南宏偉，賀秀斌，鮑玉海，王 莉，劉艷鋒

(1.中國(guó)科學(xué)院成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所山地環(huán)境演變與生態(tài)調(diào)控重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都610041;2.中國(guó)科學(xué)院 研究生院，北京100049)

三峽水利工程是我國(guó)最大、世界上為數(shù)不多的巨型水利樞紐之一，庫(kù)區(qū)移民、生態(tài)修復(fù)和環(huán)境整治是水庫(kù)高效安全運(yùn)行的關(guān)鍵，同時(shí)三峽庫(kù)區(qū)也是長(zhǎng)江流域生態(tài)屏障的咽喉和水安全的重點(diǎn)，生態(tài)戰(zhàn)略地位十分突出[1]。庫(kù)區(qū)分布有大面積的紫色土，其成土母巖多為泥鈣質(zhì)膠結(jié)，物理風(fēng)化迅速、固結(jié)性差，而且紫色土大多土層淺薄、有機(jī)質(zhì)含量低、結(jié)構(gòu)水穩(wěn)性弱、抗蝕力和抗沖力較弱，在降雨特別是暴雨的沖刷下極易造成嚴(yán)重的水土流失[2]。研究表明，三峽庫(kù)區(qū)坡耕地的土壤侵蝕和水土流失是庫(kù)區(qū)泥沙淤積的主要原因[3]，積極科學(xué)地治理水土流失是庫(kù)區(qū)生態(tài)環(huán)境建設(shè)工作的當(dāng)務(wù)之急。同水土保持工程措施相比，植物措施具有綜合效益顯著的優(yōu)點(diǎn)。大量研究表明，植物根系在穩(wěn)定土壤結(jié)構(gòu)、提高土壤抗沖性、防治土壤侵蝕方面的作用是其地上部分所無(wú)法比擬的;植被，尤其植物根系是改善土壤侵蝕環(huán)境的唯一最重要因素[4]。桑樹(Morus albaL.)為落葉喬木，生態(tài)適應(yīng)性強(qiáng)，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益，而且擁有極其發(fā)達(dá)的根系。賀秀斌等論證了在庫(kù)區(qū)發(fā)展蠶桑生態(tài)經(jīng)濟(jì)的可行性、發(fā)展?jié)摿σ约鞍l(fā)展模式，并指出其綜合效益顯著[1]。因此，從理論上闡明桑樹根系的水土保持作用機(jī)理對(duì)于三峽庫(kù)區(qū)水土流失治理具有重要的指導(dǎo)意義。

眾多研究表明桑樹具有顯著的水土保持效益，但相應(yīng)的機(jī)理研究還不夠深入[5-8]。土壤抗剪強(qiáng)度是指受到剪應(yīng)力作用時(shí)，土體抵抗土?；蛲翀F(tuán)因持續(xù)剪切而引起的剪切變形破壞的阻力[9]。土壤水蝕過程在力學(xué)層次的實(shí)質(zhì)是雨滴對(duì)土粒的擊濺剪切作用和徑流對(duì)土粒的沖刷剪切作用的過程綜合，因此土壤抗剪強(qiáng)度是區(qū)域水土流失評(píng)價(jià)中反映土壤力學(xué)特性的重要指標(biāo)之一[10]。本研究在重慶市忠縣石寶鎮(zhèn)選擇桑樹林地為研究對(duì)象，在分析桑樹根系形態(tài)分布特征的基礎(chǔ)上，評(píng)價(jià)其對(duì)紫色土土壤抗剪強(qiáng)度的影響，以期從土壤力學(xué)性質(zhì)角度揭示桑樹根系的水土保持作用機(jī)理，為三峽庫(kù)區(qū)水土流失治理提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于重慶市忠縣石寶鎮(zhèn)申家河小流域，流域面積約45.7 km2，地理坐標(biāo)為北緯 30°25'、東經(jīng) 108°10'，海拔 195 m。該區(qū)屬亞熱帶東南季風(fēng)山地氣候區(qū)，年均氣溫18.2℃，≥10℃的年積溫5 891.4℃，年均降水量1 172.1 mm，降雨多集中在6—8月，年日照時(shí)數(shù)1 327.5 h，無(wú)霜期341 d，霧日47.3 d，相對(duì)濕度80%。本區(qū)屬低山丘陵地貌，土壤為中性紫色土，質(zhì)地為中壤或輕壤，富含鉀、鈣、錳、鐵等礦質(zhì)元素，土層厚度一般在0.5～2.0 m之間。受地形限制，該處桑樹林地已近15年無(wú)人經(jīng)營(yíng)，幾乎未受人為活動(dòng)干擾。林地桑樹樹齡在20 a左右，平均高3.3 m，平均胸徑10.2 cm，株行距1.2 m×1.2 m。林下植被以狗尾草(Setaria viridis)、牛鞭草(Hemarthria altissima)、空心蓮子草(Alternanthera philoxeroides)、斑茅(Saccharum arundinaceum)和苧麻(Boehmeria nivea)為主。

2 材料與方法

2.1 樣品采集及處理

2009年11月下旬在桑樹林地內(nèi)選擇典型地段，沿行或列中央處開挖長(zhǎng)3 m、深40 cm的土壤剖面3個(gè)，從土壤表層開始，用標(biāo)準(zhǔn)環(huán)刀(200 cm3)每隔10 cm分層采樣。在各土壤剖面的每一水平分層中，以間隔60 cm設(shè)樣品采集點(diǎn)5個(gè)，每點(diǎn)采集三環(huán)刀土壤根系混合樣品，其中兩環(huán)刀樣品用于根系指標(biāo)測(cè)定，剩余樣品用于土壤容重測(cè)定，編號(hào)后帶回實(shí)驗(yàn)室備用。另于林地邊緣選擇自然條件相似的地段開挖對(duì)照土壤剖面，采樣方法同上。

新鮮桑樹根系為淡黃色，且極具韌性，不易折斷。將樣品攤于塑料布上，用鑷子仔細(xì)把桑樹根系揀出、揀盡，并去除樣品中其余雜質(zhì)，然后將根系樣品分別編號(hào)后保存于自封袋中備用。

2.2 根系掃描及指標(biāo)計(jì)算

將采集的根系樣品反復(fù)沖洗干凈后，置于掃描儀中獲取根系形態(tài)圖像，利用WinRHIZO軟件分析根系的長(zhǎng)度、體積、表面積等形態(tài)學(xué)指標(biāo)。依據(jù)根系直徑，將供試根系分為細(xì)根(＜2 mm)、小根(2～5 mm)和中根(5 ～20 mm)三級(jí)[11]。另為研究需要，將細(xì)根中直徑小于1 mm的根系定義為極細(xì)根。

利用上述分析數(shù)據(jù)計(jì)算各根系特性指標(biāo):根長(zhǎng)密度，即單位土體內(nèi)根系總長(zhǎng)度(cm/m3);根體積密度，即單位土體內(nèi)根系總體積(cm3/m3);根表面積密度，即單位土體內(nèi)根系總表面積(cm2/m3)。

2.3 土壤指標(biāo)測(cè)定

土壤容重采用環(huán)刀法測(cè)定，土壤抗剪強(qiáng)度采用十字板剪切儀測(cè)定，土壤緊實(shí)度采用土壤貫入度測(cè)定儀測(cè)定，土壤水分采用HH2 TDR土壤水分儀測(cè)定。測(cè)定范圍為各樣品采集點(diǎn)附近，即每一土壤分層進(jìn)行5次重復(fù)測(cè)定。為研究需要，定義土壤抗剪強(qiáng)度增加值為林地土壤與對(duì)照土壤抗剪強(qiáng)度值之差。土壤緊實(shí)度增加值、容重增加值和水分增加值同理。

數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析采用軟件SPSS 13.0進(jìn)行。

3 結(jié)果與分析

3.1 桑樹林地根系垂直分布特征

研究結(jié)果表明，桑樹林地根長(zhǎng)密度總體上隨土壤深度的增加而減少(見圖1)，其在0—10 cm層同10—40 cm各層間存在顯著差異，前者占總根長(zhǎng)密度的34.6%。在各分層中，細(xì)根根長(zhǎng)密度占有比率均達(dá)到95%以上，如0—10 cm層總根長(zhǎng)密度為322 459.5 cm/m3，而細(xì)根根長(zhǎng)密度為312 610.6 cm/m3，占有比率為96.9%。這充分表明了對(duì)根長(zhǎng)密度而言，細(xì)根發(fā)揮著主導(dǎo)作用，而小根及中根的作用可以忽略不計(jì)。進(jìn)一步計(jì)算可知，0—10 cm層極細(xì)根根長(zhǎng)密度為276 506.4 cm/m3，分別占該層總根長(zhǎng)密度、細(xì)根根長(zhǎng)密度的85.7%、88.5%;在其他分層中也存在類似趨勢(shì)。因此，對(duì)根長(zhǎng)密度起主要作用的是極細(xì)根，而直徑在1～2 mm間的細(xì)根對(duì)其貢獻(xiàn)是有限的。

圖1 桑樹根系根長(zhǎng)密度隨土壤深度變化趨勢(shì)

對(duì)根表面積密度而言，細(xì)根及極細(xì)根表現(xiàn)出隨土壤深度的增加而減少的趨勢(shì)，而中根、小根卻存在相反的趨勢(shì)，分別于20—30、30—40 cm 土層達(dá)到最大值26 619.52、29 143.38 cm2/m3(見圖2)。在根系分級(jí)組成中，各類根系對(duì)根表面積密度的影響是不平衡的，其中發(fā)揮主要作用的仍是細(xì)根，這主要是由于細(xì)根在量上占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)的緣故。但這種作用隨土壤深度的增加呈減弱趨勢(shì)，如細(xì)根表面積密度在0—10 cm層為54 813.87 cm2/m3，占同層表面積密度的81.8%，而到30—40 cm層，這一比例降為38.8%。此外，研究結(jié)果表明，極細(xì)根占同層細(xì)根表面積密度及同層總表面積密度的比例也隨土壤深度的增加而不斷降低，到30—40 cm層，這一比例分別降為58.5%和22.7%。

圖2 桑樹根系根表面積密度隨土壤深度變化趨勢(shì)

與上述研究結(jié)果相反，中根及小根對(duì)根體積密度發(fā)揮主導(dǎo)作用，而細(xì)根作用有限，且隨著土壤深度的增加，這一趨勢(shì)不斷增強(qiáng)(見圖3)。在0—10 cm土層，中根及細(xì)根的根體積密度分別為1 118.38和1 058.95 cm3/m3，分別占同層總根體積密度的41.1%和38.9%，而到30—40 cm土層，這一比例分別為65.1%和8.9%。除0—10 cm土層外，中根體積密度所占比例均超過了50%，所以中根是對(duì)根體積密度貢獻(xiàn)最大的根類。方差分析結(jié)果表明，0—10 cm層細(xì)根體積密度同其余層存在顯著差異?？傮w上中根及小根的根體積密度呈現(xiàn)出隨土壤深度的增加而增加的趨勢(shì)。

圖3 桑樹根系根體積密度隨土壤深度變化趨勢(shì)

3.2 桑樹林地土壤抗剪強(qiáng)度垂直分布特征

如圖4所示，桑樹林地土壤抗剪強(qiáng)度總體上隨土壤深度的增加而增加，從0—10 cm層到30—40 cm層，土壤抗剪強(qiáng)度由75.2 kPa增加至138.4 kPa。方差分析結(jié)果表明，林地土壤抗剪強(qiáng)度在0—10 cm層同10—40 cm各層間存在顯著差異。與對(duì)照相比，由上而下，土壤抗剪強(qiáng)度增加值分別為-4.8、30.0、62.1和63.9 kPa，因此同對(duì)照相比，除0—10 cm層外林地土壤擁有較高的土壤抗剪強(qiáng)度。同桑樹林地相比，對(duì)照地草本植物蓋度較高，因此在0—10 cm層對(duì)照地總根系含量會(huì)高于林地，這可能是該層對(duì)照地土壤抗剪強(qiáng)度高于林地的主要原因。

圖4 桑樹林地土壤抗剪強(qiáng)度隨土壤深度變化趨勢(shì)

3.3 桑樹根系對(duì)紫色土土壤抗剪強(qiáng)度的影響

為定量評(píng)價(jià)桑樹根系對(duì)紫色土土壤抗剪強(qiáng)度的影響，以土壤抗剪強(qiáng)度增加值為因變量，選擇土壤緊實(shí)度增加值、容重增加值、土壤水分增加值、平均根長(zhǎng)密度、平均根表面積密度、平均根體積密度以及各根類的根長(zhǎng)密度、根表面積密度、根體積密度等形態(tài)學(xué)指標(biāo)為自變量，調(diào)用SPSS逐步回歸分析過程，得到如下回歸方程:

式中:Y為土壤抗剪強(qiáng)度增加值，kPa;X1為平均根體積密度，cm3/m3;X2為土壤水分(體積比)增加值，%。

由于逐步回歸過程剔除了對(duì)因變量影響不顯著的變量，因此土壤抗剪強(qiáng)度增加值主要來源于桑樹平均根體積密度和土壤水分增加值的貢獻(xiàn)，且前者回歸系數(shù)為后者的2.6倍，由此可以看出桑樹根系是林地土壤抗剪強(qiáng)度增加值的主要貢獻(xiàn)者。盡管野外原位試驗(yàn)影響因素眾多，本回歸方程判定系數(shù)R2仍然達(dá)到了0.758，這從側(cè)面說明了桑樹根系和土壤水分變化對(duì)土壤抗剪強(qiáng)度的重要影響。

就土壤水分對(duì)土壤抗剪強(qiáng)度的影響而言，由于本文沒有進(jìn)行背景條件一致下的控制試驗(yàn)，因此難以得出更深入的結(jié)論。李保雄等[12]在對(duì)黃土的研究中發(fā)現(xiàn)隨著含水量的增加，其內(nèi)摩擦角和黏聚力呈不同的變化規(guī)律，這從側(cè)面說明了這一問題的復(fù)雜性。

4 結(jié)論

(1)桑樹林地0—40 cm土層根系垂直分布特征:根長(zhǎng)密度總體上隨土層深度的增加而減少，中根及小根的根體積密度隨土層深度的增加而增加，根表面積密度則因不同根類而表現(xiàn)不同，其中細(xì)根及極細(xì)根的表面積密度表現(xiàn)出隨土層深度增加而減少的趨勢(shì)。

(2)桑樹林地土壤抗剪強(qiáng)度總體上隨土層深度的增加而增加;10—40 cm層林地土壤抗剪強(qiáng)度顯著高于對(duì)照。

(3)紫色土土壤抗剪強(qiáng)度增加值主要來源于桑樹平均根體積密度和土壤水分增加值的貢獻(xiàn)，且前者是主要貢獻(xiàn)者;桑樹根系可以有效提高紫色土土壤的抗剪強(qiáng)度。

5 討論

據(jù)張光燦等[13]研究，4年生桑樹根系可分布到80 cm土層以下，但以0—40 cm土層內(nèi)含量較大;張俊娥等[8]在桑糧間作田條桑根系分布格局的研究中指出，根系主要集中在20—40 cm土層內(nèi)。本研究進(jìn)一步分析了桑樹不同徑級(jí)根系根長(zhǎng)密度、根表面積密度和根體積密度在0—40 cm土層內(nèi)的分布規(guī)律，較深入地闡明了桑樹林地根系的垂直分布格局。

土壤抗剪強(qiáng)度是衡量土壤抗侵蝕能力大小的決定性因子之一[14]，對(duì)桑樹根系同紫色土土壤抗剪強(qiáng)度相關(guān)關(guān)系的研究有助于揭示桑樹根系的水土保持作用機(jī)理。已有研究表明，土壤理化性質(zhì)對(duì)抗剪強(qiáng)度有顯著影響[15-16]。本研究中，不僅選取了桑樹根系的形態(tài)學(xué)特性指標(biāo)，而且選擇了對(duì)抗剪強(qiáng)度有重要影響的土壤水分、緊實(shí)度和容重等理化指標(biāo)進(jìn)行逐步回歸分析，較全面地概括了其主要影響因素，最后得出結(jié)論:紫色土土壤抗剪強(qiáng)度增加值主要來源于桑樹平均根體積密度和土壤水分增加值的貢獻(xiàn)，且前者是主要貢獻(xiàn)者。

大量研究表明，植物根系的存在顯著提高了土體的抗剪強(qiáng)度[17]，這種增強(qiáng)作用主要是通過增加黏聚力來實(shí)現(xiàn)的，植物根系對(duì)內(nèi)摩擦角的影響很小[18];在形態(tài)特征中，根系直徑對(duì)土壤抗剪強(qiáng)度的影響最為顯著[19]。本研究認(rèn)為紫色土土壤抗剪強(qiáng)度隨桑樹根系體積密度的增加而增加，從根系形態(tài)學(xué)角度說明了含根量對(duì)土壤抗剪強(qiáng)度的影響。由于根系直徑同根系體積密切相關(guān)，因此從本研究結(jié)論也可反映出桑樹根系直徑對(duì)土壤抗剪強(qiáng)度的顯著影響。胡其志等[20]研究表明，根土復(fù)合體的抗剪強(qiáng)度隨含根量的增加而增大，但當(dāng)含根量達(dá)到一定值時(shí)，根土復(fù)合體的強(qiáng)度增加并不明顯，即存在最佳含根量區(qū)域。有關(guān)桑樹根系的最佳含根量仍需進(jìn)行深入的研究。

在回歸方程的建立中，本研究選取了桑樹根系不同根類的相關(guān)形態(tài)學(xué)指標(biāo)，但由于這些變量對(duì)抗剪強(qiáng)度影響不顯著而被剔除，這說明對(duì)紫色土抗剪強(qiáng)度增加效應(yīng)發(fā)揮作用的是總體的桑樹根系，或者是桑樹根系的平均效應(yīng)，不能簡(jiǎn)單歸結(jié)于具體的哪一類根系。由于不同徑級(jí)根類的解剖結(jié)構(gòu)(如韌皮纖維、木纖維含量和周皮木質(zhì)化程度等)差異較大，因此在根系的抗拉能力上也體現(xiàn)出相應(yīng)差異，從而對(duì)根土復(fù)合體的抗剪強(qiáng)度產(chǎn)生不同的影響，所以桑樹不同徑級(jí)根系對(duì)于紫色土土壤抗剪強(qiáng)度的貢獻(xiàn)是不平衡的。

本研究的結(jié)論說明桑樹根系可以顯著提高紫色土土壤抗剪強(qiáng)度，增強(qiáng)土壤的抗侵蝕能力，從而有效減少水土流失。此外，同草本植物相比，桑樹根系分布較深，因此可以有效提高深層土壤的抗剪強(qiáng)度和抗侵蝕能力，積極預(yù)防和減少壤中流的發(fā)生，從而最大限度地實(shí)現(xiàn)保持水土的目標(biāo)。在三峽庫(kù)區(qū)發(fā)展蠶桑生態(tài)經(jīng)濟(jì)，不僅經(jīng)濟(jì)效益顯著，而且具有無(wú)法估量的生態(tài)效益和社會(huì)效益[1]。因此，大力發(fā)展蠶桑生態(tài)經(jīng)濟(jì)可以實(shí)現(xiàn)庫(kù)區(qū)農(nóng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)展與生態(tài)建設(shè)“雙贏”。

(致謝:文中根系形態(tài)學(xué)指標(biāo)測(cè)量試驗(yàn)得到了西南大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院曾波教授和碩士研究生劉建輝的大力幫助，在此表示誠(chéng)摯的謝意!)

[1]賀秀斌，謝宗強(qiáng)，南宏偉，等.三峽庫(kù)區(qū)消落帶植被修復(fù)與蠶桑生態(tài)經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式[J].科技導(dǎo)報(bào)，2007，25(23):59-63.

[2]趙健，梁敏.紫色土水土流失特點(diǎn)及調(diào)控范式[J].中國(guó)水利，2010(2):41-43.

[3]史東梅，劉立志.紫色土坡耕地生產(chǎn)潛力及水土流失治理[J].西南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2004，26(2):132-136.

[4]劉定輝，李勇.植物根系提高土壤抗侵蝕性機(jī)理研究[J].水土保持學(xué)報(bào)，2003，17(3):34-37.

[5]杜周和，劉俊鳳，劉剛，等.桑樹作水土防護(hù)經(jīng)濟(jì)林的研究[J].廣西蠶業(yè)，2001，38(3):10-12.

[6]陳春，吳大洋，孫波.三峽庫(kù)區(qū)建成片桑園對(duì)水土保持效果的初步研究[J].中國(guó)蠶業(yè)，2004，25(1):22-23.

[7]繆馳遠(yuǎn)，陳田飛，何丙輝，等.桑樹在紫色土水土保持效應(yīng)方面研究[J].水土保持學(xué)報(bào)，2005，19(1):117-123.

[8]張俊娥，李玉靈，黃大莊，等.桑糧間作田條桑根系分布格局及其對(duì)土壤水分、養(yǎng)分的影響[J].水土保持學(xué)報(bào)，2007，21(3):38-47.

[9]查小春，賀秀斌.土壤物理力學(xué)性質(zhì)與土壤侵蝕關(guān)系研究進(jìn)展[J].水土保持研究，1999，6(2):98-104.

[10]張愛國(guó)，李銳，楊勤科.中國(guó)水蝕土壤抗剪強(qiáng)度研究[J].水土保持通報(bào)，2001，21(3):5-9.

[11]孟憲宇.測(cè)樹學(xué)[M].3版.北京:中國(guó)林業(yè)出版社，2006.

[12]李保雄，苗天德.黃土抗剪強(qiáng)度的水敏感性特征研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2006，25(5):1003-1008.

[13]張光燦，楊吉華，趙新明，等.桑樹根系分布及水土保持特性的研究[J].蠶業(yè)科學(xué)，1997，23(1):59-60.

[14]Morgan R P C.Soil erosion and conservation[M].2nd ed.Harlow，UK:Longman，1996.

[15]范興科，蔣定生，趙合理.黃土高原淺層原狀土抗剪強(qiáng)度淺析[J].土壤侵蝕與水土保持學(xué)報(bào)，1997(4):69-74.

[16]徐宏偉，王蒙.抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的主要影響因素[J].赤峰學(xué)院學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2009，25(10):112-116.

[17]陳麗華，余新曉，宋維峰，等.林木根系固土力學(xué)機(jī)制[M].北京:科學(xué)出版社，2008.

[18]Gyssels G，Poesen J，Bochet E，et al.Impact of plant roots on the resistance of soils to erosion by water:a review[J].Progress in Physical Geography，2005，29(2):189-217.

[19]萬(wàn)士啟.含植物根土的抗剪強(qiáng)度[J].工程質(zhì)量，2009，27(3):76-78.

[20]胡其志，周政，肖本林，等.生態(tài)護(hù)坡中土壤含根量與抗剪強(qiáng)度關(guān)系試驗(yàn)研究[J].土工基礎(chǔ)，2010，24(5):85-87.