全 文 ：第 37 卷 第 8 期
2015 年 8 月
北 京 林 业 大 学 学 报
JOUＲNAL OF BEIJING FOＲESTＲY UNIVEＲSITY
Vol． 37，No． 8
Aug．，2015
DOI:10． 13332 / j． 1000--1522． 20150022
护岸金丝柳根系分布特征和力学特性分析
收稿日期:2015--01--21 修回日期:2015--03--26
基金项目:北京市科技服务业专项(Z151100001115001)。
第一作者:郭凯力。主要研究方向:水土保持与流域管理。Email:gxd214314@ 163． com 地址:100083 北京市清华东路 35 号北京林业大
学水土保持学院。
责任作者:高甲荣 ，教授，博士生导师。主要研究方向:流域管理及水环境建设。
本刊网址:http:j． bjfu． edu． cn;http:journal． bjfu． edu． cn
郭凯力1 高甲荣
1
马 岚1 刘国华2 王 兵1 易 扬1 王 舒1 张腾飞1
(1 北京林业大学水土保持和荒漠化防治教育部重点实验室 2 北京市怀柔区水务局)
摘要:了解不同土壤生物工程措施下根系分布特征与抗拉特性对土壤生物工程措施的合理配置意义重大。以竣工
5年的北京市怀柔区土壤生物工程试验区 4 种不同种植方式(埋根、扦插、梢捆、灌丛垫)下的金丝柳根系为研究对
象，测量统计不同土层深度、不同径级的根系生物量并进行单根拉伸试验，分析在不同种植方式下金丝柳根系的生
物量分布特征和单根抗拉特性，结果表明:灌丛垫和梢捆措施根系主要分布在 0 ～ 40 cm深度的土层中，在 0 ～ 20 cm
土层中尤为集中。灌丛垫方式下根径≤1 mm的细根含量丰富(占其总量的 31. 3%)，须根系最为发达，梢捆次之，
细根含量占其总量的 19. 2%。不同种植方式下根系抗拉力与直径都呈正相关，且以幂函数的规律变化。在 0 ～ 20
cm的土层中，不同种植方式下根系的抗拉特性存在较大差异，平均抗拉力从大到小依次为埋根、扦插、梢捆、灌丛
垫;而平均延伸率从大到小依次为灌丛垫、梢捆、扦插、埋根。所以，灌丛垫和梢捆方式下根系浅层生物量较大，须
根发达且具有更好的延伸性能，可有效减轻表土侵蚀，应设置在水位浮动区;埋根和扦插措施下根系能抵抗更大的
剪切力，更好地深入土层深处，可设置在岸堤区。
关键词:土壤生物工程;根系生物量分布;单根抗拉性能;护岸
中图分类号:S715. 3 文献标志码:A 文章编号:1000--1522(2015)08--0090--07
GUO Kai-li1; GAO Jia-rong
1
;MA Lan1;LIU Guo-hua2;WANG Bing1;YI Yang1;WANG Shu1;
ZHANG Teng-fei1 ． Distribution and tensile mechanical properties of Salix × aureo-pendula root
system in soil bioengineering revetment． Journal of Beijing Forestry University(2015)37(8)90--96
［Ch，33 ref．］
1 Key Laboratory of Soil and Water Conservation ＆ Desertification Combating of Ministry of Education，
Beijing Forestry University，Beijing，100083，P． Ｒ． China;
2 Huairou Water Affairs Bureau，Beijing，101400，P． Ｒ． China．
In order to understand the effect of different soil bioengineering measures on the distribution and
tensile mechanical properties of root system，we investigated root biomass distribution and conducted
tensile tests on Salix × aureo-pendula roots from four types of soil bioengineering revetment，i． e．，rooted
cutting，live staking，fascines and brush mattress in the experimental base located at Liuli Ｒiver in
Huairou District，Beijing． All the revetments have been finished for five years． All tested roots were
divided into different diameter classes and soil layers for biomass measure and tensile mechanical
analysis． The results showed that:root system concentrated in 0--40 cm soil layer and root system had the
highest density in 0--20 cm soil layer in revetments with brush mattress and fascines． There was the
highest biomass of roots with diameter less than 1 mm in brush mattress measure，accounting for 31. 3%
of total biomass，followed by that with fascines measure (19. 2%)． The root tensile force increased with
第 8 期 郭凯力等:护岸金丝柳根系分布特征和力学特性分析
the increasing root diameter in a power function pattern among all bioengineering measures． In 0--20 cm
layer，the average tensile force had a significant difference，ranking from high to low as rooted cutting ＞
live staking ＞ fascines ＞ brush mattress，while the average ultimate elongation among different measures
followed the order of brush mattress ＞ fascines ＞ live staking ＞ rooted cutting． According to our results，
the four soil bioengineering measures can be divided into two types:brush mattress and fascines are
suitable to be applied to the area near water surface to alleviate loss of topsoil;rooted cutting and live
staking can be established on bank slope to increase the slope stabilization of deeper soil layer．
Key words soil bioengineering;distribution of root biomass;root tensile tests;revetment
土壤生物工程是采用有生命力的植物根、茎
(杆)或完整的植物体作为主要结构，按一定的方
式、方向和序列将它们扦插、种植或掩埋在边坡的不
同位置，在植物生长过程中实现稳定和加固边坡、控
制水土流失和实现生态修复［1］。而植物根系作为
植物的地下部分，对于提高土体稳定性及保持水土、
抵抗水流对土体的冲刷力及崩解滑塌作用具有十分
重要的作用［2］，研究护岸植物根系分布特征及其力
学特性对防止边坡失稳性灾害、优化配置护坡护岸
植物具有重要的科学指导作用［3
--4］。因此，从根系
角度评价植物的护坡效果对土壤生物工程措施的合
理配置意义重大，但以往对于土壤生物工程应用效
果的研究中，多以研究植物地上部分的生长特性为
主［5
--8］，而针对植物根系分布特征和力学特性的深
入研究较少。本文以北京市怀柔区琉璃河土壤生物
工程试验区的施工植物金丝柳(Salix × aureo-
pendula)作为研究对象，针对其根系的分布特征和力学
特性进行调查分析，以期从根系力学角度为土壤生物
工程措施中不同种植方式的应用配置提供依据。
1 研究区概况
研究区位于北京市怀柔区琉璃河下游河段，国
道 101 经过该河段。怀柔区(116°17 ～ 116°53E、
40°14 ～ 41°04N)是北京市远郊区县之一，属典型
大陆性季风气候，全年平均气温 11. 8 ℃。琉璃河为
潮白河支流，北距北京城 50 km，属于山区河流，内
有常流水。试验区土壤类型以淋溶褐土为主，呈中
性微碱性反应，表土层较厚，有机质含量多为 25 ～
60 g /kg，速效磷和速效钾含量较高。在未治理的裸
露河岸坡面存在着不同程度的溅蚀、面蚀、细沟侵蚀
等坡面侵蚀状况，坡形多变。
试验区长 100 m、宽 4 m，沿岸采用了活体的金
丝柳茎秆，按照扦插、埋根、灌丛垫、梢捆 4 种种植方
式进行了河岸带治理:
1)扦插:选取长度为 0. 3 ～ 0. 4 m、直径 1. 0 ～
3. 5 cm的金丝柳枝条，将底端削尖，插入坡面中，角
度大约与坡面垂直，仅需露出地表几厘米，再对露出
的枝条部分进行削平，以减少水分蒸发。
2)埋根:利用金丝柳的再生能力，在低水位区
将截取扦插枝条后剩余的植株根部和基部埋入坡面
(大于植株长度的 1 /3)。
3)灌丛垫:采用长为 1. 5 ～ 2. 0 m 的金丝柳枝
条，将树枝粗的一端延伸入水中，细的一端朝向岸坡
顶部，按照 20 ～ 25 根 /m枝条的密度将其平行、重叠
或交叉地铺于坡面，为了使灌丛垫结构稳定，打入木
桩，用长铁丝或长木杆把小的分支紧贴地面压紧。
最后用当地土壤轻覆盖在灌丛垫上，以使得植物枝
条生根发芽。
4)梢捆:用麻绳或铁丝将长度为 3 ～ 4 m，直径
为 30 cm的枝条捆成长束状后放置在预先挖好的沟
槽内(沟槽的深度要比梢捆的高度略小)，并每隔 1
m用木桩进行固定，最后以土回填，回填土不宜过
厚，施工后仍可看到少量枝条突出地表。
该试验区竣工于 2009 年 4 月，至今已有超过 5
年的时间，根系材料于 2014 年 8 月采集，试验区内
金丝柳长势良好，已获得较好的护岸与景观效果，能
够为本次调查提供丰富的材料。
2 研究内容与方法
对试验区内不同措施下的金丝柳进行每木检
尺。每种种植方式选取 1 株生长状况具有代表性
的植株作为标准木，去掉地上部分，对根系进行完
全挖掘。按土壤深度分为 0 ～ 20 cm、20 ～ 40 cm、
40 cm以下 3 层装袋编号，带回实验室在 4 ℃环境
下保存，并在 5 d 内完成试验，以保证根系材料的
新鲜。
1)单根抗拉试验。采用微机控制电子式万能
试验机，型号 WDW-100E，其最大试验力为 100 kN，
速度范围 0. 001 ～ 500 mm /min，无级调速，试验力及
位移准确度 ± 0. 5%。
19
北 京 林 业 大 学 学 报 第 37 卷
选取表皮完好、直径变化不大的不同径级的根
系进行拉拔试验，测量(3 次测量取平均值)并记录
直径，规定标据为 100 mm，加载速率为 10 mm /min
进行拉伸试验，记录相关数据［9
--10］，每种种植方式的
根系根据土壤深度划分为 2 个部分:0 ～ 20 cm、20
cm以下，测试成功的根样数分别为 148、35，共成功
测 试 183 个 根 样。采 用 Excel2007 和 SPSS
Statistics18. 0 软件进行数据处理和统计分析。
2)根系生物量与含水率测定。完成抗拉试验
后，立即将根段取下称质量，按土壤深度分为 0 ～ 20
cm、20 ～ 40 cm、40 cm 以下 3 层，且每层按直径分
为≤1 mm、1 ～ 3 mm、＞ 3 mm 3 部分，分别记录数据
并装袋，将分装好的根系在烘箱(80 ℃)中烘 12 h直
至其质量恒定，分别测量根系干质量［11］，并计算其
含水率。采用 Excel2007 软件进行数据处理和统计
分析。
3 结果与分析
3. 1 根系生物量
土壤中根系生物量与土壤剪切力或黏结力成正
比，且根系生物量沿土壤剖面深度方向的垂直变化
规律及不同径级根量都直接影响到植物根系的固土
效果［12
--13］。试验区金丝柳根系主要集中在 40 cm
以上的土层中，40 cm 以下根系含量很少。梢捆与
灌丛垫方式下根系在 0 ～ 20 cm的土层中更为集中，
在 40 cm以下含量(梢捆 9. 5 g，灌丛垫 5. 6 g)极少;
埋根和扦插方式下根系在 0 ～ 40 cm分布相对均匀，
但总量少于梢捆和灌丛垫措施(图 1)。从径级分布
角度来看，灌丛垫方式下根径≤1 mm的细根含量丰
图 1 不同土层深度根系生物量分布
Fig． 1 Ｒoot biomass distribution at different soil depths
富(占其总量的 31. 3%)，须根系最为发达，梢捆次
之，细根含量占其总量的 19. 2%。而在埋根与扦插
方式下，大于 3 mm 的粗根系(埋根 52. 4%，扦插
48. 7%)占的比重较大(图 2)。
图 2 不同径级根系生物量所占百分比
Fig． 2 Percentage of root biomass in different root
diameter classes
3. 2 根系含水率
通过测量根系湿质量、干质量，计算根系含水率
得到:土层深度为 0 ～ 20 cm 时，根系含水率差异较
大，平均含水率从小到大依次为灌丛垫(93%)、梢
捆(77%)、扦插(70%)、埋根(63%)(表 1)。土层
深度为 20 cm以下时，含水率无明显差异(表 1)。
表 1 不同土层深度根系含水率
Tab． 1 Ｒoot moisture content at different soil depths %
种植方式
Bioengineering measures
土层深度 Soil depths /cm
0 ～ 20 20 ～ 40 ＞ 40
埋根 Ｒooted cutting 65 64 59
扦插 Live staking 70 63 63
梢捆 Fascines 77 70 61
灌丛垫 Bush mattress 93 67 63
3. 3 单根抗拉力
植物单根是根系固土的基本单元，对单根的一
系列研究是根系力学性能研究的起点，在研究植物
根系加固土壤和稳定边坡的特性时，必须考虑植物
根系单根的抗拉特性，而根径的大小是影响根系抗
拉力学特性的最直接因素［14
--15］。此次试验结果表
明，根系直径对抗拉力影响明显，根系抗拉力随直径
的增大而增强(图 3、4)。对不同种植方式下金丝柳
根系抗拉力进行曲线拟合，根系抗拉力与根径之间
的回归方程表明，幂函数的拟合效果最好，拟合度均
大于 0. 9，P值均小于 0. 01(表 2、3)，说明不同种植
方式下根系抗拉力与直径都呈正相关，且以幂函数
的规律变化。
土层深度为 0 ～ 20 cm时，不同种植方式下同一
径级根系的抗拉力大小存在较大差异，并且随着直
径的增大，这种差异越来越明显，平均抗拉力从大到
29
第 8 期 郭凯力等:护岸金丝柳根系分布特征和力学特性分析
图 3 根系抗拉力与直径的关系(0 ～ 20 cm)
Fig． 3 Ｒelationship between root tensile resistance and root
diameter (0 ～ 20 cm)
小依次为埋根(0. 408 5 kN)，扦插(0. 210 7 kN)，梢
捆(0. 143 5 kN) ，灌丛垫(0. 110 7 kN)(图 3、表 2)。
而平均延伸率大小正好相反，灌丛垫方式下根系的
图 4 根系抗拉力与直径的关系(＞ 20 cm)
Fig． 4 Ｒelationship between root tensile resistance
and diameter (＞ 20 cm)
平均延伸率最大，平均延伸率从大到小依次为灌丛
垫(15. 81%)、梢捆(14. 91%)、扦插(12. 84%)、埋
根(12. 01%)(表 4)。
表 2 根系抗拉力与直径的回归方程(0 ～ 20 cm)
Tab． 2 Ｒegression equation of tensile resistance and root diameter (0--20 cm)
种植方式
Bioengineering measures
回归方程
Ｒegression equation
Ｒ2 P
平均值
Average tensile resistance /kN
埋根 Ｒooted cutting y = 0. 016x2. 000 0. 940 ＜ 0. 01 0. 408 5
扦插 Live staking y = 0. 017x1. 769 0. 932 ＜ 0. 01 0. 210 7
梢捆 Fascines y = 0. 020x1. 431 0. 958 ＜ 0. 01 0. 143 5
灌丛垫 Bush mattress y = 0. 022x1. 269 0. 916 ＜ 0. 01 0. 110 7
表 3 根系抗拉力与直径的回归方程(＞20 cm)
Tab． 3 Ｒegression equation of root tensile resistance and diameter (＞ 20 cm)
种植方式
Bioengineering measures
回归方程
Ｒegression equation
Ｒ2 P
平均值
Average tensile resistance /kN
埋根 Ｒooted cutting y = 0. 013x1. 920 0. 973 ＜ 0. 01 0. 293 8
扦插 Live staking y = 0. 011x1. 968 0. 976 ＜ 0. 01 0. 302 8
梢捆 Fascines y = 0. 017x1. 615 0. 929 ＜ 0. 01 0. 216 0
灌丛垫 Bush mattress y = 0. 014x1. 765 0. 952 ＜ 0. 01 0. 210 4
表 4 根系极限延伸率(0 ～ 20 cm)
Tab． 4 Ｒoot ultimate elongation (0--20 cm)
种植方式
Bioengineering measures
平均形变
Average strain /mm
平均极限延伸率
Average ultimate elongation /%
极大值
Maximum /%
极小值
Minimum /%
埋根 Ｒooted cutting 18. 012 5 12. 01 14. 15 9. 63
扦插 Live staking 19. 255 0 12. 84 15. 87 10. 11
梢捆 Fascines 22. 358 7 14. 91 16. 06 9. 46
灌丛垫 Bush mattress 23. 720 1 15. 81 18. 55 11. 39
当土层深度达到 20 cm 以下时，不同种植方式
下同一径级根系抗拉力没有明显差异，埋根、扦插、
梢捆、灌丛垫平均抗拉力相差不大，依次为 0. 293 8、
0. 302 8、0. 216 0、0. 210 4 kN(图 4、表 3)。
39
北 京 林 业 大 学 学 报 第 37 卷
不同树种同一径级根系的单根抗拉性能有明显
不同，主要是因为根系的主要成分与根系力学性能
密切相关［16］，而对于本次试验，选取的是同一树种，
0 ～ 20 cm土层中同一径级根系的单根抗拉力却有
明显差异，且这种差异只存在于位于浅层土壤的根
系中，最大可能的原因是根系的含水率不同［17
--19］:
在浅层土壤中，灌丛垫和梢捆措施相较于埋根和扦
插措施有更好的保持水分的作用，从而带来更高的
根系含水率(表 1);而根系含水率对根系的极限抗
拉力有显著影响，表现为随着水分含量的降低，根的
极限抗拉能力有显著提高，但延伸性能明显降
低［20
--21］。灌丛垫措施表层丰富的须根量(图 1、2)
使其具有更好的保水效果，根系含水率较高，从而降
低了根系的单根极限抗拉力且增加了极限延伸率。
随着土层深度增加，不同种植方式对根系含水率的
影响降低，根系含水率趋于相同水平(表 1)，因此在
20 cm以下的土层中，根系的单根抗拉特性没有明
显差异。
4 讨 论
根系的固土作用与≤1 mm 细根的密度有极显
著正相关关系［22
--27］，灌丛垫方式下大量细根在边坡
表土层中盘结缠绕形成加筋复合体保护层，减小水
流流速和水的冲力，减轻雨滴溅蚀和坡面径流侵
蚀［28
--29］。从这个角度考虑，总生物量最大且细根系
统发达的灌丛垫方式在河岸靠近水体表土侵蚀严重
的水位浮动区，拥有其他土壤生物工程措施所不能
比拟的保水固土作用。
根纤维提高土体的抗剪强度主要是通过把根因
受力拉直而产生的抗拉力转变成根土复合体抗剪力
来实现的，根据应用最为广泛且简洁有效的根系固
坡机制的 Wu-Waldron 模型［30--31］，根系产生的土体
抗剪强度的增量不仅关系到根系的平均抗拉强度，
也与根面积比密切相关。所以，不能笼统地因为灌
丛垫和梢捆方式下根系的单根极限抗拉力偏小，就
断定其根系产生的抗剪强度增量小。再者，植物根
系的“加筋”增强土壤抗剪切强度的效果与根抗拉
强度的发挥程度有关，多数情况下，植物根系远没有
达到抗拉强度，而作为活体材料，当承受的应力没有
达到其极限应力时，即根系未失效时，如果外力停止
作用，根系会通过生理作用进行自身修复，甚至形成
愈伤组织，长出不定根，那么其固土护坡保持水土的
作用并不会明显降低，这也是植物措施优于工程措
施的一方面［32
--33］。所以，当所受剪切力在一定范围
内时，灌丛垫方式下的根系因为其较好的延伸性能，
对浅层土壤有较好的保护作用。
埋根和扦插方式下，根系在 40 cm 以下的土层
也有一定量的分布，并且能承受更大的剪切力，面对
坡面下切侵蚀时，可以起到一定的深层加筋和锚固
作用，适用于易受到深层滑动破坏、受土体表面水流
冲蚀较小的岸堤区，更好地解决岸堤区土层的滑动
失稳问题。
5 结 论
1)不同种植方式下根系生物量从大到小依次
为灌丛垫(310. 7 g)，梢捆(269. 8 g)，埋根(230. 6
g)，扦插(224. 0 g)，灌丛垫、梢捆方式下细根所占的
比重也大于埋根和扦插，所以可形成更为密集的网
状根系系统，对河岸表层土壤有更为显著的保护作
用。但灌丛垫和梢捆方式下根系主要集中在 0 ～ 20
cm土层中，在 40 cm 以下含量(梢捆 9. 5 g、灌丛垫
5. 6 g)极少，加筋作用未能深入边坡，在防止浅层土
体移动方面比埋根、扦插措施效果差。综上，灌丛垫
措施更适合设置在水位浮动区，梢捆措施设置在河
岸的坡脚，可起到稳定坡脚拦截土壤的作用。
2)埋根、扦插方式下根量不及另 2 种方式丰
富，且细根系统不够发达(细根所占比重依次为
12. 8%、13. 5%)，对于表层土壤防护效果较差，但其
根系能更好地深入边坡，在 40 cm 以下土层也有所
分布(埋根 16. 9 g、扦插 15. 2 g)。在浅层土壤中
(0 ～ 20 cm)，根系的平均单根抗拉力从大到小依次
为埋根(0. 408 5 kN)、扦插(0. 210 7 kN)、梢捆
(0. 143 5 kN)、灌丛垫(0. 110 7 kN)，因此在一定土
层范围内，埋根和扦插措施能提供更大的极限抗剪
力。综上，埋根和扦插措施可设置在远离水体岸堤
区，用于稳定边坡及修复小型的潮湿土壤滑动及
沉陷。
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(责任编辑 李 丰刀女
责任编委 杨晓晖)
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