全 文 ：第３１卷第５期
２０１１年１０月
水土保持通报
Ｂｕｌｅｔｉｎ　ｏｆ　Ｓｏｉｌ　ａｎｄ　Ｗａｔｅｒ　Ｃｏｎｓｅｒｖａｔｉｏｎ
Ｖｏｌ．３１，Ｎｏ．５
Ｏｃｔ．，２０１１
　
　　收稿日期：２０１０－１２－３１　　　　　　　修回日期：２０１１－０３－０３
　　资助项目：国家自然科学基金项目“固氮植物防治泥石流的抑灾作用机制研究”（４０７７１０２５）；中国科学院知识工程重要方向课题“震裂坡地暴
雨型泥石流滑坡区生态恢复理论与技术”（ｋｚｃｘ２－ｙｗ－３３２）
　　作者简介：郭灵辉（１９８３—），男（汉族），河南省洛阳市人，硕士研究生，主要从事植物生态学学习和研究。Ｅ－ｍａｉｌ：２２７７４１０＠１６３．ｃｏｍ。
　　通信作者：王道杰（１９６８—），男（汉族），四川省成都市人，副研究员，主要从事水土保持及生态修复等研究工作。Ｅ－ｍａｉｌ：ｗａｎｇｄｊ＠ｉｍｄｅ．ａｃ．ｃｎ。
蒋家沟泥石流区新银合欢细根固土效应
郭灵辉１，２，３，王道杰１，２，陈 东１，２，３，陈晓艳１，２，３
（１．中国科学院 山地灾害与地表过程重点实验室，四川 成都６１００４１；
２．中国科学院 水利部 成都山地灾害与环境研究所，四川 成都６１００４１；３．中国科学院 研究生院，北京１０００４９）
摘　要：以蒋家沟泥石流区不同龄级新银合欢根系为研究对象，在分析其垂直分布与构成特征的基础上，
运用加筋原理研究其固土效应。结果显示，不同龄级新银合欢根系表聚现象明显，随土层深度的增加呈减
少趋势，约８０％集中在０—１２０ｃｍ土层范围内；细根（Ｄ≤１ｍｍ）在整个细根根系中所占比例较大，决定着
整个细根的分布趋势；１０年生新银合欢Ｄ≤１ｍｍ细根较５年生增幅明显，１５年生１ｍｍ＜Ｄ≤２ｍｍ细根
较１０年生增幅显著。根径越小，根系的抗拉强度越大，根径与根系的抗拉强度呈幂函数相关关系，不同深
度、不同树龄新银合欢根系固土能力变化较大，与细根（Ｄ≤１ｍｍ）关系密切。
关键词：蒋家沟；新银合欢；细根分布；固土效应
文献标识码：Ａ　　　　　　文章编号：１０００－２８８Ｘ（２０１１）０５－００８５－０５　 中图分类号：Ｘ４３
Ｅｆｆｅｃｔ　ｏｆ　Ｌｅｕｃａｅｎａ　Ｌｅｕｃｏｃｅｐｈａｌａ　Ｆｉｎｅ　Ｒｏｏｔ　ｏｎ　Ｓｏｉｌ　Ｆｉｘａｔｉｏｎ　ｉｎ
Ｄｅｂｒｉｓ　Ｆｌｏｗ　Ａｒｅａ　ｏｆ　Ｊｉａｎｇｊｉａ　Ｇｕｌｙ
ＧＵＯ　Ｌｉｎｇ－ｈｕｉ　１，２，３，ＷＡＮＧ　Ｄａｏ－ｊｉｅ１，２，ＣＨＥＮ　Ｄｏｎｇ１，２，３，ＣＨＥＮ　Ｘｉａｏ－ｙａｎ１，２，３
（１．Ｋｅｙ　Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ　ｏｆ　Ｍｏｕｎｔａｉｎ　Ｈａｚａｒｄｓ　ａｎｄ　Ｅａｒｔｈ　Ｓｕｒｆａｃｅ　Ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ，Ｃｈｉｎｅｓｅ　Ａｃａｄｅｍｙ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｃｈｅｎｇｄｕ
６１００４１，Ｃｈｉｎａ；２．Ｃｈｅｎｇｄｕ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｍｏｕｎｔａｉｎ　Ｈａｚａｒｄｓ　ａｎｄ　Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ，Ｍｉｎｉｓｔｒｙ　ｏｆ　Ｗａｔｅｒ　Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ，Ｃｈｉｎｅｓｅ
Ａｃａｄｅｍｙ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｃｈｅｎｇｄｕ６１００４１，Ｃｈｉｎａ；３．Ｇｒａｄｕａｔｅ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｃｈｉｎｅｓｅ　Ａｃａｄｅｍｙ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００４９，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｖａｒｉｏｕｓｌｙ　ａｇｅｄ　Ｌｅｕｃａｅｎａ　ｌｅｕｃｏｃｅｐｈａｌａｉｎ　ｄｅｂｒｉｓ　ｆｌｏｗ　ａｒｅａ　ｏｆ　Ｊｉａｎｇｊｉａ　ｇｕｌｙ　ｗｅｒｅ　ｃｈｏｓｅｎ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｆｉｎｅ
ｒｏｏｔ　ｓｙｓｔｅｍｓ　ｗｅｒｅ　ｄｕｇ　ｏｕｔ　ｆｒｏｍ　ｔｈｅ　ｓｕｒｆａｃｅ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｂｏｔｔｏｍ　ｌａｙｅｒｓ　ａｔ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｄｉｓｔａｎｃｅｓ　ｆｒｏｍ　ｔｈｅ　ｓｔｅｍ　ｉｎ　ｔｈｒｅｅ
ｄｉｒｅｃｔｉｏｎｓ．Ｂａｓｉｎｇ　ｏｎ　ｔｈｅ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｆｉｎｅ　ｒｏｏｔ　ｖｅｒｔｉｃａｌ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｓ　ａｎｄ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ，ｔｈｅ　ｅｆｆｅｃｔ　ｏｆ　ｆｉｎｅ　ｒｏｏｔｓ
ｏｎ　ｔｈｅ　ｓｏｉｌ　ｓｈｅａｒ　ｓｔｒｅｎｇｔｈ　ｗｅｒｅ　ｅｓｔｉｍａｔｅｄ　ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔ　ｔｈｅｏｒｙ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　ｆｉｎｅ　ｒｏｏｔｓ
ｅｘｈｉｂｉｔｅｄ　ａｎ　ｏｂｖｉｏｕｓ　ａｃｃｕｍｕｌａｔｉｏｎ　ｔｒａｉｔ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｔｏｐｓｏｉｌ　ｌａｙｅｒ，ｗｈｉｃｈ　ｒｅｄｕｃｅｄ　ｗｉｔｈ　ｄｅｐｔｈ．Ａｐｐｒｏｘｉｍａｔｅｌｙ　８０％
ｏｆ　ｔｈｅ　ｆｉｎｅ　ｒｏｏｔ　ｍａｔｅｒｉａｌｓ　ｗｅｒｅ　ｆｏｕｎｄ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｌａｙｅｒ　ｂｅｔｗｅｅｎ　０—１２０ｃｍ　ｄｅｐｔｈｓ．Ｆｉｎｅ　ｒｏｏｔｓ　ｗｅｒｅ　ｍａｉｎｌｙ　ｃｏｍ－
ｐｏｓｅｄ　ｏｆ　ｓｍａｌｅｒ　ｏｎｅｓ（Ｄ≤１ｍｍ）ａｎｄ　ｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄ　ｔｈｅ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｏｆ　ｒｏｏｔ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ．Ｔｈｅ　１０－ｙｅａｒ　ｓｔａｎｄｓ
ｈａｄ　ｍｏｒｅ　ｆｉｎｅ　ｒｏｏｔｓ（Ｄ≤１ｍｍ）ｔｈａｎ　５－ｙｅａｒ　ｏｎｅｓ，ａｎｄ　ｔｈｅ　１５－ｙｅａｒ　ｓｔａｎｄｓ　ｈａｄ　ｏｂｖｉｏｕｓｌｙ　ｍｏｒｅ　ｉｎｔｅｒｍｅｄｉａｔｅ
ｒｏｏｔｓ（１ｍｍ≤Ｄ≤２ｍｍ）ｃｏｍｐａｒｉｎｇ　ｔｏ　ｔｈｅ　１０－ｙｅａｒ　ｓｔａｎｄｓ．Ｒｏｏｔ　ｔｅｎｓｉｌｅ　ｓｔｒｅｎｇｔｈ　ｄｅｃｒｅａｓｅｄ　ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙ　ｗｉｔｈ
ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ　ｄｉａｍｅｔｅｒ，ｆｏｌｏｗｉｎｇ　ａｐｏｗｅｒ　ｌａｗ　ｆｕｎｃｔｉｏｎ．Ｔｈｅ　ｓｏｉｌ　ｓｈｅａｒ　ｓｔｒｅｎｇｔｈ　ｅｎｈａｎｃｅｄ　ｂｙ　ｆｉｎｅ　ｒｏｏｔｓ　ｗａｓ　ｈｉｇｈｌｙ
ｖａｒｉａｂｌｅ　ａｍｏｎｇ　ｄｅｐｔｈｓ　ａｎｄ　ａｇｅｓ，ｌａｒｇｅｌｙ　ｄｅｐｅｎｄｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｓｍａｌｅｒ　ｒｏｏｔｓ（Ｄ≤１ｍｍ）．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｊｉａｎｇｊｉａ　ｇｕｌｙ；Ｌｅｕｃａｅｎａ　ｌｅｕｃｏｃｅｐｈａｌａ；ｆｉｎｅ　ｒｏｏｔ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ；ｓｏｉｌ　ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔ　ｅｆｆｅｃｔ
　　植被通过机械作用与水文作用影响坡体的稳定
性，虽然近年来一直强调植被水文效应的影响，但根
系机械固土作用仍被视为最重要的一方面［１］。稠密
的细根具有较高的比表面积，能够增加根土之间的抗
拉摩擦，是植物提高固土能力的有效根系。为了有效
评价细根固土效应，Ｗａｌｄｒｏｎ［２］和 Ｗｕ等［３］认为根纤
维提高土体的抗剪强度是通过根土接触面之间的摩
擦力把土体中的剪应力转化成根的拉应力，且提出了
计算模型，目前已广为引用［４－５］。该模型中，根系密
度、根系分布范围以及根系的抗拉性能都是根系控制
土壤稳定性的重要参数，这些因素不仅受生物遗传的
影响，也受环境因素的制约［６］。一般认为，分布范围
较大的、拥有健壮根系的成熟树木，具有比幼龄树木
更高的固土能力。但是，也有研究认为幼年林却比成
DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2011.05.038
熟林具有更高的固土能力［７］。如何准确地掌握不同
龄级树木根系的空间分布特征是正确评价其根系固
土能力的关键因素。蒋家沟流域泥石流灾害活动强
烈，每年雨季暴发泥石流１５～２０次，最多年达２８次，
危害严重。本文以蒋家沟流域典型支沟大凹子沟坡
面上新银合欢为研究对象，分析不同龄级新银合欢根
系分布特征并运用加筋原理评价其固土效应，以期为
生物抑灾效应评价提供依据。
１　研究区概况
研究区位于中国科学院东川泥石流观测站所在
的蒋家沟流域，地理坐标为：１０３°０６′—１０３°１３′Ｅ，
２６°１３′—２６°１７′Ｎ。区内多年平均气温２０．２℃，极端
最高气温４０．９℃，极端最低气温－６．２℃，干湿季分
明，８８％的降雨集中在湿季（８—１０月），年均降雨量
６９１．３ｍｍ，年均蒸发量３　７５２．１７ｍｍ，蒸发量是降雨
量的５倍多，相对湿度５４％，属于半干旱气候区［８］。
在长期的水土流失和泥石流作用下，该区石漠化严
重，土壤含砾石较高。植被类型和种类组成具有明显
的分异性，从谷地到分水岭可以分为三带，依次为稀
树草原带、针阔叶混交林带和灌丛草甸带［９］。主要乔
木树种有新银合欢（Ｌｅｕｃａｅｎａ　ｌｅｕｃｏｃｅｐｈａｌａ）、赤桉（Ｅｕ－
ｃａｌｙｐｔｕｓ　ｃａｍａｌｄｕｌｅｎｓｉｓ）、滇青冈（Ｃｙｃｌｏｂａｌａｎｏｐｓｉｓ　ｇｌａｕ－
ｃｏｉｄｅｓ）、云南松（Ｐｉｎｕｓ　ｙｕｎｎａｎｅｎｓｉｓ）等，灌木树种主要
有苦刺（Ｓｏｐｈｏｒａ　ｄａｖｉｄｉ）、马桑（Ｃｏｒｉａｒｉａ　ｎｅｐａｌｅｎｓｉｓ）、
南烛（Ｌｙｏｎｉａ　ｂｒａｃｔｅａｔｕｒｎ）等，草木植被主要有扭黄茅
（Ｈｅｔｅｒｏｐｏｇｏｎ　ｃｏｎｔｏｒｔｕｓ）、香茅（Ｃｙｍｂｏｐｏｇｏｎ　ｃｉｔｒａ－
ｔｕｓ）、小叶荩草（Ａｒｔｈｒａｘｏｎ　ｌａｎｃｉｆｏｌｉｕｓ）等。
２　研究方法
２．１　设计与取样
试验于２０１０年８月进行，选择蒋家沟支沟大凹
子沟半阳坡坡中位置的新银合欢为研究对象，随机设
置２０ｍ×２０ｍ的调查样地，调查样地内新银合欢的
胸径、树高、冠幅和枝下高并编号，从中随机选取长势
良好的５年生、１０年生和１５年生３个龄级新银合欢
作为采样对象，每个龄级重复２株。３个林分都为位
于坡中同一高度不同林区内，由于本区新银合欢分布
稀疏，本研究主要选择株距和行距超过４ｍ的标准
木进行取样，尽量避免根系交叉，新银合欢林下生长
着一些草本植物，由于新银合欢鲜根颜色微黄，故在
水洗根样时，容易将草根除去。
采用三方位分层分段挖掘法获取根样，首先以样
本木为中心分别在预先设定三方位（沿坡向下、沿坡
向上、等高线）水平量出２．０ｍ；然后，分别在距样本
木２．０ｍ处开挖深１８０ｃｍ，宽１００ｃｍ的土壤剖面，
用事先研制的取样器（１０ｃｍ×１０ｃｍ×１０ｃｍ）在剖面
垂直方向每隔２０ｃｍ取一个根土混合样，每个剖面取
９个样；由此分别在距样本木水平距离１．５，１．０，０．５
ｍ处开挖同样深度剖面，按相同方法对不同剖面取
样。将所取根土混合样放入塑料袋中，密封带回实验
室，用水洗法将根系冲洗干净，分Ｄ≤１ｍｍ和１ｍｍ
＜Ｄ≤２ｍｍ这２级（其中Ｄ≤２ｍｍ统称细根），分别
记作细根Ｄ０．５和细根Ｄ１．５，７０℃烘干至恒温，分别称
重记录。
２．２　根系抗拉测定
根系抗拉实验使用爱普手动推拉力机台和依思
达数据采集系统。推拉力仪采用螺旋式传动系统，最
大测试量程为５ｋｇ，并配备一套夹具用于夹取根系，
为避免夹取根系处受损，我们在夹具的内侧增加了一
层橡胶垫，并用硅胶将其粘牢；数据采集系统通过
ＵＳＢ接口与电脑相连，实时记录根系抗拉力变化，并
记录抗拉峰值。
根系抗拉测定采用鲜根抗拉试验。挑选长势良
好、没有受损且粗细均匀的根系，将其用夹具夹在抗
拉实验台上，用数显式游标卡尺量取待测根系中部位
置的根径，并记录，然后用手匀速摇动拉力仪上的螺
旋式手摇柄，开始测定。测定过程中，只有根系从其
中间位置被拉断才认为测定成功。为消除根长对根
系抗拉数据的影响，抗拉实验根长为５ｃｍ。由于根
径Ｄ＞２ｍｍ的根系容易从夹具中滑脱，故选用根径
Ｄ≤２ｍｍ的根系进行试验。
根系抗拉强度是指单位面积根系所能承受的最
大拉力，计算如下［１０］：
ＴＲ＝Ｆｍａｘ／π（Ｄ／２）２ （１）
式中：ＴＲ———根系抗拉强度（ＭＰａ）；Ｆｍａｘ———最大抗
拉力（Ｎ）；Ｄ———平均根径（ｍｍ）。
２．３　根系增强土体抗剪强度值的计算
土体抗剪强度可用 Ｍｏｈｒ—Ｃｏｕｌｏｍｂ方程表示
Ｓ＝Ｃ＋σｔａｎφ （２）
式中：Ｃ———土壤内黏聚力（ｋＰａ）；σ———法向正压力
（Ｆ）；φ———土壤内摩擦角（°）。由于根系在土体中穿
插，根土复合体的抗剪强度为：
Ｓｓｒ＝Ｃ＋σｔａｎφ＋Ｓｒ （３）
式中：Ｓｓｒ———根土复合体抗剪强度（ｋＰａ）；Ｓｒ———根
系对土体抗剪强度的增强值（ｋＰａ）。根据加筋理论
Ｗｕ等［３］和 Ｗａｌｄｒｏｎ［２］，通过加筋原理概化了含根土
体增强土体抗剪模型：
Ｓｒ＝ｔＲ（ｃｏｓδｔａｎφ＋ｓｉｎδ） （４）
式中：ｔＲ———单位面积土体中根系的抗剪强度（ｋＰａ）；
６８ 　　　　　　　　　　　　 　　　　　　水土保持通报　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　第３１卷
δ———剪切面中根系受损的偏角（°）。而 Ｗｕ等［３］和
Ｗａｌｄｒｏｎ［２］等经过试验发现（ｃｏｓδｔａｎφ＋ｓｉｎδ）经常位
于１．０～１．３之间，可以取１．２进行评估，因此：
Ｓｒ＝１．２ｔＲ （５）
单位面积土体中根系的抗剪强度ｔＲ 可由根系特
征参数计算获得。公式如下
Ｓｒ＝１．２ＴＲＲＡＲ＝１．２ＴＲ（ＡＲ／Ａ） （６）
式中：ＴＲ———根系平均抗拉强度（ＭＰａ）；ＡＲ———该
土体中根系的横截面积（ｍｍ２）；Ａ———土体横截面
积（ｍｍ２）；ＡＲ／Ａ———根系横截面积比，记作 ＲＡＲ。
最后，由于不同根径根系的抗拉强度变化较大，Ｓｒ 可
由不同径级根系抗拉强度与横截面积比之积分别相
加求的。公式如下：
Ｓｒ＝１．２∑
Ｎ
ｉ＝１
ＴＲｉ（ＡＲｉ／Ａ） （７）
式中：ＡＲｉ，ＡＲｉ／Ａ———不同根径下根系的平均抗拉强
度和根系横截面积比；ｉ———径级类别；Ｎ———总径
级数（细根Ｄ０．５以根径Ｄ＝０．５ｍｍ的抗拉强度为该
级平均抗拉强度，细根Ｄ１．５以根径Ｄ＝１．５ｍｍ的抗
拉强度为该级平均抗拉强度）。
２．４　根系横截面积比计算
用分析天平称取不同径级的根系干质量，记作
ｍｉ。再选取根长１０ｃｍ，根径分别为０．５和１．５ｍｍ
的标准根系１０根，测量各自的质量取平均，计作ｍｉ
（ｉ＝０．５ｍｍ或１．５ｍｍ）。将所获根样通过 Ｍｉ／ｍｉ
等效成标准根系（根长为１０ｃｍ，根径为０．５ｍｍ或
１．５ｍｍ）的数量ｎｉ（ｉ＝０．５ｍｍ或１．５ｍｍ），通过∑
Ｎ
ｉ
ｎｉ
（πＤｉ２）／４计算其根系横截面积，然后比上取样器的横
截面积从而获取根系横截面积比。
３　结果与分析
３．１　细根横截面积分布特征
３．１．１　细根Ｄ０．５横截面积比垂直分布　图１可知，不
同树龄新银合欢细根Ｄ０．５横截面积比变化较大，但随
深度的增加均呈减小趋势。５年生、１０年生、１５年生新
银合欢细根Ｄ０．５平均横截面积比分别为０．０００　９９５％，
０．０１５　９２８％，０．０２１　４２８％，５年生至１０年生细根
Ｄ０．５横截面积比增幅较大，增加了１５倍多，１０年生至
１５年生也有所增加，但幅度较小（３０％）。横截面积
比最大值都出现在表层（０—２０ｃｍ），分别占整个剖面
细根Ｄ０．５横截面积比的２１％，２９％，３４％；０—１００ｃｍ
土层分别集中了整个面积比的６８％，８３％，８２％；随
着深度的增加，细根Ｄ０．５横截面积比分别由表层（０—
２０ｃｍ）的０．００１　８５％，０．０４１　７０％和０．０６６　０５９％减
少到底层（１６０—１８０ｃｍ）的 ０．０００　３０６％，０．００３
２３０％和０．００５　６０６％。回归分析发现，不同树龄新银
合欢细根Ｄ０．５横截面积比随深度的增加呈对数函数
递减（ｙ＝ａｌｎｘ＋ｂ，其中，ｙ为细根Ｄ０．５横截面积比，ｘ
为土层深度，ａ与ｂ分别为参数）。
图１　细根Ｄ０．５横截面积比垂直分布特征
３．１．２　细根Ｄ１．５横截面积比垂直分布　新银合欢细
根Ｄ１．５横截面积比变化规律不如细根Ｄ０．５明显（图１，
图２）。５年生细根Ｄ１．５分布范围小，仅出现在０—１４０
ｃｍ土层中，主要集中在６０—１２０ｃｍ深度范围内，０—１８０
ｃｍ土层内平均细根Ｄ１．５横截面积比仅为０．０００　２１３％；
１０年生细根Ｄ１．５分布深度有所增加，整个剖面中均
有分布，最大横截面积比出现在０—２０ｃｍ土层中，且
多分布于０—８０ｃｍ 土层中，整个剖面中平均细根
Ｄ１．５横截面积比急增到０．００１　６３２％，是５年生平均
细根Ｄ１．５横截面积比的７倍多；１５年生细根Ｄ１．５与
１０年生分布规律较相似，但集中深度有所增加，主要
集中在０—１２０ｃｍ土层中，整个剖面中平均细根Ｄ１．５
横截面积比也有所增加，增加幅度仅为８１％。
３．１．３　细根横截面积比构成　表１显示，不同树龄
新银合欢细根横截面积比构成中，细根Ｄ０．５横截面积
比都占绝对优势，都在８０％以上，但是不同树龄间又
有所不同。５年欢根系中细根Ｄ１．５横截面积比所占
比例最大，为１６％；１０年生细根Ｄ０．５生长迅速，根系
横截面积比中细根Ｄ１．５只占１２％；１５年生细根Ｄ１．５
的比重有所上升，所占比例为１５％。
７８第５期 　　　　　　郭灵辉等：蒋家沟泥石流区新银合欢细根固土效应
图２　细根Ｄ１．５横截面积比垂直分布特征
表１　不同树龄新银合欢细根横截面积比构成
树龄／
ａ
径级
土层深度／ｃｍ
０—２０　 ２０—４０　 ４０—６０　 ６０—８０　 ８０—１００　 １００—１２０　１２０—１４０　１４０—１６０　１６０—１８０ 平均
５
Ｄ０．５ １００　 ８８　 ８５　 ６４　 ７３　 ７４　 ７５　 １００　 １００　 ８４
Ｄ１．５ ０　 １２　 １５　 ３６　 ２７　 ２６　 ２５　 ０　 ０　 １６
１０
Ｄ０．５ ９２　 ９５　 ９１　 ８７　 ９７　 ９２　 ７９　 ７９　 ８２　 ８８
Ｄ１．５ ８　 ５　 ９　 １３　 ３　 ８　 ２１　 ２１　 １８　 １２
１５
Ｄ０．５ ９２　 ９１　 ８９　 ８８　 ７５　 ７４　 ８５　 ９２　 ８０　 ８５
Ｄ１．５ ８　 ９　 １１　 １２　 ２５　 ２６　 １５　 ８　 ２０　 １５
３．２　根系抗拉性能
图３显示，根系抗拉强度随着根径的增加呈减小
趋势。所测根系中，根径Ｄ≤０．５ｍｍ的根系平均抗
拉强度可达４７．０２ ＭＰａ，根径０．５ｍｍ＜Ｄ≤０．７
ｍｍ、根径０．７ｍｍ＜Ｄ≤０．９ｍｍ以及根径０．９ｍｍ＜
Ｄ的根系平均抗拉强度依次减小，分别为２５．１２，２１．１５
和１８．６５ＭＰａ。通过线性拟合发现其减小服从幂数
函数规律（ＴＲ＝αＤβ，其中α为根系抗拉强度，Ｄ 为根
径，α与β为参数）。
图３　新银合欢细根抗拉强度与根径的关系
３．３　根系增强土体抗剪强度效应
我们利用根系抗拉强度与根径拟合曲线，分别计
算出根径为０．５和１．５ｍｍ 时根系的抗拉强度值
（３１．０，１３．４ＭＰａ），然后用上述公式来推算整个根系
对土体抗剪强度的增强值。
图４显示，不同林龄新银合欢根系增强土体抗
剪强度值随深度的增加呈减小趋势。５年生、１０年
生、１５年生新银合欢根系增强土体抗剪强度最大值
都分布在表层（０—２０ｃｍ），最大值分别为０．７１，
１６．６０，２６．２５ｋＰａ，随着深度的增加，增强值逐渐减
小，到１６０—１８０ｃｍ 土层中，增强值分别减小到了
０．１２，１．３５，２．３７ｋＰａ；整个剖面来看，５年生、１０年
生、１５年生根系增强土体抗剪强度均值为０．４２，６．３８
和８．７０ｋＰａ，５年生至１０年生根系增强土体抗剪强
度值增加较快，增加了１４．３倍，而１０年生至１５年生
有所增加，但幅度较小，仅为３６％。其中，细根Ｄ０．５对
整个根系增强土体抗剪强度的贡献较大，整个剖面中
都大于８０％（表２）。
图４　根系增强土体抗剪强度垂直分布特征
表２　细根Ｄ１ 对土体抗剪强度增强值贡献百分比
树龄／
ａ
土层深度／ｃｍ
０—２０　 ２０—４０　 ４０—６０　 ６０—８０　 ８０—１００　 １００—１２０　 １２０—１４０　 １４０—１６０　 １６０—１８０ 平均
５　 １００　 ９５　 ９３　 ８１　 ８７　 ８７　 ８８　 １００　 １００　 ９２
１０　 ９６　 ９８　 ９６　 ９４　 ９９　 ９６　 ９０　 ９０　 ９２　 ９５
１５　 ９７　 ９６　 ９５　 ９４　 ８８　 ８７　 ９３　 ９７　 ９１　 ９３
８８ 　　　　　　　　　　　　 　　　　　　水土保持通报　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　第３１卷
４　结 论
根系的抗拉强度受根径的影响，根径越小根系的
抗拉强度越大，根径与根系的抗拉强度呈幂函数相关
关系［１０－１１］。α（尺度因素）和β（递减率）的大小对于比
较不同植物的抗拉效应，筛选有效的固土植物非常重
要［１２］，Ｈｕｄｅｋ等［１０］在研究根系增强土体抗剪强度
时，总结了前人的一些研究，黑松、柔毛栎等乔木根系
抗拉强度与根径关系函数中尺度因素α分别为１２．４１
和１７．３７，递减率β分别为－０．６９和－０．６２。与之相
比，本研究新银合欢根系抗拉强度与根径关系函数
中，尺度因素α为１８．５０，递减率β为０．０６３，根系抗
拉性能较强。
土壤表层有较好的养分、通风和水分条件，且随
着土层厚度的增加，土壤养分特性和生物环境都有所
变化，土壤阻力有所增加［１３］，根系横截面积比表层积
聚，随着深度的增加呈对数函数递减［５］。５年生、１０
年生、１５年生新银合欢细根（Ｄ≤１ｍｍ）横截面积比
都呈对数型函数递减，细根（１ｍｍ＜Ｄ≤２ｍｍ）虽然
分布规律不强，但是所占比重较小，不影响整个根系
的变化趋势。１０年生比５年生根系横截面积比增幅
较大，１５年生与１０年生相比也有所增加，但幅度较
小。其中，１０年生比５年生细根（Ｄ≤１ｍｍ）横截面
积比比细根（１ｍｍ＜Ｄ≤２ｍｍ）增幅快，前者增幅１５
倍多后者增幅为７倍多；１５年生比１０年生细根（１
ｍｍ＜Ｄ≤２ｍｍ）横截面积比比细根（Ｄ≤１ｍｍ）增幅
快，前者增幅为８０％，后者仅为３０％。Ｃｌａｕｓ［１４］认为
树萌发以后根系会迅速增长，在树木成熟早期达到最
大，之后有所减小，在树木成熟后期达到平衡。植物生
长早期，植物需要分配更多的资源给细根以获取植物
生长所需要的水分和养分，当生长到一定阶段后，更多
的细根就会转化为较粗根以提供更多的支撑作用。
新银合欢根系增强土体抗剪强度范围在０．１２～
２６．２５ｋＰａ间。Ｇｒｅｅｎｗａｙ对通过类似的研究，发现
一些乔木根系增强土体抗剪强度值约为０～４０ｋＰａ。
Ｄｅ　Ｂａｅｔｓ等通过对大量的灌丛、乔木和草本植物根系
增强土体抗剪强度值研究，发现很多乔灌木根系增强
土体抗剪强度值也为０～４０ｋＰａ，显著小于浅根草本
（５０～３００ｋＰａ）［１５］。但是植物根系能不能有效地增
强土体的抗剪强度，关键在于其是否穿过土体中的滑
动面，在这一点深根的乔灌木有较大的优势。其实，
Ｗｕ模型认为所有的植物根系同时垂直穿过剪切面，
并且在同一时间达到了抗拉极限，这可能过高地估计
了根系的固土作用［１６］。但是，由于根系在土壤中穿
插角度比较复杂，该模型求得的根系固土能力往往被
低估２０％～３３％［７］。１０年生比５年生根系增强土体
抗剪强度的幅度大，１５年生比１０年生也有所增加，
幅度较小。细根（Ｄ≤１ｍｍ）不仅有较大的抗拉强度，
而且横截面积比也有绝对优势，对整个根系增强土体
抗剪强度的贡献较大，从而决定了根系增强土体抗剪
强度值的垂直变化与龄级趋势。
［ 参 考 文 献 ］
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（下转第２１４页）
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４１２ 　　　　　　　　　　　　 　　　　　　水土保持通报　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　第３１卷