李紀(jì)滕 夏振堯 劉琦 張倫 張保華 潘嬋娟 杜祥運(yùn) 許文年

摘要：三峽庫區(qū)廣泛分布的紫色土崩解造成嚴(yán)重的水土流失，在該區(qū)域人工構(gòu)建植被是解決該問題的重要途徑。以紫色土、狗牙根和多花木藍(lán)為研究對(duì)象，通過靜水崩解試驗(yàn)，研究不同植物根系組合下紫色土的抗蝕性能，分析紫色土的杭蝕性能與植物根系特征、侵蝕坡度的相互關(guān)系。結(jié)果表明：植物根系能顯著提高紫色土的土壤平均質(zhì)量直徑（MWD）、杭蝕系數(shù)和杭蝕增強(qiáng)系數(shù)，植物根系組合的杭蝕增強(qiáng)效果為草灌混播>純草本>純灌木；紫色土的抗蝕系數(shù)隨根系的根長(zhǎng)密度、根表面積密度、根重密度的增大而增大，擬合優(yōu)度在0.96以上，成顯著相關(guān)關(guān)系；相同的種植條件下，累計(jì)崩解量隨侵蝕坡度的增大而增大，且在崩解前期增速較快、后期增速較慢并逐漸趨于穩(wěn)定。

關(guān)鍵詞：紫色土；抗蝕系數(shù)；土壤團(tuán)聚體；根系特征；侵蝕坡度；累計(jì)崩解量

中圖分類號(hào)：S157.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A doi：10.3969/i.issn.1000-1379.2018.02.019

1 研究背景

三峽庫區(qū)消落帶水土流失的主要原因之一是土壤崩解。紫色土是侵蝕性土壤，其成土母巖構(gòu)造疏松，易于風(fēng)化，成土母質(zhì)風(fēng)化后很容易被侵蝕，從而使得露出地表的母質(zhì)層持續(xù)崩解。三峽水庫周期性蓄水、泄洪，形成的消落帶最高水位落差為30m，使庫區(qū)兩岸坡地周期性浸泡和露出水面。周期性的水位變化加劇了水土流失，對(duì)三峽庫區(qū)的生態(tài)環(huán)境和長(zhǎng)江航運(yùn)產(chǎn)生不利的影響。目前，在消落帶采用人工構(gòu)建植被的手段是解決三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境的重要途徑之一。消落帶原有的植物在水庫水位的漲落環(huán)境中不易生存，且紫色土在三峽庫區(qū)廣泛分布，占土地面積的19%～40%，將導(dǎo)致水庫兩岸產(chǎn)生較為嚴(yán)重的土壤侵蝕和水土流失，影響三峽庫區(qū)的生態(tài)環(huán)境。

土壤抗蝕性是指土壤抵抗侵蝕營力對(duì)其分散、搬運(yùn)的能力。已有研究表明，植物根系對(duì)土壤的抗蝕能力具有顯著的增強(qiáng)作用。吳鵬等的研究表明，團(tuán)聚狀況、團(tuán)聚度、大于0.25mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量、結(jié)構(gòu)破壞率、分散系數(shù)，可作為評(píng)價(jià)土壤抗蝕性的指標(biāo)。植被主要通過改變土壤的自然環(huán)境而改變其抗蝕性，它是影響土壤抗蝕性能的重要因素之一。不同植被條件下，各土層間土壤抗蝕性指數(shù)差異顯著。然而目前對(duì)靜水浸泡根系提高土壤抗侵蝕研究較少。劉定輝等研究表明，有效根（根徑小于1mm的細(xì)根）可增加有機(jī)質(zhì)和土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體的含量，其密度與土壤的物理性質(zhì)關(guān)系最為密切；王庫研究得出，植物根系與土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體有較強(qiáng)的相關(guān)性，根徑小于1mm的細(xì)根可提高水穩(wěn)性團(tuán)聚體的數(shù)量，在須根的穿插和纏繞以及活根的分泌物膠結(jié)作用下，增強(qiáng)土壤抗分散和抗懸浮的能力；吳淑安等發(fā)現(xiàn)植物根系對(duì)土壤的抗蝕性有顯著提升，植物根系豐富的土壤比根系較少的土壤抗崩解的能力更加顯著；張冀研究發(fā)現(xiàn)，植被有助于土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體的形成，并能改善土壤性質(zhì)且維持較為穩(wěn)定的土體結(jié)構(gòu)。以往的研究大都通過環(huán)刀取樣，獲得含根系的土柱，然后放入水中進(jìn)行靜水崩解試驗(yàn)，并得出根長(zhǎng)密度和根表面積密度可以作為表征土壤抗水蝕能力的重要參數(shù)。需要指出的是，以往研究土體崩解的試驗(yàn)中，土體周圍均未受到約束，與庫水浸泡土壤的實(shí)際情況存在較大差異。三峽庫區(qū)地處丘陵地帶，不同坡度的紫色土邊坡表現(xiàn)出不同的重力侵蝕特征；同時(shí)，坡度不同導(dǎo)致土壤顆粒的分散方式不同，土樣受到的約束和坡度是影響侵蝕強(qiáng)度的重要因素。

本文通過自制的靜水崩解裝置進(jìn)行試驗(yàn)，研究不同植物根系組合下紫色土的抗蝕性能，探討植物根系特征、侵蝕坡度與紫色土抗蝕性的關(guān)系，揭示植物根系增強(qiáng)紫色土抗蝕性效應(yīng)。

2 材料與方法

2.1 試驗(yàn)材料

選取三峽地區(qū)常見的草本植物狗牙根和灌木植物多花木藍(lán)作為試驗(yàn)研究對(duì)象。紫色土采自宜昌市秭歸縣茅坪鎮(zhèn)橘園地下方的消落帶，取地表層30cm以下污染較輕的深層土，去除土壤中的雜質(zhì)，經(jīng)風(fēng)干、碾壓，過5mm篩后，用篩分法測(cè)定土粒顆粒級(jí)配。土樣的天然含水率、干密度、pH值、顆粒級(jí)配見表1。

將過篩后的土樣采用靜壓法制成30cm×30cm×10cm（長(zhǎng)×寬×高）的試樣。根據(jù)狗牙根和多花木藍(lán)最佳播種量計(jì)算得出，單播在30cm×30cm×10cm（長(zhǎng)×寬×高）試樣盒子中的播種量分別為1.2、0.8g，混播時(shí)的播種量分別為0.6、0.4g。植物種子均勻分布于試樣中，每種播種形式設(shè)置5個(gè)試樣，并設(shè)置5個(gè)無種子試樣，共計(jì)20個(gè)試樣。種植后，定期進(jìn)行澆水養(yǎng)護(hù)，種植周期為1a。

2.2 試驗(yàn)方法

由于消落帶只有一個(gè)面與水接觸發(fā)生侵蝕，因此本試驗(yàn)的試樣只有頂面與水發(fā)生接觸，其他幾個(gè)面都受到約束。采用的自制崩解裝置如圖1所示，將試樣放在試樣盒中，楔形體放置于水槽內(nèi)部，試件的底平面與楔形體的斜面保持平行，同時(shí)楔形體尖端安裝有防滑釘，防止試樣盒在試驗(yàn)過程中滑落。為研究不同侵蝕坡度對(duì)紫色土崩解性能的影響，制作30°、20°、10°傾角的楔形體來模擬3種坡度。

將種植1a植物的試樣剪去上部的植被，清理試樣表層的雜物，根據(jù)土工試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)及植物的實(shí)際生長(zhǎng)情況，選用靜壓法制成30cm×30cm×10cm（長(zhǎng)×寬×高）的試樣種植植物，崩解試驗(yàn)采用10cm×10cm×10cm（長(zhǎng)×寬×高）的方形取土器取土作為試樣，每個(gè)崩解試樣都放入試樣盒中，設(shè)3組重復(fù)，每組3個(gè)崩解水槽。準(zhǔn)備大小相同的3個(gè)崩解水槽，在每個(gè)水槽外壁標(biāo)記相同高度的崩解水位作為試驗(yàn)水位。首先將3組試樣盒和楔形體按圖1分別放置于3個(gè)水槽中，然后沿著水槽壁向水槽中緩慢注水至試驗(yàn)水位，開始計(jì)時(shí)。

試驗(yàn)中，每個(gè)試樣的浸泡時(shí)間分為7個(gè)階段，分別在1、3、6、12、18、24、30min時(shí)取出試樣，清理水槽中崩解后留下的土顆粒，放入鋁盒中烘干，稱量并記錄崩解量，接著繼續(xù)崩解試驗(yàn)，直至7個(gè)階段全部完成。如果試樣在30min之內(nèi)崩解完成，則以實(shí)際完全崩解的時(shí)間作為本次試驗(yàn)最終的崩解時(shí)間。崩解完成后，將靜置后水槽中的清水倒掉，把水槽內(nèi)的土樣裝人鋁盒烘干并稱重。

崩解試驗(yàn)完成后，將試樣放入孔徑為1mm的細(xì)紗布中，用清水反復(fù)沖洗，直至獲得干凈的植物根系，將植物根系放入自封袋中并編號(hào)。利用WinRHIZO根系分析儀器測(cè)定根系的根長(zhǎng)密度（單位土壤體積內(nèi)根的總長(zhǎng)度）、根重密度（單位土壤體積內(nèi)根的干重）、根表面積密度（單位土壤體積內(nèi)根系的總表面積）等參數(shù)，最后將根系放入80℃的恒溫箱中烘72h，取出并稱重得到根系的生物量。

運(yùn)用Excel軟件，繪制不同條件下紫色土的累計(jì)崩解量與崩解時(shí)間曲線、抗蝕性系數(shù)與根系參數(shù)（根長(zhǎng)密度、根重密度、根表面積密度）之間的關(guān)系曲線，并進(jìn)行相關(guān)性分析。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 土壤團(tuán)聚體對(duì)抗蝕性的影響

種植純灌木、純草本和草灌混播的紫色土，干篩大于0.25mm的團(tuán)聚體均占95%以上（見表2）。由表2可知，3種植物種植模式的土壤干篩團(tuán)聚體大于0.25mm的含量為98.67%～99.05%，而土壤干篩團(tuán)聚體大于0.25mm的比例越大，土體的抗蝕能力越強(qiáng)，說明植物根系對(duì)土壤的纏繞、固結(jié)作用提高了土壤的抗蝕性能，此結(jié)論與李陽兵等的研究結(jié)論一致。

土壤的團(tuán)聚體含量越高，表明土壤的持水性、透水性越好，可減少地表徑流、降低土壤被水侵蝕破壞的程度。不少學(xué)者對(duì)團(tuán)聚體的組成進(jìn)行了全面分析，提出了不同的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，Y.L.Bissonnais等提出通過土壤平均質(zhì)量直徑（MWD）來比較土壤團(tuán)聚體，認(rèn)為MWD值越大，土體的抗蝕性越強(qiáng)。無根試樣的MWD值為5.28mm，草灌混播、純草本、純灌木3種植物種植模式的土壤團(tuán)聚體的MWD值明顯增大，在5.88-6.56mm之間變化，MWD值的大小順序?yàn)椴莨嗷觳?純草本>純灌木>無根試樣（見表2），表明植物根系的生長(zhǎng)有助于提高土壤中團(tuán)聚體的含量和土壤的抗蝕性能。

3.2 植物根系參數(shù)對(duì)土壤抗蝕性的影響

研究發(fā)現(xiàn)，10°、20°、30°坡度條件下，抗蝕系數(shù)與根系參數(shù)之間的變化曲線相似，限于篇幅，本文以30°坡面為例，分析根系參數(shù)與土壤抗蝕系數(shù)之間的關(guān)系。

植物根系參數(shù)是影響土壤抗蝕性的重要因素。由表3可看出：在紫色土崩解試驗(yàn)中，土壤的累計(jì)崩解量為100.33～664.56g，采用3種組合模式試樣的崩解量均比無根試樣的顯著減小；紫色土無根試樣的平均崩解速度為22.152g/min，而其他3種種植后試樣的平均崩解速度均明顯減??；3種植物種植模式的紫色土抗蝕系數(shù)、抗蝕性增強(qiáng)系數(shù)比無根試樣均有較大提升。

土壤抗蝕性采用土壤抗蝕系數(shù)來表示，土壤抗蝕系數(shù)是平均崩解速度的倒數(shù)，其值越大，抗蝕性越強(qiáng)。紫色土無根試樣的抗蝕系數(shù)為0.045min/g，草灌混播、純草本、純灌木3種種植模式的土壤抗蝕系數(shù)均明顯增大，其大小順序?yàn)椴莨嗷觳?純草本>純灌木>無根試樣，表明植物根系對(duì)土壤的纏繞固結(jié)作用抑制了土粒的分散，提高了土壤的抗蝕性。

土壤的抗蝕性增強(qiáng)系數(shù)為無根試樣與有根試樣平均崩解速度的差值和無根試樣的平均崩解速度的比值。由表3可知，3種植物種植模式的土壤抗蝕性增強(qiáng)系數(shù)均為正值，說明植物能提高土壤的抗蝕能力，且土壤抗蝕性增強(qiáng)系數(shù)的大小與增強(qiáng)土壤的抗蝕能力正相關(guān)。

由圖2可以看出，坡度一定（以30°坡面為例）的情況下，純灌木、純草本、草灌混播3種植物種植試樣的抗蝕系數(shù)隨試樣土體中根系的根長(zhǎng)密度的增大而增大。

從3種植物種植試樣的抗蝕系數(shù)與根長(zhǎng)密度的擬合曲線可以發(fā)現(xiàn)，不同種植模式下的曲線采用二次多項(xiàng)式函數(shù)擬合的效果最好，其擬合優(yōu)度均在0.960以上（見表4）。由曲線擬合方程可知，土壤的抗蝕系數(shù)隨著根系根長(zhǎng)密度的增加呈現(xiàn)二次多項(xiàng)式函數(shù)增大的趨勢(shì)。

由圖3可以看出，試樣崩解坡度一定（以30°坡面為例）的情況下，純灌木、純草本、草灌混播3種植物種植模式試樣的抗蝕系數(shù)隨試樣土體中根系的根表面積密度的增大而增大。

3種植物種植模式試樣的抗蝕系數(shù)與根表面積密度之間的關(guān)系，采用二次多項(xiàng)式函數(shù)擬合的效果最好，其擬合優(yōu)度均在0.965以上（見表5）。由曲線擬合方程可知，土壤的抗蝕系數(shù)隨著根系根表面積密度的增大呈二次多項(xiàng)式函數(shù)增大的趨勢(shì)。

由圖4可以看出，試樣崩解坡度（以30°坡為例）一定的情況下，3種植物種植模式試樣的抗蝕系數(shù)隨根重密度的增大而增大。

3種植物種植模式試樣的抗蝕系數(shù)與根重密度之間的關(guān)系，采用二次多項(xiàng)式函數(shù)擬合的效果最好，其擬合優(yōu)度均在0.970以上（見表6）。曲線擬合方程表明，土壤的抗蝕系數(shù)隨著根重密度的增大呈二次多項(xiàng)式函數(shù)增大的趨勢(shì)。

3.3 不同坡度下3種植被根系對(duì)土壤抗蝕性的影響

10°、20°、30°坡度下無根試樣、純草本、純灌木、草灌混播試樣的土壤累計(jì)崩解量與崩解時(shí)間的關(guān)系見圖5。在相同坡度條件下，無根試樣的累計(jì)崩解量明顯大于有根試樣的，表明植物修復(fù)后紫色土的抗蝕性能顯著提升。無根試樣崩解前6min的累計(jì)崩解量增速較快，之后累計(jì)崩解量增速逐漸減緩；有植被試樣崩解前3min的累計(jì)崩解量增速較快，之后累計(jì)崩解量增速逐漸減緩并趨于穩(wěn)定。累計(jì)崩解量的大小順序?yàn)闊o根試樣>純灌木>純草本>草灌混播。

在相同植被種植條件下，坡度越大，試樣的累計(jì)崩解量越大，且崩解試驗(yàn)前期的累計(jì)崩解量增速較快，后期累計(jì)崩解量增速減緩并趨于穩(wěn)定，有根試樣的累計(jì)崩解量遠(yuǎn)小于無根試樣的，表明植物根系對(duì)土壤的纏繞、固結(jié)作用，有效抑制了土粒之間的分散，改善了土壤的理化性質(zhì)，提高了土壤的抗蝕性，這與吳淑安等的研究結(jié)論一致。

4 結(jié)語

（1）草灌混播、純草本、純灌木3種模式試樣的抗蝕性均比無根試樣明顯提升，有根和無根試樣的抗蝕系數(shù)、抗蝕性增強(qiáng)系數(shù)的大小排序均為草灌混播>純草本>純灌木>無根試樣。

（2）種植植物后的試樣土壤團(tuán)聚體的MWD值均比無根試樣明顯增大，其值大小為草灌混播>純草本>純灌木。

（3）試樣土壤的抗蝕系數(shù)與土體中根系的根長(zhǎng)密度、根表面積密度、根重密度之間成二次多項(xiàng)式函數(shù)關(guān)系，根長(zhǎng)密度、根表面積密度、根重密度越大，土壤的抗蝕性越強(qiáng)。

（4）在相同坡度條件下，種植植物后的試樣土壤累計(jì)崩解量明顯比無根試樣的小，累計(jì)崩解量大小順序?yàn)闊o根試樣>純灌木>純草本>草灌混播；無根試樣的累計(jì)崩解量在崩解試驗(yàn)的前6min增速較快，之后累計(jì)崩解量增速逐漸減緩；種植植物的試樣累計(jì)崩解量在崩解試驗(yàn)的前3min增速較快，之后累計(jì)崩解量增速逐漸減緩并趨于穩(wěn)定。

（5）在相同植物種植條件下，試樣的累計(jì)崩解量隨坡度的增大而增大，且崩解試驗(yàn)前期的土壤累計(jì)崩解量增速較快，后期累計(jì)崩解量增速較緩且趨于穩(wěn)定。

本文僅對(duì)靜水條件下不同坡度、不同根系組合下三峽庫區(qū)消落帶紫色土壤抗蝕性進(jìn)行了研究，水壓力、水深、水力沖擊等因素對(duì)土壤抗侵蝕的影響有待進(jìn)一步研究。