三峽庫區陡坡根-土復合體抗沖性能

諶　蕓,何丙輝,練彩霞,劉志鵬,彭石磊

西南大學資源環境學院, 三峽庫區生態環境教育部重點實驗室,重慶　400715

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三峽庫區陡坡根-土復合體抗沖性能

諶蕓,何丙輝*,練彩霞,劉志鵬,彭石磊

西南大學資源環境學院, 三峽庫區生態環境教育部重點實驗室,重慶400715

以三峽庫區已種植4a的紫花苜蓿、百喜草、狗牙根和香根草為對象,并以裸地為對照,采用改進的沖刷水槽、WinRHIZO(Pro.2004c)根系分析系統和應變控制式直剪儀,分析測定5個處理根-土復合體抗沖性能以及根系、土壤參數,以期揭示不同草本植物根系對陡坡地紫色土表土抗沖性能的強化效應。研究結果表明：與對照(裸地)相比,4種草本植物根系均能顯著增強紫色土表土的抗沖性能,其中香根草根-土復合體的抗沖性能最強(為對照小區的2.75—3.58倍),而紫花苜蓿復合體的抗沖性能最弱(為對照小區1.96—2.60倍);草本植物根長密度(RLD)和根表面積密度(RSAD)是影響陡坡下紫色土表土抗沖性能的主要因子;0.50 mm

紫色土;草本植物根系;抗沖指數;抗剪強度;粘聚力

土壤的抗沖性是指土壤抵抗徑流沖刷破壞的能力,植物的根系則能提高土壤的抗沖性。早于20 世紀50年代,朱顯謨先生就指出根系的纏繞和固結作用決定了其對土壤抗沖性的增強效應[1]。此后,眾多學者結合多學科,在根系固土抗沖效應及機制方面進行了更為系統全面和細致深入的研究[2- 11]。已有的研究認為草類根系主要是通過提高土壤抗沖力及改善抗沖土體的物理性質而增強土壤抗沖性[12],且不同徑級的根系及不同根系指標對土壤抗沖性的影響差異較大,須根(直徑≤1 mm)最有利于增強土壤抗沖性[13],而根長密度是衡量土壤抗沖性的共性指標。目前我國根系與土壤抗沖性方面的研究成果雖多,但還存在一些不足：在研究地域上,主要集中在黃土高原,而三峽庫區等水土流失嚴重地區的研究則相對較少;在研究植物種上,黃土高原涉及較廣,囊括喬、灌、草[14- 15]并且關注了芒草[16]和柳枝稷[17]等生物質能源,而紫色土區較多的是水土保持先鋒物種香根草;在沖刷坡度上,多數沖刷試驗采用的是緩坡15°[5,12,18- 21],少有考慮陡坡大坡度[22],而草本植物固土是軟措施,抗沖能力有限,其在低緩邊坡固土抗沖效果顯著,但在陡坡地上的效果卻未必;在根系指標上,多數研究選取的是所有根系平均的根重密度、根長密度、根表面積密度等,忽略了不同草本植物根系的徑級分布范圍和集中度不同,鮮有考慮到徑級根系指標。

針對已有研究中存在的上述不足,并考慮到物種的廣泛性、適生性和經濟性,本實驗選取了南方水土保持先鋒物種香根草(Vetiveriazizanioides)和百喜草(Paspalumnatatu),“牧草之王”紫花苜蓿(Medicagosativa)和本地野生狗牙根(Cynodondactylon)進行人工栽培,以裸地為對照,測定土壤容重、有機質、抗剪強度、抗沖指數和多個徑級的根系指標,分析陡坡下(30°)上述4種草本植物根系對紫色土表土抗沖性能的強化效應及影響因素,尤其是各徑級根系指標對土壤抗沖性的影響,以期為三峽庫區陡坡地生態治理中草本植物合理選用及根-土復合體抗沖效應預估等提供理論依據。

1　材料與方法

1.1研究區概況

試驗小區位于重慶市北碚區歇馬鎮西南大學教學科研基地內。該基地位于106°48′54″ E,29°45′08″ N,屬丘陵地貌,平均海拔563 m。該地區屬亞熱帶濕潤季風氣候,年平均氣溫18.3 ℃;雨量充足,年平均降雨量1 100 mm;日照較少,年平均日照1 270 h[23]。試驗小區土壤為灰棕紫色土。

1.2試驗設計

紫花苜蓿、百喜草、狗牙根和香根草均為多年生草本植物,根系發達,抗逆性強。試驗共設5個處理：對照,即裸地,無任何植被;4個草本區,分別種植紫花苜蓿、百喜草、狗牙根和香根草,每個處理3次重復,共15個小區(長6 m,寬4 m),小區之間挖溝(寬0.3 m,深0.3 m)隔開,避免互相干擾。此外,設置補種區,一旦草本區植株被取樣,則立即從補種區移植健康植株補上。所有草本植物均于2011年3月底采用育苗區健壯的實生苗移栽,株距×行距為30 cm×35 cm[23]。栽培期間,各小區進行相同的常規管護,定期人工拔除雜草和灌溉。

1.3樣品采集

2014年7月中旬,天氣連續放晴時,進行土樣采集。采樣前3 d以上無拔草和灌溉。每個小區先按“五點法”確定采樣點,然后分0—10、10—20、20—30 cm取各自的混合土樣約500 g帶回實驗室,用于土壤有機質測定。

抗沖土樣的采樣工具為原狀土沖刷水槽配套的方形環刀(長×寬×高：20 cm×10 cm×10 cm)。取樣前,對照區按S曲線確定采樣點;草本區,按S曲線選取健康成體植株,去除植株的地上部分后,以植株為中心確定采樣點。先清除表層的枯落物、雜質和部分土層,將環刀刃口向下且水平緩慢地壓入10—20 cm土層(因按10 cm分層采樣難度較大,故以此代表0—30 cm表土層),小心挖掘出,削平環刀兩端,去除四周多余的土和根系。采集的土樣,用保鮮膜密封,貼上標簽,立即帶回附近的實驗室。每個小區3個重復,共計45個抗沖土樣,則每一處理進行9次沖刷試驗。直剪試驗的取樣方法與此類似,采用ZJ型應變控制式直剪儀配套的環刀(底面積30 cm2,高2 cm)分0—10,10—20和20—30 cm土層取樣(本文僅對10—20 cm土層的直剪數據進行分析),每個小區4個重復,共計180個抗剪土樣,則每一處理每一土層進行12次直剪試驗。取樣時,各草本區植被蓋度約為90%。

1.4指標測定

土壤容重采用環刀法;有機質采用重鉻酸鉀-外加熱法;抗剪強度采用直剪法;抗沖性采用改進的原狀土沖刷水槽法。沖刷水槽長1.80 m,寬0.11 m。沖刷前,土樣底部襯以濾紙置于水中浸泡約12 h;飽和后,取出土樣靜置,除去重力水。沖刷坡度設定為30°以模擬陡坡,出水流量為2 L/min。待水流穩定后,將土樣裝入土樣室,使土樣上表面和槽底面齊平,然后放水沖刷。產流后開始取樣,前4 min則每1 min收集1次徑流泥沙樣,此后每3 min收集1次,沖刷時長10 min共取6個樣[23]。沖刷完成后,取出環刀內的土樣,先置于水中浸泡數小時以利于根、土分離;然后置于0.05 mm的網篩內用適當流量的自來水沖洗,直至洗出所有的根系;最后,采用EPSON LA在400 dpi下進行灰度掃描,WinRHIZO(Pro.2004c)根系分析系統分10個徑級(0.0 mm4.5 mm,d為根系直徑,單位mm)對根系長度RL、根表面積RA和根體積RV等進行分析。掃描后的根系采用烘干法和1/1 000電子天平獲得根干重RW。根重密度RWD、根長密度RLD、根表面積密度RSAD、根體積密度RVD是指單位土體對應的根干重、根長、根表面積、根體積;RLDx、RSADx、 RVDx(x=0.50,1.00,1.50,2.00,2.50,3.00,3.50,4.00,4.50)則表示(x-0.5)mm4.5、RSAD>4.5、 RVD>4.5表示d>4.5 mm徑級的根長密度、根表面積密度、根體積密度。

1.5數據處理

土壤的抗沖能力用抗沖指數AS表示,即沖失1 g干土所需水量,計算如下：

(1)

式中,ASt為t時刻的抗沖指數(L/g);Q為沖刷流量(L/min);t為沖刷歷時,t=1,2,3,4,7,10 min;WLDSt為t時刻沖失干土重(g)。抗沖指數AS值越大,則表示土壤抗沖能力越強;反之,則越弱。

土壤內摩擦角φ和粘聚力c根據庫倫定律,利用土樣在豎直荷載為100、200、300、400 kPa下測得的抗剪強度τf線性回歸確定。

采用Microsoft Excel 2007作圖,SPSS 17.0進行差異顯著性檢驗(Duncan法,P<0.05)、Pearson相關分析(雙側,P<0.05,P<0.01)。

2　結果與分析

2.1不同草本區復合體的抗沖性能

圖1　試驗小區土壤抗沖指數動態變化Fig.1　Dynamic changes of AS in experimental plots

由圖1可知,0—10 min內各試驗小區土壤的抗沖指數AS均隨時間而增長：0—4 min,AS增長較快,最大增幅達18.88%出現在香根草區t=2 min時;4—7 min,AS增長漸趨緩慢;7—10 min,AS增長更加緩慢,尤其是對照小區。各試驗小區土壤抗沖指數AS隨時間t的動態變化均可用方程AS=at2+bt+c或AS=alnt+b(a、b、c為常數,t=0—10 min)進行很好地擬合(R2=0.9284—0.9691),其中對照小區和狗牙根區用二次多項式方程擬合較好,而其它3個小區則用對數方程擬合較好。

試驗小區的AS在所有測定時刻(t=1,2,3,4,7,10 min)均體現出顯著性差異,草本區的AS均顯著大于對照小區的。t=1 min時香根草區與百喜草區的AS無顯著性差異,排序為：香根草區/百喜草區>狗牙根區>紫花苜蓿區>對照小區;t=2、3 min時紫花苜蓿區與狗牙根區的AS無顯著性差異,排序為：香根草區>百喜草區>狗牙根區/紫花苜蓿區>對照小區;t=4、7、10 min時小區間的AS均存在顯著性差異且排序均為：香根草區>百喜草區>狗牙根區>紫花苜蓿區>對照小區。所有觀測時刻香根草區的AS值均最大,為對照小區的2.75—3.58倍,為百喜草區的1.01—1.12倍;而紫花苜蓿區的AS值在草本區中最小,亦為對照小區的1.96—2.60倍。

2.2抗沖土樣所含根系的根系指標

表1中,4種草本植物抗沖土樣的根重密度RWD存在顯著性差異,表現為：紫花苜蓿>香根草>百喜草>狗牙根,紫花苜蓿的RWD最大(164.16 mg/cm3)為狗牙根的3.91倍;根長密度RLD則表現為香根草、百喜草和狗牙根之間無顯著性差異,卻顯著大于紫花苜蓿,前3種草本的RLD分別為紫花苜蓿的3.77、3.62和2.56倍;根表面積密度RSAD表現為香根草的顯著大于紫花苜蓿的,百喜草(狗牙根)與香根草(紫花苜蓿)均無顯著性差異,香根草的RSAD為紫花苜蓿的1.47倍;根體積密度RVD的顯著性差異則表現為：紫花苜蓿>百喜草>香根草、狗牙根。總體上,抗沖土樣中紫花苜蓿的RWD和RVD最大,而香根草的RLD和RSAD最大。

表1　草本區抗沖土樣中根系的總體參數

表中數據為平均值±標準誤差(n=9);同列數據標有不同小寫字母表示草類之間存在顯著差異(Duncan法,P<0.05)

從表2徑級根系指標的顯著性分析可以看出：1)草本間相同徑級的根長密度、根表面積密度和根體積密度的顯著性具有一致或非常相似的排序,如0.00 mm百喜草>紫花苜蓿;2)d=2.00 mm是一個分界線,當0.00 mm2.00 mm時,則是紫花苜蓿的各項根系指標顯著優于香根草;3)1.50 mm

Pearson相關分析(表4)表明：1)RLD與AS4、AS7、AS10顯著正相關;2)RSAD與所有時刻的AS顯著正相關;3)1.00 mm

2.3不同草本區土壤的理化性質

表3中所有草本區的土壤容重均顯著小于對照小區,而草本區之間則無顯著性差異。數值上,土壤容重的排序為：對照小區>狗牙根區>百喜草區>香根草區>紫花苜蓿區,較之對照,紫花苜蓿區的土壤容重減幅高達11.25%,而狗牙根區的減幅最小亦為6.25%。除百喜草區的土壤有機質含量與對照小區無顯著性差異外,其余草本區的土壤有機質含量均顯著大于對照小區。其中紫花苜蓿區的土壤有機質含量最高為13.68 g/kg,顯著大于其它草本區;狗牙根區與香根草區之間則無顯著性差異。

表3　試驗小區10—20 cm土層土壤理化性質和抗剪強度指標

表中數據為平均值±標準誤差(n=3);同列數據標有不同小寫字母表示試驗小區之間存在顯著差異(Duncan法,P<0.05);直剪試驗時,同一小區每組試樣之間的密度差值不大于0.03g/cm3,含水率差值不大于2%

2.4不同草本區土壤的抗剪性能

表3中所有草本區10—20 cm土層的土壤內摩擦角φ均顯著高于對照小區,排序為：香根草>狗牙根>百喜草/紫花苜蓿>對照,香根草區的φ為其它小區的1.23—2.97倍。香根草在該土層的土壤粘聚力c高達82.60 kPa,亦顯著大于其它小區;狗牙根區的c顯著高于對照,但與百喜草區、紫花苜蓿區之間無顯著性差異;百喜草區、紫花苜蓿區的c與對照小區的無顯著性差異,但在數值上大于對照小區。Pearson相關分析(表4)表明各時刻的AS與φ無顯著相關,但與c顯著或極顯著正相關,最大相關系數為0.715。

AS：抗沖指數 anti-scourability;ASt(t=1,2,3,4,7,10min)：t時刻的土壤抗沖指數;RLD：根長密度 root length density;RSAD：根表面積密度 root surface area density;RVD：根體積密度 root volume density;RLDx/RSADx/ RVDx(x=1.00,1.50,3.00,3.50)分別表示0.50 mm

3　討論

3.1根系指標對復合體陡坡下抗沖性能的影響

根系的纏繞和網絡固結作用,阻止了土顆粒分散,有利于提高土壤的抗沖性能[24- 25]。本試驗中紫花苜蓿、百喜草、狗牙根和香根草的根系都顯著增強了紫色土表土層的抗沖性,尤其是香根草,這與其它已有植物根系的研究結論一致[23,26]。本研究充分考慮了根徑的影響,將根系指標分為總體指標和徑級指標。草本間相同徑級的根系指標的顯著性差異具有一致或非常相似的排序,而草本間總體指標的顯著性差異卻不具有此規律。

抗沖土樣中紫花苜蓿的RWD顯著大于其它草本,表明其根系對10—20 cm土層的土壤水分、養分和微量元素等的吸收能力較強,因此同體積的土樣中其干物質量較大。此外,其RVD亦顯著大于其它草本,占了抗沖土樣體積的0.50%,這表明其土樣中可供沖刷的土壤應顯著少于其它草本的。但其在各測定時刻的AS卻小于其它草本,即其總體抗沖性能弱于其它草本。而RWD和RVD顯著小于紫花苜蓿的香根草卻在各時刻的抗沖性能均最好。可見,本實驗中RWD和RVD不是影響根-土復合體抗沖性能的主要因子,Pearson相關分析亦表明無顯著相關。香根草的RLD和RSAD數值最大,相關分析中此二者與所有(部分)時刻的AS顯著相關。紫花苜蓿的這兩項根系指標最差,而抗沖性能居中的百喜草和狗牙根的此兩項根系指標亦居中。RLD反映了根系在土壤中的穿插和纏繞能力;RSAD則能充分反映根-土之間的接觸情況,其值越大表明根-土接觸面積越大且耦合得越好。這從一方面解釋了為何紫花苜蓿生長茂密、根系發達,其AS卻較小。綜上可知,RLD和RSAD是影響陡坡下紫色土根-土復合體抗沖性能的主要因子,這與已有的研究結論一致[27]。香根草與狗牙根相比,僅RWD具有顯著優越性,且僅次于紫花苜蓿,可抗沖性能卻顯著優于狗牙根,可見RWD亦對復合體的抗沖性能產生有效影響,是次要因子。香根草的根系指標中影響土壤抗沖性的主要因子最優,次要因子居中,決定了其復合體具有好于其它3種草本的抗沖性。

已有的研究認為細根在提高土壤抗侵蝕方面具有非常重要的作用,因為其在土體中穿插范圍廣,與土壤顆粒結合較緊密,網絡固持土顆粒的能力強,且受拉/剪時具有較好的彈性,而粗根對固土則沒有明顯貢獻[25]。較多的研究中將細根的直徑確定為≤1 mm即須根,認為這一徑級的根系是固土的關鍵,如鄭子成等[28]在紫色土區玉米地的試驗研究發現0.00 mm

3.2土壤指標對復合體陡坡下抗沖性能的影響

草本區土壤容重的有效降低與根系密切相關,活根穿插土壤、死根萎縮腐解等均能增加土壤孔隙度,進而降低土壤容重。紫花苜蓿區的土壤容重值最小與其RWD、RVD最大有密切關系,相關分析中土壤容重與RWD極顯著負相關(相關系數為-0.737)。雖然百喜草區與對照小區的土壤有機質含量無顯著性差異,但所有草本區的有機質含量在數值上均大于對照小區,這表明總體上草本植物是有利于土壤有機質積累的,分析原因：一方面可能是植被覆蓋地表,為枯落物和死根等腐殖物質的分解和轉化提供了有利的溫度和濕度,另一方面活根系的分泌物增加了土壤有機質含量,再一方面根系提高土壤微生物數量和活性,亦可提高土壤有機質含量。相關分析中,土壤有機質含量與2.00 mm

所有草本區10—20 cm土層的土壤內摩擦角φ均顯著高于對照小區,可見草本植物根系能有效提高根-土復合體的內摩擦力。相關分析中φ與RLD極顯著正相關(相關系數為0.740),此外與0.00 mm

4　結論

(1)陡坡(30°)下,紫花苜蓿、百喜草、狗牙根和香根草等4種草本植物根系均能顯著增強紫色土表土的抗沖性能,且香根草根-土復合體的抗沖性能最強,而紫花苜蓿復合體的抗沖性能則最弱;所有試驗小區的土壤抗沖指數AS動態變化均能用對數或二次多項式方程進行良好的擬合,R2=0.9284—0.9691。

(2)抗沖土樣中紫花苜蓿的根重密度RWD和根體積密度RVD最大,香根草的根長密度RLD和根表面積RSAD最大;RLD和RSAD是影響陡坡下紫色土根-土復合體抗沖性能的主要因子,RWD則是次要因子;0.50 mm

(3)這4種草本植物均有利于降低土壤容重,提高土壤有機質含量和增強土壤抗剪性能;香根草復合體的抗剪強度指標(土壤內摩擦角φ和粘聚力c)顯著大于其它小區;c是影響陡坡下紫色土根-土復合體抗沖性能的主要因子,而0.00 mm

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Root-soil system anti-scourability on steep slopes in the Three Gorges Reservoir Area

CHEN Yun, HE Binghui*, LIAN Caixia, LIU Zhipeng, PENG Shilei

CollegeofResourcesandEnvironment/KeyLaboratoryofEco-environmentsinThreeGorgesReservoirRegion(MinistryofEducation),SouthwestUniversity,Chongqing400715,China

Grass roots can improve the soil′s anti-scourability. The aim of this study was to determine the effects of the roots of different grasses on anti-scourability on steep slopes of purple soil in the Three Gorges Reservoir Area.Medicagosativa,Paspalumnatatu,Cynodondactylon, andVetiveriazizanioidesplants were planted 4 years prior to the experiment, and bare control plots were selected for soil sampling. The soil anti-scourability, root parameters (root dry weight, root length, root surface area, and root volume), soil shear strength (soil internal friction angle and cohesion), and soil chemical-physical characters (bulk density and organic matter) were measured using an improved flume scouring experiment, a root analysis system (WinRHIZO (Pro.2004c)), a direct shear test experiment, the ring method, and potassium dichromate external heating method, respectively. The results show that four species of grass roots could significantly enhance soil anti-scourability.Vetiveriazizanioidesroots had the greatest effect on soil anti-scourability, as soils planted with this species exhibited anti-scourability values 2.75—3.58 times that of the control; whileMedicagosativaroots had the weakest effect on soil anti-scourability, as soils planted with this species exhibited anti-scourability values 1.96—2.60 times that of the control. In the scouring experiments lasting 0—10 min, the soil anti-scourability of each plot increased over time, and these dynamic change processes can be fitted well (R2= 0.9284—0.9691) using two polynomial (the control andCynodondactylonplots) and logarithmic equations (theVetiveriazizanioides,Paspalumnatatu, andMedicagosativaplots). Root length density and root surface area density were the main factors affecting soil anti-scourability, and both were significantly correlated with anti-scourability (P< 0.05), especially the root surface area density. Root length density and root surface area density ofVetiveriazizanioidesroots were the highest among the different species. A dividing line was set at 2.00 mm, and when 0.00 mm 2.00 mm, allMedicagosativaroot parameters were higher than those ofVetiveriazizanioides. Roots whose diameters were 0.50 mm

purple soil; grass roots; anti-scourability; soil shear strength; soil cohesion

國家自然科學基金項目(41271291, 41501288);中央高校基本科研業務費專項項目(SWU113013, XDJK2014C103, XDJK2015C170);國家科技支撐計劃項目(2011BAD31B03);西南大學教育教學改革研究項目(2013JY052)

2015- 01- 27; 網絡出版日期:2015- 12- 02

Corresponding author.E-mail: hebinghui@swu.edu.cn

10.5846/stxb201501270211

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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.