紫穗槐根系形态与固土护坡效应研究
嵇晓雷 夏光辉 张海亚
摘要：本文采用紫穗槐根系的现场调查和根系扫描图像数据的方法，通过对根长量、根长密度、根体积和单位体积土中含根量4根系指标数据的测定和分析，研究根系对边坡土体水土保持的效果。结果显示，紫穗槐属于深根性直根树种，主干根的优势极为显著，分布最深可达50 cm土层以下，须根在各个土壤层次中均有不同径级根系的分布，根长和根量指标也随着土层的加深而均匀递减。 根系能够对土体起到锚固和加筋作用，对边坡表层土体的水土侵蚀起到有效保护作用。
关键词：紫穗槐；根系；空间分布；水土保持
中图分类号：S157.9文献标识码：A文章编号：1004-3020（2016）01-0016-04
Abstract： Based on the field observation data and rootsscaning photos， we studied the effects of Amorpha fruticosa root system on the slope soil and water conservation by analyzing the index data from root length， root length density， root volume and root content per soil unit. The result showed that A. fruticosa had the feature of deep and tap roots with main root as deep as 50 cm underground， and the fine roots with different diameter distributed in all of different soil levels， and the root length and root volume decreased with the soil level deepening. We concluded that the root system of A. fruticosa functions efficiently in soil reinforcement and soil erosion resistance of slope surface.
Key words： Amorpha fruticosa；root system；spatial distribution；soil and water conservation
植物生态护坡是利用植物根系涵水固土的原理稳定公路边坡同时美化生态环境的一种新技术，利用植物根系防止土壤侵蚀和水土流失，既可以取代传统工程护坡对环境造成的破坏，还可以节省造价投入，美化公路景观[1-2]。而不同植物根系对边坡土层水土保持作用不同，主要与植物根系的分布形态、根系的强度根以及根系土中的含量等因素有关系[3]。本文根据植物根系空间分布特征与边坡水土保持效应的相关关系，针对根系与土的相互作用机理，选择高速公路常见护坡植物紫穗槐进行研究，结合根系空间分布特征，对高速公路坡面稳定性的加强作用等综合情况，探讨高速公路边坡护坡灌木根系的保持水土效益，为高速公路生态护坡研究领域提供理论支持和实际参考。
1紫穗槐根系固土护坡机理概述
植物根系的护坡机理主要从根系的力学效应进行分析，不同类型的植物根系体现护坡机理不同，主要是指地下根系的加筋、锚固效应，紫穗槐为典型的深根性直根树种，主干根的优势极为显著，标准株主根径约20 mm，分布最深可达50 cm土层以下，根系黄褐色。主根系具备一定的强度和刚度，可以穿过坡体浅部松散风化层，锚固到深处较稳定的岩土层，通过主根和侧根与周边土体的摩擦作用把根系与周边土体联合起来，起到预应力锚杆的作用。紫穗槐须根柔软纤细，在各个土层中均有不同径级根系分布，根长和根量指标随着土层的加深而均匀递减。须根系可看作天然加筋材料，根土复合体可看作为加筋土，植物根系在土中分布比工程加筋材料分布复杂[4-5]。根系在土体中分布呈网状、纵横交错，随着深度的增加含根量逐渐减少，在根系盘结范围内的土体可看作根—土复合材料[6]。因此可按加筋土原理来分析含根土体的受力状态，即把土中的根看作加筋材料，根系如同加筋材料一样对土体起到加筋增强的作用，从而使根土复合体的强度明显提高[7-8]。
2.1标准株取样
首先对紫穗槐进行样地调查，采集地点为宁常高速公路东屏立交互通段，种植时间为3年，株高218 cm，冠幅95 cm，地径2 cm，地上部分生物量215 g，繁殖类型为实生，种植区位于坡度35°的半阳面，在试验区设5 m×5 m的样地，先进行立地条件的调查，包括采样地点、坡向、坡度、伴生物种等方面。依据概率论和数理统计的原理进行标准株的选择。
（1）在大的样方中，利用围合的正方形，选取对角线交点和该正方形四角分别作2 m×2 m面积相等的小样方5个，编号为1，2，3，4，5（见图1）。
（2）详细调研5个小样方灌木的数量，单株的株高、冠幅、地径等地上部分形态指标，算出各小样方的数据平均值作为该样地灌木的平均株高、冠幅和地径，作为标准株取样的依据。
（3）在5个小样方内选择3株符合平均株高、冠幅和地径的标准株（作为3次重复），然后进行根系取样调查[9]。
2.2根系处理
按照植物自然生长的规律，进行自上而下分层分布进行，采用操作方法为：按土层深度分为0～10，10～20，20～30，30～40，40～50，50 cm以下6个层次。首先清理表层杂物，观察土层中不再有根系为止。将样本做好标记带回实验室，经清水清洗，去除土壤颗粒及各种杂质，用吸水纸吸干后，取3个样本，做3次重复，并求取平均值作为根系形态学数据[3]。
2.3根系指标的测定
首先，将预处理过的根系样品分别按照土层、径级的不同利用电子天平测量根系鲜重。其次，利用根系扫描仪和WINRhizo根系分析软件，对各土层、径级的根系进行扫描和分析处理，主要包括根系直径、根长、根长密度、单位土体含根量、根系体积等指标。试验设计过程中选择与边坡生态防护效果关系最为密切的指标进行分析，利用Excel表格录入数据并利用根系分析软件进行处理和分析。
3结果与分析
3.1根系空间分布特征
紫穗槐为典型的深根性直根树种，标准株主根分布平均最深可达50 cm土层以下，根系分布最深能达到80 cm土层，根系黄褐色。主根径约20 mm，有明显的主根和Ⅰ级侧根，并有Ⅲ级以上侧根的分布。主干根的优势极为显著，有明显的向地性生长的特征。须根较为柔软纤细，根上着生许多豆科植物特有的菌根根瘤[9]（见图2，3）。
3.2根长量
根长是表明根系吸收功能的一个重要参数，将根系按照根径分为0 mm<d<2
从表1可知：径级大于2 mm主根系能够达到50 cm土层以下，对边坡表层土体起到锚固作用。根系总根长为6 83783 cm，其中0～10 cm占根系总长的6716%，10～20 cm占根系总长的158%，20～30 cm占根系总长的671%，30～40 cm占根系总长的248%，40～50 cm占根系总长的176%，50 cm以下的占根系总长的609%，径级0 mm<d<2
3.3根体积的垂直分布
根体积指标体现了根系空间分布，能够直接反映根系在生长介质中的生长分布情况和延伸特点，以及根系吸收水分和营养物质与锚固边坡土体之间的紧密联系。分析根系对土壤的加筋作用效果的重要参数，对紫穗槐根体积垂直分布的研究，可以更好地探讨根系的固土能力及增加坡面抗侵蚀能力，具体参数见表2所示。
通过表2数据可知：随着土层深度的增加，根系体积呈现明显的下降趋势，0 mm<d<2
3.4根长密度
根长密度是反映根系固土护坡能力的重要指标，若根长值为须根（即吸收根）的测定值，则所得的根长密度称为有效根长密度，这个指标广泛应用于植物的根系吸水研究，是反映须根空间分布状况的一个重要指标。不同灌木的根长密度分布呈现出不同的特征，根长密度也是评价根系固土效果的重要指标。具体参数见表3所示。
从表3中数据可见：紫穗槐根长密度主要分布在土层0～40 cm中，其中10～20 cm土层根长密度值分布最大，达8832 mm·dm-3，可见紫穗槐根系对于土体加筋作用主要分布在土层10～40 cm处。通常边坡表层布置草皮，起到防止雨水侵蚀的作用，紫穗槐灌木主要起到草本植物根系不能达到的土层加固作用，因此将灌木与草本植物结合使用，将发挥各自的固坡特性，更加有效地防止公路边坡的水土流失，保证边坡表层土体稳定。
3.5单位体积土中含根量
土中根的含量不同，根对土的加筋作用效果就不同，从而植物对边坡稳定性的影响程度不同。一般情况下，用RAR（根的面积比率）来描述土中根的分布情况。“根的面积比率”是指在特定一个土体断面上，根的横截面积占总断面面积的比率。根的面积比率是土层深度的函数。另一种衡量土中根的含量的方法就是“根的生物量集度”，即单位体积土中根的质量，能与“根的面积比率”进行互相转化。试验中为了考虑根系生物特性，突出试验的准确性，对边坡现场进行根系取样试验，试验主要考虑须根的加筋作用，在取样时选择D<5 mm的根系进行测量。具体做法是在现场挖取尺寸为20 cm （长）×20 cm（宽）的试块，每个试块沿深度方向再次分为0～10，10～20，20～30，30～40，40～50，50 cm以下，共6个层次，用清水洗净根系，用滤纸吸干根系表面水份，用电子天平测定不同层次根系的质量。测量结果经计算列入表4，图4为含根量随土层深度变化曲线。
根据表4数据和含根量随土层深度变化分布图可知，紫穗槐根系的含根量在10～20 cm范围内最多，20 cm以下随着土层深度的增加逐渐减少。总根量基本集中在30 cm范围内，土层50 cm以下根含量很少，只占总质量的7%，与根长密度、根体积、根长量等根系指标变化趋势相同，这些根系形态指标能够客观的反映根系在土层中随深度变化情况。
4结论与讨论
通过对紫穗槐根系根长量、根体积的垂直分布、根长密度、单位体积土中含根量的测定指标分析，明确了边坡土体的稳定性和土体的形态参数有密切的关系，说明试验数据能够较为全面地反映根系对于生态边坡的防护效果。在各个土壤层次中，紫穗槐的根系均有不同径级根系的分布，根系长度并随着土层深度的加大呈现递减的趋势，紫穗槐根系中主要为小于2 mm的须根，根系主要分布在30 cm的浅层土层中。根体积作为衡量根系空间分布的参考指标，对探讨根系垂直分布特征具有一定的参考意义，由于根体积主要是由D>5 mm的直根分布所决定，根体积最大值均分布于0～10 cm土层内，不同径级分布较为均匀，根体积在土层中的分布呈现出较缓慢的下降趋势。有效根长密度分布大体呈现出随着土层的增加，有效根长密度逐渐减少的趋势，这与须根根长在土层中的分布有一定的相似性，也与根系自然伞状分布的规律接近。紫穗槐根系在土壤中盘根错节，与土壤结合成为根土混合体，是边坡土体成为带预应力的加筋材料，同时边坡土体中因为植物根系的存在可以加大土体之间的摩擦系数，提高了土体的强度和稳定性，从而对于边坡水土流失起到很好地防护作用，因而是较为理想的生态护坡植物。
参考文献
[1]芦建国，张超.宁杭高速公路边坡生态防护及防护效应[J].东北林业大学学报，2012，40（2）：6164.
[2]张超.宁杭高速公路边坡五种灌木根系防护效益研究[D].南京： 南京林业大学，2011：1719.
[3]杨东，万福绪.我国高速公路边坡生态恢复技术研究进展.世界林业研究，2011，24（6）：3438.
[4]田国行，杨春，杨晓明， 等. 路基边坡草灌植被消减降雨侵蚀作用机理探讨[J].中南林业科技大学学报，2010，30（7）：3237.
[5]程洪.植物根系力学与固土作用机理研究综述[J].水土保持通报，2006，26（1）：97102.
[6]谭文辉，璩世杰，高丹青，等.降雨入渗对边坡稳定性的影响分析[J].武汉理工大学学报，2010，32（15）： 3943.
[7]毕建琦，杜峰，梁宗锁.黄土高原丘陵区不同立地条件下柠条根系研究[J].林业科学研究，2006，19 （2）：225230.
[8]刘鑫，满秀玲.毛乌素沙地梁地上小叶杨根系分布特征[J].中国水土保持科学，2008，6（4）：4853.
[9]梁同江.几种灌木根系分布对高速公路生态边坡的影响[D].南京： 南京林业大学，2010：1819.
（责任编辑：郑京津）
</d
</d</d
摘要：本文采用紫穗槐根系的现场调查和根系扫描图像数据的方法，通过对根长量、根长密度、根体积和单位体积土中含根量4根系指标数据的测定和分析，研究根系对边坡土体水土保持的效果。结果显示，紫穗槐属于深根性直根树种，主干根的优势极为显著，分布最深可达50 cm土层以下，须根在各个土壤层次中均有不同径级根系的分布，根长和根量指标也随着土层的加深而均匀递减。 根系能够对土体起到锚固和加筋作用，对边坡表层土体的水土侵蚀起到有效保护作用。
关键词：紫穗槐；根系；空间分布；水土保持
中图分类号：S157.9文献标识码：A文章编号：1004-3020（2016）01-0016-04
Abstract： Based on the field observation data and rootsscaning photos， we studied the effects of Amorpha fruticosa root system on the slope soil and water conservation by analyzing the index data from root length， root length density， root volume and root content per soil unit. The result showed that A. fruticosa had the feature of deep and tap roots with main root as deep as 50 cm underground， and the fine roots with different diameter distributed in all of different soil levels， and the root length and root volume decreased with the soil level deepening. We concluded that the root system of A. fruticosa functions efficiently in soil reinforcement and soil erosion resistance of slope surface.
Key words： Amorpha fruticosa；root system；spatial distribution；soil and water conservation
植物生态护坡是利用植物根系涵水固土的原理稳定公路边坡同时美化生态环境的一种新技术，利用植物根系防止土壤侵蚀和水土流失，既可以取代传统工程护坡对环境造成的破坏，还可以节省造价投入，美化公路景观[1-2]。而不同植物根系对边坡土层水土保持作用不同，主要与植物根系的分布形态、根系的强度根以及根系土中的含量等因素有关系[3]。本文根据植物根系空间分布特征与边坡水土保持效应的相关关系，针对根系与土的相互作用机理，选择高速公路常见护坡植物紫穗槐进行研究，结合根系空间分布特征，对高速公路坡面稳定性的加强作用等综合情况，探讨高速公路边坡护坡灌木根系的保持水土效益，为高速公路生态护坡研究领域提供理论支持和实际参考。
1紫穗槐根系固土护坡机理概述
植物根系的护坡机理主要从根系的力学效应进行分析，不同类型的植物根系体现护坡机理不同，主要是指地下根系的加筋、锚固效应，紫穗槐为典型的深根性直根树种，主干根的优势极为显著，标准株主根径约20 mm，分布最深可达50 cm土层以下，根系黄褐色。主根系具备一定的强度和刚度，可以穿过坡体浅部松散风化层，锚固到深处较稳定的岩土层，通过主根和侧根与周边土体的摩擦作用把根系与周边土体联合起来，起到预应力锚杆的作用。紫穗槐须根柔软纤细，在各个土层中均有不同径级根系分布，根长和根量指标随着土层的加深而均匀递减。须根系可看作天然加筋材料，根土复合体可看作为加筋土，植物根系在土中分布比工程加筋材料分布复杂[4-5]。根系在土体中分布呈网状、纵横交错，随着深度的增加含根量逐渐减少，在根系盘结范围内的土体可看作根—土复合材料[6]。因此可按加筋土原理来分析含根土体的受力状态，即把土中的根看作加筋材料，根系如同加筋材料一样对土体起到加筋增强的作用，从而使根土复合体的强度明显提高[7-8]。
2.1标准株取样
首先对紫穗槐进行样地调查，采集地点为宁常高速公路东屏立交互通段，种植时间为3年，株高218 cm，冠幅95 cm，地径2 cm，地上部分生物量215 g，繁殖类型为实生，种植区位于坡度35°的半阳面，在试验区设5 m×5 m的样地，先进行立地条件的调查，包括采样地点、坡向、坡度、伴生物种等方面。依据概率论和数理统计的原理进行标准株的选择。
（1）在大的样方中，利用围合的正方形，选取对角线交点和该正方形四角分别作2 m×2 m面积相等的小样方5个，编号为1，2，3，4，5（见图1）。
（2）详细调研5个小样方灌木的数量，单株的株高、冠幅、地径等地上部分形态指标，算出各小样方的数据平均值作为该样地灌木的平均株高、冠幅和地径，作为标准株取样的依据。
（3）在5个小样方内选择3株符合平均株高、冠幅和地径的标准株（作为3次重复），然后进行根系取样调查[9]。
2.2根系处理
按照植物自然生长的规律，进行自上而下分层分布进行，采用操作方法为：按土层深度分为0～10，10～20，20～30，30～40，40～50，50 cm以下6个层次。首先清理表层杂物，观察土层中不再有根系为止。将样本做好标记带回实验室，经清水清洗，去除土壤颗粒及各种杂质，用吸水纸吸干后，取3个样本，做3次重复，并求取平均值作为根系形态学数据[3]。
2.3根系指标的测定
首先，将预处理过的根系样品分别按照土层、径级的不同利用电子天平测量根系鲜重。其次，利用根系扫描仪和WINRhizo根系分析软件，对各土层、径级的根系进行扫描和分析处理，主要包括根系直径、根长、根长密度、单位土体含根量、根系体积等指标。试验设计过程中选择与边坡生态防护效果关系最为密切的指标进行分析，利用Excel表格录入数据并利用根系分析软件进行处理和分析。
3结果与分析
3.1根系空间分布特征
紫穗槐为典型的深根性直根树种，标准株主根分布平均最深可达50 cm土层以下，根系分布最深能达到80 cm土层，根系黄褐色。主根径约20 mm，有明显的主根和Ⅰ级侧根，并有Ⅲ级以上侧根的分布。主干根的优势极为显著，有明显的向地性生长的特征。须根较为柔软纤细，根上着生许多豆科植物特有的菌根根瘤[9]（见图2，3）。
3.2根长量
根长是表明根系吸收功能的一个重要参数，将根系按照根径分为0 mm<d<2
从表1可知：径级大于2 mm主根系能够达到50 cm土层以下，对边坡表层土体起到锚固作用。根系总根长为6 83783 cm，其中0～10 cm占根系总长的6716%，10～20 cm占根系总长的158%，20～30 cm占根系总长的671%，30～40 cm占根系总长的248%，40～50 cm占根系总长的176%，50 cm以下的占根系总长的609%，径级0 mm<d<2
3.3根体积的垂直分布
根体积指标体现了根系空间分布，能够直接反映根系在生长介质中的生长分布情况和延伸特点，以及根系吸收水分和营养物质与锚固边坡土体之间的紧密联系。分析根系对土壤的加筋作用效果的重要参数，对紫穗槐根体积垂直分布的研究，可以更好地探讨根系的固土能力及增加坡面抗侵蚀能力，具体参数见表2所示。
通过表2数据可知：随着土层深度的增加，根系体积呈现明显的下降趋势，0 mm<d<2
3.4根长密度
根长密度是反映根系固土护坡能力的重要指标，若根长值为须根（即吸收根）的测定值，则所得的根长密度称为有效根长密度，这个指标广泛应用于植物的根系吸水研究，是反映须根空间分布状况的一个重要指标。不同灌木的根长密度分布呈现出不同的特征，根长密度也是评价根系固土效果的重要指标。具体参数见表3所示。
从表3中数据可见：紫穗槐根长密度主要分布在土层0～40 cm中，其中10～20 cm土层根长密度值分布最大，达8832 mm·dm-3，可见紫穗槐根系对于土体加筋作用主要分布在土层10～40 cm处。通常边坡表层布置草皮，起到防止雨水侵蚀的作用，紫穗槐灌木主要起到草本植物根系不能达到的土层加固作用，因此将灌木与草本植物结合使用，将发挥各自的固坡特性，更加有效地防止公路边坡的水土流失，保证边坡表层土体稳定。
3.5单位体积土中含根量
土中根的含量不同，根对土的加筋作用效果就不同，从而植物对边坡稳定性的影响程度不同。一般情况下，用RAR（根的面积比率）来描述土中根的分布情况。“根的面积比率”是指在特定一个土体断面上，根的横截面积占总断面面积的比率。根的面积比率是土层深度的函数。另一种衡量土中根的含量的方法就是“根的生物量集度”，即单位体积土中根的质量，能与“根的面积比率”进行互相转化。试验中为了考虑根系生物特性，突出试验的准确性，对边坡现场进行根系取样试验，试验主要考虑须根的加筋作用，在取样时选择D<5 mm的根系进行测量。具体做法是在现场挖取尺寸为20 cm （长）×20 cm（宽）的试块，每个试块沿深度方向再次分为0～10，10～20，20～30，30～40，40～50，50 cm以下，共6个层次，用清水洗净根系，用滤纸吸干根系表面水份，用电子天平测定不同层次根系的质量。测量结果经计算列入表4，图4为含根量随土层深度变化曲线。
根据表4数据和含根量随土层深度变化分布图可知，紫穗槐根系的含根量在10～20 cm范围内最多，20 cm以下随着土层深度的增加逐渐减少。总根量基本集中在30 cm范围内，土层50 cm以下根含量很少，只占总质量的7%，与根长密度、根体积、根长量等根系指标变化趋势相同，这些根系形态指标能够客观的反映根系在土层中随深度变化情况。
4结论与讨论
通过对紫穗槐根系根长量、根体积的垂直分布、根长密度、单位体积土中含根量的测定指标分析，明确了边坡土体的稳定性和土体的形态参数有密切的关系，说明试验数据能够较为全面地反映根系对于生态边坡的防护效果。在各个土壤层次中，紫穗槐的根系均有不同径级根系的分布，根系长度并随着土层深度的加大呈现递减的趋势，紫穗槐根系中主要为小于2 mm的须根，根系主要分布在30 cm的浅层土层中。根体积作为衡量根系空间分布的参考指标，对探讨根系垂直分布特征具有一定的参考意义，由于根体积主要是由D>5 mm的直根分布所决定，根体积最大值均分布于0～10 cm土层内，不同径级分布较为均匀，根体积在土层中的分布呈现出较缓慢的下降趋势。有效根长密度分布大体呈现出随着土层的增加，有效根长密度逐渐减少的趋势，这与须根根长在土层中的分布有一定的相似性，也与根系自然伞状分布的规律接近。紫穗槐根系在土壤中盘根错节，与土壤结合成为根土混合体，是边坡土体成为带预应力的加筋材料，同时边坡土体中因为植物根系的存在可以加大土体之间的摩擦系数，提高了土体的强度和稳定性，从而对于边坡水土流失起到很好地防护作用，因而是较为理想的生态护坡植物。
参考文献
[1]芦建国，张超.宁杭高速公路边坡生态防护及防护效应[J].东北林业大学学报，2012，40（2）：6164.
[2]张超.宁杭高速公路边坡五种灌木根系防护效益研究[D].南京： 南京林业大学，2011：1719.
[3]杨东，万福绪.我国高速公路边坡生态恢复技术研究进展.世界林业研究，2011，24（6）：3438.
[4]田国行，杨春，杨晓明， 等. 路基边坡草灌植被消减降雨侵蚀作用机理探讨[J].中南林业科技大学学报，2010，30（7）：3237.
[5]程洪.植物根系力学与固土作用机理研究综述[J].水土保持通报，2006，26（1）：97102.
[6]谭文辉，璩世杰，高丹青，等.降雨入渗对边坡稳定性的影响分析[J].武汉理工大学学报，2010，32（15）： 3943.
[7]毕建琦，杜峰，梁宗锁.黄土高原丘陵区不同立地条件下柠条根系研究[J].林业科学研究，2006，19 （2）：225230.
[8]刘鑫，满秀玲.毛乌素沙地梁地上小叶杨根系分布特征[J].中国水土保持科学，2008，6（4）：4853.
[9]梁同江.几种灌木根系分布对高速公路生态边坡的影响[D].南京： 南京林业大学，2010：1819.
（责任编辑：郑京津）
</d
</d</d
