李建興，何丙輝，諶 蕓

(西南大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院/三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點實驗室，重慶400715)

三峽庫區(qū)豐富的降雨量不僅會引發(fā)滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害，且對裸露邊坡造成嚴重侵蝕，引發(fā)水土流失［1-2］。近年來為減少水土流失，增加邊坡穩(wěn)定性，以草本植被為主的邊坡構(gòu)建模式越來越受到廣大學(xué)者的重視和關(guān)注［3-4］。已有研究表明，草本植物根系在防止表土侵蝕、淺層滑坡，降低地表徑流產(chǎn)流、增加地表入滲等方面起著重要作用［5-6］。地表入滲過程和滲透能力決定了降雨進程的水分再分配，從而影響坡地地表徑流和流域產(chǎn)流及土壤水分狀況［7］。根系對土壤滲透性有明顯的改善作用，一方面根系通過穿插、網(wǎng)絡(luò)及固結(jié)將土壤單粒粘結(jié)起來改善土壤的團粒結(jié)構(gòu)和孔隙性［8］，間接增強土壤滲透性。另一方面根與莖在其連接處形成微型攔土柵阻止土粒搬運，且沉積的土粒在連接處形成許多微型濾水土體［9］，直接增加徑流就地入滲。因此研究草本植物根系分布對土壤滲透性的增強作用，對三峽庫區(qū)邊坡防護與植被構(gòu)建具有重要的實踐指導(dǎo)意義。

前人對土壤滲透性及根系方面做了大量的研究，在土壤滲透性方面，主要集中在土壤入滲過程、入滲特征、入滲機理、模型構(gòu)建［10-11］以及土壤理化性質(zhì)［12-14］對滲透性的影響方面。在根系方面，主要集中在根系對土壤養(yǎng)分［15］、土壤機械組成、水穩(wěn)性團聚體［16］、土壤抗沖、抗水蝕性能［17-19］的影響方面，而關(guān)于根系分布對土壤滲透性的影響較少關(guān)注。王國梁［12］等研究發(fā)現(xiàn)植物根長密度具有較好的改良土壤、提高土壤入滲能力的功能。由于根長密度參數(shù)能反映根系在土體中的稠密度和交織穿插能力，且易于測量，常被用于研究根系分布與土壤滲透的關(guān)系［18］，而根表面積密度、根重密度與根長密度顯著相關(guān)［18］，二者也應(yīng)被作為研究土壤滲透性的參數(shù)，但前人較少關(guān)注［19］。前人通過對樹木根系的研究，發(fā)現(xiàn)細根對土壤滲透性的改善最為明顯，而何種徑級的細根對土壤滲透性的改良作用效果最好至今尚無定論。因此本文對三峽庫區(qū)4種護坡草本植物的根系特征及土壤滲透性進行研究，試圖解決以下問題:(1)根系特征與土壤入滲能力及土壤入滲模型參數(shù)之間的關(guān)系;(2)根長密度、根表面積密度及根重密度等根系參數(shù)與土壤各入滲參數(shù)的關(guān)系;(3)不同徑級的根系特征與土壤滲透性的關(guān)系。

1 材料與方法

1.1 試驗樣地自然概況

試驗點位于重慶市北碚區(qū)歇馬鎮(zhèn)西南大學(xué)歇馬試驗基地，地理位置為106°48'54″E，29°45'08″N。這里屬亞熱帶季風(fēng)氣候，年平均降雨量1 100 mm，年平均氣溫18.3℃，年日照1 270 h，海拔563 m，丘陵地貌，土壤為紫色土。

1.2 試驗設(shè)計和樣品采集

試驗以香根草(Vetiveria zizanioides(Lin.)Nash)、百喜草(Paspalum notatum Flugge)、狗牙根(Cynodon dactylon(L)Pers.)和紫花苜蓿(Medicago sativa L.)4種南方水土保持常用草本植物為對象。于2010年2月初，在西南大學(xué)歇馬試驗基地內(nèi)，選一樣地劃分為1，2，3，4區(qū)，作為各草本的育苗區(qū)，將預(yù)先準備好的4種草本種子，分別播于各小區(qū)內(nèi)，進行播種育苗，在育苗區(qū)間對各小區(qū)統(tǒng)一澆水以保證順利出苗，且定期除雜草。于2010年3月底，選另一樣地劃分為A、B、C、D、E區(qū)，在各區(qū)內(nèi)進一步劃分出3個6×4 m2的小區(qū)，共設(shè)15個小區(qū)。選擇育苗區(qū)內(nèi)的健壯幼苗，在A、B、C、D各區(qū)內(nèi)，以株行距為30 cm×35 cm分別栽植紫花苜蓿、百喜草、狗牙根和香根草，其中E區(qū)為對照(裸露地)。在栽培期間，各區(qū)進行常規(guī)管理，定期除雜草。

于2011年8月底，對各小區(qū)進行采樣。按照S型曲線，選擇健壯的植株，確定采樣點。去除植株的地上部分后，以植株為中心點，將環(huán)刀(底面積20 cm2，高5 cm)圓心與中心點重合，沿著植株豎直向下分層(每層為10 cm)取各土層的原狀土樣，每個小區(qū)取3個重復(fù)，分別按0—10，10—20，20—30 cm的土壤層進行取樣，共計135個土樣。然后利用采樣器，對每個采樣點的不同土壤層進行土樣采集，將同一小區(qū)不同采樣點的土壤進行混合，每個混合土樣取500 g左右?guī)Щ貙嶒炇?，用于測定土壤的理化性質(zhì)(如表1)。

表1 供試土壤基本性質(zhì)Table 1 Soil basic characteristics of experimental field

1.3 樣品的測定和分析方法

土壤容重、毛管孔隙度、非毛管孔隙度、總孔隙度均采用環(huán)刀法測定;土壤入滲采用雙環(huán)法測定［20-23］;土壤機械組成采用吸管法測定;有機質(zhì)采用重鉻酸鉀-外加熱法測定。

試驗結(jié)束后，取出環(huán)刀內(nèi)的土壤，置于0.05 mm的網(wǎng)篩內(nèi)進行沖洗，直至洗出所有的根系，將根系放入裝有蒸餾水的蒸發(fā)皿中，用鑷子將根系從雜質(zhì)中分離出來，然后采用EPSON LA在400 dpi下進行灰度掃描，使用WinRHIZO(Pro.2004c)根系分析系統(tǒng)對根系長度、根表面積及不同徑級的根長、根表面積等各參數(shù)進行分析，最后將根系裝入紙信封內(nèi)在105℃條件下烘72 h，獲得根系生物量。

1.4 數(shù)據(jù)整理與統(tǒng)計分析

初始入滲率=最初入滲時段內(nèi)滲透量/入滲時間(最初入滲時間取前3 min);平均滲透速率=達穩(wěn)滲時的滲透總量/達穩(wěn)滲時的時間;穩(wěn)滲率為單位時間內(nèi)的滲透量趨于穩(wěn)定(即內(nèi)環(huán)水頭趨于穩(wěn)定)時的滲透速率［7，24］，滲透總量統(tǒng)一取前90 min。

根長密度=環(huán)刀內(nèi)根系的長度/環(huán)刀體積;根表面積密度=環(huán)刀內(nèi)根系表面積/環(huán)刀體積;根重密度=環(huán)刀內(nèi)烘干根系生物量/環(huán)刀體積。

描述土壤入滲過程的數(shù)學(xué)模型有許多，如Philip公式、Kostiakov經(jīng)驗公式和Horton方程等［10-11］。其中Kostiakov經(jīng)驗公式與實際情況吻合較好，且其中的各參數(shù)亦能反映土壤入滲特征，故常被用于描述土壤入滲過程［7，13-14］。計算入滲速率i和累積入滲量I的公式如下:

式中，it為t時刻的入滲速率(mm/min);t為入滲時間(min);i1為第一時間單位末時的入滲速率(mm/min);It為t時刻的累積入滲量(mm);K為經(jīng)驗入滲系數(shù)，相當于第一個時段內(nèi)平均入滲速率(mm/min);a為經(jīng)驗入滲指數(shù)，反映土壤入滲能力的衰減速度。

采用Excel 2010軟件對測定數(shù)據(jù)進行處理分析及作圖，用SPSS18.0軟件對土壤滲透性與不同徑級根系參數(shù)進行Pearson相關(guān)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同護坡草本的根系特征

由表2可以看出，紫花苜蓿根系的根長密度、根表面積密度以及根重密度的均值均較大。就根長密度和根重密度而言，紫花苜蓿顯著高于香根草、狗牙根和百喜草;就根表面積密度而言，紫花苜蓿與香根草之間差異性不顯著(P＞0.05)，但二者顯著大于狗牙根和百喜草，大小表現(xiàn)為:香根草＞紫花苜蓿＞百喜草＞狗牙根。香根草的根表面積密度大于紫花苜蓿，但根重密度顯著小于紫花苜蓿，這種根表面積和生物量不對稱的比例關(guān)系，與植物本身的生態(tài)學(xué)特性有關(guān)，紫花苜蓿的粗根所占比例較大，而香根草主要為細根。

表2 4種護坡草本的根系特征參數(shù)Table 2 Parameters of the root characteristics 4 typical herb plants for hillslope protection

2.2 不同護坡草本的土壤水分入滲性能分析

水分入滲過程是一個復(fù)雜的水文過程，與土壤結(jié)構(gòu)、根系分布、土壤孔隙、有機質(zhì)含量及水穩(wěn)性團聚體等密切相關(guān)。在研究土壤滲透性時，常采用的4個指標是初始入滲率、穩(wěn)滲率、平均滲透速率和滲透總量［7，24］。由圖1可以看出，除初始入滲率外，各草本不同層次土壤滲透性能各指標大小均表現(xiàn)為:香根草＞紫花苜蓿＞百喜草＞狗牙根＞裸地，初始入滲率、平均入滲率、穩(wěn)滲率和90 min的滲透總量最小都出現(xiàn)在裸地，其平均大小分別為:1.31、0.86、0.62 mm/min和72.86 mm，相對于裸地的各土壤層而言，4種草本類型都不同程度地改善了土壤的滲透性能。此外前3個土壤入滲特征值在不同草本之間變化較大，表現(xiàn)出初始入滲率＞平均入滲率＞穩(wěn)滲率的規(guī)律。各草本類型0—10、10—20、20—30 cm土壤層的初始入滲率、穩(wěn)滲率、平均滲透率和90 min的滲透總量存在較大差異，其大小均表現(xiàn)為隨土壤深度的增加而降低，表明各草本的土壤滲透性能隨土壤深度的增加而減弱，其原因應(yīng)與根系密度分布隨土壤層的增加而呈指數(shù)分布［25］或線性分布［26］降低，根系改良作用隨土壤深度的增加而減弱密切相關(guān)。

圖1 不同護坡草本的土壤入滲率Fig．1 Soil infiltration rates of different typical herb plants for hillslope protection

2.3 土壤滲透性與根系參數(shù)

在對土壤滲透性參數(shù)與根重密度、根長密度及根表面積密度進行分析時發(fā)現(xiàn)(表3):根表面積密度與土壤的初始入滲率極顯著相關(guān)，其方程為y=1.613x-2.526(R2=0.935，P＜0.01)，與穩(wěn)定入滲率、滲透總量和平均滲透率顯著相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.914、0.896和0.903。從表2、圖1可以看出，當根表面積密度從0.985 cm2/cm3增加到5.145 cm2/cm3，3個土層的初始入滲率、平均滲透率、滲透總量和穩(wěn)定入滲率的平均值分別從2.42 mm/min、1.62 mm/min、144.31 mm、1.38 mm/min增加到4.84 mm/min、3.37 mm/min、297.32 mm、3.00 mm/min，各參數(shù)均隨根表面積密度的增加而增大，且呈線性相關(guān)。根長密度與土壤的初始入滲率、滲透總量、平均滲透率和穩(wěn)定入滲率均顯著相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別達0.901、0.831、0.844和0.850，各參數(shù)均隨根長密度的增加而增大，愈呈現(xiàn)顯著的線性相關(guān)。而根重密度與各滲透性參數(shù)的相關(guān)性均達不到顯著水平。

表3 土壤滲透性與根系參數(shù)之間的回歸方程Table 3 Regression equations between soil infiltration and parameters of roots

2.4 土壤滲透性與不同徑級的根系特征

由表4可以看出，土壤滲透性與直徑介于0.5—5 mm不同徑級的根系特征之間存在明顯的相關(guān)性，隨著徑級的增大，除初始入滲率外，穩(wěn)定入滲率、滲透總量、平均滲透率與RLD、RSAD的相關(guān)系數(shù)均呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，其最大值均出現(xiàn)在2—5 mm徑級。不難發(fā)現(xiàn)，0.5—1 mm根系的RSAD與土壤的初始入滲率、穩(wěn)定入滲率達到了極顯著水平，且滿足線性關(guān)系，其方程分別為y=0.6421x-1.1529(r=0.9884，P＜0.01)，y=0.8764x-0.6256(r=0.9901，P＜0.01)，其次1—2 mm、2—5 mm徑級的RLD與RSAD對土壤的滲透性均有較高的貢獻。而D≤0.5 mm的根系雖然根系生長、死亡周轉(zhuǎn)速率較大，但與土壤滲透性的相關(guān)系數(shù)較小，原因可能是由草本種植時間較短，對土壤滲透性的影響達不到顯著水平。

表4 土壤滲透性與不同徑級根系特征(根長密度(RLD)、根表面積密度(RSAD))之間的相關(guān)分析Table 4 Correlation analysis between soil infiltration and characteristics(root length density and root surface area density)of roots indifferent sizes

2.5 根系與入滲模型參數(shù)的關(guān)系

由表5明顯看出，在0—30 cm土層中，K值的總平均大小表現(xiàn)為:香根草(4.275)＞紫花苜蓿(3.814)＞百喜草(3.325)＞狗牙根(2.742)＞裸地(1.382)，而a值的總平均大小表現(xiàn)為:裸地(0.473)＞百喜草(0.452)＞狗牙根(0.404)＞紫花苜蓿(0.312)＞香根草(0.307)。隨著土層深度的增加，K值逐漸減小，而a值總體呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，其最大值出現(xiàn)在10—20 cm土層。

由表6可以看出，不同徑級的根長密度和根表面積密度與K值正相關(guān)，與a值負相關(guān)，其中0.5—1 mm的根長密度和根表面積密度對K值的影響最明顯，達到了顯著水平，而各徑級的根系參數(shù)對a值的影響均達不到顯著水平，但1—2 mm的根長密度和根表面積密度對a的影響最明顯，相關(guān)系數(shù)分別達-0.765、-0.776。

3 討論

3.1 根系參數(shù)對土壤滲透性的影響

為研究根系各參數(shù)對土壤滲透性的影響，對南方水土保持常用草本植物:香根草、百喜草、狗牙根和紫花苜蓿進行了研究，研究發(fā)現(xiàn)土壤滲透性與根長密度、根表面積密度顯著正相關(guān)，與根重密度相關(guān)性達不到顯著水平。其原因主要是:

根表面積密度能反映根系與土體接觸的緊密程度［18］，由表3可以看出根表面積密度與滲透各參數(shù)均呈現(xiàn)出顯著的線性關(guān)系，且具有較大根表面積密度的香根草、紫花苜蓿，呈現(xiàn)出較強的土壤滲透性。一方面根系與土壤充分接觸均不同程度的增加了土壤孔隙、降低了土壤容重，提高了土壤有機質(zhì)含量(表1)，另一方面根系表面與土壤的接觸面構(gòu)成了較好的導(dǎo)水通道，形成生物性大孔隙，土壤水分入滲過程中大孔隙及傳導(dǎo)孔隙是水分流動的主要通道，水分的移動能力、運動狀態(tài)受土壤較大尺度孔隙含量及分布狀況的直接影響。李卓［13］等認為毛管作用微弱的大孔隙越多，水分在土壤中的流動通道越暢通，水流的實際過水面積也越大。由于各草本植物根系與土壤充分接觸，增加了土壤大孔隙，有效增加土壤的過水斷面面積，從而改善土壤的導(dǎo)水性能，故入滲能力均比對照顯著增強。

表5 不同草本類型Kostiakov模型回歸分析結(jié)果Table 5 The regression analysis of Kostiakov models of soil infiltration of different herbal type

表6 土壤入滲模型參數(shù)與不同徑級根系特征(根長密度(RLD)、根表面積密度(RSAD))之間的相關(guān)分析Table6 Correlation analysis between soil infiltration model parameters and characteristics(root length density and root surface area density)of roots indifferent sizes

根長密度一方面能反映根系在土體中的延伸、穿插、交織程度，另一方面影響著養(yǎng)分向植物體的輸送以及在土壤的運移［15］。研究發(fā)現(xiàn)，隨著根長密度的增加，土壤滲透性各參數(shù)明顯增強，且呈現(xiàn)出顯著的線性關(guān)系，主要是由于各草本根系穿插、延伸過程中會形成橫向和縱向的植物根孔，Reynolds［28］等發(fā)現(xiàn)水分下滲過程中優(yōu)先沿植物根孔運輸。故根長密度越大，根系的穿插、交織程度越強，水分沿根孔入滲越快。

根系衰老、死亡后，一方面由于根系的收縮，在土壤中留下大量根孔［5］，另一方面轉(zhuǎn)化為有機質(zhì)、促進土壤中團聚體的快速形成［29］。二者均與根重密度的大小有關(guān)，理論上根重密度越大，形成的根孔越大，腐爛后有機質(zhì)含量越高，滲透性越強，但本文研究發(fā)現(xiàn)根重密度與初始入滲率、穩(wěn)定入滲率、滲透總量以及平均滲透率相關(guān)性均不顯著，原因可能是各草本種植時間較短，處于生長旺盛期，衰老根系較少，其次本試驗所分析為根系的總根重密度，沒有分析根系各徑級根重密度對滲透性的影響，而劉道平［24］等研究發(fā)現(xiàn)≤1 mm細根根重與土壤滲透性顯著相關(guān)，因此不同徑級根系的根重密度對土壤滲透性的影響有待進一步討論。

3.2 各徑級根系對土壤滲透性的影響

草本植物根系在土體中穿插、纏繞來分散、串聯(lián)、固結(jié)土壤顆粒，改善土壤物理性質(zhì)，提高土壤自身的水力學(xué)特性，從而增加土壤滲透性。李勇［30］、劉國彬［17］認為D≤1 mm根系細根能顯著影響土壤物理性質(zhì)，徐少君［18］、劉道平［24］在前人的基礎(chǔ)上進一步證明D≤2 mm根系的根長密度、根表面積密度對土壤滲透、抗沖作用等水力學(xué)特性的增強作用。本文研究發(fā)現(xiàn)，根系對土壤滲透性的增強作用主要歸功于0.5—5 mm徑級的根系，由于該徑級的根系一方面充分接觸土壤，有效纏繞、串結(jié)土體，另一方面根系分泌的高、低分子量分泌物可作為有機膠結(jié)劑，能夠增加土壤顆粒的結(jié)合強度，降低變濕速率，從而促進土壤的團?；饔茫?］。而根系徑級過大或過小對前兩方面的增強作用都將減弱，對土壤滲透性的增強作用隨之減小。

3.3 根系對入滲模型參數(shù)的影響

經(jīng)驗入滲系數(shù)K是反映土壤入滲能力的一個重要指標，它表示土壤入滲開始后第一個單位時間(1min)內(nèi)單位面積上的平均入滲速率或第一個單位時段末單位面積上的累積入滲量［13-14］，其數(shù)值的大小主要取決于入滲時土壤結(jié)構(gòu)和狀況［31］。李卓等［13］、李雪轉(zhuǎn)等［14］認為當原始含水量、土壤質(zhì)地基本相似時，K值的大小主要取決于土壤孔隙分布狀況。研究發(fā)現(xiàn)K值隨著根長密度、根表面密度的增加而逐漸增大，K值呈現(xiàn)出與根長密度、根表面積密度大小相同的規(guī)律，表現(xiàn)為:香根草＞紫花苜蓿＞百喜草＞狗牙根＞裸地。由于草本植物的根系分布不同，其孔隙分布狀況不同，草本植物生長過程中根系的穿插、擠壓以及根系死亡后形成的孔道，是土壤孔隙的主要來源，王大力等［32］發(fā)現(xiàn)森林土壤中植物根系所形成的植物根孔占據(jù)土壤孔隙的35%以上，香根草和紫花苜蓿不同徑級的根長密度、根表面積密度較大，所形成的各種尺度的生物性大孔隙較豐富，相反，百喜草、狗牙根不同徑級的根長密度、根表面積密度較小，根系作用形成的大孔隙和細小孔隙相應(yīng)減少。在入滲初期，由根系腐爛、穿插形成的根孔，由于其在土壤中形成廣泛連續(xù)的大孔徑孔隙使得土壤水分和溶質(zhì)形成優(yōu)先水流［32］，導(dǎo)致水分在運動過程中不與土體發(fā)生充分的相互作用，而是直接快速地進入土壤深層［33］。所以，根長密度、根表面積密度較大的香根草和紫花苜蓿，K值較大，而根長密度、根表面積密度較小的狗牙根和百喜草，K值較小。

經(jīng)驗入滲指數(shù)a是反映土壤入滲能力衰減的重要指標，其值越大，入滲衰減得越快，其值越小，入滲衰減得越慢。其值大小主要取決于由于土體潤濕而引起的土壤結(jié)構(gòu)的改變［31］。研究發(fā)現(xiàn)經(jīng)驗入滲指數(shù)a隨著根長密度、根表面密度的增加而減弱，不同草本a值呈現(xiàn)出與根長密度、根表面積密度大小相反的規(guī)律，表現(xiàn)為:裸地＞百喜草＞狗牙根＞紫花苜蓿＞香根草。由于根長密度、根表面積密度較大的香根草和紫花苜蓿，一方面其根系提高土壤中水穩(wěn)性團聚體數(shù)量，改善土壤團粒結(jié)構(gòu)，增強抵抗水流對土粒分散、懸浮和運移的能力［16］，減少在土壤入滲過程中，潰散的團粒體和粉粒對土壤孔隙的堵塞;另一方面在根系的作用下，土壤大孔隙含量較多，即使遇水作用后土粒的發(fā)生膨脹，但對大孔隙體積不會產(chǎn)生大的影響，故二者土壤入滲衰減得越慢。相反，無根系的裸地或者根系分布較少的百喜草和狗牙根，一方面抵抗水體分散和懸浮的能力較弱，潰散和溶解的土壤在土壤表面形成一層致密層，阻礙水分進一步入滲，另一方面土壤本身的膨脹作用進一步堵塞土壤孔隙，故其土壤入滲衰減得較快，a值表現(xiàn)較大。

4 結(jié)論

(1)對4種不同的護坡草本滲透性分析發(fā)現(xiàn):相對于裸地而言，4種草本均能增強土壤滲透性，紫花苜蓿和香根草增強效果最為明顯。各草本不同土層的滲透性存在較大差異，滲透性能隨土壤深度的增加而減弱，土壤滲透性優(yōu)劣總體表現(xiàn)為:香根草＞紫花苜蓿＞百喜草＞狗牙根＞裸地。

(2)土壤的初始入滲率、穩(wěn)滲率、平均滲透率和滲透總量等各參數(shù)均隨根系的根長密度、根表面積密度增大而增強，且呈現(xiàn)顯著的線性關(guān)系。

(3)土壤滲透性與直徑介于0.5—5 mm不同徑級的根系特征之間存在明顯的相關(guān)性，根系對土壤滲透性的增強作用主要歸功于0.5—5 mm徑級的根系，而根系徑級過大或過小對土壤滲透性的增強作用都將減弱。

(4)根長密度、根表面積密度對考斯加科夫入滲模型參數(shù)K和a有較大影響，隨著根長密度和根表面積密度的增加，表征土壤初始入滲率的K值逐漸增大，而表征入滲能力衰減的參數(shù)a逐漸減小。

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