江蘇太湖地區草坪根系形態對初期降雨徑流的影響

劉長娥,鄒國燕,2?,周 勝,2,付子軾,2,程彬彬

(1上海市農業科學院,上海201403;2上海低碳農業工程技術研究中心,上海201415)

植物根系對污染物的吸收與疏導是污染物在環境中遷移的一個重要環節,而根系的形態結構會影響水流在土壤中的運動,通過根系的吸收動力與老根脫落后形成的孔隙使徑流水下滲,滯留于土壤深層,減少徑流的外泄[1]。近年來,由降雨徑流引起的水土流失與攜帶養分對河流湖泊水體構成了極大的威脅,成為湖泊水生態系統施加外部污染負荷的最主要途徑,太湖水質從20世紀70年代到90年代下降了2—3個等級與降雨徑流的污染有密切的關系[2]。因此,如何有效地將N、P保留在陸地生態系統物質循環之中,降低其隨降雨徑流進入湖泊水體的風險,是減輕太湖污染負荷的有效途徑之一[3-5],也是目前湖泊水體污染迫切需要解決的問題。

所有形式的植被覆蓋均可不同程度地抑制水土流失的發生,植被因子一方面通過地上部分的覆蓋減少坡面的水土流失,從而減少通過徑流土攜帶導致土壤中的養分流失;另一方面通過地下部分根系的疏導,使徑流下滲,形成地下徑流,進入土壤系統進行循環,降低徑流中的營養鹽濃度。植被因子是影響土壤侵蝕和徑流外泄的敏感性因子,具有從根本上治理水土流失的作用[6]。許多學者研究了草坪覆蓋對降雨徑流的影響,結果表明相對于其他植物草坪,其在緩沖帶截留徑流污染物能力最強,對地表徑流中的N、P具有較好的凈化效果[7-10]。植物根系在減少水土流失等方面也有著很大的作用,縱橫交錯的根網能夠將土顆粒緊緊束縛住,形成根-土復合體,從而增加土體的遷移阻力,有效抑制表面土壤侵蝕。很多學者對植物根系增強土壤抗沖性方面的作用進行了較為深入的研究[11-18],但針對草坪根系對徑流的攔截作用的研究還鮮有報道。本研究選取幾種不同根系形態特征的草坪,分析根系形態特征及其與水土流失的關系,以期篩選出適宜湖濱緩沖帶林下種植的草坪種類,改善或阻斷湖泊水生態系統的外部污染途徑,有效解決太湖的水污染問題。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區域位于太湖西岸的周鐵地區,屬長江三角洲太湖水網化平原,沿太湖有長達22.3 km的湖岸線。研究區屬北亞熱帶季風氣候,季節鮮明,日照充足,無霜期長。研究區域年平均降水量1 210.4 mm,其中,春季降雨量占全年的29%,夏季占36%,秋季占22.5%,冬季占12.5%;全年約49%的雨量集中在6—9月份,以6月份最多。研究區域年平均氣溫為15.6℃,受太湖水氣的影響,區域平時空氣濕度較大,晝夜溫差較小。

研究區域土壤有3個土類,分別為水稻土、潮土和黃棕壤,試驗區域主要為潮土。區域內湖濱緩沖帶人工植被以蔬菜為主,主要有葉菜類、茄果類、豆類、瓜類。試驗區域主要為草林地,樹木主要種類有香樟(Cinnamomum camphora)、臭椿(Ailanthus altissima)、楝樹(Melia azedarach)。林下自然植被有葎草(Humulus scandens)、杠板歸(Polygonum perfoliatum)、小飛蓬(Comnyza canadensis)、紫菀(Radix asteris)、看麥娘(Alopecurus aequalis Sobol)等蔓藤與高大植物。2010年根據相關研究的需要,在部分林下清除了雜草,種植了白三葉(Trifolium repens)、紅花酢漿草(Oxalis corymbosa)、麥冬(Ophiopogon japonicusvar.nana)和馬蹄金(Dichondra erpensForst)草坪(圖1)。

圖1 4種草坪的生長特征Fig.1 Growth characteristics of four lawn

1.2 試驗設計與方法

1.2.1 試驗小區建立

于植物旺盛生長期,在白三葉、紅花酢漿草、麥冬和馬蹄金草坪中,選取生長均勻、地面覆蓋度大于90%的區域用鋁塑板圍隔為1 m×1 m小區,3個重復,每個小區安裝徑流收集管,對應管口處設置地表徑流收集桶(圖2)。降雨前,將各接收裝置對應放置于各管口處,用于接收地表徑流水。另外,在小區外圍分散放置3個雨量計用于接收雨水。

圖2 試驗小區裝置設置Fig.2 Device setting for test plot

1.2.2 試驗方法與樣品采集

試驗采用模擬降雨,為了充分了解植物根系對降雨徑流的影響,模擬降雨時間為植物生長旺盛期間,選取天氣晴朗土壤較干時期進行,將人工模擬降雨最大平均降雨強度設定為100 mm∕h(相當于大暴雨)。降雨高度2 m(在樹冠層下方),降雨歷時自產流后30 min,為了減少不同種類草坪生長旺盛期的差異,降雨試驗選取6月上旬、7月上旬、8月上旬和9月上旬分4次進行,并以此作為每種草坪的降雨試驗重復,觀測工作自降雨開始至產流結束。

徑流水的采集針對初期降雨徑流,降雨歷時30 min后采集地表徑流水和雨水,立即加蓋,防止雨水進入,影響測量結果。

植株樣品的采集是在各小區鄰邊選取植株密度高、生長均勻一致的健壯植株,齊地面割去地上部分,以植株為中心點,將環刀(內徑10 cm、高5 cm)的圓心與植株中心點重合,沿植株垂直向下按0—5 cm、5—10 cm、10—15 cm的土層進行取樣,每層3個重復,用刀按層修平,分別裝入有標識的密封塑料袋,帶回室進行根系等相關指標的測定。

土壤含水量樣品的采集用土鉆,容重樣品的采集用環刀,分別按0—5 cm、5—10 cm、10—15 cm土層取樣,每個土層重復3次,然后同層混合為1個樣品。

1.2.3 樣品測定方法

對收集到的徑流水和降雨水的量進行測量,則徑流系數為徑流量與相應降雨量的比值。徑流水進行沉淀后,留取下部泥沙,轉入塑料瓶,帶回實驗室,然后將其無損失轉入燒杯中,置入80℃烘箱中烘干至恒重,再用千分之一電子天平稱重,獲得流失的泥沙重(g∕m2)。

將野外采集的不同土層含根系的土樣置于孔徑為0.25 mm土壤篩中用流水輕輕沖洗,去除雜物、死根后,按直徑≤1 mm和＞1 mm兩個徑級,分不同土層用游標卡尺和直尺對其根徑和長度進行測量,計算根長密度,將統計后的根置于105℃的烘箱中殺青5 min,然后80℃恒溫烘干至恒重(12 h),再用千分之一電子天平稱重,獲得根干重。根長密度與根重均換算為單位面積,即根長密度(m∕m2)與根重(g∕m2)。

土壤含水量的測定采用烘干法,土壤容重的測定采用環刀法。

2 結果與分析

2.1 不同類型草坪根重與根長密度分布特征

根重反映了根系積累有機物質的多少,也是反映植物生長結構(根冠比)和根系空間分布結構的重要參數[19-20]。不同種類草坪根重在各層所占的份額不同,白三葉0—5 cm、5—10 cm和10—15 cm土壤中根重分別占71.1%、21.7%和7.2%;麥冬各層分別占65.8%、19.4%、14.7%;馬蹄金各層分別占95.2%、3.0%和1.8%,紅花酢漿草各層分別占84.4%、13.3%和2.3%(圖3)。各類草坪根量0—5 cm層顯著高于下層,隨著土壤深度的增加,草坪的根量逐漸減少。相同種類草坪不同植株間根重的差異較小。

根系的根長密度,即單位土壤體積中所含根系的長度,既能反映根系的穿插和纏繞能力,也能表征某一土壤層的根系伸展量,比根重更能夠客觀表征根系的空間分布特征[18]。根長密度的分布與根重的結構存在較大差異,白三葉0—5 cm、5—10 cm和10—15 cm土壤中根長密度分布占42.1%、32.6%和25.3%;麥冬各層分別占64.6%、21.6%和13.8%;馬蹄金各層分別占62.8%、26.6%和10.6%,紅花酢漿草各層分別占32.6%、32.8%和34.6%(圖3)。麥冬和馬蹄金表層土壤中根長密度顯著高于下層,相同種類草坪不同植株間根長密度的差異較大。

圖3 不同種類草坪的根系分布特征Fig.3 Root distribution characteristics of different lawns

2.2 草坪不同徑級根長密度與根量分布特征

不同徑級根系所起的作用不同,一般而言,根徑≤1 mm的根長密度及根重是植物群落改善土體結構穩定性、提高入滲強度和增強抗沖性的有效根系參數[12-13]。本研究將植物的根系分為根徑≤1 mm和＞1 mm兩個徑級,不同種類草坪各土壤層中根的特征不同。

白三葉和麥冬不同深度土壤中根徑＞1 mm的根重均高于根徑≤1 mm的根,但根長密度卻不同。馬蹄金的根普遍由細根組成,各深度土壤中根徑均為≤1 mm的根。紅花酢漿草與馬蹄金相反,其根系中細根很少,僅深層中有少量,根徑≤1 mm的根重與根長密度均小于根徑＞1 mm的根(表1)。

表1 4種草坪不同徑級根在各土層中的分配比例Table 1 Distribution proportion of different diameter roots of four lawns in soil

2.3 不同根系對土壤結構及水土流失的影響

根系在土壤中縱橫穿插,與土壤團粒、水分、微生物、礦質營養元素等相互吸引,產生吸附力,當根系穿過土壤并在一定深度分布時,形成一個緊密的土壤-根系復合體[17]。根系在土壤中的穿插對土壤的結構與功能有一定影響,其影響程度與土壤性質及當地水熱條件有關。

研究區草坪土壤含水量隨土壤深度變化不大,各層之間差異較小。其中,麥冬表層土壤含水量較高,可能與其植株遮蔭效果好有關。馬蹄金深層土壤含水量顯著高于表層,在某種程度表明地表徑流的入滲效果較好,不同根系草坪土壤含水量差異不顯著,土壤含水量受根系分布的影響小(圖4)。

土壤容重有隨土壤深度增加趨于增大的趨勢,其中,表層與其他土層差異顯著。植物根系主要集中于表層土壤,因此表層土壤容重較小(圖4)。

不同草坪之間的土壤含水量在水平和垂直層次上均無顯著差異,可能與當地土壤的類型、氣候以及草坪根系特征有關,湖濱緩沖帶全年大部分時期氣候較濕潤,潮土具有松散的特點,吸水性能較好,土壤含水量普遍較高。另外,草坪根系分布普遍較淺,對于濕潤松散的土壤結構和水分影響較小。

圖4 4種草坪的土壤特性對比Fig.4 Comparison of soil properties of 4 lawns

根系通過網絡串聯、根土粘結及根系生物化學作用,強化土壤的抗沖性能[12],根是表征植物水土保持性能的重要指標。根系通過在土體中的交錯、穿插和網絡固持土壤,一方面加固了土壤結構,另一方面疏通了地下系統徑流通路,促進了徑流水的入滲,減輕了地表徑流流失產生的沖刷強度。因此,植被覆蓋的水土流失量顯著少于裸地,受不同根系特征的影響,4種草坪徑流與土壤流失特征也不同,徑流與土壤流失最高的為紅花酢漿草,其次是白三葉,馬蹄金與麥冬的水土流失量較少,二者之間的差異不顯著(圖5)。

圖5 4種草坪的水土保持效果對比Fig.5 Comparison of soil and water conservation effects of 4 lawns

2.4 草坪生長特征與水土流失的相關性

地表徑流流失受地形、地貌、植被、土壤、耕作和施肥等多種因素的影響。植被可改善土壤的物理性質,對降雨起到一定的截留和削弱作用,通過地上莖葉的緩沖作用,削減雨滴濺蝕,地面覆蓋可明顯提高土壤入滲性能,并且隨著覆蓋度的增加,入滲率明顯提高[21-22]。草坪地上部分對地表徑流的截留和土壤的固持,主要與其覆蓋度有關,受植株高度的影響較小(圖6)。

圖6 草坪地上部分形態與水土流失的相關性Fig.6 Correlation between lawn aboveground morphology and loss of soil and water

地表徑流通過草皮滲流進入地下系統,經過土壤過濾、植物根系吸收、微生物分解等多重作用去除,可以提高污染物的凈化效果。入滲率越高,對地表徑流及其攜帶污染物的攔截能力越強,對N、P污染物的總去除率越高。植物通過根系向土壤輸送氧氣等,供好氧微生物降解有機物,可使N通過硝化和反硝化作用得以去除[23]。鄧煥廣等[24]研究不同植被類型下土壤反硝化作用發現,2—5 cm深度土壤反硝化速率顯著高于其他深度,反硝化速率與土壤的SOC、NH+4和NO-3含量呈極顯著正相關。

地表徑流入滲效果受根的生長特征影響,根長密度是反映根在土壤中分布的重要指標,與土壤抗沖刷性、抗侵蝕性密切相關。不同徑級根長密度與水土流失的相關分析顯示,根徑≤1 mm的根長密度與土壤流失和徑流系數呈顯著負相關(圖7),即單位土壤體積中細根的伸展量越多,水土流失量越少,這與前人的研究結果一致[13]。

圖7 不同徑級根長密度與水土流失量的相關性Fig.7 Correlation between different diameter root length density and loss of soil and water

3 討論與結論

江蘇太湖地區從偏重糧食生產轉向糧經作物協調發展,用地作物增多而養地作物減少,施肥種類從有機肥為主轉變為完全施用化肥,這種農業耕作制度的變化導致土壤養分積累[16],加之農村生活污水的不合理排放,增加了農村污染進入太湖水體的風險。太湖水質從20世紀50—70年代的Ⅰ、Ⅱ類,發展為目前的劣Ⅴ類水,主要由農村污染引起,而驅動因子則是降雨,降雨徑流中污染物的年負荷與降雨量同向變化[17],地表徑流侵蝕土壤及其攜帶的N、P等農業面源污染物和農村生活污水是導致太湖水體污染的一個重要原因[18,25-28]。

草林系統是湖濱緩沖帶重要的生態系統,在林下種植草坪能夠有效攔截地表徑流,減輕太湖污染負荷[29],雖然草坪對區域內土壤的結構影響不大,但土壤-根系復合體將有助于徑流水的疏導作用,而細根(吸收根)的作用更有利于徑流的入滲,通常這種細根的根長密度被稱為有效根長密度。隨著有效根長密度的增加,土壤入滲率急劇增高,水土流失量顯著減少。但是有效根長密度增加到一定數量后,入滲率開始下降。

一般而言,細根生長與死亡的周期運轉較快,同時細根具有分布密集、根長絕對值高的特征,對土體具有很高的網絡能力。細根多有利于植物吸收養分和水分,同時,死亡根留出的孔隙更利于徑流水入滲,另外細根對減少N的流失也具有重要的作用[30]。

馬蹄金、麥冬、紅花酢漿草、白三葉是湖泊緩沖帶種植普遍的草坪,草坪對初期降雨徑流的影響除地上部分的覆蓋作用外,主要通過根系的疏導和吸收以及固持等作用保持水土,其中細根起主導作用。4種草坪的根系呈傘型分布,馬蹄金根系主要由≤1 mm的細根組成,麥冬≤1 mm根長密度占60%以上,白三葉占48%以上,而紅花酢漿草主要由＞1 mm的粗根組成。馬蹄金水土保持效能最好,其次是麥冬,第三是白三葉,紅花酢漿草最差。草坪的水土保持效能主要受≤1 mm根長密度影響,水土流失量與其呈顯著負相關。

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