5種護坡植物根系土壤抗侵蝕性比較1)

宋 坤 陳玉霞 潘曉星 穆立薔

(東北林業(yè)大學(xué)，哈爾濱，150040) (哈爾濱市園林科學(xué)研究所) (東北林業(yè)大學(xué))

齊泰公路路基邊坡表層土壤多為粉砂土，公路沿線降水集中，因此，極易造成滑坡及路基水土流失。研究表明［1－5］，植被對固定易發(fā)生淺層滑坡的邊坡表面具有巨大作用，植物根系建立的地下網(wǎng)絡(luò)能夠影響觸發(fā)滑坡的水壓從而保護邊坡。在植被護坡過程中，根系對穩(wěn)固坡體、防止滑坡和崩塌起重要作用，同時對提高坡面表土抗侵蝕性也起著舉足輕重的作用［6］。試驗中選取的植物均為優(yōu)良的抗旱固沙灌木［7－11］，經(jīng)過了一定的推廣和應(yīng)用。因此，開展粉砂土條件下路基邊坡護坡植物土壤抗侵蝕研究具有重要的現(xiàn)實意義。研究揭示了根系特征與土壤抗侵蝕能力之間的關(guān)系，為特定地區(qū)水土保持工作中的物種選擇和配置提供一定理論依據(jù)。

1 試驗地概況

試驗地設(shè)在黑龍江省齊泰公路路基邊坡，年平均氣溫3.9℃，平均降水量低于400 mm，為省內(nèi)最低，屬嚴重春旱區(qū)，地表層土壤多以粉砂土為主。

2 材料與方法

根系的分類與生物量測定:將抗沖性及抗蝕性試驗后的灌木根系在0.5 mm細篩網(wǎng)中反復(fù)沖洗，獲取干凈的植株根。根據(jù)前人研究及實際情況確定根系直徑為 φ≤1 mm、1 mm＜φ≤3 mm、φ＞3 mm 3個級別［12］。在80℃恒溫烘干至恒質(zhì)量，測其生物量。

土壤抗沖性測定:采用改進的原狀土沖刷水槽測試法，抗沖刷水槽的坡度設(shè)為 15°、30°、45°，出水量分為大(2 L·min－1)、小(0.5 L·min－1)2 種，沖刷歷時10 min［13］。自制20 cm×18 cm×10 cm 的取土器，取樣時剪掉植株地上部分，從土表開始，用取土器分上下兩層(每層約10 cm)分別取含有根系的原狀土，做3次重復(fù)。沖刷前先將取土器及原狀土放入水盆中(水面不能沒過土壤表面)，使土壤吸水至飽和，取出后先靜置去除重力水，直至無明顯滴水現(xiàn)象，稱量后放入沖刷槽內(nèi)開始沖刷，沖刷結(jié)束后先靜置去除重力水然后再次稱量，兩次稱量結(jié)果差值記為沖走土壤的質(zhì)量［14］。采用在出水流速一定的情況下，沖走1 g土壤所需的水量Q來表示土壤抗沖性。土壤抗沖性計算公式為:C=Q/ΔW。式中:C為土壤抗沖指數(shù)(L·g－1);Q為沖刷水量(L);ΔW為沖走土壤質(zhì)量(g)。

土壤抗蝕性測定:采用靜水崩解法測定土壤抗蝕性［15］。每種灌木取上、下兩層土(每層約10 cm)，做3次重復(fù)。土壤陰干后過5 mm口徑篩。取直徑大于5 mm的土粒，用5 mm孔徑篩選取直徑5～7 mm的土壤團粒體150粒，進行水浸試驗，每次30粒，做5次重復(fù)，取平均值。每隔1 min記錄崩塌的土粒數(shù)，連續(xù)記錄10 min，然后計算抗蝕指數(shù)?？刮g指數(shù)=((總土粒數(shù)–崩塌土粒)/土?？倲?shù))×100%。

土壤有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)的測定:土壤取自植物根部，每種植物選擇3株，混合土樣，帶回實驗室將其風(fēng)干并磨細，過2 mm篩網(wǎng)。采用外加熱—重鉻酸鉀容量法測定。

相關(guān)分析用SPSS19.0運算，其他部分圖表計算用Microsoft Excel實現(xiàn)。

3 結(jié)果與分析

3.1 土壤抗沖性與根系分布特征的關(guān)系

在土壤抗沖性試驗中，5種灌木根系生物量集中分布在0～20 cm深的土層內(nèi)。5種灌木根系生物量隨土層深度增加而減小(表1)。在土壤的上層(0≤H(土壤深)＜10 cm)，根系生物量從大到小依次是檉柳、紫穗槐、楊柴、沙棘、小葉錦雞兒;在土壤下層(10 cm≤H＜20 cm)，根系生物量從大到小依次是檉柳、紫穗槐、小葉錦雞兒、楊柴、沙棘。

表1 土壤抗沖性試驗5種灌木根系生物量

5種灌木3個徑級的根系生物量隨土層深度增加呈減小趨勢，小葉錦雞兒φ≤1 mm和1 mm＜φ≤3 mm的根系生物量除外(表2)。

同時，我們可以對減排量進行換算，得到相應(yīng)的減排率，經(jīng)過邊際減排成本曲線的積分，可得到在減排率下碳關(guān)稅政策的減排成本曲線，如圖7所示。由圖7可知，減排成本隨著減排率的增加而增大。究其原因，主要是因為碳關(guān)稅的征收直接影響進出口貿(mào)易結(jié)構(gòu)，使得進出口貿(mào)易量都不同程度地下降，從而影響國內(nèi)企業(yè)的生產(chǎn)結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)成本，進而使碳成本增大，減排成本也相應(yīng)增大。例如，當(dāng)減排率分別為1.25%、1.45%和1.65%時，2018年減排成本分別為2 310.9億元、3098.7億元和3928.2億元。

表2 土壤抗沖性試驗5種灌木不同徑級根系生物量

灌木根系對土壤抗沖性有較強的增強作用(表3)。5種灌木根系對土壤抗沖性的增強作用隨土層深度增加呈下降趨勢，小葉錦雞兒除外，但小葉錦雞兒上層與下層土壤抗沖指數(shù)差別很小。

表3 5種灌木土壤抗沖指數(shù)

在土壤上層，不同灌木土壤抗沖性由大到小的順序為:紫穗槐、檉柳、沙棘、楊柴、小葉錦雞兒;在土壤下層，不同灌木土壤抗沖性由大到小的順序為:紫穗槐、檉柳、沙棘、小葉錦雞兒、楊柴。

總體來說，5種灌木根系對土壤抗沖性的增強效應(yīng)隨土層增加而減小。紫穗槐、檉柳根系對土壤抗沖性增強效應(yīng)比較強，沙棘次之，楊柴和小葉錦雞兒較弱，5種灌木對土壤抗沖性增強效應(yīng)的大小依次為紫穗槐、檉柳、沙棘、楊柴、小葉錦雞兒。此外，隨坡度增大，5種灌木根系對土壤抗沖性的增強效應(yīng)逐漸減弱，而在不同雨量下則沒有呈現(xiàn)出一定的規(guī)律。

由相關(guān)分析得知，抗沖指數(shù)和根系生物量呈顯著的正相關(guān)關(guān)系(r=0.732*，n=10)(圖1)，抗沖指數(shù)和φ≤1 mm根系生物量呈顯著的正相關(guān)關(guān)系(r=0.862＊＊，n=10)(圖2)，抗沖指數(shù)和 1 mm＜φ≤3 mm根系生物量也呈顯著的正相關(guān)關(guān)系(r=0.829＊＊，n=10)(圖3)。

圖1 抗沖指數(shù)與根系生物量的相關(guān)性

圖2 抗沖指數(shù)與φ≤1 mm根系生物量的相關(guān)性

圖3 抗沖指數(shù)與1 mm＜φ≤3 mm根系生物量的相關(guān)性

3.2 土壤抗蝕性與根系分布特征的關(guān)系

在土壤抗蝕性試驗中，5種灌木根系生物量集中分布在0～20 cm深的土層內(nèi)。5種灌木根系生物量表現(xiàn)出隨土層深度增加而減小的趨勢，而且上層根系生物量遠遠大于下層(表4)。

表4 5種灌木土壤抗蝕性根系生物量

在土壤上、下層，檉柳的根系生物量都是最大的，紫穗槐次之，其他灌木根系生物量大小順序隨土層不同，有所不同。

5種灌木3個徑級的根系生物量隨土層深度增加呈減小趨勢，沙棘φ≤1 mm和紫穗槐1 mm＜φ≤3 mm根系生物量除外，但是上、下層差別不大(表5)。

表5 土壤抗蝕性試驗5種灌木不同徑級根系生物量

抗蝕指數(shù)是土壤抗蝕性能的內(nèi)在指標(biāo)，采用靜水崩解法獲得，能夠檢驗水土保持物種的土壤抗蝕性能的強弱。通過統(tǒng)計軟件SPSS曲線擬合不同灌木根系土?？刮g指數(shù)(S)隨浸水時間(t)的變化過程，發(fā)現(xiàn)3次函數(shù)曲線的擬合度最高(R2≥0.983)，因而建立了5種灌木根系土粒抗蝕指數(shù)與浸水時間的3次多項式函數(shù)關(guān)系，其公式為S=b0+b1t+b2t2+b3t3(表6)。

表6 5種灌木根系土壤抗蝕指數(shù)與浸水時間擬合方程參數(shù)

5種灌木3次多項式函數(shù)中b0值代表不同灌木抗蝕指數(shù)的起點值，代表土粒浸水瞬間抗蝕指數(shù)大小，灌木根系對土壤抗蝕性有較強的增強作用。沙棘b0值下層大于上層，但是差別不是很大，其余灌木b0值上層大于下層。其中，紫穗槐上層與下層的b0值均為最大，檉柳次之，楊柴最小。

隨著浸水時間的延長，5種灌木抗蝕指數(shù)均呈下降趨勢(圖4)。上層表現(xiàn)為:紫穗槐抗蝕指數(shù)最大，前5 min呈下降趨勢，5 min后基本不變;其次為檉柳;小葉錦雞兒前4 min下降趨勢較大，4 min以后呈基本一致的趨勢;檉柳、楊柴、沙棘的抗蝕指數(shù)一直呈下降趨勢，其中楊柴抗蝕指數(shù)最小。下層表現(xiàn)為:紫穗槐抗蝕指數(shù)最大，前5 min內(nèi)下降趨勢較大，5 min以后呈基本一致的趨勢;其次為檉柳;小葉錦雞兒前4 min下降趨勢較大，4 min以后呈基本一致的趨勢;檉柳、沙棘、楊柴一直呈下降趨勢，其中楊柴的抗蝕指數(shù)最小。

圖4 5種灌木根系土壤抗蝕指數(shù)隨浸水時間的變化

綜上所述，在降水強度大、持續(xù)時間長的地區(qū)，紫穗槐是首選綠化灌木，其次為小葉錦雞兒。不同灌木對土壤抗蝕性的影響不同，其抗蝕指數(shù)為0.30% ～0.75%。同時不同灌木土壤抗蝕指數(shù)在垂直層面上的變化呈較明顯的規(guī)律性，隨著土層深度的增加，抗蝕指數(shù)呈下降趨勢，沙棘除外。

在土壤上層抗蝕指數(shù)由大到小的順序為紫穗槐、檉柳、小葉錦雞兒、沙棘、楊柴;在土壤下層抗蝕指數(shù)由大到小的順序為紫穗槐、檉柳、沙棘、小葉錦雞兒、楊柴。結(jié)合分層抗蝕指數(shù)及其變化區(qū)間得出5種灌木對土壤抗蝕性增強效應(yīng)大小依次為紫穗槐、檉柳、小葉錦雞兒、沙棘、楊柴。

由相關(guān)性分析得知抗蝕指數(shù)和φ≤1 mm根系生物量呈顯著的正相關(guān)關(guān)系(r=0.896＊＊，n=10)(圖5)。

3.3 土壤抗沖性、土壤抗蝕性與土壤有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)的關(guān)系

含有灌木根系的土壤有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)明顯大于對照組(表7)，說明根系對改善土壤有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)具有一定作用，而土壤有機質(zhì)被認為是形成穩(wěn)定土壤結(jié)構(gòu)的重要條件，能夠促進土壤中團粒結(jié)構(gòu)的形成。

表7 5種灌木土壤有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)

圖5 抗蝕指數(shù)與φ≤1 mm根系生物量的相關(guān)性

由相關(guān)性分析得知，抗沖指數(shù)和土壤有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)呈顯著的正相關(guān)關(guān)系(r=0.672*，n=10)(圖6);抗蝕指數(shù)和土壤有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)呈極顯著的正相關(guān)關(guān)系(r=0.862＊＊，n=10)(圖 7)。

4 結(jié)論與討論

根系生物量是反映根系生長狀況及固持土體能力的一個重要指標(biāo)。研究土壤抗侵蝕能力時，經(jīng)常從土壤抗沖性和抗蝕性兩方面進行研究［16］。土壤抗沖性是指土壤抵抗徑流對其機械破壞和推動下移的性能［17］。土壤抗蝕性是指土壤對侵蝕營力分解和拌勻作用的抵抗能力［18］。土壤抗蝕性是土壤侵蝕研究的重要內(nèi)容之一［19］。含有機質(zhì)豐富的土壤能夠形成良好結(jié)構(gòu)，對提高土壤抗蝕性具有重要作用［20］。通過對5種護坡灌木根系分布特征、土壤抗沖性、土壤抗蝕性及土壤有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)的研究，分析土壤抗沖性、土壤抗蝕性與根系分布特征、土壤有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)的關(guān)系，據(jù)此總結(jié)分析高速公路護坡植物物種選擇及選擇標(biāo)準(zhǔn)，為制定有關(guān)決策提供科學(xué)依據(jù)。在研究過程中仍存在一些值得進一步探討的問題。由相關(guān)性分析得知，抗蝕指數(shù)較抗沖指數(shù)與土壤有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)有更高的相關(guān)性，這可能是因為土壤抗沖性是土壤對流水沖刷的抵抗能力，主要取決于根系的機械纏繞能力，而土壤抗蝕性為土壤對靜水分散、崩解的抵抗能力，更多地與土壤中有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)等因素有關(guān)。研究中只涉及根系、土壤與土壤抗侵蝕性的關(guān)系，沒有考慮植物地上部分對土壤抗侵蝕作用的貢獻。在自然情況下，植物地上部分的存在可以減弱雨滴擊濺侵蝕，減少地表徑流。因而得出的植物抗侵蝕能力的結(jié)果會比實際植物的抗侵蝕能力要低，這一部分仍需深入研究。在公路邊坡實際護坡過程中，不僅有灌木，還有草本及草本與灌木配置的護坡方式，所以灌草結(jié)合對增強土壤抗侵蝕作用的效果如何是今后研究的一個方向。

圖6 抗沖指數(shù)與土壤有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)的相關(guān)性

圖7 抗蝕指數(shù)與土壤有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)的相關(guān)性

5種灌木根系生物量集中分布在0～20 cm深的土層內(nèi)，隨土層深度增加而減少。檉柳、紫穗槐的根系生物量比較大。

5種灌木根系對土壤抗沖性有較強的增強作用。同一灌木根系對土壤抗沖性的增強效應(yīng)隨土層增加而減小，隨坡度增大而減小。紫穗槐、檉柳對土壤抗沖性的增強效應(yīng)比較強;小葉錦雞兒對土壤抗沖性的增強效應(yīng)最弱。5種灌木對土壤抗沖性增強效應(yīng)的大小依次為紫穗槐、檉柳、沙棘、楊柴、小葉錦雞兒?？箾_指數(shù)和根系生物量呈顯著的正相關(guān)關(guān)系(r=0.648*，n=10);抗沖指數(shù)和 φ≤1 mm 根系生物量呈顯著的正相關(guān)關(guān)系(r=0.862＊＊，n=10);抗沖指數(shù)和1 mm＜φ≤3 mm根系生物量呈顯著的正相關(guān)關(guān)系(r=0.829＊＊，n=10);抗沖指數(shù)和土壤有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)也呈顯著的正相關(guān)關(guān)系(r=0.913＊＊，n=10)。

5種灌木根系對土壤抗蝕性有較強的增強作用，不同灌木對土壤抗蝕性的影響不同，其抗蝕指數(shù)為0.30% ～0.75%。5種灌木土壤抗蝕指數(shù)在垂直層面上的變化呈較明顯的規(guī)律性，隨著土層深度的增加，抗蝕指數(shù)呈下降趨勢，沙棘除外。5種灌木對土壤抗蝕性增強效應(yīng)的大小依次為紫穗槐、檉柳、小葉錦雞兒、沙棘、楊柴?？刮g指數(shù)和φ≤1 mm根系生物量呈顯著的正相關(guān)關(guān)系(r=0.896＊＊，n=10);抗蝕指數(shù)和土壤有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)也呈顯著的正相關(guān)關(guān)系(r=0.862＊＊，n=10)。

綜合上述分析表明，5種灌木中紫穗槐、檉柳根系增強土壤抗侵蝕作用的能力最強，建議作為主要水土保持物種應(yīng)用。

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