王潤(rùn)澤，諶蕓*，李鐵，周濤，何丙輝，劉梟宏，劉志鵬，單志杰

(1.西南大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，三峽庫(kù)區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400715；2.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院，流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100048)

PAM和草類(lèi)根系對(duì)荒坡侵蝕劣地紫色土微團(tuán)聚體的影響

王潤(rùn)澤1，諶蕓1*，李鐵1，周濤1，何丙輝1，劉梟宏1，劉志鵬1，單志杰2

(1.西南大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，三峽庫(kù)區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400715；2.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院，流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100048)

為探討PAM(聚丙烯酰胺)和草類(lèi)根系對(duì)侵蝕劣地土壤的改良效果，試驗(yàn)以該環(huán)境的紫色土為研究對(duì)象，設(shè)置了空白對(duì)照(CK)以及單施PAM、單植草類(lèi)、“狗牙根+PAM”、“三葉草+PAM”4個(gè)試驗(yàn)處理類(lèi)別，6個(gè)月后測(cè)定了土壤微團(tuán)聚體組成，分析了土壤微團(tuán)聚體分布、結(jié)構(gòu)及分形特征。結(jié)果表明，1)各試驗(yàn)處理的大粒徑微團(tuán)聚體含量增加，小粒徑的則減少；2)各試驗(yàn)處理的MWSSA(平均重量比表面積)、分散系數(shù)和分散率均顯著減小(各指標(biāo)最小值分別為CK的0.30、0.15和0.60倍)，MWD(平均重量直徑)、團(tuán)聚狀況和團(tuán)聚度均顯著增大(各指標(biāo)最大值分別為CK的1.17、1.49和1.28倍)；3)各試驗(yàn)處理的微團(tuán)聚體分形維數(shù)均減??；4)GY-PAM1(狗牙根+液施PAM，濃度：30 g/m3)土壤的各項(xiàng)微團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)指標(biāo)均優(yōu)于其他試驗(yàn)處理，表現(xiàn)出較好的抗侵蝕性；5)“草類(lèi)+PAM”的根系指標(biāo)均優(yōu)于單植草類(lèi)，平均根長(zhǎng)密度(RLD)和d(直徑)≤0.2 mm徑級(jí)分別是影響該紫色土結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和抗侵蝕性的主要因子和關(guān)鍵徑級(jí)。

微團(tuán)聚體；PAM；根系特征；根長(zhǎng)密度；根表面積密度

紫色土區(qū)水土流失經(jīng)過(guò)多年的治理，取得了極大成效，但部分地區(qū)仍存在一些極為嚴(yán)重的水土流失區(qū)[1]，其特點(diǎn)是降水豐富，生境條件惡劣，母質(zhì)巖裸露，無(wú)土或有極少量礫石土，土壤極度瘠薄，植被生長(zhǎng)困難，治理難度極大，稱(chēng)為侵蝕劣地[2]。侵蝕劣地是指因侵蝕造成貧瘠化而難以利用的土地[3]，包括巖石、荒山(裸山)或其他近乎不毛之地等[4]，是水土流失治理和生態(tài)恢復(fù)的難點(diǎn)。國(guó)外針對(duì)侵蝕劣地的研究較多，主要涉及侵蝕機(jī)理、“地形-水分-植被”之間的相互關(guān)系、“侵蝕速率-植被”之間的相互關(guān)系、“土壤性質(zhì)-植被”之間的相互關(guān)系以及模型研究[5-9]等。國(guó)內(nèi)針對(duì)侵蝕劣地的研究很少，已有研究?jī)?nèi)容僅涉及侵蝕劣地的植被恢復(fù)技術(shù)和治理效果評(píng)價(jià)[10-11]等方面，而針對(duì)侵蝕劣地土壤物理過(guò)程的研究則更為缺乏。土壤微團(tuán)聚體是構(gòu)成土壤結(jié)構(gòu)的功能單元[12]，其組成對(duì)土壤物理過(guò)程和抗蝕性有重要的影響[13]，故研究侵蝕劣地紫色土微團(tuán)聚體的分布、結(jié)構(gòu)及分形特征是必要和迫切的。

應(yīng)用PAM(polyacrylamide，聚丙烯酰胺)防治水土流失，已成為國(guó)際普遍采用的化學(xué)措施，因其具有減少土壤侵蝕和改善土壤質(zhì)量的顯著效果而受到重視。在人與自然和諧共處的理念下，除化學(xué)措施外，植物措施的防治水土流失和改善生態(tài)環(huán)境作用亦必不可少[14]。國(guó)內(nèi)外針對(duì)PAM對(duì)土壤團(tuán)聚體影響的研究成果頗豐，主要集中在PAM影響團(tuán)聚體的分布特征[15-16]、結(jié)構(gòu)特征[17]和作用機(jī)理[18]等方面；植物措施對(duì)土壤團(tuán)聚體的影響亦有大量研究，主要集中報(bào)道植被措施影響團(tuán)聚體的數(shù)目[19]、碳匯作用[20-21]和水穩(wěn)定性[22]等。目前這些研究多集中于單一措施上，而針對(duì)PAM和植物措施的對(duì)比分析效果以及兩者的組合配套使用對(duì)土壤團(tuán)聚體影響的研究尚未見(jiàn)報(bào)道，且鮮有研究涉及植物根系特征對(duì)土壤團(tuán)聚體的影響。因此，本研究選取紫色土區(qū)荒坡侵蝕劣地土壤為對(duì)象，探討了PAM、草類(lèi)以及兩者組合配套使用對(duì)微團(tuán)聚體的影響，以期為該區(qū)荒坡侵蝕劣地水土流失治理和生態(tài)恢復(fù)效益評(píng)價(jià)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)屬亞熱帶季風(fēng)性氣候，年均溫約為18 ℃，年均降水量約為1200 mm，年均日照時(shí)長(zhǎng)約為1277 h[23]。供試土壤來(lái)自重慶市北碚區(qū)馬鞍溪流域內(nèi)龍灘子水庫(kù)(29°49′1″ N，106°24′48″ E)附近的荒坡。馬鞍溪位于北碚區(qū)西北部，發(fā)源于縉云山南麓，屬嘉陵江支流。該荒坡為紫色沙泥頁(yè)巖裸露、有少量粗骨性礫石土的純母質(zhì)侵蝕劣地，坡度約為35°，植被覆蓋度不足5%，土層厚度不足5 cm，鮮有人為擾動(dòng)。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

于2015年12月采集荒坡侵蝕劣地土壤，采集前去除表層雜質(zhì)。土壤過(guò)5 mm篩后填入花盆內(nèi)并略微壓實(shí)，使其容重為1.30 g/cm3左右，花盆規(guī)格為口徑×底徑×高：180 mm×125 mm×100 mm。試驗(yàn)處理如表1所示，每個(gè)處理3個(gè)重復(fù)，共27個(gè)花盆試樣。試樣制成后，首先浸水12 h，水層比花盆頂部稍低，然后靜置，保證試驗(yàn)初土壤的含水率均為飽和含水率。靜置數(shù)日后，液施PAM(中性，相對(duì)分子量300萬(wàn)，堿性條件下水解，水解度為20%)溶液和等密度撒播草籽(每個(gè)花盆均撒播狗牙根Cynodondactylon或三葉草Trifoliumepens種子0.3 g)，試驗(yàn)期間常規(guī)管護(hù)，及時(shí)灌溉、去除雜草與補(bǔ)種。

表1 試驗(yàn)處理Table 1 Test treatments

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1樣品采集及指標(biāo)測(cè)定 于2016年5月初采集花盆試樣，采樣時(shí)間為雨后3 d以上，且3 d以上無(wú)灌溉和拔草措施。環(huán)刀取樣：采樣前土壤表面的植株、枯落物或其他雜質(zhì)等清理干凈(CK、PAM1和PAM2只需去除土壤表面的雜質(zhì))，然后用環(huán)刀(底面積30 cm2，高2 cm)采取含有根系或無(wú)根系的土壤樣品。土壤微團(tuán)聚體試驗(yàn)取樣：每次環(huán)刀取樣過(guò)后，用鏟子采取約500 g土帶回實(shí)驗(yàn)室使其自然風(fēng)干。土壤微團(tuán)聚體組成測(cè)定：蒸餾水浸泡土壤24 h后再振蕩2 h，采用吸管法測(cè)定各粒級(jí)微團(tuán)聚體含量[24]。

1.3.2土壤微團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)特征指標(biāo)計(jì)算 土壤微團(tuán)聚體平均重量比表面積(mean weight soil specific area，MWSSA)、平均重量直徑(mean weight diameter，MWD)、團(tuán)聚狀況、團(tuán)聚度、分散系數(shù)和分散率均采用中國(guó)科學(xué)院南京土壤研究所主編的《土壤物理性質(zhì)測(cè)定法》中相關(guān)公式計(jì)算[24]。

1.3.3分形維數(shù)(D)的計(jì)算 分形維數(shù)在一定程度上可以作為評(píng)價(jià)土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的指標(biāo)[25]。因土壤本身具有自相似結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，故可用分形理論建立土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的分形模型，本研究采用以粒徑的質(zhì)量分布直接計(jì)算土壤粒徑分布的分形維數(shù)(楊培嶺法)，小于某一特定測(cè)量尺度的累積土粒質(zhì)量mi與di之間的分形關(guān)系式為[26]：

(1)

式中：di為相鄰兩篩分粒級(jí)的粒徑平均值(mm)；dmax為最大土粒粒徑值(mm)；mi為粒徑小于di的累積土粒質(zhì)量(kg)；mmax為各粒級(jí)質(zhì)量之和(kg)；D為分形維數(shù)。

1.3.4根系指標(biāo)測(cè)定及計(jì)算 將含根系的土樣浸于水中2 h，置于0.5 mm篩內(nèi)用較小流量自來(lái)水沖洗，洗出的根系晾干表面水分，裝入自封袋內(nèi)并編號(hào)；然后采用200 dpi分辨率的掃描儀對(duì)根系進(jìn)行灰度掃描，采用WinRHIZO(Pro. 2004c)根系分析系統(tǒng)分5個(gè)徑級(jí)(d≤0.2 mm，0.2 mm0.9 mm，d為直徑，單位mm)對(duì)根長(zhǎng)(root length，RL)、根表面積(root surface area，RSA)和根體積(root volume，RV)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。掃描后的根系采用烘干法和精度為千分之一的電子天平獲得根干重(root weight，RW)[27]。

根長(zhǎng)密度(root length density，RLD)=環(huán)刀內(nèi)根系總長(zhǎng)度/土體體積

(2)

根表面積密度(root surface area density，RSAD)=環(huán)刀內(nèi)根系總表面積/土體體積

(3)

根體積密度(root volume density，RVD)=環(huán)刀內(nèi)根系總體積/土體體積

(4)

根重密度(root weight density，RWD)=環(huán)刀內(nèi)根系總干重/土體體積

(5)

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2010軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行圖表處理，用SPSS 17.0 統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行差異顯著性分析(Duncan法)和Pearson相關(guān)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 PAM和草類(lèi)對(duì)微團(tuán)聚體分布特征的影響

由圖1可知，同一粒級(jí)不同處理微團(tuán)聚體含量存在差異。1～0.25 mm粒級(jí)，PAM1微團(tuán)聚體含量最大，為46.46%，是最小值(CK，39.93%)的1.16倍，且各試驗(yàn)處理的微團(tuán)聚體含量均大于CK，GY-PAM1和GY-PAM2的微團(tuán)聚體含量均大于GY，SY-PAM1和SY-PAM2的微團(tuán)聚體含量均大于SY。0.25～0.05 mm粒級(jí)，SY-PAM1的微團(tuán)聚體含量最大，為38.64%，是最小值(CK，30.63%)的1.26倍。0.05～0.01 mm粒級(jí)微團(tuán)聚體含量介于10.04%～16.28%，平均值為13.02%。0.01～0.005 mm粒級(jí)微團(tuán)聚體含量介于2.88%～6.76%，平均值為3.98%，0.005～0.002 mm粒級(jí)微團(tuán)聚體含量介于0.56%～4.39%，平均值為2.59%，且CK在這2個(gè)粒級(jí)范圍內(nèi)的微團(tuán)聚體含量均顯著大于各試驗(yàn)處理。0.002～0.001 mm粒級(jí)微團(tuán)聚體含量介于0.08%～3.41%，<0.001 mm粒級(jí)微團(tuán)聚體含量介于0.29%～1.92%，CK在這2個(gè)粒級(jí)范圍內(nèi)微團(tuán)聚體含量均顯著大于各試驗(yàn)處理。

圖1 不同處理的土壤微團(tuán)聚體組成Fig.1 Composition of soil micro-aggregates in different treatments 不同小寫(xiě)字母表示同一粒級(jí)不同處理土壤微團(tuán)聚體含量在P<0.05水平上差異顯著。Different lowercase letters indicate that the content of soil micro-aggregates of the same particle-size with different treatments are significantly different at P<0.05 level.

1～0.05 mm粒級(jí)范圍內(nèi)微團(tuán)聚體含量則表現(xiàn)為“狗牙根+PAM”>“三葉草+PAM”>單施PAM>單植草類(lèi)>CK，其中GY-PAM1的此粒級(jí)微團(tuán)聚體含量最大，為82.23%。較之CK，各試驗(yàn)處理該粒級(jí)范圍的微團(tuán)聚體含量均有所增加。在<0.01 mm粒級(jí)范圍內(nèi)，各試驗(yàn)處理的此粒級(jí)微團(tuán)聚體含量較之CK均有所減少。由此可見(jiàn)，與CK相比，各試驗(yàn)處理的大粒徑微團(tuán)聚體含量增加，小粒徑的則減少。

同一處理不同粒級(jí)微團(tuán)聚體含量亦存在差異。所有處理的1～0.25 mm粒級(jí)微團(tuán)聚體含量均最大，<0.002 mm粒級(jí)微團(tuán)聚體含量均最小。所有處理的不同粒級(jí)土壤微團(tuán)聚體含量均呈C1～0.25 mm>C0.25～0.05 mm>C0.05～0.01 mm>C0.01～0.005 mm>C0.005～0.002 mm>C<0.002 mm的順序。所有處理的1～0.25 mm均為優(yōu)勢(shì)粒級(jí)，0.25～0.05 mm均為次優(yōu)勢(shì)粒級(jí)。

由圖1亦可知，不同處理不同粒級(jí)土壤微團(tuán)聚體整體分布特征有所不同。如所有處理間土壤微團(tuán)聚體含量最小的粒級(jí)有所不同，CK、PAM1、PAM2、GY和SY-PAM2的微團(tuán)聚體含量最小的粒級(jí)均為<0.001 mm，而SY、GY-PAM1、GY-PAM2和SY-PAM1處理微團(tuán)聚體含量最小的粒級(jí)均為0.002～0.001 mm。

2.2 PAM和草類(lèi)對(duì)微團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)特征的影響

評(píng)價(jià)土壤微團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)特征常用的代表性指標(biāo)有平均重量比表面積(MWSSA)、平均重量直徑(MWD)、團(tuán)聚狀況、團(tuán)聚度、分散系數(shù)和分散率等。

團(tuán)聚體的MWSSA是反映土壤性質(zhì)的綜合指標(biāo)之一，一般來(lái)講，MWSSA的值越大，土壤質(zhì)地越細(xì)，分散性越強(qiáng)[28]。由表2可知，土壤微團(tuán)聚體MWSSA表現(xiàn)為CK最大，GY-PAM1最小，CK的微團(tuán)聚體MWSSA均顯著大于各試驗(yàn)處理，為最小值(GY-PAM1，60.90 cm2/g)的3.33倍。PAM1、PAM2、GY-PAM1和GY-PAM2等4個(gè)試驗(yàn)處理的MWSSA彼此之間無(wú)顯著性差異，且顯著小于GY和SY。SY-PAM1和SY-PAM2的MWSSA無(wú)顯著性差異。由此可見(jiàn)，CK的土壤質(zhì)地細(xì)，微團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性差；與CK相比，各試驗(yàn)處理均有效降低了荒坡侵蝕劣地紫色土微團(tuán)聚體MWSSA，且其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性均優(yōu)于CK，其中GY-PAM1微團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性最好。

表2 不同處理的土壤微團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)特征Table 2 Structural characteristics of soil micro-aggregates in different treatments

表中數(shù)據(jù)為平均值(n=3)。不同小寫(xiě)字母表示不同處理同一指標(biāo)在P<0.05水平上差異顯著。Data are means (n=3). Different lowercase letters indicate significant difference among treatments of the same parameter at the level of 0.05. MWSSA: Mean weight soil specific area; MWD: Mean weight diameter.

團(tuán)聚體的平均重量直徑(MWD)是反映土壤結(jié)構(gòu)抗機(jī)械穩(wěn)定性的綜合指標(biāo)之一[29]，一般來(lái)講，MWD的值越大，土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性越好，抗侵蝕性越強(qiáng)。由表2可知，所有處理的土壤微團(tuán)聚體MWD介于0.30～0.35 mm，最大為GY-PAM1(0.35 mm)，最小為CK(0.30 mm)，且處理之間土壤微團(tuán)聚體MWD均無(wú)顯著性差異。由此可見(jiàn)，CK土壤抗侵蝕性最弱；較之CK，各試驗(yàn)處理均有利于增加荒坡侵蝕劣地紫色土的微團(tuán)聚體MWD，土壤微團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和抗侵蝕性均有所增強(qiáng)。

團(tuán)聚狀況、團(tuán)聚度、分散系數(shù)和分散率亦均為評(píng)價(jià)土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的指標(biāo)。一般來(lái)講，團(tuán)聚體的團(tuán)聚狀況和團(tuán)聚度越高，其分散系數(shù)和分散率相應(yīng)地則越低，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和抗侵蝕性越強(qiáng)[30]。由表2亦可知，土壤微團(tuán)聚體團(tuán)聚狀況與團(tuán)聚度均呈現(xiàn)“狗牙根+PAM”>“三葉草+PAM”>單施PAM>單植草類(lèi)>CK的順序，團(tuán)聚狀況與團(tuán)聚度最大值分別為35.55%和43.23%(GY-PAM1)，最小值分別為23.88%和33.84%(CK)。CK的微團(tuán)聚體分散系數(shù)與分散率均顯著大于各試驗(yàn)處理，分散系數(shù)與分散率最大值分別為13.99%和55.21%(CK)，最小值分別為2.11%和33.33%(GY-PAM1)。GY-PAM1、GY-PAM2、SY-PAM1和SY-PAM2等4個(gè)試驗(yàn)處理的土壤微團(tuán)聚體團(tuán)聚狀況、團(tuán)聚度、分散系數(shù)和分散率彼此之間均無(wú)顯著性差異，且這4個(gè)試驗(yàn)處理的團(tuán)聚狀況與團(tuán)聚度均顯著大于單植草類(lèi)；除“三葉草+PAM”分散系數(shù)大于單施PAM外，其他3個(gè)相互組合處理的分散系數(shù)和分散率均小于單施PAM和單植草類(lèi)。由此可知，較之CK，各試驗(yàn)處理均有效提高了荒坡侵蝕劣地紫色土微團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和抗侵蝕性，其中GY-PAM1的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和抗侵蝕性最強(qiáng)。

2.3 PAM和草類(lèi)對(duì)微團(tuán)聚體分形特征的影響

土壤微團(tuán)聚體分形維數(shù)可以表征土壤的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和抗侵蝕性，一般來(lái)講，大粒徑微團(tuán)聚體含量越高，其分形維數(shù)越小，土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和抗侵蝕性越強(qiáng)，反之，其分形維數(shù)則越大，土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和抗侵蝕性相應(yīng)地則越弱[30]。由表3可知，所有處理的土壤微團(tuán)聚體分形維數(shù)介于2.148～2.467，最大值為2.467(CK)，最小值為2.148(GY-PAM1)。各試驗(yàn)處理的土壤微團(tuán)聚體分形維數(shù)均小于CK，GY-PAM1、GY-PAM2、SY-PAM1和SY-PAM2等4個(gè)試驗(yàn)處理的土壤微團(tuán)聚體分形維數(shù)均小于單植草類(lèi)。

為了探討不同處理的土壤微團(tuán)聚體分形維數(shù)對(duì)不同粒級(jí)微團(tuán)聚體分布的反映程度，在用回歸分析法計(jì)算分形維數(shù)時(shí)得到了不同線性回歸方程的決定系數(shù)，由表3可知，決定系數(shù)介于0.958～0.982，這說(shuō)明分形維數(shù)能夠很好地反映各個(gè)處理不同粒級(jí)微團(tuán)聚體分布特征，且參考價(jià)值很高。較之CK，各試驗(yàn)處理均有效減小了荒坡侵蝕劣地紫色土微團(tuán)聚體分形維數(shù)，進(jìn)而增強(qiáng)了其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和抗侵蝕性。較之單施PAM和單植草類(lèi)，草類(lèi)與PAM相互組合使用更有利于增強(qiáng)荒坡侵蝕劣地紫色土結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和抗侵蝕性。

表3 不同處理的土壤微團(tuán)聚體分形維數(shù)Table 3 Fractal dimension of soil micro-aggregates in different treatments

2.4 草類(lèi)根系與微團(tuán)聚體指標(biāo)間的相關(guān)分析

試驗(yàn)期間，為避免枯落物的干擾，已人為及時(shí)清除。地下部分根系在穩(wěn)定土壤結(jié)構(gòu)、提高土壤抗侵蝕性方面的作用遠(yuǎn)大于地上部分[31]，故草類(lèi)對(duì)微團(tuán)聚體的影響主要為根系作用。因此本研究著重介紹草類(lèi)根系與微團(tuán)聚體指標(biāo)間的相關(guān)分析。

2.4.1根系指標(biāo) 表4中，“狗牙根+PAM”含根土體的各項(xiàng)根系總體指標(biāo)和徑級(jí)指標(biāo)均最優(yōu)，其次是單植狗牙根，而單植三葉草含根土體的根系指標(biāo)最差。值得指出的是，“狗牙根+PAM”含根土體的根系指標(biāo)略?xún)?yōu)于單植狗牙根的，三葉草情況亦與狗牙根類(lèi)似。所有含根土體處理的徑級(jí)指標(biāo)中，d≤0.2 mm徑級(jí)的根系指標(biāo)最優(yōu)，徑級(jí)根系指標(biāo)均隨著徑級(jí)的增大而遞減，d≤0.2 mm徑級(jí)是優(yōu)勢(shì)徑級(jí)，0.2 mm

2.4.2相關(guān)分析 根系總體指標(biāo)與微團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)特征指標(biāo)間的相關(guān)分析見(jiàn)表5。MWSSA、分散系數(shù)、分散率與總體指標(biāo)的RLD均呈極顯著或顯著負(fù)相關(guān)，其中分散系數(shù)與RLD的相關(guān)系數(shù)(-0.754)最大。MWD、團(tuán)聚狀況、團(tuán)聚度與總體指標(biāo)的RLD、RSAD均呈極顯著或顯著正相關(guān)，其中團(tuán)聚狀況與RLD的相關(guān)系數(shù)(0.596)最大。除MWD外，其他微團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)特征指標(biāo)均與總體指標(biāo)的RSAD呈極顯著或顯著相關(guān)。所有微團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)特征指標(biāo)與總體指標(biāo)的RVD、RWD的相關(guān)性均不顯著。由此可見(jiàn)，根系總體指標(biāo)中，RLD是影響荒坡侵蝕劣地紫色土結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和抗侵蝕性的主要因子，其次是RSAD。

不同徑級(jí)根系指標(biāo)與微團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)特征指標(biāo)間的相關(guān)分析如表5所示。MWSSA、分散系數(shù)、分散率與d≤0.2 mm徑級(jí)、0.2 mm

表4 含根土體的根系總體指標(biāo)和徑級(jí)指標(biāo)Table 4 The overall parameters and diameter parameters of root-soil complex

注：表中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差(n=3)；不同小寫(xiě)字母表示在P<0.05水平上差異顯著。

Note： Data are means ± standard deviation (n=3). Different lowercase letters indicate significant differences at the level of 0.05.

3 討論

荒坡侵蝕劣地紫色土由于長(zhǎng)期嚴(yán)重的水土流失，其土壤表層流失殆盡，僅存的少量粗骨性礫石土抗侵蝕性極弱，因此設(shè)法提高荒坡侵蝕劣地紫色土的抗侵蝕性、有效控制其進(jìn)一步的水土流失極為重要。研究發(fā)現(xiàn)，荒坡侵蝕劣地紫色土微團(tuán)聚體組成分布極為不均，表現(xiàn)在>0.01 mm粒級(jí)微團(tuán)聚體含量偏高，而<0.01 mm粒級(jí)微團(tuán)聚體含量卻偏低，這與黃炎和等[32]的研究結(jié)果類(lèi)似。較之CK，各試驗(yàn)處理雖不能改善荒坡侵蝕劣地紫色土微團(tuán)聚體組成不均的狀況，但可以有效提高其土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和抗侵蝕性。

各處理的土壤微團(tuán)聚體分布特征具有顯著性差異。較之CK，各試驗(yàn)處理均有助于增加荒坡侵蝕劣地紫色土大粒徑微團(tuán)聚體含量，減少小粒徑微團(tuán)聚體含量，這與已有的PAM或草類(lèi)對(duì)土壤團(tuán)聚體影響的研究結(jié)果類(lèi)似[17,33]。 與CK相比， 各試驗(yàn)處理均有助于降低MWSSA、分散系數(shù)和分散率， 增加MWD、團(tuán)聚狀況和團(tuán)聚度，提高侵蝕劣地土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)抗機(jī)械穩(wěn)定性和抗侵蝕性，其中以GY-PAM1的改善效果最好。究其原因，PAM是高分子鏈網(wǎng)狀聚合物，含有大量的酰胺基，本身帶有電荷，能夠以吸附、纏繞和貫穿等方式捕捉分散土粒[34]，并通過(guò)搭橋效應(yīng)(本質(zhì)是范德華吸引力)來(lái)促使土壤團(tuán)聚體凝聚[18]，形成復(fù)雜、穩(wěn)定的PAM-土壤團(tuán)聚體網(wǎng)絡(luò)復(fù)合結(jié)構(gòu)，從而使得大粒徑土壤微團(tuán)聚體含量增加，并形成一定數(shù)量的膠體物質(zhì)[35]，增強(qiáng)了土壤的抗侵蝕性能；草類(lèi)具有發(fā)達(dá)的根系系統(tǒng)，根系網(wǎng)絡(luò)串聯(lián)作用、根土粘結(jié)作用和根系分泌物的膠結(jié)作用能夠凝聚分散土粒形成較大的團(tuán)聚體；根據(jù)李建興等[36]的研究，草類(lèi)根系與土壤的接觸面構(gòu)成了較好的導(dǎo)水通道，能夠增加土壤的有效生物孔隙數(shù)目，可能更有利于PAM大分子鏈網(wǎng)狀聚合物沿著有效生物孔隙由地表滲透到深層土壤，使得PAM與土粒的復(fù)合作用(吸附、纏繞和貫穿等)更加充分。而草類(lèi)與PAM相互組合使用，則兼具了單施PAM和單植草類(lèi)各自的效果，其對(duì)侵蝕劣地土壤的改善效果更優(yōu)。

表5 根系指標(biāo)與微團(tuán)聚體指標(biāo)間的相關(guān)分析Table 5 Correlation analysis between root parameters and soil micro-aggregates parameters

注：“*”表示在0.05水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)；“**”表示在0.01水平(雙側(cè))上極顯著相關(guān)；RLDx，RSADx，RVDx(x=0.2，0.5，0.7)分別表示d≤0.2 mm、0.2 mm

Note： “*” and “**” indicate significant correlations at the level of 0.05 and 0.01 respectively, under bilateral inspection. RLDx, RSADx, RVDx(x=0.2, 0.5, 0.7) indicate root length density, root surface area density, root volume density in different root diameters, which ared≤0.2 mm, 0.2 mm

本研究發(fā)現(xiàn)，在狗牙根整體長(zhǎng)勢(shì)相同的條件下，GY-PAM1對(duì)侵蝕劣地土壤性質(zhì)的改善效果略?xún)?yōu)于GY-PAM2，其原因可能與PAM濃度有關(guān)。龍明杰等[34]對(duì)聚丙烯酰胺施用量增加>0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)粒含量效果的研究表明，超過(guò)最佳施用量時(shí)，單位聚丙烯酰胺用量在提高土壤>0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)粒數(shù)量的效果上隨著聚丙烯酰胺用量的增加而下降。在一定的濃度梯度范圍內(nèi)，本研究中PAM提高微團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的效果可能隨濃度的增加呈先升高后下降的態(tài)勢(shì)，即存在一個(gè)峰值濃度。由于本研究只設(shè)置了兩個(gè)濃度(30和60 g/m3)，不足以反映PAM濃度梯度變化對(duì)土壤微團(tuán)聚體組成分布和結(jié)構(gòu)狀況的影響，需要進(jìn)一步完善試驗(yàn)并加以研究。

“草類(lèi)+PAM”的根系總體指標(biāo)和徑級(jí)指標(biāo)均優(yōu)于單植草類(lèi)，這可能是PAM增加土壤通透性和保水性，從而促進(jìn)根系生長(zhǎng)。根系總體指標(biāo)RLD和d≤0.2 mm徑級(jí)(須根徑級(jí))分別是影響土壤微團(tuán)聚體指標(biāo)的主要因子和關(guān)鍵徑級(jí)，Csilla等[37]對(duì)量化高山植被根系影響土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的研究亦證實(shí)了這一點(diǎn)，分析原因：一方面極細(xì)根的密集分布可以增加根系與土粒的接觸面積，大量根系分泌物可充分地膠結(jié)、籠絡(luò)根系周?chē)奈⑿⊥寥李w粒，增大了根系與微小土壤顆粒之間的范德華吸引力，這可能對(duì)于形成大粒徑土壤團(tuán)聚結(jié)構(gòu)有利；另一方面，根據(jù)Amezketa[38]的觀點(diǎn)，極細(xì)根萎縮腐解轉(zhuǎn)化為腐殖質(zhì)，腐殖質(zhì)可作為“膠結(jié)劑”與微小土壤顆粒以多價(jià)陽(yáng)離子為“鍵橋”而“粘”在一起，使得微團(tuán)聚體的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和抗侵蝕性有所增強(qiáng)[18]。陶俊[33]就不同護(hù)坡草本根系分布對(duì)土壤理化性質(zhì)影響的研究表明，0.5 mm

4 結(jié)論

(1)通過(guò)對(duì)比各處理的土壤微團(tuán)聚體分布特征可知，同一粒級(jí)不同處理和同一處理不同粒級(jí)微團(tuán)聚體含量均存在明顯的差異。較之CK，單施PAM、單植草類(lèi)、“草類(lèi)+PAM”的大粒徑微團(tuán)聚體含量增加，小粒徑的則減少。所有處理中，微團(tuán)聚體的1～0.25 mm粒級(jí)為優(yōu)勢(shì)粒級(jí)，0.25～0.05 mm粒級(jí)為次優(yōu)勢(shì)粒級(jí)。

(2)與CK相比，單施PAM、單植草類(lèi)、“草類(lèi)+PAM”的MWSSA、分散系數(shù)和分散率均顯著減小，MWD、團(tuán)聚狀況和團(tuán)聚度均顯著增大。GY-PAM1土壤的各項(xiàng)微團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)特征指標(biāo)均優(yōu)于其他試驗(yàn)處理，其土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和抗侵蝕性最好。

(3)單施PAM、單植草類(lèi)、“草類(lèi)+PAM”均減小了侵蝕劣地土壤微團(tuán)聚體分形維數(shù)，增強(qiáng)了土壤的抗侵蝕性。GY-PAM1的土壤微團(tuán)聚體分形維數(shù)(D=2.148)最小。

(4)“草類(lèi)+PAM”的根系總體指標(biāo)和徑級(jí)指標(biāo)均優(yōu)于單植草類(lèi)。所有含根土體處理的徑級(jí)指標(biāo)中，d≤0.2 mm是優(yōu)勢(shì)徑級(jí)，0.2 mm

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WANG Run-Ze1, CHEN Yun1*, LI Tie1, ZHOU Tao1, HE Bing-Hui1, LIU Xiao-Hong1, LIU Zhi-Peng1, SHAN Zhi-Jie2

1.CollegeofResourcesandEnvironment,KeyLaboratoryofEco-environmentsinThreeGorgesReservoirRegion,SouthwestUniversity,Chongqing400715,China; 2.ChinaInstituteofWaterResourcesandHydropowerResearch,StateKeyLaboratoryofSimulationandRegulationofWaterCycleinRiverBasin,Beijing100048,China

In order to explore the improvement effects of polyacrylamide (PAM) and grass roots on soil in badlands, the composition, distribution, structural and fractal characteristics of soil micro-aggregates in purple soil were measured after six months exposure to various treatments, including blank control (CK), polyacrylamide on the soil surface, grass planting alone, “Cynodondactylon+PAM” and “Trifoliumrepens+PAM”. The results indicated that the proportion of large particle size micro-aggregates of each experimental treatment increased while the proportion of small particle size micro-aggregates decreased, compared to CK. Hence, the mean weight soil specific area (MWSSA), dispersion coefficient and dispersion rate of experimental treatments significantly decreased (The minimum values were 0.30, 0.15 and 0.60 times those of CK, respectively). The mean weight diameter, aggregation states and degree of aggregation of each experimental treatment significantly increased (The maximum values were 1.17, 1.49 and 1.28 times those of CK, respectively). The fractal dimension of micro-aggregates in experimental treatments also decreased. All the structural parameters of micro-aggregates in soils of treatment GY-PAM1(C.dactylonplanting and liquid application of 30 g/m3polyacrylamide) were superior to the other treatments and this treatment showed greater reduction in erodibility. The root system parameters of “grass+PAM” were better than those of grass-planting alone. The total root length and the root length in the diameter (d) classd≤0.2 mm were the major factor and critical diameter class affecting structural stability and erodibility reduction of purple soil in barren hillside badlands.

soil micro-aggregates； PAM； root system characteristics； root length density； root surface area density

10.11686/cyxb2017060http//cyxb.lzu.edu.cn

王潤(rùn)澤, 諶蕓, 李鐵, 周濤, 何丙輝, 劉梟宏, 劉志鵬, 單志杰. PAM和草類(lèi)根系對(duì)荒坡侵蝕劣地紫色土微團(tuán)聚體的影響. 草業(yè)學(xué)報(bào), 2017, 26(12): 13-23.

WANG Run-Ze, CHEN Yun, LI Tie, ZHOU Tao, HE Bing-Hui, LIU Xiao-Hong, LIU Zhi-Peng, SHAN Zhi-Jie. Impacts of polyacrylamide and grass root systems on micro-aggregates of purple soil in barren hillside badlands. Acta Prataculturae Sinica, 2017, 26(12): 13-23.

2017-02-20；改回日期：2017-06-01

國(guó)家自然科學(xué)基金(41501288)，重慶市基礎(chǔ)科學(xué)與前沿技術(shù)研究一般項(xiàng)目(cstc2017jcyjAX0472)，中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)(XDJK2015C170，XDJK2017D206)，西南大學(xué)第九屆本科生科技創(chuàng)新

基金項(xiàng)目(20162402008)，西南大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院“光炯”項(xiàng)目(201719)和水利部公益性行業(yè)科研專(zhuān)項(xiàng)經(jīng)費(fèi)項(xiàng)目(201501045)資助。

王潤(rùn)澤(1990-)，男，山東淄博人，在讀碩士。E-mail: 704784686@qq.com*通信作者Corresponding author. E-mail: sy22478@126.com