香根草和馬唐的根系特征及對坡地紫色土抗侵蝕性的影響

王潤澤，諶蕓*，李鐵，彭石磊，劉志鵬，單志杰

(1.西南大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點實驗室，重慶 400715；2.中國水利水電科學(xué)研究院，流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國家重點實驗室，北京 100048)

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香根草和馬唐的根系特征及對坡地紫色土抗侵蝕性的影響

王潤澤1，諶蕓1*，李鐵1，彭石磊1，劉志鵬1，單志杰2

(1.西南大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點實驗室，重慶 400715；2.中國水利水電科學(xué)研究院，流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國家重點實驗室，北京 100048)

為探討紫色土區(qū)草類根系特征及對土壤抗侵蝕性的影響，本試驗選取坡地香根草和馬唐為研究對象，分0～10 cm、10～20 cm和20～30 cm土層采集根系和土壤樣品，分別采用WinRHIZO(Pro.2004c)根系分析系統(tǒng)、ZJ型應(yīng)變控制式直剪儀和改進(jìn)的原狀土沖刷水槽測定根系指標(biāo)、根-土復(fù)合體抗剪和抗沖性能，研究了不同土層香根草和馬唐的根系特征及與土壤抗侵蝕性之間的關(guān)系。結(jié)果表明，0～30 cm土層范圍內(nèi)，香根草根系的總體指標(biāo)和徑級指標(biāo)(根長密度、根表面積密度、根體積密度和根重密度)均優(yōu)于馬唐；較之馬唐，香根草更有利于降低土壤容重，改善土壤微團(tuán)聚體組成狀況和提高土壤有機碳含量；上述2種草類根-土復(fù)合體的抗沖剪性能均表現(xiàn)為：0～10 cm土層最優(yōu)，10～20 cm土層次之，20～30 cm土層最差，且各土層均表現(xiàn)為香根草的優(yōu)于馬唐的；相關(guān)分析表明，1.0

根系；內(nèi)摩擦角；粘聚力；抗沖指數(shù)；紫色土

土壤的抗剪與抗沖性能是表征土壤抗侵蝕性的重要指標(biāo)[1]，植物根系能夠顯著增強土壤的抗沖剪性能，從而增強土壤的抗侵蝕性。紫色土抗侵蝕性弱，紫色土區(qū)是我國水土流失嚴(yán)重區(qū)域之一[2]。近年來該區(qū)域?qū)嵤┑耐烁€林還草工程使得紫色土的抗侵蝕性有所增強[3-4]，其中植物根系在穩(wěn)定土壤結(jié)構(gòu)、防治土壤侵蝕方面的作用不容忽視[1]，故研究根系特征對坡地土壤抗侵蝕性的影響是必要和迫切的。目前有關(guān)根系特征對土壤抗侵蝕性的影響研究雖多，但多數(shù)研究[5-9]選取的是根系總體指標(biāo)(即所有根系平均的根長密度、根表面積密度、根體積密度及根重密度等)，鮮有考慮到不同徑級根系指標(biāo)。而僅有的徑級根系指標(biāo)對土壤抗侵蝕性的影響研究[10-13]中，又只分析了徑級根長密度和徑級根表面積密度。

針對已有研究中存在的上述不足，本試驗選取紫色土區(qū)最具代表性的水土保持植物香根草(Vetiveriazizanioides)與鄉(xiāng)土植物馬唐(Digitariasanguinalis)為研究對象，探討了這2種草類根系特征及其對坡地紫色土抗侵蝕性的影響，尤其是不同徑級根系指標(biāo)對土壤抗侵蝕性的影響，以期為紫色土區(qū)水土保持植被構(gòu)建提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗區(qū)位于重慶市北碚區(qū)西南大學(xué)后山水土保持試驗基地(29°48′57.44″ N，106°24′35.23″ E)，平均海拔278 m，屬丘陵地貌。該區(qū)屬于亞熱帶季風(fēng)性氣候，年均氣溫約為18 ℃，年均降水量約為1200 mm，年均日照時長約為1277 h。該區(qū)土壤主要為中生代侏羅系沙溪廟組灰棕紫色沙泥頁巖母質(zhì)上發(fā)育而成的中性紫色土[14]。

1.2 試驗設(shè)計

試驗設(shè)置2個處理：香根草、自然生草(坡度均為25°)，每個處理3個重復(fù)，共6個小區(qū)，小區(qū)基本情況見表1。小區(qū)之間筑邊埂相互隔開，避免相互干擾。試驗期間常規(guī)管護(hù)，及時去除雜草與補種。取樣時，所有小區(qū)的植被覆蓋度均約為90%。自然生草區(qū)植被的優(yōu)勢植物為馬唐(所占比例約為90%)，禾本科，一年生草類，此外零星生長著狗尾草(Setariaviridis)和平車前(Plantagodepressa)等伴生植物。因馬唐所占比例遠(yuǎn)大于伴生植物，故自然生草區(qū)選擇馬唐為研究對象。小區(qū)香根草均于2013年3月初采用實生苗穴植，株距×行距為30 cm×35 cm。

表1 試驗小區(qū)基本情況Table 1 The basic of experimental plot

注：表中小區(qū)規(guī)格數(shù)據(jù)為“沿坡向長×寬”；S：南。

Note:The plot size data in the table is “along the slope orientation to the length×width”; S: South.

1.3 試驗方法

1.3.1 樣品采集 于2014年7月中旬采樣，采樣時間為雨后放晴3 d以上，且3 d以上無灌溉和拔草措施。由于紫色土土層淺薄，故本研究僅對0～30 cm土層進(jìn)行取樣分析。抗剪試驗取樣：每個小區(qū)按Z字形確定4個采樣點，在每個采樣點處將地上部分的植株、枯落物等清理干凈，然后分別在0～10 cm、10～20 cm和20～30 cm土層用環(huán)刀(底面積30 cm2，高2 cm)采取帶有根系的土壤樣品?？箾_試驗采用與沖刷水槽配套的方形環(huán)刀(長×寬×高：20 cm×10 cm×10 cm)取樣。直剪試驗后，環(huán)刀(底面積30 cm2，高2 cm)內(nèi)含根系的土樣用于根系指標(biāo)測定。另用環(huán)刀(底面積20 cm2，高5 cm)在各采樣點的不同土層采取土壤樣品，用于土壤容重測定；環(huán)刀取樣過后按不同土層各自采取約500 g土裝入袋內(nèi)帶回實驗室自然風(fēng)干，用于微團(tuán)聚體組成和有機碳測定。

1.3.2 根系指標(biāo)測定及計算 每次直剪試驗完成，取出含根系的土樣浸于水中2 h，置于0.5 mm篩內(nèi)用較小流量自來水沖洗，洗出的根系晾干表面水分，裝入自封袋內(nèi)并編號；然后采用200 dpi分辨率的掃描儀對根系進(jìn)行灰度掃描，采用WinRHIZO(Pro. 2004c)根系分析系統(tǒng)分5個徑級(d≤0.5 mm，0.53.0 mm，d為直徑，單位mm)對根長(root length，RL)、根表面積(root surface area，RSA)和根體積(root volume，RV)進(jìn)行統(tǒng)計分析。掃描后的根系采用烘干法和精度為1/1000的電子天平獲得根干重(root weight，RW)。

根長密度(root length density，RLD)=環(huán)刀內(nèi)根系總長度/土體體積

(1)

根表面積密度(root surface area density，RSAD)=環(huán)刀內(nèi)根系總表面積/土體體積

(2)

根體積密度(root volume density，RVD)=環(huán)刀內(nèi)根系總體積/土體體積

(3)

根重密度(root weight density，RWD)=環(huán)刀內(nèi)根系總干重/土體體積

(4)

1.3.3 抗剪強度指標(biāo)測定及計算 抗剪強度采用ZJ型應(yīng)變控制式直剪儀(南京土壤儀器廠有限公司)測定。試驗時，將環(huán)刀(底面積30 cm2，高2 cm)內(nèi)的土樣放在剪切盒(由上盒和下盒組成)中，在100、200、300、400 kPa四級豎直荷載σ作用下，逐漸施加水平力于下盒，使土樣在上、下盒的水平接觸面上產(chǎn)生剪切變形，直至破壞。在不同的豎直荷載σ作用下進(jìn)行試驗，可以得到相應(yīng)的抗剪強度τf，點繪τf～σ關(guān)系曲線，即可求得內(nèi)摩擦角φ和粘聚力c的值[15]。

1.3.4 抗沖指數(shù)測定及計算 抗沖指數(shù)采用改進(jìn)的原狀土沖刷水槽測定。沖刷水槽長1.80 m，寬0.11 m。沖刷前將方形環(huán)刀(長×寬×高：20 cm×10 cm×10 cm)內(nèi)的土樣浸泡12 h至飽和，沖刷坡度設(shè)置為25°，出水流量設(shè)置為2 L/min。開始產(chǎn)流時立即采集泥沙樣品并計時，前4 min內(nèi)每1 min采集一次，此后每3 min采集一次，歷時10 min[14]。

土壤抗沖能力用沖失1 g土所需的時間表示：

ANS=T/WLDS

(5)

式中：ANS為單位流量抗沖指數(shù)，min/g；T為沖刷歷時，min；WLDS為沖失干土重，g?？箾_指數(shù)ANS越大，表示土壤抗沖能力越強；反之，則越弱。

1.3.5 其他指標(biāo)測定及計算 土壤微團(tuán)聚體組成測定采用卡慶斯基法(吸管法)[16]，土壤容重測定采用環(huán)刀法[16]，土壤有機碳測定采用外加熱法[17]。

分形維數(shù)在一定程度上可以作為評價土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的指標(biāo)[18]。因土壤本身具有自相似結(jié)構(gòu)的特點，故可用分形理論建立土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的分形模型，本研究采用以粒徑的質(zhì)量分布直接計算土壤粒徑分布的分形維數(shù)(楊培嶺法[19])，小于某一特定測量尺度的累積土粒質(zhì)量mi與di之間的分形關(guān)系式為：

(6)

式中：di為相鄰兩篩分粒級的粒徑平均值，mm；dmax為最大土粒粒徑值，mm；mi為粒徑小于di的累積土粒質(zhì)量，kg；mmax為各粒級質(zhì)量之和，kg；D為分形維數(shù)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用MicrosoftExcel2010軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行圖表處理，用SPSS17.0統(tǒng)計軟件進(jìn)行差異顯著性分析(Duncan法)和Pearson相關(guān)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 香根草和馬唐的根系分布特征

2.1.1 垂直分布特征 由表2根系總體指標(biāo)可以看出，同一土層，香根草根系的各項總體指標(biāo)均優(yōu)于馬唐。2種草類的根系均集中分布在0～10cm土層，其根長密度、根表面積密度、根體積密度和根重密度分別是10～20cm和20～30cm土層的2.71～17.17倍、2.99～23.27倍、1.85～111.61倍和8.95～22.93倍。隨著土層深度的增加，2種草類根系的總體指標(biāo)值均表現(xiàn)為遞減趨勢。草類根系的垂直分布特征決定了它對土體的影響范圍，可見這2種草類根系對0～10cm土層影響范圍最大，其次是10～20cm土層，而對20～30cm土層影響范圍最小。

表2 香根草與馬唐根系總體指標(biāo)和徑級指標(biāo)Table 2 The overall parameters and diameter parameters of V. zizanioides and D. sanguinalis

注：表中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差(n=12)；不同小寫字母表示在P<0.05水平上差異顯著；V：香根草V.zizanioides；D：馬唐D.sanguinalis。下同。

Note: Data are means±standard deviation (n=12). Different lowercase letters indicate significant difference at the level of 0.05. The same below.

2.1.2 徑級分布特征 2種草類根系徑級指標(biāo)如表2所示，同一土層，香根草根系的各項徑級指標(biāo)均優(yōu)于馬唐。不同土層同一徑級RLD、RSAD和RVD的顯著性具有相似的排序，如香根草d≤0.5 mm徑級，RLD、RSAD和RVD的顯著性排序是香根草0～10 cm>香根草10～20 cm>香根草20～30 cm，其他徑級亦然。0～10 cm土層，香根草與馬唐根系的各項徑級指標(biāo)均優(yōu)于10～20 cm和20～30 cm土層。值得指出的是，1.0

2.2 根系對土壤理化性質(zhì)的影響

2.2.1 根系對土壤微團(tuán)聚體的影響 表3為2種草類土壤微團(tuán)聚體組成及分形維數(shù)。粗砂粒(1～0.25 mm)含量、細(xì)砂粒(0.25～0.05 mm)含量與粗粉粒(0.05～0.01 mm)含量均表現(xiàn)為香根草>馬唐，而細(xì)粉粒(0.01～0.005 mm)含量、粗粘粒(0.005～0.001 mm)含量與粘粒(<0.001 mm)含量均表現(xiàn)為馬唐>香根草。不同土層土壤微團(tuán)聚體各粒徑組成差異顯著，0～10 cm土層的粗砂粒含量與細(xì)砂粒含量均顯著大于10～20 cm和20～30 cm土層，而0～10 cm土層的粗粉粒含量、細(xì)粉粒含量、粗粘粒含量與粘粒含量均小于10～20 cm和20～30 cm土層。同一土層的土壤微團(tuán)聚體分形維數(shù)D均表現(xiàn)為香根草<馬唐。通常大粒徑微團(tuán)聚體含量越高，其分形維數(shù)越小，土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和抗侵蝕性越強，反之，其分形維數(shù)則越大，土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和抗侵蝕性相應(yīng)地則越弱。由此可見，0～30 cm土層，香根草土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和抗侵蝕性總體上優(yōu)于馬唐的。

表3 試驗小區(qū)土壤微團(tuán)聚體組成及分形維數(shù)Table 3 Distribution and fractal dimension of soil microaggregates in different plots

注：表中數(shù)據(jù)為平均值(n=3)。下同。

Note: Data are means (n=3). The same below.

將2種草類根系不同徑級的RLD、RSAD、RVD與土壤微團(tuán)聚體組成進(jìn)行相關(guān)分析，結(jié)果見表4。粗砂粒含量與d≤0.5 mm、0.5

2.2.2 根系對土壤容重和有機碳的影響 2種草類土壤容重及有機碳狀況如表5所示，土壤容重隨著土層深度的增加而增加；同一土層，香根草土壤容重均小于馬唐的。香根草0～10 cm的容重最小，為1.120 g/cm3，馬唐20～30 cm的容重最大，為1.249 g/cm3。土壤有機碳表現(xiàn)狀況則與土壤容重相反，香根草或馬唐土壤有機碳含量均隨著土層深度的增加而減少；同一土層，香根草土壤有機碳含量均大于馬唐的。2種草類不同土層有機碳含量介于7.918～11.866 g/kg。

表4 不同徑級根系指標(biāo)與微團(tuán)聚體組成相關(guān)分析Table 4 Correlation analysis between root parameters of different diameter and soil microaggregates distribution

注：“*”表示在0.05水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)；“**”表示在0.01水平(雙側(cè))上極顯著相關(guān)；RLDx/RSADx/RVDx(x=0.5，1.0，2.0)分別表示d≤0.5 mm、0.5

Note: “*” and “**” indicate significant correlations at the level of 0.05 and 0.01 respectively, under bilateral inspection. RLDx/RSADx/RVDx(x=0.5, 1.0, 2.0) indicate root length density/root surface area density/root volume density in different root diameters, which ared≤0.5 mm, 0.5

表5 試驗小區(qū)土壤容重、有機碳、內(nèi)摩擦角、粘聚力和抗沖指數(shù)Table 5 Bulk density, organic carbon, internal friction, cohesion and anti-scourability index in different plots

將2種草類根系不同徑級的RLD、RSAD、RVD與土壤容重、有機碳含量進(jìn)行相關(guān)分析，結(jié)果見表6。土壤容重與1.0

表6 不同徑級根系指標(biāo)與容重、有機碳、粘聚力和抗沖指數(shù)相關(guān)分析Table 6 Correlation analysis among root parameters of different diameter and bulk density, organic carbon, cohesion and anti-scourability index

2.3 根系對復(fù)合體抗侵蝕性的影響

2.3.1 根系對復(fù)合體抗剪性能的影響 2種草類根-土復(fù)合體內(nèi)摩擦角φ和粘聚力c如表5所示，這兩個指標(biāo)均隨土層深度的增加而減小，且各土層均表現(xiàn)為香根草的大于馬唐的。不同土層2種草類根-土復(fù)合體內(nèi)摩擦角φ彼此之間無顯著性差異。0～10 cm土層，香根草根-土復(fù)合體的粘聚力c最大(c=23.710 kPa)，為其他土層的1.06～4.02倍。

將不同徑級的RLD、RSAD、RVD與粘聚力c進(jìn)行相關(guān)分析，結(jié)果見表6。粘聚力c均與1.0

2.3.2 根系對復(fù)合體抗沖性能的影響 2種草類根-土復(fù)合體抗沖指數(shù)ANS見表5，抗沖指數(shù)ANS隨著土層深度的增加而減小，且各土層均表現(xiàn)為香根草的大于馬唐的。0～10 cm土層，香根草根-土復(fù)合體的抗沖指數(shù)ANS最大，為其他土層的1.10～1.64倍。

不同徑級的RLD、RSAD、RVD與抗沖指數(shù)ANS的相關(guān)分析如表6所示?？箾_指數(shù)ANS與1.0

3 討論

香根草和馬唐的生物學(xué)特性不同，其根系垂直分布和徑級分布特征存在顯著差異。0～10 cm土層，草類根系各項總體指標(biāo)和徑級指標(biāo)均顯著大于10～20 cm和20～30 cm土層，說明根系具有在淺層(0～10 cm)土壤集中分布的特征，這與李建興等[20]、秦川等[21]的研究結(jié)果一致。土壤微團(tuán)聚體組成中，粗砂粒(1～0.25 mm)含量越大，粘粒含量(<0.001 mm)越小，意味著分形維數(shù)D越小，土壤團(tuán)聚體的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性越好[18]。相關(guān)分析表明，具有良好徑級分布特征的根系系統(tǒng)更有利于改善土壤微團(tuán)聚體組成，增強土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。較之馬唐，0～30 cm土層的香根草根系更為發(fā)達(dá)，其根系網(wǎng)絡(luò)串聯(lián)土壤和根土粘結(jié)作用更有利于形成穩(wěn)定的土壤團(tuán)聚結(jié)構(gòu)[22]。此外，香根草根系的分泌物可能較多，分泌物與土粒的膠結(jié)作用亦能增強土壤團(tuán)聚體的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性[23]，故香根草根-土復(fù)合體的抗侵蝕性優(yōu)于馬唐的。

香根草0～10 cm土層其容重最小與根系總體指標(biāo)RVD和RWD最大有密切的關(guān)系，原因是根系網(wǎng)絡(luò)串聯(lián)、穿插土壤以及根系腐爛分解能夠增大土壤的孔隙度。1.0

粘聚力c主要來源于土粒間的物理化學(xué)作用力，包括庫侖力(靜電力)、范德華力和膠結(jié)作用力等[26]。0～10 cm土層，2種草類根-土復(fù)合體粘聚力c顯著大于10～20 cm和20～30 cm土層。究其原因，0～10 cm土層根尖數(shù)、根分叉數(shù)、根交叉數(shù)以及根結(jié)總數(shù)遠(yuǎn)大于10～20 cm和20～30 cm土層，這些粗糙的根系表面可以與土壤顆粒緊密接觸，接觸距離達(dá)到了上述各種力的作用范圍，增大了根系表面與土壤顆粒之間的物理化學(xué)作用力；另外0～10 cm土層的根系分泌物可能較多，根系分泌物是一種天然的膠結(jié)物質(zhì)，能對土粒產(chǎn)生膠結(jié)作用，亦能增大粘聚力c。本研究表明，根系增強復(fù)合體抗剪性能主要是通過影響粘聚力c來實現(xiàn)的，而非內(nèi)摩擦角φ，這與馮國建等[15]、楊亞川等[27]的研究結(jié)果一致。

1.0

4 結(jié)論

1)0～30 cm的各土層，香根草根系的各項總體指標(biāo)和徑級指標(biāo)均優(yōu)于馬唐；2種草類根系總體指標(biāo)和徑級指標(biāo)均表現(xiàn)為：0～10 cm土層最優(yōu)，10～20 cm次之，20～30 cm土層最差。

2)較之馬唐，香根草根系更有利于降低土壤容重，改善土壤微團(tuán)聚體組成狀況，降低微團(tuán)聚體分形維數(shù)D，提高土壤有機碳含量；1.0

3)2種草類根-土復(fù)合體的抗沖剪性能均隨著土層深度的增加而減弱，且各土層均表現(xiàn)為香根草的優(yōu)于馬唐的；1.0

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Root distribution characteristics ofVetiveriazizanioidesandDigitariasanguinalisand their effects on the anti-erodibility of purple soil in slopelands

WANG Run-Ze1, CHEN Yun1*, LI Tie1, PENG Shi-Lei1, LIU Zhi-Peng1, SHAN Zhi-Jie2

1.CollegeofResourcesandEnvironment,KeyLaboratoryofEco-environmentsinThreeGorgesReservoirRegion,SouthwestUniversity,Chongqing400715,China; 2.ChinaInstituteofWaterResourcesandHydropowerResearch,StateKeyLaboratoryofSimulationandRegulationofWaterCycleinRiverBasin,Beijing100048,China

The aim of this study was to investigate the characteristics of grass root distribution and its effects on soil anti-erodibility in purple soil areas. Two grass species,VetiveriazizanioidesandDigitariasanguinalis, growing on slopelands were chosen as the experimental materials. Root and soil samples were taken from 0-10, 10-20, and 20-30 cm soil depths. Root parameters, soil shear strength, and anti-scourability of the root-soil system were measured to explore the relationship between root distribution and soil anti-erodibility. The values of overall root parameters and diameter parameters (root length density, root surface area density, root volume density, and root weight density) were higher forV.zizanioidesroots than forD.sanguinalisroots in 0-30 cm soils. Compared withD.sanguinalisroots,V.zizanioidesroots were more conducive to reducing soil bulk density, improving soil microaggregate composition, and increasing the soil organic carbon content. Soil shear strength and anti-scourability of the root-soil systems were highest in 0-10 cm soils and lowest in 20-30 cm soils. The values of both parameters were higher forV.zizanioidesthan forD.sanguinalis. A correlation analysis indicated that 1.0

root system； internal friction angle； cohesion； anti-scourability index； purple soil

10.11686/cyxb2016353

2016-09-21；改回日期：2016-12-06

國家重點研發(fā)計劃項目(2016YFC0502303)，國家自然科學(xué)基金(41501288)，中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項(XDJK2015C170，XDJK2014C103)和水利部公益性行業(yè)科研專項經(jīng)費項目(201501045)資助。

王潤澤(1990-)，男，山東淄博人，在讀碩士。E-mail: 704784686@qq.com

*通信作者Corresponding author. E-mail: sy22478@126.com

http://cyxb.lzu.edu.cn

王潤澤, 諶蕓, 李鐵, 彭石磊, 劉志鵬, 單志杰. 香根草和馬唐的根系特征及對坡地紫色土抗侵蝕性的影響. 草業(yè)學(xué)報, 2017, 26(7): 45-54.

WANG Run-Ze, CHEN Yun, LI Tie, PENG Shi-Lei, LIU Zhi-Peng, SHAN Zhi-Jie. Root distribution characteristics ofVetiveriazizanioidesandDigitariasanguinalisand their effects on the anti-erodibility of purple soil in slopelands. Acta Prataculturae Sinica, 2017, 26(7): 45-54.