科尔沁沙地南缘不同林草措施根系对土壤抗冲性的影响

2020-04-27屈东旭翟景轩王锋佰金兆梁吕金昊

水土保持研究 2020年1期

屈东旭, 吕刚, 翟景轩, 王锋佰, 张卓, 金兆梁, 郑洋, 吕金昊

(1.辽宁工程技术大学环境科学与工程学院, 辽宁阜新 123000;2.辽宁工程技术大学水土保持生态修复研究院, 辽宁阜新 123000; 3.杭州大地科技有限公司, 杭州 310004;4.辽宁省风沙地改良利用研究所, 辽宁彰武 123203； 5.国有彰武县章古台林场, 辽宁彰武 123203)

科尔沁沙地是我国四大沙地之一，位于生态环境脆弱且敏感的农牧交错区，极易出现持久的旱灾和风沙灾害[1]。近一百多年来，随着人口加剧、过度放牧及不合理的土地利用，目前该地区已经成为我国土地沙化迅速发展的地区之一[2]。严重的土壤侵蚀和荒漠化是导致当地土地生产力下降和生态环境恶化的主要原因。移小勇等[3]研究指出增加含水量是科尔沁地区减小风蚀的有效方法。马玉凤等[4]研究指出耕地可风蚀性程度远大于沙岗地和裸地。李梅等[5]研究科尔沁沙地4种作物根茬抗风蚀效果指出风蚀量与土壤地表覆盖度、土壤0—5 cm表层含水量、地表粗糙度呈显著高度负相关。然而以往关于科尔沁沙地的研究多集中于风力侵蚀、沙地演替与植被恢复[6-7]等方面，对于水力侵蚀的研究较少。水力侵蚀是水土流失中最重要的侵蚀形式之一，其中土壤抗冲性是最能体现区域水土流失过程和规律的指标[8]。朱显谟等[9]研究指出植被固土措施是最有效和最根本的方法，植物根系缠绕、固结和串联土体能显著提高土体水稳性和抗冲性。郭明明等[10]研究黄土高原沟壑区植被自然恢复年限对坡面土壤抗冲性的影响指出土壤抗冲性的提高与土壤性质的改善和根系密度的增加密切相关，土壤容重、团聚体稳定性(MWD)及<0.5 mm根系密度是影响土壤抗冲性的关键因子。任改等[11]研究重庆四面山水源涵养林土壤抗冲性及影响因素指出林地土壤抗冲性主要受3～5 mm根系根量及其根长的影响。宋坤等[12]研究6种草本植物根系指出根生物量与抗冲指数呈显著正相关。吕春娟等[13]研究黄土区排土场指出土壤的抗蚀性指标和抗冲性指标都与根系密度在极显著水平上呈直线关系。卫志勇等[14]总结植物根系稳定土体的机理指出，当林龄小时，主要是根系的机械缠绕固结作用;当林龄增大时，还可以通过增加有机质含量和>2 mm粒级的水稳性团粒起间接作用。但以往对于植物根系对土壤抗冲性的影响研究多集中在西北黄土高原地区和西南紫色土地区，而关于风沙土土壤抗冲性的研究还较为鲜见。李强等[15]对黄土风沙区根系强化抗冲性土体构型进行了定量化研究，得出了植物根系物理固结效应是强化沙黄土抗冲性土体构型的主要表现形式，且根表面积密度可较好地反映根系固土效应。由于风沙土土壤贫瘠、沙量高、松散易流动、结构松散等特点，土壤质量远远低于其他土地类型，使得根系的固土作用将在风沙土表现的更加显著。本文通过研究科尔沁沙地南缘不同林草措施根系分布特征及其对土壤抗冲性的影响，以期为科尔沁沙地水土流失治理、荒漠化防治和土地利用结构调整提供理论依据。

1 试验材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于辽宁省风沙地改良利用研究所章古台试验站内，位于辽宁省阜新市彰武县章古台镇(122°22′E，42°43′N)，往北距内蒙古哲里木盟科左后旗甘旗卡镇30 km，往南距彰武县城40 km。自然区域属于科尔沁沙地东南部边缘，是西辽河平原的边缘地带，平均海拔高度345 m，年平均气温6.82℃，极端最低气温-33.4℃，极端最高气温43.2℃，平均气温变化幅度在4.9～6.7℃，平均空气湿度60.4%，年均降水量450 mm左右，年均蒸发量为1 590 mm，年均风速3.33 m/s，风速大于3 m/s的日数平均为160 d，风速大于10 m/s的日数为10 d，而起风沙的风速5 m/s全年达240多次。无霜期145～150 d，是典型的北方风沙半干旱地区。土壤属于风沙土，植被属蒙古植被区系西辽河小区，以抗旱性较强的沙生植物为主。代表性植物有樟子松(Pinussylvestris)、杨树(PopulusL.)、野生山杏(Armeniacasibirica(L.) Lam)、有色木(Acermono)、山里红(Crataeguspinnatifida)、家榆(Ulmuspumila)、大果榆(Ulmus macrocarpa)、山杏(Arnemiacasibirica)、胡枝子(Lespedezabicolor)、小黄柳(Salixgordejevii)、差巴嘎蒿(Artemisiahalodendron)、中华隐子草(Cleistogeneschinensis)等。综合考虑植被类型、地形状况，在试验地选取4种林草措施下的土壤作为研究对象，分别是樟子松林地、野生灌木林地(山杏)、荒草地和花生地，研究科尔沁沙地南缘土壤抗冲性对不同林草措施下的响应，以期从土壤侵蚀发生机制的方面优化风沙地改良利用模式提供理论依据。样地基本情况见表1。

表1 各样地的基本概况

1.2 研究方法

1.2.1 原状土冲刷试验采用10 cm×10 cm×20 cm原状土取样器在表1的各样地表层分别取3个原状土样。在樟子松、灌木地采集表层土样时，先将0—3 cm未腐烂的枯枝落叶层清除，自3—13 cm深度取土。在荒草地，首先用剪子将草茎剪去，将上边厚约1 cm左右的土皮铲掉，自1—11 cm深度取土。在花生地，自表层取样深度为0—10 cm。取样时，用皮锤将取样器垂直钉入。然后，铲掉取样器周边土壤，将取样器完整取出，用铲刀沿取样器底部将土样削平后盖上上下盖。

原状土取回后，将取样器置于水盘内，向水盘内注水，浸水24 h，使其达到毛管水饱和。然后，将饱和的原状土轻轻置于铁架台上8 h去除土壤重力水后进行抗冲试验，试验冲刷坡度为15°，设置冲刷流量为2 L/min，冲刷时间从冲刷槽的出口产流开始计时，每1 min量取1次泥沙样，冲刷10 min，预试验表明此时间可达到稳定状态，共取10次样。冲刷结束后称量各个桶内的径流泥沙量，然后将塑料桶静置澄清，泥沙沉淀完全后倒掉上层清液，剩余泥水样转移至铁盒内，置于烘箱中105℃烘干并测定泥沙质量(g)。

抗冲性指数计算为每冲刷掉1 g的烘干土所需水量，用ANS表示(L/g)，ANS愈大，土壤的抗冲性愈强。

ANS=f×t/W

式中：f为冲刷流量(L/min)；t为冲刷时间(min)；W为烘干泥沙质量(g)。

1.2.2 根系测定植物根系生物量的获取是将做完抗冲试验的土体在直径0.5 mm筛网上反复冲洗，将土壤中所有的根系洗出，用WinRHIZO根系分析系统测定根系的根长、根径、根表面积、根体积等指标。然后将根系置于105℃烘箱中，烘24 h左右，然后置于垫子天平上称重，测量根重密度RD(kg/m3)

RD=MD/V

式中：MD为根系烘干质量(kg)；V为采样器体积(m3)。

2 结果与分析

2.1 根系分布特征

2.1.1 根长密度植物根系可以从根系固土，改善土壤物理性质等两个方面使土壤结构变得稳定，使土壤抗冲性性能得到增强。不同林草措施的根长密度见图1。由图1可知，樟子松林地的根系总根长密度为8.02 cm/cm3，其中<0.5 mm径级的根系最多，占总根长密度的83.52%，>3 mm的根系最少，占总根长密度的1.54%。杨树林地总根长密度为12.09 cm/cm3，其中<0.5 mm的根系最多，占总根长密度的86.12%，>3 mm的根系最少，占总根长密度的1.18%。灌木林地总根长密度为7.03 cm/cm3，其中<0.5 mm的根系最多，占总根长密度的80.96%，>3 mm的根系最少，占总根长密度的1.72%。花生地总根长密度为4.48 cm/cm3，其中<0.5 mm的根系最多，占总根长密度的80.96%，>3 mm的根系最少，占总根长密度的1.72%。荒草地总根长密度为3.89 cm/cm3，其中<0.5 mm的根系最多，占总根长的82.03%，>3 mm的根系最少，占总根长的1.41%。这说明在风沙地不同林草措施下以<0.5 mm的根系最多，占总根系根长密度的83.58%，>3 mm的根系最少，占总根系根长密度的1.46%。其根系总根长密度表现为杨树林地>樟子松林地>灌木林地>荒草地>花生地。

图1 不同径级根系密度

根系特征描述性统计分析见表2。由表2可知，不同径级根长密度，变异系数在32.42%～51.15%，变异程度较小。<0.5 mm，0.5～1 mm，1～3 mm及>3 mm根长密度平均为7.49 cm/cm3，0.97 cm/cm3，0.48 cm/cm3，0.15 cm/cm3，可见根长密度随根系径级的增大而不断减小，表明土壤中大根系分布较少，而主要以小径级根系为主，且不同径级根系在土壤中的分布存在较大的空间变异性。

表2 根长密度描述性统计

2.1.2 根重密度由图2和图3可知，不同林草措施下的根重密度介于0.09～21.09 kg/m3，平均为3.82 kg/m3，根重密度大小表现为杨树林地(9.403 kg/m3)>樟子松林地(6.142 kg/m3)>灌木林地(1.575 kg/m3)>荒草地(1.483 kg/m3)>花生地(0.487 kg/m3)。不同林草措施根生物量与根重密度表现为同样趋势。杨树林地最大为42.04 g，花生地最小为0.974 g。表明樟子松林地、杨树林地、灌木林地表层根系分布较多，其中以杨树林地最为丰富。而花生地表层须根缺乏，根重密度和根系长度及生物量均最小，这是导致其抗冲性弱的主要原因。

图2 不同林草措施下根重密度

2.2 根系对土壤抗冲性的增强效应

不同植被对土壤结构及其抗冲性的影响主要通过根系来表征。本试验选择裸沙地的样点作为对照，裸沙地的土壤抗冲性指数ANS为0.58 L·min/g，并以此为基础计算根系对土壤抗冲性能的强化值(图3)。不同林草措施下土壤抗冲性能强化值ΔANS表现为：樟子松林地(0.786 4 L·min/g)>杨树林地(0.758 4 L·min/g)>灌木林地(0.458 4 L·min/g)>荒草地(0.296 4 L·min/g)>花生地(0.064 L·min/g)。土壤抗冲性能强化百分率大小依次为樟子松林地(135.52%)>杨树林地(130.69%)>灌木林地(78.97%)>荒草地(51.04%)>花生地(10.35%)。这表明根系对风沙地土壤的保护作用很显著，在相同径流冲刷强度与相同冲刷时间条件下，表层根系丰富的樟子松林地、杨树林地、灌木林地、荒草地比花生地、裸沙地的抗冲性能提高效果更明显。

图3 根系对土壤抗冲性强化特征

2.3 根系与土壤抗冲性增强效应的关系

不同径级根系对土壤抗冲性的影响也不同，其作用机理也不同，产生的增强效应也有所差异。图4为土壤抗冲性强化值ΔANS与不同径级根系长度的相关性。由图5可知，土壤抗冲性强化值ΔANS与<0.5 mm根系长度、0.5～1 mm根系长度、1～3 mm根系长度呈显著线性正相关，其中1～3 mm根系长度与土壤抗冲性强化值ΔANS之间相关系数最大，R2值达到0.671 7，表明<1～3 mm根系是影响土壤抗冲性的主要因素。而土壤抗冲性强化值ΔANS与>3 mm根系长度呈显著线性负相关，这说明随着根系径级的增大根系长度对土壤抗冲性的强化影响逐渐减弱，并存在一个根系径级的阈值为3 mm。根系生物量及根密度与土壤抗冲性强化值ΔANS之间的关系不显著。