狗牙根和三叶草的根系特征及对荒坡紫色土抗剪性能的影响

周 涛，刘枭宏，谌 芸，王润泽，李 铁，翟婷婷，吴 晨，宗永青(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)

荒坡紫色土具有强侵蚀性，其分布区母质岩层裸露、土量极少并极度瘠薄。紫色土成土需要在其母质岩层经过物理风化而形成，风化后的崩解碎屑物疏松，成土性能差，抗蚀能力弱，尤其是在降水丰富的地区，经过降水和地表径流的冲刷更容易随之而流失[1-2]，再加上地形的起伏和植被的稀少，使得荒坡紫色土的流失更为严重，流失的泥沙还会带来淤积水库、淹没农田、自然灾害严重等附加问题，对农林业发展以及人们的生活保证造成很大的威胁，因此，针对荒坡这类难以利用的土地的水土流失治理是目前所面临的难点所在，也是人们亟待解决的问题。生态防护凭借着其低成本、生态效益和社会效益明显等特点，逐渐成为当今水土保持的主流趋势[3]。其中草本植物生长快、根系发达、在防治坡地水土流失初期效果明显[4-5]，成为水土保持措施的良好选择。土体的抗剪强度及其抗剪强度指标是衡量土体抗侵蚀性能的重要指标，提高土壤的抗剪强度、改善土壤的理化性质对防治水土流失有着重要的作用。植物根系是植物为适应陆地生活所形成的一个重要器官，除了具有从土壤中吸收植物生长所需的水分和无机养分，固定植物的作用外，还具有在土壤中进行锚固、加筋等作用。根系在土层中通过深粗根锚固、浅细根加筋作用而固持土壤，起到了防治水土流失的作用[6-7]。

早在20世纪50年代，朱显谟[8]就提出根系的固结缠绕作用可以提高土体的抗侵蚀性能，之后又有更多学者针对根系总体指标[9]、土壤团聚情况、容重、有机质等生物特性和理化性质方面[10-12]，对根系提高土体的抗侵蚀性能进行了更深入的研究，譬如：土体抗剪强度增量与根系的生物量成正比、随土壤的自然含水量增大而减小、根系直径≤1 mm的极细根在土壤中挤压缠绕，改变了土壤的微团结构从而提高了土壤的抗蚀性、根系的存在提高了土壤的有机质含量，改善了土壤的结构特征，进而增加了土体的抗侵蚀性能。目前国内对荒坡的水土流失问题研究很少，主要研究仅涉及荒坡的植被恢复技术和治理效果评价等方面[13-14]，而针对荒坡紫色土抗侵蚀性能影响的研究更为缺乏。有关植物根系特征对土壤抗蚀性的研究虽多，但多数研究仅涉及根系总体指标[9]，鲜有涉及根系不同径级指标对土壤抗侵蚀性能的影响。针对以往研究中存在的上述不足，本研究选取狗牙根(Cynodondactylon)和三叶草(Trifoliumrepens)两种乡土植物为研究对象，探讨在荒坡紫色土水土流失防治初期这两种草类的根系特征及其对土壤抗剪性能的影响，以期为紫色土区荒坡水土流失治理提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

供试土壤采自重庆市北碚区马鞍溪流域龙滩子水库(29°49′1″ N，106°24′48″ E)附近的荒坡。该荒坡为紫色沙泥页岩裸露、有少量粗骨性砾石的纯母质侵蚀性荒坡，风化一层，剥落一层，流失一层，土壤肥力奇缺。该荒坡坡度约为35°，植被覆盖度不足5%，鲜有人为扰动。研究区属于亚热带湿润季风气候，年平均气温达18.3 ℃，年均降水量达1 200 mm，年均日照时长达1 276.7 h[15]。

1.2 植被选择

基于适地适草、水土保持能力强、景观效益好等原则，本研究选取川渝荒坡紫色土水土保持措施中常用的乡土草狗牙根和三叶草。三叶草为多年生草本，着地生根，虽为直根系，但主根短侧根发达，在偏酸性土壤上生长良好；狗牙根生长习性与三叶草相似，且这两种草类都为匍匐形草本，具有不定根，根茎节节生根，根系量大，又具有类似“灌丛堆效应”[16]而促进草本更好地生长。针对这两种草本进行试验，对根系定量分析以探讨其对土体抗剪性能的影响。

1.3 试验设计

用于试验的荒坡较陡，原位坡地试验难度极大，故选择盆栽试验。于2015年12月在试验区(荒坡)采集供试土壤，采集时去除表层杂质。将采集完的土壤带回实验室并过5 mm筛，过筛后的土壤装入特定规格的花盆中(口径×底径×高：180 mm×125 mm×100 mm)稍微压实。试验共设3个处理：空白对照(CK)、盆栽狗牙根(GY)和盆栽三叶草(SY)，每个处理3个重复，共9个花盆试样。试样制成后先浸水12 h，水层比花盆顶部稍低，然后静置，保证在试验初土壤的含水率为饱和含水率。静置数日后，在相应处理中以适中的密度进行等密度播撒相应的草种(每个花盆播相应的种子0.3 g左右)，试验期间进行常规管护，除杂草，补种以及及时灌溉。

1.4 试验方法

1.4.1样品采集 于2016年7月初采集花盆中的试样，采样前3天无拔草和灌溉措施。取样前先剪去植株的地上部分，去掉地表的枯落物及浮土层，用环刀(底面积20 cm2，高5 cm)刃口向下缓慢压入土层取样，共9个土样，用于测定土样容重和孔隙度；抗剪土样的采集：用 ZJ 型应变控制式直剪仪的配套环刀(底面积30 cm2，高2 cm)取样，每盆土取3个，共计27个抗剪土样，同时用相应的小铝盒采取15～20 g的土进行自然含水率的测定；用土铲取大约500 g的土样带至实验室，风干后测定土壤的微团聚体含量、有机质含量。

1.4.2指标测定 土壤容重测定采用环刀法，自然含水率测定采用烘干法，土壤总孔隙度、毛管孔隙度测定采用环刀法，土壤微团聚体采用卡庆斯基法[17]，有机质测定采用重铬酸钾外加热法[2]；土壤抗剪性能测定采用ZJ型应变控制式直剪仪进行[18]；根系指标测定[1]：将抗剪试样置于0.05 mm的网筛内，用适量的自来水将抗剪试样中的根系尽数洗出，自然风干后用EPSON LA在200 dpi下进行灰度扫描，WinRHIZO(Pro.2004c) 根系分析系统分5个径级：00.9 mm(d为根系直径，单位：mm)测定根长(root length，RL)、根表面积(root surface area，RSA)、根体积(root volume，RV)等相关根系指标，各径级的根长密度(root length density，RLD)、根表面积密度(root surface area density，RSAD)、根体积密度(root volume density，RVD)是指单位土体内的根长、根表面积和根体积。计算公式如下：

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)

1.4.3数据处理 抗剪强度(τ)、内摩擦角(φ)、粘聚力(c)根据库伦定律，利用土样在各级荷载下所测定的抗剪强度在Excel中做回归曲线确定。采用Microsoft Excel 2013软件作表，SPSS 22.0统计软件进行数据差异显著性分析(Duncan法)和各指标间的相关分析(Pearson)。

2 结果

2.1 不同处理的根系分布特征

狗牙根(GY)和三叶草(SY)的根系指标如表1所列。1)两种植物根系总体指标的根长密度、根表面积密度均表现为GY>SY(P<0.05)。根体积密度也表现为GY>SY(P>0.05)；2)d≤0.2 mm时，两种植物的根长密度、根表面积密度和根体积密度均表现为GY>SY(P<0.05)，且GY分别是SY的1.55、1.50、1.33倍；3)当d >0.2 mm时，两种植物的根长密度、根表面积密度、根体积密度亦表现为GY>SY(P>0.05)；4)当d >0.9 mm 时，两种植物的根体积密度明显大于其他径级的根体积密度，分别为径级d≤0.2 mm、0.2

表1 狗牙根和三叶草的根系总体指标和根系径级指标Table 1 Overall root parameters and root diameter of Cynodon dactylon and Trifolium repens

RLD，根长密度；RSAD，根表面积密度；RVD，根体积密度；GY,狗牙根；SY,三叶草；表中数据为平均值±标准差(n=3)；同一指标同列不同小写字母表示差异显著(P<0.05)。下同。

RLD, root length density; RSAD, root surface area density; RVD, root volume density; GY,Cynodondactylon; SY,Trifoliumrepens; Data are means ± standard deviation (n=3). Different lowercase letters within the same column for the same index indicate significant difference at the 0.05 level; similarly for the following tables.

2.2 不同处理的土壤理化性质

两种植物种植后的土壤理化性质如表2所列，其中狗牙根和三叶草的土壤容重均小于对照，大小顺序表现为CK>SY>GY。两种植物的自然含水率、总孔隙度、毛管孔隙度和有机质含量均大于CK处理，其中SY的自然含水率高达10%。3种处理间的土壤容重和有机质含量均表现为CK>GY(P<0.05)，与SY差异不显著(P>0.05)。总孔隙度和毛管孔隙度均表现为GY>CK(P<0.05)，与SY差异不显著(P>0.05)。对于自然含水率，SY显著大于CK和GY，而GY与CK间差异不显著。

3种处理不同粒径的微团聚体含量均表现为：随粒径的减小而减少的趋势(表3)。当粒径为1～0.25 mm时，GY和SY的微团含量显著大于对照(CK)的(P<0.05)，分别增加了11.79%、9.34%，而GY大于SY但差异不显著(P>0.05)；当粒径为0.25～0.05mm时，GY显著大于CK，SY与CK和GY间无显著差异；当粒径为0.05～0.01 mm、<0.001 mm时，3种处理的微团聚体含量间均没有显著性差异；当粒径为0.01～0.005、 0.005～0.001 mm时，CK的微团聚体含量显著大于GY和SY处理的(P<0.05)，而GY和SY之间则没有显著性差异(P>0.05)。

表2 不同处理土壤容重、自然含水率、孔隙度、有机质含量Table 2 Soil bulk density, natural moisture content, porosity, organic matter of different soil treatments

CK,对照。下同。

CK, control; similarly for the following tables.

表3 不同处理土壤的微团聚体组成Table 3 Micro aggregate distributions of different soil treatments %

表4 不同处理土壤(根-土复合体)的抗剪强度及抗剪强度指标Table 4 Shear strength and its parameters of different soil treatments (root-soil complex)

同组试样之间密度差值不大于0.03 g·cm-3,含水量差值不大于2%。

The difference between the same group of samples is not greater than 0.03 g·cm-3, the difference in water content is not greater than 2%.

2.3 不同处理的土壤抗剪强度

不同处理的抗剪强度及其指标如表4所列。3种处理的抗剪强度均随着荷载的增加而增加，表现为300 kPa>200 kPa>100 kPa。其中GY的抗剪强度显著强于CK和SY(P<0.05)，分别为CK、SY的1.18、1.13倍。当荷载为200 kPa时，CK和SY间差异不显著(P>0.05)，而在100和300 kPa时，SY显著大于CK。

GY和SY处理均能有效提高根-土复合体的抗剪性能(表4)。GY和SY的内摩擦角均大于CK，且GY的内摩擦角显著大于其他处理(P<0.05)，分别为CK和SY处理的1.10、1.09倍。狗牙根的粘聚力高达19.98 kpa，并显著大于CK和SY，增幅分别为66.36%和23.95%。GY的抗剪强度指标在试验中表现为最优。

2.4 相关性分析

根-土复合体抗剪强度(τ)、粘聚力(c)、内摩擦角(φ)与土壤物理性质的相关分析如表5所列。土壤容重、总孔隙度、毛管孔隙度和各抗剪强度、抗剪强度指标(c和φ)均呈显著(P<0.05)或极显著(P<0.01)相关，其中容重与抗剪强度及其指标(c和φ)呈负相关关系(相关系数分别为-0.799，-0.783，-0.736)，总孔隙度、毛管孔隙度与其则呈正相关关系，相关系数高达0.888；有机质含量则与抗剪强度和粘聚力呈显著正相关关系(P>0.05)，相关系数都在0.7以上，而与内摩擦角则无显著相关关系；自然含水率与各抗剪强度及其指标多呈负相关却无显著的相关关系。

根-土复合体抗剪强度(τ)、粘聚力(c)、内摩擦角(φ)与土壤微团聚体组成的相关分析如表6所列。当粒径为1～0.05 mm时，抗剪强度及其抗剪强度指标与该粒级微团聚体含量呈正相关关系，其中抗剪强度、粘聚力与该粒级微团聚体显著正相关(P<0.05)，与内摩擦角则没有显著性关系(表6)；当粒径为0.01～0.005 mm时，抗剪强度及其抗剪强度指标与该粒级微团聚体含量则呈显著或极显著(P<0.01)负相关关系，相关系数高达-0.931；当粒径为0.005～0.001 mm时，只有粘聚力与该粒级微团聚体含量呈极显著负相关，相关系数为-0.805；当粒径为0.05～0.01 mm以及<0.001 mm时，抗剪强度及其抗剪强度指标与该粒径微团含量则没有显著的相关关系。

根-土复合体的抗剪强度、抗剪强度指标与根长密度、根表面积密度、根体积密度的相关分析如表7、表8、表9所列。根系指标和抗剪强度、粘聚力、内摩擦角均呈正相关关系，其中与粘聚力多呈显著(P<0.05)和极显著(P<0.01)正相关关系，相关系数最大可达0.932；总体指标中，各抗剪强度、粘聚力、内摩擦角与RLD、RSAD呈显著和极显著相关关系，而与RVD则没有显著的相关关系(P>0.05)；对于根系直径d≤0.2 mm径级，RLD0.2、RSAD0.2与抗剪强度、粘聚力、内摩擦角呈显著和极显著相关关系，RVD0.2与粘聚力显著相关，与抗剪强度和内摩擦角则没有显著关系；在0.2～0.7 mm、>0.9 mm径级中，RLD、RSAD、RVD和抗剪强度、内摩擦角均没有显著相关关系，与粘聚力多呈显著正相关关系；在0.7～0.9 mm径级中，RVD则与抗剪强度及其指标呈显著和极显著关系，而RLD、RSAD则与之没有显著性关系。

表5 抗剪强度及其指标与土壤理化性质的相关分析Table 5 Correlation analysis between shear strength and its parameters and soil physical and chemical properties

“*”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。下同。

“*” and “**” indicate significant correlations at 0.05 and 0.01 level，respectively, under bilateral inspection; similarly for the following tables.

表6 抗剪强度及其指标与土壤微团聚体组成的相关分析Table 6 Correlation analysis between shear strength and its parameters and micro aggregate distributions

表7 抗剪强度及其指标与根长密度(RLD)的相关分析Table 5 Correlation analysis between shear strength and its parameters and RLD

0.2、0.5、0.7、0.9和>0.9分别表示d≤0.2 mm、0.20.9 mm。下同。

0.2, 0.5, 0.7, 0.9 and >0.9 are d≤0.2 mm, 0.20.9 mm; similarly for the following tables.

表8 抗剪强度及其指标与根表面积密度(RSAD)的相关分析Table 8 Correlation analysis between shear strength and its parameters and RSAD

表9 抗剪强度及其指标与根体积密度(RVD)的相关分析Table 9 Correlation analysis between shear strength and its parameters and RVD

3 讨论

土壤容重是反映土壤性质的重要物理指标之一，能直观的反映土壤紧实度、通透性和土壤水库的大小，直接影响根系在土壤中横向、纵向生长状况，决定土壤的水分储藏功能[15]。本研究中，有根系的土壤容重明显比无根系的对照组低，且GY处理和CK处理具有显著性差异，可见草类能有效的改善土壤紧实度、通透性和土壤水库等特征。总孔隙度、毛管孔隙度均是影响根-土复合体抗剪性能的关键性指标，对比狗牙根和三叶草对土壤理化性质的影响，结果显示,狗牙根较三叶草更有利于降低土壤容重，改善土壤的自然含水率、总孔隙度、毛管孔隙度和土壤的有机质含量；狗牙根和三叶草都可有效提高在1～0.05 mm的粒径范围内的微团含量。这与陈义君等[19]、郭晓朦等[20]在紫色土区的研究结论相似。这可能是因为根系通过在土壤中的交错穿插作用，将板结密实的土体分散，改变根系周围土壤颗粒的结构和大小，从而形成了许多微小孔隙。同时，在根系死亡后，也能在原来根系存在的地方留出孔隙，由此可见，根系可以使土壤有良好的孔隙状况。另外，根系在延伸、交结、缠绕、穿插过程中也能团结土壤颗粒。根系通过自身的腐解和转化合成腐殖质，积累了有机质，这些积累与转化的腐殖质又能作为土壤团粒的胶结剂，团聚土粒，形成稳定的团粒。

根系对根-土复合体抗剪强度的影响主要是由根系自身的抗剪切性能、根系产生胶结剂改变土壤颗粒之间的粘结力和根系与土壤颗粒之间的摩擦力来实现的。根长密度、根表面积密度均可作为表征根-土复合体抗剪强度的重要参数[18,21]。本研究中，对两种草类植物进行根系特征分析，结果显示狗牙根的根长密度、根表面积密度均显著大于三叶草，且狗牙根的各径级指标均优于三叶草，相关性分析中，根系指标与抗剪强度及其抗剪强度指标均呈正相关关系，根长密度是影响根-土复合体抗剪性能的关键性指标。可能的原因是，根系在穿插、缠绕的过程中，与土颗粒排列成一定的根-土复合体结构，内摩擦角是反映土壤抗剪性能的重要指标之一，土壤颗粒之间、根系与土壤颗粒之间的摩擦力、根系嵌入土体产生的咬合力可影响内摩擦角的大小。随着复合体根长密度的增加，根系与土壤颗粒之间的摩擦力、根系嵌入土体产生的咬合力不断增大，内摩擦角也逐渐增大[22]。土壤粘聚力是复合体抵抗侵蚀时的有效阻力，土壤颗粒之间的胶结作用是影响粘聚力的主要因素，根系在生长过程中会溢泌出大量有机物质，包括粘胶质和起胶结作用的有机分泌物，可有效增加土壤颗粒之间的结合力。根长密度越大，根系所分泌的有机胶结物质就越多，土壤粘聚力也就越大[23-25]，使根系指标与粘聚力多呈显著和极显著正相关关系。这与李建兴[18]，Osman和Barakbah[26]关于土壤抗侵蚀性能的研究结果类似。

在本研究中，根系直径≤0.2 mm是影响土体抗剪性能的关键性根系径级，且狗牙根的各径级指标在根系直径≤0.2 mm的径级范围内显著大于三叶草的。这与Bischetti等[27]，Mattie等[28]关于根系和土壤抗剪性能关系的研究结论类似。这可能是由于细根更有利于增加根-土复合体的抗剪性能，细根在复合体中纵横交错，与土壤颗粒之间的接触面积最大，从而引起细根与土壤颗粒的摩擦力量变过程，有效地增大了复合体的内摩擦角，且细根弹性较好，当复合体发生剪切破坏时，可发挥出最优的抗拉强度；粗根自身的抗拉强度虽大，但比表面积小，粗根与土壤颗粒的内摩擦角小，受力时易完整地从土体中分离，仅发挥出部分抗拉强度，因此粗根对复合体抗剪性能的改善效果不明显。此外，细根是植物根系中最活跃的部分，细根的大量存在能产生丰富的有机胶结物质，增加复合体的粘聚力，进而更有利于提升根-土复合体的抗剪性能[29-30]。

4 结论

1)狗牙根的根系总体指标和径级指标均优于三叶草，且当根系直径≤0.2 mm时狗牙根的径级指标显著优于三叶草的各径级指标。狗牙根和三叶草的细根虽总体积较小，但根系分布广泛，错综复杂；粗根总体积较大，但根系量少。

2)狗牙根和三叶草均能有效改善土壤的理化性质，并有效增加1～0.05 mm粒径的微团聚体含量和减少<0.01 mm粒径的微团聚体含量。其中狗牙根的效果最明显，更能通过根系的作用增加土壤有机质含量、改善土壤环境和团聚土壤颗粒。

3)两种草类均能有效提高根-土复合体的抗剪性能，较之三叶草，狗牙根根系提高根-土复合体抗剪性能的效果最佳，与对照相比，狗牙根的内摩擦角和粘聚力分别增加了10.37%和66.36%，三叶草的增加了1.14%和34.22%。影响根-土复合体抗剪性能的关键性指标有，土壤容重、总孔隙度、毛管孔隙度、1～0.05和0.01～0.005 mm粒径的微团聚体含量、总根长密度(RLD)和0.7<根系直径≤0.9 mm径级的根体积密度。根系直径≤0.2 mm是影响土体抗剪性能的关键性径级。

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