3種草本植物根系對土壤抗蝕特性的響應

程 諒，占海歌，郭忠錄

（1. 華中農業大學水土保持研究中心，湖北 武漢 430070；2. 湖北方源東力電力科學研究有限公司，湖北 武漢 430062）

土壤侵蝕指的是土壤顆粒的分離、搬運和沉積，自然環境中的侵蝕速率通常很慢，但是由于人類活動引起的土地利用變化會加快土壤侵蝕速率[1]，一般情況下，在丘陵地區水土流失較嚴重的地區，地表水流是導致土壤侵蝕的主要原因，而水流侵蝕是指土壤顆粒在集中水流作用下發生剝離和位移，導致細溝和溝渠的發育[2]。植被恢復是農業區控制土壤侵蝕最重要且最有效的措施，但是在許多熱帶亞熱帶地區(特別是在嚴重侵蝕的地區)，植被恢復還是存在著許多問題[3]。植被對土壤侵蝕過程的影響主要涉及侵蝕動力和土壤抗蝕能力兩個方面：植被地上部分如冠層、枯落物和生物結皮等具有攔截降雨、涵養水源、增加入滲、增強土壤水分的蒸發、增加地表腐殖質等作用，影響到土壤理化性質，改善土壤質量，以減少土壤侵蝕[4-5]；地下根系通過與土壤顆粒的纏繞作用來固結土壤，以增強土壤抗侵蝕性能，是穩定邊坡和控制土壤侵蝕至關重要的因素，另外還可通過死根與活根的生物化學過程影響到土壤性質[5]。目前大量研究都集中于地上部分[3]，事實上植被控制土壤侵蝕是其地上、地下部分綜合作用的結果，地下根系對控制集中水流侵蝕也具有重要作用[4]，但由于根系隱蔽性及在土壤中分布的復雜性，較地上部分研究相對困難，研究工作進展相對緩慢[6-7]。

植物根系可顯著增強土壤結構穩定性以及土壤抗沖性而減小土壤侵蝕，其作用往往是要明顯強于植被地上部分[8-9]，有研究[10]指出霜凍期后作物根系對控制集中水流的侵蝕具有重要的作用，Zhang等[11]針對兩種草類根系對溝蝕的作用效果研究指出隨著根密度的增加，細溝可蝕性下降，這是由于植物根系的纏繞作用可以提升土壤孔隙度，增加土壤入滲速率，從而控制了地表徑流的形成[12]。另外，根系作為改善土壤侵蝕環境最重要的因素，在土壤侵蝕預報中也受到越來越多的關注[7, 9]，Gyssels 等[13]將根系作為 WEPP(water erosion predication project)模型中的參數與土壤侵蝕相關聯，指出WEPP可很好地預測根系對細溝侵蝕的作用。

研究區位于我國南方紅壤丘陵區，由于頻繁的夏季暴雨、陡峭的丘陵地形、長期不合理的土地開發利用，導致土壤侵蝕退化嚴重，是南方水土流失最為嚴重的區域[14]。植被以及土壤性質與土壤侵蝕的關系是近些年國內外學者研究較多的領域之一，但在南方紅壤區的相關研究較薄弱。目前已有較多研究提出了土壤性質及水力特性與土壤分離能力的關系，王軍光等[15]通過研究8種典型紅壤在集中水流中的分離速率提出了不同破壞機制下團聚體穩定性特征參數預測土壤細溝侵蝕速率的預測方程，還有研究[16]指出相較于雷諾數和阻力系數等水動力學參數，平均流速是預測土壤分離能力的最佳參數，但都較少提出根系與土壤分離能力的關系，因此研究南方紅壤區草本植物根系對抗侵蝕特征的作用具有重要意義。本研究選取南方紅壤區3種根系發達以及開發建設項目中常用的草本植物香根草(Vetiveria zizanioides)、白三葉(Trifolium repens)和黑麥草(Lolium perenne)，研究其根土復合體的根系特征以及在集中水流作用下的抗蝕特征，分析比較3種草類根系對土壤抗沖性的影響，利用WEPP模型細溝侵蝕預測方程定量描述根系特征與土壤分離能力之間的關系，旨在為該地區植被恢復和建設提供理論依據，同時為開發建設項目水土保持提供科學指導。

1 材料與方法

1.1 研究區及草本植物概況

研究地點位于湖北省武漢市華中農業大學和咸寧市賀勝橋鎮。華中農業大學位于武漢市東南部(30°29′ N，114°22′ E)，該區域屬亞熱帶季風濕潤氣候區，年均溫約16.9 ℃，年平均降水量約1 260 mm，且主要集中在4-8月，區域內土壤類型為黃棕壤。賀 勝 橋 鎮 位 于 咸 寧 市 咸 安 區 (29°40-30°02' N，114°15'-114°35' E)，該區域屬熱帶大陸性季風濕潤氣候區，年平均氣溫16.8 ℃，年均降水量1 577 mm，區域土壤類型主要有紅壤和紅壤性水稻土。

本研究選取湖北省野外較常見的黃棕壤草地和泥質頁巖發育的紅壤草地，草地內3種草本植物為香根草、白三葉和黑麥草。香根草的生物量大，根系發達，力學特性優良，抗逆性強，相較于其他兩種植物細根系較少；白三葉根系較細，分枝多，生長迅速，適應性抗逆性強；黑麥草細根量大，生長速度快，分蘗能力強。3種草本植物都是水土保持研究常用草種，3種草本植物于2013年春季在研究區野外種植恢復，生長期均為3年左右。在試驗樣品采集的同時調查研究區內3種植物基本特性(表1)，由于白三葉與黑麥草分蘗較多，因此未調查其密度。

表1 研究區內試驗草本植物特征Table 1 Characteristics of tested herbs in the study area

1.2 根土復合體樣品采集

根土復合體試驗樣品于2016年3-5月份采集，在野外選擇合適的區域后隨機取樣，采樣深度為0-10 cm，根土復合體樣品為直徑14 cm、高10 cm的圓柱體。采樣前先清除地表草本以及覆蓋物，采樣時，將取樣環刀(內徑14 cm，高10 cm)完全插入土壤中，挖出環刀后慢慢削除環刀兩端多余的土壤，密封后小心運輸回實驗室，避免破壞根土復合體。然后進行預處理，將原狀根土復合體置于水中吸收飽和水分，之后取出放置24 h恢 復 至 自 然 含 水 狀 態[1, 3, 15]， 再 進 行 沖 刷 試 驗 。 共取6種處理和兩種裸地對照(CK)：黃棕壤香根草根土復合體、黃棕壤白三葉根土復合體、黃棕壤黑麥草根土復合體、黃棕壤裸地對照、紅壤香根草根土復合體、紅壤白三葉根土復合體、紅壤黑麥草根土復合體、紅壤裸地對照。每種處理取樣9個。

同時在試驗樣點分別取兩類土壤中3種草地以及對照裸地的表層(0-10 cm)土壤，測定其基本理化性質(表2)，采用常規方法測定土壤理化性質[17]，采用吸管法測定機械組成(砂粒，0.05～2 mm；粉粒，0.002～0.05 mm；黏粒，＜ 0.002 mm)，采用 LB法中的快速濕潤法測定水穩性團聚體，采用環刀法測定容重，采用重鉻酸鉀氧化-外加熱法測定有機質，采用電位法測定pH。

1.3 沖刷試驗方法

使用可變坡度水槽系統(長4.00 m，寬0.20 m，高0.20 m，環刀內徑14 cm)測定土壤分離能力(圖1)。試驗設計 3 種坡度和流量組合：5°和 0.4 L·s-1，15°和 0.8 L·s-1，25°和 1.2 L·s-1，設置不同坡度與流量組合是為了模擬不同水流剪切力，根據公式(1)和(2)計算得出對應水流剪切力分別為2.41、9.31、15.04 Pa，水流剪切力的范圍選擇參照耿曉東[18]關于南方紅壤坡面臨界水流剪切力的研究結論及Baets等[4]的研究，每種處理在不同水流剪切力下做3次重復。

將根土復合體樣品置于水槽底部出口處的圓柱形槽子中，之后開始沖刷試驗，沖刷持續2 min，使用集流桶接泥沙樣。隨后將泥沙樣靜止放置一段時間，倒去上清液并使用濾紙過濾，在 105 ℃下烘干之后稱重得泥沙分離干重。同時使用高錳酸鉀染色法測定坡面表面水流流速。

根據流量計算坡面水流水深，計算公式：

式中：H為徑流水深(m)；Q為流量(m3·s-1)；v為流速(m·s-1)；B為水槽寬度(m)。

根據設置坡度計算水流剪切力，計算公式：

表2 供試土壤基本情況Table 2 Basic physico-chemical properties of the test soil

圖1 沖刷試驗裝置示意圖Figure 1 Diagram of scouring experiment device

式中：τ為水流剪切力(Pa)；ρ為水的密度(kg·m-3)；S為坡度正弦值。

相對泥沙分離量 (Relative splash detachment, RSD)計算公式：

式中：RSD為相對泥沙分離量；MT為處理泥沙分離干重(g)；MCK為對照泥沙分離干重(g)。

土 壤 分 離 能 力 (Soil detachment capacity, Dc)計算公式：

式中：Dc為土壤分離能力 [g·(m2·s)-1]；Mc為泥沙分離干重(g)；A為環刀面積(m2)；t為沖刷歷時(s)。

使用WEPP模型方程計算土壤細溝可蝕性，公式：

式中：Kr為土壤細溝可蝕性(s·m-1)，代入Dc和τ，擬合線性方程，其斜率即為Kr；τ0為臨界水流剪切力(Pa)。

1.4 植物根系參數測定方法

將沖刷后的根土復合體置于0.01 mm孔徑的土壤篩上小心沖洗，洗出所有根系(死根 + 活根)，再采用Epson掃描儀對根系進行灰度掃描(400 dpi)，利用WinRHIZO 2000分析軟件分析掃描圖像，之后將已掃描的根系在105 ℃下烘干后稱重，獲得根系參數包括總根長、總體積、平均直徑以及烘干根總重等，再根據這些參數進行以下計算。

根長密度 (root length density, RLD)是根系總長度除以根土復合體樣本的體積[4]，計算公式：

式中：RLD為根長密度 (km·m-3)；L為總根長(km)；V為環刀容積(m3)。

根重密度 (root mass density, RMD)計算公式：

式中：RMD為根重密度(kg·m-3)；Mr為烘干根總重(kg)。

根面積比 (root area ratio, RAR)為剪切面上所有根系截面積之和與土體截面積之比[4]，計算公式：

式中：RAR為根面積比；RCSA為平均單根橫截面積(m2)。

將試驗結果通過回歸分析得到根長密度RLD與兩種土壤的根土復合體細溝可蝕性Kr的預測方程，公式：

式中：a和b為回歸參數。

1.5 數據分析

采用 Origin 2017 和 Excel 2017 軟件進行圖表繪制；采用SPSS 21.0軟件進行成對樣本t檢驗分析不同植物之間土壤細溝可蝕性的差異，對不同處理的根系參數與相對泥沙分離量進行Pearson相關性分析，對相同剪切力下不同處理的根系參數進行單因素方差分析；使用非線性回歸方程確定土壤分離能力與根系參數的量化關系。

2 結果與分析

2.1 土壤分離能力和泥沙分離量

相同剪切力下3種草本植物的Dc均要顯著(P＜0.05)小于CK，并且6個處理在3種水流剪切力作用下，RSD均小于0.70(RSD ＜ 1，說明根土復合體處理抗侵蝕性能強于裸地對照)，Dc和RSD在同一水流剪切力下均表現為：香根草 ＜ 白三葉 ＜ 黑麥草，且具有顯著差異性(P＜0.05)，在兩種土壤中CK的Dc分別為香根草、白三葉和黑麥草的2.85～3.07倍、2.06～2.37倍和1.43～1.56倍，黑麥草的RSD為香根草的2倍左右，而香根草和白三葉的差距較小。在同一處理中，兩種土壤根土復合體Dc隨水流剪切力的增大而增大，其中黃棕壤黑麥草根土復合體增長率最小，紅壤白三葉根土復合體增長率最大，而RSD隨水流剪切力的增大變化不大，處于相對平衡的狀態(圖2)。

2.2 RSD與根系參數的關系

在兩種土壤中，香根草的RLD、RMD以及RAR都要顯著高于白三葉和黑麥草(P＜0.05)，白三葉的RLD顯著高于黑麥草的(P＜0.05)，但RMD和RAR在二者之間差異不顯著(P ＞ 0.05)。兩種土壤間的根系參數差距不大，總體表現為黃棕壤 ＞紅壤 (圖 3)。

在3種水流剪切力下，RSD與RLD、RMD和RAR相關性較好，RSD與Stotal在水流剪切力為9.31 和 15.04 Pa時分別具有顯著 (P＜0.05)和極顯著 (P＜0.01)相關性，2.41 Pa 時無相關性 (P ＞ 0.05)，而與Dmean在3種水流剪切力下都無相關性。故選擇RLD、RMD和RAR作為代表性參數表征根系的作用 (圖 4)。

圖2 不同水流剪切力下土壤分離能力和泥沙參數Figure 2 Soil detachment capacity and sediment parameters under different flow shear stress

圖3 不同根土復合體根系參數Figure 3 Parameters of roots in different soil-root composite samples

在兩種土壤中，RLD、RMD與RAR之間呈極顯著正相關關系 (P＜0.01)，RSD 與 RLD、RMD 和RAR均呈極顯著負相關關系(P＜0.01)，且RSD與RLD相關性系數(≥ 0.78)在兩種土壤中均為最大，而 RMD(≥ 0.64)和 RAR(≥ 0.64)次之，說明RLD是影響2種土壤根土復合體可蝕性最重要因素，因此再對RLD做進一步分析(表3)。

圖4 不同水流剪切力下RSD與根系參數相關性Figure 4 Correlation between RSD and parameters of roots under different flow shear stress

表3 不同根土復合體RSD與根系參數相關性Table 3 Correlation between RSD and parameters of roots in different soil-root composite samples

白三葉和黑麥草的根系主要集中在0～1.0 mm徑級內，占比為44.71%～69.79%，而香根草細根系較少，主要集中于 ＞ 2 mm徑級內，占比為42.94%～45.40%。在 0～0.5 mm 以及 0.5～1.0 mm徑級，兩種土壤中香根草根長百分比均顯著低于白三葉和黑麥草 (P＜0.05)，在直徑 1.0～2.0 mm 的區間內3種植物的差異不大，在直徑 ＞ 2.0 mm區間則表現為香根草 ＞ 白三葉 ＞ 黑麥草，且具有顯著性差異 (P＜0.05)。結合圖 3根長密度參數計算，兩種土壤內 0～0.5 mm以及 0.5～1.0 mm徑級根長密度均表現為香根草 ＞ 白三葉 ＞ 黑麥草 (圖 5)。通過相關性分析，RSD與0～0.5 mm和0.5～1.0 mm根長百分比極顯著相關 (P＜0.01)，其中 0.5～1.0 mm根長百分比的相關系數(0.85)最大，RSD與1.0～1.5 mm 和 ＞ 2.0 mm 徑級的根長百分比無顯著相關性 (P ＞ 0.05)。

2.3 土壤細溝可蝕性(Kr)分析

圖5 各徑級根長百分比Figure 5 Percentage of root length in each diameter

在兩種土壤中3種草本類型的根土復合體土壤細溝可蝕性均表現為香根草 ＜ 白三葉 ＜ 黑麥草，黃棕壤中香根草和白三葉根土復合體細溝可蝕性分別比黑麥草低56%和50%，在紅壤中分別低50%和29%，因此3種草本植物在兩種土壤中抗侵蝕性能均表現為香根草 ＞ 白三葉 ＞ 黑麥草。植物根系對兩種土壤根土復合體作用效果差異均不大(圖 6)。

圖6 不同根土復合體土壤細溝可蝕性Figure 6 Soil rill erodibility in different soil-root composite samples

2.4 建立根系預測土壤分離能力模型

將土壤細溝可蝕性試驗結果與方程(5)和(9)結合進行回歸分析，得出RLD與兩種土壤根土復合體Dc的預測方程和決定系數(圖7)。

由關系式可知RLD能解釋兩種土壤根土復合體細溝可蝕性93.0%和94.8%的變量，表明RLD可較好地模擬Dc的變化。將上述關系式的預測值與試驗中的實測值進行比較，結果顯示擬合度很高，該方程能較為準確地預測兩種土壤根土復合體在不同水流剪切力下的土壤分離能力(圖7)。

圖7 土壤分離能力預測值與實測值比較Figure 7 Predicted soil detachment capacity versus measured values

3 討論

3.1 根系對不同草地抗侵蝕性能的影響機制

植被可通過地表覆蓋攔截降雨、增加土壤肥力與水分入滲、攔截地表徑流以及根系固持土壤，改良土壤性狀來減少水土流失，除了通過地下根系的作用降低土壤的可蝕性外，植被還會通過土壤水分的變化來影響土壤抗侵蝕能力[19]。在本研究中，3種草本植物根系均能有效增強兩種土壤的抗侵蝕性能，根系通過在土體中的交叉穿插在淺層土壤中形成穩定的根系網絡，增強土壤抵抗徑流沖刷的能力[20]，另外根系還可通過根際分泌物的生物和化學作用來改善土壤質量，最主要的表現是通過各種過程提升土壤團聚體穩定性和有機質含量，這是改善土體構型的關鍵因素，可增強土壤抗侵蝕能力[13]。

本研究對根系參數進行分析發現，根長密度是提升土壤抗侵蝕性能最重要的因子，根長密度可以較好地模擬土壤細溝可蝕性的變化(R2≥ 0.930)，這與Gyssels等[13]、Zhang等[11]研究結論一致。徐少君和曾波[21]針對5種耐水淹植物的研究發現土壤抗蝕性的增強系數、抗沖性增強值與根長密度之間均呈極顯著的線性關系，其中植物本身發達的根量是關鍵，根長密度是反映根系的纏繞和穿插能力的關鍵指標[22]。本研究3種植物都具有較大的根長密度，能有效地形成固土網絡，提升了根土復合體的抗沖性與抗剪性能，可有效降低土壤細溝可蝕性。其中，不同植物中直徑小于1.0 mm根系百分比含量都為最高，其對根土復合體泥沙分離能力作用明顯，能極顯著(P＜0.01)提升土壤抗侵蝕性能，這與Li等[9]、Gyssels等[13]相關的研究結論一致。根系主要是通過增加黏聚力來幫助提升土壤力學性能[23]，土壤顆粒的粘結性能往往受到細根系的影響，這種性能促進了土壤團聚體的形成[24-25]；一般認為直徑小于3.0 mm的細根比粗根更重要，尤其是在水蝕過程中，細根的根網絡控制水蝕最為有效[13]，也有研究[26-27]指出直徑小于1.0 mm的細根系會表現出很強的抗拉能力，細根系由于具有更大的表面積，所以與土壤之間的接觸面積會更大，這是提高土壤抗剪強度的關鍵，使土體足以抵抗徑流的沖刷作用；另外，細根通過與菌根和真菌的相互作用產生滲出物和結合劑，可幫助提升土壤有機質含量以及土壤大顆粒團聚體的形成[28]，而土壤團聚體穩定性是提升土壤抗侵蝕能力以及土體結構穩定性的關鍵[24]。

不同植物根系增強土壤抗侵蝕能力表現為香根草 ＞ 白三葉 ＞ 黑麥草，這是由于香根草速生快長、生物量大、根系發達，具有優良的力學特性，而白三葉與黑麥草根系較細，生長速度快，分蘗能力強，因此其直徑小于1.0 mm的細根系根長百分比較高，但是香根草的根長密度和直徑小于1.0 mm的細根系根長密度則更大，使得根系與土壤間的接觸面積提升，固結土壤能力強，增強了根土復合體抗侵蝕性能，香根草是區域內更為理想的水土保持植物，這與前人關于香根草的固土護坡效益的研究結果相似[29-30]。

3.2 根系對不同類型土壤抗侵蝕性能增強效應

研究結果表明，3種植物根系對兩類土壤抗侵蝕性能均有增強效應，其效果存在差異但差異不大，但在總體上黃棕壤較紅壤更容易被侵蝕，這是由于根土復合體是一個復雜的系統，其土壤可蝕性除植物根系的影響外，也受到土壤自身性質，如土壤類型、土壤粘結力、容重、質地、有機質、土壤含水量、團聚體等的影響[31]，這與李強[32]針對紫花苜蓿(Medicago sativa)根系與沙黃土和黃綿土抗沖性的研究結論相似。Wynn等[19]研究指出，土壤容重可能是影響土壤分離能力最重要的土壤參數，容重的增加會導致土壤可蝕性降低，因為容重綜合了土壤理化性質、根密度和土壤有機質含量等多種土壤特性，也有研究[33]指出，土壤粘聚力隨著沙粒含量的增加而降低，而土壤細溝可蝕性與砂粒和粘粒極顯著正相關(P＜0.01)，本研究中兩種土壤的土壤分離能力的差異與土壤自身理化性質有關，還需進一步研究。

4 結論

根系的存在是提升土壤抗侵蝕性能的關鍵，根長密度是影響土壤細溝可蝕性最為關鍵的根系參數，其可較好預測(R2≥ 0.930)兩種土壤根土復合體的分離能力，其中直徑小于1.0 mm的細根系提升土壤抗侵蝕性效果最為顯著(P＜0.01)。

本研究選取的3種草本植物中，香根草相較于其他兩種草類具有更為發達的地下根系，根系參數更優，而白三葉與黑麥草的根系參數較為接近。根據對其根土復合體抗侵蝕性的探討，3種草本植物都能較好地提升土壤抗侵蝕性能，其效果表現為香根草 ＞ 白三葉 ＞ 黑麥草。由此可知，香根草在區域內水土保持工程中是一種更為優良的固土護坡草類。3種植物根系對兩類土壤抗侵蝕性能均有增強效應，效果不一，而根據細溝可蝕性模擬方程中的臨界剪切力發現，區域內黃棕壤較紅壤更容易被侵蝕，其作用機理還需進一步研究。