狗牙根群落土壤-根系系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及其抗沖刷與抗侵蝕性能的空間變化

張 迪， 戴方喜

(三峽大學(xué) 化學(xué)與生命科學(xué)學(xué)院， 湖北 宜昌， 443002)

狗牙根群落土壤-根系系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及其抗沖刷與抗侵蝕性能的空間變化

張 迪， 戴方喜

(三峽大學(xué) 化學(xué)與生命科學(xué)學(xué)院， 湖北 宜昌， 443002)

摘要：[目的] 探討三峽庫(kù)區(qū)消落帶常見(jiàn)的物種狗牙根對(duì)庫(kù)區(qū)消落帶固土護(hù)坡的作用機(jī)理。[方法] 結(jié)合野外調(diào)查和室內(nèi)試驗(yàn)研究，對(duì)狗牙根群落根土復(fù)合體的結(jié)構(gòu)、根土復(fù)合體抗沖刷與抗侵蝕性能及其空間變化進(jìn)行研究。[結(jié)果] 狗牙根根系對(duì)土壤抗沖性和抗蝕性都有顯著的增強(qiáng)效應(yīng)。隨著狗牙根根系生物量的增加，土壤抗沖性和抗蝕性能力也隨之增強(qiáng)，且根系生物量與土壤抗沖性和抗蝕性有線性相關(guān)性;土壤的抗沖刷與抗侵蝕能力還受消落帶海拔梯度的影響，隨著海拔梯度的上升，土壤的抗沖刷與抗侵蝕能力逐漸增強(qiáng)，在175 m高度達(dá)到最大。[結(jié)論] 由于高度升高，被淹的時(shí)間縮短，狗牙根在高海拔地區(qū)的生長(zhǎng)狀況好于低海拔地區(qū)。

關(guān)鍵詞：土壤—根系系統(tǒng); 抗沖刷; 抗侵蝕; 根系生物量

三峽大壩建成后，在庫(kù)區(qū)形成水位落差約30 m的消落帶[1]。由于水庫(kù)水位頻繁且大幅度的波動(dòng)，庫(kù)區(qū)消落區(qū)將對(duì)植物物種形成巨大選擇作用。植被的破壞及水位的劇烈變動(dòng)，使得庫(kù)岸土壤侵蝕和水土流失嚴(yán)重，從而會(huì)影響三峽庫(kù)區(qū)的生態(tài)環(huán)境[2-3]。在消落帶內(nèi)人工構(gòu)建植被是保護(hù)三峽庫(kù)區(qū)消落帶生態(tài)環(huán)境的常用手段。在人工構(gòu)建植被中，選擇的植物物種不僅要具有耐水淹環(huán)境的特點(diǎn)，而且要有很好的固土抗侵蝕能力，因而植物的抗沖刷、抗侵蝕效能在消落帶植物構(gòu)建的物種選擇中是一個(gè)需要考慮的重要因素[4]。狗牙根是一種對(duì)水淹適應(yīng)能力較強(qiáng)且在三峽庫(kù)區(qū)常見(jiàn)的物種。本文對(duì)不同高度狗牙根根系生物量及其增強(qiáng)土壤抗侵蝕效能進(jìn)行研究，希望能明確狗牙根固土護(hù)坡效能，為三峽庫(kù)區(qū)消落帶植被構(gòu)建提供理論參考。

1材料與方法

1.1　物種選擇及研究區(qū)概況

本文主要研究物種為狗牙根。狗牙根在三峽水庫(kù)消落帶極限條件下(淹沒(méi)深度0~25 m)能夠存活，具有較強(qiáng)兩棲適生性，在消落帶絕大多數(shù)植物因適生性選擇而消亡的狀況下，極可能成為優(yōu)勢(shì)建群種。同時(shí)，狗牙根為三峽庫(kù)區(qū)鄉(xiāng)土植物，不會(huì)構(gòu)成物種及生態(tài)威脅，對(duì)于三峽水庫(kù)消落帶植被重建、修復(fù)及優(yōu)化具有一定的研究和應(yīng)用價(jià)值[5]。研究區(qū)位于宜昌市興山縣峽口鎮(zhèn)香溪河地段。從響灘到秭歸香溪鎮(zhèn)這一段稱作香溪河。該流域降水和水力資源均十分豐富。從4月份開(kāi)始，河流就進(jìn)入了汛期，10月以后進(jìn)入涸水期，其蓄水位達(dá)到155～175 m。

1.2　試驗(yàn)方法

1.2.1樣方選取及取樣在研究區(qū)160，165，170，175 m 4個(gè)高度中每個(gè)海拔隨機(jī)選取5個(gè)狗牙根群落進(jìn)行取樣研究。用根鉆(直徑8 cm高10 cm)在野外直接鉆取含有狗牙根成體健康植株根系的表層10 cm土柱樣品。鉆取前先剪去植株的地上部分，去掉地表的枯落物及不含根系的土層，然后豎直向下鉆取樣品。每一高度取10個(gè)土樣，其中5個(gè)用于抗沖試驗(yàn)，5個(gè)用于抗蝕試驗(yàn)；同時(shí)在狗牙根物種取樣點(diǎn)附近取10個(gè)盡量不含根系或含盡量少根系的同土壤基質(zhì)的樣品，5個(gè)用于抗沖試驗(yàn)對(duì)照，5個(gè)用于抗蝕試驗(yàn)對(duì)照，每一個(gè)高度取法均相同。最后把樣品上下用塑料帶包裹并封口，橡皮筋固定，帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行抗沖和抗蝕試驗(yàn)。

1.2.2土壤抗沖刷的測(cè)定采用原狀土沖刷水槽法[6]的計(jì)算公式為：

Ev=C0/C2=(C1-C2)/C2

式中：C1——含根土壤的抗沖系數(shù)；C2——空白對(duì)照土壤的抗沖系數(shù)；C0——由于根系存在而使土壤抗沖刷系數(shù)增加的值；Ev——根系抗沖性增強(qiáng)值，是由于土壤中根系的存在而使土壤抗沖性增加的倍數(shù)，從而能很好的反映根系對(duì)土壤的抗沖性增強(qiáng)效應(yīng)。

抗沖刷系數(shù)C，即每沖掉1 g含飽和水的土重所需的水量(L)，用C(L/g)表示，即C=v/m。式中：v——體積；m——質(zhì)量。

1.2.3土壤抗侵蝕的測(cè)定采用靜水抗崩解裝置法[6]。計(jì)算公式為：Ce=V0/V2=(V1-V2)/V2

式中：V1——對(duì)照土壤的崩解速率；V2——含根土壤的崩解速率；V0——由于根系存在而使土壤崩解速率的減緩值。Ce——根系抗蝕性增強(qiáng)系數(shù)，指由于根系的存在而使土壤崩解速率減緩的系數(shù)，也就是根系對(duì)土壤抗蝕性的增強(qiáng)系數(shù)。Ce值的范圍在0和1之間，其值越接近于1，增強(qiáng)效應(yīng)越顯著。

崩解速率用單位時(shí)間崩解的含飽和水的土重來(lái)衡量，即V=M/t=(M1-M2)/t(g/min)。

式中：M1——起始土重；M2——t時(shí)間后土重；t——時(shí)間。

2結(jié)果與分析

2.1　土壤-根系系統(tǒng)的抗沖刷性能及其空間變化

2.1.1抗沖刷系數(shù)通過(guò)試驗(yàn)，對(duì)香溪河消落帶各個(gè)高度狗牙根植物的根土復(fù)合體的抗沖刷能力進(jìn)行了試驗(yàn)分析，所得結(jié)果如圖1所示。

圖1　狗牙根根土復(fù)合體與對(duì)照土壤抗沖刷系數(shù)

注：圖中標(biāo)有相同字母者表示組間差異不顯著(p<0.05)。下同。

結(jié)果顯示，4個(gè)高度的狗牙根根土復(fù)合體和對(duì)照土壤的抗沖刷能力沒(méi)有顯著性差異，其p值均大于0.05。但是，總體上每個(gè)高度狗牙根根系對(duì)土壤的抗沖刷能力均有明顯的增強(qiáng)作用，并且4個(gè)高度的狗牙根根土復(fù)合體抗沖刷能力逐漸增強(qiáng)，在175 m高度時(shí)狗牙根根系對(duì)土壤的抗沖刷能力的增強(qiáng)作用最大。

2.1.2根系抗沖刷增強(qiáng)值與根系生物量的關(guān)系如圖2所示，隨著高度的遞增，狗牙根根系的生物量具有顯著的增長(zhǎng)，狗牙根根系的存在對(duì)土壤的抗沖性增強(qiáng)倍數(shù)也逐漸增大，并且在175 m高度時(shí)根系的抗沖性增強(qiáng)值最大。由狗牙根根土復(fù)合體抗沖刷系數(shù)和對(duì)照土壤抗沖刷系數(shù)的關(guān)系得到4個(gè)海拔高度根系的抗沖刷增強(qiáng)倍數(shù)，并且通過(guò)抗沖性增強(qiáng)值與對(duì)應(yīng)根系生物量的比較，得出不同高度它們之間的線性關(guān)系。由圖2可知，在海拔160～175 m，各個(gè)海拔高度狗牙根抗沖性增強(qiáng)值與對(duì)應(yīng)根系生物量有明顯的線性關(guān)系，即隨著根系生物量的增加抗沖性增強(qiáng)值也增加；在175 m高度時(shí)，根系生物量最大，且對(duì)應(yīng)的抗沖刷增強(qiáng)倍數(shù)也最大。因此，隨著根系生物量的增加，根系抗沖性增強(qiáng)值越大，狗牙根根系對(duì)土壤抗沖刷的增強(qiáng)作用越明顯。

圖2　根系抗沖性增強(qiáng)值與根系生物量的線性關(guān)系

2.2　土壤-根系系統(tǒng)的抗侵蝕性能及其空間變化

2.2.1崩解速率各個(gè)高度狗牙根根土復(fù)合體與對(duì)照土壤的崩解速率對(duì)比關(guān)系如圖3所示。

圖3　狗牙根根土復(fù)合體與對(duì)照土壤崩解速率關(guān)系

由圖3可見(jiàn)，隨著高度的上升，狗牙根根土復(fù)合體的崩解速率與對(duì)照土壤崩解速率均有較顯著降低，其p值分別為0.019，0.032，都小于0.05。通過(guò)比較得出，狗牙根根系對(duì)土壤的崩解具有明顯的減弱作用。隨著高度上升，根土復(fù)合物的崩解速率越小，狗牙根根系對(duì)土壤抗崩解作用越大，在175 m高度時(shí)，其崩解速率最小，抗崩解作用最大。

2.2.2根系抗蝕性增強(qiáng)系數(shù)與根系生物量的關(guān)系如表1所示，隨著高度的上升，狗牙根根系抗蝕性增強(qiáng)系數(shù)逐漸增大，越來(lái)越接近1；狗牙根根系生物量也有較顯著的增加，其p=0.021<0.05。通過(guò)比較得出，狗牙根根系抗蝕性增強(qiáng)系數(shù)隨著狗牙根根系生物量的增加而增大，具有明顯的線性關(guān)系。在175 m高度時(shí)，狗牙根根系抗蝕性增強(qiáng)系數(shù)最大，最接近1；狗牙根根系的生物量也最大。

表1　抗蝕性增強(qiáng)值與根系生物量的關(guān)系

注：*表示差異顯著水平在0.05以內(nèi)；**表示差異顯著水平在0.01以內(nèi)。

由狗牙根根土復(fù)合體崩解速率與對(duì)照土壤崩解速率關(guān)系可得根系抗蝕性增強(qiáng)值，并且通過(guò)抗蝕性增強(qiáng)系數(shù)與對(duì)應(yīng)根系生物量的比較，得出不同海拔高度其之間的線性關(guān)系。由圖4可知，在160 m到175 m高度，狗牙根根系抗蝕性增強(qiáng)系數(shù)與對(duì)應(yīng)根系生物量有比較明顯的線性關(guān)系，即隨著根系生物量的增加抗蝕性增強(qiáng)系數(shù)也增加；在175 m高度時(shí)，可以明顯看出狗牙根的根系生物量最大，且對(duì)應(yīng)的根系抗蝕性增強(qiáng)系數(shù)也最大。

圖4　根系抗蝕性增強(qiáng)值與根系生物量的線性關(guān)系

3結(jié) 論

(1) 在消落帶不同高度狗牙根根土復(fù)合物抗沖刷與抗侵蝕能力不同。隨著高度的上升，狗牙根根土復(fù)合物抗沖刷和抗侵蝕能力越來(lái)越強(qiáng)。在175 m高度的時(shí)候其能力最強(qiáng)。狗牙根根系對(duì)土壤抗沖刷與抗侵蝕能力有明顯的增強(qiáng)效應(yīng)，隨著高度的上升，狗牙根根系對(duì)土壤抗沖刷與抗侵蝕能力的增強(qiáng)也漸增，在175 m高度的時(shí)候其增強(qiáng)效應(yīng)最明顯。

(2) 植物的根系生物量能很好地反映和預(yù)測(cè)植物根系對(duì)土壤抗侵蝕和抗沖刷的增強(qiáng)效能。在消落帶不同高度狗牙根生長(zhǎng)狀況不同，其根系生物量也各不一樣。在175 m高度的時(shí)候，狗牙根生長(zhǎng)最旺盛，其生物量也最大。隨著高度的上升，狗牙根根系生物量逐漸增大，其抗沖刷和抗侵蝕增加效能也逐漸增強(qiáng)。在160～170 m高度，它們有明顯的線性關(guān)系。在175 m高度的時(shí)候，狗牙根根系生物量最大，其抗沖刷和抗侵蝕性增強(qiáng)效應(yīng)也最大。

[參考文獻(xiàn)]

[1]袁輝,王里奧,詹艷慧,等.三峽庫(kù)區(qū)消落帶健康評(píng)價(jià)指標(biāo)體系[J].長(zhǎng)江流域資源與環(huán)境,2006,15(2):249-253.

[2]戴方喜,許文年,陳芳清.對(duì)三峽水庫(kù)消落區(qū)生態(tài)系統(tǒng)與其生態(tài)修復(fù)的思考[J].中國(guó)水土保持,2006,27(12):6-8.

[3]王強(qiáng),袁興中,劉紅,等.三峽水庫(kù)156 m蓄水后消落帶新生濕地植物群落[J].生態(tài)學(xué)雜志,2009,28(11):2183-2188.

[4]吳欽孝,李勇.黃土高原植物根系提高土壤抗沖性能的研究(Ⅱ):草本植物根系提高表層土壤抗沖刷力的試驗(yàn)分析[J].水土保持學(xué)報(bào),1990,4(1):11-16.

[5]王海鋒.不同季節(jié)長(zhǎng)期水淹對(duì)幾種陸生植物的存活、生長(zhǎng)和恢復(fù)生長(zhǎng)的影響[D].重慶:西南大學(xué),2008.

[6]徐少軍.三峽庫(kù)區(qū)5種耐水淹植物根系增強(qiáng)土壤抗侵蝕效能研究[J].水土保持學(xué)報(bào),2008,22(6):13-18.

Spatial Variation of Soil-root System Structure ofCynodonDactylonCommunity and Its Capability to Soil Antierodibility and Antiscouribicity

ZHANG Di, DAI Fangxi

(CollegeofChemistryandLifeScience,ThreeGorgesUniversity,Yichang,Hubei443002,China)

Abstract：[Objective] To uncovered the mechanism of Cynodon dactylon in slope stabilization.[Methods] We tested the spatial variation of plant growth, antierodibility and antiscouribicity with altitude through field investigation and laboratory experiments.[Results] The roots of C. dactylon had significant effects to enhance the soil antierodibility and antiscouribicity. The antierodibility and antiscouribicity of soil-root system increased significantly with the increase of root biomass, which showed linear regression relationship. The antierodibility and antiscouribicity of soil-root system also was influenced significantly by altitude. It increased with the increasd altitude and showed strongest at the altitude of 175 m, the upper edge of the water-level-fluctuation zone.[Conclusion] The C. dactylon community distributing on the upper parts of the water-level-fluctuation zone is submerged slighter and grow better than those distributing on the low parts.

Keywords:soil-root system; antierodibility; antiscouribicity; corrosion resistance; root biomass

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1000-288X(2015)01-0034-03

中圖分類號(hào)：S157.1

通信作者：戴方喜(1962—)，男(漢族)，湖北省荊州市人，大學(xué)本科，教授級(jí)高級(jí)工程師，主要從事生態(tài)恢復(fù)與生態(tài)工程工作。E-mail:dfx@ctgu.edu.cn。

收稿日期：2014-01-24修回日期：2014-02-12

資助項(xiàng)目：四川省企業(yè)資助項(xiàng)目“官地水電站壩區(qū)生態(tài)保護(hù)植物遴選及其應(yīng)用技術(shù)研究”(GDA-G201211)

第一作者：張迪(1989—)，男(漢族)，湖北省宜昌市人，碩士研究生，研究方向?yàn)樯鷳B(tài)恢復(fù)與生態(tài)工程。E-mail:861562922@qq.com。