林木根系固土的理论基础

为了探索林木根系的固土作用,半个多世纪以来许多学者从不同侧面对根系的固土作用进行了大量的研究和探索,在根系固土理论研究上取得了一定成果。鉴于此,概述了莫尔-库仑强度理论、加筋理论、锚固理论等根系固土基础理论以及须根理论模型（W氏模型）、垂直根系木本植物根-土相互作用力学模型、水平根系根-土相互作用力学模型等根系固土的分析模型。依据固土理论,提出了今后根系固土作用研究重点是根系的分布特征,根系与土的摩擦特性以及根系的力学性能。     

草本植物根系网的固土机制模式与力学试验研究

针对生物软措施的力学固土护坡作用进行了力学机制方面的探讨,提出植物根系网固土力学机制模式的四个层次,以及对不同草本植物根系的固土性能进行了力学试验比较。结果表明不同植物根系具有不同的抗拉强度。香根草根系平均抗拉强度最大达85 m Pa,其次为假俭草,平均抗拉强度27.3 m Pa,白三叶根系平均抗拉强度为24.6 m Pa,莎草根系平均抗拉强度为24.5 m Pa,宜安草根系平均抗拉强度为19.7 m Pa,百喜草根系平均抗拉强度为19.23 m Pa,马尼拉草根系平均抗拉强度为17.5 m Pa,狗牙根根系平均抗拉强度为13.45 m Pa。不同的植物根系具有不同的抗拉强度、不同的固土性能与其遗传结构及其组织材料不同有关。充分了解和认识植物根系固土性能,科学合理运用生物软措施代替或部分代替工程措施在我国繁重的生态环境保护和恢复的基本建设工程项目中具有重要的应用价值和意义。     

根土复合体力学效应及其模型构建研究进展与展望

[目的] 为探究根土复合体的力学效应机理及模型方法应用。[方法] 采用文献分析和对比分析法,归纳分析根土复合体概念和内涵、根土复合体力学效应及力学模型原理、优缺点以及适用范围。[结果] (1)根土复合体是根系与土体之间力学耦合效应的复合整体,根系在土体中交叉缠绕,起到加固作用;(2)根系与土体力学关系实质上是根土复合体土力、水力和复合力学特性作用的结果,土力特性、水力特性分别侧重研究根系对土体的影响和土中水分对土体和根系的影响,复合力学特性侧重于根土复合体自身特性对植物根系特征以及结构的直接影响,从而通过三者作用使根系与土体的力学关系处于动态平衡之中;(3)根土复合体复合力学模型研究较土力和水力学模型略少,土力学和水力学模型都是根据量化参数,通过参数间对比来衡量固土效果,但复合力学特性同时涉及土力特性和水力特性,考虑全面,应是未来研究的重点方向。[结论] 未来在开展冻融循环、干湿交替、干热循环对不同地区根系与土体相互作用的影响、多类型植物混种抗剪强度、化学作用和微生物作用对土水特性影响机理及复合模型构建等方面有待深入研究。研究结果可为生态脆弱区植被恢复、水土保持和可持续发展等提供重要的理论价值和工程借鉴意义。     

泥石流频发区典型乔灌植物根系的固土效应

[目的]研究泥石流频发区云南省昆明市东川区蒋家沟两种典型生态修复物种新银合欢(Leucaena leucocephala)和马桑(Coriaria sinnica)的根系固土效应,为当地生物工程的应用及泥石流治理效益的评价提供理论依据和数据支撑。[方法]通过根系挖掘法查明根系分布特征,开展根系拉伸试验分析单根抗拉特征,运用修正后的Wu-Waldron模型(RWM)计算两种植物根系对土壤抗剪强度的增加值。[结果]①新银合欢和马桑的根面积比RAR均随着土壤深度的增加而减小。②新银合欢根系构型为垂直型,马桑根系构型为横走型。③新银合欢根系的抗拉强度与根径之间无明显规律性,马桑根系的抗拉强度与根径之间呈递减的对数函数关系。④新银合欢和马桑根系对土体抗剪强度增加值均随着土壤深度的增加而减少,新银合欢根系固土深度约为1.4 m,马桑根系固土深度约为0.6 m。[结论]新银合欢和马桑根系均能显著发挥固土作用。由于根系构型、固土深度、固土方式等原因,二者的固土作用不同,可将二者结合种植,不仅有利于边坡的稳定,也可提高土体的抗冲性。     

紫花苜蓿和通奶草根土复合体的力学特性

[目的]研究土壤含水率、根系面积比对紫花苜蓿(Medicago sativa)和通奶草(Euphorbia hypericifolia)根系固土效果影响及根土间作用机理,为矿山生态修复中植物种类的选取,土壤含水率的控制提供科学依据。[方法]以辽宁省阜新市海州露天矿边坡野生紫花苜蓿、通奶草为研究对象。开展植物根系拉伸试验,确定根系抗拉特性。开展根土复合体剪切试验,确定2种植物根系最适宜含水率。在最优含水率基础上开展根土复合体剪切优化试验,确定最佳固土效率根系面积比。[结果](1)2种植物根系抗拉力随根径呈幂函数增加,抗拉强度随根径呈幂函数减小。(2)素土和2种根土复合体黏聚力随含水率增加呈先增加后减小趋势,内摩擦角随含水率增加呈减小趋势;(3)紫花苜蓿根系、通奶草根系在含水率分别为25%和21%时,固土效果最佳。(4)在最优含水率下,紫花苜蓿、通奶草根系面积比分别为0.04%和0.08%时,固土效果最佳。[结论]通奶草根系的形态学效应和力学效应使其成为较紫花苜蓿根系具有更佳固土效果的优势物种。     

植物根系固坡效应模拟及稳定性数值分析

随着生态环境保护的要求日益提高,植物护坡工程的理论和实践研究得到了发展。由于植物根系及其分布的随机性和复杂性,根土相互作用机理以及根系固坡的定量化研究工作还很不深入。本文对根系固土力学机制和根土复合介质抗剪强度模型进行了评述,将根系对土体的强度贡献以“表观凝聚力”表示,采用数值方法对植物根系固坡效应及其稳定性进行了分析,考虑根系强度增量以及护坡深度,在多种情况下进行了边坡整体安全系数计算。分析结果可为植物根系的力学效应评判、护坡植物的选取,以及其优化布设等纵深研究方面提供了理论基础。     

花岗岩残积土边坡草本植物根固效应试验

为了推进根系固土机制的定量研究,在前期边坡调查和植物筛选的基础上,人工种植了百喜草、假俭草、狗牙根3种常见的护坡植物,根据各深度下原状根-土复合体干密度、含水率和质量含根量等物理性质指标,设计了重塑根-土复合体直剪试验方案,实施了3种植物原状和重塑根-土复合体的直剪试验。结果表明:3种原状根-土复合体的抗剪强度在各级法向压力作用下均随含根量的增加而逐渐增大;3种原状根-土复合体的黏聚力和内摩擦角均随深度的增加而减小;3种植物根系在相同的土体状态下对黏聚力的影响排序为狗牙根百喜草假俭草;对土体内摩擦角的影响排序为假俭草百喜草狗牙根。植物根系增强土体抗剪强度的作用不仅受植物种类的影响,还与土体的干密度和含水率密切相关,干密度的增加对黏聚力的提升有显著影响,对内摩擦角的影响却并不大;3种植物重塑根-土复合体的最优含水率均为25%左右。在重塑根-土复合体的直剪试验中,很难探求含根量对抗剪强度指标的影响。     

基于两种计算模型的油松与元宝枫根系固土效能分析

[目的]定量分析北方常见植物(油松、元宝枫)根系对提高土壤抗剪能力的作用,为更好地评价植物根系固土效能提供理论基础。[方法]选取不同根系面积比(RAR)的油松(Pinus tabulaeformis)根土复合体、元宝枫(Acer truncatum)根土复合体及素土分别进行了不同垂直压力下的直剪试验,得出了油松根土复合体、元宝枫根土复合体及素土的抗剪强度增量。并通过根系的拉伸试验测定了植物根系的抗拉强度,同时使用Wu的根土复合体模型和Pollen的纤维束模型对抗剪强度增量进行模拟并与实际测定的抗剪强度增量进行对比分析。[结果](1)根系主要通过增强土壤的黏聚力来增强土壤的抗剪切强度;(2)植物根系抗拉强度、拔出强度与根系直径都符合幂函数关系,抗拉强度和拔出强度大小存在阈值,根系大于2mm时,根系拔出强度小于根系抗拉强度,小于2mm时则反之;(3)Wu的根土复合体模型高估植物根系固土效果值平均为26.81%,而纤维束模型对根系提高土壤抗剪强度则平均高估9.82%。[结论]相对于Wu模型,纤维束模型对土壤的固土效果的计算更为准确。     

外源稀土作用下根–土界面元素转化、分布及其植物有效性的研究进展

外源稀土（RE）可导致根-土界面物理、化学及生物学特性发生根本性变化,特别是根系主导的根际动态过程的变化。如施用不同剂量RE条件下,稀土元素（REE）与根系的相互作用使根系生长、酶活性、细胞质膜透性等受到不同程度的影响。根系生长、酶活性的变化反映了植物可能通过根系形态学、生理学的适应性和非适应性变化机制来改变根系吸收养分、REE及重金属离子的能力,直接影响根际离子进入根系中的含量;而根系细胞质膜透性的变化则反映了植物可能通过根系分泌作用的适应性和非适应性变化机制来改变根系有机酸、质子等的分泌状况,使之作用于根际环境,制约养分、REE及重金属元素在根际的形态转化与迁移分布模式,从而间接影响根际离子进入根系中的含量。本文从外源RE对根系生长状况和酶活性的影响;对根系细胞质膜透性和分泌作用的影响;对根际养分、REE及重金属元素动态的影响;对根系养分、REE及重金属元素吸收分布的影响等4个方面的国内外文献出发,就土壤-植物系统中外源RE作用下根-土界面养分、REE及重金属元素的转化、分布及其植物有效性的响应变化与相关机制做出综述,同时提出目前研究中存在的问题,对今后的研究方向进行展望。     

土壤水分对植物根-土界面相互作用特性的影响

为研究不同土壤水分下不同植物根系与土壤界面的摩阻特性,使用直剪仪对内蒙古中西部的5种典型乡土植物(柠条、沙棘、杨柴、紫花苜蓿和沙打旺)的根系在不同土壤含水率下进行根-土界面直剪摩擦试验。结果表明:当土壤含水率在4.5%~24.5%时,5种植物根-土界面摩擦系数均大于素土的土-土界面的值,且随着土壤含水率的增加,根-土界面和土-土界面摩擦系数均呈下降趋势,其中沙棘根-土界面的摩擦系数和黏聚力均大于其他4种植物的值,表明仅从根系与土壤间的相互作用特性来看,沙棘根系固土抗蚀的作用明显优于其他4种植物。根-土界面和土-土界面黏聚力均随着土壤含水率的增加呈先增后减的变化特征,且植物种不同黏聚力峰值出现时对应的土壤含水率亦不同。     

Root development of winter wheat in erosion‐affected soils depending on the position in a hummocky ground moraine soil landscape

Agricultural soil landscapes of hummocky ground moraines are characterized by 3D spatial patterns of soil types that result from profile modifications due to the combined effect of water and tillage erosion. We hypothesize that crops reflect such soil landscape patterns by increased or reduced plant and root growth. Root development may depend on the thickness and vertical sequence of soil horizons as well as on the structural development state of these horizons at different landscape positions. The hypotheses were tested using field data of the root density (RD) and the root lengths (RL) of winter wheat using the minirhizotron technique. We compared data from plots at the CarboZALF‐D site (NE Germany) that are representing a non‐eroded reference soil profile (Albic Luvisol) at a plateau position, a strongly eroded profile at steep slope (Calcaric Regosol), and a depositional profile at the footslope (Anocolluvic Regosol). At each of these plots, three Plexiglas access tubes were installed down to approx. 1.5 m soil depth. Root measurements were carried out during the growing season of winter wheat (September 2014–August 2015) on six dates. The root length density (RLD) and the root biomass density were derived from RD values assuming a mean specific root length of 100 m g^?1. Values of RD and RLD were highest for the Anocolluvic Regosol and lowest for the Calcaric Regosol. The maximum root penetration depth was lower in the Anocolluvic Regosol because of a relatively high and fluctuating water table at this landscape position. Results revealed positive relations between below‐ground (root) and above‐ground crop parameters (i.e., leaf area index, plant height, biomass, and yield) for the three soil types. Observed root densities and root lengths in soils at the three landscape positions corroborated the hypothesis that the root system was reflecting erosion‐induced soil profile modifications. Soil landscape position dependent root growth should be considered when attempting to quantify landscape scale water and element balances as well as agricultural productivity.     

基于Hydrus-1D模型的玉米根系吸水影响因素分析

为探索土壤质地、植物生长状况和气象条件对不同土壤水分条件下根系吸水速率的影响机理,该文以相对根吸水速率与土壤含水率的关系衡量土壤水分有效性,利用Hydrus-1D模型模拟了3种土壤（壤黏土、黏壤土和砂壤土）中不同玉米生长状况（包括叶面积指数、根系深度和根系剖面分布）或蒸发力条件下根系吸水速率随含水率的动态变化,确定了不同条件下根系吸水速率开始降低的临界含水率。结果表明：土壤质地、植物的叶面积指数和根系分布及大气蒸发力都对根系吸水动态曲线的临界含水率有一定影响,其中根系深度和根系分布形状还影响根系吸水速率与含水率关系曲线的形状,但在3种土壤中,根系吸水速率的动态变化对植物生长和大气蒸发力的响应不同。总体而言,3种土壤临界含水率的大小是壤黏土＞黏壤土＞砂壤土;临界含水率随大气蒸发力的升高而升高,随根系深度和深层根系分布的增加而降低;各因子对玉米根系吸水影响程度的大小是土壤质地＞根系分布形状＞根系深度＞大气蒸发力＞叶面积指数。     

间作对马铃薯根系及坡耕地红壤结构稳定性的影响

为了揭示间作对马铃薯根系和坡耕地红壤结构稳定性的影响,田间试验采用随机区组设计,设置马铃薯单作、玉米马铃薯间作2个处理,测定马铃薯各生育阶段的土壤团聚体稳定性指标、根系形态特征及其分泌物含量,分析了不同种植模式下马铃薯的根系形态及其分泌物对土壤团聚体稳定性的影响。结果表明：(1)在同一种植模式下,除根平均直径外的马铃薯根系形态特征指标均随生育期的推移呈先增加后降低的趋势。在马铃薯的开花期和块茎膨大期,间作马铃薯根系总根长、总根表面积和总根体积与单作相比均较高,且在块茎膨大期间作马铃薯根系总根长、总根表面积和总根体积相对于单作分别显著增加了24.41%,24.75%,35.03%(p<0.05)。(2)马铃薯根系分泌物总糖和总有机酸含量随生育期推移的变化趋势与形态指标变化相同,呈先增加后降低趋势。马铃薯块茎膨大期的根系分泌物总糖、总有机酸含量与单作相比分别显著增加了37.85%,34.64%(p<0.05)。(3)在单间作种植模式下,土壤团聚体稳定性指标R_0.25,MWD和GMD均随生育期的推移呈增加趋势(p>0.05),D呈显著下降趋势(p<...     

黄土丘陵沟壑区自然恢复坡面植物根系的分布特征

采用土钻法研究了黄土丘陵沟壑区自然恢复坡面土壤根系的分布特征及土壤养分含量与土壤水分含量对根系分布的影响。结果表明:根系的分布因坡向、侵蚀带、土层深度、植被类型等的不同而异。阳坡根系总生物量高于半阴坡,但差异不显著;沟谷地根系总生物量及≤1mm根系生物量与沟间地各侵蚀带存在显著性差异;随着土层深度的增加,根系生物量减小;不同植被类型及其盖度对根系生物量有很大影响。不同坡向、各侵蚀带、不同土层中各径级根系生物量的总体趋势是≤1mm根系生物量最大,1～2mm次之,2～3mm和>3mm根系生物量较小,且≤1mm根系生物量与2～3mm和>3mm根系生物量间存在显著差异。根系生物量与土壤养分(除全磷)总体为中度正相关,与土壤水分分布不一致。因此,根系分布不仅与植物自身特性有关,还受土壤环境的影响。     

土壤紧实胁迫下根系–土壤的相互作用

  【目的】  土壤紧实胁迫破坏土体理化性质,阻碍作物根系生长,降低作物产量,是限制农业生产力提高的世界性难题。根系形态结构决定了植物对土壤资源的探索能力及其对胁迫环境的适应性。讨论紧实胁迫下植物根系–土壤的相互作用,综述国内外关于根系通过形态和生理改变等根系生物学潜力的发挥提高对紧实胁迫适应性的研究进展。  主要进展  土壤紧实胁迫增加根系穿透阻力,限制根系对土壤水分和养分的获取。植物根系会从形态和解剖结构方面对土壤紧实胁迫做出一系列适应性改变,充分利用土壤中的孔隙拓展生长空间。此外,根系也会对紧实胁迫做出生理响应,通过大量释放分泌物,影响根际土壤微结构,改变根土界面微域环境,降低根系生长的机械阻力。  展望  土壤紧实胁迫作为产量限制因素被长期忽视。通过发挥根系自身的生物学潜力,提高根系在紧实土壤中的适应性,对于最大限度地保证其在紧实胁迫下的正常生长非常关键,作为应对土壤紧实胁迫的有效策略具有重要的现实意义。未来的研究方向与重点包括:揭示紧实胁迫下根系分泌物与微生物的“对话机制”,探明紧实胁迫下根系–土壤–微生物的互作关系和作用机制,为发挥根系生物学潜力,强化关键根系/根际性状,塑造健康土壤结构,提高土壤紧实胁迫下的农业生产力提供科学依据。     

针叶与阔叶树根系对土壤抗剪强度及坡体稳定性的影响

重庆缙云山地处三峡库区,是国家重点自然保护区。由于地势特点,坡面极易发生土壤侵蚀及浅层滑坡,因此,在不破坏原有生态环境的前提下,有效防止灾害发生是该地区的重点防治工作。选取了同种根构型的针叶树种(马尾松Pinus massoniana Lamb)和阔叶树种(四川大头茶Gordonia acuminate),比较其提高土壤抗剪强度的作用强弱,并分析根面积比率、剪切带根系径级比、根系位置范围,以及根系角度等因素对土壤抗剪强度的影响。结果表明,针叶树种对土壤抗剪强度增强效果强于阔叶树种;针叶树种根系平均抗拉强度较大,其对土壤抗剪强度的增量更大;针叶树种根系分布范围较广且存在更多与剪切方向成60°的根系,表现出更好的固坡作用;根面积比率对土壤抗剪强度影响不明显。     

2种草本植物根系对长汀县崩岗洪积扇土壤水分状况的影响

植被恢复是防治崩岗侵蚀的重要方法,为研究植物根系对崩岗洪积扇土壤水分状况的影响,以崩岗洪积扇上种植的深根系巨菌草和浅根系宽叶雀稗为研究对象,对其分层取样后,用环刀法测定土壤的密度、孔隙度和最大持水量等物理性质,计算土壤蓄水能力,并用WinRHIZO根系分析系统,测定根长和密度等参数.结果表明:巨菌草和宽叶雀稗的各根系特征指标,均随土层深度的增加而减小,巨菌草各根系指标均大于宽叶雀稗;有植被覆盖下的土壤密度均小于裸地,植被覆盖下土壤总孔隙度和毛管孔隙度均大于裸地,且随土层深度的增加而减小;有植被根系的土壤饱和蓄水量和毛管蓄水量均比裸地高,且与裸地差异显著;在土壤表层,宽叶雀稗增加土壤孔隙性和土壤保水能力大于巨菌草,而在土壤中深层,则巨菌草大于宽叶雀稗;根系改善土壤性质的能力,主要取决于其根长密度和根系总表面积,直径小于0.5mm的根系是影响土壤水分的最主要因子.研究植物根系对改良土壤水分状况的影响,以期为崩岗侵蚀防治中植被种类的筛选和推广提供依据.     

Impact of soil texture on temporal and spatial development of osmotic‐potential gradients between bulk soil and rhizosphere

Solute transport from the bulk soil to the root surface is, apart from changes in soil moisture and plant nutrient uptake, a prerequisite for changes in soil osmotic potential (Ψ_o). According to the convection‐diffusion equation, solute transport depends on a number of parameters (soil moisture–release curve, hydraulic conductivity, tortuosity factor) which are functions of soil texture. It was thus hypothesized that soil texture should have an effect on the formation of Ψ_o gradients between bulk soil and the root surface. The knowledge about such gradients is important to evaluate water availability in the soil‐plant‐atmosphere continuum (SPAC). A linear compartment system with maize grown under controlled conditions in two texture treatments (T1, pure sand; T2, 80% sand, 20% silt) under low and high initial application of salts (S1, S2) was used to measure the development of Ψ_o gradients between bulk soil and the root surface by microscale soil‐solution sampling and TDR sensors. The differences in soil texture had a strong impact on the formation of Ψ_o gradients between bulk soil and the root surface at high and low initial salt application rate. At high initial salt application, a maximum osmotic‐potential gradient (ΔΨ_o) of –340 kPa was observed for the texture treatment T2 compared to ΔΨ_o of –180 in T1. The steeper gradients in osmotic potential in treatment T2 compared to T1 corresponded to higher cumulative water consumption in this treatment which can partly be explained by higher soil hydraulic conductivity in the range of soil matric potentials covered during the duration of the experiments. Differences between texture treatments in Ψ_o at the root surface did not result in differences in plant‐water relations measured as gas‐exchange parameters (transpiration rate, water‐use efficiency) and leaf osmotic potential. If soil osmotic and matric potential are regarded as additive in calculating the driving force for water movement from the soil into the root, the observed differences in water flux between treatments cannot be explained.     

山西省天龙山弃耕地的根系呼吸及其影响因素

用去除根系法对山西省天龙山自然保护区弃耕地的根系呼吸进行了为期2a的研究。结果表明,弃耕地的根系呼吸速率具有明显的季节变化,与土壤温度的变化趋势相一致,夏季高冬春季低。2007和2008年3—12月的根系呼吸总量(以C计)分别为329.5和392.5g/m2。土壤温度是影响根系呼吸速率的主导因子,可以解释根系呼吸速率季节变化的79%~88%,土壤水分对根系呼吸的影响较小。包括土壤温度和土壤水分两个变量的双因素模型可以解释根系呼吸季节变化的81%~89%;根系呼吸占土壤总呼吸的比例具有明显的季节变化,为24%~54%;2007和2008年3—12月根系呼吸比例的平均值分别为24.9%和30.9%。     

含根量与土壤抗剪强度增加值关系的试验研究

通过对裸地、车桑子灌木林地不同深度土壤在天然含水量情况下的直剪试验，及对车桑子根系沿垂直方向的分布情况的调查，研究了含根量对非饱和土抗剪强度的影响。结果表明，植物根系具有提高非饱和土抗剪强度的作用，含根量沿垂直方向呈指数函数规律分布，黏聚力和内摩擦角沿垂直方向的增加值均与含根量成正相关关系。