全 文 ：绿竹根系分布及生物力学性质*
李摇 谦1 摇 周本智1**摇 安艳飞1 摇 徐升华2
( 1中国林业科学研究院亚热带林业研究所, 浙江富阳 311400; 2富阳市林业局, 浙江富阳 311400)
摘摇 要摇 为探讨绿竹根系固土力学机制,研究了绿竹根系在土壤中的垂直分布状况,以及绿
竹单根抗拉强度和林地土壤抗剪切强度.结果表明: 绿竹根系干质量、长度、表面积和体积均
随土层深度增加而减小, 0 ~ 40 cm土层集中了 90%以上的根系.径级 D臆1 mm 根系占全部
根系长度的比例最大,为 79. 6% ,占全部根系体积的比例最小,为 8. 2% ;而 D逸2 mm 根系则
相反,D=1 ~ 2 mm根系居于二者中间. 12%含水率和饱和含水率下,绿竹根系最大抗拉力与
直径呈幂函数正相关,而根系抗拉强度与直径呈幂函数负相关;不同径级根系的抗拉强度存
在显著差异,D臆1 mm 根系抗拉强度最大,而 D逸2 mm 最小. 12%含水率下根系抗拉强度显
著高于饱和含水率下根系抗拉强度,含水率对根系抗拉强度的影响随根系径级增大而减小.
绿竹林地土壤抗剪切强度和裸地土壤抗剪切强度均随土壤深度增加而增大.绿竹林地土壤抗
剪切强度与根系含量呈线性正相关,且显著大于裸地土壤抗剪切强度,其增加值与根系含量
呈指数正相关,而与土壤深度关系不大.
关键词摇 绿竹摇 根系摇 生物力学摇 抗拉强度摇 抗剪切强度
文章编号摇 1001-9332(2014)05-1319-08摇 中图分类号摇 S157. 1摇 文献标识码摇 A
Root system distribution and biomechanical characteristics of Bambusa oldhami. LI Qian1,
ZHOU Ben鄄zhi1, AN Yan鄄fei1, XU Sheng鄄hua2 ( 1Research Institute of Subtropical Forestry, Chinese
Academy of Forestry, Fuyang 311400, Zhejiang, China; 2 Forestry Bureau of Fuyang County,
Fuyang 311400, Zhejiang, China) . 鄄Chin. J. Appl. Ecol. , 2014, 25(5): 1319-1326.
Abstract: To determine the mechanism of soil stabilizing through Bambusa oldhami root system,
the vertical distribution of B. oldhami root system in soil was investigated, and the tensile strength
of individual root and soil shear strength were measured in B. oldhami forest. The dry mass,
length, surface area and volume of the B. oldhami root system decreased with the increasing soil
depth, with more than 90% of the root system occurring in the 0-40 cm soil layer. The root class
with D臆1 mm occupied the highest percentage of the total in terms of root length, accounting for
79. 6% , but the lowest percentage of the total in terms of root volume, accounting for 8. 2% . The
root class with D逸2 mm was the opposite, and the root class with D=1-2 mm stayed in between.
The maximum tensile resistance of B. oldhami root, either with 12% moisture content or a saturated
moisture content, increased with the increasing root diameter, while the tensile strength decreased
with the increasing root diameter in accordance with power function. Tensile strength of the root,
with either of the two moisture contents, was significantly different among the diameter classes, with
the highest tensile strength occurring in the root with D臆1 mm and the lowest in the root with D逸
2 mm. The tensile strength of root with 12% moisture content was significantly higher than that with
the saturated moisture content, and less effect of moisture content on root tensile strength would oc鄄
cur in thicker roots. The shear strengths of B. oldhami forest soil and of bare soil both increased
with the increasing soil depth. The shear strength of B. oldhami forest soil had a linear positive cor鄄
relation with the root content in soil, and was significantly higher than that of bare soil. The shear
strength increment in B. oldhami forest was positively correlated with the root content in soil accord鄄
ing to an exponential function, but not related significantly with soil depth.
Key words: Bambusa oldhami; root system; biomechanics; root tensile strength; shear strength.
*林业公益性行业科研专项 (201204101 )、国家自然科学基金项目 (30300273,30840064 )和浙江省和中国林业科学研究院合作项目
(2012SY06)资助.
**通讯作者. E鄄mail: benzhi_zhou@ 126. com
2013鄄07鄄26 收稿,2014鄄02鄄19 接受.
应 用 生 态 学 报摇 2014 年 5 月摇 第 25 卷摇 第 5 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇
Chinese Journal of Applied Ecology, May 2014, 25(5): 1319-1326
摇 摇 根系是植物重要的营养器官,具有吸收水分和
养分、固着支持植物地上部分、合成、储藏有机物等
重要的生物学功能. 同时植物根系是生态系统的重
要组成部分,生态系统功能的有效发挥很大程度上
依赖于地下部分的根系. 植物通过广布而庞大的根
系固着土壤颗粒,稳定土壤,可有效控制土壤侵蚀的
发生,因此,根系是森林生态系统发挥水土保持功能
的重要参与者[1-2] . 在人工恢复生态过程中和水土
保持实践中,特别是一些非生物措施不可行以及可
以利用生物软措施代替或部分代替硬性的工程措施
时,根系力学特性和根系分布研究尤为重要[3] .
绿竹(Bambusa oldhami)属禾本科竹亚科绿竹
属丛生竹种,具有生长快、成材早、发笋期长、产量高
等特点.笋味甘美,材性优良,秆材可作为造纸材料,
是我国南方优良的笋材两用竹种之一,经济效益较
高.此外,绿竹根系发达,在美化环境、防浪护岸、防
止水土流失等方面也发挥着重要作用[4] . 我国绿竹
主要分布于浙江、福建和台湾等省,总面积 2伊104 ~
3伊104 hm2 [5],是广大南方山区调整农业产业结构、
促进农业产业化发展的重要优良竹种. 绿竹多栽植
在溪流江河两岸、冲积土平原和丘陵山脚田边,这些
地方是生态脆弱立地之一,极易发生水土流失、土壤
侵蚀等地质灾害. 因此,对绿竹固堤护岸、水土保持
作用的研究尤为重要.目前,有关绿竹水土保持研究
多集中在水土流失立地条件绿竹林的栽培培育[6]、
持水量[7],以及绿竹固土护坡、水土保持效益评
价[8]等方面,而涉及绿竹根系分布和生物力学的研
究鲜有报道.植物根系具有增强土壤抗冲性、防治层
状面蚀和河岸侧蚀、稳定斜坡、控制重力侵蚀等作
用,这与根系分布和生物力学特征密不可分[9] . 为
此,本文对绿竹林的根系分布及力学性质进行研究,
探讨绿竹根系固土作用机理,为评价绿竹控制土壤
侵蚀、保持水土的能力提供依据,也为制定经济生态
型竹林发展规划提供科学参考.
1摇 研究地区与研究方法
1郾 1摇 研究区概况
研究区位于浙江省平阳县山门林场(27毅21忆—
27毅46忆 N,120毅24忆—121毅08忆 E),地处浙江省东南沿
海,属中亚热带海洋性季风气候,年均温 17 ~ 20 益,
最冷月平均气温 6 ~ 8 益,极端低温-2 ~ 5. 8 益,无
霜期 280 d.年均降水量 1674 mm,降水主要集中在
3—9 月.土壤为微酸性红壤,地形为缓坡地.
试验林为 2002 年人工母竹造林,造林密度
600 ~ 750丛·hm-2,每丛 15 ~ 23 株,70%以上为 3
年竹.绿竹林经营管理较为粗放,几乎不施肥、除草
和松土,每 2 ~ 3 年砍伐老竹一次. 试验林郁闭度较
大,林下植被稀少,仅有少量草本植物.
1郾 2摇 研究方法
1郾 2郾 1 绿竹根系分布调查及取样摇 在绿竹林林内随
机设置 10 m伊10 m样地 3 块,对样地内立竹进行每
竹检尺,调查立竹胸径、年龄,并计算立竹密度和丛
内密度. 样地立竹平均胸径 2. 73 cm,平均竹高
5. 58 m,每丛 17 ~ 19 株.在每块样地内选取 3 丛竹
丛,调查地下结构.绿竹根系主要分布在以竹丛为中
心半径 20 cm、深 60 cm的范围内,因此在距离选定
竹丛的边缘 20 cm 处,向下挖,每 20 cm 为一层,每
层挖取长 40 cm、宽 40 cm、深 20 cm土块,直到没有
根系为止.将土块过筛,挑出每条竹根,用清水冲洗
干净,风干,编号后带回实验室,进行数量指标和生
物力学指标测定.
1郾 2郾 2 根系数量指标测定摇 采用加拿大 Regent公司
(Regent Instruments Inc. )的 STD1600+双光源专用
扫描仪,以透射光源(TPU)对竹根样品进行扫描,扫
描分辨率 400 ppi.采用根系图像分析软件 WinRHI鄄
ZO Pro对图像进行分析,获取竹根长度、表面积、体
积等指标.将绿竹根系样品于 105 益烘箱烘干至恒
量,测定干质量,计算含水率.
1郾 2郾 3 根系抗拉强度测定 摇 将根系分成两部分,一
部分风干后放入高低交变湿热试验机 ( GZ鄄ES鄄
PEC),温度 20 益,相对湿度 65% ,含水率 12% ,获
得含水率为 12%的根系样品(参照木材物理力学实
验方法中标准含水率为 12% );另外一部分放入水
中浸泡 48 h,使其达到饱和含水率.用游标卡尺将不
同含水率的根系样品按径级(D)分为 D臆1 mm、1 ~
2 mm、逸2 mm 3 个范围.采用电子式人造板试验机
(MWD鄄10B)测量各径级、不同含水量根系样品的最
大拉力,用游标卡尺量取断裂处直径(同一位置测
量 3 次,取平均值),每个径级 24 个重复.计算抗拉
强度(P) [10]:
P=4F / (仔D2)
式中:F为最大拉力;D为根系直径.
采用 现 场 十 字 剪 切 仪 ( Eijkeelkamp鄄VANE
TESTER H鄄60)按 10 cm 一层,测量 0 ~ 40 cm 土层
中裸地无根土壤(每层重复 5 次)和绿竹林地土壤
的抗剪切强度(每层重复 10 次),2 个样地立地条件
相同,裸地上无植物.利用绿竹林地土壤抗剪切强度
减去裸地土壤抗剪切强度[11],推算出根系的存在导
0231 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 25 卷
致土体增大的抗剪切强度. 用土钻将测量处土壤按
10 cm一层取出,挑出根系,洗净,风干带回实验室,
测量根系干质量,并根据土钻体积计算根系含量.
1郾 3摇 数据处理
采用 Excel 2003 和 SPSS 16. 0 软件对数据进行
统计分析.利用幂函数对绿竹根系抗拉力、抗拉强度
与根系直径的关系进行拟合[12-13] .利用一次函数对
根土复合体抗剪切强度与根系含量进行拟合[14] .采
用单因素方差分析(one鄄way ANOVA)中的最小显著
差数法(LSD)分析不同含水率和直径的根系抗拉
力、抗拉强度、抗剪切强度的差异. 利用指数函数对
抗剪切强度的增强值与根系含量进行拟合[15] .图表
中数据为平均值依标准差.
2摇 结果与分析
2郾 1摇 绿竹根系的垂直分布
植物根系的固土护坡作用主要取决于根系的形
态特征(如根系随土壤深度的分布特性、根系类型
等)和抗拉强度[16-17] . 根系垂直分布指同一根系中
不同类型的根在土壤的空间造型和分布规律,通常
采用根长、根生物量和根体积等参数来描述根系垂
直变化[18-19] .研究区绿竹根系在 0 ~ 60 cm 土层中
表现为随土壤深度的增加,根系含量逐步减少. 其
中,0 ~ 20 cm土层中根干质量、长度、表面积和体积
分别占其总量的 60. 0% 、64. 8% 、61. 2%和 58. 3% .
绿竹根系的绝大多数分布在 0 ~ 40 cm 土层中,4 项
指标均达 90%左右(表 1).
由表 2 可知,绿竹各径级(D)根系分布比例不
同,其中,D臆1 mm根系占全部根系长度的 79. 6% ,
占全部根系体积的 8. 2% ;D逸2 mm 根系占全部根
系长度的 8. 8% ,占全部根系体积的 68. 6% ;D= 1 ~
2 mm根系居于前两者之间.不同径级根系在土层中
的分布情况也不相同,无论是根系长度还是体积,
D臆1 mm、D=1 ~ 2 mm根系都以 20 ~ 40 cm土层分
布最多,约占 50% ;而 D逸2 mm根系则在 0 ~ 20 cm
土层中分布最多,约占 48% .
2郾 2摇 绿竹根系抗拉力
由图 1 可知,12%含水率和饱和含水率下绿竹
根系最大抗拉力与直径均呈正相关. 随根系直径增
加,根系抗拉力快速增加. 回归分析表明,饱和含水
率和 12%含水率下根系抗拉力与直径均符合幂函
数关系,关系式分别为 y = 24. 715x1. 539(R2 = 0郾 95,
P<0. 01)和 y=30. 509x1. 241(R2 = 0郾 95, P<0郾 01),可
见根系直径是影响抗拉力的重要因子.
2郾 3摇 绿竹根系抗拉强度
2郾 3郾 1 绿竹根系抗拉强度与直径关系 摇 由图 1 可
知,12%含水率和饱和含水率下绿竹根系抗拉强度
与直径均呈负相关,这与根系抗拉力与直径的关系
相反. 12%含水率和饱和含水率下,根系抗拉强度随
根系直径的变化规律一致:D臆1 mm时,抗拉强度
表 1摇 绿竹根系的垂直分布
Table 1摇 Vertical distribution of Bambusa oldhami root system
项目
Item
土层 Soil layer (cm)
0 ~ 20
数值
Value
百分比
Percentage
20 ~ 40
数值
Value
百分比
Percentage
40 ~ 60
数值
Value
百分比
Percentage
根干质量
Root dry mass (kg·hm-2)
190. 57依107. 16a 60. 0 88. 93依61. 20b 28. 0 38. 11依44. 14b 12. 0
根长度
Root length (伊104 m·hm-2)
2. 94依1. 95a 64. 8 1. 32依0. 57b 29. 1 0. 28依0. 12b 6. 1
根表面
Root surface area (m2·hm-2)
60. 33依23. 92a 61. 2 32. 13依11. 94b 32. 6 6. 19依3. 09c 6. 3
根体积
Root volume (伊10-3 m3·hm-2)
10. 50依3. 90a 58. 3 6. 40依2. 60b 35. 6 1. 10依0. 60c 6. 1
不同小写字母表示差异显著(P<0. 05) Different small letters indicated significant difference at 0. 05 level.
表 2摇 不同土层各径级根分布比例
Table 2摇 Distribution proportion of each diameter class root in different soil layers (%)
直径
Diameter
(mm)
按根长计量 Measured by root length
0 ~ 20 cm 20 ~ 40 cm 40 ~ 60 cm 占 0 ~ 60 cm
土层比例 Percentage of
0 ~ 60 cm soil layer
按根体积计量 Measured by root volume
0 ~ 20 cm 20 ~ 40 cm 40 ~ 60 cm 占 0 ~ 60 cm
土层比例 Percentage of
0 ~ 60 cm soil layer
臆1 42. 2依14. 1 49. 1依11. 6 8. 7依6. 2 78. 5依7. 1 38. 2依11. 2 51. 8依8. 9 10. 1依6. 1 9. 5依4. 3
1 ~ 2 34. 6依11. 3 51. 3依11. 7 14. 1依7. 9 14. 0依3. 0 36. 1依12. 5 50. 4依12. 3 13. 5依8. 6 28. 1依7. 7
逸2 48. 1依15. 6 41. 6依12. 1 10. 2依15. 2 7. 6依5. 2 48. 3依16. 3 41. 5依13. 1 10. 3依17. 1 62. 4依11. 4
12315 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 李摇 谦等: 绿竹根系分布及生物力学性质摇 摇 摇 摇 摇 摇
图 1摇 绿竹根系最大抗拉力、抗拉强度与直径的关系
Fig. 1摇 Relationships between root maximum tensile, root tensile strength and diameter of Bambusa oldhami.
玉: 12%含水率 12% moisture content; 域: 饱和含水率 Saturated moisture content. 下同 The same below.
随直径增加快速下降;D = 1 ~ 2 mm 时,抗拉强度随
直径增加缓慢下降;D逸2 mm 时,抗拉强度随着直
径增加变化趋于平缓. 饱和含水率和 12%含水率
下,根系抗拉强度与直径符合幂函数关系(y =琢x茁),
关系式分别为 y=31. 449x-0. 461(R2 = 0. 64, P<0. 01)
和 y=38. 794x-0. 757(R2 = 0. 87, P<0. 01).式中,茁 表
示根系抗拉强度随根径减小的速率. 茁 值越小,表明
抗拉强度随直径增加而减小的速率越快[20] . 因此,
与饱和含水率相比,12%含水率下随根系径级增加,
抗拉强度下降较快.
2郾 3郾 2 不同含水率、径级下根系的抗拉强度摇 由图 2
可知,12%含水率(n = 49)和饱和含水率(n = 59)下
不同径级根系抗拉强度存在显著差异,且都以 D臆
1 mm根系抗拉强度最大,分别为 61. 34 和 37. 56
MPa;D = 1 ~ 2 mm 根系的抗拉强度次之,分别为
29郾 84 和 26. 56 MPa;D逸2 mm 根系的抗拉强度最
小,分别为 20. 69 和 20. 51 MPa.
在同一根系径级下,12%含水率下根系抗拉强
度大于饱和含水率,但这种差异在不同径级间表现
不同.其中,在 D臆1 mm( n = 36)和 D = 1 ~ 2 mm
(n=35)根系中,差异达显著水平;在 D逸2 mm根系
中,差异不显著(n = 37). 可见,含水率对根系抗拉
强度的影响随着根系直径的增加而下降.
2郾 4摇 绿竹根土复合体抗剪切强度
由表 3 可知,随土壤深度增加,绿竹林地和裸地
土壤的抗剪切强度基本呈增加趋势. 其中,从 10 ~
20 cm土层到 20 ~ 30 cm 土层,土壤抗剪切强度的
上升幅度较大,绿竹林地和裸地土壤的抗剪切强度
图 2摇 不同含水率下绿竹各径级根系的抗拉强度
Fig. 2摇 Root tensile strength of Bambusa oldhami with different
diameters in different water contents.
不同大写字母表示同一含水率下不同径级间差异显著,不同小写字
母表示同一径级不同含水率间差异显著(P<0. 05) Different capital
letters indicated significant difference among different diameters in the
same water content, and different small letters indicated significant differ鄄
ence among different water contents in the same diameter at 0. 05 level.
图 3摇 绿竹林土壤抗剪切强度增强值与根系含量的关系
Fig. 3 摇 Relationships between soil anti鄄shearing enhancement
and root content in Bambusa oldhami forest.
2231 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 25 卷
表 3摇 不同土层绿竹林地和裸地土壤的抗剪切强度
Table 3摇 Anti鄄shearing strength of Bambusa oldhami forest and bare in different soil layers
土层
Soil layer
(cm)
裸地土壤抗剪切强度
Anti鄄shearing strength
of bare soil (kPa)
绿竹林地抗剪切强度
Anti鄄shearing strength of
B. oldhami (kPa)
抗剪切强度增强值
Soil anti鄄shearing strength
enhancement (kPa)
根系含量
Root content
(g·dm-3)
0 ~ 10 18. 4依1. 7b 29. 8依2. 6c 11. 4依2. 6bc 1. 10依0. 12c
10 ~ 20 19. 6依1. 7b 37. 0依7. 1b 17. 4依7. 1a 1. 62依0. 23a
20 ~ 30 40. 0依2. 0a 53. 6依3. 6a 13. 6依3. 6ab 1. 35依0. 27b
30 ~ 40 41. 2依2. 3a 49. 6依3. 0a 8. 4依3. 0c 0. 46依0. 29d
不同小写字母表示土层间差异显著(P<0. 05)Different small letters indicated significant difference among different soil layers at 0. 05 level.
图 4摇 绿竹林不同土层土壤次抗剪切强度与根含量的关系
Fig. 4摇 Relationships between anti鄄shearing strength and root content in different soil layers in Bambusa oldhami forest.
分别增加 44. 9%和 104. 1% ;而 0 ~ 10 cm 土层到
10 ~ 20 cm土层以及 20 ~ 30 cm 土层到 30 ~ 40 cm
土层间上升幅度较小. 同一土层绿竹林地土壤抗剪
切强度显著高于裸地土壤(n=15).
摇 摇 绿竹土壤抗剪切强度增强值与土壤根系含量呈
正相关,即随土壤根系含量的增加,土壤抗剪切强度
增强.由图 3 可知,在不考虑土层对抗剪切强度的影
响下,绿竹林地土壤抗剪切强度增强值与根系含量
呈指数函数关系,关系式为 y = 5. 120e0. 728 x (R2 =
0郾 69, P<0. 01).根系能增加土壤的抗剪切强度,根
系含量在 0 ~ 1 g·dm-3时,抗剪切强度随根系含量
增加而缓慢增加,在根系含量>1 g·dm-3后抗剪切
强度随根系含量增加而快速增加.
摇 摇 由图 4 可知,绿竹林地不同土层土壤抗剪切强
度与根系含量呈线性正相关(y=ax+b),但不同土层
土壤抗剪切强度随根系含量的变化幅度不同.其中,
10 ~ 20 cm土层的 a值最大,为 28. 39,而 30 ~ 40 cm
土层的 a值最小,为 7. 52.这表明,根系含量增加导
致的土壤抗剪切强度增加效应在 10 ~ 20 cm土层中
最明显,而在 30 ~ 40 cm土层中最弱.不同土层土壤
抗剪切强度增加效应大小顺序为:10 ~ 20 cm>0 ~
10 cm>20 ~ 30 cm>30 ~ 40 cm.
3摇 讨摇 摇 论
3郾 1摇 绿竹根系垂直分布特征
本研究中,在 0 ~ 60 cm 土层,随土层深度增加
绿竹根系含量逐渐减少. 0 ~ 20 cm 土层集中了约
60%的根系,而 0 ~ 40 cm 土层几乎包括了 90%的
根系.这与骆仁祥等[21]对毛竹(Phyllostachys hetero鄄
cycla cv. pubescens)、黄皮刚竹(P. sulphurea)和菲白
竹(Sasa fortunei),以及黄甫昭等[22]对篌竹(P. nid鄄
ularia)鞭系及根系结构的研究结果一致.根系的层
次分布,主要受植物生物学特性和土层厚度、土壤密
度等生态因子的综合影响[23-24] .
在研究根系功能时,通常按直径大小分为细根
和粗根,一般将直径 2 mm以下的称为细根[25],而粗
32315 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 李摇 谦等: 绿竹根系分布及生物力学性质摇 摇 摇 摇 摇 摇
根主要起构架和支撑作用,细根主要起吸收水分和
养分的作用[26] .本研究中,绿竹 D逸2 mm 的粗根主
要集中分布在 0 ~ 20 cm表层土壤中;虽然其根长所
占比重最小,但其根系体积所占比重最大,可以强化
根系的抗冲性和抗蚀性[27],这表明 D逸2 mm 的粗
根在土壤中主要起支撑和固牢作用. D臆1 mm 和
D=1 ~ 2 mm的细根主要分布在 20 ~ 40 cm土层中,
这可能与植物为了更有效地吸收较深土层营养元素
和水分有关.其中,D臆1 mm 根长最长,而已有研究
表明,植物毛根量是决定土壤抗冲能力的主要指
标[28],因此 D臆1 mm 的根系在土壤中广泛分布能
有效提高土壤的抗冲能力.
3郾 2摇 绿竹根系抗拉强度
不同含水率下不同径级绿竹根系与最大拉力均
呈幂函数正相关,R2 >0. 9,说明根系直径是影响根
系最大拉力的关键因子. 植物根系的最大拉力随根
系径级增加而快速增加,可用不同模型进行模拟,竹
类植物采用幂函数模拟均取得较好效果,如本研究
中的绿竹根系,以及料慈竹(Bambusa distegia)、龙
竹(Dendrocalamus giganteus)、香竹(Chimonocalamus
dumosus)、菲白竹、铺地竹(Arundinaria argenteostria鄄
ta)、 鹅毛竹 ( Shibataea chinensis )、 黄条金刚竹
(Sasaella masamuneana f. aureostriata)等[12-13] .其他
一些乔木如榆树 ( Ulmus pumila )、白桦 ( Betula
platyphylla)、蒙古栎(Quercus mongolica)、油松(Pi鄄
nus tabuliformis)、落叶松( Larix gmelinii) [29]采用幂
函数模拟也取得较好结果.随着根径的增加,根的横
截面面积迅速增大,导致根的最大拉力迅速增加,这
与幂函数变化规律吻合[30] . 而灌木如霸王(Zygo鄄
phyllum xanthoxylon)、白刺(Nitraria tangutorum)等
根系拉力及其与直径的关系则以指数函数模拟效果
较好[30-31] .
同一含水率下不同径级绿竹根系抗拉强度存在
显著差异,同一径级根系下不同含水率间的抗拉强
度,除 D逸2 mm 外差异也显著. 12%含水率下绿竹
根系的抗拉强度为 36. 89 MPa,饱和含水率下为
28郾 30 MPa.与其他丛生竹种对比,如菲白竹根系的
抗拉强度为 25. 3 MPa,铺地竹为 27. 1 MPa,鹅毛竹
41. 9 MPa,黄条金刚竹为 32. 7 MPa[12],绿竹根系的
抗拉强度处于中上水平. 与散生竹种[32]相比,如毛
竹为 16. 46 MPa、苦竹(Pleioblastus amarus)为 26. 07
MPa、金竹(Phyllostachys sulphurea)为 19. 35 MPa,绿
竹根系的抗拉强度相对较高.与其他种类植物对比,
如草本植物无芒雀麦 ( Bromus inermis) 为 20郾 14
MPa、早熟禾(Poa annua)13. 00 MPa,绿竹的根系抗
拉强度较高[14] .绿竹的根系抗拉强度甚至比高大乔
木的根系抗拉强度大,如榆树为 27. 57 MPa,白桦为
23. 98 MPa,蒙古栎为 20. 27 MPa,油松为 14. 26
MPa,落叶松为 8. 82 MPa[29] . 根系的抗拉强度是影
响根系固土护坡的重要因素,根系抗拉强度越大,其
固土护坡能力越强[33],可见绿竹是一种优良的水土
保持树种.
根系抗拉力随径级增大而增大,而抗拉强度随
根系径级增大而减小. 两种含水率下绿竹根系的抗
拉强度随直径增加而以幂函数下降.研究表明,几种
丛生竹[12],如龙竹、料慈竹和香竹,以及白桦[34]都
表现为根系的抗拉强度随直径增加呈幂函数下降.
另有研究表明,华北落叶松 ( Larix principis鄄ruppre鄄
chtii)根系的抗拉强度随直径增加而减小,且呈逆函
数关系[35] .但也有少数研究发现,根系抗拉强度随
着根系径级增大而增大,主要集中在草本植物,如早
熟禾、无芒雀麦、多年生黑麦草(Lolium perenne)和
高羊茅(Festuca arundinacea)等,这 4 种草本植物的
单根抗拉强度与根系径级呈线性正相关[14] .
根系抗拉强度随根系径级增大而减小,其作用
机理可能归因于根系组分(纤维素、半纤维素、木质
素)的差异[36-38],如根系纤维素含量和结构的差
异[39-40] .研究表明,径级小的根系其单位干质量的
纤维素含量较径级大的根系高[38],这使得径级小的
根系抗拉强度大.例如,对海岸松(Pinus pinaster)和
欧洲栗(Castanea sativa) 0 ~ 4 mm 去皮根系研究发
现,其综纤维素含量与抗拉强度都随根系直径的减
少而增加[37] . Hales 等[41] 对北方红橡 ( Quercus
rubra)和鹅掌楸(Liriodendron tulipifera)0 ~ 2 mm 带
皮根系的研究也得到相同的规律. 紫花苜蓿(Medi鄄
cago sativa)和马唐(Digitaria sanguinalis)根系的平
均纤维素含量和抗拉强度分别为 22. 2% 、23. 5%和
10. 01、14. 60 MPa.纤维素含量相差不大,而抗拉强
度差异较大.这表明,植物根的抗拉强度不仅与纤维
素含量有关,还受纤维排列紧密、疏松程度以及根的
其他物质组成的影响[42] .
3郾 3摇 绿竹林土壤抗剪切强度
裸地土壤和绿竹林地土壤抗剪切强度都随土壤
深度增加而增加,其中,10 ~ 20 cm 土层到 20 ~ 30
cm土层增加显著,其他土层增加较小. 这种变化规
律与 0 ~ 20 cm 土层受到人为干扰较大,其土壤疏
松、密度降低,土壤颗粒之间的相互作用力较小有
关.植物根系的存在使土壤具有类似“钢筋混凝土冶
4231 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 25 卷
的构造[43],导致绿竹林地土壤抗剪切强度在各土层
都比裸地土壤抗剪切强度大. 赵丽兵等[11]研究表
明,在 0 ~ 20 cm土层,草木樨(Melilotus suaveolens)、
紫花苜蓿、糜子(Panicum miliaceum)和冰草(Agropy鄄
ron cristatum)4 种草本植物根系均可显著增加土壤
抗剪切强度,分别增加 8. 81、15. 33、10. 76 和 5. 23
kPa,草木樨和紫花苜蓿根系在 20 ~ 40 cm土层分别
增加 6. 37 和 6. 94 kPa. 在实际应用中发现,采用植
被修复技术的坡岸抗剪切力显著高于裸露坡岸,约
高 2. 96 ~ 3. 32 倍[44] .本研究中,绿竹林地土壤抗剪
切强度增加的幅度与各土层根系含量关系密切,与
土壤层次关系不明显. 抗剪切强度的增强值与根系
含量呈指数函数关系. 杨永红等[15]研究认为,土壤
抗剪切强度的增强值与根系含量呈正相关,与土层
深度呈负相关.
根土复合体的抗剪切强度随根系含量增加而增
加,且与根系含量存在一次函数关系. 与其结果相
似,田佳和刘耀辉[14]研究表明,根土复合体抗剪切
强度与根系含量呈线形正相关;李绍才等[45]研究发
现,根土复合体抗剪切强度随根系含量增加而增加,
呈指数函数关系.不同土层根土复合体的抗剪切强
度随根系含量增加而增加的幅度不同,这主要与表
层土壤受到人为干扰较多,深层土壤根系含量较少
有关,因此,10 ~ 20 cm土层土壤抗剪切强度相对根
系含量增加幅度较大.
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作者简介摇 李摇 谦,男,1989 年生,硕士研究生.主要从事森
林生态结构与功能研究. E鄄mail: sxczliqian@ 163. com
责任编辑摇 孙摇 菊
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