紫色土坡耕地地埂草籬根系土壤抗蝕與抗沖性能特征研究

李鴻，諶蕓*，劉梟宏，劉有斌，都藝芝

（1. 西南大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，三峽庫(kù)區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400715；2. 成都市水利水保監(jiān)測(cè)中心，四川 成都 610501）

紫色土質(zhì)地松軟、結(jié)構(gòu)松散、易風(fēng)化，主要分布在我國(guó)川中丘陵區(qū)，該區(qū)坡耕地墾殖指數(shù)高、地形起伏且降水不均，水土流失極為嚴(yán)重［1-2］。就生態(tài)環(huán)境而言，紫色土坡耕地水土流失會(huì)引發(fā)土層變薄、土地退化、農(nóng)業(yè)面源污染加劇等問(wèn)題，嚴(yán)重阻礙了當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)業(yè)生產(chǎn)生活和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。為此，紫色土區(qū)實(shí)施了坡改梯、坡面水系工程、等高耕作等措施，其中以坡改梯的成效較為顯著［3］。近年來(lái)，紫色土區(qū)坡耕地坡改梯現(xiàn)有地埂和土坎損壞的情況時(shí)有發(fā)生，隨之出現(xiàn)了一種新型的地埂草籬治理模式［4］。地埂草籬是指在坡耕地地埂下部或邊緣土坎上種植草本植物形成的籬笆，既可以穩(wěn)定埂坎，又可以治理水土流失［5-6］。目前對(duì)于地埂草籬的研究多集中于其改善土壤物理性狀［4］、攔流截沙等方面［7］，對(duì)于不同地埂草籬根系的土壤抗蝕和抗沖性能的關(guān)注不夠。此外，相較等高植物籬較為深入的研究，針對(duì)地埂草籬根系提高埂坎土壤穩(wěn)定性的研究更是少見(jiàn)，結(jié)合西南紫色土區(qū)坡改梯埂坎損毀現(xiàn)狀，加強(qiáng)相關(guān)研究有助于明晰地埂草籬的固土機(jī)理，對(duì)該措施的應(yīng)用推廣具有實(shí)際意義。

土壤抗蝕性和抗沖性是評(píng)價(jià)土壤抗侵蝕能力的代表性指標(biāo)［8-9］。土壤抗蝕性與土壤自身理化性質(zhì)息息相關(guān)，土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量、微團(tuán)聚體的組成及有機(jī)質(zhì)的含量均是衡量土壤可蝕性的重要影響因素［10-12］。而土壤抗沖性具有動(dòng)力學(xué)的性質(zhì)［13-14］，其與土壤質(zhì)地、結(jié)構(gòu)及地表植被有關(guān)［15］。植物根系對(duì)土壤抗蝕和抗沖性能有重要作用，一方面，根系的交織穿插、牽拉、盤繞和固結(jié)作用可有效地固持土體［16］，根系分泌物通過(guò)促進(jìn)土壤顆粒的膠結(jié)作用，改善土壤理化性質(zhì)，進(jìn)而增強(qiáng)土壤抗侵蝕能力［17-19］；另一方面，植物根系通過(guò)增強(qiáng)土壤顆粒的團(tuán)聚作用，降低土壤崩解破裂成細(xì)小顆粒的幾率，增強(qiáng)土壤的抗沖性［20-21］。地埂草籬相較于單株植株，其地下根系相互纏繞、交結(jié)，地下根系的分布特性影響著其固土和減流減沙效應(yīng)，因此探究地埂草籬根系分布特征對(duì)土壤抗蝕性和抗沖性的影響，對(duì)檢驗(yàn)地埂草籬措施提高埂坎的穩(wěn)定性效果具有一定的科學(xué)意義。此外，目前的研究并未建立土壤抗蝕性和抗沖性間的耦合關(guān)系，也未對(duì)二者和土壤理化性質(zhì)指標(biāo)間的關(guān)系進(jìn)行綜合討論。不同地區(qū)不同植物的根系特征不同，因此對(duì)土壤抗蝕和抗沖性能的作用各不相同，如祁連山東端高寒區(qū)的杜鵑（Rhododendron simsii）、山西關(guān)帝山鹿蹄草（Pyrola rotundifolia）的土壤抗蝕性較高［9，12］，喀斯特區(qū)的金銀花（Lonicera japonica）、三峽庫(kù)區(qū)扁穗牛鞭草（Hemarthria compressa）土壤抗沖性較強(qiáng)［22-23］。目前針對(duì)紫色土坡耕地不同地埂草籬土壤抗蝕和抗沖性能的相關(guān)研究已陸續(xù)開(kāi)展，但能兼顧固持地埂和經(jīng)濟(jì)效益的牧草籬種還有待探尋。

鑒于此，本研究以紫色土坡耕地紫花苜蓿（Medicago sativa）和拉巴豆（Dolichos lablab）2 種地埂草籬為研究對(duì)象，未種植地埂草籬作為對(duì)照，分析不同草籬根系對(duì)土壤抗蝕和抗沖性能的影響，闡明土壤理化性質(zhì)、土壤抗蝕和抗沖性能間的相互作用，構(gòu)建土壤抗沖性與抗蝕性間的耦合關(guān)系，以期為紫色土坡耕地地埂草籬技術(shù)的推廣應(yīng)用及水土流失治理提供指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)位于重慶市北碚區(qū)西南大學(xué)后山紫色丘陵區(qū)坡耕地水土流失監(jiān)測(cè)基地，E 106°26'，N 30°26'，平均海拔約230 m。該基地位于亞熱帶季風(fēng)氣候，降水充沛，主要集中在5-9 月，年均降水量約1100 mm，年均溫約18 ℃，土壤類型為中性紫色土。本研究位于該試驗(yàn)區(qū)的一完整坡耕地坡面，植被覆蓋率70%，坡度約10°。夏季種植紅薯（Ipomoea batatas），冬季種植白菜（Brassica pekinensis），耕作方式均為順坡耕作。坡面上均勻分布著地埂，埂下土坎約為30°，高0.8 m，土層厚度20～30 cm，植被蓋度較低，自然生草主要為野香草（Elsholtzia cypriani）和麥冬（Ophiopogon japonicus）。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及樣品采集

如圖1 所示，本試驗(yàn)設(shè)置對(duì)照（CK）、紫花苜蓿地埂草籬、拉巴豆地埂草籬3 種處理，每個(gè)處理3 個(gè)重復(fù)，共計(jì)9條地埂。于2019 年3 月初，清理埂坎雜草后，開(kāi)溝條播，溝長(zhǎng)6 m、寬0.1 m、深0.1 m，行距0.3 m，紫花苜蓿播種密度為0.029 kg·m-2，拉巴豆播種密度為0.004 kg·m-2。在地埂草籬與耕地田面間布設(shè)水平溝，以減少地埂草籬與農(nóng)作物間的養(yǎng)分競(jìng)爭(zhēng)。于2020 年7 月上旬，進(jìn)行地埂草籬根系樣品采集及土壤樣品采集，選擇晴天采集樣品，且每次采樣前3 d 內(nèi)未降水。采樣時(shí)，紫花苜蓿及拉巴豆地埂草籬株高均為0.6 m，覆蓋度分別約為80%、84%。

圖1 試驗(yàn)小區(qū)示意Fig.1 Schematic of test plots

地埂草籬根系樣品采集：在每條紫花苜蓿和拉巴豆地埂草籬地埂各選取3 株標(biāo)準(zhǔn)株，即紫花苜蓿和拉巴豆分別采集9 株標(biāo)準(zhǔn)株（標(biāo)準(zhǔn)株，即平均地徑和株高相近的樣本植株）。采集前先挖取50 cm×30 cm 的剖面，記錄剖面根系的數(shù)量及直徑，記錄完成后采取大開(kāi)挖的方式挖出標(biāo)準(zhǔn)株，盡量防止根系損傷。

土壤樣品的采集：在每條對(duì)照地埂隨機(jī)選取3 個(gè)采樣點(diǎn)，共計(jì)9 個(gè)對(duì)照采樣點(diǎn)，分別于紫花苜蓿和拉巴豆地埂草籬9 株標(biāo)準(zhǔn)植株旁選取9 個(gè)采樣點(diǎn)，3 種處理總計(jì)27 個(gè)采樣點(diǎn)。各樣點(diǎn)按照5 點(diǎn)采樣法，在每個(gè)點(diǎn)均勻采集少量0～10 cm 土層的散土樣，均勻混合去除雜物，分別用密封袋標(biāo)記并塑封，用于測(cè)定土壤有機(jī)質(zhì)、水穩(wěn)性團(tuán)聚體和微團(tuán)聚體；采集樣點(diǎn)的土壤環(huán)刀（100 cm3）樣，用于測(cè)定土壤容重（bulk density， BD）、孔隙度、田間持水量（field capacity， FC）；采集土壤鋁盒樣品以測(cè)定土壤含水率；每個(gè)采樣點(diǎn)放置1 個(gè)抗沖環(huán)刀采集根-土復(fù)合體樣本，用于測(cè)定土壤抗沖性能。

1.3 測(cè)定方法

1.3.1 根系特征 將沖洗干凈的整株根系樣品自然曬干后，采用EPSON 根系掃描儀（PERFECTION C 700，日本）進(jìn)行灰度掃描，用根系分析系統(tǒng)WinRHIZO（Pro. 2009）得出根系形態(tài)特征指標(biāo)：根系長(zhǎng)度（root length，RL）、根系表面積（root surface area， RSA）、根系體積（root volume， RV）、整株根尖數(shù)（root tips， RT）、整株根分枝數(shù)（root forks， RF）及整株根分叉數(shù)（root crossings， RC）。

1.3.2 土壤理化性質(zhì) 采用環(huán)刀浸水法［24］測(cè)定土壤容重、總孔隙度（total porosity， TP）、毛管孔隙度（capillary porosity， CP）、非毛管孔隙度（noncapillary porosity， NP）和田間持水量；土壤含水率（soil moisture，SM）采用烘干法［24］測(cè)定；采用重鉻酸鉀氧化-外加熱法［24］測(cè)定土壤有機(jī)質(zhì)（organic matter， OM）。

1.3.3 土壤抗蝕性 采用H.N. 薩維諾夫法［24］測(cè)定土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量，并計(jì)算水穩(wěn)性團(tuán)聚體平均質(zhì)量直徑（the mean weight diameter of water stability aggregate，MWDb）、幾何平均直徑（the geometrical mean diameter of water stability aggregate，GMDb）、＞0.25 mm 的結(jié)構(gòu)破壞率（percentage of aggregate disruption of ＞0.25 mm，PAD0.25）和＞0.5 mm 的結(jié)構(gòu)破壞率（percentage of aggregate disruption of ＞0.5 mm，PAD0.5）；采用吸管法［24］測(cè)定土壤微團(tuán)聚體含量，并計(jì)算微團(tuán)聚體的平均質(zhì)量直徑（the mean weight diameter of microaggregate，MWDs）、幾何平均直徑（the geometrical mean diameter of microaggregate，GMDs）、分散系數(shù)（dispersive coefficient，K）、團(tuán)聚度（agglomeration degree，K’）。

土壤平均質(zhì)量直徑（MWD）和幾何平均直徑（GMD）是表達(dá)土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的重要指標(biāo)，本研究分別計(jì)算了土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體的MWDb和GMDb以及微團(tuán)聚體的MWDs和GMDs。計(jì)算公式如下：

式中：xi是第i級(jí)團(tuán)聚體平均直徑，mm；wi是第i級(jí)團(tuán)聚體質(zhì)量，g；w是團(tuán)聚體總質(zhì)量。

團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)破壞率（PAD）也是表達(dá)土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體穩(wěn)定性的重要指標(biāo)，本研究分別計(jì)算了PAD0.25和PAD0.5，其計(jì)算公式如下：

式中：Di為大于i粒級(jí)風(fēng)干團(tuán)聚體的質(zhì)量，g；D為風(fēng)干團(tuán)聚體總質(zhì)量，g；Wi為大于i粒級(jí)水穩(wěn)性團(tuán)聚體的質(zhì)量，g；W為水穩(wěn)性團(tuán)聚體的總質(zhì)量，g。

土壤分散系數(shù)（K）用來(lái)表示土壤微團(tuán)聚體在水中被破壞的程度，計(jì)算公式如下：

式中：K為土壤分散系數(shù)，%；a為土壤微團(tuán)聚體分析時(shí)的黏粒（＜0.001 mm 顆粒）百分含量，%；b為土壤顆粒分析時(shí)黏粒的百分含量，%。

土壤團(tuán)聚度（K’）用來(lái)表示微團(tuán)聚體的水穩(wěn)性，計(jì)算公式如下：

式中：K’為土壤團(tuán)聚度，%；a'為土壤微團(tuán)聚體分析時(shí)＞0.05 mm 的穩(wěn)固性微團(tuán)聚體含量，%；b'為土壤顆粒分析時(shí)＞0.05 mm 的含量，%。

1.3.4 抗沖性能 采用原狀土沖刷法［17］測(cè)定抗沖指數(shù)（anti-scourability index， ASI）。沖刷水槽長(zhǎng)1.8 m，寬0.11 m，坡度為30°，流量為2 L·min-1，抗沖指數(shù)計(jì)算公式如下：

式中：ASI為抗沖指數(shù)，L·g-1；Q為沖刷流量，L·min-1；t為沖刷歷時(shí)，min；WLDSt為t時(shí)刻沖刷流失干土重，g。抗沖指數(shù)變化值（ΔASI）根據(jù)t時(shí)刻地埂草籬和CK 的ASI差值變化率計(jì)算得到。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2019 和SPSS 22.0 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析。采用單因素方差分析（One-way ANOVA）對(duì)不同地埂草籬根系土壤的理化性質(zhì)、抗蝕抗沖性能進(jìn)行差異顯著性分析，用Duncan 法進(jìn)行多重比較。采用冗余分析（redundancy analysis， RDA）探究草籬根系與土壤的理化性質(zhì)、抗蝕抗沖性能的相關(guān)關(guān)系。采用Excel 2019、CAD 2020 和canoco 5 繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同地埂草籬根系形態(tài)特征

由表1 可知，拉巴豆地埂草籬整株RL 及RSA 均顯著高于紫花苜蓿地埂草籬（P＜0.05），拉巴豆和紫花苜蓿地埂草籬整株RV、RT、RF 及RC 無(wú)顯著差異（P＞0.05）。

表1 不同地埂草籬根系形態(tài)特征Table 1 Root parameters of different bank hedgerows

2.2 不同地埂草籬根系對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響

由表2 可知，拉巴豆地埂草籬根區(qū)土壤SM 顯著高于CK（P＜0.05），紫花苜蓿地埂草籬根區(qū)土壤SM 顯著低于CK（P＜0.05）。拉巴豆及紫花苜蓿地埂草籬根區(qū)土壤BD 均顯著低于CK（P＜0.05），較CK 分別降低了14.89%和7.80%。拉巴豆及紫花苜蓿地埂草籬根區(qū)土壤TP 均顯著高于CK（P＜0.05），較CK 分別高出了16.70%和11.79%。3 種處理?xiàng)l件下土壤CP 間無(wú)顯著差異（P＞0.05）。拉巴豆地埂草籬根區(qū)土壤NP 較紫花苜蓿和CK 分別高34.02%和44.42%，且存在顯著差異（P＜0.05）。紫花苜蓿地埂草籬根區(qū)土壤FC 顯著高于CK（P＜0.05），而拉巴豆地埂草籬根區(qū)土壤OM 顯著高于紫花苜蓿（P＜0.05）。

表2 不同地埂草籬土壤理化性質(zhì)Table 2 Soil physicochemical properties of different bank hedgerows

2.3 草籬根系對(duì)土壤抗蝕性能的影響

由圖2 可知，拉巴豆地埂草籬根區(qū)土壤＞5 mm 粒徑水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量顯著低于紫花苜蓿和CK（P＜0.05）。2～5 mm 和1～2 mm 粒徑水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量3 種處理?xiàng)l件下均無(wú)顯著差異（P＞0.05）。紫花苜蓿地埂草籬根區(qū)土壤0.5～1.0 mm 和0.25～0.50 mm 粒徑水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量均顯著低于拉巴豆和CK（P＜0.05），且拉巴豆地梗草籬根區(qū)土壤0.25～0.50 mm 粒徑水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量顯著高于紫花苜蓿（P＜0.05）。拉巴豆地梗草籬根區(qū)土壤＜0.25 mm 粒徑水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量顯著高于紫花苜蓿和CK（P＜0.05）。

圖2 地埂草籬土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量Fig.2 Soil water-stable aggregates content of bank hedgerows

如圖3 所示，拉巴豆和紫花苜蓿水穩(wěn)性團(tuán)聚體PAD0.25和PAD0.5大小均表現(xiàn)為：紫花苜蓿＞拉巴豆，二者間無(wú)顯著性差異（P＞0.05）。而拉巴豆和紫花苜蓿水穩(wěn)性團(tuán)聚體MWDb和GMDb大小均表現(xiàn)為：拉巴豆＞紫花苜蓿，二者間也無(wú)顯著性差異（P＞0.05）。

圖3 地埂草籬土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體平均質(zhì)量直徑、幾何平均直徑、＞0.5 mm 結(jié)構(gòu)破壞率、＞0.25 mm 結(jié)構(gòu)破壞率Fig.3 MWDb， GMDb， PAD0.25 and PAD0.5 of soil water-stable aggregates affected by bank hedgerows

由圖4 可知，拉巴豆地埂草籬根區(qū)土壤＞0.25 mm 粒徑微團(tuán)聚體含量顯著低于紫花苜蓿和CK（P＜0.05），而0.05～0.25 mm 粒徑微團(tuán)聚體含量顯著高于紫花苜蓿和CK（P＜0.05）。CK 處理0.01～0.05mm 粒徑微團(tuán)聚體含量顯著高于拉巴豆（P＜0.05）。0.005～0.010 mm、0.002～0.005 mm、0.001～0.002mm 和＜0.001 mm 粒徑微團(tuán)聚體含量在3 種處理?xiàng)l件下均無(wú)顯著差異（P＞0.05）。

圖4 地埂草籬土壤微團(tuán)聚體含量Fig.4 Soil microaggregates content of bank hedgerows

如圖5 所示，3 種處理的微團(tuán)聚體K 大小表現(xiàn)為：CK＞紫花苜蓿＞拉巴豆，三者間無(wú)顯著性差異（P＞0.05）。3 種處理的微團(tuán)聚體K’大小表現(xiàn)為：CK＞拉巴豆＞紫花苜蓿，三者間無(wú)顯著性差異（P＞0.05）。3 種處理的微團(tuán)聚體MWDs和GMDs大小均表現(xiàn)為：紫花苜蓿＞拉巴豆＞CK，且除紫花苜蓿地埂草籬根區(qū)土壤GMDs顯著高于CK（P＜0.05）外，其余處理間無(wú)顯著性差異（P＞0.05）。

圖5 地埂草籬土壤微團(tuán)聚體平均質(zhì)量直徑、幾何平均直徑、分散系數(shù)和團(tuán)聚度Fig.5 MWDs， GMDs， K and K’ of soil microaggregates affected by bank hedgerows

2.4 草籬根系對(duì)土壤抗沖性能的影響

由圖6 可知，3 種處理土壤ASI 無(wú)顯著差異（P＞0.05），具體表現(xiàn)為：拉巴豆＞紫花苜蓿＞CK，拉巴豆地埂草籬ASI 是CK 的1.91 倍，是紫花苜蓿地埂草籬的1.52 倍。在任意時(shí)間下（圖7），ASI 大小均呈現(xiàn)出拉巴豆＞紫花苜蓿＞CK 的關(guān)系。在前4 min 土壤ASI 均快速增長(zhǎng)，在20 min 時(shí)最大。通過(guò)非線性回歸分析，建立不同處理ASI與時(shí)間的關(guān)系，結(jié)果如圖7 所示，圖內(nèi)方程的檢驗(yàn)結(jié)果均達(dá)到顯著水平（P＜0.05）。結(jié)果表明3 種處理下，ASI 是沖刷時(shí)間的對(duì)數(shù)函數(shù)，且隨著沖刷時(shí)間的增加，ASI 呈對(duì)數(shù)增加。拉巴豆地埂草籬擬合方程的R2大于紫花苜蓿，且拉巴豆地埂草籬方程系數(shù)是紫花苜蓿的1.37 倍，表明拉巴豆地埂草籬的ASI 隨沖刷時(shí)間的增長(zhǎng)速度高于紫花苜蓿，抗沖性能更強(qiáng)。

圖6 地埂草籬土壤平均抗沖指數(shù)和抗沖指數(shù)變化值Fig.6 The average ASI and △ASI affected by bank hedgerows

圖7 地埂草籬土壤抗沖指數(shù)和抗沖指數(shù)變化值的動(dòng)態(tài)變化Fig.7 Dynamic changes of ASI and △ASI affected by bank hedgerows

如圖6 所示，拉巴豆地埂草籬抗沖指數(shù)變化值（△ASI）顯著高于紫花苜蓿（P＜0.05），是紫花苜蓿的4.47 倍。隨著沖刷時(shí)間的增加，兩種地埂草籬△ASI均呈現(xiàn)相同的波動(dòng)式變化，均在第12 min 出現(xiàn)峰值點(diǎn)（圖7）。且在任意時(shí)間下，△ASI 大小均呈現(xiàn)出拉巴豆高于紫花苜蓿的關(guān)系。0～2 min，拉巴豆和紫花苜蓿地埂草籬△ASI 的增速均較快。通過(guò)非線性回歸分析，建立兩種地埂草籬△ASI 與時(shí)間的數(shù)學(xué)關(guān)系，發(fā)現(xiàn)△ASI 是沖刷時(shí)間的二次函數(shù)。

2.5 地埂草籬根系和土壤理化性質(zhì)對(duì)土壤抗蝕、抗沖性的影響

通過(guò)對(duì)外在因素地埂草籬根系形態(tài)特征指標(biāo)和土壤抗蝕、抗沖性能（MWDb、GMDb、PAD0.5、PAD0.25、MWDs、GMDs、K、K’、ASI）9 個(gè)因素進(jìn)行冗余分析，以解析根系形態(tài)特征因素對(duì)土壤抗蝕和抗沖指標(biāo)的影響程度（圖8）。土壤抗蝕、抗沖性能在第1 軸、第2 軸的解釋量分別為78.06%和13.81%，累計(jì)解釋量為91.87%。RC 和RT 對(duì)土壤抗蝕和抗沖指標(biāo)的影響較大，分別解釋了40.3% 和24.0%，其次是RV（17.3%）、RSA（15.2%）和RL（3.3%）。RDA 分析表明，RC 和RT 與MWDb、GMDb間呈強(qiáng)烈的正相關(guān)關(guān)系，與PAD0.5、PAD0.25、MWDs、GMDs、K 間呈強(qiáng)烈的負(fù)相關(guān)關(guān)系，與K’、ASI 間具有較微弱的負(fù)相關(guān)關(guān)系。

圖8 地埂草籬根系特性與土壤抗蝕、抗沖性的冗余分析Fig. 8 Redundancy analysis among soil anti-erodibility and anti-scouribility of root parameters of bank hedgerows

同時(shí)對(duì)外在因素土壤理化性質(zhì)和土壤抗蝕、抗沖性能指標(biāo)進(jìn)行冗余分析，得到其對(duì)土壤抗蝕、抗沖性能影響的二維排序（圖9）。土壤抗蝕、抗沖性能在第1軸、第2 軸的解釋量分別為55.10%和16.85%，累計(jì)解釋量為71.95%。NP 和OM 對(duì)土壤抗蝕和抗沖指標(biāo)的影響較大，分別解釋了31.6%和24.6%，其次是SM（18.2%）、BD（8.5%）、FC（3.4%）和TP（2.2%）。OM 與MWDb、GMDb間具有較強(qiáng)的正相關(guān)關(guān)系，與PAD0.5、PAD0.25、K、K’間呈極強(qiáng)的負(fù)相關(guān)關(guān)系；NP 和SM 與MWDs、GMDs、ASI 間具有極強(qiáng)的正相關(guān)關(guān)系。

圖9 土壤理化性質(zhì)與土壤抗蝕、抗沖性的冗余分析Fig. 9 Redundancy analysis among soil anti-erodibility and anti-scouribility of soil physicochemical properties

考慮到自變量之間存在多重共線性，以土壤抗蝕性（MWDb、GMDb、PAD0.5、PAD0.25、MWDs、GMDs、K、K’）8個(gè)變量為因子，建立土壤抗沖指數(shù)ASI 與土壤抗蝕指標(biāo)間的逐步回歸分析方程，揭示了土壤抗沖性和土壤抗蝕性間的聯(lián)系，逐步回歸預(yù)測(cè)方程如下：

上述模型表明PAD0.5是影響土壤抗沖性ASI 的決定因子，且二者間呈正相關(guān)關(guān)系，逐步多元回歸模型具體參數(shù)如表3 所示。

表3 土壤抗沖指數(shù)與土壤抗蝕指標(biāo)間的逐步多元回歸模型參數(shù)Table 3 Stepwise multiple regression models for ASI and soil anti-erodibility properties

3 討論

草籬根系在土壤中穿透、扎伸、擠壓及死亡形成通道，改善土壤結(jié)構(gòu)，使土壤更加松散、通透［25-26］。本研究發(fā)現(xiàn)拉巴豆和紫花苜蓿地埂草籬土壤容重顯著低于對(duì)照，總孔隙度顯著高于對(duì)照，這表明兩種地埂草籬均能增強(qiáng)土壤的透水透氣性。此外，拉巴豆地埂草籬土壤容重顯著低于紫花苜蓿，總孔隙度和有機(jī)質(zhì)含量顯著高于紫花苜蓿，這是由于拉巴豆地埂草籬根系較多，根長(zhǎng)、根尖數(shù)、分枝數(shù)等根系形態(tài)指標(biāo)均優(yōu)于紫花苜蓿，根系擠壓了土壤顆粒占據(jù)更多的土壤孔隙，提升了土壤的透水透氣性能，更多活根系的分泌物和死根系的腐解增加了土壤有機(jī)質(zhì)［5，27］。

團(tuán)聚體平均質(zhì)量直徑、幾何平均直徑和團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)破壞率可較好地表現(xiàn)土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的好壞，結(jié)構(gòu)破壞率越小，平均質(zhì)量直徑、幾何平均直徑越大，團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)越穩(wěn)定［28］。本研究結(jié)果表明兩種地埂草籬PAD0.5及PAD0.25均小于對(duì)照，且拉巴豆地埂草籬MWDb和GMDb均高于紫花苜蓿，表明兩種地埂草籬能夠提高土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，改善土壤結(jié)構(gòu)，拉巴豆的改善程度優(yōu)于紫花苜蓿，其抗蝕性能更強(qiáng)。這可能是由于拉巴豆地埂草籬有機(jī)質(zhì)含量更高，促進(jìn)了水穩(wěn)性團(tuán)聚體的產(chǎn)生，提高了土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，增強(qiáng)土壤的抗蝕能力［29］。土壤微團(tuán)聚體可反映土壤原生顆粒在浸水條件下的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和分散強(qiáng)度，可以間接反映土壤的抗蝕性能，可通過(guò)團(tuán)聚度和分散系數(shù)來(lái)量化這一性能［30-31］。拉巴豆地埂草籬K 小于紫花苜蓿，K’高于紫花苜蓿，表明拉巴豆地埂草籬土壤微結(jié)構(gòu)的水穩(wěn)定性和抗蝕性也要優(yōu)于紫花苜蓿。這可能是由于拉巴豆具有更高的根系生物量，可產(chǎn)生更多的根系分泌物，促進(jìn)根系分泌物與土壤細(xì)顆粒間的膠結(jié)作用，促進(jìn)微團(tuán)聚體的產(chǎn)生，從而增加了微團(tuán)聚體的團(tuán)聚度［32-33］。兩種地埂草籬土壤抗沖性能均高于對(duì)照，且拉巴豆的抗沖性能要優(yōu)于紫花苜蓿，這與土壤抗蝕性能表現(xiàn)一致。一方面是由于拉巴豆地埂草籬根表面積、根密度等較大，更有效地固持土壤，防止土壤顆粒被沖刷分散，另一方面是因?yàn)槔投沟毓〔莼h的土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體及微團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)均更加穩(wěn)定，抗沖性能更強(qiáng)。本研究得出3 種處理抗沖指數(shù)與沖刷時(shí)間存在著對(duì)數(shù)函數(shù)關(guān)系，這與顏哲豪等［34］在喀斯特坡地黃壤的研究結(jié)果一致，但與屈東旭等［35］和張榮等［36］的研究結(jié)果不同，這可能是由不同的土壤及植物類型造成的。綜上，在紫色土坡耕地地埂草籬種類的選取上，拉巴豆在土壤抗蝕和抗沖性能方面均優(yōu)于紫花苜蓿。

本研究RDA 分析結(jié)果表明根長(zhǎng)、根表面積、根體積、分枝數(shù)及分叉數(shù)會(huì)不同程度地影響兩種地埂草籬的土壤抗蝕性和抗沖性。王婷等［37］對(duì)玉米（Zea mays）和大豆（Glycine max）兩種植物根系形態(tài)及土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性進(jìn)行了分析，結(jié)果表明作物根系的根長(zhǎng)、根表面積及根體積與團(tuán)聚體平均質(zhì)量直徑、幾何平均直徑間存在著顯著相關(guān)關(guān)系。張榮等［36］的研究表明根密度和根體積會(huì)影響土壤抗沖指數(shù)。此外OM 與MWDb、GMDb、PAD0.5、PAD0.25的相關(guān)性較強(qiáng)，這說(shuō)明土壤有機(jī)質(zhì)的增加會(huì)促進(jìn)土壤膠結(jié)物質(zhì)的生成，進(jìn)而促進(jìn)土壤的團(tuán)聚作用形成大粒徑的團(tuán)聚體，提高團(tuán)聚體穩(wěn)定性。高冉等［38］的研究發(fā)現(xiàn)土壤有機(jī)質(zhì)與團(tuán)聚體平均質(zhì)量直徑間存在著較強(qiáng)的正相關(guān)關(guān)系。Deng 等［39］研究也發(fā)現(xiàn)，土壤團(tuán)聚體水穩(wěn)定性隨著土壤有機(jī)質(zhì)的增加而增加。RDA 結(jié)果還表明NP 和SM 與土壤抗沖性相關(guān)性較強(qiáng)，這與先前的研究結(jié)果相似［40］。土壤孔隙越大，徑流的滲透能力越強(qiáng)，土壤的抗沖性更強(qiáng)［41］。

4 結(jié)論

1）拉巴豆和紫花苜蓿地埂草籬均能增強(qiáng)土壤的透水透氣性能，且相較于紫花苜蓿，拉巴豆地埂草籬根系長(zhǎng)度及根表面積更大，對(duì)土壤結(jié)構(gòu)的改善更有效。

2）兩種地埂草籬能夠提升土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體和微團(tuán)聚體的穩(wěn)定性，可改善土壤的抗蝕和抗沖性能，且拉巴豆地埂草籬的改善能力優(yōu)于紫花苜蓿。

3）冗余分析表明，地埂草籬整株分叉數(shù)和根尖數(shù)對(duì)土壤抗蝕和抗沖性能的影響較大，土壤非毛管孔隙度和有機(jī)質(zhì)對(duì)土壤抗蝕和抗沖指標(biāo)的影響較大；逐步回歸的結(jié)果表明PAD0.5是影響土壤抗沖指數(shù)的決定因子。

4）綜上所述，為提高紫色土坡耕地坡改梯地埂草籬的穩(wěn)定性，建議選取拉巴豆為地埂草籬籬種推廣應(yīng)用。