崛围山区水保草种草冠覆盖与根系分布研究

张超波　周霞　李东嵘　蒋静

摘要：为了解北方土石山区水土保持草种草冠覆盖与根系分布情况，筛选覆盖范围优势草本植物物种用于水土流失防治，通过野外调查和测量，研究了崛围山区9种草本植物草冠覆盖范围与根系分布范围及变化规律。结果显示：9种草本植物根系分布范围与草冠覆盖范围之间符合幂函数关系;从覆盖范围来讲，香根草在9种草本植物中可优先考虑用于植物措施防治水土流失。

关键词：草本植物;根系：覆盖范围：水土保持;土石山区：崛围山区

中图分类号：S157.4+3

文献标志码：A

doi：10. 3969/j .issn. 1000- 1379.2019.03.021

北方土石山区作为我国水土流失的重要类型区，土层薄、水土流失危害大，因而受到长期关注[1]。植物措施作为防治水土流失的主要措施之一，对于我国生态文明建设非常重要[2]。草本植物固土防蚀效益显著，相比林灌植物，具有发挥固持水土防治侵蚀作用更快、耗水量更少的优点[3]。因此，近年来草本植物措施保持水土受到越来越多的关注。

草本植物能截留降雨、减小降雨溅蚀地表土壤、阻滞坡面径流，其阻滞坡面径流的作用甚至比灌木的大[4-5]。草本植物发挥水土保持作用有两方面效应：一是草冠水文效应，截留阻挡降雨、降低雨滴对土壤的击溅冲蚀作用和坡面径流侵蚀力[6]：二是根系力学效应，提高土壤抗剪强度和抗冲性能[7]。研究表明，草冠草根共同作用可减小坡面流弗劳德数，减少坡面侵蚀产沙量，但草冠的作用为间接作用，而根系的减沙作用更显著[8]。很多学者通过野外模拟降雨试验的方法，均得出有草本植物生长的边坡比裸露的边坡径流量和产沙量明显减少的结论[9-10]：还有一些学者通过直剪试验，证明了有根系存在的土壤比素土的抗剪强度均有不同程度的提高[11-12]。影响草本植物水文和力学效应的因素很多，主要有坡面特征、物种性质[9-10]、根系力学性能和分布形态等[13-14]。草冠覆盖面积和根系分布面积的大小对草本植物发挥水文和力学效应也非常重要，而目前对草冠和根系的覆盖范围以及二者的相互关系研究较少。

笔者通过野外调查测量，研究了北方土石山区9种典型草本植物的草冠覆盖范围与根系分布范围以及二者之间的关系，以期为生态护坡工程中草本植物的选择和种植提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区选择山西省太原市西北24 km处的崛围山区，地理位置为东经112°26′、北纬37°58′，属暖温带大陆性季风气候区。全年平均有140 d无霜期，早晚、昼夜温差较大，年平均气温8.5℃，年平均降水量为470mm。崛围山区植被以草本植物为主，植被的垂直分布为草原带（或灌丛带）、针阔混交林带、高中山针叶林带、亚高山灌丛或亚高山草甸带，常见草本植被有香根草、黑麦草和百喜草等[17]。该区地表水均属黄河流域汾河水系，汾河一级支流泥屯河、柏板河、杨兴河、涧河均在区内汇人汾河。平均地表水资源量为510万m³，地下水资源量为3 891万m³.全区水资源总量为4 057万m³（扣除重复计算量）。

1.2 研究材料

在研究区进行植被调查后，选取了广泛分布的9种典型草本植物为研究对象，见表1。

1.3 研究内容

为测量草冠覆盖范围与根系分布范围，每种草本植物选择5株生长状况良好的植株，以植株基部为中心，用卷尺量取每株植株5个不同位置草冠在水平面上的覆盖直径D_c（见图1）。用铁锹和铁铲等工具环向开挖植株附近土壤。露出根系后，为避免开挖过程中对根部产生破坏，利用刷子和小铲子进一步清理根系周边土壤，直至清理出完整根系。用量测草冠覆盖直径的方法，量取每株植株5个不同位置根系在水平投影面上的分布直径D_r。

1.4 试验仪器

试验仪器包括：①精度为1 mm的卷尺（测量草冠与根系分布直径）;②刷子、铁铲和铁锹等工具（用于野外根系挖掘）。

1.5 观测时间

观测时间为2015年10月。

1.6 数据分析

数据显著性差异统计分析采用SPSS16.0软件，草冠覆盖范围与根系分布范围之间关系采用线性回归分析，制图采用Excel 2007。

2 结果与分析

2.1 草冠覆盖范围

9种草本植物的草冠覆盖范围见图2（柱状图上方不同小写字母表示显著性水平P<0.05的显著性差异）.可以看出其草冠覆盖范围大小排序为香根草（Z6）>黑麦草（Z3）>百喜草（Z7）>鱼腥草（Z9）>田旋花（Z5）>车轴草（Z2）>头状穗莎草（Z4）>节节花（Z1）>狗尾巴草（28）。9种 植物的草冠覆盖范围差异较大，最大值（香根草，26.56+5.51 cm）是最小值（狗尾巴草，0.90+0.31 cm）的30倍左右。香根草较大的草冠覆盖范围，在截留降雨、减小降雨溅蚀方面表现出较大优势。

2.2 根系分布范围

由圖3可知.9种草本植物的根系分布范围大小排序为香根草（Z6）>百喜草（Z3）>鱼腥草（Z3）>黑麦草（Z3）>车轴草（Z3）>节节花（Z3）>狗尾巴草（Z3）>头状穗莎草（Z3）>田旋花（23）。与草冠覆盖范围类似，9种植物中香根草根系分布范围最大。

2.3 草冠覆盖范围与根系分布范围比较

9种草本植物中，只有节节花的草冠覆盖范围和根系分布范围没有显著性差异;车轴草，香根草，狗尾巴草和鱼腥草4种植物根系分布范围显著大于草冠覆盖范围;黑麦草、头状穗莎草、田旋花和百喜草4种植物草冠覆盖范围显著大于根系分布范围（见表2）。根系分布范围是草冠覆盖范围的0.03 - 1.68倍。这表明，不同草本植物草冠覆盖范围和根系分布范围大小存在较大差异。

2.4 根系分布范围与草冠覆盖范围之间的关系

通过拟合根系分布范围与草冠覆盖范围的关系，发现9种草本植物的根系分布范围（Y）与草冠覆盖范围（X）之间均符合幂函数关系Y= aXb（a、b为参数）（见表3）。

3 结语

（1）9种草本植物中，香根草具有最大根系分布范围和草冠覆盖范围，具有抗雨水溅蚀优势，且能在更大范围内发挥根系提高土壤抗冲性能的作用。从根系分布范围和草冠覆盖范围角度考虑，香根草可优先用于草本植物措施固持浅表层土壤。

（2）9种草本植物除节节花外，其他植物根系分布范围与草冠覆盖范围差异显著，根系分布范围是草冠覆盖范围的0.03 -1.68倍。

（3）9种草本植物的根系分布范围均随草冠覆盖范围增大而增大，且根系分布范围与草冠覆盖范围之间符合幂函数关系。通过二者的关系，只需测量草本植物草冠覆盖范围，即可推求地下根系分布范围，而不需要费时费力挖掘根系并测量其分布范围，这对于合理确定种植间距，更好地发挥草本植物根系固土作用和评价其减沙作用很有意义。

参考文献：

[1]李秀彬，马志尊，姚孝友，等.北方土石山区水土流失现状与综合治理对策[J].中国水土保持科学，2008，6（1）： 9-15.

[2] 陆桂红，杨顺，王钧，等，植物根系固土力学机理的研究进展[J].南京林业大学学报（自然科学版），2014，38（2）：151-156.

[3]刘明国，何富广，王世英，辽西地区草本植物改土防蚀效益研究[J].土壤通报，1998，29（5）：198-200.

[4] AFSHIN G，YOSHIHARU I，TAKASHI G，et al.Effect ofCround Cover on Splash and Sheetwash Erosion Over a SteepForested Hillslope：A Plot-Scale Study[J].Catena， 2011， 85（1）：37-47.

[5] 窦增宁，胡夏嵩，刘昌义，等，模拟降雨条件下黄土区边坡植物护坡效应[J].人民黄河，2018，40（3）：83-87.

[6]WANC Y Q，ZHANC J J，LIL，et al.Analysis of FactorsImpacting Soil Anti-Scourability of Typical Crassland Ecosys-tems on the Qilian Mountains[ J]. Acta Ecologica Sinica，2018，38（1）：122-131.

[7] STOKES A， NORRIS J E，VAN BEEK L P H， et al.HowVegetation Reinforces the Soil on Slopes[G]∥STOKES A，NORRIS J，MICKOVSKI S B，et al.Slope Stability and Ero-sion Control： Ecotechnological Solutions. New York： Spring-er，2008：65-118.

[8]徐震，草被冠層和根系对坡面径流输沙的影响[D].杨凌：西北农林科技大学，2011：10-20.

[9] 李华坦，赵玉娇，李国荣，等，寒旱环境黄土区植物护坡原位模拟降雨试验研究[J].水土保持研究，2014，2l（6）： 304-311.

[10] 杨帆，程金花，张洪江，等，坡面草本植物对土壤分离及侵蚀动力的影响研究[J].农业机械学报，2016，47（5）：129-137.

[11] 张惠忍，李法虎，张心平，天然草本植被根系对表层土壤抗剪强度的影响[J].中国农业大学学报，2015，20（4）： 189-195.

[12] 李建兴，何丙辉，谌芸，等，不同护坡草本植物的根系分布特征及其对土壤抗剪强度的影响[J].农业工程学报，2013，29（10）：144-152.

[13] 叶超，郭忠录，蔡崇法，等.5种草本植物根系理化特性及其相关性[J].草业科学，2017，34（3）：598-606.

[14] 贺环宇，李鹏飞，胡永歌，等，高速公路不同坡向边坡草本植物根系特征研究[J].西南农业学报，2017，30（4）：915-922.