不同植物根系對(duì)土質(zhì)邊坡土壤理化性質(zhì)影響研究

曹婷婷 師晨迪

摘 要：近年來為減少水土流失和地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生，增加淺層邊坡穩(wěn)定性，以草本植被為主的邊坡固定成為研究熱點(diǎn)，草本植物的生長不僅能起到防護(hù)土質(zhì)邊坡穩(wěn)定性的作用，還可對(duì)土壤特性產(chǎn)生影響。本項(xiàng)目在商洛地區(qū)開展紫花苜蓿、狗牙根和黑麥草3種常見護(hù)坡草本植物根系生長對(duì)土壤特性影響研究。結(jié)果表明：3種草本作物經(jīng)過1a種植培育，土壤中粉粒含量均下降，降幅為7%～14%;土壤中粘粒含量均增高，增幅為15%～21%;隨著作物根系分泌物不斷增加，土壤中膠體含量增多，粘粒含量增多，作物的生長營造了適于土體正向演替的良好生境;毛管孔隙度減少了8%～17%，非毛管孔隙度減少了27%～68%;作物根系生長顯著改善了土壤孔隙結(jié)構(gòu)，進(jìn)而降低了土壤膨脹性;3種草本作物種植處理下，有機(jī)質(zhì)含量減少了15%～72%，作物生長及根系蔓延，顯著消耗了土壤中有機(jī)質(zhì)。草本植物在進(jìn)行邊坡護(hù)理的同時(shí)，對(duì)土壤理化性質(zhì)產(chǎn)生顯著影響。

關(guān)鍵詞：植物根系;土壤性質(zhì);土質(zhì)邊坡

中圖分類號(hào)：S289：156.5

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI：10.19754/j.nyyjs.20201115004

收稿日期：2020-08-19

基金項(xiàng)目：陜西省土地工程建設(shè)集團(tuán)內(nèi)部項(xiàng)目“不同植物根系對(duì)土質(zhì)邊坡穩(wěn)定性作用的微形態(tài)學(xué)機(jī)理研究”（項(xiàng)目編號(hào)：DJNY2019-15）

作者簡介：曹婷婷（1990-），女，碩士，工程師。研究方向：土地整治。

緒論

植物護(hù)坡見效快、穩(wěn)定性好、可持續(xù)性佳、經(jīng)濟(jì)實(shí)惠、穩(wěn)定性強(qiáng)、有益于增進(jìn)生物多樣性，是一種廣泛的護(hù)坡方式。邊坡土壤在降雨、蒸發(fā)等自然條件下，根據(jù)天氣變化處于干濕交替狀態(tài)，特別是對(duì)于膨脹性土壤而言，脹縮過程及其產(chǎn)生的危害性更加明顯[1-4]。商洛地區(qū)土壤大多屬紅褐土，且該地區(qū)多降雨，滑坡、泥石流等自然災(zāi)害頻發(fā)，引起當(dāng)?shù)赝临|(zhì)邊坡侵蝕及水土流失，造成當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境極度脆弱[5]。為了更好地開展水土保持工作，改善當(dāng)?shù)厮亮魇КF(xiàn)象，進(jìn)一步防控地質(zhì)災(zāi)害的頻繁發(fā)生，近年來，以草本植被為主的土質(zhì)邊坡的防護(hù)模式逐漸被研究人員關(guān)注[6-9]。根系是連接土壤與植物的中間介質(zhì)，是植物生長、繁殖、發(fā)育的重要部分，根系可以從土壤中吸收水分和營養(yǎng)物質(zhì)以滿足自身生長的需要，其中地下生物量占據(jù)整個(gè)植株生物量的大部分[10-13]。根系因?yàn)橹仓曜陨砩L特性不同，根系的分布格局也有很大差異，此外根系的生長格局還與土壤本身特性有很明顯的相關(guān)關(guān)系，根系的生長分布情況會(huì)影響植株對(duì)土壤中營養(yǎng)物質(zhì)的吸收以及根際周邊環(huán)境的營造，進(jìn)而影響微生物群落結(jié)構(gòu)。主要是通過根系生長過程中對(duì)水分的吸收程度、根系分泌物的種類，以及微生物吸收代謝產(chǎn)物的不同，進(jìn)一步影響土壤生態(tài)環(huán)境，進(jìn)而對(duì)土壤的特性產(chǎn)生一定影響[14]。

根系除對(duì)土壤特性產(chǎn)生影響以外，還會(huì)對(duì)土壤力學(xué)性能產(chǎn)生一定影響。草本植被根系在穿插、纏繞過程中，與顆粒表面的摩擦力以及根系與顆粒間的嵌入作用產(chǎn)生的咬合力增強(qiáng)土壤膠結(jié)能力[15，16]，并且能夠改善土壤環(huán)境，促進(jìn)土粒的團(tuán)聚，阻礙土壤收縮的產(chǎn)生。劉國彬[17]在對(duì)草本植被恢復(fù)不同階段土壤抗沖性變化的研究中提出，根系纏繞、固結(jié)土壤，強(qiáng)化抗沖性作用有3種方式即網(wǎng)絡(luò)串連作用、根土粘結(jié)作用及根系生物化學(xué)作用;康潔[18]研究表明根系在土壤中的穿插生長會(huì)對(duì)土壤孔隙產(chǎn)生一定影響，從而會(huì)對(duì)土壤的物理特性產(chǎn)生影響。

綜上所述，植物根系在土壤中的纏繞加筋作用，對(duì)土壤脹縮過程存在一定阻滯作用，并且會(huì)對(duì)土壤特性產(chǎn)生一定影響，但是由于草本作物的根系生長對(duì)邊坡土壤特性的影響沒有定量化的定論。因此，本文選擇紫花苜蓿、狗牙根和黑麥草3種常見護(hù)坡草本植物根系生長對(duì)土壤特性影響進(jìn)行研究，以期為商洛地區(qū)“山水林田湖草項(xiàng)目”利用固坡植物選擇提供一定理論基礎(chǔ)。

1?試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)采用田間小區(qū)試驗(yàn)，在陜西省商洛市商州區(qū)金鳳山區(qū)南坡進(jìn)行，選擇護(hù)坡樣地設(shè)置試驗(yàn)小區(qū)，試驗(yàn)對(duì)象選擇水土保持常用的幾種不同根系特征的草本植物，主要有黑麥草、狗牙根、紫花苜蓿。黑麥草是早熟禾科植物，叢生，根系發(fā)達(dá);狗牙根為多年生深根雜草，以匍匐莖和種子繁殖;紫花苜蓿為多年生草本，根粗壯，根頸發(fā)達(dá)。實(shí)驗(yàn)區(qū)共設(shè)A、B、C、D共4個(gè)樣區(qū)，其中D區(qū)為對(duì)照（裸露地），在各樣區(qū)內(nèi)進(jìn)一步劃分出3個(gè)面積為6m×4m的小區(qū)，每個(gè)品種重復(fù)3次，共12個(gè)小區(qū)。在A、B、C、D各區(qū)內(nèi)，以株行距為30cm×35cm分別栽植紫花苜蓿、狗牙根和黑麥草。在栽培期間，各區(qū)進(jìn)行定期除雜草、澆水等常規(guī)管理。

在植物蓋度達(dá)到80%以上，植物根系生長成熟后，按照S型曲線，選擇健壯的植株，確定采樣點(diǎn)。去除植株的地上部分后，以植株為中心點(diǎn)，使環(huán)刀（底面積30cm2，高2cm）圓心與中心點(diǎn)重合，沿著植株豎直向下采集表層原狀土樣，由于植株根系不同，根系分布深度不同，每個(gè)小區(qū)取3個(gè)重復(fù)。將同一小區(qū)不同采樣點(diǎn)的土壤進(jìn)行混合，每個(gè)混合土樣取500g左右?guī)Щ貙?shí)驗(yàn)室，用于測(cè)定土壤粒徑組成、有機(jī)質(zhì)、毛管孔隙度和非毛管孔隙度。

毛管孔隙度、非毛管孔隙度、總孔隙度均采用環(huán)刀法測(cè)定;土壤機(jī)械組成采用密度計(jì)法測(cè)定;有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀-外加熱法測(cè)定。

2?結(jié)果分析與討論

2.1?不同作物根系下土壤粒徑的變化

不同處理下，土壤粒徑分布如圖1所示。由圖1可知，不同作物生長對(duì)土壤質(zhì)地影響規(guī)律較為明顯。黑麥草處理下，土壤中粉粒（0.05～0.002）含量較空白減少了7%;狗牙根處理下，土壤中粉粒（0.05～0.002）含量較空白減少了12%;苜蓿處理下，土壤中粉粒（0.05～0.002）含量較空白減少了14%。

黑麥草處理下，土壤中粘粒（<0.002）含量較空白增加了21%;狗牙根處理下，土壤中粘粒（0.05～0.002）含量較空白增加了17%;苜蓿處理下，土壤中粘粒（0.05～0.002）含量較空白增加了15%。

根據(jù)不同處理下土壤質(zhì)地分析可知，土壤中粉粒含量均顯著下降，而土壤中粘粒含量均顯著上升。由于商洛土質(zhì)偏黏，土壤本身粉粒含量較高，但隨著作物生長，根系分泌物不斷增加，土壤中膠體含量逐漸增多，粘粒含量增多，作物的生長營造了適于土體正向演替的良好生境。

2.2?不同作物根系下毛管孔隙度的變化

由圖2可知，3種不同作物生長情況下，總毛管孔隙度較空白相比，黑麥草減少了19%，狗牙根減少了9%，苜蓿減少了16%;毛管孔隙度較空白相比，黑麥草減少了17%，狗牙根減少了8%，苜蓿減少了15%;非毛管孔隙度較空白相比，黑麥草減少了68%，狗牙根減少了27%，苜蓿減少了33%。

據(jù)分析可知，種植作物后，土壤中總孔隙度均顯著下降，毛管孔隙度和非毛管孔隙度均顯著下降，其中黑麥草和苜蓿孔隙度下降幅度較狗牙根更大。黑麥草是禾本科，根系非常發(fā)達(dá)，黑麥平均每天長出11490萬條根毛，每天伸長80km多，從萌發(fā)到抽穗約有150億條根毛。隨著諸多根系的蔓延，在土壤中形成密集的根網(wǎng)，是3種作物中對(duì)土壤總孔隙度和非毛管孔隙度影響最顯著的作物。苜蓿是豆科牧草，主根、側(cè)根區(qū)分明顯，主根直徑約0.2～0.5mm之間，發(fā)達(dá)的根系蔓延顯著降低了土壤毛管孔隙度。狗牙根屬低矮草本植物，稈細(xì)而堅(jiān)韌，下部匍匐地面蔓延甚長，節(jié)上常生不定根，單獨(dú)根系簇小，單位面積內(nèi)根系生物量較少，因此對(duì)于土壤毛管孔隙度和非毛管孔隙度影響較小。由此可知，根系生長布局對(duì)土壤孔隙度影響非常明顯。根系發(fā)達(dá)的草本植物對(duì)土壤孔隙度影響最為顯著，可以很大程度上降低土壤脹縮性。

2.3?不同作物根系下土壤有機(jī)質(zhì)的變化

由圖3可知，3種不同作物生長情況下，有機(jī)質(zhì)含量較空白相比，黑麥草減少了72%，狗牙根減少了15%，苜蓿減少了21%。當(dāng)?shù)卦就寥乐杏袡C(jī)質(zhì)含量較高，土壤肥力質(zhì)量較好，在無任何人工培肥措施下，種植草本植物，經(jīng)過一季作物的種植，3種作物處理下土壤中有機(jī)質(zhì)含量下降非常顯著：3種作物中黑麥草根系最為發(fā)達(dá)，對(duì)土壤中有機(jī)質(zhì)的消耗量最顯著;其次是苜蓿，苜蓿主根與側(cè)根明晰，根系較其它草本作物粗壯，對(duì)有機(jī)質(zhì)的消耗量較大;狗牙根屬低矮植物，稈細(xì)而堅(jiān)韌，下部匍匐地面蔓延，根系較前兩者不太發(fā)達(dá)，對(duì)土壤中有機(jī)質(zhì)的含量消耗較少。

3?總結(jié)

3種草本作物經(jīng)過1a種植培育，土壤中粉粒含量均下降，降幅為7%～14%;土壤中粘粒含量均增高，增幅為15%～21%。3種草本作物種植處理下，毛管孔隙度減少了8%～17%，非毛管孔隙度減少了27%～68%。作物根系生長顯著改善了土壤孔隙結(jié)構(gòu)。3種草本作物種植處理下，有機(jī)質(zhì)含量減少了15%～72%，作物生長及根系蔓延，顯著消耗了土壤中有機(jī)質(zhì)。

隨著作物根系分泌物不斷增加，土壤中膠體含量增多，粘粒含量增多，作物的生長營造了適于土體正向演替的良好生境。根系生長布局對(duì)土壤孔隙度影響非常明顯。根系發(fā)達(dá)的草本植物對(duì)土壤孔隙度影響最為顯著，可以很大程度上降低土壤脹縮性。黑麥草根系最為發(fā)達(dá)，對(duì)土壤中有機(jī)質(zhì)的消耗量最顯著，其次是苜蓿、狗牙根，根系不太發(fā)達(dá)的草本作物對(duì)土壤中有機(jī)質(zhì)的含量消耗較少。

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（責(zé)任編輯?周康）