2-1为平地试验研究供试植株的地上部特征，表2-2为边坡试验供试植株的地上部特征。
2.2.2根系分布特征
1)平地植物根系分布特征在平地选择3a的胡枝子和3a的紫花苜猜进行根系分布特征的调查，每种植物重复调查3次。调查前24h将取样区饶水至饱和，24h后进行试验，根据植物根系走向，尽量将供试植物根系全部挖出，用带土的实验盆带回实验室，清水冲净后进行相关指标的测定，对3株植物的调查指标进行统计分析。
室外观测指标：根系发达程度、根系分枝、根系直径、根系分布范围以及根系与边坡夹角等。
2)边坡植物根系分布特征
在3个试验边坡，每个边坡选择3a生胡枝子3株，分别对Up-slope和Down-slope(肖盛燮，等，2006;赵志明，等，2006)方向的根系进行挖掘，根据植物根系走向尽量将根系全部挖出。根系挖掘前24h将样方灌水至基质饱和，方便根系挖掘。将挖出的根系分别装入带土的实验盆带回实验室，清水冲净后进行相关指标的测定，对3株植物的调查指标进行统计分析。
室外观测指标：岩面状况、根系发达程度、根系分枝、根系直径、根系分布范围以及根系与边坡夹角等。
室内测定指标：不同径级根系长度、根系生物量（105°C烘至恒重）以及主根和侧根长度占总根长的比例。根系长度的测量使用Epson Twain Pro(32bit)扫描仪和分析应用系统WINRhizo,扫描根系时，根据根系的直径进行分级处理，将的根系定义为细根，将2mm＜d≤5mrn的根系定义为中根，将2mm＞d＞5mm的根系定义为粗根。在105°C条件下将根系供至恒重，测量根系的生物量。
2.2.3抗拔力试验
边坡植物根系抗拔力的大小，使用“液压式拉力计”（见图2-1)进行测定。根系拉拔试验设置3个处理（如图2-2)，T1处理：对根系不进行任何处理，对根系整体进行拉拔，T2处理：将Up-slope的根系去掉，对剩余的Down-slope根系进行拉拔，T3处理：将Down-slope的根系去掉，对剩余的Up-slope根系进行拉拔。
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3坡度对边坡植物根系分布的影响..............................................16
3.1 胡枝子..............................................16
3.1.1对根系分枝的影响..............................................16
3.1.2对根系分布范围的影响..............................................16
3.1.3对根系生长角度的影响..............................................17
3.1.4对根系长度的影响..............................................18
3.1.5对根系生物量的影响..............................................19
3.2紫花苜蓿..............................................20
3.2.1对根系分枝的影响..............................................20
3.2.2对根系生长角度的影响..............................................20
3.2.3对根系长度的影响..............................................21
3.2.4对根系生物量的影响..............................................22
3.3小结..............................................23
4平地与边坡植物根系分布的差异..............................................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根系生长角度的差异..............................................25
4.1.4不同径级根系比例的差异..............................................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根系分枝的差异..............................................27
4.2.3根系牛长角度的差异..............................................28
4.2.4不同径级根系比例的差异..............................................28
4.3 坡度对边坡植物根系抗拔力的影响..............................................30
5.1空白对照试验..............................................30
5.2坡度对胡枝子根系抗拔力的影响..............................................30
5.2.1抗拔力大小..............................................30
5.2.2拉拔试验后调査..............................................31
5.3坡度对紫花苜蓿根系抗拔力的影响..............................................33
5.3.1抗拔力大小..............................................33
5.3.2拉拔试验后调查..............................................33
5.4坡度对锚杆抗拔力的影响..............................................34
5.4.1抗拔力大小..............................................34
5.4.2拉拔试验后调查..............................................35
5.5抗拔力与根系分布的相关性..............................................35
5.5.1胡枝子根系抗拔力与地下分布的相关性..............................................35
5.5.2紫花苜蓿根系抗拔力与地下分布的相关性..............................................35
5.6小结..............................................36
6结论与讨论
6.1结论
1)随着坡度增大，胡枝子根系分枝级数增大，n级根直径明显减小（f1=0.01)。Up-slope方向的根系生长角度在40°和50°边坡为0~10°,在60°边坡变为30?40°，随着坡度增大，Up-slope方向根系的分布范围变小，对应根系长度比例及生物量比例逐渐减小。在3个边坡，Down-slope方向根系生长角度为0~10°，随着坡度增大，Down-slope方向根系的分布范围变大，对应根系长度比例及生物量比例逐渐减大。
随着坡度增大，紫花苜猜主根的直径逐渐增大，侧根分枝级数未发生变化，其中I级根和II级直径逐渐减小。在3个边坡，紫花苜宿主根竖直向下生长，与平地相同。随着坡度增大，侧根长度比例逐渐增大，主根的长度比例逐渐减少，同时细根的长度比例逐渐增大，中根的长度比例逐渐减小。在3个边坡，主根生物量比例60°>40°>50°（a-0.01),侧根生物量比例 60°>40°〉50°（0=0.01)。
2)平地和边坡胡枝子都为散生根型，无明显主根。平地胡枝子根系分枝级数较边坡的稍大，n级根直径与50°边坡相近，小于40°边坡，大于60°边坡。I级根与主干夹角80?90°,与边坡胡枝子相近。平地胡枝子细根比例明显大于边坡，中根和粗根比例明显小于边坡（a=0.01)。
平地和边坡紫花苜蓿都为主直根型，有明显主根。平地紫花首猜主根直径与40°边坡相近，明显小于50° (a=0.05)和60° (a=0.01)边坡。侧根的分枝级数比边坡的稍大，I级根直径与边坡相近，n级直径明显小于40°边坡（a=0.05)，与50°和60°边坡无明显差异。主根竖直向下生长，与边坡相同。细根长度比例与3个边坡无明显差异，中根和粗根的长度比例与50°边坡的相近，明显小于40°边坡（a=0.01 )，明显大于60°边坡（a=0.05或a=0.01)。
3)对于胡枝子根系的抗拔力，T1处理大于T2和T3处理的抗拔力。对于同一处理的抗拔力，在不同边坡之间无明显差异。在60°边坡，T1处理与T2处理、T1与T3处理的抗拔力存在显著差异(a=0.05)，在40°和50°边坡，处理之间无明显差异。随着坡度的增大，紫花R猜抗拔力逐渐增大，对于T1处理，边坡之间无明显差异。
边坡胡枝子根系抗拔力其根系长度和根系生物量成正相关性，与根系长度的相关性+显著，与根系生物量的相关性显著。边坡紫花苜稽根系抗拔力与其主根、侧根以及全根的长度和生物量成正相关关系，但是相关性不显著。另外，紫花苜宿根系的抗拔力与主根的断根齊径也成正相关性，相关性不显著。
6.2讨论
6.2.1坡度对植物根系分布的影响
经过本研究的调查分析，随着边坡坡度的增大，胡枝子根系长度和生物量逐渐减小，其中Up-slope方向根系的变化幅度较大，Down-slope方向的根系变化幅度较小。这就说明，随着边坡坡度的改变，胡枝子根系的变化主要是Up-slope方向根系的数量和长度的改变，Up-slope方向根系在胡枝子根系变化中扮演重要角色。由于胡枝子根系中细根的长度比例最大，所以，在胡枝子根系随边坡坡度变化时，细根的变化也是最大的。
6.2.2坡度对植物根系抗拔力的影响
有研究表明，在基岩风化程度相近的情况下，植物根系抗拔力随地莲、株高及地下生物量的增加而增大，之间具有很好的指数关系（李绍才，等，200.6;李国荣，等，2008)。在本研究中，无论是在平地条件下，还是在边坡条件下，胡枝子的根系长度和根系生物量都要远大于紫花苜猜的，并且胡枝子根系的抗拔力也大于紫花苜蓿的，这与前人的研究结论相符。
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7展望
1)目前，关于根系抗拔力的研究多是通过根系原位拉拔试验、室内单根抗拉强度的测定等。目前，关于根系抗拔力大小与根系分布角度的研究少见报道。个人认为可以加强单根地下分布角度的调查，加强单根抗拔力与根系分布角度相关性的研究，从对单根的抗拔力与根系角度的关系，建立单根与全根抗拔力的模型。
2)目前，对根构型的描述主要是从二维平面角度进行描述，描述指标参数主要为根系的数量、长度、表面积及根毛的数量和长度等。今年来有人提出根构型特征包括三位立地几何特征，但是目前并没有定量描述植物根系三维立体几何特征的综合指标。个人认为，根系地下生长角度的描述可以作为根构型的描述指标，加深对根系地下生长角度描述的研究。
3)前人的研究表明，机械压力影响根系的生长特征（Long, etal, 2011)，也有研究表明，植物根系的生长受激素种类和水平的影响和控制（江玲，等，2000;郭栋梁，等，2008;唐研，2008;周红玲，等，2009)。本研究发现，坡度对植物根系的生长及分布会产生一定的影响，随着坡度的增大，主要是Up-slope方向根系的数量和长度的变化，比如紫花苜精，在岩石挤压作用下，主根容易发生分叉现象，根系直径和根系活性也会发生变化。那么植物在边坡条件下，这些由于立地因素或机械压力对根系产生的影响，又是如何通过根系激素的调节来完成的呢，那种激素的浓度发生了变化呢，可以加深这方面的相关研究。了解激素的调节机制，相反也可以通过激素的调节使根系向着有利的方向生长，更好地发挥根系的固土效应。
4)边坡植物根系受拉拔力后，根系的破坏形式有两种，一种受力后容易被拔出，称为摩擦型根系，一种受力后容易被拉断，称为铺固型根系（赵志明，等，2006)。究竟什么样的根系是摩擦型根系，什么样的根系是铺固型根系，如何影响根系的固土护坡效应等等问题，需要进一步的研究。有研究表明，根系的拉拔力与基质含水量和岩体界面特征等具有相关性，那么根系的破坏形式与它们又是什么样的关系。同一根系在+同含水量的基质中其破坏形式都可能是不同的，临界含水量是什么样的，由此根系不同的破坏形式对根系的固土效应又有什么样的影响，这些方面的研究少见报道，可以加深对其研究，加深对根系固土护坡机制的了解。
5)植物根系抗拔力的大小与植物根系单根的数量、单根的直径有着密不可分的关系。每一单根都会与土壤或治?石相互作用，根系受到拉拔力时，力则会分配到每一单根上。那么，假如根系单根的数量越多，根系受到拉拔力时，分配到每一单根的力就会越小，根系整体所能承受的拉拔力也会越大。
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本文编号：9187
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