王鑫皓,王云琦,2?,馬 超,2,王玉杰,2

(1.北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院重慶縉云山三峽庫區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測研究站,100083,北京;2.北京市水土保持工程技術(shù)研究中心(北京林業(yè)大學(xué)),100083,北京)

植物根系對(duì)抑制土壤侵蝕和淺層滑破的發(fā)生有著明顯的作用[13]：一方面植物根系通過單根抗拉力和根 土間的摩擦力增強(qiáng)土壤抵抗破壞的能力[47];另一方面植物根系能夠改變土壤中水分的遷移,使土壤中基質(zhì)吸力隨含水量的改變而變化,從而影響邊坡的應(yīng)力平衡體系[810]。因此,根系對(duì)土壤滲透性能的影響的研究對(duì)于探討含水率對(duì)邊坡穩(wěn)定的影響具有十分重要的意義。

植物根系一方面通過穿插、分割等機(jī)械作用使土體產(chǎn)生裂隙,從而增加土壤中大孔隙的數(shù)量來改善土壤滲透性能;另一方面根系通過提高土壤有機(jī)質(zhì)、水穩(wěn)性團(tuán)聚體等的含量使土壤結(jié)構(gòu)發(fā)生變化來影響土壤的入滲性能[1112]。李勇等[13]和劉道平等[14]發(fā)現(xiàn)根系對(duì)土壤滲透能力的強(qiáng)化值與≤1 mm徑級(jí)的須根密度(有效根密度)關(guān)系極為密切。王帥[15]對(duì)百喜草根系的研究表明,粗壯的深根系能夠在降雨初期增加雨水的下滲速度。李建興等[16]和閆東峰等[17]的研究表明土壤的入滲性能與根長密度和根表面積密度呈正相關(guān)關(guān)系。這些研究大都是根長、根面積、根體積等生物量指標(biāo)對(duì)土壤入滲性能的影響進(jìn)行研究,但對(duì)于單株植物尺度上考慮不同根系構(gòu)型[1819]的根系生長方向和分形維數(shù)對(duì)根土復(fù)合體入滲性能的影響尚不清楚。

為探究不同根系構(gòu)型的根系對(duì)土壤入滲性能的影響,本研究選用6種不同根系構(gòu)型的樹種進(jìn)行單株尺度上的入滲試驗(yàn),分析根量、不同根系構(gòu)型的根系方向和分形維數(shù)與土壤穩(wěn)滲速率的關(guān)系,得出不同根系構(gòu)型下根 土復(fù)合體入滲模型,并對(duì)其進(jìn)行檢驗(yàn),從而探究不同根系構(gòu)型對(duì)土壤入滲性能的影響,以期為水土保持優(yōu)良樹種的選擇及其合理配置提供理論支持。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)設(shè)在重慶市縉云山國家級(jí)自然保護(hù)區(qū)(E 106°17′～106°24′,N 29°41′～29°52′),土地總面積為76 km2,屬亞熱帶季風(fēng)濕潤性氣候,年均氣溫為13.6℃,最熱月(8月)平均氣溫為24.3℃,最冷月(1月)平均氣溫為3.1℃。年平均降水量1 611.8 mm,最高年降水量1 783.8 mm,冬半年(10—翌年3月)降水量368.0 mm,占全年的22.8%,夏半年(4—9月)降水量1 243.8 mm,占全年的77.2%。海拔350～951 m。植物資源豐富,有6個(gè)主要植被類型：常綠闊葉林、暖性針葉林、竹林、常綠闊葉灌叢、亞熱帶灌草叢和水生植被。土壤以三疊紀(jì)須家河組厚層石英砂巖、炭質(zhì)頁巖和泥質(zhì)砂巖為母質(zhì)風(fēng)化而成的酸性黃壤及水稻土。

2 材料與方法

2.1 土樣采集與樹種種植

在標(biāo)準(zhǔn)林分內(nèi)分3層取土,并測定土壤的物理性質(zhì)(表1),過2.5目的篩子,去除里面的礫石和生物雜質(zhì),并按照自然密度和含水率重新配土。將烏桕(Sapium sebiferum)(V型)、大頭茶(Gordonia acuminata)(VH型)、夾竹桃(Nerium indicum)(M型)、山礬(Symplocos lucida)(R型)、杉木(Cunninghamia lanceolata)(W型)和新木姜子(Neolitsea aurata)(H型)這6種不同根系構(gòu)型的3年苗種在直徑為20 cm,高為40 cm的PVC管里,底端加上鉆有大量孔的堵帽,用于排水透氣。種植過程中逐層加土,保證土中根系原有的形態(tài)不會(huì)土壤的壓力而改變。另設(shè)無根土空白對(duì)照,3組重復(fù)共21個(gè)土壤試樣,4個(gè)月(2017年4—8月)后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。不同根系構(gòu)型的示意圖如圖1所示[19]。

表1 土壤的基本物理性質(zhì)Tab.1 Basic physical properties of the soil

圖1 不同根系構(gòu)型的示意圖Fig.1 Schematic diagram of different root architecture

2.2 滲透試驗(yàn)

試驗(yàn)前用L99 TWS 1型土壤溫度水分記錄儀測定土壤初始含水比例,通過加水和靜置蒸發(fā)2種方法來改變土壤的初始含水比例。試驗(yàn)過程中水溫變化保持在23.3℃ ～25.1℃之間,土壤初始含水比例在23.2% ～26.3%之間,因此溫度與土壤初始含水比例對(duì)土壤入滲速率的影響可忽略不計(jì)。

滲透實(shí)驗(yàn)采用自制裝置(圖2)。該裝置由支架、漏斗、雨量筒(RG 3M型)、種有樹苗的PVC管4部分組成。實(shí)驗(yàn)開始后在PVC管上端緩慢加水,其水面高度保持在5 cm左右[20],水經(jīng)過根土復(fù)合體,由PVC管的底端的堵帽上的排水孔流出,經(jīng)漏斗收集導(dǎo)入雨量桶中,通過雨量筒的記錄設(shè)備記錄桶底的下滲水量隨時(shí)間的變化過程,來測定根 土復(fù)合體在定水頭條件下滲流速率的變化過程。

圖2 實(shí)驗(yàn)裝置圖Fig.2 Schematic diagram of experiment equipment

2.3 根系形態(tài)特征與土壤孔隙實(shí)驗(yàn)

滲透實(shí)驗(yàn)結(jié)束后,將整株根系挖出,清理后,利用量角器、鋼尺和游標(biāo)卡尺等對(duì)根系的長度、直徑、角度等進(jìn)行測量統(tǒng)計(jì)。同時(shí)用環(huán)刀在不同土層進(jìn)行取土,帶回實(shí)驗(yàn)室后用環(huán)刀法測定土壤的孔隙(表2)。

采用王國梁等[21]推導(dǎo)出的體積分形維數(shù)公式計(jì)算各植株的分形維數(shù)。其推導(dǎo)出的計(jì)算式為

式中：r為根系的直徑,mm;V(r＜R)為直徑＜R的根系累積體積(這里的體積均為體積分?jǐn)?shù));VT為根系的總體積;λV為所有根系區(qū)間的最大值(數(shù)值上等于最大根系直徑),mm;D為根系直徑體積分形維數(shù);V(r＜R)/VT為直徑＜R的根系的累積體積分?jǐn)?shù)。計(jì)算時(shí)R取某級(jí)粒級(jí)上限值與下限值的算術(shù)平均值。然后以 lg(R/λV)為橫坐標(biāo),以 lg(V(r＜R)/VT)為縱坐標(biāo),擬合成1條直線,該直線斜率等于3-D,進(jìn)一步求出分形維數(shù)D值。然后對(duì)分形維數(shù)和穩(wěn)滲速率之間的關(guān)系進(jìn)行分析。

表2 不同根系構(gòu)型及無根土的孔隙狀況Tab.2 Pore conditions of different root architecture and sole soil %

2.4 入滲模型的擬合

將對(duì)6種不同根系構(gòu)型的根 土復(fù)合體及無根土的入滲速率的變化用以下幾種常見的入滲模型進(jìn)行擬合,得出它們最適合的入滲模型。

1)Kostiakov公式

式中：f為入滲率,mm/min;a′入滲系數(shù);t為時(shí)間,min。

2)Philip公式

式中：s為吸水率;A為穩(wěn)滲率,mm/min。

3)Horton公式

式中：fc為穩(wěn)定入滲率,mm/min;f0為初始入滲率,mm/min;K為常數(shù)。

入滲速率每5 min取1個(gè)值,得出滲流速率隨時(shí)間的變化曲線,3個(gè)重復(fù)求取平均值后,利用Origin 8.0擬合滲透模型。

3 結(jié)果

3.1 根系量對(duì)土壤入滲性能的影響

3.1.1 根系生物量與滲透速率 根長密度和根體積分?jǐn)?shù)是表征根系量的2個(gè)重要參數(shù)。根長密度表示的是單位土壤體積內(nèi)根系的總長度,根體積分?jǐn)?shù)表示的是單位土壤體積內(nèi)的根系體積。由表3可知在同為3年苗的情況下不同根系構(gòu)型的根長密度和根體積分?jǐn)?shù)差異較大,根長密度最大的是W型根系,根長密度最小的是M型根系,根體積分?jǐn)?shù)最大的是W型根系,根體積分?jǐn)?shù)最小的是H型根系。

表3 根系量與滲透速率Tab.3 Root amount and infiltration rate

土壤的入滲性能將通過初始入滲速率和穩(wěn)定入滲速率2個(gè)指標(biāo)來表征,初滲速率與穩(wěn)滲速率最小的均為無根土,最大的均為W型根系,根系的存在能夠提高土壤的初滲速率達(dá)1.04～1.87倍,提高土壤的穩(wěn)滲速率達(dá)2.00～5.23倍。由于穩(wěn)滲速率代表的是入滲達(dá)到穩(wěn)定后的速率,更能代表土壤的入滲性能,所以下文將用穩(wěn)滲速率來代表土壤的入滲速率進(jìn)行分析。

3.1.2 根長密度和根體積分?jǐn)?shù)與土壤入滲速率的關(guān)系 由圖3可知根系的根長密度與土壤的穩(wěn)滲速率之間的關(guān)系為y=2.676 5x-0.081 9(R2=0.69,P=2.2×10-5),由圖4可知根系的根體積分?jǐn)?shù)與土壤入滲速率之間的關(guān)系為y=0.995 1x-0.236 7(R2=0.79,P=9.06×10-7)。P值均＜0.001,所以根長密度和根體積分?jǐn)?shù)與穩(wěn)滲速率均呈極顯著的正相關(guān)關(guān)系。根長密度和根體積分?jǐn)?shù)越大,根系在土壤中接觸和影響的土壤越多,對(duì)土壤孔隙的改善效果越好,土壤入滲性能越好。

圖4 根體積分?jǐn)?shù)與穩(wěn)滲速率的關(guān)系Fig.4 Relationship between root bulk density and steady infiltration rate

3.2 根系構(gòu)型對(duì)土壤入滲性能的影響

3.2.1 不同根系構(gòu)型的特征 不同根系構(gòu)型的區(qū)別主要在于根系的方向與分支。由圖5可知：H型根系,其根系形態(tài)為大部分根系沿水平方向廣泛地延伸,同時(shí)含有少量的傾斜根和垂直根;VH型根系,其根系具有強(qiáng)壯的主根,側(cè)根廣泛的延伸且與水平面夾角較小;W型根系,其根系形態(tài)為側(cè)根廣泛延伸,主根系較淺;V型根系,其根系形態(tài)為主根系接近垂直,側(cè)根系與主根系較小;R型根系,其根系形態(tài)為大部分根系傾斜生長,存在少量的垂直根和水平根,具有較寬的橫向范圍;M型根系,其根系具有大量的根系分支,各個(gè)方向都有生長。

圖5 各根系構(gòu)型不同方向的根系數(shù)量Fig.5 Number of roots with different directions of each root architecture

根系體積分形維數(shù)大小,能夠體現(xiàn)各個(gè)徑級(jí)的根系體積與總體積之間的關(guān)系,能夠從側(cè)面反映根系的分枝狀況。VH型、H型、V型3種根系構(gòu)型有明顯的主根,所以它們的分形維數(shù)較小,W型、M型這2種根系構(gòu)型沒有主根或者主根不明顯,所以分形維數(shù)較大。6種不同根系構(gòu)型的分形維數(shù)如圖6所示均在1～2之間,根系分形維數(shù)最大的是杉木,根系分形位數(shù)最小的是新木姜子。

圖6 不同根系構(gòu)型的分形維數(shù)Fig.6 Fractal dimension of different root architecture

3.2.2 不同根系構(gòu)型的根系方向?qū)ν寥廊霛B性能的影響 以各根系構(gòu)型不同方向上的根系數(shù)量為自變量,水平根數(shù)量(x1)、傾斜根的數(shù)量(x2)和垂直根的數(shù)量(x3),以土壤的穩(wěn)滲速率為(y)因變量,利用Ri386 3.3.1進(jìn)行多元線性回歸,得出y=-0.011x1+0.01x2+0.03x3+0.28(R2=0.70,P=5.4×10-4),P值＜0.01,不同方向的根系數(shù)量與土壤穩(wěn)滲速率呈極顯著關(guān)系。從公式中自變量的系數(shù)可以得出水平根對(duì)土壤的入滲速率起抑制作用,傾斜根和垂直根對(duì)土壤的入滲速率起促進(jìn)作用。這可能是因?yàn)楦档拇嬖谀軌蚋纳仆寥赖奈锢硇?增加土壤的孔隙[21]。由表2可知根土復(fù)合體的總孔隙度和毛管孔隙度明顯大于無根土,H型、VH型根系的0～20 cm層的總孔隙和毛管孔隙較大,V型、W型在10～30 cm的總孔隙度和毛管孔隙度較大?？偪紫抖群兔芸紫抖鹊拇笮∨c根系的分布有很大的關(guān)系,水平根多的根型淺層土壤中的孔隙度較大,傾斜根和垂直根多的根型深層土壤的孔隙度較大,水平根的存在會(huì)增加土壤的不透水面;所以傾斜根和垂直根能夠促進(jìn)土壤的入滲,水平根會(huì)抑制土壤水分的入滲。

3.2.3 不同根系構(gòu)型的根系分形維數(shù)對(duì)土壤入滲性能的影響 應(yīng)用分形理論根系研究,可以加深對(duì)根系幾何形態(tài)性質(zhì)的認(rèn)識(shí),提高定量描述根系統(tǒng)形態(tài)參數(shù)的可靠性[22]。由圖7可知根系分形維數(shù)與土壤的穩(wěn)滲速率之間的關(guān)系是y=0.48x-0.25(R2=0.51,P=9.24×10-4),P值＜0.001,所以根系的分形維數(shù)與土壤的穩(wěn)滲速率呈極顯著的正相關(guān)關(guān)系。這可能是因?yàn)楦档姆中尉S數(shù)越大,表明細(xì)根的含量越多[23],細(xì)根數(shù)量越多,根系與土壤接觸面越大,根系對(duì)土壤入滲性能的改良作用越好。

3.2.4 標(biāo)準(zhǔn)化后根系構(gòu)型對(duì)土壤入滲性能的影響

由圖3和圖4可知根系的根長密度和根體積分?jǐn)?shù)會(huì)影響土壤的入滲速率,消除根系體積對(duì)土壤入滲的影響,突出不同根系構(gòu)型的作用,通過對(duì)根系體積的標(biāo)準(zhǔn)化,進(jìn)一步的分析不同根系構(gòu)型對(duì)穩(wěn)滲速率的影響,利用式(2)求出單位土壤體內(nèi)單位根系體積對(duì)穩(wěn)滲速率的貢獻(xiàn)值

式中：RCV為單位土壤體積內(nèi)單位根系體積對(duì)土壤穩(wěn)滲速率的貢獻(xiàn)值;SIR為穩(wěn)定入滲速率,mm/min;RVD為根長密度,mm/cm3。

由表4可知單位土壤體積內(nèi)單位根系體積對(duì)土壤穩(wěn)滲速率的貢獻(xiàn)值從大到小依次為V型＞M型＞R型＞W(wǎng)型＞VH型＞H型,所以在根系體積相同的情況下V型根系的穩(wěn)滲速率最大,H型根系的穩(wěn)滲速率最小。這與上述不同方向的根系數(shù)量對(duì)穩(wěn)滲速率的影響相同,以水平根為主的V型和VH型根系的貢獻(xiàn)值較小,以垂直根為主的V型和W型根系的貢獻(xiàn)值較大。

圖7 分形維數(shù)與穩(wěn)滲速率的關(guān)系Fig.7 Relationship between fractal dimension and steady infiltration rate

表4 不同根系構(gòu)型對(duì)土壤穩(wěn)滲速率的貢獻(xiàn)值Tab.4 Contribution of different root architecture to soil steady infiltration rate

3.3 不同根系構(gòu)型的根土復(fù)合體的入滲模型及有效性檢驗(yàn)

由表5可知Philip公式的參數(shù)擬合的A(穩(wěn)滲率)除R型外均為負(fù)值,與其代表的實(shí)際意義不符;從R2來看Horton公式和Kostiakov公式都有較好的擬合效果,Horton公式比Kostiakov公式更接近接近于1,所以6種不同根系構(gòu)型的根-土復(fù)合體及無根土的入滲速率隨時(shí)間的變化趨勢用Horton公式來擬合效果更好。

為進(jìn)一步檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷挠行?對(duì)實(shí)測值和Horton公式與Kostiakov公式的模擬值進(jìn)行正態(tài)化處理后,用配對(duì) t檢驗(yàn)來檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷挠行?當(dāng)|t|≥tα/2(35),模型的實(shí)測值于模擬值無顯著差異,模型可用。檢驗(yàn)結(jié)果見表6,無根土、H 型根 土復(fù)合體和M 型根 土復(fù)合體可以用Horton公式擬合,無根土、M 型根 土復(fù)合體、R 型根 土復(fù)合體和W型根 土復(fù)合體可以用Kostiakov公式擬合。

表5 不同根系構(gòu)型的入滲模型Tab.5 Infiltration model of different root architecture

表6 配對(duì)t檢驗(yàn)t值表Tab.6 Paired t test t value table

4 討論

關(guān)于根系對(duì)土壤入滲性能的影響前人進(jìn)行了大量研究,J.Huang等[24]的研究表明在相同降雨條件下有植物生長的土壤的濕潤鋒深度明顯大于裸地的;李建興等的[16]研究表明土壤的入滲性能隨根系的根長密度、根表面積密度呈正相關(guān)關(guān)系。本研究結(jié)果表明根系存在能夠提高土壤的入滲性能2～5.23倍,且土壤的入滲性能與根長密度和根體積分?jǐn)?shù)呈正相關(guān)關(guān)系,與前人的研究結(jié)果基本一致。植物根系在土體中穿插、纏繞能夠改善土壤空隙狀況,從而增加土壤滲透性。根長密度與根體積分?jǐn)?shù)越大根系對(duì)土壤孔隙的改善作用越好,土壤的入滲性能越好。

關(guān)于不同根系構(gòu)型對(duì)土壤入滲性能的研究較少,M.Ghestem等[25]的研究表明水平根系能夠阻止水分的下滲,傾斜根和垂直根能夠促進(jìn)土壤水分流向深層土壤。本研究結(jié)果表明傾斜根與垂直根的數(shù)量越多土壤的穩(wěn)滲速率越大,水平根數(shù)量越多土壤的穩(wěn)滲速率越小,與前人的研究基本一致。不同的根系構(gòu)型,對(duì)土壤孔隙狀況的影響不同,水平根的存在對(duì)淺層的土壤的孔隙狀況影響較大,垂直根和傾斜根的存在對(duì)深層的土壤孔隙影響較大,不同方向的根系穿插、延伸過程中會(huì)形成橫向或者縱向的植物根孔[16],從而改善土壤的入滲性能。不同根系構(gòu)型的根系體積分形維數(shù)差異較大,本研究表明根系的體積分形維數(shù)越大土壤的穩(wěn)滲速率越大,這與前人的研究基本一致,劉道平等[14]研究表明發(fā)現(xiàn)≤1 mm細(xì)根根重與土壤滲透性顯著相關(guān)。體積分形維數(shù)越大細(xì)根含量越多,細(xì)根的存在能夠較好蓋上土壤的入神性能。綜上可知：細(xì)根數(shù)量越多,傾斜根和垂直根數(shù)量越多的的根系構(gòu)型改善土壤入滲性能的效果越好。

對(duì)于土壤入滲模型已經(jīng)有大量的研究[2627],但對(duì)于不同根系構(gòu)型下土壤入滲模型的研究尚不存在。王玉杰等[28]和王云琦等[29]的研究表明縉云山4種典型林分土壤的入滲速率,以Philip公式擬合效果較好,而對(duì)于農(nóng)地土壤則采用Horton公式模擬效果好。林代杰等[30]的研究表明四川盆地的紅葉李林、李園、梨園、桃園4種土地利用方式的土壤入滲過程均可通過Kostiakov公式進(jìn)行高精度擬合。本研究結(jié)果表明從R2來看根 土復(fù)合體的滲透速率隨時(shí)間的變化的曲線用Horton公式的擬合效果最好,不適合使用Philip公式進(jìn)行擬合。結(jié)果不同的原因一個(gè)方面因?yàn)樵囼?yàn)方法不同上述研究均采用雙環(huán)法測定入滲速率,而本實(shí)驗(yàn)采用的定水頭入滲試驗(yàn),另一方面是因?yàn)閷?shí)驗(yàn)材料的不同,上述研究的所選林分為天然林或成熟的人工林種林木的間隙處,而本實(shí)驗(yàn)所用的為整株植株幼苗。

植物根系的存在能夠明顯改善土壤的入滲性能,一方面土壤滲透性能越好,地表產(chǎn)流越少[31],這對(duì)水土保持是有利的,另一方面入滲性能通過影響土壤中水分的傳遞來影響坡體的穩(wěn)定性,當(dāng)土層與根系分布較深時(shí),會(huì)促進(jìn)淺層土壤的水流向深層,有效降低淺層土壤孔隙水壓力,這對(duì)坡體穩(wěn)定是有利的[32]。但是在強(qiáng)降雨或者連續(xù)降雨條件下,表層土壤中的水分不能順利流向深層土壤或者土層較淺的時(shí)候,根系的存在導(dǎo)致淺層土壤含水率升高的更快,增加土壤中的孔隙水壓力,破壞了邊坡的應(yīng)力平衡體系形成淺層滑坡,這對(duì)坡體穩(wěn)定是有害的[33];所以對(duì)于土層較淺的坡體,種植H型、VH型根系的樹種減少土壤水分的下滲有利于坡體的穩(wěn)定,當(dāng)土層較深時(shí)種V型、W型根系的樹種有利于坡體穩(wěn)定。

5 結(jié)論

通過對(duì)6種根系構(gòu)型的3年苗植株根 土復(fù)合體的入滲透試驗(yàn)表明：

1)與無根土對(duì)比,根系的存在能夠提高土壤的初滲速率達(dá)1.04～1.87倍,提高土壤的穩(wěn)滲速率達(dá)2～5.23倍。

2)根長密度、根體積分?jǐn)?shù)以及根系體積分形維數(shù)與根 土復(fù)合體的穩(wěn)滲速率呈正相關(guān)關(guān)系。

3)不同的根系構(gòu)型對(duì)土壤入滲性能的影響不同,水平根多的根系構(gòu)型入滲性能較差,傾斜根和垂直根數(shù)量多的根系構(gòu)型入滲性能較好。

4)當(dāng)根系體積相同時(shí)根 土復(fù)合體的入滲從大到小依次為速率為V型＞M型＞R型＞W(wǎng)型＞VH型＞H型。

5)從R2來看根 土復(fù)合體的滲透速率 時(shí)間曲線用Horton公式的擬合效果最好。通過摸型的有效性檢驗(yàn)后可以用Horton公式擬合的是H 型根 土復(fù)合體和M 型根 土復(fù)合體,可以用Kostiakov公式擬合的是M 型根 土復(fù)合體、R 型根 土復(fù)合體和W型根 土復(fù)合體。