不同播種方式草本植物土壤團聚體特征及對根系固土力的影響

劉武江,趙燚柯,段青松,張立蕓,楊苑君,劉宇飛,熊壽德,和貴祥

(1.云南地質工程勘察設計研究院,昆明 650041; 2.昆明市土地開發整理中心,昆明 650100;3.云南農業大學 機電工程學院, 昆明 650201;4.云南農業大學 水利學院,昆明 650201;5.大理農林職業技術學院,云南 大理 671000)

植物護坡技術是目前土地生態整治最常用的手段之一[1]，植物根系生長在土壤中交織形成網狀結構，且自身會擠占土壤空間位置，增大與土壤的摩擦接觸面積，改變土壤原有結構[2]；根系分泌物和微生物活動會改變不同粒徑級的團聚體含量，影響土壤團聚體的穩定性[3-4]。根土復合體在外力作用下，不僅有根系的抗拉作用，土壤團聚體結構對土體也具有骨架穩定作用[5]。

Frei等[6]通過三軸試驗在冰磧土發現，土壤團聚體穩定性與抗剪強度有關。Zhang等[7]對華南丘陵花崗質地區紅壤的抗剪強度研究時，指出在相同基質吸力條件下，土壤黏聚力和摩擦角隨土壤分形維數的增大而減小，土壤分形維數隨土壤細粒含量的增加而增大，細顆粒損失的整體效應會降低抗剪強度。Fattet等[8]在研究植被類型對土壤抗侵蝕性能的影響時，指出慢濕潤后的團聚體平均重量直徑MWD與凝聚力C呈顯著正相關，而Zeng等[9]指出慢濕潤的MWD越高，對應的團聚體越穩定，抗侵蝕能力越強，還發現林草地的慢濕潤MWD值高于草地。楊幼清等[10]在礦區排土場進行了草本植物根系增強排土場邊坡土體抗剪強度試驗得出混播種植的土體抗剪強度顯著增加，剪切位移正好相反，凝聚力受根系數量的影響顯著，而內摩擦角受土體中粒徑0.25～0.075 mm砂粒含量的影響。鄧超等[11]在研究大豆玉米間作對土壤團聚體及固土能力的影響時得出間作的固土能力會被穩定性大團聚體削弱，而同時土壤團聚體分形維數會增加固土能力?？梢?，土壤團聚體特征對根系固土力會產生影響，但現有研究比較零散。目前不同播種方式的草本植物在生態修復中廣泛應用，草本植物對土體抗剪強度的影響研究主要集中于根系特征方面[12-14]，而土壤團聚體特征對抗剪強度影響的研究較少。本文以兩種草本植物進行單播及混播種植，對土壤團聚體特征及其對抗剪強度的影響進行研究，為采用合理的播種方式進行生態修復提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

本研究區位于昆明市盤龍區云南農業大學后山試驗基地，種植區為平地，地理位置為102°44′57′′E，25°7′44′′N，海拔1 930 m，屬亞熱帶—高原山地季風氣候。年平均氣溫15℃，年均日照2 200 h左右，無霜期240 d以上。年降雨量900～1 000 mm，年蒸發量1 856 mm，雨季為7—9月，土壤為山原紅壤，<0.01 mm黏粒為54.61%，1～0.01 mm黏粒為 45.39%，肥力中等。

1.2 試樣制備

本研究選用2種固土護坡研究較多且適宜研究區種植的草本植物：非洲狗尾草(SetariaancepsStapf ex Massey L.)，多年生禾本科狗尾草屬植物，斜生型根系；紫花苜蓿(MedicagosativaL.)，多年生豆科草本植物，垂直型根系[15]。試驗設置素土、單播/非洲狗尾草、單播/紫花苜蓿、混播/非洲狗尾草+紫花苜蓿4個處理，其中素土為對照組。每個處理10個重復，共計40個樣品。

試驗于2017年7月進行，采用Φ110 mm×3.2 mm的PVC管，每50 cm長等距切割并沿中軸線分為兩半，對合后均勻固定3個管卡，并用塑料袋封住底部，制成能盛土的管狀桶。土樣采用試驗地15 cm以下土層的原狀土，去除表層雜質干擾，將土料過5 mm篩。裝土時，保證每桶裝同量的土，并使各處理的土壤干密度與試驗地原狀土保持一致。每根管內種植6株植物，以PVC管中點為中心，均勻種植在半徑為30 mm的圓周上，消除種植密度和間距的影響。將播種完成后的管狀桶做好標記，放置在室外，定期澆水管護。

2018年10月初，植株生長1 a后，4個處理各取9個樣品，共36個立放在水中浸泡24 h后取出，松開緊箍PVC管的管卡，分開PVC管，取出土柱；剪去地上部分，用鋼鋸緩慢平穩地將柱體從中間鋸開分為兩節，每節的高度為25.0 cm，截取中間20.0 cm為試樣，截面直徑為10.36 cm，分別稱重后計算柱體的飽和密度。每個柱體取截下的土樣10 g左右，放入鋁盒，稱重后用烘干法測定土樣的飽和含水量[15]。

1.3 柱體無側限抗壓強度的測定

采用南京土壤儀器廠生產的SJ-1A型應變控制式三軸儀進行無側限抗壓強度試驗。無側限抗壓強度試驗是圍壓為0的三軸壓縮試驗，根據摩爾—庫倫理論，只要測出試樣的最大主應力，就可以確定摩爾應力圓，其頂點的切線即為庫侖直線，該直線為一水平線，其在縱軸上的截距即為黏聚力，內摩擦角為0，土體的抗剪強度全部以黏聚力的形式表現[16]。試驗步驟按照土工試驗規程[17]進行。

1.4 土壤團聚體粒徑測定

采用干篩法和濕篩法進行機械穩定性和水穩定性團聚體組成分析，試驗儀器為TPF-100土壤團粒結構分析儀。具體方法如下：將無側限抗壓試驗結束后的根土復合體中的土壤放在室內通風良好處，當樣品稍干時，將土樣沿著自然結構輕輕地掰成直徑約10 mm左右的小塊，風干，每個土柱在0—25，25—50 cm土層采集的預留的風干后的土樣稱取400 g置于套篩(孔徑從大到小依次為10，5，2，1，0.5，0.25 mm)的最上層，蓋上上部蓋子后進行篩分，以30次/min的頻率震蕩3 min后停止，將>0.25 mm的土壤團聚體按照不同粒徑由上到下的次序依次取篩，稱取各孔徑篩上的土樣重量，計算各粒徑的團聚體占總量的百分比。再將干篩后的土樣按上述各粒徑在原狀土所占百分比配備混合土樣50 g置于套篩(孔徑從大到小依次為5，2，1，0.5，0.25 mm)，再放入鐵桶中，緩慢加入水并靜置5 min，以30次/min的頻率濕篩3 min，將各級套篩上的團聚體洗入裝有濾紙的漏斗上，將盛有水穩性團聚體的濾紙放在烘箱內，烘干至恒重，然后在大氣中放置一晝夜，使其呈風干狀態，稱重Wwi(精確到0.01 g)，計算各粒徑的團聚體占總量的百分比。

利用各粒徑團聚體數據，計算大于0.25 mm團聚體含量(R0.25)、平均重量直徑(MWD)、幾何平均值經(GMD)、分形維數(Dd)等土壤團聚體特征值。

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1.5 數據處理與統計分析

采用Excel 2010軟件和SPSS 18.0軟件對測定數據進行整理和統計，用單因素方差分析法進行數據間的分析比較，對柱體抗剪強度與不同土壤團聚體指標參數進行Pearson相關性分析。表中數據以平均值±標準誤差的形式表達，不同大寫字母表示同一土層不同處理類型之間的差異極顯著(p<0.01)，不同小寫字母表示同一土層不同處理類型之間的差異顯著(p<0.05)。

2 結果與分析

2.1 不同播種方式對土壤黏聚力的影響

受壓柱體的飽和密度、飽和含水量、黏聚力見表1。種草3個處理的飽和密度、飽和含水量無顯著差異，固土力(黏聚力增量)以混播紫花苜蓿+非洲狗尾草最高，其次為非洲狗尾草，紫花苜蓿最低。

表1 受壓柱體的飽和密度、飽和含水量、黏聚力

2.2 不同播種方式對土壤團聚體組成的影響

與素土相比，種草處理的機械穩定性團聚體組成變化主要在<0.25，1～2 mm粒徑范圍內，有根土處理<0.25 mm粒徑含量極顯著地小于素土，有根土1～2 mm粒徑含量顯著大于素土，其他粒徑無顯著變化，說明種植草本植物有使<0.25 mm粒徑向1～2 mm粒徑轉化的趨勢。但混播與單播之間無顯著性差異。

水穩定性團聚體含量4個處理均以<0.25 mm顆粒的含量最高，有根土極顯著小于素土，混播與單播無顯著性差異，混播值最低，其次是2～5 mm顆粒，有根土極顯著大于素土，另外有根土>5 mm，1～2 mm，0.5～1 mm顆粒含量顯著大于素土，混播與單播無顯著性差異，混播值均最高。

對比土壤機械穩定性和水穩定性團聚體組成，4個處理>5 mm水穩定性團聚體含量比機械穩定性團聚體含量下降超過70%，而<0.25 mm則相反，在0—25 cm和25—50 cm土層，素土增加40%左右，有根土的增加幅度為50%～70%，說明種植草本植物形成的土壤大團聚體在水中不穩定，在水中會分散，使小團聚體含量增加(圖1)。

圖1 受壓柱體的土壤團聚體組成

2.3 不同播種方式對土壤團聚體特征的影響

平均重量直徑(MWD)和幾何平均直徑(GMD)是反映土壤團聚體大小分布狀況的常用指標，MWD和GMD值越大表示土壤平均粒徑的團聚度越高，穩定性越好[18]。在機械穩定性方面，4個處理的MWD和GMD大小在0—25 cm和25—50 cm土層均表現為：混播>單播非洲狗尾草>單播紫花苜蓿>素土，除了在25—50 cm土層混播的MWD與單播紫花苜蓿差異顯著，其余各土層各處理間的MWD和GMD差異不大。在水穩定性方面，在0—25 cm和25—50 cm土層，素土的MWD和GMD小于種草處理，混播值最大；種草處理的MWD與素土存在顯著性差異，單播紫花苜蓿與素土差異不明顯。

分形維數Dd反映了土壤團聚體含量對土壤結構與穩定性的影響趨勢，其值越大，團聚體的分散度越大，土壤結構越不穩定[19]。在機械穩定性方面，與素土相比，3個種草處理的Dd在0—25 cm土層各降低8.19%，11.12%，11.95%，25—50 cm土層各降低9.67%，11.67%，12.37%。種草處理與素土呈極顯著差異，混播與單播無顯著差異，但混播的Dd值最小。在水穩定性方面，3個種草處理相比素土，Dd在0—25 cm土層各降低2.95%，4.68%，6.05%，25—50 cm土層各降低3.83%，4.19%，5.23%。種草處理與素土呈顯著差異；混播與素土呈極顯著差異，與單播無顯著差異，混播的Dd值最小。

土壤中大于0.25 mm的團聚體稱為土壤大團聚體含量R0.25，其數量和分布特征能夠表征土壤結構穩定性[20]。3個種草處理的機械穩定性R0.25比素土提高了12.76%～23.36%，且與素土呈極顯著差異，混播與單播無顯著差異，混播的R0.25值最高。4個處理水穩定性R0.25在0—25 cm和25—50 cm土層均表現為：混播>單播非洲狗尾草>單播紫花苜蓿>素土；除了在0—25 cm土層，單播紫花苜蓿與素土呈顯著差異，3個種草處理R0.25極顯著大于素土；與機械穩定性相比，R0.25值較小，說明柱體內水穩定性團聚體含量比機械穩定性團聚體低。

因此，從機械穩定性和水穩定性團聚體特征來看，種植草本植物，特別是混播種植，能夠降低土壤的Dd，提高土體的R0.25和MWD，對GMD影響不明顯(表2—3)。

表2 受壓柱體的土壤機械穩定性團聚體指標

2.4 不同種植方式草本植物土壤團聚體特征與根系固土力的關系

從機械穩定性來看，素土GMD，Dd與黏聚力的相關系數較大，最小的是R0.25，GMD與黏聚力呈顯著相關。3個種草處理的相關系數表現出：Dd>R0.25>MWD>GMD。4個處理的Dd與黏聚力相關性最好，相關系數為：混播>單播>素土，混播達到極顯著相關。

表3 受壓柱體的土壤水穩定性團聚體指標

從水穩定性來看，素土的相關系數大小與機械穩定性一致：GMD>Dd>MWD>R0.25，Dd與黏聚力出現顯著相關性。3個種草處理相關系數表現一致：Dd>R0.25>MWD>GMD。4個處理的Dd與黏聚力的相關系數為：混播>單播>素土，混播和單播均呈極顯著相關。3個種草處理的R0.25相比機械穩定性方面，相關系數更高，單播、混播出現顯著、極顯著相關。

整體來看，4個處理的黏聚力與機械穩定性和水穩定性團聚體的MWD，GMD，R0.25呈正相關，與Dd呈負相關。各處理的水穩定性團聚體特征與黏聚力的相關性大小關系與機械穩定性一致，但整體優于機械穩定性。素土的GMD與黏聚力的相關系數最高，R0.25最低，但種草處理的GMD相關系數最低，R0.25相比素土提高2～8倍。4個處理的團聚體指標中Dd與黏聚力的相關性最好，其次是R0.25?；觳サ腄d在機械穩定性和水穩定性兩個方面，與黏聚力均呈極顯著相關(表4)。

表4 根土復合體黏聚力C與土壤團聚體結構指標的相關性

3 討 論

3.1 不同播種方式對土壤團聚體組成的影響

機械穩定性團聚體組成是指土體具有抵抗外力或抵抗外部環境變化而保持原有形態的團粒構成[21]。本試驗研究結果表明：在機械穩定性方面，4個處理的機械穩定性團聚體含量以2～5 mm顆粒含量最高，3個種草處理大于素土，混播大于單播，3個種草處理在1～2 mm粒徑含量顯著大于素土，素土<0.25 mm粒徑含量極顯著的大于3個種草處理。這與張家洋等[22]在研究混播紫花苜蓿與無芒雀麥的機械穩定團聚體表征一致，且混播與單播差異顯著。根系對土顆粒具有綁扎和膠結作用，而混播種植使有膠結作用的分泌物增加[23]，促進和加快小顆粒團聚，種草處理的小顆粒含量比素土快速減少，轉而種草處理的大顆粒含量比素土快速增加。

水穩定性團聚體組成反映的是土體在水中或遇水土體尋求穩定而具有的土粒結構。本研究發現4個處理>5 mm水穩定性團聚體含量相比機械穩定性團聚體含量下降較多，<0.25 mm顆粒明顯增加，種草處理<0.25 mm顆粒含量極顯著小于素土，混播小于單播。可以看出，土體在水中都會產生部分顆粒的破裂和剝離，素土結構單一，在水中土顆粒易潰散，大顆粒逐漸變成小顆粒；而有根土形成的大團聚體相比素土更穩定，不易受水力作用而破壞。藺芳等[31]在砂壤土區分別采用紫花苜蓿/無芒雀麥、紫花苜蓿/黑麥草進行了長達6 a的混播和單播種植，發現不同種植方式下土壤水穩性團聚體的變化主要為<0.25 mm粒徑明顯減少，3～2 mm和2～0.5 mm粒徑明顯增加，而且5～3，3～2 mm粒徑的大團聚體含量與其有機碳含量、有機質含量均呈極顯著正相關，<0.25 mm正好相反?？梢娭参锓N植有利于增加土壤大粒徑團聚體膠結劑的膠結作用，混播更突出。

3.2 不同播種方式對土壤團聚體特征的影響

平均重量直徑MWD、幾何平均直徑GMD、大團聚體含量R0.25和分形維數Dd是常用來評價土壤團聚體穩定性的4個指標，通常情況下，MWD，GMD和R0.25值越大，Dd值越小則土壤團聚體越穩定[24-25]。萬海霞等[32]指出MWD，GMD與R0.25呈正相關，與Dd呈負相關。

MWD的大小主要受各徑級所占比例的影響，而GMD由于粒徑經過對數函數lnx運算，GMD與>1 mm顆粒含量呈正相關，與≤1 mm呈負相關[27]。本研究結果表明：在機械和水穩定性方面，混播的MWD，GMD均大于單播和素土。唐駿等[19]對排土場進行植被恢復的研究中，人工草地種植十多年后，MWD和GMD均顯著大于素土，對應的水穩定性團聚體組成中>5，2～5，1～2，0.5～1 mm的質量分數都大于素土，與本研究一致。

在本研究中，在機械和水穩定性方面，種草處理的R0.25極顯著大于素土，且混播高于單播，Dd正好相反。魏亞飛等[26]將紫薯、毛葉苕子、荒草套種在獼猴桃果園，也得到套種模式在不考慮坡位變化時均比單作提高機械和水穩定性R0.25。張家洋等[22]的研究中，其Dd與本研究基本吻合，混播<單播<素土。可見，種植草本植物后，土壤中根系分泌物、微生物及其代謝物質增多[3-4]，提高了土體內的有機質含量[31]，促進大團聚體的形成，降低了土體的離散程度，土體結構更穩定，混播種植更為突出[23]，將豆科植物和禾本科植物混播，可促進氮素養分的互通利用，增強共生效應，更有利于土壤大團聚體的形成[33]。

3.3 不同播種方式草本植物土壤團聚體特征與抗剪強度的相關性

植物根系會改變土壤團聚體的結構，進而影響土體的穩定性。從本研究的相關性來看，4個處理的團聚體指標Dd與黏聚力的相關性最好，Dd在兩個方面均較高。3個種草處理在兩個方面也表現出Dd最高，其次是R0.25和MWD，GMD最低。混播的Dd在兩個方面都與黏聚力C呈極顯著相關。Pirmoradian等[28]在探討分形維數對干旱地區石灰性土壤團聚體穩定性的影響時，將Dd與MWD，GMD進行比較，表明Dd比MWD，GMD更適合于量化耕作處理引起的土壤團聚體穩定性。Zhang等[7]指出Dd隨土壤細粒含量(黏粒、粉粒)的增加而增大，而土壤含水率會影響細粒含量，同時指出在基質吸力不變時，Dd降低會影響土壤黏聚力C。這說明分形維數Dd是衡量土體黏聚力C的一個重要指標，植物通過Dd對土體產生較大影響，混播更為明顯[11]。Fattet[8]和Zeng[9]等研究指出土體受水時間長形成的慢濕潤MWDSW相比濕潤時間短的快濕潤MWDFW和機械擊穿MWDMB，與黏聚力C呈顯著正相關，混播的慢濕潤MWDSW值高于單播。結合本試驗的土體抗壓強度是采用不固結不排水的三軸試驗進行的，試驗過程中土體處于飽和狀態，水分會影響土體結構的穩定，所以水穩定性團聚體結構特征與抗剪強度的相關性更接近真實情況，本試驗的水穩定性團聚體特征與黏聚力的相關性優于機械穩定性，混播的水穩定性MWD與凝聚力的相關系數大于單播，呈顯著相關。鄧超等[11]采用大豆玉米間作時指出，間作后根系生物化學作用會調整土壤結構并形成更多大團聚體，土壤團聚體結構能間接反映根系的生化作用對固土能力的影響。本研究發現，3個種草處理的R0.25與黏聚力的相關系數僅次于Dd，混播大于單播。大團聚體會形成骨架結構，具有抵抗施加的垂直應力的作用，提高土體穩定性。目前來說，分形維數和大團聚體含量對土體黏聚力影響較大，混播種植能促進分形維數和大團聚體含量變化進而增強土體黏聚力。就本研究來看，團聚體的結構受根系的影響較大，今后還需結合根系特征和根系分泌物做進一步定量分析研究。此外，土壤水分會影響團聚體的形成及穩定，而植物的生命活動，包括呼吸作用、光合作用、蒸騰作用，以及土壤的蒸發作用都會影響土壤水分分布規律[29]，而混播種植的植物特征相對單播也有較大變化[30]，生命活動也會有所不同?；觳ネㄟ^影響土壤水分來改變團聚體特征，進而影響抗剪強度也有待做進一步研究。

4 結 論

(1)種植草本植物有利于小團聚體向大團聚體轉化，混播優于單播。

(2)素土的大團聚體含量R0.25和分形維數Dd與種草處理呈極顯著性差異。種植草本植物能夠提高土體的大團聚體含量，降低土壤的分形維數，混播優于單播。

(3)分形維數Dd與黏聚力的相關性最好，混播在機械穩定性和水穩定性均達到極顯著性差異；種草能提高大團聚體含量R0.25與黏聚力的相關性，混播改變了土壤的團粒結構，提高了團粒結構指標與C的相關性，分形維數對于土體黏聚力的貢獻最大。