桑树根系对紫色土土壤抗剪强度的影响

南宏伟，贺秀斌，鲍玉海，王 莉，刘艳锋

(1.中国科学院成都山地灾害与环境研究所山地环境演变与生态调控重点实验室，四川成都610041;2.中国科学院 研究生院，北京100049)

三峡水利工程是我国最大、世界上为数不多的巨型水利枢纽之一，库区移民、生态修复和环境整治是水库高效安全运行的关键，同时三峡库区也是长江流域生态屏障的咽喉和水安全的重点，生态战略地位十分突出[1]。库区分布有大面积的紫色土，其成土母岩多为泥钙质胶结，物理风化迅速、固结性差，而且紫色土大多土层浅薄、有机质含量低、结构水稳性弱、抗蚀力和抗冲力较弱，在降雨特别是暴雨的冲刷下极易造成严重的水土流失[2]。研究表明，三峡库区坡耕地的土壤侵蚀和水土流失是库区泥沙淤积的主要原因[3]，积极科学地治理水土流失是库区生态环境建设工作的当务之急。同水土保持工程措施相比，植物措施具有综合效益显著的优点。大量研究表明，植物根系在稳定土壤结构、提高土壤抗冲性、防治土壤侵蚀方面的作用是其地上部分所无法比拟的;植被，尤其植物根系是改善土壤侵蚀环境的唯一最重要因素[4]。桑树(Morus albaL.)为落叶乔木，生态适应性强，具有显著的经济效益，而且拥有极其发达的根系。贺秀斌等论证了在库区发展蚕桑生态经济的可行性、发展潜力以及发展模式，并指出其综合效益显著[1]。因此，从理论上阐明桑树根系的水土保持作用机理对于三峡库区水土流失治理具有重要的指导意义。

众多研究表明桑树具有显著的水土保持效益，但相应的机理研究还不够深入[5-8]。土壤抗剪强度是指受到剪应力作用时，土体抵抗土粒或土团因持续剪切而引起的剪切变形破坏的阻力[9]。土壤水蚀过程在力学层次的实质是雨滴对土粒的击溅剪切作用和径流对土粒的冲刷剪切作用的过程综合，因此土壤抗剪强度是区域水土流失评价中反映土壤力学特性的重要指标之一[10]。本研究在重庆市忠县石宝镇选择桑树林地为研究对象，在分析桑树根系形态分布特征的基础上，评价其对紫色土土壤抗剪强度的影响，以期从土壤力学性质角度揭示桑树根系的水土保持作用机理，为三峡库区水土流失治理提供理论依据。

1 研究区概况

研究区位于重庆市忠县石宝镇申家河小流域，流域面积约45.7 km2，地理坐标为北纬 30°25'、东经 108°10'，海拔 195 m。该区属亚热带东南季风山地气候区，年均气温18.2℃，≥10℃的年积温5 891.4℃，年均降水量1 172.1 mm，降雨多集中在6—8月，年日照时数1 327.5 h，无霜期341 d，雾日47.3 d，相对湿度80%。本区属低山丘陵地貌，土壤为中性紫色土，质地为中壤或轻壤，富含钾、钙、锰、铁等矿质元素，土层厚度一般在0.5～2.0 m之间。受地形限制，该处桑树林地已近15年无人经营，几乎未受人为活动干扰。林地桑树树龄在20 a左右，平均高3.3 m，平均胸径10.2 cm，株行距1.2 m×1.2 m。林下植被以狗尾草(Setaria viridis)、牛鞭草(Hemarthria altissima)、空心莲子草(Alternanthera philoxeroides)、斑茅(Saccharum arundinaceum)和苎麻(Boehmeria nivea)为主。

2 材料与方法

2.1 样品采集及处理

2009年11月下旬在桑树林地内选择典型地段，沿行或列中央处开挖长3 m、深40 cm的土壤剖面3个，从土壤表层开始，用标准环刀(200 cm3)每隔10 cm分层采样。在各土壤剖面的每一水平分层中，以间隔60 cm设样品采集点5个，每点采集三环刀土壤根系混合样品，其中两环刀样品用于根系指标测定，剩余样品用于土壤容重测定，编号后带回实验室备用。另于林地边缘选择自然条件相似的地段开挖对照土壤剖面，采样方法同上。

新鲜桑树根系为淡黄色，且极具韧性，不易折断。将样品摊于塑料布上，用镊子仔细把桑树根系拣出、拣尽，并去除样品中其余杂质，然后将根系样品分别编号后保存于自封袋中备用。

2.2 根系扫描及指标计算

将采集的根系样品反复冲洗干净后，置于扫描仪中获取根系形态图像，利用WinRHIZO软件分析根系的长度、体积、表面积等形态学指标。依据根系直径，将供试根系分为细根(＜2 mm)、小根(2～5 mm)和中根(5 ～20 mm)三级[11]。另为研究需要，将细根中直径小于1 mm的根系定义为极细根。

利用上述分析数据计算各根系特性指标:根长密度，即单位土体内根系总长度(cm/m3);根体积密度，即单位土体内根系总体积(cm3/m3);根表面积密度，即单位土体内根系总表面积(cm2/m3)。

2.3 土壤指标测定

土壤容重采用环刀法测定，土壤抗剪强度采用十字板剪切仪测定，土壤紧实度采用土壤贯入度测定仪测定，土壤水分采用HH2 TDR土壤水分仪测定。测定范围为各样品采集点附近，即每一土壤分层进行5次重复测定。为研究需要，定义土壤抗剪强度增加值为林地土壤与对照土壤抗剪强度值之差。土壤紧实度增加值、容重增加值和水分增加值同理。

数理统计分析采用软件SPSS 13.0进行。

3 结果与分析

3.1 桑树林地根系垂直分布特征

研究结果表明，桑树林地根长密度总体上随土壤深度的增加而减少(见图1)，其在0—10 cm层同10—40 cm各层间存在显著差异，前者占总根长密度的34.6%。在各分层中，细根根长密度占有比率均达到95%以上，如0—10 cm层总根长密度为322 459.5 cm/m3，而细根根长密度为312 610.6 cm/m3，占有比率为96.9%。这充分表明了对根长密度而言，细根发挥着主导作用，而小根及中根的作用可以忽略不计。进一步计算可知，0—10 cm层极细根根长密度为276 506.4 cm/m3，分别占该层总根长密度、细根根长密度的85.7%、88.5%;在其他分层中也存在类似趋势。因此，对根长密度起主要作用的是极细根，而直径在1～2 mm间的细根对其贡献是有限的。

图1 桑树根系根长密度随土壤深度变化趋势

对根表面积密度而言，细根及极细根表现出随土壤深度的增加而减少的趋势，而中根、小根却存在相反的趋势，分别于20—30、30—40 cm 土层达到最大值26 619.52、29 143.38 cm2/m3(见图2)。在根系分级组成中，各类根系对根表面积密度的影响是不平衡的，其中发挥主要作用的仍是细根，这主要是由于细根在量上占绝对优势的缘故。但这种作用随土壤深度的增加呈减弱趋势，如细根表面积密度在0—10 cm层为54 813.87 cm2/m3，占同层表面积密度的81.8%，而到30—40 cm层，这一比例降为38.8%。此外，研究结果表明，极细根占同层细根表面积密度及同层总表面积密度的比例也随土壤深度的增加而不断降低，到30—40 cm层，这一比例分别降为58.5%和22.7%。

图2 桑树根系根表面积密度随土壤深度变化趋势

与上述研究结果相反，中根及小根对根体积密度发挥主导作用，而细根作用有限，且随着土壤深度的增加，这一趋势不断增强(见图3)。在0—10 cm土层，中根及细根的根体积密度分别为1 118.38和1 058.95 cm3/m3，分别占同层总根体积密度的41.1%和38.9%，而到30—40 cm土层，这一比例分别为65.1%和8.9%。除0—10 cm土层外，中根体积密度所占比例均超过了50%，所以中根是对根体积密度贡献最大的根类。方差分析结果表明，0—10 cm层细根体积密度同其余层存在显著差异。总体上中根及小根的根体积密度呈现出随土壤深度的增加而增加的趋势。

图3 桑树根系根体积密度随土壤深度变化趋势

3.2 桑树林地土壤抗剪强度垂直分布特征

如图4所示，桑树林地土壤抗剪强度总体上随土壤深度的增加而增加，从0—10 cm层到30—40 cm层，土壤抗剪强度由75.2 kPa增加至138.4 kPa。方差分析结果表明，林地土壤抗剪强度在0—10 cm层同10—40 cm各层间存在显著差异。与对照相比，由上而下，土壤抗剪强度增加值分别为-4.8、30.0、62.1和63.9 kPa，因此同对照相比，除0—10 cm层外林地土壤拥有较高的土壤抗剪强度。同桑树林地相比，对照地草本植物盖度较高，因此在0—10 cm层对照地总根系含量会高于林地，这可能是该层对照地土壤抗剪强度高于林地的主要原因。

图4 桑树林地土壤抗剪强度随土壤深度变化趋势

3.3 桑树根系对紫色土土壤抗剪强度的影响

为定量评价桑树根系对紫色土土壤抗剪强度的影响，以土壤抗剪强度增加值为因变量，选择土壤紧实度增加值、容重增加值、土壤水分增加值、平均根长密度、平均根表面积密度、平均根体积密度以及各根类的根长密度、根表面积密度、根体积密度等形态学指标为自变量，调用SPSS逐步回归分析过程，得到如下回归方程:

式中:Y为土壤抗剪强度增加值，kPa;X1为平均根体积密度，cm3/m3;X2为土壤水分(体积比)增加值，%。

由于逐步回归过程剔除了对因变量影响不显著的变量，因此土壤抗剪强度增加值主要来源于桑树平均根体积密度和土壤水分增加值的贡献，且前者回归系数为后者的2.6倍，由此可以看出桑树根系是林地土壤抗剪强度增加值的主要贡献者。尽管野外原位试验影响因素众多，本回归方程判定系数R2仍然达到了0.758，这从侧面说明了桑树根系和土壤水分变化对土壤抗剪强度的重要影响。

就土壤水分对土壤抗剪强度的影响而言，由于本文没有进行背景条件一致下的控制试验，因此难以得出更深入的结论。李保雄等[12]在对黄土的研究中发现随着含水量的增加，其内摩擦角和黏聚力呈不同的变化规律，这从侧面说明了这一问题的复杂性。

4 结论

(1)桑树林地0—40 cm土层根系垂直分布特征:根长密度总体上随土层深度的增加而减少，中根及小根的根体积密度随土层深度的增加而增加，根表面积密度则因不同根类而表现不同，其中细根及极细根的表面积密度表现出随土层深度增加而减少的趋势。

(2)桑树林地土壤抗剪强度总体上随土层深度的增加而增加;10—40 cm层林地土壤抗剪强度显著高于对照。

(3)紫色土土壤抗剪强度增加值主要来源于桑树平均根体积密度和土壤水分增加值的贡献，且前者是主要贡献者;桑树根系可以有效提高紫色土土壤的抗剪强度。

5 讨论

据张光灿等[13]研究，4年生桑树根系可分布到80 cm土层以下，但以0—40 cm土层内含量较大;张俊娥等[8]在桑粮间作田条桑根系分布格局的研究中指出，根系主要集中在20—40 cm土层内。本研究进一步分析了桑树不同径级根系根长密度、根表面积密度和根体积密度在0—40 cm土层内的分布规律，较深入地阐明了桑树林地根系的垂直分布格局。

土壤抗剪强度是衡量土壤抗侵蚀能力大小的决定性因子之一[14]，对桑树根系同紫色土土壤抗剪强度相关关系的研究有助于揭示桑树根系的水土保持作用机理。已有研究表明，土壤理化性质对抗剪强度有显著影响[15-16]。本研究中，不仅选取了桑树根系的形态学特性指标，而且选择了对抗剪强度有重要影响的土壤水分、紧实度和容重等理化指标进行逐步回归分析，较全面地概括了其主要影响因素，最后得出结论:紫色土土壤抗剪强度增加值主要来源于桑树平均根体积密度和土壤水分增加值的贡献，且前者是主要贡献者。

大量研究表明，植物根系的存在显著提高了土体的抗剪强度[17]，这种增强作用主要是通过增加黏聚力来实现的，植物根系对内摩擦角的影响很小[18];在形态特征中，根系直径对土壤抗剪强度的影响最为显著[19]。本研究认为紫色土土壤抗剪强度随桑树根系体积密度的增加而增加，从根系形态学角度说明了含根量对土壤抗剪强度的影响。由于根系直径同根系体积密切相关，因此从本研究结论也可反映出桑树根系直径对土壤抗剪强度的显著影响。胡其志等[20]研究表明，根土复合体的抗剪强度随含根量的增加而增大，但当含根量达到一定值时，根土复合体的强度增加并不明显，即存在最佳含根量区域。有关桑树根系的最佳含根量仍需进行深入的研究。

在回归方程的建立中，本研究选取了桑树根系不同根类的相关形态学指标，但由于这些变量对抗剪强度影响不显著而被剔除，这说明对紫色土抗剪强度增加效应发挥作用的是总体的桑树根系，或者是桑树根系的平均效应，不能简单归结于具体的哪一类根系。由于不同径级根类的解剖结构(如韧皮纤维、木纤维含量和周皮木质化程度等)差异较大，因此在根系的抗拉能力上也体现出相应差异，从而对根土复合体的抗剪强度产生不同的影响，所以桑树不同径级根系对于紫色土土壤抗剪强度的贡献是不平衡的。

本研究的结论说明桑树根系可以显著提高紫色土土壤抗剪强度，增强土壤的抗侵蚀能力，从而有效减少水土流失。此外，同草本植物相比，桑树根系分布较深，因此可以有效提高深层土壤的抗剪强度和抗侵蚀能力，积极预防和减少壤中流的发生，从而最大限度地实现保持水土的目标。在三峡库区发展蚕桑生态经济，不仅经济效益显著，而且具有无法估量的生态效益和社会效益[1]。因此，大力发展蚕桑生态经济可以实现库区农村经济发展与生态建设“双赢”。

(致谢:文中根系形态学指标测量试验得到了西南大学生命科学学院曾波教授和硕士研究生刘建辉的大力帮助，在此表示诚挚的谢意!)

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