劉梟宏，諶蕓，顏哲豪，唐菡，強嬌嬌，齊越，都藝芝

（西南大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點實驗室，重慶400715）

紫色土集中于長江中下游地區(qū)，母質(zhì)風(fēng)化迅速使其成土快但易遭侵蝕，在多降水多丘陵的氣候地質(zhì)背景下，長期不合理的人類活動加劇了水土流失，尤以坡耕地最突出。不科學(xué)的農(nóng)耕措施使坡耕地上坡土層稀薄，下坡泥沙沉積，嚴(yán)重阻礙了土壤的可持續(xù)利用和農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展［1?2］。為此紫色土區(qū)推廣實施了開挖水平溝、構(gòu)建簡易埂坎、地埂籬（以下簡稱草籬）等措施，其中草籬成效較顯著［3?4］。草籬是指在坡耕地地埂下部的土坎上種植草本植物形成籬笆，有穩(wěn)定埂坎和減少水土流失的作用［5?6］。其根系一方面穿插于土體增強摩擦力［7?8］，另一方面根系分泌物粘結(jié)土壤顆粒形成團聚體［9］，達到穩(wěn)定土壤結(jié)構(gòu)的目的?，F(xiàn)有針對植物籬根系的研究多集中于其改良土壤結(jié)構(gòu)、固持有機碳［1?3］等功效上，對其提高根?土復(fù)合體抗剪/沖性能的作用關(guān)注不夠。

根系主要通過其形態(tài)特征、纖維素含量以及抗拉特性來影響根?土復(fù)合體的抗剪/沖性能。大量研究表明，根系形態(tài)能表征根系加固土壤的能力，與根?土復(fù)合體的抗剪/沖性能有顯著的相關(guān)性［10?11］，根系的纖維素含量則能影響根系的抗拉特性，但少有研究將根系的纖維素含量與根?土復(fù)合體的抗剪/沖性能建立聯(lián)系。有研究發(fā)現(xiàn)根系的抗拉特性與根系的抗剪性能有一定的相關(guān)性，但大部分是通過重塑土樣的方式研究，不能完全替代原狀土樣，有一定局限性。鮮有文章指出根系抗拉特性對根?土復(fù)合體抗沖性能的影響。因此探明根系形態(tài)、纖維素含量、根系抗拉特性與根?土復(fù)合體抗剪/沖性能的相關(guān)性十分重要。同時，研究表明不同地區(qū)根?土復(fù)合體抗剪/沖性能良好的植物種各不相同，如甘肅滑坡區(qū)石榴（Punica granatum）、長江流域的香根草（Vetiveria zizanioides）根?土復(fù)合體的抗剪性能較高［12?13］，三峽庫區(qū)扁穗牛鞭草（Hemarthria compressa）、喀斯特區(qū)的金銀花（Lonicera japonica）根?土復(fù)合體的抗沖性能較高［14?15］。其原因是不同生境、不同植物種類下，根系的形態(tài)與纖維素含量均不同，可見植物種類也是研究不可忽略的因素。紫花苜蓿（Medicago sativa）是紫色土區(qū)常見牧草，有良好的生態(tài)經(jīng)濟效益，但研究發(fā)現(xiàn)紫花苜蓿固結(jié)地埂土壤的作用不及蓑草（Eulaliopsis binata）［4］，該區(qū)固土性能良好的牧草類草籬種有待探尋。拉巴豆（Dolichos lablab）產(chǎn)自熱帶、亞熱帶地區(qū)，有不亞于紫花苜蓿的經(jīng)濟效益，已有研究證明其根系具有良好的固土能力［6］，但在紫色土區(qū)未見拉巴豆根?土復(fù)合體抗剪/沖性能的相關(guān)研究。

鑒于此，本研究選取紫花苜蓿和拉巴豆在紫色土坡地構(gòu)建草籬，分析2 種草籬的根系形態(tài)、纖維素含量、抗拉特性和根?土復(fù)合體抗剪/沖性能的差異，明確紫色土區(qū)草籬根?土復(fù)合體抗剪/沖性能及主要影響因素，為紫色土區(qū)草籬技術(shù)的進一步推廣應(yīng)用提供理論支撐。

1 材料與方法

1. 1 試驗區(qū)概況

試驗區(qū)位于重慶市北碚區(qū)西南大學(xué)紫色丘陵區(qū)坡耕地水土流失監(jiān)測基地，東經(jīng)106°26′，北緯30°26′，平均海拔約230 m，年均溫約18 ℃，年均降水量約1100 mm，集中在5?9 月，屬亞熱帶季風(fēng)性氣候，土壤為中性紫色土。選取一完整坡面開展試驗，該坡地為耕地，植被覆蓋率70%，田面坡度約10°，夏季種植紅薯（Ipomoea batatas），冬季種植白菜（Brassica pekinensis），順坡耕作。在該坡面選定立地條件一致的9 條地埂，埂下土坎約為30°，高0. 8 m，土層厚度20～30 cm，植被蓋度較低，自然生草主要是麥冬（Ophiopogon japonicus）和野香草（Elsholtzia cyprianii）。

1. 2 試驗設(shè)計及樣品采集

本研究設(shè)計對照、紫花苜蓿草籬和拉巴豆草籬各3 條。2019 年3 月初，先清除埂坎雜草，再在土坎上順埂開溝條播，開溝寬0. 1 m、深0. 1 m，長約6 m，共6 行，行間距0. 3 m，均勻地將紫花苜?；蚶投狗N子撒入溝中，并覆蓋細土，覆土厚度約1 cm，播種密度分別為0. 029、0. 004 kg·m?2。草籬與田面之間布設(shè)有水平溝，減少了草籬與農(nóng)作物對水分養(yǎng)分的競爭。試驗期間及時除草，補種和澆灌。2019 年6 月底，草籬已成形。2019 年7 月上旬進行采樣，采樣條件為雨后放晴3 d 以上。 采樣時，紫花苜蓿和拉巴豆株高分別約為0. 4、0. 6 m，覆蓋度分別達78. 0%、82. 0%。

整株根系采集：紫花苜蓿草籬和拉巴豆草籬各選取10 株標(biāo)準(zhǔn)株，采用完全挖掘法取出根系，連根帶土帶回實驗室，方法參見Baum［16］。

根?土復(fù)合體采集：在標(biāo)準(zhǔn)株附近及對照各選取3 個采樣點作為重復(fù)，采集抗剪、抗沖根?土復(fù)合體樣本，具體方法參見唐菡等［6］。共計36 個抗剪復(fù)合體樣本和9 個抗沖復(fù)合體樣本。

1. 3 指標(biāo)測定及計算方法

1. 3. 1 根系形態(tài)指標(biāo) 在抗剪/沖試驗后，把每個樣點4 個抗剪環(huán)刀里的所有根系作為1 個樣本，1 個抗沖環(huán)刀里的所有根系作為1 個樣本。采用EPSON（PERFECTION C700）根系掃描儀進行灰度掃描，根系分析系統(tǒng)（WinRHIZOPro. 2009）分3 個徑級（0. 02. 0 mm，d 為直徑）測定根長、根表面積、根體積，計算得到復(fù)合體的根長密度、根表面積密度、根體積密度。具體操作步驟參見諶蕓等［17］。

1. 3. 2 根系纖維含量指標(biāo) 抗剪復(fù)合體把每個樣點4 個抗剪環(huán)刀里的所有根系作為1 個樣本；抗沖復(fù)合體把每個樣點1 個抗沖環(huán)刀里的所有根系作為1 個樣本，用微量法測定樣本中纖維素、半纖維素和木質(zhì)素含量，并計算木纖比，具體方法參見李合生［18］。

1. 3. 3 根系抗拉性能指標(biāo) 在標(biāo)準(zhǔn)株根系中剪取順直、直徑較均一的根作為抗拉樣本，樣本標(biāo)距為50 mm，在根兩端纏上醫(yī)用膠帶防脫落。所用微機控制電子萬能試驗機測力范圍為0～5 KN，最小分度值為1×10?5N，夾具型號為DSA502A。因d>2. 0 mm 的根系較少，根系抗拉試驗僅將根系分為2 個大徑級（0

1. 3. 4 抗剪/沖性能指標(biāo) 抗剪強度用南京土壤儀器廠生產(chǎn)的ZJ 型應(yīng)變控制式四聯(lián)直剪儀測定，并根據(jù)庫侖定律計算內(nèi)摩擦角（φ）和粘聚力（c）。沖刷試驗過程及抗沖指數(shù)的測定方法參見諶蕓等［17］。

1. 4 數(shù)據(jù)處理

運用Microsoft Office Excel 2016 進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，采用IBM SPSS 22. 0 進行數(shù)據(jù)差異性檢驗（One-way ANOVA）和主成分分析。

2 結(jié)果與分析

2. 1 復(fù)合體中根系形態(tài)及纖維含量特征

2. 1. 1 復(fù)合體中根系形態(tài)特征 紫花苜蓿和拉巴豆抗剪復(fù)合體中有超過90% 的根系直徑小于1. 0 mm，且根體積密度（root volume density，RUD），根長密度（root length density，RLD）和根表面積密度（root surface area density，RSAD）大小關(guān)系均為：拉巴豆>紫花苜蓿；0. 0

表1 復(fù)合體中根系形態(tài)指標(biāo)Table 1 Whole diameter root parameters of root-soil complex

紫花苜蓿和拉巴豆抗沖復(fù)合體中根系總體指標(biāo)均無顯著差異（P>0. 05），RLD 和RSAD 紫花苜蓿略高，RVD 則拉巴豆較高；除紫花苜蓿復(fù)合體RSAD 和RVD 以外，其余指標(biāo)的優(yōu)勢徑級均為0. 0

2. 1. 2 復(fù)合體中根系纖維含量特征 紫花苜蓿和拉巴豆抗剪復(fù)合體中根系木質(zhì)素（lignin）和纖維素（cellulose）含量的大小關(guān)系為：拉巴豆>紫花苜蓿，半纖維素（hemicellulose）含量和木纖比（wood fiber ratio）與之相反（圖1A）。拉巴豆復(fù)合體根系的木質(zhì)素含量較紫花苜蓿高2. 14%，有顯著差異；紫花苜蓿復(fù)合體根系的半纖維素含量顯著高于拉巴豆（P<0. 05）；二者纖維素含量和木纖比無顯著差異（P>0. 05）。

紫花苜蓿和拉巴豆抗沖復(fù)合體中木質(zhì)素含量和木纖比的大小關(guān)系為：拉巴豆>紫花苜蓿，半纖維素和纖維素含量則為：紫花苜蓿>拉巴豆（圖1B）。復(fù)合體根系的木質(zhì)素含量有顯著差異（P<0. 05），具體表現(xiàn)為拉巴豆較紫花苜蓿高9. 41%；紫花苜蓿復(fù)合體根系的半纖維素含量顯著高于拉巴豆（P<0. 05）；復(fù)合體根系的木纖比差距較大，拉巴豆較紫花苜蓿高出14. 73%。

圖1 復(fù)合體中根系纖維含量Fig. 1 Chemical composition contents of root-soil complex

2. 2 根系抗拉特性

紫花苜蓿和拉巴豆根系抗拉試驗總樣本數(shù)為110，成功的樣本數(shù)為84，成功率約為76. 36%，根系直徑范圍分別為0. 22～1. 76 mm、0. 29～1. 78 mm。

極限抗拉力的范圍分別為2. 29～19. 76 N、3. 25～24. 58 N，平均極限抗拉力為拉巴豆（19. 76 N）>紫花苜蓿（14. 32 N）。同一徑級，除徑級Ⅰ以外，拉巴豆根系極限抗拉力均顯著高于紫花苜蓿（P<0. 05）；同一草籬，除紫花苜蓿徑級Ⅲ和徑級Ⅳ，其余各徑級間極限抗拉力均存在顯著性差異（P<0. 05）。2 種草籬在0. 0紫花苜蓿（26. 66 MPa）。同一徑級，除徑級Ⅳ和Ⅱ以外，拉巴豆的抗拉強度均顯著高于紫花苜蓿（P<0. 05）；同一草籬，各徑級間的抗拉強度均有顯著差異（P<0. 05）。2 種草籬在1. 0

圖2 單根抗拉特性Fig. 2 Root tensile properties

極限抗拉力隨根系直徑的增大而增大，抗拉強度則相反，用冪函數(shù)擬合最佳。其中紫花苜蓿極限抗拉力與直徑的擬合方程F1=11. 25D0.87，R2=0. 41，抗拉強度與直徑的擬合方程T1=20. 22D?0.84，R2=0. 70；拉巴豆極限抗拉力與直徑的擬合方程F2=14. 04D1.03，R2=0. 85，抗拉強度與直徑的擬合方程T2=24. 74D?0.92，R2=0. 60。擬合方程的指數(shù)體現(xiàn)了抗拉特性隨根系直徑變化而改變得快慢程度，拉巴豆均高于紫花苜蓿。擬合方程的系數(shù)反映了根系直徑對抗拉特性的貢獻率，拉巴豆同樣高于紫花苜蓿。從側(cè)面反映了拉巴豆根系的抗拉特性優(yōu)于紫花苜蓿。

2. 3 復(fù)合體的抗剪/沖性能特征

2. 3. 1 抗剪強度及其指標(biāo) 草籬復(fù)合體抗剪強度及其指標(biāo)均優(yōu)于對照（CK）（表2）。抗剪強度均隨荷載的增大而增大，同一處理，CK 400 kPa 荷載下的抗剪強度較100 kPa 荷載下增加了2. 32 倍，紫花苜蓿增加了2. 06 倍，拉巴豆則是2. 14 倍；同一荷載下抗剪強度大小關(guān)系均為拉巴豆>紫花苜蓿>CK（P<0. 05），且在荷載100 kPa下，復(fù)合體的抗剪強度較CK 的增幅最大，紫花苜蓿和拉巴豆的增幅分別為29. 93% 和36. 32%，紫花苜蓿和拉巴豆分別在荷載200 和400 kPa 下，增幅最小，分別為15. 74% 和28. 67%。

表2 對照土體和草籬根-土復(fù)合體的抗剪強度及其指標(biāo)Table 2 Shear strength of CK and grass hedgerows root-soil complex

內(nèi)摩擦角的大小關(guān)系為：拉巴豆>紫花苜蓿>CK（P<0. 05），均有顯著差異。紫花苜蓿和拉巴豆復(fù)合體較CK 的增幅分別為14. 57% 和24. 54%，可見拉巴豆的增幅最大，為紫花苜蓿的1. 68 倍；粘聚力的大小關(guān)系為拉巴豆>紫花苜蓿>CK，紫花苜蓿和拉巴豆較CK 的增幅分別為49. 93% 和71. 00%，拉巴豆增幅為紫花苜蓿的1. 42倍，但二者粘聚力無顯著差異（P>0. 05）。綜上，草籬根系能顯著提高復(fù)合體的抗剪性能，尤其能改善復(fù)合體的粘聚力。

2. 3. 2 抗沖指數(shù)的動態(tài)變化 抗沖指數(shù)的大小關(guān)系呈現(xiàn)為：拉巴豆>紫花苜蓿>CK（圖3），紫花苜蓿最大抗沖指數(shù)是CK 的1. 26 倍，拉巴豆則是其2. 60倍。時間點相同時，復(fù)合體抗沖指數(shù)最大差值出現(xiàn)在第4 min，達到9. 82 L·g?1，最小差值出現(xiàn)在第1 分鐘，為0. 58 L·g?1；隨著沖刷時間變長，抗沖指數(shù)均快速增長，直至第4 min 達到峰值。拉巴豆復(fù)合體的平均增幅（5. 85 L·g?1·min?1）高于紫花苜蓿（2. 77 L·g?1·min?1），前4 min 紫花苜蓿復(fù)合體增幅先增后減，拉巴豆復(fù)合體增幅逐漸遞增，增幅由4. 18 L·g?1·min?1增至11. 02 L·g?1·min?1。4 min 后抗沖指數(shù)均緩慢下降后趨于平穩(wěn)；抗沖指數(shù)均能和沖刷時間較好地擬合成對數(shù)函數(shù)，擬合方程的R2值為拉巴豆略高于紫花苜蓿。擬合方程系數(shù)為拉巴豆約為紫花苜蓿的2 倍，由此可見拉巴豆復(fù)合體的抗沖指數(shù)隨時間增長速度遠高于紫花苜蓿。

圖3 對照土體和草籬根-土復(fù)合體抗沖指數(shù)的動態(tài)變化Fig. 3 Dynamic changes of anti-scourability in root-soil complex and CK

2. 4 復(fù)合體抗剪/沖性能的主成分分析

為全面地評價2 種草籬根系對復(fù)合體抗剪/沖性能的影響，提取最能反映復(fù)合體抗剪/沖性能強弱的根系指標(biāo)，選擇根系形態(tài)特征：根長密度（X1）、根表面積密度（X2）、根體積密度（X3），抗拉特性：極限抗拉力（X4）、抗拉強度（X5）和纖維含量：纖維素（X6）、半纖維素（X7）、木質(zhì)素（X8）進行主成分分析。其中主成分得分（FX）為因子載荷矩陣乘以各指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化值的總和，綜合評分（F）為各主成分的方差貢獻率乘以各主成分得分的總和。

2. 4. 1 根系對抗剪性能影響的主成分分析 通過主成分分析發(fā)現(xiàn)第1 主成分貢獻率達63. 212%，第2 主成分貢獻率達21. 275%，累計方差貢獻率達84. 486%，信息損失為15. 514%。特征值均大于1，滿足主成分分析最高信息損失量的標(biāo)準(zhǔn)（表3）。第1 主成分較高荷載的指標(biāo)為X1、X4、X5、X6、X7，其中X4載荷值最高，X1、X4、X7載荷相近且明顯高于X5和X6。第2 主成分較高荷載的指標(biāo)僅為X2。X3和X8在2 個主成分中的載荷均較低?？梢姡钅苡绊憦?fù)合體抗剪性能的指標(biāo)是根長密度、半纖維素含量以及極限抗拉力，其中極限抗拉力影響最大。復(fù)合體抗剪性能F=63. 212%F1+21. 275%F2。紫花苜蓿和拉巴豆F1相近，但紫花苜蓿F2為負值，遠小于拉巴豆，使得紫花苜蓿的F 遠小于拉巴豆（表4）。對比F1和F2，發(fā)現(xiàn)2 種草籬復(fù)合體抗剪性能F1明顯高于F2，由此可知，第1 主成分對復(fù)合體抗剪性能的貢獻較大，紫花苜蓿的根系表面積密度對復(fù)合體抗剪性能的影響力要弱于拉巴豆。

表3 主成分分析因子載荷矩陣和方差貢獻率Table 3 The factor load matrix after principal component analysis and the variance contribution rate

表4 復(fù)合體抗剪/沖性能主成分得分及綜合評分Table 4 The principal component score and comprehensive score of shear strength and anti-scourability for root-soil complex

2. 4. 2 根系對抗沖性能影響的主成分分析 通過主成分分析發(fā)現(xiàn)第1 主成分貢獻率達52. 583%，第2 主成分貢獻率達21. 138%，第3 主成分貢獻率達17. 137%，累計方差貢獻率達90. 858%，信息損失為9. 142%。特征值均大于1，滿足主成分分析最高信息損失量的標(biāo)準(zhǔn)（表3）。第1 主成分較高荷載的指標(biāo)為X1、X4、X5、X7，其中X1載荷值最高，X1和X4載荷相近且明顯高于X5和X7。第2 主成分較高荷載的指標(biāo)僅為X2。第3 主成分較高荷載的指標(biāo)僅為X6。X3和X8在3 個主成分中的載荷均較低。可見，最能影響復(fù)合體抗沖性能的指標(biāo)是根長密度、半纖維素含量以及極限抗拉力，其中根長密度影響最大。復(fù)合體抗沖性能的F=52. 583%F1+21. 138%F2+17. 137%F3。紫花苜蓿F1高于拉巴豆，但紫花苜蓿F2和F3均為負，拉巴豆則為正，使得紫花苜蓿的F 小于拉巴豆（表4）。對比F1、F2和F3，發(fā)現(xiàn)2 種草籬復(fù)合體抗沖性能F1均明顯高于F2和F3，由此可知，第1 主成分對復(fù)合體抗沖性能的貢獻較大，紫花苜蓿根系表面積密度和纖維素含量對復(fù)合體抗沖性能的影響力要弱于拉巴豆。

3 討論

主成分分析表明，根系主要通過根長密度、半纖維素含量以及極限抗拉力來影響根?土復(fù)合體的抗剪/沖性能，拉巴豆復(fù)合體綜合得分高于紫花苜蓿，有研究得出過相似結(jié)論［6］。一方面是本研究草籬種植時間較短，根系多處于0. 0

根系穿插于土體增強摩擦力［7?8］，根系分泌物粘結(jié)土壤顆粒改良土壤結(jié)構(gòu)［9］，有利于提高根?土復(fù)合體的抗剪/沖性能。本研究紫花苜蓿和拉巴豆的根系均顯著增強了其根?土復(fù)合體的抗剪/沖性能，這與周萍等［4］、唐菡等［6］的研究結(jié)果相似。2 種草籬復(fù)合體抗剪性能各項指標(biāo)均優(yōu)于對照，尤其是粘聚力，土壤剪切過程中根系與土壤顆粒表面摩擦力及顆粒間嵌入作用產(chǎn)生的咬合力影響內(nèi)摩擦角大?。?0］，分泌物與土壤顆粒間膠結(jié)作用影響粘聚力大?。?3］，所以內(nèi)摩擦角、粘聚力一般隨著根長、根表面積的增大而增大［24］，但二者隨根系指標(biāo)的增長均有極限值，達到峰值時將不再增長或有減小趨勢。本研究結(jié)果與眾多研究結(jié)論相似，也有研究結(jié)論略有不同。李建興等［25］認為草類根系對土壤內(nèi)摩擦角的提高程度更大?？赡艿脑蚴潜狙芯恐参锓N植時間較短，僅4 個月，根系尚處于生命活動的旺盛時期，有較多的分泌物［26］，可以促進土粒間的膠結(jié)作用。而李建興等［25］植物種植時間長達2年，根系發(fā)育基本成熟，根系分泌物的減少相對削弱了根系提高土壤粘聚力的能力。本研究得出抗沖指數(shù)和沖刷時間呈對數(shù)正相關(guān)，這與諶蕓等［17］的研究結(jié)果相似，但與唐菡等［6］和楊玉梅等［27］在黃壤區(qū)的研究結(jié)果有一定差異，不同的土壤類型造成的根系生長狀況及根?土復(fù)合體結(jié)構(gòu)性差異或是研究結(jié)果不同的主要原因。

4 結(jié)論

1）紫花苜蓿和拉巴豆抗剪復(fù)合體根長密度、根表面積密度、根體積密度大小關(guān)系均為：拉巴豆>紫花苜蓿，抗沖復(fù)合體中根系形態(tài)指標(biāo)則無顯著差異，0. 0

2）同一徑級下，根系極限抗拉力和抗拉強度均表現(xiàn)為拉巴豆>紫花苜蓿，2 種草籬在0. 0

3）抗剪強度、內(nèi)摩擦角及粘聚力均表現(xiàn)為拉巴豆>紫花苜蓿>CK，拉巴豆草籬復(fù)合體的粘聚力較CK 提高最顯著；拉巴豆復(fù)合體抗剪性能的綜合得分高于紫花苜蓿，復(fù)合體抗剪性能主要受根長密度、半纖維素含量以及極限抗拉力的影響，其中極限抗拉力影響最大。

4）拉巴豆復(fù)合體的抗沖指數(shù)顯著大于紫花苜蓿和CK，抗沖指數(shù)和沖刷時間呈對數(shù)正相關(guān)。拉巴豆復(fù)合體抗沖性能的綜合得分高于紫花苜蓿，復(fù)合體抗沖性能主要受根長密度、半纖維素含量以及極限抗拉力的影響，其中根長密度影響最大。