PAM和草类根系对荒坡紫色土物理性质与抗剪性能的影响

李铁，王润泽，谌芸，何丙辉，周涛，吴晨，刘枭宏 (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)

紫色土作为南方地区广泛分布的重要耕作土壤，大多由石灰性母岩发育而来，一般土体表层浅薄、结构疏松、抗冲剪性能差，加之紫色土区雨量丰富，降水相对集中[1-2]，容易导致地表裸露，土壤抗侵蚀能力进一步下降，诱发滑坡等地质灾害。抗剪强度是衡量土壤抵抗外力剪切形变能力的重要指标，改善土壤物理性质和增强土壤抗剪性能对遏制水土流失和减少地质灾害具有重要意义，其中草类根系所起的作用不容忽视。相关研究表明，人工根土重塑土和原状根土复合体中均存在最优含根量，使得土体抗剪性能达到最优[3-5]；不同植物种类、根系径级在不同土层的分布特征迥异，对土壤抗剪性能和物理性质的影响差异显著[6-8]，但诸多学者普遍认为植物须根和某些根系指标(如根表面积密度、根长密度)与土壤抗剪性能密切相关，并能够大幅增强土壤抗剪性能[9-10]。此外，土壤孔隙度、含水率、团聚体等土壤内在指标是影响土壤抗剪性能的关键因素[11-12]，而土壤作为植物天然附着载体，草类根系对土壤物理性质如微团聚体[13-14]的影响亦不可忽视。可见，草类根系、土壤物理性质和抗剪性能三者环环相扣，相互影响。

PAM(polyacrylamide，聚丙烯酰胺)由于其优异的土壤改良作用，近年来在水土保持领域越来越受到重视。国内外相关研究表明，施用PAM可明显改善土壤结构和通气状况，减少土壤水分蒸发，降低径流泥沙含量，其保水固土作用显著[15-16]，同时可有效提高玉米(Zeamays)、小麦(Triticumaestivum)、番茄(Lycopersiconesculentum)、莴苣(Lactucasativa)、棉花(Gossypiumspp)[17-18]等农作物以及多种牧草[19]的生物量和产量，但尚无有关PAM与土壤抗剪性能的研究见诸报端，亦鲜有研究将PAM与草类(狗牙根，Cynodondactylon，三叶草，Trifoliumrepens)结合起来探讨其对土壤基本物理性质和抗剪性能的影响。此外，狗牙根和三叶草是西南地区野外常见草类，在植物措施中常作为水保先锋植物进行布设，因此探究PAM对其水土保持功能的影响很有必要。鉴于此，以荒坡紫色土为研究对象，通过研究PAM、草类以及两者组合配套使用对土壤物理性质和抗剪性能的影响，以期为荒坡紫色土的合理利用和更好发挥植物措施的水土保持功能提供依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

供试土壤来自重庆市北碚区马鞍溪流域内龙滩子水库(106°24′48″ E，29°49′1″ N)附近荒坡，该区年均温约为18.3 ℃，年均降水量约为1107.1 mm，年均日照时长约为1297.6 h，属亚热带季风性气候[1,20]。该荒坡土壤主要为紫色沙泥页岩，含少量粗骨质砾石，土层厚度不足5 cm，坡度约35°，植被覆盖度极低，鲜有人为扰动。

1.2 试验设计

由于紫色土荒坡自然生境恶劣，植被幼苗成活率极低，故通过盆栽种植培育狗牙根和三叶草，前期在室内培育草类幼苗，待其生长发育较为成熟时适时将盆栽搬至野外让其自然生长。于2015年12月采集试验区荒坡土壤，取足量带回实验室，过5 mm筛后填入花盆(规格为口径×底径×高：180 mm×125 mm×100 mm)，使其容重保持在1.30 g·cm-3左右。试验共设置9个处理，如表1所示。每个处理3个重复，共27个花盆试样。试样制成后浸水12 h，水面比花盆顶部稍低，然后静置，保证试验初土样的含水率均为饱和含水率。静置数日后，液施PAM(中性，相对分子量300万，碱性条件下水解，水解度为20%)溶液，并等密度撒播草籽(每个花盆撒播狗牙根或三叶草草籽0.3 g)，试验期间常规管护，适时浇灌、补种和去除杂草。

表1 试验处理Table 1 Test treatments

注：各处理均设置3个重复。

Note: 3 repeats are set for each process.

1.3 样品采集

2016年5月初采集花盆土样，采样前3 d以上无灌溉、除草等措施。采样时先将植株地上部分及其他杂质清理干净，然后将环刀(底面积20 cm2，高5 cm)缓慢压入花盆取样，共计27个土样(用于测定土壤孔隙度)；直剪试验的取样方法与此类似，采用ZJ型应变控制式直剪仪配套的环刀(底面积30 cm2，高2 cm)取样，共计108个抗剪土样；另用铝盒装取15～20 g土壤用于测定土壤自然含水率，自封袋装取约500 g土使其自然风干测定土壤微团聚体。

1.4 指标测定

1.4.1基本物理指标与抗剪性能参数测定 自然含水率采用(105±2) ℃烘干法测定；土壤孔隙度(总孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度)采用环刀法测定；土壤微团聚体组成采用卡庆斯基法(吸管法)[21]测定；抗剪性能参数采用ZJ型应变控制式直剪仪测定[22]。

1.4.2根系指标测定及计算 取环刀(底面积30 cm2，高2 cm)内带有根系的土样浸泡数小时，以利于根、土分离，随后置于0.5 mm筛内用适量自来水冲洗，洗出的根系装入对应编号的自封袋内，采用200 dpi分辨率的扫描仪对根系进行灰度扫描，WinRHIZO(Pro.2004c)根系分析系统对根长(root length，RL)、根表面积(root surface area，RSA)和根体积(root volume，RV)以及分以下径级：00.9 mm(d为根系直径，单位：mm)进行测定分析。扫描后的根系烘干后用千分之一天平称取根干重(root weight，RW)。根长密度(root length density，RLD)、根表面积密度(root surface area density，RSAD)、根体积密度(root volume density，RVD)和根重密度(root weight density，RWD)分别代表单位土体对应的根长、根表面积、根体积和根重[9]。以下为总体指标计算公式。

根长密度(RLD)=环刀内根系总长度/土体体积

(1)

根表面积密度(RSAD)=环刀内根系总表面积/土体体积

(2)

根体积密度(RVD)=环刀内根系总体积/土体体积

(3)

根重密度(RWD)=环刀内根系总干重/土体体积

(4)

1.5 数据处理

采用Microsoft Excel 2013软件对数据进行图表处理。采用IBM公司开发的SPSS 22.0统计软件中单因素方差分析(ANOVA)方法进行数据显著性检验并利用Duncan法进行多重比较；使用双变量Pearson法进行相关分析。

2 结果与分析

2.1 不同处理土壤孔隙度和微团聚体特征

由表2可知，总体上单植草类各试验处理之间、单施PAM各试验处理之间和“草类+PAM”各试验处理之间自然含水率和孔隙度差异性较小，而单施PAM、单植草类、“草类+PAM”之间以及各处理与CK之间均存在较大差异。相较于CK，单施PAM的土壤自然含水率、总孔隙度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度平均增幅分别为14.18%、6.03%、0.98%、24.75%；单植草类对应指标平均增幅分别为56.72%、7.68%、7.14%、9.09%；“草类+PAM”对应指标平均增幅分别为66.42%、13.32%、9.80%和26.52%。显然，除非毛管孔隙度外，各处理类别改善土壤孔隙度和含水率的能力强弱为：“草类+PAM”>单植草类>单施PAM；各处理类别对自然含水率和非毛管孔隙度影响尤为突出，但PAM浓度变化对各指标影响较小。

荒坡紫色土发育成熟度较低，土壤肥力尚未得到充分转化和释放，导致研究区内植被覆盖度极低，土壤微团聚体密切影响着土壤营养元素的保持、供应、转化以及土壤水分的保贮和释供等过程[23]，对早期植物正常生长有较大影响。在表2中，CK、单施PAM、单植草类、“狗牙根+PAM”和“三叶草+PAM”之间的某些粒级范围微团聚体存在较为显著的差异。较之单施PAM，GY对0.25～0.05 mm粒级范围微团聚体影响较为突出，SY对0.05～0.01 mm粒级范围微团聚体的形成更具优势；较之GY，“狗牙根+PAM”有助于提高1～0.25 mm粒级范围微团聚体含量，显著降低0.05～0.01 mm、0.002～0.001 mm以及<0.001 mm粒级范围微团聚体含量，而“三叶草+PAM”相对于SY，其显著提高了0.25～0.05 mm粒级范围微团聚体含量，减少了土体中0.01～0.005 mm、0.005～0.002 mm和<0.001 mm粒级范围微团聚体含量。可见，PAM浓度变化对微团聚体含量基本无影响，但相较于CK，各试验处理对不同粒级范围微团聚体影响程度有所不同，液施PAM以及栽植草类可降低较小粒级(主要为<0.01 mm的各粒级范围)微团聚体含量、提高较大粒级(尤其是1～0.25 mm、0.25～0.05 mm粒级范围)微团聚体含量。

表2 不同处理孔隙度、微团聚体组成Table 2 Porosity, micro aggregate composition (%)

注：表中数据标有不同小写字母表示处理之间存在显著差异(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 不同处理根—土复合体抗剪性能特征

表3中，单施PAM与“三叶草+PAM”的各级竖直荷载下的抗剪强度无差异，单植草类与“狗牙根+PAM”存在显著差异，CK与各试验处理均存在显著差异。相较于CK，单施PAM、单植草类和“草类+PAM”的各级竖直荷载下的抗剪强度平均提高6.06%，45.06%和47.09%；单施PAM与CK之间、单植草类与“草类+PAM”之间其抗剪性能参数(内摩擦角φ和黏聚力c)无显著差异，但是CK和单施PAM与单植草类以及“草类+PAM”差异显著。与CK相比，单植草类以及“草类+PAM”的内摩擦角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，“草类+PAM”对土壤抗剪性能影响最大，单植草类次之，单施PAM最小；PAM与草类根系更有利于提高土壤黏聚力c。

表3 不同荷载下的抗剪强度与抗剪性能参数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.

植物根系可直接对土壤抗剪性能产生影响，亦可通过改善土壤物理性质间接影响土壤抗剪性能，为了探讨含根土体物理性质与抗剪性能之间的关系，将两者进行相关性分析得到表4。由表4可知，自然含水率、总孔隙度和毛管孔隙度与抗剪性能参数在P<0.01水平上均呈极显著相关，其中，毛管孔隙度与内摩擦角φ相关系数高达0.882，与黏聚力c高达0.876；1～0.25 mm和0.25～0.05 mm粒级范围微团聚体与抗剪性能参数均呈极显著相关，其中0.25～0.05 mm粒级范围微团聚体与内摩擦角φ相关性高达0.749，与黏聚力c高达0.833，其他粒级范围的团聚体与内摩擦角φ和黏聚力c多呈非显著负相关。

表4 孔隙度、微团聚体组成与抗剪性能相关分析Table 4 Correlation analysis of porosity, shear strength and micro aggregate composition

注：“*”表示在P<0.05水平(双侧)上显著相关；“**”表示在P<0.01水平(双侧)上极显著相关。

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

2.3 不同处理根—土复合体根系特征

根系总体指标包括根长密度(RLD)、根表面积密度(RSAD)、根体积密度(RVD)和根重密度(RWD)，能够从不同角度反映植物根系生长状况和对土壤的影响。由表5可知：1)总体上不同处理之间各项总体指标存在差异，“狗牙根+PAM”各项根系总体指标最优，GY次之，SY最小。相对GY，“狗牙根+PAM”根系总体指标增幅介于15.57%～53.16%；相对SY，“三叶草+PAM”各项根系总体指标增幅介于23.02%～80.00%。2)各项总体指标中，施加PAM浓度较高的处理其指标值普遍低于施加PAM浓度较低处理的；各处理根长密度指标最大，根表面积密度指标次之，根重密度指标最小。

从表5中亦可知：1)同一处理的不同径级根系指标之间差异显著性具有明显的一致性或相似性。相较于GY，“狗牙根+PAM”的各径级(d≤0.2 mm、0.2 mm0.9 mm)的RLD值分别平均增加了15.74%，13.21%，46.19%，54.33%，69.30%，RSAD值分别平均增加了14.86%，15.20%，47.76%，53.85%，80.70%，RVD值分别平均增加了43.88%，20.83%，61.11%，56.25%，97.06%；相较于SY，“三叶草+PAM”的各径级指标亦有类似变化。2)不同处理各项径级指标中，施加PAM浓度较高的处理其指标值亦普遍低于施加PAM浓度较低的；各处理根长密度指标最大，根表面积密度指标次之；同一处理各径级中径级为d≤0.2 mm的值最优，0.5 mm

2.4 根系指标与土壤物理性质、抗剪性能参数的相关分析

根系指标与土壤物理性质、抗剪性能参数的相关分析如表6所示。总体上，随着根系径级增大，土壤孔隙度指标与根系总体指标RLD的相关性越大，但均不显著；土壤孔隙度与根系总体指标RSAD和RWD多呈显著或极显著相关，与0.5 mm0.9 mm的RSAD径级指标多呈显著相关，与0.5 mm

3 讨论

本研究中，各处理改善土壤孔隙度和含水率的能力强弱为：“草类+PAM”>单植草类>单施PAM，其中机理可能为：PAM作为高分子化合物，含有大量的亲水分基团如酰胺基等易形成氢键，在水合作用下形成网状结构，吸附大量水分子，使土壤保持湿润；另外，施加PAM的土壤其表面和剖面呈类蜂窝状结构，增加土壤孔隙度的同时吸附大量水分，大幅提高土壤持水能力[24]。而狗牙根和三叶草须根较多，短时间内生长变化较快，在其生长过程中不断延伸、交结、缠绕、穿插等，对周围土壤颗粒产生挤压或分割，改变根际土壤结构和大小，形成众多微小孔隙，或待根系衰老或死亡后，由于根的收缩，亦会在土壤中留出一些孔隙[9]。PAM与草类组合配套，形成优势互补，一方面PAM可通过改善土壤结构在草籽萌芽期间为其提供一个水分相对充足和适度疏松的生长环境，提高草籽发芽率，而草类在生长过程中其根系不断增大增多，在土壤中穿行，逐渐形成优先水流和溶质运输的连续性开放根孔系统[25]，促进土壤溶液中的PAM分子更加充分和深入地浸润土壤，从而大大提高“草类+PAM”对土壤孔隙度和含水率的影响。

土壤微团聚体作为土壤最基本的结构颗粒单元，一般通过土体中有机-无机复合体多次多方式聚合而成，最终以不同粒级微团聚体的形式分布在土体内[14]。本研究发现，较之CK，各试验处理均能够增加1～0.25 mm、0.25～0.05 mm等较大微团聚体含量，减少小粒级范围如0.002～0.001 mm和<0.001 mm的微团聚体含量，且1～0.25 mm和0.25～0.05 mm粒级范围微团聚体与抗剪性能参数均呈极显著相关，其他粒级范围的团聚体与之多呈非显著负相关，这和王晟强等[14]和员学锋等[24]的研究结论类似。究其原因，可能是PAM由丙烯酰胺聚合而来，相对分子量极高，含有大量酰胺基，能够将大量粒级较小的微团聚体凝聚成较大粒级微团聚体，并在吸水溶胀后充分舒展，通过水合作用形成网状结构与土壤充分混合，以吸附、缠绕、包络等方式将分散土粒凝聚成团粒[24]；其次，PAM能够显著增加土壤水分，使更多土壤颗粒表面离子进入土壤溶液中，提高了土壤溶液胶体属性，促进较小团粒的沉降聚合；而狗牙根和三叶草根系通过分泌有机黏性物质吸收土壤溶液中的水分和养分的同时，利用化学方式胶结、聚集根际的微小颗粒，增加较大粒级团聚体数量；狗牙根和三叶草根系在生长和萎蔫过程中不断挤压、分解根际土粒，并由于根系初期生长较快，与根周土壤接触面积短时间快速增加，摩擦亦增加，形成数量众多的“微型搅拌棒”缓慢地“来回搅拌”周围团粒，一定程度上促使其转化为更大粒级的团聚体。

草类根系与土壤抗剪性能之间的关系历来受到广大学者的重视。本研究发现PAM与草类组合配套对土壤抗剪性能具有较大影响，优于单植草类和单施PAM。究其原因，土壤抗剪性能影响因子众多，如含水率、土壤孔隙度、容重以及机械组成等[10-12]内在因素，不同根系指标、根系分布特征以及植物种类等[2,6,9]外在因素也起到重要作用。同样的，本研究相关分析表明，根系指标与内摩擦角φ多呈显著相关，与黏聚力c无显著相关关系，某些根系指标与土壤物理性质指标亦存在显著相关关系；自然含水率、总孔隙度、毛管孔隙度和某些粒级范围(1～0.25 mm、0.25～0.05 mm)微团聚体与抗剪性能参数在P<0.01水平上均呈极显著相关。可见，植物根系可直接对土壤抗剪性能产生影响，亦可通过改善土壤物理性质间接影响土壤抗剪性能，相对其他处理，“草类+PAM”处理在这两方面均有优势，显然会对土壤抗剪性能产生更大影响。其中，本研究中虽然根系指标与内摩擦角φ和黏聚力c相关关系各异，但是不同处理类别(单施PAM、单植草类、“草类+PAM”)的内摩擦角φ分别平均提高了4.90%、37.12%、36.59%，黏聚力c分别平均提高了12.47%、69.47%、83.64%，各处理对黏聚力c的影响大于其对内摩擦角φ的影响，这与谌芸等[9]的研究结论一致。

4 结论

1)各实验处理均能明显提高土壤自然含水率和孔隙度(总孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度)，“草类+PAM”对以上指标的影响最大，单植草类效果次之，单施PAM作用最小；根系各径级中，径级为d≤0.2 mm的RVD对土壤孔隙度的影响最突出。

2)总体上，液施PAM和栽植草类均能提高1～0.05 mm各粒级范围微团聚体含量，降低<0.01 mm的各粒级范围微团聚体含量，提高其通气透水能力。

3)单植草类比单施PAM对提高土壤抗剪性能效果更佳，草类根系对土壤黏聚力c的影响较大于内摩擦角φ，各根系指标中RSAD与0.7 mm

4)液施PAM对草类根系生长有较明显的促进作用，液施PAM能够使狗牙根的根系总体指标值平均增大15.57%～53.16%，使三叶草的根系总体指标值平均增大23.02%～80.00%，有助于狗牙根、三叶草更好发挥其水土保持功能。

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