廖裕儉

(惠州恒江工程咨詢(xún)有限公司，廣東 惠州 516000)

農(nóng)業(yè)土壤侵蝕是一個(gè)全球性的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題，我國(guó)是土壤侵蝕最為嚴(yán)重的國(guó)家之一，土壤侵蝕面積占國(guó)土面積的38.2%[1]。水力作用是造成土壤侵蝕的主要因素之一，降雨是土壤侵蝕發(fā)生的動(dòng)力，除直接打擊土壤，形成擊濺侵蝕，還形成地表徑流，沖刷土體，以一種綜合的效應(yīng)來(lái)影響侵蝕[2]。因此，導(dǎo)致土壤通過(guò)水侵蝕的機(jī)制取決于水的分離力，而不是土壤顆粒之間的黏結(jié)力。

植物會(huì)影響土壤和水之間的相互作用，從而減少土壤侵蝕。目前，大多數(shù)研究集中于植物地上物質(zhì)(如葉和莖)的影響上，但根系對(duì)防止土壤侵蝕的相對(duì)貢獻(xiàn)可能超過(guò)地上物質(zhì)的貢獻(xiàn)[3-4]。植物在減少由地表徑流引起土壤侵蝕的能力中，有95%可歸因于其根系作用。要確定根系對(duì)改善土壤侵蝕貢獻(xiàn)的數(shù)量變化，需要了解根系調(diào)節(jié)侵蝕力的機(jī)制。以往的研究發(fā)現(xiàn)，多種根系參數(shù)與降低土壤侵蝕量顯著相關(guān)[5-6]，包括根表面積、根長(zhǎng)密度、根系密度和直徑、細(xì)根百分比以及上述因素的組合。因此，并非所有的根系都對(duì)減緩侵蝕具有同等的影響。根毛被認(rèn)為是進(jìn)入根系的主要水分吸收途徑[7]，在根-土界面加固土壤并為根系提供錨固[8]，從理論上講，根毛的存在應(yīng)該會(huì)對(duì)減緩侵蝕產(chǎn)生影響，但其對(duì)整個(gè)根系系統(tǒng)減輕土壤侵蝕能力的影響目前尚不清楚。

本文在模擬降雨條件下，基于介觀尺度培養(yǎng)了一個(gè)大麥無(wú)根毛突變體(Brb)，并與其各自的野生型(WT)基因型(有根毛)進(jìn)行了比較，目的是研究根毛的存在是否能改善土壤侵蝕。本文假設(shè)與缺乏根毛的根系相比，有根毛的根系能提供更大的土壤加固，并導(dǎo)致更少的土壤脫落。

1 材料與方法

1.1 介觀尺度

介觀尺度生態(tài)系統(tǒng)由21 L塑料容器構(gòu)成，內(nèi)部尺寸為55.5 cm×3.6 cm×11.5 cm。在底部以5 cm的網(wǎng)格布置排水孔。排水溝由一根40 mm的管道制成，將整個(gè)試驗(yàn)裝置固定在一塊18 mm厚的膠合板上，如圖1所示，膠合板和手柄的存在可以在移動(dòng)系統(tǒng)裝置時(shí)盡量減少對(duì)土壤結(jié)構(gòu)的任何干擾。

圖1 降雨模擬器下的介觀尺度生態(tài)系統(tǒng)示意圖

中間層底部襯有一層20 mm厚的礫石層，以助排水，用砂壤土質(zhì)地的表層土填充(12%黏土，28%粉土，60%沙子)。土壤以3 cm的增量添加，并填充到1.4 g/cm3的容重，對(duì)每一層的表面進(jìn)行沖刷以達(dá)到均勻。試驗(yàn)設(shè)計(jì)為3個(gè)處理(Brb、WT和未種植(對(duì)照組))，一個(gè)區(qū)塊中設(shè)置一種處理，每個(gè)處理重復(fù)4個(gè)區(qū)塊，每個(gè)區(qū)塊同時(shí)準(zhǔn)備、澆水和暴露在模擬降雨中。試驗(yàn)系統(tǒng)保存在一個(gè)步入式控制的環(huán)境室中，白天設(shè)置為24 ℃，晚上設(shè)置為19 ℃，光周期為12 h。

1.2 降雨模擬器

試驗(yàn)使用重力降雨模擬器，距離試驗(yàn)系統(tǒng)表面約3 m處。模擬器由958根皮下注射針(25G×25 mm)組成，在47.25 cm×72.00 cm的網(wǎng)格中，以27行35根和36根針交錯(cuò)排列，產(chǎn)生約23 mm/h的降雨速率。模擬器使用自來(lái)水運(yùn)行，在針頭上方的腔室中有一個(gè)堰和出口管道，以確保通過(guò)針筒的水壓一致。

將試驗(yàn)系統(tǒng)放置在約5 cm深水中過(guò)夜，從底部進(jìn)行預(yù)濕潤(rùn)，以達(dá)到一致的土壤含水量。每次試驗(yàn)前使用土壤濕度探頭測(cè)量土壤濕度，WT、Brb、未種植的土壤濕度分別為33.8%±1.0%、33.1%±0.9%、32.5%±1.2%，p=0.208；但土壤水分含量存在顯著的塊效應(yīng)(p<0.01)。在試驗(yàn)前1～2 h打開(kāi)降雨模擬器，以留出時(shí)間填充針儲(chǔ)液室。將每個(gè)試驗(yàn)系統(tǒng)放置在降雨模擬器下6%坡度上1 h。在燒杯中不斷收集沉積物和徑流：每隔5 min，使用60 mL注射器中測(cè)量的水量將水槽中的沉積物清洗到燒杯中，并稱(chēng)重，再將其洗滌到金屬托盤(pán)中，在105 ℃的烘箱中干燥。

1.3 統(tǒng)計(jì)分析

每個(gè)間隔的侵蝕量等于每5min收集在容器中的干土壤重量，并以土壤率(SDR)表示。與未種植處理相比，根系的存在減少了侵蝕土壤的數(shù)量(相對(duì)土壤率(RSDR))，以與未種植處理相比減少的百分比計(jì)算，如式(1)：

(1)

式中：RSDR為相對(duì)土壤剝離率，%；Ec為未種植對(duì)照組的試驗(yàn)系統(tǒng)侵蝕總和，kg；Er為有根的試驗(yàn)系統(tǒng)侵蝕總和，kg。

徑流量由燒杯初始沉積物的重量減去土壤和燒杯的重量計(jì)算得出。使用改良的切紙機(jī)從頂部1.5 cm處采集根系。將根系從土壤中沖洗出來(lái)，儲(chǔ)存在50%乙醇和去離子水溶液中，并保持在大約4 ℃，直到測(cè)量。然后使用掃描儀以600DPI掃描根，并使用WinRHIZO根系分析系統(tǒng)進(jìn)行分析。根長(zhǎng)密度(RLD)計(jì)算方法如式(2)：

(2)

式中：RLD為根長(zhǎng)密度，cm/cm3；RL為活根的總長(zhǎng)度，cm；Vs為采樣土壤的體積，cm3。

根表面積密度(RSAD)計(jì)算方法如式(3)：

(3)

式中：RSAD為根表面積密度，cm2/cm3；RSA為根直徑，cm；為根表面積，cm2。

假設(shè)根為圓柱形?；诟蚝椭睆介撝档牟蓸宇?lèi)別計(jì)算細(xì)根的百分比。采用Pearson相關(guān)分析和方差分析對(duì)根系數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)價(jià)，采用雙向方差分析評(píng)估侵蝕量和產(chǎn)生的徑流量以及試驗(yàn)系統(tǒng)的土壤含水量。通過(guò)協(xié)方差分析評(píng)估了Brb和WT處理的RLD和RSDR之間的線性關(guān)系。完整的方差分析見(jiàn)表1。

表1 測(cè)量根參數(shù)的匯總統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)

2 結(jié)果分析

2.1 根系與土壤侵蝕

根系對(duì)土壤剝離率(SDR)的影響最初有所延遲(圖2)。由于未種植處理的土壤剝離率(SDR)試驗(yàn)系統(tǒng)平均值需要25 min的降雨才能超過(guò)兩個(gè)有根處理土壤剝離率(SDR)的平均值，因此將25 min 作為根系影響的閾值。在根系開(kāi)始產(chǎn)生影響之前的25 min，未種植、Brb、WT土壤平均總侵蝕量分別為29.3 g±4.6 g、29.9 g±13.1 g、24.1 g±5.7 g。假設(shè)侵蝕在整個(gè)試驗(yàn)系統(tǒng)中均勻發(fā)生，這將相當(dāng)于所有處理的平均侵蝕深度為0.10 mm±0.01 mm。由于前25 min內(nèi)缺乏明顯的根系影響，這些數(shù)據(jù)在進(jìn)一步分析侵蝕率時(shí)不使用。

圖2 每5 min間隔的侵蝕

在隨后的35 min內(nèi)，具有顯著的阻滯效應(yīng)(p<0.01)。與未種植的試驗(yàn)系統(tǒng)產(chǎn)生的平均總侵蝕57.1 g±10.4 g相比，有根的試驗(yàn)系統(tǒng)產(chǎn)生的平均總侵蝕最小(WT為32.6 g±14.4 g，Brb為34.5 g±11.8 g)，這些結(jié)果相當(dāng)于WT的SDR降低為44.0%±16.8%，Brb降低為40.7%±10.8%。盡管兩個(gè)有根處理對(duì)土壤侵蝕的影響始終低于未種植的試驗(yàn)系統(tǒng)，但只有WT試驗(yàn)系統(tǒng)的侵蝕顯著減少(WT和Brb分別為p<0.05和p=0.067)。

2.2 根系與徑流

與侵蝕速率不同，徑流速率不太容易受到時(shí)間波動(dòng)的影響。在實(shí)驗(yàn)開(kāi)始后10 min出現(xiàn)短暫峰值后，徑流速率在剩余時(shí)間內(nèi)保持相對(duì)穩(wěn)定(圖3)。然而，總徑流和侵蝕(在整個(gè)降雨小時(shí)內(nèi))呈顯著正相關(guān)(R=0.82，p<0.05)。與侵蝕速率一樣，有根和未種植的試驗(yàn)系統(tǒng)之間的可觀察差異存在延遲。在降雨的前20 min，與具有侵蝕速率的前25 min相比，未種植試驗(yàn)系統(tǒng)的平均值始終超過(guò)2個(gè)有根處理的平均值。未種植和Brb處理的徑流隨時(shí)間而增加，但WT的徑流隨時(shí)間而減少。在試驗(yàn)的最后40 min，WT(2.29 L±0.48 L)和Brb(2.30 L±0.39 L)的徑流比未種植(2.66 L±0.27 L)的徑流少11.8%±7.5%，14.6%±5.5%。但與侵蝕不同的是，盡管存在顯著的塊效應(yīng)(p<0.01)，但各區(qū)塊之間的處理效果不顯著(p=0.24)。

圖3 每5 min間隔的徑流

2.3 根參數(shù)與土壤侵蝕

部分根系性狀存在基因型差異(表1)。WT型根系的平均直徑顯著大于Brb型根系(18.6%，p<0.05)。這種平均直徑的差異很可能是由細(xì)根百分比的顯著差異造成的(p<0.01)；WT細(xì)根占根系的比例比Brb低11.3%。其他根系性狀差異不顯著。例如，對(duì)于每個(gè)區(qū)塊，WT產(chǎn)生的根長(zhǎng)密度(RLD)小于其各自的Brb，導(dǎo)致在介觀尺度生態(tài)系統(tǒng)頂部1.5 cm處的平均RLD是WT的2.2倍。表2顯示了所有測(cè)量的根參數(shù)都是自相關(guān)的。本文所有測(cè)得的根參數(shù)(除細(xì)根百分比外)均與Brb的相對(duì)土壤剝離率(RSDR)呈正相關(guān)如表3所示，但在WT中，只有RLD與RSDR顯著相關(guān)。

表2 所有測(cè)量根參數(shù)的Pearson相關(guān)系數(shù)

表3 測(cè)量的根參數(shù)與處理之間的Pearson相關(guān)系數(shù)

與未種植處理相比，隨著RLD的增加，兩種基因型的土壤剝離量都減少了(圖4)。與未種植處理相比，RLD每增加一個(gè)單位就相當(dāng)于意味著土壤侵蝕量額外減少14%。隨著RLD的增加，WT根系在減少土壤侵蝕方面(與未種植土壤相比)比Brb根系更有效，但RLD與基因型之間的相互作用并不顯著(p=0.06)。

圖4 Brb和WT的根長(zhǎng)密度(RLD)與相對(duì)土壤剝離率(RSDR)的線性關(guān)系

3 討 論

在根對(duì)侵蝕產(chǎn)生影響之前25 min的初始延遲(圖2)可能是由于存在易侵蝕的表層土壤。在隨后的降雨期間，Brb和WT根系同樣減少了侵蝕，但與未播種處理相比，只有WT根系顯著減少了土壤脫落。

與未種植處理的生態(tài)系統(tǒng)相比，根系的存在持續(xù)減少了兩個(gè)有根處理的土壤損失(圖2)。然而，根毛對(duì)侵蝕的影響不能與其他根性狀的差異(如根長(zhǎng)密度、直徑和細(xì)根百分比)分開(kāi)評(píng)估。增加根長(zhǎng)密度(RLD)是根系減輕侵蝕的最常見(jiàn)的特征之一。雖然RLD與相對(duì)土壤剝離率(RSDR)存在相關(guān)性，但RLD的基因型差異并不顯著(圖4)。與RLD一樣，根直徑與侵蝕速率呈正相關(guān)，細(xì)根百分比與侵蝕速率呈負(fù)相關(guān)；因此，根系平均直徑和細(xì)根百分比的差異也會(huì)影響根系減少侵蝕的能力。因此，與WT野生型根系相比，根系直徑明顯較小(0.8倍)、細(xì)根比例明顯較高(1.1倍)的Brb根系在減少侵蝕方面更有效。

4 結(jié) 論

為了研究根毛的存在是否能改善土壤侵蝕，本文基于介觀尺度設(shè)置了3種處理(Brb型、WT型和未種植)，結(jié)果表明：

(1)有根毛和無(wú)根毛的根系均可以減少土壤侵蝕，增加根長(zhǎng)密度明顯增強(qiáng)了這一效果。

(2)Brb根系具有顯著的根直徑和較高的細(xì)根百分比，這些特征與減少侵蝕有關(guān)，表明Brb根系(無(wú)根毛)比WT(有根毛)根系更能減少侵蝕，因此根毛的影響不顯著。 但測(cè)得WT的土壤侵蝕量與Brb相似，這表明WT根毛的存在在一定程度上彌補(bǔ)了其根系減輕土壤侵蝕能力的下降，增加了土壤對(duì)侵蝕的抵抗力。