模拟降雨下根系密度对土壤侵蚀和侵蚀性的影响

丁 培

(塔里木河流域干流管理局，新疆 库尔勒 841000)

农田土壤侵蚀是造成土壤流失的主要过程。全世界约90%的农业用地受到不同程度的土壤侵蚀[1]。与土壤流失一起，它还导致有机质和重要的植物营养物质如氮、磷、钾和钙的流失，影响土壤持水能力和土壤生物群，共同影响土壤生产力。植被长期以来一直被用于减少土壤侵蚀和恢复退化土地[2]。如果植被的地上部分主要负责提供遮蔽雨滴侵蚀力的场所，则地下生物量与土壤和土壤中的微生物直接相互作用。这些根系与环境的相互作用可以改变和稳定土壤团聚体及其结构，通过生长根系来改变大孔隙的比例和结构，影响渗透速率，并增加抗剪强度；根据根的结构功能、根的生理学，以及它们的发展阶段[3]，尽管早就证明了根系在土壤侵蚀控制中的重要性，但直到最近才开始研究各种一年生和多年生作物根系对土壤流失率和土壤可蚀性的影响[4]。根系密度、根系长度密度和根系表面积密度是量化土壤中根系数量与土壤可蚀性关系的常用参数。总的来说，随着根系的存在，土壤的可蚀性和剥蚀速率降低。在壤土(砂壤土、粉壤土和粉质黏壤土)中进行的大多数研究表明，随着根系密度和/或根系长度密度，表明含黑麦草的粉质黏壤土的土壤流失率随根表面积密度(单位为cm2/cm3)的增加而线性下降[5]。然而，这些研究大多只分析了根系密度的影响，关于植被地上和地下成分同时对土壤侵蚀和层间可蚀性影响的比较信息非常有限[6]。此外，在根系密度对不同土壤物理性质的影响上，它们缺乏联系，从而影响土壤剥离速率和层间可蚀性[7]。研究的目的是比较总植被和仅根的土壤侵蚀量，并评估根密度对土壤可蚀性的影响，以及研究不同根密度对影响土壤侵蚀的土壤物理性质的影响(体积密度，饱和导水率、抗剪强度、土壤表面强度和骨料稳定性)。

1 材料和方法

1.1 土盘的制备

从塔里木河流域的一块农田采集了土壤的样本。所用土壤为粉壤土，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有机物，2.0 g/kg碳酸钙。将土壤风干、压碎、筛分，得到1～8 mm的骨料，然后在土盘中填充至0.07 m的深度。移除任何石头和植物残骸后。每个土壤盘的前部都有一个径流收集瓶，用于收集径流。一块0.5 m高的防溅板附在侧面。溅水板的底座上有一个排水沟，通过这个排水沟，溅出的物质可以收集起来清洗溅水板。盘子底部有一个3 mm的孔，靠近前端，用于在降雨期间通过土壤收集渗滤水。多年生黑麦草，在密度为50 kg和100 kg的土壤盘中以之字形模式每粒种子播种，并每隔2 d浇水，直到进行降雨模拟试验。它们在3—6月间在温室里生长，没有化肥投入。每4周剪一次5 cm高的嫩枝。由于温室内温度较高，黑麦草生长8周后，植株暴露在自然条件下。

1.2 试验设计

本研究的试验设计如表1所示。对于50 kg/hm2的播种密度，在播种4周、8周和12周(分别为R1、R2和R3)后进行降雨模拟，对于100 kg/hm2的播种密度，在播种4周后进行降雨模拟。以R0为对照，采用与其他试验相同的灌水量和灌水频率，在裸土上进行了4周的模拟降雨试验。对于黑麦草的所有试验，有两种亚处理：第一种，嫩枝保持完整(表示为“有嫩枝”)，第二种，嫩枝在降雨模拟之前被水平剪掉(表示为“无嫩枝”)。每个处理有四个重复。

表1 研究处理的试验设计播种密度

1.3 水蚀试验

降雨模拟使用实验室降雨模拟器进行，该模拟器由装有90个玻璃毛细管的旋转水箱组成。土盘以15°角放置在旋转水箱的中心下方，两个雨量计位于防溅板的对面。平均降雨强度为54.31 mm/h(σ=3.63)雨滴平均直径为5.32 mm(σ=3.63)软化水被用来模拟自然降雨和防止毛细血管堵塞。为了减少由不同土壤含水量引起的变异性，在试验前一天对土壤进行了浇水。在每次降雨模拟之前，从每个盘中采集三个土壤样品，通过重量法(在105 ℃下烘箱干燥24 h)测定土壤含水量。这样形成的洞又被土壤填满了。试验期间每5 min 收集一次溅板沉积物、含沉积物的径流和渗滤水。记录渗滤水和径流的体积，并将飞溅和径流产生的沉积物在加热板(105 ℃)上蒸发。每次降雨试验的总持续时间为1.5 h。

每次试验前，将土盘整平，并从上方拍摄数码照片，使透镜轴处于垂直位置。随后使用ImageJ软件测定嫩枝覆盖的百分比面积。每次降雨模拟试验后，用环刀(100 cm3)从0～5 cm土层的每个盘中随机抽取三个土壤样品，测量根系密度。每个亚处理重复12次。

1.4 渗透阻力和导水率

使用实验室贯入仪，使用50 N的称重传感器，所有测量的灵敏度保持在0.01。通过将贯入仪测得的电压转换为兆帕(平均每个样品三次重复)，获得渗透阻力。使用实验室渗透计测量降雨模拟后每个土壤盘三次采集的100 cm3原状土样品的饱和导水率。

1.5 抗剪强度和骨料稳定性

在降雨模拟试验后，使用袖珍V形测试仪CL100测量土壤的抗剪强度，该仪器与将测试仪的叶片垂直推入土壤中，直到叶片被覆盖(深度为0.5 cm)，并以恒定速度顺时针转动叶片头，直到发生故障，从而测量土壤的抗剪强度。然后从三个重复计算每个盘的平均土壤抗剪强度。同时还测量了土壤含水量，平均每盘三次，因为土壤抗剪强度受土壤含水量的强烈影响。在取样测定根系密度、贯入阻力、导水率和抗剪强度后，将留在盆中的土壤风干、压碎并筛分，以获得2～8 mm大小的骨料。随后，通过干湿筛分法测定了土壤的骨料稳定性。稳定性指数是骨料干筛平均重量直径(MWD)和湿筛平均重量直径(MWD)之差的倒数，用于衡量骨料的稳定性。稳定性指数越高，骨料越稳定。

2 结果与分析

2.1 土壤水分、植被、根系密度

模拟降雨试验前各处理土壤平均含水量为0.23(R=0.038)kg/kg。除了在第8周进行的试验(R2，有和没有新梢)具有显著较低的土壤含水量，其他处理之间的初始土壤水分差异不显著。R2土壤含水量较低是由于温室内高温引起的较高蒸散所致。不同处理获得的根系和地被植物的密度见表2。由于每个处理内的子处理(有枝和无枝)的根系和地被植物的密度没有差异，表2显示了包含两个子处理的每个处理的平均值。R2和R3的地被植物的显著低值与每4周修剪一次5 cm高的植物有关。

表2 不同处理的根系密度和地被百分比

2.2 地上和地下植被对径流和土壤侵蚀的影响

降雨开始后不久，径流就开始了，在前20 mm的降雨中，径流迅速上升，之后，所有处理的降雨量都没有显著变化。与对照相比，试验期间收集的径流总量在所有带芽子处理中均较高，但仅在处理R1d和R3中显著增加，见表3。而对于无枝的亚处理，R2和R3的总径流收集量显著低于R1和R1d，而不是对照。值得注意的是，在降雨模拟试验期间收集的径流总量不包括以飞溅形式损失的降雨部分。试验期间的溅蚀和冲刷随降雨时间而变化，降雨开始后不久观察到的最高侵蚀率随时间而下降，如图1所示。有芽处理的总溅蚀量和冲刷侵蚀量均显著低于对照。对于覆盖率最高的R1d，溅蚀率最低。有芽处理之间的冲刷侵蚀率没有显著差异。对于无芽的处理，R1和对照之间的溅蚀和R0、R1和R1d之间的冲刷侵蚀没有显著差异。根系密度越高，喷溅侵蚀的减少越明显。除R3外，所有有芽的处理的溅蚀和冲刷侵蚀均显著低于相应的无芽处理，其中有芽和无芽模拟的冲刷侵蚀差异不显著。对于没有新梢的处理，指数关系最好地解释了黑麦草根系密度随喷溅和冲刷造成的土壤流失的变化，如图2所示。

表3 不同处理的总径流、溅蚀土壤损失和冲刷土壤损失

图1 不同处理溅蚀演变以及不同处理累积降雨的冲刷侵蚀演变

2.3 根系密度对土壤可蚀性的影响

计算表观层间可蚀性与飞溅侵蚀和冲刷侵蚀的演变方式相似，在降雨量为10～15 mm时达到最高值，除R2外，所有处理的可蚀性都逐渐降低，在降雨量为10～30 mm时，可蚀性的降低更为迅速，如图3(a)所示。根系密度对土壤的可蚀性影响很大。如图3(b)所示，总可蚀性随根系密度的增加而降低的最佳解释是指数关系。

2.4 根系密度对土壤物理性质的影响

根系密度对饱和导水率的影响不能很好地评价，因为处理间的重复性差异很大。这可能是由于土壤样品中的密封效应造成的，因为在土壤遭受降雨后进行了导水率和容重的测量。这种密封效应，以探针穿透阻力来衡量，在对照组中比在有和没有嫩枝的处理中更明显，如图4所示。在相同的处理条件下，有芽处理的穿透阻力低于无芽处理，这是由于芽对雨滴冲击的保护作用。在黑麦草生长的8周内，根密度对不同根密度处理的团聚体稳定性指数没有影响，见表4。根系对黑麦草团聚体稳定性的影响仅在R3处理表现出来，与黑麦草生长12周时的团聚体稳定性指数显著高于其他处理。与团聚体的稳定性不同，黑麦草的根系提高了土壤的抗剪强度。对照组的平均剪切强度值为0.417 MPa，而R3组的平均剪切强度值为1.010 MPa。由于已观察到含水量和根系密度对土壤抗剪强度有很大影响，我们使用土壤含水量和根系密度来研究它们对土壤抗剪强度的影响。由于溅蚀和冲刷侵蚀速率与土壤剪切强度一样也受根系密度的影响，因此我们观察到溅蚀和冲刷侵蚀速率与土壤剪切强度之间存在正相关关系。

图2 无枝处理的根系密度对溅沙和冲刷泥沙损失的影响

图3 表观层间可蚀性受根系密度的影响

图4 处理有嫩枝和无嫩枝时通过密封的渗透阻力

表4 不同处理的根系密度和地被百分比

2.5 讨 论

在降雨过程中，几个分离和运输过程可能共同作用。飞溅侵蚀是由于雨滴冲击破坏了土壤结构元素并随后向各个方向扩散，而冲刷侵蚀则是由于雨滴冲击或水流或两者共同作用造成的土壤分离和水流输送的结果。降雨期间，雨滴冲击、土壤湿润和土壤表面悬浮沉积物沉积的机械作用导致土壤表面形成限制性密封层，从而导致不同的土壤流失率。土壤表面封闭的形成导致渗透性降低和径流增加，从而增加了侵蚀力，但也增加了雨滴冲击压实引起的土壤剪切强度，从而降低了土壤的可蚀性。因此，在所有处理中，由于飞溅和冲刷以及累积降雨造成的土壤流失的减少可能与土壤可蚀性的降低有关，这是由于表面密封的形成。土壤表面发育的速度和程度受到许多因素的影响，如土壤特性、水分条件、土壤表面条件和侵蚀力的性质。图4的A和B显示了不同处理在实验结束时形成的表面密封程度的变化。与无芽处理相比，有芽处理的发育程度较低，这可能是由于覆盖物的存在减少了冲击。在有覆盖物的情况下，滴落影响的减少也通过有芽的处理与无芽的处理相比，飞溅侵蚀率较低得到证实。飞溅引起的分离与土壤抗剪强度高度相关。由于溅蚀是雨滴冲击下的剥离和搬运的结果，而冲刷侵蚀是雨滴和/或径流剥离和/或径流搬运的结果，因此土壤抗剪强度的增加可能导致土壤剥离的减少。在剥离过程中，由于根系对土壤的加固作用，落差冲击或径流施加的总剪应力可分为作用于土壤和作用于根系的剪应力，从而随着根系密度的增加，土壤流失减少。增加土壤抗剪强度与根系的存在也被发现是有效的保护土壤侵蚀集中径流。

3 结 论

这项研究结果证明了植物地上和地下成分的重要性。尽管植被的地上部分在保护表土免受早期侵蚀方面非常有效，但根系的有效性随着植物的发育而增加。植被生长产生的高根系密度极大地减少了土壤流失和可蚀性。随着根系密度的增加，泥沙流失量和层间可蚀性呈指数下降。根系对土壤团聚体稳定性和抗剪强度的积极影响可能是减少土壤流失和降低层间可蚀性的结果。虽然土壤团聚体稳定性和抗剪强度随根系发育而增加，但对团聚体稳定性的影响远晚于抗剪强度。溅蚀和冲刷的抗剪强度与土壤流失呈高度负相关。这项研究的结果在必须收割或移除地上生物量的情况下具有重要的意义。然而，由于这项研究是在受控环境下黑麦草生长的12周内进行的，因此从长期来看，得出确切的结论是有限的。为了更好地理解根系在土壤侵蚀控制中的贡献和作用，需要在土壤物理、化学和生物过程是动态的更大尺度上研究植物生长各阶段的土壤侵蚀效应。