种草和施用聚丙烯酰胺对荒坡紫色土抗剪和抗蚀性能的影响研究
2019-03-23周涛谌芸王润泽李铁唐菡翟婷婷刘枭宏
周涛，谌芸，王润泽，李铁，唐菡，翟婷婷，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)
紫色土是由其母质岩层在物理风化作用下形成的，具有成土性能差、土层薄且易侵蚀等特点，当遇到强降水时，水、土及养分流失严重。目前有关紫色土抗侵蚀性的研究主要集中在两方面，一是土壤侵蚀机理和过程、侵蚀强度的衡量因子研究；二是增强紫色土抗侵蚀性的措施研究，包括植被措施、化学措施和耕作措施等。植被措施中，植物根系在提升土壤抗侵蚀能力方面的作用非常大，主要通过根系自身的抗拉、抗剪等力学性能和根系对土壤理化性质的改善来实现的。根系自身的抗拉性能是影响根系提升土壤抗侵蚀能力的重要指标之一，在一定范围内，根系含量越多，植被对水土保持贡献越大，即存在最优含根量[1-2]，不同植被对土壤抗侵蚀能力提升效果也不同[3]。根系在土壤中进行生命活动，能有效增大土壤孔隙度、增强土壤入渗能力和储水能力、改善土壤养分状况等[4-5]，直接或间接的增强土壤的抗侵蚀能力。目前有关植物根系提升土壤抗侵蚀能力的研究虽多，但研究对象多集中在黄土高原地区和坡耕地上[6-7]，在紫色土区较难利用的荒坡地的研究则较少；有关荒坡的研究仅涉及植被恢复和恢复效果评价[8]，而对荒坡恢复过程中土壤抗侵蚀性的动态变化研究甚少；植物根系对土壤抗侵蚀性研究中，所选根系指标多为总体指标如总体平均根长密度、根系生物量等[9-11]，亦有区分须根、细根和粗根等，但径级划分不够细。化学措施中，聚丙烯酰胺(polyacrylamide, PAM)作为一种保水保肥效果显著的土壤改良剂被广泛应用于水土流失治理中。PAM因其良好的水溶性，易发生水解、交联等化学反应，从而对土壤颗粒的团聚产生直接且巨大的贡献[12-13]，直接改善土壤微环境，降低土壤容重、增加土壤入渗和储水能力[14-15]，并有利于保持土壤养分[16]，间接促进植物的生长，对根系、产量的增加等都有一定的作用[17-18]。目前国内外对PAM的研究虽多，但大部分是PAM对土壤物理性质的影响研究，而有关单施PAM、“草类+PAM”2种措施对土壤抗剪和抗蚀性能影响的对比研究则鲜有报道。
针对已有研究中存在的不足，为了探究草类种植和PAM施用对荒坡紫色土抗剪和抗蚀性能的影响，本研究选取狗牙根(Cynodondactylon)和三叶草(Trifoliumrepens)进行盆栽试验，试验土壤为荒坡紫色土，设计了对照、单植草类、单施PAM和复合措施(“草类+PAM”)4类处理，测定了根长、根表面积、根体积等根系指标和容重、含水率等土壤理化性质指标，计算了土壤的抗剪强度指标和抗蚀性指标，综合分析上述措施在荒坡紫色土水土流失防治初期的效果及特点，以期为荒坡紫色土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，大坝右岸约260 m处的荒坡(N 29°49′1″，E 106°24′48″)，属亚热带湿润季风气候，海拔278 m，年平均气温18.3 ℃，年均降水量1200 mm，年均日照时长1276.7 h。该荒坡为易侵蚀性荒坡，坡度约为35°，母质为紫色沙泥页岩，且有少量粗骨性砾石，植被覆盖度极低，母岩裸露，风化一层，剥落一层，流失一层，土层厚度不足5 cm，鲜有人为扰动。
1.2 试验设计
狗牙根和三叶草均为多年生草本，须根发达，且具有不定根，根茎节生根，生长周期短，其中狗牙根为3个季度，三叶草在温暖条件下可缩短至一年生，具有优质的水土保持效益。试验共设4类9个处理，每个处理3个重复，详见表1。于2015年12月采集所需供试土壤，采集时去除表层枯落物等杂质。将采集的土壤过5 mm筛后，装入花盆中(口径×底径×高：180 mm×125 mm×100 mm)稍微压实至容重约1.30 g·cm-3。土样制成后先浸水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2 d后，在相应处理中以适中的密度进行等密度播撒草种(0.3 g·盆-1)，同时施加对应浓度的PAM(中性，相对分子量300万，碱性条件下水解，水解度为20%)。试验期间常规管护，及时除杂草、补种和灌溉。
表1 试验处理 Table 1 Test treatments
1.3 试验方法
1.3.1样品采集 于2016年7月初采集花盆中的试样，采样前3 d样地内无拔草和灌溉。取样前先剪除植株茎叶，去掉枯落物和浮土层，用容重环刀(底面积20 cm2，高5 cm)垂直取样，共计27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，共计108个抗剪土样，同时用小铝盒(底面直径5 cm，高3 cm)采集相应的土样15～20 g进行自然含水率的测定；每个花盆取约500 g的散装土样，风干后测定土壤的微团聚体、机械稳定性团聚体、水稳性团聚体和有机质含量。
1.3.2指标测定 土壤容重和孔隙度(总孔隙度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度)的测定采用环刀法[19]，自然含水率的测定采用烘干法[19]，有机质测定采用重铬酸钾外加热法[20]；土壤微团聚体采用卡庆斯基法[19]，土壤机械稳定性团聚体和水稳性团聚体采用萨维诺夫法[19]；土壤抗剪强度采用ZJ型应变控制式直剪仪测定[21]；土壤抗蚀性指标[22]：水稳性团粒类因子[>0.25 mm的水稳性团聚体含量(water stable aggregates>0.25 mm，WSA0.25)、>0.5 mm的水稳性团聚体含量(water stable aggregates>0.5 mm，WSA0.5)]、团聚类因子(团聚度、分散系数)、无机粘粒类因子[平均重量直径(mean weight diameter，MWD)、几何平均直径(geometric mean diameter，GMD)]和可蚀性因子K分别采用《土壤物理性质测定法》[19]中的相关公式和Shirazi公式[23]进行计算。根长、根表面积和根体积采用EPSON PERFECTION V700 PHOTO扫描仪和WinRHIZO (Pro.2004c) 根系分析系统测定，分5个径级：0
1.4 数据处理
采用Microsoft Excel 2013进行数据处理和制图，SPSS 22.0进行差异显著性分析(Duncan法，P<0.05)和相关分析(Pearson，P<0.05，P<0.01)。
2 结果与分析
2.1 狗牙根和三叶草的根系特征
试验期间，草类枯落物不多，且未腐解就被人为清除，所以草类对土壤抗剪和抗蚀性能的影响主要是其根系产生的。由表2可知，施加30 g·m-3浓度的PAM能显著增加草类根系总体的根长密度、根表面积密度和根体积密度，施加60 g·m-3浓度的PAM处理没有显著差异。GY-PAM1处理较GY处理，上述根系总体指标分别提高了21.25%、11.98%、44.97%；SY-PAM1处理较SY处理，则分别提高了34.73%、34.30%、38.05%。
表2 狗牙根和三叶草根系的总体指标和径级指标 Table 2 The overall parameters and diameter parameters of C. dactylon and T. repens
注：表中数据为平均值±标准差(n=3)；不同小写字母表示在P<0.05水平上差异显著。下同。
Note:Data are means±standard deviation (n=3); Different lowercase letters indicate significant difference at the level of 0.05. The same below.
根系径级指标中，0
根表面积密度中，0
根体积密度中，对于GY、GY-PAM1、GY-PAM2，当根系径级为0
总体来看，施用PAM能有效提高草类根系的总体指标和径级指标，较施加60 g·m-3浓度的PAM，施加30 g·m-3浓度的PAM更能显著提高狗牙根和三叶草优势径级的各根系指标；狗牙根所有根系平均的根系指标与各径级的根系指标均优于三叶草。
2.2 草类根系和PAM对土壤理化性质的影响
土壤孔隙度分为：总孔隙度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度。一般来说，非毛管孔隙度的大小取决于团聚体的大小，随团聚体的增大而增大；毛管孔隙度则随着土壤分散度或结构破坏程度的增加而增加。表3中，单植草类能有效降低土壤容重，增大土壤含水率、孔隙度和有机质含量，其中GY能显著降低土壤容重、增大总孔隙度和毛管孔隙度(P<0.05)，较CK，分别增加了-7.19%、10.16%和9.64%，SY能显著降低土壤容重、增大土壤含水率(P<0.05)，增幅分别为-3.92%和100.00%。单施PAM能有效改善土壤的基本理化性质，其中30 g·m-3浓度的PAM能显著降低土壤容重，增大总孔隙度、非毛管孔隙度和有机质含量(P<0.05)，而60 g·m-3浓度的PAM对其改善效果较小。单植草类和单施PAM对土壤容重、含水率、孔隙度和有机质含量的改善效果差异性较小。“草类+PAM”则能极大地改善土壤的基本理化性质，同样表现出30 g·m-3浓度比60 g·m-3浓度的PAM改善作用强。GY-PAM1能显著降低土壤容重，降低幅度是GY-PAM2降低幅度的2.83倍，且GY-PAM1能显著增大土壤含水率、总孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度和有机质含量(P<0.05)，增幅分别为GY-PAM2增幅的4.48、1.34、1.05、1.60、2.37倍。
表3 不同处理的土壤容重、含水率、孔隙度、有机质含量特征 Table 3 Soil bulk density, moisture content, porosity, organic matter of different soil treatments
2.3 草类根系和PAM对土壤团聚特征的影响
干筛法能较少破坏土壤的有机胶结物质，从而测定土壤在自然状态下的机械稳定性团聚体含量，包括水稳性团聚体和非水稳性团聚体。由图1可以看出，相同处理对不同径级的机械稳定性团聚体含量影响不同，与CK处理相比，单植草类和单施PAM能显著增大2～5 mm粒级范围内的团聚体含量，而对1～2 mm粒级范围内的团聚体含量无显著影响，且能显著减少<1 mm粒级范围内的微团聚体含量，相同粒级单植草类和单施PAM处理之间的团聚体含量基本无显著性差异(P>0.05)。较其他处理，“草类+PAM”处理更能显著增大2～5 mm粒级范围内的团聚体含量和减少<1 mm粒级范围内的微团聚体含量(P<0.05)，改善效果为单一措施(单植草类、单施PAM)的1.96～4.43倍和1.59～3.16倍，而对1～2 mm粒级范围内的团聚体含量无显著影响(P>0.05)。“三叶草+PAM”处理的改善效果稍优于“狗牙根+PAM”处理，加施30 g·m-3浓度的PAM更有利于增大大粒级的团聚体含量，减少小粒级的团聚体含量。
图1 不同处理的团聚体分布特征Fig.1 Distribution characteristics of aggregates in different treatments 不同小写字母表示在P<0.05水平上差异显著。Different lowercase letters indicate significant difference at the level of 0.05.
湿筛法测得土壤的水稳性团聚体含量，能反映出土壤潜在的抗蚀能力。相同粒径不同处理对水稳性团聚体含量的影响不同，但不同措施内部各处理的水稳性团聚体含量基本无显著性差异(P>0.05)。2～5 mm粒级范围内水稳性团聚体含量大小顺序表现为：“狗牙根+PAM”处理>单施PAM处理>“三叶草+PAM”处理>单植草类处理>CK，且各措施之间具有显著性差异(P<0.05)。1～2 mm粒级范围内，较CK，“单施PAM”处理无显著性差异，其他处理则显著减少该粒径范围内团聚体含量，处理之间无显著性差异(P>0.05)。0.5～1 mm粒径范围内，仅单植草类和“三叶草+PAM”处理可有效增加该粒径范围内的团聚体含量。0.25～0.5 mm粒径范围内，仅“狗牙根+PAM”处理的团聚体含量显著小于CK(P<0.05)。总体而言，所有处理对土壤的水稳性团聚体的改善效果主要体现在2～5 mm粒级范围内，“狗牙根+PAM”处理效果最优，为CK的3.56倍。
同一处理不同粒径的微团聚体含量存在明显差异，均表现为随着粒径范围的减小微团聚体含量减少的特点，其中0.25～1.00 mm、0.05～0.25 mm范围的微团聚体含量明显大于其他粒径范围内的微团聚体含量。同一粒径不同处理对其土壤微团聚体含量的影响也具有明显差异，0.25～1.00 mm径级范围内，与CK相比，其他处理均能有效增加该粒级的土壤微团聚体含量，其中GY-PAM1处理的效果最为显著(P<0.05)，SY-PAM2处理次之，增幅分别为21.56%、16.53%。0.05～0.25 mm径级范围内，单植草类和单施PAM处理均能显著提高此粒径范围内的微团聚体含量，“草类+PAM”处理的微团聚体含量与CK无显著性差异(P>0.05)。0.01～0.05 mm粒径范围内，较CK，“狗牙根+PAM”处理无显著性差异(P>0.05)。<0.01 mm的粒径范围内，CK的微团聚体含量显著大于其他处理(P<0.05)。较60 g·m-3浓度的PAM，施加30 g·m-3浓度的PAM更有利于微团聚体中1～0.05 mm较大颗粒含量的增加和<0.01 mm较小颗粒含量的减少。
2.4 草类根系和PAM对土壤抗剪性能的影响
表4中，相同处理不同荷载下土壤/根-土复合体的抗剪强度均随着荷载的增大而增大。100 kPa荷载下，各处理均能显著增加土壤/根-土复合体的抗剪强度，其中“草类+PAM”处理的效果优于单植草类处理和单施PAM处理，且处理之间具有显著性差异(P<0.05)；200 kPa荷载下，GY-PAM1、GY-PAM2、GY之间无显著性差异(P>0.05)，对根-土复合体的抗剪强度增加效果最优，增幅分别为22.21%、18.51%、17.94%，较CK均具有显著性差异(P<0.05)；300 kPa荷载下，“狗牙根+PAM”/单施PAM/单植草类处理之间均具有显著性差异，“三叶草+PAM”处理之间则没有显著性差异，但所有处理土壤/根-土复合体的抗剪强度均显著大于CK(P<0.05)；400 kPa荷载下，各处理之间的差异显著性规律与300 kPa荷载下的规律一致(P<0.05)，GY-PAM1根-土复合体的抗剪强度最优，较CK增幅为21.77%。PAM和草类种类对内摩擦角φ的影响表现为：液施浓度为30 g·m-3对根-土复合体的内摩擦角φ的增加作用显著优于液施浓度为60 g·m-3(P<0.05)；狗牙根根系对根-土复合体的内摩擦角φ的增加作用显著优于三叶草(P<0.05)；“草类+PAM”处理的增加效果则更明显，与CK均具有显著性差异(P<0.05)，GY-PAM1的内摩擦角φ最大，为28.006°。PAM的浓度差异对于粘聚力c的影响并不显著，PAM1和PAM2的粘聚力c仅在数值上大于CK，有关植物根系的处理均能显著增加根-土复合体的粘聚力c(P<0.05)，其中GY-PAM1增加效果最优，增幅为98.16%。
注：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%。
Note: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%.
2.5 草类根系和PAM对紫色土抗蚀性能的影响
土壤的抗蚀性是指土壤抵抗水的分散和悬浮的能力，抗蚀性的大小主要与土壤颗粒之间的胶结力和土壤对水分的亲和力有关。不同处理对土壤抗蚀性的影响见表5。较CK，PAM1、PAM2、GY-PAM1显著增加了>0.25 mm的土壤团聚体含量(P<0.05)，增幅分别为14.65%、10.44%、10.26%；PAM1、PAM2、GY-PAM1、GY-PAM2显著增加了>0.5 mm的土壤团聚体含量(P<0.05)，增幅为4.68%～19.25%。各处理均能有效增加土壤颗粒的团聚度，其中GY-PAM1效果最优，GY-PAM2、GY次之，与CK均具有差异显著性(P<0.05)，其团聚度分别为42.17%、42.02%、41.77%。所有处理均能大幅降低土壤颗粒的分散系数，与CK处理相比基本都具有显著性差异(P<0.05)，降低幅度平均为40.48%。土壤团聚体直径通常用平均重量直径MWD和几何平均直径GMD来表示，从团聚体的大小上表征土壤团聚情况。较CK，各处理均能增大土壤的平均重量直径MWD，GY-PAM1、GY-PAM2、SY-PAM2、PAM1、PAM2均与CK的土壤平均重量直径有显著性差异(P<0.05)；各处理对土壤的几何平均直径GMD的作用和对土壤的平均重量直径MWD作用类似，增幅为0～31.58%。各处理中仅GY-PAM1、GY-PAM2、SY能显著减小土壤的可蚀性因子K值(P<0.05)。总体而言，PAM浓度对土壤的抗蚀性影响同样表现为液施浓度为30 g·m-3的作用优于液施浓度为60 g·m-3。
注：WSA0.25、WSA0.5分别表示>0.25 mm、>0.5 mm的水稳性团聚体含量。下同。
Note:WSA0.25, WSA0.5indicate the water stable aggregate content in >0.25 mm, >0.5 mm. The same below.
2.6 相关分析
Pearson相关分析(表6)中，根长密度与复合体抗剪强度及其指标基本都呈显著或极显著正相关关系，RLD与抗剪强度、内摩擦角、粘聚力均呈极显著相关，相关系数为0.883、0.848和0.904。随着根系径级范围的增大，根长密度与复合体抗剪强度及其指标的相关系数不断减小，其中当d≤0.2 mm时，相关系数最大且为极显著正相关(P<0.01)。根长密度与复合体的各抗蚀性指标相关性不大，RLD与WSA0.25、WSA0.5、团聚度、MWD、GMD极显著正相关(P<0.01)；d≤0.2 mm、0.2
RSAD与抗剪强度、内摩擦角、粘聚力均显著正相关(P<0.05)，当d≤0.2 mm、0.2
根系总体指标RVD和各径级指标的RVD与复合体的抗剪强度及其指标极显著正相关(P<0.01)，相关系数最高可达0.871，根体积密度中，0.2 表6 抗剪强度及其指标、抗蚀性指标与根系指标的相关分析 Table 6 Correlation analysis between shear strength and its parameters and erodibility-resistance parameters and root parameters 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。RLD：根长密度；RSAD：根表面积密度；RVD：根体积密度。0.2，0.5，0.7，0.9，>0.9分别表示d≤0.2 mm、0.2 Note:“*” and “**” indicate significant correlations at the level of 0.05 and 0.01 respectively, under bilateral inspection; RLD: Root length density; RSAD: Root surface area density; RVD: Root volume density; 0.2,0.5,0.7,0.9,>0.9 showsd≤0.2 mm, 0.2 草类在水土流失治理中的作用包括：地上部分茎叶有效减小雨滴动能对土壤表层的溅蚀和地表径流对土壤表层的冲刷；地下部分根系对土壤起到加筋和锚固作用，能有效降低土壤容重、增加土壤养分和改善土壤微环境等，形成根-土复合体结构，从而有效增强土壤的抗侵蚀性。本试验中，狗牙根和三叶草的根系均能有效降低土壤容重和改善土壤微环境，并能显著增强土壤抗剪性能(尤其是土壤粘聚力)，且d≤0.2 mm的根系对上述性能的增强效果最为显著(P<0.05)。这与众多学者研究结果类似[25-28]，但李建兴等[21]的研究发现草类根系更利于土壤内摩擦角的增加。狗牙根和三叶草须根发达，根长密度大，与土壤形成稳定的根-土复合体，根系自身的抗拉能力显著增强了土体的抗剪性能(P<0.05)。此外，土壤中根系改善了土壤的微环境，改变了土壤的理化性状，从而间接增强了土体的抗剪性能。本研究结论与李建兴等[21]的略有不同，可能是因为土壤和草类的根系性状差别较大：李建兴研究的是耕作土，肥力较好，草类是香根草(Vetiveriazizanioides)、百喜草(Paspalumnotatum)、狗牙根和紫花苜蓿(Medicagosativa)，生长历时较长，根系径级分布广泛，而本研究的土壤为肥力低下的荒坡土，草类是狗牙根和三叶草，种植时间较短，根系主要分布在d≤0.2 mm径级。有研究表明极细根生命活动最为旺盛，能分泌出大量的有机胶结物质产生胶结力，而此胶结力正是土壤粘聚力的主要来源之一[21]，故而本研究中根系对荒坡土粘聚力的改善效果较内摩擦角更为明显。 本研究中PAM能有效改善土壤容重、非毛管孔隙度、有机质等土壤理化性质，PAM对土壤抗侵蚀性能的提升主要表现在抗蚀性方面，能显著提高紫色土抗蚀性指标WSA0.25、WSA0.5、MWD、GMD(P<0.05)，这与马斌等[18]、曹丽花等[29]的有关PAM对土壤水稳性、容重、养分状况等土壤特性的研究结果相似；本研究结果同时也表明液施浓度为30 g·m-3的PAM对土壤理化性质和抗蚀性的作用优于60 g·m-3。PAM与土壤颗粒的吸附作用表现为负电荷的PAM与土壤中众多阳离子相互吸引，当PAM长链状分子遇到粘粒时，异种电荷相吸使PAM分子内部吸附一些土微粒，分子间又以链桥的形式连接土微粒而形成更大的土壤颗粒，团粒结构的形成同时又增加了土壤的孔隙结构、土壤水分等，为土壤生物提供了更优质的生活环境，进而土壤养分增加，土壤颗粒团聚进入良性循环。一般情况下，PAM的浓度越高，其分子链上负电荷密度越大、羧基阴离子越多，吸附作用和促进土壤颗粒黏结的作用越强，但同时PAM分子链间的斥力也越强，分子链在土壤孔隙中伸展造成一定的堵塞，并且孔隙中重叠的分子链段也不能发挥出吸附和团聚分散土微粒的作用[30]。由CK、PAM1、PAM2处理之间的对比分析可知，PAM对土壤理化性质以及抗蚀性的改善程度与PAM浓度之间可能存在一定的函数关系，改善效果存在最优的浓度，具体浓度值仍需要更进一步的研究。 草类根系和PAM共同作用于土壤时，两者均发挥各自的优势，根系对复合体抗剪强度的提升效果最优，PAM对土壤团聚状况提升效果最优。本研究中，相比单植草类、单施PAM处理，“草类+PAM”处理能明显提高复合体的抗剪强度及其指标，但对土壤抗蚀性指标和土壤团聚状况，较单施PAM处理，则没有显著的提升效果，甚至WSA0.25、WSA0.5、MWD、GMD等指标有所下降。可能原因是土体中大量根系宏观地增强了复合体的抗剪性能，但根系在土体穿插、缠绕，难免会对PAM作用下新形成的团聚体造成破坏，从而造成团聚效果与单施PAM处理相似甚至不及的状况。草类根系和PAM共同作用于土体，对土壤的抗剪、抗蚀性能的影响非常复杂，目前尚无此方面的研究报道，还需要进行更多、更深入的试验探索。 1)单植草类、单施PAM、“草类+PAM”均能有效改善荒坡紫色土的理化性质，有效增强土壤的抗剪和抗蚀性能，尤其是复合措施“草类+PAM”。其中，PAM液施浓度为30 g·m-3的作用优于60 g·m-3，存在最优浓度值；狗牙根根系的作用优于三叶草。处理GY-PAM1的效果最优。 2)狗牙根根系较三叶草发达，根系指标较优。相关分析表明，根系中径级d≤0.2 mm是影响荒坡紫色土理化性质、抗剪和抗蚀性能的关键径级，径级0.2 3)草类根系有利于土壤粘聚力的增加，而PAM则有利于土壤内摩擦角的增加；较草类根系，单施PAM则更有利于荒坡紫色土的水稳性团聚体含量的增加和其团聚度和团聚结构的改善，同时更有利于紫色土微结构的改善，尤其是非毛管孔隙度(单施PAM为CK的1.15～1.31倍)。
3 讨论
4 结论
