不同草本植物根系力动力学及抗压力特征研究
发布时间：2019-12-09
提要:为了研究草本植物根系力动力学特征及其抗压力。以四川省广泛的4种常见坡边草本植物为研究对象，测定根系在土体中的垂直分布规律及根系抗拉、原状土体抗压和抗崩解等力学指标。1)4种草本植物0-30cm土层根系生物量的大小排序为:麦冬>黑麦草>白三叶>满天星，且主要集中于0-10cm土层中;2)根系抗拉力基本表现为:麦冬>黑麦草>白三叶>满天星，且根系极限抗拉强度与直径呈显著的幂函数负相关关系，决定系数均大于0.9000(p<0.05);平均根茎与平均抗压强度表现出一致的变化规律，大小依次为麦冬>黑麦草>白三叶>满天星。3)通过相关性分析发现，不同植物根系的抗拉强度和直径存在极显著的负相关性(p<0.001)，其相关系数分别为-0.8569、-0.9985、-0.9963、-0.9234。4)根-土复合体抗压强度依次表现为麦冬>黑麦草>白三叶>满天星;植物比根长与根-土复合体抗压性成正相关，但没有显著相关性;土层深度与土体的抗压性成显著正相关(p<0.05);5)根系含量和土层深度是土体崩解速率的主要影响因子，随土层深度的增加，崩解速率降低，无根土的崩解速率均大于有根土，土壤中根系比根长和崩解速率呈显著线性负相关(p<0.05);不同植物抗压强度和崩解速率基本表现为:麦冬>黑麦草>白三叶>满天星。综上所述，麦冬和黑麦草(禾本科植物)护坡能力和适应性更强。
关键词:四川;草本植物;坡边;根系力学
对于地质结构不稳定的地区，常常容易引发泥石流及山体滑坡等自然灾害等问题，这些自然灾害对环境带来的破坏性也不容忽视，诸如瘟疫、病菌传播、水污染等直接长期影响居民的生活;为了降低自然灾害发生率，常常通过植物来加固地质结构，降低水土流失[1-2]。植被对于水土流失的降低主要通过根系及地表固土来实现，但大量的植被水土保持方面的研究多集中在植被地表的水土保持，对于根系在水土保持过程中的作用则是研究较少[3-4];随着研究的不断深入，植物根系对于固土护坡及进行深层土壤结构改善方面的作用日益受到重视，且根系与地表植被的共同作用下才能达到较为良好的水土保持能力，这也得到了越来越多的相关研究，在生态学研究中逐渐成为新的热点。植物的类型不同，其单根抗拉性及抗剪性等并不相同，自然具有不同的固土效果，在护坡固土的机理方面也呈现不同的特点，这方面的研究也明显较以前有所增加[5]。就目前而言，国内关于植物根系固土方面的研究在不断增多，但是缺乏系统的研究，不同植被根系抗拉数据相对缺乏，影响了植物根系的深入研究，因此来说进行植物根系的相关受力特点研究具有重要现实意义。
在公路建设中，常通过植物进行道路斜坡的水土保持，降低水土流失带来的影响，在实际应用中具有显著的效果，但是根系对植被地表的吸附力方面具有直接的决定作用，直接影响护坡固土的效果，同时决定植物的生长状况[6]，可以说根系不仅决定着植物地表的固土能力，同时能够显著提升土壤抗冲性，改善土壤内部结构，显著降低土壤侵蚀，而且根系作为植物吸收养分和水分的根本途径，决定着植物能量的供给，因此具极其重要的作用[6-8]。对于这些固土、护坡之类的植物我们简称为草本植物，在现代道路建设、水土治理方面运用广泛，对于土壤抗冲性能具有显著提升能力，大大降低坡面侵蚀，对于稳坡固坡具有显著效果[9-11]。根系固土不仅在生态学方面的研究不断增多，在力学方面也有所研究，逐渐形成学科交叉研究，成为新的研究热点之一。植物根系的固土效果取决于根系的抗拉性等，且受拉力的概率明显高于受剪力，根系通过改善土壤结构等与土壤共同形成较强的抗拉力，土壤在受到长期侵蚀的情况下根系受到的剪切力会经过变形后形成拉力，进而增强水土保持能力，因此在研究过程中，常将根系抗拉性作为测定根系抗外力的重要衡量指标[12-13]。在实际的根系抗拉力测定过程中，常使用力学拉伸的方法进行测定，从而研究根系的作用机理，进而为优选植物提供有益参考，毕竟目前不同的植物具有不同的根系特质，其根系的抗拉力等存在显著的差异，单根对于固坡的效果具体如何也需要进行相应的研究，根系在受到外力作用之下将如何改变受力也是需要进行大量的研究测定，这些都是根系研究的主要内容，而这些方面的研究相对不多。文中所研究的植物为四川公路旁常见的护坡植物，通过对其进行一系列的拉伸试验，来研究根系受力状况下的承受力，进而探究其对于固土护坡方面的作用，从而通过植物根系受力研究来探究如何更好地进行水土保持，为护土提供有益的参考，为根系研究提供相应的具体数据，通过定量的方式开展根系受力研究。
1材料与方法
1.1试验设计
首先对成都市目前的城市绿地植被进行较为全面的了解，进而在此基础上选取相应的园林植被，本研究的对象为以下几种:麦冬、黑麦草、白三叶、满天星。本实验需要对植物根系进行相应的拉力及剪力进行受力实验，选取的植物根径集中在0.1-3.0mm之间，这样便于受力的对比测定，受力实验需要重复进行10-30次。对于本实验而言，不同的植物具有显著不同的根系结构，根系的水分吸收及保持能力也存在很大差异。具体通过以下方式进行植物根系的拉伸测定:受力测试的根系需要具有完好无损的表皮，这样能够确保根系是正常的，然后将表皮泥土去掉，选取2-10cm根段作为具体的受力对象，然后将之放到工作台上，并利用夹具固定后进行拉力及剪力实验，根段被破坏时方可停止受力;在实验过程中要注意增强夹具两端与根系之间的摩擦力，可以通过贴胶皮，或者是立体柔性物进行缠绕，这样能够较好地避免单根受力的时候发生打滑，也能够有效避免单根在受力时发生断裂，从而保障实验正常进行。
对土样的纵向采集通过分层进行，利用长宽高均为10cm的方形取样器进行取土，取样的土层深度要从地表开始，每隔10cm进行一层土样采集，共进行三层土样采集，这样采土深度达到了30cm;而对土样的横向采集则是分别从植株处进行取样，并从距植株10cm处进行取样，最后在距离植株20cm处开展土样采集;在实验中要对四种植物的根系生理特质及相应的受力强度进行分析对比，具体的研究方法如下:
(1)根长(SRL)的比较:在测定根长之前首先将根洗干净，之后通过根系扫描仪对长度及径度进行测定，并利用IPP软件进行相应的分析，SRl=l/m，其中根长用l表示，单位为m;根系干重用m表示，单位为mg。
(2)根系生理特征的对比测定:主要借助于根系扫描仪，首先将根系固定在HDE-500电动单柱立式推拉力计测试台，然后借用Hg-200数显拉力模拟根系的拉力，并每0.2s进行一次计数;此操作将测定在何种拉力下根系会发生拉断，并通过拉力仪进行具体测定，拉力计将会自动进行数据记录;并要通过游标卡尺来对根系的断裂直径进行测量，同时测量其最大拉力下的根长。根系的最大抗拉强度P=4FπD2;最大伸长率δ=l-l20。其中最大拉力用F表示，单位为N;断面平均直径用D表示，单位为mm;根的原来长度用l0表示;最大拉力下的根长用l表示。
(3)静水崩解试验:在崩解仪下分别对以上四种植物进行崩解测试，并区分有根土样、无根土样，从而测试根系对于土壤保持的效果;用金属网托盛放土样，通过拉力计进行重量测定并做好记录，之后将土样缓慢放入水中，在此过程中每0.2s进行一次自动计数，当土样完全崩解的时候取出，或者浸没水中半小时土样依然没有崩解的话也要将土样取出，并对取出的剩余土样重量进行测定。完成崩解实验后，需要对根系各指标进行扫描测定，F1+ρ液gV1=g1+g0;F2+ρ液gV2=g2+g0;V=(F1-F2)/(g1-g);ν=V/t;其中需要注意的是土样刚入水时的稳定拉力用F1表示，单位为N;土样崩解时的拉力F2;所测试土样的密度用ρ表示，单位为g/cm3;崩解前的土样重力用g1表示;崩解后用g2表示;g0代表网托重力;最初的土样体积用V1表示，单位为cm3;崩解土样的体积用V2表示;土样因崩解而导致的损失体积用V表示，单位为cm3;崩解的速率用ν表示，单位为cm3/min;土样崩解所用时间为t，用分钟表示;重力与质量之比用g表示。
1.2数据处理
利用Excel2010和SPSS18.0软件统计和分析了植物的根系抗拉力、生物量和抗压强度等，用单因素方差分析和最小显著差数法(LSD法)，多重比较差异显著性。
2结果与分析
2.1不同草本植物根系垂直分布
试验区不同植物根系均表现为主直根系，其分布特征大致表现为:0-10cm的土层分布主根，侧根分布于0-20cm的土层中，而20cm以下土层中侧根分布较少，其中细根和毛根(直径小于1mm)大量分布在0-20cm的土层。由图1还可知，不同植物根系生物量均随土层深度的增加而减少，根系主要集中分布在土壤表层，其中表层0-10cm土层，麦冬、黑麦草、白三叶、满天星根系生物量占到总生物量的82.31%，75.62%，80.47%，81.65%，20cm以下土层，根系生物量急剧降低。总的来说，在0-30cm土层，不同植物根系生物量具体表现为:麦冬>黑麦草>白三叶>满天星。
2.2根系抗拉力与直径关系
我们将不同植物根系直径与根系的抗拉力关系拟合函数(表1)，其中相关系数(R2)均较高，且呈现出极显著的正相关关系(p<0.001)。在不同的拟合函数中，线性函数的p最大，R2最小，除了白三叶以外，其他植物的拟合R2均低于幂函数，因此，在本研究中采用幂函数表达植物根系直径与根系的抗拉力关系。也即随着根径的增加，受根截面积的影响，根系的抗拉力急剧增加，进而导致根的抗拉力迅速增加。
2.3根系抗拉强度与直径关系
由表2可知，不同植物根系极限抗拉强度与直径呈显著的幂函数关系，并且决定系数均大于0.9(p<0.001)。在根系拉力范围内，随着根径的增大，抗拉强度明显降低，由此说明根径越细，单位横截面根系抗拉能力越强，其中毛根对根-土复合体强度的提高具有重要的作用。相关性分析表明，植物根系的抗拉强度和根茎具有极显著的负相关性(p<0.001)，相关系数分别为-0.8569、-0.9985、-0.9963、-0.9234(表3)。回归分析结果表明:所有根系的抗拉强度均与根茎成显著幂函数负相关(p<0.001)，叶即随着植物根茎的增加，其根系抗拉强度逐渐降低。
通过对根系进行拉伸试验(图2)，结果表明:4种植物中，麦冬表现出较大抗拉强度，显著高于其他植物(p<0.05)，黑麦草和白三叶次之，二者之间的差异并不显著(p>0.05)，满天星抗拉强度最小(p<0.05)。相应地，平均根茎与平均抗压强度表现出一致的变化规律，也即平均根茎大小依次为麦冬>黑麦草>白三叶>满天星，其中麦冬平均根茎显著高于其他植物(p<0.05)，而黑麦草、白三叶和满天星平均根茎差异并不显著(p>0.05)。
2.4不同草本植物增强土体抗压特性
根系之所以能够进行拉伸，是因为根系在受力的情况下会发生顺纤维抗拉，当根系受力达到一定程度的时候就会连根拔起，甚至是根系断裂。不同植物的根系特点不同，在受力的情况下会出现不同的断截面，外表皮会发生首先的断裂，通过实验发现，受力实验中对根系断截面进行测定具有较大难度，因此在研究中利用Lagrange的定义，即σ=F/A0，初始的断截面用A0表示;通过对四种植物的受力进行拟合分析发现，不同的植物具有明显不同的应力特征。从应力曲线不难看出，根系受力的前期，其应力曲线具有明显的线性分布，根系的荷载、伸长及应力等相应增加，且具有明显的比例关系;而当荷载达到根系最大受力的情况下，应力曲线向上凸，斜率明显下降，并体现出非线性特点;植物受力初期虽然应力增加，但是延伸率变化并不大，但是随着受力的不断增大，延伸率明显提升。
2.5不同草本植物增强土体抗崩解特性
由表4可知:受植物根系的影响，有根土样的崩解速率均小于无根土样的崩解速率。其中麦冬无根土体的崩解速率较高，这主要是由于试验土体中的砾石，使得土壤紧实度降低，土壤颗粒之间的粘结度分散，进而导致麦冬无根土的崩解速率较高。黑麦草和麦冬的抗崩解性最强，满天星和白三叶最低，而崩解速率基本为:麦冬>黑麦草>白三叶>满天星。由此可知，根系对根土复合体抗崩解性有显著增强作用。
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