不同植物根系對土質邊坡土壤理化性質影響研究

曹婷婷 師晨迪

摘 要：近年來為減少水土流失和地質災害發生，增加淺層邊坡穩定性，以草本植被為主的邊坡固定成為研究熱點，草本植物的生長不僅能起到防護土質邊坡穩定性的作用，還可對土壤特性產生影響。本項目在商洛地區開展紫花苜蓿、狗牙根和黑麥草3種常見護坡草本植物根系生長對土壤特性影響研究。結果表明：3種草本作物經過1a種植培育，土壤中粉粒含量均下降，降幅為7%～14%;土壤中粘粒含量均增高，增幅為15%～21%;隨著作物根系分泌物不斷增加，土壤中膠體含量增多，粘粒含量增多，作物的生長營造了適于土體正向演替的良好生境;毛管孔隙度減少了8%～17%，非毛管孔隙度減少了27%～68%;作物根系生長顯著改善了土壤孔隙結構，進而降低了土壤膨脹性;3種草本作物種植處理下，有機質含量減少了15%～72%，作物生長及根系蔓延，顯著消耗了土壤中有機質。草本植物在進行邊坡護理的同時，對土壤理化性質產生顯著影響。

關鍵詞：植物根系;土壤性質;土質邊坡

中圖分類號：S289：156.5

文獻標識碼：A

DOI：10.19754/j.nyyjs.20201115004

收稿日期：2020-08-19

基金項目：陜西省土地工程建設集團內部項目“不同植物根系對土質邊坡穩定性作用的微形態學機理研究”（項目編號：DJNY2019-15）

作者簡介：曹婷婷（1990-），女，碩士，工程師。研究方向：土地整治。

緒論

植物護坡見效快、穩定性好、可持續性佳、經濟實惠、穩定性強、有益于增進生物多樣性，是一種廣泛的護坡方式。邊坡土壤在降雨、蒸發等自然條件下，根據天氣變化處于干濕交替狀態，特別是對于膨脹性土壤而言，脹縮過程及其產生的危害性更加明顯[1-4]。商洛地區土壤大多屬紅褐土，且該地區多降雨，滑坡、泥石流等自然災害頻發，引起當地土質邊坡侵蝕及水土流失，造成當地生態環境極度脆弱[5]。為了更好地開展水土保持工作，改善當地水土流失現象，進一步防控地質災害的頻繁發生，近年來，以草本植被為主的土質邊坡的防護模式逐漸被研究人員關注[6-9]。根系是連接土壤與植物的中間介質，是植物生長、繁殖、發育的重要部分，根系可以從土壤中吸收水分和營養物質以滿足自身生長的需要，其中地下生物量占據整個植株生物量的大部分[10-13]。根系因為植株自身生長特性不同，根系的分布格局也有很大差異，此外根系的生長格局還與土壤本身特性有很明顯的相關關系，根系的生長分布情況會影響植株對土壤中營養物質的吸收以及根際周邊環境的營造，進而影響微生物群落結構。主要是通過根系生長過程中對水分的吸收程度、根系分泌物的種類，以及微生物吸收代謝產物的不同，進一步影響土壤生態環境，進而對土壤的特性產生一定影響[14]。

根系除對土壤特性產生影響以外，還會對土壤力學性能產生一定影響。草本植被根系在穿插、纏繞過程中，與顆粒表面的摩擦力以及根系與顆粒間的嵌入作用產生的咬合力增強土壤膠結能力[15，16]，并且能夠改善土壤環境，促進土粒的團聚，阻礙土壤收縮的產生。劉國彬[17]在對草本植被恢復不同階段土壤抗沖性變化的研究中提出，根系纏繞、固結土壤，強化抗沖性作用有3種方式即網絡串連作用、根土粘結作用及根系生物化學作用;康潔[18]研究表明根系在土壤中的穿插生長會對土壤孔隙產生一定影響，從而會對土壤的物理特性產生影響。

綜上所述，植物根系在土壤中的纏繞加筋作用，對土壤脹縮過程存在一定阻滯作用，并且會對土壤特性產生一定影響，但是由于草本作物的根系生長對邊坡土壤特性的影響沒有定量化的定論。因此，本文選擇紫花苜蓿、狗牙根和黑麥草3種常見護坡草本植物根系生長對土壤特性影響進行研究，以期為商洛地區“山水林田湖草項目”利用固坡植物選擇提供一定理論基礎。

1?試驗區概況

試驗采用田間小區試驗，在陜西省商洛市商州區金鳳山區南坡進行，選擇護坡樣地設置試驗小區，試驗對象選擇水土保持常用的幾種不同根系特征的草本植物，主要有黑麥草、狗牙根、紫花苜蓿。黑麥草是早熟禾科植物，叢生，根系發達;狗牙根為多年生深根雜草，以匍匐莖和種子繁殖;紫花苜蓿為多年生草本，根粗壯，根頸發達。實驗區共設A、B、C、D共4個樣區，其中D區為對照（裸露地），在各樣區內進一步劃分出3個面積為6m×4m的小區，每個品種重復3次，共12個小區。在A、B、C、D各區內，以株行距為30cm×35cm分別栽植紫花苜蓿、狗牙根和黑麥草。在栽培期間，各區進行定期除雜草、澆水等常規管理。

在植物蓋度達到80%以上，植物根系生長成熟后，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，使環刀（底面積30cm2，高2cm）圓心與中心點重合，沿著植株豎直向下采集表層原狀土樣，由于植株根系不同，根系分布深度不同，每個小區取3個重復。將同一小區不同采樣點的土壤進行混合，每個混合土樣取500g左右帶回實驗室，用于測定土壤粒徑組成、有機質、毛管孔隙度和非毛管孔隙度。

毛管孔隙度、非毛管孔隙度、總孔隙度均采用環刀法測定;土壤機械組成采用密度計法測定;有機質采用重鉻酸鉀-外加熱法測定。

2?結果分析與討論

2.1?不同作物根系下土壤粒徑的變化

不同處理下，土壤粒徑分布如圖1所示。由圖1可知，不同作物生長對土壤質地影響規律較為明顯。黑麥草處理下，土壤中粉粒（0.05～0.002）含量較空白減少了7%;狗牙根處理下，土壤中粉粒（0.05～0.002）含量較空白減少了12%;苜蓿處理下，土壤中粉粒（0.05～0.002）含量較空白減少了14%。

黑麥草處理下，土壤中粘粒（<0.002）含量較空白增加了21%;狗牙根處理下，土壤中粘粒（0.05～0.002）含量較空白增加了17%;苜蓿處理下，土壤中粘粒（0.05～0.002）含量較空白增加了15%。

根據不同處理下土壤質地分析可知，土壤中粉粒含量均顯著下降，而土壤中粘粒含量均顯著上升。由于商洛土質偏黏，土壤本身粉粒含量較高，但隨著作物生長，根系分泌物不斷增加，土壤中膠體含量逐漸增多，粘粒含量增多，作物的生長營造了適于土體正向演替的良好生境。

2.2?不同作物根系下毛管孔隙度的變化

由圖2可知，3種不同作物生長情況下，總毛管孔隙度較空白相比，黑麥草減少了19%，狗牙根減少了9%，苜蓿減少了16%;毛管孔隙度較空白相比，黑麥草減少了17%，狗牙根減少了8%，苜蓿減少了15%;非毛管孔隙度較空白相比，黑麥草減少了68%，狗牙根減少了27%，苜蓿減少了33%。

據分析可知，種植作物后，土壤中總孔隙度均顯著下降，毛管孔隙度和非毛管孔隙度均顯著下降，其中黑麥草和苜蓿孔隙度下降幅度較狗牙根更大。黑麥草是禾本科，根系非常發達，黑麥平均每天長出11490萬條根毛，每天伸長80km多，從萌發到抽穗約有150億條根毛。隨著諸多根系的蔓延，在土壤中形成密集的根網，是3種作物中對土壤總孔隙度和非毛管孔隙度影響最顯著的作物。苜蓿是豆科牧草，主根、側根區分明顯，主根直徑約0.2～0.5mm之間，發達的根系蔓延顯著降低了土壤毛管孔隙度。狗牙根屬低矮草本植物，稈細而堅韌，下部匍匐地面蔓延甚長，節上常生不定根，單獨根系簇小，單位面積內根系生物量較少，因此對于土壤毛管孔隙度和非毛管孔隙度影響較小。由此可知，根系生長布局對土壤孔隙度影響非常明顯。根系發達的草本植物對土壤孔隙度影響最為顯著，可以很大程度上降低土壤脹縮性。

2.3?不同作物根系下土壤有機質的變化

由圖3可知，3種不同作物生長情況下，有機質含量較空白相比，黑麥草減少了72%，狗牙根減少了15%，苜蓿減少了21%。當地原本土壤中有機質含量較高，土壤肥力質量較好，在無任何人工培肥措施下，種植草本植物，經過一季作物的種植，3種作物處理下土壤中有機質含量下降非常顯著：3種作物中黑麥草根系最為發達，對土壤中有機質的消耗量最顯著;其次是苜蓿，苜蓿主根與側根明晰，根系較其它草本作物粗壯，對有機質的消耗量較大;狗牙根屬低矮植物，稈細而堅韌，下部匍匐地面蔓延，根系較前兩者不太發達，對土壤中有機質的含量消耗較少。

3?總結

3種草本作物經過1a種植培育，土壤中粉粒含量均下降，降幅為7%～14%;土壤中粘粒含量均增高，增幅為15%～21%。3種草本作物種植處理下，毛管孔隙度減少了8%～17%，非毛管孔隙度減少了27%～68%。作物根系生長顯著改善了土壤孔隙結構。3種草本作物種植處理下，有機質含量減少了15%～72%，作物生長及根系蔓延，顯著消耗了土壤中有機質。

隨著作物根系分泌物不斷增加，土壤中膠體含量增多，粘粒含量增多，作物的生長營造了適于土體正向演替的良好生境。根系生長布局對土壤孔隙度影響非常明顯。根系發達的草本植物對土壤孔隙度影響最為顯著，可以很大程度上降低土壤脹縮性。黑麥草根系最為發達，對土壤中有機質的消耗量最顯著，其次是苜蓿、狗牙根，根系不太發達的草本作物對土壤中有機質的含量消耗較少。

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（責任編輯?周康）