不同草本的根系分布特征及對土壤水分狀況的影響

李建興，諶 蕓，何丙輝，陶 俊，李天陽

（西南大學 資源環境學院／三峽庫區生態環境教育部重點實驗室，重慶400715）

三峽庫區地處亞熱帶，降雨充沛，豐富的降雨不僅會引發滑坡、泥石流等地質災害，而且對裸露邊坡造成嚴重侵蝕，引發水土流失，對人民的生命財產構成極大的危害［1］。為防止邊坡發生失穩破壞，傳統上常采用土木工程措施進行防護，但絕大多數工程護坡隨著時間的推移，會出現混凝土老化、鋼筋銹蝕等問題，使防護效果顯著降低［2］?？茖W研究和工程實踐證明，草本植被不僅可以很大限度地截留降雨，消減雨滴侵蝕能量，降低坡面徑流流速從而減輕降雨對坡面土壤的侵蝕［3］，還具有改善生態環境、減少水土流失、涵養水源等功能，所以以植被為主的生態護坡是一種經濟、環保的防護措施，也是目前護坡工程研究的熱點和發展方向。草本植物的根系可表征植物的水土保持性能的強弱［4］，根系在防止表土侵蝕、淺層滑坡，增加土體的抗風化吹蝕、流水沖刷和重力侵蝕等方面起著重要的作用［5－6］。前人對根系的研究主要集中在根系增強土壤抗沖性、改善土壤滲透性及增強根—土復合體抗剪強度等方面，而對根系影響土壤水分性能的研究則較少。本試驗以三峽庫區常用的草本護坡植物——香根草、狗牙根、紫花苜蓿和百喜草為研究對象，分析了這4種草本根系的分布特征及其根系對土壤水分狀況的影響，以期為生態護坡中植被種類的選擇提供理論依據。

1 材料與方法

1．1 研究區概況

試驗點位于重慶市北碚區歇馬鎮西南大學歇馬實驗基地（北緯29°45′08″，東經106°48′54″），丘陵地貌，屬亞熱帶季風氣候，土壤為紫色土，海拔563m，年平均降雨量1 100mm，年平均氣溫18．3℃，年日照1 270h。

1．2 試驗設計和樣品采集

在西南大學歇馬實驗基地選一樣地建立5個6m×4m的小區，標為 A，B，C，D，E區。采用當年實生苗，于2010年3月底在A，B，C，D各小區以株行距30cm×35cm分別栽植紫花苜蓿、百喜草、狗牙根和香根草，E區為對照（裸露地）。栽培期間各小區進行常規管理，定期除雜草。

2011年8月底幼苗長成成體植株，紫花苜蓿高35～50cm，蓋度達85%左右；百喜草高10～20cm，蓋度達80%左右；香根草高80～110cm，蓋度達87%左右；狗牙根高2～10cm蓋度達90%左右，則在各小區進行采樣。由于4種草本只生長了5個月，根系集中分布在0—30cm 土層［7－8］，故主要分析各草本0—30cm土層根系的垂直分布特征。按照S型曲線，選擇健壯的植株，確定采樣點。去除植株的地上部分后，以植株為中心點，將環刀（內徑20cm，高5cm）圓心與中心點重合，沿著植株豎直向下分別按0—10，10—20，20—30cm 的土層進行取樣，每層3個重復。

1．3 土壤物理性質的測定及分析方法

樣品帶回實驗室后，用環刀法測定土壤的容重、孔隙度、最大持水量、田間持水量等［9］物理性質。土壤的貯水能力［4］通過下式計算：

式中：S——土壤的貯水能力（t／hm2）；h——土層厚度（m）；p——非毛管孔隙（%）。

試驗結束后，取出環刀內的土壤，置于0．05mm的網篩內進行沖洗，直至洗出所有的根系。使用WinRHIZO根系分析系統，以300dpi的掃描分辨率，按直徑L≤0．5mm，0．5mm＜L≤1mm，1mm＜L≤2mm，2mm＜L≤5mm，L＞5mm這5個徑級，測定根系的根長密度參數。

所有數據采用SPSS for Windows 18．0進行統計和方差分析，顯著性運用最小極差法分析，圖表采用Excel 2010進行分析制作。

2 結果與分析

2．1 不同草本類型根長密度分布特征

根系的根長密度，即單位土壤體積中所含根系的長度，既能反映根系的穿插和纏繞能力，也能表征某一土壤層的根系伸展量［10］。三峽庫區不同草本類型的根長密度對比顯示（圖1），在0—10cm土層中，香根草的根長密度最大（5．07cm／cm3），紫花苜蓿（3．96cm／cm3）、狗牙根（2．42cm／cm3）次之，百喜草（2．06cm／cm3）最小。在10—20和20—30cm土層中，紫花苜蓿的根長密度最大，分別為3．40，1．54cm／cm3。在0—30cm土層中，根系的總根長密度排序為：香根草＞紫花苜蓿＞狗牙根＞百喜草。

圖1 不同草本植物不同土層深度根長密度

從圖1可以看出，狗牙根在0—10cm土層的根長密度與其他土層之間差異性顯著（p＜0．05），但10—20和20—30cm土層之間差異不顯著。紫花苜蓿的根長密度在0—10和10—20cm土層之間差異不顯著，但分別比20—30cm土層高2．42，1．87cm／cm3，且差異達到了顯著水平。香根草和百喜草的根長密度在不同土壤層之間差異性顯著（p＜0．05）。各草本類型的根系集中分布在0—10cm土層，其根長密度是10—20cm 土層的1．16～11．54倍，是20—30cm土層的2．57～78．96倍。各種草本類型的根長密度隨土層深度的增加均呈遞減趨勢，通過對根長密度與土層深度進行擬合分析，發現其遵從指數函數分布，表達式為：y＝aebx（式中y為根長密度；x為土壤深度；a，b為方程參數），與韓鳳朋等［11］、李勇等［12］的研究結果一致。各草本擬合后的方程為：百喜草y＝1．442e－4．377x，R2＝0．991；狗 牙 根y＝1．173 e－4．161x，R2＝0．999；紫花苜蓿y＝3．787e－8．698x，R2＝0．986；香根草y＝3．791e－7．692x，R2＝0．962。紫花苜蓿和香根草的根系垂直變化幅度小于狗牙根和百喜草。

2．2 不同徑級根長密度分布特征

從表1可以看出，各草本類型中不同徑級的根長密度差異較大，根長密度隨著徑級的增大依次減小，最大徑級均為L≤0．5mm。在0—10cm土層，百喜草的不同徑級根長密度差異最大，最大根長密度是最小的13．23倍，其他依次為紫花苜蓿11．23倍，香根草8．84倍，狗牙根8．16倍。在10—20cm土層中，狗牙根、百喜草僅有L≤2mm的根系分布。20—30cm土層百喜草無根系分布，而狗牙根總根長密度僅為0．03cm／cm3。

各草本根系的不同徑級根長密度的垂直分布均隨土層深度的增加而逐漸減小。L≤0．5mm徑級根系：0—10cm土層的根長密度是10—20cm土層的1．16～9．25倍，狗牙根差異最大，紫花苜蓿差異最小。0．5mm＜L≤1mm徑級根系：0—10cm土層的根長密度是20—30cm土層的2．62～59．89倍，百喜草差異最大，紫花苜蓿差異最小。

表1 各草本不同徑級根長密度的垂直分布

2．3 不同草本覆蓋下土壤物理性質的變化

土壤容重是土壤物理性質的一個重要指標，反映土壤透水性、通氣性，影響根系的穿插、根系生長的阻力狀況，決定土壤水源涵養功能［3，13］。由圖2可知，不同草本類型的土壤容重均隨土壤深度的增加而增加，垂直分布與根長密度分布趨勢相反。在0—10，10—20，20—30cm土層，裸地土壤容重均為最大，在各土層之間變化幅度很小。在0—10土層中，4種草本土壤容重存在顯著性差異（p＜0．05），表現為百喜草＞狗牙根＞香根草＞紫花苜蓿，其原因可能是根系分布在該層土壤差異性最大，其中紫花苜蓿和香根草表層根系最發達，在根系的作用下土壤容重分別比對照降低10%和9%，表層根系對容重的影響作用明顯，植物根系的活動可改善土壤的通透性，降低土壤容重。在10—20cm土層中，狗牙根的土壤容重與裸露地差異性不顯著，狗牙根在該層僅有L≤2mm根系分布，細小根系對土壤容重存在一定的影響，由于分布較少，故效果較差。在20—30cm土層中，不同草本土壤容重之間差異性不顯著（p＞0．05），土壤容重變異范圍在1．50～1．62g／cm3，趨于穩定。以上說明根系分布越廣容重越小，根系分布與土壤容重呈負相關。

不同草本類型下土壤的總孔隙度、非毛管孔隙和毛管孔隙存在差異性，在空間分布上隨著土層深度的增加而逐漸減小，垂直分布與根長密度分布趨勢相同。在0—10cm土層中，紫花苜蓿和香根草土壤的總孔隙度、毛管孔隙差異性不顯著，狗牙根與百喜草之間也表現不出差異性，但各草本與裸地之間差異性顯著（p＜0．05）。4種草本的表層土壤總孔隙度在43．65%～29．87%變動，表現為香根草＞紫花苜蓿＞狗牙根＞百喜草＞裸露地。各草本表層土壤之間的非毛管孔隙差異性顯著（p＜0．05），變異范圍在11．56%～2．83%。有研究表明［14］，土壤的非毛管孔隙小于3%根系生長受阻，對照的非毛管孔隙接近3%，說明試驗區土壤比較黏實，通透性較差。而香根草、狗牙根、紫花苜蓿的表層非毛管孔隙分別比對照增加3．5，2．6和1．6倍，不同草本類型對土壤非毛管孔隙的改良作用明顯。研究表明，含根系的各草本土壤的孔隙性顯著高于不含根系的裸露地，草本植物可有效地改善土壤的孔隙性，增加土壤的通氣性和透水性。

圖2 不同草本植物小區土壤容重和孔隙度的差異性比較

2．4 不同草本覆蓋下土壤持水能力的變化

由圖3可見，在0—10cm土層，紫花苜蓿和香根草土壤的飽和含水量差異性也不顯著，且狗牙根與百喜草之間差異性不明顯，但各草本植物小區與裸地之間差異性顯著（p＜0．05），其中紫花苜蓿和香根草土壤的飽和含水量顯著大于狗牙根和百喜草。薛立等［15］認為土壤的飽和含水量越大涵養水源效果越好，所以在4種護坡草本中紫花苜蓿和香根草的涵養水源效果最好，吸收和過濾地表徑流的作用強于狗牙根和百喜草；不同草本類型土壤的毛管持水量與裸地比較差異性顯著（p＜0．05），表現為：紫花苜蓿＞香根草＞百喜草＞狗牙根＞裸地。由于毛管孔隙中的水分體現土壤的保水能力，紫花苜蓿在保水能力方面顯著強于其他護坡草本植物，紫花苜蓿的土壤可以更好地為其根系提供必需的水分。這表明由于根系分布的差異性，造成土壤容重和孔隙性的差異，從而影響土壤持水能力的變化。

在10—20cm土層，不同處理土壤的飽和含水量差異不顯著（p＞0．05），表現為：紫花苜蓿＞香根草＞百喜草＞狗牙根＞裸地，說明不同草本類型根長密度在該層土壤存在一定的差異性，但對飽和含水量的影響較??；不同草本植物土壤的毛管持水量存在一定的差異性，表現為：紫花苜蓿＞百喜草＞香根草＞狗牙根＞裸地，紫花苜蓿在該層的保水能力依然顯著大于其他草本植物。

在20—30cm土層，由于不同草本類型的根長密度與裸地差異不明顯，4種護坡草本的飽和含水量、毛管持水量和田間持水量差異性不顯著（p＞0．05），表現均為紫花苜蓿＞百喜草＞香根草＞狗牙根。其大小變化范圍為：飽和持水量在19．48%～23．43%，毛管持水量在18．4%～21．22%，田間持水量在12．37%～15．45%，其中飽和含水量和毛管持水量差異不明顯，原因可能是在20—30cm土壤的非毛管孔隙非常小，在飽和含水量中起決定作用的主要是毛管孔隙。

為進一步比較不同種護坡草本蓄水能力的差異，引進表征土壤蓄水能力的因子——貯水能力，土壤的貯水能力主要取決于土壤的非毛管孔隙度［4］。研究結果表明，香根草、紫花苜蓿、狗牙根、百喜草和裸地的貯水能力在0—30cm土層的變動范圍分別為：115．6～22．13，86．63～43．33，52．9～16．00，48．3～18．03，33．0～46．67t／hm2，貯水能力隨土層的深度增加而逐漸下降。在0—10cm土層，不同護坡草本土壤的貯水能力差異性顯著（p＜0．05），香根草土壤的貯水能力極顯著（p＜0．01）大于其他草本，貯水能力極強，貯水能力分別是其他草本土層的1．3，2．2和4倍，表明香根草的表層土壤能夠快速容納降水并及時下滲，涵養水源效果較其他草本強。

圖3 不同草本植物小區土壤持水量的差異性比較

2．5 根系特征與土壤性質相關性分析

根系一方面在土體中交錯、穿插，網絡固持土壤，另一方面改善土壤的物理性質，形成疏松多孔的根土復合體［5，12］。為了分析根系與土壤持水性能的相關關系，將0—30cm土層根系不同徑級的根長密度與土壤性質作相關性分析，如見表2所示。

（1）根長密度與土層厚度顯著負相關，相關系數為－0．687；土層厚度顯著影響不同徑級的根長密度分布，其中極顯著影響0．5mm＜L≤1mm的根系，相關系數達－0．717。這說明土壤厚度顯著影響不同徑級的根系分布。

（2）土壤容重與0．5mm＜L≤1mm和1mm＜L≤2mm徑級的根系顯著負相關，相關系數為－0．578，－0．576，土壤容重與不同徑級根長密度的相關系數先減小后增大，在0．5mm＜L≤1mm出現最小值，說明0．5mm＜L≤2mm徑級的根系對降低土壤容重，改善土壤孔隙性貢獻最大。土壤容重與土層厚度極顯著正相關，相關系數達0．663，與非毛管孔隙、總孔隙度、毛管持水量、飽和持水量和貯水能力極顯著負相關，與田間持水量顯著負相關。

表2 土壤持水性能與不同徑級根長密度的相關性系數

（3）土壤的總孔隙度、非毛管孔隙與1mm＜L≤2mm徑級的根系極顯著正相關，相關系數達0．745和0．796，與根長密度和0．5mm＜L≤1mm顯著相關。土壤的總孔隙度、非毛管孔隙與不同徑級根長密度的相關系數呈現偏峰曲線的特征，相關系數隨著徑級的增加先增大后減小，在1mm＜L≤2mm均出現峰值。根系的穿插、細根的死亡產生大量根孔對土壤結構的改善起到作用［16］，提高了土壤的孔隙性。土壤總孔隙度與土壤毛管持水量、田間持水量、飽和持水量和貯水能力極顯著相關。土壤的毛管孔隙與根長密度、不同徑級的根系相關性不明顯，與毛管持水量、田間持水量極顯著正相關。

（4）土壤的飽和持水量與根長密度顯著正相關，相關系數為0．641；與土層厚度極顯著負相關；與1mm＜L≤2mm徑級的根系極顯著正相關，與0．5mm＜L≤1mm徑級的根系顯著相關，相關系數隨著根系徑級的增加呈現先增大后減小的趨勢；與總孔隙度和非毛管孔隙極顯著正相關，相關系數分別為0．962，0．937。土壤的貯水能力與根長密度顯著正相關；與1mm＜L≤2mm，2mm＜L≤5mm徑級的根系極顯著正相關，與0．5mm＜L≤1mm徑級的根系顯著相關。土壤的毛管持水量與土壤容重極顯著負相關，不同徑級的根系對毛管持水量的影響不顯著，但毛管持水量中部分膜狀水和全部的毛管水可以完全被植物根系利用［17］。土壤的田間持水量與總孔隙度和毛管孔隙極顯著正相關，相關系數分別達0．735，0．910。

3 結 論

（1）植物根系在土壤不同深度的分布因植物種類及生存環境的變化而有所差異，本試驗通過對不同護坡草本的根系研究發現，狗牙根90%的根系分布在0—10cm土層，百喜草在0—10cm土層的根系占到了總根系的82%，而紫花苜蓿和香根草的根系集中分布在0—20cm 土層，與張宏波、沈林洪等［7－8］的研究結果相一致。在0—30cm土層，根系的根長密度隨深度的增加而減小，根長密度與土層深度顯著負相關，且遵從指數函數分布，0．5mm＜L≤1mm的根系受土層厚度極顯著影響。

（2）不同草本類型的土壤總孔隙度、非毛管孔隙和毛管孔隙垂直分布與根系分布趨勢相同，即隨著土壤深度的增加逐漸減小，而土壤容重隨著土壤深度的增加逐漸增大。前人的研究結果表明細根最能充分接觸土壤［18］，能有效地纏繞和串聯土體，故細根能顯著地改變土體的理化性質，本研究發現1mm＜L≤2mm徑級的根系與土壤容重、土壤總孔隙度和非毛管孔隙顯著相關，在根系長度相同的情況下，徑級過大或者過小對土壤水分性質的改良都將減弱。不同草本根系和土壤之間是一個互相促進的過程，由于土壤本身的發育特性影響草本的根系生長，而根系的穿插、擠壓反作用于土壤，二者互相促進。

（3）各草本土壤的飽和持水量、毛管持水量和田間持水量隨著土層深度的增加逐漸降低，均與根系分布趨勢相同。香根草和紫花苜蓿土壤的貯水能力顯著大于百喜草和狗牙根。土壤的飽和持水量與土層厚度，0．5mm＜L≤1mm和1mm＜L≤2mm徑級的根系顯著相關，相關系數隨著根系徑級的增大呈現偏峰曲線特征。

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