黃土高原溝壑區(qū)溝頭植被根系垂直分布及其對土壤抗侵蝕性的影響

婁義寶，康宏亮，王文龍,，沙小燕，馮蘭茜，聶慧瑩，史倩華

黃土高原溝壑區(qū)溝頭植被根系垂直分布及其對土壤抗侵蝕性的影響

婁義寶1，康宏亮1，王文龍1,2*，沙小燕1，馮蘭茜2，聶慧瑩1，史倩華1

1西北農林科技大學水土保持研究所/黃土高原土壤侵蝕與旱地農業(yè)國家重點實驗室，陜西楊凌 712100；2中國科學院水利部水土保持研究所，陜西楊凌 712100

【】探明溝頭植被根系垂直分布及其對土壤抗侵蝕性的影響，為溝蝕防治中植被措施優(yōu)化配置提供理論依據?！尽恳圆煌脖桓采w（雜草（農地）、冰草、鐵桿蒿、苜蓿）溝頭為研究對象，通過原狀土沖刷試驗明確溝頭土壤抗沖性特征。采用掃描分析法、ZJ型應變控制式直剪儀等分析和測定根系特征及根-土復合體力學、理化性質。【】（1）各植被溝頭根系在土壤中分布特征差異明顯，根系特征指標（根重密度、根長密度、根表面積密度、根體積密度）總體上呈現冰草地最大，其次為苜蓿地、鐵桿蒿地，農地最小；垂直深度上，農地溝頭土壤中根系各指標均隨土層加深而減小，冰草、鐵桿蒿和苜蓿地溝頭土壤中根系各指標整體上則表現為先減小后增大的變化趨勢。各植被根系以＜0.5 mm徑級根系為主。（2）各植被溝頭土壤容重變異性較小，在1.17—1.37 g·cm-3之間變化。＞0.25 mm水穩(wěn)性團聚體含量呈現出農地和冰草地大于鐵桿蒿地和苜蓿地。（3）各植被溝頭土壤黏聚力平均值苜蓿地為12.75 kPa、冰草地9.05 kPa、鐵桿蒿地8.60 kPa、農地7.25 kPa；在垂直深度上，農地、冰草地和苜蓿地呈現出隨著土層的加深呈先減小后增大的變化，鐵桿蒿地則呈現隨著土層深度加深逐漸減小的變化。（4）溝頭0—100 cm土層土壤抗沖系數為苜蓿地（39.31 L·g-1）＞冰草地（25.49 L·g-1）＞農地（22.39 L·g-1）＞鐵桿蒿地（14.75 L·g-1）；在垂直深度上，表層（0—20 cm）土壤抗沖系數表現為較大值，在34.91—53.30 L·g-1之間變化?！尽坎煌螒B(tài)根系對土壤抗侵蝕性能作用不一，在溝頭防護過程中植被選擇應將直根系植物與須根系植物相結合。

土壤抗沖性；土壤抗剪強度；根系特征；土壤侵蝕；溝頭；植被；黃土高原溝壑區(qū)

0 引言

【研究意義】黃土高原是世界上土壤侵蝕最嚴重地區(qū)之一[1-2]，在近20年的退耕還林還草政策的實施下，生態(tài)系統得以恢復，減輕了土壤侵蝕的發(fā)生程度，黃土高原溝蝕的發(fā)生得到了一定遏制[3]，但該區(qū)的溯源侵蝕依然嚴重，在一場暴雨的作用下，溝頭前近距離可以達到10 m[4]。植被根系可以顯著影響溝頭溯源侵蝕[5]，其原因之一是植被根系可以降低溝頭土壤可蝕性、增強溝頭土壤抗沖性與穩(wěn)定性[6]。不同植被根系分布特征導致溝頭溯源侵蝕發(fā)生過程存在明顯差異[7]。【前人研究進展】植被通過改善土壤的自然侵蝕環(huán)境提高土壤的抗侵蝕能力，研究認為植被的恢復和重建過程中根系對增強土壤結構穩(wěn)定性和抗沖性具有顯著的作用[8]。植物根系對土壤侵蝕的影響主要是通過在土壤中穿插交織形成根系網絡將土壤纏繞固結在一起[9-10]以及通過根系生化作用改變土壤的理化性質，增強土壤的抗侵蝕能力[11-13]。KRAMER[14]在植被根系對土壤抗侵蝕能力貢獻的研究中發(fā)現不同植被根系對減少土壤侵蝕有重要的作用，可減少總土壤流失量20%—48%。馮蘭茜等[15]在根系密度對黃土塬溝頭溯源侵蝕影響的研究過程中發(fā)現植被可明顯降低土壤侵蝕速率，另外，隨著根系密度增加，溝道發(fā)育面積逐漸減少。李鵬等[16]在對黃土區(qū)草本植被根系與土壤垂直侵蝕產沙關系的研究中發(fā)現根系提高土壤抵抗徑流侵蝕產沙的能力隨土層加深受到了限制，但不是所有的根系都能夠有效地提高土壤抗沖性。一般而言，根系性狀可分為根系生物量性狀、根系形態(tài)性狀和其他根系功能性狀，不同的根系特征對土壤侵蝕的影響存在明顯差異[13]。根系形態(tài)可分為直根系和須根系兩種類型，形態(tài)學特征上一般多用根干重、根長、根表面積、根體積密度等參數進行量化分析，由于根系指標間密切的相關性，在一定程度上可以解釋相關問題[17]。李勇等[18]認為植物根系強化土壤抗沖性的能力主要取決于有效根密度在土壤剖面中的分布情況，即100 cm2土壤中≤1 mm根系個數。WANG等[13]和STOKES等[19]均認為須根植物比直根植物更能有效地減少土壤分離?！颈狙芯壳腥朦c】以往針對不同植被覆蓋條件下土壤抗侵蝕性的研究對象多是淺層（0—30 cm）土壤[20-22]，且更多的是關注坡面穩(wěn)定性[23-24]，針對垂直深度上根系分布特征及其溝頭土壤抗侵蝕性的研究則相對較少，而這方面的研究對于科學地進行根系系統配置、防治溝頭溯源侵蝕有重要意義?！緮M解決的關鍵問題】鑒于此，本文選取農地、冰草地、鐵桿蒿地和苜蓿地的溝頭為研究對象，測定根系各個徑級特征指標、土壤容重、有機質、黏聚力、抗沖系數等指標，分析4種類型溝頭植物根系特性、土壤抗侵蝕性特征以及根系特征對土壤抗侵蝕性的影響。以期探明黃土高原溝壑區(qū)不同植被溝頭根系垂直分布及其對土壤抗侵蝕性的影響，為溯源侵蝕防治中植被措施優(yōu)化配置提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于黃河水利委員會西峰水土保持科學試驗站的南小河溝流域（35°41′—35°44′N，107°30′— 107°37′E，海拔1 050—1 423 m）。流域面積36.3 km2，其中塬面面積占57%，溝坡面積占16%，溝谷面積占27%，主要土壤類型為黃綿土和黑壚土，土壤多為垂直節(jié)理發(fā)育。該區(qū)屬于大陸性季風氣候，多年平均降雨量為546.8 mm（1954—2014年），年際變化大且年內分配不均，其中60%集中于7—9月份，年均氣溫9.3℃，無霜期155 d。地形破碎，溝壑縱橫，屬黃土高塬溝壑區(qū)。流域內多年平均侵蝕模數為4 350 t·km-2·a-1，溝谷侵蝕占流域總侵蝕量的86.3%。為防治流域內水土流失，在20世紀70年代提出了“保塬固溝”的治理方針，通過塬、坡、溝“三道防線”的治理模式，以及“退耕還林（草）工程”有效遏制了該區(qū)水土流失。目前該區(qū)主要草本植被類型包括紫花苜蓿（L.）、冰草（(L.) Gaertn.）、鐵桿蒿（Web. ex Stechm.）等。

1.2 樣地選擇及樣品采集

根據對南小河溝流域溝頭附近植被恢復現狀和植物群落特征的大量野外調查發(fā)現，南小河溝溝頭區(qū)域恢復植被大都停留在草本群落階段，溝頭植被形成了以冰草、鐵桿蒿等為優(yōu)勢種的草本群落，同時紫花苜蓿作為良好的水土保持植物和飼料作物，在溝頭區(qū)域也被廣泛種植。因此，本研究分別選取鐵桿蒿和苜蓿（直根系植被）、冰草（須根系植被）為優(yōu)勢種的溝頭作為研究對象，以農地（玉米、雜草）溝頭作為對照，于2020年8月進行采樣試驗，其中苜蓿已種植2年，冰草地、鐵桿蒿地為野外自然生長1年以上樣地，其中農地采樣時玉米已經收獲，生長雜草。所選樣地海拔、坡向、坡度相似，土壤類型一致，各樣地基本信息如表1所示。

表1 試驗樣地基本信息

本研究采用KOMPANI-ZARE等[25]提出的溝頭土壤和根系特性取樣方法，該方法指出溝頭附近小于5 m范圍的土壤樣本可以代表溝頭的土壤特性。因此本研究采樣點距離溝頭位置1—2 m，采樣時，首先在樣地內去除植被地上部分及枯枝落葉物，分別以0—20、20—40、40—60、60—80、80—100 cm土層垂直挖取土壤剖面進行采樣，以“S”形在不同土層深度上分別采集原狀土樣土壤抗沖樣品500 cm3（Φ100 mm×63.7 mm）用于土壤抗沖試驗、100 cm3（Φ50.46 mm×50 mm）土壤環(huán)刀樣品用于土壤容重、飽和導水率等指標測定，60 cm3（Φ61.8 mm×20 mm）土壤環(huán)刀用于土壤抗剪強度試驗，每層采集土壤鋁盒樣品用于土壤自然狀態(tài)下含水量測定，各樣品分別重復3次測定，同時每層采集2 kg左右散土樣帶回實驗內，室風干處理，以供土壤理化性質測試，每種樣地挖取3個土壤剖面。各植物根系形態(tài)特征如圖1所示。

1.3 土壤物理參數及根系指標測定

各個植被類型樣地的土壤容重、土壤飽和導水率采用環(huán)刀法測定；土壤自然含水量采用烘干法（烘箱105℃烘干至恒重）測定；土壤抗剪強度采用ZJ型應變控制式直剪儀測定，剪切速率為2.4 mm·min-1，垂直載荷分別為50、100、150、200 kPa。其中，根據試驗得到土壤抗剪強度，利用庫倫定律計算土壤內摩擦角和黏聚力：

=·tan+

式中，為土壤抗剪強度（kPa）；為垂直載荷（kPa）；為內摩擦角（°）；為黏聚力（kPa）。

圖1 不同植物根系形態(tài)特征

土壤水穩(wěn)性團聚體：采用薩維諾夫法測定，通過干篩法篩分土壤中各級大小團聚體的數量，濕篩法確定水穩(wěn)性團聚體數量。

根系特征指標測定：待土壤抗沖實驗完成后，取出環(huán)刀內的土樣，先放置于水中浸泡數小時以利于根、土分離；然后置于0.05 mm的篩網內用自來水沖洗出所有根系；隨后，采用Epson Perfection V700 Photo對根系進行灰度掃描，利用WinRHIZO 2013e 根系分析系統進行分析根長度、根表面積、根體積等指標。

1.4 土壤抗沖測定

試驗沖刷流量根據黃河水利委員會南小河溝試驗站標準徑流小區(qū)（20 m×5 m）典型暴雨條件下產生的最大徑流量確定，設計沖刷流量為16 L·min-1；將取回的土壤抗沖樣品500 cm3（Φ100×63.7）置于低于環(huán)刀表面1 cm的水中泡12 h至飽和狀態(tài)，然后在沖刷之前取出土壤環(huán)刀樣去除重力水。沖刷坡度設置為3°以模擬取樣樣地坡度，試驗裝置如圖2所示。

圖2 土壤抗沖性試驗裝置示意圖

試驗前進行放水流量率定，率定結果與設計流量誤差在2%以內，待水流穩(wěn)定后，將土樣裝入土樣室內，土樣表面與水槽面齊平；放水沖刷15 min，每1 min取一次泥沙樣；試驗結束后倒掉取樣桶上清液，將泥沙樣品倒入鋁盒中放入105℃烘箱中烘干至恒重，然后稱其質量。土壤抗沖性采用抗沖系數表示，即沖刷掉1 g土壤所需的水量（L·g-1）。

式中，為流量（L·min-1）；為沖刷時間（min）；

為沖失的干土質量（g）。

1.5 數據處理

采用Excel 2019對數據進行處理和初步分析，采用SPSS 16.0對數據統計和分析，Origin 2021和PowerPoint 2019進行圖形繪制。

2 結果

2.1 溝頭植被根系及土壤性質特征

2.1.1 根系特征 不同植物根系在土壤中分布形式存在明顯差異，根系在調控土壤侵蝕方面有著不可忽視的作用[26]。由圖3可知，不同植物各根系指標（根重密度、根長密度、根表面積密度、根體積密度）特征在溝頭土壤各層次中總體上表現為冰草地最大，其次為苜蓿地、鐵桿蒿地，農地最小。對于不同植物而言，在垂直深度上，農地各根系指標均表現隨土層深度加深而減小，且在0—60 cm土層內下降迅速，在60—100 cm土層內下降緩慢；冰草地、鐵桿蒿地、苜蓿地各根系指標則整體上表現為先減小后增大的變化趨勢，其轉折點出現在20—40 cm或40—60 cm土層。當由0—20 cm土層加深至80—100 cm土層時，各根系指標變化情況分別為：根重密度減小49%—94%、根長密度減小5%—94%、根表面積密度減小30%—96%、根體積密度減小49%—98%。

圖3 溝頭不同植物根系特征指標垂直分布

不同徑級根系對土壤穩(wěn)定性的影響差異明顯。由圖4可知，各植物根系主要以0—0.5 mm徑級根系組成，且占總根長的80%—96%；根表面積也表現為0—0.5 mm徑級根系占比最大，其次是0.5—1 mm，其余徑級根系占比較??；與根長和根表面積相比，根體積表現為1—2、2—3、＞3 mm徑級根系體積占比明顯增大，而不同植物間各徑級根系分布規(guī)律則不十分明顯。

2.1.2 土壤理化性質特征 土壤理化性質會對土壤抗蝕性產生不同程度的影響。由圖5可知，不同植物溝頭土壤容重變異性較?。ㄗ儺愊禂禐?%），在1.17—1.37 g·cm-3之間變化，各植被土壤容重的平均值分別為苜蓿地（1.35 g·cm-3）＞農地（1.26 g·cm-3）＞鐵桿蒿地（1.23 g·cm-3）＞冰草地（1.21 g·cm-3）。

圖4 溝頭不同土層各徑級根系對根長、根表面積和根體積的貢獻

土壤飽和導水率（除農地20—40 cm層）整體上表現為農地最大，其次是冰草地、鐵桿蒿地，苜蓿地最小，變化范圍依次為0.36—1.83、0.19—0.56、0.09—0.45、0.06—0.23 mm·min-1；在垂直深度上均表現為先增大后減小“凸型”變化。其中農地0—20 cm土層飽和導水率顯著高于其他土層，是由于耕作活動的影響導致其孔隙豐富。

土壤有機質含量整體上表現為隨土層加深逐漸減小的變化，整體上看苜蓿地溝頭土壤有機質含量較高，在7.41—12.06 g·kg-1之間變化，鐵桿蒿地溝頭土壤有機質含量較低，在7.03—10.43 g·kg-1之間變化。

＞0.25 mm水穩(wěn)性團聚體含量整體呈現為農地和冰草地大于鐵桿蒿地和苜蓿地，農地、冰草地和鐵桿蒿地溝頭＞0.25 mm水穩(wěn)性團聚體含量變化范圍分別為23.2%—34.36%、25.7%—39.02%、13.95%—29.17%。

2.2 根系對溝頭土壤抗侵蝕性的影響

2.2.1 根系對土壤抗剪強度特征的影響 土壤抗剪強度是土壤最重要的力學性質之一，在一定程度上可以體現侵蝕過程中土壤抵抗徑流剪切破壞的能力[27]。黏聚力和內摩擦角是衡量土壤抗剪強度的重要指標[28]，土壤黏聚力主要是土壤顆粒間引力和斥力綜合作用的結果，土壤內摩擦角反映了土壤的摩擦特性[29]，會影響溝頭土壤的穩(wěn)定性、抗沖性。不同植物溝頭土壤黏聚力和內摩擦角表現出不同的變化規(guī)律。如圖6所示，各植被溝頭土壤黏聚力平均值依次為苜蓿地（12.75 kPa）＞冰草地（9.05 kPa）＞鐵桿蒿地（8.60 kPa）＞農地（7.25 kPa）。同時，農地、冰草地和苜蓿地呈現出相同的變化規(guī)律，即土壤黏聚力隨著土層深度的加深呈先減小后增大的變化，不同的是農地和冰草地轉折點出現在60—80 cm土層，苜蓿地出現在20—40 cm土層；鐵桿蒿地則呈現隨著土層加深黏聚力逐漸減小的變化。在垂直深度上（除苜蓿地），0—20、20—40 cm土層的黏聚力均大于其他下層土壤，0—20 cm土層的黏聚力可達80—100 cm土層的2.0—5.4倍，苜蓿地0—40 cm土層黏聚力則小于下層土壤；這是因為上層植物根系豐富增加了土壤抗剪強度，而苜蓿地上層土壤粗根系較多，對于提升土壤抗剪強度能力較弱。

圖5 不同植物溝頭土壤性質變化特征

圖6 不同植物溝頭土壤黏聚力、內摩擦角變化特征

內摩擦角并未呈現出明顯的差異及變化規(guī)律，整體上在18—33°之間變化，各植物溝頭土壤內摩擦角平均值在29—32°之間；其中，農地0—20 cm層內摩擦角（18°）明顯小于其他土層，這是因為農地0—20 cm土層為耕層，經常擾動、翻耕導致土壤疏松，土壤顆粒之間摩擦性較小。

2.2.2 根系對土壤抗沖性特征的影響 土壤抗沖性指土壤抵抗機械破壞作用的能力，是土壤抗侵蝕性能重要體現[18]。由圖7可知，不同植物溝頭土壤抗沖系數存在明顯差異。不同植物溝頭0—100 cm土層土壤抗沖系數平均值依次表現為苜蓿地（39.31 L·g-1）＞冰草地（25.49 L·g-1）＞農地（22.39 L·g-1）＞鐵桿蒿地（14.75 L·g-1），其中，冰草地0—20 cm土層的抗沖系數最大（53.3 L·g-1），而鐵桿蒿地40—60 cm土層的最?。?.48 L·g-1）。從整體上看，苜?？梢暂^好地增強土壤的抗沖性，其次是冰草，而鐵桿蒿則對提升土壤抗沖性的效果較差。

對于不同植被溝頭而言，在垂直深度上，土壤抗沖系數整體上表現為0—20 cm土層土壤抗沖系數較大，在34.91—53.30 L·g-1之間變化。農地和鐵桿蒿地表現出相同的變化規(guī)律，隨土層的加深，土壤抗沖系數呈波動式降低，0—20 cm土層抗沖系數是80—100 cm土層的3.4、5.5倍；冰草地和苜蓿地表現出相似變化規(guī)律，呈先減小后增大的變化，其中60—80、80—100 cm層土壤抗沖系數表現為苜蓿地明顯大于農地、冰草地、鐵桿蒿地，分別高于1.0—3.8倍、0.5—5.3倍。

圖7 不同植物溝頭土壤抗沖性變化

2.3 溝頭土壤抗侵蝕性與根系及土壤性質的關系

由圖8可知，土壤抗沖系數與根重密度、根表面積密度、根體積密度、土壤容重、有機質、黏聚力均呈顯著正相關關系；＞0.25 mm水穩(wěn)性團聚體含量與根長密度、根表面積密度、根體積密度呈顯著正相關關系；土壤黏聚力與根重密度、根表面積密度、根體積密度、土壤有機質呈顯著正相關關系；內摩擦角與土壤飽和導水率呈顯著的負相關關系?？梢钥闯?，根系指標與土壤抗沖系數、＞0.25 mm水穩(wěn)性團聚體含量、黏聚力均呈現顯著的正相關關系，因此，植物根系對提高土壤的結構穩(wěn)定性及土壤抗侵蝕性有著顯著的作用。

回歸分析結果（表2）表明，溝頭土壤抗沖系數與根重密度、根長密度、根表面積密度、根體積密度和土壤有機質均呈線性函數關系；黏聚力與根重密度呈線性函數關系，與根長密度、根表面積密度、根體積密度呈冪函數關系，與土壤有機質呈指數函數關系。

3 討論

3.1 植被根系對溝頭土壤基本性質的影響

根系作為土壤中普遍存在的成分之一，其質量、長度、表面積、體積等以及其形態(tài)學特征對土壤的各項性質有一定程度的影響。本研究中，除苜蓿地外，冰草地、鐵桿蒿地的溝頭土壤容重平均值均小于農地，這是因為根系在一定程度上可以通過對土壤的擾動等降低土壤容重；而0—20 cm土層農地土壤容重小于各植物溝頭土壤，其原因是耕作層（一般為20 cm左右）受經常翻耕影響具有較小的土壤容重。各植被溝頭土壤有機質含量表現為0—40 cm土層農地溝頭大于其余植物溝頭，40 cm以下土層則呈現農地小于冰草地和苜蓿地，這是由于農地在耕作過程中人為進行肥料（有機肥）添加，使農地上層土壤中具有較高的有機質含量；農作物根系也主要集中于0—40 cm土層內，草本植物根系則可達到更深，而植物根系可以通過根系分泌物與土壤相互作用改善土壤有機質含量[30-31]。

ANS：土壤抗沖系數；RMD：根重密度；RLD：根長密度；RAD：根表面積密度；RVD：根體積密度；SBD：土壤容重；SHC：土壤飽和導水率；SWA：＞0.25 mm水穩(wěn)性團聚體；SOM：土壤有機質；IFA：內摩擦角；SCF：黏聚力。下同

表2 溝頭土壤抗侵蝕性與根系及土壤性質的擬合方程

吳彥等[32]認為根系提高土壤抗侵蝕能力的主要機制是活根提供分泌物，死根提供有機質，為土壤中團聚體的形成提供基礎。此外，由于植物本身的特性和生長環(huán)境因素影響，根系在土壤中的形態(tài)及分布特征不盡相同，對土壤性質的影響也存在差異。JASTROW等[33]研究表明根系的直徑對團聚體形成的作用存在差異，極細的根系（＜0.2 mm）直接參與團聚體的形成，而細根（0.2—1 mm）的作用很大程度上是間接的。相關研究發(fā)現，不同植物各徑級根密度參數對土壤理化性質（容重、有機質、團聚體等性質）的影響各不相同[30]，且同一植物根系直徑大小不同，對土壤理化性質的影響也存在差異[34]。對于0＜D≤1.0 mm的根密度參數而言，鐵桿蒿在0＜D≤1.0 mm徑級的根密度參數與土壤容重呈極顯著負相關，白羊草在0＜D≤5.0 mm徑級區(qū)間內的根可有效改善土壤的容重，在0＜D≤2.0 mm徑級根密度參數與土壤有機質、團聚體呈顯著正相關[30]?？芍?，植物根系可以有效改善土壤結構、降低土壤容重，增加土壤團聚體含量，固結土壤，從而提高土壤抗侵蝕性，但不同形態(tài)（直根系或須根系、不同徑級）根系對土壤性質改善效果具有差異。

3.2 植被根系對溝頭土壤抗侵蝕性的影響

草本植物根系性狀的差異顯著地影響了植物根系減少土壤剝離的程度[35]，根系與其周圍土壤形成的根-土復合體，增加了土壤的抗侵蝕能力，保持水土的作用[36]。本研究發(fā)現，在垂直深度上，0—20 cm土層土壤抗沖系數較大，這是由于草本根系大部分集中分布于表層土壤內，通過網絡固土作用，提升了土壤抗侵蝕性。農地和苜蓿地20—40 cm土層的土壤抗沖系數均大于0—20 cm土層，其原因可能是農地20—40 cm土層由于長期耕作形成了結構密實的犁底層，抗侵蝕能力較強，苜蓿地是由于0—20 cm土層中以粗根系為主，而粗根與土顆粒間的黏結能力弱，固土能力較差導致。此外，土壤抗沖系數、＞0.25 mm水穩(wěn)性團聚體含量、黏聚力與各根系指標呈現顯著的正相關關系（圖8）。這是因為根系在土壤中的穿插、交織，形成網絡狀根群作用，將土壤包裹[37]，使土壤具有較高的穩(wěn)定性及抗蝕性。史東梅等[17]對紫色丘陵區(qū)農林混合土壤抗沖性的研究中也明確土壤抗沖性的影響因素主要為土壤質地和容重、土壤團聚體、根系分布。胡敏等[38]在根系分布及徑級特征對根土復合體抗剪強度的影響研究中指出根系可以明顯提高土壤抗剪性能，且垂直根系的貢獻高于水平根系。不同徑級根系對土壤抗侵蝕性及穩(wěn)定性的影響也存在明顯差異。通過進一步對不同徑級根系指標特征與土壤抗沖性、黏聚力相關分析表明（圖9），土壤抗沖系數與0—0.5 mm根系特征（根長密度、表面積密度、體積密度）呈顯著負相關關系，黏聚力也與0—0.5 mm根系表面密度、體積密度呈顯著負相關關系（＜0.05）。這與諶蕓等[39]的研究太細的根（d≤0.50 mm）雖與土顆粒接觸面大、黏結得好，但在較強的水流的沖擊力作用下很容易折斷隨土沖走而發(fā)揮不出應有的固土作用的結果相似。但GUO等[40]通過模擬試驗發(fā)現在植被演替的研究中發(fā)現＜0.5 mm根系比直徑更大的根系對土壤剝離的抑制性更強，同時，直徑0.5—1 mm的根系能更好描述植被恢復情況，這是由于更細的根系具有更大的比表面積，與土壤的接觸面積更大，黏結得更好，對土壤的固持能力更強[41]。

圖9 不同徑級根系指標與土壤抗沖性、黏聚力相關性

此外，本研究發(fā)現從0—20 cm土層看，土壤黏聚力、抗沖系數則表現為冰草地（須根系）大于苜蓿地（直根系），這一研究結果與WANG等[13]表明的須根植物對土壤侵蝕的抑制作用優(yōu)于直根系植物的結果相似；但從0—100 cm土層垂直深度上的平均值來看，土壤黏聚力、抗沖系數則均表現為苜蓿地大于冰草地。這可能是由于WANG等[13]的研究是針對表層（0—5 cm）土壤?？梢园l(fā)現不同形態(tài)植物根系在垂直深度上對土壤抗侵蝕性的影響存在差異。在不受土壤條件限制的情況下，根系分布深度、形式與物種有關，根系發(fā)育隨深度變化顯著[19]，其固土作用機制主要依靠深、直根系的錨固作用和淺、須側根系的加筋作用[42]。植被坡面土壤的抗剪強度較裸地土壤抗剪強度明顯增加，不同被覆坡面徑流量和侵蝕產沙量與土壤黏聚力呈較好的負相關關系[43]。不同形態(tài)根系在土壤中起到的作用不一樣[44]，因此，在溝頭防護過程中植被恢復應當直根系植物與須根系植物相結合，進行合理的植被根系系統配置，從而提高溝頭土壤抗侵蝕性。

4 結論

4.1 不同植物的根系在土壤中分布形式差異明顯，根系各指標（根重密度、根長密度、根表面積密度、根體積密度）在溝頭土壤內總體上表現為冰草地最大，其次為苜蓿地、鐵桿蒿地，農地最?。辉诖怪鄙疃壬?，農地中的根系各指標均表現隨土層加深而減小，冰草地、鐵桿蒿地、苜蓿地則整體上表現為先減小后增大的變化。各植物主要以0—0.5 mm徑級根系為主，占總根長的80%—96%。

4.2 不同植物溝頭土壤容重變異性較小，在1.17—1.37 g·cm-3之間變化；＞0.25 mm水穩(wěn)性團聚體含量呈現農地和冰草地大于鐵桿蒿地和苜蓿地。溝頭土壤黏聚力平均值依次表現為苜蓿地（12.75 kPa）＞冰草地（9.05 kPa）＞鐵桿蒿地（8.60 kPa）＞農地（7.25 kPa）。在垂直深度上，農地、冰草地和苜蓿地黏聚力呈現出隨著土層加深呈先減小后增大的變化，鐵桿蒿地則呈現隨著土層加深黏聚力逐漸減小的變化。

4.3 溝頭0—100 cm土層土壤抗沖系數平均值依次表現為苜蓿地（39.31 L·g-1）＞冰草地（25.49 L·g-1）＞農地（22.39 L·g-1）＞鐵桿蒿地（14.75 L·g-1）。植物根系對提高土壤結構的穩(wěn)定性及土壤抗侵蝕性有著顯著的作用，根系各指標與土壤抗沖系數、＞0.25 mm水穩(wěn)性團聚體含量、黏聚力均呈現顯著的正相關關系。不同形態(tài)根系對土壤抗侵蝕性能作用不一，在溝頭防護過程中植被選擇應將直根系植物與須根系植物相結合。

[1] ZHENG F, WANG B. Soil erosion in the loess plateau region of China. Ecohydrology, 2014, 5: 77-92.

[2] LI Z, ZHANG Y, ZHU Q K, HE Y M, YAO W J. Assessment of bank gully development and vegetation coverage on the Chinese Loess Plateau. Geomorphology, 2015, 228: 462-469. doi:10.1016/j.geomorph. 2014.10.005.

[3] CHEN H, CAI Q G. Impact of hillslope vegetation restoration on gully erosion induced sediment yield. Science in China Series D, 2006, 49(2): 176-192. doi:10.1007/s11430-005-0177-4.

[4] SHI Q H, WANG W L, GUO M M, CHEN Z X, FENG L Q, ZHAO M, XIAO H. The impact of flow discharge on the hydraulic characteristics of headcut erosion processes in the gully region of the Loess Plateau. Hydrological Processes, 2020, 34(3): 718-729. doi:10. 1002/hyp.13620.

[5] VANNOPPEN W, VANMAERCKE M, DE BAETS S, POESEN J. A review of the mechanical effects of plant roots on concentrated flow erosion rates. Earth-Science Reviews, 2015, 150: 666-678. doi:10. 1016/j.earscirev.2015.08.011.

[6] GUO M M, WANG W L, KANG H L, YANG B. Changes in soil properties and erodibility of gully heads induced by vegetation restoration on the Loess Plateau, China. Journal of Arid Land, 2018, 10(5): 712-725. doi:10.1007/s40333-018-0121-z.

[7] KANG H L, WANG W L, GUO M M, LI J M, SHI Q H. How does land use/cover influence gully head retreat rates? Ansimulation experiment of rainfall and upstream inflow in the gullied loess region, China. Land Degradation & Development, 2021, 32(9): 2789-2804. doi:10.1002/ldr.3892.

[8] 劉定輝, 李勇. 植物根系提高土壤抗侵蝕性機理研究. 水土保持學報, 2003, 17(3): 34-37, 117. doi:10.13870/j.cnki.stbcxb.2003. 03.010.

LIU D H, LI Y. Mechanism of plant roots improving resistance of soil to concentrated flow erosion. Journal of Soil Water Conservation, 2003, 17(3): 34-37, 117. doi:10.13870/j.cnki.stbcxb.2003.03.010. (in Chinese)

[9] 李強, 劉國彬, 許明祥, 張正, 孫會. 黃土丘陵區(qū)撂荒地土壤抗沖性及相關理化性質. 農業(yè)工程學報, 2013, 29(10): 153-159.

LI Q, LIU G B, XU M X, ZHANG Z, SUN H. Soil anti-scouribility and its related physical properties on abandoned land in the Hilly Loess

Plateau. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2013, 29(10): 153-159. (in Chinese)

[10] KNAPEN A, POESEN J, GOVERS G, GYSSELS G, NACHTERGAELE J. Resistance of soils to concentrated flow erosion: a review. Earth-Science Reviews, 2007, 80(1/2): 75-109. doi:10.1016/j.earscirev. 2006.08.001.

[11] 劉國彬. 黃土高原草地土壤抗沖性及其機理研究. 土壤侵蝕與水土保持學報, 1998, 4(1): 93-96.

LIU G B. Study on soil anti-scourability and its mechanism of grassland on Loess Plateau. Journal of Soil Erosion and Soil and Water Conservation, 1998, 4(1): 93-96. (in Chinese)

[12] 張榮, 董洪君, 周潤惠, 余飛燕, 王敏, 陳聰琳, 喻靜, 郝建鋒. 四川夾金山灌叢群落根系特征對土壤抗沖性的影響. 生態(tài)學雜志, 2020, 39(11): 3558-3566. doi:10.13292/j.1000-4890.202011. 012.

ZHANG R, DONG H J, ZHOU R H, YU F Y, WANG M, CHEN C L, YU J, HAO J F. Effects of root characteristics of shrub community on soil anti-scourability in the Jiajin Mountains, Sichuan Province. Chinese Journal of Ecology, 2020, 39(11): 3558-3566. doi:10.13292/ j.1000-4890.202011.012. (in Chinese)

[13] WANG B, LI P P, HUANG C H, LIU G B, YANG Y F. Effects of root morphological traits on soil detachment for ten herbaceous species in the Loess Plateau. Science of the Total Environment, 2021, 754: 142304. doi:10.1016/j.scitotenv.2020.142304.

[14] KRAMER J. Relative efficiency of roots and shoots of plants in protecting the soil from erosion[D]. Lincoln, NE: University of Nebraska, 1936.

[15] 馮蘭茜, 王文龍, 郭明明, 史倩華, 陳同德, 康宏亮. 根系密度對黃土塬溝頭溯源侵蝕產沙和形態(tài)演化過程的影響. 農業(yè)工程學報, 2020, 36(6): 88-96.

FENG L Q, WANG W L, GUO M M, SHI Q H, CHEN T D, KANG H L. Effects of root density on gully headcut erosion and morphological evolution process in gully regions of Loess Plateau. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2020, 36(6): 88-96. (in Chinese)

[16] 李鵬, 李占斌, 魯克新. 黃土區(qū)草本植被根系與土壤垂直侵蝕產沙關系研究. 植物生態(tài)學報, 2006, 30(2): 302-306.

LI P, LI Z B, LU K X. Relationship between herbaceous root system and vertical soil sediment yield in loess area. Chinese Journal of Plant Ecology, 2006, 30(2): 302-306. (in Chinese)

[17] 史東梅, 陳晏. 紫色丘陵區(qū)農林混作模式的土壤抗沖性影響因素. 中國農業(yè)科學, 2008, 41(5): 1400-1409. doi:10.3864/j.issn.0578-1752. 2008.05.018.

SHI D M, CHEN Y. The influencing factors of soil anti-scouribility of tree-crop intercropping land in purple soil hilly region. Scientia Agricultura Sinica, 2008, 41(5): 1400-1409. doi:10.3864/j.issn.0578- 1752.2008.05.018. (in Chinese)

[18] 李勇, 朱顯謨, 田積瑩. 黃土高原植物根系提高土壤抗沖性的有效性. 科學通報, 1991, 36(12): 935-938.

LI Y, ZHU X M, TIAN J Y. Effects of plant roots on soil scour resistance in the Loess Plateau. Chinese Science Bulletin, 1991, 36(12): 935-938. (in Chinese)

[19] STOKES A, ATGER C, BENGOUGH A G, FOURCAUD T, SIDLE R C. Desirable plant root traits for protecting natural and engineered slopes against landslides. Plant and Soil, 2009, 324(1/2): 1-30. doi:10.1007/s11104-009-0159-y.

[20] GUO M M, WANG W L, KANG H L, YANG B, LI J M. Changes in soil properties and resistance to concentrated flow across a 25-year passive restoration chronosequence of grasslands on the Chinese Loess Plateau. Restoration Ecology, 2020, 28(1): 104-114. doi:10. 1111/rec.13057.

[21] LI Q, LIU G B, ZHANG Z, TUO D F, XU M X. Effect of root architecture on structural stability and erodibility of topsoils during concentrated flow in hilly Loess Plateau. Chinese Geographical Science, 2015, 25(6): 757-764. doi:10.1007/s11769-014-0723-0.

[22] 陳安強, 張丹, 熊東紅, 劉剛才. 元謀干熱河谷坡面表層土壤力學特性對其抗沖性的影響. 農業(yè)工程學報, 2012, 28(5): 108-113. doi:10.3969/j.issn.1002-6819.2012.05.018.

CHEN A Q, ZHANG D, XIONG D H, LIU G C. Effects of mechanical properties of surface soil on soil anti-scourability in Yuanmou dry-hot valley. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2012, 28(5): 108-113. doi:10.3969/j.issn. 1002-6819.2012.05.018. (in Chinese)

[23] DAZIO E R, CONEDERA M, SCHWARZ M. Impact of different chestnut coppice managements on root reinforcement and shallow landslide susceptibility. Forest Ecology and Management, 2018, 417: 63-76. doi:10.1016/j.foreco.2018.02.031.

[24] FATTET M, FU Y, GHESTEM M, MA W, FOULONNEAU M, NESPOULOUS J, BISSONNAIS Y L, STOKES A. Effects of vegetation type on soil resistance to erosion: Relationship between aggregate stability and shear strength. Catena, 2011, 87(1): 60-69. doi:10.1016/j.catena.2011.05.006.

[25] KOMPANI-ZARE M, SOUFI M, HAMZEHZARGHANI H, DEHGHANI M. The effect of some watershed, soil characteristics and morphometric factors on the relationship between the gully volume and length in Fars Province, Iran. Catena, 2011, 86(3): 150-159. doi:10.1016/j.catena.2011.03.008.

[26] 熊燕梅, 夏漢平, 李志安, 蔡錫安. 植物根系固坡抗蝕的效應與機理研究進展. 應用生態(tài)學報, 2007, 18(4): 895-904.

XIONG Y M, XIA H P, LI Z A, CAI X A. Effects and mechanisms of plant roots on slope reinforcement and soil erosion resistance: A research review. Chinese Journal of Applied Ecology, 2007, 18(4): 895-904. (in Chinese)

[27] 張愛國, 李銳, 楊勤科. 中國水蝕土壤抗剪強度研究. 水土保持通報, 2001, 21(3): 5-9. doi:10.13961/j.cnki.stbctb.2001.03.004.

ZHANG A G, LI R, YANG Q K. Study on soil anti shearing intensity of water erosion in China. Bulletin of Soil and Water Conservation, 2001, 21(3): 5-9. doi:10.13961/j.cnki.stbctb.2001. 03.004. (in Chinese)

[28] 胡斐南, 魏朝富, 許晨陽, 魏能嶠, 鐘茫, 鐘守琴. 紫色土區(qū)水稻土抗剪強度的水敏性特征. 農業(yè)工程學報, 2013, 29(3): 107-114.

HU F N, WEI C F, XU C Y, WEI N Q, ZHONG M, ZHONG S Q. Water sensitivity of shear strength of purple paddy soils. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2013, 29(3): 107-114. (in Chinese)

[29] 林金石, 莊雅婷, 黃炎和, 蔣芳市, 林敬蘭, 葛宏力. 不同剪切方式下崩崗紅土層抗剪特征隨水分變化規(guī)律. 農業(yè)工程學報, 2015, 31(24): 106-110. doi:10.11975/j.issn.1002-6819.2015.24.017.

LIN J S, ZHUANG Y T, HUANG Y H, JIANG F S, LIN J L, GE H L. Shear strengths of collapsing hill in red soil as affected by soil moisture under different experimental methods. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2015, 31(24): 106-110. doi:10.11975/j.issn.1002-6819.2015.24.017. (in Chinese)

[30] 葛芳紅, 周正朝, 劉俊娥, 王寧, 李靜, 蔣平海. 黃土丘陵區(qū)4種典型植物根系分布特征及對土壤分離速率的影響. 水土保持學報, 2017, 31(6): 164-169. doi:10.13870/j.cnki.stbcxb.2017.06.027.

GE F H, ZHOU Z C, LIU J E, WANG N, LI J, JIANG P H. Distribution characteristics of root and their effect on soil separation rate of four typical plants in loess hilly region. Journal of Soil and Water Conservation, 2017, 31(6): 164-169. doi:10.13870/j.cnki.stbcxb. 2017.06.027. (in Chinese)

[31] PARHIZKAR M, SHABANPOUR M, KHALEDIAN M, CERDà A, ROSE C W, ASADI H, LUCAS-BORJA M E, ZEMA D A. Assessing and modeling soil detachment capacity by overland flow in forest and woodland of northern Iran. Forests, 2020, 11(1): 65. doi:10.3390/ f11010065.

[32] 吳彥, 劉世全, 王金錫. 植物根系對土壤抗侵蝕能力的影響. 應用與環(huán)境生物學報, 1997, 3(2): 119-124.

WU Y, LIU S Q, WANG J X. Effect of plant root system on soil anti-erosion. Chinese Journal of Applied and Environmental Biology, 1997, 3(2): 119-124. (in Chinese)

[33] JASTROW J D, MILLER R M, LUSSENHOP J. Contributions of interacting biological mechanisms to soil aggregate stabilization in restored prairie. Soil Biology and Biochemistry, 1998, 30(7): 905-916. doi:10.1016/S0038-0717(97)00207-1.

[34] 王向榮, 王政權, 韓有志, 谷加存, 郭大立, 梅莉. 水曲柳和落葉松不同根序之間細根直徑的變異研究. 植物生態(tài)學報, 2005, 29(6): 871-877.

WANG X R, WANG Z Q, HAN Y Z, GU J C, GUO D L, MEI L. Variations of fine root diameter with root order in Manchurian ash and Dahurian larch plantations. Chinese Journal of Plant Ecology, 2005, 29(6): 871-877. (in Chinese)

[35] WANG B, ZHANG G H, YANG Y F, LI P P, LIU J X. Response of soil detachment capacity to plant root and soil properties in typical grasslands on the Loess Plateau. Agriculture, Ecosystems & Environment, 2018, 266: 68-75. doi:10.1016/j.agee.2018.07.016.

[36] 毛瑢, 孟廣濤, 周躍. 植物根系對土壤侵蝕控制機理的研究. 水土保持研究, 2006, 13(2): 241-243. doi:10.3969/j.issn.1005-3409.2006. 02.076.

MAO R, MENG G T, ZHOU Y. Mechanism of plant roots on soil erosion control. Research of Soil and Water Conservation, 2006, 13(2): 241-243. doi:10.3969/j.issn.1005-3409.2006.02.076. (in Chinese)

[37] 蔣定生, 范興科, 李新華, 趙合理. 黃土高原水土流失嚴重地區(qū)土壤抗沖性的水平和垂直變化規(guī)律研究. 水土保持學報, 1995, 9(2): 1-8.

JIANG D S, FAN X K, LI X H, ZHAO H L. Study on horizontal and vertical regulation of soil anti-scourability in area with serious soil erosion on loess plateau. Journal of Soil and Water Conservation, 1995, 9(2): 1-8. (in Chinese)

[38] 胡敏, 李為萍, 史海濱, 梁建財. 布根方式及根系徑級對根土復合體抗剪性能的影響. 水土保持通報, 2012, 32(1): 42-44. doi:10. 13961/j.cnki.stbctb.2012.01.034.

HU M, LI W P, SHI H B, LIANG J C. Effects of root layout and diameter on shear performance in root-soil composite. Bulletin of Soil and Water Conservation, 2012, 32(1): 42-44. doi:10.13961/j.cnki. stbctb.2012.01.034. (in Chinese)

[39] 諶蕓, 何丙輝, 練彩霞, 劉志鵬, 彭石磊. 三峽庫區(qū)陡坡根-土復合體抗沖性能. 生態(tài)學報, 2016, 36(16): 5173-5181. doi:10.5846/ stxb201501270211.

CHEN Y, HE B H, LIAN C X, LIU Z P, PENG S L. Root-soil system anti-scourability on steep slopes in the Three Gorges Reservoir Area. Acta Ecologica Sinica, 2016, 36(16): 5173-5181. doi:10.5846/ stxb201501270211. (in Chinese)

[40] GUO M M, WANG W L, WANG T C, WANG W X, KANG H L. Impacts of different vegetation restoration options on gully head soil resistance and soil erosion in loess tablelands. Earth Surface Processes and Landforms, 2020, 45(4): 1038-1050. doi:10.1002/esp.4798.

[41] BISCHETTI G B, CHIARADIA E A, SIMONATO T, SPEZIALI B, VITALI B, VULLO P, ZOCCO A. Root strength and root area ratio of forest species in Lombardy (northern Italy). Plant and Soil, 2005, 278(1/2): 11-22. doi:10.1007/s11104-005-0605-4.

[42] MATTIA C, BISCHETTI G B, GENTILE F. Biotechnical characteristics of root systems of typical Mediterranean species. Plant and Soil, 2005, 278(1/2): 23-32. doi:10.1007/s11104-005-7930-5.

[43] 肖培青, 姚文藝, 王國慶, 楊春霞, 申震洲. 植被作用下土壤抗剪強度和徑流侵蝕力的耦合效應. 水科學進展, 2016, 27(2): 224-230. doi:10.14042/j.cnki.32.1309.2016.02.007.

XIAO P Q, YAO W Y, WANG G Q, YANG C X, SHEN Z Z. Effects of soil shear strength and runoff erosivity on slopes with different vegetation cover. Advances in Water Science, 2016, 27(2): 224-230. doi:10.14042/j.cnki.32.1309.2016.02.007. (in Chinese)

[44] 安然, 柴軍瑞, 覃源, 許增光. 植被根系形態(tài)對邊坡穩(wěn)定性的影響分析. 水利水電技術, 2018, 49(3): 150-156. doi:10.13928/j.cnki.wrahe. 2018.03.022.

AN R, CHAI J R, QIN Y, XU Z G. Analysis on effect of vegetation root-system morphology on slope stability. Water Resources and Hydropower Engineering, 2018, 49(3): 150-156. doi:10.13928/j.cnki. wrahe.2018.03.022. (in Chinese)

Vertical Distribution of Vegetation Roots and Its Influence on Soil Erosion Resistance of Gully Heads on the Gullied Loess Plateau

LOU YiBao1, KANG HongLiang1, WANG WenLong1,2*, SHA XiaoYan1, FENG LanQian2, NIE HuiYing1, SHI QianHua1

1Institute of Soil and Water Conservation, Northwest A&F University/State Key Laboratory of Soil Erosion and Dryland Farming on the Loess Plateau, Yangling 712100, Shaanxi;2Institute of Soil and Water Conservation, Chinese Academy of Sciences and Ministry of Water Resources, Yangling 712100, Shaanxi

【】The vertical distribution of gully vegetation root system and its effect on soil erosion resistance were explored, so as to provide a theoretical basis for optimizing the allocation of vegetation measures in gully erosion control.【】 In this paper, the gully heads covered with different vegetation (weeds (farmland),,, and) were taken as the research object. The scouring experiment of undisturbed soils was carried out to determine the soil anti-scouribility. Moreover, the root characteristics and mechanical and physiochemical properties of root-soil complex were measured using root scanner and ZJ series strain controlled direct shear test apparatus, and so on, respectively. 【】(1) The root distribution characteristics at the gully head varied among different vegetation types.had the greatest root characteristic indexes (root weight density, root length density, root surface area density, and root volume density), followed by alfalfa, Artemisia, and weeds in farmland. In addition, the root indexes in the gully head soil of farmland decreased with the deepening of soil layer, while those of,andfirstly decreased and then increased with the deepening of soil layer. Furthermore, the roots with the diameter of ＜0.5 mm dominated in the root system of each vegetation. (2) The variability of soil bulk density among different vegetation type was low, ranging from 1.17 g·cm-3to 1.37 g·cm-3. The contents of ＞0.25 mm water-stable aggregates of farmland andland were higher than that ofland andland. (3) The average soil cohesions of gully heads under different vegetation types were as follows: 12.75 kPaforland, 9.05 kPaforland, 8.60 kPa forland, and 7.25 kPa for farmland, respectively. Additionally, the soil cohesion of the farmland,land, andland decreased first and then increased with the deepening of soil layer, while that ofland showed a decreasing trend in the depth of soil. (4) The average anti-scouribility coefficients of 0-100 cm soil at the gully head under different vegetation types were as follows: 39.31 L·g-1forland, 25.49 L·g-1forland, ＞ 22.39 L·g-1for farmland and 14.75 L·g-1forland. Moreover, the soil anti-scouribility coefficient of the 0-20 cm soil layer, varying between 34.91 and 53.30 L·g-1, was larger than that of the lower soil layers.【】 The combination of plants with tap roots and the plants with fibrous roots was suggested for the control of gully head erosion, and the results provided a theoretical basis for the research of gully headcut erosion and gully erosion control.

soil anti-scouribility; soil shear strength; root characteristics; soil erosion; gully vegetation; gullied Loess Plateau

2021-11-15；

2022-02-15

國家自然科學基金（42077079）

婁義寶，E-mail：yibao93@126.com。通信作者王文龍，E-mail：wlwang@nwsuaf.edu.cn

（責任編輯 李云霞）