3種草本植物根系特征及與徑流泥沙關系

楊慶楠，徐金忠，樊 華，李志飛

(黑龍江省水利科學研究院 水土保持研究所/黑龍江省水土保持重點實驗室，黑龍江 哈爾濱 150070)

草本植物根系與土壤抗蝕性密切相關，具體表現在根系對土壤的加筋作用和改良土壤理化性質方面。草本植物根系數量眾多、密度大、具有一定的抗拉能力，有效增強了根系對土體的加筋和抗剪作用，提高了含根土體的抗沖抗蝕性，同時根系分泌物和死根分解后可增加土壤水穩性團粒與有機質含量，改善土壤結構，增強土壤顆粒抵抗徑流分散的能力[1-2]。此外，草本植物根系還可改善土壤孔隙度，提升土壤降雨入滲能力，進而削減地表徑流和降低產沙量[3]。程洪等[4-5]研究表明，香根草等草本植物根系抗拉強度為40～180 mPa，甚至高于柳樹、楊樹、銀槭等喬灌木根系，說明草本植物根系有顯著的固土護坡能力；萬海霞等[6]對百里香、星毛委陵菜、豬毛蒿、長芒草等4種草本植物根系分布特征及根土結合體固土效果進行了定量分析，結果表明百里香、星毛委陵菜、長芒草3種草本植物固結表層土壤效果較好；李洪勛[7]研究表明，坡地種草可減少47%的產流量和77%的產沙量。

近年來東北黑土區推行的植物柔性治溝方法受到歡迎和重視。在侵蝕溝道邊坡治理初期，草本植物與喬灌木相比，具有迅速提高地表覆蓋度，有效減少降雨擊濺侵蝕等優勢[8]。但在實際侵蝕溝治理時，草本植物措施卻鮮有實施，因為實施草本植物措施先要削坡整地，而削坡會占用一定面積的耕地，不易被農民接受。相比1∶1.5坡比(侵蝕溝治理削坡常用穩定坡比)削坡，1∶1.2坡比削坡因少占用0.3倍溝深寬度的耕地，在個別占地問題難以解決的侵蝕溝已有實施。治溝植物方面，無芒雀麥根徑細小，減少土壤分離效果好，有助于土壤保持水分[9]；早熟禾和紫花苜蓿作為良好的水土保持草種，常應用于邊坡防護植被配置中[10-11]。為探索東北黑土區1∶1.5坡比穩定邊坡和1∶1.2坡比陡坡上的草本植物根系生長特征、產流產沙量及兩者的相關性，本研究以二年生無芒雀麥(BromusinermisLeyss.)、紫花苜蓿(MedicagosativaL.)和一年生冬性早熟禾(PoaannuaL.)3種東北黑土區生態適應性較強的草本植物為研究對象，分析1∶1.5和1∶1.2坡比徑流小區上草本植物根系根長密度、平均直徑、表面積密度、根尖數密度等特征及其與徑流量、泥沙量的相關關系，研究揭示草本植物根系與坡面產流產沙的關系，為東北黑土區1∶1.5穩定坡比邊坡和1∶1.2坡比陡坡侵蝕溝綜合治理植被選擇及土壤侵蝕基礎研究提供理論依據。

1 研究區概況

試驗地點選在黑龍江省水土保持科技示范園。園區位于黑龍江省賓縣賓州鎮城西4.5 km處，地理位置為E127°24′47″、N45°44′57″，地貌類型為丘陵漫崗；據賓縣孫家溝國家監測點資料，土壤類型為白漿土，0～20 cm土壤容重1.10 g/cm3，有機質含量26.42 g/kg，全氮含量1.43 g/kg，pH值6.07；屬中溫帶大陸性季風氣候區，年均降水量590 mm，年均蒸發量910 mm，降雨主要集中在7—9月份，期間降水量占全年降水量的70%以上，年平均氣溫3.5 ℃，年均日照時數2 732 h，≥10 ℃積溫2 400 ℃，年均風速3.1 m/s，年無霜期128 d；位于松嫩平原羊草草原區和小興安嶺張廣才嶺完達山闊葉紅松林區，草本優勢科有菊科、禾本科、毛茛科、薔薇科、百合科、傘形科、唇形科、石竹科、莎草科、蓼科及豆科等。

2 試驗材料與方法

2.1 試驗設計

無芒雀麥和紫花苜蓿為多年生草本植物，早熟禾為冬性禾草，根系發達，耐寒，耐瘠薄，適應性較好，抗逆性強。在野外一自然邊坡上，通過人工修整建成2個人工坡比邊坡，分別為1∶1.5(34°)和1∶1.2(40°)，利用噴漆鐵板布設成為永久微型徑流小區(長2 m×寬1 m)。坡面修整前剝離10 cm厚表土，表土混合均勻于修整結束后回覆至坡面，保持坡面表土理化性質基本一致。每一坡比坡面設置3個草種處理和1個空白對照，即無芒雀麥、早熟禾、紫花苜蓿和裸地，共8個小區。無芒雀麥、早熟禾、紫花苜蓿在1∶1.5和1∶1.2坡比邊坡依次標記為W1.5、Z1.5、X1.5和W1.2、Z1.2、X1.2。草本植物于2018年5月按照50 g/m2等質量撒播方式播種，2019年5月清理坡面覆蓋物，采取常規管護措施。測試時無芒雀麥和紫花苜蓿生長期為2年，早熟禾為當年自然萌發。

2.2 樣品采集與數據處理

2019年7月底，在1∶1.5和1∶1.2坡比邊坡徑流小區采集土樣。2019年降雨量較大，草本植物生長初期即達到雨熱同期而生長迅速，植物生長中期差異微小，取樣時目測植被蓋度均在85%～90%。每個徑流小區按照坡上、中、下確定采樣點，除去地上植株部分，挖深25 cm剖面，小心挖掘出長10 cm、寬5 cm、深20 cm的含根土樣放入保鮮袋內，每個小區3個樣品(上、中、下取樣)，共18個樣品。當天帶回實驗室，浸泡含根土樣一段時間至根土分離后，置于網篩內以適當流量自來水沖洗根系。用EPSON LA在400dpi下進行草本植物根系灰度掃描，通過WinRHIZ2004/a根系分析系統分析草本植物根長密度、平均直徑、表面積密度和根尖數密度等根系特征。同時，監測2019年7—8月份徑流小區自然降雨事件，觀測到產流產沙事件22次，人工測量徑流收集桶中收集的徑流量，攪拌均勻后取含泥沙徑流樣帶回實驗室進行過濾、烘干、稱量。采用Excel、SPSS 18.0和SigmaPlot 14.0等軟件進行數據處理和分析。

3 結果與分析

3.1 3種草本植物根系特征

1∶1.5坡比邊坡上3種草本植物的主要根系特征(圖1)：①根長密度為2.42～5.92 cm/cm3，早熟禾根長密度顯著大于無芒雀麥和紫花苜蓿，無芒雀麥和紫花苜蓿根長密度相近且無顯著差異。根長可以反映根系在土體中穿插、纏繞的程度，根系愈長，固結土壤范圍愈廣，可提高含根土體的抗剪強度。②根系平均直徑為0.25～0.54 mm，早熟禾根系平均直徑顯著大于紫花苜蓿和無芒雀麥。根系直徑是影響根系抗拉力和抗拉強度的重要指標[12]，苑淑娟等[13-15]試驗證明，草本根系在一定范圍內根徑越粗單根抗拉力越大，但單根抗拉強度隨根徑的增加呈現不同程度的下降趨勢。劉國彬等[16-17]研究表明，直徑小于1.0 mm的根系抗拉能力較強，可增強土體的抗剪強度。③根系表面積密度為0.15～0.39 cm2/cm3，早熟禾根系表面積密度顯著大于無芒雀麥和紫花苜蓿。根系表面積密度是根系形態與生理特性的重要指標，表面積密度大，根系與土壤顆粒表面的摩擦力和與土壤顆粒間鑲嵌的咬合力就大[18]。相關研究表明，抗沖指數也與根系表面積呈極顯著相關[19]。④根尖數密度為15～32個/cm3，早熟禾根尖數密度顯著高于無芒雀麥和紫花苜蓿。根尖數量可反映根系快速生長的潛力，根尖數越多，根系生長越旺盛。整體來說，3種草本植物根系根長密度、表面積密度和根尖數密度數值大小排序均為早熟禾>無芒雀麥>紫花苜蓿，平均直徑大小排序為早熟禾>紫花苜蓿>無芒雀麥。綜上，3種草本植物中早熟禾根系平均直徑、根長密度、表面積密度和根尖數密度均最大，這是因為早熟禾在1∶1.5坡比邊坡下根尖數量多，根系生長最為旺盛，吸收水分、無機鹽、養分較多，根系發達，使得早熟禾的根長密度、根系平均直徑、根系表面積密度等根系特征值也最大，且與無芒雀麥和紫花苜蓿相應根系特征值呈顯著差異，而無芒雀麥和紫花苜蓿根長密度、根系平均直徑、根系表面積密度和根尖數密度等特征值相近，無明顯差異。

1∶1.2坡比邊坡上3種草本植物的主要根系特征(圖1)：①根長密度為2.15～3.31 cm/cm3，無芒雀麥根長密度最大，早熟禾根長密度最小，兩者間存著顯著差異；②根系平均直徑為0.22～0.26 mm，早熟禾平均直徑稍大，其次是無芒雀麥和紫花苜蓿，三者均無顯著差異；③根系表面積密度為0.17～0.25 cm2/cm3，無芒雀麥根系表面積密度較大，早熟禾和紫花苜蓿根系表面積密度較小且相近，三者間均無顯著差異；④根尖數密度為8～14個/cm3，其中無芒雀麥根尖數密度最大，其次是紫花苜蓿，無芒雀麥和早熟禾根尖數密度有顯著差異。在1∶1.2坡比邊坡上，無芒雀麥根系的根長密度、表面積密度、根尖數密度最大，早熟禾根系的平均直徑最大，且無芒雀麥根系根長密度、根尖數密度與早熟禾相應根系特征值有顯著差異，無芒雀麥根系表面積密度、平均直徑與早熟禾無顯著差異，紫花苜蓿根長密度、平均直徑、表面積密度、根尖數密度與無芒雀麥和早熟禾均無顯著差異。

注：不同大寫字母表示不同草種、同一坡度下差異顯著；不同小寫字母表示同一草種、不同坡度下差異顯著圖1 3種草本植物根系特征

總體上，1∶1.5和1∶1.2坡比邊坡無芒雀麥和紫花苜蓿各根系特征值均無顯著差異。早熟禾根系在1∶1.5坡比邊坡上的根長密度、根系平均直徑、根系表面積密度和根尖數密度均大于其在1∶1.2坡比邊坡上的相應值，且均呈顯著差異。坡度變大，立地條件發生變化，對植物根系特征產生影響[20]，對早熟禾根系生長發育的阻礙作用大于無芒雀麥和紫花苜蓿，但其根系平均直徑仍大于另外2個草種，這可能與其草種本身特性有關。紫花苜蓿在1∶1.5坡比邊坡根系根長密度、平均直徑和根尖數密度雖大于1∶1.2坡比邊坡相應根系特征值，但均無顯著差異。無芒雀麥在1∶1.5坡比邊坡根系根長密度、平均直徑和表面積密度均稍小于1∶1.2坡比邊坡相應根系特征值，也無顯著差異。

3.2 3種草本植物徑流小區的徑流產沙特征

2019年7—8月共觀測到自然降雨條件下徑流小區產流產沙22次。3種草本植物徑流小區7—8月總產流產沙情況見圖2。1∶1.5坡比邊坡，草本植物徑流小區產流量為127.86～153.02 L，裸地小區產流量為214.95 L。早熟禾徑流小區產流量最少，紫花苜蓿和無芒雀麥徑流小區產流量相近，三者分別比裸地小區少40.52%、30.60%和28.81%。1∶1.2坡比邊坡，草本植物徑流小區產流量為148.11～170.33 L，裸地小區產流量為234.93 L。紫花苜蓿徑流小區產流量最少，無芒雀麥徑流小區次之，早熟禾徑流小區最多，分別比裸地小區少36.95%、31.33%和27.50%。坡度變陡后，早熟禾和無芒雀麥徑流小區產流量分別增大了33%和5%，而紫花苜蓿徑流小區產流量幾乎不受影響。

圖2 3種草本植物徑流小區7—8月總產流產沙情況

2019年7—8月，1∶1.5坡比邊坡徑流小區產沙量為10.08～12.55 g，裸地小區產沙量為33.28 g。草本植物徑流小區產沙量由少到多依次為早熟禾、無芒雀麥和紫花苜蓿徑流小區，分別比裸地小區產沙量少69.71%、63.19%和62.29%，草本植物的減沙百分比高于減流。1∶1.2坡比邊坡，草本植物徑流小區產沙量為12.95～13.76 g，裸地小區產沙量為34.45 g。紫花苜蓿徑流小區產沙量最少，其次是無芒雀麥和早熟禾徑流小區，分別比裸地小區少62.41%、62.32%和60.06%。隨著坡度變大，早熟禾、無芒雀麥和紫花苜蓿徑流小區產沙量分別增加了37%、6%和3%。

整體上，草本植物徑流小區在1∶1.5和1∶1.2坡比邊坡產流量和產沙量走勢一致。坡度變陡，草本植物徑流小區減流比例由28%～41%降至27%～37%，減沙比例由62%～70%降至60%～63%?？梢?，草本植物的減流作用弱于減沙作用，且減流作用受坡度影響較大，減沙作用受坡度影響較小。坡度變陡后，早熟禾徑流小區產流和產沙量有較大幅度增加，無芒雀麥徑流小區呈小幅度增加，紫花苜蓿徑流小區則較為穩定。

3.3 3種草本植物根系特征與徑流泥沙的關系

3.3.1 草本植物根系特征與徑流小區徑流量的關系

3種草本植物根系特征與徑流小區產流量關系見圖3。草本植物根長密度與徑流小區徑流量回歸函數為y=-0.790 5x+176.57，R2=0.607 5，P=0.068>0.05，根長密度與徑流量呈負相關，相關系數較小，相關性不顯著，其中Z1.5小區早熟禾根長密度最長，與其他處理差距懸殊。根系愈長，吸收營養物質和水分的范圍愈廣，耐貧瘠和抗旱性越強，越有利于植物的生長，提高地上生物量、減緩徑流的能力越強[21-22]，因此Z1.5小區徑流量也最小。草本植物根系平均直徑與徑流小區徑流量回歸函數為y=-97.986x+181.49，R2=0.642 7，P=0.055>0.05，根系平均直徑與徑流量呈負相關，相關系數較小，相關性不大。草本植物根系表面積密度與徑流小區徑流量回歸函數為y=-0.102 3x+174.07，R2=0.417 1，P=0.166>0.05，相關系數小，相關性不大。根系表面積密度越大，根系與土壤的接觸面積越大，有利于根系改善土體的孔隙度等理化性質，進而增強土壤的滲透性，提高徑流入滲量[23]。草本植物根系根尖數密度與徑流小區徑流量回歸函數為y=-0.001 5x+174.86，R2=0.744 6，P=0.027<0.05，相關系數較大，呈顯著負相關。根尖數間接反映根的伸長、對水分和養料的吸收、成熟組織的分化等能力，根尖數越多，根系生長越旺盛，改良土壤效果越好，吸收水分和養分能力越強，地上生物量越大，徑流就地入滲和機械阻擋擊濺侵蝕能力越強，徑流量越小。

注：*表示在0.05水平下顯著相關圖3 3種草本植物根系特征與徑流小區產流量關系

徑流小區產流量隨植物根系根長密度、平均直徑、表面積密度、根尖數密度的增大而降低。根系特征與徑流量相關性大小排序為根尖數密度>根系平均直徑>根長密度>根系表面積密度，根尖數密度與徑流量呈顯著相關，即根尖數密度與徑流量有較好的線性關系。根系平均直徑、根長密度、根系表面積密度與徑流量表現出不同程度的相關關系，但均不顯著。

3.3.2 草本植物根系與徑流小區泥沙量的關系

3種草本植物根系特征與徑流小區產沙量關系見圖4。草本植物根長密度與徑流小區泥沙量回歸函數為y=-0.081 8x+15.008，R2=0.846，P=0.009<0.01，相關系數較高，呈極顯著負相關。根系在土體里穿插、纏繞，網絡串聯固持土壤[24-25]，根長越長，說明根系在土體里交錯的范圍越廣，或者土體單位體積內根系含量高，兩種情況均有利于形成抗沖性強的土體結構，減少降雨徑流帶走的泥沙。草本植物根系平均直徑與徑流小區泥沙量回歸函數為y=-9.691 4x+15.381，R2=0.817 9，P=0.013<0.05，呈顯著負相關，與相關研究認為直徑為0.1～0.4 mm的毛根對于團聚體的形成具有纏繞、串聯和根土黏結作用，能有效減少徑流帶走泥沙量的結果較為一致[16]。草本植物根系表面積密度與徑流小區泥沙量回歸函數為y=-0.011 4x+14.919，R2=0.669，P=0.047<0.05，相關系數較高，呈顯著負相關。劉國彬[16]研究表明，根系參數對土壤抗沖性影響大于土壤抗剪強度，有效根面積可作為水土保持草種選擇的重要因子之一。草本植物根系根尖數密度與徑流小區泥沙量回歸函數為y=-0.000 1x+14.741，R2=0.960 8，P=0.001<0.01，呈極顯著負相關。

注：*表示在0.05水平下顯著相關，**表示在0.01水平下極顯著相關圖4 3種草本植物根系特征與徑流小區產沙量關系

草本植物根系的平均直徑、表面積密度與泥沙量呈顯著線性負相關，根長密度、根尖數密度與泥沙量呈極顯著線性負相關，根系特征越好，產沙量越少。根系特征與泥沙量相關性大小排序為根尖數密度>根系根長密度>根系平均直徑>根系表面積密度，根尖數密度和根長密度對產沙量影響較大。根尖數密度、根長密度、根系平均直徑、根系表面積密度與泥沙量的相關系數分別大于與徑流量的相關系數，說明根系特征對產沙量的影響大于對徑流量的影響。

4 結 論

(1)1∶1.5坡比邊坡下，早熟禾根系根長密度、平均直徑、表面積密度和根尖數密度等特征值最高；1∶1.2坡比邊坡下，無芒雀麥根系根長密度、表面積密度和根尖數密度等特征值最高，其根系平均直徑與早熟禾相近。1∶1.2陡坡較1∶1.5穩定邊坡早熟禾根系特征值降低幅度為51%～75%，無芒雀麥和紫花苜蓿特征值變化幅度為1%～40%，說明早熟禾根系生長受坡度的影響大于無芒雀麥和紫花苜蓿，不適宜在陡坡立地條件生長。

(2)3種草本植物徑流小區與裸地小區相比，產流產沙量分別降低27%～41%和60%～70%，草本植物減沙效果是減水的近2倍。1∶1.2與1∶1.5坡比相比，早熟禾徑流小區產流產沙量增加了33%和37%，無芒雀麥和紫花苜蓿徑流小區的增加比例在6%以內。隨著坡度變大，早熟禾根系特征值大幅度降低，其徑流小區產流產沙也明顯增加。早熟禾在1∶1.5坡比邊坡和紫花苜蓿在1∶1.2坡比邊坡減流減沙效果最好。

(3)3種草本植物根系根長密度、平均直徑、表面積密度和根尖數密度等特征值與徑流泥沙均表現為負相關線性函數關系，根系特征與泥沙量的相關性均高于根系特征與產流量的相關性。根尖數密度與徑流量呈顯著相關，各根系特征與泥沙量均呈顯著及以上相關性。根系根尖數密度與徑流、泥沙量相關系數最大，根系表面積密度與徑流、泥沙量相關系數最小。

(4)草本植物莖葉只能截流小部分自然降雨或降低雨滴動能，徑流減少量與土體孔隙度、入滲能力關系更加密切，但土壤飽水量是有限的，因此降低產流量也是有限的。植物抵抗土壤侵蝕主要依靠根系固結土壤，根系密度越大，根系范圍越廣、越深，土體加筋作用越強，改良土壤能力越好，越有利于增強土壤顆粒抵抗徑流分散的能力，進而提高抗侵蝕能力。因此，根系特征與泥沙量的相關系數更大，相關性更強。目前學術研究多集中于根系宏觀幾何特征與抗拉力學性能的關系，但卻鮮有植被根系特征與產流產沙相關性的直接研究，特別是根系的化學組成、微觀結構與抗拉抗剪性能和產流產沙間的關系、不同根系徑級與產流產沙的關系還需進一步考究。