科爾沁沙地南緣不同林草措施根系對土壤抗沖性的影響

屈東旭, 呂 剛, 翟景軒, 王鋒佰, 張 卓, 金兆梁, 鄭 洋, 呂金昊

(1.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院, 遼寧 阜新 123000;2.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 水土保持生態(tài)修復(fù)研究院, 遼寧 阜新 123000; 3.杭州大地科技有限公司, 杭州 310004;4.遼寧省風(fēng)沙地改良利用研究所, 遼寧 彰武 123203； 5.國有彰武縣章古臺林場, 遼寧 彰武 123203)

科爾沁沙地是我國四大沙地之一，位于生態(tài)環(huán)境脆弱且敏感的農(nóng)牧交錯(cuò)區(qū)，極易出現(xiàn)持久的旱災(zāi)和風(fēng)沙災(zāi)害[1]。近一百多年來，隨著人口加劇、過度放牧及不合理的土地利用，目前該地區(qū)已經(jīng)成為我國土地沙化迅速發(fā)展的地區(qū)之一[2]。嚴(yán)重的土壤侵蝕和荒漠化是導(dǎo)致當(dāng)?shù)赝恋厣a(chǎn)力下降和生態(tài)環(huán)境惡化的主要原因。移小勇等[3]研究指出增加含水量是科爾沁地區(qū)減小風(fēng)蝕的有效方法。馬玉鳳等[4]研究指出耕地可風(fēng)蝕性程度遠(yuǎn)大于沙崗地和裸地。李梅等[5]研究科爾沁沙地4種作物根茬抗風(fēng)蝕效果指出風(fēng)蝕量與土壤地表覆蓋度、土壤0—5 cm表層含水量、地表粗糙度呈顯著高度負(fù)相關(guān)。然而以往關(guān)于科爾沁沙地的研究多集中于風(fēng)力侵蝕、沙地演替與植被恢復(fù)[6-7]等方面，對于水力侵蝕的研究較少。水力侵蝕是水土流失中最重要的侵蝕形式之一，其中土壤抗沖性是最能體現(xiàn)區(qū)域水土流失過程和規(guī)律的指標(biāo)[8]。朱顯謨等[9]研究指出植被固土措施是最有效和最根本的方法，植物根系纏繞、固結(jié)和串聯(lián)土體能顯著提高土體水穩(wěn)性和抗沖性。郭明明等[10]研究黃土高原溝壑區(qū)植被自然恢復(fù)年限對坡面土壤抗沖性的影響指出土壤抗沖性的提高與土壤性質(zhì)的改善和根系密度的增加密切相關(guān)，土壤容重、團(tuán)聚體穩(wěn)定性(MWD)及<0.5 mm根系密度是影響土壤抗沖性的關(guān)鍵因子。任改等[11]研究重慶四面山水源涵養(yǎng)林土壤抗沖性及影響因素指出林地土壤抗沖性主要受3～5 mm根系根量及其根長的影響。宋坤等[12]研究6種草本植物根系指出根生物量與抗沖指數(shù)呈顯著正相關(guān)。呂春娟等[13]研究黃土區(qū)排土場指出土壤的抗蝕性指標(biāo)和抗沖性指標(biāo)都與根系密度在極顯著水平上呈直線關(guān)系。衛(wèi)志勇等[14]總結(jié)植物根系穩(wěn)定土體的機(jī)理指出，當(dāng)林齡小時(shí)，主要是根系的機(jī)械纏繞固結(jié)作用;當(dāng)林齡增大時(shí)，還可以通過增加有機(jī)質(zhì)含量和>2 mm粒級的水穩(wěn)性團(tuán)粒起間接作用。但以往對于植物根系對土壤抗沖性的影響研究多集中在西北黃土高原地區(qū)和西南紫色土地區(qū)，而關(guān)于風(fēng)沙土土壤抗沖性的研究還較為鮮見。李強(qiáng)等[15]對黃土風(fēng)沙區(qū)根系強(qiáng)化抗沖性土體構(gòu)型進(jìn)行了定量化研究，得出了植物根系物理固結(jié)效應(yīng)是強(qiáng)化沙黃土抗沖性土體構(gòu)型的主要表現(xiàn)形式，且根表面積密度可較好地反映根系固土效應(yīng)。由于風(fēng)沙土土壤貧瘠、沙量高、松散易流動(dòng)、結(jié)構(gòu)松散等特點(diǎn)，土壤質(zhì)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其他土地類型，使得根系的固土作用將在風(fēng)沙土表現(xiàn)的更加顯著。本文通過研究科爾沁沙地南緣不同林草措施根系分布特征及其對土壤抗沖性的影響，以期為科爾沁沙地水土流失治理、荒漠化防治和土地利用結(jié)構(gòu)調(diào)整提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于遼寧省風(fēng)沙地改良利用研究所章古臺試驗(yàn)站內(nèi)，位于遼寧省阜新市彰武縣章古臺鎮(zhèn)(122°22′E，42°43′N)，往北距內(nèi)蒙古哲里木盟科左后旗甘旗卡鎮(zhèn)30 km，往南距彰武縣城40 km。自然區(qū)域?qū)儆诳茽柷呱车貣|南部邊緣，是西遼河平原的邊緣地帶，平均海拔高度345 m，年平均氣溫6.82℃，極端最低氣溫-33.4℃，極端最高氣溫43.2℃，平均氣溫變化幅度在4.9～6.7℃，平均空氣濕度60.4%，年均降水量450 mm左右，年均蒸發(fā)量為1 590 mm，年均風(fēng)速3.33 m/s，風(fēng)速大于3 m/s的日數(shù)平均為160 d，風(fēng)速大于10 m/s的日數(shù)為10 d，而起風(fēng)沙的風(fēng)速5 m/s全年達(dá)240多次。無霜期145～150 d，是典型的北方風(fēng)沙半干旱地區(qū)。土壤屬于風(fēng)沙土，植被屬蒙古植被區(qū)系西遼河小區(qū)，以抗旱性較強(qiáng)的沙生植物為主。代表性植物有樟子松(Pinussylvestris)、楊樹(PopulusL.)、野生山杏(Armeniacasibirica(L.) Lam)、有色木(Acermono)、山里紅(Crataeguspinnatifida)、家榆(Ulmuspumila)、大果榆(Ulmus macrocarpa)、山杏(Arnemiacasibirica)、胡枝子(Lespedezabicolor)、小黃柳(Salixgordejevii)、差巴嘎蒿(Artemisiahalodendron)、中華隱子草(Cleistogeneschinensis)等。綜合考慮植被類型、地形狀況，在試驗(yàn)地選取4種林草措施下的土壤作為研究對象，分別是樟子松林地、野生灌木林地(山杏)、荒草地和花生地，研究科爾沁沙地南緣土壤抗沖性對不同林草措施下的響應(yīng)，以期從土壤侵蝕發(fā)生機(jī)制的方面優(yōu)化風(fēng)沙地改良利用模式提供理論依據(jù)。樣地基本情況見表1。

表1 各樣地的基本概況

1.2 研究方法

1.2.1 原狀土沖刷試驗(yàn) 采用10 cm×10 cm×20 cm原狀土取樣器在表1的各樣地表層分別取3個(gè)原狀土樣。在樟子松、灌木地采集表層土樣時(shí)，先將0—3 cm未腐爛的枯枝落葉層清除，自3—13 cm深度取土。在荒草地，首先用剪子將草莖剪去，將上邊厚約1 cm左右的土皮鏟掉，自1—11 cm深度取土。在花生地，自表層取樣深度為0—10 cm。取樣時(shí)，用皮錘將取樣器垂直釘入。然后，鏟掉取樣器周邊土壤，將取樣器完整取出，用鏟刀沿取樣器底部將土樣削平后蓋上上下蓋。

原狀土取回后，將取樣器置于水盤內(nèi)，向水盤內(nèi)注水，浸水24 h，使其達(dá)到毛管水飽和。然后，將飽和的原狀土輕輕置于鐵架臺上8 h去除土壤重力水后進(jìn)行抗沖試驗(yàn)，試驗(yàn)沖刷坡度為15°，設(shè)置沖刷流量為2 L/min，沖刷時(shí)間從沖刷槽的出口產(chǎn)流開始計(jì)時(shí)，每1 min量取1次泥沙樣，沖刷10 min，預(yù)試驗(yàn)表明此時(shí)間可達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，共取10次樣。沖刷結(jié)束后稱量各個(gè)桶內(nèi)的徑流泥沙量，然后將塑料桶靜置澄清，泥沙沉淀完全后倒掉上層清液，剩余泥水樣轉(zhuǎn)移至鐵盒內(nèi)，置于烘箱中105℃烘干并測定泥沙質(zhì)量(g)。

抗沖性指數(shù)計(jì)算為每沖刷掉1 g的烘干土所需水量，用ANS表示(L/g)，ANS愈大，土壤的抗沖性愈強(qiáng)。

ANS=f×t/W

式中：f為沖刷流量(L/min)；t為沖刷時(shí)間(min)；W為烘干泥沙質(zhì)量(g)。

1.2.2 根系測定 植物根系生物量的獲取是將做完抗沖試驗(yàn)的土體在直徑0.5 mm篩網(wǎng)上反復(fù)沖洗，將土壤中所有的根系洗出，用WinRHIZO根系分析系統(tǒng)測定根系的根長、根徑、根表面積、根體積等指標(biāo)。然后將根系置于105℃烘箱中，烘24 h左右，然后置于墊子天平上稱重，測量根重密度RD(kg/m3)

RD=MD/V

式中：MD為根系烘干質(zhì)量(kg)；V為采樣器體積(m3)。

2 結(jié)果與分析

2.1 根系分布特征

2.1.1 根長密度 植物根系可以從根系固土，改善土壤物理性質(zhì)等兩個(gè)方面使土壤結(jié)構(gòu)變得穩(wěn)定，使土壤抗沖性性能得到增強(qiáng)。不同林草措施的根長密度見圖1。由圖1可知，樟子松林地的根系總根長密度為8.02 cm/cm3，其中<0.5 mm徑級的根系最多，占總根長密度的83.52%，>3 mm的根系最少，占總根長密度的1.54%。楊樹林地總根長密度為12.09 cm/cm3，其中<0.5 mm的根系最多，占總根長密度的86.12%，>3 mm的根系最少，占總根長密度的1.18%。灌木林地總根長密度為7.03 cm/cm3，其中<0.5 mm的根系最多，占總根長密度的80.96%，>3 mm的根系最少，占總根長密度的1.72%。花生地總根長密度為4.48 cm/cm3，其中<0.5 mm的根系最多，占總根長密度的80.96%，>3 mm的根系最少，占總根長密度的1.72%?；牟莸乜偢L密度為3.89 cm/cm3，其中<0.5 mm的根系最多，占總根長的82.03%，>3 mm的根系最少，占總根長的1.41%。這說明在風(fēng)沙地不同林草措施下以<0.5 mm的根系最多，占總根系根長密度的83.58%，>3 mm的根系最少，占總根系根長密度的1.46%。其根系總根長密度表現(xiàn)為楊樹林地>樟子松林地>灌木林地>荒草地>花生地。

圖1 不同徑級根系密度

根系特征描述性統(tǒng)計(jì)分析見表2。由表2可知，不同徑級根長密度，變異系數(shù)在32.42%～51.15%，變異程度較小。<0.5 mm，0.5～1 mm，1～3 mm及>3 mm根長密度平均為7.49 cm/cm3，0.97 cm/cm3，0.48 cm/cm3，0.15 cm/cm3，可見根長密度隨根系徑級的增大而不斷減小，表明土壤中大根系分布較少，而主要以小徑級根系為主，且不同徑級根系在土壤中的分布存在較大的空間變異性。

表2 根長密度描述性統(tǒng)計(jì)

2.1.2 根重密度 由圖2和圖3可知，不同林草措施下的根重密度介于0.09～21.09 kg/m3，平均為3.82 kg/m3，根重密度大小表現(xiàn)為楊樹林地(9.403 kg/m3)>樟子松林地(6.142 kg/m3)>灌木林地(1.575 kg/m3)>荒草地(1.483 kg/m3)>花生地(0.487 kg/m3)。不同林草措施根生物量與根重密度表現(xiàn)為同樣趨勢。楊樹林地最大為42.04 g，花生地最小為0.974 g。表明樟子松林地、楊樹林地、灌木林地表層根系分布較多，其中以楊樹林地最為豐富。而花生地表層須根缺乏，根重密度和根系長度及生物量均最小，這是導(dǎo)致其抗沖性弱的主要原因。

圖2 不同林草措施下根重密度

2.2 根系對土壤抗沖性的增強(qiáng)效應(yīng)

不同植被對土壤結(jié)構(gòu)及其抗沖性的影響主要通過根系來表征。本試驗(yàn)選擇裸沙地的樣點(diǎn)作為對照，裸沙地的土壤抗沖性指數(shù)ANS為0.58 L·min/g，并以此為基礎(chǔ)計(jì)算根系對土壤抗沖性能的強(qiáng)化值(圖3)。不同林草措施下土壤抗沖性能強(qiáng)化值ΔANS表現(xiàn)為：樟子松林地(0.786 4 L·min/g)>楊樹林地(0.758 4 L·min/g)>灌木林地(0.458 4 L·min/g)>荒草地(0.296 4 L·min/g)>花生地(0.064 L·min/g)。土壤抗沖性能強(qiáng)化百分率大小依次為樟子松林地(135.52%)>楊樹林地(130.69%)>灌木林地(78.97%)>荒草地(51.04%)>花生地(10.35%)。這表明根系對風(fēng)沙地土壤的保護(hù)作用很顯著，在相同徑流沖刷強(qiáng)度與相同沖刷時(shí)間條件下，表層根系豐富的樟子松林地、楊樹林地、灌木林地、荒草地比花生地、裸沙地的抗沖性能提高效果更明顯。

圖3 根系對土壤抗沖性強(qiáng)化特征

2.3 根系與土壤抗沖性增強(qiáng)效應(yīng)的關(guān)系

不同徑級根系對土壤抗沖性的影響也不同，其作用機(jī)理也不同，產(chǎn)生的增強(qiáng)效應(yīng)也有所差異。圖4為土壤抗沖性強(qiáng)化值ΔANS與不同徑級根系長度的相關(guān)性。由圖5可知，土壤抗沖性強(qiáng)化值ΔANS與<0.5 mm根系長度、0.5～1 mm根系長度、1～3 mm根系長度呈顯著線性正相關(guān)，其中1～3 mm根系長度與土壤抗沖性強(qiáng)化值ΔANS之間相關(guān)系數(shù)最大，R2值達(dá)到0.671 7，表明<1～3 mm根系是影響土壤抗沖性的主要因素。而土壤抗沖性強(qiáng)化值ΔANS與>3 mm根系長度呈顯著線性負(fù)相關(guān)，這說明隨著根系徑級的增大根系長度對土壤抗沖性的強(qiáng)化影響逐漸減弱，并存在一個(gè)根系徑級的閾值為3 mm。根系生物量及根密度與土壤抗沖性強(qiáng)化值ΔANS之間的關(guān)系不顯著。

3 結(jié) 論

(1) 不同林草措施根系長度大小表現(xiàn)為楊樹林地>樟子松林地>灌木林地>荒草地>花生地。不同徑級根系長度變異程度較小，且不同徑級根系在土壤中的分布存在較大的空間變異性。根系密度大小表現(xiàn)為楊樹林地>樟子松林地>花生地>灌木林地>荒草地。根生物量與根系密度表現(xiàn)具有相同的變化趨勢。

圖4 ΔANS與不同徑級根系長度關(guān)系

(2) 不同林草措施土壤抗沖性能強(qiáng)化值ΔANS表現(xiàn)為樟子松林地>楊樹林地>灌木林地>荒草地>花生地。不同林草措施下土壤抗沖性能強(qiáng)化百分率大小依次為樟子松林地>楊樹林地>灌木林地>荒草地>花生地。

(3) 土壤抗沖性強(qiáng)化值ΔANS與<0.5 mm根系長度、0.5～1 mm根系長度、1～3 mm根系長度呈顯著線性正相關(guān)。1～3 mm根系是影響土壤抗沖性的主要因素。根系長度對土壤抗沖性的強(qiáng)化影響存在一個(gè)根系徑級的閾值為3 mm。根系生物量及根密度與土壤抗沖性強(qiáng)化值ΔANS之間的關(guān)系不顯著。

(4) 林地的抗沖性最強(qiáng)，其次是草地，農(nóng)地最差，建議當(dāng)?shù)鼗哪卫硪粤值貫橹鳎蛞粤植萁Y(jié)合的方式。