PAM和草類根系對荒坡紫色土物理性質與抗剪性能的影響

李鐵，王潤澤，諶蕓，何丙輝，周濤，吳晨，劉梟宏 (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)

紫色土作為南方地區廣泛分布的重要耕作土壤，大多由石灰性母巖發育而來，一般土體表層淺薄、結構疏松、抗沖剪性能差，加之紫色土區雨量豐富，降水相對集中[1-2]，容易導致地表裸露，土壤抗侵蝕能力進一步下降，誘發滑坡等地質災害。抗剪強度是衡量土壤抵抗外力剪切形變能力的重要指標，改善土壤物理性質和增強土壤抗剪性能對遏制水土流失和減少地質災害具有重要意義，其中草類根系所起的作用不容忽視。相關研究表明，人工根土重塑土和原狀根土復合體中均存在最優含根量，使得土體抗剪性能達到最優[3-5]；不同植物種類、根系徑級在不同土層的分布特征迥異，對土壤抗剪性能和物理性質的影響差異顯著[6-8]，但諸多學者普遍認為植物須根和某些根系指標(如根表面積密度、根長密度)與土壤抗剪性能密切相關，并能夠大幅增強土壤抗剪性能[9-10]。此外，土壤孔隙度、含水率、團聚體等土壤內在指標是影響土壤抗剪性能的關鍵因素[11-12]，而土壤作為植物天然附著載體，草類根系對土壤物理性質如微團聚體[13-14]的影響亦不可忽視。可見，草類根系、土壤物理性質和抗剪性能三者環環相扣，相互影響。

PAM(polyacrylamide，聚丙烯酰胺)由于其優異的土壤改良作用，近年來在水土保持領域越來越受到重視。國內外相關研究表明，施用PAM可明顯改善土壤結構和通氣狀況，減少土壤水分蒸發，降低徑流泥沙含量，其保水固土作用顯著[15-16]，同時可有效提高玉米(Zeamays)、小麥(Triticumaestivum)、番茄(Lycopersiconesculentum)、萵苣(Lactucasativa)、棉花(Gossypiumspp)[17-18]等農作物以及多種牧草[19]的生物量和產量，但尚無有關PAM與土壤抗剪性能的研究見諸報端，亦鮮有研究將PAM與草類(狗牙根，Cynodondactylon，三葉草，Trifoliumrepens)結合起來探討其對土壤基本物理性質和抗剪性能的影響。此外，狗牙根和三葉草是西南地區野外常見草類，在植物措施中常作為水保先鋒植物進行布設，因此探究PAM對其水土保持功能的影響很有必要。鑒于此，以荒坡紫色土為研究對象，通過研究PAM、草類以及兩者組合配套使用對土壤物理性質和抗剪性能的影響，以期為荒坡紫色土的合理利用和更好發揮植物措施的水土保持功能提供依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

供試土壤來自重慶市北碚區馬鞍溪流域內龍灘子水庫(106°24′48″ E，29°49′1″ N)附近荒坡，該區年均溫約為18.3 ℃，年均降水量約為1107.1 mm，年均日照時長約為1297.6 h，屬亞熱帶季風性氣候[1,20]。該荒坡土壤主要為紫色沙泥頁巖，含少量粗骨質礫石，土層厚度不足5 cm，坡度約35°，植被覆蓋度極低，鮮有人為擾動。

1.2 試驗設計

由于紫色土荒坡自然生境惡劣，植被幼苗成活率極低，故通過盆栽種植培育狗牙根和三葉草，前期在室內培育草類幼苗，待其生長發育較為成熟時適時將盆栽搬至野外讓其自然生長。于2015年12月采集試驗區荒坡土壤，取足量帶回實驗室，過5 mm篩后填入花盆(規格為口徑×底徑×高：180 mm×125 mm×100 mm)，使其容重保持在1.30 g·cm-3左右。試驗共設置9個處理，如表1所示。每個處理3個重復，共27個花盆試樣。試樣制成后浸水12 h，水面比花盆頂部稍低，然后靜置，保證試驗初土樣的含水率均為飽和含水率。靜置數日后，液施PAM(中性，相對分子量300萬，堿性條件下水解，水解度為20%)溶液，并等密度撒播草籽(每個花盆撒播狗牙根或三葉草草籽0.3 g)，試驗期間常規管護，適時澆灌、補種和去除雜草。

表1 試驗處理Table 1 Test treatments

注：各處理均設置3個重復。

Note: 3 repeats are set for each process.

1.3 樣品采集

2016年5月初采集花盆土樣，采樣前3 d以上無灌溉、除草等措施。采樣時先將植株地上部分及其他雜質清理干凈，然后將環刀(底面積20 cm2，高5 cm)緩慢壓入花盆取樣，共計27個土樣(用于測定土壤孔隙度)；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)取樣，共計108個抗剪土樣；另用鋁盒裝取15～20 g土壤用于測定土壤自然含水率，自封袋裝取約500 g土使其自然風干測定土壤微團聚體。

1.4 指標測定

1.4.1基本物理指標與抗剪性能參數測定 自然含水率采用(105±2) ℃烘干法測定；土壤孔隙度(總孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度)采用環刀法測定；土壤微團聚體組成采用卡慶斯基法(吸管法)[21]測定；抗剪性能參數采用ZJ型應變控制式直剪儀測定[22]。

1.4.2根系指標測定及計算 取環刀(底面積30 cm2，高2 cm)內帶有根系的土樣浸泡數小時，以利于根、土分離，隨后置于0.5 mm篩內用適量自來水沖洗，洗出的根系裝入對應編號的自封袋內，采用200 dpi分辨率的掃描儀對根系進行灰度掃描，WinRHIZO(Pro.2004c)根系分析系統對根長(root length，RL)、根表面積(root surface area，RSA)和根體積(root volume，RV)以及分以下徑級：00.9 mm(d為根系直徑，單位：mm)進行測定分析。掃描后的根系烘干后用千分之一天平稱取根干重(root weight，RW)。根長密度(root length density，RLD)、根表面積密度(root surface area density，RSAD)、根體積密度(root volume density，RVD)和根重密度(root weight density，RWD)分別代表單位土體對應的根長、根表面積、根體積和根重[9]。以下為總體指標計算公式。

根長密度(RLD)=環刀內根系總長度/土體體積

(1)

根表面積密度(RSAD)=環刀內根系總表面積/土體體積

(2)

根體積密度(RVD)=環刀內根系總體積/土體體積

(3)

根重密度(RWD)=環刀內根系總干重/土體體積

(4)

1.5 數據處理

采用Microsoft Excel 2013軟件對數據進行圖表處理。采用IBM公司開發的SPSS 22.0統計軟件中單因素方差分析(ANOVA)方法進行數據顯著性檢驗并利用Duncan法進行多重比較；使用雙變量Pearson法進行相關分析。

2 結果與分析

2.1 不同處理土壤孔隙度和微團聚體特征

由表2可知，總體上單植草類各試驗處理之間、單施PAM各試驗處理之間和“草類+PAM”各試驗處理之間自然含水率和孔隙度差異性較小，而單施PAM、單植草類、“草類+PAM”之間以及各處理與CK之間均存在較大差異。相較于CK，單施PAM的土壤自然含水率、總孔隙度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度平均增幅分別為14.18%、6.03%、0.98%、24.75%；單植草類對應指標平均增幅分別為56.72%、7.68%、7.14%、9.09%；“草類+PAM”對應指標平均增幅分別為66.42%、13.32%、9.80%和26.52%。顯然，除非毛管孔隙度外，各處理類別改善土壤孔隙度和含水率的能力強弱為：“草類+PAM”>單植草類>單施PAM；各處理類別對自然含水率和非毛管孔隙度影響尤為突出，但PAM濃度變化對各指標影響較小。

荒坡紫色土發育成熟度較低，土壤肥力尚未得到充分轉化和釋放，導致研究區內植被覆蓋度極低，土壤微團聚體密切影響著土壤營養元素的保持、供應、轉化以及土壤水分的保貯和釋供等過程[23]，對早期植物正常生長有較大影響。在表2中，CK、單施PAM、單植草類、“狗牙根+PAM”和“三葉草+PAM”之間的某些粒級范圍微團聚體存在較為顯著的差異。較之單施PAM，GY對0.25～0.05 mm粒級范圍微團聚體影響較為突出，SY對0.05～0.01 mm粒級范圍微團聚體的形成更具優勢；較之GY，“狗牙根+PAM”有助于提高1～0.25 mm粒級范圍微團聚體含量，顯著降低0.05～0.01 mm、0.002～0.001 mm以及<0.001 mm粒級范圍微團聚體含量，而“三葉草+PAM”相對于SY，其顯著提高了0.25～0.05 mm粒級范圍微團聚體含量，減少了土體中0.01～0.005 mm、0.005～0.002 mm和<0.001 mm粒級范圍微團聚體含量。可見，PAM濃度變化對微團聚體含量基本無影響，但相較于CK，各試驗處理對不同粒級范圍微團聚體影響程度有所不同，液施PAM以及栽植草類可降低較小粒級(主要為<0.01 mm的各粒級范圍)微團聚體含量、提高較大粒級(尤其是1～0.25 mm、0.25～0.05 mm粒級范圍)微團聚體含量。

表2 不同處理孔隙度、微團聚體組成Table 2 Porosity, micro aggregate composition (%)

注：表中數據標有不同小寫字母表示處理之間存在顯著差異(Duncan 法，P<0.05，n=3)。下同。

Note: Date in the table indicate mean (n=3); different lowercase letters show significant difference among different treatments atP<0.05 level. The same below.

2.2 不同處理根—土復合體抗剪性能特征

表3中，單施PAM與“三葉草+PAM”的各級豎直荷載下的抗剪強度無差異，單植草類與“狗牙根+PAM”存在顯著差異，CK與各試驗處理均存在顯著差異。相較于CK，單施PAM、單植草類和“草類+PAM”的各級豎直荷載下的抗剪強度平均提高6.06%，45.06%和47.09%；單施PAM與CK之間、單植草類與“草類+PAM”之間其抗剪性能參數(內摩擦角φ和黏聚力c)無顯著差異，但是CK和單施PAM與單植草類以及“草類+PAM”差異顯著。與CK相比，單植草類以及“草類+PAM”的內摩擦角φ平均提高了37.12%，36.59%，黏聚力c平均提高了69.47%，83.64%。由此可知，“草類+PAM”對土壤抗剪性能影響最大，單植草類次之，單施PAM最小；PAM與草類根系更有利于提高土壤黏聚力c。

表3 不同荷載下的抗剪強度與抗剪性能參數Table 3 Shear strength and shear performance parameters under different loads

注：含水率差值=1.6%，容重差值=0.02 g·cm-3。

Note: Soil moisture deference=1.6%, bulk density difference=0.02 g·cm-3.

植物根系可直接對土壤抗剪性能產生影響，亦可通過改善土壤物理性質間接影響土壤抗剪性能，為了探討含根土體物理性質與抗剪性能之間的關系，將兩者進行相關性分析得到表4。由表4可知，自然含水率、總孔隙度和毛管孔隙度與抗剪性能參數在P<0.01水平上均呈極顯著相關，其中，毛管孔隙度與內摩擦角φ相關系數高達0.882，與黏聚力c高達0.876；1～0.25 mm和0.25～0.05 mm粒級范圍微團聚體與抗剪性能參數均呈極顯著相關，其中0.25～0.05 mm粒級范圍微團聚體與內摩擦角φ相關性高達0.749，與黏聚力c高達0.833，其他粒級范圍的團聚體與內摩擦角φ和黏聚力c多呈非顯著負相關。

表4 孔隙度、微團聚體組成與抗剪性能相關分析Table 4 Correlation analysis of porosity, shear strength and micro aggregate composition

注：“*”表示在P<0.05水平(雙側)上顯著相關；“**”表示在P<0.01水平(雙側)上極顯著相關。

Note: “*”and “**” indicate the relationship reaches 0.05 and 0.01 significant level, respectively.

2.3 不同處理根—土復合體根系特征

根系總體指標包括根長密度(RLD)、根表面積密度(RSAD)、根體積密度(RVD)和根重密度(RWD)，能夠從不同角度反映植物根系生長狀況和對土壤的影響。由表5可知：1)總體上不同處理之間各項總體指標存在差異，“狗牙根+PAM”各項根系總體指標最優，GY次之，SY最小。相對GY，“狗牙根+PAM”根系總體指標增幅介于15.57%～53.16%；相對SY，“三葉草+PAM”各項根系總體指標增幅介于23.02%～80.00%。2)各項總體指標中，施加PAM濃度較高的處理其指標值普遍低于施加PAM濃度較低處理的；各處理根長密度指標最大，根表面積密度指標次之，根重密度指標最小。

從表5中亦可知：1)同一處理的不同徑級根系指標之間差異顯著性具有明顯的一致性或相似性。相較于GY，“狗牙根+PAM”的各徑級(d≤0.2 mm、0.2 mm0.9 mm)的RLD值分別平均增加了15.74%，13.21%，46.19%，54.33%，69.30%，RSAD值分別平均增加了14.86%，15.20%，47.76%，53.85%，80.70%，RVD值分別平均增加了43.88%，20.83%，61.11%，56.25%，97.06%；相較于SY，“三葉草+PAM”的各徑級指標亦有類似變化。2)不同處理各項徑級指標中，施加PAM濃度較高的處理其指標值亦普遍低于施加PAM濃度較低的；各處理根長密度指標最大，根表面積密度指標次之；同一處理各徑級中徑級為d≤0.2 mm的值最優，0.5 mm

2.4 根系指標與土壤物理性質、抗剪性能參數的相關分析

根系指標與土壤物理性質、抗剪性能參數的相關分析如表6所示。總體上，隨著根系徑級增大，土壤孔隙度指標與根系總體指標RLD的相關性越大，但均不顯著；土壤孔隙度與根系總體指標RSAD和RWD多呈顯著或極顯著相關，與0.5 mm0.9 mm的RSAD徑級指標多呈顯著相關，與0.5 mm

3 討論

本研究中，各處理改善土壤孔隙度和含水率的能力強弱為：“草類+PAM”>單植草類>單施PAM，其中機理可能為：PAM作為高分子化合物，含有大量的親水分基團如酰胺基等易形成氫鍵，在水合作用下形成網狀結構，吸附大量水分子，使土壤保持濕潤；另外，施加PAM的土壤其表面和剖面呈類蜂窩狀結構，增加土壤孔隙度的同時吸附大量水分，大幅提高土壤持水能力[24]。而狗牙根和三葉草須根較多，短時間內生長變化較快，在其生長過程中不斷延伸、交結、纏繞、穿插等，對周圍土壤顆粒產生擠壓或分割，改變根際土壤結構和大小，形成眾多微小孔隙，或待根系衰老或死亡后，由于根的收縮，亦會在土壤中留出一些孔隙[9]。PAM與草類組合配套，形成優勢互補，一方面PAM可通過改善土壤結構在草籽萌芽期間為其提供一個水分相對充足和適度疏松的生長環境，提高草籽發芽率，而草類在生長過程中其根系不斷增大增多，在土壤中穿行，逐漸形成優先水流和溶質運輸的連續性開放根孔系統[25]，促進土壤溶液中的PAM分子更加充分和深入地浸潤土壤，從而大大提高“草類+PAM”對土壤孔隙度和含水率的影響。

土壤微團聚體作為土壤最基本的結構顆粒單元，一般通過土體中有機-無機復合體多次多方式聚合而成，最終以不同粒級微團聚體的形式分布在土體內[14]。本研究發現，較之CK，各試驗處理均能夠增加1～0.25 mm、0.25～0.05 mm等較大微團聚體含量，減少小粒級范圍如0.002～0.001 mm和<0.001 mm的微團聚體含量，且1～0.25 mm和0.25～0.05 mm粒級范圍微團聚體與抗剪性能參數均呈極顯著相關，其他粒級范圍的團聚體與之多呈非顯著負相關，這和王晟強等[14]和員學鋒等[24]的研究結論類似。究其原因，可能是PAM由丙烯酰胺聚合而來，相對分子量極高，含有大量酰胺基，能夠將大量粒級較小的微團聚體凝聚成較大粒級微團聚體，并在吸水溶脹后充分舒展，通過水合作用形成網狀結構與土壤充分混合，以吸附、纏繞、包絡等方式將分散土粒凝聚成團粒[24]；其次，PAM能夠顯著增加土壤水分，使更多土壤顆粒表面離子進入土壤溶液中，提高了土壤溶液膠體屬性，促進較小團粒的沉降聚合；而狗牙根和三葉草根系通過分泌有機黏性物質吸收土壤溶液中的水分和養分的同時，利用化學方式膠結、聚集根際的微小顆粒，增加較大粒級團聚體數量；狗牙根和三葉草根系在生長和萎蔫過程中不斷擠壓、分解根際土粒，并由于根系初期生長較快，與根周土壤接觸面積短時間快速增加，摩擦亦增加，形成數量眾多的“微型攪拌棒”緩慢地“來回攪拌”周圍團粒，一定程度上促使其轉化為更大粒級的團聚體。

草類根系與土壤抗剪性能之間的關系歷來受到廣大學者的重視。本研究發現PAM與草類組合配套對土壤抗剪性能具有較大影響，優于單植草類和單施PAM。究其原因，土壤抗剪性能影響因子眾多，如含水率、土壤孔隙度、容重以及機械組成等[10-12]內在因素，不同根系指標、根系分布特征以及植物種類等[2,6,9]外在因素也起到重要作用。同樣的，本研究相關分析表明，根系指標與內摩擦角φ多呈顯著相關，與黏聚力c無顯著相關關系，某些根系指標與土壤物理性質指標亦存在顯著相關關系；自然含水率、總孔隙度、毛管孔隙度和某些粒級范圍(1～0.25 mm、0.25～0.05 mm)微團聚體與抗剪性能參數在P<0.01水平上均呈極顯著相關。可見，植物根系可直接對土壤抗剪性能產生影響，亦可通過改善土壤物理性質間接影響土壤抗剪性能，相對其他處理，“草類+PAM”處理在這兩方面均有優勢，顯然會對土壤抗剪性能產生更大影響。其中，本研究中雖然根系指標與內摩擦角φ和黏聚力c相關關系各異，但是不同處理類別(單施PAM、單植草類、“草類+PAM”)的內摩擦角φ分別平均提高了4.90%、37.12%、36.59%，黏聚力c分別平均提高了12.47%、69.47%、83.64%，各處理對黏聚力c的影響大于其對內摩擦角φ的影響，這與諶蕓等[9]的研究結論一致。

4 結論

1)各實驗處理均能明顯提高土壤自然含水率和孔隙度(總孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度)，“草類+PAM”對以上指標的影響最大，單植草類效果次之，單施PAM作用最小；根系各徑級中，徑級為d≤0.2 mm的RVD對土壤孔隙度的影響最突出。

2)總體上，液施PAM和栽植草類均能提高1～0.05 mm各粒級范圍微團聚體含量，降低<0.01 mm的各粒級范圍微團聚體含量，提高其通氣透水能力。

3)單植草類比單施PAM對提高土壤抗剪性能效果更佳，草類根系對土壤黏聚力c的影響較大于內摩擦角φ，各根系指標中RSAD與0.7 mm

4)液施PAM對草類根系生長有較明顯的促進作用，液施PAM能夠使狗牙根的根系總體指標值平均增大15.57%～53.16%，使三葉草的根系總體指標值平均增大23.02%～80.00%，有助于狗牙根、三葉草更好發揮其水土保持功能。

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