顏哲豪,諶 蕓,劉梟宏,何丙輝,唐 菡,強嬌嬌

西南大學資源環(huán)境學院,巖溶環(huán)境重慶市重點實驗室,重慶 400715

近年來,喀斯特地區(qū)特殊的巖溶地質(zhì)環(huán)境引起了國內(nèi)外學者的廣泛關(guān)注,在長期不合理的人類活動影響下,其本就脆弱的生態(tài)系統(tǒng)遭到了嚴重的破壞,許多地方形成了石漠化的自然景觀[1]。針對上述問題,有學者提出,以生態(tài)經(jīng)濟型物種為主的植被恢復措施(如經(jīng)果林、地埂籬)能較好地平衡喀斯特地區(qū)生態(tài)與經(jīng)濟的矛盾[2—3]。已有研究表明,在貴州喀斯特地區(qū)種植地埂籬能明顯延遲地表徑流的產(chǎn)生,增加徑流在喀斯特坡面入滲的時間和徑流入滲量,從而減小坡面侵蝕產(chǎn)沙量[4—5]。同時,地埂籬根系可以纏繞串連黏結(jié)根土,改變土壤的入滲特性,增強土壤抗沖性能與抗蝕能力,從而起到提高梯坎穩(wěn)定性的作用[6]。

植物根系的固土效應可以對土壤起到物理加固和化學改良的作用,增強土壤的抗侵蝕性能[7—9]。劉昌義等[10]在黃河源區(qū)發(fā)現(xiàn)隨著草地植物根系含量顯著降低,其復合體抗剪強度亦逐漸降低；劉紅巖等[11]認為草本根系可以促使土壤團聚體形成,增強土壤結(jié)構(gòu)間的穩(wěn)定性,從而提高土壤抗沖性能。也有研究指出,植物根系自身的形態(tài)特征、化學成分、抗拉特性與根-土復合體的抗剪和抗沖性能都是研究植被固土力學機理的重要因素[12—14]。且不同植物種類在不同地形條件下的根系分布特征迥異,其根系生物力學性能對土壤抗剪和抗沖性能的影響差異顯著[15—16]。

我國西南喀斯特地區(qū)分布廣、地形條件復雜、裸巖率高、土層淺薄[17],該區(qū)植物根系生長主要受限于土壤厚度和水分,根系形態(tài)特征隨著限制條件改變的同時,其纖維含量和抗拉特性也隨之改變[18],進而影響土壤的抗剪和抗沖性能,但目前鮮少見到以該區(qū)域巖溶地貌為背景的相關(guān)研究。鑒于此,本文在重慶酉陽喀斯特坡地布設(shè)拉巴豆(DolichoslablabL.)和光葉苕子(Viciavillosa)2種地埂籬。拉巴豆和光葉苕子均為豆科草本植物,環(huán)境適應力強且根系發(fā)達,具有固氮功能,有利于改良土壤,提高土壤的保水保肥能力,莖葉可作為優(yōu)質(zhì)飼草。分析上述2種地埂籬根區(qū)土壤物理性質(zhì)、根系形態(tài)、纖維含量、抗拉特性和復合體抗剪/沖性能的變化規(guī)律,明確喀斯特地區(qū)地埂籬根-土復合體抗剪和抗沖性能的評價因子,以期為喀斯特坡地水土流失治理中植物措施的科學推廣應用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于重慶市酉陽土家族苗族自治縣泔溪鎮(zhèn)龍?zhí)恫酃?東經(jīng)108°58′,北緯28°58′。槽谷由背斜發(fā)育而來,谷底及坡面一側(cè)為碳酸鹽巖,土壤類型為黃壤,砂粒、粉粒和粘粒含量分別為12%、49%和39%。該區(qū)降雨主要集中于5—9月,年均降雨量1200 mm,年均氣溫14.6 ℃,年均日照時長1131 h,屬典型的亞熱帶季風濕潤氣候,植被覆蓋率約60%,主要為花椒經(jīng)濟林,另存在少量抗旱、耐瘠薄野生喬灌草,如馬尾松(Pinusmassoniana)、沿階草(Ophiopogonbodinieri)等。

1.2 地埂籬布設(shè)

試驗區(qū)位于龍?zhí)恫酃任鱾?cè)坡地之上,坡向朝南,坡度約30°,海拔約350—550 m。依據(jù)海拔高度差異,坡面可劃分為上、中、下三個坡位,相鄰坡位間海拔相差約為50 m。在各坡位地埂上選取土層連續(xù)分布的地段布設(shè)草籬,上、中坡地埂土層平均厚度約25 cm,下坡土層平均厚度約30 cm。分別于2018年10月和2019年4月撒播光葉苕子(播種密度0.004 kg/m2,出苗率約75%)和拉巴豆(播種密度0.03 kg/m2,出苗率約80%),籬帶長約200 m、寬約20 cm。于2019年5月采集光葉苕子試樣、2019年7月采集拉巴豆試樣,采樣時植物均處于生長旺盛期,其根系類型均為直根系。光葉苕子平均株高和基徑為30.5 cm、3.12 mm,覆蓋率約60%；拉巴豆平均株高和基徑為43.8 cm、4.45 mm,覆蓋率約65%。

1.3 樣品采集

土壤樣品的采集:2種地埂籬加上對照土體(CK)共3種處理,每種處理每個坡位采集3個容重環(huán)刀、3個鋁盒和3袋散土,地埂籬根區(qū)土壤的取樣點位于植株周圍20 cm以內(nèi),取土深度為10 cm。共計27個容重環(huán)刀、27個鋁盒以及27袋散土。

單根樣品的采集:將整株根系挖出,從中剪取順直且直徑較均一的根,根系直徑用精度為0.01 mm的數(shù)顯游標卡尺(型號CD-6 ASX)測量。在根兩頭包裹醫(yī)用膠布,以此分散夾具周邊應力增加摩擦力以提高試驗成功率,包上膠布后樣本標距為50 mm[19],共計制作單根樣品188個。

抗剪土樣的采集:每種處理在籬帶的兩端和中間分別取4個樣點(每4個為一組,用來測定豎直荷載為100、200、300、400 KPa下的抗剪強度),每個樣點采集1個抗剪環(huán)刀,采樣深度為5 cm,3種處理共計采集108個抗剪土樣。

抗沖土樣的采集:每種處理在籬帶的兩端和中間分別取1個樣點,每個樣點采集1個抗沖環(huán)刀(10 cm×10 cm×20 cm),采樣深度為10 cm,3種處理共計采集27個抗沖土樣。具體采樣方法與唐菡等[20]研究中的方法一致。

1.4 測定項目與方法

1.4.1土壤容重、孔隙度的測定

采用環(huán)刀法[21]測定土壤容重、孔隙度(總孔隙度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度)。

1.4.2根系指標和纖維含量

采用EPSON(PERFECTION C700)掃描儀進行根系灰度掃描(分辨率設(shè)置為4800×9600 dpi),WinRHIZO(Pro.2009)根系分析系統(tǒng)進行分析,測定根長、根表面積和根體積密度[22]。將掃描后的根系樣本于80 ℃烘干至恒重,測定纖維素、半纖維素和木質(zhì)素含量,計算木纖比,測定方法參考《植物生理生化實驗原理和技術(shù)》[23]。

1.4.3單根抗拉特性指標

使用電子萬能試驗機(CMT6503,深圳)測定單根的極限抗拉力和抗拉強度。儀器測力范圍0—5 KN,加載速率范圍 0—60 MPa/s,最小分度值1×10-5N,夾具型號DSA502A,拉伸速率設(shè)置為7 mm/min,拉伸斷裂點位于單根樣品中部則視為試驗成功。

(1)

式中,P為根系的抗拉強度(MPa)；F為最大抗拉力(N)；D為單根直徑(mm)。

1.4.4抗剪強度指標和抗沖指數(shù)

土壤抗剪強度使用ZJ型應變控制式直剪儀測定并根據(jù)庫倫定律計算內(nèi)摩擦角φ和粘聚力c；土壤抗沖指數(shù)采用原狀土沖刷水槽法測定,沖刷水槽長1.80 m,寬0.11 m,沖刷槽坡度定為30 °,土壤抗沖性能用抗沖指數(shù)ASI表示,即沖失1 g干土所需水量:

(2)

式中,ASIt為t時刻的抗沖指數(shù)(L/g)；Q為沖刷流量(L/min)；t為沖刷歷時(min)；WLDSt為t時刻沖失干土重(g)。

1.5 數(shù)據(jù)處理

運用Microsoft Office Excel 2010 對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計處理,Origin 2018作圖,IBM SPSS 23.0進行差異顯著性檢驗(Duncan法,P﹤0.05)、協(xié)方差分析(ANCOVA)和主成分分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 根區(qū)土壤物理性質(zhì)

由表1可知,上、中坡拉巴豆和光葉苕子根區(qū)土壤容重顯著低于CK,中、下坡光葉苕子總孔隙度最大,與拉巴豆和CK之間存在顯著性差異,毛管孔隙度表現(xiàn)為光葉苕子﹥拉巴豆﹥CK。不同坡位,2種地埂籬根區(qū)土壤容重表現(xiàn)為上、下坡顯著高于中坡,拉巴豆根區(qū)土壤總孔隙度和非毛管孔隙度均表現(xiàn)為中坡顯著高于下坡。

表1 供試土樣物理性質(zhì)

2.2 根系形態(tài)、纖維含量和單根抗拉特性

2.2.1根系形態(tài)和纖維含量

由表2可知,抗剪復合體中根系的平均根長密度、根表面積密度均表現(xiàn)為拉巴豆高于光葉苕子,較之光葉苕子高出59.32%和16.86%。不同坡位,拉巴豆根長密度、根表面積密度表現(xiàn)為中、下坡顯著高于上坡,光葉苕子根體積密度表現(xiàn)為下坡顯著高于上、中坡。分析根系纖維含量發(fā)現(xiàn),上坡光葉苕子根系的木質(zhì)素含量和木纖比均顯著高于拉巴豆。不同坡位,拉巴豆下坡根系的纖維素含量顯著高于中坡。

表2 地埂籬根-土復合體內(nèi)根系形態(tài)和纖維含量指標

抗沖復合體中拉巴豆平均根長密度、根表面積密度和根體積密度較之光葉苕子高出30.48%、57.78%、92.98%。不同坡位,僅拉巴豆根長密度表現(xiàn)為中、下坡顯著高于上坡。分析根系纖維含量發(fā)現(xiàn),拉巴豆根系的半纖維素含量均高于光葉苕子,木質(zhì)素表現(xiàn)則恰好相反,光葉苕子上坡根系的纖維素含量和下坡根系的木纖比均顯著高于拉巴豆。不同坡位,光葉苕子根系纖維素含量表現(xiàn)為上坡顯著高于下坡。

2.2.2單根抗拉特性

拉巴豆和光葉苕子單根抗拉試驗的樣本總數(shù)為188,成功樣本數(shù)為108,試驗成功率為57.45%,根系直徑范圍分別為0.24—1.74 mm和0.14—1.93 mm。測試結(jié)果顯示,拉巴豆根系極限抗拉力范圍為0.45—16.59 N,均值3.82 N；抗拉強度范圍為2.33—24.45 MPa,均值7.29 MPa。光葉苕子根系極限抗拉力范圍為0.03—2.91 N,均值0.52 N；抗拉強度范圍為0.28—8.97 MPa,均值1.61 MPa。

由圖1可知,2種地埂籬根系極限抗拉力、抗拉強度隨直徑的變化趨勢大致相同,皆為極限抗拉力隨直徑增大而增大,抗拉強度隨直徑增大而變小。擬合結(jié)果顯示,抗拉特性與直徑的擬合方程均為冪函數(shù)形式。其中極限抗拉力與直徑的擬合效果較好,拉巴豆擬合方程決定系數(shù)為0.7441-0.8606,光葉苕子擬合方程決定系數(shù)為0.6480-0.9283；抗拉強度與直徑的擬合效果較差,最高決定系數(shù)為0.739。

圖1 不同坡位地埂籬根系極限抗拉力、抗拉強度與根徑的關(guān)系

以直徑為協(xié)變量進行協(xié)方差分析,結(jié)果表明,上、中、下坡2種地埂籬根系極限抗拉力均存在極顯著差異(F=77.957,P<0.001；F=18.978,P<0.001；F=47.920,P<0.001),且表現(xiàn)為:拉巴豆>光葉苕子；各坡位2種地埂籬根系抗拉強度表現(xiàn)與極限抗拉力一致,二者之間均存在極顯著差異(F=46.774,P<0.001；F=55.423,P<0.001；F=80.243,P<0.001)。不同坡位,拉巴豆根系極限抗拉力、抗拉強度(F=6.748,P<0.05；F=8.457,P<0.05)均存在顯著差異,具體表現(xiàn)為下坡>上坡>中坡；光葉苕子根系抗拉強度存在顯著差異(F=8.328,P<0.05),排序為上坡>下坡>中坡。

2.3 復合體抗剪和抗沖性能特征

2.3.1抗剪強度指標分析

殷明慌亂不已，他不知道離開那個熟悉的宿舍后，要去哪里，又會面對什么樣的目光。恍惚間，仿佛又看到了向華杰的母親撕打他時那恨不得殺死他的目光，看到鄭云濤的爸爸抱著頭蹲在地上無聲哭泣的背影……他抓起他的那個灰撲撲的包，猛地向外跑去。

由圖2可知,不同處理的粘聚力c均表現(xiàn)為:拉巴豆(26.69—39.71 KPa)﹥光葉苕子(23.23—28.45 KPa)﹥CK(12.42—18.64 KPa)。與CK相比,拉巴豆復合體的粘聚力c增強了113.06%—124.37%,光葉苕子復合體的粘聚力c增強了51.56%—87.12%。不同坡位,拉巴豆復合體的粘聚力c表現(xiàn)為下坡﹥中坡﹥上坡；下坡光葉苕子的粘聚力c顯著高于上、中坡。

圖2 地埂籬根-土復合體和對照土體的抗剪強度指標

不同處理的內(nèi)摩擦角φ表現(xiàn)為:上、中、下坡拉巴豆和光葉苕子復合體的內(nèi)摩擦角φ均高于CK,較之CK分別高出7.76%—71.17%和5.61%—51.43%。不同坡位,光葉苕子復合體和CK的內(nèi)摩擦角φ表現(xiàn)為上、中坡顯著高于下坡,拉巴豆復合體的內(nèi)摩擦角φ在各坡位間差異不顯著。將內(nèi)摩擦角φ與粘聚力c的表現(xiàn)加以對比,可以看出根系提高土壤粘聚力c的程度更高。

2.3.2抗沖指數(shù)動態(tài)變化

土壤抗沖指數(shù)(ASI,Anti-scouring index)的動態(tài)變化如圖3所示,抗沖指數(shù)的大小關(guān)系呈現(xiàn)為:拉巴豆﹥光葉苕子﹥CK。2種地埂籬復合體和對照土體的ASI均隨沖刷時間(t)增加而呈對數(shù)函數(shù)型增大,并最終達到穩(wěn)定,其擬合對數(shù)函數(shù)方程決定系數(shù)R2=0.661-0.979,說明本研究中的土壤ASI與t的關(guān)系可以用對數(shù)函數(shù)(ASI=alnt+b,a、b為常數(shù),t=0—20 min)較好的擬合。在0—4 min,ASI增長較快,4 min之后,ASI增長趨勢逐漸緩慢并趨于平緩。上坡4 min之后以及中、下坡所有觀測時刻2種地埂籬復合體的ASI值均明顯高于CK,其中,拉巴豆復合體在各坡位的ASI分別為CK的1.26—1.46倍、1.62—2.47倍和2.29—2.81倍；光葉苕子復合體在各坡位的ASI分別為CK的1.03—1.27倍、1.15—2.06倍和1.31—2.45倍。不同坡位,拉巴豆復合體ASI表現(xiàn)為下坡﹥中坡﹥上坡,光葉苕子在數(shù)值上排序為中坡﹥下坡﹥上坡。

圖3 地埂籬根-土復合體和對照土體的抗沖指數(shù)動態(tài)變化

2.4 復合體抗剪和抗沖性能綜合分析

為全面地評價2種地埂籬對根-土復合體抗剪/沖性能的影響,選擇根區(qū)土壤物理性質(zhì)、根系形態(tài)特征、根系纖維含量和根系抗拉特性四類因子進行主成分分析,提取最能反映復合體抗剪/沖性能強弱的指標。各類別因子包括的指標如下,土壤物理性質(zhì):容重、總孔隙度；根系形態(tài)特性:根長密度、根表面積密度、根體積密度；根系纖維含量:木質(zhì)素、纖維素、半纖維素；根系抗拉特性:極限抗拉力、抗拉強度。

2.4.1復合體抗剪性能主成分分析

對復合體抗剪性能進行主成分分析后的方差分析結(jié)果如表3所示,第一主成分(F1)貢獻率達50.307%,第二主成分(F2)貢獻率達20.335%,第三主成分(F3)貢獻率達19.813%,前三個主成分累計方差貢獻率達91.455%,信息損失為8.345%,特征值均大于1,滿足主成分分析最高信息損失量的標準。旋轉(zhuǎn)后的因子荷載矩陣顯示,F1中的高荷載指標包括根表面積密度、木質(zhì)素、極限抗拉力、抗拉強度,其中根表面積密度、極限抗拉力、抗拉強度對F1具有較強的正向負荷。

表3 主成分方差貢獻率和分析旋轉(zhuǎn)后的因子載荷矩陣

將指標值經(jīng)過z-score 法標準化后乘對應指標因子系數(shù)再進行加和得出各主成分得分,根據(jù)各主成分方差貢獻率占累積貢獻率的比重,確定各主成分的權(quán)重,乘以主成分得分并相加可以得出復合體抗剪性能綜合評分,表達式為F=55.01% F1+23.33% F2+21.66% F3,各主成分及綜合評分結(jié)果如表4所示。拉巴豆復合體抗剪性能綜合評分均高于光葉苕子復合體；不同坡位,復合體抗剪性能綜合評分均表現(xiàn)為下坡﹥上坡﹥中坡。

2.4.2復合體抗沖性能主成分分析

同樣地,對復合體抗沖性能進行主成分分析后的方差分析結(jié)果顯示,第一主成分(T1)貢獻率達59.101%,第二主成分(T2)貢獻率達20.704%,第三主成分(T3)貢獻率達14.107%,前三個主成分累計方差貢獻率達93.912%,信息損失為6.088%。在T1中, 根表面積密度、木質(zhì)素、極限抗拉力、抗拉強度荷載較高,除木質(zhì)素外,其余指標均對T1具有較強的正向負荷。T2 中纖維素荷載較高；T3中高荷載指標包括根長密度。

根據(jù)抗沖性能各主成分方差貢獻率占累積貢獻率的比重,計算出復合體抗沖性能綜合評分表達式為:T=62.93% T1+22.05% T2+15.02% T3,具體得分如表4所示。拉巴豆復合體T1得分遠遠高于T2和T3,光葉苕子復合體T2得分最高,且T1、T2得分權(quán)重大于T3,可見,根表面積密度、木質(zhì)素、纖維素、極限抗拉力和抗拉強度對復合體抗沖性能的解釋力度較強。拉巴豆復合體抗沖性能綜合評分高于光葉苕子復合體, 下坡2種地埂籬復合體抗沖性能綜合評分最高。

表4 地埂籬根-土復合體抗剪和沖性能主成分得分及綜合評分

3 討論

本研究中,2種地埂籬根系類型均為直根系,主根明顯且側(cè)根發(fā)達,下坡根系均相較上、中坡發(fā)達,這可能是由于上坡地勢高陡,水土向低地勢移動從而使下坡土壤環(huán)境相較上坡更加良好,這種變化在土儲量少的喀斯特地區(qū)表現(xiàn)更甚[24]。根-土復合體內(nèi)的根長密度和根表面積密度均表現(xiàn)為拉巴豆高于光葉苕子,而本研究中2種植物雖然均在生長旺盛期進行取樣,但其采樣時間和植株大小存在一定差異,因此這種現(xiàn)象可能是由于植物生長時期和植株大小不同造成的,也可能是植物的生長發(fā)育速度或根系形態(tài)上的差異所造成的。拉巴豆根系平均極限抗拉力為3.82 N,平均抗拉強度為7.29 MPa,約為光葉苕子的7.35、4.53倍,協(xié)方差分析表明,直徑相同時拉巴豆根系抗拉力學特性明顯優(yōu)于光葉苕子。植物通過其根系力學效應有效實現(xiàn)增強邊坡土體抗剪強度和提高邊坡穩(wěn)定性的作用[25],可見拉巴豆相較于光葉苕子具有更好的固土護坡效應。本研究中拉巴豆和光葉苕子根系極限抗拉力隨直徑增大而增大,抗拉強度隨直徑增大而減弱,抗拉特性與直徑的擬合方程均為冪函數(shù),這與已有研究結(jié)果一致[26]。但不同坡位擬合方程的常數(shù)存在一定的差異,這可能是由于不同坡位地埂籬根系的根徑所占比例和根系纖維含量不同所致[27]。

2種地埂籬復合體抗剪強度指標均高于對照土樣,尤其是拉巴豆,且根系對內(nèi)摩擦角的增幅效果低于粘聚力?？梢娎投购凸馊~苕子地埂籬根系提高土壤粘聚力的程度更高,這與大量研究結(jié)果類似[28—29]。2種地埂籬均能增強喀斯特坡地表土層的抗沖性能,其中拉巴豆地埂籬的增強效果高于光葉苕子,這與根系的生物力學特性表現(xiàn)一致。本文土壤抗沖指數(shù)動態(tài)變化能以對數(shù)函數(shù)進行較好的擬合,其擬合方程決定系數(shù)最高為0.979,而蒲玉琳[30]等認為土壤抗沖指數(shù)隨沖刷時間增加呈冪函數(shù)型增大,這可能是由于其沖刷時間較短,且土壤結(jié)構(gòu)類型不同導致根系分布特征不一所致。本文結(jié)合土壤物理性質(zhì)、根系形態(tài)、纖維含量及抗拉特性等諸多指標,運用主成分分析對根-土復合體抗剪和抗沖性能進行了綜合評價,結(jié)果顯示根系形態(tài)類和抗拉特性類指標對復合體抗剪和抗沖性能的貢獻度較高。這與已有研究認為根長密度、根表面積密度可作為表征根-土復合體抗剪和抗沖性能的重要參數(shù)的結(jié)論類似[31—32]。此外,根系力學特性受纖維素和木質(zhì)素影響顯著,而本文中拉巴豆根系以較低的木質(zhì)素含量獲得了較高的抗拉強度,根系抗拉特性與自身化學成分間的相互關(guān)系還有待進一步研究。

4 結(jié)論

拉巴豆和光葉苕子地埂籬均能顯著提高喀斯特坡地土壤的粘聚力和抗沖指數(shù)。主成分分析表明,2種地埂籬下坡的根-土復合體抗剪和抗沖性能綜合評分最高,根系形態(tài)類和抗拉特性類指標對復合體抗剪和抗沖性能的貢獻度較高,根表面積密度、根系抗拉強度、根系木質(zhì)素含量可以較好的反映復合體抗剪和抗沖性能的強弱。

與對照土體相比,拉巴豆和光葉苕子復合體粘聚力增強了113.06%—124.37%和51.56%—87.12%,抗沖指數(shù)最高達到對照土體的2.81倍和2.45倍。此外,拉巴豆根系力學特性優(yōu)于光葉苕子,其根系極限抗拉力和抗拉強度均值為3.82 N和7.29 MPa,分別為光葉苕子的7.35、4.53倍。根長密度和根表面積密度均表現(xiàn)為拉巴豆高于光葉苕子,拉巴豆根系木質(zhì)素含量低于光葉苕子,半纖維素含量表現(xiàn)相反。

拉巴豆復合體粘聚力和抗沖指數(shù)均表現(xiàn)為下坡﹥中坡﹥上坡,光葉苕子復合體則無明顯規(guī)律；拉巴豆根系抗拉特性在下坡表現(xiàn)更優(yōu),光葉苕子在上坡表現(xiàn)較好；此外,下坡土壤環(huán)境較好,使得2種地埂籬的根系更為發(fā)達,二者的根長密度皆明顯高于上、中坡。在喀斯特地區(qū)實施地埂籬措施時,盡量在地勢低緩的下坡種植,更能發(fā)揮其水土保持效應。