紫色土区拉巴豆和紫花苜蓿根-土复合体抗剪性能研究

doi:10.11686/cyxb2022392

摘要/Abstract

摘要：

为探究紫色土区草类根系对土壤抗剪性能的影响，以单播的拉巴豆、紫花苜蓿和裸地（CK）为对象，分析根系形态、纤维含量和抗拉力学性能，构建根-土复合体抗剪性能估算模型。结果表明：1）2种草根-土复合体黏聚力及不同荷载下的抗剪强度均高于CK，分别增强了141.30%~189.74%和1.18%~63.81%；2）2种草优势直径（d，mm）为0<d≤0.5径级，而在0.5<d≤1.0径级则表现为拉巴豆的根长密度、根表面积密度和根体积比均显著高于紫花苜蓿，分别高63.16%、62.50%和53.30%；3）黏聚力与根长密度呈显著正相关（R²>0.710，P<0.01），与根长密度、极限延伸率拟合效果较好（R²>0.900，P<0.01），模型预测值精度较高。总体上，紫色土坡地拉巴豆根系增强土壤抗剪性能效果优于紫花苜蓿根系。

关键词: 土壤侵蚀, 根系, 极限延伸率, 抗剪强度, 土壤黏聚力

Abstract:

To clarify the effects of plant root systems on soil shear strength in purple soil sloping farmland， Dolichos lablab and Medicago sativa were planted and sampled. Their root morphological traits， fiber contents and biomechanical traits were measured. The shear strengths of root-soil composites were measured simultaneously. Correlation analysis and multiple stepwise regression analysis were used to analyze the relation between root traits （including fiber content） and soil cohesion， and root traits and soil internal friction. It was found that： 1） Under 100， 200， 300， and 400 kPa vertical pressure， root-soil composite shear strengths of D. lablab and M. sativa were greater than CK by 1.18%-63.81% （P<0.05）. Similarly， the soil cohesion with plant roots was 141.30%-189.74% greater than CK. 2） For the dominant root diameter class ≤0.5 mm， root parameters were the same for D. lablab and M. sativa. For root diameter classes >0.5 mm and ≤1.0 mm， the root length density， root surface area density and root volume ratio of D. lablab were significantly greater than those of M. sativa. 3） Soil cohesion in the root-soil composite showed a significantly positive relationship with root length density （R²>0.710， P<0.01）， and could be predicted well by root length density and ultimate elongation in a linear regression equation. Generally， D. lablab was better than M. sativa for root enhancement of soil shear strength in purple soil sloping farmland.

Key words: soil erosion, root system, ultimate elongation, shear strength, soil cohesion

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图/表 8

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根径 Root diameter	植物种类 Plant species	根长密度 Root length density （cm·cm^-3）	根表面积密度 Root surface density （cm²·cm^-3）	根体积比 Root volume ratio （cm³·cm^-3）	根尖数 Root tips	纤维素 Cellulose （%）	半纤维素 Lignin （%）	木质素 Hemicellulose （%）
Ⅰ	拉巴豆D. lablab	2.74±1.30Aa	0.17±0.07Aa	0.11±0.04Ab	1055±723Aa	36.81±0.85Aa	26.61±1.84Aa	21.36±0.10Aa
Ⅰ	紫花苜蓿M. sativa	2.84±2.83Aa	0.15±0.14Aa	0.09±0.08Aa	1523±469Aa	31.69±0.49Aa	24.06±0.08Aa	21.15±0.25Aa
Ⅱ	拉巴豆D. lablab	0.62±0.30Ab	0.13±0.07Aa	0.23±0.12Aa	21±8Ab	35.05±2.01Aab	24.64±1.44Aa	22.11±2.59Aa
Ⅱ	紫花苜蓿M. sativa	0.38±0.29Bb	0.08±0.06Bab	0.15±0.11Ba	17±5Ab	34.17±2.48Aa	25.29±1.03Aa	23.35±2.86Aa
Ⅲ	拉巴豆D. lablab	0.11±0.07Ab	0.04±0.02Ab	0.13±0.07Ab	4±2Ab	32.46±0.36Bb	24.50±0.93Aa	21.53±1.56Aa
Ⅲ	紫花苜蓿M. sativa	0.11±0.07Ab	0.04±0.03Ab	0.13±0.09Aa	3±1Ab	37.03±1.35Aa	26.12±0.15Aa	21.58±0.28Aa
Ⅳ	拉巴豆D. lablab	0.04±0.02Ab	0.02±0.01Ab	0.09±0.06Ab	1±1Ab	35.08±0.26Aa	27.37±1.07Aa	24.37±3.02Aa
Ⅳ	紫花苜蓿M. sativa	0.06±0.06Ab	0.04±0.03Ab	0.15±0.14Aa	1±1Ab	35.58±1.66Aa	25.06±0.72Aa	23.26±1.02Aa

根径 Root diameter	植物种类 Plant species	根长密度 Root length density （cm·cm^-3）	根表面积密度 Root surface density （cm²·cm^-3）	根体积比 Root volume ratio （cm³·cm^-3）	根尖数 Root tips	纤维素 Cellulose （%）	半纤维素 Lignin （%）	木质素 Hemicellulose （%）
Ⅰ	拉巴豆D. lablab	2.74±1.30Aa	0.17±0.07Aa	0.11±0.04Ab	1055±723Aa	36.81±0.85Aa	26.61±1.84Aa	21.36±0.10Aa
Ⅰ	紫花苜蓿M. sativa	2.84±2.83Aa	0.15±0.14Aa	0.09±0.08Aa	1523±469Aa	31.69±0.49Aa	24.06±0.08Aa	21.15±0.25Aa
Ⅱ	拉巴豆D. lablab	0.62±0.30Ab	0.13±0.07Aa	0.23±0.12Aa	21±8Ab	35.05±2.01Aab	24.64±1.44Aa	22.11±2.59Aa
Ⅱ	紫花苜蓿M. sativa	0.38±0.29Bb	0.08±0.06Bab	0.15±0.11Ba	17±5Ab	34.17±2.48Aa	25.29±1.03Aa	23.35±2.86Aa
Ⅲ	拉巴豆D. lablab	0.11±0.07Ab	0.04±0.02Ab	0.13±0.07Ab	4±2Ab	32.46±0.36Bb	24.50±0.93Aa	21.53±1.56Aa
Ⅲ	紫花苜蓿M. sativa	0.11±0.07Ab	0.04±0.03Ab	0.13±0.09Aa	3±1Ab	37.03±1.35Aa	26.12±0.15Aa	21.58±0.28Aa
Ⅳ	拉巴豆D. lablab	0.04±0.02Ab	0.02±0.01Ab	0.09±0.06Ab	1±1Ab	35.08±0.26Aa	27.37±1.07Aa	24.37±3.02Aa
Ⅳ	紫花苜蓿M. sativa	0.06±0.06Ab	0.04±0.03Ab	0.15±0.14Aa	1±1Ab	35.58±1.66Aa	25.06±0.72Aa	23.26±1.02Aa

根径级别 Root diameter class	植物种类 Plant species	抗拉强度 Tensile strength （MPa）	极限延伸率 Ultimate elongation （%）	弹性模量 Elastic modulus （MPa）	平均根直径 Mean root diameter （mm）	样本数 Number
Ⅰ	拉巴豆D. lablab	52.07±7.52Aa	6.24±1.41Aab	864.68±153.45Ba	0.26	14
Ⅰ	紫花苜蓿M. sativa	47.69±16.38Aa	3.67±1.50Ab	1538.11±740.75Aa	0.39	10
Ⅱ	拉巴豆D. lablab	38.88±6.85Ab	5.31±1.84Ab	839.82±325.14Aa	0.67	17
Ⅱ	紫花苜蓿M. sativa	36.86±3.83Ab	7.13±2.55Aab	607.52±271.76Bb	0.87	19
Ⅲ	拉巴豆D. lablab	24.60±7.57Ac	9.61±2.56Aa	289.75±152.79Ab	1.36	20
Ⅲ	紫花苜蓿M. sativa	20.41±4.02Bc	11.09±3.67Aa	195.03±43.06Bb	1.22	20
Ⅳ	拉巴豆D. lablab	13.94±5.37Ad	9.22±2.29Aa	170.38±89.79Ab	1.62	14
Ⅳ	紫花苜蓿M.sativa	12.07±3.02Ac	11.52±3.85Aa	123.57±64.04Bb	1.79	17

根径级别 Root diameter class	植物种类 Plant species	抗拉强度 Tensile strength （MPa）	极限延伸率 Ultimate elongation （%）	弹性模量 Elastic modulus （MPa）	平均根直径 Mean root diameter （mm）	样本数 Number
Ⅰ	拉巴豆D. lablab	52.07±7.52Aa	6.24±1.41Aab	864.68±153.45Ba	0.26	14
Ⅰ	紫花苜蓿M. sativa	47.69±16.38Aa	3.67±1.50Ab	1538.11±740.75Aa	0.39	10
Ⅱ	拉巴豆D. lablab	38.88±6.85Ab	5.31±1.84Ab	839.82±325.14Aa	0.67	17
Ⅱ	紫花苜蓿M. sativa	36.86±3.83Ab	7.13±2.55Aab	607.52±271.76Bb	0.87	19
Ⅲ	拉巴豆D. lablab	24.60±7.57Ac	9.61±2.56Aa	289.75±152.79Ab	1.36	20
Ⅲ	紫花苜蓿M. sativa	20.41±4.02Bc	11.09±3.67Aa	195.03±43.06Bb	1.22	20
Ⅳ	拉巴豆D. lablab	13.94±5.37Ad	9.22±2.29Aa	170.38±89.79Ab	1.62	14
Ⅳ	紫花苜蓿M.sativa	12.07±3.02Ac	11.52±3.85Aa	123.57±64.04Bb	1.79	17

指标 Indicators	拉巴豆D. lablab		紫花苜蓿M. sativa
指标 Indicators	黏聚力 Cohesion	内摩擦角 Internal friction angle	黏聚力 Cohesion	内摩擦角 Internal friction angle
根长密度Root length density	0.715**	-0.025	0.949**	-0.579*
根表面积密度Root surface density	0.729**	-0.037	0.575	-0.563
根体积比Root volume ratio	0.400	-0.034	-0.174	-0.031
根尖数Root tips	0.651*	0.228	0.590*	-0.276
纤维素Cellulose	-0.424	0.116	0.120	-0.046
半纤维素Hemicellulose	0.066	0.420	0.723*	-0.476
木质素Lignin	0.720*	0.292	0.390	-0.353
抗拉强度Tensile strength	0.381	-0.327	-0.183	0.200
极限延伸率Ultimate elongation	-0.673*	0.562	-0.878**	0.529