静水条件下植物根系对紫色土的抗蚀性效应

李纪滕 夏振尧 刘琦 张伦 张保华 潘婵娟 杜祥运 许文年

摘要：三峡库区广泛分布的紫色土崩解造成严重的水土流失，在该区域人工构建植被是解决该问题的重要途径。以紫色土、狗牙根和多花木蓝为研究对象，通过静水崩解试验，研究不同植物根系组合下紫色土的抗蚀性能，分析紫色土的杭蚀性能与植物根系特征、侵蚀坡度的相互关系。结果表明：植物根系能显著提高紫色土的土壤平均质量直径（MWD）、杭蚀系数和杭蚀增强系数，植物根系组合的杭蚀增强效果为草灌混播>纯草本>纯灌木；紫色土的抗蚀系数随根系的根长密度、根表面积密度、根重密度的增大而增大，拟合优度在0.96以上，成显著相关关系；相同的种植条件下，累计崩解量随侵蚀坡度的增大而增大，且在崩解前期增速较快、后期增速较慢并逐渐趋于稳定。

关键词：紫色土；抗蚀系数；土壤团聚体；根系特征；侵蚀坡度；累计崩解量

中图分类号：S157.1 文献标志码：A doi：10.3969/i.issn.1000-1379.2018.02.019

1 研究背景

三峡库区消落带水土流失的主要原因之一是土壤崩解。紫色土是侵蚀性土壤，其成土母岩构造疏松，易于风化，成土母质风化后很容易被侵蚀，从而使得露出地表的母质层持续崩解。三峡水库周期性蓄水、泄洪，形成的消落带最高水位落差为30m，使库区两岸坡地周期性浸泡和露出水面。周期性的水位变化加剧了水土流失，对三峡库区的生态环境和长江航运产生不利的影响。目前，在消落带采用人工构建植被的手段是解决三峡库区生态环境的重要途径之一。消落带原有的植物在水库水位的涨落环境中不易生存，且紫色土在三峡库区广泛分布，占土地面积的19%～40%，将导致水库两岸产生较为严重的土壤侵蚀和水土流失，影响三峡库区的生态环境。

土壤抗蚀性是指土壤抵抗侵蚀营力对其分散、搬运的能力。已有研究表明，植物根系对土壤的抗蚀能力具有显著的增强作用。吴鹏等的研究表明，团聚状况、团聚度、大于0.25mm水稳性团聚体含量、结构破坏率、分散系数，可作为评价土壤抗蚀性的指标。植被主要通过改变土壤的自然环境而改变其抗蚀性，它是影响土壤抗蚀性能的重要因素之一。不同植被条件下，各土层间土壤抗蚀性指数差异显著。然而目前对静水浸泡根系提高土壤抗侵蚀研究较少。刘定辉等研究表明，有效根（根径小于1mm的细根）可增加有机质和土壤水稳性团聚体的含量，其密度与土壤的物理性质关系最为密切；王库研究得出，植物根系与土壤水稳性团聚体有较强的相关性，根径小于1mm的细根可提高水稳性团聚体的数量，在须根的穿插和缠绕以及活根的分泌物胶结作用下，增强土壤抗分散和抗悬浮的能力；吴淑安等发现植物根系对土壤的抗蚀性有显著提升，植物根系丰富的土壤比根系较少的土壤抗崩解的能力更加显著；张冀研究发现，植被有助于土壤水稳性团聚体的形成，并能改善土壤性质且维持较为稳定的土体结构。以往的研究大都通过环刀取样，获得含根系的土柱，然后放入水中进行静水崩解试验，并得出根长密度和根表面积密度可以作为表征土壤抗水蚀能力的重要参数。需要指出的是，以往研究土体崩解的试验中，土体周围均未受到约束，与库水浸泡土壤的实际情况存在较大差异。三峡库区地处丘陵地带，不同坡度的紫色土边坡表现出不同的重力侵蚀特征；同时，坡度不同导致土壤颗粒的分散方式不同，土样受到的约束和坡度是影响侵蚀强度的重要因素。

本文通过自制的静水崩解装置进行试验，研究不同植物根系组合下紫色土的抗蚀性能，探讨植物根系特征、侵蚀坡度与紫色土抗蚀性的关系，揭示植物根系增强紫色土抗蚀性效应。

2 材料与方法

2.1 试验材料

选取三峡地区常见的草本植物狗牙根和灌木植物多花木蓝作为试验研究对象。紫色土采自宜昌市秭归县茅坪镇橘园地下方的消落带，取地表层30cm以下污染较轻的深层土，去除土壤中的杂质，经风干、碾压，过5mm筛后，用筛分法测定土粒颗粒级配。土样的天然含水率、干密度、pH值、颗粒级配见表1。

将过筛后的土样采用静压法制成30cm×30cm×10cm（长×宽×高）的试样。根据狗牙根和多花木蓝最佳播种量计算得出，单播在30cm×30cm×10cm（长×宽×高）试样盒子中的播种量分别为1.2、0.8g，混播时的播种量分别为0.6、0.4g。植物种子均匀分布于试样中，每种播种形式设置5个试样，并设置5个无种子试样，共计20个试样。种植后，定期进行浇水养护，种植周期为1a。

2.2 试验方法

由于消落带只有一个面与水接触发生侵蚀，因此本试验的试样只有顶面与水发生接触，其他几个面都受到约束。采用的自制崩解装置如图1所示，将试样放在试样盒中，楔形体放置于水槽内部，试件的底平面与楔形体的斜面保持平行，同时楔形体尖端安装有防滑钉，防止试样盒在试验过程中滑落。为研究不同侵蚀坡度对紫色土崩解性能的影响，制作30°、20°、10°倾角的楔形体来模拟3种坡度。

将种植1a植物的试样剪去上部的植被，清理试样表层的杂物，根据土工试验标准及植物的实际生长情况，选用静压法制成30cm×30cm×10cm（长×宽×高）的试样种植植物，崩解试验采用10cm×10cm×10cm（长×宽×高）的方形取土器取土作为试样，每个崩解试样都放入试样盒中，设3组重复，每组3个崩解水槽。准备大小相同的3个崩解水槽，在每个水槽外壁标记相同高度的崩解水位作为试验水位。首先将3组试样盒和楔形体按图1分别放置于3個水槽中，然后沿着水槽壁向水槽中缓慢注水至试验水位，开始计时。

试验中，每个试样的浸泡时间分为7个阶段，分别在1、3、6、12、18、24、30min时取出试样，清理水槽中崩解后留下的土颗粒，放入铝盒中烘干，称量并记录崩解量，接着继续崩解试验，直至7个阶段全部完成。如果试样在30min之内崩解完成，则以实际完全崩解的时间作为本次试验最终的崩解时间。崩解完成后，将静置后水槽中的清水倒掉，把水槽内的土样装人铝盒烘干并称重。

崩解试验完成后，将试样放入孔径为1mm的细纱布中，用清水反复冲洗，直至获得干净的植物根系，将植物根系放入自封袋中并编号。利用WinRHIZO根系分析仪器测定根系的根长密度（单位土壤体积内根的总长度）、根重密度（单位土壤体积内根的干重）、根表面积密度（单位土壤体积内根系的总表面积）等参数，最后将根系放入80℃的恒温箱中烘72h，取出并称重得到根系的生物量。

运用Excel软件，绘制不同条件下紫色土的累计崩解量与崩解时间曲线、抗蚀性系数与根系参数（根长密度、根重密度、根表面积密度）之间的关系曲线，并进行相关性分析。

3 试验结果分析

3.1 土壤团聚体对抗蚀性的影响

种植纯灌木、纯草本和草灌混播的紫色土，干筛大于0.25mm的团聚体均占95%以上（见表2）。由表2可知，3种植物种植模式的土壤干筛团聚体大于0.25mm的含量为98.67%～99.05%，而土壤干筛团聚体大于0.25mm的比例越大，土体的抗蚀能力越强，说明植物根系对土壤的缠绕、固结作用提高了土壤的抗蚀性能，此结论与李阳兵等的研究结论一致。

土壤的团聚体含量越高，表明土壤的持水性、透水性越好，可减少地表径流、降低土壤被水侵蚀破坏的程度。不少学者对团聚体的组成进行了全面分析，提出了不同的评价标准，Y.L.Bissonnais等提出通过土壤平均质量直径（MWD）来比较土壤团聚体，认为MWD值越大，土体的抗蚀性越强。无根试样的MWD值为5.28mm，草灌混播、纯草本、纯灌木3种植物种植模式的土壤团聚体的MWD值明显增大，在5.88-6.56mm之间变化，MWD值的大小顺序为草灌混播>纯草本>纯灌木>无根试样（见表2），表明植物根系的生长有助于提高土壤中团聚体的含量和土壤的抗蚀性能。

3.2 植物根系參数对土壤抗蚀性的影响

研究发现，10°、20°、30°坡度条件下，抗蚀系数与根系参数之间的变化曲线相似，限于篇幅，本文以30°坡面为例，分析根系参数与土壤抗蚀系数之间的关系。

植物根系参数是影响土壤抗蚀性的重要因素。由表3可看出：在紫色土崩解试验中，土壤的累计崩解量为100.33～664.56g，采用3种组合模式试样的崩解量均比无根试样的显著减小；紫色土无根试样的平均崩解速度为22.152g/min，而其他3种种植后试样的平均崩解速度均明显减小；3种植物种植模式的紫色土抗蚀系数、抗蚀性增强系数比无根试样均有较大提升。

土壤抗蚀性采用土壤抗蚀系数来表示，土壤抗蚀系数是平均崩解速度的倒数，其值越大，抗蚀性越强。紫色土无根试样的抗蚀系数为0.045min/g，草灌混播、纯草本、纯灌木3种种植模式的土壤抗蚀系数均明显增大，其大小顺序为草灌混播>纯草本>纯灌木>无根试样，表明植物根系对土壤的缠绕固结作用抑制了土粒的分散，提高了土壤的抗蚀性。

土壤的抗蚀性增强系数为无根试样与有根试样平均崩解速度的差值和无根试样的平均崩解速度的比值。由表3可知，3种植物种植模式的土壤抗蚀性增强系数均为正值，说明植物能提高土壤的抗蚀能力，且土壤抗蚀性增强系数的大小与增强土壤的抗蚀能力正相关。

由图2可以看出，坡度一定（以30°坡面为例）的情况下，纯灌木、纯草本、草灌混播3种植物种植试样的抗蚀系数随试样土体中根系的根长密度的增大而增大。

从3种植物种植试样的抗蚀系数与根长密度的拟合曲线可以发现，不同种植模式下的曲线采用二次多项式函数拟合的效果最好，其拟合优度均在0.960以上（见表4）。由曲线拟合方程可知，土壤的抗蚀系数随着根系根长密度的增加呈现二次多项式函数增大的趋势。

由图3可以看出，试样崩解坡度一定（以30°坡面为例）的情况下，纯灌木、纯草本、草灌混播3种植物种植模式试样的抗蚀系数随试样土体中根系的根表面积密度的增大而增大。

3种植物种植模式试样的抗蚀系数与根表面积密度之间的关系，采用二次多项式函数拟合的效果最好，其拟合优度均在0.965以上（见表5）。由曲线拟合方程可知，土壤的抗蚀系数随着根系根表面积密度的增大呈二次多项式函数增大的趋势。

由图4可以看出，试样崩解坡度（以30°坡为例）一定的情况下，3种植物种植模式试样的抗蚀系数随根重密度的增大而增大。

3种植物种植模式试样的抗蚀系数与根重密度之间的关系，采用二次多项式函数拟合的效果最好，其拟合优度均在0.970以上（见表6）。曲线拟合方程表明，土壤的抗蚀系数随着根重密度的增大呈二次多项式函数增大的趋势。

3.3 不同坡度下3种植被根系对土壤抗蚀性的影响

10°、20°、30°坡度下无根试样、纯草本、纯灌木、草灌混播试样的土壤累计崩解量与崩解时间的关系见图5。在相同坡度条件下，无根试样的累计崩解量明显大于有根试样的，表明植物修复后紫色土的抗蚀性能显著提升。无根试样崩解前6min的累计崩解量增速较快，之后累计崩解量增速逐渐减缓；有植被试样崩解前3min的累计崩解量增速较快，之后累计崩解量增速逐渐减缓并趋于稳定。累计崩解量的大小顺序为无根试样>纯灌木>纯草本>草灌混播。

在相同植被种植条件下，坡度越大，试样的累计崩解量越大，且崩解试验前期的累计崩解量增速较快，后期累计崩解量增速减缓并趋于稳定，有根试样的累计崩解量远小于无根试样的，表明植物根系对土壤的缠绕、固结作用，有效抑制了土粒之间的分散，改善了土壤的理化性质，提高了土壤的抗蚀性，这与吴淑安等的研究结论一致。

4 结语

（1）草灌混播、纯草本、纯灌木3种模式试样的抗蚀性均比无根试样明显提升，有根和无根试样的抗蚀系数、抗蚀性增强系数的大小排序均为草灌混播>纯草本>纯灌木>无根试样。

（2）种植植物后的试样土壤团聚体的MWD值均比无根试样明显增大，其值大小为草灌混播>纯草本>纯灌木。

（3）试样土壤的抗蚀系数与土体中根系的根长密度、根表面积密度、根重密度之间成二次多项式函数关系，根长密度、根表面积密度、根重密度越大，土壤的抗蚀性越强。

（4）在相同坡度条件下，种植植物后的试样土壤累计崩解量明显比无根试样的小，累计崩解量大小顺序为无根试样>纯灌木>纯草本>草灌混播；无根试样的累计崩解量在崩解试验的前6min增速较快，之后累计崩解量增速逐渐减缓；种植植物的试样累计崩解量在崩解试验的前3min增速较快，之后累计崩解量增速逐渐减缓并趋于稳定。

（5）在相同植物种植条件下，试样的累计崩解量随坡度的增大而增大，且崩解试验前期的土壤累计崩解量增速较快，后期累计崩解量增速较缓且趋于稳定。

本文仅对静水条件下不同坡度、不同根系组合下三峡库区消落带紫色土壤抗蚀性进行了研究，水压力、水深、水力冲击等因素对土壤抗侵蚀的影响有待进一步研究。