黃土高原陡坡土坎植被根-土復合體抗剪強度研究

王莉茹，康永祥，巫翠華，李 華，申旭芳

(西北農林科技大學 林學院，陜西 楊陵 712100)

黃土高原地形破碎、土質疏松、黃土垂直節理發達，夏季降雨集中，極易發生重力侵蝕，不僅加劇了水土流失，還容易引發自然災害，嚴重威脅著農業和林業的土地安全[1-2]。植被是黃土高原控制水土流失和減少重力侵蝕的重要生物措施[3-4]，不同植物根系通過“錨固”和“加筋”的固土效應，對提高土壤穩定性，防止重力侵蝕[5-6]，具有重要作用。為此，國內外學者圍繞植被護坡、護坎機理開展了系列研究，已成為水土流失治理研究的熱點[7-8]。抗剪強度是指在剪切應力的作用下，能夠抵抗土壤顆粒或土壤團粒因發生持續剪切而引起剪切破壞的阻力[9]。目前，關于植物根系提高土壤抗剪強度的研究已有較多報道，多數集中在邊坡植物根系固土和護坡等方面。鄧衛東等[10]研究表明植物根系具有增強土壤穩定性的作用，且根系的分布位置和形態都對根系固土作用有顯著影響，邊坡中上部的植物根系有更好的固土作用；李建興等[11]指出直徑≤5 mm徑級的根系能顯著提高土壤抗剪強度，且香根草提高土壤抗剪強度的作用最強；王月等[12]研究認為小葉楊和白羊草的混合根系在淺層邊坡提高抗剪強度的作用最強；周霞等[13]研究表明紫花苜蓿最高能提高土體89.41%的抗剪強度，且在淺表層的增強效果最明顯。此外還有研究表明，土壤抗剪強度受土壤含水量和土壤容重的影響[14-15]，但關于陡坡土坎自然植物根系對土壤抗剪強度的影響鮮有報道。本研究以黃土高原陡坡、土坎不同天然植物群落為研究對象，以素土作為對照，通過不同植物群落、不同土層根-土復合體抗剪試驗，探討了不同植物根系密度指標與根-土復合體的抗剪強度的差異及其固土效應，旨在為黃土高原水土流失防控提供理論依據和技術支撐。

1 材料與方法

1.1 樣地布設及土樣采集

1.1.1 試驗地概況 調查和采樣時間為2019年9月，試驗樣地選在黃土高原丘陵溝壑區陜西省長武縣王東村王東溝流域，地理坐標在107°40′30″-107°42′30″E，35°12′-35°16′N。該區域處于半干旱半濕潤地區，屬溫帶大陸性季風氣候。年平均氣溫為9.2℃，1月平均氣溫為-5.0℃，7月平均氣溫為22.1℃；年平均降水量為584.1 mm，降水量年內分布不均，夏季降水量為全年的57%，雨熱同期；陡坡土坎自然生長的灌木主要有白刺花(Sophoradavidii)、酸棗(Ziziphusjujubavar.spinosa)、紫穗槐(Amorphafruticosa)、興安胡枝子(Lespedezadaurica)、杠柳(Periplocasepium)等，草本主要有茵陳蒿(Artemisiacapillaris)、鐵桿蒿(Artemisiasacrorum)、茭蒿(Artemisiagiraldii)、冰草(Agropyroncristatum)等。

1.1.2 樣地布設 以陡坡、土坎自然生長的6種典型群落類型為調查對象，以土坎垂直面自然邊界為樣線，根據植被帶的寬度，向內擴2～3 m，設置2 m×15 m和3 m×10 m 2種類型的狹長樣地，每個樣地內每隔2～4 m布設1個2 m×2 m的能夠代表群落特征的樣方，共布設3個，用于灌木和草本種類和蓋度調查，并在其中設置1 m×1 m的小樣方進行土壤樣品采集。各群落的發育時間通過走訪當地年長群眾，在了解土坎形成時間的基礎上推斷得出，樣地信息如表1。

表1 樣地信息

1.1.3 土樣采集 在1 m×1 m的小樣方內，清除地表植被后，從上至下，分0～20、20～40 cm和40～60 cm 3個土層使用配套的環刀(d=6.18 cm，h=2 cm)沿垂直方向分段取原狀土樣，每層采取4個土樣，3個小樣方內各進行1次取樣，1個樣地共36個土樣，樣品用環刀盒裝好并密封，并在試驗地附近無植被覆蓋的區域內用同樣的方法采取相同土層的原狀素土土樣(不含根系土樣)，帶回實驗室進行直剪試驗。同時，選用100 cm2的環刀采集土樣，進行含水量和容重測定，測定方法為烘干法[16]。各群落類型和素土的土壤性質測定結果見表2。

1.2 測試與計算方法

根-土復合體的抗剪強度采用南京土壤儀器廠生產的ZJ-2型等應變直剪儀進行測定，按照《土工試驗規程》中直接剪切試驗的方法進行安裝和試驗，試驗時分別施加100、200、300 kPa和400 kPa 4種垂直壓力，重復3次。

抗剪強度的計算：τ=CR

式中，τ—抗剪強度(kPa)；C—量力環校正系數(本試驗使用的儀器為1.565 kPa/0.01 mm)；R—量力環中測微表最大讀數，或位移6 mm時的讀數，精確至0.01 mm。

表2 試驗地土壤性質信息

抗剪強度增加值的計算：Δτ=τ-τ素土

抗剪強度增幅的計算：Δτ′=(Δτ/τ素土)×100%

將經過抗剪試驗的土樣根系洗出后進行掃描，使用WinRHIZO根系分析系統測量根系長度和面積，用烘干法測量根系生物量，重復3次。

根系重密度(RWD)=土樣內根系生物量/土樣體積(g/m3)

根長密度(RLD)=土樣內根系總長度/土樣體積(m/m3)

根面積密度(RSAD)=土樣內根系總面積/土樣體積(m2/m3)

1.3 數據分析

使用Excel 2007軟件對數據進行整理和計算，使用SPSS 23.0軟件對不同群落類型間根系密度指標、抗剪強度進行單因素方差分析和Duncan多重比較，采用回歸分析對抗剪強度增加值和根系密度指標的相關性進行分析。

2 結果與分析

2.1 不同群落類型根系密度

根系密度通常采用3個指標：根重密度、根長密度和根表面積密度，是能夠表征根-土復合體抗剪強度的重要參數[11]。根重密度是土壤單位體積內的根系生物量，能夠反應植物地下根系的含量和生命力。各群落之間的根重密度差異顯著(P<0.05)，3個土層的平均根重密度大小順序為白刺花-鐵桿蒿群落(2 757.07 g/m3)>杠柳-硬質早熟禾群落(1 084.95 g/m3)>多花胡枝子-冰草群落(907.27 g/m3)>沙棘-茭蒿群落(789.31 g/m3)>酸棗-硬質早熟禾群落(553.89 g/m3)>茵陳蒿群落(314.91 g/m3)，白刺花-鐵桿蒿群落的根重密度顯著高于其他群落類型(表3)。從垂直分布來看，所有群落不同土層之間的根重密度差異顯著(P<0.05)，并表現出明顯的隨土層深度增加而降低的趨勢，各土層均值的大小順序為0～20 cm土層(2 101.06 g/m3)>20～40 cm土層(644.93 g/m3)>40～60 cm土層(457.71 g/m3)；在3個土層中，均為白刺花-鐵桿蒿群落的根重密度最大，從上至下依次為5 716.67、1 503.67 g/m3和1 051.00 g/m3；茵陳蒿群落的根重密度最小，從上至下依次為551.33、209.67 g/m3和184.00 g/m3(表3)。

根長密度能夠反映根系在土壤中的穿插、伸展和網結能力[12]，不同群落間的根長密度有顯著差異(P<0.05)，3個土層的平均根長密度大小順序為白刺花-鐵桿蒿群落(17 886.22 m/m3)>多花胡枝子-冰草群落(12 794.11 m/m3)>杠柳-硬質早熟禾群落(10 862.98 m/m3)>沙棘-茭蒿群落(9 313.74 m/m3)>酸棗-硬質早熟禾群落(5 773.06 m/m3)>茵陳蒿群落(2 373.37 m/m3)，白刺花-鐵桿蒿群落根重密度高于其他群落類型(表3)。從垂直分布來看，所有群落不同土層之間的根長密度差異顯著(P<0.05)，茵陳蒿群落和多花胡枝子-冰草群落的根長密度隨土層深度增加先降低后升高，其他群落類型的根長密度均隨土層深度增加而降低，各土層均值的大小順序為0～20 cm土層(20 896.42 m/m3)>20～40 cm土層(5 578.19 m/m3)>40～60 cm土層(3 027.12 m/m3)；在3個土層中，均為白刺花-鐵桿蒿群落的根長密度最大，從上至下依次為39 106.67、9 276.67 m/m3和5 273.33 m/m3，在0～20 cm土層和20～40 cm土層中茵陳蒿群落的根長密度最小，分別為3 783.33 m/m3和1 583.33 m/m3，在40～60 cm土層中，酸棗-硬質早熟禾群落的根長密度最小，為1 453.33 m/m3(表3)。

根表面積密度能夠反映根系與土體接觸的緊密程度[17]，各群落類型的根表面積密度之間差異顯著(P<0.05)，3個土層的平均根表面積密度大小順序為白刺花-鐵桿蒿群落(16.96 m2/m3)>多花胡枝子-冰草群落(8.72 m2/m3)>沙棘-茭蒿群落(8.14 m2/m3)>杠柳-硬質早熟禾群落(8.02 m2/m3)>酸棗-硬質早熟禾群落(4.87 m2/m3)>茵陳蒿群落(2.61 m2/m3)，白刺花-鐵桿蒿群落的根表面積密度顯著高于其他群落類型(表3)。從垂直分布上來看，所有群落不同土層之間的根表面積密度差異顯著(P<0.05)，茵陳蒿群落的根表面積密度隨土層深度增加先降低后升高，其他群落類型的根表面積密度均隨土層深度增加而降低，各土層均值的大小順序為0～20 cm土層(16.98 m2/m3)>20～40 cm土層(4.79 m2/m3)>40～60 cm土層(2.90 m2/m3)；在3個土層中，均為白刺花-鐵桿蒿群落的根表面積密度最大，從上至下依次為34.89、10.02 m2/m3和5.97 m2/m3；在0～20 cm土層和20～40 cm土層中茵陳蒿群落的根表面積密度最小，分別為4.21 m2/m3和1.50 m2/m3；在40～60 cm土層中，酸棗-硬質早熟禾群落的根表面積密度最小為1.23 m2/m3(表3)。

根重密度、根長密度和根表面積密度在各群落之間的變化趨勢大致相同，在垂直分布上，0～20 cm的根系密度指標值顯著高于其他土層深度，且隨土層變化的趨勢大致為隨土層深度增加而降低，其中只有茵陳蒿群落和多花胡枝子-冰草群落的根長密度以及茵陳蒿群落的根表面積密度隨土層深度增加先降低后升高(表3)。可能是因為這2個群落類型在40～60 cm土層中細根含量較多，盡管根重密度低于20～40 cm土層，但其根系更長、根表面積更大，同時也能說明茵陳蒿群落在40～60 cm土層中根長密度和根表面積密度大于酸棗-硬質早熟禾群落。綜上可知，所有群落類型在表層土壤中都具有較強的固土能力，白刺花-鐵桿蒿群落的根系密度指標值在3個土層中的均大于其他群落類型，不僅能有效防止表面土壤被沖刷，也能有效防止深層土壤發生坍塌，茵陳蒿群落僅在表層土壤中具有一定的固土能力，其整體的固土能力較差。

表3 不同群落類型不同土層根系密度指標

2.2 不同群落類型根-土復合體抗剪強度及增加值

所有群落類型的抗剪強度均顯著高于素土的抗剪強度(P<0.05)，3個土層的平均抗剪強度大小順序為白刺花-鐵桿蒿群落(252.73 kPa)>沙棘-茭蒿群落(247.27 kPa)>多花胡枝子-冰草群落(243.25 kPa)>杠柳-硬質早熟禾群落(241.42 kPa)>酸棗-硬質早熟禾群落(238.63 kPa)>茵陳蒿群落(232.27 kPa)>素土(219.75 kPa)，白刺花-鐵桿蒿群落的抗剪強度顯著高于其他群落類型的抗剪強度(P<0.05)(表4)。在垂直分布上，各群落類型根-土復合體及素土的抗剪強度隨土層深度增加的變化規律并不一致，多花胡枝子-冰草群落和白刺花-鐵桿蒿群落的抗剪強度表現出隨土層深度增加而降低的趨勢，茵陳蒿群落、酸棗-硬質早熟禾群落、沙棘-茭蒿群落和杠柳-硬質早熟禾群落的抗剪強度表現出隨土層深度增加先降低后升高的趨勢，素土的抗剪強度表現出隨土層深度深度增加而升高的趨勢(表4)。產生這種差異主要原因是土壤的抗剪強度同時受土壤自身性質和根系的影響，抗剪強度與土壤容重呈正相關關系，與含水量呈負相關關系[15]，在所有群落類型和素土中，土壤含水量隨土層深度增加而降低，土壤容重隨土層深度增加而升高(表2)。因此素土的抗剪強度隨土層深度增加而降低，而各群落類型的根-土復合體的抗剪強度受根系作用的影響表現出與其不同的變化趨勢(表4)。在所有群落類型中，0～20 cm土層中根-土復合體的抗剪強度均為最大值，說明表層土壤中根系顯著提高了土壤的抗剪強度，多花胡枝子-冰草群落和白刺花-鐵桿蒿群落的抗剪強度隨土層深度增加而降低，與根系密度指標的變化趨勢一致(表4)。說明在這2個群落中根-土復合體的抗剪強度受根系的影響較大；茵陳蒿群落、酸棗-硬質早熟禾群落、沙棘-茭蒿群落和杠柳-硬質早熟禾群落的抗剪強度隨土層深度增加先降低后升高(表4)。可能是因為這些群落類型在20～60 cm土層的根-土復合體的抗剪強度受土壤性質的影響較大，即使20～40 cm土層的根系密度指標值較40～60 cm土層深度大，也沒有使該土層的抗剪強度增加至高于40～60 cm土層深度的程度。

相對于各層次素土抗剪強度，不同群落抗剪強度的差值(Δτ)可以衡量植物根系對根-土復合體抗剪強度的貢獻。抗剪強度的差值的大小順序為白刺花-鐵桿蒿群落(32.98 kPa)>沙棘-茭蒿群落(27.53 kPa)>多花胡枝子-冰草群落(23.50 kPa)>杠柳-硬質早熟禾群落(21.67 kPa)>酸棗-硬質早熟禾群落(18.88 kPa)>茵陳蒿群落(12.53 kPa)，增幅分別為15.01%、12.53%、10.69%、9.86%、8.59%和5.70%(表4)。白刺花-鐵桿蒿群落的抗剪強度增加值最大，其具有較強的固土能力，茵陳蒿群落的增加值最小，其固土能力較差。從垂直方向來看，各群落類型的抗剪強度增加值隨著土層深度增加而降低，0～20 cm土層抗剪強度增幅范圍為11.57%～21.80%，20～40 cm土層抗剪強度增幅范圍為4.63%～15.42%，40～60 cm土層抗剪強度增幅范圍為1.31%～8.52%，0～20 cm土層抗剪強度增幅最大(表4)，表層土壤中植物根系提高抗剪強度的作用最強。具有最大根系密度指標值的白刺花-鐵桿蒿群落同時具有最大的抗剪強度增加值，且抗剪強度增加值與根系密度指標在垂直分布上具有相同的變化趨勢(表4)，說明抗剪強度增加值與根系密度指標具有一定的相關性，根系對提高土體的抗剪強度具有重要的作用。

表4 不同群落類型根-土復合體抗剪強度及增加值比較Table 4 The shear strength and increasing value of each community

2.3 根系密度指標與抗剪強度增加值相關性分析

從圖1可以看出，抗剪強度增加值與根重密度、根長密度和根表面積密度均呈正相關的對數函數關系，其關系式分別為：y=10.89ln(x)-48.19(R2=0.85)，y=9.69ln(x)-61.23(R2=0.83)和y=10.36ln(x)+5.85(R2=0.85)。抗剪強度的增加值隨著根重密度、根長密度和根表面積密度的增加表現出先急劇增加后緩慢增加的趨勢，說明在根系含量較低的時候，隨著根系含量增加，根系提高抗剪強度的作用較明顯。

圖1 根系密度指標與抗剪強度增加值回歸分析Fig.1 Regression analysis betweenroot density index and shear strength increasing value

3 結論與討論

3.1 討論

根系通過“錨固”和“加筋”作用增加土壤的抗剪強度，根重密度、根長密度和根表面積密度是能夠表征根-土復合體抗剪強度的重要參數，通過對不同群落類型的植物根系密度指標進行比較分析，6種群落類型之間的根重密度、根長密度和根表面積密度均具有顯著差異，不同群落類型根系密度指標存在差異是因為其演替時間不同。研究表明，隨著演替時間增加，植物根系生物量、根系長度、根系表面積等指標也逐漸增加，且分布逐漸加深[18-19]，白刺花-鐵桿蒿群落是經過較長的演替時間而形成的群落類型，物種種類和數量較多，因此根系含量多且分布深，其根系延伸、穿插和網結土壤的能力最強。與土壤接觸的根系面積最大，不僅能有效防止表面土壤被沖刷，也能有效防止深層土壤發生坍塌；茵陳蒿為經過人類擾亂后自然恢復2～3 a后形成的群落，物種數量較少，且多為淺根性的草本植物，因此根系含量較少且分布較淺，根系固土能力較弱。

通過對不同群落根-土復合體的抗剪強度進行分析，6種群落類型的根-土復合體的抗剪強度之間存在顯著差異，且均顯著高于素土的抗剪強度，其中白刺花-鐵桿蒿群落根-土復合體的抗剪強度在所有群落中最大，為252.73 kPa；素土的抗剪強度有明顯隨土層深度增加而升高的趨勢，而多花胡枝子-冰草群落和白刺花-鐵桿蒿群落的抗剪強度表現出隨土層深度增加而降低的趨勢，茵陳蒿群落、酸棗-硬質早熟禾群落、沙棘-茭蒿群落和杠柳-硬質早熟禾群落的抗剪強度表現出隨土層深度增加先降低后升高的趨勢。產生這種差異的原因主要是抗剪強度同時受根系和土壤性質影響，抗剪強度與土壤容重呈正相關關系，與含水量呈負相關關系，與根系密度指標呈正相關關系。各群落類型的根-土復合體的抗剪強度在根系和土壤性質的共同作用下，表現出與素土不同的變化趨勢：所有群落類型中表層土壤根系含量最大，對抗剪強度產生的增加作用最強，因此表層土壤的抗剪強度最大；多花胡枝子-冰草群落和白刺花-鐵桿蒿群落中根-土復合體的抗剪強度受根系的影響較大，根-土復合體的抗剪強度隨土層深度增加而降低；茵陳蒿群落、酸棗-硬質早熟禾群落、沙棘-茭蒿群落和杠柳-硬質早熟禾群落中土壤根系在20～60 cm土層深度的根-土復合體的抗剪強度受土壤性質的影響較大，因此根-土復合體的抗剪強度隨土層深度增加先降低后升高。

在所有群落中，白刺花-鐵桿蒿群落相對于素土抗剪強度的增加值最大，為32.98 kPa，且根-土復合體相對于素土的抗剪強度增加值隨土層深度增加而降低。對各群落類型的根系密度指標和抗剪強度的增加值進行回歸分析，抗剪強度增加值與根重密度、根長密度和根表面積密度呈對數函數關系。楊亞川等[20]指出，植物根系的存在對土壤產生“加筋”作用，增加了根-土復合體的內摩擦角和粘聚力，從而增加根-土復合體的抗剪強度，但當根系增加到一定程度，單位體積內土壤變少，根土接觸面積一定，內摩擦角不再增大[12]。因此抗剪強度增加值與根系密度指標值呈對數函數關系，抗剪強度增加值隨著根系含量增加先急劇上升后趨于平緩。

本研究在分析根系密度指標的基礎上，對黃土高原陡坡、土坎上自然植被的根-土復合體的抗剪強度及其抗剪強度增加值進行了研究，根-土復合體的抗剪強度增加值與根系密度密切相關，因此在進行植被建造時，應選擇根系發達且根系分布較深的植被組合；在本研究中，從根系密度指標和抗剪強度兩方面看，均為白刺花-鐵桿蒿群落具有最佳的固土作用，在進行固溝保塬工作時，應選擇該種植物組合進行人工植被的構建。本研究僅對不同土坎群落類型的根-土復合體進行了研究，建議在此基礎上開展建群種根系抗拉強度的后續研究，為黃土高原丘陵溝壑區固溝保塬工作提供準確的植物材料選擇依據。

3.2 結論

6種群落類型之間的根重密度、根長密度和根表面積密度均具有顯著差異，且表現出隨土層深度增加而降低的趨勢，白刺花-鐵桿蒿群落的根系密度指標值最大，根重密度、根長密度和根表面積密度分別為2 757.07 g/m3、17 886.22 m/m3和16.96 m2/m3。

6種群落類型的根-土復合體的抗剪強度之間存在顯著差異，且均顯著高于素土的抗剪強度，其中白刺花-鐵桿蒿群落根-土復合體的抗剪強度在所有群落中最大，為252.73 kPa，且白刺花-鐵桿蒿群落相對于素土抗剪強度的增加值最大，為32.98 kPa。

抗剪強度增加值與根重密度、根長密度和根表面積密度呈對數函數關系，關系式分別為：y=10.89ln(x)-48.19(R2=0.85)，y=9.69ln(x)-61.23(R2=0.83)和y=10.36ln(x)+5.85(R2=0.85)。