黃河源區(qū)六種草本植物根系抗拔力特征及其影響因素研究

王 程，胡夏嵩，劉昌義*，李希來，付江濤，盧海靜，趙吉美，邢光延，何偉鵬，楊馥鋮，李國榮

(1.青海大學地質(zhì)工程系，青海 西寧 810016；2.青海大學農(nóng)牧學院，青海 西寧 810016；3.青海大學農(nóng)林科學院，青海 西寧 810016)

近年來，受全球氣候變暖等因素影響，黃河源區(qū)高寒草地出現(xiàn)不同程度退化現(xiàn)象，給源區(qū)生態(tài)環(huán)境帶來一定程度影響和潛在危害[1]。2018年青海境內(nèi)退化草地總面積為3 131.04×104hm2,占全省天然草地總面積的74.70%[2]。草地退化導致土壤根系含量減少，降低土體強度，使植物和土壤更易受到侵蝕，加劇了水土流失、淺層滑坡等地質(zhì)災害的發(fā)生[3]。多年來，國內(nèi)外學者對草地退化成因、機理及防治措施等方面開展研究[4-13]，指出科學有效防治黃河源區(qū)草地退化，保護源區(qū)草地生態(tài)環(huán)境刻不容緩[13-15]。

已有研究表明，植物根系可對周圍土體起到加筋和錨固作用[16]。其影響因素表現(xiàn)為根系數(shù)量、根系方向、根系抗拔力、根系抗拉強度及根-土相互作用，其中植物根系抗拔力可作為評價植物固土作用的重要指標[16-18]。國內(nèi)外學者在植物根系原位抗拔力方面開展了大量試驗研究，李本鋒等[19]對黃河源區(qū)不同水文期護岸植物根系開展原位拉拔試驗，指出華扁穗草(BlysmussinocompressusTang et Wang)、線葉嵩草(Kobresiacapillifolia(Decne.)C.B.Clarke)和金露梅(PotentillafruticosaL.)3種優(yōu)勢植物根系抗拔力隨根徑增大呈冪函數(shù)增加；周林虎等[20]對西寧盆地黃土區(qū)生長期為3年的檸條錦雞兒(CaraganakorshinskiiKom.)、中寧枸杞(LyciumbarbarumL.)、白刺(NitrariatangutorumBor.)和霸王(Zygophyllumxanthoxylon(Bunge)Maxim.)4種灌木開展原位拉拔試驗，得到4種灌木根系抗拔力與根長、根數(shù)之間呈正相關(guān)函數(shù)關(guān)系；Lai等[21]通過對生長期為4年的20株雨樹(SamaneasamanMerr.)進行原位拉拔試驗，得到雨樹抗拔力與其根系尺寸、根徑和冠幅之間呈正相關(guān)關(guān)系；Xu等[22]通過對生長期為18個月的香根草(Vetiveriazizanioides(L.)Nash)進行原位拉拔試驗，得到植物抗拔力隨著根長增加而增大。

綜上所述，已有研究多是考慮單一因素條件下，開展植物根徑、根數(shù)和根長等因素對抗拔力影響，鮮有涉及土體物理性質(zhì)、植物根-土相互作用等多種因素耦合作用對植物根系抗拔力影響的研究。基于此，本研究以黃河源區(qū)高寒草地為研究區(qū)，在現(xiàn)場調(diào)查和取樣基礎(chǔ)上，對區(qū)內(nèi)草本植物根系特征、土體物理性質(zhì)、緊實度、含根量、根-土復合體黏聚力和單根抗拉強度等因素進行研究，采用多因素耦合方式探討其對植物根系抗拔力影響及作用程度。該研究結(jié)果對有效防治黃河源區(qū)高寒草地退化引發(fā)水土流失、土壤侵蝕、淺層滑坡等災害，具有理論研究價值和實際指導意義。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于青海黃南州河南縣特根塘試驗區(qū)，試驗區(qū)地理坐標為101°28′E，34°51′N，平均海拔為3 580 m。區(qū)內(nèi)為高原大陸性氣候，屬高原亞寒帶濕潤氣候區(qū)，年均氣溫為9.2℃～14.6℃，年均降雨量為597.1～615.5 mm，年均蒸發(fā)量為1 349.70 mm[23]。河南縣東西長127.67 km，南北寬94.36 km，面積為6 997.45 km2，特根塘試驗區(qū)離縣城約18 km，交通條件較為便利[24]。另外，特根塘試驗區(qū)處于山前沖洪積平原，地形平坦，土體類型為砂類土，草地類型為以嵩草為主的高寒草甸型草地，區(qū)內(nèi)植物主要包括矮嵩草(KobresiahumilisK.)、高山嵩草(KobresiapygmaeaC.B.Clarke.)、紫花針茅(StipapurpureaGriseb.)、溚草(Koeleriacristata(L.)Pers)、冷地早熟禾(PoacrymophilaKeng.)、垂穗披堿草(ElymusnutansGriseb.)及細葉亞菊(AjaniatenuifoliaTzvel.)、風毛菊(SaussureajaponicaDC.)、麻花艽(GentianastramineaMaxim.)、黃花棘豆(OxytropisochrocephalaBunge.)等[25]。

1.2 試驗材料

野外調(diào)查與取樣工作于2020年8月開展。試驗區(qū)草地處于同一草場，其地形、土壤和植物生長環(huán)境條件基本一致。根據(jù)區(qū)內(nèi)草地植物生長狀況，篩選出6種優(yōu)勢草本植物為試驗供試種，即分別為：矮嵩草、高山嵩草、紫花針茅、溚草、冷地早熟禾、垂穗披堿草。野外調(diào)查結(jié)果表明，所選6種植物在區(qū)內(nèi)地表分布均勻，物種間相互混生，未出現(xiàn)明顯集中區(qū)域。本研究隨機在試驗區(qū)不同位置選擇6種植物進行原位拉拔試驗，并在該位置設(shè)置取樣點制取6種優(yōu)勢植物生長區(qū)土體密度、含水率試樣和根-土復合體直接剪切試樣，并及時帶回實驗室開展室內(nèi)相關(guān)試驗。本研究中，在野外試驗區(qū)每種植物設(shè)置3個取樣點，取樣深度為地表以下0～10 cm處，每個取樣點制取1組4個根-土復合體直剪試樣(同時作為密度試樣)和2個含水率試樣。

1.3 試驗方法

1.3.1原位拉拔試驗 采用型號為HP-300數(shù)顯式推拉力計(最大負荷值為300 N，精度為0.1 N)進行植物根系原位拉拔試驗。試驗過程中首先將拉力儀一端夾持植株根系近地表部分，然后沿豎直方向向上緩慢勻速拉拔，待試樣根系全部拉拔出土壤后，儀器自動記錄根系拔出時的最大拉拔力，試驗儀器及原位拉拔試驗過程如圖1所示。本研究中每種植物分別取40株進行原位拉拔試驗，待試樣完全拉出后拆卸根系試樣并統(tǒng)計拔出的植物根的數(shù)量，采用卷尺統(tǒng)計每個根的根長，采用游標卡尺統(tǒng)計每個根的根徑，并分別計算其平均根長和平均根徑。

圖1 研究區(qū)6種草本植物原位拉拔試驗及其試驗過程

1.3.2土體物理性質(zhì)指標測定 本研究根據(jù)《土工試驗方法標準》(GB/T 50123-2019)，采用環(huán)刀法測得土體天然密度，采用烘干法測得土體含水率。

土體緊實度試樣采用FieldScout SC 900土壤緊實度測量儀進行測量，試驗過程如圖2所示，將土壤緊實度儀探頭緩慢勻速插入土壤中直至地表以下20 cm處，插入過程中儀器按2.5 cm深度間隔自動記錄所受壓力值，并換算成緊實度值，測量完成后緩慢拔出測量儀讀取緊實度值，每種植物生長區(qū)土體測得10組數(shù)據(jù)。

圖2 研究區(qū)6種草本植物生長區(qū)土體緊實度試驗過程

1.3.3單根拉伸試驗和根-土復合體直剪試驗 本研究過程中，對區(qū)內(nèi)6種草本進行現(xiàn)場制取植物根系試樣，將每種植物完整挖出，將根土復合體放入密封袋中，并及時帶回實驗室進行單根拉伸試驗。室內(nèi)試驗過程中，采用電子萬能試驗機(最大負荷5 kN，精度為0.01 N)，設(shè)置好單根拉伸試驗的各項參數(shù)(標距為20 mm、拉伸速率為20 mm·min-1)，通過單根拉伸試驗得到6種植物單根抗拉力，測量單根根徑后根據(jù)公式(1)計算其單根抗拉強度，每種植物進行60次單根拉伸試驗。

單根抗拉強度計算公式為：

(1)

(1)式中：P為單根抗拉強度，單位為MPa；F為單根最大抗拉力，單位為N；D為根系的直徑，單位為mm。

與此同時，在區(qū)內(nèi)每種植物生長區(qū)域分別制取3組直剪試樣(每組4個根-土復合體試樣)，并及時帶回實驗室，采用南京土壤儀器，有限公司生產(chǎn)的ZJ型應(yīng)變控制式直剪儀分別在50，100，200，300 kPa垂直壓力作用下進行直剪試驗，得到6種不同植物其根-土復合體抗剪強度指標粘聚力c值和內(nèi)摩擦角φ值。待直剪試驗結(jié)束后，將試樣放入土工篩中用水浸泡，待試樣土體吸水變軟后，再用清水將試樣中土顆粒全部沖走而留下根系，將根系烘干稱取干質(zhì)量，得到復合體試樣中的含根量。含根量的具體計算公式為：

(2)

(2)式中，mr為根-土復合體試樣含根量，單位為mg·cm-3；ms為根-土復合體試樣所含干根質(zhì)量，單位為mg；V為根-土復合體試樣體積，計算時采用每組4個試樣的總體積，即為240 cm3。

1.3.4數(shù)據(jù)分析 本項研究采用Excel軟件進行數(shù)據(jù)整理與分析，并使用SPSS 22.0軟件進行單因素方差分析和相關(guān)性分析，顯著性水平為P<0.05，用Origin 2021軟件進行繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 6種草本植物試驗結(jié)果

2.1.16種草本植物根系抗拔力及其根系生長量指標特征 如表1所示為區(qū)內(nèi)6種草本植物平均抗拔力及根徑、根數(shù)和根長試驗統(tǒng)計結(jié)果。6種草本植物根系抗拔力由大至小依次為矮嵩草(46.50 N)、高山嵩草(37.50 N)、紫花針茅(28.99 N)、垂穗披堿草(27.42 N)、溚草(18.50 N)、冷地早熟禾(16.45 N)；其中，矮嵩草和高山嵩草平均抗拔力顯著大于其他4種草本(P<0.05)，矮嵩草抗拔力(46.50 N)相對于紫花針茅抗拔力(28.99 N)增大17.51 N，其增加幅度為60.40%。此外，區(qū)內(nèi)6種草本平均抗拔力相對最大的矮嵩草，其根數(shù)和根長均顯著大于其他5種草本(P<0.05)，且根徑亦僅較溚草小，其平均根徑、根數(shù)和根長分別為0.30 mm，6.55根，4.32 cm。

表1 研究區(qū)6種草本植物平均抗拔力與根徑、根數(shù)和根長試驗統(tǒng)計結(jié)果

2.1.2土體物理性質(zhì)指標、含根量和緊實度測定結(jié)果及其特征 研究區(qū)6種草本生長區(qū)土體密度較為接近，由于區(qū)內(nèi)草地土體中植物根系較發(fā)育，土體中根系含量多而土顆粒含量相對少，其密度均低于1 g·cm-3，土體密度由大至小依次為矮嵩草、溚草、高山嵩草、紫花針茅、冷地早熟禾、垂穗披堿草生長區(qū)土體(表2)。區(qū)內(nèi)6種草本生長區(qū)土體含水率由大至小依次為垂穗披堿草、高山嵩草、矮嵩草、冷地早熟禾、紫花針茅、溚草，且含水率之間差異不顯著。此外，區(qū)內(nèi)6種草本植物其根-土復合體試樣中，矮嵩草復合體含根量最高為12.11 mg·cm-3，垂穗披堿草和紫花針茅次之，均為11.06 mg·cm-3，高山嵩草、冷地早熟禾和溚草其含根量相對較低，分別為5.37，3.19和2.03 mg·cm-3。區(qū)內(nèi)6種草本生長區(qū)土體緊實度在地表以下0～20 cm處，其平均值由大至小依次為紫花針茅、高山嵩草、矮嵩草、垂穗披堿草、冷地早熟禾、溚草。

表2 研究區(qū)6種草本植物土體物理性質(zhì)指標和含根量試驗結(jié)果

如圖3所示為區(qū)內(nèi)6種草本植物生長區(qū)土體緊實度試驗結(jié)果。6種草本生長區(qū)其土體緊實度在地表以下2.5～5 cm處出現(xiàn)最大值，在地表以下12.5 cm處出現(xiàn)最小值。結(jié)合野外試驗區(qū)地表以下土體結(jié)構(gòu)分析可知，區(qū)內(nèi)土體緊實度在地表以下2.5～5 cm處出現(xiàn)最大值,其主要原因在于，該深度為植被根系密集分布層，相互緊密纏繞的根系一定程度阻擋探針刺入，當探針刺穿該根系密集層后，緊實度值呈逐漸降低的特征，而在12.5 cm深度以下土體緊實度增加則歸因于隨著深度增加其土體密度逐漸增大所致。

圖3 研究區(qū)6種草本植物生長區(qū)土體緊實度隨深度變化關(guān)系

2.1.3單根拉伸試驗結(jié)果及其特征 區(qū)內(nèi)6種草本平均單根抗拉力由大至小依次為溚草、垂穗披堿草、冷地早熟禾、矮嵩草、高山嵩草、紫花針茅，其平均單根抗拉強度由大至小為垂穗披堿草(135.89 MPa)、冷地早熟禾(115.21 MPa)、矮嵩草(40.55 MPa)、紫花針茅(31.22 MPa)、高山嵩草(28.46 MPa)、溚草(28.34 MPa)；其中，垂穗披堿草和早熟禾其平均抗拉強度顯著大于其他4種草本(P<0.05)，垂穗披堿草平均抗拉強度(135.89 MPa)相對于矮嵩草平均抗拉強度(40.55 MPa)增大95.34 MPa，其增加幅度為235.12%(表3)。

表3 研究區(qū)6種草本植物單根拉伸試驗結(jié)果

如圖4所示為區(qū)內(nèi)6種草本植物平均抗拉力與根徑之間的關(guān)系曲線。6種草本植物均表現(xiàn)出隨著根徑增加，其平均抗拉力亦逐漸增大的變化規(guī)律，且平均抗拉力與根徑之間符合指數(shù)函數(shù)正相關(guān)關(guān)系。由圖5可知，本研究中6種草本其平均抗拉強度與根徑間呈冪函數(shù)負相關(guān)關(guān)系，即表現(xiàn)為隨著根徑增加，平均抗拉強度呈逐漸減小的變化趨勢。

圖4 研究區(qū)6種草本植物單根抗拉力與根徑之間的關(guān)系曲線

圖5 研究區(qū)6種草本植物單根抗拉強度與根徑之間的關(guān)系曲線

2.1.4根-土復合體抗剪強度特征 如表4所示為區(qū)內(nèi)6種草本植物根-土復合體直剪試驗結(jié)果。6種草本植物根-土復合體的黏聚力c值由大至小依次為垂穗披堿草、冷地早熟禾、高山嵩草、矮嵩草、紫花針茅、溚草，即垂穗披堿草和冷地早熟禾根-土復合體的平均黏聚力c值顯著大于其他4種草本(P<0.05)，其中垂穗披堿草根-土復合體的黏聚力c值最大，為21.57 kPa，較溚草增加20.61 kPa。

表4 研究區(qū)6種草本植物根-土復合體試樣直剪試驗結(jié)果

2.2 6種草本植物根系抗拔力影響因素分析

區(qū)內(nèi)6種草本其根徑、根數(shù)、根長與抗拔力間呈顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.05)，其中，根徑與抗拔力間的相關(guān)系數(shù)(R)為0.881，根數(shù)與抗拔力間的相關(guān)系數(shù)(R)為0.727，根長與抗拔力間的相關(guān)系數(shù)(R)為0.969(表5)。由表5還可知，區(qū)內(nèi)6種草本生長區(qū)土體密度、緊實度、含根量和根-土復合體黏聚力與抗拔力間呈正相關(guān)關(guān)系，其相關(guān)系數(shù)(R)分別為0.644，0.193，0.649，0.150。單根抗拉強度、土體含水率與抗拔力之間呈負相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)(R)分別為-0.488和-0.322。

表5 研究區(qū)6種草本植物根系抗拔力影響因素Pearson相關(guān)分析結(jié)果

3 討論

國內(nèi)外學者在有關(guān)植物根系抗拔力原位試驗方面開展了大量研究。胡夏嵩[26]對種植于青藏鐵路沱沱河段路基邊坡，生長期為5年的垂穗披堿草(ElymusnutansGriseb.)進行野外拉拔試驗，結(jié)果表明植物根系抗拔力與須根數(shù)量、根徑等呈正相關(guān)關(guān)系。周霞[27]采用原位拉拔試驗分析影響紫花苜蓿(MedicagosativaL.)根系拉拔力的因素，得到其根系抗拔力隨著根徑、根長的增加而增大。王桂堯等[28]對生長于湖南長沙地區(qū)，生長期為1年的濕地松(PinuselliottiEngelm.)進行原位拉拔試驗，指出隨著土壤含水率增加，其抗拔力表現(xiàn)出單調(diào)遞減或先增大后減小的變化趨勢。Norris J N[29]通過對英國東南部地區(qū)生長的英國櫟(QuercusroburL.)和單子山楂(CrataegusmonogynaJacq.)進行原位拉拔試驗，評價了根系潛在固土能力，指出植物根系抗拔力隨著根徑增加而增大。本研究所得到的區(qū)內(nèi)6種草本抗拔力與其根徑、根長和根數(shù)之間呈正相關(guān)關(guān)系，與土體含水率間則呈負相關(guān)關(guān)系的研究結(jié)論，與上述學者的研究結(jié)論基本一致。

本研究中，植物通過根系與土體之間的結(jié)合作用來抵抗植物拉拔作用的過程，具體表現(xiàn)為：當植物受到拉力作用時，植物通過深扎在土壤中的根系提供抗拉力，其所具有的抗拉力與植物根系自身生長特性有關(guān)，表現(xiàn)為根徑愈大、根數(shù)愈多、根長愈長，其與土體間的結(jié)合程度亦愈大，表現(xiàn)出具有相對較大的抗拔力[20,26]；此外，土體密度、緊實度愈大，則根系與土體間的結(jié)合程度亦愈強，提供給根系與土體之間的摩擦力亦愈大，進而起到抵抗拉拔的作用[29-32]，而土體含水率增大則起到潤滑作用，并一定程度降低根系與土體間的摩擦力[28]。本研究通過開展試驗區(qū)原位拉拔試驗和對比分析，結(jié)果表明區(qū)內(nèi)6種草本植物中，矮嵩草和高山嵩草為該區(qū)原生草地優(yōu)勢植物種，這2種植物根系相對較發(fā)達，其抗拔力亦相對較大；相應(yīng)地，區(qū)內(nèi)禾本科植物垂穗披堿草、早熟禾及數(shù)量相對較少的紫花針茅和溚草等植物種，植物根徑、根數(shù)等指標表現(xiàn)出相對不及原生草地矮嵩草和高山嵩草，因此在原位拉拔試驗過程中所提供的抗拔力亦相對不及前者，在受到地表拉拔作用時，其根系相對于前兩種易于被拔出，結(jié)果使其表現(xiàn)出根-土之間的摩擦力相對不及前者顯著。

4 結(jié)論

研究區(qū)6種草本根系抗拔力由大至小依次為矮嵩草(46.50 N)、高山嵩草(37.50 N)、紫花針茅(28.99 N)、垂穗披堿草(27.42 N)、溚草(18.50 N)、冷地早熟禾(16.45 N)，表明原生草地優(yōu)勢植物矮嵩草和高山嵩草，表現(xiàn)出具有相對更大抗拔力特性，對有效防治區(qū)內(nèi)草地退化以及水土流失、抵抗土壤侵蝕等方面起到顯著性作用；禾本科植物例如垂穗披堿草、冷地早熟禾其根-土復合體黏聚力c值相對較大，則在增強土體黏聚力方面表現(xiàn)出顯著作用。因此，結(jié)合上述不同植物特征，有助于優(yōu)勢草本植物種篩選和開展植被恢復試驗，并對有效防治黃河源區(qū)原生草地植物退化現(xiàn)象，以及恢復源區(qū)草地生態(tài)和提高草地抵抗土壤侵蝕和退化的能力，具有重要理論研究價值和實際指導意義。