植物根系對三峽庫區消落帶紫色土崩解性能的影響

肖 海，夏振堯?，彭逗逗，張 倫，李銘怡，許文年1,，劉普靈

(1.三峽庫區生態環境教育部工程研究中心， 443002，湖北宜昌； 2.三峽庫區地質災害教育部重點實驗室， 443002，湖北宜昌； 3.三峽大學生物與制藥學院， 443002，湖北宜昌； 4.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國家重點實驗室， 712100，陜西楊凌)

崩解是指土壤在靜水中發生分散、碎裂、塌落或強度減弱的現象，也可用來反映土壤可蝕性[1]。相關研究表明，土壤黏粒含量、土壤被擾動情況、有機質含量、礦物成分、土壤脹縮性、pH值、土壤濕化速度和前期含水率、土壤密度等因素均對土壤崩解有較大的影響[2-4]。此外，植物通過根系與土壤形成根土復合體[5-6]，并分泌形成大量的膠結物質，可將原本松散的土壤顆粒膠結形成土壤團聚體，進而改變土壤結構[7]，也可顯著影響土壤抗崩解特性[8-9]。

三峽水庫冬季蓄水發電水位為175 m，夏季防洪水位降至145 m，其間30 m水位落差暴露出的土地就是消落帶。三峽庫區消落帶是三峽水庫生態系統健康、庫岸穩定和水庫安全運行的重要屏障帶。在夏季出露時集中分布的降雨徑流沖刷作用和常年的波浪作用下，消落帶土壤侵蝕非常劇烈[10]。Bao等[11]研究發現長江干流消落帶區域土壤侵蝕模數達到3萬2 383～6萬9 593 t/(km2·a)，平均侵蝕模數為5萬4 050 t/(km2·a)，其中波浪侵蝕占總侵蝕的70%以上[12]。波浪破碎時射流的擊濺、坡面回流沖刷等動力因子，造成消落帶坡面的泥沙顆粒的分散、輸移和沉積[13]。波浪對消落帶不斷侵蝕最終會在坡面形成一個含有臨空面+斜坡的特殊地段。而在水位上漲時，這一特殊地段勢必會受到庫水浸泡產生崩解。夏振堯等[4]研究了干密度、初始含水率和坡度對此特殊地段崩解的影響，而根系對此特殊地段崩解性能的影響并不清楚。

因此，筆者以三峽庫區消落帶常見的紫色土為研究對象，利用自制可調坡度的崩解裝置，研究植物根系對三峽庫區消落帶紫色土崩解性能的影響，以期深入理解消落帶土壤崩解過程，為三峽庫區消落帶植被恢復、水土治理及生態環境治理提供理論依據及決策支持。

1 材料與方法

1.1 試驗設計

紫色土是三峽庫區的主要耕作土壤，也是消落帶的主要土類，狗牙根(Cynodondactylon)是禾本科多年生草本，是三峽庫區消落帶經過多年的水位漲落的變化后自然恢復最為優勢的草種[14]；因此，本研究選擇紫色土和狗牙根作為研究對象。所用土壤采自宜昌市秭歸縣茅坪鎮，風干后過5 mm篩，剔除土壤中小石子及根系等雜質。經測定，所用土壤有機質為6.46 g/kg，pH值為6.5，含有黏粒(<0.002 mm)12.32%，粉粒(≥0.002～0.050 mm)43.32% 和砂粒(>0.050～2.000 mm)44.36%。

為研究植物對崩解性能的影響，本研究將過篩后的紫色土按照野外密度裝填于種植槽(長×寬×高為0.6 m×0.5 m×0.1 m)中，并在每個種植槽中均勻撒播4.5 g狗牙根種子，經過1年的生長后在表層取5 cm長×5 cm寬×5 cm高的試樣作為根系土樣(root sample, RS)用于崩解試驗。此外，另留有1個種植槽不播撒狗牙根種子，其他處理方式與其他種植槽一致，作為裸土對照(CK)。三峽消落帶按坡度可分為臺(階)岸(<15°)、灘坡岸(≥15°～25°)、陡坡岸(>25°～75°)和 崖岸(>75°)[15]，本研究設置了10°、20°和30° 共3 種坡度分別模擬臺(階)岸、灘坡岸和陡坡岸，研究坡度對崩解的影響。每種試驗條件下重復3次，累計共18次試驗。

本研究分別采用濕篩法、沉降法和重鉻酸鉀氧化外加熱法分別測定土壤團聚體穩定性、土壤顆粒機械組成和有機質含量[16]。

1.2 試驗裝置

本研究使用自制崩解裝置以進行靜水崩解試驗。自制崩解裝置主要由支撐構件、拉力計、坡度架以及水箱等組件構成(圖1)。通過調節坡度架形成不同坡度，并在坡度架最底部兩側安置抗滑樁以固定試樣。考慮到水位上漲后只有臨空面和坡面斜面會與水直接接觸，本研究將崩解試樣放入特制的鐵皮盒中，只有試塊頂面及右前面與水體接觸，其中頂面模擬消落帶坡面斜面(A面)，右前面為消落帶受波浪侵蝕后出現的臨空面(B面)。

1.拉力計； 2.掛鉤； 3.掛網線； 4.水箱； 5.試樣； 6.抗滑樁； 7.支撐平臺； 8.坡度架； 9.支架底座； 10.支架； A為模擬消落帶坡面斜面； B為模擬消落帶受波浪侵蝕后出現的臨空面。1.Tension meter. 2.Pothook. 3.Cables for hanging. 4.Cistern. 5.Sample. 6.Anti-slide screw. 7.Supporting platform. 8.Slope plane. 9.Base of support. 10.Support. A denotes the slope surface of the water-level fluctuation zone. B denotes the free surface of the water-level fluctuation zone after wave erosion. 圖1 崩解裝置及試樣示意圖Fig.1 Schematic representation of soil disintegration device and soil sample

1.3 試驗過程與數據收集

使用剪刀將試樣植被地上部分剪掉，對試樣進行飽和處理以消除前期含水率對試驗結果的影響。其次，將艾德堡HP-50數顯拉力計(測量精度0.01 N)數顯推拉力置零，將飽和試樣緩緩放置于預設坡度架上，試樣完全浸沒在水中開始計時。試驗時長為30 min，如果在30 min內完全崩解，按具體崩解的時間計算。試驗過程中每min均讀取拉力計以記錄試樣質量變化，分別使用文獻[3]中公式計算累計崩解量及崩解速度。

筆者采用崩解減少量和崩解減少率評估根系對土壤崩解的影響，計算式分別為：

RAS=(BACKS-BARSS)；

(1)

RRS=(BACKS-BARSS)/BACKS×100%。

(2)

式中：RAS為S坡度時植物根系造成的崩解減少量，g；BACKS為S坡度時裸坡對照樣的次試驗累積崩解量，g；BARSS為S坡度時含根系土樣的次試驗累積崩解量，g；RRS為植物根系造成的崩解減少率，%。RAS和RRS越大，表示植物根系對崩解的影響程度越大。

團聚體穩定性采用平均質量直徑(mean weight diameter，MWD)表示，MWD越大，表示土壤團聚體越穩定，能夠抵抗濕篩過程中的破壞作用更強。計算式為

(3)

1.4 數據處理

采用Excel和SPSS21軟件進行數據處理及相關性分析，運用LSD進行多重比較，顯著水平為P<0.05。

2 結果與分析

2.1 不同坡度下根系對崩解過程的影響

RS表示含根系土樣，CK表示裸土對照, 下同。RS denotes the sample with root，and CK denotes the sample without root for control. The same below. 圖2 累計崩解量和崩解速率隨崩解時間變化過程Fig.2 Variation of cumulative soil disintegration and soil disintegration rate as a function of disintegration duration

隨著崩解時間的增加，2種處理模式CK和RS下累計崩解量均呈現在前6 min先快速增加之后緩慢增加并趨于平穩的趨勢(圖2(a)、(c)和(e))，這與王健等[3]研究黃土崩解呈現土壤吸水緩慢崩解階段、指數崩解階段、崩解完成階段3個崩解階段有所不同。王健等[3]研究中土壤含水率較低，水分在崩解前期會進入試樣增加質量基本抵消崩落的土壤質量，而本研究試樣為飽和樣，試驗過程中基本不會有此吸水過程，因此沒有出現前期土壤吸水緩慢崩解階段。試驗現象表面崩解先從試樣底部產生一些顆粒狀、塊狀崩解，掏空試樣底部，在水分浸泡作用下土壤內部的膠結鍵在水分浸潤作用下削弱或斷裂，試樣頂部出現明顯裂縫，并在重力作用下土壤迅速崩解造成土壤累計崩解快速增加，最后試樣會形成一個相對穩定的傾斜面累計崩解量緩慢增加并趨于平穩。

2種處理模式下崩解速率隨崩解時間的增加呈現不同的變化趨勢(圖2(b)、(d)和(f))。CK處理模式下崩解速率隨崩解時間的增加總體呈現先快速減小后趨于波動穩定的趨勢而RS處理模式下崩解速率則顯現前期以較大的崩解速率而后期以較小的崩解速率波動穩定的規律。崩解過程中出現大塊土壤塌落造成CK和RS 2種處理模式下崩解過程均會出現一定的波動。整體來說， RS處理模式下比CK處理模式的累計崩解量和崩解速率在整個崩解過程中均要大，這表明植物根系能夠有效減緩整個崩解過程。

坡度增加加大重力作用對崩解過程的影響，因而造成CK和RS 2種處理模式在各時間段的累計崩解量均有所增加。坡度主要影響前期崩解速率，后期各坡度下崩解速率均較小，受到坡度的影響也不明顯。在10°、20°和30°坡度下，CK和RS處理模式下最大崩解速率分別為9.87、14.27和18.97 g/s及3.20、4.76和6.53 g/s，這表明坡度增加會大幅度增加最大崩解速率。

2.2 不同坡度下根系對崩解的影響

RS處理均能夠顯著降低總崩解量和崩解速率，隨著坡度增加，CK和RS模式下的總崩解量和平均崩解速度均呈現增加的趨勢(表1)。這與坡度增加，試樣的臨空面和坡面斜面的坡度均增加，因此試樣土壤受到重力作用更強，增加脫離試樣的可能性，造成更多崩解有關。在相同處理模式下，隨著坡度增加，30°坡度下CK模式的總崩解量和崩解速度是10°坡度的1.90倍而RS模式下30°坡度的總崩解量和崩解速度是10°坡度的2.32倍，這表明坡度對根系土樣的影響更大。

表1 不同坡度下2種處理模式的總崩解量和平均崩解速率Tab.1 Total soil disintegration and average disintegration rate for 2 simulations under different slope gradient

注：不同字母表示不同處理模式下0.05 水平差異顯著。Notes：Different letters in the same column refer to significant difference between two simulations at 0.05 level.

在10°、20°和30°坡度下，CK模式的總崩解量和平均崩解速度分別是RS模式下的2.47、2.58和2.02倍，這表明在坡度為中低坡度(10°和20°)時植物根系對崩解的影響較大，而在高坡度(30°)時植物根系對崩解的影響減小，這與崩解同時受到坡度和植物根系兩方面的作用有關：坡度增加導致崩解可能性增加，而植物根系則通過自身作用，減少崩解的可能性；在坡度較小時，植物根系能夠更有效的減少土壤崩解，而坡度較高時，重力作用增加消弱了植物根系作用。

2.3 根系對土壤抵抗崩解作用的分析

與CK處理模式相比，本研究中植物根系能夠降低50%以上的崩解量，其中在中低坡度(10°和20°)時，植物根系能夠降低約60%(表2)，這表明植物根系能夠有效減緩崩解的發生。植物根系能夠通過根系的纏繞、穿插、加筋等作用在土壤表層形成根系網絡，為土粒提供了較好的整體網羅作用，增加了土壤顆粒間結合力[10]。此外，植物在生長過程中能夠提高土壤有機質含量，根系分泌膠結物質并增加土壤微生物，這都可以將松散的土壤顆粒膠結形成土壤團聚體，進而改變土壤結構[7]。濕篩結果(表3)表明：植物的存在能夠顯著提高>3 mm的水穩團聚體含量，相應<2 mm的團聚體含量則顯著減小。此外，與CK處理模式相比，RS處理模式中下顯著增加了團聚體平均質量直徑，植物根系能夠顯著提高團聚體穩定性。

表2 根系對不同坡度下崩解減少量和降低率Tab.2 Reduction amount and rate of disintegration by the root under different slope gradient

表3 2種處理模式下濕篩團聚體分布及其平均質量直徑Tab.3 Size distribution of water-stable aggregates and the related mean weight diameter under 2 simulations

注：不同字母表示不同處理模式下0.05 水平差異顯著。Notes：Different letters in the same column mean significant difference between two simulations at 0.05 level. MWD: Mean weight diameter.

3 結論

1)植物根系對累計崩解量變化規律影響不大，但對崩解速率變化規律存在一定影響。植物根系能夠顯著減小各時段的累計崩解量和前期崩解速率。

2)植物能夠顯著增加了團聚體平均質量直徑，植物根系能夠顯著提高團聚體穩定性。

3)植物根系能夠有效減緩崩解的發生，與裸土對照相比，植物根系能夠降低50%以上的崩解量。