植物根系對三峽庫區(qū)消落帶紫色土崩解性能的影響

肖 海，夏振堯?，彭逗逗，張 倫，李銘怡，許文年1,，劉普靈

(1.三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部工程研究中心， 443002，湖北宜昌； 2.三峽庫區(qū)地質(zhì)災(zāi)害教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 443002，湖北宜昌； 3.三峽大學(xué)生物與制藥學(xué)院， 443002，湖北宜昌； 4.西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所 黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 712100，陜西楊凌)

崩解是指土壤在靜水中發(fā)生分散、碎裂、塌落或強(qiáng)度減弱的現(xiàn)象，也可用來反映土壤可蝕性[1]。相關(guān)研究表明，土壤黏粒含量、土壤被擾動(dòng)情況、有機(jī)質(zhì)含量、礦物成分、土壤脹縮性、pH值、土壤濕化速度和前期含水率、土壤密度等因素均對土壤崩解有較大的影響[2-4]。此外，植物通過根系與土壤形成根土復(fù)合體[5-6]，并分泌形成大量的膠結(jié)物質(zhì)，可將原本松散的土壤顆粒膠結(jié)形成土壤團(tuán)聚體，進(jìn)而改變土壤結(jié)構(gòu)[7]，也可顯著影響土壤抗崩解特性[8-9]。

三峽水庫冬季蓄水發(fā)電水位為175 m，夏季防洪水位降至145 m，其間30 m水位落差暴露出的土地就是消落帶。三峽庫區(qū)消落帶是三峽水庫生態(tài)系統(tǒng)健康、庫岸穩(wěn)定和水庫安全運(yùn)行的重要屏障帶。在夏季出露時(shí)集中分布的降雨徑流沖刷作用和常年的波浪作用下，消落帶土壤侵蝕非常劇烈[10]。Bao等[11]研究發(fā)現(xiàn)長江干流消落帶區(qū)域土壤侵蝕模數(shù)達(dá)到3萬2 383～6萬9 593 t/(km2·a)，平均侵蝕模數(shù)為5萬4 050 t/(km2·a)，其中波浪侵蝕占總侵蝕的70%以上[12]。波浪破碎時(shí)射流的擊濺、坡面回流沖刷等動(dòng)力因子，造成消落帶坡面的泥沙顆粒的分散、輸移和沉積[13]。波浪對消落帶不斷侵蝕最終會在坡面形成一個(gè)含有臨空面+斜坡的特殊地段。而在水位上漲時(shí)，這一特殊地段勢必會受到庫水浸泡產(chǎn)生崩解。夏振堯等[4]研究了干密度、初始含水率和坡度對此特殊地段崩解的影響，而根系對此特殊地段崩解性能的影響并不清楚。

因此，筆者以三峽庫區(qū)消落帶常見的紫色土為研究對象，利用自制可調(diào)坡度的崩解裝置，研究植物根系對三峽庫區(qū)消落帶紫色土崩解性能的影響，以期深入理解消落帶土壤崩解過程，為三峽庫區(qū)消落帶植被恢復(fù)、水土治理及生態(tài)環(huán)境治理提供理論依據(jù)及決策支持。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

紫色土是三峽庫區(qū)的主要耕作土壤，也是消落帶的主要土類，狗牙根(Cynodondactylon)是禾本科多年生草本，是三峽庫區(qū)消落帶經(jīng)過多年的水位漲落的變化后自然恢復(fù)最為優(yōu)勢的草種[14]；因此，本研究選擇紫色土和狗牙根作為研究對象。所用土壤采自宜昌市秭歸縣茅坪鎮(zhèn)，風(fēng)干后過5 mm篩，剔除土壤中小石子及根系等雜質(zhì)。經(jīng)測定，所用土壤有機(jī)質(zhì)為6.46 g/kg，pH值為6.5，含有黏粒(<0.002 mm)12.32%，粉粒(≥0.002～0.050 mm)43.32% 和砂粒(>0.050～2.000 mm)44.36%。

為研究植物對崩解性能的影響，本研究將過篩后的紫色土按照野外密度裝填于種植槽(長×寬×高為0.6 m×0.5 m×0.1 m)中，并在每個(gè)種植槽中均勻撒播4.5 g狗牙根種子，經(jīng)過1年的生長后在表層取5 cm長×5 cm寬×5 cm高的試樣作為根系土樣(root sample, RS)用于崩解試驗(yàn)。此外，另留有1個(gè)種植槽不播撒狗牙根種子，其他處理方式與其他種植槽一致，作為裸土對照(CK)。三峽消落帶按坡度可分為臺(階)岸(<15°)、灘坡岸(≥15°～25°)、陡坡岸(>25°～75°)和 崖岸(>75°)[15]，本研究設(shè)置了10°、20°和30° 共3 種坡度分別模擬臺(階)岸、灘坡岸和陡坡岸，研究坡度對崩解的影響。每種試驗(yàn)條件下重復(fù)3次，累計(jì)共18次試驗(yàn)。

本研究分別采用濕篩法、沉降法和重鉻酸鉀氧化外加熱法分別測定土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性、土壤顆粒機(jī)械組成和有機(jī)質(zhì)含量[16]。

1.2 試驗(yàn)裝置

本研究使用自制崩解裝置以進(jìn)行靜水崩解試驗(yàn)。自制崩解裝置主要由支撐構(gòu)件、拉力計(jì)、坡度架以及水箱等組件構(gòu)成(圖1)。通過調(diào)節(jié)坡度架形成不同坡度，并在坡度架最底部兩側(cè)安置抗滑樁以固定試樣。考慮到水位上漲后只有臨空面和坡面斜面會與水直接接觸，本研究將崩解試樣放入特制的鐵皮盒中，只有試塊頂面及右前面與水體接觸，其中頂面模擬消落帶坡面斜面(A面)，右前面為消落帶受波浪侵蝕后出現(xiàn)的臨空面(B面)。

1.拉力計(jì)； 2.掛鉤； 3.掛網(wǎng)線； 4.水箱； 5.試樣； 6.抗滑樁； 7.支撐平臺； 8.坡度架； 9.支架底座； 10.支架； A為模擬消落帶坡面斜面； B為模擬消落帶受波浪侵蝕后出現(xiàn)的臨空面。1.Tension meter. 2.Pothook. 3.Cables for hanging. 4.Cistern. 5.Sample. 6.Anti-slide screw. 7.Supporting platform. 8.Slope plane. 9.Base of support. 10.Support. A denotes the slope surface of the water-level fluctuation zone. B denotes the free surface of the water-level fluctuation zone after wave erosion. 圖1 崩解裝置及試樣示意圖Fig.1 Schematic representation of soil disintegration device and soil sample

1.3 試驗(yàn)過程與數(shù)據(jù)收集

使用剪刀將試樣植被地上部分剪掉，對試樣進(jìn)行飽和處理以消除前期含水率對試驗(yàn)結(jié)果的影響。其次，將艾德堡HP-50數(shù)顯拉力計(jì)(測量精度0.01 N)數(shù)顯推拉力置零，將飽和試樣緩緩放置于預(yù)設(shè)坡度架上，試樣完全浸沒在水中開始計(jì)時(shí)。試驗(yàn)時(shí)長為30 min，如果在30 min內(nèi)完全崩解，按具體崩解的時(shí)間計(jì)算。試驗(yàn)過程中每min均讀取拉力計(jì)以記錄試樣質(zhì)量變化，分別使用文獻(xiàn)[3]中公式計(jì)算累計(jì)崩解量及崩解速度。

筆者采用崩解減少量和崩解減少率評估根系對土壤崩解的影響，計(jì)算式分別為：

RAS=(BACKS-BARSS)；

(1)

RRS=(BACKS-BARSS)/BACKS×100%。

(2)

式中：RAS為S坡度時(shí)植物根系造成的崩解減少量，g；BACKS為S坡度時(shí)裸坡對照樣的次試驗(yàn)累積崩解量，g；BARSS為S坡度時(shí)含根系土樣的次試驗(yàn)累積崩解量，g；RRS為植物根系造成的崩解減少率，%。RAS和RRS越大，表示植物根系對崩解的影響程度越大。

團(tuán)聚體穩(wěn)定性采用平均質(zhì)量直徑(mean weight diameter，MWD)表示，MWD越大，表示土壤團(tuán)聚體越穩(wěn)定，能夠抵抗?jié)窈Y過程中的破壞作用更強(qiáng)。計(jì)算式為

(3)

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel和SPSS21軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及相關(guān)性分析，運(yùn)用LSD進(jìn)行多重比較，顯著水平為P<0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同坡度下根系對崩解過程的影響

RS表示含根系土樣，CK表示裸土對照, 下同。RS denotes the sample with root，and CK denotes the sample without root for control. The same below. 圖2 累計(jì)崩解量和崩解速率隨崩解時(shí)間變化過程Fig.2 Variation of cumulative soil disintegration and soil disintegration rate as a function of disintegration duration

隨著崩解時(shí)間的增加，2種處理模式CK和RS下累計(jì)崩解量均呈現(xiàn)在前6 min先快速增加之后緩慢增加并趨于平穩(wěn)的趨勢(圖2(a)、(c)和(e))，這與王健等[3]研究黃土崩解呈現(xiàn)土壤吸水緩慢崩解階段、指數(shù)崩解階段、崩解完成階段3個(gè)崩解階段有所不同。王健等[3]研究中土壤含水率較低，水分在崩解前期會進(jìn)入試樣增加質(zhì)量基本抵消崩落的土壤質(zhì)量，而本研究試樣為飽和樣，試驗(yàn)過程中基本不會有此吸水過程，因此沒有出現(xiàn)前期土壤吸水緩慢崩解階段。試驗(yàn)現(xiàn)象表面崩解先從試樣底部產(chǎn)生一些顆粒狀、塊狀崩解，掏空試樣底部，在水分浸泡作用下土壤內(nèi)部的膠結(jié)鍵在水分浸潤作用下削弱或斷裂，試樣頂部出現(xiàn)明顯裂縫，并在重力作用下土壤迅速崩解造成土壤累計(jì)崩解快速增加，最后試樣會形成一個(gè)相對穩(wěn)定的傾斜面累計(jì)崩解量緩慢增加并趨于平穩(wěn)。

2種處理模式下崩解速率隨崩解時(shí)間的增加呈現(xiàn)不同的變化趨勢(圖2(b)、(d)和(f))。CK處理模式下崩解速率隨崩解時(shí)間的增加總體呈現(xiàn)先快速減小后趨于波動(dòng)穩(wěn)定的趨勢而RS處理模式下崩解速率則顯現(xiàn)前期以較大的崩解速率而后期以較小的崩解速率波動(dòng)穩(wěn)定的規(guī)律。崩解過程中出現(xiàn)大塊土壤塌落造成CK和RS 2種處理模式下崩解過程均會出現(xiàn)一定的波動(dòng)。整體來說， RS處理模式下比CK處理模式的累計(jì)崩解量和崩解速率在整個(gè)崩解過程中均要大，這表明植物根系能夠有效減緩整個(gè)崩解過程。

坡度增加加大重力作用對崩解過程的影響，因而造成CK和RS 2種處理模式在各時(shí)間段的累計(jì)崩解量均有所增加。坡度主要影響前期崩解速率，后期各坡度下崩解速率均較小，受到坡度的影響也不明顯。在10°、20°和30°坡度下，CK和RS處理模式下最大崩解速率分別為9.87、14.27和18.97 g/s及3.20、4.76和6.53 g/s，這表明坡度增加會大幅度增加最大崩解速率。

2.2 不同坡度下根系對崩解的影響

RS處理均能夠顯著降低總崩解量和崩解速率，隨著坡度增加，CK和RS模式下的總崩解量和平均崩解速度均呈現(xiàn)增加的趨勢(表1)。這與坡度增加，試樣的臨空面和坡面斜面的坡度均增加，因此試樣土壤受到重力作用更強(qiáng)，增加脫離試樣的可能性，造成更多崩解有關(guān)。在相同處理模式下，隨著坡度增加，30°坡度下CK模式的總崩解量和崩解速度是10°坡度的1.90倍而RS模式下30°坡度的總崩解量和崩解速度是10°坡度的2.32倍，這表明坡度對根系土樣的影響更大。

表1 不同坡度下2種處理模式的總崩解量和平均崩解速率Tab.1 Total soil disintegration and average disintegration rate for 2 simulations under different slope gradient

注：不同字母表示不同處理模式下0.05 水平差異顯著。Notes：Different letters in the same column refer to significant difference between two simulations at 0.05 level.

在10°、20°和30°坡度下，CK模式的總崩解量和平均崩解速度分別是RS模式下的2.47、2.58和2.02倍，這表明在坡度為中低坡度(10°和20°)時(shí)植物根系對崩解的影響較大，而在高坡度(30°)時(shí)植物根系對崩解的影響減小，這與崩解同時(shí)受到坡度和植物根系兩方面的作用有關(guān)：坡度增加導(dǎo)致崩解可能性增加，而植物根系則通過自身作用，減少崩解的可能性；在坡度較小時(shí)，植物根系能夠更有效的減少土壤崩解，而坡度較高時(shí)，重力作用增加消弱了植物根系作用。

2.3 根系對土壤抵抗崩解作用的分析

與CK處理模式相比，本研究中植物根系能夠降低50%以上的崩解量，其中在中低坡度(10°和20°)時(shí)，植物根系能夠降低約60%(表2)，這表明植物根系能夠有效減緩崩解的發(fā)生。植物根系能夠通過根系的纏繞、穿插、加筋等作用在土壤表層形成根系網(wǎng)絡(luò)，為土粒提供了較好的整體網(wǎng)羅作用，增加了土壤顆粒間結(jié)合力[10]。此外，植物在生長過程中能夠提高土壤有機(jī)質(zhì)含量，根系分泌膠結(jié)物質(zhì)并增加土壤微生物，這都可以將松散的土壤顆粒膠結(jié)形成土壤團(tuán)聚體，進(jìn)而改變土壤結(jié)構(gòu)[7]。濕篩結(jié)果(表3)表明：植物的存在能夠顯著提高>3 mm的水穩(wěn)團(tuán)聚體含量，相應(yīng)<2 mm的團(tuán)聚體含量則顯著減小。此外，與CK處理模式相比，RS處理模式中下顯著增加了團(tuán)聚體平均質(zhì)量直徑，植物根系能夠顯著提高團(tuán)聚體穩(wěn)定性。

表2 根系對不同坡度下崩解減少量和降低率Tab.2 Reduction amount and rate of disintegration by the root under different slope gradient

表3 2種處理模式下濕篩團(tuán)聚體分布及其平均質(zhì)量直徑Tab.3 Size distribution of water-stable aggregates and the related mean weight diameter under 2 simulations

注：不同字母表示不同處理模式下0.05 水平差異顯著。Notes：Different letters in the same column mean significant difference between two simulations at 0.05 level. MWD: Mean weight diameter.

3 結(jié)論

1)植物根系對累計(jì)崩解量變化規(guī)律影響不大，但對崩解速率變化規(guī)律存在一定影響。植物根系能夠顯著減小各時(shí)段的累計(jì)崩解量和前期崩解速率。

2)植物能夠顯著增加了團(tuán)聚體平均質(zhì)量直徑，植物根系能夠顯著提高團(tuán)聚體穩(wěn)定性。

3)植物根系能夠有效減緩崩解的發(fā)生，與裸土對照相比，植物根系能夠降低50%以上的崩解量。