紅河干旱河谷區(qū)典型地類植物根系特征對土壤大孔隙的影響

陳婷婷, 段 旭,2, 趙洋毅,2, 冷 鵬, 邵一敏, 杜云祥

(1.西南林業(yè)大學(xué) 生態(tài)與環(huán)境學(xué)院, 昆明 650224;2.國家林業(yè)和草原局 云南玉溪森林生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測研究站, 昆明 650224;3.云南省水土保持生態(tài)環(huán)境監(jiān)測總站, 昆明 650106; 4.新平彝族傣族自治縣水利局, 云南 新平 653400)

干旱河谷地區(qū)氣候炎熱，降雨不均且蒸發(fā)量巨大，水土流失嚴(yán)重，水資源利用難度大，屬于我國典型的生態(tài)脆弱區(qū)[1-3]。土壤中大孔隙作為土壤水分運(yùn)移和徑流過程的重要影響因素，在區(qū)域水資源管理中發(fā)揮重要作用[2-3]。土壤中的植物根系、動物、微生物、水分及人為擾動是導(dǎo)致土壤大孔隙形成的主要因素[4]。研究探明，土壤大孔隙構(gòu)造直接造成土壤水的運(yùn)移途徑和形式，確定了土壤的保水性、浸透性及導(dǎo)水性等水利特征[5-6]，是影響壤中流及溶質(zhì)運(yùn)動的首要影響要素[5-7]。就此，研究相對缺水的干旱河谷區(qū)的土壤大孔隙特征具有刻不容緩的科學(xué)價(jià)值。

目前，土壤大孔隙的探究主要針對土壤大孔隙的空間結(jié)構(gòu)布局特征以及影響因子等方面，最常用的研究方法有掃描法[6]、染色示蹤法[8]、樹脂填充法[9]、張力滲透儀法[10]、離子示蹤法[10-11]和水分穿透曲線法[12]等。土壤大孔隙存在對入滲水和溶質(zhì)快速傳導(dǎo)的非均勻水流運(yùn)動形式[13]，對生物的生存空間造成了嚴(yán)峻的影響[13-14]。土壤質(zhì)地[15]、土壤容重[16]、初始含水量[7]、動物孔隙[10]、土壤裂隙[10]、石礫含量[12]以及植物根系[17]等因素共同影響大孔隙的形成，相關(guān)研究指出植物根系對土壤大孔隙的形成有密不可分的關(guān)系[17-19]。同時(shí)大孔隙也能夠提高土壤通透性，有助于植被根系生長，有利于植被生存。因此，研究根系對大孔隙的作用，能利于進(jìn)一步證實(shí)土壤水分運(yùn)動規(guī)律及其與植被恢復(fù)的關(guān)系，為生態(tài)環(huán)境和諧發(fā)展提出理論引導(dǎo)和技術(shù)支撐。

以往探究中，國內(nèi)外學(xué)者對土壤大孔隙特征及其對土壤水分運(yùn)動的作用展開了詳細(xì)探究[4,6-7,14]，干旱河谷地區(qū)缺水嚴(yán)重，生態(tài)脆弱，水資源管理使用困難程度大，就此，研究該地域土壤大孔隙特征對當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)恢復(fù)、水資源保護(hù)具有重大啟示。本文選取位于紅河典型干旱河谷地區(qū)的龍?zhí)扼湫×饔?種地類樣地為研究對象，基于水分穿透曲線法對4種地類下土壤的大孔隙數(shù)量和半徑等特征進(jìn)行定量研究，同時(shí)探究4種地類植物根系特征對土壤大孔隙的影響，為干旱河谷和類似區(qū)域的水資源管理、保護(hù)以及植被恢復(fù)工作提供一定的理論基礎(chǔ)和科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

研究地位于云南省玉溪市新平縣平甸鄉(xiāng)龍?zhí)扼湫×饔?，地理坐?biāo)為東經(jīng)101°50′—101°51′，北緯24°01′—24°03′。年平均氣溫23.5℃，極端最高氣溫45.0℃。無霜期為248 d，干濕兩季分明，年降雨量的60%以上主要在7—10月，多年平均降雨量900 mm，冬春溫和干旱多風(fēng)，夏秋酷熱雨多。試驗(yàn)區(qū)屬紅壤區(qū)，主要以紅壤為主，易侵蝕，成土母巖以砂巖為主，以亞黏土類碎石，碎石土為主，碎石為風(fēng)化砂泥巖。龍?zhí)扼湫×饔騼?nèi)主要為常綠闊葉林，主要成林喬木樹種有銀合歡[Leucaenaleucocephala(Lam.)de Wit]、云南松(PinusyunnanensisFranch.)、華山松(PinusarmandiiFranch.)等，灌木樹種有余甘子(PhyllanthusemblicaLinn.)、懸鉤子(RubusidaeusLinn.)等，草本植物以扭黃茅[Heteropogoncontortus(Linn.)P.Beauv.ex Roem.et Schult.]、龍須草[Eulaliopsisbinata(Retz.)C.E.Hubb.]、紫莖澤蘭(EupatoriumadenophorumSpreng.)等為主。

1.2 研究方法

1.2.1 土壤樣品采集 以研究區(qū)內(nèi)4種典型地類農(nóng)地、荒草地、園地和林地作為研究對象(表1)，選取高程、坡向、坡度等要素相似性的區(qū)塊，在各個(gè)地類區(qū)域內(nèi)依據(jù)地形分別設(shè)置4個(gè)10 m×10 m或10 m×15 m的固定樣地，總計(jì)16塊。

表1 樣地基本情況

1.2.2 水分穿透曲線試驗(yàn) 用專用環(huán)刀(直徑D=7 cm，高度H=5.2 cm)分5層(每10 cm一層)采集原狀土。將采集的原狀土放入水里浸泡12 h，隨后在粗砂上靜置12 h使含水量與田間含水量一致，然后用ST-70土壤水分滲透儀測定水分穿透曲線。通過馬氏瓶控制8 cm水頭高度，當(dāng)土柱開始出流時(shí)，每隔5 s收集出流量，直到出流量穩(wěn)定為止。水分出流速率即為區(qū)間出流量與5 s時(shí)間的比率。當(dāng)土壤水分與田間持水量一致時(shí)，基質(zhì)勢0，這時(shí)的水流出流速率取決于壓力水頭，假設(shè)土壤孔隙形狀為圓形，根據(jù)水分穿透曲線理論[12]，結(jié)合流量公式(1)和Poiseulle公式(2)，作水分穿透曲線。

Q=Av=πr2τL/t

(1)

Q=πr4ΔP/(8ητL)

(2)

已知任意時(shí)間水流量，結(jié)合公式(3)推算相應(yīng)孔隙半徑。將孔隙半徑依據(jù)一定間隔劃分孔隙范圍，并演算其均值，利用公式(4)計(jì)算相應(yīng)孔隙數(shù)量n[12]。

(3)

Qe=nAv=nπr2τL/t

(4)

式中：Q為單位流量(cm3/s)；A為孔隙面積(cm2)；v為流速(cm/s)；r為孔隙半徑(cm)；τ為土柱長度與水流實(shí)際路徑比值，范圍在1.1～1.2，通常取1.2；L為土柱長度(cm)；t為開始加水計(jì)時(shí)時(shí)間(s)；ΔP為壓力水頭(cm)；η為水的粘滯系數(shù)[g/(cm·s)]；Qe為間隔排水量(cm3/s)；n為大孔隙數(shù)量。

1.2.3 根系參數(shù)的測定 取環(huán)刀同時(shí)，按層分開收集所有的活根和死亡腐敗根，用于研究植被根系情況。用水沖洗去除粘在根系上的泥沙，靜置風(fēng)干后，以根系徑級為標(biāo)準(zhǔn)，分別按照直徑(d)：010 mm[17]這個(gè)5個(gè)徑級分類，并計(jì)算各徑級根長密度[17]、根重密度[17]以及貢獻(xiàn)度[17]。

(1) 根長密度是反映植物根系生長狀況的重要參數(shù)，是指單位體積土壤空間中分布的不同徑級的根系總長度狀況[17]。計(jì)算公式為：

qrl=∑Lr/Vsoil

(5)

式中：qrl為根長密度(m/m3)；Lr為某徑級根系長度(m)；Vsoil為土壤體積(m3)。

(2) 植物的根重密度是指單位體積土體中植被根系生物量的情況[17]。根重密度愈大，植被根系愈粗大，根系和土壤的接觸范圍就愈大、產(chǎn)生的縫隙就俞大，可能產(chǎn)生的大孔隙孔徑較大[17]。根重密度計(jì)算公式為：

qrm=∑Mr/Vsoil

(6)

式中：qrm為根重密度(kg/m3)；Mr為某徑級根系重量(kg)；Vsoil為土壤體積(m3)。

(3) 貢獻(xiàn)度是指量定全部土體內(nèi)5種不同根徑的根長密度各自跟總根長密度的比值，得到各個(gè)根徑對土壤的大孔隙貢獻(xiàn)度[17]。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤水分穿透曲線特征

如圖1所示，4種地類不同土層深度大孔隙的出流速率基本為起始時(shí)增大，到60—80 s時(shí)出流速率逐漸平穩(wěn)，大約100 s時(shí)趨于平穩(wěn)。不同地類中土壤水分穿透曲線有明顯異同，石礫含量少的樣地(農(nóng)地和荒草地)的土壤出流穩(wěn)定速率都較低，不同土層的出流穩(wěn)定速率都小于0.5 ml/s；而石礫含量多的樣地(林地和園地)土壤出流穩(wěn)定速率相對較大[12]，表現(xiàn)為林地>園地>荒草地>農(nóng)地。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，隨土層深度加深，各地類土壤穩(wěn)定出流速率均逐步減小，土壤穩(wěn)定出流速率最大值都在0—10 cm土層出現(xiàn)。在深度為40—50 cm土層時(shí)平均出流穩(wěn)定速率最低，4個(gè)地類平均出流穩(wěn)定速率只有0.11 ml/s，而土層深度在0—10 cm時(shí)的平均穩(wěn)定出流速率最高，平均達(dá)到0.78 ml/s。這說明諸多因子造成土壤出流穩(wěn)定速率的改變，或許受植被生長狀況、根系對土壤結(jié)構(gòu)的改善影響降低的作用[7]，從而導(dǎo)致土壤穩(wěn)定出流速率從土壤表層向下逐步減?。煌瑫r(shí)，土壤出流穩(wěn)定速率也受石礫的影響[12]，石礫含量與大孔隙協(xié)同增長，土壤穩(wěn)定出流速率隨之增大，所以植被根系和石礫分布共同影響土壤穩(wěn)定出流速率。

圖1 不同土層土壤水分穿透曲線

2.2 不同地類土壤的大孔隙特征

由表2可知，4種地類土壤大孔隙的當(dāng)量半徑范圍為0.3～3.7 mm，其中最小孔徑0.3 mm和水能無限制運(yùn)移孔隙半徑的最低要求相同(d>0.3 mm)[19]。研究區(qū)內(nèi)，荒草地、園地、林地3種地類生物行為擾動較小，土壤各發(fā)生層的土壤大孔隙密度為1.383×104～2.477×104個(gè)/m2，其中園地40—50 cm層最小，林地0—10 cm層最大。3種地類同一土層中土壤大孔隙密度之間對比：整體趨勢為林地>荒草地>園地。以0—10 cm為例，林地最大(2.477×104個(gè)/m2)，荒草地最小(2.074×104個(gè)/m2)。農(nóng)地大孔隙密度均值為9.152×103個(gè)/m2，是其他3種地類土壤大孔隙平均密度的一半。此外，4種樣地中土壤大孔隙密度均隨土層深度加深而逐步減少。同時(shí)，4個(gè)樣地中當(dāng)量半徑0.3～1.0 mm范圍內(nèi)的大孔隙數(shù)量最多，占大孔隙總量的96%～98%，大于1.0 mm的密度最小，只占小于大孔隙總數(shù)的4%。

林地0—10 cm層土壤大孔隙率最大，農(nóng)地40—50 cm層最小。除農(nóng)地外，其余幾種地類(荒草地、園地、林地)的土壤大孔隙率均超過13%。不同地類各個(gè)土層的大孔隙率的整體趨勢為：林地>園地>荒草地>農(nóng)地。林地中的土壤大孔隙率較高是因?yàn)橥馏w內(nèi)植被根系分布廣，石礫含量高，土壤疏松的結(jié)構(gòu)，水分下浸途徑多樣[14]。農(nóng)地中土壤大孔隙率最小，追其原因是由于人類活動堵截了根孔、洞穴，造成了土體結(jié)構(gòu)的毀壞，降低了大孔隙密度[20]。

2.3 植物根系對大孔隙特征的影響

2.3.1 根長密度對大孔隙的影響 由圖2可知，根長密度隨土層深度加深，總體有逐漸遞減的趨勢，同時(shí)，土壤大孔隙率隨根長密度減小表現(xiàn)為逐漸減小的趨勢。根長密度均值隨著根徑、土層深度加深都出現(xiàn)減小的趨勢，土壤表層中分布著大多數(shù)的根系[21-22]，4種地類上均呈現(xiàn)010 mm。表明細(xì)根系在土壤中占比大，隨著根徑加粗其根長密度也會隨之減小。

由表3可知，農(nóng)地根徑010 mm的貢獻(xiàn)度為8.63%。由此可見，不同地類中根徑為0

表2 不同地類土壤的大孔隙特征

表3 典型地類不同根徑根長密度貢獻(xiàn)度 %

2.3.2 根重密度對大孔隙的影響 如圖3所示，不同地類不同根徑的根重密度隨著土層深度加深而逐步減小，其與土壤大孔隙率的發(fā)展趨勢類似，見前文表2。不同地類的植被根系均多分布于土壤表層當(dāng)中，因此，表層土壤根重密度較深層土壤根重密度高。林地各土層平均根重密度明顯大于其余幾種地類(農(nóng)地、荒草地、園地)的平均根重密度，這可能與不同地類研究點(diǎn)上植被類型及覆蓋度有關(guān)。同時(shí)，林地中大量的喬木植被以及較大覆蓋度，使得林地根重密度大于其他樣地。

圖2 不同地類根長密度在土壤中的分布特征

隨土層深度的加深，農(nóng)地不同根徑根重密度均逐步減少，且未見d>5 mm的根系，表明農(nóng)地作物根徑較小，農(nóng)地土壤大孔隙率也較其他幾種地類的??；隨土層深度的加深，荒草地各根徑根重密度都逐漸減少，35 mm范圍的根系各層土壤中均未出現(xiàn)；隨著土層深度加深，園地d<3 mm的根系根重密度逐步減少，35 mm范圍的根系整個(gè)土體中均未出現(xiàn)；隨著土層深度加深林地各徑級根系根重密度均逐漸減少。

由表4可知，農(nóng)地根徑為05 mm的根系，說明農(nóng)地根系徑級d≤5 mm的根系根重密度對土壤大孔隙的形成具有重要作用；荒草地根徑為00.05)，說明荒草地根徑d≤5 mm的根系根重密度對土壤大孔隙的形成有影響作用，但不明顯，土壤大孔隙的形成與根徑為510 mm的根系；園地根徑為d≤1 mm的根系根重密度與土壤大孔隙率有顯著相關(guān)關(guān)系(p<0.05)，10.05)，說明園地土壤大孔隙的形成與根徑d≤5 mm的根系有關(guān)聯(lián)關(guān)系，根徑為510 mm的根系；林地根徑為d≤1 mm的根系根重密度與土壤大孔隙率有顯著相關(guān)關(guān)系(p<0.05)，根徑為15 mm的根系根重密度與土壤大孔隙率無相關(guān)關(guān)系(p>0.05)，說明林地土壤大孔隙的形成與根徑d≤5 mm的根系有關(guān)聯(lián)關(guān)系，土壤大孔隙的形成與根徑d>5 mm的根系沒有關(guān)聯(lián)關(guān)系。

3 討 論

基于水分穿透曲線法對干旱河谷地區(qū)4種地類土壤大孔隙的特征和分布與土體中根系特征關(guān)聯(lián)開展探究。干旱河谷區(qū)土壤大孔隙的當(dāng)量半徑范圍為0.3～3.7 mm，其中最小孔徑0.3 mm和水能無限制運(yùn)移孔隙半徑的最低要求相同(d>0.3 mm)[19]，孔徑范圍與Beven[4]、王紅蘭[13]等的研究結(jié)果一致，比時(shí)忠杰等[12]分析得到的孔徑區(qū)間0.4～2.3 mm更寬。當(dāng)量半徑0.3～1.0 mm的孔隙數(shù)量最多，孔徑>1.0 mm的孔隙數(shù)小于總大孔隙數(shù)的4.08%。各個(gè)地類土壤的大孔隙數(shù)量與大孔隙率相比較：林地>園地>荒草地>農(nóng)地。此外，人類耕種活動毀壞了土壤構(gòu)造，大孔隙數(shù)量急劇減少，其在農(nóng)地中僅為9.15×103個(gè)/m2，比荒草地、園地和林地的大孔隙密度均值1.912×104個(gè)/m2少一半左右。

圖3 不同地類根重密度的分布

表4 根重密度與土壤大孔隙率的相關(guān)關(guān)系

從本研究上看，幾種不同地類的土壤水分穿透曲線呈現(xiàn)逐漸增大再趨于穩(wěn)定的變化趨勢，在60～80 s逐漸平穩(wěn)，所有樣地均在40—50 cm土層深度時(shí)平穩(wěn)出流速率最小，4個(gè)樣地穩(wěn)定出流速率均值只有0.11 ml/s，而0—10 cm土層深度時(shí)的平穩(wěn)出流速率最大，平均達(dá)到0.78 ml/s。其中林地0—10 cm土層的穩(wěn)定出流速率(1.485 ml/s)為40—50 cm(0.085 ml/s)的17倍。多種因素共同影響土壤出流速率，受到土壤結(jié)構(gòu)、石礫含量[12]、植被根系[17]、根孔[17,23]、動物活動通道[23-24]、人為活動(耕作)[25]以及由于干濕交替[26]和凍融交替[4,26]引發(fā)的土壤裂隙等作用影響。

根系特征作為影響土壤大孔隙形成的重要因素之一[17]，相關(guān)研究表明根系特征可以間接反映土壤內(nèi)孔隙的數(shù)量、直徑和大小，土壤大孔隙率隨土層深度的增加呈現(xiàn)降低的趨勢[27]，本文將不同地類植物根長密度和根重密度與土壤大孔隙率進(jìn)行擬合，得到不同根徑的根長密度同根重密度與土壤大孔隙率的相關(guān)關(guān)系，結(jié)果表明細(xì)根系根長密度對大孔隙形成的具有貢獻(xiàn)度，細(xì)根系的根重密度對土壤大孔隙的形成具有顯著相關(guān)性。隨土層深度遞增4種地類植物不同根徑根長密度及根重密度均降低。主要原因?yàn)橥寥辣韺又芯奂蠖鄶?shù)根系，根系在深層土壤中占比較少。4種地類根徑0

土壤大孔隙與土壤優(yōu)先流的形成密切相關(guān)，用來分析干旱河谷地區(qū)土壤水分運(yùn)動和溶質(zhì)運(yùn)移規(guī)律是合理的。土壤中大孔隙的形成與植被根系及根孔有關(guān)聯(lián)。本文定量分析根系與土壤大孔隙形成的關(guān)系，但影響土壤大孔隙形成的因子復(fù)雜多變，今后研究土壤大孔隙的重點(diǎn)應(yīng)放在對土壤大孔隙特征和環(huán)境因子對其影響的量化分析上，進(jìn)一步明晰土壤大孔隙的形成原理，以期為紅河干旱河谷地區(qū)水資源管理、保護(hù)以及植被恢復(fù)工作提供理論基礎(chǔ)和科學(xué)依據(jù)。

4 結(jié) 論

(1) 4種地類樣地土壤水分穿透曲線的穩(wěn)定出流速率表現(xiàn)為林地>園地>荒草地>農(nóng)地，各地類間存在顯著差異(p<0.05)，土壤各層水分穿透曲線總體發(fā)展趨向一致，均為先增加，一段時(shí)間后趨于穩(wěn)定的規(guī)律，表層出流速率均大于深層。因此，不同地類并不能控制土壤水分運(yùn)移的整體發(fā)展規(guī)律，但影響水分穩(wěn)定出流速率。

(2) 4種地類土壤大孔隙的當(dāng)量半徑在0.3～3.7 mm范圍內(nèi)，其中，0.3～1.0 mm的密度最大，占大孔隙總數(shù)量的96%以上，大于1.0 mm的密度最小，只占小于大孔隙總數(shù)的4%；大孔隙密度為1.383×104～2.477×104個(gè)/m2，4種地類中大孔隙密度與大孔隙率都隨著土層深度的增加而逐漸降低，整體趨勢表現(xiàn)為林地>園地>荒草地>農(nóng)地。

(3) 4種地類樣地中植物根長密度和根重密度都隨著土層深度的遞增表現(xiàn)為減小的趨向；細(xì)根系(根徑d<1 mm)對土壤大孔隙的形成有高貢獻(xiàn)度，而相對較粗的根系(根徑d>1 mm)對土壤大孔隙的形成貢獻(xiàn)度較低。

(4) 根徑范圍d≤1 mm，1