农艺学论文
土壤水力侵蚀是影响水土环境的重要因素，大规模工程建设形成的人工坡面以及天然坡面的水土流失预防与治理是水土流失控制的关键。随着人们生态意思的增强，植被固土护坡技术已在坡面治理工程中得到越来越多的应用。活性植物根系一方面可通过物理作用（如根系生长及其死亡腐烂等）或生理化学作用（如根系分泌物、土壤水分吸收利用等）改善土壤物理性状，增大土壤入渗和传导能力[1-5],降低地表径流强度或集中流引起的土壤侵蚀[6-7];另一方面，相对于土体而言，植被根系本身具有较强的抗拉能力[8-10],从而增强整个土壤-根系系统的抗剪切破坏能力[3].所有这些因素，都会在一定程度上减少坡面水土流失。
大量研究结果表明，土壤-根系复合体的抗剪强度由土壤本身的抗剪强度以及根系系统增加的抗剪强度两部分组成[11-13],即：τf=τfs+τfr（1）式中：τf,土壤-根系复合体抗剪强度，kPa;τfs,无根系土壤抗剪强度，kPa,其大小主要与土壤质地、密度以及含水量等土壤性质有关；τfr,因土壤中存在植被根系而增加的土壤抗剪强度，kPa.一般认为，土壤中根系的存在只增大土壤粘聚力而对土壤内摩擦角的影响较小[14-15].
不同的植物种类及其根系类型以及同种植物的不同生长阶段和生长环境，其根系性质及其固土作用差异极大[3,12,16].一年生草本植物根系浅且细，根系直径一般小于1mm,多分布在20~30cm的表层土壤内[9,16-20].草本植物根系可增大土壤的抗冲抗蚀能力[17,21],抑制土壤水力侵蚀[6,21-23].草本植物对改善土壤团聚体的稳定性以及增强土壤粘聚力、表土加固和土壤抗剪强度的作用明显优于乔灌木[3-4,12,14-15,18].Mickovski等[22]的研究结果显示，人工种植的幼年香根草可增大土壤抗剪强度36%或2.7kPa.
Cammeraat等[24]对一年生天然草本植被（主要为二穗短柄草、香草科、景天属和蜡菊属等混合植被）的测试结果显示，草本植被根系平均可增大土壤抗剪强度0.6kPa.
Burylo等[15]通过模型计算，认为草本植被根系可增大表层20cm土壤抗剪强度5kPa以上。我国北方常见的稗草和狗尾巴草等一年生天然草本植被根系对土壤抗剪强度的影响作用尚未见报道。
人们对木本植被（乔灌木）根系对土坡稳定性的影响已经有了较深入的理解和认识[25-26].由于试验方法的局限性以及研究对象的复杂性，草本植被对土壤侵蚀影响的研究目前较多集中在植被的地上部分，研究对象主要针对人工植被系统或是人工加根的扰动土样[6,14,17,27-28],这与自然植被条件下土壤中根系分布以及根系与土壤之间的接触状况有较大差别。而对天然草本植物的关注，主要集中在如何控制对农田作物生长的影响方面，而较少关注其有利的方面特别是天然草本植被地下部分对生态环境的影响[9].因此，本研究针对一年生天然草本植被，探讨其根系对土壤抗剪强度的影响效果，旨在对自然条件下草本植被固土护坡作用加深理解，以期为建立生态环保型水土流失防护技术体系提供理论支持。
1材料与方法
1.1试样采集
试样采自北京市昌平区沙河镇满井西村苗圃园中的林间空地（N40°9′，E116°15′,海拔高度45m）.
昌平区属于暖温带大陆性季风气候区，年均降水量和年均气温分别为550.3mm和11.8 ℃.取样地土壤无生活垃圾或工业垃圾，其天然植被主要是稗草（Echinochloa crusgalli（L.）Beauv.）和狗尾巴草（Setaria viridis（L.）Beauv.）。测试土壤的粘粒、粉粒和砂粒含量分别为16.0%、50.5%和33.5%,其质地属于粉质壤土。
选择地势平坦、天然草本植被类型均一、且植被覆盖度与周边环境相对一致的大约4m2区域作为试样采集区。在试样采集区内，采集点随机布置。为使采样点更具代表性，采样点避开植株位置处。
土壤取样深度为5~20cm.采集试样时，首先清除取样点地表以上部分的植被，将地表铲平 （2~5cm）。在环刀（内径61.8mm,高20mm）内壁涂一薄层凡士林，将环刀刃口向下、水平放置在取样点，然后用静力缓慢施压环刀。待环刀压入土中一定距离后，用削土刀切去环刀外部周边土体，以便环刀顺利压入土中。当环刀中土体伸出环刀上边沿一定距离后，将环刀及其周边土体一块取出，用削土刀削去环刀周边及其上、下面以外多余的土体。将初步修整后的环刀土体用塑料布包紧裹实后放入试样箱内，带回试验室。在运输过程中，避免因振动而破坏土体的原状结构。在取环刀试样的同时，对每个取样点同步取一定质量的土样放进铝盒中密封，以测定土壤含水量。
根据一年生天然草本植物的生长阶段，本研究共取试样4次，时间分别为3月10日、4月10日、6月10日和8月10日。第1次采集有效试样13组，第2次和第3次各50组，第4次29组，共142组有效试样。
1.2试验方法
试验采用南京土壤仪器厂生产的ZJ电动应变控制式直剪仪，按 《土工试验方法标准GB/T50123-1999》规定的程序和要求测定土壤-根系复合体抗剪强度[29].测定时，仔细将环刀上、下部土体用削土刀刮平，并将环刀外部用洁净干布擦拭干净后称重。剪切速度设定为0.8mm/min（4转/min）,垂直竖向应力设为50kPa.
试样所受的剪应力按式（2）计算：
式中：
τ,土壤-根系复合体剪应力，kPa;R,量力环测表读数，0.01 mm;C,量力环校正系数，1.838N/0.01mm;A0,试样受力面积，cm2.
在土壤-根系复合体抗剪强度测试时，若果量力环读数达到稳定或出现峰值后显着减小，则在剪切位移量为4mm时停止剪切试验；若果量力环读数一直增大，则在剪切位移量为6mm时停止剪切试验。根据式（2）计算的剪应力数据和位移计测定的数据，以剪应力为纵坐标、剪切变形量为横坐标，绘制剪应力与剪变形量关系图。选取剪应力与剪变形关系曲线上的峰值点或稳定值为土壤-根系复合体抗剪强度；若无明显峰值点或稳定值时，取剪切变形量为4mm时所对应的剪应力为抗剪强度。
土壤密度按环刀法测定，土壤质量含水量采用电烘箱烘干法测定，土壤质地采用筛分与密度计联合测定法测定[29].直剪试验完成后，采用钢尺、千分尺和电子天平测定每个试样中所有根系的特征值如根系长度、根系直径和根系重量。根系横断面面积根据根系直径计算。
1.3数据处理与分析
采用SPSS 20.0（SPSS Inc.,Chicago,USA）双变量相关分析法，分析试验数据各变量之间的相关性；根据偏相关分析法（双尾检验）和逐步回归分析法（P≤0.05），确定各影响因素对土壤-根系复合体抗剪强度的贡献程度。
2结果与分析
2.1土壤密度与含水量对抗剪强度的影响
不同取样时间土壤-根系复合体抗剪强度随土壤干密度的变化（图1（a））。土壤-根系复合体抗剪强度随着土壤干密度的增加而线性增大，两者显着相关（P<0.001）。6和8月份的土壤-根系复合体抗剪强度随土壤干密度的增大程度稍微大于3和4月份，这可能与土壤中植被根系数量的增多及其力学性能的增强有关。
4次取样的测试结果显示，土壤-根系复合体抗剪强度随土壤含水量的增加而线性减小（图1（b）），两者显着相关 （P <0.001）。这一试验结果与Osman和Barakbah、杨亚川等以及Fan和Su的结论一致[2,21,30-31].水分是土壤颗粒之间的润滑剂。
当水分增多时，土壤颗粒在外力作用下更容易发生相对位移，从而导致土壤-根系复合体抗剪强度随土壤含水量的增加而降低。
2.2植被根系对抗剪强度的影响
土壤含根量一般可用单位体积土壤所含的植被根系总质量和总根长或单位面积土壤所含的根面积即根重密度、根长密度和根-土面积比表示。根重密度和根长密度对土壤-根系复合体抗剪强度的影响（图2）.
土壤-根系复合体抗剪强度随着根重密度或根长密度的增加而增大（图2），且抗剪强度与根重密度或根长密度均呈显着正相关（P≤0.001）。这与已有的研究结论相似[2,6,14,22,28,31].不同月份之间的根重密度差异相对较小（图2（a）），但8月份的根长密度显着大于其他月份（图2（b）），这可能与植被在不同生长期的根茎变化有关。根-土面积比对土壤-根系复合体抗剪强度的影响不显着（数据未给出）。
2.3土壤和根系因子对抗剪强度的贡献
土壤-根系复合体抗剪强度与土壤干密度、土壤含水量以及植被根系各参数之间的偏相关系数R2见表1.从表1可以看出，虽然土壤-根系复合体抗剪强度与土壤干密度、土壤含水量、根重密度、根长密度以及根-土面积比之间的偏相关系数在不同的取样时间各不相同，但土壤干密度、土壤含水量以及根重密度和根-土面积比是影响土壤-根系复合体抗剪强度的主要因子，且土壤-根系复合体抗剪强度与土壤干密度或土壤含水量的相关程度大于其与根重密度或根-土面积比的相关程度。
为了进一步区分土壤干密度、土壤含水量、根重密度、根长密度和根-土面积比对土壤-根系复合体抗剪强度的贡献大小，对4次取样的抗剪强度与土壤干密度、土壤含水量、根重密度、根长密度和根-土面积比之间进行逐步线性回归分析。分析结果显示，土壤-根系复合体抗剪强度与土壤干密度、土壤含水量以及根重密度在P<0.001统计水平显着相关。由于对土壤-根系复合体抗剪强度的贡献较小，根长密度和根-土面积比2个参数被剔除。以土壤干密度、土壤含水量和根重密度作为土壤抗剪强度的影响因子，全部4次取样数据的多元线性回归方程为：
式中：
τf,土壤-根系复合体抗剪强度，kPa;ρd,土壤干密 度，t/m3;θ,土壤含水量，%;ρrw,根重密度，kg/m3.
土壤-根系复合体抗剪强度与土壤干密度、土壤含水量以及根重密度之间的标准回归系数（Beta值）分别为0.456（P<0.001）、-0.321（P<0.001）和0.186（P<0.01）。这些数值再一次证实，影响土壤-根系复合体抗剪强度各因子的大小顺序为：土壤干密度>土壤含水量>根重密度。决定系数R2由一般回归分析的0.438减小到目前的0.405,但自变量数量由5个减少到3个，更便于应用。
各次取样以及全部4次取样数据的统计结果显示，根重密度与根-土面积比之间在P≤0.01统计水平显着相关（数据未给出）。除4月份外，根重密度与根长密度也在P≤0.05统计水平相关。而根长密度与根-土面积比之间的相关性较差。由于根重密度易于测定，且可较好地代表根长密度和根-土面积比这2个表征土壤含根量的参数，因此在研究一年生草本植被根系对土壤-根系复合体抗剪强度的影响时，可采用根重密度作为代表草本植被根系的特征参数。
3讨论
稗草和狗尾巴草属于一年生须根系禾本科草本植物[32-33].作为活性材料，一年生草本植被的固土护坡作用效果与其生长阶段密切相关。北京地区冬季干燥少雨，降水主要集中在6-9月份（78.3%）.
3月份平均气温大约为0~12 ℃,稗草和狗尾巴草等草本植物尚未开始正常生长[32-37],此时土壤中的根系为上一年度植物的遗留根系，根系直径明显大于其他取样时间（3月份平均根系直径为0.164±0.084mm）。但经过整个冬季的腐烂后，这些残余的植物根系虽然具有一定的质量、长度和直径，但其抗拉强度已显着降低，它对土壤-根系复合体抗剪强度并无显着的促进作用（表1），反而可能会因为根系占据一定的土壤空间而导致土壤-根系复合体抗剪强 度稍微 减小 （图2）;4月份平均气温为8~20℃,此时草本植物刚开始萌芽生长，其根系主要为初生根系，根系生长速度快但数量少[38],根系直径相对较大（平均0.060±0.029mm）;6月份平均气温为19~30℃,北京地区开始进入雨季。随着降雨量增加和气温的明显升高，稗草和狗尾巴草等草本植物进入快速生长发育期[32-33,35-36];8月份以后，草本植物进入生长旺盛期。虽然6和8月份草本植被的根系直 径并不大 （分别为0.038±0.020和0.032±0.013mm），但此阶段的植被根系数量较多，根系长且壮，根系抗拉强度也较大。稗草和狗尾巴草的生育期一般为75~150d,在9月份以后逐渐进入成熟期。因此，草本植被根系对土壤-根系复合体抗剪强度的强化作用在8月份时明显大于本试验中的其他取样月份，且随着土壤含根量的增加而显着增大（图2）。一年生草本植被根系在不同生育阶段的力学性能以及在土壤含水量较大条件下植被根系对土壤-根系复合体抗剪强度的增强效果尚需进一步调查研究。
在测试的土壤环境（土壤干密度（1.33±0.10）t/m3和土壤含水量12.28%±3.82%）条件下，根据式（3）计算可知，一年生草本植物的根重密度每增加1.0kg/m3,土壤-根系复合体的抗剪强度可增大1.077kPa.由于本研究的取样点位置避开了植物主根区，且为人类生产活动干扰较大的苗圃林间空地，因此测定的土壤含根量相对较低（图2）。一般温带的天然草本植物根重密度可达5~10kg/m1甚至更大[18-20].当土壤中植被根重密度为5和10kg/m3时，土壤-根系复合体的抗剪强度比无根系土壤的抗剪强度可分别增大19.8%和39.5%.这一贡献程度与Loades等报道的大田大麦根系对土壤抗剪强度29%的贡献率相似[6].因此，一年生天然须根系草本植被对表层土壤抗剪强度的强化作用是显着的。从力学角度来看，这将会增大表层土壤的运移阻力从而有助于抑制土壤水力侵蚀[23].
4结论
1）土壤-根系复合体抗剪强度随着土壤干密度的增大而增大，但随土壤含水量的增大而减小。
2）土壤-根系复合体抗剪强度与根重密度的相关性大于它与根长密度或根-土面积比的相关性。土壤-根系复合体抗剪强度随着根重密度的增大而增大。根重密度可以作为表征一年生草本植被根系对土壤-根系复合体抗剪强度影响的根系特征参数。
3）土壤干密度和土壤含水量对土壤抗剪强度的影响程度大于一年生天然草本植被根系的影响程度，但一年生天然草本植被根系对土壤-根系复合体抗剪强度的强化效果显着。在根重密度为5~10kg/m3时，土壤-根系复合体抗剪强度比无根系土壤抗剪强度可增大19.8% ~39.5%.