豫南丘陵地区乡土植物群落特征及其根系力学特性分析.pdf

山东农业大学学报(自然科学版),2023,54(3):367-372VOL.54 NO.3 2023Journal of Shandong Agricultural University(Natural Science Edition)doi:10.3969/j.issn.1000-2324.2023.03.005豫南丘陵地区乡土植物群落特征及其根系力学特性分析豫南丘陵地区乡土植物群落特征及其根系力学特性分析唐 卉信阳农林学院规划与设计学院,河南 信阳 464000摘摘 要要:本文针对豫南丘陵地区乡土植物群落特征及其根系力学特性进行分析，并对植物生长特征以及多样性，根系长度、单根抗拉特性以及力学相关性分析。研究结果表明，紫花首蓿、黑麦草、紫穗槐和荆条具有较好的景观效果。灌木植物的平均均匀度指数较高，草本植物平均多样性指数和丰富度指数较高。灌木植物的根系长度、平均直径、平均抗拉力和平均根系抗拉强度均高于草本植物。植物根系的平均抗拉力与其直径正相关，平均根系抗拉强度与其直径正相关。关键词关键词:植物;群落特征;根系中图法分类号中图法分类号:Q948.5文献标识码文献标识码:A文章编号文章编号:1000-2324(2023)03-0367-06Communities Characteristics and Root Mechanics of IndigenousPlants in Hilly Areas of Southern Henan ProvinceTANG HuiCollege of Planning and Design/Xinyang Agriculture and Forestry University,Xinyang 464000,ChinaAbstract:In this article,it analyzed the characteristics of indigenous plant community and root mechanics in the hilly area ofsouthern Henan province,as well as the growth characteristics,plant diversity,root length,single root tensile characteristicsand the correlation of root mechanics.The results found that Medicago sativa L,Lolium perenne L.,Amorpha fruticosa L.and Vitex negundo L.had good landscape effect.Shrubby plants have a higher degree of evenness index,while herbaceousplants maintain a higher degree of diversity index and enrichment index.Shrubby plants contain higher results thanherbaceous plants in root length,average diameter,average tensile force and average tensile strength.There was a positivecorrelation between root tensile force and root diameter,and a negative correlation between tensile strength and root diameter.Keywords:Plant;community characteristics;root构建高效、节约的绿地景观能够助力绿色、低碳的和谐社会环境发展。城市化的不断加剧给乡土植物的生长带来了负面冲击。为实现可持续发展的目标，在规划绿地景观时，应考虑到植物品种配置以及长期的景观效果，从而起到环境保护和土地防固的效果1。我国河南南部地区为丘陵地区，常见的生长在边坡的乡土植物豆科、禾本科、菊科为主。本文选择河南省南阳市作为研究区域，重点分析豫南丘陵地区乡土植物群落特征及其根系力学特性。其主要目的在于探索兼具低养护强度和高稳定性的边坡植被群落。依据其自身生长特点和根系力学特征可以选择适宜地区生长的乡土植物。实现营造自然、美观的绿地景观效果，推动植被自然演替、根系的固土保水的主要目标。1材料与材料与方法方法1.1研究区域研究区域本研究选取河南省南阳市市郊边坡，坐标为 32173348，东经 1105811349。当地为亚热带季风气候向暖温带大陆性气候过渡区。地区四季分明，年平均温度为 14.4 至 15.7，年均降雨量为 703.6 mm1173.4 mm。1.2样品采集样品采集本研究采用践踏法对目标研究区域抽样调研，并于 2021 年 6 月至 2022 年 5 月期间在河南省南阳市市郊边坡对 A、B、C 三个实验点开展试验（见图 1）。选择地势平坦、土质均匀、植被种类等条件类似的样地进行土样采集。收稿日期收稿日期:2022-11-05修回日期修回日期:2022-12-06基金项目基金项目:2020年度信阳农林学院青年教师科研基金:城市公共景观设计与空间异用行为研究(20200208)作者简介作者简介:唐 卉(1990-),女,硕士研究生,讲师,主要研究方向:景观规划,环境设计,生态环境.E-mail:368山东农业大学学报(自然科学版)第 54卷图图 1 实验样品采集地点实验样品采集地点Fig.1 Experimental sample collection site1.3材料材料通过野外调查、拍摄照片、标本采集等记录目标地点生长的乡土植物，并最终选择当地边坡常见频率最高的乡土植物八种。其中，多年生草本植物六种，分别为艾草（Artemisia argyi H.）、蛇莓（Duchesnea indica(Andr.)Focke）、波斯菊（Cosmos bipinnata Cav.）、黑麦草（Lolium perenneL.）、高羊茅（Festuca elata Kengex E.）和紫花苜蓿（Medicago sativa L.）。灌木植物共计两种，分别为紫穗槐（Amorpha fruticosa L.）和荆条(Vitex negundo L.)。依据种植年份、植物高度、直径和景观效果等基本条件进行选择。1.4样本测定及分析方法样本测定及分析方法1.4.1 物种多样性指数、均匀度指数和丰富度指数计算 物种多样性指数的计算公式如下：siiipPPH1ln，(1)其中：Ni为植物品种 i 的数量，N为该区域全部物种的个体数量。物种均匀度指数的计算公式如下：SPPJsiiiSWlnln1，(3)其中：S 为研究区域内物种数。物种丰富度指数的计算公式如下：NSDmaln1，(4)其中：N 为该区域全部物种的个体数量，S 为研究区域内物种数。1.4.2 根系形态测量 使用全挖法在边坡的坡上、坡中、坡下 3 个位置各挖取植株 6 株，共计 18 株。根系挖掘依照植物种类进行不同的方式测量。草本植物按照 3030 cm2面积进行挖掘，而灌木植物使用 6060 cm2面积进行挖掘。待植物根系全部挖掘出使用清水对根系土层清洗并使用根系扫描仪对其根长、根径进行测量。第 3 期唐 卉:豫南丘陵地区乡土植物群落特征及其根系力学特性分析3691.4.3 根系抗拉测试 使用Hengchaovanich D根系抗拉测试方法，来测量根系拉断时最大抗拉力以及根系断裂面直径2。使用以下公式计算单根植物根系最大抗拉力与抗拉强度。公式如下：42maDFPx，(5)其中：P 为植物根段的抗拉强度，Fmax为最大抗拉强度力，D 为植物根系拉断时断裂面直径。1.4.4 数据分析方法 本试验使用 SPSS 20.0 软件对研究数据进行统计学分析，包括物种种数及多样性指数的计算分析以及根系相关性分析等。2结果与分析结果与分析2.1乡土植物群落特征结果乡土植物群落特征结果2.1.1 乡土植物群落生长特征 研究区域共有常见频率最高的乡土植物八种，其中多年生草本植物六种，灌木植物两种。乡土植物群落主要生长特征见下表 1。紫花首蓿、紫穗槐、黑麦草和荆条在景观效果方面表现较为突出。紫花首蓿、紫穗槐和荆条具备较高的生长高度和生长优势。波斯菊、紫花首蓿和紫穗槐具有较高的群落重要值，属于优势种。表表 1 研究区域乡土植物群落生长特征研究区域乡土植物群落生长特征Table 1 Growth characteristics of indigenous plants communities in the research area植物Plant种植年份/aYear植物高度/cmHeight直径/mmDiameter根冠比Root-to-apexratio重要值Importance生长势Growth trend景观效果Landscape effect艾草Artemisia argyi H.201729.701.481.320.16良中蛇莓Duchesnea indica(Andr.)Focke20188.890.912.130.31优良波斯菊Cosmos bipinnata Cav.201744.000.242.800.79良良高羊茅Festuca elata Kengex E.201617.800.521.160.27优良紫花首蓿Medicago sativa L2016289.002.400.450.71优优黑麦草Lolium perenne L.201834.001.702.340.25良优紫穗槐Amorpha fruticosa L.2016479.008.401.450.74优优荆条Vitex negundo L.2016349.004.401.240.66优优2.1.2 乡土植物植物多样性测定结果 对研究对象进行植物多样性进行测定，分别为多样性指数、丰富度指数、均匀度指数和盖度（表 2）。结果发现灌木植物的平均均匀度指数要高于草本植物。而草本植物平均多样性指数和丰富度指数要高于灌木植物。其主要原因是因为草本植物在野外生长种类丰富。新物种的不断出现增加了其群落多样性指数和丰富度指数。而灌木群落盖度较大，抑制了其自身的生长，从而导致均匀度指数较高。370山东农业大学学报(自然科学版)第 54卷表表 2 乡土植物多样性指标的测量结果乡土植物多样性指标的测量结果Table 2 Results of indigenous plants diversity indicators统计结果Statistics艾草ArtemisiaargyiH.蛇莓Duchesneaindica(Andr.)Focke波斯菊Cosmos bipinnataCav.高羊茅FestucaelataKengexE.紫花首蓿MedicagosativaL.黑麦草LoliumperenneL.紫穗槐AmorphafruticosaL.荆条VitexnegundoL.多样性指数1.180.530.551.221.721.191.180.91丰富度指数1.180.870.800.830.900.720.670.66均匀度指数0.270.300.630.690.680.810.850.78盖度/%59.4079.9045.3060.4073.5085.9082.9077.902.2乡土植物根系力学特性乡土植物根系力学特性2.2.1 乡土植物根系长度测量结果 如下表 3 所示，不同植物根系长度测量结果差异性较大。其中，灌木植物的植物主根要高于草本植物。而紫花苜蓿主根和侧根则在全部草本植物群落中排名最高。其主要原因是因为紫花苜蓿的主根和侧根较为发达，具有一定的生长优势。而高羊茅和黑麦草属于须根系植被，没有明显侧根，故缺乏侧根数据。表表 3 乡土植物根系直径和根长测量结果乡土植物根系直径和根长测量结果Table 3 Results of root diameter and root length of indigenous plants植物Plant主根 Main root侧根 Lateral root最大根径/mmMaximum rootdiameter最小根径/mmMinimum rootdiameter根长/cmRootlength最大根径/mmMaximum rootdiameter最小根径/mmMinimum rootdiameter根长/cmRoot length艾草Artemisia argyi H.2.170.58152.31.750.7873.1蛇莓Duchesnea indica(Andr.)Focke2.050.72122.61.050.2752.1高羊茅Festuca elata Kengex E.3.10.54223.4-紫花苜蓿Medicago sativa L.8.390.436076.030.75274紫穗槐Amorpha fruticosa L.18.491.3688108.40.49214荆条Vitex negundo L.13.390.957796.20.49185波斯菊Cosmos bipinnata Cav.6.040.621735.010.82133黑麦草Lolium perenne L.2.240.34193-2.2.2 乡土植物根系单根抗拉特性结果 通过分析乡土植物根系单根抗拉特性能够了解其固坡效果。下表 4 所示为乡土植物根系平均直径、平均抗拉力和平均抗拉强度测量结果。结果发现，草本植物的平均直径范围在 0.3 mm3.8 mm 左右，平均抗拉力在 15 N325 N 左右，平均根系抗拉强度在 16MPa37 MPa 左右。灌木植物的平均直径范围在 4.3 mm5.3 mm 左右，平均抗拉力在 280 N520 N左右，平均根系抗拉强度在 38 MPa50 MPa 左右。整体看来，灌木植物的平均直径、平均抗拉力和平均根系抗拉强度均高于草本植物。高羊茅和黑麦草抗拉强度高于其他草本植物，紫花苜蓿根系直径高于其他草本植物。第 3 期唐 卉:豫南丘陵地区乡土植物群落特征及其根系力学特性分析371表表 4 乡土植物根系平均直径、平均抗拉力和平均抗拉强度测量结果（均值乡土植物根系平均直径、平均抗拉力和平均抗拉强度测量结果（均值标准差）标准差）Table 4 Results of average root diameter,average root tensile forceand average root tensile strength of indigenous plants(Mean standard deviation)植物Plant平均直径/mmAverage diameter均值Average平均抗拉力/NAverage tensile force均值Average平均抗拉强度/MPaAverage tensile strength均值Average艾草Artemisia argyi H.1.280.171.550.1423.85.4432.554.120.00.57201.021.560.1534.33.4319.82.151.820.1139.53.1517.50.35波斯菊Cosmos bipinnata Cav.0.870.030.970.0411.94.1813.372.8120.56.2718.634.20.990.0113.71.5818.22.091.050.0514.52.517.24.23紫花苜蓿Medicago sativaL.3.030.073.680.26168.110.01194.631.323.50.4820.371.153.470.1688.214.3220.22.794.530.5680.66917.40.17蛇莓Duchesnea indica(Andr.)Focke0.820.080.950.1010.90.9812.31.0821.42.6218.031.70.910.0311.10.7717.31.171.120.1014.81.3315.41.31高羊茅Festuca elata Kengex E.0.510.170.700.288.110.3912.40.5332.411.531.075.960.710.05120.8311.790.790.0814.10.4229.84.6黑麦草Lolium perenne L.0.680.140.860.1310.61.79153.7231.27.4226.876.480.850.0914.51.2826.33.61.060.1519.97.923.18.45紫穗槐Amorpha fruticosa L.3.260.224.280.1560.185510.166.143.14.6136.272.94.370.08525.177.935.24.085.210.15645.135.530.50.02荆条Vitex negundo L.2.510.163.630.75150.120.1248.139.639.625.134.915.53.360.93275.135.533.914.15.011.15320.163.331.27.382.2.3 乡土植物根系力学相关性分析 针对乡土植物根系抗拉力与根系直径，以及根系抗拉强度与根系直径开展 Pearson 相关系数分析（表 5 和表 6）。结果发现，乡土植物根系抗拉力与根系直径呈正相关的关系，根系抗拉强度与根系直径呈负相关的关系。其中，艾草、蛇莓、波斯菊和高羊茅根系抗拉力与根系直径呈明显正相关关系，根系抗拉强度与根系直径呈明显负相关关系（P 0.01）。表表 5 乡土植物根系抗拉力与根系直径的相关性分析结果乡土植物根系抗拉力与根系直径的相关性分析结果Tabel 5 Correlation analysis results between root tensile force and root diameter in indigenous plants统计量Statistics艾草Artemisia argyiH.蛇莓Duchesnea indica(Andr.)Focke波斯菊Cosmos bipinnataCav.高羊茅Festuca elataKengex E.紫花苜蓿Medicago sativaL.黑麦草Lolium perenneL.紫穗槐Amorpha fruticosaL.荆条Vitex negundoL.Pearson相关系数0.960*0.961*0.973*0.954*0.942*0.974*0.9630.981相关系数显著性0.000.000.000.010.050.050.0570.062注：*表示 0.01 P 0.05，*表示 P 0.01表表 6 乡土植物根系抗拉强度与根系直径的相关性分析结果乡土植物根系抗拉强度与根系直径的相关性分析结果Table 6 Correlation analysis results between root tensile strength and root diameter in indigenous plants统计量Statistics艾草Artemisia argyiH.蛇莓Duchesnea indica(Andr.)Focke波斯菊Cosmos bipinnataCav.高羊茅Festuca elataKengex E.紫花苜蓿Medicago sativaL.黑麦草Lolium perenneL.紫穗槐Amorpha fruticosaL.荆条Vitex negundoL.Pearson相关系数-0.828*-0.746*-0.879*-0.925*-0.786*-0.812*-0.934-0.863*相关系数显著性0.000.000.010.000.050.050.0580.05注：*表示 0.01 P 0.05，*表示 P 0.013讨讨 论论乡土植物的生长与景观效果和环境绿化、防护具有直接的关系。河南省信阳市属豫南丘陵地区，乡土植物资源丰富。选取的研究对象为当地边坡常见频率最高的乡土植物。其中，草本植物六种，灌木植物两种。372山东农业大学学报(自然科学版)第 54卷首先，讨论乡土植物群落特征。在生长特征方面，草本植物的紫花首蓿和黑麦草，以及灌木植物的紫穗槐和荆条具有较好的景观效果。紫花首蓿、紫穗槐和荆条具备较高的生长高度和生长优势。波斯菊、紫花首蓿和紫穗槐具有较高的群落重要值，属于优势种。在植物多样性方面，灌木植物的平均均匀度指数要高于草本植物。而草本植物平均多样性指数和丰富度指数要高于灌木植物。这与王艳玲和张华以及张乐满等对草本植物的研究结果保持一致3,4。宋凤鸣等和郭洋楠等研究了乡土植物对于边坡绿化的影响，认为应依据地区实际情况选择合适的乡土植物群落，从而与当地生态环境发展相适应5,6。其次，讨论乡土植物群落的根系力学特性。灌木植物的根系长度要高于草本植物，灌木植物的平均直径、平均抗拉力和平均根系抗拉强度均高于草本植物。以上结论与其他学者的实验结论高度一致，如郑江坤等，付江涛等和刘子壮等7-9。同时，崔天民等和何伟鹏等的研究结论发现，植物根系的平均抗拉力与其直径正相关，平均根系抗拉强度与其直径正相关10,11，这与本实验的研究结果一致。4结结 论论本文主要分析豫南丘陵地区乡土植物群落特征及其根系力学特性。研究对象为当地优势种群。其中草本植物六种，分别为艾草、蛇莓、波斯菊、黑麦草、高羊茅和紫花苜蓿。灌木植物共计两种，分别为紫穗槐和荆条。紫花首蓿、黑麦草、紫穗槐和荆条具有较好的景观效果。植物多样性方面，灌木植物的平均均匀度指数高于草本植物。而草本植物平均多样性指数和丰富度指数要高于灌木植物。灌木植物的根系长度要高于草本植物，灌木植物的平均直径、平均抗拉力和平均根系抗拉强度均高于草本植物。植物根系的平均抗拉力与其直径正相关，平均根系抗拉强度与其直径正相关。受实验环境、乡土植物种类以及样地位置的印象，仅开展了乡土植物群落特征及单根根系力学特性分析。在未来可进一步扩大至不同时间变换下的植物群落特征比较，以及对植物复根开展力学分析。这样可以更好地拓展研究重点和研究范围，为类似研究提供有效参考。参考文献参考文献1胡 迅,杨永川,靳 程,等.不同乡土植物概念下的居住区乡土植物应用概况以重庆主城区为例J.中国园林,2022,38(10):26-312Hengchaovanich D,Barker DH,Watson AJ,et al.Fifteen years of bioengineering in the wet 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