根系构型对土壤渗透性能的影响

王鑫皓,王云琦,2†,马 超,2,王玉杰,2

(1.北京林业大学水土保持学院重庆缙云山三峡库区森林生态系统国家定位观测研究站,100083,北京;2.北京市水土保持工程技术研究中心(北京林业大学),100083,北京)

植物根系对抑制土壤侵蚀和浅层滑破的发生有着明显的作用[13]：一方面植物根系通过单根抗拉力和根 土间的摩擦力增强土壤抵抗破坏的能力[47];另一方面植物根系能够改变土壤中水分的迁移,使土壤中基质吸力随含水量的改变而变化,从而影响边坡的应力平衡体系[810]。因此,根系对土壤渗透性能的影响的研究对于探讨含水率对边坡稳定的影响具有十分重要的意义。

植物根系一方面通过穿插、分割等机械作用使土体产生裂隙,从而增加土壤中大孔隙的数量来改善土壤渗透性能;另一方面根系通过提高土壤有机质、水稳性团聚体等的含量使土壤结构发生变化来影响土壤的入渗性能[1112]。李勇等[13]和刘道平等[14]发现根系对土壤渗透能力的强化值与≤1 mm径级的须根密度(有效根密度)关系极为密切。王帅[15]对百喜草根系的研究表明,粗壮的深根系能够在降雨初期增加雨水的下渗速度。李建兴等[16]和闫东峰等[17]的研究表明土壤的入渗性能与根长密度和根表面积密度呈正相关关系。这些研究大都是根长、根面积、根体积等生物量指标对土壤入渗性能的影响进行研究,但对于单株植物尺度上考虑不同根系构型[1819]的根系生长方向和分形维数对根土复合体入渗性能的影响尚不清楚。

为探究不同根系构型的根系对土壤入渗性能的影响,本研究选用6种不同根系构型的树种进行单株尺度上的入渗试验,分析根量、不同根系构型的根系方向和分形维数与土壤稳渗速率的关系,得出不同根系构型下根 土复合体入渗模型,并对其进行检验,从而探究不同根系构型对土壤入渗性能的影响,以期为水土保持优良树种的选择及其合理配置提供理论支持。

1 研究区概况

研究区设在重庆市缙云山国家级自然保护区(E 106°17′～106°24′,N 29°41′～29°52′),土地总面积为76 km2,属亚热带季风湿润性气候,年均气温为13.6℃,最热月(8月)平均气温为24.3℃,最冷月(1月)平均气温为3.1℃。年平均降水量1 611.8 mm,最高年降水量1 783.8 mm,冬半年(10—翌年3月)降水量368.0 mm,占全年的22.8%,夏半年(4—9月)降水量1 243.8 mm,占全年的77.2%。海拔350～951 m。植物资源丰富,有6个主要植被类型：常绿阔叶林、暖性针叶林、竹林、常绿阔叶灌丛、亚热带灌草丛和水生植被。土壤以三叠纪须家河组厚层石英砂岩、炭质页岩和泥质砂岩为母质风化而成的酸性黄壤及水稻土。

2 材料与方法

2.1 土样采集与树种种植

在标准林分内分3层取土,并测定土壤的物理性质(表1),过2.5目的筛子,去除里面的砾石和生物杂质,并按照自然密度和含水率重新配土。将乌桕(Sapium sebiferum)(V型)、大头茶(Gordonia acuminata)(VH型)、夹竹桃(Nerium indicum)(M型)、山矾(Symplocos lucida)(R型)、杉木(Cunninghamia lanceolata)(W型)和新木姜子(Neolitsea aurata)(H型)这6种不同根系构型的3年苗种在直径为20 cm,高为40 cm的PVC管里,底端加上钻有大量孔的堵帽,用于排水透气。种植过程中逐层加土,保证土中根系原有的形态不会土壤的压力而改变。另设无根土空白对照,3组重复共21个土壤试样,4个月(2017年4—8月)后进行实验。不同根系构型的示意图如图1所示[19]。

表1 土壤的基本物理性质Tab.1 Basic physical properties of the soil

图1 不同根系构型的示意图Fig.1 Schematic diagram of different root architecture

2.2 渗透试验

试验前用L99 TWS 1型土壤温度水分记录仪测定土壤初始含水比例,通过加水和静置蒸发2种方法来改变土壤的初始含水比例。试验过程中水温变化保持在23.3℃ ～25.1℃之间,土壤初始含水比例在23.2% ～26.3%之间,因此温度与土壤初始含水比例对土壤入渗速率的影响可忽略不计。

渗透实验采用自制装置(图2)。该装置由支架、漏斗、雨量筒(RG 3M型)、种有树苗的PVC管4部分组成。实验开始后在PVC管上端缓慢加水,其水面高度保持在5 cm左右[20],水经过根土复合体,由PVC管的底端的堵帽上的排水孔流出,经漏斗收集导入雨量桶中,通过雨量筒的记录设备记录桶底的下渗水量随时间的变化过程,来测定根 土复合体在定水头条件下渗流速率的变化过程。

图2 实验装置图Fig.2 Schematic diagram of experiment equipment

2.3 根系形态特征与土壤孔隙实验

渗透实验结束后,将整株根系挖出,清理后,利用量角器、钢尺和游标卡尺等对根系的长度、直径、角度等进行测量统计。同时用环刀在不同土层进行取土,带回实验室后用环刀法测定土壤的孔隙(表2)。

采用王国梁等[21]推导出的体积分形维数公式计算各植株的分形维数。其推导出的计算式为

式中：r为根系的直径,mm;V(r＜R)为直径＜R的根系累积体积(这里的体积均为体积分数);VT为根系的总体积;λV为所有根系区间的最大值(数值上等于最大根系直径),mm;D为根系直径体积分形维数;V(r＜R)/VT为直径＜R的根系的累积体积分数。计算时R取某级粒级上限值与下限值的算术平均值。然后以 lg(R/λV)为横坐标,以 lg(V(r＜R)/VT)为纵坐标,拟合成1条直线,该直线斜率等于3-D,进一步求出分形维数D值。然后对分形维数和稳渗速率之间的关系进行分析。

表2 不同根系构型及无根土的孔隙状况Tab.2 Pore conditions of different root architecture and sole soil %

2.4 入渗模型的拟合

将对6种不同根系构型的根 土复合体及无根土的入渗速率的变化用以下几种常见的入渗模型进行拟合,得出它们最适合的入渗模型。

1)Kostiakov公式

式中：f为入渗率,mm/min;a′入渗系数;t为时间,min。

2)Philip公式

式中：s为吸水率;A为稳渗率,mm/min。

3)Horton公式

式中：fc为稳定入渗率,mm/min;f0为初始入渗率,mm/min;K为常数。

入渗速率每5 min取1个值,得出渗流速率随时间的变化曲线,3个重复求取平均值后,利用Origin 8.0拟合渗透模型。

3 结果

3.1 根系量对土壤入渗性能的影响

3.1.1 根系生物量与渗透速率 根长密度和根体积分数是表征根系量的2个重要参数。根长密度表示的是单位土壤体积内根系的总长度,根体积分数表示的是单位土壤体积内的根系体积。由表3可知在同为3年苗的情况下不同根系构型的根长密度和根体积分数差异较大,根长密度最大的是W型根系,根长密度最小的是M型根系,根体积分数最大的是W型根系,根体积分数最小的是H型根系。

表3 根系量与渗透速率Tab.3 Root amount and infiltration rate

土壤的入渗性能将通过初始入渗速率和稳定入渗速率2个指标来表征,初渗速率与稳渗速率最小的均为无根土,最大的均为W型根系,根系的存在能够提高土壤的初渗速率达1.04～1.87倍,提高土壤的稳渗速率达2.00～5.23倍。由于稳渗速率代表的是入渗达到稳定后的速率,更能代表土壤的入渗性能,所以下文将用稳渗速率来代表土壤的入渗速率进行分析。

3.1.2 根长密度和根体积分数与土壤入渗速率的关系 由图3可知根系的根长密度与土壤的稳渗速率之间的关系为y=2.676 5x-0.081 9(R2=0.69,P=2.2×10-5),由图4可知根系的根体积分数与土壤入渗速率之间的关系为y=0.995 1x-0.236 7(R2=0.79,P=9.06×10-7)。P值均＜0.001,所以根长密度和根体积分数与稳渗速率均呈极显著的正相关关系。根长密度和根体积分数越大,根系在土壤中接触和影响的土壤越多,对土壤孔隙的改善效果越好,土壤入渗性能越好。

图4 根体积分数与稳渗速率的关系Fig.4 Relationship between root bulk density and steady infiltration rate

3.2 根系构型对土壤入渗性能的影响

3.2.1 不同根系构型的特征 不同根系构型的区别主要在于根系的方向与分支。由图5可知：H型根系,其根系形态为大部分根系沿水平方向广泛地延伸,同时含有少量的倾斜根和垂直根;VH型根系,其根系具有强壮的主根,侧根广泛的延伸且与水平面夹角较小;W型根系,其根系形态为侧根广泛延伸,主根系较浅;V型根系,其根系形态为主根系接近垂直,侧根系与主根系较小;R型根系,其根系形态为大部分根系倾斜生长,存在少量的垂直根和水平根,具有较宽的横向范围;M型根系,其根系具有大量的根系分支,各个方向都有生长。

图5 各根系构型不同方向的根系数量Fig.5 Number of roots with different directions of each root architecture

根系体积分形维数大小,能够体现各个径级的根系体积与总体积之间的关系,能够从侧面反映根系的分枝状况。VH型、H型、V型3种根系构型有明显的主根,所以它们的分形维数较小,W型、M型这2种根系构型没有主根或者主根不明显,所以分形维数较大。6种不同根系构型的分形维数如图6所示均在1～2之间,根系分形维数最大的是杉木,根系分形位数最小的是新木姜子。

图6 不同根系构型的分形维数Fig.6 Fractal dimension of different root architecture

3.2.2 不同根系构型的根系方向对土壤入渗性能的影响 以各根系构型不同方向上的根系数量为自变量,水平根数量(x1)、倾斜根的数量(x2)和垂直根的数量(x3),以土壤的稳渗速率为(y)因变量,利用Ri386 3.3.1进行多元线性回归,得出y=-0.011x1+0.01x2+0.03x3+0.28(R2=0.70,P=5.4×10-4),P值＜0.01,不同方向的根系数量与土壤稳渗速率呈极显著关系。从公式中自变量的系数可以得出水平根对土壤的入渗速率起抑制作用,倾斜根和垂直根对土壤的入渗速率起促进作用。这可能是因为根系的存在能够改善土壤的物理性,增加土壤的孔隙[21]。由表2可知根土复合体的总孔隙度和毛管孔隙度明显大于无根土,H型、VH型根系的0～20 cm层的总孔隙和毛管孔隙较大,V型、W型在10～30 cm的总孔隙度和毛管孔隙度较大。总孔隙度和毛管孔隙度的大小与根系的分布有很大的关系,水平根多的根型浅层土壤中的孔隙度较大,倾斜根和垂直根多的根型深层土壤的孔隙度较大,水平根的存在会增加土壤的不透水面;所以倾斜根和垂直根能够促进土壤的入渗,水平根会抑制土壤水分的入渗。

3.2.3 不同根系构型的根系分形维数对土壤入渗性能的影响 应用分形理论根系研究,可以加深对根系几何形态性质的认识,提高定量描述根系统形态参数的可靠性[22]。由图7可知根系分形维数与土壤的稳渗速率之间的关系是y=0.48x-0.25(R2=0.51,P=9.24×10-4),P值＜0.001,所以根系的分形维数与土壤的稳渗速率呈极显著的正相关关系。这可能是因为根系的分形维数越大,表明细根的含量越多[23],细根数量越多,根系与土壤接触面越大,根系对土壤入渗性能的改良作用越好。

3.2.4 标准化后根系构型对土壤入渗性能的影响

由图3和图4可知根系的根长密度和根体积分数会影响土壤的入渗速率,消除根系体积对土壤入渗的影响,突出不同根系构型的作用,通过对根系体积的标准化,进一步的分析不同根系构型对稳渗速率的影响,利用式(2)求出单位土壤体内单位根系体积对稳渗速率的贡献值

式中：RCV为单位土壤体积内单位根系体积对土壤稳渗速率的贡献值;SIR为稳定入渗速率,mm/min;RVD为根长密度,mm/cm3。

由表4可知单位土壤体积内单位根系体积对土壤稳渗速率的贡献值从大到小依次为V型＞M型＞R型＞W型＞VH型＞H型,所以在根系体积相同的情况下V型根系的稳渗速率最大,H型根系的稳渗速率最小。这与上述不同方向的根系数量对稳渗速率的影响相同,以水平根为主的V型和VH型根系的贡献值较小,以垂直根为主的V型和W型根系的贡献值较大。

图7 分形维数与稳渗速率的关系Fig.7 Relationship between fractal dimension and steady infiltration rate

表4 不同根系构型对土壤稳渗速率的贡献值Tab.4 Contribution of different root architecture to soil steady infiltration rate

3.3 不同根系构型的根土复合体的入渗模型及有效性检验

由表5可知Philip公式的参数拟合的A(稳渗率)除R型外均为负值,与其代表的实际意义不符;从R2来看Horton公式和Kostiakov公式都有较好的拟合效果,Horton公式比Kostiakov公式更接近接近于1,所以6种不同根系构型的根-土复合体及无根土的入渗速率随时间的变化趋势用Horton公式来拟合效果更好。

为进一步检验模型的有效性,对实测值和Horton公式与Kostiakov公式的模拟值进行正态化处理后,用配对 t检验来检验模型的有效性,当|t|≥tα/2(35),模型的实测值于模拟值无显著差异,模型可用。检验结果见表6,无根土、H 型根 土复合体和M 型根 土复合体可以用Horton公式拟合,无根土、M 型根 土复合体、R 型根 土复合体和W型根 土复合体可以用Kostiakov公式拟合。

表5 不同根系构型的入渗模型Tab.5 Infiltration model of different root architecture

表6 配对t检验t值表Tab.6 Paired t test t value table

4 讨论

关于根系对土壤入渗性能的影响前人进行了大量研究,J.Huang等[24]的研究表明在相同降雨条件下有植物生长的土壤的湿润锋深度明显大于裸地的;李建兴等的[16]研究表明土壤的入渗性能随根系的根长密度、根表面积密度呈正相关关系。本研究结果表明根系存在能够提高土壤的入渗性能2～5.23倍,且土壤的入渗性能与根长密度和根体积分数呈正相关关系,与前人的研究结果基本一致。植物根系在土体中穿插、缠绕能够改善土壤空隙状况,从而增加土壤渗透性。根长密度与根体积分数越大根系对土壤孔隙的改善作用越好,土壤的入渗性能越好。

关于不同根系构型对土壤入渗性能的研究较少,M.Ghestem等[25]的研究表明水平根系能够阻止水分的下渗,倾斜根和垂直根能够促进土壤水分流向深层土壤。本研究结果表明倾斜根与垂直根的数量越多土壤的稳渗速率越大,水平根数量越多土壤的稳渗速率越小,与前人的研究基本一致。不同的根系构型,对土壤孔隙状况的影响不同,水平根的存在对浅层的土壤的孔隙状况影响较大,垂直根和倾斜根的存在对深层的土壤孔隙影响较大,不同方向的根系穿插、延伸过程中会形成横向或者纵向的植物根孔[16],从而改善土壤的入渗性能。不同根系构型的根系体积分形维数差异较大,本研究表明根系的体积分形维数越大土壤的稳渗速率越大,这与前人的研究基本一致,刘道平等[14]研究表明发现≤1 mm细根根重与土壤渗透性显著相关。体积分形维数越大细根含量越多,细根的存在能够较好盖上土壤的入神性能。综上可知：细根数量越多,倾斜根和垂直根数量越多的的根系构型改善土壤入渗性能的效果越好。

对于土壤入渗模型已经有大量的研究[2627],但对于不同根系构型下土壤入渗模型的研究尚不存在。王玉杰等[28]和王云琦等[29]的研究表明缙云山4种典型林分土壤的入渗速率,以Philip公式拟合效果较好,而对于农地土壤则采用Horton公式模拟效果好。林代杰等[30]的研究表明四川盆地的红叶李林、李园、梨园、桃园4种土地利用方式的土壤入渗过程均可通过Kostiakov公式进行高精度拟合。本研究结果表明从R2来看根 土复合体的渗透速率随时间的变化的曲线用Horton公式的拟合效果最好,不适合使用Philip公式进行拟合。结果不同的原因一个方面因为试验方法不同上述研究均采用双环法测定入渗速率,而本实验采用的定水头入渗试验,另一方面是因为实验材料的不同,上述研究的所选林分为天然林或成熟的人工林种林木的间隙处,而本实验所用的为整株植株幼苗。

植物根系的存在能够明显改善土壤的入渗性能,一方面土壤渗透性能越好,地表产流越少[31],这对水土保持是有利的,另一方面入渗性能通过影响土壤中水分的传递来影响坡体的稳定性,当土层与根系分布较深时,会促进浅层土壤的水流向深层,有效降低浅层土壤孔隙水压力,这对坡体稳定是有利的[32]。但是在强降雨或者连续降雨条件下,表层土壤中的水分不能顺利流向深层土壤或者土层较浅的时候,根系的存在导致浅层土壤含水率升高的更快,增加土壤中的孔隙水压力,破坏了边坡的应力平衡体系形成浅层滑坡,这对坡体稳定是有害的[33];所以对于土层较浅的坡体,种植H型、VH型根系的树种减少土壤水分的下渗有利于坡体的稳定,当土层较深时种V型、W型根系的树种有利于坡体稳定。

5 结论

通过对6种根系构型的3年苗植株根 土复合体的入渗透试验表明：

1)与无根土对比,根系的存在能够提高土壤的初渗速率达1.04～1.87倍,提高土壤的稳渗速率达2～5.23倍。

2)根长密度、根体积分数以及根系体积分形维数与根 土复合体的稳渗速率呈正相关关系。

3)不同的根系构型对土壤入渗性能的影响不同,水平根多的根系构型入渗性能较差,倾斜根和垂直根数量多的根系构型入渗性能较好。

4)当根系体积相同时根 土复合体的入渗从大到小依次为速率为V型＞M型＞R型＞W型＞VH型＞H型。

5)从R2来看根 土复合体的渗透速率 时间曲线用Horton公式的拟合效果最好。通过摸型的有效性检验后可以用Horton公式拟合的是H 型根 土复合体和M 型根 土复合体,可以用Kostiakov公式拟合的是M 型根 土复合体、R 型根 土复合体和W型根 土复合体。