5种护坡植物根系土壤抗侵蚀性比较1)

2013-08-08陈玉霞潘晓星穆立蔷

东北林业大学学报 2013年9期

宋坤陈玉霞潘晓星穆立蔷

(东北林业大学，哈尔滨，150040) (哈尔滨市园林科学研究所) (东北林业大学)

齐泰公路路基边坡表层土壤多为粉砂土，公路沿线降水集中，因此，极易造成滑坡及路基水土流失。研究表明［1－5］，植被对固定易发生浅层滑坡的边坡表面具有巨大作用，植物根系建立的地下网络能够影响触发滑坡的水压从而保护边坡。在植被护坡过程中，根系对稳固坡体、防止滑坡和崩塌起重要作用，同时对提高坡面表土抗侵蚀性也起着举足轻重的作用［6］。试验中选取的植物均为优良的抗旱固沙灌木［7－11］，经过了一定的推广和应用。因此，开展粉砂土条件下路基边坡护坡植物土壤抗侵蚀研究具有重要的现实意义。研究揭示了根系特征与土壤抗侵蚀能力之间的关系，为特定地区水土保持工作中的物种选择和配置提供一定理论依据。

1 试验地概况

试验地设在黑龙江省齐泰公路路基边坡，年平均气温3.9℃，平均降水量低于400 mm，为省内最低，属严重春旱区，地表层土壤多以粉砂土为主。

2 材料与方法

根系的分类与生物量测定:将抗冲性及抗蚀性试验后的灌木根系在0.5 mm细筛网中反复冲洗，获取干净的植株根。根据前人研究及实际情况确定根系直径为 φ≤1 mm、1 mm＜φ≤3 mm、φ＞3 mm 3个级别［12］。在80℃恒温烘干至恒质量，测其生物量。

土壤抗冲性测定:采用改进的原状土冲刷水槽测试法，抗冲刷水槽的坡度设为 15°、30°、45°，出水量分为大(2 L·min－1)、小(0.5 L·min－1)2 种，冲刷历时10 min［13］。自制20 cm×18 cm×10 cm 的取土器，取样时剪掉植株地上部分，从土表开始，用取土器分上下两层(每层约10 cm)分别取含有根系的原状土，做3次重复。冲刷前先将取土器及原状土放入水盆中(水面不能没过土壤表面)，使土壤吸水至饱和，取出后先静置去除重力水，直至无明显滴水现象，称量后放入冲刷槽内开始冲刷，冲刷结束后先静置去除重力水然后再次称量，两次称量结果差值记为冲走土壤的质量［14］。采用在出水流速一定的情况下，冲走1 g土壤所需的水量Q来表示土壤抗冲性。土壤抗冲性计算公式为:C=Q/ΔW。式中:C为土壤抗冲指数(L·g－1);Q为冲刷水量(L);ΔW为冲走土壤质量(g)。

土壤抗蚀性测定:采用静水崩解法测定土壤抗蚀性［15］。每种灌木取上、下两层土(每层约10 cm)，做3次重复。土壤阴干后过5 mm口径筛。取直径大于5 mm的土粒，用5 mm孔径筛选取直径5～7 mm的土壤团粒体150粒，进行水浸试验，每次30粒，做5次重复，取平均值。每隔1 min记录崩塌的土粒数，连续记录10 min，然后计算抗蚀指数。抗蚀指数=((总土粒数–崩塌土粒)/土粒总数)×100%。

土壤有机质质量分数的测定:土壤取自植物根部，每种植物选择3株，混合土样，带回实验室将其风干并磨细，过2 mm筛网。采用外加热—重铬酸钾容量法测定。

相关分析用SPSS19.0运算，其他部分图表计算用Microsoft Excel实现。

3 结果与分析

3.1 土壤抗冲性与根系分布特征的关系

在土壤抗冲性试验中，5种灌木根系生物量集中分布在0～20 cm深的土层内。5种灌木根系生物量随土层深度增加而减小(表1)。在土壤的上层(0≤H(土壤深)＜10 cm)，根系生物量从大到小依次是柽柳、紫穗槐、杨柴、沙棘、小叶锦鸡儿;在土壤下层(10 cm≤H＜20 cm)，根系生物量从大到小依次是柽柳、紫穗槐、小叶锦鸡儿、杨柴、沙棘。

表1 土壤抗冲性试验5种灌木根系生物量

5种灌木3个径级的根系生物量随土层深度增加呈减小趋势，小叶锦鸡儿φ≤1 mm和1 mm＜φ≤3 mm的根系生物量除外(表2)。

同时，我们可以对减排量进行换算，得到相应的减排率，经过边际减排成本曲线的积分，可得到在减排率下碳关税政策的减排成本曲线，如图7所示。由图7可知，减排成本随着减排率的增加而增大。究其原因，主要是因为碳关税的征收直接影响进出口贸易结构，使得进出口贸易量都不同程度地下降，从而影响国内企业的生产结构和生产成本，进而使碳成本增大，减排成本也相应增大。例如，当减排率分别为1.25%、1.45%和1.65%时，2018年减排成本分别为2 310.9亿元、3098.7亿元和3928.2亿元。

表2 土壤抗冲性试验5种灌木不同径级根系生物量

灌木根系对土壤抗冲性有较强的增强作用(表3)。5种灌木根系对土壤抗冲性的增强作用随土层深度增加呈下降趋势，小叶锦鸡儿除外，但小叶锦鸡儿上层与下层土壤抗冲指数差别很小。

表3 5种灌木土壤抗冲指数

在土壤上层，不同灌木土壤抗冲性由大到小的顺序为:紫穗槐、柽柳、沙棘、杨柴、小叶锦鸡儿;在土壤下层，不同灌木土壤抗冲性由大到小的顺序为:紫穗槐、柽柳、沙棘、小叶锦鸡儿、杨柴。

总体来说，5种灌木根系对土壤抗冲性的增强效应随土层增加而减小。紫穗槐、柽柳根系对土壤抗冲性增强效应比较强，沙棘次之，杨柴和小叶锦鸡儿较弱，5种灌木对土壤抗冲性增强效应的大小依次为紫穗槐、柽柳、沙棘、杨柴、小叶锦鸡儿。此外，随坡度增大，5种灌木根系对土壤抗冲性的增强效应逐渐减弱，而在不同雨量下则没有呈现出一定的规律。

由相关分析得知，抗冲指数和根系生物量呈显著的正相关关系(r=0.732*，n=10)(图1)，抗冲指数和φ≤1 mm根系生物量呈显著的正相关关系(r=0.862＊＊，n=10)(图2)，抗冲指数和 1 mm＜φ≤3 mm根系生物量也呈显著的正相关关系(r=0.829＊＊，n=10)(图3)。

图1 抗冲指数与根系生物量的相关性

图2 抗冲指数与φ≤1 mm根系生物量的相关性

图3 抗冲指数与1 mm＜φ≤3 mm根系生物量的相关性

3.2 土壤抗蚀性与根系分布特征的关系

在土壤抗蚀性试验中，5种灌木根系生物量集中分布在0～20 cm深的土层内。5种灌木根系生物量表现出随土层深度增加而减小的趋势，而且上层根系生物量远远大于下层(表4)。

表4 5种灌木土壤抗蚀性根系生物量

在土壤上、下层，柽柳的根系生物量都是最大的，紫穗槐次之，其他灌木根系生物量大小顺序随土层不同，有所不同。

5种灌木3个径级的根系生物量随土层深度增加呈减小趋势，沙棘φ≤1 mm和紫穗槐1 mm＜φ≤3 mm根系生物量除外，但是上、下层差别不大(表5)。

表5 土壤抗蚀性试验5种灌木不同径级根系生物量

抗蚀指数是土壤抗蚀性能的内在指标，采用静水崩解法获得，能够检验水土保持物种的土壤抗蚀性能的强弱。通过统计软件SPSS曲线拟合不同灌木根系土粒抗蚀指数(S)随浸水时间(t)的变化过程，发现3次函数曲线的拟合度最高(R2≥0.983)，因而建立了5种灌木根系土粒抗蚀指数与浸水时间的3次多项式函数关系，其公式为S=b0+b1t+b2t2+b3t3(表6)。

表6 5种灌木根系土壤抗蚀指数与浸水时间拟合方程参数

5种灌木3次多项式函数中b0值代表不同灌木抗蚀指数的起点值，代表土粒浸水瞬间抗蚀指数大小，灌木根系对土壤抗蚀性有较强的增强作用。沙棘b0值下层大于上层，但是差别不是很大，其余灌木b0值上层大于下层。其中，紫穗槐上层与下层的b0值均为最大，柽柳次之，杨柴最小。

随着浸水时间的延长，5种灌木抗蚀指数均呈下降趋势(图4)。上层表现为:紫穗槐抗蚀指数最大，前5 min呈下降趋势，5 min后基本不变;其次为柽柳;小叶锦鸡儿前4 min下降趋势较大，4 min以后呈基本一致的趋势;柽柳、杨柴、沙棘的抗蚀指数一直呈下降趋势，其中杨柴抗蚀指数最小。下层表现为:紫穗槐抗蚀指数最大，前5 min内下降趋势较大，5 min以后呈基本一致的趋势;其次为柽柳;小叶锦鸡儿前4 min下降趋势较大，4 min以后呈基本一致的趋势;柽柳、沙棘、杨柴一直呈下降趋势，其中杨柴的抗蚀指数最小。

图4 5种灌木根系土壤抗蚀指数随浸水时间的变化

综上所述，在降水强度大、持续时间长的地区，紫穗槐是首选绿化灌木，其次为小叶锦鸡儿。不同灌木对土壤抗蚀性的影响不同，其抗蚀指数为0.30% ～0.75%。同时不同灌木土壤抗蚀指数在垂直层面上的变化呈较明显的规律性，随着土层深度的增加，抗蚀指数呈下降趋势，沙棘除外。

在土壤上层抗蚀指数由大到小的顺序为紫穗槐、柽柳、小叶锦鸡儿、沙棘、杨柴;在土壤下层抗蚀指数由大到小的顺序为紫穗槐、柽柳、沙棘、小叶锦鸡儿、杨柴。结合分层抗蚀指数及其变化区间得出5种灌木对土壤抗蚀性增强效应大小依次为紫穗槐、柽柳、小叶锦鸡儿、沙棘、杨柴。

由相关性分析得知抗蚀指数和φ≤1 mm根系生物量呈显著的正相关关系(r=0.896＊＊，n=10)(图5)。

3.3 土壤抗冲性、土壤抗蚀性与土壤有机质质量分数的关系

含有灌木根系的土壤有机质质量分数明显大于对照组(表7)，说明根系对改善土壤有机质质量分数具有一定作用，而土壤有机质被认为是形成稳定土壤结构的重要条件，能够促进土壤中团粒结构的形成。

表7 5种灌木土壤有机质质量分数

图5 抗蚀指数与φ≤1 mm根系生物量的相关性

由相关性分析得知，抗冲指数和土壤有机质质量分数呈显著的正相关关系(r=0.672*，n=10)(图6);抗蚀指数和土壤有机质质量分数呈极显著的正相关关系(r=0.862＊＊，n=10)(图 7)。

4 结论与讨论

根系生物量是反映根系生长状况及固持土体能力的一个重要指标。研究土壤抗侵蚀能力时，经常从土壤抗冲性和抗蚀性两方面进行研究［16］。土壤抗冲性是指土壤抵抗径流对其机械破坏和推动下移的性能［17］。土壤抗蚀性是指土壤对侵蚀营力分解和拌匀作用的抵抗能力［18］。土壤抗蚀性是土壤侵蚀研究的重要内容之一［19］。含有机质丰富的土壤能够形成良好结构，对提高土壤抗蚀性具有重要作用［20］。通过对5种护坡灌木根系分布特征、土壤抗冲性、土壤抗蚀性及土壤有机质质量分数的研究，分析土壤抗冲性、土壤抗蚀性与根系分布特征、土壤有机质质量分数的关系，据此总结分析高速公路护坡植物物种选择及选择标准，为制定有关决策提供科学依据。在研究过程中仍存在一些值得进一步探讨的问题。由相关性分析得知，抗蚀指数较抗冲指数与土壤有机质质量分数有更高的相关性，这可能是因为土壤抗冲性是土壤对流水冲刷的抵抗能力，主要取决于根系的机械缠绕能力，而土壤抗蚀性为土壤对静水分散、崩解的抵抗能力，更多地与土壤中有机质质量分数等因素有关。研究中只涉及根系、土壤与土壤抗侵蚀性的关系，没有考虑植物地上部分对土壤抗侵蚀作用的贡献。在自然情况下，植物地上部分的存在可以减弱雨滴击溅侵蚀，减少地表径流。因而得出的植物抗侵蚀能力的结果会比实际植物的抗侵蚀能力要低，这一部分仍需深入研究。在公路边坡实际护坡过程中，不仅有灌木，还有草本及草本与灌木配置的护坡方式，所以灌草结合对增强土壤抗侵蚀作用的效果如何是今后研究的一个方向。

图6 抗冲指数与土壤有机质质量分数的相关性

图7 抗蚀指数与土壤有机质质量分数的相关性

5种灌木根系生物量集中分布在0～20 cm深的土层内，随土层深度增加而减少。柽柳、紫穗槐的根系生物量比较大。

5种灌木根系对土壤抗冲性有较强的增强作用。同一灌木根系对土壤抗冲性的增强效应随土层增加而减小，随坡度增大而减小。紫穗槐、柽柳对土壤抗冲性的增强效应比较强;小叶锦鸡儿对土壤抗冲性的增强效应最弱。5种灌木对土壤抗冲性增强效应的大小依次为紫穗槐、柽柳、沙棘、杨柴、小叶锦鸡儿。抗冲指数和根系生物量呈显著的正相关关系(r=0.648*，n=10);抗冲指数和 φ≤1 mm 根系生物量呈显著的正相关关系(r=0.862＊＊，n=10);抗冲指数和1 mm＜φ≤3 mm根系生物量呈显著的正相关关系(r=0.829＊＊，n=10);抗冲指数和土壤有机质质量分数也呈显著的正相关关系(r=0.913＊＊，n=10)。

5种灌木根系对土壤抗蚀性有较强的增强作用，不同灌木对土壤抗蚀性的影响不同，其抗蚀指数为0.30% ～0.75%。5种灌木土壤抗蚀指数在垂直层面上的变化呈较明显的规律性，随着土层深度的增加，抗蚀指数呈下降趋势，沙棘除外。5种灌木对土壤抗蚀性增强效应的大小依次为紫穗槐、柽柳、小叶锦鸡儿、沙棘、杨柴。抗蚀指数和φ≤1 mm根系生物量呈显著的正相关关系(r=0.896＊＊，n=10);抗蚀指数和土壤有机质质量分数也呈显著的正相关关系(r=0.862＊＊，n=10)。

综合上述分析表明，5种灌木中紫穗槐、柽柳根系增强土壤抗侵蚀作用的能力最强，建议作为主要水土保持物种应用。

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