陳文樂(lè)，杜 鵑，方迎潮，王道杰，何松膛，蘭惠娟，趙 鵬

（1.中國(guó)科學(xué)院 水利部 成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所 山地災(zāi)害與地表過(guò)程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都610041；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京100049；3.阿壩藏族羌族自治州水務(wù)局，四川 阿壩藏族羌族自治州624000；4.中石油西南管道公司，四川 成都610041）

中國(guó)是山地大國(guó)，泥石流問(wèn)題十分突出，且災(zāi)情嚴(yán)重。生物工程措施是防治泥石流的一種重要措施，在生物工程治理泥石流中植物根系發(fā)揮著重要的作用［1］。根系在地下盤根錯(cuò)節(jié)，能有效增強(qiáng)土體的抗剪強(qiáng)度，減輕土體的重力侵蝕，將泥沙有效穩(wěn)固在坡面，其對(duì)控制泥石流物源，抑制泥石流的啟動(dòng)、發(fā)生、發(fā)展有著至關(guān)重要的作用。根系固土是減少泥石流物源產(chǎn)生、阻止物源進(jìn)入溝道的有效方式［2］。

目前，在根系固土方面，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)做了大量的研究，在植物根系固土力學(xué)機(jī)制［3］、根系固土力學(xué)模型［4］、根系固土護(hù)坡數(shù)值模擬［5］、不同類型植物的根系抗拉特性［6］、根—土復(fù)合體的剪切特性［7］以及根系對(duì)土體抗剪強(qiáng)度增強(qiáng)等方面［8］，均取得了顯著成果，但是涉及到泥石流頻發(fā)區(qū)的根系固土研究較少［9］。由于泥石流頻發(fā)區(qū)山體通常較為破碎，產(chǎn)生大量松散物源，且常伴隨嚴(yán)重的水土流失現(xiàn)象，生境的差異會(huì)造成植物根系的固土護(hù)坡能力存在區(qū)域差異［10］，因此有必要研究泥石流頻發(fā)區(qū)植物根系的固土效應(yīng)。本文選取泥石流頻發(fā)區(qū)云南省昆明市東川區(qū)蔣家溝為研究區(qū)域，以當(dāng)?shù)貎煞N典型植被恢復(fù)物種新銀合歡（Leucɑenɑleucocephɑlɑ）和馬桑（Coriɑriɑ sinnicɑ）為研究對(duì)象，通過(guò)根系挖掘研究根系空間分布特征，根系拉伸試驗(yàn)測(cè)試根系抗拉特性，最后運(yùn)用修正后的Wu-Waldron模型（簡(jiǎn)稱RWM 模型），研究?jī)煞N典型植物根系的固土效應(yīng)，以期為該泥石流頻發(fā)區(qū)生物工程的應(yīng)用及其治理效益評(píng)價(jià)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于云南省昆明市東川區(qū)境內(nèi)的蔣家溝流域，其 地 理坐 標(biāo) 為 東 經(jīng)103°06′—103°13′，北 緯26°13′—26°17′之間，屬于中高山地貌。區(qū)域內(nèi)多年平均氣溫為20.2 ℃，最高氣溫40.9 ℃，最低氣溫－6.2℃，年活動(dòng)積溫為7 177 ℃。年均降雨量為691.3 mm，年均蒸發(fā)量為3 752.7 mm，空氣相對(duì)濕度為54%，屬于半干旱氣候［11］。區(qū)域內(nèi)新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈，導(dǎo)致巖層質(zhì)地軟弱、結(jié)構(gòu)松散，再加上人們不合理的開發(fā)利用，使該區(qū)域泥石流爆發(fā)頻繁［12］?；谏锕こ讨卫砟嗍鞯睦砟睿?986年開始科研人員對(duì)這一地區(qū)進(jìn)行植被恢復(fù)。目前該區(qū)域的喬木主要有新銀合歡（Leucɑenɑleucocephɑlɑ）、赤 桉（Eucɑlyptus robustɑ）、紅椿（Toonɑsinensis）、云南松（Pinus yunnɑnensis）等；灌木主要包括馬桑（Cɑriɑriɑsinnicɑ）、苦刺（Solɑnum deflexicɑrpum）、車桑子（Dodonɑteɑ ɑngustifoliɑ）等；草 本 植 被 主 要 有 劍 麻（Agɑve ɑmericɑnɑ）、扭黃茅（Heteropogon contortus）、香茅（Cymbopogon citrɑtus）、小葉藎草（Arthrɑxon lɑncifolius）等。多年觀測(cè)表明，新銀合歡和馬桑是該區(qū)域植被恢復(fù)最成功的喬木和灌木［13］。

1.2 根系的采集與處理

課題組在研究區(qū)內(nèi)選取典型的、具有代表性的新銀合歡和馬桑樣地開展樣方調(diào)查，其中新銀合歡樣方位于中國(guó)科學(xué)院東川泥石流觀測(cè)研究站西側(cè)陰坡坡腳處，樣方大小為20 m×20 m，馬桑樣方位于蔣家溝內(nèi)陰坡坡中位置，樣方大小為5 m×5 m，記錄樣方內(nèi)新銀合歡、馬桑的胸徑、株高、冠幅、株數(shù)、生長(zhǎng)狀況等參數(shù)。

在樣方調(diào)查的基礎(chǔ)上，隨機(jī)選取無(wú)病害、長(zhǎng)勢(shì)良好的成齡新銀合歡及成齡馬桑標(biāo)準(zhǔn)木，進(jìn)行根系空間分布及其固土效應(yīng)研究。所選5株新銀合歡標(biāo)準(zhǔn)木平均株高12 m，胸徑15 cm；5株馬桑標(biāo)準(zhǔn)木平均株高1.8 m，基徑7.4 cm。

采用3方位（沿坡向上、沿坡向下、沿等高線）分層分段挖掘法獲取根樣［14］。對(duì)于新銀合歡，以標(biāo)準(zhǔn)木為中心，分別沿著預(yù)設(shè)的3個(gè)方向量出1.4 m，然后在1.4 m 處朝著樹干方向以0.2 m 為一長(zhǎng)度等級(jí)開挖剖面，共挖7段；剖面在豎直方向以0.2 m 為一深度等級(jí)，共挖8層，故剖面深度為1.6 m；剖面寬為0.8 m。對(duì)于馬桑，以標(biāo)準(zhǔn)木為中心，分別沿著預(yù)設(shè)的3個(gè)方向量出1.2 m，然后在1.2 m 處朝著樹干方向開挖剖面，以0.2 m 為一長(zhǎng)度等級(jí)，共挖6段；剖面在豎直方向以0.2 m 為一深度等級(jí)，共挖4層，故剖面深度為0.8 m；剖面寬為0.6 m。

挖掘出的根土放入容器內(nèi)并就近在河水中進(jìn)行沖洗，沖洗干凈的根系用密封袋保存，帶回實(shí)驗(yàn)室，用游標(biāo)卡尺測(cè)量根系直徑。本次試驗(yàn)中，將根的徑級(jí)分為D＜2 mm，2≤D≤5 mm，D＞5 mm 這3個(gè)等級(jí)。測(cè)量完根徑，將根系放入烘箱內(nèi)，70 ℃烘干至恒重，分別稱取不同剖面位置、不同徑級(jí)的根系干重，并記錄，用于研究根系分布特征。最后，在剖面以外部分挖掘新鮮根系，用于室內(nèi)拉伸試驗(yàn)。

1.3 根系抗拉測(cè)定

根系拉伸試驗(yàn)采用愛普手動(dòng)拉力機(jī)臺(tái)和依思達(dá)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其中拉力儀主要由動(dòng)力系統(tǒng)、夾具、拉力傳感器、位移傳感器及電腦組成，拉力儀最大測(cè)試量程為20 kg。為了避免夾具損傷根系而導(dǎo)致根系在夾具附近斷裂，在夾具內(nèi)側(cè)附加一層橡膠墊。

根系拉伸試驗(yàn)選取順直、完整無(wú)損、直徑相對(duì)均一的新鮮根系。首先將根系兩端伸入夾具中，將其固定，使根系平行于水平面以確保根系受到軸向勻速荷載的作用。然后用數(shù)顯游標(biāo)卡尺在根系的兩端及中間處各測(cè)一次根系直徑，并取算數(shù)平均值來(lái)計(jì)算根系橫截面積（假定根系橫截面為圓形）。接著，用手勻速搖動(dòng)拉力儀上的螺旋式手柄，開始測(cè)定根系拉力。此過(guò)程中數(shù)據(jù)采集儀自動(dòng)記錄根系拉伸試驗(yàn)的全過(guò)程并獲取數(shù)據(jù)，包括拉力、位移等基本性能指標(biāo)。本試驗(yàn)要求根系必須在中間部位斷裂，試驗(yàn)才視為成功，如果根系從兩端夾具滑脫或者破壞，均視為失敗。

計(jì)算每一受測(cè)根段試樣單根抗拉強(qiáng)度的公式為：

式中：P——根段的抗拉強(qiáng)度（MPa）；F——最大抗拉力（N）；D——平均根徑（mm）。

1.4 根系對(duì)土體抗剪強(qiáng)度增加值的計(jì)算

為評(píng)估根系對(duì)土壤抗剪強(qiáng)度的增加，Waldron和Wu基于Mohr-Coulomb理論，建立了根系土抗剪強(qiáng)度力學(xué)模型［15］：

式中：τr——根系土的抗剪強(qiáng)度（kPa）；σ——剪切面上的 法 向 應(yīng) 力（k Pa）；φ——土 的 內(nèi) 摩 擦 角（°）；Cs——土體黏聚力（k Pa）；Cr——根系對(duì)土體抗剪強(qiáng)度的增加值（k Pa）；tr——單位面積土體中根系抗拉強(qiáng)度（k Pa）；β——根的變形角度（°）；F——根系抗拉力（N）；TR——根系抗拉強(qiáng)度（k Pa）；AR——根系橫截面積（m2）；A——根系作用土體的面積（m2）；AR／A——根面積比，記作RAR。

由（3）式和（4）式可得根系對(duì)土體抗剪強(qiáng)度增加值Cr為：

Wu 等 和 Waldron 等 經(jīng) 過(guò) 試 驗(yàn) 發(fā) 現(xiàn)（sinβ＋cosβtanφ）經(jīng)常位于1.0～1.3 之間，大多數(shù)研究取1.2進(jìn)行評(píng)估，因此：

研究發(fā)現(xiàn)，由于Wu-Waldron模型假設(shè)所有根系都表現(xiàn)出最大抗拉強(qiáng)度且同時(shí)斷裂，該假設(shè)會(huì)使得模型高估根系對(duì)土體的增強(qiáng)效應(yīng)值［3］，因此，本研究采取修正的Wu-Waldron模型，簡(jiǎn)稱RWM 模型［16］，修正系數(shù)K 選取0.4，如（7）式：

1.5 根面積比計(jì)算

根面積比（root area ratio，RAR）計(jì)算采用標(biāo)準(zhǔn)根系法［14］。首先選取根長(zhǎng)20 cm，根徑D 為2 mm 的標(biāo)準(zhǔn)根系10根，測(cè)量各自的生物量，并計(jì)算平均值，記作m。然后根據(jù)采集到的根樣，用天平稱取不同土層深度的根系生物量，記作Mi（i表示土層深度），將不同深度的根系等效為標(biāo)準(zhǔn)根系，并通過(guò)公式Mi／m計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)根系的數(shù)量ni，通過(guò)公式ni（πD2）／4計(jì)算不同深度的根系橫截面積，然后比上根系所占土體面積從而獲得RAR 值。

2 結(jié)果與分析

2.1 根系垂直分布特征

2.1.1 根系徑級(jí)分布 通過(guò)分別對(duì)新銀合歡和馬桑兩種植物不同徑級(jí)根系干重在不同深度范圍內(nèi)分布的統(tǒng)計(jì)，得出不同徑級(jí)根系干重隨深度變化特征（見圖1），統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明新銀合歡和馬桑各徑級(jí)根系的生物量隨深度的變化幅度存在明顯差異，其中＞5 mm 徑級(jí)的根系變化最為明顯，＜2 mm 變化次之，2～5 mm 隨深度的變化最小。

新銀合歡＞5 mm 徑級(jí)的根系在0—0.2 m 和0.2—0.4 m 深度范圍內(nèi)的生物量分別為824.5 g和132.2 g，占該徑級(jí)總生物量的97.1%，說(shuō)明該徑級(jí)根系幾乎全部分布在0.4 m 以上的土層。2～5 mm 徑級(jí)的根系在0—1.0 m 深度范圍內(nèi)的生物量占該徑級(jí)總生物量的98.1%，說(shuō)明該徑級(jí)根系的分布深度主要在1.0 m 范圍內(nèi)，且該徑級(jí)的根系在土壤中分布得較為均勻，生物量變化幅度很小，各土層平均生物量約為28.6 g。＜2 mm 徑級(jí)的根系在0—1.4 m 深度范圍內(nèi)的生物量占該徑級(jí)總生物量的99.5%，表明＜2 mm徑級(jí)的根系在土壤中分布深度約為1.4 m，分布范圍最廣。綜合來(lái)看，新銀合歡根系分布深度約為1.4 m。

馬桑＞5 mm 徑級(jí)根系的生物量為401.9 g，且全部分布在0—0.4 m 深度范圍內(nèi)。2～5 mm 徑級(jí)根系在0—0.4 m 深度范圍內(nèi)的生物量為58.4 g，占該徑級(jí)總生物量的86.6%，說(shuō)明2～5 mm 徑級(jí)根系主要分布在0.4 m 以上土層，而由圖2可以看出該徑級(jí)的最大分布深度可達(dá)0.6 m。＜2 mm 徑級(jí)的根系在0—0.6 m 深度范圍內(nèi)的生物量為267 g，占該徑級(jí)總生物量的98.7%。綜合來(lái)看，馬桑根系主要分布在0—0.6 m 深的土層內(nèi)，此深度范圍內(nèi)的根系生物量占根系總生物量的99.5%，且各徑級(jí)根系生物量均隨著深度的增加而減小。

通過(guò)計(jì)算各徑級(jí)根系的生物量發(fā)現(xiàn)，新銀合歡3種徑級(jí)生物量總和約為馬桑的兩倍，但新銀合歡和馬桑各徑級(jí)根系的生物量占總生物量的比例相似（圖2），其中新銀合歡＜2 mm，2～5 mm 和＞5 mm徑級(jí)的根系生物量分別占總生物量的42.7%，8.5%和48.8%；馬桑＜2 mm，2～5 mm 和＞5 mm 徑級(jí)的根系生物量分別占總生物量的36.6%，9.1%和54.3%。

2.1.2 RAR 隨土壤深度的變化特征 新銀合歡和馬桑的RAR 值均隨著土壤深度的增加而逐漸減?。ㄒ妶D3），二者的RAR 最大值均出現(xiàn)在土壤表層（0—0.2 m），其中新銀合歡RARmax為0.002 4，馬桑RARmax為0.002 9。在0—0.4 m 范圍內(nèi)馬桑的RAR值大于新銀合歡，在0.4 m 深度以下，新銀合歡的RAR值大于馬桑。新銀合歡和馬桑的RAR值分別在1.4—1.6 m 和0.6—0.8 m 土層范圍內(nèi)達(dá)到最小，幾乎為0。

圖3 新銀合歡、馬桑根系橫截面積比RAR 隨深度變化

通過(guò)擬合發(fā)現(xiàn)，新銀合歡RAR 數(shù)值隨深度的變化趨勢(shì)符合指數(shù)函數(shù)形式，而馬桑RAR 數(shù)值隨深度的變化趨勢(shì)符合多項(xiàng)式函數(shù)形式（見表1）。其中x為 土 壤 深 度，y 為RAR 值。

表1 RAR 和土壤深度的擬合關(guān)系

2.2 根系抗拉性能

當(dāng)土體發(fā)生滑動(dòng)時(shí)，根土接觸面上的摩擦力會(huì)將土體中的剪應(yīng)力轉(zhuǎn)化為對(duì)根系的拉力，從而實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)土體的抗剪強(qiáng)度，所以根的抗拉力和抗拉強(qiáng)度是根系固土的重要指標(biāo)。本試驗(yàn)共測(cè)試新銀合歡根系樣本152個(gè)，成功樣品為64個(gè)，試驗(yàn)成功率為42.1%；測(cè)試馬桑根系樣本110個(gè)，成功樣品為57個(gè)，試驗(yàn)成功率為51.8%。新銀合歡和馬桑根系樣品直徑范圍均為＜2 mm。

如圖4 所示，新銀合歡根系抗拉力的最小值為0.5 N，最大值為37.1 N，平均抗拉力為14.2±1.3 N。馬桑根系抗拉力的最小值為0.3 N，最大值為22.3 N，平均抗拉力為4.7±0.6 N。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，新銀合歡和馬桑根系的抗拉力均隨著直徑的增加而增大，但兩者的關(guān)系并非呈現(xiàn)完全線性的比例關(guān)系，而是有明顯的冪函數(shù)關(guān)系：I＝αDβ，α，β為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)且α，β＞0。

如圖5所示，新銀合歡根系樣品抗拉強(qiáng)度的范圍從3.93 MPa到37.33 MPa，平均抗拉強(qiáng)度為12.69±0.79 MPa，抗拉強(qiáng)度與根徑之間的相關(guān)系數(shù)僅為－0.114（p＝0.37），相關(guān)性并不強(qiáng)。馬桑根系樣品抗拉強(qiáng)度的范圍從4.12 MPa到58.81 MPa，平均抗拉強(qiáng)度為19.51±1.45 MPa，馬桑根系的抗拉強(qiáng)度與根徑之間的相關(guān)系數(shù)為－0.535（p＜0.01），抗拉強(qiáng)度隨根徑的增加呈現(xiàn)遞減的對(duì)數(shù)函數(shù)規(guī)律。

圖4 新銀合歡、馬桑根系抗拉力與直徑關(guān)系

圖5 新銀合歡、馬桑根系抗拉強(qiáng)度與直徑關(guān)系

2.3 根系增強(qiáng)土體抗剪強(qiáng)度效應(yīng)

利用新銀合歡和馬桑根系抗拉力與根徑擬合曲線（見圖4），分別計(jì)算出新銀合歡和馬桑標(biāo)準(zhǔn)根系（D＝2 mm）的抗拉力（35.4 N，24.8 N），將其換算為抗拉強(qiáng)度值（11.3 MPa，7.9 MPa），然后用RWM 模型來(lái)計(jì)算不同土層深度根系對(duì)土體抗剪強(qiáng)度的增加值。由表2可知，新銀合歡和馬桑的最大固土效應(yīng)均出現(xiàn)在土壤表層（0—0.2 m），其中新銀合歡為12.97 k Pa，馬桑為10.86 k Pa，隨著土壤深度的增加，新銀合歡和馬桑根系對(duì)土體抗剪強(qiáng)度增加值均逐漸減小。在1.4—1.6 m 深度范圍內(nèi)，新銀合歡根系對(duì)土體抗剪強(qiáng)度增加值最小，為0.05 k Pa，固土效應(yīng)幾乎為0，所以新銀合歡的固土深度約為1.4 m。在0.6—0.8 m深度范圍內(nèi)，馬桑根系對(duì)土體抗剪強(qiáng)度增加值最小，為0.08 k Pa，固土效應(yīng)也幾乎為0，所以馬桑的固土深度約為0.6 m。

表2 根系對(duì)土壤抗剪強(qiáng)度的增加值

3 討論

3.1 根系抗拉特性與根徑之間的關(guān)系

植物根系通過(guò)發(fā)揮自身的抗拉特性以增強(qiáng)土體的抗剪強(qiáng)度，因此根系的抗拉性能是增強(qiáng)邊坡穩(wěn)定性的重要因素［3］，也是根系固土的重要指標(biāo)。影響根系抗拉特性的因素有很多，根徑是主要影響因素之一［17］，諸多學(xué)者開展了根系抗拉與根徑關(guān)系的研究。研究表明，根系的抗拉力隨根徑的增大而增大，且大多呈冪函數(shù)遞增關(guān)系［10］，本文中，新銀合歡和馬桑的根系抗拉力與根徑之間的關(guān)系均為冪函數(shù)遞增（R2分別為0.777 8和0.816 1），與大多數(shù)學(xué)者的研究結(jié)果一致。而根系抗拉強(qiáng)度與根徑之間尚未得出統(tǒng)一的結(jié)論，目前關(guān)于根系抗拉強(qiáng)度與根徑之間關(guān)系的結(jié)論主要有6 類：①冪函數(shù)遞減［14，18］；②指數(shù)函數(shù)遞減［6］；③對(duì)數(shù)函數(shù)遞減［10］；④逆函數(shù)遞減［19］；⑤線性相關(guān)［20］；⑥無(wú)明顯相關(guān)性［21］。本文中，新銀合歡的根系抗拉強(qiáng)度與根徑之間無(wú)明顯相關(guān)性（相關(guān)系數(shù)R＝－0.114），馬桑根系抗拉強(qiáng)度與根徑之間的關(guān)系為對(duì)數(shù)函數(shù)遞減（R2＝0.372 4）。筆者認(rèn)為，各研究中抗拉強(qiáng)度—根徑關(guān)系不一致，是由多方面因素造成的，可主要分為植物自身因素、外部環(huán)境因素以及試驗(yàn)設(shè)置因素。植物自身因素方面，植物種類不同，內(nèi)在遺傳特性可能不同，從而導(dǎo)致不同植物根系在根徑相同的情況下，內(nèi)在的組織結(jié)構(gòu)和組成成分不同，而根系的組織結(jié)構(gòu)和組成成分又直接影響到根系的抗拉強(qiáng)度，導(dǎo)致不同種類植物在根徑相同的情況下根系抗拉強(qiáng)度不同，從而可能導(dǎo)致不同的抗拉強(qiáng)度—根徑關(guān)系。同時(shí)，張超波等［22］人的研究表明，不同根系含水量?jī)H改變了抗拉強(qiáng)度的大小，并未改變抗拉強(qiáng)度—根徑關(guān)系類別。外部環(huán)境方面，J.J.Ni［23］和Mahannopkul［24］分別研究了植株間距和土壤吸力對(duì)根系抗拉強(qiáng)度的影響，結(jié)果表明植株間距和土壤吸力均會(huì)影響根系抗拉強(qiáng)度的大小，但不會(huì)改變抗拉強(qiáng)度—根徑關(guān)系的類別。至于土壤質(zhì)地、土壤含水量、土壤養(yǎng)分等外部環(huán)境因素對(duì)抗拉強(qiáng)度—根徑關(guān)系的影響，目前研究尚不多見，是未來(lái)值得人們深入研究的內(nèi)容。試驗(yàn)設(shè)置方面，李寧等［17］的研究表明，諸如根系標(biāo)距、拉伸速率、根系保存時(shí)間等試驗(yàn)設(shè)置因素僅改變抗拉強(qiáng)度的大小，并不改變抗拉強(qiáng)度—根徑關(guān)系類別。而李可等［6］的研究表明，隨著標(biāo)距和拉伸速率的增大，抗拉強(qiáng)度—根徑關(guān)系類別可由冪函數(shù)關(guān)系變?yōu)橹笖?shù)函數(shù)關(guān)系。綜上所述，筆者認(rèn)為，在植物自身因素、外部環(huán)境因素以及試驗(yàn)設(shè)置因素綜合作用下，可導(dǎo)致根系抗拉強(qiáng)度與根徑之間關(guān)系復(fù)雜多變。

同時(shí)筆者發(fā)現(xiàn)，相較于抗拉力—根徑關(guān)系，抗拉強(qiáng)度與根徑之間的規(guī)律性并不強(qiáng)，在李可等［6］、田佳等［10］、曹云生等［21］的研究中均發(fā)現(xiàn)了這一點(diǎn)，筆者認(rèn)為原因主要有兩方面：第一，由于抗拉強(qiáng)度除了受根徑的影響以外，還會(huì)受到其他因素的影響，如植物種類、根系年齡、根系生長(zhǎng)速率、土壤水分含量、土壤質(zhì)地、營(yíng)養(yǎng)狀況等，即使對(duì)于同種根系同種根徑，由于周圍生長(zhǎng)環(huán)境的差異，也可能產(chǎn)生不同的抗拉強(qiáng)度，從而產(chǎn)生根系抗拉強(qiáng)度與根徑之間規(guī)律性不明顯的現(xiàn)象。第二，抗拉強(qiáng)度是材料的固有屬性，對(duì)于均質(zhì)材料，抗拉強(qiáng)度不隨材料尺寸（如直徑）的變化而變化。盡管大多數(shù)根系具有多相、非均勻和各向異性等生命特征，使得抗拉強(qiáng)度會(huì)受到根徑的影響，但其受尺寸效應(yīng)的影響要比抗拉力更小。而且有研究表明，抗拉強(qiáng)度作為反映材料平均受力情況的指標(biāo)在一定程度上不受根徑影響［21］。綜上所述，可知有時(shí)抗拉強(qiáng)度與根徑之間規(guī)律性不強(qiáng)。

3.2 對(duì)當(dāng)?shù)厣锕こ虘?yīng)用的啟示

通過(guò)根系挖掘，筆者發(fā)現(xiàn)新銀合歡和馬桑兩者的根系形態(tài)截然不同。從顏正平［25］對(duì)根系形態(tài)的分類角度分析，新銀合歡根系構(gòu)型為垂直型，具有直而深的主根，側(cè)根較少。而馬桑根系構(gòu)型為橫走型，具有較多的水平根和斜出根，分布形態(tài)大致平行于地表面。這兩種不同形態(tài)的根系在土層中發(fā)揮不同的固土效應(yīng)。垂直型的新銀合歡根系固土深度較深，約為1.4 m，而本研究區(qū)內(nèi)由于長(zhǎng)期的水土流失現(xiàn)象，導(dǎo)致土層厚度較薄，部分新銀合歡根系可以穿透土層伸入下部基巖，發(fā)揮類似錨桿的作用，將上部松散土層錨固于基巖之上，但新銀合歡側(cè)根較少，導(dǎo)致根系網(wǎng)絡(luò)固土作用不強(qiáng)。橫走型的馬桑根系固土深度較淺，約為0.6 m，但其具有較多的水平根和斜出根，易與土壤中的其他根系形成網(wǎng)絡(luò)固土作用。蔣定生等［26］指出，植物根群在土體中呈網(wǎng)絡(luò)狀，可使土體抗沖性明顯提高。所以若將新銀合歡與馬桑結(jié)合起來(lái)，不僅可以發(fā)揮根系的錨固作用，增強(qiáng)邊坡土體穩(wěn)定性，而且可通過(guò)根系網(wǎng)絡(luò)固土，增強(qiáng)土體的抗沖性。前人的研究表明，新銀合歡—馬桑種植模式對(duì)減少坡面水土流失作用良好［11-12］。然而，筆者通過(guò)野外考察發(fā)現(xiàn)，當(dāng)?shù)匦裸y合歡純林較多，鮮有新銀合歡與馬?；蚱渌锓N的混交林，原因可能是隨著新銀合歡林齡的增長(zhǎng)，喬木層蓋度不斷增加，導(dǎo)致林下光照減少，不利于草灌層植物生長(zhǎng)發(fā)育，從而逐漸形成了新銀合歡純林。陳愛民等［27］的研究表明，新銀合歡純林對(duì)改良土壤、提高土壤質(zhì)量的效果較差，且隨著林齡的增長(zhǎng)，新銀合歡純林中土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性會(huì)變差，土壤抗蝕性減弱，不利于水土流失的防治。因此，筆者建議，對(duì)于當(dāng)?shù)氐男裸y合歡純林，可以通過(guò)人工干預(yù)，適當(dāng)?shù)夭煞ゲ糠至帜荆黾恿窒鹿庹占傲窒驴臻g，并引種馬桑等灌木和草本植物，增強(qiáng)植物根系網(wǎng)絡(luò)固土作用，不僅有利于提高邊坡穩(wěn)定性，而且可改善土壤質(zhì)量，提高土壤抗蝕性。

4 結(jié)論

（1）新銀合歡和馬桑不同徑級(jí)根系的主要分布范圍不同，其中新銀合歡＞5mm，2～5mm，＜2mm 徑級(jí)的根系分別分布在0—0.4，0—1.0，0—1.4 m 深度范圍內(nèi)；馬桑＞5 mm 和2～5 mm 徑級(jí)的根系主要分布在0—0.4 m 深度范圍內(nèi)，＜2 mm 徑級(jí)的根系分布在0—0.6 m 深度范圍內(nèi)。新銀合歡3種徑級(jí)生物量總和是馬桑的近兩倍，新銀合歡和馬桑各徑級(jí)根系的生物量占總生物量的比例相似。

（2）新銀合歡和馬桑的RAR 均隨著土壤深度的增加而逐漸減少，其中，新銀合歡的RAR 值隨深度的變化趨勢(shì)符合指數(shù)函數(shù)形式，而馬桑的RAR 值隨深度的變化趨勢(shì)符合多項(xiàng)式函數(shù)形式。

（3）新銀合歡和馬桑的根系抗拉力均隨著直徑的增加而增大，均呈現(xiàn)出明顯的冪函數(shù)遞增關(guān)系。新銀合歡抗拉強(qiáng)度與根徑之間無(wú)明顯規(guī)律性，馬桑根系的抗拉強(qiáng)度與根徑之間呈現(xiàn)遞減的對(duì)數(shù)函數(shù)規(guī)律，但規(guī)律性不強(qiáng)。新銀合歡的平均抗拉強(qiáng)度（12.69±0.79 MPa）小于馬桑的平均抗拉強(qiáng)度（19.51±1.45 MPa）。

（4）新銀合歡和馬桑根系的固土效應(yīng)最大值均出現(xiàn)在土壤表層（0—0.2 m），其中新銀合歡為12.97 k Pa，馬桑為10.86 k Pa。隨著土壤深度的增加，新銀合歡和馬桑根系對(duì)土體抗剪強(qiáng)度增加值均逐漸減小。新銀合歡根系固土深度較深，約為1.4 m，馬桑根系固土深度較淺，約為0.6 m。

（5）新銀合歡根系構(gòu)型為垂直型，馬桑根系構(gòu)型屬于橫走型，可將二者結(jié)合起來(lái)，不僅有利于邊坡穩(wěn)定，而且可提高土體抗蝕性。