紫穗槐根系形態與固土護坡效應研究

嵇曉雷　夏光輝　張海亞

摘要：本文采用紫穗槐根系的現場調查和根系掃描圖像數據的方法，通過對根長量、根長密度、根體積和單位體積土中含根量4根系指標數據的測定和分析，研究根系對邊坡土體水土保持的效果。結果顯示，紫穗槐屬于深根性直根樹種，主干根的優勢極為顯著，分布最深可達50 cm土層以下，須根在各個土壤層次中均有不同徑級根系的分布，根長和根量指標也隨著土層的加深而均勻遞減。 根系能夠對土體起到錨固和加筋作用，對邊坡表層土體的水土侵蝕起到有效保護作用。

關鍵詞：紫穗槐；根系；空間分布；水土保持

中圖分類號：S157.9文獻標識碼：A文章編號：1004-3020（2016）01-0016-04

Abstract： Based on the field observation data and rootsscaning photos， we studied the effects of Amorpha fruticosa root system on the slope soil and water conservation by analyzing the index data from root length， root length density， root volume and root content per soil unit. The result showed that A. fruticosa had the feature of deep and tap roots with main root as deep as 50 cm underground， and the fine roots with different diameter distributed in all of different soil levels， and the root length and root volume decreased with the soil level deepening. We concluded that the root system of A. fruticosa functions efficiently in soil reinforcement and soil erosion resistance of slope surface.

Key words： Amorpha fruticosa；root system；spatial distribution；soil and water conservation

植物生態護坡是利用植物根系涵水固土的原理穩定公路邊坡同時美化生態環境的一種新技術，利用植物根系防止土壤侵蝕和水土流失，既可以取代傳統工程護坡對環境造成的破壞，還可以節省造價投入，美化公路景觀[1-2]。而不同植物根系對邊坡土層水土保持作用不同，主要與植物根系的分布形態、根系的強度根以及根系土中的含量等因素有關系[3]。本文根據植物根系空間分布特征與邊坡水土保持效應的相關關系，針對根系與土的相互作用機理，選擇高速公路常見護坡植物紫穗槐進行研究，結合根系空間分布特征，對高速公路坡面穩定性的加強作用等綜合情況，探討高速公路邊坡護坡灌木根系的保持水土效益，為高速公路生態護坡研究領域提供理論支持和實際參考。

1紫穗槐根系固土護坡機理概述

植物根系的護坡機理主要從根系的力學效應進行分析，不同類型的植物根系體現護坡機理不同，主要是指地下根系的加筋、錨固效應，紫穗槐為典型的深根性直根樹種，主干根的優勢極為顯著，標準株主根徑約20 mm，分布最深可達50 cm土層以下，根系黃褐色。主根系具備一定的強度和剛度，可以穿過坡體淺部松散風化層，錨固到深處較穩定的巖土層，通過主根和側根與周邊土體的摩擦作用把根系與周邊土體聯合起來，起到預應力錨桿的作用。紫穗槐須根柔軟纖細，在各個土層中均有不同徑級根系分布，根長和根量指標隨著土層的加深而均勻遞減。須根系可看作天然加筋材料，根土復合體可看作為加筋土，植物根系在土中分布比工程加筋材料分布復雜[4-5]。根系在土體中分布呈網狀、縱橫交錯，隨著深度的增加含根量逐漸減少，在根系盤結范圍內的土體可看作根—土復合材料[6]。因此可按加筋土原理來分析含根土體的受力狀態，即把土中的根看作加筋材料，根系如同加筋材料一樣對土體起到加筋增強的作用，從而使根土復合體的強度明顯提高[7-8]。

2.1標準株取樣

首先對紫穗槐進行樣地調查，采集地點為寧常高速公路東屏立交互通段，種植時間為3年，株高218 cm，冠幅95 cm，地徑2 cm，地上部分生物量215 g，繁殖類型為實生，種植區位于坡度35°的半陽面，在試驗區設5 m×5 m的樣地，先進行立地條件的調查，包括采樣地點、坡向、坡度、伴生物種等方面。依據概率論和數理統計的原理進行標準株的選擇。

（1）在大的樣方中，利用圍合的正方形，選取對角線交點和該正方形四角分別作2 m×2 m面積相等的小樣方5個，編號為1，2，3，4，5（見圖1）。

（2）詳細調研5個小樣方灌木的數量，單株的株高、冠幅、地徑等地上部分形態指標，算出各小樣方的數據平均值作為該樣地灌木的平均株高、冠幅和地徑，作為標準株取樣的依據。

（3）在5個小樣方內選擇3株符合平均株高、冠幅和地徑的標準株（作為3次重復），然后進行根系取樣調查[9]。

2.2根系處理

按照植物自然生長的規律，進行自上而下分層分布進行，采用操作方法為：按土層深度分為0～10，10～20，20～30，30～40，40～50，50 cm以下6個層次。首先清理表層雜物，觀察土層中不再有根系為止。將樣本做好標記帶回實驗室，經清水清洗，去除土壤顆粒及各種雜質，用吸水紙吸干后，取3個樣本，做3次重復，并求取平均值作為根系形態學數據[3]。

2.3根系指標的測定

首先，將預處理過的根系樣品分別按照土層、徑級的不同利用電子天平測量根系鮮重。其次，利用根系掃描儀和WINRhizo根系分析軟件，對各土層、徑級的根系進行掃描和分析處理，主要包括根系直徑、根長、根長密度、單位土體含根量、根系體積等指標。試驗設計過程中選擇與邊坡生態防護效果關系最為密切的指標進行分析，利用Excel表格錄入數據并利用根系分析軟件進行處理和分析。

3結果與分析

3.1根系空間分布特征

紫穗槐為典型的深根性直根樹種，標準株主根分布平均最深可達50 cm土層以下，根系分布最深能達到80 cm土層，根系黃褐色。主根徑約20 mm，有明顯的主根和Ⅰ級側根，并有Ⅲ級以上側根的分布。主干根的優勢極為顯著，有明顯的向地性生長的特征。須根較為柔軟纖細，根上著生許多豆科植物特有的菌根根瘤[9]（見圖2，3）。

3.2根長量

根長是表明根系吸收功能的一個重要參數，將根系按照根徑分為0 mm

從表1可知：徑級大于2 mm主根系能夠達到50 cm土層以下，對邊坡表層土體起到錨固作用。根系總根長為6 83783 cm，其中0～10 cm占根系總長的6716%，10～20 cm占根系總長的158%，20～30 cm占根系總長的671%，30～40 cm占根系總長的248%，40～50 cm占根系總長的176%，50 cm以下的占根系總長的609%，徑級0 mm

3.3根體積的垂直分布

根體積指標體現了根系空間分布，能夠直接反映根系在生長介質中的生長分布情況和延伸特點，以及根系吸收水分和營養物質與錨固邊坡土體之間的緊密聯系。分析根系對土壤的加筋作用效果的重要參數，對紫穗槐根體積垂直分布的研究，可以更好地探討根系的固土能力及增加坡面抗侵蝕能力，具體參數見表2所示。

通過表2數據可知：隨著土層深度的增加，根系體積呈現明顯的下降趨勢，0 mm

3.4根長密度

根長密度是反映根系固土護坡能力的重要指標，若根長值為須根（即吸收根）的測定值，則所得的根長密度稱為有效根長密度，這個指標廣泛應用于植物的根系吸水研究，是反映須根空間分布狀況的一個重要指標。不同灌木的根長密度分布呈現出不同的特征，根長密度也是評價根系固土效果的重要指標。具體參數見表3所示。

從表3中數據可見：紫穗槐根長密度主要分布在土層0～40 cm中，其中10～20 cm土層根長密度值分布最大，達8832 mm·dm-3，可見紫穗槐根系對于土體加筋作用主要分布在土層10～40 cm處。通常邊坡表層布置草皮，起到防止雨水侵蝕的作用，紫穗槐灌木主要起到草本植物根系不能達到的土層加固作用，因此將灌木與草本植物結合使用，將發揮各自的固坡特性，更加有效地防止公路邊坡的水土流失，保證邊坡表層土體穩定。

3.5單位體積土中含根量

土中根的含量不同，根對土的加筋作用效果就不同，從而植物對邊坡穩定性的影響程度不同。一般情況下，用RAR（根的面積比率）來描述土中根的分布情況。“根的面積比率”是指在特定一個土體斷面上，根的橫截面積占總斷面面積的比率。根的面積比率是土層深度的函數。另一種衡量土中根的含量的方法就是“根的生物量集度”，即單位體積土中根的質量，能與“根的面積比率”進行互相轉化。試驗中為了考慮根系生物特性，突出試驗的準確性，對邊坡現場進行根系取樣試驗，試驗主要考慮須根的加筋作用，在取樣時選擇D<5 mm的根系進行測量。具體做法是在現場挖取尺寸為20 cm （長）×20 cm（寬）的試塊，每個試塊沿深度方向再次分為0～10，10～20，20～30，30～40，40～50，50 cm以下，共6個層次，用清水洗凈根系，用濾紙吸干根系表面水份，用電子天平測定不同層次根系的質量。測量結果經計算列入表4，圖4為含根量隨土層深度變化曲線。

根據表4數據和含根量隨土層深度變化分布圖可知，紫穗槐根系的含根量在10～20 cm范圍內最多，20 cm以下隨著土層深度的增加逐漸減少。總根量基本集中在30 cm范圍內，土層50 cm以下根含量很少，只占總質量的7%，與根長密度、根體積、根長量等根系指標變化趨勢相同，這些根系形態指標能夠客觀的反映根系在土層中隨深度變化情況。

4結論與討論

通過對紫穗槐根系根長量、根體積的垂直分布、根長密度、單位體積土中含根量的測定指標分析，明確了邊坡土體的穩定性和土體的形態參數有密切的關系，說明試驗數據能夠較為全面地反映根系對于生態邊坡的防護效果。在各個土壤層次中，紫穗槐的根系均有不同徑級根系的分布，根系長度并隨著土層深度的加大呈現遞減的趨勢，紫穗槐根系中主要為小于2 mm的須根，根系主要分布在30 cm的淺層土層中。根體積作為衡量根系空間分布的參考指標，對探討根系垂直分布特征具有一定的參考意義，由于根體積主要是由D>5 mm的直根分布所決定，根體積最大值均分布于0～10 cm土層內，不同徑級分布較為均勻，根體積在土層中的分布呈現出較緩慢的下降趨勢。有效根長密度分布大體呈現出隨著土層的增加，有效根長密度逐漸減少的趨勢，這與須根根長在土層中的分布有一定的相似性，也與根系自然傘狀分布的規律接近。紫穗槐根系在土壤中盤根錯節，與土壤結合成為根土混合體，是邊坡土體成為帶預應力的加筋材料，同時邊坡土體中因為植物根系的存在可以加大土體之間的摩擦系數，提高了土體的強度和穩定性，從而對于邊坡水土流失起到很好地防護作用，因而是較為理想的生態護坡植物。

參考文獻

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（責任編輯：鄭京津）