萬海霞, 馬 璠, 許 浩, 韓新生, 王月玲, 郭永忠, 蔡進軍

(1.寧夏農林科學院 荒漠化治理研究所, 銀川 750002; 2.寧夏農林科學院 農業(yè)資源與環(huán)境研究所, 銀川 750002)

在我國加強生態(tài)文明建設的大背景下，寧夏政府提出改善生態(tài)環(huán)境，實施生態(tài)優(yōu)先發(fā)展的戰(zhàn)略方向，在國家及地方相關政策的引領下，當地民眾保護水土資源，控制水土流失，防止土地退化的環(huán)境訴求越來越迫切，同時相關的科學研究也開始廣泛展開?？紤]當地生態(tài)恢復建設現(xiàn)狀，在生態(tài)工程中選擇合適的鄉(xiāng)土草本植物對重建植被、改善生態(tài)環(huán)境具有重要意義。對多年實施的各類恢復措施進行多角度、系統(tǒng)評價也是一個不可缺少的重要環(huán)節(jié)。植被措施是生態(tài)恢復建設最直接有效的手段，植被根系對防止土壤侵蝕發(fā)生發(fā)揮著極為重要的作用，一方面根系通過對土壤的纏繞，包裹使土壤緊實，不易分散。另一方面，根系通過根系分泌物或有機、無機膠體對土粒的膠結使土壤顆粒粘結形成團粒結構，土壤孔隙增大，滲透性增強，利于水分下滲，減少了徑流及水流對表土的沖刷。此外，根系還能促進微生物活性，使有機質加速分解，增加團聚體的穩(wěn)定性。尤其是草本的根系，它在降低土壤沖刷方面有決定性作用，主要是根系對土體的盤繞、纏結作用以及推遲、延緩、縮短產流產沙時間。如何有目的地選擇對土壤結構穩(wěn)定最有效的植物并將其用于生態(tài)工程中是當今和未來我國生態(tài)恢復建設可持續(xù)發(fā)展面臨的嚴峻考驗。不同類型植被具有不同的根系特征，對水土保持的作用也會不同。草本植物的根系多數位于土壤淺層(0—30 cm)，分布密集，根系類型多樣，在提高土壤抗侵蝕方面的作用與喬灌植被有很大不同。不同植物根系的時空分布不同，同一植物在不同的環(huán)境條件和不同時間下根系的分布特征也各異[1]。植物根系的形態(tài)和空間分布特征在反映根系對地下資源的利用效果和潛力同時也會對土壤狀況(水分、養(yǎng)分)及一些物化特性(容重、孔隙度、團聚體狀況)做出響應，在生態(tài)恢復建設中植被根系空間分布一方面反映植被采取的生存策略，另一方面也體現(xiàn)著生態(tài)治理措施對土壤質量的影響作用。例如，植被根系對土壤團聚體的形成及穩(wěn)定性就具有重要的影響。據測定，黃土高原林草地土壤表層>0.25 mm水穩(wěn)性團聚體含量(74.4%))是黃土母質(14.79%)的5.3倍，人工刺槐林(3～9 a)土壤>5 mm水穩(wěn)性團粒含量比無根系土壤提高1.77～6.29倍[2]。張冀研究發(fā)現(xiàn)好的自然植被通過根系作用可以改善土壤水穩(wěn)性團聚體的形成、土壤孔隙度和有機質含量等理化性質[3]。賈恩吉等研究作物根茬對土壤物理性狀的影響，顯示根茬能夠增加土壤中水穩(wěn)性團聚體的數量，進而提高土壤結構穩(wěn)定性[4]，李勇等對根系強化土壤抗沖性的有效性及改善土壤物理、水文性質的作用機制進行研究，結果表明：植物群落根徑級≤1 mm的根密度及根量(有效根密度)對土壤結構穩(wěn)定性及土壤抗沖性具有明顯改善作用[5]。劉國彬等指出，直徑0.1～0.4 mm的根系表面著生有豐富的根毛，大大增加了根的表面積，利于大團聚體(>2 mm)的形成[6]，因此本研究選取5種典型草本群落(胡枝子、百里香、星毛委陵菜、豬毛蒿、長芒草)，了解草本根系垂直分布特征、土壤團聚體組成和穩(wěn)定性以及根系與土壤團聚體之間的關系，研究結果將揭示寧夏南部黃土丘陵區(qū)典型草本群落根系及根系層土壤團聚體分布特征，為從根系和土壤結構恢復角度為黃土丘陵區(qū)生態(tài)恢復成效評估提供理論依據。另一方面，初步評估鄉(xiāng)土草本植物對團聚體發(fā)育的促進作用，為研究區(qū)植被恢復初期草種的選擇和優(yōu)化配置提供一定的技術支撐，研究對生態(tài)恢復實踐具有指導意義。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于我國黃土高原西部的寧夏半干旱黃土丘陵區(qū)，地貌類型屬于黃土高原腹地梁峁丘陵地，地形破碎，地面傾斜度大，平均海拔1 600～1 700 m。流域氣候類型為典型的溫帶大陸性氣候，年平均風速2.7 m/s，年平均氣溫7.6℃，≥10℃的有效積溫為2 200～2 750℃，日照時數為2 200～2 700 h，無霜期140～160 d；年平均降水433.6 mm左右，有明顯的旱季和雨季，降水集中且分配不均，主要集中在7—9 月，年平均潛在蒸發(fā)量1 360.6 mm。土壤以普通黑壚土為主，土層深厚，土質疏松，pH值8～8.5。

植被以草原植被為基礎，主要草本植物有長芒草(Stipabungeana)、鐵桿蒿(Artemisiagmelinii)、賴草(Leymussecalinus)、達烏里胡枝子(Lespedezadavurica)、二裂委陵菜(Potentillabifurca)、星毛委陵菜(Potentillaacaulis)、百里香(Thymusmongolicus)、豬毛蒿(Artemisiascoparia)、山苦荬(Ixerisdenticulata)等。

1.2 樣地選擇

彭陽中莊為寧夏農林科學院荒漠化治理所水土保持研究團隊的一個長期定位觀測基點，植被調查表明，胡枝子、豬毛蒿、長芒草、百里香及星毛委陵菜為本地常見草本，且常常集中連片分布，選擇這5種典型草本群落分布樣地進行調查取樣，每個樣地隨機設置6個1 m×1 m的樣方，調查每個樣方植被的群落蓋度、物種組成、地上生物量等。樣地基本情況見表1。

表1 樣地信息

1.3 研究方法

根系測定：于植物生長末期，在樣方內進行S型四點取樣，用根鉆(直徑7 cm，高10 cm)將草本植物根系按0—5 cm，5—10 cm，10—20 cm 和20—30 cm 分別挖出，用篩子將各層樣品過篩并揀出所有根系，所獲的根系用水清洗干凈后，采用浙江萬深LA-S 系列植物根系分析儀測定分析根系的平均直徑、根長、表面積等，最后對根系編號后裝入牛皮紙信封，采用烘箱法測定生物量(80℃下烘48 h)。

土壤團聚體測定：在樣方內挖30 cm 深的土壤剖面，用特制取樣器按0—5 cm，5—10 cm，10—20 cm，20—30 cm分層取直徑為7 cm，高為10 cm 的原狀土柱，土樣裝入鋁盒避免震蕩擠壓并帶回實驗室，室內自然風干。依據Yoder的土壤團聚體濕篩法測定。具體方法為：將樣品放置于孔徑自上而下為5 mm，2 mm，1 mm，0.5 mm和0.25 mm的各級套篩之上，先用水緩濕潤后，再放入水中；在整個套篩處于最下端時，最頂層篩的上邊緣保持低于水面，豎直上下振蕩30 min(振蕩頻率30次/min)；然后將各級篩層上的團聚體沖洗收集并過濾，最后將團聚體連同濾紙一起烘干，空氣中平衡2 h后稱重，計算各級團聚體的質量百分比，平均重量直徑(MWD)、幾何平均直徑(GMD)及分形維數(D)。

1.4 計算方法

式中：L為根系長度(cm)；v為土樣體積(cm3)。

式中：L為根系長度(m)；m為根系重量(g)。

(3) 不同粒級水穩(wěn)性團聚體的質量百分比。

式中：wi為某級團聚體的質量分數(%)；Wwi為該級團聚體的風干質量(g)；MT為團聚體的風干總質量(g)。

(4) 水穩(wěn)性大團聚體的質量百分比。

式中：w0.25為水穩(wěn)性大團聚體(>0.25 mm)的質量分數(%)；Wi>0.25為直徑大于0.25 mm團聚體的風干質量(g)；MT為團聚體的風干總質量(g)。

(5) 水穩(wěn)性土壤團聚體的平均重量直徑(MWD)。

(6) 水穩(wěn)性土壤團聚體的幾何平均直徑(GMD)。

(7) 團聚體的分形維數(D)

土壤團聚體的質量分形維數(D)是基于假設不同粒級的土壤密度相同提出來的。公式如下：

兩邊取以10為底的對數：

2 結果與分析

2.1 不同草本植被根參數垂直分布特征

對寧南黃土丘陵區(qū)5種典型草本的根系及垂直分布特征進行調查，結果顯示(圖1)，5種草本0—30 cm土層根系生物量為0.44～2.11 g/m3，根長密度0.31～3.51 cm/m3，表面積密度0.04～1.10 cm2/m3，隨土層加深，各參數值逐漸減小，草本間差異也變小。0—5 cm土層根系各參數值最大，分別占根系總量(0—30 cm根系生物量、根長密度、表面積密度)的56.71%～78.61%，63.85%～84.97%，71.48%～80.05%，可以看出5種草本根系生物量、根長、表面積在垂直分布上具有相似的分布規(guī)律，呈表層聚集型分布。對不同草本根系參數的方差分析表明，根系平均直徑隨土層加深，胡枝子下降明顯，其他草本變幅很小，草本間存在差異顯著(p<0.05)，胡枝子最大，與其他草本差異顯著，其余草本間差異不顯著。5種草本0—30 cm土層的根系生物量具有顯著性差異，依次為胡枝子>豬毛蒿>百里香>星毛委陵菜>長芒草，草本間顯著性差異出現(xiàn)在0—10 cm土層(p<0.05)，之后差異變小。5種草本0—30 cm土層的根長密度存在顯著差異(p<0.05)，依次為百里香>胡枝子>豬毛蒿>長芒草>星毛委陵菜，百里香與星毛委陵菜差異顯著，胡枝子與百里香、星毛委陵菜差異也顯著。不同土層草本間根長密度差異有變化，0—5 cm土層百里香最大，與胡枝子、豬毛蒿、長芒草差異顯著，星毛委陵菜最小。10—20 cm土層各草本根長密度差異不顯著。20—30 cm土層草本間又表現(xiàn)出了顯著差異性，僅百里香與星毛委陵菜差異顯著，胡枝子、豬毛蒿、長芒草間差異不顯著。各草本0—30 cm土層的根表面積密度差異也顯著(p<0.05)，其中胡枝子最大，與其他草本差異顯著，其他草本之間差異并不顯著。不同土層各草本根表面積密度在10 cm以下才出現(xiàn)顯著差異。

草本的比根長為4.30～37.81 cm/g，隨土層加深變化不同。隨土層增加，胡枝子、長芒草比根長表現(xiàn)出增加趨勢，長芒草增幅更大，百里香比根長先減后增，豬毛蒿比根長先增后減(拐點均在20 cm土層以后)，星毛委陵菜變幅較小。不同土層草本間比根長的差異有變化，方差分析表明，0—5 cm土層百里香最大，與其他草本差異顯著。5—10 cm土層百里香、長芒草最大，與胡枝子差異顯著，星毛委陵菜最小，與豬毛蒿差異顯著。10—20 cm土層草本間差異不顯著。20—30 cm土層長芒草最大，除胡枝子外與其他草本差異顯著。5種草本0—30 cm土層比根長差異顯著，比根長依次為長芒草>百里香>胡枝子>豬毛蒿>星毛委陵菜，百里香、長芒草差異不顯著，但與委陵菜差異顯著，長芒草與胡枝子、豬毛蒿差異顯著，百里香與胡枝子、豬毛蒿差異不顯著。

注：小寫字母表示同一土層5種草本類型在5%水平上的差異。
圖1 5種典型草本根系參數在0-30 cm土層分布特征

2.2 不同草本類型下土壤水穩(wěn)性團聚體粒徑組成及分布特征

試驗結果顯示(圖2)，不同草本群落0—30 cm土層團聚體粒徑組成相似，呈“兩頭大中間小”的分布特征，即粒徑>5 mm的團聚體含量最多，為54.44%～67.80%，大于裸地對照(除豬毛蒿)，粒徑<0.25 mm團聚體含量排第二，為6.59%～17.91%，小于裸地(除豬毛蒿)，其他粒徑團聚體很少，含量不到5%。隨土層深度增加(0—30 cm)，>5 mm的團聚體含量先升后降，5—10 cm土層最大，變幅最大，<0.25 mm團聚體含量呈增多趨勢，變幅次之，其他粒徑團聚體變幅很小。試驗還發(fā)現(xiàn)，草本群落土壤各粒徑團聚體的垂直分布情況有所不同，百里香群落與委陵菜群落相似，>5 mm團聚體含量最多，較裸地提高44.1%～50.4%，10 cm以下隨土層加深下降緩慢。胡枝子群落與長芒草群落相似，>5 mm團聚體含量居中，較裸地提高17.5%～20.0%，10 cm以下隨土層加深下降快。豬毛蒿群落與裸地對照相似，>5 mm粒徑團聚體含量最少，10 cm以下隨土層加深呈直線下降，20—30 cm土層時含量低于30%。

圖2 不同草本0-30 cm土層土壤團聚體粒徑分布

2.3 不同草本群落土壤團聚體的穩(wěn)定性

試驗結果顯示(圖3)，5種草本群落0—30 cm土層R0.25含量為52.03%～84.64%，MWD，GMD值分別為9.57～21.01 mm，1.94～15.17 mm，D值為2.56～2.83。各草本群落團聚體穩(wěn)定性有差異，百里香、委陵菜群落土壤團聚體的R0.25，MWD，GMD值最大，二者無顯著差異，胡枝子、長芒草群落土壤團聚體的R0.25，MWD，GMD值次之，二者也無顯著性差異，但它們與百里香、星毛委陵菜土壤團聚體差異顯著，豬毛蒿群落土壤團聚體穩(wěn)定性參數值最小，與胡枝子、長芒草差異顯著，3個層次群落土壤團聚體穩(wěn)定性差異顯著。各草本群落D值排序與R0.25，MWD，GMD相反。在垂直分布上不同草本群落同一土層的團聚體穩(wěn)定性有差異(圖3)，在0—5 cm土層，星毛委陵菜群落土壤團聚體的R0.25，GMD最大，D最小，與長芒草和胡枝子群落差異顯著。5—10 cm土層，百里香、星毛委陵菜群落土壤團聚體的R0.25，MWD，GWD值居一、二位，豬毛蒿群落的MWD，GWD值最小，百里香、星毛委陵菜與豬毛蒿差異顯著。10—30 cm土層，百里香、星毛委陵菜、豬毛蒿3個群落的土壤團聚體穩(wěn)定性參數值大小排序不變，草本間顯著性差異有所變化。草本群落土壤團聚體的R0.25，MWD，GWD值均隨土層加深先增后降，在5—10 cm土層最大，之后逐步下降。百里香、星毛委陵菜群落R0.25，MWD，GMD值變幅較大，胡枝子、長芒草群落各穩(wěn)定性參數值變幅次之。

注：小寫字母表示同一土層5種草本類型在5%水平上的差異。
圖3 草本群落在不同土層深度上的土壤團聚體穩(wěn)定性

2.4 草本根系特征與土壤團聚體穩(wěn)定性參數的相關性分析

為探索植被根系與土壤結構穩(wěn)定性的關系，對典型草本的根系參數與土壤團聚體的穩(wěn)定性指標進行相關分析，結果發(fā)現(xiàn)(表2)，在0—30 cm土層草本根參數和土壤團聚體穩(wěn)定性指標未表現(xiàn)出顯著相關性，僅在根參數之間或土壤團聚體穩(wěn)定性參數之間有顯著相關性，如根系生物量與比根長、根長密度與根表面積密度顯著正相關。土壤團聚體的R0.25與MWD，GMD呈顯著正相關，與D呈顯著負相關，MWD與GMD極顯著正相關，與D顯著負相關，可以看出，研究區(qū)典型草本的根系對團聚體結構影響作用不明顯。由于野外試驗取樣樣本量有限，加之選取樣地存在不同程度的變異性，本試驗結果有待于進一步研究。

表2 典型草本群落土壤團聚體水穩(wěn)性指標和根系特征參數的相關性分析

注：*和**分別代表相關系數顯著性達0.05，0.01水平。

3 討論與結論

因為根系結構的變化并不一定伴隨根系生物量的變化，所以根系生物量無法做到全面表示根系的特征，對根系的研究除了生物量外，還應包括根長密度，根表面積密度、直徑和比根長等指標的測定。本文就對寧南黃土丘陵區(qū)5種典型草本群落的根系生物量、根長密度、根表面積密度、直徑和比根長進行了研究，發(fā)現(xiàn)各草本群落根系生物量、根長密度、表面積密度隨土層加深逐漸減小，呈表層聚集型分布，說明幾種草本根系對淺層土的固土效果最好。與韋蘭英研究不同演替階段草地植被細根垂直分布特征時發(fā)現(xiàn)細根各參數(生物量、根長密度、表面積密度)具有垂直分布特征，隨土層加深而減小[7]，以及李建興等[8]研究得出4種護坡草本根長密度、表面積密度及根重密度隨土層深度的增加遞減，且隨深度的增加草本間差異逐漸縮小的結果一致。

研究草本群落土壤團聚體粒徑分布特征發(fā)現(xiàn)，各草本群落0—30 cm土層團聚體粒徑組成均呈“兩頭大中間小”的分布特征。隨土層深度增加，大團聚體(粒徑>5 mm)含量先升后降，小團聚體(<0.25 mm)含量呈增多趨勢，與王甜、陳帥等研究結果相似[9-10]。有研究指出草原類型對團聚體組分有顯著影響，可能與氣候因子，地上、地下生物量，微生物生物量及組成相關[9]。我們發(fā)現(xiàn)，不同草本群落類型的團聚體分布有差異，百里香與星毛委陵菜>5 mm團聚體數量最多，土壤結構組成較好，豬毛蒿>5 mm粒徑團聚體數量最少，土壤結構組成最差，不同草本群落間差異推測可能更多與根系特點及生理功能、根區(qū)土壤微生物活動及組成、植被覆蓋有關[11]。豬毛蒿群落的大團聚體數量最少(僅占31.25%)，土壤結構較差可能是分布區(qū)土壤本身較為疏松造成的。學界普遍選用水穩(wěn)性團聚體R0.25，MWD，GMD，D衡量土壤團聚體穩(wěn)定性。0.25 mm被認為是劃分大團聚體和微團聚體的分界線，其含量是定量評價土壤團聚體的重要指標。>0.25 mm水穩(wěn)性團聚體含量越高，土壤穩(wěn)定性越好。本研究中草本群落土壤團聚體以R0.25為主，達52.03%～84.64%，微團聚體較少，說明各草本群落土壤團聚性好，結構穩(wěn)定。通常土壤團聚體穩(wěn)定性指標MWD，GMD越大，代表土壤團聚體的穩(wěn)定性越好，分形維數D與之正好相反。本研究發(fā)現(xiàn)，百里香、星毛委陵菜群落土壤團聚體(0—30 cm)的MWD，GMD值最大，團聚體穩(wěn)定性最好，豬毛蒿群落最差。隨土層加深，不同草本群落團聚體穩(wěn)定性指標變化規(guī)律與>5 mm團聚體含量在0—30 cm土層以及根系參數如根系生物量、根長密度、表面積密度在5—30 cm土層變化一致，相互之間可能存在影響，這與前人研究刺槐林根系穩(wěn)定土壤結構的土層范圍與其細根在土壤剖面中的分布特征一致[12]，以及水穩(wěn)性大團聚體、MWD，GMD隨土層加深(每隔20 cm土層取樣)而顯著降低[13-14]的結果相似。草本根系分布淺，其根系對團聚體的形成和穩(wěn)定性具有重要作用，5—10 cm土層可能因為根系的密集分布，團聚體穩(wěn)定性最好。10—30 cm土層隨土層加深土壤團聚體穩(wěn)定性越低，可能一方面是因為植物根系的減少直接或間接影響團聚體聚合，進而導致團聚體穩(wěn)定性在深度上的變化，另一方面是因為土壤有機碳含量、微生物生物量及組成隨土層加深而降低影響了土壤團聚體的形成[9-10]。0—5 cm土層雖然分布根系較多，但因為土壤與環(huán)境直接接觸，加之人為擾動，團聚體有破壞，穩(wěn)定性低。影響草本群落土壤團聚體穩(wěn)定的因素有很多，哪些因素起主要作用，是如何起作用的？以及不同因素之間的互作關系還有待進一步研究。

植物根系對土壤水穩(wěn)性團聚體形成具有重要作用，有研究表明不同演替階段群落表層(0—20 cm)0.5～2 mm的細根根長、表面積與根系生物量和土壤團聚體穩(wěn)定性極顯著相關[15]。還有研究指出0.1～0.4 mm的毛根利于大團聚體(>2 mm)的形成，用毛根表面積評價根系提高土壤水穩(wěn)性團粒的作用比用有效根密度和根系生物量更能揭示其固結土壤的作用機制[6]。有研究對不同徑級(>10 mm，10～5 mm，5～2 mm，2～1 mm，<1 mm)的根密度、根量與土壤物理性質的相關性，發(fā)現(xiàn)≤1 mm的須根密度及根量(有效根密度)與土壤物理性質相關性最為顯著，單位土體≤1 mm徑級須根的根量是不同植物群落改善土壤結構穩(wěn)定性的有效根參數[12]。吳彥等對3種林型不同徑級(>5 mm，5～2 mm，2～1 mm，≤1 mm)的根量和根密度與土壤水穩(wěn)性團聚體含量進行相關性分析，發(fā)現(xiàn)≤1 mm的須根對改善土壤團粒結構才是有效的[16]。本研究采用常用的4個根參數，根生物量、根長密度、根表面積密度和比根長與團聚體穩(wěn)定性指標進行相關關系分析，結果發(fā)現(xiàn)草本根參數和土壤團聚體穩(wěn)定性指標未表現(xiàn)出顯著相關性，說明幾種典型草本根在研究區(qū)土壤結構變化中的作用尚不明確，此結果的原因可能是試驗沒有按照徑級對根系進行分類，根系與土壤團聚體的關系分析還較為粗略，也可能是選取樣地的變異性較大，因此試驗有待細化，以便對結果進行更加客觀的分析和認識。