初始含水率對三江并流區消落帶含根土壤崩解性的影響*

保銳琴，段青松，李建興，黃廣杰，張立蕓，熊壽德，陳正發，王建文

(1.云南農業大學 資源與環境學院，云南 昆明 650201；2.云南農業大學 水利學院，云南 昆明 650201；3.中國電建集團昆明勘測設計研究院有限公司，云南 昆明 650216；4.云南農業大學 機電工程學院，云南 昆明 650201；5.云南地質工程勘察設計研究院，云南 昆明 650041；6.云南省滇中引水工程建設管理局，云南 昆明 650224)

土壤崩解是指土壤在靜水中發生分散、碎裂、塌落解體且不可逆的物理過程，是土壤普遍存在的一種水理現象[1]。崩解是侵蝕發生的必要條件，為進一步侵蝕提供物質基礎和前提條件，因此，土壤崩解是研究土壤侵蝕機理的方法之一[2]，土壤的崩解性主要用崩解量和崩解速率衡量。土壤崩解直接受成土過程、物質組成、干濕交替、初始含水率、水熱環境等多種因素影響[3-9]，其中初始含水率是直接決定土壤崩解的關鍵因素。李喜安等[10]研究發現：當初始含水率增大到一定程度時，黃土崩解性急劇減小甚至消失，其原因是隨著初始含水率的增大，土壤塑性、孔隙性、滲水量等減小，不利于崩解發生；張國棟等[11]對膨脹性紅黏土的研究也得出相似結果。但有學者認為土壤崩解速率隨土壤初始含水率的增加而增加[12]，其原因是初始含水率較低的土壤吸水增重持續時間較長，延遲了土壤進入快速崩解階段的時間。植物根系穿插在土壤中，對土壤有“加筋錨固”的作用，可有效增加土壤抗侵蝕能力[13-14]。王桂堯等[15]認為：根系提高土壤抗崩解作用的原因在于根系減少了雨水入滲產生的孔隙氣壓，還提高了土壤結合力；肖海等[16]發現：狗牙根根系能夠減少飽和土壤崩解量并降低崩解速率；徐少君等[17]研究發現：三峽庫區植物根系的根長密度和根表面積密度能較好地表征飽和土壤的抗崩解能力。初始含水率的變化不僅影響土壤的崩解性，還會影響植物根系與土壤的作用方式[18]，但初始含水率對含根土壤崩解的影響尚不清楚。

位于云南省西北部的三江并流區，區內怒江、瀾滄江和金沙江并行而流超過170 km，蘊藏著豐富的水能資源，是中國重要的水電能源基地。該區域同時也是中國最大的世界自然遺產地、西南地區重要生態屏障的核心區，但該區域生態脆弱、敏感，水土流失高發，能源開發與生態環境保護矛盾突出。電站水庫建成后，在庫周形成消落帶，其土壤處于周期性淹水和落干狀態，導致嚴重的土壤侵蝕，危及區域生態安全和電站運行安全。種植適生植物是恢復消落帶植被、減少土壤侵蝕的有效措施[19]，但目前對消落帶土壤崩解性的研究主要集中于三峽庫區紫色土[20-21]，針對三江并流區的研究才剛起步。本研究在三江并流區核心地帶的瀾滄江黃登電站消落帶開展野外土壤崩解試驗，測定不同初始含水率條件下原狀草本根土復合體的崩解量和崩解速率、根系特征，分析初始含水率對三江并流區消落帶含根土壤崩解性的影響，以期為該區域消落帶的土壤侵蝕防控和植被恢復提供依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況及供試植物

研究區為三江并流區核心地帶的瀾滄江黃登水電站庫尾，位于云南省迪慶藏族自治州維西傈僳族自治縣境內(27°6′56″N，99°10′29″E)，地處低緯高原，屬于亞熱帶與溫帶季風高原山地氣候，年均氣溫14.9 ℃，年均降雨量938.6 mm。供試植物為狗牙根(Cynodon dactylon)、美人蕉(Canna indica)、風車草(Cyperus alternifolius)、花葉蘆竹(Arundo donaxvar.versicolor)和菖蒲(Acorus calamus)，均具有很強的耐淹和抗旱能力，是消落帶植被構建和恢復的優勢物種，于2019 年5 月種植。

1.2 供試土樣

2021 年5 月在黃登水電站庫尾左岸平緩開闊的消落帶取深度為0～30 cm 的土樣，土壤呈棕褐色，自然條件下呈堅硬或硬塑狀態，結構緊密，切面有光澤，裂隙不發育。經測定分析，土壤為淤泥質黏土，其基本理化性質為：干密度1.36 g/cm3，pH 值8.17，有機質含量11.71 g/kg，全氮含量0.87 g/kg，全磷含量0.62 g/kg，全鉀含量21.14 g/kg；顆粒直徑(d1)＜0.002 mm 占57.23%，0.002 mm≤d1＜0.020 mm 占27.21%，0.020 mm≤d1＜0.200 mm占15.06%，0.200 mm≤d1＜2.000 mm 占0.50%。

1.3 試驗方法

1.3.1 試驗設計

試驗設置素土和5 個含根土壤共6 個處理。分別選定長勢較好且均勻的狗牙根、美人蕉、風車草、花葉蘆竹和菖蒲5 個取樣區域，剪去植被地上部分，除去表面雜物，采用根鉆取出含根土樣，其中美人蕉土樣避免取到塊狀根部分；同時在含根土樣取樣點附近取不含根系的素土樣，每1 個處理取32 個樣品。取出土樣的側面用塑料薄膜包裹，上下兩端放置透水石，豎直置于水盆中浸泡48 h 至飽和，再經歷24、48 和72 h 自然風干，每個處理重復5 次，用于崩解試驗。每個處理的土樣另各取3 個密封保存帶回試驗室，用于土壤含水率的測定，測得飽和含水率為36.7%，風干24、48 和72 h 土樣的含水率分別為15.2%、11.4%和7.2%。

1.3.2 現場崩解試驗

采用圖1 所示裝置進行現場崩解試驗，按《土工試驗方法標準》(GB/T50123—2019)[22]操作。試驗開始前，將崩解裝置安裝調適至合適位置，再將崩解架掛在數顯拉力計(艾德堡SH20-0.001 N)上且讀數(水中)置0；試驗開始時，將土樣置于崩解架上，然后將崩解架懸掛在數顯拉力計上，利用升降旋鈕將崩解架緩慢放入崩解容器中，直至土樣的上表面與水面處于同一水平后開始計時并讀數，前10 min 每1 min 記錄1 次讀數，之后每3 min 記錄1 次讀數，試驗持續90 min。

圖1 土壤崩解試驗裝置Fig.1 Soil disintegration test apparatus

土壤崩解量(M，g)和崩解速率(vd，g/min)采用谷天峰等[23]的方法計算，計算公式為：

式中：M0為土壤樣品初始飽和質量，g；m為拉力計的質量讀數，即土壤浮重，g；ma為初始拉力計的質量讀數，g；mb為終止拉力計的質量讀數，g；k為常數；Δt為土壤崩解歷時，未完全崩解則為90 min；ρS和 ρW分別為土壤和水的密度，g/cm3。

對于非飽和土，土樣浸水吸水增重的同時土粒崩落減重，求解過程相對復雜，參考文獻[23]簡化部分條件進行近似求解，即在崩解完成時測量未崩解的土壤質量，此時土壤已經飽和，將土樣的初始質量及已崩解的質量都換成飽和濕土的質量，進而計算崩解量(M)。以土樣在水中靜置時間為橫坐標，以拉力計讀數為縱坐標，得出不同初始含水率土樣的崩解過程曲線。

1.3.3 根系特性分析

在紗網內清洗完成崩解試驗的土壤，收集全部根系，裝入自封袋帶回實驗室用Epson La 掃描儀進行灰度掃描，再用WinRhizo Pro 根系分析系統測定根長(root length，RL)和根表面積(roots surface area，RSA)；掃描后的根系裝入信封內在恒溫箱中烘干，獲得根系生物量(root weight，RW)。計算根質量密度 (root weight density，RWD)、根長密度 (root length density，RLD)和根表面積密度(roots surface area density，RSAD)，計算公式為：RWD=土樣內根系生物量/土樣體積；RLD=土樣內根系總長度/土樣體積；RSAD=土樣內根系總面積/土樣體積。將根系按直徑(d2)劃分為4 個等級：d2≤0.5 mm、0.5 mm＜d2≤1.0 mm、1.0＜d2≤2.0 mm 和d2＞2.0 mm，并分析不同植物各徑級的根系特征。

1.4 數據處理

采用 Excel 和 SPSS 26.0 整理數據；采用Duncan’s 分析M、vd和根系參數，并對M、vd與根系參數間進行Pearson 相關性分析；用Origin 2019繪圖。

2 結果與分析

2.1 不同初始含水率下含根土壤的崩解性

由圖2 可知：非飽和根土復合體的崩解過程可分為3 個階段。第1 階段：試樣放入水中后，周圍布滿大量氣泡，試樣吸水的同時發生崩解，拉力計讀數波動上升，說明土壤吸收水增加的質量大于土壤崩落的質量，吸水增重的強度表現為初始含水率越小，吸水強度越大；第2 階段，土壤吸水飽和后，開始大量破裂、脫離，土壤崩解較為劇烈，拉力計讀數急劇下降，該階段為崩解的主要過程；第3 階段，隨著試驗的進行，僅有少量土粒散落，崩解較為緩慢，拉力計讀數下降很小，呈穩定狀態。飽和土樣浸水后，沒有出現前期土壤吸水增重階段，直接進入拉力計讀數減小的階段，隨著試驗時長的增加，拉力計讀數呈先緩慢減小再逐漸趨于平穩的變化趨勢。

圖2 不同初始含水率(ω)土樣的崩解過程曲線Fig.2 Disintegration process curves of different soil samples with different initial water content (ω)

由表1 可知：同一處理下，土壤崩解量隨初始含水率的增加而減小，不同初始含水率間的土壤崩解量差異極顯著。不同處理下，初始含水率為7.2%時，素土的土壤崩解量顯著大于有根處理；初始含水率為11.4%時，狗牙根處理的土壤崩解量顯著小于其他土壤；初始含水率為15.2%時，素土和狗牙根處理的土壤崩解量顯著小于其他處理；飽和含水率(36.7%)時，有根處理的土壤崩解量均顯著大于素土。此外，初始含水率從11.4%到15.2%時，除狗牙根外，其他植物根系的土壤崩解量從小于素土轉變為大于素土，且各有根處理間不同初始含水率均以狗牙根處理的土壤崩解量最小、美人蕉的最大。初始含水率為 7.2%、11.4%、15.2%和36.7%時，有根處理的平均土壤崩解量分別為素土的77.0%、92.4%、112.1%和362.8%，說明初始含水率較低時，根系能降低土壤的崩解量；初始含水率較高時，根系增加土壤的崩解量。

表1 不同初始含水率下的土壤崩解量Tab.1 Disintegration amount under different initial water content g

圖2 中曲線下降趨勢較明顯的階段為土壤崩解的主要過程，此時土壤崩解速率能較好地表征土壤的崩解性。由表2 可知：不同初始含水率下，素土的崩解速率差異極顯著，且隨著初始含水率的增大，崩解速率減小。不同處理間，初始含水率為7.2%時，素土的崩解速率顯著大于有根處理；初始含水率為36.7%時，素土的崩解速率顯著小于有根處理。初始含水率為 7.2%、11.4%、15.2%和36.7%時，有根處理的平均崩解速率分別為素土的71.4%、106.6%、127.5%和400.0%，說明初始含水率較低時，根系能降低土壤的崩解速率；初始含水率較大時，根系提高了土壤的崩解速率。

表2 土壤崩解主要階段的平均崩解速率Tab.2 Average disintegration rate of major soil disintegration stages g/min

綜上所述，初始含水率較低時，草本根系能降低土壤的崩解量和崩解速率；初始含水率較大時，根系能提高土壤的崩解量和崩解速率，促進土壤崩解。在5 種含根土壤中，以狗牙根的抗崩解性最強、美人蕉的抗崩解性最弱。

2.2 不同初始含水率下根系特征對土壤崩解的影響

2.2.1 不同植物的根系特征

由表3 可知：根質量密度表現為花葉蘆竹顯著大于風車草和美人蕉，但與狗牙根和菖蒲之間無顯著差異；根長密度表現為狗牙根、風車草和花葉蘆竹之間無顯著差異，但顯著大于菖蒲和美人蕉；根表面積密度表現為風車草與花葉蘆竹之間無顯著差異，但顯著大于其他3 種植物。

表3 不同植物的根系特征Tab.3 Root characteristics of different plants

由表4 可知：直徑(d2)≤0.5 mm 的根系中，狗牙根根系的根長密度和根表面積密度顯著大于其他根系，其d2＞2 mm 根系的根長密度和根表面積密度顯著小于其他根系，說明狗牙根細根多，粗根少；相較而言，風車草和花葉蘆竹的根系特征較為接近，菖蒲和美人蕉的根系特征較為接近。

表4 不同植物和徑級(d2)的根系特征Tab.4 Root characteristics of different plants and diameters

2.2.2 不同植物根系對土壤崩解的影響

由表5 可知：在非飽和狀態下，含根土壤的崩解量(M)與根長密度(RLD)、RLDd2≤0.5mm、RLD0.5mm＜d2≤1.0mm以及根表面積密度(RSAD)、RSADd2≤0.5mm、RSAD0.5mm＜d2≤1.0mm呈顯著或極顯著負相關，與 RLD1.0mm＜d2≤2.0mm、RLDd2＞2.0mm、RSADd2＞2.0mm呈顯著或極顯著正相關，與RSAD1.0mm＜d2≤2.0mm無顯著相關性；在飽和狀態，含根土壤的M與RLD、RLD1.0mm＜d2≤2.0mm、RLDd2＞2.0mm、RSAD1.0mm＜d2≤2.0mm、RSADd2＞2.0mm呈顯著或極顯著正相關，而與根質量密度(RWD)顯著負相關。

表5 不同初始含水率下含根土壤崩解量與根系參數的相關性Tab.5 Correlation between the disintegration amount of root soil and root parameters under different initial water content

由表6 可知：初始含水率為7.2%時，土壤崩解速率(vd)分別與 RLDd2≤0.5mm和 RSADd2≤0.5mm顯著和極顯著負相關，與 RLDd2＞2.0mm顯著正相關；初始含水率為 11.4%和15.2%時，vd與RLD、RLDd2≤0.5mm、RLD0.5mm＜d2≤1.0mm、RSADd2≤0.5mm顯著或極顯著負相關，與 RLDd2＞2.0mm極顯著正相關；在飽和狀態下，vd與 RLD1.0mm＜d2≤2.0mm、RLDd2＞2.0mm和RSADd2＞2.0mm呈顯著或極顯著正相關。

表6 不同初始含水率下含根土壤崩解速率與根系參數的相關性Tab.6 Correlation between the disintegration rate of root soil and root parameters under different initial water content

綜上所述，在非飽和狀態，直徑≤1 mm 的根系具有明顯的抗崩解作用，而直徑＞2 mm 的根系具有促進崩解的作用，總體而言，植物根系抗崩解作用大于促進作用，可控制土壤崩解；在飽和狀態，直徑≤1 mm 的根系特征與土壤崩解量和崩解速率的關系不顯著，而直徑＞1 mm 的根系具有促進崩解的作用，總體而言，根系具有促進崩解的作用。

3 討論

水在土壤崩解中扮演著重要的角色，初始含水率是決定土壤崩解的關鍵因素之一，直接決定了土壤顆粒膠結的狀態和離子之間原始連接力的大小[10]。本研究表明：三江并流區消落帶淤泥質黏土崩解性隨初始含水率的增加而減弱，這與張曉媛等[12]對砂質黏壤土靜水崩解速率的研究結論相似，其原因在于飽和度越高的土壤基質吸力越小，吸水能力就越弱，水的入滲速度越小，土壤內部孔隙壓力上升緩慢，有效緩解了土壤崩解[8,24]，從本研究看，草本植物根系對該規律沒有影響。

本研究顯示：初始含水率較低時根系能抑制土壤崩解，隨著初始含水率的升高，根系的抗崩解作用減小或消失甚至會促進崩解，在飽和土壤中根系會促進土壤崩解；而肖海等[16]和徐少君等[17]研究表明根系在飽和土壤中有抗崩解作用。研究結果存在差異的可能原因是：壤土[16]和沙壤土[17]結構相對疏松，根系對土壤起到固結保護作用；而本研究土壤屬淤泥質黏土，土壤致密緊實，孔隙少而小，崩解量少；加之供試植物已種植2 年，第1 年的根系有些已經死亡，在土壤中形成了多而大的孔隙，這些孔隙隨著根系的走向形成網絡結構，促進水分在土壤內的快速遷移[25-27]，從而加快土壤崩解。LI 等[28]通過土柱實驗表明根系作用下的飽和導水率是無根系條件下的 6 倍，因此，含根有可能會導致水在土壤中的蔓延速度變快，加快土壤崩解；此外，根系的交錯穿插作用會使本來緊實板結的土壤發生松動、結構發生變化，而有機質的增多也能促進團粒狀結構的形成，使土壤更加疏松[29]。

本研究土壤為淤泥質黏土，質地黏重，毛管孔隙小，初始含水率較低時強度較高，整體性好，但浸水易軟化，崩解性較強；黏性土顆粒細小，隨著初始含水率的增加，膠結能力提高，崩解性降低[9]。根系促進土壤內部優先流和孔隙的形成，也使土壤發生松動，土壤浸水過程中入滲速度增大，在初始含水率較低時根系的加筋固結作用大于根系通道產生的負作用，對土壤崩解起抑制作用；隨著初始含水率的增大，素土土壤顆粒間的黏結性增強，不易崩解[20]，但根土復合體中土壤顆粒與植物根系間的摩擦力降低甚至滑出失效，當初始含水率增大到一定程度時，這種作用大于根系固土作用，使根土復合體的崩解性增強。除崩解侵蝕外，土壤的水力侵蝕還存在水流沖蝕作用，在初始含水率較高的情況下，根系雖然促進了崩解，但也發揮出抗拉作用，能有效抵抗水流沖蝕，抗沖刷作用強?？傮w而言，根系雖然存在固土抗蝕作用，但根系固土效果的評估應該更加保守。

本研究表明：根系對淤泥質黏土的抗崩解作用主要歸功于直徑≤1 mm 的根系，這也是狗牙根根系比其他根系抗崩解性強的原因，狗牙根根系直徑≤1 mm 的細根占比較大，能充分接觸土壤，有效纏繞、串結土壤，增加土壤顆粒間的結合強度，降低土壤崩解性。直徑＞2 mm 的根系對淤泥質黏土的崩解起促進作用，徐少君等[17]研究發現土壤抗崩解增強系數與直徑＞2 mm 的根系特征之間無顯著相關關系，結合本研究的結果，可以認為直徑＞2 mm 的根系抗崩解作用不明顯，甚至會促進崩解。

4 結論

三江并流區消落帶淤泥質黏土崩解性隨初始含水率的增加而減弱，草本植物根系的存在對該結果無影響。在土壤初始含水率較低的情況下，草本植物根系能抑制土壤崩解，隨著初始含水率的升高，根系抑制崩解的作用減小或消失甚至會促進崩解；飽和狀態下，根系會促進土壤崩解。在供試的5 種含根土壤中，狗牙根的抗崩解性最強、美人蕉的最弱。直徑＞2 mm 的根系抗崩解作用不明顯，甚至會促進崩解。因此，三江并流區消落帶植被恢復中，在適生性的前提下應優選細根植物。