植被缓冲带固土护坡效应研究

引用本文

王鑫皓, 黄盛, 李通, 祁子寒, 胡月, 李克文, 闫相君. 植被缓冲带固土护坡效应研究[J]. 中国水土保持科学, 2025, 23(2): 199-209. DOI: 10.16843/j.sswc.2024047.

WANG Xinhao, HUANG Sheng, LI Tong, QI Zihan, HU Yue, LI Kewen, YAN Xiangjun. Research on the soil reinforcement effects of vegetation buffer zone: A case study of the Tongnan section of the Fujiang River Basin[J]. Science of Soil and Water Conservation, 2025, 23(2): 199-209. DOI: 10.16843/j.sswc.2024047.

项目名称

2023年107地质队队立科研项目“河岸植被缓冲带生态功能与构建技术研究——以涪江流域潼南段为例”（2023-z105），重庆市自然科学基金面上项目“植被固土护坡力学–水文作用的耦合效应和分项量化研究”（CSTB2024NSCQ-MSX1037）

第一作者简介

王鑫皓（1993—），男，博士研究生。主要研究方向：水土保持。E-mail：2274557014@qq.com

通信作者简介

王鑫皓（1993—），男，博士研究生。主要研究方向：水土保持。E-mail：2274557014@qq.com

文章历史

收稿日期：2024-04-11
修回日期：2024-09-03

Contents Abstract Full text Figures/Tables PDF

植被缓冲带固土护坡效应研究

王鑫皓 ^1,2,3, 黄盛 ¹, 李通 ^4,5, 祁子寒 ^4,5, 胡月 ⁶, 李克文 ^4,5, 闫相君 ^4,5

1. 重庆市地质矿产勘查开发局 107地质队，401120，重庆;
2. 重庆市地质矿产勘查开发局博士后工作站，401121，重庆;
3. 北京林业大学草业与草原学院，100083，北京;
4. 北京林业大学水土保持学院重庆三峡库区森林生态系统教育部野外科学观测研究站，100083，北京;
5. 北京林业大学水土保持学院重庆缙云山三峡库区森林生态系统国家定位观测研究站，100083，北京;
6. 重庆市一〇七市政建设工程有限公司，401120，重庆

收稿日期：2024-04-11; 修回日期：2024-09-03

项目名称：2023年107地质队队立科研项目“河岸植被缓冲带生态功能与构建技术研究——以涪江流域潼南段为例”（2023-z105），重庆市自然科学基金面上项目“植被固土护坡力学–水文作用的耦合效应和分项量化研究”（CSTB2024NSCQ-MSX1037）

第一作者简介：王鑫皓（1993—），男，博士研究生。主要研究方向：水土保持。E-mail：2274557014@qq.com

通信作者简介：王鑫皓（1993—），男，博士研究生。主要研究方向：水土保持。E-mail：2274557014@qq.com

摘要：植被缓冲带是河岸生态系统的重要组成部分，在固土护坡方面具有重要的作用。本研究以涪江流域潼南段河岸植被缓冲带为研究对象，通过样方调查、室内试验和野外试验等，确定沿岸植被缓冲带的物种组成和优势种，根系的力学和形态特征以及固土护坡效果。主要结果：1）河流沿岸缓冲带共有植物2门3纲16目19科30属35种，主要为被子植物和蕨类植物2大类，优势物种为狗牙根、芦苇、草木樨、狗尾草、小蓬草。2）当根系直径 < 0.2 mm时，狗牙根根系的抗拉强度最高；当根系直径 > 0.2 mm时，草木樨根系的抗拉强度最高。3)植物根系的存在具有明显抗冲效果，最大冲刷深度时间延迟1～4 min，冲刷深度降低938 mm，侵蚀量减少 20.17%～58.90%，狗牙根的抗冲刷效果明显好于狗尾草；根系的存在能够显著提升土体的抗剪强度，使剪切峰值延缓0.26～4.80 cm，剪切峰值提升4.76～11.37 kPa，能量消耗增加23.76%～46.11%。抗剪切效果最好的是芦苇，其次是小蓬草，最后是草木樨。综上，为了兼顾植物根系的抗冲刷效果和抗剪切效果，推荐狗牙根和芦苇进行浅根–深根搭配种植来提升河岸的水土保持能力。

关键词：植被缓冲带水土保持抗冲性抗剪强度

Research on the soil reinforcement effects of vegetation buffer zone: A case study of the Tongnan section of the Fujiang River Basin

WANG Xinhao ^1,2,3, HUANG Sheng ¹, LI Tong ^4,5, QI Zihan ^4,5, HU Yue ⁶, LI Kewen ^4,5, YAN Xiangjun ^4,5

1. Geological Team 107, Chongqing Bureau of Geology and Minerals Exploration, 401120, Chongqing, China;
2. Postdoctoral Workstation, Chongqing Bureau of Geology and Minerals Exploration, 401121, Chongqing, China;
3. School of Grassland Science, Beijing Forestry University, 100083, Beijing, China;
4. Three-Gorges Reservoir Area (Chongqing) Forest Ecosystem Research Station, Ministry of Education, School of Soil and Water Conservation, Beijing Forestry University, 100083, Beijing, China;
5. Three Gorges Reservoir Area (Chongqing) Forest EcosystemResearch Station, School of Soil and Water Conservation, Beijing Forestry University, 100083, Beijing, China;
6. Chongqing No. 107 Municipal Construction Engineering Co., Ltd., 401120, Chongqing, China

Abstract: [Background] In recent years, with the trend of large-scale agricultural development, the intensity of development and utilization along riverbanks has increased continuously, resulting in varying degrees of damage to the vegetation buffer zones, and soil and water loss has become increasingly severe. The riparian vegetation buffer zone is an important component of riverbank ecosystems and plays a crucial role in soil consolidation and slope protection. However, the roles of different species in vegetation buffer zones along riverbanks in terms of soil and water conservation are still unclear. [Methods] In this study, the riparian vegetation buffer zone in the Tongnan section of the Fujiang River Basin was selected as the research object. Through sample plot surveys, the species composition and types of dominant species were identified. The morphological characteristics and tensile strength of the plant roots were obtained through measurements of root mechanical and morphological traits. Indoor and field simulation experiments were conducted to determine the anti-scourability resistance and shear strength of root-soil composites for different dominant species. [Results] 1) The main results are as follows: there are a total of 35 species belonging to 2 phyla, 3 classes, 16 orders, 19 families, and 30 genera of plants in the riparian buffer zone, mainly comprising angiosperms and ferns. The dominant species include Cynodon dactylon, Setaria viridis, Phragmites australis, Erigeron canadensis, and Melilotus officinalis. 2) When the root diameter is less than 0.2 mm, the tensile strength of C. dactylon roots is the highest, and when the diameter is larger than 0.2 mm, M. officinalis roots have the highest tensile strength. 3) The presence of plant root systems has a significant anti-scourability effect, with a time delay of 1–4 min for maximum scouring depth, a decrease in erosion depth of 9–38 mm, and a reduction in scouring amount of 20.17%–58.90%. The anti-scourability effect of C. dactylon is significantly better than that of S. viridis. The root system significantly enhances the shear strength of the soil, delaying the shear peak by 0.26–4.8 cm, increasing the shear peak by 4.76–11.37 kPa, and increasing energy consumption by 23.76%– 46.11%. P. australis has the best resistance to shear, followed by E. canadensis, and M. officinalis is the least resistant. [Conclusions] Among the dominant species in the riparian vegetation buffer, the one with the best anti-scourability effect is C. dactylon, while the one with the best shear resistance is P. australis. Therefore, to balance the anti-scourability effect and shear resistance of plant roots, it is recommended to use a combination of C. dactylon and P. australis for shallow-rooted and deep-rooted planting, to enhance the water and soil conservation capacity of riverbanks.

Keywords: vegetation buffer zone water and soil conservation anti-scourability shear strength

植被缓冲带是介于水体和陆地之间的植被组成的连接带和过渡区，是一个动态的、水陆交错的生态系统，是由植物、动物和微生物组成的一个有机整体^[1−3]，是地球上最复杂的生态系统之一。早在15—16世纪，缓冲带的应用就已经在欧洲露出萌芽。经过不断发展，上世纪30年代美国出现了规范的缓冲带设计和应用标准^[4]。直到上世纪70 年代末，植被缓冲带的定义被首次提出，人们逐渐开始了对植被缓冲带的了解认识、管理和保护。在我国，植被缓冲带研究起步较晚，上世纪90年代之前都是作为湿地研究的一部分，之后引入国外的研究成果，开始了植被缓冲带的相关研究^[5]。

植被缓冲带可以提高坡岸的水土保持能力，是一种有效的坡岸治理措施^[6]。植物根系所带来的加固作用包括垂直根系的锚固作用和水平根系的加筋作用^[6]。植物根系对土壤的加固作用主要与根系的形态特征、抗拉强度以及根–土间的相互作用有关^[7]。抗冲性方面：徐文秀^[8]研究表明在三峡库区生长初期和生长旺盛期扁穗牛鞭草（Hemarthria compressa）根–土复合体抗冲性能均较强；陈浩等^[9]研究表明浦阳江下游江岸优势草本均能增强土壤抗冲性，尤其是芦苇（Phragmites australis）与芒（Miscanthus sinensis）的增强效应最为明显。抗剪强度方面：申紫雁等^[10]研究发现黄河源区高寒草地植物中小嵩草（Kobresia pygmaea）和紫花针茅（Stipa purpurea）根–土复合体粘聚力最高；Hao 等^[11]通过植被调查和模型计算得出海州矿土壤加固效果最好的为大籽蒿（Artemisia sieversiana）、看麦娘（Alopecurus aequalis）、益母草（Leonurus japonicus）。

涪江流域潼南段地形平坦，雨季降雨集中，土质结构疏松，局部地区水土流失较为严重。河岸植被缓冲带的存在能够有效改善沿岸的水土流失，但是对于涪江沿岸植被水土保持能力却鲜有研究。此外，以往的研究大多只关注于根系抗拉强度、土壤的抗冲性、抗剪强度等单一性能，未充分挖掘多种植物配置下的水土保持效果。本研究通过样方调查、抗冲试验、直剪试验等方法，得出沿岸植被缓冲带的优势种及固土护坡效果较好的植物，以期为沿岸水土保持物种的筛选及流域生态保护修复提供理论依据。

1 研究区概况

涪江流域（潼南段）位于重庆西北部，属于长江流域嘉陵江水系，自西北向东南横贯潼南区北部。研究区属于亚热带季风气候，水热资源丰富、冬暖夏热，春早秋短、多雾少霜，年平均气温为13.8℃～18.8 ℃，年平均降雨量为1000 ~ 1400 mm。沿岸地貌以浅丘平坝和河滩阶地为主，土壤以新积土为主，其次为黄壤、水稻土和紫色土。植被类型属于亚热带常绿阔叶林区，主要树种为柏木（Cupressus funebris）和慈竹（Bambusa emeiensis），树种单一，结构简单，河滩阶地植被以草本为主，部分区域分布有成片的麻竹（Dendrocalamus latiflorus）和桉树（Eucalyptus robusta）。

2 研究方法 2.1 样方调查与生物多样性

在河流沿岸选择8个不同的植物群落进行样方调查，样地分布位置如图1所示，样地基本情况如表1所示，每个群落布设5个样方，样方面积为1 m×1 m。通过目测法统计每个样方内的植物种类及数量，并采集植物样品。以重要值作为每个样方植物物种的综合指标，将各样地平均重要值在15%以上的植物列为优势种^[12]。公式如下：

图 1 样地分布图 Fig. 1 Location of sample plots

表 1 样地基本情况 Tab. 1 Basic situation of sample plots

$ \mathit{I} _{ \mathit{i} } \mathrm{=(} \mathit{H} _{ \mathit{i} } \mathrm+ \mathit{C} _{ \mathit{i} } \mathrm{)/2\text{；}} $

(1)

$ \mathit{H} _{ \mathit{i} } \mathrm{=(} \mathit{H} _{ \mathit{i} \mathrm{t}} \mathrm{/} \mathit{H} _{ \mathrm{t}} \mathrm{)100\% \text{；}} $

(2)

$ \mathit{C} _{ \mathit{i} } \mathrm{=(} \mathit{C} _{ \mathit{i} \mathrm{t}} \mathrm{/} \mathit{C} _{ \mathrm{t}} \mathrm{)100\% 。} $

(3)

式中：I_i为物种i的重要值；H_i为物种i相对高度；C_i为物种i相对盖度；H_it为样方内物种i的总高度，cm；H_t样方内植物的总高度，cm；C_it为样方内物种i的总盖度，%；C_t为样方内植物的总盖度，%。

2.2 根系力学与形态特征测定

同种植物选择根系大小适中根系的通过直尺、量角器、游标卡尺、天平等测量工具测定根系的长度、直径、体积、根面积比（剪切面上根系横截面积与剪切面的比值）等形态特征。根系的力学特征采用WDW系列电子万能试验机（图2），型号LDW-2型。试验成功后用游标卡尺测量根系断裂处的直径。根据之前的研究结果^[13−15]根系极限抗拉强度

图 2 根系力学特性和形态特征测定 Fig. 2 Determination of root mechanical properties and morphological characteristics

$ {T_{\text{r}}} = \frac{{{F_{\max }}}}{\dfrac{1}{4}{\text{π }}{D^2}} 。$

(4)

式中：T_r为根系的极限抗拉强度，MPa；F_max为根系的极限抗拉力，N; D为根系直径，mm。

2.3 野外原位抗冲试验

为了测试根系网络对土壤水力冲刷侵蚀的影响，在河岸选择对浅根植物狗牙根（Cynodon dactylon）和狗尾草（Setaria viridis）生长的地块进行了15次水下射流试验（试验仪器参照Hanson 等^[16]进行。每次试验前，将地上生物量去除，使喷射装置放置在土壤表面，在地表以上保留约1 cm的草茎，以区分可能被不同根密度渗透的区域进行试验。在1.8 m的水头下进行测试，直到无进一步垂直冲刷发生，通常为10 ~ 15 min，每分钟测量1次冲刷深度^[17]，冲刷孔如图3所示。每次试验完成后，测量冲刷孔的体积及深度，并将冲刷孔中暴露的根系收集带回实验室测定根系生物量。

图 3 冲刷后形成的冲刷孔 Fig. 3 Scoured hole formed after scouring

2.4 根–土复合体的剪切试验

将深根植物芦苇、小蓬草（Erigeron canadensis）、草木樨（Melilotus officinalis）种在0.4 m长、0.4 m宽和0.4 m高的直剪盒里开展剪切试验。直剪盒分为上盒和下盒2部分，下盒底部均匀分布着大量排水孔。植物种植过程中分层添加土壤，使根系在土壤中保持原有形态，并分布在剪切面附近。不同的植物种类为处理，素土为空白对照，每种处理3 个重复。植物种植2 个月后，采用自制的大型应变控制式直剪仪进行直剪试验（图4）。试验开始前将种植根–土复合体的直剪盒抬到直剪仪的直剪盒内，剪切过程中，上剪切盒固定，下剪切盒以10 mm/min速率向前推进。通过应力传感器和数采盒得出不同根–土复合体的应力–应变曲线。

图 4 根–土复合体样品与直剪试验照片 Fig. 4 Photos of root-soil composite samples and direct shear test

通过能量模型计算各种根–土复合体及素土在剪切过程中消耗的能量。能量模型是Ekanayake等^[18]为了简化剪切破坏过程中复杂的根–土相互作用根据能量守恒的思想提出的。直剪试验中每个时间点上的剪力与剪切位移的乘积之和为消耗的能量；代表根–土复合体和素土的曲线与横坐标轴所围面积之差是根系的存在产生的能量差值，即根系对土壤的加强作用。根–土复合体在剪切过程中消耗的能量为：

$ E_{\mathrm{\mathit{F}}(x)}=\int_0^xF(x)dx。$

(5)

式中：E_F（x）为剪切过程中消耗的能量，J；F（x）为应力应变曲线；x为剪切位移，cm。

3 结果与分析 3.1 植被缓冲带物种组成

通过野外调查发现河流沿岸植物如表2所示，共有2门3纲16目19科30属35种，其中被子植物33种，在河岸植被组成中占绝对优势地位，包括菊科（Asteraceae）、禾本科（Poaceae）、苋科（Amaranthaceae）、唇形科（Lamiaceae）、豆科（Fabaceae）、香蒲科（Boraginaceae）、蓼科（Polygonaceae）、蔷薇科（Rosaceae）、大麻科（Cannabaceae）、夹竹桃科（Apocynaceae）、紫草科（Boraginaceae）、十字花科（Brassicaceae）、马钱科（Loganiaceae）、天门冬科（Asparagaceae）、柳叶菜科（Onagraceae）、茄科（Solanaceae）、天南星科（ Araceae）17个科，蕨类植物2个科，包括凤尾蕨（Pteridaceae）、木贼（Equisetaceae）2个科。各群落的主要物种（重要值前4的物种）及重要值，如表3所示。将各群落中物种重要值在 15% 以上植物种列为优势种，共5种，分别为狗牙根、芦苇、草木樨、狗尾草、小蓬草（外来入侵物种）。

表 2 涪江沿岸植被缓冲带植物名录（草本） Tab. 2 Vegetation list (Herbaceous) of the riparian buffer zone along the Fu River

序号 No.	门 Phylum	纲 Class	目 Order	科 Family	属 Genus	种 Species
1	被子 Angiospermae	木兰 Magnoliopsida	菊 Asterales	菊 Asteraceae	飞蓬 Erigeron	小蓬草 Erigeron canadensis
2	被子 Angiospermae	木兰 Magnoliopsida	菊 Asterales	菊 Asteraceae	飞蓬 Erigeron	一年蓬 Erigeron annuus
3	被子 Angiospermae	木兰 Magnoliopsida	菊 Asterales	菊 Asteraceae	蒿 Artemisia	蒌蒿 Artemisia selengensis
4	被子 Angiospermae	木兰 Magnoliopsida	菊 Asterales	菊 Asteraceae	蒿 Artemisia	黄花蒿 Artemisia annua
5	被子 Angiospermae	木兰 Magnoliopsida	菊 Asterales	菊 Asteraceae	蒿 Artemisia	五月艾 Artemisia indica
6	被子 Angiospermae	木兰 Magnoliopsida	菊 Asterales	菊 Asteraceae	蒿 Artemisia	艾草 Artemisia argyi
7	被子 Angiospermae	木兰 Magnoliopsida	菊 Asterales	菊 Asteraceae	莴苣 Lactuca	野莴苣 Lactuca serriola
8	被子 Angiospermae	木兰 Magnoliopsida	菊 Asterales	菊 Asteraceae	联毛紫菀 Symphyotrichum	钻叶紫菀 Symphyotrichum subulatum
9	被子 Angiospermae	木兰 Magnoliopsida	菊 Asterales	菊 Asteraceae	苍耳 Xanthium	苍耳 Xanthium strumarium
10	被子 Angiospermae	木兰 Magnoliopsida	菊 Asterales	菊 Asteraceae	天名精 Carpesium	天名精 Carpesium abrotanoides
11	被子 Angiospermae	木兰 Magnoliopsida	禾本 Poales	禾本 Poaceae	狗尾草 Setaria	狗尾草 Setaria viridis
12	被子 Angiospermae	木兰 Magnoliopsida	禾本 Poales	禾本 Poaceae	狗牙根 Cynodon	狗牙根 Cynodon dactylon
13	被子 Angiospermae	木兰 Magnoliopsida	禾本 Poales	禾本 Poaceae	芦苇 Phragmites	芦苇 Phragmites australis
14	被子 Angiospermae	木兰 Magnoliopsida	禾本 Poales	香蒲 Typhaceae	香蒲 Typha	香蒲 Typha orientalis
15	被子 Angiospermae	木兰 Magnoliopsida	石竹 Caryophyllales	苋 Amaranthaceae	黎 Chenopodium	黎 Chenopodium album
16	被子 Angiospermae	木兰 Magnoliopsida	石竹 Caryophyllales	苋 Amaranthaceae	腺毛藜 Dysphania	土荆芥 Dysphania ambrosioides
17	被子 Angiospermae	木兰 Magnoliopsida	石竹 Caryophyllales	苋 Amaranthaceae	莲子草 Alternanthera	莲子草 Alternanthera sessilis
18	被子 Angiospermae	木兰 Magnoliopsida	石竹 Caryophyllales	蓼 Polygonaceae	酸模 Rumex	皱叶酸模 Rumex crispus
19	被子 Angiospermae	木兰 Magnoliopsida	唇形 Lamiales	唇形 Lamiaceae	风轮菜 Clinopodium	风轮菜 Clinopodium chinense
20	被子 Angiospermae	木兰 Magnoliopsida	唇形 Lamiales	唇形 Lamiaceae	风轮菜 Clinopodium	灯笼草 Clinopodium polycephalum
21	被子 Angiospermae	木兰 Magnoliopsida	唇形 Lamiales	唇形 Lamiaceae	益母草 Leonurus	益母草 Leonurus japonicus
22	被子 Angiospermae	木兰 Magnoliopsida	豆 Fabales	豆 Fabaceae	草木犀 Melilotus	草木犀 Melilotus officinalis
23	被子 Angiospermae	木兰 Magnoliopsida	豆 Fabales	豆 Fabaceae	大豆 Glycine	野大豆 Glycine soja
24	被子 Angiospermae	木兰 Magnoliopsida	蔷薇 Rosales	蔷薇 Rosaceae	蛇莓 Duchesnea	蛇莓 Duchesnea indica
25	被子 Angiospermae	木兰 Magnoliopsida	蔷薇 Rosales	大麻 Cannabaceae	葎草 Humulus	葎草 Humulus scandens
26	被子 Angiospermae	木兰 Magnoliopsida	龙胆 Gentianales	夹竹桃 Apocynaceae	鹅绒藤 Cynanchum	牛皮消 Cynanchum auriculatum
27	被子 Angiospermae	木兰 Magnoliopsida	紫草 Boraginales	紫草 Boraginaceae	琉璃草 Cynoglossum	琉璃草 Cynoglossum furcatum
28	被子 Angiospermae	木兰 Magnoliopsida	十字花 Boraginales	十字花 Brassicaceae	萝卜 Raphanus	野萝卜 Raphanus raphanistrum
29	被子 Angiospermae	木兰 Magnoliopsida	捩花 Contortae	马钱 Loganiaceae	醉鱼草 Buddleja	白背枫 Buddleja asiatica
30	被子 Angiospermae	木兰 Magnoliopsida	天门冬 Asparagales	天门冬 Asparagaceae	知母 Anemarrhena	知母 Anemarrhena asphodeloides
31	被子 Angiospermae	木兰 Magnoliopsida	桃金娘 Myrtales	柳叶菜 Onagraceae	月见草 Oenothera	粉花月见草 Oenothera rosea
32	被子 Angiospermae	木兰 Magnoliopsida	茄 Solanales	茄 Solanaceae	茄 Solanum	少花龙葵 Solanum americanum
33	被子 Angiospermae	木兰 Magnoliopsida	菖蒲 Acorales	天南星 Araceae	菖蒲 Acorus	菖蒲 Acorus calamus
34	蕨类 Pteridophyta	蕨 Filicopsida	真蕨 Polypodiales	凤尾蕨 Pteridaceae	凤尾蕨 Pteris	凤尾蕨 Pteriscretica var. nervosa
35	蕨类 Pteridophyta	木贼 Equisetopsida	木贼 Equisetales	木贼 Equisetaceae	木贼 Equisetum	问荆 Equisetum arvense

表 2 涪江沿岸植被缓冲带植物名录（草本） Tab. 2 Vegetation list (Herbaceous) of the riparian buffer zone along the Fu River

表 3 各样地主要物种及其重要值 Tab. 3 Main species and important value in sample plots

编号 No.	样地名称 Name of sample plot	主要物种（重要值 %） Main species （Important value %）
1	卢家坝 Lujiaba	狗牙根（54.8%）、野萝卜（14.7%）、小蓬草（9.9%）、草木樨（8.7%） Cynodon dactylon（54.8%）, Raphanus raphanistrum（14.7%），Erigeron canadensis（9.9%），and Melilotus officinalis（8.7%）
2	鱼形坝 Yuxingba	狗牙根（42.9%）、芦苇（16.6%）、蛇莓（10.0%）、草木樨（6.2%） Cynodon dactylon（42.9%）, Phragmites australis（16.6%），Duchesnea indica（10.0%），and Melilotus officinalis（6.2%）
3	张家湾 Zhangjiawan	狗牙根（48.8%）、芦苇（15.6%）、野萝卜（14.2%）、小蓬草（13.4%） Cynodon dactylon（48.8%），Phragmites australis（15.6%），Raphanus raphanistrum（14.2%），and Erigeron canadensis（13.4%）
4	中坝 Zhongba	小蓬草（25.9%）、狗牙根（25.7%）、草木樨（17.3%）、狗尾草（16.1%） Erigeron canadensis（25.9%），Cynodon dactylon（25.7%），Melilotus officinalis（17.3%），and Setaria viridis（16.1%）
5	曾家沟 Zengjiagou	狗牙根（51.3%）、小蓬草（25.1%）、野大豆（12.5%）、野萝卜（3.4%） Cynodon dactylon（51.3%），Erigeron canadensis（25.1%），Glycine soja（12.5%），and Raphanus raphanistrum（3.4%）
6	玉溪镇 Yuxizhen	草木樨（32.7%）、狗牙根（20.0%）、益母草（11.2%）、野萝卜（3.8%） Melilotus officinalis（32.7%），Cynodon dactylon（20.0%），Leonurus japonicus（11.2%），and Raphanus raphanistrum（3.8%）
7	迎龙街 Yinglongjie	狗牙根（38.3%）、小蓬草（16.2%）、土荆芥（14.5%）、蒌蒿（9.0%） Cynodon dactylon（38.3%），Erigeron canadensis（16.2%），Dysphania ambrosioides（14.5%），and Artemisia selengensis（9.0%）
8	胡家湾 Hujiawan	狗牙根（53.5%）、小蓬草（12.3%）、草木樨（9.6%）、益母草（9.3%） Cynodon dactylon（53.5%），Erigeron canadensis（12.3%），Melilotus officinalis（9.6%），and Leonurus japonicus（9.3%）

表 3 各样地主要物种及其重要值 Tab. 3 Main species and important value in sample plots

3.2 根系的力学与形态特征 3.2.1 根系的形态特征

选取狗牙根、芦苇、草木樨、狗尾草、小蓬草这个5个优势物种的植物根系进行形态特征分析：其中狗牙根和草木樨没有明显的主根，狗尾草、小蓬草、芦苇有明显的主根。根系方向方面狗牙根和小蓬草主要为垂直根，狗尾草、草木樨和芦苇根主要为水平根和垂直根。根系分布深度方面狗牙根和狗尾草根系分布较浅，分布深度为0～10 cm，草木樨、小蓬草、芦苇分布深度较深，分布深度为0～25、0～20 和0～20 cm。根系径级分布如图5 所示：狗牙根根系没有明显的主根，主要为0～1 mm的细根；狗尾草根系有明显的主根和侧根，主根直径在1～2 mm，侧根直径在0～1 mm；草木樨根系没有明显的主根，根系直径分布范围较广在0～3 mm之间；小蓬草根系有明显的主根和侧根，主根直径在2～3 mm，侧根直径在0～2 mm；芦苇根系有明显的主根和侧根，主根之间在2～3 mm，侧根分节分布在主根四周，直径在1～2 mm之间。

图 5 根系径级分布 Fig. 5 Root diameter distribution

3.2.2 根系的力学特征

选取狗牙根、芦苇、草木樨、狗尾草、小蓬草这个5个优势物种的植物根系进行抗拉试验，结果如表4所示5种植物根系的抗拉强度均随根系直径的增加而减小，呈负的幂指数关系。

表 4 根系直径与抗拉强度的关系 Tab. 4 Relationship between root diameter x and tensile strength y

植物种类和直径是影响根系抗拉强度的重要因素，由于不同植物根系的直径范围的不同，根系抗拉强度区别较大。不同植物根系抗拉强度随直径的变化如图6所示：狗牙根根系直径在0.05～1.47 mm之间，抗拉强度范围是6.46～165.23 MPa；狗尾草根系直径在0.16～1.2 mm之间，抗拉强度范围是32.69～101.64 MPa；草木樨根系直径在0.22～2.95 mm之间，抗拉强度范围是7.10～126.45 MPa；小蓬草根系直径在0.15～3.08 mm之间，抗拉强度范围是9.94～72.25 MPa；芦苇根系直径在0.26～2.34 mm之间，抗拉强度范围是10.15～85.26 MPa。总体来看当直径 < 0.2 mm时，狗牙根根系的抗拉强度最高，当根系直径 > 0.2 mm时，草木樨根系的抗拉强度最高。

图 6 根系抗拉强度 Fig. 6 Tensile strength of root

3.3 根系的固土护坡能力 3.3.1 根–土复合体的抗冲性

冲刷深度随时间的变化如图7所示。在素土样点的试验中，冲刷孔呈对称形状，冲刷深度随时间变化的相应产生较为光滑的曲线图，冲刷深度随冲刷时间逐渐增加，8 min后冲刷深度不再变化，冲刷深度最后稳定在95 mm。在狗牙根和狗尾草根系样点的试验中，冲刷孔呈不规则形状，刷深度随时间变化的相应产生了具有较多转折点的折线图，冲刷深度随冲刷时间逐渐增加，狗牙根样点在9～12 min后冲刷深度不再变化，冲刷深度为57～78 mm，狗尾草在9～11 min后冲刷深度不再变化，冲刷深度为57～78 mm。含根样点与素土样点相比，冲刷深度稳定时间晚1～4 min，冲刷深度降低9～38 mm，植物根系的存在能够明显缓冲水流冲刷的进程，减小冲刷深度。

图 7 冲刷深度随时间的变化 Fig. 7 Changes of scouring depth over time

侵蚀量与根系生物量的关系如图8所示。素土样点的侵蚀量为669 cm³；狗牙根样点的侵蚀量为275～360 cm³；狗尾草样点的侵蚀量为395～534 cm³。根系的存在能够有效降低水流冲刷对土壤的影响，含根样点与素土样点相比侵蚀量减少20.17%～58.90%，减少量为135～394 cm³，且狗牙根的抗冲刷效果好于狗尾草。狗牙根的地下生物量的长度密度为0.50～0.77 cm/cm³，地下生物量体积密度为31.3～82.98 mm³/cm³，狗尾草的地下生物量长度密度为0.23～0.32 cm/cm³，地下生物量体积密度为0.13～16.57 mm³/cm³。

图 8 侵蚀量与根系生物量的关系 Fig. 8 Relationship between erosion amount and root biomass

3.3.2 根–土复合体的剪切特性

不同植物根–土复合体的剪切应力与位移的关系如图9所示。素土在剪切过程中剪切应力随着剪切位移的增长先快速增加，在2.67 cm处达到峰值，峰值为35.11 kPa，达到峰值后缓慢下降，最后剪应力稳定在28.34～29.84 kPa之间。草木樨根–土复合体在剪切过程中剪切应力随着剪切位移的增长先快速增加，剪切位移达到2.40 cm后增长速度变缓，最后在7.47 cm处达到峰值，峰值为39.87 kPa。小蓬草根–土复合体在剪切过程中剪切应力随着剪切位移的增长先快速增加，剪切位移达到0.8 cm后增长速度变缓，最后在6.40 cm处达到峰值，峰值为45.55 kPa。芦苇根–土复合体在剪切过程中剪切应力随着剪切位移的增长先快速增加，在2.93 cm处达到峰值，峰值为46.48 kPa，之后稳定在44.24～45.70 kPa之间。对比素土与含根土植物，根系的存在能够明显提升土壤的抗剪性能，剪切峰值的位移延缓0.26～4.8 cm，剪切峰值提升4.76～11.37 kPa。总体来根系加强效果最好的是芦苇和小蓬草，其次草木樨，这是因为芦苇和草木樨又有粗壮的主根，能够在抵抗剪切破坏的过程中起到较好的作用。

图 9 剪切应力与位移的关系 Fig. 9 Relationship between shear stress and displacement

剪切过程消耗的能量和根系参数如表5所示。素土为323.51 J、草木樨为400.36 J、小蓬草为450.37 J、芦苇为472.66 J，植物根系的存在有效增强土壤的抗剪强度，也使根–土复合体在剪切过程中的能量消耗增加23.76%～46.11%。草木樨的根系生物量为1.43 cm³，根面积比为6.67×10^–3；小蓬草的根系生物量为2.25 cm³，根面积比为3.91×10^–3；芦苇的根系生物量为1.41 cm³，根面积比为4.71×10^–3。其中能量消耗最多的是芦苇，根系生物量最大的是小蓬草，根系抗拉强度和根面积比最大的是草木樨。从与剪切峰值的关系来看，能量消耗与剪切峰值呈正相关关系，根系生物量、根面积比、抗拉强度与其相关性关系并不明显，这表明了除了这些因素外，根系的形态特征也对土壤的抗剪效果产生了巨大的影响。芦苇根系具有粗壮的主根，细根分节分布，能够在剪切面上下增强与土壤的联系，起到较好的加固效果。

表 5 根系参数与能量消耗 Tab. 5 Root parameters and energy consumption

4 讨论

研究发现5种根系随着直径与抗拉强度均呈负的幂指数关系，这与Baets等^[19]、Saifuddin 等^[20]研究中根系与抗拉强度的关系一致。关于根系抗拉强度随直径的变化，可能与根系的成分或结构有关。朱锦奇等^[21]认为不同直径范围内根系的抗拉强度特性与纤维素、木质素含量有关，Baets等^[19]认为根系抗拉强度的变化可能与根皮有关。

植物根系可以通过物理、化学和生物作用改善土壤质地，增加土壤团聚体和有机质，提高土壤抗冲性能^[22−23]。本研究结果表明随着根体积密度和根长度密度的增加，土壤侵蚀量呈减小趋势。狗牙根的地下生物量远大于狗尾草，具有更好的抗冲刷效果。根长密度和根体积密度与土壤的抗冲性呈明显的正相关关系，这与徐少君等^[24]、Baets等^[25]、Wu等^[26]的研究结果一致。根系随着植物的生长在土壤中穿插缠绕形成了根系网络，能够减少土壤的飞溅和冲刷，根土粘结和生物化学作用等也能够固持土壤^[27−28]，在一定程度上提高土壤的抗冲性。

根系的密度、分枝、长度、体积、倾斜方向等形态特征显著影响土壤力学特性^[29−31]。根系的存在明显提升了土壤的抗剪强度，芦苇在剪切过程中消耗的能量最大；虽然草木樨的根系的抗拉特性最好，但水平数量较多；垂直根和斜根能够更好的连接剪切面上下的土壤，对土壤抗剪切破坏能力的加强作用好于水平根^[14]；小蓬草的根系生物量最大，但抗拉特性最差。研究表明根系对土壤的加强作用是抗拉特性和形态特征共同作用的结果。大量研究表明根系对土壤抗剪强度的影响主要来源于单根抗拉力和根–土间的摩擦力^[32−33]。这与本研究的结果基本一致。

5 结论

对沿岸植被固土护坡能力的研究表明：植物根系的存在能够有效提升土壤的抗冲性和抗剪强度。狗牙根和狗尾草可以使土壤冲刷深度降低9～38 mm，侵蚀量减少20.17%～58.90%；芦苇、小蓬草、草木樨可以使土壤的剪切峰值提升4.76～11.37 kPa，能量消耗增加23.76%～46.11%。为了兼顾植物根系的抗冲刷效果和的抗剪切效果，推荐狗牙根和芦苇进行浅根–深根搭配种植来提升河岸的水土保持能力。

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