靜水條件下植物根系對紫色土的抗蝕性效應

李紀滕 夏振堯 劉琦 張倫 張保華 潘嬋娟 杜祥運 許文年

摘要：三峽庫區(qū)廣泛分布的紫色土崩解造成嚴重的水土流失，在該區(qū)域人工構建植被是解決該問題的重要途徑。以紫色土、狗牙根和多花木藍為研究對象，通過靜水崩解試驗，研究不同植物根系組合下紫色土的抗蝕性能，分析紫色土的杭蝕性能與植物根系特征、侵蝕坡度的相互關系。結果表明：植物根系能顯著提高紫色土的土壤平均質量直徑（MWD）、杭蝕系數和杭蝕增強系數，植物根系組合的杭蝕增強效果為草灌混播>純草本>純灌木；紫色土的抗蝕系數隨根系的根長密度、根表面積密度、根重密度的增大而增大，擬合優(yōu)度在0.96以上，成顯著相關關系；相同的種植條件下，累計崩解量隨侵蝕坡度的增大而增大，且在崩解前期增速較快、后期增速較慢并逐漸趨于穩(wěn)定。

關鍵詞：紫色土；抗蝕系數；土壤團聚體；根系特征；侵蝕坡度；累計崩解量

中圖分類號：S157.1 文獻標志碼：A doi：10.3969/i.issn.1000-1379.2018.02.019

1 研究背景

三峽庫區(qū)消落帶水土流失的主要原因之一是土壤崩解。紫色土是侵蝕性土壤，其成土母巖構造疏松，易于風化，成土母質風化后很容易被侵蝕，從而使得露出地表的母質層持續(xù)崩解。三峽水庫周期性蓄水、泄洪，形成的消落帶最高水位落差為30m，使庫區(qū)兩岸坡地周期性浸泡和露出水面。周期性的水位變化加劇了水土流失，對三峽庫區(qū)的生態(tài)環(huán)境和長江航運產生不利的影響。目前，在消落帶采用人工構建植被的手段是解決三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境的重要途徑之一。消落帶原有的植物在水庫水位的漲落環(huán)境中不易生存，且紫色土在三峽庫區(qū)廣泛分布，占土地面積的19%～40%，將導致水庫兩岸產生較為嚴重的土壤侵蝕和水土流失，影響三峽庫區(qū)的生態(tài)環(huán)境。

土壤抗蝕性是指土壤抵抗侵蝕營力對其分散、搬運的能力。已有研究表明，植物根系對土壤的抗蝕能力具有顯著的增強作用。吳鵬等的研究表明，團聚狀況、團聚度、大于0.25mm水穩(wěn)性團聚體含量、結構破壞率、分散系數，可作為評價土壤抗蝕性的指標。植被主要通過改變土壤的自然環(huán)境而改變其抗蝕性，它是影響土壤抗蝕性能的重要因素之一。不同植被條件下，各土層間土壤抗蝕性指數差異顯著。然而目前對靜水浸泡根系提高土壤抗侵蝕研究較少。劉定輝等研究表明，有效根（根徑小于1mm的細根）可增加有機質和土壤水穩(wěn)性團聚體的含量，其密度與土壤的物理性質關系最為密切；王庫研究得出，植物根系與土壤水穩(wěn)性團聚體有較強的相關性，根徑小于1mm的細根可提高水穩(wěn)性團聚體的數量，在須根的穿插和纏繞以及活根的分泌物膠結作用下，增強土壤抗分散和抗懸浮的能力；吳淑安等發(fā)現(xiàn)植物根系對土壤的抗蝕性有顯著提升，植物根系豐富的土壤比根系較少的土壤抗崩解的能力更加顯著；張冀研究發(fā)現(xiàn)，植被有助于土壤水穩(wěn)性團聚體的形成，并能改善土壤性質且維持較為穩(wěn)定的土體結構。以往的研究大都通過環(huán)刀取樣，獲得含根系的土柱，然后放入水中進行靜水崩解試驗，并得出根長密度和根表面積密度可以作為表征土壤抗水蝕能力的重要參數。需要指出的是，以往研究土體崩解的試驗中，土體周圍均未受到約束，與庫水浸泡土壤的實際情況存在較大差異。三峽庫區(qū)地處丘陵地帶，不同坡度的紫色土邊坡表現(xiàn)出不同的重力侵蝕特征；同時，坡度不同導致土壤顆粒的分散方式不同，土樣受到的約束和坡度是影響侵蝕強度的重要因素。

本文通過自制的靜水崩解裝置進行試驗，研究不同植物根系組合下紫色土的抗蝕性能，探討植物根系特征、侵蝕坡度與紫色土抗蝕性的關系，揭示植物根系增強紫色土抗蝕性效應。

2 材料與方法

2.1 試驗材料

選取三峽地區(qū)常見的草本植物狗牙根和灌木植物多花木藍作為試驗研究對象。紫色土采自宜昌市秭歸縣茅坪鎮(zhèn)橘園地下方的消落帶，取地表層30cm以下污染較輕的深層土，去除土壤中的雜質，經風干、碾壓，過5mm篩后，用篩分法測定土粒顆粒級配。土樣的天然含水率、干密度、pH值、顆粒級配見表1。

將過篩后的土樣采用靜壓法制成30cm×30cm×10cm（長×寬×高）的試樣。根據狗牙根和多花木藍最佳播種量計算得出，單播在30cm×30cm×10cm（長×寬×高）試樣盒子中的播種量分別為1.2、0.8g，混播時的播種量分別為0.6、0.4g。植物種子均勻分布于試樣中，每種播種形式設置5個試樣，并設置5個無種子試樣，共計20個試樣。種植后，定期進行澆水養(yǎng)護，種植周期為1a。

2.2 試驗方法

由于消落帶只有一個面與水接觸發(fā)生侵蝕，因此本試驗的試樣只有頂面與水發(fā)生接觸，其他幾個面都受到約束。采用的自制崩解裝置如圖1所示，將試樣放在試樣盒中，楔形體放置于水槽內部，試件的底平面與楔形體的斜面保持平行，同時楔形體尖端安裝有防滑釘，防止試樣盒在試驗過程中滑落。為研究不同侵蝕坡度對紫色土崩解性能的影響，制作30°、20°、10°傾角的楔形體來模擬3種坡度。

將種植1a植物的試樣剪去上部的植被，清理試樣表層的雜物，根據土工試驗標準及植物的實際生長情況，選用靜壓法制成30cm×30cm×10cm（長×寬×高）的試樣種植植物，崩解試驗采用10cm×10cm×10cm（長×寬×高）的方形取土器取土作為試樣，每個崩解試樣都放入試樣盒中，設3組重復，每組3個崩解水槽。準備大小相同的3個崩解水槽，在每個水槽外壁標記相同高度的崩解水位作為試驗水位。首先將3組試樣盒和楔形體按圖1分別放置于3個水槽中，然后沿著水槽壁向水槽中緩慢注水至試驗水位，開始計時。

試驗中，每個試樣的浸泡時間分為7個階段，分別在1、3、6、12、18、24、30min時取出試樣，清理水槽中崩解后留下的土顆粒，放入鋁盒中烘干，稱量并記錄崩解量，接著繼續(xù)崩解試驗，直至7個階段全部完成。如果試樣在30min之內崩解完成，則以實際完全崩解的時間作為本次試驗最終的崩解時間。崩解完成后，將靜置后水槽中的清水倒掉，把水槽內的土樣裝人鋁盒烘干并稱重。

崩解試驗完成后，將試樣放入孔徑為1mm的細紗布中，用清水反復沖洗，直至獲得干凈的植物根系，將植物根系放入自封袋中并編號。利用WinRHIZO根系分析儀器測定根系的根長密度（單位土壤體積內根的總長度）、根重密度（單位土壤體積內根的干重）、根表面積密度（單位土壤體積內根系的總表面積）等參數，最后將根系放入80℃的恒溫箱中烘72h，取出并稱重得到根系的生物量。

運用Excel軟件，繪制不同條件下紫色土的累計崩解量與崩解時間曲線、抗蝕性系數與根系參數（根長密度、根重密度、根表面積密度）之間的關系曲線，并進行相關性分析。

3 試驗結果分析

3.1 土壤團聚體對抗蝕性的影響

種植純灌木、純草本和草灌混播的紫色土，干篩大于0.25mm的團聚體均占95%以上（見表2）。由表2可知，3種植物種植模式的土壤干篩團聚體大于0.25mm的含量為98.67%～99.05%，而土壤干篩團聚體大于0.25mm的比例越大，土體的抗蝕能力越強，說明植物根系對土壤的纏繞、固結作用提高了土壤的抗蝕性能，此結論與李陽兵等的研究結論一致。

土壤的團聚體含量越高，表明土壤的持水性、透水性越好，可減少地表徑流、降低土壤被水侵蝕破壞的程度。不少學者對團聚體的組成進行了全面分析，提出了不同的評價標準，Y.L.Bissonnais等提出通過土壤平均質量直徑（MWD）來比較土壤團聚體，認為MWD值越大，土體的抗蝕性越強。無根試樣的MWD值為5.28mm，草灌混播、純草本、純灌木3種植物種植模式的土壤團聚體的MWD值明顯增大，在5.88-6.56mm之間變化，MWD值的大小順序為草灌混播>純草本>純灌木>無根試樣（見表2），表明植物根系的生長有助于提高土壤中團聚體的含量和土壤的抗蝕性能。

3.2 植物根系參數對土壤抗蝕性的影響

研究發(fā)現(xiàn)，10°、20°、30°坡度條件下，抗蝕系數與根系參數之間的變化曲線相似，限于篇幅，本文以30°坡面為例，分析根系參數與土壤抗蝕系數之間的關系。

植物根系參數是影響土壤抗蝕性的重要因素。由表3可看出：在紫色土崩解試驗中，土壤的累計崩解量為100.33～664.56g，采用3種組合模式試樣的崩解量均比無根試樣的顯著減小；紫色土無根試樣的平均崩解速度為22.152g/min，而其他3種種植后試樣的平均崩解速度均明顯減??；3種植物種植模式的紫色土抗蝕系數、抗蝕性增強系數比無根試樣均有較大提升。

土壤抗蝕性采用土壤抗蝕系數來表示，土壤抗蝕系數是平均崩解速度的倒數，其值越大，抗蝕性越強。紫色土無根試樣的抗蝕系數為0.045min/g，草灌混播、純草本、純灌木3種種植模式的土壤抗蝕系數均明顯增大，其大小順序為草灌混播>純草本>純灌木>無根試樣，表明植物根系對土壤的纏繞固結作用抑制了土粒的分散，提高了土壤的抗蝕性。

土壤的抗蝕性增強系數為無根試樣與有根試樣平均崩解速度的差值和無根試樣的平均崩解速度的比值。由表3可知，3種植物種植模式的土壤抗蝕性增強系數均為正值，說明植物能提高土壤的抗蝕能力，且土壤抗蝕性增強系數的大小與增強土壤的抗蝕能力正相關。

由圖2可以看出，坡度一定（以30°坡面為例）的情況下，純灌木、純草本、草灌混播3種植物種植試樣的抗蝕系數隨試樣土體中根系的根長密度的增大而增大。

從3種植物種植試樣的抗蝕系數與根長密度的擬合曲線可以發(fā)現(xiàn)，不同種植模式下的曲線采用二次多項式函數擬合的效果最好，其擬合優(yōu)度均在0.960以上（見表4）。由曲線擬合方程可知，土壤的抗蝕系數隨著根系根長密度的增加呈現(xiàn)二次多項式函數增大的趨勢。

由圖3可以看出，試樣崩解坡度一定（以30°坡面為例）的情況下，純灌木、純草本、草灌混播3種植物種植模式試樣的抗蝕系數隨試樣土體中根系的根表面積密度的增大而增大。

3種植物種植模式試樣的抗蝕系數與根表面積密度之間的關系，采用二次多項式函數擬合的效果最好，其擬合優(yōu)度均在0.965以上（見表5）。由曲線擬合方程可知，土壤的抗蝕系數隨著根系根表面積密度的增大呈二次多項式函數增大的趨勢。

由圖4可以看出，試樣崩解坡度（以30°坡為例）一定的情況下，3種植物種植模式試樣的抗蝕系數隨根重密度的增大而增大。

3種植物種植模式試樣的抗蝕系數與根重密度之間的關系，采用二次多項式函數擬合的效果最好，其擬合優(yōu)度均在0.970以上（見表6）。曲線擬合方程表明，土壤的抗蝕系數隨著根重密度的增大呈二次多項式函數增大的趨勢。

3.3 不同坡度下3種植被根系對土壤抗蝕性的影響

10°、20°、30°坡度下無根試樣、純草本、純灌木、草灌混播試樣的土壤累計崩解量與崩解時間的關系見圖5。在相同坡度條件下，無根試樣的累計崩解量明顯大于有根試樣的，表明植物修復后紫色土的抗蝕性能顯著提升。無根試樣崩解前6min的累計崩解量增速較快，之后累計崩解量增速逐漸減緩；有植被試樣崩解前3min的累計崩解量增速較快，之后累計崩解量增速逐漸減緩并趨于穩(wěn)定。累計崩解量的大小順序為無根試樣>純灌木>純草本>草灌混播。

在相同植被種植條件下，坡度越大，試樣的累計崩解量越大，且崩解試驗前期的累計崩解量增速較快，后期累計崩解量增速減緩并趨于穩(wěn)定，有根試樣的累計崩解量遠小于無根試樣的，表明植物根系對土壤的纏繞、固結作用，有效抑制了土粒之間的分散，改善了土壤的理化性質，提高了土壤的抗蝕性，這與吳淑安等的研究結論一致。

4 結語

（1）草灌混播、純草本、純灌木3種模式試樣的抗蝕性均比無根試樣明顯提升，有根和無根試樣的抗蝕系數、抗蝕性增強系數的大小排序均為草灌混播>純草本>純灌木>無根試樣。

（2）種植植物后的試樣土壤團聚體的MWD值均比無根試樣明顯增大，其值大小為草灌混播>純草本>純灌木。

（3）試樣土壤的抗蝕系數與土體中根系的根長密度、根表面積密度、根重密度之間成二次多項式函數關系，根長密度、根表面積密度、根重密度越大，土壤的抗蝕性越強。

（4）在相同坡度條件下，種植植物后的試樣土壤累計崩解量明顯比無根試樣的小，累計崩解量大小順序為無根試樣>純灌木>純草本>草灌混播；無根試樣的累計崩解量在崩解試驗的前6min增速較快，之后累計崩解量增速逐漸減緩；種植植物的試樣累計崩解量在崩解試驗的前3min增速較快，之后累計崩解量增速逐漸減緩并趨于穩(wěn)定。

（5）在相同植物種植條件下，試樣的累計崩解量隨坡度的增大而增大，且崩解試驗前期的土壤累計崩解量增速較快，后期累計崩解量增速較緩且趨于穩(wěn)定。

本文僅對靜水條件下不同坡度、不同根系組合下三峽庫區(qū)消落帶紫色土壤抗蝕性進行了研究，水壓力、水深、水力沖擊等因素對土壤抗侵蝕的影響有待進一步研究。