黄土高原陡坡土坎植被根-土复合体抗剪强度研究

2021-04-08王莉茹康永祥巫翠华申旭芳

西北林学院学报 2021年2期

王莉茹，康永祥，巫翠华，李华，申旭芳

(西北农林科技大学林学院，陕西杨陵 712100)

黄土高原地形破碎、土质疏松、黄土垂直节理发达，夏季降雨集中，极易发生重力侵蚀，不仅加剧了水土流失，还容易引发自然灾害，严重威胁着农业和林业的土地安全[1-2]。植被是黄土高原控制水土流失和减少重力侵蚀的重要生物措施[3-4]，不同植物根系通过“锚固”和“加筋”的固土效应，对提高土壤稳定性，防止重力侵蚀[5-6]，具有重要作用。为此，国内外学者围绕植被护坡、护坎机理开展了系列研究，已成为水土流失治理研究的热点[7-8]。抗剪强度是指在剪切应力的作用下，能够抵抗土壤颗粒或土壤团粒因发生持续剪切而引起剪切破坏的阻力[9]。目前，关于植物根系提高土壤抗剪强度的研究已有较多报道，多数集中在边坡植物根系固土和护坡等方面。邓卫东等[10]研究表明植物根系具有增强土壤稳定性的作用，且根系的分布位置和形态都对根系固土作用有显著影响，边坡中上部的植物根系有更好的固土作用；李建兴等[11]指出直径≤5 mm径级的根系能显著提高土壤抗剪强度，且香根草提高土壤抗剪强度的作用最强；王月等[12]研究认为小叶杨和白羊草的混合根系在浅层边坡提高抗剪强度的作用最强；周霞等[13]研究表明紫花苜蓿最高能提高土体89.41%的抗剪强度，且在浅表层的增强效果最明显。此外还有研究表明，土壤抗剪强度受土壤含水量和土壤容重的影响[14-15]，但关于陡坡土坎自然植物根系对土壤抗剪强度的影响鲜有报道。本研究以黄土高原陡坡、土坎不同天然植物群落为研究对象，以素土作为对照，通过不同植物群落、不同土层根-土复合体抗剪试验，探讨了不同植物根系密度指标与根-土复合体的抗剪强度的差异及其固土效应，旨在为黄土高原水土流失防控提供理论依据和技术支撑。

1 材料与方法

1.1 样地布设及土样采集

1.1.1 试验地概况调查和采样时间为2019年9月，试验样地选在黄土高原丘陵沟壑区陕西省长武县王东村王东沟流域，地理坐标在107°40′30″-107°42′30″E，35°12′-35°16′N。该区域处于半干旱半湿润地区，属温带大陆性季风气候。年平均气温为9.2℃，1月平均气温为-5.0℃，7月平均气温为22.1℃；年平均降水量为584.1 mm，降水量年内分布不均，夏季降水量为全年的57%，雨热同期；陡坡土坎自然生长的灌木主要有白刺花(Sophoradavidii)、酸枣(Ziziphusjujubavar.spinosa)、紫穗槐(Amorphafruticosa)、兴安胡枝子(Lespedezadaurica)、杠柳(Periplocasepium)等，草本主要有茵陈蒿(Artemisiacapillaris)、铁杆蒿(Artemisiasacrorum)、茭蒿(Artemisiagiraldii)、冰草(Agropyroncristatum)等。

1.1.2 样地布设以陡坡、土坎自然生长的6种典型群落类型为调查对象，以土坎垂直面自然边界为样线，根据植被带的宽度，向内扩2～3 m，设置2 m×15 m和3 m×10 m 2种类型的狭长样地，每个样地内每隔2～4 m布设1个2 m×2 m的能够代表群落特征的样方，共布设3个，用于灌木和草本种类和盖度调查，并在其中设置1 m×1 m的小样方进行土壤样品采集。各群落的发育时间通过走访当地年长群众，在了解土坎形成时间的基础上推断得出，样地信息如表1。

表1 样地信息

1.1.3 土样采集在1 m×1 m的小样方内，清除地表植被后，从上至下，分0～20、20～40 cm和40～60 cm 3个土层使用配套的环刀(d=6.18 cm，h=2 cm)沿垂直方向分段取原状土样，每层采取4个土样，3个小样方内各进行1次取样，1个样地共36个土样，样品用环刀盒装好并密封，并在试验地附近无植被覆盖的区域内用同样的方法采取相同土层的原状素土土样(不含根系土样)，带回实验室进行直剪试验。同时，选用100 cm2的环刀采集土样，进行含水量和容重测定，测定方法为烘干法[16]。各群落类型和素土的土壤性质测定结果见表2。

1.2 测试与计算方法

根-土复合体的抗剪强度采用南京土壤仪器厂生产的ZJ-2型等应变直剪仪进行测定，按照《土工试验规程》中直接剪切试验的方法进行安装和试验，试验时分别施加100、200、300 kPa和400 kPa 4种垂直压力，重复3次。

抗剪强度的计算：τ=CR

式中，τ—抗剪强度(kPa)；C—量力环校正系数(本试验使用的仪器为1.565 kPa/0.01 mm)；R—量力环中测微表最大读数，或位移6 mm时的读数，精确至0.01 mm。

表2 试验地土壤性质信息

抗剪强度增加值的计算：Δτ=τ-τ素土

抗剪强度增幅的计算：Δτ′=(Δτ/τ素土)×100%

将经过抗剪试验的土样根系洗出后进行扫描，使用WinRHIZO根系分析系统测量根系长度和面积，用烘干法测量根系生物量，重复3次。

根系重密度(RWD)=土样内根系生物量/土样体积(g/m3)

根长密度(RLD)=土样内根系总长度/土样体积(m/m3)

根面积密度(RSAD)=土样内根系总面积/土样体积(m2/m3)

1.3 数据分析

使用Excel 2007软件对数据进行整理和计算，使用SPSS 23.0软件对不同群落类型间根系密度指标、抗剪强度进行单因素方差分析和Duncan多重比较，采用回归分析对抗剪强度增加值和根系密度指标的相关性进行分析。

2 结果与分析

2.1 不同群落类型根系密度

根系密度通常采用3个指标：根重密度、根长密度和根表面积密度，是能够表征根-土复合体抗剪强度的重要参数[11]。根重密度是土壤单位体积内的根系生物量，能够反应植物地下根系的含量和生命力。各群落之间的根重密度差异显著(P<0.05)，3个土层的平均根重密度大小顺序为白刺花-铁杆蒿群落(2 757.07 g/m3)>杠柳-硬质早熟禾群落(1 084.95 g/m3)>多花胡枝子-冰草群落(907.27 g/m3)>沙棘-茭蒿群落(789.31 g/m3)>酸枣-硬质早熟禾群落(553.89 g/m3)>茵陈蒿群落(314.91 g/m3)，白刺花-铁杆蒿群落的根重密度显著高于其他群落类型(表3)。从垂直分布来看，所有群落不同土层之间的根重密度差异显著(P<0.05)，并表现出明显的随土层深度增加而降低的趋势，各土层均值的大小顺序为0～20 cm土层(2 101.06 g/m3)>20～40 cm土层(644.93 g/m3)>40～60 cm土层(457.71 g/m3)；在3个土层中，均为白刺花-铁杆蒿群落的根重密度最大，从上至下依次为5 716.67、1 503.67 g/m3和1 051.00 g/m3；茵陈蒿群落的根重密度最小，从上至下依次为551.33、209.67 g/m3和184.00 g/m3(表3)。

根长密度能够反映根系在土壤中的穿插、伸展和网结能力[12]，不同群落间的根长密度有显著差异(P<0.05)，3个土层的平均根长密度大小顺序为白刺花-铁杆蒿群落(17 886.22 m/m3)>多花胡枝子-冰草群落(12 794.11 m/m3)>杠柳-硬质早熟禾群落(10 862.98 m/m3)>沙棘-茭蒿群落(9 313.74 m/m3)>酸枣-硬质早熟禾群落(5 773.06 m/m3)>茵陈蒿群落(2 373.37 m/m3)，白刺花-铁杆蒿群落根重密度高于其他群落类型(表3)。从垂直分布来看，所有群落不同土层之间的根长密度差异显著(P<0.05)，茵陈蒿群落和多花胡枝子-冰草群落的根长密度随土层深度增加先降低后升高，其他群落类型的根长密度均随土层深度增加而降低，各土层均值的大小顺序为0～20 cm土层(20 896.42 m/m3)>20～40 cm土层(5 578.19 m/m3)>40～60 cm土层(3 027.12 m/m3)；在3个土层中，均为白刺花-铁杆蒿群落的根长密度最大，从上至下依次为39 106.67、9 276.67 m/m3和5 273.33 m/m3，在0～20 cm土层和20～40 cm土层中茵陈蒿群落的根长密度最小，分别为3 783.33 m/m3和1 583.33 m/m3，在40～60 cm土层中，酸枣-硬质早熟禾群落的根长密度最小，为1 453.33 m/m3(表3)。

根表面积密度能够反映根系与土体接触的紧密程度[17]，各群落类型的根表面积密度之间差异显著(P<0.05)，3个土层的平均根表面积密度大小顺序为白刺花-铁杆蒿群落(16.96 m2/m3)>多花胡枝子-冰草群落(8.72 m2/m3)>沙棘-茭蒿群落(8.14 m2/m3)>杠柳-硬质早熟禾群落(8.02 m2/m3)>酸枣-硬质早熟禾群落(4.87 m2/m3)>茵陈蒿群落(2.61 m2/m3)，白刺花-铁杆蒿群落的根表面积密度显著高于其他群落类型(表3)。从垂直分布上来看，所有群落不同土层之间的根表面积密度差异显著(P<0.05)，茵陈蒿群落的根表面积密度随土层深度增加先降低后升高，其他群落类型的根表面积密度均随土层深度增加而降低，各土层均值的大小顺序为0～20 cm土层(16.98 m2/m3)>20～40 cm土层(4.79 m2/m3)>40～60 cm土层(2.90 m2/m3)；在3个土层中，均为白刺花-铁杆蒿群落的根表面积密度最大，从上至下依次为34.89、10.02 m2/m3和5.97 m2/m3；在0～20 cm土层和20～40 cm土层中茵陈蒿群落的根表面积密度最小，分别为4.21 m2/m3和1.50 m2/m3；在40～60 cm土层中，酸枣-硬质早熟禾群落的根表面积密度最小为1.23 m2/m3(表3)。

根重密度、根长密度和根表面积密度在各群落之间的变化趋势大致相同，在垂直分布上，0～20 cm的根系密度指标值显著高于其他土层深度，且随土层变化的趋势大致为随土层深度增加而降低，其中只有茵陈蒿群落和多花胡枝子-冰草群落的根长密度以及茵陈蒿群落的根表面积密度随土层深度增加先降低后升高(表3)。可能是因为这2个群落类型在40～60 cm土层中细根含量较多，尽管根重密度低于20～40 cm土层，但其根系更长、根表面积更大，同时也能说明茵陈蒿群落在40～60 cm土层中根长密度和根表面积密度大于酸枣-硬质早熟禾群落。综上可知，所有群落类型在表层土壤中都具有较强的固土能力，白刺花-铁杆蒿群落的根系密度指标值在3个土层中的均大于其他群落类型，不仅能有效防止表面土壤被冲刷，也能有效防止深层土壤发生坍塌，茵陈蒿群落仅在表层土壤中具有一定的固土能力，其整体的固土能力较差。

表3 不同群落类型不同土层根系密度指标

2.2 不同群落类型根-土复合体抗剪强度及增加值

所有群落类型的抗剪强度均显著高于素土的抗剪强度(P<0.05)，3个土层的平均抗剪强度大小顺序为白刺花-铁杆蒿群落(252.73 kPa)>沙棘-茭蒿群落(247.27 kPa)>多花胡枝子-冰草群落(243.25 kPa)>杠柳-硬质早熟禾群落(241.42 kPa)>酸枣-硬质早熟禾群落(238.63 kPa)>茵陈蒿群落(232.27 kPa)>素土(219.75 kPa)，白刺花-铁杆蒿群落的抗剪强度显著高于其他群落类型的抗剪强度(P<0.05)(表4)。在垂直分布上，各群落类型根-土复合体及素土的抗剪强度随土层深度增加的变化规律并不一致，多花胡枝子-冰草群落和白刺花-铁杆蒿群落的抗剪强度表现出随土层深度增加而降低的趋势，茵陈蒿群落、酸枣-硬质早熟禾群落、沙棘-茭蒿群落和杠柳-硬质早熟禾群落的抗剪强度表现出随土层深度增加先降低后升高的趋势，素土的抗剪强度表现出随土层深度深度增加而升高的趋势(表4)。产生这种差异主要原因是土壤的抗剪强度同时受土壤自身性质和根系的影响，抗剪强度与土壤容重呈正相关关系，与含水量呈负相关关系[15]，在所有群落类型和素土中，土壤含水量随土层深度增加而降低，土壤容重随土层深度增加而升高(表2)。因此素土的抗剪强度随土层深度增加而降低，而各群落类型的根-土复合体的抗剪强度受根系作用的影响表现出与其不同的变化趋势(表4)。在所有群落类型中，0～20 cm土层中根-土复合体的抗剪强度均为最大值，说明表层土壤中根系显著提高了土壤的抗剪强度，多花胡枝子-冰草群落和白刺花-铁杆蒿群落的抗剪强度随土层深度增加而降低，与根系密度指标的变化趋势一致(表4)。说明在这2个群落中根-土复合体的抗剪强度受根系的影响较大；茵陈蒿群落、酸枣-硬质早熟禾群落、沙棘-茭蒿群落和杠柳-硬质早熟禾群落的抗剪强度随土层深度增加先降低后升高(表4)。可能是因为这些群落类型在20～60 cm土层的根-土复合体的抗剪强度受土壤性质的影响较大，即使20～40 cm土层的根系密度指标值较40～60 cm土层深度大，也没有使该土层的抗剪强度增加至高于40～60 cm土层深度的程度。

相对于各层次素土抗剪强度，不同群落抗剪强度的差值(Δτ)可以衡量植物根系对根-土复合体抗剪强度的贡献。抗剪强度的差值的大小顺序为白刺花-铁杆蒿群落(32.98 kPa)>沙棘-茭蒿群落(27.53 kPa)>多花胡枝子-冰草群落(23.50 kPa)>杠柳-硬质早熟禾群落(21.67 kPa)>酸枣-硬质早熟禾群落(18.88 kPa)>茵陈蒿群落(12.53 kPa)，增幅分别为15.01%、12.53%、10.69%、9.86%、8.59%和5.70%(表4)。白刺花-铁杆蒿群落的抗剪强度增加值最大，其具有较强的固土能力，茵陈蒿群落的增加值最小，其固土能力较差。从垂直方向来看，各群落类型的抗剪强度增加值随着土层深度增加而降低，0～20 cm土层抗剪强度增幅范围为11.57%～21.80%，20～40 cm土层抗剪强度增幅范围为4.63%～15.42%，40～60 cm土层抗剪强度增幅范围为1.31%～8.52%，0～20 cm土层抗剪强度增幅最大(表4)，表层土壤中植物根系提高抗剪强度的作用最强。具有最大根系密度指标值的白刺花-铁杆蒿群落同时具有最大的抗剪强度增加值，且抗剪强度增加值与根系密度指标在垂直分布上具有相同的变化趋势(表4)，说明抗剪强度增加值与根系密度指标具有一定的相关性，根系对提高土体的抗剪强度具有重要的作用。

表4 不同群落类型根-土复合体抗剪强度及增加值比较Table 4 The shear strength and increasing value of each community

2.3 根系密度指标与抗剪强度增加值相关性分析

从图1可以看出，抗剪强度增加值与根重密度、根长密度和根表面积密度均呈正相关的对数函数关系，其关系式分别为：y=10.89ln(x)-48.19(R2=0.85)，y=9.69ln(x)-61.23(R2=0.83)和y=10.36ln(x)+5.85(R2=0.85)。抗剪强度的增加值随着根重密度、根长密度和根表面积密度的增加表现出先急剧增加后缓慢增加的趋势，说明在根系含量较低的时候，随着根系含量增加，根系提高抗剪强度的作用较明显。

图1 根系密度指标与抗剪强度增加值回归分析Fig.1 Regression analysis betweenroot density index and shear strength increasing value

3 结论与讨论

3.1 讨论

根系通过“锚固”和“加筋”作用增加土壤的抗剪强度，根重密度、根长密度和根表面积密度是能够表征根-土复合体抗剪强度的重要参数，通过对不同群落类型的植物根系密度指标进行比较分析，6种群落类型之间的根重密度、根长密度和根表面积密度均具有显著差异，不同群落类型根系密度指标存在差异是因为其演替时间不同。研究表明，随着演替时间增加，植物根系生物量、根系长度、根系表面积等指标也逐渐增加，且分布逐渐加深[18-19]，白刺花-铁杆蒿群落是经过较长的演替时间而形成的群落类型，物种种类和数量较多，因此根系含量多且分布深，其根系延伸、穿插和网结土壤的能力最强。与土壤接触的根系面积最大，不仅能有效防止表面土壤被冲刷，也能有效防止深层土壤发生坍塌；茵陈蒿为经过人类扰乱后自然恢复2～3 a后形成的群落，物种数量较少，且多为浅根性的草本植物，因此根系含量较少且分布较浅，根系固土能力较弱。

通过对不同群落根-土复合体的抗剪强度进行分析，6种群落类型的根-土复合体的抗剪强度之间存在显著差异，且均显著高于素土的抗剪强度，其中白刺花-铁杆蒿群落根-土复合体的抗剪强度在所有群落中最大，为252.73 kPa；素土的抗剪强度有明显随土层深度增加而升高的趋势，而多花胡枝子-冰草群落和白刺花-铁杆蒿群落的抗剪强度表现出随土层深度增加而降低的趋势，茵陈蒿群落、酸枣-硬质早熟禾群落、沙棘-茭蒿群落和杠柳-硬质早熟禾群落的抗剪强度表现出随土层深度增加先降低后升高的趋势。产生这种差异的原因主要是抗剪强度同时受根系和土壤性质影响，抗剪强度与土壤容重呈正相关关系，与含水量呈负相关关系，与根系密度指标呈正相关关系。各群落类型的根-土复合体的抗剪强度在根系和土壤性质的共同作用下，表现出与素土不同的变化趋势：所有群落类型中表层土壤根系含量最大，对抗剪强度产生的增加作用最强，因此表层土壤的抗剪强度最大；多花胡枝子-冰草群落和白刺花-铁杆蒿群落中根-土复合体的抗剪强度受根系的影响较大，根-土复合体的抗剪强度随土层深度增加而降低；茵陈蒿群落、酸枣-硬质早熟禾群落、沙棘-茭蒿群落和杠柳-硬质早熟禾群落中土壤根系在20～60 cm土层深度的根-土复合体的抗剪强度受土壤性质的影响较大，因此根-土复合体的抗剪强度随土层深度增加先降低后升高。

在所有群落中，白刺花-铁杆蒿群落相对于素土抗剪强度的增加值最大，为32.98 kPa，且根-土复合体相对于素土的抗剪强度增加值随土层深度增加而降低。对各群落类型的根系密度指标和抗剪强度的增加值进行回归分析，抗剪强度增加值与根重密度、根长密度和根表面积密度呈对数函数关系。杨亚川等[20]指出，植物根系的存在对土壤产生“加筋”作用，增加了根-土复合体的内摩擦角和粘聚力，从而增加根-土复合体的抗剪强度，但当根系增加到一定程度，单位体积内土壤变少，根土接触面积一定，内摩擦角不再增大[12]。因此抗剪强度增加值与根系密度指标值呈对数函数关系，抗剪强度增加值随着根系含量增加先急剧上升后趋于平缓。

本研究在分析根系密度指标的基础上，对黄土高原陡坡、土坎上自然植被的根-土复合体的抗剪强度及其抗剪强度增加值进行了研究，根-土复合体的抗剪强度增加值与根系密度密切相关，因此在进行植被建造时，应选择根系发达且根系分布较深的植被组合；在本研究中，从根系密度指标和抗剪强度两方面看，均为白刺花-铁杆蒿群落具有最佳的固土作用，在进行固沟保塬工作时，应选择该种植物组合进行人工植被的构建。本研究仅对不同土坎群落类型的根-土复合体进行了研究，建议在此基础上开展建群种根系抗拉强度的后续研究，为黄土高原丘陵沟壑区固沟保塬工作提供准确的植物材料选择依据。