黃土丘陵溝壑區(qū)不同草灌植被土壤分離速率及其主導(dǎo)因素

尚永澤, 馬 波,2, 李占斌,2, 馬建業(yè)， 王晨光

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 水土保持研究所 黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家 重點實驗室, 陜西 楊凌 712100; 2.中國科學(xué)院 水利部 水土保持研究所, 陜西 楊凌 712100)

黃土丘陵溝壑區(qū)由于地理位置的過渡性、地形和地貌的復(fù)雜性、土壤的易蝕性及人類對土地的過度利用，多年來一直受到國內(nèi)外學(xué)者的高度關(guān)注，同時也是國家退耕還林還草及生態(tài)建設(shè)的重點區(qū)域[1]。大規(guī)模生態(tài)建設(shè)使得該區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)發(fā)生了深刻變化，區(qū)域生態(tài)環(huán)境得到了明顯改善，而土地利用方式的扭轉(zhuǎn)進一步改變了土壤抵御水蝕的能力?，F(xiàn)有研究表明，隨著演替的進行，該區(qū)逐步由一年生雜草類群落發(fā)展為根莖禾草群落或多年生草本群落，并最終形成以小灌木+多年生草本群落為主的群落模式[2]，曾光[3]通過對不同土地利用下的土壤進行沖刷試驗發(fā)現(xiàn)，灌木林地和草地具有較強的抗沖能力，同時管世烽[4]通過對純灌、純草和草灌恢復(fù)模式下進行抗蝕抗沖試驗，發(fā)現(xiàn)草灌混合模式下的土壤抗水蝕效果突出。草灌混生模式已經(jīng)成為黃土高原坡面植被恢復(fù)的主要形式且對水土流失的治理有重要作用，因此，研究不同草灌搭配形式的生態(tài)抗蝕效以及對該區(qū)域生態(tài)建設(shè)效果的評估具有重要意義。土壤分離是指在降雨擊濺或徑流沖刷作用下，土壤顆粒脫離土體、發(fā)生位移的過程[5]，是土壤侵蝕的起始階段，探究土壤分離對于認(rèn)識侵蝕過程與機理具有重要作用。已有研究表明，植被的地下根系是植物發(fā)揮抗水蝕作用最主要的部分[6-7]，其主要通過物理固結(jié)和生物化學(xué)固結(jié)兩方面的作用實現(xiàn)削減土壤分離的目的[8]，且以物理固結(jié)為主導(dǎo)[9]，李強[10]指出根系的物理固結(jié)作用約占根系抗蝕作用的77.7%～82.0%，是根系抗蝕的主要作用方式。根系構(gòu)型也會影響根系固結(jié)作用的發(fā)揮，有學(xué)者指出，直根系和須根系植物在降低土壤分離能力的作用有明顯差別[8,11]，須根系植物的根表面積較大，能夠與土壤顆粒充分接觸，將更多的土壤顆粒固結(jié)在根系周圍，其對土壤分離能力的削減作用較直根系高24.1%[12]。由于根系構(gòu)型的不同，使得根系的減蝕效應(yīng)隨植物種的差異而顯著不同。目前，國內(nèi)外學(xué)者針對根系影響土壤抗侵蝕的研究多集中于單一特定植物種類，對于復(fù)合根系的土壤減蝕效果研究較少，雖然有部分學(xué)者開展了關(guān)于草灌復(fù)合根系的減蝕效應(yīng)研究，但是由于野外自然環(huán)境不可控、采樣取土困難等因素，野外原狀土試驗較少。為使研究更接近自然條件下根土侵蝕狀況，本文選擇黃土高原北部分布較為廣泛的檸條錦雞兒(Caraganakorshinskii)和冰草(Agropyroncristatum)、檸條錦雞兒和鐵桿蒿(Artemisiagmelinii)混生群落為研究對象，并以單一檸條錦雞兒、冰草和鐵桿蒿樣地為對照，探究復(fù)合根系的減蝕效應(yīng)，并分析影響其分離過程的主控因子，以期為黃土高原生態(tài)建設(shè)效果的評估提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于黃土丘陵溝壑區(qū)陜西省綏德縣韭園溝中游左岸的王茂溝流域，面積5.97 km2，主溝長3.75 km，溝壑密度4.31 km/km2。該流域地表覆蓋馬蘭黃土，厚20～150 m。受季風(fēng)強烈影響，雨量少而分布不均，多年平均降水量 513 mm，多集中在汛期(6—9月)，約占全年降水的73.12%，多以暴雨形式出現(xiàn)，一次暴雨產(chǎn)沙量往往為全年總產(chǎn)沙量的60%以上[13]。該區(qū)土質(zhì)貧瘠，地塊破碎，地貌復(fù)雜，在黃土丘陵溝壑區(qū)第一副區(qū)具有一定代表性。研究區(qū)灌木林主要以檸條錦雞兒、沙棘(Hippophaerhamnoides)、達烏里胡枝子(Lespedezasdavurica)為主；撂荒草地主要植物群落有：冰草、鐵桿蒿、白羊草(Bothriochloaischaemum)等。其中檸條錦雞兒、冰草及鐵桿蒿屬優(yōu)勢群落，且在該區(qū)有廣泛分布，具有一定代表性。

1.2 研究方法

1.2.1 樣品采集 在2020年9月，選擇以檸條錦雞兒(下文簡稱為錦雞兒)、冰草、鐵桿蒿、檸條錦雞兒+冰草和檸條錦雞兒+鐵桿蒿為代表的植物群落，且無明顯人為擾動痕跡，植被長勢均勻的5個樣地作為研究對象(表1)。利用直徑為10 cm，高5 cm的特制圓形取樣器采集原狀土樣，每個樣地均勻布設(shè)4個采樣點。在冰草和鐵桿蒿樣地中，為防止叢生基部根系過多而影響取樣器的打取而造成的土壤擾動，選擇避開草本基部選擇基部四周作為樣點，由于樣地具有較高的蓋度，取樣器內(nèi)總是包含完整植株且距基部距離較近，具有一定代表性。用剪刀剪除地上部分，去除結(jié)皮及枯落物，最大程度剔除外源輸入物質(zhì)對分離能力的干擾。為盡量減少采樣過程中擾動，須在采樣點周圍提前開挖深度15 cm左右的土壤剖面，將取樣器垂直砸入地面，當(dāng)環(huán)刀口與地面齊平時，對周圍的土壤和根系進行挖掘和切割，以保證對樣品的干擾最小，仔細(xì)取出樣品，并對環(huán)刀下端的含根土體進行削剪。對于灌木樣地，選擇林下無草本生長，且生長狀況相近的灌木植株作為研究對象，由于灌木根系在0—10 cm深度內(nèi)的分布較為不均，因此在距離灌木基部50 cm處[14]挖掘20 cm深的剖面，簡單確定灌木根系的走向，以保證取樣器中含有灌木根系。去除土壤表面的結(jié)皮，將取樣器垂直壓入地面，后續(xù)采樣方法如草本植物樣地。對于草灌復(fù)合樣地，選擇灌木生長狀況較為相近，林下草本植物較為單一，且與草本植物樣地所選蓋度相似的區(qū)域作為研究樣點，依據(jù)灌木樣地采樣點確定方法，去除草本植物地上部分及結(jié)皮和枯落物后，采樣方法與草本樣地的采樣方法一致。采集深度為0—10 cm，每個樣點分0—5 cm和5—10 cm共采集4個土壤分離樣品作為重復(fù)，每個樣地共采集16個分離樣品。本次試驗共計采集80個分離樣品。

表1 不同草灌植被下的樣地概況

1.2.2 坡面放水沖刷試驗及分離速率計算 本試驗于2020年10月進行。沖刷槽長4 m，寬0.15 m，其中試驗段為直徑10 cm，深5 cm的圓柱體卡槽，位于沖刷槽中間且距沖刷段尾部30 cm。根據(jù)當(dāng)?shù)乇┯晁较缕骄谓涤炅吭O(shè)計流量為36 L/min，坡度為15°。將清漆均勻的涂抹在土槽表面以固化床面，隨后將直徑小于5 mm的土壤顆粒均勻的灑在覆蓋有清漆的土槽表面，再次噴灑清漆，使其包裹住表面的土壤顆粒。被固定的土壤顆粒可以在床面形成穩(wěn)定的糙率，且在試驗中水流無法改變坡面糙率；這樣模擬天然土壤地表糙率，可以最大程度消除下墊面糙率變化對水流阻力等的影響[15]。樣品采回后在水中浸泡12 h，使待測樣品完全飽和，取出后在鐵架上放置12 h，除去重力水，沖刷開始時用秒表計時，并在過程中利用測針觀測土樣的被沖刷深度，當(dāng)沖刷最深處達2 cm時便停止沖刷，沖刷結(jié)束后將泥沙放入烘箱中烘干，記錄干土重。

試驗中徑流水流分離能力為單位時間單位面積內(nèi)徑流分離土壤的質(zhì)量即土壤分離。計算公式為:

(1)

式中：Dr為土壤分離速率〔kg/(m2·s)〕;W為試驗過程中收集的泥沙樣品干重(kg);t為水流沖刷時間(s);A為取樣器投影的面積(m2)。

1.2.3 測定方法及數(shù)據(jù)處理 土壤理化性質(zhì)及根系特征的測定于2020年11月進行。土壤黏結(jié)力(COH， kg/cm2)采用14-10型袖珍剪切儀進行現(xiàn)場測量[16]，土壤容重(BD， g/cm3)采用環(huán)刀法測量[17]，>0.25 mm水穩(wěn)性團聚體含量(R>0.25， %)測定采用濕篩法[18]，土壤黏粒含量(CLAY， %)采用馬爾文激光粒度儀測定。

將沖刷后的取樣器內(nèi)的土體置于0.25 mm的土壤篩上反復(fù)沖洗得到根樣品，而后采用掃描儀在400 dpi下進行彩色掃描，利用Win RHIZO 2009根系分析系統(tǒng)，對根長度，根表面積進行統(tǒng)計分析，掃描后的根系通過烘干法獲得根干重。通過計算得到根重密度(RMD， mg/cm3)，根表面積密度(RSD， 10-2m2/m3)和根長密度(RLD， cm/cm3)，計算公式為：

(2)

(3)

(4)

式中：RM為根系總重(mg)； RSA為根系表面積(m2)； RL為根系長度(cm)；V為取樣器體積(cm3)。

將相關(guān)試驗數(shù)據(jù)Microsoft Excel 2010中進行初步整理和表格的繪制，通過SPSS 26.0進行數(shù)據(jù)的差異性顯著性檢驗(LSD法，p<0.05)和雙變量相關(guān)分析(Pearson，p<0.05)，通過Origin 2018進行相關(guān)性熱圖繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同草灌復(fù)合下的土壤分離速率

不同草灌復(fù)合類型的土壤分離速率的變化如圖1所示。不同類型下土壤分離速率依次為：鐵桿蒿〔0.200 kg/(m2·s)〕>錦雞兒〔0.182 kg/(m2·s)〕>冰草〔0.063 kg/(m2·s)〕>錦雞兒+鐵桿蒿〔0.050 kg/(m2·s)〕>錦雞兒+冰草〔0.028 kg/(m2·s)〕。相對于錦雞兒、冰草和鐵桿蒿等單一群落結(jié)構(gòu)下的根系，草灌混生下的平均土壤分離速率降低了73.58%。其中，直根系的錦雞兒和須根系冰草在復(fù)合后的分離能力最低，相較于錦雞兒降低了84.65%，較冰草降低了55.37%，且較直根系組合錦雞兒+鐵桿蒿的分離速率低44.38%。在幾種植被類型中，草灌復(fù)合條件下的土壤分離速率最低，其中以錦雞兒+鐵桿蒿為代表的直根系與直根系植物組合后的土壤分離速率減小的最為明顯，而以錦雞兒+冰草為代表的直根系與須根系組合的削減效果最佳。

注：JJ為檸條錦雞兒，H為鐵桿蒿，BC為冰草，JH為檸條錦雞兒+鐵桿蒿，JBC為檸條錦雞兒+冰草； 不同小寫字母表示不同復(fù)合類型間差異顯著(p<0.05)；下同

2.2 不同草灌復(fù)合下根系及土壤形狀變化特征

表2為不同草灌復(fù)合下的根系特征和土壤性質(zhì)。其中兩種復(fù)合根系條件下的RLD，RSD和RMD分別較單一根系下的平均水平提高了22.58%，23.49%和31.05%。其中錦雞兒+鐵桿蒿的RSD較錦雞兒顯著增加了55.04%，錦雞兒+冰草的RLD，RSD和RMD較錦雞兒也有顯著增加，分別增加了44.32%，62.79%和88.30%。另外錦雞兒+冰草的RMD，RSD和RLD較錦雞兒+鐵桿蒿高19.59%，5.00%和10.49%。這說明草灌混生后根系密度明顯增加，其中錦雞兒+冰草組合下的根系密度最高。對于錦雞兒+鐵桿蒿和錦雞兒+冰草兩種復(fù)合根系而言，COH，R>0.25的平均水平分別較單一灌木及草本根系提高了35.15%和96.23%。其中錦雞兒+鐵桿蒿的COH分別較錦雞兒和鐵桿蒿分別顯著提高了37.68%和58.33%，BD則與錦雞兒處于同一水平，但較鐵桿蒿顯著增加，增幅達12.96%。R>0.25較兩種單一植物均有增加，其中較鐵桿蒿增加顯著，達1.40倍，Clay較錦雞兒數(shù)值較為接近，較鐵桿蒿顯著增加了30.26%。錦雞兒+冰草的COH，BD和R>0.25較錦雞兒和冰草均有所增加，其中COH分別增加了26.09%和19.18%，R>0.25分別提升了0.60倍和1.63倍。但是土壤黏粒含量(CLAY)較錦雞兒增加了9.41%，較冰草減少了1.74%。這說明草灌混生后，COH，R>0.25增加明顯。為探究不同植被模式下根系特征與土壤性質(zhì)間的相互影響，對5種草灌復(fù)合條件下的根系和土壤因子進行相關(guān)性分析，結(jié)果詳見表3。除錦雞兒和鐵桿蒿的根系指標(biāo)分別與R>0.25和BD表現(xiàn)出較強的相關(guān)性，單一植物條件下的其他指標(biāo)相關(guān)性并不顯著，而復(fù)合條件下，錦雞兒+鐵桿蒿的RMD與COH，BD均顯著相關(guān)，而錦雞兒+冰草的RSD和RLD與BD呈極顯著負(fù)相關(guān)，與CLAY呈顯著正相關(guān)。說明根系構(gòu)型的差別能有效影響土壤性質(zhì)，這種表現(xiàn)在復(fù)合條件下表現(xiàn)的更為明顯。

表2 不同草灌復(fù)合下的根系特征和土壤性狀

2.3 土壤和根系指標(biāo)對土壤分離速率的影響

由圖2可知，根系指標(biāo)中，與錦雞兒和錦雞兒+鐵桿蒿的分離速率相關(guān)性最高的為RMD，與鐵桿蒿和冰草相關(guān)性最高的為RLD，與錦雞兒+冰草相關(guān)性最高的為RSD。土壤指標(biāo)中，與冰草、鐵桿蒿、錦雞兒+鐵桿蒿相關(guān)性最高的為R>0.25，與錦雞兒+冰草相關(guān)性最高的為CLAY，其次為R>0.25，而與錦雞兒相關(guān)性最高的為COH，其次為R>0.25，說明R>0.25是表征土壤分離速率的較優(yōu)的土壤參數(shù)。此外，冰草和鐵桿蒿的土壤分離速率與RSD，RLD等根系指標(biāo)的相關(guān)性整體強于土壤性質(zhì)的相關(guān)性。錦雞兒、錦雞兒+鐵桿蒿和錦雞兒+冰草的土壤分離率與根系的相關(guān)性接近于與土壤性質(zhì)的相關(guān)性，說明在灌木和草灌混生條件下，土壤因子和根系因子共同作用影響了土壤分離速率。而在草地中，根系因子在提高土壤抵抗分離能力時發(fā)揮了更明顯的作用。

表3 不同草灌復(fù)合下根系因子和土壤因子的相關(guān)性

結(jié)合表3數(shù)據(jù)分析，兩種復(fù)合模式下根系作用的發(fā)揮存在明顯區(qū)別。錦雞兒+冰草的RSD和RLD與土壤性質(zhì)相關(guān)性更高且顯著性更強，同時RSD與RLD同土壤分離速率相關(guān)程度也最高，說明RSD與RLD能夠體現(xiàn)根系土壤性質(zhì)的影響，相比于RMD在對土壤分離速率的解釋上更具有優(yōu)越性。而錦雞兒+鐵桿蒿的RMD不僅與土壤分離速率的相關(guān)程度最高，且與土壤指標(biāo)的相關(guān)性更為顯著，說明RMD是更重要的根系因子，而RSD與RLD則弱化為次要因子。

3 討 論

本研究中，在兩種組合根系條件下，土壤分離能力較單一植灌木和草本根系條件下的平均土壤分離率降低了73.58%，這與李強[8]在研究中柳枝稷和苜蓿的復(fù)合根系較單一根系顯著降低的結(jié)論一致。相對于單一根系，草灌復(fù)合使得土壤中的根長密度和根重密度有效增加了18.42%和23.69%，而根系密度的增加使得土壤分離速率呈現(xiàn)明顯的降低[19]，因此復(fù)合根系下的土壤分離速率最小。根系密度的增加對土壤性質(zhì)有明顯的影響，一方面可通過增加分泌物的方式改善土壤團聚體、有機質(zhì)和黏結(jié)力等特性[20,21]，隨著含根量的增加，土壤中的毛細(xì)根增多，根系在土體中交叉交織，固持土壤的作用隨之增強，通過物理固結(jié)作用又可以增加土壤的黏結(jié)力[22]。更多的根系所分泌的各種類型的膠結(jié)物質(zhì)固結(jié)了土壤[23]，土壤性質(zhì)的變化導(dǎo)致土壤可蝕性降低。同時，根系還可通過物理固結(jié)的方式，增加土壤團聚體含量，通過根的拌纏作用下截留黏粒使其膠結(jié)成大顆粒團聚體，由于大顆粒的水穩(wěn)性團聚體遇水不易分散且具有較高的穩(wěn)定性，其形成有利于增加土壤的抗侵蝕阻力，使土壤變得難以分離，進而削弱土壤分離率。另外，更致密的根系可以在土壤表面形成沖刷切口時，承擔(dān)一部分的水流剪切力，以減小水流對土壤的沖擊。然而，由于根系的穿插、死根的萎縮腐解使土壤孔隙度增加，進而降低了土壤容重，經(jīng)過相關(guān)性分析可知，容重并非影響土壤分離速率的單一因素，還受諸多土壤和根系因素的影響，當(dāng)其他因素對土壤分離能力的影響大于容重時，土壤分離速率并不會因為容重的減小而變化[24]。

研究結(jié)果表明，直根系和須根系復(fù)合下的錦雞兒+冰草的分離能力較直根系與直根系復(fù)合下的錦雞兒+鐵桿蒿降低了79.81%，由于冰草為須根系草本，單位土體內(nèi)的根系生物量較直根系的鐵桿蒿有一定增加[25]，其中冰草的根重密度和根長密度分別為鐵桿蒿的1.13和1.04倍，更大的根系長度增加了根系與土壤的接觸面積[26]，使得其對土壤的固結(jié)能力更強。相關(guān)研究也表明，對于冰草和鐵桿蒿而言，根系是決定其土壤分離速率最主要的因子[27]。但當(dāng)其與錦雞兒混生以后，不僅增加了單位土體的根系含量，改善了土壤性質(zhì)，此外灌木較高的地表枯落物增加了土壤有機質(zhì)，有機質(zhì)的增加導(dǎo)致了團聚體含量的增加，有效削減了分離速率。這一現(xiàn)象在錦雞兒、錦雞兒+鐵桿蒿和錦雞兒+冰草中表現(xiàn)較為明顯，錦雞兒>0.25 mm水穩(wěn)性團聚體的含量顯著高于冰草和鐵桿蒿。而錦雞兒+鐵桿蒿和錦雞兒+冰草的>0.25 mm水穩(wěn)性團聚體含量又相對于錦雞兒有了提高。因此錦雞兒+鐵桿蒿和錦雞兒+冰草的分離速率受土壤因子的影響顯著增加。

由于兩種復(fù)合類型的根系構(gòu)型不同，根系因子的重要程度也有所區(qū)別。根表面積密度與根長密度是影響錦雞兒+冰草土壤分離速率最主要的根系因子，根重密度則是影響錦雞兒+鐵桿蒿最重要的因子。以錦雞兒+鐵桿蒿為代表的直根系組合的根重密度與根長、根表面積密度相關(guān)性較低，說明根系生物量的增加并不能充分轉(zhuǎn)化成與土壤界面的充分接觸。而須根系植物在表層須根較多，根系在土壤中的穿插和纏繞能力較強，根—土接觸面積更大且耦合也更為緊密，使得土壤因子與根系因子相互影響更為明顯、劇烈，具體表現(xiàn)為對土壤容重、黏結(jié)力以及黏粒含量具有顯著的的影響，使得其無論是在改善土壤性質(zhì)和提高土壤抗蝕能力都更為突出，而直根系植物較須根系植物須根量大為減少，根土接觸面積小，最終表現(xiàn)為根重密度的重要性提高，消減土壤分離能力的作用更弱。

本研究重點考慮兩種不同根系構(gòu)型條件下的草灌復(fù)合形式對土壤抗分離能力的影響，不同的根系構(gòu)型使得根系形態(tài)特征具有明顯差別，也對土壤產(chǎn)生了不同程度的影響，在根系和土壤的交互作用下進一步提高了根土復(fù)合體的抗沖性。探究不同的根系徑級的分布和分泌物的生成對交互作用的體現(xiàn)具有一定價值，還需后續(xù)進一步探究。

4 結(jié) 論

(1) 在生態(tài)建設(shè)草灌逐漸趨于復(fù)合的過程中，土壤分離能力呈逐漸減小的趨勢，表明草灌混生對提高土壤抗水蝕能力有積極作用，尤其以錦雞兒和冰草為代表的直根系灌木和須根系草本的復(fù)合模式效果最佳，可以作為黃土高原地區(qū)一種有效的生態(tài)恢復(fù)模式。

(2) 復(fù)合條件下，根系特征與土壤性狀間表現(xiàn)出了較強的相關(guān)性，根系密度與土壤黏結(jié)力、黏粒含量呈顯著正相關(guān)，與土壤容重則呈顯著負(fù)相關(guān)。影響土壤分離速率的主要根系因子是根重密度和根長密度，影響最大的土壤因子為>0.25 mm團聚體含量，草灌混生可以有效增加單位土體內(nèi)的根系密度，增加土壤黏結(jié)力、>0.25 mm團聚體含量，其中以錦雞兒+冰草為代表的直根系灌木與須根系草本的復(fù)合形式表現(xiàn)的最為明顯。

(3) 草灌混生之后，由于根系因子對土壤因子的顯著影響及團聚體含量的增加，使土壤因子對土壤分離速率具有更高的相關(guān)性。另外，兩種混生模式的不同使根系發(fā)揮作用的因子有所不同，其中灌木與須根系草本的主導(dǎo)根系因子是根表面積密度與根長密度，而灌木與直根系草本主導(dǎo)根系因子是根重密度。