黃河源河岸帶植物根-土復合體抗蝕特性研究

李 可，朱海麗，謝彬山，李本鋒，胡夏嵩，李國榮

（1.甘肅省交通規(guī)劃勘察設(shè)計院股份有限公司，甘肅蘭州730030；2.青海大學地質(zhì)工程系，青海西寧810016；3.青藏高原北緣新生代資源環(huán)境重點實驗室，青海西寧810016）

黃河源區(qū)地處青藏高原東北部，區(qū)內(nèi)發(fā)育著眾多自由彎曲河流，高寒草甸、高寒草原化草甸植被群落發(fā)育良好，覆蓋度較高［1］。2011—2017年對黃河源區(qū)河流地貌野外調(diào)查表明，彎曲河流在季節(jié)性凍融及水流沖蝕作用下，凹岸崩塌現(xiàn)象較為嚴重，河灣每年產(chǎn)生0.5～1.0 m的橫向遷移，崩落至近岸邊的根-土復合體在水流浸泡及沖刷作用下緩慢崩解、分散，能夠在一定時間內(nèi)保護坡腳免受水流沖刷，從而減緩河岸的崩塌。因此，定量化對比分析黃河源區(qū)高寒草甸根-土復合體在凍融循環(huán)作用前后的抗水蝕特性，對于定量分析彎曲河流橫向演變過程、崩岸速率等具有重要意義。

土壤抗侵蝕性可分為土壤抗沖性和土壤抗蝕性［2-4］，其中土壤抗蝕性是指土壤抵抗水的分散和懸浮的能力［5］，是評定土壤抵抗侵蝕能力的重要參數(shù)，與土壤的理化性質(zhì)密切相關(guān)。國內(nèi)外學者開展的相關(guān)試驗研究表明：土體在水中的變化有緩慢崩解、指數(shù)崩解、完全崩解三個階段［6-7］；土壤抗蝕性不能由單一指標來評價［8］；土壤生物學指標以及土壤內(nèi)在的物理性質(zhì)即結(jié)皮強度、有機質(zhì)含量、孔隙狀況、水穩(wěn)性團聚體含量、土壤顆粒組成等，對土壤抗蝕性的影響較為明顯［9-12］；植被有效根密度及在土壤剖面中的盤繞能夠提高土壤的透水性，并增強土壤的抗沖性［13-16］；高寒草甸植被多為密叢性根系植物，根徑≤1 mm的須根較多［17］，因此對提高土體抗蝕性具有重要作用；季節(jié)性凍融侵蝕是黃河源區(qū)常見的一種土壤侵蝕類型［18］；長期的凍融作用，使黃河源區(qū)河岸植被完整性遭到破壞，河岸凍脹裂縫發(fā)育，在水流的沖刷下河岸土體易坍塌［19］；土體結(jié)構(gòu)在凍融作用下受到很大的破壞，土的孔隙度減小，但滲透性有所增強，在經(jīng)過30次凍融循環(huán)后逐漸趨于穩(wěn)定［20-23］；隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，黏土的黏聚力逐漸下降［24-25］。關(guān)于凍融作用的研究，主要集中在土體的物理特性和力學參數(shù)等方面，而對凍融作用影響根-土復合體抗水蝕的相關(guān)研究較少。因此，筆者以黃河源區(qū)高寒草甸區(qū)河岸根-土復合體為研究對象，通過原位取樣和室內(nèi)試驗，對比分析試樣凍融循環(huán)前后的抗水蝕指數(shù)，定量研究凍融作用下黃河源區(qū)高寒草甸根-土復合體的抗水蝕性能的變化規(guī)律，深入揭示不同植被類型和蓋度、不同凍融循環(huán)次數(shù)對根-土復合體抗蝕性的影響，以期為黃河源區(qū)河岸保護等提供參考。

1 研究區(qū)自然概況

研究區(qū)位于青海省東南部黃南藏族自治州河南縣以南約 50 km 處，其地理坐標為北緯 34°26′—35°2′、東經(jīng)101°29′—101°35′。 該區(qū)域海拔3 400～4 200 m，屬高原亞寒帶濕潤氣候區(qū)，冷季漫長多大風，暖季短暫，氣候濕潤多雨，干濕季節(jié)分明。研究區(qū)年均氣溫在-4℃以下，最低氣溫為-31.89℃，屬季節(jié)性凍土區(qū)，年平均凍土深度為137.87 cm，季節(jié)凍土凍結(jié)時間年平均為149 d。多年平均降水量為560 mm，多集中在5—9月。研究區(qū)河岸帶植被主要為高寒草甸，其中華扁穗草、線葉嵩草、西藏嵩草和垂穗披堿草等草本植物分布較廣且生長良好，為主要優(yōu)勢草種，灌木種以金露梅、銀露梅和西藏沙棘為多見［1］。

2 試驗研究方法

2.1 取樣與試驗概況

2016年6月25—28日在研究區(qū)河岸帶選取優(yōu)勢植物華扁穗草、金露梅大量分布的區(qū)域，選定3種不同植被覆蓋度樣地作為試驗取樣點，此外選取1個植被覆蓋度小于5%的禿斑地作為裸露地取樣點，4個取樣點分別為裸露地（1號）、覆蓋度為60%的華扁穗草地（2號）、覆蓋度為90%的華扁穗草地（3號）、覆蓋度為90%的金露梅+雜草地（4號）。用鐵鍬挖取直徑為30 cm、地表以下深度為25 cm的圓柱形土樣，放入取樣盆中帶回實驗室。依據(jù)地下根量變化的特點，對取樣盆中的土樣按表層往下0～5、6～10、11～15 cm 三個取樣深度用削土刀切取長×寬×高為10 cm×4 cm×5 cm的小塊試樣，按凍融循環(huán)次數(shù)為0、3、6、9、12次分別進行重復取樣，將取得的小塊試樣裝入自封袋并貼好標簽后放入BD／BC-148JC型冰箱中進行凍結(jié)。依據(jù)2001—2015年10月—次年4月的氣溫變化情況，設(shè)定凍結(jié)溫度為-18℃、融解溫度為10℃。將抗水蝕試驗的試樣放入預設(shè)溫度為-18℃的冰箱凍結(jié)24 h，然后置于預設(shè)溫度為10℃的LRHS-150-III型恒溫恒濕培養(yǎng)箱融解24 h，此過程為一次凍融循環(huán)，按照此方法和試驗設(shè)置完成0、3、6、9、12次凍融循環(huán)。在挖取土樣過程中，按0～5、6～10、11～15 cm 三個深度用環(huán)刀原狀制取根-土復合體，測定其天然密度、根面積比、根長密度、根體積比、含水率和有機質(zhì)含量，其中有機質(zhì)測定采用重鉻酸鉀容量法。試樣基本物理性質(zhì)指標測定結(jié)果見表1。

將完成凍融循環(huán)次數(shù)的試樣放入托盤中自然風干，然后依次過5、2 mm的篩，留取直徑2～5 mm的土顆粒90粒作為試樣，分三批均勻置于自制簡易水蝕裝置中浸泡，該裝置［5］包括托盤（20 cm×20 cm×3 cm） 、網(wǎng)架（15 cm×15 cm ×2 cm）、燒杯（1 000 mL）。 觀察土顆粒在靜水中的崩解現(xiàn)象，當土顆粒表面出現(xiàn)大的裂縫，并在輕微觸碰下碎裂時，認為已完全崩解，每隔1 min記錄崩解土顆粒個數(shù)，連續(xù)觀察記錄10 min，并記錄最終的崩解土顆粒個數(shù)。依次完成凍融前后不同植被覆蓋度、不同取樣深度和不同凍融次數(shù)的根-土復合體的崩解試驗，每組試驗重復3次。

2.2 數(shù)據(jù)處理

土體抗蝕指數(shù)指在規(guī)定時間內(nèi)未崩解土顆粒個數(shù)占總顆粒數(shù)的比例［10］，計算公式為

式中：S為土體抗蝕指數(shù)，%；ω為土?？倲?shù)，個；φ為崩解土粒數(shù)，個。

采用Excel進行數(shù)據(jù)處理和分析，采用SPSS21.0對數(shù)據(jù)進行單因素方差分析。試驗數(shù)據(jù)的分析、統(tǒng)計于2017年4—5月完成。

表1 試樣基本物理性質(zhì)指標測定結(jié)果

3 試驗結(jié)果分析

將挑選出的土顆粒緩慢放入水中后，土顆粒表面的微小分散土粒會立即融入水中，使土顆粒周圍水體渾濁，少量土顆粒偶爾會有氣泡逸出，接著土顆粒的松散表面開始崩解。試驗剛開始時土顆粒崩解速度較快，隨后逐漸減慢。隨著試驗的進行，土壤結(jié)構(gòu)逐漸被破壞，土顆粒體積膨脹，表面慢慢出現(xiàn)裂縫，接著土顆粒快速崩解，但很快崩解速度又減緩，直至完全崩解。也有少部分土顆粒崩解所需時間短、速度快，在整個崩解過程中崩解速度變化較小。試驗結(jié)果統(tǒng)計見表2。

表2 土體抗蝕試驗結(jié)果統(tǒng)計

續(xù)表2

3.1 土體抗蝕指數(shù)與植被種類及覆蓋度的關(guān)系

通過試驗發(fā)現(xiàn)：研究區(qū)未經(jīng)凍融循環(huán)的裸露地（1號取樣點）0～5 cm土層3組土顆粒在試驗開始8 min左右時有2組土顆粒全部崩解，剩下的1組在浸泡10 min后未崩解土顆粒僅剩2個，試樣整體抗蝕指數(shù)僅為2.22%，而6～15 cm土層的抗蝕指數(shù)為0%。含根土體的抗蝕指數(shù)均遠大于不含根的，植被覆蓋度為90%的金露梅+雜草地（4號取樣點）0～5 cm土層土體抗蝕指數(shù)最大，達到83.33%；覆蓋度為90%的華扁穗草地（3號取樣點）0～5 cm土層土體抗蝕指數(shù)次之，為80.00%；覆蓋度為60%的華扁穗草地（2號取樣點）0～5 cm土層土體抗蝕指數(shù)為76.67%，略小于覆蓋度較高的2種樣地的。植被覆蓋度影響土體抗蝕指數(shù)的根本原因在于，不同植被覆蓋度高寒草甸土壤中根系含量不同。

繪制未凍融試樣土顆粒崩解個數(shù)與時間的關(guān)系曲線（圖1）可以看出：試樣土顆粒崩解個數(shù)隨著樣地植被覆蓋度的提高呈現(xiàn)減少的趨勢；祼露地試樣土顆粒崩解個數(shù)在試驗開始后4 min內(nèi)迅速增加，之后增速減緩并在6 min后趨于穩(wěn)定；覆蓋度為90%的華扁穗草地土顆粒崩解量在7 min時達到峰值；而覆蓋度為60%的華扁穗草地與覆蓋度為90%的金露梅+雜草地試樣土顆粒崩解個數(shù)與時間基本呈遞增關(guān)系，且覆蓋度為60%的華扁穗草地試樣崩解速率相對較快，表明莎草科植物華扁穗草地密集的根系使根、土間的黏結(jié)性大大增強，從而增強試樣的抗蝕性。經(jīng)SPSS 21.0單因素方差檢驗（見表3）表明，研究區(qū)不同植被覆蓋度樣地土體抗蝕指數(shù)具有極顯著差異性。通過對比表1中不同樣地類型的根系參數(shù)可知，植被覆蓋度為90%的華扁穗草地試樣的根面積比、根長密度和根體積比與覆蓋度為60%的華扁穗草地、覆蓋度為90%的金露梅+雜草地、裸露地3種試樣的相比，平均高出0.30、2.40、0.76 個百分點，較多的根系能夠更有效地膠結(jié)土體，因此植被覆蓋度為90%的華扁穗草地表現(xiàn)出較強的抗蝕能力。

圖1 不同植被覆蓋度試樣土顆粒崩解個數(shù)與時間的關(guān)系

表3 土體抗蝕指數(shù)的單因素方差檢驗結(jié)果

3.2 土體抗蝕指數(shù)與有機質(zhì)含量的關(guān)系

由不同植被種類及覆蓋度的未凍融試樣水蝕試驗及有機質(zhì)含量測定結(jié)果（見表4）可知，4種樣地不同深度土壤的有機質(zhì)含量不同，有機質(zhì)含量隨深度增加總體呈遞減趨勢，0～5 cm表層土壤有機質(zhì)含量較高，其中：植被覆蓋度為90%的金露梅+雜草地表層試樣有機質(zhì)含量最高，為91.73 g／kg；裸露地表層試樣有機質(zhì)含量最低，為17.47 g／kg。隨著有機質(zhì)含量的降低，抗蝕指數(shù)呈減小的趨勢。由表1可知，隨著深度的增加，11～15 cm土層試樣根面積比、根長密度、根體積比與0～5 cm表層試樣相比，平均分別下降了0.15、1.79、0.54個百分點，由于表層植物根系發(fā)育，土壤中有機質(zhì)含量相對較高，能凝聚、膠結(jié)更多的水穩(wěn)性團聚體［15］，且活性根系對溫度的傳導具有一定的阻隔效應(yīng)，土顆粒之間冷熱傳導速度減緩，因此表層土壤的抗蝕性大于下層土壤的。土體含水量隨土層深度的增加逐漸降低，4種樣地下層試樣含水率平均減小6.18個百分點，在凍融循環(huán)過程中，表層土體中較多的水分通過凍融作用對土體中團聚體的破碎效應(yīng)強于下層土體，且表層土壤孔隙與空氣接觸，在凍結(jié)過程中水分相變增加的體積和氣體收縮的體積接近時，團聚體之間或內(nèi)部的壓力達到平衡，減緩團聚體破碎［26］，從而使表層土壤的抗蝕指數(shù)大于下層土壤的。

表4 土體抗蝕指數(shù)與有機質(zhì)含量統(tǒng)計

3.3 土體抗蝕指數(shù)與凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系

繪制土體抗蝕指數(shù)與凍融次數(shù)關(guān)系曲線（見圖2）可知，隨著凍融次數(shù)的增加土體抗蝕指數(shù)總體呈減小的趨勢。由圖2（a）可以看出，覆蓋度為60%的華扁穗草地0～5 cm土層和6～10 cm土層試樣的抗蝕指數(shù)隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加趨于線性減小的趨勢，11～15 cm土層試樣的抗蝕指數(shù)在凍融9次時減小幅度達29.42%；由圖2（b）可以看出，覆蓋度為90%的華扁穗草地0～5 cm土層和6～10 cm土層試樣的抗蝕指數(shù)在凍融9次時降至最低，而11～15 cm土層試樣的抗蝕指數(shù)在凍融6次時開始減小、在凍融12次時降至最低，整體上看凍融循環(huán)對覆蓋度為90%的華扁穗草地上層土體抗蝕指數(shù)影響相對較小，在凍融循環(huán)12次后土體抗蝕指數(shù)減小幅度僅為8.33%；由圖2（c）可以看出，覆蓋度為90%的金露梅+雜草地不同深度土層試樣的抗蝕指數(shù)隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加總體呈減小的趨勢，且深度越大試樣抗蝕指數(shù)減小的幅度越大。試樣經(jīng)多次凍融循環(huán)后，土壤有機質(zhì)含量隨著溫度的變化以指數(shù)形式下降［27］，土壤中的水穩(wěn)性團聚體相應(yīng)減少，因此試樣的抗蝕指數(shù)隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加總體呈減小趨勢。

圖2 土體抗蝕指數(shù)與凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系

土壤在反復凍融循環(huán)作用下，自身的物理性質(zhì)、生物學指標均會發(fā)生變化，勢必影響土壤的抗蝕指數(shù)［24］。由不同覆蓋度、相同深度土體抗蝕指數(shù)與凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系曲線比較可知，不同覆蓋度、相同深度試樣的抗蝕指數(shù)整體隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而減小，其中：深度為11～15 cm試樣的抗蝕指數(shù)減小幅度較大，覆蓋度為60%的華扁穗草地試樣經(jīng)過12次凍融循環(huán)后，抗蝕指數(shù)下降幅度最大，為44.21%，覆蓋度為90%的金露梅+雜草地試樣抗蝕指數(shù)下降幅度為42.1%、覆蓋度為90%的華扁穗草地抗蝕指數(shù)下降幅度為38.88%。凍融次數(shù)超過9次后，試樣抗蝕指數(shù)減小幅度變小并在凍融循環(huán)次數(shù)達到12次時，部分土顆?？刮g指數(shù)增大，原因是經(jīng)過多次凍融循環(huán)之后土顆粒內(nèi)部結(jié)構(gòu)達到了新的平衡狀態(tài)，試樣的抗蝕性相應(yīng)增強。凍融循環(huán)次數(shù)較少時，破碎的土顆粒阻擋土體裂縫的產(chǎn)生，使得土壤內(nèi)部裂隙減少、阻止水分的滲入，隨著凍融次數(shù)的增加，凍融作用的累加效果逐漸顯現(xiàn)，土體中水分凍結(jié)體積增大，改變土壤顆粒的位置，使得土壤孔隙增大，融化的過程中又使得細小的土顆粒流失，土壤變得更加松散，抗蝕指數(shù)隨之減??；但當凍融次數(shù)增加到9次后，試樣抗蝕指數(shù)減小趨勢減緩，說明當凍融達到一定次數(shù)后凍融作用對試樣抗蝕性的影響不再顯著。

不同深度、凍融循環(huán)次數(shù)試樣抗蝕指數(shù)的單因素方差分析結(jié)果（見表5）表明，凍融循環(huán)次數(shù)對覆蓋度為60%的華扁穗草地土體抗蝕指數(shù)的影響具有極顯著性（P＜0.01），對覆蓋度為 90%的金露梅+雜草地土體抗蝕指數(shù)的影響具有顯著性（P＜0.05），對覆蓋度為90%的華扁穗草地土體抗蝕指數(shù)的影響不顯著（P＝0.10）。

表5 不同深度、凍融循環(huán)次數(shù)試樣抗蝕指數(shù)的單因素方差分析結(jié)果

4 結(jié) 論

（1）不同樣地的植被種類和覆蓋度、土體含根量、有機質(zhì)含量等均不相同，對應(yīng)試樣的抗蝕指數(shù)也不相同；土體抗蝕指數(shù)隨著植被覆蓋度、有機質(zhì)含量的提高而增大，隨土層深度的增加而減??；凍融作用對覆蓋度為60%的華扁穗草地與覆蓋度為90%的金露梅+雜草地土體抗蝕指數(shù)影響顯著，對覆蓋度為90%的華扁穗草地土體抗蝕指數(shù)影響不顯著。

（2）未經(jīng)凍融情況下，植被覆蓋度為90%的華扁穗草地試樣的崩解速率緩慢，抗蝕指數(shù)比覆蓋度為60%華扁穗草地與裸露地試樣分別增大3.33%和77.78%，與覆蓋度為90%的金露梅+雜草地試樣的接近。凍融情況下，各樣地土體抗蝕指數(shù)變化情況各不相同，在凍融循環(huán)達到9次之后，土體抗蝕指數(shù)減小幅度變緩，并有回升的趨勢，凍融循環(huán)對覆蓋度為90%的華扁穗草地土體抗蝕指數(shù)影響相對較小，在凍融循環(huán)12次后土體抗蝕指數(shù)減小幅度僅為8.33%。

（3）植被覆蓋度為90%的華扁穗草地試樣的根面積比、根長密度和根體積比與覆蓋度為60%的華扁穗草地、覆蓋度為90%的金露梅+雜草地、裸露地3種試樣的相比，平均高出 0.30、2.40、0.76 個百分點，較多的根系能夠更有效地膠結(jié)土體，提高土體的抗蝕能力。由此表明，黃河源區(qū)河岸發(fā)育的草甸植被根系能夠有效地固結(jié)土體，在受水流作用崩落水中后，崩解速率較慢，能夠延長對近岸的保護時間，同時地下發(fā)達的植被根系在凍融過程中能夠發(fā)揮較好的溫度阻隔效應(yīng)。