模擬降雨下根系密度對(duì)土壤侵蝕和侵蝕性的影響

丁 培

(塔里木河流域干流管理局，新疆 庫(kù)爾勒 841000)

農(nóng)田土壤侵蝕是造成土壤流失的主要過(guò)程。全世界約90%的農(nóng)業(yè)用地受到不同程度的土壤侵蝕[1]。與土壤流失一起，它還導(dǎo)致有機(jī)質(zhì)和重要的植物營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)如氮、磷、鉀和鈣的流失，影響土壤持水能力和土壤生物群，共同影響土壤生產(chǎn)力。植被長(zhǎng)期以來(lái)一直被用于減少土壤侵蝕和恢復(fù)退化土地[2]。如果植被的地上部分主要負(fù)責(zé)提供遮蔽雨滴侵蝕力的場(chǎng)所，則地下生物量與土壤和土壤中的微生物直接相互作用。這些根系與環(huán)境的相互作用可以改變和穩(wěn)定土壤團(tuán)聚體及其結(jié)構(gòu)，通過(guò)生長(zhǎng)根系來(lái)改變大孔隙的比例和結(jié)構(gòu)，影響滲透速率，并增加抗剪強(qiáng)度；根據(jù)根的結(jié)構(gòu)功能、根的生理學(xué)，以及它們的發(fā)展階段[3]，盡管早就證明了根系在土壤侵蝕控制中的重要性，但直到最近才開(kāi)始研究各種一年生和多年生作物根系對(duì)土壤流失率和土壤可蝕性的影響[4]。根系密度、根系長(zhǎng)度密度和根系表面積密度是量化土壤中根系數(shù)量與土壤可蝕性關(guān)系的常用參數(shù)。總的來(lái)說(shuō)，隨著根系的存在，土壤的可蝕性和剝蝕速率降低。在壤土(砂壤土、粉壤土和粉質(zhì)黏壤土)中進(jìn)行的大多數(shù)研究表明，隨著根系密度和/或根系長(zhǎng)度密度，表明含黑麥草的粉質(zhì)黏壤土的土壤流失率隨根表面積密度(單位為cm2/cm3)的增加而線性下降[5]。然而，這些研究大多只分析了根系密度的影響，關(guān)于植被地上和地下成分同時(shí)對(duì)土壤侵蝕和層間可蝕性影響的比較信息非常有限[6]。此外，在根系密度對(duì)不同土壤物理性質(zhì)的影響上，它們?nèi)狈β?lián)系，從而影響土壤剝離速率和層間可蝕性[7]。研究的目的是比較總植被和僅根的土壤侵蝕量，并評(píng)估根密度對(duì)土壤可蝕性的影響，以及研究不同根密度對(duì)影響土壤侵蝕的土壤物理性質(zhì)的影響(體積密度，飽和導(dǎo)水率、抗剪強(qiáng)度、土壤表面強(qiáng)度和骨料穩(wěn)定性)。

1 材料和方法

1.1 土盤(pán)的制備

從塔里木河流域的一塊農(nóng)田采集了土壤的樣本。所用土壤為粉壤土，含191 g/kg黏土(0～2 μm)、511 g/kg粉土(2～50 μm)、298 g/kg砂(50～1000 μm)、2.1 g/kg有機(jī)物，2.0 g/kg碳酸鈣。將土壤風(fēng)干、壓碎、篩分，得到1～8 mm的骨料，然后在土盤(pán)中填充至0.07 m的深度。移除任何石頭和植物殘骸后。每個(gè)土壤盤(pán)的前部都有一個(gè)徑流收集瓶，用于收集徑流。一塊0.5 m高的防濺板附在側(cè)面。濺水板的底座上有一個(gè)排水溝，通過(guò)這個(gè)排水溝，濺出的物質(zhì)可以收集起來(lái)清洗濺水板。盤(pán)子底部有一個(gè)3 mm的孔，靠近前端，用于在降雨期間通過(guò)土壤收集滲濾水。多年生黑麥草，在密度為50 kg和100 kg的土壤盤(pán)中以之字形模式每粒種子播種，并每隔2 d澆水，直到進(jìn)行降雨模擬試驗(yàn)。它們?cè)?—6月間在溫室里生長(zhǎng)，沒(méi)有化肥投入。每4周剪一次5 cm高的嫩枝。由于溫室內(nèi)溫度較高，黑麥草生長(zhǎng)8周后，植株暴露在自然條件下。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本研究的試驗(yàn)設(shè)計(jì)如表1所示。對(duì)于50 kg/hm2的播種密度，在播種4周、8周和12周(分別為R1、R2和R3)后進(jìn)行降雨模擬，對(duì)于100 kg/hm2的播種密度，在播種4周后進(jìn)行降雨模擬。以R0為對(duì)照，采用與其他試驗(yàn)相同的灌水量和灌水頻率，在裸土上進(jìn)行了4周的模擬降雨試驗(yàn)。對(duì)于黑麥草的所有試驗(yàn)，有兩種亞處理：第一種，嫩枝保持完整(表示為“有嫩枝”)，第二種，嫩枝在降雨模擬之前被水平剪掉(表示為“無(wú)嫩枝”)。每個(gè)處理有四個(gè)重復(fù)。

表1 研究處理的試驗(yàn)設(shè)計(jì)播種密度

1.3 水蝕試驗(yàn)

降雨模擬使用實(shí)驗(yàn)室降雨模擬器進(jìn)行，該模擬器由裝有90個(gè)玻璃毛細(xì)管的旋轉(zhuǎn)水箱組成。土盤(pán)以15°角放置在旋轉(zhuǎn)水箱的中心下方，兩個(gè)雨量計(jì)位于防濺板的對(duì)面。平均降雨強(qiáng)度為54.31 mm/h(σ=3.63)雨滴平均直徑為5.32 mm(σ=3.63)軟化水被用來(lái)模擬自然降雨和防止毛細(xì)血管堵塞。為了減少由不同土壤含水量引起的變異性，在試驗(yàn)前一天對(duì)土壤進(jìn)行了澆水。在每次降雨模擬之前，從每個(gè)盤(pán)中采集三個(gè)土壤樣品，通過(guò)重量法(在105 ℃下烘箱干燥24 h)測(cè)定土壤含水量。這樣形成的洞又被土壤填滿(mǎn)了。試驗(yàn)期間每5 min 收集一次濺板沉積物、含沉積物的徑流和滲濾水。記錄滲濾水和徑流的體積，并將飛濺和徑流產(chǎn)生的沉積物在加熱板(105 ℃)上蒸發(fā)。每次降雨試驗(yàn)的總持續(xù)時(shí)間為1.5 h。

每次試驗(yàn)前，將土盤(pán)整平，并從上方拍攝數(shù)碼照片，使透鏡軸處于垂直位置。隨后使用ImageJ軟件測(cè)定嫩枝覆蓋的百分比面積。每次降雨模擬試驗(yàn)后，用環(huán)刀(100 cm3)從0～5 cm土層的每個(gè)盤(pán)中隨機(jī)抽取三個(gè)土壤樣品，測(cè)量根系密度。每個(gè)亞處理重復(fù)12次。

1.4 滲透阻力和導(dǎo)水率

使用實(shí)驗(yàn)室貫入儀，使用50 N的稱(chēng)重傳感器，所有測(cè)量的靈敏度保持在0.01。通過(guò)將貫入儀測(cè)得的電壓轉(zhuǎn)換為兆帕(平均每個(gè)樣品三次重復(fù))，獲得滲透阻力。使用實(shí)驗(yàn)室滲透計(jì)測(cè)量降雨模擬后每個(gè)土壤盤(pán)三次采集的100 cm3原狀土樣品的飽和導(dǎo)水率。

1.5 抗剪強(qiáng)度和骨料穩(wěn)定性

在降雨模擬試驗(yàn)后，使用袖珍V形測(cè)試儀CL100測(cè)量土壤的抗剪強(qiáng)度，該儀器與將測(cè)試儀的葉片垂直推入土壤中，直到葉片被覆蓋(深度為0.5 cm)，并以恒定速度順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)葉片頭，直到發(fā)生故障，從而測(cè)量土壤的抗剪強(qiáng)度。然后從三個(gè)重復(fù)計(jì)算每個(gè)盤(pán)的平均土壤抗剪強(qiáng)度。同時(shí)還測(cè)量了土壤含水量，平均每盤(pán)三次，因?yàn)橥寥揽辜魪?qiáng)度受土壤含水量的強(qiáng)烈影響。在取樣測(cè)定根系密度、貫入阻力、導(dǎo)水率和抗剪強(qiáng)度后，將留在盆中的土壤風(fēng)干、壓碎并篩分，以獲得2～8 mm大小的骨料。隨后，通過(guò)干濕篩分法測(cè)定了土壤的骨料穩(wěn)定性。穩(wěn)定性指數(shù)是骨料干篩平均重量直徑(MWD)和濕篩平均重量直徑(MWD)之差的倒數(shù)，用于衡量骨料的穩(wěn)定性。穩(wěn)定性指數(shù)越高，骨料越穩(wěn)定。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤水分、植被、根系密度

模擬降雨試驗(yàn)前各處理土壤平均含水量為0.23(R=0.038)kg/kg。除了在第8周進(jìn)行的試驗(yàn)(R2，有和沒(méi)有新梢)具有顯著較低的土壤含水量，其他處理之間的初始土壤水分差異不顯著。R2土壤含水量較低是由于溫室內(nèi)高溫引起的較高蒸散所致。不同處理獲得的根系和地被植物的密度見(jiàn)表2。由于每個(gè)處理內(nèi)的子處理(有枝和無(wú)枝)的根系和地被植物的密度沒(méi)有差異，表2顯示了包含兩個(gè)子處理的每個(gè)處理的平均值。R2和R3的地被植物的顯著低值與每4周修剪一次5 cm高的植物有關(guān)。

表2 不同處理的根系密度和地被百分比

2.2 地上和地下植被對(duì)徑流和土壤侵蝕的影響

降雨開(kāi)始后不久，徑流就開(kāi)始了，在前20 mm的降雨中，徑流迅速上升，之后，所有處理的降雨量都沒(méi)有顯著變化。與對(duì)照相比，試驗(yàn)期間收集的徑流總量在所有帶芽子處理中均較高，但僅在處理R1d和R3中顯著增加，見(jiàn)表3。而對(duì)于無(wú)枝的亞處理，R2和R3的總徑流收集量顯著低于R1和R1d，而不是對(duì)照。值得注意的是，在降雨模擬試驗(yàn)期間收集的徑流總量不包括以飛濺形式損失的降雨部分。試驗(yàn)期間的濺蝕和沖刷隨降雨時(shí)間而變化，降雨開(kāi)始后不久觀察到的最高侵蝕率隨時(shí)間而下降，如圖1所示。有芽處理的總濺蝕量和沖刷侵蝕量均顯著低于對(duì)照。對(duì)于覆蓋率最高的R1d，濺蝕率最低。有芽處理之間的沖刷侵蝕率沒(méi)有顯著差異。對(duì)于無(wú)芽的處理，R1和對(duì)照之間的濺蝕和R0、R1和R1d之間的沖刷侵蝕沒(méi)有顯著差異。根系密度越高，噴濺侵蝕的減少越明顯。除R3外，所有有芽的處理的濺蝕和沖刷侵蝕均顯著低于相應(yīng)的無(wú)芽處理，其中有芽和無(wú)芽模擬的沖刷侵蝕差異不顯著。對(duì)于沒(méi)有新梢的處理，指數(shù)關(guān)系最好地解釋了黑麥草根系密度隨噴濺和沖刷造成的土壤流失的變化，如圖2所示。

表3 不同處理的總徑流、濺蝕土壤損失和沖刷土壤損失

圖1 不同處理濺蝕演變以及不同處理累積降雨的沖刷侵蝕演變

2.3 根系密度對(duì)土壤可蝕性的影響

計(jì)算表觀層間可蝕性與飛濺侵蝕和沖刷侵蝕的演變方式相似，在降雨量為10～15 mm時(shí)達(dá)到最高值，除R2外，所有處理的可蝕性都逐漸降低，在降雨量為10～30 mm時(shí)，可蝕性的降低更為迅速，如圖3(a)所示。根系密度對(duì)土壤的可蝕性影響很大。如圖3(b)所示，總可蝕性隨根系密度的增加而降低的最佳解釋是指數(shù)關(guān)系。

2.4 根系密度對(duì)土壤物理性質(zhì)的影響

根系密度對(duì)飽和導(dǎo)水率的影響不能很好地評(píng)價(jià)，因?yàn)樘幚黹g的重復(fù)性差異很大。這可能是由于土壤樣品中的密封效應(yīng)造成的，因?yàn)樵谕寥涝馐芙涤旰筮M(jìn)行了導(dǎo)水率和容重的測(cè)量。這種密封效應(yīng)，以探針穿透阻力來(lái)衡量，在對(duì)照組中比在有和沒(méi)有嫩枝的處理中更明顯，如圖4所示。在相同的處理?xiàng)l件下，有芽處理的穿透阻力低于無(wú)芽處理，這是由于芽對(duì)雨滴沖擊的保護(hù)作用。在黑麥草生長(zhǎng)的8周內(nèi)，根密度對(duì)不同根密度處理的團(tuán)聚體穩(wěn)定性指數(shù)沒(méi)有影響，見(jiàn)表4。根系對(duì)黑麥草團(tuán)聚體穩(wěn)定性的影響僅在R3處理表現(xiàn)出來(lái)，與黑麥草生長(zhǎng)12周時(shí)的團(tuán)聚體穩(wěn)定性指數(shù)顯著高于其他處理。與團(tuán)聚體的穩(wěn)定性不同，黑麥草的根系提高了土壤的抗剪強(qiáng)度。對(duì)照組的平均剪切強(qiáng)度值為0.417 MPa，而R3組的平均剪切強(qiáng)度值為1.010 MPa。由于已觀察到含水量和根系密度對(duì)土壤抗剪強(qiáng)度有很大影響，我們使用土壤含水量和根系密度來(lái)研究它們對(duì)土壤抗剪強(qiáng)度的影響。由于濺蝕和沖刷侵蝕速率與土壤剪切強(qiáng)度一樣也受根系密度的影響，因此我們觀察到濺蝕和沖刷侵蝕速率與土壤剪切強(qiáng)度之間存在正相關(guān)關(guān)系。

圖2 無(wú)枝處理的根系密度對(duì)濺沙和沖刷泥沙損失的影響

圖3 表觀層間可蝕性受根系密度的影響

圖4 處理有嫩枝和無(wú)嫩枝時(shí)通過(guò)密封的滲透阻力

表4 不同處理的根系密度和地被百分比

2.5 討 論

在降雨過(guò)程中，幾個(gè)分離和運(yùn)輸過(guò)程可能共同作用。飛濺侵蝕是由于雨滴沖擊破壞了土壤結(jié)構(gòu)元素并隨后向各個(gè)方向擴(kuò)散，而沖刷侵蝕則是由于雨滴沖擊或水流或兩者共同作用造成的土壤分離和水流輸送的結(jié)果。降雨期間，雨滴沖擊、土壤濕潤(rùn)和土壤表面懸浮沉積物沉積的機(jī)械作用導(dǎo)致土壤表面形成限制性密封層，從而導(dǎo)致不同的土壤流失率。土壤表面封閉的形成導(dǎo)致滲透性降低和徑流增加，從而增加了侵蝕力，但也增加了雨滴沖擊壓實(shí)引起的土壤剪切強(qiáng)度，從而降低了土壤的可蝕性。因此，在所有處理中，由于飛濺和沖刷以及累積降雨造成的土壤流失的減少可能與土壤可蝕性的降低有關(guān)，這是由于表面密封的形成。土壤表面發(fā)育的速度和程度受到許多因素的影響，如土壤特性、水分條件、土壤表面條件和侵蝕力的性質(zhì)。圖4的A和B顯示了不同處理在實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)形成的表面密封程度的變化。與無(wú)芽處理相比，有芽處理的發(fā)育程度較低，這可能是由于覆蓋物的存在減少了沖擊。在有覆蓋物的情況下，滴落影響的減少也通過(guò)有芽的處理與無(wú)芽的處理相比，飛濺侵蝕率較低得到證實(shí)。飛濺引起的分離與土壤抗剪強(qiáng)度高度相關(guān)。由于濺蝕是雨滴沖擊下的剝離和搬運(yùn)的結(jié)果，而沖刷侵蝕是雨滴和/或徑流剝離和/或徑流搬運(yùn)的結(jié)果，因此土壤抗剪強(qiáng)度的增加可能導(dǎo)致土壤剝離的減少。在剝離過(guò)程中，由于根系對(duì)土壤的加固作用，落差沖擊或徑流施加的總剪應(yīng)力可分為作用于土壤和作用于根系的剪應(yīng)力，從而隨著根系密度的增加，土壤流失減少。增加土壤抗剪強(qiáng)度與根系的存在也被發(fā)現(xiàn)是有效的保護(hù)土壤侵蝕集中徑流。

3 結(jié) 論

這項(xiàng)研究結(jié)果證明了植物地上和地下成分的重要性。盡管植被的地上部分在保護(hù)表土免受早期侵蝕方面非常有效，但根系的有效性隨著植物的發(fā)育而增加。植被生長(zhǎng)產(chǎn)生的高根系密度極大地減少了土壤流失和可蝕性。隨著根系密度的增加，泥沙流失量和層間可蝕性呈指數(shù)下降。根系對(duì)土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性和抗剪強(qiáng)度的積極影響可能是減少土壤流失和降低層間可蝕性的結(jié)果。雖然土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性和抗剪強(qiáng)度隨根系發(fā)育而增加，但對(duì)團(tuán)聚體穩(wěn)定性的影響遠(yuǎn)晚于抗剪強(qiáng)度。濺蝕和沖刷的抗剪強(qiáng)度與土壤流失呈高度負(fù)相關(guān)。這項(xiàng)研究的結(jié)果在必須收割或移除地上生物量的情況下具有重要的意義。然而，由于這項(xiàng)研究是在受控環(huán)境下黑麥草生長(zhǎng)的12周內(nèi)進(jìn)行的，因此從長(zhǎng)期來(lái)看，得出確切的結(jié)論是有限的。為了更好地理解根系在土壤侵蝕控制中的貢獻(xiàn)和作用，需要在土壤物理、化學(xué)和生物過(guò)程是動(dòng)態(tài)的更大尺度上研究植物生長(zhǎng)各階段的土壤侵蝕效應(yīng)。