紫色土区草篱根系对其根-土复合体抗剪和抗冲性能的影响

2021-11-22刘枭宏谌芸颜哲豪唐菡强娇娇齐越都艺芝

草业学报 2021年11期

刘枭宏，谌芸，颜哲豪，唐菡，强娇娇，齐越，都艺芝

（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）

紫色土集中于长江中下游地区，母质风化迅速使其成土快但易遭侵蚀，在多降水多丘陵的气候地质背景下，长期不合理的人类活动加剧了水土流失，尤以坡耕地最突出。不科学的农耕措施使坡耕地上坡土层稀薄，下坡泥沙沉积，严重阻碍了土壤的可持续利用和农业的可持续发展［1−2］。为此紫色土区推广实施了开挖水平沟、构建简易埂坎、地埂篱（以下简称草篱）等措施，其中草篱成效较显著［3−4］。草篱是指在坡耕地地埂下部的土坎上种植草本植物形成篱笆，有稳定埂坎和减少水土流失的作用［5−6］。其根系一方面穿插于土体增强摩擦力［7−8］，另一方面根系分泌物粘结土壤颗粒形成团聚体［9］，达到稳定土壤结构的目的。现有针对植物篱根系的研究多集中于其改良土壤结构、固持有机碳［1−3］等功效上，对其提高根−土复合体抗剪/冲性能的作用关注不够。

根系主要通过其形态特征、纤维素含量以及抗拉特性来影响根−土复合体的抗剪/冲性能。大量研究表明，根系形态能表征根系加固土壤的能力，与根−土复合体的抗剪/冲性能有显著的相关性［10−11］，根系的纤维素含量则能影响根系的抗拉特性，但少有研究将根系的纤维素含量与根−土复合体的抗剪/冲性能建立联系。有研究发现根系的抗拉特性与根系的抗剪性能有一定的相关性，但大部分是通过重塑土样的方式研究，不能完全替代原状土样，有一定局限性。鲜有文章指出根系抗拉特性对根−土复合体抗冲性能的影响。因此探明根系形态、纤维素含量、根系抗拉特性与根−土复合体抗剪/冲性能的相关性十分重要。同时，研究表明不同地区根−土复合体抗剪/冲性能良好的植物种各不相同，如甘肃滑坡区石榴（Punica granatum）、长江流域的香根草（Vetiveria zizanioides）根−土复合体的抗剪性能较高［12−13］，三峡库区扁穗牛鞭草（Hemarthria compressa）、喀斯特区的金银花（Lonicera japonica）根−土复合体的抗冲性能较高［14−15］。其原因是不同生境、不同植物种类下，根系的形态与纤维素含量均不同，可见植物种类也是研究不可忽略的因素。紫花苜蓿（Medicago sativa）是紫色土区常见牧草，有良好的生态经济效益，但研究发现紫花苜蓿固结地埂土壤的作用不及蓑草（Eulaliopsis binata）［4］，该区固土性能良好的牧草类草篱种有待探寻。拉巴豆（Dolichos lablab）产自热带、亚热带地区，有不亚于紫花苜蓿的经济效益，已有研究证明其根系具有良好的固土能力［6］，但在紫色土区未见拉巴豆根−土复合体抗剪/冲性能的相关研究。

鉴于此，本研究选取紫花苜蓿和拉巴豆在紫色土坡地构建草篱，分析2 种草篱的根系形态、纤维素含量、抗拉特性和根−土复合体抗剪/冲性能的差异，明确紫色土区草篱根−土复合体抗剪/冲性能及主要影响因素，为紫色土区草篱技术的进一步推广应用提供理论支撑。

1 材料与方法

1. 1 试验区概况

试验区位于重庆市北碚区西南大学紫色丘陵区坡耕地水土流失监测基地，东经106°26′，北纬30°26′，平均海拔约230 m，年均温约18 ℃，年均降水量约1100 mm，集中在5−9 月，属亚热带季风性气候，土壤为中性紫色土。选取一完整坡面开展试验，该坡地为耕地，植被覆盖率70%，田面坡度约10°，夏季种植红薯（Ipomoea batatas），冬季种植白菜（Brassica pekinensis），顺坡耕作。在该坡面选定立地条件一致的9 条地埂，埂下土坎约为30°，高0. 8 m，土层厚度20～30 cm，植被盖度较低，自然生草主要是麦冬（Ophiopogon japonicus）和野香草（Elsholtzia cyprianii）。

1. 2 试验设计及样品采集

本研究设计对照、紫花苜蓿草篱和拉巴豆草篱各3 条。2019 年3 月初，先清除埂坎杂草，再在土坎上顺埂开沟条播，开沟宽0. 1 m、深0. 1 m，长约6 m，共6 行，行间距0. 3 m，均匀地将紫花苜蓿或拉巴豆种子撒入沟中，并覆盖细土，覆土厚度约1 cm，播种密度分别为0. 029、0. 004 kg·m−2。草篱与田面之间布设有水平沟，减少了草篱与农作物对水分养分的竞争。试验期间及时除草，补种和浇灌。2019 年6 月底，草篱已成形。2019 年7 月上旬进行采样，采样条件为雨后放晴3 d 以上。采样时，紫花苜蓿和拉巴豆株高分别约为0. 4、0. 6 m，覆盖度分别达78. 0%、82. 0%。

整株根系采集：紫花苜蓿草篱和拉巴豆草篱各选取10 株标准株，采用完全挖掘法取出根系，连根带土带回实验室，方法参见Baum［16］。

根−土复合体采集：在标准株附近及对照各选取3 个采样点作为重复，采集抗剪、抗冲根−土复合体样本，具体方法参见唐菡等［6］。共计36 个抗剪复合体样本和9 个抗冲复合体样本。

1. 3 指标测定及计算方法

1. 3. 1 根系形态指标在抗剪/冲试验后，把每个样点4 个抗剪环刀里的所有根系作为1 个样本，1 个抗冲环刀里的所有根系作为1 个样本。采用EPSON（PERFECTION C700）根系扫描仪进行灰度扫描，根系分析系统（WinRHIZOPro. 2009）分3 个径级（0. 02. 0 mm，d 为直径）测定根长、根表面积、根体积，计算得到复合体的根长密度、根表面积密度、根体积密度。具体操作步骤参见谌芸等［17］。

1. 3. 2 根系纤维含量指标抗剪复合体把每个样点4 个抗剪环刀里的所有根系作为1 个样本；抗冲复合体把每个样点1 个抗冲环刀里的所有根系作为1 个样本，用微量法测定样本中纤维素、半纤维素和木质素含量，并计算木纤比，具体方法参见李合生［18］。

1. 3. 3 根系抗拉性能指标在标准株根系中剪取顺直、直径较均一的根作为抗拉样本，样本标距为50 mm，在根两端缠上医用胶带防脱落。所用微机控制电子万能试验机测力范围为0～5 KN，最小分度值为1×10−5N，夹具型号为DSA502A。因d>2. 0 mm 的根系较少，根系抗拉试验仅将根系分为2 个大径级（0

1. 3. 4 抗剪/冲性能指标抗剪强度用南京土壤仪器厂生产的ZJ 型应变控制式四联直剪仪测定，并根据库仑定律计算内摩擦角（φ）和粘聚力（c）。冲刷试验过程及抗冲指数的测定方法参见谌芸等［17］。

1. 4 数据处理

运用Microsoft Office Excel 2016 进行数据统计分析，采用IBM SPSS 22. 0 进行数据差异性检验（One-way ANOVA）和主成分分析。

2 结果与分析

2. 1 复合体中根系形态及纤维含量特征

2. 1. 1 复合体中根系形态特征紫花苜蓿和拉巴豆抗剪复合体中有超过90% 的根系直径小于1. 0 mm，且根体积密度（root volume density，RUD），根长密度（root length density，RLD）和根表面积密度（root surface area density，RSAD）大小关系均为：拉巴豆>紫花苜蓿；0. 0

表1 复合体中根系形态指标Table 1 Whole diameter root parameters of root-soil complex

紫花苜蓿和拉巴豆抗冲复合体中根系总体指标均无显著差异（P>0. 05），RLD 和RSAD 紫花苜蓿略高，RVD 则拉巴豆较高；除紫花苜蓿复合体RSAD 和RVD 以外，其余指标的优势径级均为0. 0

2. 1. 2 复合体中根系纤维含量特征紫花苜蓿和拉巴豆抗剪复合体中根系木质素（lignin）和纤维素（cellulose）含量的大小关系为：拉巴豆>紫花苜蓿，半纤维素（hemicellulose）含量和木纤比（wood fiber ratio）与之相反（图1A）。拉巴豆复合体根系的木质素含量较紫花苜蓿高2. 14%，有显著差异；紫花苜蓿复合体根系的半纤维素含量显著高于拉巴豆（P<0. 05）；二者纤维素含量和木纤比无显著差异（P>0. 05）。

紫花苜蓿和拉巴豆抗冲复合体中木质素含量和木纤比的大小关系为：拉巴豆>紫花苜蓿，半纤维素和纤维素含量则为：紫花苜蓿>拉巴豆（图1B）。复合体根系的木质素含量有显著差异（P<0. 05），具体表现为拉巴豆较紫花苜蓿高9. 41%；紫花苜蓿复合体根系的半纤维素含量显著高于拉巴豆（P<0. 05）；复合体根系的木纤比差距较大，拉巴豆较紫花苜蓿高出14. 73%。

图1 复合体中根系纤维含量Fig. 1 Chemical composition contents of root-soil complex

2. 2 根系抗拉特性

紫花苜蓿和拉巴豆根系抗拉试验总样本数为110，成功的样本数为84，成功率约为76. 36%，根系直径范围分别为0. 22～1. 76 mm、0. 29～1. 78 mm。

极限抗拉力的范围分别为2. 29～19. 76 N、3. 25～24. 58 N，平均极限抗拉力为拉巴豆（19. 76 N）>紫花苜蓿（14. 32 N）。同一径级，除径级Ⅰ以外，拉巴豆根系极限抗拉力均显著高于紫花苜蓿（P<0. 05）；同一草篱，除紫花苜蓿径级Ⅲ和径级Ⅳ，其余各径级间极限抗拉力均存在显著性差异（P<0. 05）。2 种草篱在0. 0紫花苜蓿（26. 66 MPa）。同一径级，除径级Ⅳ和Ⅱ以外，拉巴豆的抗拉强度均显著高于紫花苜蓿（P<0. 05）；同一草篱，各径级间的抗拉强度均有显著差异（P<0. 05）。2 种草篱在1. 0

图2 单根抗拉特性Fig. 2 Root tensile properties

极限抗拉力随根系直径的增大而增大，抗拉强度则相反，用幂函数拟合最佳。其中紫花苜蓿极限抗拉力与直径的拟合方程F1=11. 25D0.87，R2=0. 41，抗拉强度与直径的拟合方程T1=20. 22D−0.84，R2=0. 70；拉巴豆极限抗拉力与直径的拟合方程F2=14. 04D1.03，R2=0. 85，抗拉强度与直径的拟合方程T2=24. 74D−0.92，R2=0. 60。拟合方程的指数体现了抗拉特性随根系直径变化而改变得快慢程度，拉巴豆均高于紫花苜蓿。拟合方程的系数反映了根系直径对抗拉特性的贡献率，拉巴豆同样高于紫花苜蓿。从侧面反映了拉巴豆根系的抗拉特性优于紫花苜蓿。

2. 3 复合体的抗剪/冲性能特征

2. 3. 1 抗剪强度及其指标草篱复合体抗剪强度及其指标均优于对照（CK）（表2）。抗剪强度均随荷载的增大而增大，同一处理，CK 400 kPa 荷载下的抗剪强度较100 kPa 荷载下增加了2. 32 倍，紫花苜蓿增加了2. 06 倍，拉巴豆则是2. 14 倍；同一荷载下抗剪强度大小关系均为拉巴豆>紫花苜蓿>CK（P<0. 05），且在荷载100 kPa下，复合体的抗剪强度较CK 的增幅最大，紫花苜蓿和拉巴豆的增幅分别为29. 93% 和36. 32%，紫花苜蓿和拉巴豆分别在荷载200 和400 kPa 下，增幅最小，分别为15. 74% 和28. 67%。

表2 对照土体和草篱根-土复合体的抗剪强度及其指标Table 2 Shear strength of CK and grass hedgerows root-soil complex

内摩擦角的大小关系为：拉巴豆>紫花苜蓿>CK（P<0. 05），均有显著差异。紫花苜蓿和拉巴豆复合体较CK 的增幅分别为14. 57% 和24. 54%，可见拉巴豆的增幅最大，为紫花苜蓿的1. 68 倍；粘聚力的大小关系为拉巴豆>紫花苜蓿>CK，紫花苜蓿和拉巴豆较CK 的增幅分别为49. 93% 和71. 00%，拉巴豆增幅为紫花苜蓿的1. 42倍，但二者粘聚力无显著差异（P>0. 05）。综上，草篱根系能显著提高复合体的抗剪性能，尤其能改善复合体的粘聚力。

2. 3. 2 抗冲指数的动态变化抗冲指数的大小关系呈现为：拉巴豆>紫花苜蓿>CK（图3），紫花苜蓿最大抗冲指数是CK 的1. 26 倍，拉巴豆则是其2. 60倍。时间点相同时，复合体抗冲指数最大差值出现在第4 min，达到9. 82 L·g−1，最小差值出现在第1 分钟，为0. 58 L·g−1；随着冲刷时间变长，抗冲指数均快速增长，直至第4 min 达到峰值。拉巴豆复合体的平均增幅（5. 85 L·g−1·min−1）高于紫花苜蓿（2. 77 L·g−1·min−1），前4 min 紫花苜蓿复合体增幅先增后减，拉巴豆复合体增幅逐渐递增，增幅由4. 18 L·g−1·min−1增至11. 02 L·g−1·min−1。4 min 后抗冲指数均缓慢下降后趋于平稳；抗冲指数均能和冲刷时间较好地拟合成对数函数，拟合方程的R2值为拉巴豆略高于紫花苜蓿。拟合方程系数为拉巴豆约为紫花苜蓿的2 倍，由此可见拉巴豆复合体的抗冲指数随时间增长速度远高于紫花苜蓿。

图3 对照土体和草篱根-土复合体抗冲指数的动态变化Fig. 3 Dynamic changes of anti-scourability in root-soil complex and CK

2. 4 复合体抗剪/冲性能的主成分分析

为全面地评价2 种草篱根系对复合体抗剪/冲性能的影响，提取最能反映复合体抗剪/冲性能强弱的根系指标，选择根系形态特征：根长密度（X1）、根表面积密度（X2）、根体积密度（X3），抗拉特性：极限抗拉力（X4）、抗拉强度（X5）和纤维含量：纤维素（X6）、半纤维素（X7）、木质素（X8）进行主成分分析。其中主成分得分（FX）为因子载荷矩阵乘以各指标标准化值的总和，综合评分（F）为各主成分的方差贡献率乘以各主成分得分的总和。

2. 4. 1 根系对抗剪性能影响的主成分分析通过主成分分析发现第1 主成分贡献率达63. 212%，第2 主成分贡献率达21. 275%，累计方差贡献率达84. 486%，信息损失为15. 514%。特征值均大于1，满足主成分分析最高信息损失量的标准（表3）。第1 主成分较高荷载的指标为X1、X4、X5、X6、X7，其中X4载荷值最高，X1、X4、X7载荷相近且明显高于X5和X6。第2 主成分较高荷载的指标仅为X2。X3和X8在2 个主成分中的载荷均较低。可见，最能影响复合体抗剪性能的指标是根长密度、半纤维素含量以及极限抗拉力，其中极限抗拉力影响最大。复合体抗剪性能F=63. 212%F1+21. 275%F2。紫花苜蓿和拉巴豆F1相近，但紫花苜蓿F2为负值，远小于拉巴豆，使得紫花苜蓿的F 远小于拉巴豆（表4）。对比F1和F2，发现2 种草篱复合体抗剪性能F1明显高于F2，由此可知，第1 主成分对复合体抗剪性能的贡献较大，紫花苜蓿的根系表面积密度对复合体抗剪性能的影响力要弱于拉巴豆。

表3 主成分分析因子载荷矩阵和方差贡献率Table 3 The factor load matrix after principal component analysis and the variance contribution rate

表4 复合体抗剪/冲性能主成分得分及综合评分Table 4 The principal component score and comprehensive score of shear strength and anti-scourability for root-soil complex

2. 4. 2 根系对抗冲性能影响的主成分分析通过主成分分析发现第1 主成分贡献率达52. 583%，第2 主成分贡献率达21. 138%，第3 主成分贡献率达17. 137%，累计方差贡献率达90. 858%，信息损失为9. 142%。特征值均大于1，满足主成分分析最高信息损失量的标准（表3）。第1 主成分较高荷载的指标为X1、X4、X5、X7，其中X1载荷值最高，X1和X4载荷相近且明显高于X5和X7。第2 主成分较高荷载的指标仅为X2。第3 主成分较高荷载的指标仅为X6。X3和X8在3 个主成分中的载荷均较低。可见，最能影响复合体抗冲性能的指标是根长密度、半纤维素含量以及极限抗拉力，其中根长密度影响最大。复合体抗冲性能的F=52. 583%F1+21. 138%F2+17. 137%F3。紫花苜蓿F1高于拉巴豆，但紫花苜蓿F2和F3均为负，拉巴豆则为正，使得紫花苜蓿的F 小于拉巴豆（表4）。对比F1、F2和F3，发现2 种草篱复合体抗冲性能F1均明显高于F2和F3，由此可知，第1 主成分对复合体抗冲性能的贡献较大，紫花苜蓿根系表面积密度和纤维素含量对复合体抗冲性能的影响力要弱于拉巴豆。

3 讨论

主成分分析表明，根系主要通过根长密度、半纤维素含量以及极限抗拉力来影响根−土复合体的抗剪/冲性能，拉巴豆复合体综合得分高于紫花苜蓿，有研究得出过相似结论［6］。一方面是本研究草篱种植时间较短，根系多处于0. 0

根系穿插于土体增强摩擦力［7−8］，根系分泌物粘结土壤颗粒改良土壤结构［9］，有利于提高根−土复合体的抗剪/冲性能。本研究紫花苜蓿和拉巴豆的根系均显著增强了其根−土复合体的抗剪/冲性能，这与周萍等［4］、唐菡等［6］的研究结果相似。2 种草篱复合体抗剪性能各项指标均优于对照，尤其是粘聚力，土壤剪切过程中根系与土壤颗粒表面摩擦力及颗粒间嵌入作用产生的咬合力影响内摩擦角大小［10］，分泌物与土壤颗粒间胶结作用影响粘聚力大小［23］，所以内摩擦角、粘聚力一般随着根长、根表面积的增大而增大［24］，但二者随根系指标的增长均有极限值，达到峰值时将不再增长或有减小趋势。本研究结果与众多研究结论相似，也有研究结论略有不同。李建兴等［25］认为草类根系对土壤内摩擦角的提高程度更大。可能的原因是本研究植物种植时间较短，仅4 个月，根系尚处于生命活动的旺盛时期，有较多的分泌物［26］，可以促进土粒间的胶结作用。而李建兴等［25］植物种植时间长达2年，根系发育基本成熟，根系分泌物的减少相对削弱了根系提高土壤粘聚力的能力。本研究得出抗冲指数和冲刷时间呈对数正相关，这与谌芸等［17］的研究结果相似，但与唐菡等［6］和杨玉梅等［27］在黄壤区的研究结果有一定差异，不同的土壤类型造成的根系生长状况及根−土复合体结构性差异或是研究结果不同的主要原因。