植物根系固坡抗蚀的效应与机理研究进展_W

1、应 用 生 态 学 报 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植物根系固坡抗蚀的效应与机理研究进展* *熊燕梅夏汉平李志安蔡锡安( 中国科学院华南植物园生态研究所, 广州 510650)摘要植物根系对抵抗坡体浅层滑坡和表土侵蚀起着巨大的作用. 植物根系通过增强土体的抗剪强度发挥固坡效应. 目前有关植物根系固坡机理的模型较多, 普遍接受的是 W u W al dron模型. 该模型表明, 植物根系产生的土体抗剪强度的增量与根系的平均抗拉强度和根面积比成正比

2、, 应用该模型评价根系固坡效应的 2个最重要因素是根系的平均抗拉强度和根面积比. 研究发现, 土壤抗侵蚀性随着植物根系数量的增加而提高, 但未有一致的定量函数关系. 植物根系提高土壤抗侵蚀性主要通过直径小于 1 mm 的须根起作用. 须根通过增加土壤水稳性团聚体的数量与粒径等作用来提高土壤的稳定性, 以抵抗水流分散; 须根还能有效地增强土壤渗透性, 减少径流, 从而达到减少土壤冲刷的目的.关键词 植物根系 固坡效应 土体抗剪强度 根系抗拉强度 土壤抗侵蚀性文章编号1001- 9332( 2007) 04- 0895- 10 中图分类号Q 14 文献标识码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 引言土质边坡的不稳定包括表层不稳定、浅层不稳定和深层不稳定. 表层不稳定表现为坡面土壤的侵蚀及其导致的水土流失; 浅层不稳定和深层不稳定表现为浅层和深层坡体滑移, 以及导致泥石流等灾害的发生 62 . 与浅层滑坡相比, 深层滑坡发生频率较少, 对它的预测也极为困难 31 . 深层滑坡主要受 * 国家自然科学基金资助项目 ( 30230733).* * 通讯作者. E m ai:l x iahanp scbg. ac. cn 2006 04 03 收稿, 2007 01 28 接受.地质结构等方面

9、的影响, 植被对它的抑制作用并不大; 但对于防治表土侵蚀和浅层滑坡这两类最常见的边坡不稳定类型来说, 植被所起的作用则非常大.对于边坡的浅层滑动、崩塌, 植被的控制作用主要通过地下根系的锚固坡体、增加土体的抗剪强度 等来实现的. 植物根系对增强坡体稳定性、抗滑坡的作用早在 20世纪 60年代就已为人们所认识, 随后研究者们开展了大量关于植物根系固坡机制的研 究. 但是, 在很长一段时间内, 可能是由于植物根系位于地下, 而植物地上部分又似乎明显地起着减弱雨滴击溅、阻拦地表径流的作用, 结果使有关植被减 4期熊燕梅等: 植物根系固坡抗蚀的效应与机理研究进展 905少表土侵蚀作用的研究大多集中在植

10、物的地上部 分, 而对根系的作用研究则被忽略 20 . 实际上, 植被是通过地上冠层、茎干、枯枝落叶层以及地下根系等 多个层次共同作用改变径流的水文学性质, 以及土壤的机械抗侵蚀冲刷性能来控制水土流失的. 植被控制坡面水土流失的效应已经有相应的预测模型, 如RUSAL模型和WEPP模型等. 这些模型估算出的 力来实现的 14 . 为了评价植物根系对增强土体稳定性的贡献, 从 20世纪 60年始, 许多研究者通过对含根土体进行剪切试验测定其抗剪强度, 其值与相同条件下测定的无根土体的抗剪强度之差即为根系对土体抗剪强度的增量. 例如, 赤杨 ( A lnus gluti nosa )根系对土体抗剪

11、强度的增量与单位体积土体中含有的根系鲜质量成正比, 其抗剪强度增量最大 - 2 13 65植被对减少土壤侵蚀的作用就包括了地下根系的贡可 达 10 kN m. Ziem er也得出抗剪强度增 献 8, 19 .在植被护坡过程中, 根系对稳固坡体、防止滑坡和崩塌起重要作用, 同时对提高坡面表土抗侵蚀性也起着举足轻重的作用. 近年来, 随着世界各地特别是发展中国家水土流失、滑坡和泥石流的不断增加, 有关植物根系对控制坡面水土流失的效应与固土护 坡机理的研究越来越受到学者们的重视. 本文针对有关植物根系的固坡抗蚀效益、过程和机理的研究 进展作一个综述, 以期能引起生态学家们更多的关注, 也期待能为日

12、后开展生态护坡工程, 特别是在有效物种选择和预测坡面抗蚀效果方面提供理论参 考.2 植物根系与坡体稳固性的关系2 1 植物根系的固坡效应 18 大量的工程实践和室内试验都表明, 土体的破坏大多数是剪切破坏. 当土体受到剪切力作用时会产生阻抗力, 当剪切力增大到一定程度导致土体即将发生剪切破坏时, 土体便产生最大的阻抗力. 单位土体产生的最大阻抗力被称作土体的抗剪强度. 土体抗剪强度是一个反映土体抗崩塌、抗滑坡的重要 指标, 一般通过剪切试验进行测定, 其测定结果可用抗剪强度曲线表示 ( 图 1). 抗剪强度曲线的斜率为tan , 截距为 C, 那么土壤的抗剪强度为 :S =tan + C( 1

13、)量与根系生物量之间呈线性正比关系. 由于直接的剪切试验能够比较准确地测定根系的固坡效应, 至今仍为许多研究者采用, 如 H engchaovan ich等 25 对香根草( Vetiveria zizanioides) 的根土复合体进行剪切试验, 测得其根系对土体抗剪强度的增量最大可达 8 92 kN m - 2. 还有一些研究者通过土壤的剪切试验得出剪切力与剪切位移的曲线, 这些曲线表明根系不但能增加土体的最大剪切力, 还能增加土体的最大剪切位移 12, 28 . 由此可见, 植物根系通过增强坡体抗剪强度来加固坡体的效应相当显著.图 1 土体抗剪强度曲线 18Fig. 1 So il sh

14、ear strength curve.2 2 根系固坡模型及机理 为了深入探究根系增强土体抗剪强度的机理,W u式中, S 表示土壤抗剪强度 ( kPa ); 为法向应力 55 首先提出, W aldron 50 、W u 等 56 进一步发展 ( kP a), 垂直于剪切力的方向; 为土壤内摩擦角; C 为土壤粘聚力( kPa). 土体的稳定性与 和 C 有很大关系, 和 C 称为土体抗剪强度指标. 同一土体的抗剪强度随着法向应力的增大而增大.在有植被生长的斜坡上, 如果发生土体滑动, 那么滑动体在移动时必然要带动分布于滑动面以下斜 坡土体中的根系一起移动. 而根系和土壤紧密结合, 受力位移

15、就会与土壤间产生摩擦力. 根纤维提高土体的抗剪强度主要是通过根土接触面的摩擦力, 把根因受力拉直产生的抗拉力转变成根土复合体抗剪 形成了一个解释根系固坡机制的简洁有效的模型( 简称W u W a ldron模型 ). 在该模型中, 含有根系的土体受剪切的过程如图 2所示.图 2显示, 假设根的表面受到足够的摩擦力和约束力使根不被拉出, 那么, 当土体中有剪切力发生时, 根的错动位移使根内产生拉力, 根被拉断的瞬间发挥出抗拉强度 T r, 而沿剪切面切线方向的分量 T r sin 可抵抗剪切变形, 直接增加土壤抗剪强度 !S1, 即 !S1 = T r sin ; 沿法线方向的分量 T r co

16、s可增加剪切面上的法向应力, 即! = T r cos . 结 图 2 植物根在土体剪切区中受剪切过程 ( 仿文献 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 ) 受剪切发挥抗拉强度的根 Root sheared to m ob il ize ten sile strength.合式( 1) , 则该分量对抗剪强度的增量 !S2 = !这就是说, 根系产生的土体抗剪强度的增量与根系的平均抗

17、拉强度和根面积比成正比. 这一简化的W u W aldron模型是迄今为止解释植物根系增强坡体稳定性最直观、最简单、最有效的模型之一, 仍被普遍应用 4, 37, 46- 47 . 因此, 只要知道根系的平均抗拉强度以及根面积比, 即可通过式( 4) 来评价由根系产生的土体抗剪强度的增量.2 3 影响根系固坡效果的因素 2 3 1 根系抗拉强度 植物根系能承受一定的拉力作用而保持不断, 在拉力逐渐增大到根被拉断的瞬间, 外加拉力定义为根的最大抗拉力 ( F r, M Pa). 对于相同植物种, 根的最大抗拉力与根直径大小有关,普遍应用的经验公式为 31 :tan , 于是, 根土复合体抗剪强度

18、的增量为:F r= nDm( 5)!S = !S1 + !S2 = T r( sin + costan ) ( 2)式中, !S 为根系对土体抗剪强度的增加值, Tr 为根的抗拉强度, 为根受剪切后偏移的角度.后来, 一些学者对此进行了土壤的剪切测定, 绘式中, D 为根直径 ( mm ) ; n 和 m 为给定树种的经验系数, 二者的值都大于 0. 对同种植物而言, 根系最大抗拉力与其直径成正比. 根的抗拉强度( T r ) 定义为单位根截面积上所能承受的最大抗拉力, 即:制出含根土体与无根土体的抗剪强度曲线, 并进行比较, 发现 2种曲线的斜率没有变化, 但有根土体的T r = F r/#

19、r2( 6)曲线在纵轴的截距增加了 28, 42 . 再结合图 1可知, 截距增加, 表明有根的土壤粘聚力比无根的大, 而斜率不变, 即 2种土体的内摩擦角一致. 因此, 根系对土体抗剪强度的增强是通过增加土壤粘聚力来实现的.式( 2)只是针对单根的简化模型. 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:!S = TR ( A R /A S ) ( sin + costan )( 3)式中, TR 为穿过剪切面所有发挥作用的根系平均抗式中, r为根半径 ( mm ). 将式 ( 5) 代入式 ( 6), 同时将根半径转换为直径, 那么, 根的抗拉强度为:T r= 4nDm

20、 - 2 /#( 7)对同种植物来说, 根的抗拉强度 T r 与其直径 D 成正相关还是负相关取决于 D 的指数是正值还是负值. 当 m 2 时, T r 随 D 增大而增大; 而当 m 2时, Tr 随 D 增大而减小. 目前, 关于植物根系抗拉强度的测定资料比较少, 但是多数研究发现 T r 与 D 成指数负相关, 因为 D 的指数 m - 2多在- 0 76 - 0 45之间 31 . 例如, 朱清科等 63 观测到冬瓜杨 ( Populus拉强度, A R 为剪切面上所有发挥作用的根系截面积 purdom ii )根系的 F r1 5418= 1 6887D, 即 m 2, Tr 与D

21、之和, A S 为土体截面积, A R /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 ( 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是直径为第 i径级的根的抗拉强度, N i 是直径为第 i 径级的根的数量, Ai 是直径为第 i 径级的根的平均截面积 ). W u 等 56 在野外及室内实验基础上, 发现 ( sin + costan ) 对 、 的通常变化范围 ( 40! 70!, 20! 40!) 不敏感, 其值基本保持在 1 0 1 3范围内

22、, 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:!S = 1 2TR (A R /A S )( 4)呈负相关; Abe等 2 对日本柳杉( Cryp tom eria jap oni ca )根系的抗拉强度测定后, 发现 m 值为 1 447; 史敏华等 49 对石灰岩区荆条 ( V itex negundovar. heterophy lla )、油松 (P inus tabulaeform is)等 8种乔、灌木树种的根系进行了研究, 发现 m 值均 2. 此外, 国外诸多学者的研究也发现树根抗拉强度与其直径成 反比 4, 11, 16, 37, 40 . 表明细根比粗根

23、更有利于土壤加固和抗剪强度的提高. 1997 年 5月 8日, 广东省从化市部分地区山洪暴发, 很多覆盖树木的山坡被山洪冲毁, 而草山草坡几乎安然无恙或受损很小 3 . 这为植草护坡提供了理论支持.由表 1可以看出, 不同物种中植物根系的抗拉 表 1 常用水土保持与护坡植物根的平均抗拉强度利坚草 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植物种类 Plan t species平均抗拉强度M ean tensi le strength ( M Pa)资料来源Reference resource植物种类 Plan t species平均抗拉强度M ean ten sile s trength ( M Pa)资料来源Referen ce resource香根草 Vetiveria zizanioide s75( 40 120)* 24香根草 Vetiveria zizanioide s85( 22 9 186 7) 7异叶铁杉 T suga he terophy lla2724莎

25、草 Jun cel lu s sero tinu s24 5( 29 1 20 2) 7银白槭 A cer sa ccharinum( 15 30)24毛花雀稗 P aspa lumd i la ta tum19 7( 15 2 24 3) 7大麦 H ord eum vu lga re( 15 31)24百喜草 P aspa lum nota tum19 2( 16 9 24 2) 7苔藓 M oss( 2 7 )24白三叶 Trifolium repens24 6( 19 7 26 1) 7欧洲水青冈 F ag us sylva tica57 5 4马尼拉草 Z oysia m a tre

26、lla17 5( 10 4 20 1) 7红皮柳 S al ix pu rpurea51 5 4狗牙根 Cynod on da ctylon13 5( 10 0 15 9) 7黄花柳 S al ix cap rea47 8 4假俭草 E remoch loa ophiuroides27 3 7欧洲落叶松 L arix d ecid ua66 1 4胶皮枫香树 L iqu idam ba r styra cif lua32 11欧洲榛 C orylus avel lana67 9 4美国梧桐 P la tanu s occiden tal is28 11绿赤杨 A lnu s v irid is

27、20 4 4黑柳 S al ix nigra25 11欧洲云杉 P icea abie s38 9 4美洲榆 U lm u s am erica na33 11欧洲白蜡 F rax inu s excelsior36 9 4刺槐 R obin ia pseud oa ca cia45 11滨藜 A trip lex ha limu s57 237河桦 B etu la n ig ra26 11粘胶乳香树 P i stac ia lent iscu s55 037辐射松 P inu s rad iata17 6 53* 括号内数值为观测值的变化范围 Data in brackets w ere

28、change ranges of observed values.强度有很大差异. 这一方面与植物根系的粗细和类型( 直根或须根) 有关; 另一方面, 不同测定条件以及实验本身存在的误差也会导致测定结果的不同. 如Hengchaovanich等 24 测得香根草根系的平均抗拉强度 T R 为 75 M Pa( 变幅 40 120 M Pa), 而程洪等 7 测得的结果为 85M Pa( 变幅 23 187 M Pa). 因此, 这些不同来源的测定结果仅供工程实施时作为物种选择的参考, 更精确的测定还有待进一步开展.在预测根系固坡效应的过程中, 一般只测定一定径级以内细根的抗拉强度. 由于细根与

29、土壤颗粒结合比较紧密, 根土之间摩擦力比较大, 而且弹性较好, 在土体受剪过程中, 细根被拉断而发挥出抗拉强度; 而粗大的根在受力过程中一般被完整拔出, 只激发出部分抗拉作用, 达不到抗拉强度值, 因此粗根的抗拉强度对固坡效果没有明显贡献 4, 28 . 对于细根的界定, 不同的学者可能有所不同. B ischetti等 4 在研究中只测定直径在 5 mm 以内根系的抗拉强度; 47 Schm idt等 对 12种树种进行研究时, 均测定直径 在 6 5 mm 以下的细根. 同一学者对不同植物测定的根径范围也可能不同. M attie等 37 测定草本植物 Lygeum spartum 是直径

30、在 1 1 1 8 mm 之间的细根, 而对 P istacia lentiscus和 Atrip lex halimus 2 种灌木的直径分别在 4 2和 4 6 mm 以下; 但多数学者定义直径在 2 mm 或 5 mm 以下的为细根 15, 44 . 由于全根系平均抗拉强度与根系径级分布特征密切相关 7, 24 , 而环境条件是通过影响植物根系的生长来 影响根系径级的分布, 因此, 全根系平均抗拉强度也会受环境条件的影响. 但是, 与物种对根系抗拉强度的巨大影响作用相比较, 环境条件的差异对抗拉强度的影响并不显著 4 .2 3 2 根面积比 根面积比( RAR )是在一定土壤深度上有固坡

31、效应的根系密度的一个指标. 如前所述, RAR是指剪切面上所有发挥作用的根的截面积之 和与土体截面积之比, 与根系在土壤中的空间分布和形态特征直接相关. 而植物根系的数量、生长深度、生长方向等特征除了受物种的影响外, 还与土壤环境有密切关系. 同一物种在不同的生长地或在不同栽植密度和树龄情况下, 其地下根系的数量和形态分布均不相同. 因此, 同种植物的 RAR 随土层深度的 分布特征因生长地点、气候和土壤环境、植被状 况( 密度、树龄等 ) 的不同而有很大差异 46 . 此外, 植物根系的数量通常随土层深度和离树桩距离的增加而下降, RAR也随着土壤深度和离树桩距离的增加 4效果积累必需的根系

32、抗拉强度和 RAR 分布特征的数据.3 植物根系与土壤抗侵蚀性的关系而逐渐减小.在对根系固坡效应的研究中, 测定根系 RAR通常只测定能发挥抗拉强度的细根. B ischetti等 4 测定 RAR 时只是测定直径在 10 mm 内根系的总横截面积与土体截面积之比, 有效根系 RAR的数值范围在 0 7% 以内. 如前所述, 由于粗大的根被完整拔出对增强根土复合体的抗剪强度没有明显贡献, 若将粗根也进行测定, 会强烈地影响 RAR 的值, 使测定结果与实际发挥作用的根系数量产生很大的偏差.由于植物根系的 RAR 随土层深度的分布特征与植物种类、环境、地点、植被状况等因素密切相关, 因此, 在某

33、地、某次研究中测定的 RAR 值一般只在该地点有意义, 而不宜移到其他地点, 而且随着时间的推移和植被生长状况的改变, RAR 值也会发生变化 53 . Abe等 1 曾经根据特定研究中的测定值建立根系数量分布的经验模型, 但是在推广应用时, 其参数必须因每一变化的植物种或土壤、气候类型、植被 状况等进行修正, 而且修正参数的过程仍然不能避免每次研究都需要挖取该地的根系进行测定. 这就使得应用 W u W aldron模型定量评价植物根系的固坡效应时在操作上有着较大的局限性.鉴于此, 许多研究者提出各种办法来解决影响W uW aldron模型应用的问题. K rogstad 27 依据植物生长

34、过程中地上、地下部分的相互影响和数量关系, 设定一系列的假设, 从树木基径与根系径级分布的关系、树叶生物量与根系生物量的关系等, 由易于测量的植物地上部分的数量指标来推算根系数量情 况, 从而使对根系的固坡效应的计算得以简化和易于应用. 刘秀萍等 34 对由树木基径推测根系形态的原理进行了详细的数学推导. 然而, 基于这样一系列假设之上的计算结果将使精确度和可信度大大降 低. 因此, 有研究者提出, 对于区域范围的典型植物种群和植被状况, 有必要对其根系的平均抗拉强度以及根系 RAR这两个指标进行直接的试验测定, 其测定值将在该区域范围内具有较好的代表性, 从而为该区域评价植物根系的固坡效应提

35、供相对可靠的 数据资 4料. B ischetti等 对意大利北部地区 8 种典型树种根系的抗拉强度和 RAR 随土层深度的变化规律进行了测定; M attie等 37 则研究了地中海沿岸区域 3 种常用固坡树种的根系力学和形态学特征, 以便在应用 W u W a ldron 模型评价这些树种的固坡 植物根系是改善土壤抗侵蚀环境最重要的因素 之一, 在稳定土壤结构、提高土壤抗冲性、防治土壤侵蚀等方面具有不可忽视的作用 32 ; 特别是草本植物, 虽然其地上部分茎叶对减少径流冲刷也能起一定作用, 但地下部分根系在降低土壤冲刷方面往往起决定性作用 54 .3 1 植物根系提高土壤抗侵蚀性效应 19

36、36年, 有研究分别测定植物根系和地上部分对提高土壤抗侵蚀能力的贡献, 试验物种包括高梁( Sorghum vu lgare )、玉米 ( Z ea mays )、紫花苜 蓿(M edicago sativa) 等几种禾本科和豆科草本植物, 结果发现, 草本植物根系对减少土壤侵蚀起着重要的作用, 尤其是紫花苜蓿和玉米, 可使侵蚀量减少48% 20.之后很长时间内较少出现关于植物根系与土壤抗侵蚀性关系的报道. 直到最近 20年, 根系对提高土壤抗侵蚀能力的作用才引起学者们的重视 5, 17,26, 45 . 国外关于植物根系与土壤抗侵蚀性关 系的研究多集中在草本植物根系的各根量指标与土 壤抗侵蚀

37、效应的相关性分析上. Gyssels等 21 指出, 随着根重密度( kg m - 3 )或根长密度( km m- 3 ) 的增加, 相对土壤侵蚀率( 有根土壤侵蚀率与无根土壤侵蚀率之比) 指数下降. 用于衡量土壤侵蚀性的指标常用土壤分散率表示. 相对土壤分散率 ( 有根 土壤分散率与无根土壤分散率之比) 与根长密度呈指数负相关 35 - 36 . de Baets等 8 的研究得出, 相对土壤分散率与根重密度、根长密度、RAR 都成指数负相关关系.我国有关植物根系提高土壤抗侵蚀性的研究主 要集中在黄土高原地区. 20 世纪 70 年代, 朱显谟等 65 针对黄土高原土壤侵蚀的特征, 将土壤抗

38、侵蚀 性分为抗冲性和抗蚀性两方面; 同时指出, 土壤抗冲性的研究将是揭示黄土高原土壤侵蚀规律的关键, 黄土高原的抗冲性基本上代表了黄土高原土壤的抗 侵蚀性 10 . 80年代, 国内一些学者开始对黄土高原土壤抗冲性成因、不同植物根系提高土壤抗冲性的 生物动力学性质进行综合系统的研究; 90年代又以根系参数与土壤抗冲性的关系研究为基础, 对根系强化土壤抗冲性的有效性及其改善土壤物理和水文 性质的作用机制进行了深入研究, 从而开辟了我国在植物根系提高土壤结构稳定性及抗冲性研究方面 的新领域 23, 29- 30, 54 .在研究根系提高土壤抗冲性的过程中, 研究对象包括了从乔木、灌木到草本植物,

39、这些不同生活型的植物根系在径级组成、粗细根的比例等方面有很大的差异. 因此, 我国学者更进一步地发现了植物根系不同径级对提高土壤抗侵蚀性的不同效应. 李勇等 29 对油松( P inus tabulaeform is) 林的研究发现, 对土壤抗冲性起重要作用的是 1 mm 的须根密度; 在有效根密度 (指 100 cm2 土壤截面上对土壤抗冲性能有明显增强效应的 1 mm 须根的个数 ) 的范围内, 根系提高土壤抗冲性的效应与根数密度 ( 个- 2100 cm ) 成正比; 20 25 年生油松人工林根系提高- 2土壤抗冲性能的最低有效根密度为 26 34个 100 cm , 土层有效深度为

40、70 cm, 从而提出了根系提高土壤抗冲性的有效根密度和有效土壤深度的概念. 吴彦等 57 和陈士银等 6 的研究结果都发现, 土壤饱和渗透系数、总孔隙度、有机质含量和土壤中水稳性团聚体数量等表征土壤抗侵蚀能力的土壤性质的改善值仅与直径 1 mm 的须根量 ( g 1 000cm-)3和根密度之间呈显著或极显著相关, 而与其它根系参数之间相关性不明显. 张金池等 60 对岩质海岸防护林主要造林树种根系强化土壤抗冲性的研 究发现, 根径在 1 mm 以下的细根对土壤抗冲性的强化效应显著, 土壤抗冲性强化值与土壤中 1 mm 径级的根重 ( g 1 000 cm - 3土) 间服从线性正相关关系.

41、 丁军等 9 在红壤丘陵区林地根系对土壤抗冲增强效应的研究中, 把不同径级的根密度与土壤抗冲性强化值联系起来, 也发现土壤抗冲性增强值与 0 854x 1 mm 径级的须根密度( g 1 000 cm- 3土) 密切相关, 经回归分析符合幂函数关系. 蒋定生等 22- 23 在野外调查的基础上, 对根径 1 mm 的根系在土体中的分布密度与土壤的抗冲性进行了统计分析, 结果表明, 土壤的抗冲性( S0 ) 与 3 mm 的大粒级水稳性团聚体增加, 从而增强土壤抗分散、抗悬浮的能力. 植物根系特别是大量须根的存在增加土壤团聚体含量, 概括起来有以下几方面的原因 48 : 1)根系对土壤所施加的压

42、力引起附近土粒分离, 并使土壤单体挤压在一起, 形成团聚体; 2) 当根系附近水分被植物吸收时, 土壤水分的减少有利于土壤颗粒聚集形成水稳性团聚体; 3) 植物根系生理活动的分泌物对土壤的胶结作用, 将根系附近较小的团聚体粘聚形成较大的团聚体. 此外, 根系还能促进微生物活性, 使有机质在微生物的作用下分解, 产生相当稳定的高分子聚合有机酸, 防止团聚体消散, 从而增加团聚体的稳定性.直径 1 mm 的须根增强土壤抗冲性的机理还在于须根上丰富的根毛对土壤物理性质的改善作 用. 刘国彬 33 对直径为 0 1 1 0 mm 的根进行观 测, 发现它们表现出巨大的抗拉能力, 足以抵抗径流的冲刷力.

43、 因此, 土壤的冲刷流失可能不是由于根系的断裂, 而是根土分离或未被固结而造成的; 直径在0 1 0 4 mm 的根系表面着生有丰富的根毛, 从而大大增加了根的表面积, 对于固结土壤起着巨大的作用, 尤其是有利于大团聚体 ( 2 mm ) 的形成. 他们发现, 根系表面积指标与团聚体的相关性比根长 度指标要好, 因此认为用细根表面积来评价其提高土壤水稳性团粒、强化抗冲性的作用比用有效根密 度或根系生物量更能揭示其固结土壤的作用机制, 并建议用有效根面积 ( 10 cm 10 cm 10 cm 土体中0 1 0 4 mm 细根表面积) 作为根系丰富程度的指标 33 . 以往关于直径 1 mm 或

44、 3 mm 的根系数量与土壤抗冲性的关系分析, 其实质是反映了这些根系上根毛作用的大小.菌根是真菌与植物根系结合形成的特殊共生体 ( 80% 以上的植物存在菌根), 对土壤结构的稳定性也起着非常重要的作用. 根系与其上共生的真菌的生理代谢活动为土壤颗粒粘结形成微团聚体 ( 直径 0 25 mm )创造了条件, 尤其是菌根上菌丝串联缠绕作用和分泌粘性物质是微团聚体形成的主要因 素; 而根系与真菌菌丝的互相缠绕形成庞大的网络系统促进微团聚体进一步固结形成大团聚体 ( 直径 壤中大粒级水稳性团粒的增加, 减小土壤容重, 同时, 细根对土壤穿插、挤压所产生的裂隙和细根死亡分解所遗留的空穴, 是土壤非毛

45、管孔隙的主要来源. 这些作用与变化都明显地改善了土壤的渗透性能.4 展望植物根系的固坡效应较早就为人们普遍认识, 解释其固坡机理的 W uW a ldron模型也获得研究者们较一致的认可. 但是在实际工程中应用该模型定量评价根系的固坡效应却不多见. 其中一个重要原因是根系平均抗拉强度 TR 和根比面积 RAR随土层分布的可用数据资料还较为缺乏. 目前已有的各类方法都难以做到快捷准确地测定 TR 和 RAR 值, 而且由于根系力学和形态学特征受环境差异的影响, 常常使观测数据产生较大变异而不具有推广意义. 因此, 今后要加强对根系形态与特性的研究, 特别是 0 25 mm ) 39, .41 其

46、中, 直径在 0 2 1 mm 的须根环境对根系形态与特性影响规律的研究, 为某地测根长与水稳性土壤团聚体的平均直径呈显著正相 关, 可能是因为这一径级的细根形成的菌根最多 38 .3 2 2 植物根系增强土壤渗透性 根系对提高土壤渗透性的作用主要是根系能将土壤单粒粘结起来, 同时也能将板结密实的土体分散, 并通过根系自身的腐解和转化合成腐殖质, 使土壤有良好团聚结构和孔隙状况 51 . 王芝芳等 52 研究发现, 土壤草本植被根系复合体的渗透系数随含根量增加而增大, 而渗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复合体的渗透系数增大, 接纳雨水的能力增强; 另一方面, 根与茎在

47、其连接处, 即根颈部位形成微型拦土栅阻止土粒搬运, 使土粒在根茎连接处沉积而形成许多微型滤水土体, 这些滤水土体就像一个个微型土坝一样, 分别在其所在位置拦住径流去向, 使其减缓, 地面滞水量增大, 从而使径流沿程渗透水量增大. 香根草绿篱带之所以能有效拦截地表径流与泥沙, 其主要原因就是如此 58 . 根系对土壤渗透性能的改善以细根的作用尤为突出. 赵鸿雁等 61 发现, 土壤因植物根系的存在变得疏松多孔, 特别是大量的细根与根毛更新快, 不但增加了土壤有机质含量, 而且死亡的根系所占的土壤空间在一段时间后, 形成孔状形态, 增大了土壤下渗的能力, 减小了地表径流量. 吴彦等 57 通过对树

48、木根系的研究, 得出了须根系( 1 mm )与土壤渗透性之间的回归方程, 显示须根对土壤饱和渗透系数的影响是首要的. 总的来看, 须根通过积累有机质, 促使土 得的根系数据在其他环境中的应用提供参数修正的 依据; 同时应逐步完善典型区域及典型植被类型下常用固土护坡物种的 T R 和 RAR 分布等数据资料的积累, 为在区域范围内评价根系的固坡效应提供方便.实际上, 通过测定根系 T R 和 RAR 值, 然后套用W u W aldron 模型计算根系对土体抗剪强度的增量, 其值将比直接由剪切试验得到的值明显偏大. 例如, 通过对香根草根土壤复合体进行剪切试验, 测定T R 和 RAR 值, 然

49、后根据W u W aldron模型计算得到的根系对土体抗剪强度的增强值是剪切试验得到的 实际增强值的 3倍左右 25 . 究其原因是该模型基于这样一条基本假设: 所有根的初始状态都是垂直穿过土体剪切面, 而且在同一时刻被拉断, 即在某一时刻所有根系都产生最大抗拉力来抵抗外力剪切, 结果计算根系为增强坡体抗剪强度所提供的抗拉强度 为所有单根抗拉强度之和. 事实上, 在剪切面上受剪切过程中, 根先被沿着位移方向拉直最后被拉断, 但由于每条根在土壤中生长方向各异, 其弯曲状况和与剪切面的初始夹角也不同, 因此各条根被拉断的时刻是不相同的, 任一时刻都只有部分根系发挥出抗拉强度 11, 27 . 为此

50、, 今后的研究还应在模型改进方面有所重视, 对参数 T R 和 RAR进行一定的修正, 进一步确定有效的根系抗拉强度和根面积比, 力求与根系发挥作用的实际情况相一致.另外, 有关 T r 和根直径 D 的函数关系, 绝大多数学者观测到的 T r 与 D 成反比, 即 T r 随 D 的增加 而减小, 但也有少数的研究获得相反的结果. 朱清科等 63 测定峨眉冷杉 ( Abies fabri ) 根系的抗拉力与其直径的关系为: F = 0 403D 2 3626. 其 m 值大于 2, 根 Journal of Southw est Agricultural Univer sity ( 西南农业

51、大学学报 ), 22( 5): 468- 471 ( in Ch inese) 7Cheng H (程 洪 ), Zhang X Q ( 张新全 ). 2002. A nrexper mi enta l study on herb plant root system for streng th据式( 7) , T r 随 D 增大而增大, 即 T r 与 D 成正比. 而这 % 异常 &的实验结果究竟是来源于实验误差, 还是真实情况的反映? 今后应增加对更多物种根系抗拉强度的测定, 为植物固坡工程中选择合适的植物种类提供必要的数据积累和选择依据.虽然根系提高土壤抗侵蚀性的过程和机理的研究起步较

52、晚, 但从国内外已有的研究报道来看, 我国在这方面的研究处于世界较先进水平 32 . 有关植物根系与土壤抗侵蚀性的研究中, 由于不同的研究者运用不同的表征土壤抗侵蚀性的指标和表征根量的 指标, 使研究得出的植物根系与土壤抗侵蚀性的关系呈现多种函数类型, 研究结果之间难以定量比较; 而且, 国外研究集中在农作物或牧草等禾本科草本植物, 而国内研究多集中在黄土高原地区的水土保持树种或灌、草植物. 由于植物类型和地理环境的差异, 也使得研究结果之间可比性较低. 这些都为进一步揭示植物根系提高土壤抗侵蚀性的机理带来了障 碍. 因此, 今后应该扩大研究的区域范围和植物种类, 以便获得更多的研究结果积累,

53、 从而真正揭示植物根系提高土壤抗侵蚀性的机理, 也为筛选最佳的提princ iple of so il fixation. Bulletin of Soil and W ater Con serva tion (水土保持通报 ), 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 军 ), W ang Z Q (王兆骞 ), Chen X (陈欣 ), et a.l 2002. S tudy on increased e ffect of s