高寒礦區(qū)采樣位置和生長(zhǎng)期及坡向?qū)Σ荼局参锔盗W(xué)特性影響

付江濤，楊幼清，趙吉美，劉昌義，李世珍，胡夏嵩*，李希來，余冬梅

(1. 青海大學(xué)農(nóng)林科學(xué)院， 青海 西寧 810016； 2. 陜西理工大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院， 陜西 漢中 723000； 3. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)， 北京 100000； 4. 青海大學(xué)地質(zhì)工程系， 青海 西寧 810016； 5. 青海大學(xué)農(nóng)牧學(xué)院， 青海 西寧 810016； 6．中國(guó)科學(xué)院青海鹽湖研究所， 青海 西寧 810008)

植物根徑、抗拉力、抗拉強(qiáng)度、極限拉伸應(yīng)變率和拉伸模量等物理量是反映植物根系力學(xué)特性的重要指標(biāo)，也是定量計(jì)算植物根系對(duì)土體抗剪強(qiáng)度貢獻(xiàn)的主要參數(shù)[1-4]。受植物生長(zhǎng)環(huán)境，如溫度變化、土壤含水量、土壤營(yíng)養(yǎng)元素供給、土壤理化生性質(zhì)和植物生長(zhǎng)期以及試驗(yàn)條件等諸因素影響[5-9]，植物根系力學(xué)特性通常具有較大變化幅度，這在很大程度上導(dǎo)致植物根系對(duì)土體抗剪強(qiáng)度貢獻(xiàn)值難以準(zhǔn)確定量評(píng)價(jià)[9-10]。因此，為提高根系力學(xué)指標(biāo)值測(cè)定結(jié)果準(zhǔn)確度，定量分析生長(zhǎng)環(huán)境對(duì)植物根系力學(xué)指標(biāo)影響已成為生態(tài)護(hù)坡領(lǐng)域研究熱點(diǎn)問題之一。

目前，關(guān)于定量研究植物根系抗拉特性指標(biāo)的主要方法為：采用單根拉伸試驗(yàn)，在測(cè)定供試種植物每一條單根根徑、抗拉力和拉伸長(zhǎng)度前提上，根據(jù)文獻(xiàn)[10]中公式(1)、(2)和(3)分別計(jì)算單根抗拉強(qiáng)度(MPa)、極限拉伸應(yīng)變率(%)和拉伸模量(MPa)。在求得單根抗拉強(qiáng)度(MPa)、極限拉伸應(yīng)變率(%)和拉伸模量(MPa)的基礎(chǔ)上，對(duì)上述試驗(yàn)測(cè)定值(根徑、單根抗拉力和伸長(zhǎng)量)和計(jì)算值(單根抗拉強(qiáng)度、極限拉伸應(yīng)變和拉伸模量)求取平均值，最后利用各平均值反映各供試種植物根系實(shí)際的抗拉特性。根據(jù)上述研究方法，Schwarz等[11-12]借助于WWM模型和FBM模型計(jì)算了植物根系對(duì)土體抗剪強(qiáng)度的貢獻(xiàn)，進(jìn)而對(duì)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行了評(píng)價(jià)。上述方法很大程度上提高了植物根系對(duì)土體抗剪強(qiáng)度貢獻(xiàn)的計(jì)算精度，然而亦存在諸多不足，例如在開展植物單根拉伸試驗(yàn)時(shí)，不僅需對(duì)相同研究區(qū)域開展不同位置的采樣(以確保所選取的供試種植物根系力學(xué)特性指標(biāo)具有代表性)，且需對(duì)大量的根系進(jìn)行重復(fù)性拉伸試驗(yàn)[13-14]，該過程耗時(shí)費(fèi)力和效率低下，而且在相同研究區(qū)不同采樣點(diǎn)進(jìn)行根系采集時(shí)，不同取樣點(diǎn)植物因生長(zhǎng)環(huán)境存在差異，其根徑、單根抗拉力等指標(biāo)是否存在差異尚不明確，需進(jìn)一步深入研究[13-15]。

在丘陵地區(qū)，生長(zhǎng)于同一區(qū)域的植物受其坡向等因素影響，其植物群落結(jié)構(gòu)與多樣性等均存在差異[16]，而作為體現(xiàn)植物水土保持能力的根系根徑、抗拉力、抗拉強(qiáng)度等指標(biāo)是否也會(huì)產(chǎn)生差異尚不明確，需進(jìn)一步確定。因此開展不同采樣位置、不同生長(zhǎng)期以及不同坡向?qū)χ参锔悼估匦缘挠绊懀瑢?duì)于準(zhǔn)確計(jì)算植物根系對(duì)土體抗剪強(qiáng)度貢獻(xiàn)起到理論支撐作用，同時(shí)對(duì)于不同坡向處邊坡開展生態(tài)護(hù)坡建設(shè)亦有著實(shí)際的指導(dǎo)意義。基于此，本研究選取位于青海天峻大通河上游木里煤田江倉(cāng)礦區(qū)復(fù)綠區(qū)為研究區(qū)，通過對(duì)生長(zhǎng)期為1a(注：a表示年，下同)，2a，3a，4a和5a的優(yōu)勢(shì)草本垂穗披堿草根系開展不同位置、坡向和生長(zhǎng)期的采樣，在此基礎(chǔ)上對(duì)所采樣根系開展單根拉伸試驗(yàn)，同時(shí)測(cè)定其根徑、單根抗拉力和拉伸長(zhǎng)度，并計(jì)算其單根抗拉強(qiáng)度、極限拉伸應(yīng)變率和拉伸模量；最后通過單因素方差分析，明確采樣位置、坡度和生長(zhǎng)期對(duì)供試種植物根系單根抗拉特性指標(biāo)的影響。該項(xiàng)研究結(jié)果不僅有助于準(zhǔn)確計(jì)算植物根系提高土體抗剪強(qiáng)度的貢獻(xiàn)，而且也為地處高海拔、寒旱環(huán)境礦區(qū)開展生態(tài)恢復(fù)提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

木里煤田位于青海省海北州天峻大通河上游，海拔高度為3 883 m，地理坐標(biāo)東經(jīng)99°28′54″、北緯38°20′49″，位置如圖1所示[17-20]。由該圖可知，研究區(qū)地處青藏高原東部地區(qū)，屬中祁連山高海拔地區(qū)，主要以高原冰緣地貌類型為主，氣候類型為典型的高原大陸性氣候[18-20]。區(qū)內(nèi)沼澤、濕地和高山草甸較為發(fā)育，土壤類型以高山草甸土、沼澤草甸土為主，土層厚度10～50 cm，常年凍土覆蓋，植被類型以高寒沼澤類和高寒草甸類為主，主要建群種為藏嵩草(Kobresiatibetica)。區(qū)內(nèi)發(fā)育河流主要有上哆嗦河、下哆嗦河、江倉(cāng)曲及其支流等，均屬大通河水系，河水主要通過高山融雪水、泉水及大氣降水等形式補(bǔ)給。研究區(qū)獨(dú)特的地質(zhì)條件及氣候類型使得該區(qū)生態(tài)環(huán)境極為脆弱，加之受人為工程活動(dòng)等因素影響，該區(qū)采礦廢棄坑附近沖溝分布極為廣泛，水土流失、滑坡和泥石流等地質(zhì)災(zāi)害較為發(fā)育[18-20]。

圖1 研究區(qū)位圖示意圖[17]Fig.1 Location of the tested sites[17]

研究區(qū)木里煤田江倉(cāng)礦區(qū)經(jīng)多年開采，在位于遺棄采礦坑南北兩側(cè)形成面積分別為73.10 hm2和31.23 hm2的露天排土場(chǎng)[18,20]，該排土場(chǎng)主要由腐植表土、風(fēng)化巖土、堅(jiān)硬巖石以及混合巖土、煤矸石、煤炭、凍土等組成。受降雨、降雪和凍融作用影響，該排土場(chǎng)極易發(fā)生坍塌，產(chǎn)生滑坡和泥石流等地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)象，這給當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)恢復(fù)和居民群眾開展牧業(yè)活動(dòng)構(gòu)成潛在威脅。因此對(duì)該區(qū)排土場(chǎng)開展植被恢復(fù)已成為該區(qū)生態(tài)保護(hù)的主要任務(wù)。

圖2 研究區(qū)廢棄采礦坑與南北兩側(cè)排土場(chǎng)邊坡位置分布圖(根據(jù)Li et al.[17]；本研究略作改動(dòng))Fig.2 Sampling spots in the tested site (Originated from reference [17] with slight remediation)

1.2 試驗(yàn)材料與試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在種植植物前，首先對(duì)區(qū)內(nèi)排土場(chǎng)按照分級(jí)放緩邊坡的原則進(jìn)行刷坡整形，待排土場(chǎng)邊坡處理完畢后，根據(jù)課題組前期所開展的區(qū)內(nèi)植被類型及分布特征調(diào)查結(jié)果，本研究篩選出垂穗披堿草(Elymusnutans)、星星草(Puccinelliatenuiflora)和冷地早熟禾(Poacrymophila)等3種優(yōu)勢(shì)草本作為生態(tài)恢復(fù)植物并開展種植、在此需說明的是，本研究制取試樣的礦區(qū)邊坡海拔高度、坡度等條件盡可能保持一致。

2018年8月，在研究區(qū)排土場(chǎng)按照不同坡向，即半陰半陽(yáng)坡(對(duì)照組)、陽(yáng)坡和陰坡確定采樣點(diǎn)。在制取試樣過程中，每處采樣位置隨機(jī)選取2～3個(gè)采樣點(diǎn)進(jìn)行采樣，采樣過程為：待采樣樣方(圓形樣方，直徑為30 cm)確定后，用鐵鎬將樣方周邊土挖松，然后用小鏟將挖松的土取出，只保留中間的土柱(高度為：30 cm)，最后用鐵鏟將土柱挖出，用木棍將土柱敲散，并對(duì)根系進(jìn)行采集。待根系試樣采集完畢后，立即用保鮮膜將試樣包裹以有效防止水分蒸發(fā)，并及時(shí)將試樣帶回實(shí)驗(yàn)室開展單根拉伸試驗(yàn)，具體試驗(yàn)過程根據(jù)文獻(xiàn)[10]進(jìn)行。最后，為確保試驗(yàn)數(shù)據(jù)的代表性和可靠性，本研究所開展的單根拉伸試驗(yàn)在每個(gè)取樣點(diǎn)均進(jìn)行61次重復(fù)。在此需要說明的是，本研究由于植物均為不同時(shí)間段種植，具體種植時(shí)間為2013，2014，2015，2016和2017年。本研究試樣采集時(shí)間為2018年，故植物生長(zhǎng)期分別為5，4，3，2和1 a。因此，制取植物根系試樣時(shí)，除按照取樣點(diǎn)和坡向采集以外，還按照草本植物生長(zhǎng)期進(jìn)行取樣，每個(gè)生長(zhǎng)期試樣重復(fù)2～3次。受試驗(yàn)樣本數(shù)量限制，本研究難以全面對(duì)比同一生長(zhǎng)時(shí)間條件下，不同坡向?qū)Υ顾肱麎A草根系抗拉特性指標(biāo)的影響，例如種植于半陰半陽(yáng)邊坡垂穗披堿草生長(zhǎng)期為1，4和5 a，而在區(qū)內(nèi)其它坡向中未采集到相對(duì)應(yīng)生長(zhǎng)期的試樣。基于以上實(shí)際情況，本研究所采用的分析方法為，首先對(duì)比同一生長(zhǎng)期條件下，生長(zhǎng)于陰坡和半陰半陽(yáng)坡的垂穗披堿草根系抗拉特性指標(biāo)；然后，對(duì)比生長(zhǎng)于陽(yáng)坡較短生長(zhǎng)期和生長(zhǎng)于半陰半陽(yáng)邊坡相對(duì)較長(zhǎng)生長(zhǎng)期條件下，垂穗披堿草根系抗拉特性的差異性。

1.3 單根拉伸試驗(yàn)與相關(guān)數(shù)據(jù)計(jì)算

本研究中，單根抗拉力FR通過單根抗拉試驗(yàn)獲得，其操作步驟為：設(shè)定拉伸標(biāo)距，在根系拉伸過程中，標(biāo)距始終為一定值(l)。待標(biāo)距設(shè)定完成后，將植物單根夾持于拉伸儀兩端，同時(shí)測(cè)定植物根系中部的根徑，進(jìn)行3次重復(fù)，取其平均值(D)，然后對(duì)植物根系進(jìn)行拉伸。在根系受到張拉時(shí)，與拉伸儀相連的數(shù)據(jù)記錄儀自動(dòng)記錄根系受到的拉張力和拉伸長(zhǎng)度。當(dāng)根系拉斷時(shí)，記錄的單根最大拉張力和拉伸長(zhǎng)度分別為單根抗拉力(FR)和極限拉伸長(zhǎng)度(Δl)。此外，在根系張拉時(shí)，為避免夾持部位對(duì)根系抗拉強(qiáng)度造成影響，僅選取斷裂發(fā)生于根系中部的根系為有效根系。當(dāng)單根抗拉試驗(yàn)完成后，通過公式(1)、(2)和(3)分別計(jì)算單根抗拉強(qiáng)度(tr)、極限拉伸應(yīng)變率(εr)和拉伸模量(Er)。

(1)

式中，tr為單根抗拉強(qiáng)度(MPa)；FR為單根斷裂時(shí)的抗拉力(N)；D為單根根徑(mm)。

(2)

式中，εr為單根極限拉伸應(yīng)變率(%)；Δl為單根在軸向拉力作用下的伸長(zhǎng)量(mm)；l為根系的夾持長(zhǎng)度(mm)。

(3)

式中，Er為單根拉伸模量或楊氏模量(MPa)。

1.4 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)方法

以采樣位置為自變量(Independent variables)，植物根徑、單根抗拉力、抗拉強(qiáng)度、極限拉伸應(yīng)變率和拉伸模量為響應(yīng)變量(Responsive variables)，通過單因素方差分析(ANOVA)，探討采樣位置對(duì)根系力學(xué)指標(biāo)的影響；然后分別以坡向和生長(zhǎng)期為自變量，以根徑、單根抗拉力、抗拉強(qiáng)度、極限拉伸應(yīng)變率和拉伸模量為響應(yīng)變量，探討坡向和生長(zhǎng)期對(duì)響應(yīng)變量的顯著(P<0.05)和極顯著性(P<0.01)影響。

2 結(jié)果與分析

2.1 取樣位置對(duì)植物根系抗拉指標(biāo)影響

表1所示為生長(zhǎng)在半陰半陽(yáng)邊坡不同位置處垂穗披堿草單根拉伸試驗(yàn)結(jié)果。由該表可知，單根平均根徑為0.16～0.21 mm，單根抗拉力為2.35～3.16 N，抗拉強(qiáng)度為88.16～245.46 MPa，極限拉伸應(yīng)變率為41.05%～55.51%，拉伸模量為185.40～514.69 MPa，其中，根徑和極限拉伸應(yīng)變率離差均較小(表2)，而抗拉強(qiáng)度和拉伸模量離差則相對(duì)較大(表2)。此外，對(duì)該表進(jìn)一步分析可知，除生長(zhǎng)期為4 a時(shí)抗拉強(qiáng)度在不同采樣點(diǎn)表現(xiàn)出極顯著性(P<0.01)差異外，其余各指標(biāo)均未表現(xiàn)出極顯著性差異，該結(jié)果表明，對(duì)照組邊坡在相同生長(zhǎng)期條件下，采樣點(diǎn)位置不同總體未導(dǎo)致植物根系力學(xué)特性各指標(biāo)產(chǎn)生極顯著性(P<0.01)差異。

如表3所示為種植于陽(yáng)坡的垂穗披堿草單根拉伸試驗(yàn)結(jié)果。由該表可知根徑為0.19～0.34 mm，單根抗拉力為2.61～3.52 N，抗拉強(qiáng)度為46.52～117.69 MPa，極限拉伸應(yīng)變率為39.89%～49.65%，拉伸模量為116.88～255.10 MPa。上述試驗(yàn)結(jié)果各指標(biāo)離差相對(duì)較大，為9.92%～ 60.47%，如表4所示。此外，對(duì)該表進(jìn)一步分析得到，對(duì)于種植于2015年的垂穗披堿草，其各指標(biāo)均存在顯著性(P<0.05)或極顯著性(P<0.01)差異，該結(jié)果說明生長(zhǎng)于陽(yáng)坡垂穗披堿草單根抗拉性指標(biāo)因采樣位置不同而產(chǎn)生差異性，造成該結(jié)果的主要原因可能與植物生長(zhǎng)環(huán)境有關(guān)，即盡管本研究中植物生長(zhǎng)環(huán)境(土質(zhì)、土壤營(yíng)養(yǎng)元素等)等條件基本一致，然而在植物種植后，由于受植物周圍生長(zhǎng)環(huán)境因素(溫度、水土流失、營(yíng)養(yǎng)元素組分)改變的影響，土壤含水率、土體密度和立地條件等均發(fā)生改變[12]，從而導(dǎo)致垂穗披堿草單根抗拉特性指標(biāo)值產(chǎn)生改變。

表1 研究區(qū)半陰半陽(yáng)坡面(對(duì)照組)垂穗披堿草根系抗拉特性指標(biāo)測(cè)定結(jié)果Table 1 Tensile mechanical indices of roots for E. nutants growing in north-south oriented slopes

表2 研究區(qū)半陰半陽(yáng)坡面(對(duì)照組)垂穗披堿草根系抗拉特性指標(biāo)離差計(jì)算結(jié)果Table 2 Deviation of tensile mechanical indices of roots for E. nutants growing in north-south oriented slopes

表3 研究區(qū)種植于陽(yáng)坡坡面的垂穗披堿草根系抗拉特性指標(biāo)測(cè)定結(jié)果Table 3 Tensile resistance indices of roots for E. nutants growing in sunny slopes

表4 研究區(qū)種植于陽(yáng)坡坡面的垂穗披堿草根系抗拉特性指標(biāo)離差計(jì)算結(jié)果Table 4 Deviation of tensile resistance indices of roots for E. nutants growing in sunny slopes

由表5和表6可知，除單根抗拉力和極限拉伸應(yīng)變存在極顯著性(P<0.01)差異外，其余指標(biāo)均不存在差異性，該結(jié)果表明生長(zhǎng)于陰坡的垂穗披堿草單根抗拉性指標(biāo)總體上未表現(xiàn)出因其采樣點(diǎn)位置不同而產(chǎn)生差異的特征，且其離差相對(duì)較小。區(qū)內(nèi)3種不同坡向邊坡中，在相同生長(zhǎng)期條件下，對(duì)照組邊坡和陰坡，垂穗披堿草根系抗拉特性指標(biāo)未表現(xiàn)出隨著采樣位置變化而發(fā)生顯著性變化的特征；但在陽(yáng)坡坡向中，抗拉力、抗拉強(qiáng)度、極限拉伸應(yīng)變率和拉伸模量等指標(biāo)，則表現(xiàn)出隨取樣位置變化而發(fā)生顯著性(P<0.05或P<0.01)變化的特點(diǎn)，造成不同坡向位置處植物單根抗拉特性指標(biāo)隨采樣點(diǎn)位置發(fā)生變化的原因除與前述營(yíng)養(yǎng)元素差異有關(guān)外，也可能與植物受到的光照因素有關(guān)，即陽(yáng)坡條件下植物受到光照相對(duì)較為充足，這在很大程度上促進(jìn)了植物根系生長(zhǎng)，從而提高了根系的抗拉能力；相應(yīng)地，生長(zhǎng)于對(duì)照組邊坡或陰坡植物，受到的光照相對(duì)較弱，造成垂穗披堿草生長(zhǎng)相對(duì)較緩慢，從而導(dǎo)致該植物根系抗拉能力表現(xiàn)出相對(duì)較弱的特性。

表5 研究區(qū)種植于陰坡坡面的垂穗披堿草根系抗拉特性指標(biāo)測(cè)定結(jié)果Table 5 Tensile resistance indices of roots for E. nutants growing in shady slopes

表6 研究區(qū)種植于陰坡坡面的垂穗披堿草根系抗拉特性指標(biāo)偏差計(jì)算結(jié)果Table 6 Deviation of tensile resistance indices of roots for E. nutants growing in shady slopes

2.2 生長(zhǎng)期對(duì)草本植物根系抗拉指標(biāo)的影響

圖3所示為垂穗披堿草根系抗拉性指標(biāo)與生長(zhǎng)期之間的關(guān)系。由該圖可知，在半陰半陽(yáng)邊坡中，植物根徑表現(xiàn)出隨著生長(zhǎng)期增加呈逐漸降低且各組間不存在極顯著性差異(P<0.01)的特征(圖3a)；單根抗拉力隨生長(zhǎng)時(shí)間增加則表現(xiàn)出遞增的變化特征，且生長(zhǎng)期為4 a和5 a的單根抗拉力間無顯著性差異(P=0.52)，而與生長(zhǎng)期為1 a的存在顯著(P<0.05)或極顯著性差異(P<0.01，圖3d)；對(duì)于單根抗拉強(qiáng)度、單根極限拉伸應(yīng)變率和拉伸模量，隨生長(zhǎng)時(shí)間增加，這3項(xiàng)指標(biāo)總體上均表現(xiàn)出增加的變化特征。其中，單根抗拉強(qiáng)度在不同生長(zhǎng)時(shí)間段均表現(xiàn)出極顯著性差異(P<0.01，圖3g)，極限拉伸應(yīng)變率在生長(zhǎng)時(shí)間為1 a和5 a以及1 a和4 a時(shí)不存在顯著性差異(圖3j)，而在4 a的和5 a的之間存在顯著性差異。

類似于對(duì)照組，對(duì)于生長(zhǎng)在陽(yáng)坡的植物，隨著生長(zhǎng)期增加，其根徑呈降低的變化特征，且存在極顯著性差異(P<0.01，圖3b)，而其他指標(biāo)則呈增加的變化規(guī)律；進(jìn)一步分析可知，單根抗拉力未表現(xiàn)出顯著性差異(P>0.05)，而抗拉強(qiáng)度(圖3e)、極限拉伸應(yīng)變率(圖3k)和拉伸模量(圖3n)則表現(xiàn)出顯著性差異(P<0.01)。對(duì)于生長(zhǎng)在陰坡的垂穗披堿草，其根徑為0.18 mm(圖3c)、單根抗拉力為2.30 N(圖3f)、單根抗拉強(qiáng)度為89.62 MPa(圖3i)、單根極限拉伸應(yīng)變率為43.11%(圖3l)、單根拉伸模量為225.06 MPa(圖3o)，且由于生長(zhǎng)期均為1 a，在此難以進(jìn)行比較與判斷；盡管如此，這方面的研究尚有待于進(jìn)一步地探討。

圖3 不同坡向條件下根系抗拉特性指標(biāo)與生長(zhǎng)期之間關(guān)系(左圖為半陰半陽(yáng)，中圖為陽(yáng)坡，右圖為陰坡)Fig.3 Relationship between tensile resistance indices and growth periods of root for E. nutans in different slope aspects (the left columns are control groups,the middle are sunny slopes and the right are shady slopes)

2.3 坡向?qū)Σ荼靖悼估匦灾笜?biāo)影響

如圖4a所示為生長(zhǎng)期為4 a條件下，分別種植于陰坡和半陰半陽(yáng)邊坡垂穗披堿草單根抗拉特性指標(biāo)的對(duì)比結(jié)果。由該圖可知，在相同生長(zhǎng)期條件下，生長(zhǎng)于半陰半陽(yáng)邊坡垂穗披堿草根徑、抗拉力、抗拉強(qiáng)度、極限拉伸應(yīng)變率和拉伸模量分別為0.18 mm、2.86 N、117.39 MPa、46.03%和290.19 MPa，總體上大于生長(zhǎng)于陰坡的垂穗披堿草相應(yīng)數(shù)值(陰坡為0.18 mm、2.31 N、89.63 MPa、43.11%和225.06 MPa)。該結(jié)果表明，生長(zhǎng)于半陰半陽(yáng)坡的垂穗披堿草各項(xiàng)指標(biāo)均大于陰坡，這在一定程度上反映出相對(duì)充足的光照可顯著提高垂穗披堿草根系抗拉力、抗拉強(qiáng)度和拉伸模量等指標(biāo)。此外，通過對(duì)比生長(zhǎng)于陽(yáng)坡生長(zhǎng)期為2 a和生長(zhǎng)于半陰半陽(yáng)邊坡生長(zhǎng)期為4 a垂穗披堿草根系抗拉特性指標(biāo)可知，生長(zhǎng)于陽(yáng)坡的垂穗披堿草根徑和抗拉力是半陰半陽(yáng)邊坡的1.83倍和1.03倍，而抗拉強(qiáng)度、極限拉伸應(yīng)變率和拉伸模量則分別為半陰半陽(yáng)邊坡的0.40倍、0.85倍和0.40倍(如圖4b所示)，該結(jié)果表明生長(zhǎng)于陽(yáng)坡的草本可有效提高其生長(zhǎng)指標(biāo)(根徑)和抗拉力，但同時(shí)亦可降低其抗拉強(qiáng)度、拉伸應(yīng)變率和拉伸模量等抗拉特性指標(biāo)值。

圖4 研究區(qū)生長(zhǎng)在半陰半陽(yáng)邊坡、陰坡與陽(yáng)坡的垂穗披堿草根系抗拉特性之間關(guān)系Fig.4 Comparison between tensile resistance indices of root for E. nutans planted in CK,shady and sunny slopes

3 討論

3.1 取樣位置對(duì)草本植物根系抗拉指標(biāo)影響

植物生長(zhǎng)的立地條件主要包括氣候、土壤、地形等3個(gè)方面，是影響植物生長(zhǎng)的重要因素[25-26]。由于垂穗披堿草種植區(qū)域面積相對(duì)有限，故種植區(qū)氣候條件基本相同。此外，種植層基質(zhì)均由煤礦開采剝離原表土層經(jīng)二次倒運(yùn)而成，故植物種植基質(zhì)理化生性質(zhì)基本相類似[13-15]，因此其土壤和立地條件亦基本相一致，唯一不同的因素為地形條件，即邊坡取樣位置和坡向。相關(guān)研究表明，不同立地條件可導(dǎo)致植物生長(zhǎng)指標(biāo)產(chǎn)生差異[24]。本研究表明生長(zhǎng)于半陰半陽(yáng)邊坡和陰坡的垂穗披堿草根徑、抗拉力、抗拉強(qiáng)度、極限抗拉應(yīng)變率和拉伸模量盡管在量值上存在差異性，但總體上并未表現(xiàn)出極顯著性差異(P<0.01，如表1和表5所示)，該結(jié)果說明，邊坡取樣位置的不同并未導(dǎo)致生長(zhǎng)于半陰半陽(yáng)邊坡和陰坡的垂穗披堿草根系抗拉特性指標(biāo)值產(chǎn)生極顯著性差異。

此外，與此不同的是，生長(zhǎng)于陽(yáng)坡的垂穗披堿草各指標(biāo)均表現(xiàn)出顯著(P<0.05)或極顯著性差異(P<0.01)。該結(jié)果表明盡管土壤和氣候條件基本一致，對(duì)于生長(zhǎng)于同一坡向的垂穗披堿草因其采樣點(diǎn)位置不同，其根系力學(xué)特性產(chǎn)生顯著和極顯著性差異。綜上所述，致使生長(zhǎng)于陰坡、半陰半陽(yáng)邊坡和陽(yáng)坡垂穗披堿草根系力學(xué)特性指標(biāo)，在不同采樣位置表現(xiàn)出不同的差異性的主要原因可能在于陰坡和半陰半陽(yáng)邊坡條件下，草本植物受到光照強(qiáng)度相對(duì)有限，加之區(qū)內(nèi)全年溫度相對(duì)較低[18,20-21]，每年僅有數(shù)月溫度條件適合植物生長(zhǎng)，使得植物生長(zhǎng)相對(duì)較為緩慢，造成植物生物量積累較少，從而導(dǎo)致植物根徑增加不顯著，而生長(zhǎng)于陽(yáng)坡的垂穗披堿草光照相對(duì)較足，生長(zhǎng)較為迅速，即使不同采樣位置較小的土壤理化生性質(zhì)的差異(如同一坡向，坡頂和坡腳處土壤含水量可能存在差異)，也會(huì)導(dǎo)致植物生長(zhǎng)指標(biāo)表現(xiàn)出較大的差異，例如本研究陽(yáng)坡條件下2個(gè)采樣點(diǎn)根徑離差(20.59%～44.12%)大于陰坡(5.26%)和半陰半陽(yáng)邊坡條件下根徑的離差(9.52%～23.81%)，變化幅度較大的根徑在一定程度上會(huì)導(dǎo)致其根系力學(xué)其它指標(biāo)表現(xiàn)出顯著或極顯著性差異。

3.2 生長(zhǎng)期對(duì)植物根系抗拉指標(biāo)影響

植物生長(zhǎng)時(shí)間是導(dǎo)致植物根系抗拉特性指標(biāo)產(chǎn)生差異的重要因素，隨著生長(zhǎng)時(shí)間增加，植物根徑呈逐漸增大的變化趨勢(shì)[22]。本研究中隨著生長(zhǎng)時(shí)間增加，植物根徑出現(xiàn)降低變化特征，其原因可能在于以下方面：在研究區(qū)全年較低的氣溫以及夏季晝夜溫差相對(duì)較大的因素作用下[18,20]，區(qū)內(nèi)土壤極易發(fā)生凍融循環(huán)，從而造成該區(qū)嚴(yán)重的土壤凍融侵蝕，加之，植物種植區(qū)人工堆積邊坡坡長(zhǎng)相對(duì)較長(zhǎng)且無遮蔽物，夏季在坡面徑流作用下，土壤營(yíng)養(yǎng)元素經(jīng)坡面徑流搬運(yùn)而發(fā)生流失，導(dǎo)致土壤養(yǎng)分虧缺，致使其后植物生長(zhǎng)因?yàn)轲B(yǎng)分虧缺而發(fā)生退化現(xiàn)象，從而導(dǎo)致后續(xù)年份中植物新生根系較細(xì)，進(jìn)而提高細(xì)根在總根系中的比例，使得測(cè)定的根徑隨生長(zhǎng)期增加出現(xiàn)降低的現(xiàn)象。此外，區(qū)內(nèi)全年氣溫相對(duì)較低[16]，植物生長(zhǎng)期相對(duì)較短，致使其生長(zhǎng)速率較低，故導(dǎo)致植物生長(zhǎng)量積累緩慢，垂穗披堿草種植后，邊坡土壤中可促進(jìn)植物生長(zhǎng)的養(yǎng)分在植物種植后因土壤侵蝕等因素而耗盡，使得植物發(fā)生退化，從而導(dǎo)致其根徑變細(xì)。

草本植物根系作為一種天然彈塑性材料，其變形包括彈性變形和塑性變形[10]，故拉伸模量應(yīng)采用割線模量(在公式(3)的基礎(chǔ)上，乘以0.4～0.7的折減系數(shù)以考慮根系的塑性變形)較為合適，但本研究并未采用割線模量，而是采用彈性模量的計(jì)算公式(公式3) 作為垂穗披堿草根系拉伸模量的計(jì)算公式，其原因在于不同植物根系其彈性模量和割線模量之間的相關(guān)系數(shù)相差甚遠(yuǎn)[23-24]；此外，植物在不同生長(zhǎng)階段，其單根抗拉特性指標(biāo)亦相差甚遠(yuǎn)，其原因在于隨生長(zhǎng)時(shí)間增加，植物根系木質(zhì)素、纖維素和半纖維素含量均不同。本研究結(jié)果表明，生長(zhǎng)時(shí)間愈長(zhǎng)，植物根系拉伸模量和極限拉伸應(yīng)變率均表現(xiàn)出增加的變化特征，但不同坡向處其增加幅度均不同(圖3)，這可能與植物根系木質(zhì)素、纖維素和半纖維素含量增加有關(guān)[7]。相關(guān)研究表明，植物生長(zhǎng)時(shí)間愈長(zhǎng)，其內(nèi)部木質(zhì)素含量愈高，而木質(zhì)素含量較高的植物根系拉伸模量則愈高，但不同坡向作用條件下，植物根系木質(zhì)素、纖維素和半纖維素是否存在差異尚不明確，需在今后的研究中做進(jìn)一步深入分析。

3.3 坡向?qū)χ参锔悼估匦灾笜?biāo)影響

坡向是影響植物生長(zhǎng)重要的地形因子之一，其主要通過影響土壤養(yǎng)分、水分、溫度和土壤微生物等生境條件改變植物生長(zhǎng)[25-28]。陽(yáng)坡通常受光照條件影響程度較強(qiáng)，具有較高的地溫，其蒸發(fā)相對(duì)強(qiáng)烈，故土壤濕度相對(duì)較低，而半陰半陽(yáng)邊坡和陰坡所受光照相對(duì)較弱，地溫相對(duì)較低，蒸發(fā)相對(duì)較小，故土壤濕度較大。土壤是植物生長(zhǎng)的物質(zhì)基礎(chǔ)，植物生長(zhǎng)發(fā)育和分布與不同坡面土壤特征存在密切關(guān)系[18]。植物生長(zhǎng)與其生存環(huán)境之間是一種相互協(xié)同進(jìn)化和適應(yīng)的關(guān)系，植物在不同坡向和立地條件下生長(zhǎng)特征會(huì)產(chǎn)生差異，亦會(huì)因生境不同而產(chǎn)生一些可塑性反應(yīng)[21]。本研究結(jié)果表明相較于取樣位置，坡向?qū)Υ顾肱麎A草根系抗拉特性指標(biāo)產(chǎn)生顯著性影響，即生長(zhǎng)于陽(yáng)坡生長(zhǎng)期為2 a垂穗披堿草根系根徑和單根抗拉力均高于生長(zhǎng)期相對(duì)更長(zhǎng)，且生長(zhǎng)于陰坡和半陰半陽(yáng)邊坡的垂穗披堿草，該結(jié)果反映出陽(yáng)坡相對(duì)較為充足的光照促進(jìn)了垂穗披堿草的生長(zhǎng)，這在一定程度上增加了垂穗披堿草根徑，提高了其單根抗拉力，從而有助于提高草本植物的固土護(hù)坡能力。陽(yáng)坡促進(jìn)植物護(hù)坡能力提高的機(jī)理可能在于陽(yáng)坡受到光照直射時(shí)間長(zhǎng)，使得土壤溫度相對(duì)較高[12]，從而促進(jìn)土壤微生物數(shù)量增加和活性提高，這可進(jìn)一步促進(jìn)植物根際土中營(yíng)養(yǎng)元素的供給，間接地起到促進(jìn)植物生長(zhǎng)的作用，因此這在很大程度上導(dǎo)致陽(yáng)坡植物根系相對(duì)較發(fā)達(dá)且根徑較粗，其結(jié)果則相應(yīng)地增加了根系的抗拉力。相比較而言，陰坡和半陰半陽(yáng)邊坡由于光照相對(duì)較弱，土壤溫度較低，根際微生物數(shù)量相對(duì)較少且活性相對(duì)較低，難以為植物生長(zhǎng)提供充足的養(yǎng)分，從而導(dǎo)致生長(zhǎng)于陰坡或者半陰半陽(yáng)邊坡的植物根徑相對(duì)較細(xì)以及抗拉力相對(duì)較低的結(jié)果。

植物根徑粗細(xì)和數(shù)量作為體現(xiàn)植物地下部分生物量的2個(gè)基本指標(biāo)，在一定程度可反映其護(hù)坡能力[4，22]。本研究未進(jìn)一步深入探討坡向等因子對(duì)植物根系數(shù)量的影響，而是主要分析了根系抗拉特性指標(biāo)值對(duì)坡向的響應(yīng)。由本研究結(jié)果可知，區(qū)內(nèi)陽(yáng)坡草本植物具有相對(duì)較粗的根徑(如圖3所示)，這與生長(zhǎng)于陽(yáng)坡植物具有較高的生物量基本相一致[18]；除此以外，本研究亦發(fā)現(xiàn)種植于半陰半陽(yáng)邊坡植物具有較高的單根抗拉強(qiáng)度(如圖3和圖4所示)，造成該結(jié)果的原因可能在于生長(zhǎng)于陽(yáng)坡的植物因接受光照相對(duì)較強(qiáng)，其根系生長(zhǎng)相對(duì)較快，導(dǎo)致根徑增加速率超過抗拉力增加速率，從而造成其單根抗拉強(qiáng)度相對(duì)較小，而生長(zhǎng)于半陰半陽(yáng)坡植物因接受光照條件相對(duì)有限，其根徑增長(zhǎng)速率相對(duì)滯后于其抗拉力，從而導(dǎo)致其單根抗拉強(qiáng)度相對(duì)較大，而生長(zhǎng)于陰坡的植物由于接受相對(duì)更為有限的光照，其根徑和抗拉力增加速率表現(xiàn)出相對(duì)更為緩慢的特征，導(dǎo)致其單根抗拉強(qiáng)度相對(duì)較低(如圖4b所示)。同樣地，對(duì)于單根極限拉伸應(yīng)變率，種植于陽(yáng)坡的植物略微大于對(duì)照組和陰坡，該結(jié)果說明陰坡相對(duì)較低的溫度和較弱的光照條件導(dǎo)致垂穗披堿草根系生長(zhǎng)緩慢，造成其拉伸變形能力或延展性不足；對(duì)于單根拉伸模量，對(duì)照組邊坡最大而陽(yáng)坡最小，該結(jié)果說明了生長(zhǎng)于半陰半陽(yáng)邊坡的垂穗披堿草根系抵抗變形能力最為顯著，而種植于陽(yáng)坡的垂穗披堿草根系抵御拉伸變形能力最弱，該順序與極限拉伸應(yīng)變率的結(jié)果表現(xiàn)出不一致性，這在一定程度上反映出了陽(yáng)坡可促進(jìn)植物根系生長(zhǎng)，從而使得植物根徑亦得到增加，而根徑愈粗的植物其變形能力愈弱，故拉伸模量亦表現(xiàn)出愈弱的特征。

4 結(jié)論

研究區(qū)生長(zhǎng)于半陰半陽(yáng)邊坡和陰坡的垂穗披堿草根系抗拉特性指標(biāo)，在不同取樣點(diǎn)未表現(xiàn)出顯著性差異；種植于陽(yáng)坡的垂穗披堿草根系各指標(biāo)除根徑以外，均表現(xiàn)出顯著性差異；隨生長(zhǎng)時(shí)間增加，生長(zhǎng)于半陰半陽(yáng)坡和陽(yáng)坡的垂穗披堿草，其抗拉力、抗拉強(qiáng)度、極限拉伸應(yīng)變率和拉伸模量等抗拉特性指標(biāo)則呈增加的變化特征；種植于半陰半陽(yáng)邊坡的垂穗披堿草根徑、抗拉力、抗拉強(qiáng)度、極限拉伸應(yīng)變率和拉伸模量均大于陰坡，生長(zhǎng)于陽(yáng)坡的垂穗披堿草根徑和抗拉力均大于半陰半陽(yáng)坡，而其余各指標(biāo)則表現(xiàn)出不一致的變化特征。