引用本文
王润泽, 谌芸, 李铁, 周涛, 何丙辉, 刘枭宏, 刘志鹏, 单志杰. PAM和草类根系对荒坡侵蚀劣地紫色土微团聚体的影响. 草业学报, 2017,26(12): 13-23
WANG Run-Ze, CHEN Yun, LI Tie, ZHOU Tao, HE Bing-Hui, LIU Xiao-Hong, LIU Zhi-Peng, SHAN Zhi-Jie. Impacts of polyacrylamide and grass root systems on micro-aggregates of purple soil in barren hillside badlands. Acta Prataculturae Sinica,2017,26(12): 13-23  
Doi:10.11686/cyxb2017060
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PAM和草类根系对荒坡侵蚀劣地紫色土微团聚体的影响
王润泽1, 谌芸1,*, 李铁1, 周涛1, 何丙辉1, 刘枭宏1, 刘志鹏1, 单志杰2
1.西南大学资源环境学院,三峡库区生态环境教育部重点实验室,重庆 400715
2.中国水利水电科学研究院,流域水循环模拟与调控国家重点实验室,北京 100048
*通信作者Corresponding author. E-mail:sy22478@126.com

作者简介:王润泽(1990-),男,山东淄博人,在读硕士。E-mail:704784686@qq.com

收稿日期: 2017-02-20
基金项目:国家自然科学基金(41501288),重庆市基础科学与前沿技术研究一般项目(cstc2017jcyjAX0472),中央高校基本科研业务费专项(XDJK2015C170,XDJK2017D206),西南大学第九届本科生科技创新基金项目(20162402008),西南大学资源环境学院“光炯”项目(201719)和水利部公益性行业科研专项经费项目(201501045)资助
摘要

为探讨PAM(聚丙烯酰胺)和草类根系对侵蚀劣地土壤的改良效果,试验以该环境的紫色土为研究对象,设置了空白对照(CK)以及单施PAM、单植草类、“狗牙根+PAM”、“三叶草+PAM”4个试验处理类别,6个月后测定了土壤微团聚体组成,分析了土壤微团聚体分布、结构及分形特征。结果表明,1)各试验处理的大粒径微团聚体含量增加,小粒径的则减少;2)各试验处理的MWSSA(平均重量比表面积)、分散系数和分散率均显著减小(各指标最小值分别为CK的0.30、0.15和0.60倍),MWD(平均重量直径)、团聚状况和团聚度均显著增大(各指标最大值分别为CK的1.17、1.49和1.28倍);3)各试验处理的微团聚体分形维数均减小;4)GY-PAM1(狗牙根+液施PAM,浓度:30 g/m3)土壤的各项微团聚体结构指标均优于其他试验处理,表现出较好的抗侵蚀性;5)“草类+PAM”的根系指标均优于单植草类,平均根长密度(RLD)和 d(直径)≤0.2 mm径级分别是影响该紫色土结构稳定性和抗侵蚀性的主要因子和关键径级。

关键词: 微团聚体; PAM; 根系特征; 根长密度; 根表面积密度
Impacts of polyacrylamide and grass root systems on micro-aggregates of purple soil in barren hillside badlands
WANG Run-Ze1, CHEN Yun1,*, LI Tie1, ZHOU Tao1, HE Bing-Hui1, LIU Xiao-Hong1, LIU Zhi-Peng1, SHAN Zhi-Jie2
1.College of Resources and Environment, Key Laboratory of Eco-environments in Three Gorges Reservoir Region, Southwest University, Chongqing 400715, China
2.China Institute of Water Resources and Hydropower Research, State Key Laboratory of Simulation and Regulation of Water Cycle in River Basin, Beijing 100048, China
Abstract

In order to explore the improvement effects of polyacrylamide (PAM) and grass roots on soil in badlands, the composition, distribution, structural and fractal characteristics of soil micro-aggregates in purple soil were measured after six months exposure to various treatments, including blank control (CK), polyacrylamide on the soil surface, grass planting alone, “ Cynodon dactylon+PAM” and “ Trifolium repens+PAM”. The results indicated that the proportion of large particle size micro-aggregates of each experimental treatment increased while the proportion of small particle size micro-aggregates decreased, compared to CK. Hence, the mean weight soil specific area (MWSSA), dispersion coefficient and dispersion rate of experimental treatments significantly decreased (The minimum values were 0.30, 0.15 and 0.60 times those of CK, respectively). The mean weight diameter, aggregation states and degree of aggregation of each experimental treatment significantly increased (The maximum values were 1.17, 1.49 and 1.28 times those of CK, respectively). The fractal dimension of micro-aggregates in experimental treatments also decreased. All the structural parameters of micro-aggregates in soils of treatment GY-PAM1 ( C. dactylon planting and liquid application of 30 g/m3 polyacrylamide) were superior to the other treatments and this treatment showed greater reduction in erodibility. The root system parameters of “grass+PAM” were better than those of grass-planting alone. The total root length and the root length in the diameter ( d) class d≤0.2 mm were the major factor and critical diameter class affecting structural stability and erodibility reduction of purple soil in barren hillside badlands.

Keyword: soil micro-aggregates; PAM; root system characteristics; root length density; root surface area density

紫色土区水土流失经过多年的治理, 取得了极大成效, 但部分地区仍存在一些极为严重的水土流失区[1], 其特点是降水丰富, 生境条件恶劣, 母质岩裸露, 无土或有极少量砾石土, 土壤极度瘠薄, 植被生长困难, 治理难度极大, 称为侵蚀劣地[2]。侵蚀劣地是指因侵蚀造成贫瘠化而难以利用的土地[3], 包括岩石、荒山(裸山)或其他近乎不毛之地等[4], 是水土流失治理和生态恢复的难点。国外针对侵蚀劣地的研究较多, 主要涉及侵蚀机理、“ 地形-水分-植被” 之间的相互关系、“ 侵蚀速率-植被” 之间的相互关系、“ 土壤性质-植被” 之间的相互关系以及模型研究[5, 6, 7, 8, 9]等。国内针对侵蚀劣地的研究很少, 已有研究内容仅涉及侵蚀劣地的植被恢复技术和治理效果评价[10, 11]等方面, 而针对侵蚀劣地土壤物理过程的研究则更为缺乏。土壤微团聚体是构成土壤结构的功能单元[12], 其组成对土壤物理过程和抗蚀性有重要的影响[13], 故研究侵蚀劣地紫色土微团聚体的分布、结构及分形特征是必要和迫切的。

应用PAM(polyacrylamide, 聚丙烯酰胺)防治水土流失, 已成为国际普遍采用的化学措施, 因其具有减少土壤侵蚀和改善土壤质量的显著效果而受到重视。在人与自然和谐共处的理念下, 除化学措施外, 植物措施的防治水土流失和改善生态环境作用亦必不可少[14]。国内外针对PAM对土壤团聚体影响的研究成果颇丰, 主要集中在PAM影响团聚体的分布特征[15, 16]、结构特征[17]和作用机理[18]等方面; 植物措施对土壤团聚体的影响亦有大量研究, 主要集中报道植被措施影响团聚体的数目[19]、碳汇作用[20, 21]和水稳定性[22]等。目前这些研究多集中于单一措施上, 而针对PAM和植物措施的对比分析效果以及两者的组合配套使用对土壤团聚体影响的研究尚未见报道, 且鲜有研究涉及植物根系特征对土壤团聚体的影响。因此, 本研究选取紫色土区荒坡侵蚀劣地土壤为对象, 探讨了PAM、草类以及两者组合配套使用对微团聚体的影响, 以期为该区荒坡侵蚀劣地水土流失治理和生态恢复效益评价提供科学依据。

1 材料与方法
1.1 研究区概况

研究区属亚热带季风性气候, 年均温约为18 ℃, 年均降水量约为1200 mm, 年均日照时长约为1277 h[23]。供试土壤来自重庆市北碚区马鞍溪流域内龙滩子水库(29° 49'1″ N, 106° 24'48″ E)附近的荒坡。马鞍溪位于北碚区西北部, 发源于缙云山南麓, 属嘉陵江支流。该荒坡为紫色沙泥页岩裸露、有少量粗骨性砾石土的纯母质侵蚀劣地, 坡度约为35° , 植被覆盖度不足5%, 土层厚度不足5 cm, 鲜有人为扰动。

1.2 试验设计

于2015年12月采集荒坡侵蚀劣地土壤, 采集前去除表层杂质。土壤过5 mm筛后填入花盆内并略微压实, 使其容重为1.30 g/cm3左右, 花盆规格为口径× 底径× 高:180 mm× 125 mm× 100 mm。试验处理如表1所示, 每个处理3个重复, 共27个花盆试样。试样制成后, 首先浸水12 h, 水层比花盆顶部稍低, 然后静置, 保证试验初土壤的含水率均为饱和含水率。静置数日后, 液施PAM(中性, 相对分子量300万, 碱性条件下水解, 水解度为20%)溶液和等密度撒播草籽(每个花盆均撒播狗牙根Cynodon dactylon或三叶草Trifolium epens种子0.3 g), 试验期间常规管护, 及时灌溉、去除杂草与补种。

表1 试验处理 Table 1 Test treatments
1.3 试验方法

1.3.1 样品采集及指标测定 于2016年5月初采集花盆试样, 采样时间为雨后3 d以上, 且3 d以上无灌溉和拔草措施。环刀取样:采样前土壤表面的植株、枯落物或其他杂质等清理干净(CK、PAM1和PAM2只需去除土壤表面的杂质), 然后用环刀(底面积30 cm2, 高2 cm)采取含有根系或无根系的土壤样品。土壤微团聚体试验取样:每次环刀取样过后, 用铲子采取约500 g土带回实验室使其自然风干。土壤微团聚体组成测定:蒸馏水浸泡土壤24 h后再振荡2 h, 采用吸管法测定各粒级微团聚体含量[24]。

1.3.2 土壤微团聚体结构特征指标计算 土壤微团聚体平均重量比表面积(mean weight soil specific area, MWSSA)、平均重量直径(mean weight diameter, MWD)、团聚状况、团聚度、分散系数和分散率均采用中国科学院南京土壤研究所主编的《土壤物理性质测定法》中相关公式计算[24]。

1.3.3 分形维数(D)的计算 分形维数在一定程度上可以作为评价土壤结构稳定性的指标[25]。因土壤本身具有自相似结构的特点, 故可用分形理论建立土壤团粒结构的分形模型, 本研究采用以粒径的质量分布直接计算土壤粒径分布的分形维数(杨培岭法), 小于某一特定测量尺度的累积土粒质量mi与di之间的分形关系式为[26]:

didmax3-D=mimmax(1)

式中:di为相邻两筛分粒级的粒径平均值(mm); dmax为最大土粒粒径值(mm); mi为粒径小于di的累积土粒质量(kg); mmax为各粒级质量之和(kg); D为分形维数。

以lg didmax与lg mimmax为横、纵坐标作线性趋势线图, 则3-D即为该线性趋势线的斜率, 故可用回归分析法求得土壤分形维数(D)。

1.3.4 根系指标测定及计算 将含根系的土样浸于水中2 h, 置于0.5 mm筛内用较小流量自来水冲洗, 洗出的根系晾干表面水分, 装入自封袋内并编号; 然后采用200 dpi分辨率的扫描仪对根系进行灰度扫描, 采用WinRHIZO(Pro. 2004c)根系分析系统分5个径级(d≤ 0.2 mm, 0.2 mm< d≤ 0.5 mm, 0.5 mm< d≤ 0.7 mm, 0.7 mm< d≤ 0.9 mm, d> 0.9 mm, d为直径, 单位mm)对根长(root length, RL)、根表面积(root surface area, RSA)和根体积(root volume, RV)进行统计分析。扫描后的根系采用烘干法和精度为千分之一的电子天平获得根干重(root weight, RW)[27]。

根长密度(root length density, RLD)=环刀内根系总长度/土体体积 (2)

根表面积密度(root surface area density, RSAD)=环刀内根系总表面积/土体体积 (3)

根体积密度(root volume density, RVD)=环刀内根系总体积/土体体积 (4)

根重密度(root weight density, RWD)=环刀内根系总干重/土体体积 (5)

1.4 数据处理

采用Microsoft Excel 2010软件对数据进行图表处理, 用SPSS 17.0 统计软件进行差异显著性分析(Duncan法)和Pearson相关分析。

2 结果与分析
2.1 PAM和草类对微团聚体分布特征的影响

由图1可知, 同一粒级不同处理微团聚体含量存在差异。1~0.25 mm粒级, PAM1微团聚体含量最大, 为46.46%, 是最小值(CK, 39.93%)的1.16倍, 且各试验处理的微团聚体含量均大于CK, GY-PAM1和GY-PAM2的微团聚体含量均大于GY, SY-PAM1和SY-PAM2的微团聚体含量均大于SY。0.25~0.05 mm粒级, SY-PAM1的微团聚体含量最大, 为38.64%, 是最小值(CK, 30.63%)的1.26倍。0.05~0.01 mm粒级微团聚体含量介于10.04%~16.28%, 平均值为13.02%。0.01~0.005 mm粒级微团聚体含量介于2.88%~6.76%, 平均值为3.98%, 0.005~0.002 mm粒级微团聚体含量介于0.56%~4.39%, 平均值为2.59%, 且CK在这2个粒级范围内的微团聚体含量均显著大于各试验处理。0.002~0.001 mm粒级微团聚体含量介于0.08%~3.41%, < 0.001 mm粒级微团聚体含量介于0.29%~1.92%, CK在这2个粒级范围内微团聚体含量均显著大于各试验处理。

图1 不同处理的土壤微团聚体组成
不同小写字母表示同一粒级不同处理土壤微团聚体含量在P< 0.05水平上差异显著。Fig.1 Composition of soil micro-aggregates in different treatments
Different lowercase letters indicate that the content of soil micro-aggregates of the same particle-size with different treatments are significantly different at P< 0.05 level.

1~0.05 mm粒级范围内微团聚体含量则表现为“ 狗牙根+PAM” > “ 三叶草+PAM” > 单施PAM> 单植草类> CK, 其中GY-PAM1的此粒级微团聚体含量最大, 为82.23%。较之CK, 各试验处理该粒级范围的微团聚体含量均有所增加。在< 0.01 mm粒级范围内, 各试验处理的此粒级微团聚体含量较之CK均有所减少。由此可见, 与CK相比, 各试验处理的大粒径微团聚体含量增加, 小粒径的则减少。

同一处理不同粒级微团聚体含量亦存在差异。所有处理的1~0.25 mm粒级微团聚体含量均最大, < 0.002 mm粒级微团聚体含量均最小。所有处理的不同粒级土壤微团聚体含量均呈C1~0.25 mm> C0.25~0.05 mm> C0.05~0.01 mm> C0.01~0.005 mm> C0.005~0.002 mm> C< 0.002 mm的顺序。所有处理的1~0.25 mm均为优势粒级, 0.25~0.05 mm均为次优势粒级。

由图1亦可知, 不同处理不同粒级土壤微团聚体整体分布特征有所不同。如所有处理间土壤微团聚体含量最小的粒级有所不同, CK、PAM1、PAM2、GY和SY-PAM2的微团聚体含量最小的粒级均为< 0.001 mm, 而SY、GY-PAM1、GY-PAM2和SY-PAM1处理微团聚体含量最小的粒级均为0.002~0.001 mm。

2.2 PAM和草类对微团聚体结构特征的影响

评价土壤微团聚体结构特征常用的代表性指标有平均重量比表面积(MWSSA)、平均重量直径(MWD)、团聚状况、团聚度、分散系数和分散率等。

团聚体的MWSSA是反映土壤性质的综合指标之一, 一般来讲, MWSSA的值越大, 土壤质地越细, 分散性越强[28]。由表2可知, 土壤微团聚体MWSSA表现为CK最大, GY-PAM1最小, CK的微团聚体MWSSA均显著大于各试验处理, 为最小值(GY-PAM1, 60.90 cm2/g)的3.33倍。PAM1、PAM2、GY-PAM1和GY-PAM2等4个试验处理的MWSSA彼此之间无显著性差异, 且显著小于GY和SY。SY-PAM1和SY-PAM2的MWSSA无显著性差异。由此可见, CK的土壤质地细, 微团聚体结构稳定性差; 与CK相比, 各试验处理均有效降低了荒坡侵蚀劣地紫色土微团聚体MWSSA, 且其结构稳定性均优于CK, 其中GY-PAM1微团聚体结构稳定性最好。

表2 不同处理的土壤微团聚体结构特征 Table 2 Structural characteristics of soil micro-aggregates in different treatments

团聚体的平均重量直径(MWD)是反映土壤结构抗机械稳定性的综合指标之一[29], 一般来讲, MWD的值越大, 土壤团聚体结构稳定性越好, 抗侵蚀性越强。由表2可知, 所有处理的土壤微团聚体MWD介于0.30~0.35 mm, 最大为GY-PAM1(0.35 mm), 最小为CK(0.30 mm), 且处理之间土壤微团聚体MWD均无显著性差异。由此可见, CK土壤抗侵蚀性最弱; 较之CK, 各试验处理均有利于增加荒坡侵蚀劣地紫色土的微团聚体MWD, 土壤微团聚体结构稳定性和抗侵蚀性均有所增强。

团聚状况、团聚度、分散系数和分散率亦均为评价土壤团聚体结构稳定性的指标。一般来讲, 团聚体的团聚状况和团聚度越高, 其分散系数和分散率相应地则越低, 结构稳定性和抗侵蚀性越强[30]。由表2亦可知, 土壤微团聚体团聚状况与团聚度均呈现“ 狗牙根+PAM” > “ 三叶草+PAM” > 单施PAM> 单植草类> CK的顺序, 团聚状况与团聚度最大值分别为35.55%和43.23%(GY-PAM1), 最小值分别为23.88%和33.84%(CK)。CK的微团聚体分散系数与分散率均显著大于各试验处理, 分散系数与分散率最大值分别为13.99%和55.21%(CK), 最小值分别为2.11%和33.33%(GY-PAM1)。GY-PAM1、GY-PAM2、SY-PAM1和SY-PAM2等4个试验处理的土壤微团聚体团聚状况、团聚度、分散系数和分散率彼此之间均无显著性差异, 且这4个试验处理的团聚状况与团聚度均显著大于单植草类; 除“ 三叶草+PAM” 分散系数大于单施PAM外, 其他3个相互组合处理的分散系数和分散率均小于单施PAM和单植草类。由此可知, 较之CK, 各试验处理均有效提高了荒坡侵蚀劣地紫色土微团聚体结构稳定性和抗侵蚀性, 其中GY-PAM1的结构稳定性和抗侵蚀性最强。

2.3 PAM和草类对微团聚体分形特征的影响

土壤微团聚体分形维数可以表征土壤的结构稳定性和抗侵蚀性, 一般来讲, 大粒径微团聚体含量越高, 其分形维数越小, 土壤结构稳定性和抗侵蚀性越强, 反之, 其分形维数则越大, 土壤结构稳定性和抗侵蚀性相应地则越弱[30]。由表3可知, 所有处理的土壤微团聚体分形维数介于2.148~2.467, 最大值为2.467(CK), 最小值为2.148(GY-PAM1)。各试验处理的土壤微团聚体分形维数均小于CK, GY-PAM1、GY-PAM2、SY-PAM1和SY-PAM2等4个试验处理的土壤微团聚体分形维数均小于单植草类。

为了探讨不同处理的土壤微团聚体分形维数对不同粒级微团聚体分布的反映程度, 在用回归分析法计算分形维数时得到了不同线性回归方程的决定系数, 由表3可知, 决定系数介于0.958~0.982, 这说明分形维数能够很好地反映各个处理不同粒级微团聚体分布特征, 且参考价值很高。较之CK, 各试验处理均有效减小了荒坡侵蚀劣地紫色土微团聚体分形维数, 进而增强了其结构稳定性和抗侵蚀性。较之单施PAM和单植草类, 草类与PAM相互组合使用更有利于增强荒坡侵蚀劣地紫色土结构稳定性和抗侵蚀性。

表3 不同处理的土壤微团聚体分形维数 Table 3 Fractal dimension of soil micro-aggregates in different treatments
2.4 草类根系与微团聚体指标间的相关分析

试验期间, 为避免枯落物的干扰, 已人为及时清除。地下部分根系在稳定土壤结构、提高土壤抗侵蚀性方面的作用远大于地上部分[31], 故草类对微团聚体的影响主要为根系作用。因此本研究着重介绍草类根系与微团聚体指标间的相关分析。

2.4.1 根系指标 表4中, “ 狗牙根+PAM” 含根土体的各项根系总体指标和径级指标均最优, 其次是单植狗牙根, 而单植三叶草含根土体的根系指标最差。值得指出的是, “ 狗牙根+PAM” 含根土体的根系指标略优于单植狗牙根的, 三叶草情况亦与狗牙根类似。所有含根土体处理的径级指标中, d≤ 0.2 mm径级的根系指标最优, 径级根系指标均随着径级的增大而递减, d≤ 0.2 mm径级是优势径级, 0.2 mm< d≤ 0.5 mm径级是次优势径级。

表4 含根土体的根系总体指标和径级指标 Table 4 The overall parameters and diameter parameters of root-soil complex

2.4.2 相关分析 根系总体指标与微团聚体结构特征指标间的相关分析见表5。MWSSA、分散系数、分散率与总体指标的RLD均呈极显著或显著负相关, 其中分散系数与RLD的相关系数(-0.754)最大。MWD、团聚状况、团聚度与总体指标的RLD、RSAD均呈极显著或显著正相关, 其中团聚状况与RLD的相关系数(0.596)最大。除MWD外, 其他微团聚体结构特征指标均与总体指标的RSAD呈极显著或显著相关。所有微团聚体结构特征指标与总体指标的RVD、RWD的相关性均不显著。由此可见, 根系总体指标中, RLD是影响荒坡侵蚀劣地紫色土结构稳定性和抗侵蚀性的主要因子, 其次是RSAD。

表5 根系指标与微团聚体指标间的相关分析 Table 5 Correlation analysis between root parameters and soil micro-aggregates parameters

不同径级根系指标与微团聚体结构特征指标间的相关分析如表5所示。MWSSA、分散系数、分散率与d≤ 0.2 mm径级、0.2 mm< d≤ 0.5 mm径级的RLD、RSAD呈极显著或显著负相关, 与d≤ 0.2 mm径级的RVD呈显著负相关, 这3个微团聚体结构特征指标与d≤ 0.2 mm径级的相关系数均大于0.2 mm< d≤ 0.5 mm径级的。MWD、团聚状况、团聚度与d≤ 0.2 mm径级的RLD、RSAD呈极显著或显著正相关, 与其他径级指标的相关性均不显著。由此可见, d≤ 0.2 mm径级是影响荒坡侵蚀劣地紫色土结构稳定性和抗侵蚀性的关键径级, 其次是0.2 mm< d≤ 0.5 mm径级。

3 讨论

荒坡侵蚀劣地紫色土由于长期严重的水土流失, 其土壤表层流失殆尽, 仅存的少量粗骨性砾石土抗侵蚀性极弱, 因此设法提高荒坡侵蚀劣地紫色土的抗侵蚀性、有效控制其进一步的水土流失极为重要。研究发现, 荒坡侵蚀劣地紫色土微团聚体组成分布极为不均, 表现在> 0.01 mm粒级微团聚体含量偏高, 而< 0.01 mm粒级微团聚体含量却偏低, 这与黄炎和等[32]的研究结果类似。较之CK, 各试验处理虽不能改善荒坡侵蚀劣地紫色土微团聚体组成不均的状况, 但可以有效提高其土壤结构稳定性和抗侵蚀性。

各处理的土壤微团聚体分布特征具有显著性差异。较之CK, 各试验处理均有助于增加荒坡侵蚀劣地紫色土大粒径微团聚体含量, 减少小粒径微团聚体含量, 这与已有的PAM或草类对土壤团聚体影响的研究结果类似[17, 33]。 与CK相比, 各试验处理均有助于降低MWSSA、分散系数和分散率, 增加MWD、团聚状况和团聚度, 提高侵蚀劣地土壤团聚体结构抗机械稳定性和抗侵蚀性, 其中以GY-PAM1的改善效果最好。究其原因, PAM是高分子链网状聚合物, 含有大量的酰胺基, 本身带有电荷, 能够以吸附、缠绕和贯穿等方式捕捉分散土粒[34], 并通过搭桥效应(本质是范德华吸引力)来促使土壤团聚体凝聚[18], 形成复杂、稳定的PAM-土壤团聚体网络复合结构, 从而使得大粒径土壤微团聚体含量增加, 并形成一定数量的胶体物质[35], 增强了土壤的抗侵蚀性能; 草类具有发达的根系系统, 根系网络串联作用、根土粘结作用和根系分泌物的胶结作用能够凝聚分散土粒形成较大的团聚体; 根据李建兴等[36]的研究, 草类根系与土壤的接触面构成了较好的导水通道, 能够增加土壤的有效生物孔隙数目, 可能更有利于PAM大分子链网状聚合物沿着有效生物孔隙由地表渗透到深层土壤, 使得PAM与土粒的复合作用(吸附、缠绕和贯穿等)更加充分。而草类与PAM相互组合使用, 则兼具了单施PAM和单植草类各自的效果, 其对侵蚀劣地土壤的改善效果更优。

本研究发现, 在狗牙根整体长势相同的条件下, GY-PAM1对侵蚀劣地土壤性质的改善效果略优于GY-PAM2, 其原因可能与PAM浓度有关。龙明杰等[34]对聚丙烯酰胺施用量增加> 0.25 mm水稳性团粒含量效果的研究表明, 超过最佳施用量时, 单位聚丙烯酰胺用量在提高土壤> 0.25 mm水稳性团粒数量的效果上随着聚丙烯酰胺用量的增加而下降。在一定的浓度梯度范围内, 本研究中PAM提高微团聚体结构稳定性的效果可能随浓度的增加呈先升高后下降的态势, 即存在一个峰值浓度。由于本研究只设置了两个浓度(30和60 g/m3), 不足以反映PAM浓度梯度变化对土壤微团聚体组成分布和结构状况的影响, 需要进一步完善试验并加以研究。

“ 草类+PAM” 的根系总体指标和径级指标均优于单植草类, 这可能是PAM增加土壤通透性和保水性, 从而促进根系生长。根系总体指标RLD和d≤ 0.2 mm径级(须根径级)分别是影响土壤微团聚体指标的主要因子和关键径级, Csilla等[37]对量化高山植被根系影响土壤团聚体稳定性的研究亦证实了这一点, 分析原因:一方面极细根的密集分布可以增加根系与土粒的接触面积, 大量根系分泌物可充分地胶结、笼络根系周围的微小土壤颗粒, 增大了根系与微小土壤颗粒之间的范德华吸引力, 这可能对于形成大粒径土壤团聚结构有利; 另一方面, 根据Amezketa[38]的观点, 极细根萎缩腐解转化为腐殖质, 腐殖质可作为“ 胶结剂” 与微小土壤颗粒以多价阳离子为“ 键桥” 而“ 粘” 在一起, 使得微团聚体的结构稳定性和抗侵蚀性有所增强[18]。陶俊[33]就不同护坡草本根系分布对土壤理化性质影响的研究表明, 0.5 mm< d≤ 2 mm对微团聚体影响最大, 而非须根径级, 这与本研究结果有所不同, 具体原因有待于试验查明。目前根系指标对土壤微团聚体影响机理的研究仍较薄弱, 今后还应继续加强此方面的研究。

4 结论

(1)通过对比各处理的土壤微团聚体分布特征可知, 同一粒级不同处理和同一处理不同粒级微团聚体含量均存在明显的差异。较之CK, 单施PAM、单植草类、“ 草类+PAM” 的大粒径微团聚体含量增加, 小粒径的则减少。所有处理中, 微团聚体的1~0.25 mm粒级为优势粒级, 0.25~0.05 mm粒级为次优势粒级。

(2)与CK相比, 单施PAM、单植草类、“ 草类+PAM” 的MWSSA、分散系数和分散率均显著减小, MWD、团聚状况和团聚度均显著增大。GY-PAM1土壤的各项微团聚体结构特征指标均优于其他试验处理, 其土壤结构稳定性和抗侵蚀性最好。

(3)单施PAM、单植草类、“ 草类+PAM” 均减小了侵蚀劣地土壤微团聚体分形维数, 增强了土壤的抗侵蚀性。GY-PAM1的土壤微团聚体分形维数(D=2.148)最小。

(4)“ 草类+PAM” 的根系总体指标和径级指标均优于单植草类。所有含根土体处理的径级指标中, d≤ 0.2 mm是优势径级, 0.2 mm< d≤ 0.5 mm是次优势径级。平均根长密度(RLD)和根系径级d≤ 0.2 mm分别是影响荒坡侵蚀劣地紫色土结构稳定性和抗侵蚀性的主要因子和关键径级, 其次是平均根表面积密度(RSAD)和0.2 mm< d≤ 0.5 mm径级。

The authors have declared that no competing interests exist.

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