黃河源河岸帶植物根-土復合體抗蝕特性研究

李 可，朱海麗，謝彬山，李本鋒，胡夏嵩，李國榮

（1.甘肅省交通規劃勘察設計院股份有限公司，甘肅蘭州730030；2.青海大學地質工程系，青海西寧810016；3.青藏高原北緣新生代資源環境重點實驗室，青海西寧810016）

黃河源區地處青藏高原東北部，區內發育著眾多自由彎曲河流，高寒草甸、高寒草原化草甸植被群落發育良好，覆蓋度較高［1］。2011—2017年對黃河源區河流地貌野外調查表明，彎曲河流在季節性凍融及水流沖蝕作用下，凹岸崩塌現象較為嚴重，河灣每年產生0.5～1.0 m的橫向遷移，崩落至近岸邊的根-土復合體在水流浸泡及沖刷作用下緩慢崩解、分散，能夠在一定時間內保護坡腳免受水流沖刷，從而減緩河岸的崩塌。因此，定量化對比分析黃河源區高寒草甸根-土復合體在凍融循環作用前后的抗水蝕特性，對于定量分析彎曲河流橫向演變過程、崩岸速率等具有重要意義。

土壤抗侵蝕性可分為土壤抗沖性和土壤抗蝕性［2-4］，其中土壤抗蝕性是指土壤抵抗水的分散和懸浮的能力［5］，是評定土壤抵抗侵蝕能力的重要參數，與土壤的理化性質密切相關。國內外學者開展的相關試驗研究表明：土體在水中的變化有緩慢崩解、指數崩解、完全崩解三個階段［6-7］；土壤抗蝕性不能由單一指標來評價［8］；土壤生物學指標以及土壤內在的物理性質即結皮強度、有機質含量、孔隙狀況、水穩性團聚體含量、土壤顆粒組成等，對土壤抗蝕性的影響較為明顯［9-12］；植被有效根密度及在土壤剖面中的盤繞能夠提高土壤的透水性，并增強土壤的抗沖性［13-16］；高寒草甸植被多為密叢性根系植物，根徑≤1 mm的須根較多［17］，因此對提高土體抗蝕性具有重要作用；季節性凍融侵蝕是黃河源區常見的一種土壤侵蝕類型［18］；長期的凍融作用，使黃河源區河岸植被完整性遭到破壞，河岸凍脹裂縫發育，在水流的沖刷下河岸土體易坍塌［19］；土體結構在凍融作用下受到很大的破壞，土的孔隙度減小，但滲透性有所增強，在經過30次凍融循環后逐漸趨于穩定［20-23］；隨著凍融循環次數的增加，黏土的黏聚力逐漸下降［24-25］。關于凍融作用的研究，主要集中在土體的物理特性和力學參數等方面，而對凍融作用影響根-土復合體抗水蝕的相關研究較少。因此，筆者以黃河源區高寒草甸區河岸根-土復合體為研究對象，通過原位取樣和室內試驗，對比分析試樣凍融循環前后的抗水蝕指數，定量研究凍融作用下黃河源區高寒草甸根-土復合體的抗水蝕性能的變化規律，深入揭示不同植被類型和蓋度、不同凍融循環次數對根-土復合體抗蝕性的影響，以期為黃河源區河岸保護等提供參考。

1 研究區自然概況

研究區位于青海省東南部黃南藏族自治州河南縣以南約 50 km 處，其地理坐標為北緯 34°26′—35°2′、東經101°29′—101°35′。 該區域海拔3 400～4 200 m，屬高原亞寒帶濕潤氣候區，冷季漫長多大風，暖季短暫，氣候濕潤多雨，干濕季節分明。研究區年均氣溫在-4℃以下，最低氣溫為-31.89℃，屬季節性凍土區，年平均凍土深度為137.87 cm，季節凍土凍結時間年平均為149 d。多年平均降水量為560 mm，多集中在5—9月。研究區河岸帶植被主要為高寒草甸，其中華扁穗草、線葉嵩草、西藏嵩草和垂穗披堿草等草本植物分布較廣且生長良好，為主要優勢草種，灌木種以金露梅、銀露梅和西藏沙棘為多見［1］。

2 試驗研究方法

2.1 取樣與試驗概況

2016年6月25—28日在研究區河岸帶選取優勢植物華扁穗草、金露梅大量分布的區域，選定3種不同植被覆蓋度樣地作為試驗取樣點，此外選取1個植被覆蓋度小于5%的禿斑地作為裸露地取樣點，4個取樣點分別為裸露地（1號）、覆蓋度為60%的華扁穗草地（2號）、覆蓋度為90%的華扁穗草地（3號）、覆蓋度為90%的金露梅+雜草地（4號）。用鐵鍬挖取直徑為30 cm、地表以下深度為25 cm的圓柱形土樣，放入取樣盆中帶回實驗室。依據地下根量變化的特點，對取樣盆中的土樣按表層往下0～5、6～10、11～15 cm 三個取樣深度用削土刀切取長×寬×高為10 cm×4 cm×5 cm的小塊試樣，按凍融循環次數為0、3、6、9、12次分別進行重復取樣，將取得的小塊試樣裝入自封袋并貼好標簽后放入BD／BC-148JC型冰箱中進行凍結。依據2001—2015年10月—次年4月的氣溫變化情況，設定凍結溫度為-18℃、融解溫度為10℃。將抗水蝕試驗的試樣放入預設溫度為-18℃的冰箱凍結24 h，然后置于預設溫度為10℃的LRHS-150-III型恒溫恒濕培養箱融解24 h，此過程為一次凍融循環，按照此方法和試驗設置完成0、3、6、9、12次凍融循環。在挖取土樣過程中，按0～5、6～10、11～15 cm 三個深度用環刀原狀制取根-土復合體，測定其天然密度、根面積比、根長密度、根體積比、含水率和有機質含量，其中有機質測定采用重鉻酸鉀容量法。試樣基本物理性質指標測定結果見表1。

將完成凍融循環次數的試樣放入托盤中自然風干，然后依次過5、2 mm的篩，留取直徑2～5 mm的土顆粒90粒作為試樣，分三批均勻置于自制簡易水蝕裝置中浸泡，該裝置［5］包括托盤（20 cm×20 cm×3 cm） 、網架（15 cm×15 cm ×2 cm）、燒杯（1 000 mL）。 觀察土顆粒在靜水中的崩解現象，當土顆粒表面出現大的裂縫，并在輕微觸碰下碎裂時，認為已完全崩解，每隔1 min記錄崩解土顆粒個數，連續觀察記錄10 min，并記錄最終的崩解土顆粒個數。依次完成凍融前后不同植被覆蓋度、不同取樣深度和不同凍融次數的根-土復合體的崩解試驗，每組試驗重復3次。

2.2 數據處理

土體抗蝕指數指在規定時間內未崩解土顆粒個數占總顆粒數的比例［10］，計算公式為

式中：S為土體抗蝕指數，%；ω為土粒總數，個；φ為崩解土粒數，個。

采用Excel進行數據處理和分析，采用SPSS21.0對數據進行單因素方差分析。試驗數據的分析、統計于2017年4—5月完成。

表1 試樣基本物理性質指標測定結果

3 試驗結果分析

將挑選出的土顆粒緩慢放入水中后，土顆粒表面的微小分散土粒會立即融入水中，使土顆粒周圍水體渾濁，少量土顆粒偶爾會有氣泡逸出，接著土顆粒的松散表面開始崩解。試驗剛開始時土顆粒崩解速度較快，隨后逐漸減慢。隨著試驗的進行，土壤結構逐漸被破壞，土顆粒體積膨脹，表面慢慢出現裂縫，接著土顆粒快速崩解，但很快崩解速度又減緩，直至完全崩解。也有少部分土顆粒崩解所需時間短、速度快，在整個崩解過程中崩解速度變化較小。試驗結果統計見表2。

表2 土體抗蝕試驗結果統計

續表2

3.1 土體抗蝕指數與植被種類及覆蓋度的關系

通過試驗發現：研究區未經凍融循環的裸露地（1號取樣點）0～5 cm土層3組土顆粒在試驗開始8 min左右時有2組土顆粒全部崩解，剩下的1組在浸泡10 min后未崩解土顆粒僅剩2個，試樣整體抗蝕指數僅為2.22%，而6～15 cm土層的抗蝕指數為0%。含根土體的抗蝕指數均遠大于不含根的，植被覆蓋度為90%的金露梅+雜草地（4號取樣點）0～5 cm土層土體抗蝕指數最大，達到83.33%；覆蓋度為90%的華扁穗草地（3號取樣點）0～5 cm土層土體抗蝕指數次之，為80.00%；覆蓋度為60%的華扁穗草地（2號取樣點）0～5 cm土層土體抗蝕指數為76.67%，略小于覆蓋度較高的2種樣地的。植被覆蓋度影響土體抗蝕指數的根本原因在于，不同植被覆蓋度高寒草甸土壤中根系含量不同。

繪制未凍融試樣土顆粒崩解個數與時間的關系曲線（圖1）可以看出：試樣土顆粒崩解個數隨著樣地植被覆蓋度的提高呈現減少的趨勢；祼露地試樣土顆粒崩解個數在試驗開始后4 min內迅速增加，之后增速減緩并在6 min后趨于穩定；覆蓋度為90%的華扁穗草地土顆粒崩解量在7 min時達到峰值；而覆蓋度為60%的華扁穗草地與覆蓋度為90%的金露梅+雜草地試樣土顆粒崩解個數與時間基本呈遞增關系，且覆蓋度為60%的華扁穗草地試樣崩解速率相對較快，表明莎草科植物華扁穗草地密集的根系使根、土間的黏結性大大增強，從而增強試樣的抗蝕性。經SPSS 21.0單因素方差檢驗（見表3）表明，研究區不同植被覆蓋度樣地土體抗蝕指數具有極顯著差異性。通過對比表1中不同樣地類型的根系參數可知，植被覆蓋度為90%的華扁穗草地試樣的根面積比、根長密度和根體積比與覆蓋度為60%的華扁穗草地、覆蓋度為90%的金露梅+雜草地、裸露地3種試樣的相比，平均高出0.30、2.40、0.76 個百分點，較多的根系能夠更有效地膠結土體，因此植被覆蓋度為90%的華扁穗草地表現出較強的抗蝕能力。

圖1 不同植被覆蓋度試樣土顆粒崩解個數與時間的關系

表3 土體抗蝕指數的單因素方差檢驗結果

3.2 土體抗蝕指數與有機質含量的關系

由不同植被種類及覆蓋度的未凍融試樣水蝕試驗及有機質含量測定結果（見表4）可知，4種樣地不同深度土壤的有機質含量不同，有機質含量隨深度增加總體呈遞減趨勢，0～5 cm表層土壤有機質含量較高，其中：植被覆蓋度為90%的金露梅+雜草地表層試樣有機質含量最高，為91.73 g／kg；裸露地表層試樣有機質含量最低，為17.47 g／kg。隨著有機質含量的降低，抗蝕指數呈減小的趨勢。由表1可知，隨著深度的增加，11～15 cm土層試樣根面積比、根長密度、根體積比與0～5 cm表層試樣相比，平均分別下降了0.15、1.79、0.54個百分點，由于表層植物根系發育，土壤中有機質含量相對較高，能凝聚、膠結更多的水穩性團聚體［15］，且活性根系對溫度的傳導具有一定的阻隔效應，土顆粒之間冷熱傳導速度減緩，因此表層土壤的抗蝕性大于下層土壤的。土體含水量隨土層深度的增加逐漸降低，4種樣地下層試樣含水率平均減小6.18個百分點，在凍融循環過程中，表層土體中較多的水分通過凍融作用對土體中團聚體的破碎效應強于下層土體，且表層土壤孔隙與空氣接觸，在凍結過程中水分相變增加的體積和氣體收縮的體積接近時，團聚體之間或內部的壓力達到平衡，減緩團聚體破碎［26］，從而使表層土壤的抗蝕指數大于下層土壤的。

表4 土體抗蝕指數與有機質含量統計

3.3 土體抗蝕指數與凍融循環次數的關系

繪制土體抗蝕指數與凍融次數關系曲線（見圖2）可知，隨著凍融次數的增加土體抗蝕指數總體呈減小的趨勢。由圖2（a）可以看出，覆蓋度為60%的華扁穗草地0～5 cm土層和6～10 cm土層試樣的抗蝕指數隨著凍融循環次數的增加趨于線性減小的趨勢，11～15 cm土層試樣的抗蝕指數在凍融9次時減小幅度達29.42%；由圖2（b）可以看出，覆蓋度為90%的華扁穗草地0～5 cm土層和6～10 cm土層試樣的抗蝕指數在凍融9次時降至最低，而11～15 cm土層試樣的抗蝕指數在凍融6次時開始減小、在凍融12次時降至最低，整體上看凍融循環對覆蓋度為90%的華扁穗草地上層土體抗蝕指數影響相對較小，在凍融循環12次后土體抗蝕指數減小幅度僅為8.33%；由圖2（c）可以看出，覆蓋度為90%的金露梅+雜草地不同深度土層試樣的抗蝕指數隨著凍融循環次數的增加總體呈減小的趨勢，且深度越大試樣抗蝕指數減小的幅度越大。試樣經多次凍融循環后，土壤有機質含量隨著溫度的變化以指數形式下降［27］，土壤中的水穩性團聚體相應減少，因此試樣的抗蝕指數隨著凍融循環次數的增加總體呈減小趨勢。

圖2 土體抗蝕指數與凍融循環次數的關系

土壤在反復凍融循環作用下，自身的物理性質、生物學指標均會發生變化，勢必影響土壤的抗蝕指數［24］。由不同覆蓋度、相同深度土體抗蝕指數與凍融循環次數的關系曲線比較可知，不同覆蓋度、相同深度試樣的抗蝕指數整體隨著凍融循環次數的增加而減小，其中：深度為11～15 cm試樣的抗蝕指數減小幅度較大，覆蓋度為60%的華扁穗草地試樣經過12次凍融循環后，抗蝕指數下降幅度最大，為44.21%，覆蓋度為90%的金露梅+雜草地試樣抗蝕指數下降幅度為42.1%、覆蓋度為90%的華扁穗草地抗蝕指數下降幅度為38.88%。凍融次數超過9次后，試樣抗蝕指數減小幅度變小并在凍融循環次數達到12次時，部分土顆粒抗蝕指數增大，原因是經過多次凍融循環之后土顆粒內部結構達到了新的平衡狀態，試樣的抗蝕性相應增強。凍融循環次數較少時，破碎的土顆粒阻擋土體裂縫的產生，使得土壤內部裂隙減少、阻止水分的滲入，隨著凍融次數的增加，凍融作用的累加效果逐漸顯現，土體中水分凍結體積增大，改變土壤顆粒的位置，使得土壤孔隙增大，融化的過程中又使得細小的土顆粒流失，土壤變得更加松散，抗蝕指數隨之減小；但當凍融次數增加到9次后，試樣抗蝕指數減小趨勢減緩，說明當凍融達到一定次數后凍融作用對試樣抗蝕性的影響不再顯著。

不同深度、凍融循環次數試樣抗蝕指數的單因素方差分析結果（見表5）表明，凍融循環次數對覆蓋度為60%的華扁穗草地土體抗蝕指數的影響具有極顯著性（P＜0.01），對覆蓋度為 90%的金露梅+雜草地土體抗蝕指數的影響具有顯著性（P＜0.05），對覆蓋度為90%的華扁穗草地土體抗蝕指數的影響不顯著（P＝0.10）。

表5 不同深度、凍融循環次數試樣抗蝕指數的單因素方差分析結果

4 結 論

（1）不同樣地的植被種類和覆蓋度、土體含根量、有機質含量等均不相同，對應試樣的抗蝕指數也不相同；土體抗蝕指數隨著植被覆蓋度、有機質含量的提高而增大，隨土層深度的增加而減小；凍融作用對覆蓋度為60%的華扁穗草地與覆蓋度為90%的金露梅+雜草地土體抗蝕指數影響顯著，對覆蓋度為90%的華扁穗草地土體抗蝕指數影響不顯著。

（2）未經凍融情況下，植被覆蓋度為90%的華扁穗草地試樣的崩解速率緩慢，抗蝕指數比覆蓋度為60%華扁穗草地與裸露地試樣分別增大3.33%和77.78%，與覆蓋度為90%的金露梅+雜草地試樣的接近。凍融情況下，各樣地土體抗蝕指數變化情況各不相同，在凍融循環達到9次之后，土體抗蝕指數減小幅度變緩，并有回升的趨勢，凍融循環對覆蓋度為90%的華扁穗草地土體抗蝕指數影響相對較小，在凍融循環12次后土體抗蝕指數減小幅度僅為8.33%。

（3）植被覆蓋度為90%的華扁穗草地試樣的根面積比、根長密度和根體積比與覆蓋度為60%的華扁穗草地、覆蓋度為90%的金露梅+雜草地、裸露地3種試樣的相比，平均高出 0.30、2.40、0.76 個百分點，較多的根系能夠更有效地膠結土體，提高土體的抗蝕能力。由此表明，黃河源區河岸發育的草甸植被根系能夠有效地固結土體，在受水流作用崩落水中后，崩解速率較慢，能夠延長對近岸的保護時間，同時地下發達的植被根系在凍融過程中能夠發揮較好的溫度阻隔效應。