黃荊根系在風化巖石邊坡上的錨固研究

張 丞，李紹才，孫海龍，3，龍 鳳，羅龍皂，蘆荻秋，王云翔

(1.四川大學水利水電學院，四川成都610065;2.四川大學生命科學院，四川成都610064;3.四川省勵自生態技術有限公司，四川成都610031;4.西南大學資源環境學院，重慶400715)

1 黃荊根系邊坡的錨固作用

在中國西南地區，黃荊是人工石質邊坡自然恢復過程中常見的木本先鋒物種，這一物種在這一地區石質邊坡的坡面生態工程中得到了廣泛應用。但筆者發現，在不同的石質邊坡上仍然有很多失敗的案例，比如暴風雨后，一些基巖相對完整的邊坡上栽植了幾年的黃荊被連根拔起。根的錨固作用主要取決于根系的特性，比如根的布局和抗拉強度。這一地區石質邊坡的坡面生態工程人工覆土層較淺薄(一般在15 cm以下)，堅硬的基巖平面經常限制根的垂直生長。我們推測，淺層土壤下基巖的性質(如風化程度)影響根系的布局，也影響黃荊的錨固阻力。因此，這里研究在不同風化巖質邊坡上黃荊根系的錨固特征。

根系錨固測定的一個難點是實際力的施加問題。筆者觀察到黃荊的傾倒集中于沿坡向下，因此，一個沿坡向下的橫向位移(把植物拉倒)可能更能模擬自然的機械力。因此選擇了不同風化程度石質邊坡的坡面生態工程上的黃荊進行了拉倒試驗。該研究的目的，一是了解黃荊根系在不同風化程度邊坡上的生長分布;二是分析基巖風化程度對黃荊根系錨固阻力的影響。我們希望這些研究能對該地區石質邊坡坡面生態工程的穩定性有所幫助。

2 材料與方法

2.1 試驗地介紹

試驗于中國西南地區成都境內龍泉山脈的3個石質邊坡上(邊坡特征見表1)進行，事先對這3個邊坡進行了坡面生態工程建設。它們的地理位置均位于北緯30°38'，東經104°29'，海拔高度在234～256 m。該地區屬亞熱帶季風氣候，年平均氣溫16.3℃，最熱月(7月)平均氣溫25.8℃，最冷月(1月)平均氣溫5.6℃，年平均降水量1 146.5 mm。

筆者查閱了1996年對這3個邊坡進行防護時的勘查資料，對這三個邊坡巖石的風化程度進行了定性及定量描述(表1)。

表1 中國西南部龍泉山脈3個邊坡的巖石特征參數和風化程度指標

這3個邊坡的坡面生態工程方式為混凝土框格植被護坡。框形單元的面積為16 m2。框架內填入含有植物種子和植物纖維的壤土，土層厚度為12 cm。植物種子為采收的野生黃荊種子(播種量為3 g/m2)與草種(狗牙根，播種量為2 g/m2;高羊茅，播種量6 g/m2)的混合。

經過8年的演替，最早建植的狗牙根和高羊茅已幾乎被鄉土植物代替，播種的黃荊依然存在，而且長勢較好，但每個框格內僅有3～5株。

2.2 拉拔試驗

在每個邊坡隨機選擇12個框格，每個框格選擇位于中央的1株黃荊進行試驗，因此共有36株黃荊進行試驗，所選黃荊的株高和基莖列于表2。這樣共有來自強風化、弱風化和微風化三個邊坡上的36株植株進行試驗。將每個邊坡上的12株植株分為4個試驗，每個試驗采取不同處理:第一個試驗不進行任何處理，作為對照直接拉倒;第二個試驗將土層人工澆水至飽和，穩定24 h后試驗;第三個試驗將下坡向的土層清除，僅保留基莖周圍5 cm范圍內的土壤，并用鏟子將下坡向的側根沿土壤剖面全部鏟斷;第四個試驗將土壤層用手工清除，使根系完全暴露，僅保留基莖周圍5 cm范圍內的土壤。

實驗時將樹干從地面上30 cm砍掉，應用一個機動絞盤(型號為DF2000—5，上海，中國)，有5 kN最大的強度功率。絞盤安置在坡底錨入地面的鋼釬上，纜索在試驗之初保持與坡面水平(圖1)。纜索附件的高度為離土層面5 cm，每棵樹的高度都相同。由安裝在絞盤和目標樹中間的力的傳感器來測定施加到目標樹木的張力，并用數據記錄器(型號Almemo2290－8，Ahlborn，德國)每1 s記錄一次。為了測定在吊起試驗中主干的偏轉角，在莖基部安裝了一個傾角器。角的測定由另一個同樣的數據記錄器每1 s進行記錄，與傳感器錄入器同步進行。為防止拉拔時滑動，將莖干的皮除去，用石棉布包住，然后用一金屬夾夾住，金屬夾依據灌木地徑的大小可以調節。以10°min－1的速度施加扭力，觀察根的運動及樹的旋轉中心，計算最大傾覆力矩。在拔起后，仔細尋找斷裂的根或者其它機械破壞的現象。

表2 用于拉拔試驗的黃荊特征，數據為平均值加標準差

2.3 根系測量

分為上坡向與下坡向，統計根系的數量和長度(從生長點到根尖的距離)，用游標卡尺測量它們在接近著生點處較均勻的一段的直徑。根系分別測量重量(在70℃下干燥直到衡重)。也統計扎入巖體裂隙中的根系數量、在裂隙中的長度及根系在基巖平面處的直徑。

2.4 數據分析

所有數據都輸入SPSS軟件，用ANOVA來計算研究中所出現的參數。

圖1 實驗裝置示意

3 結果

3.1 根系的生長與分布

在三種邊坡上，所有黃荊的主根發育較差，在長度超過10 cm后就迅速變細變短了，但具有發達的一級側根，它們從接近根頸的直根部分萌發向四周輻射生長。

每株黃荊都有部分二級側根下垂扎入巖石裂隙中，沒有發現一級側根下垂扎入的現象。扎入裂隙中的根系表現出了極大的變形，尤其在那些裂隙寬度比根在基巖平面處的直徑小的區域，根系在裂隙內部呈扁平狀，而不是像外部根系接近圓形。

對不同坡面黃荊根系指標進行了比較(表3)。一級側根在微風化邊坡上具有較高的重量和長度，但數量和直徑沒有發現顯著的差異。微風化邊坡上，二級側根的數量和重量要顯著高于其他邊坡。扎入強風化邊坡巖石裂隙中的二級側根數、在裂隙中的長度及在基巖平面處的直徑要高于其他邊坡。

表3 黃荊的根系指標

三種生境條件下，黃荊的上坡向一、二級側根的數量及根系的總重量略高于下坡向，但差異沒有達到顯著水平(表4)。

表4 上坡向與下坡向側根數量及重量對比

3.2 根系的錨固與斷裂

在微風化巖石邊坡上，試驗4中清除土層的3株黃荊的拔起試驗全部失敗了，因為纜索剛拉直，植株就發生了傾翻。因此，在后面的結果中都不再報道關于微風化邊坡上的試驗4。在所有風化邊坡上都沒有發生莖被拉斷的現象。當黃荊完全被拉倒后，扎入上坡向巖石裂隙中的二級側根被完全拉斷，下坡向的根沒有斷裂的情況發生。巖石裂隙中二級側根的斷點多數在基巖平面附近。

在試驗1、試驗2中的植株被拉倒后，只在上坡向的土體中可以發現斷裂后殘留的根系，包括一級側根和二級側根，但僅限于細小的根尖部位，而下坡向土體中的根系沒有斷裂發生。從試驗4(強、中)的試驗可以觀察到，當傾倒進行時，雖然有扎入上坡向裂隙中的二級側根單獨斷裂情況發生，但傾覆力矩隨著位移變化還是逐漸增加，達到一個最大值。一旦有較多的二級側根同時斷裂，傾覆力矩就明顯下降了(圖2)。不同坡面及不同的試驗處理，傾覆力矩和位移曲線形狀的記錄有相同模式。

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試驗1、試驗2和試驗3對最大傾覆力矩有不同程度的影響(表5)。無論怎樣處理的試驗，最大傾覆力矩的大小均為強風化＞弱風化＞微風化，它們之間的差異達到了極顯著水平(P＜0.01)。

圖2 清除土層后傾覆力矩與主干傾斜角度關系。

實線為強風化邊坡上的一株黃荊(地徑11.21 cm)，a點后記錄了上坡向巖石裂隙中24條二級側根同時斷裂。虛線為弱風化邊坡上的一株黃荊(地徑11.16 cm)，b點后記錄了上坡向巖石裂隙中19條二級側根同時斷裂。

表5 不同風化坡面不同處理黃荊的最大傾覆力矩及主干傾斜角度，數據為平均值加標準差，給出了樣本數。

4 討論

4.1 關于根系分布

根可以穿透比自身直徑小的裂縫(MacDonald and Gordon，1984)和圓柱形孔隙(Scholefield and Hall，1985)，所以根系也具有扎入巖石裂隙的能力。巖石裂隙的阻力導致了根系的變形(呈扁平狀)，較寬的裂隙可能也使根系在強風化邊坡裂隙中能扎入的更深些。我們知道巖體裂隙里的水分條件要高于其他區域，干旱脅迫條件下會誘導根系的扎入生長，這種現象在那些自然石質邊坡上經常會被發現。在這里由于淺層土壤的水容量低，使植物受水分脅迫的幾率高，驅動根系向裂隙中生長的因子可能是水分條件。但我們還不清楚為什么一級側根沒有扎入裂隙，這還沒有找到合理的解釋。

一些研究結果顯示，坡面植物根系的變形程度要高于水平面生長的植物根系。由于風載荷、自身載荷及土壤重力載荷引起根系的不對稱分布，上坡向生長的根系較下坡向發達(Di Iorio et al.，2005)。但我們的研究沒有發現顯著的差異，至少在根系的物質分配上如此。可能由于薄層土壤的重量低，使根系受土壤的載荷較弱，同時這些灌木本身要矮小些，受風的影響也要小一些。

4.2 關于根系錨固

在植株沿坡向下傾倒過程中，上坡向根系抵抗拔出(或拔斷)，下坡向根系抵抗彎曲(Crook＆Ennos 1996)。研究表明上坡向根系的錨固作用在防止植株被拉倒過程中有主要貢獻，因為把下坡向根系鏟斷后，最大傾覆力距下降幅度在強風化邊坡上平均為21%，在弱風化邊坡上平均為26%，在微風化邊坡上平均為33%。

土體中根在斷裂時，多數根系最細的末端部分還錨入土壤。但扎入巖石裂隙中的根系斷點不是在裂隙內部最細處，而是在基巖平面附近，可能由于根系在受拉過程中，扎入巖石裂隙內部根系所受拉力向根側摩擦阻力轉化，而使根組織自身的應力減小。根系能發生同時斷裂，因為單獨斷裂的根不可能與力的位移曲線下降一致，斷裂順序也并不必須與根尺寸相關(Bailey et al.2002)。

5 結論

巖體裂隙的分布可能是影響人工栽種黃荊在巖石坡面穩定的一個顯著因子。對于微風化邊坡，黃荊似乎并不能發揮錨固的積極作用這種生境下，黃荊可能并不完全適用于陡峭巖石邊坡的生態防護。

從這次研究中得出的結論對提高關于該地區巖石邊坡坡面生態工程的穩定很有幫助，并了解了砂巖的風化程度怎樣影響黃荊根系的分布及其錨固作用。然而，必須承認的是，這個研究還有很多不足，需要對裂隙分布與根系構形之間關系進行數學模型化的研究，也需進一步對不同的巖性及植物的發育動態下的錨固行為進行研究。

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