植物根系固土作用研究綜述

杜玉雪 趙洋毅 薛楊

摘要：植物根系是植物吸收水分和養分的重要器官。從植物根系方面來研究土壤抗慢蝕能力是一個多學科交叉的新領域。植物根系通過增強土壤的抗蝕性、抗沖性、抗剪強度以及根系的錨固力作用，提高了土壤的抗侵蝕能力。對于更有效控制水土流失、保護和改善生態環境具有非常重要的意義。

關鍵詞：植物根系;土壤抗蝕性;土壤抗沖性;土壤抗剪強度;錨固力作用

植物根系是植物吸收水分和養分的重要器官，植物正常的生長發育是地上部分的光合作用和地下部分根群吸收水分、養分相統一的過程。根在土體內的生長促使土-土以及根-土間的摩擦增加，同時根系自身的抗拉、抗剪性能也增強了土的抗剪切性能，這些對于植物根系的固土作用著很重要的意義。

1.根系增強土壤抗侵蝕性能

土壤抗侵蝕性劃分為抗蝕性和抗沖性[1] 。抗蝕性是指士壤抵抗水分分散和懸浮的能力，主要與土壤內在理化性質有關;抗沖性是指土壤抵抗徑流機械破壞和推移的能力，主要與土壤的物理性質和外在的生物因素有關。植物根系增加土壤的抗侵蝕能力主要通過兩種方式[2] ：一是通過根系在土體中交錯穿插、網絡固持土壤;二是通過改善土壤的物理性質，提高土壤自身的水力學性質從而增強土體的抗侵蝕能力，植物根系能明顯增強土壤的抗沖性、滲透性及土體的剪切強度等。

2.植物根系增強土壤抗沖性

早在上世紀60年代，朱顯謨先生就指出生物措施是水士保持中最有效和最根本的方法。他認為土壤抗沖性的增強，主要取決于根系的纏繞和固結作用，這種作用使土體有較高的水穩結構和抗蝕強度，從而不易被徑流帶走。盧立霞等[3] 究表明：12種須根系植物對土壤抗沖性均有顯著的增強效應，不同植物種對于土壤抗沖性增強的貢獻大小不同，貢獻大小與根系特征密切相關，并建立了各種植物對土壤抗沖性增強值與根系生物量及形態學指標之間的回歸關系。封金財[4] 采用有限元方法對植物根系加固邊坡的作用規律進行了模擬分析，隨著根的長度增加，邊坡穩定性安全系數也逐漸提高，但當根的長度超過3m時，邊坡穩定性安全系數將不再增加。根的數量對邊坡穩定性的影響與根長相同，在一定范圍內，根的數量越多，邊坡穩定性安全系數越高;根對邊坡加固作用的發揮也與根的位置有很大的關系。根的長度、數量都是隨著時間的推移而增長的，所以根的固坡效果也隨著時間的推移而加強。

3.植物根系具有“加筋錨固作用”

許多學者對根加筋坡面土體的作用已經開展了大量的研究，總結出土體抗剪強度的增加歸因于土壤-根系的相互作用，并且還建立了根-土相互作用的分析模型。

林木根系參與在土體中，土體抗剪強度發生如下變化[5] ：（1）根系在土體內生長時，根尖向四周土體產生軸向壓力，根尖后面形成圓形擴大，使土壤變形形成根道根道四周土壤相對密度、土壤內聚力、剪脹力和摩擦力增加。（2）根面的凹凸不平及眾多的叉根、根節、根毛，增加了根土間接觸面積，在根系膨脹的作用下，根系-土間的摩擦力增加。（3）根系本身的抗拉、抗剪和抗壓縮力大土體許多倍。（4）根系分泌的化學物質有利于土壤顆粒的膠結。

4.植物根系固土作用機理研究

劉國彬1996年在研究草本植物根系固結土壤機理時，提出根系纏繞、固結土壤、強化抗沖性作用取決于網絡串連作用、根土黏結作用及根系生物化學作用。根系化學作用效應通過植物繁生改善土體構型來實現。黃綿土中其效應達51%，根土黏結作用是網絡串連作用的2倍，二者都隨有效根面積增加而增加。程洪曾提出植物根系固土機制模式具有4個層次，即根系材料力學、根系網絡串聯作用、根系-土壤有機復合體的黏結作用及根系-土壤間生物化學作用。認為植物根系與土粒接觸面上產生的膠結物質，通過土體中多價陽離子Ca2+，Fe2+，Al3+形成的陽離子橋，多糖-OH，H鍵及范德華力等有機膠體、無機膠體作用，共同構成根系-土壤有機復合體系。

僅僅從作用力方面或抗沖性、抗剪性、錨固力提高進行研究，距揭示根系固土的本質還存在距離，因為根系與土的相互作用和關鍵機制沒有被揭示[6] 。根系具有加筋作用，并不等于真正的鋼筋，根系在土壤中進行生長發育屬于活性材料，同時根與土粒之間形成統一體。根土之間實現完整的結合，其界面形成有機-無機復合體之后，才能進行水分運輸、物質轉移，形成土壤-植物-大氣連續體。所以今后要加強對植物根系材料力學特性和根-土復合體形成機制的研究，更重要的是從根-土微觀機制上進行研究，才能揭示出植物根系固土本質。

5.結論

從植物根系方面來研究土壤抗侵蝕能力是一個多學科交叉的新領域。通過多學科、多領域的聯合研究，系統地認識植物根系對土壤侵蝕控制的機理。對于更有效地控制水土流失、保護和改善生態環境具有非常重要的意義。防治土壤侵蝕必將為我國生態環境恢復與重建，實現可持續發展戰略發揮重要作用。這也是水土保持及荒漠化防治理論深入發展的需要植物根系固土機制或模式問題的解決。有助于沙漠化、荒漠化等嚴重生態問題的解決，對我國迅速發展城市化過程中大量基礎建設遺留下來的工程邊坡、棄石土場及尾礦等人工生態恢復和生態化進程，也同樣具有重要理論指導作用。

參考文獻：

[1] 毛璀，孟廣濤，問躍;植物根系對土壤侵蝕控制機理的研究[J]，水土保持研究，2006.13（2）：241 -243.

[2] 王庫;植物根系對土壤抗侵蝕能力的影響[J]，土壤與環境，2001.10（3）：250-252

[3] 盧立霞，曾波;三皖庫區嘉陵江岸生優勢須根系植物根系對土壤抗沖性的增強效應研究[J]，西南師范大學學報（自然科學版），2006.31（3）：157-161.

[4] 封金財;植物根系對邊坡的加固作用模擬分析[J]，江蘇工業學院學報，2005，17（3）：27-29.

[5] 潘義國，丁貴杰，彭云等，關于植物根系在土壤抗侵蝕和抗剪切中的作用研究進展[J]，貴州林業科技，2007.35（2）：10-13.

[6] 程洪，謝濤，唐春等;植物根系力學與周土作用機理研究綜述[J]，水土保持通報2006，26（1）：97-101.

作者簡介：

杜玉雪（1997-），女，云南大理人。

基金項目：

云南省重點研發計劃項目（2018BB018）;云南省省級大學生創新訓練計劃項目“基于數值模擬的植物根系的固土效應研究”（S201710677022）。

（作者單位：西南林業大學生態與環境學院）