周濤，諶蕓，王潤澤，李鐵，唐菡，翟婷婷，劉梟宏

(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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400715)

紫色土是由其母質(zhì)巖層在物理風(fēng)化作用下形成的，具有成土性能差、土層薄且易侵蝕等特點(diǎn)，當(dāng)遇到強(qiáng)降水時(shí)，水、土及養(yǎng)分流失嚴(yán)重。目前有關(guān)紫色土抗侵蝕性的研究主要集中在兩方面，一是土壤侵蝕機(jī)理和過程、侵蝕強(qiáng)度的衡量因子研究；二是增強(qiáng)紫色土抗侵蝕性的措施研究，包括植被措施、化學(xué)措施和耕作措施等。植被措施中，植物根系在提升土壤抗侵蝕能力方面的作用非常大，主要通過根系自身的抗拉、抗剪等力學(xué)性能和根系對(duì)土壤理化性質(zhì)的改善來實(shí)現(xiàn)的。根系自身的抗拉性能是影響根系提升土壤抗侵蝕能力的重要指標(biāo)之一，在一定范圍內(nèi)，根系含量越多，植被對(duì)水土保持貢獻(xiàn)越大，即存在最優(yōu)含根量[1-2]，不同植被對(duì)土壤抗侵蝕能力提升效果也不同[3]。根系在土壤中進(jìn)行生命活動(dòng)，能有效增大土壤孔隙度、增強(qiáng)土壤入滲能力和儲(chǔ)水能力、改善土壤養(yǎng)分狀況等[4-5]，直接或間接的增強(qiáng)土壤的抗侵蝕能力。目前有關(guān)植物根系提升土壤抗侵蝕能力的研究雖多，但研究對(duì)象多集中在黃土高原地區(qū)和坡耕地上[6-7]，在紫色土區(qū)較難利用的荒坡地的研究則較少；有關(guān)荒坡的研究僅涉及植被恢復(fù)和恢復(fù)效果評(píng)價(jià)[8]，而對(duì)荒坡恢復(fù)過程中土壤抗侵蝕性的動(dòng)態(tài)變化研究甚少；植物根系對(duì)土壤抗侵蝕性研究中，所選根系指標(biāo)多為總體指標(biāo)如總體平均根長密度、根系生物量等[9-11]，亦有區(qū)分須根、細(xì)根和粗根等，但徑級(jí)劃分不夠細(xì)?；瘜W(xué)措施中，聚丙烯酰胺(polyacrylamide, PAM)作為一種保水保肥效果顯著的土壤改良劑被廣泛應(yīng)用于水土流失治理中。PAM因其良好的水溶性，易發(fā)生水解、交聯(lián)等化學(xué)反應(yīng)，從而對(duì)土壤顆粒的團(tuán)聚產(chǎn)生直接且巨大的貢獻(xiàn)[12-13]，直接改善土壤微環(huán)境，降低土壤容重、增加土壤入滲和儲(chǔ)水能力[14-15]，并有利于保持土壤養(yǎng)分[16]，間接促進(jìn)植物的生長，對(duì)根系、產(chǎn)量的增加等都有一定的作用[17-18]。目前國內(nèi)外對(duì)PAM的研究雖多，但大部分是PAM對(duì)土壤物理性質(zhì)的影響研究，而有關(guān)單施PAM、“草類+PAM”2種措施對(duì)土壤抗剪和抗蝕性能影響的對(duì)比研究則鮮有報(bào)道。

針對(duì)已有研究中存在的不足，為了探究草類種植和PAM施用對(duì)荒坡紫色土抗剪和抗蝕性能的影響，本研究選取狗牙根(Cynodondactylon)和三葉草(Trifoliumrepens)進(jìn)行盆栽試驗(yàn)，試驗(yàn)土壤為荒坡紫色土，設(shè)計(jì)了對(duì)照、單植草類、單施PAM和復(fù)合措施(“草類+PAM”)4類處理，測定了根長、根表面積、根體積等根系指標(biāo)和容重、含水率等土壤理化性質(zhì)指標(biāo)，計(jì)算了土壤的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)和抗蝕性指標(biāo)，綜合分析上述措施在荒坡紫色土水土流失防治初期的效果及特點(diǎn)，以期為荒坡紫色土水土流失治理提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

供試土壤采自重慶市北碚區(qū)馬鞍溪流域龍灘子水庫，大壩右岸約260 m處的荒坡(N 29°49′1″，E 106°24′48″)，屬亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候，海拔278 m，年平均氣溫18.3 ℃，年均降水量1200 mm，年均日照時(shí)長1276.7 h。該荒坡為易侵蝕性荒坡，坡度約為35°，母質(zhì)為紫色沙泥頁巖，且有少量粗骨性礫石，植被覆蓋度極低，母巖裸露，風(fēng)化一層，剝落一層，流失一層，土層厚度不足5 cm，鮮有人為擾動(dòng)。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

狗牙根和三葉草均為多年生草本，須根發(fā)達(dá)，且具有不定根，根莖節(jié)生根，生長周期短，其中狗牙根為3個(gè)季度，三葉草在溫暖條件下可縮短至一年生，具有優(yōu)質(zhì)的水土保持效益。試驗(yàn)共設(shè)4類9個(gè)處理，每個(gè)處理3個(gè)重復(fù)，詳見表1。于2015年12月采集所需供試土壤，采集時(shí)去除表層枯落物等雜質(zhì)。將采集的土壤過5 mm篩后，裝入花盆中(口徑×底徑×高：180 mm×125 mm×100 mm)稍微壓實(shí)至容重約1.30 g·cm-3。土樣制成后先浸水12 h，水層比花盆頂部稍低，然后靜置，保證在試驗(yàn)初土壤的含水率為飽和含水率。靜置2 d后，在相應(yīng)處理中以適中的密度進(jìn)行等密度播撒草種(0.3 g·盆-1)，同時(shí)施加對(duì)應(yīng)濃度的PAM(中性，相對(duì)分子量300萬，堿性條件下水解，水解度為20%)。試驗(yàn)期間常規(guī)管護(hù)，及時(shí)除雜草、補(bǔ)種和灌溉。

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 于2016年7月初采集花盆中的試樣，采樣前3 d樣地內(nèi)無拔草和灌溉。取樣前先剪除植株莖葉，去掉枯落物和浮土層，用容重環(huán)刀(底面積20 cm2，高5 cm)垂直取樣，共計(jì)27個(gè)土樣，用于測定土樣容重和孔隙度；抗剪土樣的采集：用 ZJ 型應(yīng)變控制式直剪儀的配套環(huán)刀(底面積30 cm2，高2 cm)取樣，共計(jì)108個(gè)抗剪土樣，同時(shí)用小鋁盒(底面直徑5 cm，高3 cm)采集相應(yīng)的土樣15～20 g進(jìn)行自然含水率的測定；每個(gè)花盆取約500 g的散裝土樣，風(fēng)干后測定土壤的微團(tuán)聚體、機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體、水穩(wěn)性團(tuán)聚體和有機(jī)質(zhì)含量。

1.3.2指標(biāo)測定 土壤容重和孔隙度(總孔隙度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度)的測定采用環(huán)刀法[19]，自然含水率的測定采用烘干法[19]，有機(jī)質(zhì)測定采用重鉻酸鉀外加熱法[20]；土壤微團(tuán)聚體采用卡慶斯基法[19]，土壤機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體和水穩(wěn)性團(tuán)聚體采用薩維諾夫法[19]；土壤抗剪強(qiáng)度采用ZJ型應(yīng)變控制式直剪儀測定[21]；土壤抗蝕性指標(biāo)[22]：水穩(wěn)性團(tuán)粒類因子[>0.25 mm的水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量(water stable aggregates>0.25 mm，WSA0.25)、>0.5 mm的水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量(water stable aggregates>0.5 mm，WSA0.5)]、團(tuán)聚類因子(團(tuán)聚度、分散系數(shù))、無機(jī)粘粒類因子[平均重量直徑(mean weight diameter，MWD)、幾何平均直徑(geometric mean diameter，GMD)]和可蝕性因子K分別采用《土壤物理性質(zhì)測定法》[19]中的相關(guān)公式和Shirazi公式[23]進(jìn)行計(jì)算。根長、根表面積和根體積采用EPSON PERFECTION V700 PHOTO掃描儀和WinRHIZO (Pro.2004c) 根系分析系統(tǒng)測定，分5個(gè)徑級(jí)：00.9 mm(d為根系直徑)。根長密度(root length density，RLD)、根表面積密度(root surface area density，RSAD)和根體積密度(root volume density，RVD)的計(jì)算見相關(guān)文獻(xiàn)[24]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2013進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和制圖，SPSS 22.0進(jìn)行差異顯著性分析(Duncan法，P<0.05)和相關(guān)分析(Pearson，P<0.05，P<0.01)。

2 結(jié)果與分析

2.1 狗牙根和三葉草的根系特征

試驗(yàn)期間，草類枯落物不多，且未腐解就被人為清除，所以草類對(duì)土壤抗剪和抗蝕性能的影響主要是其根系產(chǎn)生的。由表2可知，施加30 g·m-3濃度的PAM能顯著增加草類根系總體的根長密度、根表面積密度和根體積密度，施加60 g·m-3濃度的PAM處理沒有顯著差異。GY-PAM1處理較GY處理，上述根系總體指標(biāo)分別提高了21.25%、11.98%、44.97%；SY-PAM1處理較SY處理，則分別提高了34.73%、34.30%、38.05%。

表2 狗牙根和三葉草根系的總體指標(biāo)和徑級(jí)指標(biāo) Table 2 The overall parameters and diameter parameters of C. dactylon and T. repens

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

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

根系徑級(jí)指標(biāo)中，00.9 mm為優(yōu)勢徑級(jí)。徑級(jí)根長密度中，相同徑級(jí)不同處理間差異顯著(P<0.05)：00.05)；0.20.05)，SY-PAM1則顯著大于SY、SY-PAM2；0.50.9 mm徑級(jí)范圍內(nèi)，GY、GY-PAM1、GY-PAM2之間、SY、SY-PAM1、SY-PAM2之間均無顯著性差異(P>0.05)。

根表面積密度中，00.05)；d>0.9 mm徑級(jí)范圍內(nèi)，SY-PAM1、SY-PAM2則顯著大于SY(P<0.05)。0.70.9 mm徑級(jí)范圍內(nèi)，GY、GY-PAM1、GY-PAM2之間則沒有顯著性差異(P>0.05)。所有徑級(jí)范圍內(nèi)，狗牙根的根表面積密度均優(yōu)于三葉草。

根體積密度中，對(duì)于GY、GY-PAM1、GY-PAM2，當(dāng)根系徑級(jí)為00.9 mm時(shí)，GY、GY-PAM1、GY-PAM2之間無顯著性差異(P>0.05)；當(dāng)根系徑級(jí)為0.20.05)。對(duì)于SY、SY-PAM1、SY-PAM2，0.20.9 mm徑級(jí)范圍內(nèi)，SY、SY-PAM1、SY-PAM2之間無顯著性差異(P>0.05)。

總體來看，施用PAM能有效提高草類根系的總體指標(biāo)和徑級(jí)指標(biāo)，較施加60 g·m-3濃度的PAM，施加30 g·m-3濃度的PAM更能顯著提高狗牙根和三葉草優(yōu)勢徑級(jí)的各根系指標(biāo)；狗牙根所有根系平均的根系指標(biāo)與各徑級(jí)的根系指標(biāo)均優(yōu)于三葉草。

2.2 草類根系和PAM對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響

土壤孔隙度分為：總孔隙度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度。一般來說，非毛管孔隙度的大小取決于團(tuán)聚體的大小，隨團(tuán)聚體的增大而增大；毛管孔隙度則隨著土壤分散度或結(jié)構(gòu)破壞程度的增加而增加。表3中，單植草類能有效降低土壤容重，增大土壤含水率、孔隙度和有機(jī)質(zhì)含量，其中GY能顯著降低土壤容重、增大總孔隙度和毛管孔隙度(P<0.05)，較CK，分別增加了-7.19%、10.16%和9.64%，SY能顯著降低土壤容重、增大土壤含水率(P<0.05)，增幅分別為-3.92%和100.00%。單施PAM能有效改善土壤的基本理化性質(zhì)，其中30 g·m-3濃度的PAM能顯著降低土壤容重，增大總孔隙度、非毛管孔隙度和有機(jī)質(zhì)含量(P<0.05)，而60 g·m-3濃度的PAM對(duì)其改善效果較小。單植草類和單施PAM對(duì)土壤容重、含水率、孔隙度和有機(jī)質(zhì)含量的改善效果差異性較小?！安蓊?PAM”則能極大地改善土壤的基本理化性質(zhì)，同樣表現(xiàn)出30 g·m-3濃度比60 g·m-3濃度的PAM改善作用強(qiáng)。GY-PAM1能顯著降低土壤容重，降低幅度是GY-PAM2降低幅度的2.83倍，且GY-PAM1能顯著增大土壤含水率、總孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度和有機(jī)質(zhì)含量(P<0.05)，增幅分別為GY-PAM2增幅的4.48、1.34、1.05、1.60、2.37倍。

表3 不同處理的土壤容重、含水率、孔隙度、有機(jī)質(zhì)含量特征 Table 3 Soil bulk density, moisture content, porosity, organic matter of different soil treatments

2.3 草類根系和PAM對(duì)土壤團(tuán)聚特征的影響

干篩法能較少破壞土壤的有機(jī)膠結(jié)物質(zhì)，從而測定土壤在自然狀態(tài)下的機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體含量，包括水穩(wěn)性團(tuán)聚體和非水穩(wěn)性團(tuán)聚體。由圖1可以看出，相同處理對(duì)不同徑級(jí)的機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體含量影響不同，與CK處理相比，單植草類和單施PAM能顯著增大2～5 mm粒級(jí)范圍內(nèi)的團(tuán)聚體含量，而對(duì)1～2 mm粒級(jí)范圍內(nèi)的團(tuán)聚體含量無顯著影響，且能顯著減少<1 mm粒級(jí)范圍內(nèi)的微團(tuán)聚體含量，相同粒級(jí)單植草類和單施PAM處理之間的團(tuán)聚體含量基本無顯著性差異(P>0.05)。較其他處理，“草類+PAM”處理更能顯著增大2～5 mm粒級(jí)范圍內(nèi)的團(tuán)聚體含量和減少<1 mm粒級(jí)范圍內(nèi)的微團(tuán)聚體含量(P<0.05)，改善效果為單一措施(單植草類、單施PAM)的1.96～4.43倍和1.59～3.16倍，而對(duì)1～2 mm粒級(jí)范圍內(nèi)的團(tuán)聚體含量無顯著影響(P>0.05)?！叭~草+PAM”處理的改善效果稍優(yōu)于“狗牙根+PAM”處理，加施30 g·m-3濃度的PAM更有利于增大大粒級(jí)的團(tuán)聚體含量，減少小粒級(jí)的團(tuán)聚體含量。

圖1 不同處理的團(tuán)聚體分布特征Fig.1 Distribution characteristics of aggregates in different treatments 不同小寫字母表示在P<0.05水平上差異顯著。Different lowercase letters indicate significant difference at the level of 0.05.

濕篩法測得土壤的水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量，能反映出土壤潛在的抗蝕能力。相同粒徑不同處理對(duì)水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量的影響不同，但不同措施內(nèi)部各處理的水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量基本無顯著性差異(P>0.05)。2～5 mm粒級(jí)范圍內(nèi)水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量大小順序表現(xiàn)為：“狗牙根+PAM”處理>單施PAM處理>“三葉草+PAM”處理>單植草類處理>CK，且各措施之間具有顯著性差異(P<0.05)。1～2 mm粒級(jí)范圍內(nèi)，較CK，“單施PAM”處理無顯著性差異，其他處理則顯著減少該粒徑范圍內(nèi)團(tuán)聚體含量，處理之間無顯著性差異(P>0.05)。0.5～1 mm粒徑范圍內(nèi)，僅單植草類和“三葉草+PAM”處理可有效增加該粒徑范圍內(nèi)的團(tuán)聚體含量。0.25～0.5 mm粒徑范圍內(nèi)，僅“狗牙根+PAM”處理的團(tuán)聚體含量顯著小于CK(P<0.05)?？傮w而言，所有處理對(duì)土壤的水穩(wěn)性團(tuán)聚體的改善效果主要體現(xiàn)在2～5 mm粒級(jí)范圍內(nèi)，“狗牙根+PAM”處理效果最優(yōu)，為CK的3.56倍。

同一處理不同粒徑的微團(tuán)聚體含量存在明顯差異，均表現(xiàn)為隨著粒徑范圍的減小微團(tuán)聚體含量減少的特點(diǎn)，其中0.25～1.00 mm、0.05～0.25 mm范圍的微團(tuán)聚體含量明顯大于其他粒徑范圍內(nèi)的微團(tuán)聚體含量。同一粒徑不同處理對(duì)其土壤微團(tuán)聚體含量的影響也具有明顯差異，0.25～1.00 mm徑級(jí)范圍內(nèi)，與CK相比，其他處理均能有效增加該粒級(jí)的土壤微團(tuán)聚體含量，其中GY-PAM1處理的效果最為顯著(P<0.05)，SY-PAM2處理次之，增幅分別為21.56%、16.53%。0.05～0.25 mm徑級(jí)范圍內(nèi)，單植草類和單施PAM處理均能顯著提高此粒徑范圍內(nèi)的微團(tuán)聚體含量，“草類+PAM”處理的微團(tuán)聚體含量與CK無顯著性差異(P>0.05)。0.01～0.05 mm粒徑范圍內(nèi)，較CK，“狗牙根+PAM”處理無顯著性差異(P>0.05)。<0.01 mm的粒徑范圍內(nèi)，CK的微團(tuán)聚體含量顯著大于其他處理(P<0.05)。較60 g·m-3濃度的PAM，施加30 g·m-3濃度的PAM更有利于微團(tuán)聚體中1～0.05 mm較大顆粒含量的增加和<0.01 mm較小顆粒含量的減少。

2.4 草類根系和PAM對(duì)土壤抗剪性能的影響

表4中，相同處理不同荷載下土壤/根-土復(fù)合體的抗剪強(qiáng)度均隨著荷載的增大而增大。100 kPa荷載下，各處理均能顯著增加土壤/根-土復(fù)合體的抗剪強(qiáng)度，其中“草類+PAM”處理的效果優(yōu)于單植草類處理和單施PAM處理，且處理之間具有顯著性差異(P<0.05)；200 kPa荷載下，GY-PAM1、GY-PAM2、GY之間無顯著性差異(P>0.05)，對(duì)根-土復(fù)合體的抗剪強(qiáng)度增加效果最優(yōu)，增幅分別為22.21%、18.51%、17.94%，較CK均具有顯著性差異(P<0.05)；300 kPa荷載下，“狗牙根+PAM”/單施PAM/單植草類處理之間均具有顯著性差異，“三葉草+PAM”處理之間則沒有顯著性差異，但所有處理土壤/根-土復(fù)合體的抗剪強(qiáng)度均顯著大于CK(P<0.05)；400 kPa荷載下，各處理之間的差異顯著性規(guī)律與300 kPa荷載下的規(guī)律一致(P<0.05)，GY-PAM1根-土復(fù)合體的抗剪強(qiáng)度最優(yōu)，較CK增幅為21.77%。PAM和草類種類對(duì)內(nèi)摩擦角φ的影響表現(xiàn)為：液施濃度為30 g·m-3對(duì)根-土復(fù)合體的內(nèi)摩擦角φ的增加作用顯著優(yōu)于液施濃度為60 g·m-3(P<0.05)；狗牙根根系對(duì)根-土復(fù)合體的內(nèi)摩擦角φ的增加作用顯著優(yōu)于三葉草(P<0.05)；“草類+PAM”處理的增加效果則更明顯，與CK均具有顯著性差異(P<0.05)，GY-PAM1的內(nèi)摩擦角φ最大，為28.006°。PAM的濃度差異對(duì)于粘聚力c的影響并不顯著，PAM1和PAM2的粘聚力c僅在數(shù)值上大于CK，有關(guān)植物根系的處理均能顯著增加根-土復(fù)合體的粘聚力c(P<0.05)，其中GY-PAM1增加效果最優(yōu)，增幅為98.16%。

注：同組試樣之間密度差值不大于0.03 g·cm-3，含水量差值不大于2%。

Note:The difference between the same group of samples is not greater than 0.03 g·cm-3, the difference in water content is not greater than 2%.

2.5 草類根系和PAM對(duì)紫色土抗蝕性能的影響

土壤的抗蝕性是指土壤抵抗水的分散和懸浮的能力，抗蝕性的大小主要與土壤顆粒之間的膠結(jié)力和土壤對(duì)水分的親和力有關(guān)。不同處理對(duì)土壤抗蝕性的影響見表5。較CK，PAM1、PAM2、GY-PAM1顯著增加了>0.25 mm的土壤團(tuán)聚體含量(P<0.05)，增幅分別為14.65%、10.44%、10.26%；PAM1、PAM2、GY-PAM1、GY-PAM2顯著增加了>0.5 mm的土壤團(tuán)聚體含量(P<0.05)，增幅為4.68%～19.25%。各處理均能有效增加土壤顆粒的團(tuán)聚度，其中GY-PAM1效果最優(yōu)，GY-PAM2、GY次之，與CK均具有差異顯著性(P<0.05)，其團(tuán)聚度分別為42.17%、42.02%、41.77%。所有處理均能大幅降低土壤顆粒的分散系數(shù)，與CK處理相比基本都具有顯著性差異(P<0.05)，降低幅度平均為40.48%。土壤團(tuán)聚體直徑通常用平均重量直徑MWD和幾何平均直徑GMD來表示，從團(tuán)聚體的大小上表征土壤團(tuán)聚情況。較CK，各處理均能增大土壤的平均重量直徑MWD，GY-PAM1、GY-PAM2、SY-PAM2、PAM1、PAM2均與CK的土壤平均重量直徑有顯著性差異(P<0.05)；各處理對(duì)土壤的幾何平均直徑GMD的作用和對(duì)土壤的平均重量直徑MWD作用類似，增幅為0～31.58%。各處理中僅GY-PAM1、GY-PAM2、SY能顯著減小土壤的可蝕性因子K值(P<0.05)。總體而言，PAM濃度對(duì)土壤的抗蝕性影響同樣表現(xiàn)為液施濃度為30 g·m-3的作用優(yōu)于液施濃度為60 g·m-3。

注：WSA0.25、WSA0.5分別表示>0.25 mm、>0.5 mm的水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量。下同。

Note:WSA0.25, WSA0.5indicate the water stable aggregate content in >0.25 mm, >0.5 mm. The same below.

2.6 相關(guān)分析

Pearson相關(guān)分析(表6)中，根長密度與復(fù)合體抗剪強(qiáng)度及其指標(biāo)基本都呈顯著或極顯著正相關(guān)關(guān)系，RLD與抗剪強(qiáng)度、內(nèi)摩擦角、粘聚力均呈極顯著相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.883、0.848和0.904。隨著根系徑級(jí)范圍的增大，根長密度與復(fù)合體抗剪強(qiáng)度及其指標(biāo)的相關(guān)系數(shù)不斷減小，其中當(dāng)d≤0.2 mm時(shí)，相關(guān)系數(shù)最大且為極顯著正相關(guān)(P<0.01)。根長密度與復(fù)合體的各抗蝕性指標(biāo)相關(guān)性不大，RLD與WSA0.25、WSA0.5、團(tuán)聚度、MWD、GMD極顯著正相關(guān)(P<0.01)；d≤0.2 mm、0.20.9 mm時(shí)，RLD>0.9與團(tuán)聚度顯著正相關(guān)(P<0.05)?？刮g性指標(biāo)同樣與d≤0.2 mm徑級(jí)范圍內(nèi)的根長密度相關(guān)性最大且為極顯著正相關(guān)(P<0.01)。

RSAD與抗剪強(qiáng)度、內(nèi)摩擦角、粘聚力均顯著正相關(guān)(P<0.05)，當(dāng)d≤0.2 mm、0.20.9 mm時(shí)，RSAD0.2、RSAD0.5、RSAD0.9、RSAD>0.9與抗剪強(qiáng)度、內(nèi)摩擦角、粘聚力均呈顯著或極顯著正相關(guān)(P<0.05，P<0.01)，d≤0.2 mm為根系增強(qiáng)復(fù)合體抗剪性能的優(yōu)勢徑級(jí)。RSAD與團(tuán)聚度、MWD、GMD顯著正相關(guān)(P<0.05)；當(dāng)d≤0.2 mm、0.20.9 mm時(shí)，RSAD0.5、RSAD>0.9與WSA0.5顯著正相關(guān)(P<0.05)，相關(guān)系數(shù)為0.514、0.500；當(dāng)d≤0.2 mm、0.20.9 mm時(shí)，RSAD0.2、RSAD0.5、RSAD>0.9與團(tuán)聚度、MWD、GMD呈顯著或極顯著正相關(guān)(P<0.05，P<0.01)。d≤0.2 mm為根系增強(qiáng)復(fù)合體抗蝕性能的優(yōu)勢徑級(jí)。

根系總體指標(biāo)RVD和各徑級(jí)指標(biāo)的RVD與復(fù)合體的抗剪強(qiáng)度及其指標(biāo)極顯著正相關(guān)(P<0.01)，相關(guān)系數(shù)最高可達(dá)0.871，根體積密度中，0.20.9 mm時(shí)，RVD0.5、RVD0.7、RVD0.9、RVD>0.9與WSA0.25、WSA0.5顯著或極顯著正相關(guān)(P<0.05，P<0.01)；所有徑級(jí)范圍內(nèi)的根體積密度RVD0.2、RVD0.5、RVD0.7、RVD0.9、RVD>0.9與復(fù)合體的團(tuán)聚度、MWD、GMD均呈顯著或極顯著正相關(guān)(P<0.05，P<0.01)。同樣0.2

表6 抗剪強(qiáng)度及其指標(biāo)、抗蝕性指標(biāo)與根系指標(biāo)的相關(guān)分析 Table 6 Correlation analysis between shear strength and its parameters and erodibility-resistance parameters and root 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)。RLD：根長密度；RSAD：根表面積密度；RVD：根體積密度。0.2，0.5，0.7，0.9，>0.9分別表示d≤0.2 mm、0.20.9 mm.

Note:“*” and “**” indicate significant correlations at the level of 0.05 and 0.01 respectively, under bilateral inspection; RLD: Root length density; RSAD: Root surface area density; RVD: Root volume density; 0.2,0.5,0.7,0.9,>0.9 showsd≤0.2 mm, 0.20.9 mm respectively.

3 討論

草類在水土流失治理中的作用包括：地上部分莖葉有效減小雨滴動(dòng)能對(duì)土壤表層的濺蝕和地表徑流對(duì)土壤表層的沖刷；地下部分根系對(duì)土壤起到加筋和錨固作用，能有效降低土壤容重、增加土壤養(yǎng)分和改善土壤微環(huán)境等，形成根-土復(fù)合體結(jié)構(gòu)，從而有效增強(qiáng)土壤的抗侵蝕性。本試驗(yàn)中，狗牙根和三葉草的根系均能有效降低土壤容重和改善土壤微環(huán)境，并能顯著增強(qiáng)土壤抗剪性能(尤其是土壤粘聚力)，且d≤0.2 mm的根系對(duì)上述性能的增強(qiáng)效果最為顯著(P<0.05)。這與眾多學(xué)者研究結(jié)果類似[25-28]，但李建興等[21]的研究發(fā)現(xiàn)草類根系更利于土壤內(nèi)摩擦角的增加。狗牙根和三葉草須根發(fā)達(dá)，根長密度大，與土壤形成穩(wěn)定的根-土復(fù)合體，根系自身的抗拉能力顯著增強(qiáng)了土體的抗剪性能(P<0.05)。此外，土壤中根系改善了土壤的微環(huán)境，改變了土壤的理化性狀，從而間接增強(qiáng)了土體的抗剪性能。本研究結(jié)論與李建興等[21]的略有不同，可能是因?yàn)橥寥篮筒蓊惖母敌誀畈顒e較大：李建興研究的是耕作土，肥力較好，草類是香根草(Vetiveriazizanioides)、百喜草(Paspalumnotatum)、狗牙根和紫花苜蓿(Medicagosativa)，生長歷時(shí)較長，根系徑級(jí)分布廣泛，而本研究的土壤為肥力低下的荒坡土，草類是狗牙根和三葉草，種植時(shí)間較短，根系主要分布在d≤0.2 mm徑級(jí)。有研究表明極細(xì)根生命活動(dòng)最為旺盛，能分泌出大量的有機(jī)膠結(jié)物質(zhì)產(chǎn)生膠結(jié)力，而此膠結(jié)力正是土壤粘聚力的主要來源之一[21]，故而本研究中根系對(duì)荒坡土粘聚力的改善效果較內(nèi)摩擦角更為明顯。

本研究中PAM能有效改善土壤容重、非毛管孔隙度、有機(jī)質(zhì)等土壤理化性質(zhì)，PAM對(duì)土壤抗侵蝕性能的提升主要表現(xiàn)在抗蝕性方面，能顯著提高紫色土抗蝕性指標(biāo)WSA0.25、WSA0.5、MWD、GMD(P<0.05)，這與馬斌等[18]、曹麗花等[29]的有關(guān)PAM對(duì)土壤水穩(wěn)性、容重、養(yǎng)分狀況等土壤特性的研究結(jié)果相似；本研究結(jié)果同時(shí)也表明液施濃度為30 g·m-3的PAM對(duì)土壤理化性質(zhì)和抗蝕性的作用優(yōu)于60 g·m-3。PAM與土壤顆粒的吸附作用表現(xiàn)為負(fù)電荷的PAM與土壤中眾多陽離子相互吸引，當(dāng)PAM長鏈狀分子遇到粘粒時(shí)，異種電荷相吸使PAM分子內(nèi)部吸附一些土微粒，分子間又以鏈橋的形式連接土微粒而形成更大的土壤顆粒，團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的形成同時(shí)又增加了土壤的孔隙結(jié)構(gòu)、土壤水分等，為土壤生物提供了更優(yōu)質(zhì)的生活環(huán)境，進(jìn)而土壤養(yǎng)分增加，土壤顆粒團(tuán)聚進(jìn)入良性循環(huán)。一般情況下，PAM的濃度越高，其分子鏈上負(fù)電荷密度越大、羧基陰離子越多，吸附作用和促進(jìn)土壤顆粒黏結(jié)的作用越強(qiáng)，但同時(shí)PAM分子鏈間的斥力也越強(qiáng)，分子鏈在土壤孔隙中伸展造成一定的堵塞，并且孔隙中重疊的分子鏈段也不能發(fā)揮出吸附和團(tuán)聚分散土微粒的作用[30]。由CK、PAM1、PAM2處理之間的對(duì)比分析可知，PAM對(duì)土壤理化性質(zhì)以及抗蝕性的改善程度與PAM濃度之間可能存在一定的函數(shù)關(guān)系，改善效果存在最優(yōu)的濃度，具體濃度值仍需要更進(jìn)一步的研究。

草類根系和PAM共同作用于土壤時(shí)，兩者均發(fā)揮各自的優(yōu)勢，根系對(duì)復(fù)合體抗剪強(qiáng)度的提升效果最優(yōu)，PAM對(duì)土壤團(tuán)聚狀況提升效果最優(yōu)。本研究中，相比單植草類、單施PAM處理，“草類+PAM”處理能明顯提高復(fù)合體的抗剪強(qiáng)度及其指標(biāo)，但對(duì)土壤抗蝕性指標(biāo)和土壤團(tuán)聚狀況，較單施PAM處理，則沒有顯著的提升效果，甚至WSA0.25、WSA0.5、MWD、GMD等指標(biāo)有所下降?？赡茉蚴峭馏w中大量根系宏觀地增強(qiáng)了復(fù)合體的抗剪性能，但根系在土體穿插、纏繞，難免會(huì)對(duì)PAM作用下新形成的團(tuán)聚體造成破壞，從而造成團(tuán)聚效果與單施PAM處理相似甚至不及的狀況。草類根系和PAM共同作用于土體，對(duì)土壤的抗剪、抗蝕性能的影響非常復(fù)雜，目前尚無此方面的研究報(bào)道，還需要進(jìn)行更多、更深入的試驗(yàn)探索。

4 結(jié)論

1)單植草類、單施PAM、“草類+PAM”均能有效改善荒坡紫色土的理化性質(zhì)，有效增強(qiáng)土壤的抗剪和抗蝕性能，尤其是復(fù)合措施“草類+PAM”。其中，PAM液施濃度為30 g·m-3的作用優(yōu)于60 g·m-3，存在最優(yōu)濃度值；狗牙根根系的作用優(yōu)于三葉草。處理GY-PAM1的效果最優(yōu)。

2)狗牙根根系較三葉草發(fā)達(dá)，根系指標(biāo)較優(yōu)。相關(guān)分析表明，根系中徑級(jí)d≤0.2 mm是影響荒坡紫色土理化性質(zhì)、抗剪和抗蝕性能的關(guān)鍵徑級(jí)，徑級(jí)0.2

3)草類根系有利于土壤粘聚力的增加，而PAM則有利于土壤內(nèi)摩擦角的增加；較草類根系，單施PAM則更有利于荒坡紫色土的水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量的增加和其團(tuán)聚度和團(tuán)聚結(jié)構(gòu)的改善，同時(shí)更有利于紫色土微結(jié)構(gòu)的改善，尤其是非毛管孔隙度(單施PAM為CK的1.15～1.31倍)。