不同植物根系对土质边坡土壤理化性质影响研究

曹婷婷 师晨迪

摘 要：近年来为减少水土流失和地质灾害发生，增加浅层边坡稳定性，以草本植被为主的边坡固定成为研究热点，草本植物的生长不仅能起到防护土质边坡稳定性的作用，还可对土壤特性产生影响。本项目在商洛地区开展紫花苜蓿、狗牙根和黑麦草3种常见护坡草本植物根系生长对土壤特性影响研究。结果表明：3种草本作物经过1a种植培育，土壤中粉粒含量均下降，降幅为7%～14%;土壤中粘粒含量均增高，增幅为15%～21%;随着作物根系分泌物不断增加，土壤中胶体含量增多，粘粒含量增多，作物的生长营造了适于土体正向演替的良好生境;毛管孔隙度减少了8%～17%，非毛管孔隙度减少了27%～68%;作物根系生长显著改善了土壤孔隙结构，进而降低了土壤膨胀性;3种草本作物种植处理下，有机质含量减少了15%～72%，作物生长及根系蔓延，显著消耗了土壤中有机质。草本植物在进行边坡护理的同时，对土壤理化性质产生显著影响。

关键词：植物根系;土壤性质;土质边坡

中图分类号：S289：156.5

文献标识码：A

DOI：10.19754/j.nyyjs.20201115004

收稿日期：2020-08-19

基金项目：陕西省土地工程建设集团内部项目“不同植物根系对土质边坡稳定性作用的微形态学机理研究”（项目编号：DJNY2019-15）

作者简介：曹婷婷（1990-），女，硕士，工程师。研究方向：土地整治。

绪论

植物护坡见效快、稳定性好、可持续性佳、经济实惠、稳定性强、有益于增进生物多样性，是一种广泛的护坡方式。边坡土壤在降雨、蒸发等自然条件下，根据天气变化处于干湿交替状态，特别是对于膨胀性土壤而言，胀缩过程及其产生的危害性更加明显[1-4]。商洛地区土壤大多属红褐土，且该地区多降雨，滑坡、泥石流等自然灾害频发，引起当地土质边坡侵蚀及水土流失，造成当地生态环境极度脆弱[5]。为了更好地开展水土保持工作，改善当地水土流失现象，进一步防控地质灾害的频繁发生，近年来，以草本植被为主的土质边坡的防护模式逐渐被研究人员关注[6-9]。根系是连接土壤与植物的中间介质，是植物生长、繁殖、发育的重要部分，根系可以从土壤中吸收水分和营养物质以满足自身生长的需要，其中地下生物量占据整个植株生物量的大部分[10-13]。根系因為植株自身生长特性不同，根系的分布格局也有很大差异，此外根系的生长格局还与土壤本身特性有很明显的相关关系，根系的生长分布情况会影响植株对土壤中营养物质的吸收以及根际周边环境的营造，进而影响微生物群落结构。主要是通过根系生长过程中对水分的吸收程度、根系分泌物的种类，以及微生物吸收代谢产物的不同，进一步影响土壤生态环境，进而对土壤的特性产生一定影响[14]。

根系除对土壤特性产生影响以外，还会对土壤力学性能产生一定影响。草本植被根系在穿插、缠绕过程中，与颗粒表面的摩擦力以及根系与颗粒间的嵌入作用产生的咬合力增强土壤胶结能力[15，16]，并且能够改善土壤环境，促进土粒的团聚，阻碍土壤收缩的产生。刘国彬[17]在对草本植被恢复不同阶段土壤抗冲性变化的研究中提出，根系缠绕、固结土壤，强化抗冲性作用有3种方式即网络串连作用、根土粘结作用及根系生物化学作用;康洁[18]研究表明根系在土壤中的穿插生长会对土壤孔隙产生一定影响，从而会对土壤的物理特性产生影响。

综上所述，植物根系在土壤中的缠绕加筋作用，对土壤胀缩过程存在一定阻滞作用，并且会对土壤特性产生一定影响，但是由于草本作物的根系生长对边坡土壤特性的影响没有定量化的定论。因此，本文选择紫花苜蓿、狗牙根和黑麦草3种常见护坡草本植物根系生长对土壤特性影响进行研究，以期为商洛地区“山水林田湖草项目”利用固坡植物选择提供一定理论基础。

1 试验区概况

试验采用田间小区试验，在陕西省商洛市商州区金凤山区南坡进行，选择护坡样地设置试验小区，试验对象选择水土保持常用的几种不同根系特征的草本植物，主要有黑麦草、狗牙根、紫花苜蓿。黑麦草是早熟禾科植物，丛生，根系发达;狗牙根为多年生深根杂草，以匍匐茎和种子繁殖;紫花苜蓿为多年生草本，根粗壮，根颈发达。实验区共设A、B、C、D共4个样区，其中D区为对照（裸露地），在各样区内进一步划分出3个面积为6m×4m的小区，每个品种重复3次，共12个小区。在A、B、C、D各区内，以株行距为30cm×35cm分别栽植紫花苜蓿、狗牙根和黑麦草。在栽培期间，各区进行定期除杂草、浇水等常规管理。

在植物盖度达到80%以上，植物根系生长成熟后，按照S型曲线，选择健壮的植株，确定采样点。去除植株的地上部分后，以植株为中心点，使环刀（底面积30cm2，高2cm）圆心与中心点重合，沿着植株竖直向下采集表层原状土样，由于植株根系不同，根系分布深度不同，每个小区取3个重复。将同一小区不同采样点的土壤进行混合，每个混合土样取500g左右带回实验室，用于测定土壤粒径组成、有机质、毛管孔隙度和非毛管孔隙度。

毛管孔隙度、非毛管孔隙度、总孔隙度均采用环刀法测定;土壤机械组成采用密度计法测定;有机质采用重铬酸钾-外加热法测定。

2 结果分析与讨论

2.1 不同作物根系下土壤粒径的变化

不同处理下，土壤粒径分布如图1所示。由图1可知，不同作物生长对土壤质地影响规律较为明显。黑麦草处理下，土壤中粉粒（0.05～0.002）含量较空白减少了7%;狗牙根处理下，土壤中粉粒（0.05～0.002）含量较空白减少了12%;苜蓿处理下，土壤中粉粒（0.05～0.002）含量较空白减少了14%。

黑麦草处理下，土壤中粘粒（<0.002）含量较空白增加了21%;狗牙根处理下，土壤中粘粒（0.05～0.002）含量较空白增加了17%;苜蓿处理下，土壤中粘粒（0.05～0.002）含量较空白增加了15%。

根据不同处理下土壤质地分析可知，土壤中粉粒含量均显著下降，而土壤中粘粒含量均显著上升。由于商洛土质偏黏，土壤本身粉粒含量较高，但随着作物生长，根系分泌物不断增加，土壤中胶体含量逐渐增多，粘粒含量增多，作物的生长营造了适于土体正向演替的良好生境。

2.2 不同作物根系下毛管孔隙度的变化

由图2可知，3种不同作物生长情况下，总毛管孔隙度较空白相比，黑麦草减少了19%，狗牙根减少了9%，苜蓿减少了16%;毛管孔隙度较空白相比，黑麦草减少了17%，狗牙根减少了8%，苜蓿减少了15%;非毛管孔隙度较空白相比，黑麦草减少了68%，狗牙根减少了27%，苜蓿减少了33%。

据分析可知，种植作物后，土壤中总孔隙度均显著下降，毛管孔隙度和非毛管孔隙度均显著下降，其中黑麦草和苜蓿孔隙度下降幅度较狗牙根更大。黑麦草是禾本科，根系非常发达，黑麦平均每天长出11490万条根毛，每天伸长80km多，从萌发到抽穗约有150亿条根毛。随着诸多根系的蔓延，在土壤中形成密集的根网，是3种作物中对土壤总孔隙度和非毛管孔隙度影响最显著的作物。苜蓿是豆科牧草，主根、侧根区分明显，主根直径约0.2～0.5mm之间，发达的根系蔓延显著降低了土壤毛管孔隙度。狗牙根属低矮草本植物，秆细而坚韧，下部匍匐地面蔓延甚长，节上常生不定根，单独根系簇小，单位面积内根系生物量较少，因此对于土壤毛管孔隙度和非毛管孔隙度影响较小。由此可知，根系生长布局对土壤孔隙度影响非常明显。根系发达的草本植物对土壤孔隙度影响最为显著，可以很大程度上降低土壤胀缩性。

2.3 不同作物根系下土壤有机质的变化

由图3可知，3种不同作物生长情况下，有机质含量较空白相比，黑麦草减少了72%，狗牙根减少了15%，苜蓿减少了21%。当地原本土壤中有机质含量较高，土壤肥力质量较好，在无任何人工培肥措施下，种植草本植物，经过一季作物的种植，3种作物处理下土壤中有机质含量下降非常显著：3种作物中黑麦草根系最为发达，对土壤中有机质的消耗量最显著;其次是苜蓿，苜蓿主根与侧根明晰，根系较其它草本作物粗壮，对有机质的消耗量较大;狗牙根属低矮植物，秆细而坚韧，下部匍匐地面蔓延，根系较前两者不太发达，对土壤中有机质的含量消耗较少。

3 总结

3种草本作物经过1a种植培育，土壤中粉粒含量均下降，降幅为7%～14%;土壤中粘粒含量均增高，增幅为15%～21%。3种草本作物种植处理下，毛管孔隙度减少了8%～17%，非毛管孔隙度减少了27%～68%。作物根系生长显著改善了土壤孔隙结构。3种草本作物种植处理下，有机质含量减少了15%～72%，作物生长及根系蔓延，显著消耗了土壤中有机质。

随着作物根系分泌物不断增加，土壤中胶体含量增多，粘粒含量增多，作物的生长营造了适于土体正向演替的良好生境。根系生长布局对土壤孔隙度影响非常明显。根系发达的草本植物对土壤孔隙度影响最为显著，可以很大程度上降低土壤胀缩性。黑麦草根系最为发达，对土壤中有机质的消耗量最显著，其次是苜蓿、狗牙根，根系不太发达的草本作物对土壤中有机质的含量消耗较少。

参考文献

[1] Gyssels G， Poesen J.The importance of plant root characteristics in controlling concentrated flow erosion rates[J].Earth Surface Processes and Landforms， 2003，28（4）：371-384.

[2]熊燕梅，夏漢平，李志安，等.植物根系固坡抗蚀的效应与机理研究进展[J].应用生态学报，2007，18（04）：895-904.

[3]陈安强，张丹，熊东红，等.元谋干热河谷坡面表层土壤力学特性对其抗冲性的影响[J].农业工程学报，2012，28（05）：108-113.

[4]王云琦，王玉杰，张洪江，等.重庆缙云山不同土地利用类型土壤结构对土壤抗剪性能的影响[J].农业工程学报，2006，22（03）：40-45.

[5]焦向杰.温度与土壤水分对玉米种子萌发及幼苗生长特性的影响[J].农业开发与装备，2020（05）：90.

[6]槐圣昌，刘玲玲，汝甲荣，闫志浩，王瑾瑜，王士超，邢婷婷，武红亮，卢昌艾，孙继英.增施有机肥改善黑土物理特性与促进玉米根系生长的效果[J].中国土壤与肥料，2020（02）：40-46.

[7]柯大钊.不同土壤类型对‘红香酥梨植株生长、光合特性及根系的影响[J].中国果树，2019（05）：65-70.

[8]张立恒，李清雪，王学全，贾志清，陈新均.高寒沙地中间锦鸡儿人工林根系分布及林下土壤特性研究[J].土壤通报，2019，50（04）：840-846.

[9]秦嘉惠，程谅，曹丹妮，郭忠录.两种草本植物根系对土壤可蚀性的影响[J].水土保持研究，2019，26（02）：55-61.

[10] 王兵.水分调控对冬小麦根系生长及吸水特性研究[D].太原：太原理工大学，2017.

[11]贾璐婷.欧李对生态脆弱区土壤质量改良效果与评价[D].晋中：山西农业大学，2017.

[12]安俊朋.秸秆条带还田对玉米根系分布及土壤理化特性的影响[D].沈阳：沈阳农业大学，2017.

[13]张玉，秦华东，黄敏，江立庚，徐世宏.氮肥运筹对免耕水稻根系生长、根际土壤特性及产量的影响[J].广西植物，2014，34（05）：681-685，621.

[14]于伟伟.臭氧污染对冬小麦根系生物学特性及根际土壤环境的影响[D].洛阳：河南科技大学，2014.

[15]韩甜甜，胡艳丽，毛志泉，沈向，束怀瑞.土壤不同介质界面对苹果根系构型和土壤特性的影响[J].中国农业科学，2012，45（17）：3639-3645.

[16]朱蔚利.林木细根和土壤特性对优先流运移的影响[D].北京：北京林业大学，2012.

[17]刘国彬.黄土高原草地土壤抗冲性及其机理研究[J].水土保持学报，1998（01）：93-96.

[18]康洁.玉米根系分布特征及其对土壤物理特性的影响[D].咸阳：西北农林科技大学，2013.

（责任编辑 周康）