科爾沁沙地南緣不同林草措施根系對(duì)土壤抗沖性的影響

屈東旭, 呂 剛, 翟景軒, 王鋒佰, 張 卓, 金兆梁, 鄭 洋, 呂金昊

(1.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院, 遼寧 阜新 123000;2.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 水土保持生態(tài)修復(fù)研究院, 遼寧 阜新 123000; 3.杭州大地科技有限公司, 杭州 310004;4.遼寧省風(fēng)沙地改良利用研究所, 遼寧 彰武 123203； 5.國(guó)有彰武縣章古臺(tái)林場(chǎng), 遼寧 彰武 123203)

科爾沁沙地是我國(guó)四大沙地之一，位于生態(tài)環(huán)境脆弱且敏感的農(nóng)牧交錯(cuò)區(qū)，極易出現(xiàn)持久的旱災(zāi)和風(fēng)沙災(zāi)害[1]。近一百多年來(lái)，隨著人口加劇、過度放牧及不合理的土地利用，目前該地區(qū)已經(jīng)成為我國(guó)土地沙化迅速發(fā)展的地區(qū)之一[2]。嚴(yán)重的土壤侵蝕和荒漠化是導(dǎo)致當(dāng)?shù)赝恋厣a(chǎn)力下降和生態(tài)環(huán)境惡化的主要原因。移小勇等[3]研究指出增加含水量是科爾沁地區(qū)減小風(fēng)蝕的有效方法。馬玉鳳等[4]研究指出耕地可風(fēng)蝕性程度遠(yuǎn)大于沙崗地和裸地。李梅等[5]研究科爾沁沙地4種作物根茬抗風(fēng)蝕效果指出風(fēng)蝕量與土壤地表覆蓋度、土壤0—5 cm表層含水量、地表粗糙度呈顯著高度負(fù)相關(guān)。然而以往關(guān)于科爾沁沙地的研究多集中于風(fēng)力侵蝕、沙地演替與植被恢復(fù)[6-7]等方面，對(duì)于水力侵蝕的研究較少。水力侵蝕是水土流失中最重要的侵蝕形式之一，其中土壤抗沖性是最能體現(xiàn)區(qū)域水土流失過程和規(guī)律的指標(biāo)[8]。朱顯謨等[9]研究指出植被固土措施是最有效和最根本的方法，植物根系纏繞、固結(jié)和串聯(lián)土體能顯著提高土體水穩(wěn)性和抗沖性。郭明明等[10]研究黃土高原溝壑區(qū)植被自然恢復(fù)年限對(duì)坡面土壤抗沖性的影響指出土壤抗沖性的提高與土壤性質(zhì)的改善和根系密度的增加密切相關(guān)，土壤容重、團(tuán)聚體穩(wěn)定性(MWD)及<0.5 mm根系密度是影響土壤抗沖性的關(guān)鍵因子。任改等[11]研究重慶四面山水源涵養(yǎng)林土壤抗沖性及影響因素指出林地土壤抗沖性主要受3～5 mm根系根量及其根長(zhǎng)的影響。宋坤等[12]研究6種草本植物根系指出根生物量與抗沖指數(shù)呈顯著正相關(guān)。呂春娟等[13]研究黃土區(qū)排土場(chǎng)指出土壤的抗蝕性指標(biāo)和抗沖性指標(biāo)都與根系密度在極顯著水平上呈直線關(guān)系。衛(wèi)志勇等[14]總結(jié)植物根系穩(wěn)定土體的機(jī)理指出，當(dāng)林齡小時(shí)，主要是根系的機(jī)械纏繞固結(jié)作用;當(dāng)林齡增大時(shí)，還可以通過增加有機(jī)質(zhì)含量和>2 mm粒級(jí)的水穩(wěn)性團(tuán)粒起間接作用。但以往對(duì)于植物根系對(duì)土壤抗沖性的影響研究多集中在西北黃土高原地區(qū)和西南紫色土地區(qū)，而關(guān)于風(fēng)沙土土壤抗沖性的研究還較為鮮見。李強(qiáng)等[15]對(duì)黃土風(fēng)沙區(qū)根系強(qiáng)化抗沖性土體構(gòu)型進(jìn)行了定量化研究，得出了植物根系物理固結(jié)效應(yīng)是強(qiáng)化沙黃土抗沖性土體構(gòu)型的主要表現(xiàn)形式，且根表面積密度可較好地反映根系固土效應(yīng)。由于風(fēng)沙土土壤貧瘠、沙量高、松散易流動(dòng)、結(jié)構(gòu)松散等特點(diǎn)，土壤質(zhì)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其他土地類型，使得根系的固土作用將在風(fēng)沙土表現(xiàn)的更加顯著。本文通過研究科爾沁沙地南緣不同林草措施根系分布特征及其對(duì)土壤抗沖性的影響，以期為科爾沁沙地水土流失治理、荒漠化防治和土地利用結(jié)構(gòu)調(diào)整提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于遼寧省風(fēng)沙地改良利用研究所章古臺(tái)試驗(yàn)站內(nèi)，位于遼寧省阜新市彰武縣章古臺(tái)鎮(zhèn)(122°22′E，42°43′N)，往北距內(nèi)蒙古哲里木盟科左后旗甘旗卡鎮(zhèn)30 km，往南距彰武縣城40 km。自然區(qū)域?qū)儆诳茽柷呱车貣|南部邊緣，是西遼河平原的邊緣地帶，平均海拔高度345 m，年平均氣溫6.82℃，極端最低氣溫-33.4℃，極端最高氣溫43.2℃，平均氣溫變化幅度在4.9～6.7℃，平均空氣濕度60.4%，年均降水量450 mm左右，年均蒸發(fā)量為1 590 mm，年均風(fēng)速3.33 m/s，風(fēng)速大于3 m/s的日數(shù)平均為160 d，風(fēng)速大于10 m/s的日數(shù)為10 d，而起風(fēng)沙的風(fēng)速5 m/s全年達(dá)240多次。無(wú)霜期145～150 d，是典型的北方風(fēng)沙半干旱地區(qū)。土壤屬于風(fēng)沙土，植被屬蒙古植被區(qū)系西遼河小區(qū)，以抗旱性較強(qiáng)的沙生植物為主。代表性植物有樟子松(Pinussylvestris)、楊樹(PopulusL.)、野生山杏(Armeniacasibirica(L.) Lam)、有色木(Acermono)、山里紅(Crataeguspinnatifida)、家榆(Ulmuspumila)、大果榆(Ulmus macrocarpa)、山杏(Arnemiacasibirica)、胡枝子(Lespedezabicolor)、小黃柳(Salixgordejevii)、差巴嘎蒿(Artemisiahalodendron)、中華隱子草(Cleistogeneschinensis)等。綜合考慮植被類型、地形狀況，在試驗(yàn)地選取4種林草措施下的土壤作為研究對(duì)象，分別是樟子松林地、野生灌木林地(山杏)、荒草地和花生地，研究科爾沁沙地南緣土壤抗沖性對(duì)不同林草措施下的響應(yīng)，以期從土壤侵蝕發(fā)生機(jī)制的方面優(yōu)化風(fēng)沙地改良利用模式提供理論依據(jù)。樣地基本情況見表1。

表1 各樣地的基本概況

1.2 研究方法

1.2.1 原狀土沖刷試驗(yàn) 采用10 cm×10 cm×20 cm原狀土取樣器在表1的各樣地表層分別取3個(gè)原狀土樣。在樟子松、灌木地采集表層土樣時(shí)，先將0—3 cm未腐爛的枯枝落葉層清除，自3—13 cm深度取土。在荒草地，首先用剪子將草莖剪去，將上邊厚約1 cm左右的土皮鏟掉，自1—11 cm深度取土。在花生地，自表層取樣深度為0—10 cm。取樣時(shí)，用皮錘將取樣器垂直釘入。然后，鏟掉取樣器周邊土壤，將取樣器完整取出，用鏟刀沿取樣器底部將土樣削平后蓋上上下蓋。

原狀土取回后，將取樣器置于水盤內(nèi)，向水盤內(nèi)注水，浸水24 h，使其達(dá)到毛管水飽和。然后，將飽和的原狀土輕輕置于鐵架臺(tái)上8 h去除土壤重力水后進(jìn)行抗沖試驗(yàn)，試驗(yàn)沖刷坡度為15°，設(shè)置沖刷流量為2 L/min，沖刷時(shí)間從沖刷槽的出口產(chǎn)流開始計(jì)時(shí)，每1 min量取1次泥沙樣，沖刷10 min，預(yù)試驗(yàn)表明此時(shí)間可達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，共取10次樣。沖刷結(jié)束后稱量各個(gè)桶內(nèi)的徑流泥沙量，然后將塑料桶靜置澄清，泥沙沉淀完全后倒掉上層清液，剩余泥水樣轉(zhuǎn)移至鐵盒內(nèi)，置于烘箱中105℃烘干并測(cè)定泥沙質(zhì)量(g)。

抗沖性指數(shù)計(jì)算為每沖刷掉1 g的烘干土所需水量，用ANS表示(L/g)，ANS愈大，土壤的抗沖性愈強(qiáng)。

ANS=f×t/W

式中：f為沖刷流量(L/min)；t為沖刷時(shí)間(min)；W為烘干泥沙質(zhì)量(g)。

1.2.2 根系測(cè)定 植物根系生物量的獲取是將做完抗沖試驗(yàn)的土體在直徑0.5 mm篩網(wǎng)上反復(fù)沖洗，將土壤中所有的根系洗出，用WinRHIZO根系分析系統(tǒng)測(cè)定根系的根長(zhǎng)、根徑、根表面積、根體積等指標(biāo)。然后將根系置于105℃烘箱中，烘24 h左右，然后置于墊子天平上稱重，測(cè)量根重密度RD(kg/m3)

RD=MD/V

式中：MD為根系烘干質(zhì)量(kg)；V為采樣器體積(m3)。

2 結(jié)果與分析

2.1 根系分布特征

2.1.1 根長(zhǎng)密度 植物根系可以從根系固土，改善土壤物理性質(zhì)等兩個(gè)方面使土壤結(jié)構(gòu)變得穩(wěn)定，使土壤抗沖性性能得到增強(qiáng)。不同林草措施的根長(zhǎng)密度見圖1。由圖1可知，樟子松林地的根系總根長(zhǎng)密度為8.02 cm/cm3，其中<0.5 mm徑級(jí)的根系最多，占總根長(zhǎng)密度的83.52%，>3 mm的根系最少，占總根長(zhǎng)密度的1.54%。楊樹林地總根長(zhǎng)密度為12.09 cm/cm3，其中<0.5 mm的根系最多，占總根長(zhǎng)密度的86.12%，>3 mm的根系最少，占總根長(zhǎng)密度的1.18%。灌木林地總根長(zhǎng)密度為7.03 cm/cm3，其中<0.5 mm的根系最多，占總根長(zhǎng)密度的80.96%，>3 mm的根系最少，占總根長(zhǎng)密度的1.72%。花生地總根長(zhǎng)密度為4.48 cm/cm3，其中<0.5 mm的根系最多，占總根長(zhǎng)密度的80.96%，>3 mm的根系最少，占總根長(zhǎng)密度的1.72%。荒草地總根長(zhǎng)密度為3.89 cm/cm3，其中<0.5 mm的根系最多，占總根長(zhǎng)的82.03%，>3 mm的根系最少，占總根長(zhǎng)的1.41%。這說(shuō)明在風(fēng)沙地不同林草措施下以<0.5 mm的根系最多，占總根系根長(zhǎng)密度的83.58%，>3 mm的根系最少，占總根系根長(zhǎng)密度的1.46%。其根系總根長(zhǎng)密度表現(xiàn)為楊樹林地>樟子松林地>灌木林地>荒草地>花生地。

圖1 不同徑級(jí)根系密度

根系特征描述性統(tǒng)計(jì)分析見表2。由表2可知，不同徑級(jí)根長(zhǎng)密度，變異系數(shù)在32.42%～51.15%，變異程度較小。<0.5 mm，0.5～1 mm，1～3 mm及>3 mm根長(zhǎng)密度平均為7.49 cm/cm3，0.97 cm/cm3，0.48 cm/cm3，0.15 cm/cm3，可見根長(zhǎng)密度隨根系徑級(jí)的增大而不斷減小，表明土壤中大根系分布較少，而主要以小徑級(jí)根系為主，且不同徑級(jí)根系在土壤中的分布存在較大的空間變異性。

表2 根長(zhǎng)密度描述性統(tǒng)計(jì)

2.1.2 根重密度 由圖2和圖3可知，不同林草措施下的根重密度介于0.09～21.09 kg/m3，平均為3.82 kg/m3，根重密度大小表現(xiàn)為楊樹林地(9.403 kg/m3)>樟子松林地(6.142 kg/m3)>灌木林地(1.575 kg/m3)>荒草地(1.483 kg/m3)>花生地(0.487 kg/m3)。不同林草措施根生物量與根重密度表現(xiàn)為同樣趨勢(shì)。楊樹林地最大為42.04 g，花生地最小為0.974 g。表明樟子松林地、楊樹林地、灌木林地表層根系分布較多，其中以楊樹林地最為豐富。而花生地表層須根缺乏，根重密度和根系長(zhǎng)度及生物量均最小，這是導(dǎo)致其抗沖性弱的主要原因。

圖2 不同林草措施下根重密度

2.2 根系對(duì)土壤抗沖性的增強(qiáng)效應(yīng)

不同植被對(duì)土壤結(jié)構(gòu)及其抗沖性的影響主要通過根系來(lái)表征。本試驗(yàn)選擇裸沙地的樣點(diǎn)作為對(duì)照，裸沙地的土壤抗沖性指數(shù)ANS為0.58 L·min/g，并以此為基礎(chǔ)計(jì)算根系對(duì)土壤抗沖性能的強(qiáng)化值(圖3)。不同林草措施下土壤抗沖性能強(qiáng)化值ΔANS表現(xiàn)為：樟子松林地(0.786 4 L·min/g)>楊樹林地(0.758 4 L·min/g)>灌木林地(0.458 4 L·min/g)>荒草地(0.296 4 L·min/g)>花生地(0.064 L·min/g)。土壤抗沖性能強(qiáng)化百分率大小依次為樟子松林地(135.52%)>楊樹林地(130.69%)>灌木林地(78.97%)>荒草地(51.04%)>花生地(10.35%)。這表明根系對(duì)風(fēng)沙地土壤的保護(hù)作用很顯著，在相同徑流沖刷強(qiáng)度與相同沖刷時(shí)間條件下，表層根系豐富的樟子松林地、楊樹林地、灌木林地、荒草地比花生地、裸沙地的抗沖性能提高效果更明顯。

圖3 根系對(duì)土壤抗沖性強(qiáng)化特征

2.3 根系與土壤抗沖性增強(qiáng)效應(yīng)的關(guān)系

不同徑級(jí)根系對(duì)土壤抗沖性的影響也不同，其作用機(jī)理也不同，產(chǎn)生的增強(qiáng)效應(yīng)也有所差異。圖4為土壤抗沖性強(qiáng)化值ΔANS與不同徑級(jí)根系長(zhǎng)度的相關(guān)性。由圖5可知，土壤抗沖性強(qiáng)化值ΔANS與<0.5 mm根系長(zhǎng)度、0.5～1 mm根系長(zhǎng)度、1～3 mm根系長(zhǎng)度呈顯著線性正相關(guān)，其中1～3 mm根系長(zhǎng)度與土壤抗沖性強(qiáng)化值ΔANS之間相關(guān)系數(shù)最大，R2值達(dá)到0.671 7，表明<1～3 mm根系是影響土壤抗沖性的主要因素。而土壤抗沖性強(qiáng)化值ΔANS與>3 mm根系長(zhǎng)度呈顯著線性負(fù)相關(guān)，這說(shuō)明隨著根系徑級(jí)的增大根系長(zhǎng)度對(duì)土壤抗沖性的強(qiáng)化影響逐漸減弱，并存在一個(gè)根系徑級(jí)的閾值為3 mm。根系生物量及根密度與土壤抗沖性強(qiáng)化值ΔANS之間的關(guān)系不顯著。

3 結(jié) 論

(1) 不同林草措施根系長(zhǎng)度大小表現(xiàn)為楊樹林地>樟子松林地>灌木林地>荒草地>花生地。不同徑級(jí)根系長(zhǎng)度變異程度較小，且不同徑級(jí)根系在土壤中的分布存在較大的空間變異性。根系密度大小表現(xiàn)為楊樹林地>樟子松林地>花生地>灌木林地>荒草地。根生物量與根系密度表現(xiàn)具有相同的變化趨勢(shì)。

圖4 ΔANS與不同徑級(jí)根系長(zhǎng)度關(guān)系

(2) 不同林草措施土壤抗沖性能強(qiáng)化值ΔANS表現(xiàn)為樟子松林地>楊樹林地>灌木林地>荒草地>花生地。不同林草措施下土壤抗沖性能強(qiáng)化百分率大小依次為樟子松林地>楊樹林地>灌木林地>荒草地>花生地。

(3) 土壤抗沖性強(qiáng)化值ΔANS與<0.5 mm根系長(zhǎng)度、0.5～1 mm根系長(zhǎng)度、1～3 mm根系長(zhǎng)度呈顯著線性正相關(guān)。1～3 mm根系是影響土壤抗沖性的主要因素。根系長(zhǎng)度對(duì)土壤抗沖性的強(qiáng)化影響存在一個(gè)根系徑級(jí)的閾值為3 mm。根系生物量及根密度與土壤抗沖性強(qiáng)化值ΔANS之間的關(guān)系不顯著。

(4) 林地的抗沖性最強(qiáng)，其次是草地，農(nóng)地最差，建議當(dāng)?shù)鼗哪卫硪粤值貫橹鳎蛞粤植萁Y(jié)合的方式。