黃土區(qū)草被生長初期土壤抗沖性及其影響因素

劉紅巖，周正朝，王 寧，李 超，覃 淼

(陜西師范大學(xué)地理科學(xué)與旅游學(xué)院，710062，西安)

黃土高原是我國水土流失極為嚴(yán)重的地區(qū)之一，該區(qū)頻繁的干旱、脆弱的生態(tài)環(huán)境以及不合理的人類活動，使其自然植被遭到嚴(yán)重破壞，而且誘發(fā)了一系列生態(tài)環(huán)境問題[1]。土壤抗沖性是最能體現(xiàn)土壤侵蝕過程和規(guī)律的指標(biāo)之一，因此成為控制及治理黃土區(qū)土壤侵蝕的重要研究對象[2]。土壤抗沖性是指土壤抵抗外力機械破壞作用的能力，是土壤抗侵蝕性能的重要方面[3]。早在20世紀(jì)60年代，朱顯謨院士就提出了“土壤抗沖性”的概念，并指出，土壤抗沖性的研究是揭示黃土高原土壤侵蝕規(guī)律的關(guān)鍵，而植物根系提高土壤抗沖性能是植被保持水土機制研究中的核心問題之一[4-5]。之后國內(nèi)開展了不同土地利用方式下的土壤抗沖性研究，發(fā)現(xiàn)植物根系對增強土壤抗沖性具有重大作用[6]。國內(nèi)外學(xué)者對土壤抗沖性的研究主要集中在評價指標(biāo)、測定方法、影響因素、時空分布及地域分異規(guī)律等方面[7-8]。目前，土壤抗侵蝕研究的重點是植被對土壤抗沖性的作用及其機制，而核心是根系提高土壤抗沖性的機制[6,9]。先后也有研究證明重建和恢復(fù)生態(tài)環(huán)境研究中的一個重要內(nèi)容就是根系對土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和增強土壤抗沖性的作用[10]，并在不同的植被類型[11]、不同土地利用方式[8]、不同土壤類型[12]等方面得到驗證；但在土壤水分條件極度匱乏的黃土高原地區(qū)，過量植樹種草可能造成植被的水量平衡失調(diào)而使土壤干層，其生態(tài)效益極差[13]。近年來，隨著國家退耕還林(草)工程的實施，把對草地植被控制水土流失和生態(tài)恢復(fù)的認(rèn)識提升到了一個新的高度，關(guān)于不同種植密度草被對土壤抗沖性的影響已有研究[14]，但對黃土高原不同種植密度草被生長初期在不同土層對土壤抗沖性的影響及其與影響因素的關(guān)系研究還鮮有報道。

因此，筆者通過室內(nèi)盆栽試驗，以不同種植密度草被為研究對象，分析不同處理黑麥草(LoliumperenneL.)生長初期在不同土層的土壤理化性質(zhì)和根表面積密度，探討不同種植密度草被生長初期土壤抗沖性及其與土壤理化性質(zhì)和根表面積密度的相關(guān)關(guān)系，以期為完善黃土區(qū)土壤侵蝕機制及植被建設(shè)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試土壤

試驗所用土壤采自陜西省延安市安塞區(qū)沿河灣鎮(zhèn)閆家灣村，為黃土母質(zhì)上發(fā)育的黃綿土。土壤顆粒機械組成中：徑級在0.01～0.05 mm的土壤顆粒最多，占46.75%；徑級在0.05～0.25 mm的土壤顆粒次之，占38.21%；徑級為<0.01 mm的土壤顆粒機械組成最少，占15.04%。供試土壤經(jīng)自然風(fēng)干并過5 mm網(wǎng)篩后，采用1.25 g/cm3的密度填入預(yù)制PVC圓管(直徑為25 cm，高60 cm，分3層，每層用玻璃膠粘住)中，采用分層裝填法，每層按2 cm土層厚裝填，填土?xí)r用圓木樁用力均勻壓實土壤，并把每層土壤表面打毛，以消除2層之間的垂直層理。為了便于土壤排水，每個PVC圓管下面墊一個均勻打孔的托盤，托盤上平鋪一層細(xì)沙，在細(xì)沙上鋪一層細(xì)紗布。

1.2 草被培育

相關(guān)研究[15]表明，黑麥草適宜的種植密度約300株/m2。本試驗設(shè)置了3種草被處理，分別為裸地CK、低于適宜密度的H1處理(204株/m2)、高于適宜密度的H2處理(612株/m2)。用智能人工氣候箱(寧波江南儀器廠RXZ-380C-LED型號)把黑麥草的草籽培養(yǎng)3 d。將培育好的草籽于2015年9月種植于填好土壤的PVC圓管中，待種子全部出苗1周后，按試驗設(shè)計對黑麥草進(jìn)行定苗處理。定苗后根據(jù)植物生長需要適時澆水，拔除雜草，盡量減少對土壤的擾動，裸地CK也進(jìn)行灑水處理。每個處理3個重復(fù)，總共9個土樣，生長12周。待草被生長結(jié)束后，貼地表剪去植被地上部分，然后將60 cm PVC圓管分為3個土層(表層0～20 cm、次表層20～40 cm、底層40～60 cm)。

1.3 試驗測定

土壤抗沖性測定：采用原狀土沖刷法[16]，用特制的取樣器(20 cm×10 cm×15 cm)采集原狀土樣，將含有土樣的取樣器連同帶孔鋁制底片放入水盤中浸泡12 h，然后，將土樣輕置于鐵架臺上8 h去除重力水后，放置到水槽末端放樣室進(jìn)行土壤沖刷試驗。沖刷槽尺寸長2 m、寬0.1 m、高0.05 m。沖刷試驗坡度為15°，流量為3 L/min，沖刷時間為15 min。自產(chǎn)流后的前3 min每1 min取1次泥沙樣，隨后每2 min取1次泥沙樣，共取9次泥沙樣。沖刷結(jié)束后，將泥沙樣靜置30 min后撇去上層清水，將剩余泥沙混合物小心倒入鋁盒內(nèi)，置于烘箱中烘干(105 ℃，12 h)稱重，測定泥沙質(zhì)量(g)。土壤抗沖指數(shù)定義為在一定流量，沖走1 g土所需要的時間(s/g)[17]，即

IAS=T/WLDS。

(1)

式中：IAS為土壤抗沖指數(shù)，s/g；T為沖刷歷時，s；WLDS為沖失干土質(zhì)量，g。

土壤干密度的測定：用環(huán)刀法取樣測定。土壤團聚體質(zhì)量分?jǐn)?shù)的測定：用四分法取樣，采用團聚體分析儀(上海德碼信息技術(shù)有限公司ZY-200IV型號)測定。土壤有機質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)的測定：采用重鉻酸鉀容量-外加熱法。

根系指標(biāo)測定：將沖刷試驗結(jié)束后的土樣在0.5 mm過濾網(wǎng)篩中反復(fù)沖洗干凈，洗出全部根系，并保證無雜物，將洗凈的根系平鋪在透明的掃描器皿中，加一定量清水使根系間無重疊堆積，蓋上背景板，放入掃描儀(日本EPSON Perfection V700 PHOTO)中進(jìn)行掃描。 掃描分辨率為300 dpi，圖片格式保存為灰度TIF格式。將得到的根系圖像用軟件(加拿大 Regent WinRHIZO 2009a)分析計算根系的表面積，由此得到單位土體的根表面積密度數(shù)據(jù)，單位為cm2/cm3[16]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

選用Microsoft Excel 2007和SPSS 20.0軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與分析，用單因素方差分析(One-way ANOVA)和多重比較LSD法分析不同土層、不同密度草被間的顯著性差異，并用Pearson相關(guān)系數(shù)分析不同影響因子與土壤抗沖性的相關(guān)關(guān)系。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤理化性質(zhì)及根系的變化

由表1可知，各處理不同層次土壤密度發(fā)生了異質(zhì)性變化，H1和H2處理表層(0～20 cm)的土壤密度與CK相比分別下降4.03%和4.83%，次表層(20～40 cm)土壤密度分別下降2.41%和1.61%，表層土壤密度下降最為顯著，而底層(40～60 cm)變化較小，接近裸地CK的水平。和CK相比，H1和H2處理土壤有機質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)、團聚體質(zhì)量分?jǐn)?shù)和根表面積密度變化表現(xiàn)出相同的趨勢，均隨土層深度的增加而呈階梯式下降，且表層H1和H2處理的有機質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)、團聚體質(zhì)量分?jǐn)?shù)和根表面積密度分別與次表層和底層之間均達(dá)到統(tǒng)計學(xué)顯著差異水平(P<0.05)。

2.2 土壤抗沖性的變化

如圖1所示，CK處理的土壤抗沖指數(shù)IAS在3個土層變化較小。H1和H2處理IAS表現(xiàn)為表層>次表層>底層。H1和H2處理表層的IAS分別與次表層和底層之間均達(dá)到顯著性差異水平(P<0.05)，而次表層和底層的IAS之間無顯著性差異(P<0.05)，土壤表層的IAS顯著大于次表層和底層。另外，在土壤表層，H2處理的IAS分別比H1和CK處理表層的多0.46和1.11 s/g?？傮w來看，在草被恢復(fù)初期，與CK相比，H1和H2處理能顯著增加表層IAS，且H2處理更能提高表層土壤抗沖性。

2.3 土壤抗沖性主要影響因子分析

由圖2可知，CK處理IAS與土壤密度、有機質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)和團聚體質(zhì)量分?jǐn)?shù)之間均沒有達(dá)到相關(guān)水平(R2分別為0.219 7、0.001 1、0.001 6)(圖2a，2b，2c)。H1處理IAS與土壤密度呈冪函數(shù)遞減函數(shù)關(guān)系(R2=0.434 2)，H2處理IAS與土壤密度呈顯著的冪函數(shù)遞減函數(shù)關(guān)系(R2=0.659 3*)(圖2a)。H1處理IAS與有機質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)和團聚體質(zhì)量分?jǐn)?shù)之間分別呈極顯著和顯著的指數(shù)遞增函數(shù)關(guān)系(R2分別為0.922 1**、0.678 5*)，H2處理IAS與有機質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)和團聚體質(zhì)量分?jǐn)?shù)之間分別呈顯著和極顯著的指數(shù)遞增函數(shù)關(guān)系(R2分別為0.586 6*、0.697 1**)(圖2b，2c)。H1和H2處理根表面積密度和IAS之間均呈極顯著的指數(shù)遞增函數(shù)關(guān)系(R2分別為0.813 6**、0.750 9**)(圖2d)。

表1 不同種植密度草被生長初期土壤理化性質(zhì)及根系密度的變化Tab.1 Change of soil physiochemical properties and root density at the early growth stage in different planting density grasses

注：CK：裸地；H1：低種植密度黑麥草(204株/m2)；H2：高種植密度黑麥草(612株/m2)。不同大寫字母表示同一種植密度不同土層之間差異顯著(P<0.05)；不同小寫字母表示同一土層不同種植密度之間差異顯著(P<0.05)。下同。Notes: CK: Bare land. H1: Low planting density ofLoliumperenneL. (204 plants/m2). H2: High planting density ofLoliumperenneL. (612 plants/m2). Different big letters refer to significant difference among different soil layers of the same planting density (P<0.05). Different small letters refer to significant difference between different planting densities in the same soil layer (P<0.05). The same below.

圖1 不同種植密度草被土壤抗沖性的變化Fig.1 Change of soil anti-scourability of different planting density grasses

3 討論

3.1 不同種植密度草被生長初期對土壤理化性質(zhì)和根系的影響

N=9，*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))上顯著相關(guān)。 N=9, * indicates significant correlation at 0.05 level (bilateral), and ** indicates significant correlation at 0.01 level (bilateral). 圖2 不同種植密度草被土壤抗沖性與土壤理化性質(zhì)及根系的關(guān)系Fig.2 Soil anti-scourability of different planting density grasses and its relationship with soil physiochemical properties and root system

不同種植密度草被生長初期對土壤理化性質(zhì)和根系的影響有所差異。筆者研究發(fā)現(xiàn)，種植黑麥草能顯著降低表層(0～20 cm)土壤密度(表1)，這與李強等[18]在黃土丘陵區(qū)研究的結(jié)果一致。與CK處理相比，H1和H2處理有機質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)、團聚體質(zhì)量分?jǐn)?shù)和根表面積密度變化的總趨勢為隨土層深度的增加而呈階梯式降低(表1)，這與鄭子成等[9]研究結(jié)果相似。草被的生長發(fā)育使根系不斷增多，且根系具有網(wǎng)絡(luò)串聯(lián)、根土黏結(jié)和生物化學(xué)作用[17]，一方面，能疏松土壤，降低土壤密度，另一方面，能促進(jìn)土壤有機質(zhì)和團聚體的形成，而表層土壤(0～20 cm)是根系的密集分布區(qū)，根系對次表層(20～40 cm)和底層(40～60 cm)影響較為微弱；所以，H1和H2處理土壤密度大小表現(xiàn)為表層<次表層<底層，而有機質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)、團聚體質(zhì)量分?jǐn)?shù)和根表面積密度均表現(xiàn)為表層>次表層>底層。

3.2 不同種植密度草被生長初期土壤抗沖性及主要影響因子分析

筆者研究中，CK處理的土壤抗沖指數(shù)IAS在3個土層變化較小，波動在0.57～0.68 s/g 之間，H1和H2處理IAS表現(xiàn)為表層>次表層>底層(圖1)，這與前人研究結(jié)果[19-20]相符。表層IAS表現(xiàn)為H2(1.69 s/g)>H1(1.23 s/g)> CK(0.58 s/g)(圖1)，原因是H2處理種植密度高，植被覆蓋度也較H1處理高，較高的植被覆蓋度能增大徑流入滲，降低地表徑流流速，增強土壤抵抗徑流剝蝕與沖刷的能力，提高土壤抗沖性能。本研究表明，H1和H2處理在次表層和底層對IAS沒有顯著影響，這與李強等[18]研究的結(jié)果略有不同。李強等[18]研究認(rèn)為土壤抗沖性隨撂荒年限的增大在中層呈穩(wěn)定增加而下層無顯著變化。可能是筆者僅研究草被恢復(fù)初期對土壤抗沖性的影響，由于草被生長時間較短，對次表層影響較小，而李強等研究撂荒地的土壤抗沖性，由于撂荒時間較長，群落結(jié)構(gòu)變的復(fù)雜，根系對中層土壤影響增大，致使中層土壤抗沖性增強。

本文探討了土壤密度，有機質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)、團聚體質(zhì)量分?jǐn)?shù)和根表面積密度對不同種植密度草被生長初期土壤抗沖性的影響。結(jié)果表明，相比較CK處理，H1和H2處理IAS與有機質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)、團聚體質(zhì)量分?jǐn)?shù)之間均達(dá)到顯著正相關(guān)(P<0.05)(圖2b，2c)，與根表面積密度之間達(dá)到了極顯著正相關(guān)(P<0.01)(圖2d)。這與李陽芳等[11]、Zhou Zhengchao等[16]研究的結(jié)果一致。不同于本研究結(jié)果(圖2a)，史冬梅等[12]研究發(fā)現(xiàn)土壤密度與土壤抗沖指數(shù)呈正相關(guān)?？赡苁且驗橥寥烂芏炔皇怯绊懲寥揽箾_性的唯一因素，土壤抗沖性能受多種因素影響，如植被類型、土壤性質(zhì)、人類活動等，而且土壤密度的形成過程不同對土壤抗沖性的影響也不相同，所以土壤密度對土壤抗沖性的影響可能有較大差異。

4 結(jié)論

不同種植密度草被生長初期對表層(0～20 cm)的土壤理化性質(zhì)和根表面積密度有顯著影響。在恢復(fù)初期，草被的生長能夠降低土壤密度，提高土壤有機質(zhì)與團聚體質(zhì)量，增強土壤抗沖性，且在較高密度時效果更顯著。土壤密度、有機質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)、團聚體質(zhì)量分?jǐn)?shù)和根表面積密度綜合影響土壤抗沖性，其中各因素作用強度有待于深入剖析。綜上所述，試驗結(jié)果為黃土區(qū)植被恢復(fù)初期種植密度的選擇提供了一定的理論依據(jù)。但草被生長與土壤相互作用是個長期過程，本研究僅進(jìn)行了為期12周的試驗，研究結(jié)論具有一定的局限性，在以后的研究中應(yīng)延長試驗周期，增大種植密度梯度設(shè)計，以便研究成果能更好的服務(wù)水土保持實踐。

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