模擬降雨下根系密度對土壤侵蝕和侵蝕性的影響

丁 培

(塔里木河流域干流管理局，新疆 庫爾勒 841000)

農田土壤侵蝕是造成土壤流失的主要過程。全世界約90%的農業用地受到不同程度的土壤侵蝕[1]。與土壤流失一起，它還導致有機質和重要的植物營養物質如氮、磷、鉀和鈣的流失，影響土壤持水能力和土壤生物群，共同影響土壤生產力。植被長期以來一直被用于減少土壤侵蝕和恢復退化土地[2]。如果植被的地上部分主要負責提供遮蔽雨滴侵蝕力的場所，則地下生物量與土壤和土壤中的微生物直接相互作用。這些根系與環境的相互作用可以改變和穩定土壤團聚體及其結構，通過生長根系來改變大孔隙的比例和結構，影響滲透速率，并增加抗剪強度；根據根的結構功能、根的生理學，以及它們的發展階段[3]，盡管早就證明了根系在土壤侵蝕控制中的重要性，但直到最近才開始研究各種一年生和多年生作物根系對土壤流失率和土壤可蝕性的影響[4]。根系密度、根系長度密度和根系表面積密度是量化土壤中根系數量與土壤可蝕性關系的常用參數。總的來說，隨著根系的存在，土壤的可蝕性和剝蝕速率降低。在壤土(砂壤土、粉壤土和粉質黏壤土)中進行的大多數研究表明，隨著根系密度和/或根系長度密度，表明含黑麥草的粉質黏壤土的土壤流失率隨根表面積密度(單位為cm2/cm3)的增加而線性下降[5]。然而，這些研究大多只分析了根系密度的影響，關于植被地上和地下成分同時對土壤侵蝕和層間可蝕性影響的比較信息非常有限[6]。此外，在根系密度對不同土壤物理性質的影響上，它們缺乏聯系，從而影響土壤剝離速率和層間可蝕性[7]。研究的目的是比較總植被和僅根的土壤侵蝕量，并評估根密度對土壤可蝕性的影響，以及研究不同根密度對影響土壤侵蝕的土壤物理性質的影響(體積密度，飽和導水率、抗剪強度、土壤表面強度和骨料穩定性)。

1 材料和方法

1.1 土盤的制備

從塔里木河流域的一塊農田采集了土壤的樣本。所用土壤為粉壤土，含191 g/kg黏土(0～2 μm)、511 g/kg粉土(2～50 μm)、298 g/kg砂(50～1000 μm)、2.1 g/kg有機物，2.0 g/kg碳酸鈣。將土壤風干、壓碎、篩分，得到1～8 mm的骨料，然后在土盤中填充至0.07 m的深度。移除任何石頭和植物殘骸后。每個土壤盤的前部都有一個徑流收集瓶，用于收集徑流。一塊0.5 m高的防濺板附在側面。濺水板的底座上有一個排水溝，通過這個排水溝，濺出的物質可以收集起來清洗濺水板。盤子底部有一個3 mm的孔，靠近前端，用于在降雨期間通過土壤收集滲濾水。多年生黑麥草，在密度為50 kg和100 kg的土壤盤中以之字形模式每粒種子播種，并每隔2 d澆水，直到進行降雨模擬試驗。它們在3—6月間在溫室里生長，沒有化肥投入。每4周剪一次5 cm高的嫩枝。由于溫室內溫度較高，黑麥草生長8周后，植株暴露在自然條件下。

1.2 試驗設計

本研究的試驗設計如表1所示。對于50 kg/hm2的播種密度，在播種4周、8周和12周(分別為R1、R2和R3)后進行降雨模擬，對于100 kg/hm2的播種密度，在播種4周后進行降雨模擬。以R0為對照，采用與其他試驗相同的灌水量和灌水頻率，在裸土上進行了4周的模擬降雨試驗。對于黑麥草的所有試驗，有兩種亞處理：第一種，嫩枝保持完整(表示為“有嫩枝”)，第二種，嫩枝在降雨模擬之前被水平剪掉(表示為“無嫩枝”)。每個處理有四個重復。

表1 研究處理的試驗設計播種密度

1.3 水蝕試驗

降雨模擬使用實驗室降雨模擬器進行，該模擬器由裝有90個玻璃毛細管的旋轉水箱組成。土盤以15°角放置在旋轉水箱的中心下方，兩個雨量計位于防濺板的對面。平均降雨強度為54.31 mm/h(σ=3.63)雨滴平均直徑為5.32 mm(σ=3.63)軟化水被用來模擬自然降雨和防止毛細血管堵塞。為了減少由不同土壤含水量引起的變異性，在試驗前一天對土壤進行了澆水。在每次降雨模擬之前，從每個盤中采集三個土壤樣品，通過重量法(在105 ℃下烘箱干燥24 h)測定土壤含水量。這樣形成的洞又被土壤填滿了。試驗期間每5 min 收集一次濺板沉積物、含沉積物的徑流和滲濾水。記錄滲濾水和徑流的體積，并將飛濺和徑流產生的沉積物在加熱板(105 ℃)上蒸發。每次降雨試驗的總持續時間為1.5 h。

每次試驗前，將土盤整平，并從上方拍攝數碼照片，使透鏡軸處于垂直位置。隨后使用ImageJ軟件測定嫩枝覆蓋的百分比面積。每次降雨模擬試驗后，用環刀(100 cm3)從0～5 cm土層的每個盤中隨機抽取三個土壤樣品，測量根系密度。每個亞處理重復12次。

1.4 滲透阻力和導水率

使用實驗室貫入儀，使用50 N的稱重傳感器，所有測量的靈敏度保持在0.01。通過將貫入儀測得的電壓轉換為兆帕(平均每個樣品三次重復)，獲得滲透阻力。使用實驗室滲透計測量降雨模擬后每個土壤盤三次采集的100 cm3原狀土樣品的飽和導水率。

1.5 抗剪強度和骨料穩定性

在降雨模擬試驗后，使用袖珍V形測試儀CL100測量土壤的抗剪強度，該儀器與將測試儀的葉片垂直推入土壤中，直到葉片被覆蓋(深度為0.5 cm)，并以恒定速度順時針轉動葉片頭，直到發生故障，從而測量土壤的抗剪強度。然后從三個重復計算每個盤的平均土壤抗剪強度。同時還測量了土壤含水量，平均每盤三次，因為土壤抗剪強度受土壤含水量的強烈影響。在取樣測定根系密度、貫入阻力、導水率和抗剪強度后，將留在盆中的土壤風干、壓碎并篩分，以獲得2～8 mm大小的骨料。隨后，通過干濕篩分法測定了土壤的骨料穩定性。穩定性指數是骨料干篩平均重量直徑(MWD)和濕篩平均重量直徑(MWD)之差的倒數，用于衡量骨料的穩定性。穩定性指數越高，骨料越穩定。

2 結果與分析

2.1 土壤水分、植被、根系密度

模擬降雨試驗前各處理土壤平均含水量為0.23(R=0.038)kg/kg。除了在第8周進行的試驗(R2，有和沒有新梢)具有顯著較低的土壤含水量，其他處理之間的初始土壤水分差異不顯著。R2土壤含水量較低是由于溫室內高溫引起的較高蒸散所致。不同處理獲得的根系和地被植物的密度見表2。由于每個處理內的子處理(有枝和無枝)的根系和地被植物的密度沒有差異，表2顯示了包含兩個子處理的每個處理的平均值。R2和R3的地被植物的顯著低值與每4周修剪一次5 cm高的植物有關。

表2 不同處理的根系密度和地被百分比

2.2 地上和地下植被對徑流和土壤侵蝕的影響

降雨開始后不久，徑流就開始了，在前20 mm的降雨中，徑流迅速上升，之后，所有處理的降雨量都沒有顯著變化。與對照相比，試驗期間收集的徑流總量在所有帶芽子處理中均較高，但僅在處理R1d和R3中顯著增加，見表3。而對于無枝的亞處理，R2和R3的總徑流收集量顯著低于R1和R1d，而不是對照。值得注意的是，在降雨模擬試驗期間收集的徑流總量不包括以飛濺形式損失的降雨部分。試驗期間的濺蝕和沖刷隨降雨時間而變化，降雨開始后不久觀察到的最高侵蝕率隨時間而下降，如圖1所示。有芽處理的總濺蝕量和沖刷侵蝕量均顯著低于對照。對于覆蓋率最高的R1d，濺蝕率最低。有芽處理之間的沖刷侵蝕率沒有顯著差異。對于無芽的處理，R1和對照之間的濺蝕和R0、R1和R1d之間的沖刷侵蝕沒有顯著差異。根系密度越高，噴濺侵蝕的減少越明顯。除R3外，所有有芽的處理的濺蝕和沖刷侵蝕均顯著低于相應的無芽處理，其中有芽和無芽模擬的沖刷侵蝕差異不顯著。對于沒有新梢的處理，指數關系最好地解釋了黑麥草根系密度隨噴濺和沖刷造成的土壤流失的變化，如圖2所示。

表3 不同處理的總徑流、濺蝕土壤損失和沖刷土壤損失

圖1 不同處理濺蝕演變以及不同處理累積降雨的沖刷侵蝕演變

2.3 根系密度對土壤可蝕性的影響

計算表觀層間可蝕性與飛濺侵蝕和沖刷侵蝕的演變方式相似，在降雨量為10～15 mm時達到最高值，除R2外，所有處理的可蝕性都逐漸降低，在降雨量為10～30 mm時，可蝕性的降低更為迅速，如圖3(a)所示。根系密度對土壤的可蝕性影響很大。如圖3(b)所示，總可蝕性隨根系密度的增加而降低的最佳解釋是指數關系。

2.4 根系密度對土壤物理性質的影響

根系密度對飽和導水率的影響不能很好地評價，因為處理間的重復性差異很大。這可能是由于土壤樣品中的密封效應造成的，因為在土壤遭受降雨后進行了導水率和容重的測量。這種密封效應，以探針穿透阻力來衡量，在對照組中比在有和沒有嫩枝的處理中更明顯，如圖4所示。在相同的處理條件下，有芽處理的穿透阻力低于無芽處理，這是由于芽對雨滴沖擊的保護作用。在黑麥草生長的8周內，根密度對不同根密度處理的團聚體穩定性指數沒有影響，見表4。根系對黑麥草團聚體穩定性的影響僅在R3處理表現出來，與黑麥草生長12周時的團聚體穩定性指數顯著高于其他處理。與團聚體的穩定性不同，黑麥草的根系提高了土壤的抗剪強度。對照組的平均剪切強度值為0.417 MPa，而R3組的平均剪切強度值為1.010 MPa。由于已觀察到含水量和根系密度對土壤抗剪強度有很大影響，我們使用土壤含水量和根系密度來研究它們對土壤抗剪強度的影響。由于濺蝕和沖刷侵蝕速率與土壤剪切強度一樣也受根系密度的影響，因此我們觀察到濺蝕和沖刷侵蝕速率與土壤剪切強度之間存在正相關關系。

圖2 無枝處理的根系密度對濺沙和沖刷泥沙損失的影響

圖3 表觀層間可蝕性受根系密度的影響

圖4 處理有嫩枝和無嫩枝時通過密封的滲透阻力

表4 不同處理的根系密度和地被百分比

2.5 討 論

在降雨過程中，幾個分離和運輸過程可能共同作用。飛濺侵蝕是由于雨滴沖擊破壞了土壤結構元素并隨后向各個方向擴散，而沖刷侵蝕則是由于雨滴沖擊或水流或兩者共同作用造成的土壤分離和水流輸送的結果。降雨期間，雨滴沖擊、土壤濕潤和土壤表面懸浮沉積物沉積的機械作用導致土壤表面形成限制性密封層，從而導致不同的土壤流失率。土壤表面封閉的形成導致滲透性降低和徑流增加，從而增加了侵蝕力，但也增加了雨滴沖擊壓實引起的土壤剪切強度，從而降低了土壤的可蝕性。因此，在所有處理中，由于飛濺和沖刷以及累積降雨造成的土壤流失的減少可能與土壤可蝕性的降低有關，這是由于表面密封的形成。土壤表面發育的速度和程度受到許多因素的影響，如土壤特性、水分條件、土壤表面條件和侵蝕力的性質。圖4的A和B顯示了不同處理在實驗結束時形成的表面密封程度的變化。與無芽處理相比，有芽處理的發育程度較低，這可能是由于覆蓋物的存在減少了沖擊。在有覆蓋物的情況下，滴落影響的減少也通過有芽的處理與無芽的處理相比，飛濺侵蝕率較低得到證實。飛濺引起的分離與土壤抗剪強度高度相關。由于濺蝕是雨滴沖擊下的剝離和搬運的結果，而沖刷侵蝕是雨滴和/或徑流剝離和/或徑流搬運的結果，因此土壤抗剪強度的增加可能導致土壤剝離的減少。在剝離過程中，由于根系對土壤的加固作用，落差沖擊或徑流施加的總剪應力可分為作用于土壤和作用于根系的剪應力，從而隨著根系密度的增加，土壤流失減少。增加土壤抗剪強度與根系的存在也被發現是有效的保護土壤侵蝕集中徑流。

3 結 論

這項研究結果證明了植物地上和地下成分的重要性。盡管植被的地上部分在保護表土免受早期侵蝕方面非常有效，但根系的有效性隨著植物的發育而增加。植被生長產生的高根系密度極大地減少了土壤流失和可蝕性。隨著根系密度的增加，泥沙流失量和層間可蝕性呈指數下降。根系對土壤團聚體穩定性和抗剪強度的積極影響可能是減少土壤流失和降低層間可蝕性的結果。雖然土壤團聚體穩定性和抗剪強度隨根系發育而增加，但對團聚體穩定性的影響遠晚于抗剪強度。濺蝕和沖刷的抗剪強度與土壤流失呈高度負相關。這項研究的結果在必須收割或移除地上生物量的情況下具有重要的意義。然而，由于這項研究是在受控環境下黑麥草生長的12周內進行的，因此從長期來看，得出確切的結論是有限的。為了更好地理解根系在土壤侵蝕控制中的貢獻和作用，需要在土壤物理、化學和生物過程是動態的更大尺度上研究植物生長各階段的土壤侵蝕效應。