香根草和马唐的根系特征及对坡地紫色土抗侵蚀性的影响

王润泽，谌芸*，李铁，彭石磊，刘志鹏，单志杰

(1.西南大学资源环境学院，三峡库区生态环境教育部重点实验室，重庆 400715；2.中国水利水电科学研究院，流域水循环模拟与调控国家重点实验室，北京 100048)



香根草和马唐的根系特征及对坡地紫色土抗侵蚀性的影响

王润泽1，谌芸1*，李铁1，彭石磊1，刘志鹏1，单志杰2

(1.西南大学资源环境学院，三峡库区生态环境教育部重点实验室，重庆 400715；2.中国水利水电科学研究院，流域水循环模拟与调控国家重点实验室，北京 100048)

为探讨紫色土区草类根系特征及对土壤抗侵蚀性的影响，本试验选取坡地香根草和马唐为研究对象，分0～10 cm、10～20 cm和20～30 cm土层采集根系和土壤样品，分别采用WinRHIZO(Pro.2004c)根系分析系统、ZJ型应变控制式直剪仪和改进的原状土冲刷水槽测定根系指标、根-土复合体抗剪和抗冲性能，研究了不同土层香根草和马唐的根系特征及与土壤抗侵蚀性之间的关系。结果表明，0～30 cm土层范围内，香根草根系的总体指标和径级指标(根长密度、根表面积密度、根体积密度和根重密度)均优于马唐；较之马唐，香根草更有利于降低土壤容重，改善土壤微团聚体组成状况和提高土壤有机碳含量；上述2种草类根-土复合体的抗冲剪性能均表现为：0～10 cm土层最优，10～20 cm土层次之，20～30 cm土层最差，且各土层均表现为香根草的优于马唐的；相关分析表明，1.0

根系；内摩擦角；粘聚力；抗冲指数；紫色土

土壤的抗剪与抗冲性能是表征土壤抗侵蚀性的重要指标[1]，植物根系能够显著增强土壤的抗冲剪性能，从而增强土壤的抗侵蚀性。紫色土抗侵蚀性弱，紫色土区是我国水土流失严重区域之一[2]。近年来该区域实施的退耕还林还草工程使得紫色土的抗侵蚀性有所增强[3-4]，其中植物根系在稳定土壤结构、防治土壤侵蚀方面的作用不容忽视[1]，故研究根系特征对坡地土壤抗侵蚀性的影响是必要和迫切的。目前有关根系特征对土壤抗侵蚀性的影响研究虽多，但多数研究[5-9]选取的是根系总体指标(即所有根系平均的根长密度、根表面积密度、根体积密度及根重密度等)，鲜有考虑到不同径级根系指标。而仅有的径级根系指标对土壤抗侵蚀性的影响研究[10-13]中，又只分析了径级根长密度和径级根表面积密度。

针对已有研究中存在的上述不足，本试验选取紫色土区最具代表性的水土保持植物香根草(Vetiveriazizanioides)与乡土植物马唐(Digitariasanguinalis)为研究对象，探讨了这2种草类根系特征及其对坡地紫色土抗侵蚀性的影响，尤其是不同径级根系指标对土壤抗侵蚀性的影响，以期为紫色土区水土保持植被构建提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验区位于重庆市北碚区西南大学后山水土保持试验基地(29°48′57.44″ N，106°24′35.23″ E)，平均海拔278 m，属丘陵地貌。该区属于亚热带季风性气候，年均气温约为18 ℃，年均降水量约为1200 mm，年均日照时长约为1277 h。该区土壤主要为中生代侏罗系沙溪庙组灰棕紫色沙泥页岩母质上发育而成的中性紫色土[14]。

1.2 试验设计

试验设置2个处理：香根草、自然生草(坡度均为25°)，每个处理3个重复，共6个小区，小区基本情况见表1。小区之间筑边埂相互隔开，避免相互干扰。试验期间常规管护，及时去除杂草与补种。取样时，所有小区的植被覆盖度均约为90%。自然生草区植被的优势植物为马唐(所占比例约为90%)，禾本科，一年生草类，此外零星生长着狗尾草(Setariaviridis)和平车前(Plantagodepressa)等伴生植物。因马唐所占比例远大于伴生植物，故自然生草区选择马唐为研究对象。小区香根草均于2013年3月初采用实生苗穴植，株距×行距为30 cm×35 cm。

表1 试验小区基本情况Table 1 The basic of experimental plot

注：表中小区规格数据为“沿坡向长×宽”；S：南。

Note:The plot size data in the table is “along the slope orientation to the length×width”; S: South.

1.3 试验方法

1.3.1 样品采集 于2014年7月中旬采样，采样时间为雨后放晴3 d以上，且3 d以上无灌溉和拔草措施。由于紫色土土层浅薄，故本研究仅对0～30 cm土层进行取样分析。抗剪试验取样：每个小区按Z字形确定4个采样点，在每个采样点处将地上部分的植株、枯落物等清理干净，然后分别在0～10 cm、10～20 cm和20～30 cm土层用环刀(底面积30 cm2，高2 cm)采取带有根系的土壤样品。抗冲试验采用与冲刷水槽配套的方形环刀(长×宽×高：20 cm×10 cm×10 cm)取样。直剪试验后，环刀(底面积30 cm2，高2 cm)内含根系的土样用于根系指标测定。另用环刀(底面积20 cm2，高5 cm)在各采样点的不同土层采取土壤样品，用于土壤容重测定；环刀取样过后按不同土层各自采取约500 g土装入袋内带回实验室自然风干，用于微团聚体组成和有机碳测定。

1.3.2 根系指标测定及计算 每次直剪试验完成，取出含根系的土样浸于水中2 h，置于0.5 mm筛内用较小流量自来水冲洗，洗出的根系晾干表面水分，装入自封袋内并编号；然后采用200 dpi分辨率的扫描仪对根系进行灰度扫描，采用WinRHIZO(Pro. 2004c)根系分析系统分5个径级(d≤0.5 mm，0.53.0 mm，d为直径，单位mm)对根长(root length，RL)、根表面积(root surface area，RSA)和根体积(root volume，RV)进行统计分析。扫描后的根系采用烘干法和精度为1/1000的电子天平获得根干重(root weight，RW)。

根长密度(root length density，RLD)=环刀内根系总长度/土体体积

(1)

根表面积密度(root surface area density，RSAD)=环刀内根系总表面积/土体体积

(2)

根体积密度(root volume density，RVD)=环刀内根系总体积/土体体积

(3)

根重密度(root weight density，RWD)=环刀内根系总干重/土体体积

(4)

1.3.3 抗剪强度指标测定及计算 抗剪强度采用ZJ型应变控制式直剪仪(南京土壤仪器厂有限公司)测定。试验时，将环刀(底面积30 cm2，高2 cm)内的土样放在剪切盒(由上盒和下盒组成)中，在100、200、300、400 kPa四级竖直荷载σ作用下，逐渐施加水平力于下盒，使土样在上、下盒的水平接触面上产生剪切变形，直至破坏。在不同的竖直荷载σ作用下进行试验，可以得到相应的抗剪强度τf，点绘τf～σ关系曲线，即可求得内摩擦角φ和粘聚力c的值[15]。

1.3.4 抗冲指数测定及计算 抗冲指数采用改进的原状土冲刷水槽测定。冲刷水槽长1.80 m，宽0.11 m。冲刷前将方形环刀(长×宽×高：20 cm×10 cm×10 cm)内的土样浸泡12 h至饱和，冲刷坡度设置为25°，出水流量设置为2 L/min。开始产流时立即采集泥沙样品并计时，前4 min内每1 min采集一次，此后每3 min采集一次，历时10 min[14]。

土壤抗冲能力用冲失1 g土所需的时间表示：

ANS=T/WLDS

(5)

式中：ANS为单位流量抗冲指数，min/g；T为冲刷历时，min；WLDS为冲失干土重，g。抗冲指数ANS越大，表示土壤抗冲能力越强；反之，则越弱。

1.3.5 其他指标测定及计算 土壤微团聚体组成测定采用卡庆斯基法(吸管法)[16]，土壤容重测定采用环刀法[16]，土壤有机碳测定采用外加热法[17]。

分形维数在一定程度上可以作为评价土壤结构稳定性的指标[18]。因土壤本身具有自相似结构的特点，故可用分形理论建立土壤团粒结构的分形模型，本研究采用以粒径的质量分布直接计算土壤粒径分布的分形维数(杨培岭法[19])，小于某一特定测量尺度的累积土粒质量mi与di之间的分形关系式为：

(6)

式中：di为相邻两筛分粒级的粒径平均值，mm；dmax为最大土粒粒径值，mm；mi为粒径小于di的累积土粒质量，kg；mmax为各粒级质量之和，kg；D为分形维数。

1.4 数据处理

采用MicrosoftExcel2010软件对数据进行图表处理，用SPSS17.0统计软件进行差异显著性分析(Duncan法)和Pearson相关分析。

2 结果与分析

2.1 香根草和马唐的根系分布特征

2.1.1 垂直分布特征 由表2根系总体指标可以看出，同一土层，香根草根系的各项总体指标均优于马唐。2种草类的根系均集中分布在0～10cm土层，其根长密度、根表面积密度、根体积密度和根重密度分别是10～20cm和20～30cm土层的2.71～17.17倍、2.99～23.27倍、1.85～111.61倍和8.95～22.93倍。随着土层深度的增加，2种草类根系的总体指标值均表现为递减趋势。草类根系的垂直分布特征决定了它对土体的影响范围，可见这2种草类根系对0～10cm土层影响范围最大，其次是10～20cm土层，而对20～30cm土层影响范围最小。

表2 香根草与马唐根系总体指标和径级指标Table 2 The overall parameters and diameter parameters of V. zizanioides and D. sanguinalis

注：表中数据为平均值±标准差(n=12)；不同小写字母表示在P<0.05水平上差异显著；V：香根草V.zizanioides；D：马唐D.sanguinalis。下同。

Note: Data are means±standard deviation (n=12). Different lowercase letters indicate significant difference at the level of 0.05. The same below.

2.1.2 径级分布特征 2种草类根系径级指标如表2所示，同一土层，香根草根系的各项径级指标均优于马唐。不同土层同一径级RLD、RSAD和RVD的显著性具有相似的排序，如香根草d≤0.5 mm径级，RLD、RSAD和RVD的显著性排序是香根草0～10 cm>香根草10～20 cm>香根草20～30 cm，其他径级亦然。0～10 cm土层，香根草与马唐根系的各项径级指标均优于10～20 cm和20～30 cm土层。值得指出的是，1.0

2.2 根系对土壤理化性质的影响

2.2.1 根系对土壤微团聚体的影响 表3为2种草类土壤微团聚体组成及分形维数。粗砂粒(1～0.25 mm)含量、细砂粒(0.25～0.05 mm)含量与粗粉粒(0.05～0.01 mm)含量均表现为香根草>马唐，而细粉粒(0.01～0.005 mm)含量、粗粘粒(0.005～0.001 mm)含量与粘粒(<0.001 mm)含量均表现为马唐>香根草。不同土层土壤微团聚体各粒径组成差异显著，0～10 cm土层的粗砂粒含量与细砂粒含量均显著大于10～20 cm和20～30 cm土层，而0～10 cm土层的粗粉粒含量、细粉粒含量、粗粘粒含量与粘粒含量均小于10～20 cm和20～30 cm土层。同一土层的土壤微团聚体分形维数D均表现为香根草<马唐。通常大粒径微团聚体含量越高，其分形维数越小，土壤结构稳定性和抗侵蚀性越强，反之，其分形维数则越大，土壤结构稳定性和抗侵蚀性相应地则越弱。由此可见，0～30 cm土层，香根草土壤结构稳定性和抗侵蚀性总体上优于马唐的。

表3 试验小区土壤微团聚体组成及分形维数Table 3 Distribution and fractal dimension of soil microaggregates in different plots

注：表中数据为平均值(n=3)。下同。

Note: Data are means (n=3). The same below.

将2种草类根系不同径级的RLD、RSAD、RVD与土壤微团聚体组成进行相关分析，结果见表4。粗砂粒含量与d≤0.5 mm、0.5

2.2.2 根系对土壤容重和有机碳的影响 2种草类土壤容重及有机碳状况如表5所示，土壤容重随着土层深度的增加而增加；同一土层，香根草土壤容重均小于马唐的。香根草0～10 cm的容重最小，为1.120 g/cm3，马唐20～30 cm的容重最大，为1.249 g/cm3。土壤有机碳表现状况则与土壤容重相反，香根草或马唐土壤有机碳含量均随着土层深度的增加而减少；同一土层，香根草土壤有机碳含量均大于马唐的。2种草类不同土层有机碳含量介于7.918～11.866 g/kg。

表4 不同径级根系指标与微团聚体组成相关分析Table 4 Correlation analysis between root parameters of different diameter and soil microaggregates distribution

注：“*”表示在0.05水平(双侧)上显著相关；“**”表示在0.01水平(双侧)上极显著相关；RLDx/RSADx/RVDx(x=0.5，1.0，2.0)分别表示d≤0.5 mm、0.5

Note: “*” and “**” indicate significant correlations at the level of 0.05 and 0.01 respectively, under bilateral inspection. RLDx/RSADx/RVDx(x=0.5, 1.0, 2.0) indicate root length density/root surface area density/root volume density in different root diameters, which ared≤0.5 mm, 0.5

表5 试验小区土壤容重、有机碳、内摩擦角、粘聚力和抗冲指数Table 5 Bulk density, organic carbon, internal friction, cohesion and anti-scourability index in different plots

将2种草类根系不同径级的RLD、RSAD、RVD与土壤容重、有机碳含量进行相关分析，结果见表6。土壤容重与1.0

表6 不同径级根系指标与容重、有机碳、粘聚力和抗冲指数相关分析Table 6 Correlation analysis among root parameters of different diameter and bulk density, organic carbon, cohesion and anti-scourability index

2.3 根系对复合体抗侵蚀性的影响

2.3.1 根系对复合体抗剪性能的影响 2种草类根-土复合体内摩擦角φ和粘聚力c如表5所示，这两个指标均随土层深度的增加而减小，且各土层均表现为香根草的大于马唐的。不同土层2种草类根-土复合体内摩擦角φ彼此之间无显著性差异。0～10 cm土层，香根草根-土复合体的粘聚力c最大(c=23.710 kPa)，为其他土层的1.06～4.02倍。

将不同径级的RLD、RSAD、RVD与粘聚力c进行相关分析，结果见表6。粘聚力c均与1.0

2.3.2 根系对复合体抗冲性能的影响 2种草类根-土复合体抗冲指数ANS见表5，抗冲指数ANS随着土层深度的增加而减小，且各土层均表现为香根草的大于马唐的。0～10 cm土层，香根草根-土复合体的抗冲指数ANS最大，为其他土层的1.10～1.64倍。

不同径级的RLD、RSAD、RVD与抗冲指数ANS的相关分析如表6所示。抗冲指数ANS与1.0

3 讨论

香根草和马唐的生物学特性不同，其根系垂直分布和径级分布特征存在显著差异。0～10 cm土层，草类根系各项总体指标和径级指标均显著大于10～20 cm和20～30 cm土层，说明根系具有在浅层(0～10 cm)土壤集中分布的特征，这与李建兴等[20]、秦川等[21]的研究结果一致。土壤微团聚体组成中，粗砂粒(1～0.25 mm)含量越大，粘粒含量(<0.001 mm)越小，意味着分形维数D越小，土壤团聚体的结构稳定性越好[18]。相关分析表明，具有良好径级分布特征的根系系统更有利于改善土壤微团聚体组成，增强土壤结构稳定性。较之马唐，0～30 cm土层的香根草根系更为发达，其根系网络串联土壤和根土粘结作用更有利于形成稳定的土壤团聚结构[22]。此外，香根草根系的分泌物可能较多，分泌物与土粒的胶结作用亦能增强土壤团聚体的结构稳定性[23]，故香根草根-土复合体的抗侵蚀性优于马唐的。

香根草0～10 cm土层其容重最小与根系总体指标RVD和RWD最大有密切的关系，原因是根系网络串联、穿插土壤以及根系腐烂分解能够增大土壤的孔隙度。1.0

粘聚力c主要来源于土粒间的物理化学作用力，包括库仑力(静电力)、范德华力和胶结作用力等[26]。0～10 cm土层，2种草类根-土复合体粘聚力c显著大于10～20 cm和20～30 cm土层。究其原因，0～10 cm土层根尖数、根分叉数、根交叉数以及根结总数远大于10～20 cm和20～30 cm土层，这些粗糙的根系表面可以与土壤颗粒紧密接触，接触距离达到了上述各种力的作用范围，增大了根系表面与土壤颗粒之间的物理化学作用力；另外0～10 cm土层的根系分泌物可能较多，根系分泌物是一种天然的胶结物质，能对土粒产生胶结作用，亦能增大粘聚力c。本研究表明，根系增强复合体抗剪性能主要是通过影响粘聚力c来实现的，而非内摩擦角φ，这与冯国建等[15]、杨亚川等[27]的研究结果一致。

1.0

4 结论

1)0～30 cm的各土层，香根草根系的各项总体指标和径级指标均优于马唐；2种草类根系总体指标和径级指标均表现为：0～10 cm土层最优，10～20 cm次之，20～30 cm土层最差。

2)较之马唐，香根草根系更有利于降低土壤容重，改善土壤微团聚体组成状况，降低微团聚体分形维数D，提高土壤有机碳含量；1.0

3)2种草类根-土复合体的抗冲剪性能均随着土层深度的增加而减弱，且各土层均表现为香根草的优于马唐的；1.0

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Root distribution characteristics ofVetiveriazizanioidesandDigitariasanguinalisand their effects on the anti-erodibility of purple soil in slopelands

WANG Run-Ze1, CHEN Yun1*, LI Tie1, PENG Shi-Lei1, LIU Zhi-Peng1, SHAN Zhi-Jie2

1.CollegeofResourcesandEnvironment,KeyLaboratoryofEco-environmentsinThreeGorgesReservoirRegion,SouthwestUniversity,Chongqing400715,China; 2.ChinaInstituteofWaterResourcesandHydropowerResearch,StateKeyLaboratoryofSimulationandRegulationofWaterCycleinRiverBasin,Beijing100048,China

The aim of this study was to investigate the characteristics of grass root distribution and its effects on soil anti-erodibility in purple soil areas. Two grass species,VetiveriazizanioidesandDigitariasanguinalis, growing on slopelands were chosen as the experimental materials. Root and soil samples were taken from 0-10, 10-20, and 20-30 cm soil depths. Root parameters, soil shear strength, and anti-scourability of the root-soil system were measured to explore the relationship between root distribution and soil anti-erodibility. The values of overall root parameters and diameter parameters (root length density, root surface area density, root volume density, and root weight density) were higher forV.zizanioidesroots than forD.sanguinalisroots in 0-30 cm soils. Compared withD.sanguinalisroots,V.zizanioidesroots were more conducive to reducing soil bulk density, improving soil microaggregate composition, and increasing the soil organic carbon content. Soil shear strength and anti-scourability of the root-soil systems were highest in 0-10 cm soils and lowest in 20-30 cm soils. The values of both parameters were higher forV.zizanioidesthan forD.sanguinalis. A correlation analysis indicated that 1.0

root system； internal friction angle； cohesion； anti-scourability index； purple soil

10.11686/cyxb2016353

2016-09-21；改回日期：2016-12-06

国家重点研发计划项目(2016YFC0502303)，国家自然科学基金(41501288)，中央高校基本科研业务费专项(XDJK2015C170，XDJK2014C103)和水利部公益性行业科研专项经费项目(201501045)资助。

王润泽(1990-)，男，山东淄博人，在读硕士。E-mail: 704784686@qq.com

*通信作者Corresponding author. E-mail: sy22478@126.com

http://cyxb.lzu.edu.cn

王润泽, 谌芸, 李铁, 彭石磊, 刘志鹏, 单志杰. 香根草和马唐的根系特征及对坡地紫色土抗侵蚀性的影响. 草业学报, 2017, 26(7): 45-54.

WANG Run-Ze, CHEN Yun, LI Tie, PENG Shi-Lei, LIU Zhi-Peng, SHAN Zhi-Jie. Root distribution characteristics ofVetiveriazizanioidesandDigitariasanguinalisand their effects on the anti-erodibility of purple soil in slopelands. Acta Prataculturae Sinica, 2017, 26(7): 45-54.