全 文 ：中国生态农业学报 2014年 5月 第 22卷 第 5期
Chinese Journal of Eco-Agriculture, May 2014, 22(5): 560−565


* 欧盟第六框架协议国际科技合作研究项目(INCO-CT-2005-510745)、农业部公益性行业科研专项课题(201103003)和云南省教育厅项目
(2013Y467)资助
** 通讯作者: 郑毅, 主要从事农业资源与环境方面研究。E-mail: zhengyi-64@163.com
范茂攀, 主要从事农业资源与环境方面研究。E-mail: mpfan@126.com
收稿日期: 2013−11−26 接受日期: 2014−03−14
DOI: 10.3724/SP.J.1011.2014.31163
不同生育期烤烟根系固土能力特征研究*
范茂攀 1 李永梅 1 郑 毅 1,2** 郑朝元 1
(1. 云南农业大学资源与环境学院 昆明 650201; 2. 西南林业大学 昆明 650224)
摘 要 本研究选取云南省主要种植作物——烤烟为试验材料, 分析烤烟不同生育期(团棵期、现蕾期、成熟期)
的根系固土能力特征。应用锚杆拉力计和自行设计的剪切箱对不同生育期烤烟根系的固土能力在 0~10 cm和
0~20 cm土层进行原位测定。结果表明: 同一生育期, 根系密度表现为 0~10 cm>0~20 cm; 同一土壤深度范围
内, 根系密度表现为成熟期>现蕾期>团棵期。相同深度范围内, 固土能力表现为成熟期>现蕾期>团棵期; 在现
蕾期和成熟期, 固土能力表现为 0~10 cm>0~20 cm, 而团棵期由于根系尚未深扎至 20 cm深度, 只有在样方的
塑性变形阶段的固土能力, 表现为 0~10 cm>0~20 cm; 同一生育期相同深度范围内, 载荷与位移间呈现显著的
直线相关关系(P<0.01)。随着载荷的增加, 将出现载荷临界点 F1、F2和 F3, F1为比例极限点, F2为屈服拉力点, F3
为抗拉极限点。相同深度, F1与根系密度间无明显相关关系, F2和 F3分别与根系密度间呈显著幂函数关系。在
0~10 cm, F2与根系密度和 F3与根系密度的相关方程分别为 y=1.313x0.042和 y=1.379x0.084; 在 0~20 cm, F2与根
系密度和 F3 与根系密度的相关方程分别为 y=1.389x0.048和 y=1.638x0.077。该测定方法可以在水土保持上作为
评价不同作物(植物)固土能力的有效参考手段, 建立不同作物根系固土数据库, 为坡耕地作物配置提供理论
依据。
关键词 烤烟 生育期 根系 固土能力 锚杆拉力计 剪切箱
中图分类号: S157.4 文献标识码: A 文章编号: 1671-3990(2014)05-0560-06
Soil fixing ability of flue-cured tobacco roots at different growth stages
FAN Maopan1, LI Yongmei1, ZHENG Yi1,2, ZHENG Chaoyuan1
(1. College of Resources and Environment, Yunnan Agricultural University, Kunming 650201, China;
2. Southwest Forestry University, Kunming 650224, China)
Abstract Flue-cured tobacco (Nicotiana tabacum) is the main crop in Yunnan Province. The characteristics of soil fixing ability of
flue-cured tobacco roots at different growth stages (rosette stage, budding stage and maturity stage) were measured in situ with the
anchor-shank tensiometer and self-designed shearing box at soil depths of 0−10 cm and 0−20 cm. The results showed that the order
of the root density of flue-cured tobacco for different depths during the same stage were 0−10 cm > 0−20 cm. The order of the root
densities of different growth stages for the same depth were maturity stage > budding stage > rosette stage. The soil fixing abilities of
flue-cured tobacco roots for the same soil depth were in sequence of maturity stage > budding stage > rosette stage. Then the soil
fixing abilities of roots for different soil depths during the budding stage and maturity stage were 0−10 cm > 0−20 cm. The soil fixing
abilities of roots during rosette stage of sampled squares was 0−10 cm > 0−20 cm as roots hardly reached 0−20 cm of soil depth. For
the same growth stage and soil depth, the load and displacement of sampled soil squares were in significant liner correlation (P <
0.01). With increasing load, three critical load points appeared: tensile proportional limit (F1), tensile yield strength (F2) and tensile
strength limit (F3). For the same soil depth, no significant correlation was noted between F1 and the density of flue-cured tobacco
roots. However, the correlations between F2 and root density and between F3 and root density were that of power regression. For the
of 0−10 cm soil depth, the correlations between F2 and root density and between F3 and root density were as follows: y=1.313x0.042
and y=1.379x0.084, respectively. For the 0−20 cm soil depth, the correlation equations for F2 and root density and for F3 and root
density were y=1.389x0.048 and y=1.638x0.077, respectively. It was proposed that anchor-shank tensiometer and self-designed shearing
第 5期 范茂攀等: 不同生育期烤烟根系固土能力特征研究 561


box were effective in analyzing the characteristics of soil fixing ability of flue-cured tobacco roots at different growth stages.
Keywords Flue-cured tobacco; Growth stage; Roots; Soil fixing ability; Anchor-shank tensiometer; Shearing box
(Received Nov. 26, 2013; accepted Mar. 14, 2014)
云南省水土流失面积14.13万km2, 占土地面积
的36.9%, 是中国水土流失严重的省份之一[1], 云南
山地面积占国土面积的94%, 在全省611.96万hm2的
耕地中, >6°以上的坡耕地面积占74.5%[2]。因此, 坡
耕地是水土流失的主要源地。坡耕地利用上, 农作
物占89.4%, 夏季以玉米和烟草为主[3]。而云南省的
降雨主要集中在6—8月, 玉米和烤烟农耕地的水土
流失防治更显重要。很多学者研究了不同农艺措施
如间作、等高种植、覆盖等方式对减少水土流失的
影响[3−7], 在烤烟种植的坡耕地上通过优化施肥、横
坡垄、秸秆覆盖、揭膜等[8−10]控制坡耕地的水土流
失, 取得积极效果。
植物根系对水土流失的控制作用有地上部分和
其他措施无法比拟的效果[11−12], 研究和正确评估不
同作物的根系抗蚀固土能力十分重要。国内外许多
学者对林草的根系抗蚀固土作用进行了研究, 不断
证实和量化了根系的固土抗蚀性[12−17]。在农作物方
面, 也有研究表明根系的固土作用效果 [18−20], 但林
草植被方面的研究较多, 对烤烟根系在水土保持中
的作用报道甚少。本研究选取云南省农作物种植面
积较大的烤烟, 测定其在团棵期、现蕾期和成熟期
的根土复合体在0~10 cm和0~20 cm土壤深度范围内
的固土能力, 探讨烤烟根系在不同生育期和不同土
壤深度对水土保持的作用, 旨在为评价农作物的水
土保持功能提供参考。
1 材料与方法
1.1 试验地点
试验地点位于云南省云南农业大学教学实验农
场水土保持研究小区。地理位置为24°58′35.8″N,
102°40′10.3″E, 海拔高度1 950 m。土壤为山原红壤,
轻黏土, <0.01 mm黏粒为62.47%, 1~0.01 mm黏粒为
37.53%。土壤基本化学性质为: 有机质20.3 g·kg−1, 全氮
1.56 g·kg−1, 碱解氮113. 5 mg·kg−1, 速效磷20.8 mg·kg−1,
速效钾106.6 mg·kg−1, pH 6.2。
1.2 作物栽培
烤烟品种为‘云烟87’, 栽培的行株距为1.1 m×
0.5 m, 施氮105 kg(N)·hm−2、磷150 kg(P2O5)·hm−2和
钾240 kg(K2O)·hm−2。磷肥全部做基肥施用, 氮肥和
钾肥70%作基肥, 30%作追肥。追肥一次性施入, 在
移栽后30 d(团棵期)进行。
1.3 试验处理
试验测定团棵期(移栽后30 d)、现蕾旺长期(移
栽后60 d)、成熟期(移栽后100 d)根系在0~10 cm、0~
20 cm土壤深度的固土能力。每个生育期隔行选取相
近的烤烟和土体, 分别测定0~10 cm和0~20 cm土壤深
度的固土能力, 同一生育期相同深度重复测定3次。
1.4 原位根土复合体水平抗拉研究方法
图1为烤烟根系固土拉力测定装置示意图。锚杆
拉力计型号为ML-20型(浙江省土工仪器制造有限
公司生产), 可以产生额定拉力20 t。剪切箱由厚度为
1 cm钢板制作。规格为0.3 m×0.3 m×0.1 m和0.3 m×
0.3 m×0.2 m两种, 分别测定0~10 cm和0~20 cm土壤深
度的固土能力。剪切箱用于选定土墩样方的固定 ,
便于在产生负荷时测定样方位移。锚杆拉力计上安
装千分表, 观测样方位移, 精度为1 µm, 量程1 mm,
超出量程后用米尺测量。

图 1 烤烟根系固土拉力测定装置
Fig. 1 Testing device for soil fixing capability of flue-cured
tobacco roots
1: 剪切箱; 2: 压力发生装置; 3: 固定装置; 4: 压力计; 5: 测距
装置。1: shearing box; 2: pressure device; 3: fixed device; 4: pressure
gauge; 5: distance measuring device.

依据剪切箱长度30 cm和宽度30 cm大小, 以烟
株为中心挖开周围的土壤形成与剪切箱一致的测试
土墩, 深度分别为10 cm和20 cm, 测试土墩与剪切
箱紧贴在一起。在土墩一侧形成与ML-20锚杆拉力
计上千斤顶大小相近的土槽, 并在土槽另一侧深扎
钢筋并垫实木板或钢板, 将ML-20锚杆拉力计的前
端直接与剪切箱相连 , 连接处在剪切箱的中下部 ,
将千分表安置在锚杆拉力计与剪切箱间, 并对千分
表进行调零。当ML-20锚杆拉力计对剪切箱进行载
荷时, 实时观察并记录位移。
对烤烟根系和土壤的复合体进行抗拉试验, 刚
开始施加载荷时, 拉力较小, 测试土墩没有发生明
显位移, 伴随着剪切箱作用力的增大, 土壤受到挤
压而发生位移, 称为比例极限点(F1)。锚杆拉力计不
断工作, 作用于土墩上的力不断加大, 呈现位移在
562 中国生态农业学报 2014 第 22卷


不断增加, 但此时只要停止外力对土墩的作用, 可
以明显观察到土墩有一个回弹, 有回到原来初始位
置的趋势, 此时称为屈服拉力点(F2)。当载荷增大到
某一数值时, 位移同时增加到某一相应数值, 载荷
和位移均变化缓慢, 部分土墩出现载荷稳定在某一
数值而位移缓慢增加的现象, 通常把此阶段称为抗
拉极限点(F3)。
1.5 生物量和土壤水分的测定
测定土壤样方时, 采集地上部分烟株, 洗净根
部晾干称鲜重后 , 置入烘箱105 ℃杀青0.5 h, 在
65~70 ℃烘干至恒重, 测定干重。地下部分采用全挖
法挖出剪切箱内的所有根系 , 冲洗晾干后称鲜重 ,
在65~70 ℃烘干至恒重, 测定干重。可以计算根系密
度, 根系密度为根系烘干质量和土壤体积(剪切箱体
积)的比值[21]。
土壤水分测定时, 采集测试土墩四周及中心的
土样, 形成混合样品, 土壤水分含量采用烘干法测
定 , 在105~110 ℃烘箱中烘至恒重 , 失去的质量即
为水分质量。
1.6 统计与分析
数据分析和作图采用SPSS 19.0和Excel 2003软件。
2 结果与分析
2.1 各生育期的烤烟生物量和土壤含水量
表1结果表明, 烤烟地上和地下(干重)部分生物
量均表现为成熟期>现蕾期>团棵期; 相同深度范围
内, 剪切箱的体积相同, 土壤体积相等, 因此根系密
度在同一深度上, 表现为成熟期>现蕾期>团棵期。在同
一生育期, 根系密度表现为0~10 cm>0~20 cm。
研究表明, 土壤含水量对根土复合体的固定能
力有一定的影响, 随着土壤含水量增大, 土壤颗粒
之间的休止角减小, 摩擦力也随之减小, 导致根土
复合体的固土能力随之减小[22]。烤烟各生育期土壤
含水量(表1)基本一致, 通过分析差异不显著。因此
在测定固土力时, 土壤水分对不同生育期和土壤深
度的固土能力影响较少, 可不予考虑。
表 1 烤烟不同生育期不同土壤深度的生物量、根系密度和土壤含水量
Table 1 Biomass and root density of flue-cured tobacco and water content of soil at different growth stages and soil depths
地下部生物量
Underground biomass (g)
地上部生物量
Aboveground biomass (g) 土壤深度
Soil depth (cm)
生育期
Growth stage 鲜重 Fresh 干重 Dry 鲜重 Fresh 干重 Dry
根系密度
Root density
(g·m−3)
土壤含水量
Soil water content
(g·100g−1)
0~10 团棵期 Rosette 2.35±0.14d 1.42±0.09b 450.36±27.56c 46.73±2.86e 157.78±9.66d 30.83±1.54a
现蕾期 Budding 490.51±25.14a 73.74±4.06a 2 260.71±115.88b 315.42±16.17c 8 193.33±438.45b 31.43±1.89a
成熟期 Maturing 249.15±16.14c 79.41±5.15a 3 078.65±199.05a 444.35±28.79a 8 823.33±571.75a 31.32±1.57a
0~20 团棵期 Rosette 2.26±0.13d 1.34±0.07b 427.52±22.96c 37.77±2.03e 82.44±3.95e 31.73±2.22a
现蕾期 Budding 502.72±27.65a 76.63±3.93a 1 974.73±108.61b 275.16±15.13d 4 257.00±234.35c 32.39±1.62a
成熟期 Maturing 284.33±14.96b 80.36±4.23a 3 006.17±158.12a 403.63±21.23b 4 464.44±234.83c 29.58±2.07a
地上部分生物量是 0~10 cm和 0~20 cm土壤深度条件下烤烟地上部分的生物量。不同小写字母表示处理间 0.05水平上差异显著。The aboveground
biomass is the tobacco aboveground biomass under soil depth of 0−10 cm and 0−20 cm conditions, respectively. Different small letters indicate significant
difference at 0.05 level.

2.2 不同烤烟生育期和土壤深度下样方载荷与位
移间关系
由图2a可知, 在0~10 cm土壤深度上烤烟3个生
育期样方载荷与位移之间都存在着明显的线性正相
关关系, 不同生育期位移均随载荷的增大而不断增
加。团棵期、现蕾期和成熟期的相关系数分别为
0.903 7、0.993 8和0.990 1, 其P值均小于0.01, 达到
显著相关水平。3个生育期回归直线斜率表现为: 成
熟期>现蕾期>团棵期, 随着载荷增加, 位移的增加
表现为团棵期>现蕾期>成熟期。因此, 烤烟根系在
0~10 cm深度上的固土能力表现为成熟期>现蕾期>
团棵期。

图 2 不同烤烟生育期和 0~10 cm (a)和 0~20 cm (b)土壤深度下土体载荷(F)与位移(S)间的关系
Fig. 2 Relationship between load (F) and displacement (S) at different growth stages of flue-cured tobacco in 0−10 cm (a) and 0−20
cm (b) depths of soil squares
第 5期 范茂攀等: 不同生育期烤烟根系固土能力特征研究 563


由图2b可看出, 0~20 cm土壤深度上烤烟3个生
育期样方载荷与位移之间都存在着明显线性正相关
关系, 团棵期、现蕾期和成熟期的相关系数分别为
0.983 7、0.988 3和0.986 5, P值均小于0.01, 达到极显
著水平。0~20 cm土壤深度上, 相同的载荷条件下,
位移表现为团棵期>现蕾期>成熟期, 而相同的位移
条件下, 载荷则表现为成熟期>现蕾期>团棵期。因
此, 烤烟根系在0~20 cm土壤深度的固土能力表现
为成熟期>现蕾期>团棵期。
由图2和表1可知, 在同一土壤深度范围内, 烤
烟根系密度大的根土复合体, 根系固土能力强。在
相同深度范围内, 根系密度表现为成熟期>现蕾期>
团棵期, 固土能力表现为成熟期>现蕾期>团棵期。
由图3a可知, 团棵期0~10 cm和0~20 cm土壤深
度下载荷与位移曲线交叉进行, 根系在0~20 cm中
没有直接的固土作用; 而0~10 cm根系较少, 刚开始
时, 相同载荷下, 0~10 cm样方位移大于0~20 cm样方
位移; 当达到拉力屈服点时, 根系尚未深扎至20 cm
深度或深扎至20 cm深度根系很少, 0~10 cm样方需
拉断或拔出根系, 而在0~20 cm深度的剪切面上没
有根系或根系很少, 相同载荷条件下, 0~20 cm样方
位移大于0~10 cm样方位移 ; 团棵期根系不发达 ,
0~10 cm根系很快被拉断或拔出, 相同载荷条件下,
呈现0~10 cm样方位移大于0~20 cm样方位移。因此,
团棵期只有在样方的塑性变形阶段的固土能力表现
为0~10 cm>0~20 cm。
现蕾期和成熟期, 烤烟根系生长旺盛, 主要分
布在0~10 cm土壤深度范围内 , 在0~10 cm深度上
(剪切面)根系较多, 而0~20 cm深度上(剪切面)根系
减少。由于根系作用, 在相同载荷条件下, 现蕾期
和成熟期0~20 cm深度位移大于0~10 cm深度位移
(图3b和c)。因此 , 在现蕾期和成熟期烤烟根系在
0~10 cm深度上的固土能力大于0~20 cm深度上的
固土能力。
从图3b、3c和表1可知, 烤烟根系密度大, 根系
固土能力强, 在现蕾期和成熟期, 由于0~10 cm深度
根系密度远大于0~20 cm深度, 从而使0~10 cm深度
的根系固土能力大于0~20 cm深度的固土能力。

图 3 烤烟团棵期(a)、现蕾期(b)和成熟期(c)不同土壤深度上样方载荷与位移间的关系
Fig. 3 Relationship between load and displacement during rosette stage (a), budding stage (b) and maturing stage (c) of flue-cured
tobacco in different soil depths
2.3 烤烟不同生育期在相同深度载荷临界点(F1, F2,
F3)与根系密度间关系
由表2可知, 相同深度载荷临界点F1(比例极限
点)、F2(屈服拉力点)和F3(抗拉极限点)分别随生育
期的增长而逐渐增加, 烤烟根系密度在同一生育期
表现为0~10 cm>0~20 cm。相同深度, 载荷临界点F1
与根系密度间无明显相关性。F2和F3在同一土壤深
度上的载荷与根系密度表现出显著的相关关系。在
0~10 cm深度上 , F2与根系密度的相关方程为
y=1.313x0.042, P=0.011; F3与根系密度的相关方程为
y=1.379x0.084, P=0.000。
在0~20 cm土壤深度上, F2与根系密度的相关方
程为y=1.389x0.048, P=0.022; F3与根系密度的相关方
程为y=1.638x0.077, P=0.005。因此, 同一土壤深度下,
载荷临界点F2和F3与根系密度间表现为显著的幂函
数关系。
3 讨论
近年来 , 国内外的众多学者对土壤−根系复合
体的固土效应进行了较为深入的研究, 主要集中在
林木和草本植物上[12−17,23]。植物生长阶段减少水土
流失的关键是增加根系密度[11]。Operstein等[24]研究
指出根系密度、直径、长度及根的地下分布形态是
影响树根强度的主要因素, 地下生物量越大, 根系
分布越深, 保持水土能力越强。植物根系固坡机理
的模型较多, 被普遍接受的是Wu-Waldron模型, 植
物根系产生的土体抗剪强度增量与根系的平均抗拉
强度和根面积比呈正比, 植物根系提高土壤抗侵蚀
性主要通过直径小于1 mm的须根起作用[25]。根系在
土体中穿插能明显增大土壤的剪切强度, 其中草本
植物由于根密度大, 须根数量多, 每一单位草根密度
的剪切强度增加值是树木根系的2~3倍[12]。固土力主
564 中国生态农业学报 2014 第 22卷


表 2 烤烟不同生育期在不同深度上的载荷临界点(F1, F2, F3)与根系密度间的关系
Table 2 Relationship between load critical points (F1, F2, F3) and root density at different stages of flue-cured tobacco in different
soil depths
生育期 Growth stage 土壤深度
Soil depth (cm)
载荷临界点
Load critical point 团棵期
Rosette stage
现蕾期
Budding stage
成熟期
Maturing stage
相关方程
Correlation
equation
P值
P value
0~10 F1 1.23±0.06 1.61±0.12 1.90±0.12 — —
F2 1.72±0.09 1.90±0.14 1.94±0.08 y=1.313x0.042 0.011
F3 2.11±0.12 2.90±0.21 2.92±0.18 y=1.379x0.084 0.000
根系密度 Root density (g·m−3) 157.78±9.66 8 514.44±436.45 8 823.33±571.75 — —
0~20 F1 1.22±0.07 1.24±0.09 1.45±0.09 — —
F2 1.73±0.10 1.94±0.13 2.25±0.14 y=1.389x0.048 0.022
F3 2.31±0.13 2.83±0.20 3.46±0.22 y=1.638x0.077 0.005
根系密度 Root density (g·m−3) 82.44±3.95 4 096.67±225.32 4 464.44±234.83 — —
F1: 比例极限点; F2: 屈服拉力点; F3: 抗拉极限点。F1: tensile proportional limit; F2: tensile yield strength; F3: limit tensile strength.

要集中在树木上, 而对草和主要农作物研究较少[26],
有学者提出加强对农作物根系固土抗蚀性的研究[12]。
因此, 坡耕地农作物的固土能力有待进一步加强研究。
在测定方法上, 解明曙[23]采用全根系拉拔试验
求算根系土壤间综合静摩擦系数μ值 , 较好地计算
出林木根系的固结能力。周跃等[27]采用剪切箱对云
南松幼树进行了测定, 为云南松林斜坡保护应用提
供了理论依据。万利等[28]对剪切箱进行了改进, 对
灌木、灌草和草本群体植物进行了测定。本课题组
对剪切箱进行改进, 利用其测定农作物的固土能力,
在0~10 cm土壤深度, 油菜根系的固土能力大于裸
土的固土能力 [18], 玉米0~20 cm深度的固土能力大
于0~10 cm土层[19], 不同生育期小麦根系在0~20 cm
深度的固土能力表现为成熟期>抽穗期>分蘖期[20]。
因此, 锚杆拉力计和自行设计的剪切箱可作为坡耕
地不同农作物固土力测定的方法, 利用此方法对坡
耕地不同农作物的固土能力进行测定, 丰富农作物
根系对水土保持的认识, 建立不同作物根系的固土
能力数据库, 为坡耕地农作物的选择和配置提供理
论依据, 具有重要的实践意义。
4 结论
本研究应用锚杆拉力计和自行设计的剪切箱对不
同生育期烤烟根系的固土能力在土壤深度为 0~10 cm
和 0~20 cm 时进行了原位测定。在同一深度, 不同
生育期固土能力表现为成熟期>现蕾期>团棵期; 在现
蕾期和成熟期, 固土能力表现为 0~10 cm>0~20 cm;
同一生育期, 同一深度范围内, 载荷与位移间呈显
著直线相关(P<0.01)。载荷临界点 F2 和 F3 在同一
深度与根系密度表现为显著幂函数关系, 0~10 cm深
度上, F2与根系密度的相关方程为 y=1.313x0.042, P=
0.011; F3与根系密度的相关方程为 y=1.379x0.084, P=
0.000。在 0~20 cm深度上, F2与根系密度的相关方
程为 y=1.389x0.048, P=0.022; F3与根系密度的相关方
程为 y=1.638x0.077, P=0.005。
参考文献
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