香根草和马唐的根系特征及对坡地紫色土抗侵蚀性的影响

引用本文

王润泽, 谌芸, 李铁, 彭石磊, 刘志鹏, 单志杰. 香根草和马唐的根系特征及对坡地紫色土抗侵蚀性的影响.草业学报, 2015,26(7): 45-54
WANG Run-Ze, CHEN Yun, LI Tie, PENG Shi-Lei, LIU Zhi-Peng, SHAN Zhi-Jie. Root distribution characteristics of Vetiveria zizanioides and Digitaria sanguinalis and their effects on the anti-erodibility of purple soil in slopelands .ACTA PRATACULTUAE SINICA, 2015,26(7): 45-54 复制到剪切板

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本文属于开放获取期刊。

香根草和马唐的根系特征及对坡地紫色土抗侵蚀性的影响

王润泽¹, 谌芸^1,^*, 李铁¹, 彭石磊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: 2016-09-21

基金: 国家重点研发计划项目(2016YFC0502303),国家自然科学基金(41501288),中央高校基本科研业务费专项(XDJK2015C170,XDJK2014C103)和水利部公益性行业科研专项经费项目(201501045)资助

摘要

为探讨紫色土区草类根系特征及对土壤抗侵蚀性的影响,本试验选取坡地香根草和马唐为研究对象,分0~10 cm、10~20 cm和20~30 cm土层采集根系和土壤样品,分别采用WinRHIZO(Pro.2004c)根系分析系统、ZJ型应变控制式直剪仪和改进的原状土冲刷水槽测定根系指标、根-土复合体抗剪和抗冲性能,研究了不同土层香根草和马唐的根系特征及与土壤抗侵蚀性之间的关系。结果表明,0~30 cm土层范围内,香根草根系的总体指标和径级指标(根长密度、根表面积密度、根体积密度和根重密度)均优于马唐;较之马唐,香根草更有利于降低土壤容重,改善土壤微团聚体组成状况和提高土壤有机碳含量;上述2种草类根-土复合体的抗冲剪性能均表现为:0~10 cm土层最优,10~20 cm土层次之,20~30 cm土层最差,且各土层均表现为香根草的优于马唐的;相关分析表明,1.0< d(直径)≤2.0 mm是影响复合体粘聚力和抗冲指数的关键径级,其次是径级 d≤1.0 mm。本研究结果可为紫色土区水土保持植被构建提供理论依据。

关键词: 根系; 内摩擦角; 粘聚力; 抗冲指数; 紫色土

doi: 10.11686/cyxb2016353

Root distribution characteristics of Vetiveria zizanioides and Digitaria sanguinalis and their effects on the anti-erodibility of purple soil in slopelands

WANG Run-Ze¹, CHEN Yun^1,^*, LI Tie¹, PENG Shi-Lei¹, 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

The aim of this study was to investigate the characteristics of grass root distribution and its effects on soil anti-erodibility in purple soil areas. Two grass species, Vetiveria zizanioides and Digitaria sanguinalis, growing on slopelands were chosen as the experimental materials. Root and soil samples were taken from 0-10, 10-20, and 20-30 cm soil depths. Root parameters, soil shear strength, and anti-scourability of the root-soil system were measured to explore the relationship between root distribution and soil anti-erodibility. The values of overall root parameters and diameter parameters (root length density, root surface area density, root volume density, and root weight density) were higher for V. zizanioides roots than for D. sanguinalis roots in 0-30 cm soils. Compared with D. sanguinalis roots, V. zizanioides roots were more conducive to reducing soil bulk density, improving soil microaggregate composition, and increasing the soil organic carbon content. Soil shear strength and anti-scourability of the root-soil systems were highest in 0-10 cm soils and lowest in 20-30 cm soils. The values of both parameters were higher for V. zizanioides than for D. sanguinalis. A correlation analysis indicated that 1.0< d (diameter)≤2.0 mm was the critical diameter class affecting cohesion and the anti-scourability index, followed by d≤1.0 mm. The results of this study provide a theoretical basis for vegetation management strategies to conserve soil and water in purple soil areas.

Keyword: root system; internal friction angle; cohesion; anti-scourability index; purple soil

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土壤的抗剪与抗冲性能是表征土壤抗侵蚀性的重要指标^[1], 植物根系能够显著增强土壤的抗冲剪性能, 从而增强土壤的抗侵蚀性。紫色土抗侵蚀性弱, 紫色土区是我国水土流失严重区域之一^[2]。近年来该区域实施的退耕还林还草工程使得紫色土的抗侵蚀性有所增强^{[3, 4]}, 其中植物根系在稳定土壤结构、防治土壤侵蚀方面的作用不容忽视^[1], 故研究根系特征对坡地土壤抗侵蚀性的影响是必要和迫切的。目前有关根系特征对土壤抗侵蚀性的影响研究虽多, 但多数研究^{[5, 6, 7, 8, 9]}选取的是根系总体指标(即所有根系平均的根长密度、根表面积密度、根体积密度及根重密度等), 鲜有考虑到不同径级根系指标。而仅有的径级根系指标对土壤抗侵蚀性的影响研究^{[10, 11, 12, 13]}中, 又只分析了径级根长密度和径级根表面积密度。

针对已有研究中存在的上述不足, 本试验选取紫色土区最具代表性的水土保持植物香根草(Vetiveria zizanioides)与乡土植物马唐(Digitaria sanguinalis)为研究对象, 探讨了这2种草类根系特征及其对坡地紫色土抗侵蚀性的影响, 尤其是不同径级根系指标对土壤抗侵蚀性的影响, 以期为紫色土区水土保持植被构建提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验区位于重庆市北碚区西南大学后山水土保持试验基地(29° 48'57.44″ N, 106° 24'35.23″ E), 平均海拔278 m, 属丘陵地貌。该区属于亚热带季风性气候, 年均气温约为18 ℃, 年均降水量约为1200 mm, 年均日照时长约为1277 h。该区土壤主要为中生代侏罗系沙溪庙组灰棕紫色沙泥页岩母质上发育而成的中性紫色土^[14]。

1.2 试验设计

试验设置2个处理:香根草、自然生草(坡度均为25° ), 每个处理3个重复, 共6个小区, 小区基本情况见表1。小区之间筑边埂相互隔开, 避免相互干扰。试验期间常规管护, 及时去除杂草与补种。取样时, 所有小区的植被覆盖度均约为90%。自然生草区植被的优势植物为马唐(所占比例约为90%), 禾本科, 一年生草类, 此外零星生长着狗尾草(Setaria viridis)和平车前(Plantago depressa)等伴生植物。因马唐所占比例远大于伴生植物, 故自然生草区选择马唐为研究对象。小区香根草均于2013年3月初采用实生苗穴植, 株距× 行距为30 cm× 35 cm。

表1 试验小区基本情况 Table 1 The basic of experimental plot

1.3 试验方法

1.3.1 样品采集于2014年7月中旬采样, 采样时间为雨后放晴3 d以上, 且3 d以上无灌溉和拔草措施。由于紫色土土层浅薄, 故本研究仅对0~30 cm土层进行取样分析。抗剪试验取样:每个小区按Z字形确定4个采样点, 在每个采样点处将地上部分的植株、枯落物等清理干净, 然后分别在0~10 cm、10~20 cm和20~30 cm土层用环刀(底面积30 cm², 高2 cm)采取带有根系的土壤样品。抗冲试验采用与冲刷水槽配套的方形环刀(长× 宽× 高:20 cm× 10 cm× 10 cm)取样。直剪试验后, 环刀(底面积30 cm², 高2 cm)内含根系的土样用于根系指标测定。另用环刀(底面积20 cm², 高5 cm)在各采样点的不同土层采取土壤样品, 用于土壤容重测定; 环刀取样过后按不同土层各自采取约500 g土装入袋内带回实验室自然风干, 用于微团聚体组成和有机碳测定。

1.3.2 根系指标测定及计算每次直剪试验完成, 取出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≤ 0.5 mm, 0.5< d≤ 1.0 mm, 1.0< d≤ 2.0 mm, 2.0< d≤ 3.0 mm, d> 3.0 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1/1000的电子天平获得根干重(root weight, RW)。

根长密度(root length density, RLD)=环刀内根系总长度/土体体积 (1)

根表面积密度(root surface area density, RSAD)=环刀内根系总表面积/土体体积 (2)

根体积密度(root volume density, RVD)=环刀内根系总体积/土体体积 (3)

根重密度(root weight density, RWD)=环刀内根系总干重/土体体积 (4)

1.3.3 抗剪强度指标测定及计算抗剪强度采用ZJ型应变控制式直剪仪(南京土壤仪器厂有限公司)测定。试验时, 将环刀(底面积30 cm², 高2 cm)内的土样放在剪切盒(由上盒和下盒组成)中, 在100、200、300、400 kPa四级竖直荷载σ 作用下, 逐渐施加水平力于下盒, 使土样在上、下盒的水平接触面上产生剪切变形, 直至破坏。在不同的竖直荷载σ 作用下进行试验, 可以得到相应的抗剪强度τ _f, 点绘τ _f~σ 关系曲线, 即可求得内摩擦角φ 和粘聚力c的值^[15]。

1.3.4 抗冲指数测定及计算抗冲指数采用改进的原状土冲刷水槽测定。冲刷水槽长1.80 m, 宽0.11 m。冲刷前将方形环刀(长× 宽× 高:20 cm× 10 cm× 10 cm)内的土样浸泡12 h至饱和, 冲刷坡度设置为25° , 出水流量设置为2 L/min。开始产流时立即采集泥沙样品并计时, 前4 min内每1 min采集一次, 此后每3 min采集一次, 历时10 min^[14]。

土壤抗冲能力用冲失1 g土所需的时间表示:

ANS=T/WLDS(5)

式中:ANS为单位流量抗冲指数, min/g; T为冲刷历时, min; WLDS为冲失干土重, g。抗冲指数ANS越大, 表示土壤抗冲能力越强; 反之, 则越弱。

1.3.5 其他指标测定及计算土壤微团聚体组成测定采用卡庆斯基法(吸管法)^[16], 土壤容重测定采用环刀法^[16], 土壤有机碳测定采用外加热法^[17]。

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^[18]。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^[19]), 小于某一特定测量尺度的累积土粒质量m_i与d_i之间的分形关系式为:

$\begin{matrix} {(\frac{d_{i}}{d_{\max}})}^{3 - D} \end{matrix}$ = $\begin{matrix} \frac{m_{i}}{m_{\max}} \end{matrix}$ (6)

式中:d_i为相邻两筛分粒级的粒径平均值, mm; d_max为最大土粒粒径值, mm; m_i为粒径小于d_i的累积土粒质量, kg; m_max为各粒级质量之和, kg; D为分形维数。

以lg $\begin{matrix} (\frac{d_{i}}{d_{\max}}) \end{matrix}$ 与lg $\begin{matrix} (\frac{m_{i}}{m_{\max}}) \end{matrix}$ 为横、纵坐标作线性趋势图, 则3-D即为该线性趋势线的斜率, 故可用回归分析法求得分形维数D。

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 香根草和马唐的根系分布特征

2.1.1 垂直分布特征由表2根系总体指标可以看出, 同一土层, 香根草根系的各项总体指标均优于马唐。2种草类的根系均集中分布在0~10 cm土层, 其根长密度、根表面积密度、根体积密度和根重密度分别是10~20 cm和20~30 cm土层的2.71~17.17倍、2.99~23.27倍、1.85~111.61倍和8.95~22.93倍。随着土层深度的增加, 2种草类根系的总体指标值均表现为递减趋势。草类根系的垂直分布特征决定了它对土体的影响范围, 可见这2种草类根系对0~10 cm土层影响范围最大, 其次是10~20 cm土层, 而对20~30 cm土层影响范围最小。

表2 香根草与马唐根系总体指标和径级指标 Table 2 The overall parameters and diameter parameters of V. zizanioides and D. sanguinalis

2.1.2 径级分布特征 2种草类根系径级指标如表2所示, 同一土层, 香根草根系的各项径级指标均优于马唐。不同土层同一径级RLD、RSAD和RVD的显著性具有相似的排序, 如香根草d≤ 0.5 mm径级, RLD、RSAD和RVD的显著性排序是香根草0~10 cm> 香根草10~20 cm> 香根草20~30 cm, 其他径级亦然。0~10 cm土层, 香根草与马唐根系的各项径级指标均优于10~20 cm和20~30 cm土层。值得指出的是, 1.0< d≤ 2.0 mm的各项径级指标与0.5< d≤ 1.0 mm的基本持平, 却显著大于2.0< d≤ 3.0 mm的径级指标。

2.2 根系对土壤理化性质的影响

2.2.1 根系对土壤微团聚体的影响表3为2种草类土壤微团聚体组成及分形维数。粗砂粒(1~0.25 mm)含量、细砂粒(0.25~0.05 mm)含量与粗粉粒(0.05~0.01 mm)含量均表现为香根草> 马唐, 而细粉粒(0.01~0.005 mm)含量、粗粘粒(0.005~0.001 mm)含量与粘粒(< 0.001 mm)含量均表现为马唐> 香根草。不同土层土壤微团聚体各粒径组成差异显著, 0~10 cm土层的粗砂粒含量与细砂粒含量均显著大于10~20 cm和20~30 cm土层, 而0~10 cm土层的粗粉粒含量、细粉粒含量、粗粘粒含量与粘粒含量均小于10~20 cm和20~30 cm土层。同一土层的土壤微团聚体分形维数D均表现为香根草< 马唐。通常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。由此可见, 0~30 cm土层, 香根草土壤结构稳定性和抗侵蚀性总体上优于马唐的。

表3 试验小区土壤微团聚体组成及分形维数 Table 3 Distribution and fractal dimension of soil microaggregates in different plots

将2种草类根系不同径级的RLD、RSAD、RVD与土壤微团聚体组成进行相关分析, 结果见表4。粗砂粒含量与d≤ 0.5 mm、0.5< d≤ 1.0 mm和1.0< d≤ 2.0 mm径级的RLD呈显著正相关(相关系数分别为0.639、0.598和0.644), 与d≤ 0.5 mm径级的RSAD呈显著正相关(相关系数为0.684), 与1.0< d≤ 2.0 mm径级的RSAD呈极显著正相关(相关系数为0.716), 与各径级RVD的相关性均不显著。粗粘粒含量除了与1.0< d≤ 2.0 mm径级的RSAD呈显著负相关外, 与其他径级指标的相关性均不显著。粘粒含量与d≤ 0.5 mm和1.0< d≤ 2.0 mm径级的RLD呈极显著负相关(相关系数分别为-0.726和-0.740), 与d≤ 0.5 mm、0.5< d≤ 1.0 mm和1.0< d≤ 2.0 mm径级的RSAD呈显著负相关(相关系数分别为-0.675、-0632和-0.690)。分形维数D与不同径级的RLD、RSAD均呈显著或极显著负相关, 其中, 与1.0< d≤ 2.0 mm径级RLD和RSAD的相关系数最大(相关系数分别为-0.721和-0.678)。由此可见, 0< d≤ 2.0 mm径级对增加粗砂粒含量, 减少粗粘粒和粘粒含量以及降低土壤微团聚体分形维数D具有重要作用, 其中1.0< d≤ 2.0 mm径级的RLD和RSAD贡献最大。

2.2.2 根系对土壤容重和有机碳的影响 2种草类土壤容重及有机碳状况如表5所示, 土壤容重随着土层深度的增加而增加; 同一土层, 香根草土壤容重均小于马唐的。香根草0~10 cm的容重最小, 为1.120 g/cm³, 马唐20~30 cm的容重最大, 为1.249 g/cm³。土壤有机碳表现状况则与土壤容重相反, 香根草或马唐土壤有机碳含量均随着土层深度的增加而减少; 同一土层, 香根草土壤有机碳含量均大于马唐的。2种草类不同土层有机碳含量介于7.918~11.866 g/kg。

表4 不同径级根系指标与微团聚体组成相关分析 Table 4 Correlation analysis between root parameters of different diameter and soil microaggregates distribution

表5 试验小区土壤容重、有机碳、内摩擦角、粘聚力和抗冲指数 Table 5 Bulk density, organic carbon, internal friction, cohesion and anti-scourability index in different plots

将2种草类根系不同径级的RLD、RSAD、RVD与土壤容重、有机碳含量进行相关分析, 结果见表6。土壤容重与1.0< d≤ 2.0 mm径级的RVD呈极显著负相关, 其相关系数高达-0.811。此外, 土壤容重还与1.0< d≤ 2.0 mm径级的RLD、RSAD呈显著负相关(相关系数分别为-0.614和-0.596), 说明1.0< d≤ 2.0 mm径级是影响土壤容重的关键径级。有机碳含量与d≤ 0.5 mm、0.5< d≤ 1.0 mm和1.0< d≤ 2.0 mm径级的RLD、RSAD均呈显著正相关, 与1.0< d≤ 2.0 mm径级的RVD呈显著正相关(相关系数为0.590), 可见0< d≤ 2.0 mm径级的RLD和RSAD, 1.0< d≤ 2.0 mm径级的RVD均能显著增加土壤有机碳含量。

表6 不同径级根系指标与容重、有机碳、粘聚力和抗冲指数相关分析 Table 6 Correlation analysis among root parameters of different diameter and bulk density, organic carbon, cohesion and anti-scourability index

2.3 根系对复合体抗侵蚀性的影响

2.3.1 根系对复合体抗剪性能的影响 2种草类根-土复合体内摩擦角φ 和粘聚力c如表5所示, 这两个指标均随土层深度的增加而减小, 且各土层均表现为香根草的大于马唐的。不同土层2种草类根-土复合体内摩擦角φ 彼此之间无显著性差异。0~10 cm土层, 香根草根-土复合体的粘聚力c最大(c=23.710 kPa), 为其他土层的1.06~4.02倍。

将不同径级的RLD、RSAD、RVD与粘聚力c进行相关分析, 结果见表6。粘聚力c均与1.0< d≤ 2.0 mm径级的RLD、RSAD和RVD呈极显著正相关(相关系数分别为0.714、0.735和0.718), 与d≤ 0.5 mm径级的RLD和RSAD呈显著正相关(相关系数分别为0.679和0.637), 与0.5< d≤ 1.0 mm径级的RLD和RSAD呈显著正相关(相关系数分别为0.616和0.628)。除此之外, 粘聚力c与其他径级的RVD相关性不显著。由此可见, 0< d≤ 2.0 mm径级的RLD和RSAD, 1.0< d≤ 2.0 mm径级的RVD均对增加粘聚力c有重要作用, 其中1.0< d≤ 2.0 mm是影响根-土复合体抗剪性能的关键径级。

2.3.2 根系对复合体抗冲性能的影响 2种草类根-土复合体抗冲指数ANS见表5, 抗冲指数ANS随着土层深度的增加而减小, 且各土层均表现为香根草的大于马唐的。0~10 cm土层, 香根草根-土复合体的抗冲指数ANS最大, 为其他土层的1.10~1.64倍。

不同径级的RLD、RSAD、RVD与抗冲指数ANS的相关分析如表6所示。抗冲指数ANS与1.0< d≤ 2.0 mm径级的RLD、RSAD和RVD呈极显著正相关(相关系数分别为0.795、0.771和0.757), 与0.5< d≤ 1.0 mm径级的RLD、RSAD和RVD呈显著正相关(相关系数分别为0.688、0.598和0.603)。除此之外, 抗冲指数ANS与其他径级的RLD、RSAD和RVD相关性不显著。可见0.5< d≤ 1.0 mm、1.0< d≤ 2.0 mm径级的RLD、RSAD和RVD均对增加抗冲指数ANS有重要作用, 其中1.0< d≤ 2.0 mm是影响根-土复合体抗冲性能的关键径级。

3 讨论

香根草和马唐的生物学特性不同, 其根系垂直分布和径级分布特征存在显著差异。0~10 cm土层, 草类根系各项总体指标和径级指标均显著大于10~20 cm和20~30 cm土层, 说明根系具有在浅层(0~10 cm)土壤集中分布的特征, 这与李建兴等^[20]、秦川等^[21]的研究结果一致。土壤微团聚体组成中, 粗砂粒(1~0.25 mm)含量越大, 粘粒含量(< 0.001 mm)越小, 意味着分形维数D越小, 土壤团聚体的结构稳定性越好^[18]。相关分析表明, 具有良好径级分布特征的根系系统更有利于改善土壤微团聚体组成, 增强土壤结构稳定性。较之马唐, 0~30 cm土层的香根草根系更为发达, 其根系网络串联土壤和根土粘结作用更有利于形成稳定的土壤团聚结构^[22]。此外, 香根草根系的分泌物可能较多, 分泌物与土粒的胶结作用亦能增强土壤团聚体的结构稳定性^[23], 故香根草根-土复合体的抗侵蚀性优于马唐的。

香根草0~10 cm土层其容重最小与根系总体指标RVD和RWD最大有密切的关系, 原因是根系网络串联、穿插土壤以及根系腐烂分解能够增大土壤的孔隙度。1.0< d≤ 2.0 mm是影响土壤容重的关键径级, 具体原因有待于进一步探究。1.0< d≤ 2.0 mm径级的所有根系指标, d≤ 0.5 mm和0.5< d≤ 1.0 mm径级的部分根系指标(RLD与RSAD)均对增加有机碳含量有促进作用, 且0~10 cm土层的有机碳含量显著高于10~20 cm和20~30 cm土层。根据谌芸等^{[24, 25]}的研究, 分析原因:一方面较高的植被覆盖度为地表枯落物和根系腐烂分解提供了适宜的温度与湿度条件, 另一方面浅层土壤发达的根系增加了土壤微生物的数量与活性, 并产生大量的根系分泌物, 提高了土壤有机碳含量。较之马唐, 香根草根系更有利于降低土壤容重和提高土壤有机碳含量。

粘聚力c主要来源于土粒间的物理化学作用力, 包括库仑力(静电力)、范德华力和胶结作用力等^[26]。0~10 cm土层, 2种草类根-土复合体粘聚力c显著大于10~20 cm和20~30 cm土层。究其原因, 0~10 cm土层根尖数、根分叉数、根交叉数以及根结总数远大于10~20 cm和20~30 cm土层, 这些粗糙的根系表面可以与土壤颗粒紧密接触, 接触距离达到了上述各种力的作用范围, 增大了根系表面与土壤颗粒之间的物理化学作用力; 另外0~10 cm土层的根系分泌物可能较多, 根系分泌物是一种天然的胶结物质, 能对土粒产生胶结作用, 亦能增大粘聚力c。本研究表明, 根系增强复合体抗剪性能主要是通过影响粘聚力c来实现的, 而非内摩擦角φ , 这与冯国建等^[15]、杨亚川等^[27]的研究结果一致。

1.0< d≤ 2.0 mm径级是增强根-土复合体抗冲剪性能的关键径级, 其次才是d≤ 1.0 mm须根径级, 这与谌芸等^[24]的研究结果类似。陈士银等^[10]、吴彦等^[28]及郑子成等^[29]的研究表明, d≤ 1.0 mm须根径级是增强土壤抗侵蚀性的主要径级, 本研究结果与此有所不同, 类似的结果如李建兴等^[20]的研究中2.0< d≤ 5.0 mm径级根系是增强粘聚力c的主要因素, 亦不是须根径级。究其原因, 极细根(d≤ 1.0 mm)虽然与土粒黏结紧密、接触面积大, 但其质量过轻且韧性差, 在较大的剪切作用和较强的水流冲击作用下易被剪断或随土体冲走, 发挥不出应有的抗侵蚀性, 较粗的根虽质量较大, 但与土粒黏结较差, 易与土体分离, 也难以发挥出应有的抗侵蚀性。除此之外, 也可能与研究区域地形坡度和土壤性质不完全相同有关, 有研究指出坡度的变化会对根系垂直分布情况和根系生物量产生影响^[30]。

4 结论

1)0~30 cm的各土层, 香根草根系的各项总体指标和径级指标均优于马唐; 2种草类根系总体指标和径级指标均表现为:0~10 cm土层最优, 10~20 cm次之, 20~30 cm土层最差。

2)较之马唐, 香根草根系更有利于降低土壤容重, 改善土壤微团聚体组成状况, 降低微团聚体分形维数D, 提高土壤有机碳含量; 1.0< d≤ 2.0 mm是影响土壤容重的关键径级, 1.0< d≤ 2.0 mm径级的RLD和RSAD对增加粗砂粒含量、减少粗粘粒和粘粒含量贡献最大。

3)2种草类根-土复合体的抗冲剪性能均随着土层深度的增加而减弱, 且各土层均表现为香根草的优于马唐的; 1.0< d≤ 2.0 mm是影响粘聚力c和抗冲指数ANS的关键径级, 其次是d≤ 1.0 mm须根径级。

The authors have declared that no competing interests exist.

参考文献

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2003

0.0

Liu D

, Li

Mechanism of plant roots improving resistance of soil to concentrated flow erosion.

Journal of Soil and Water Conservation, 2003, 17(3): 34-37.

刘定辉, 李勇. 植物根系提高土壤抗侵蚀性机理研究. 水土保持学报, 2003, 17(3): 34-37.

介绍了近10年来植物根系提高土壤抗侵蚀性机理研究进展。植物根系稳定表土层结构、提高土壤入渗性能和抗剪强度、增强土壤抗冲性的有效性机理是植被抵抗径流侵蚀动态过程及土壤侵蚀预报研究亟待加强的关键科学问题。

... 土壤的抗剪与抗冲性能是表征土壤抗侵蚀性的重要指标^[1],植物根系能够显著增强土壤的抗冲剪性能,从而增强土壤的抗侵蚀性 ...

... 近年来该区域实施的退耕还林还草工程使得紫色土的抗侵蚀性有所增强^[3,4],其中植物根系在稳定土壤结构、防治土壤侵蚀方面的作用不容忽视^[1],故研究根系特征对坡地土壤抗侵蚀性的影响是必要和迫切的 ...

2014

0.0

He S

, Gong Y

, Zheng Z

Phosphorus loss via interflow from sloping cropland of Purple Soil Region.

Journal of Soil and Water Conservation, 2014, 28(2): 20-24.

何淑勤, 宫渊波, 郑子成. 紫色土区坡耕地壤中流磷素流失特征研究. 水土保持学报, 2014, 28(2): 20-24.

采用人工模拟降雨装置,通过野外径流小区试验,研究紫色土坡耕地玉米生长季磷素流失特征.结果表明:(1)壤中流磷素流失以可溶性磷素流失为主,横坡垄作壤中流磷素流失最多,远远高于其它2种措施.壤中流TP和DTP 平均浓度大小依次为:横坡垄作＞顺坡垄作＞平作.横坡垄作壤中流TP总量最大是平作和顺坡垄作的3.2倍和3.1倍,其壤中流DTP磷素流失总量也最严重,是平作的3.5倍,顺坡垄作的2.9倍.(2)不同坡度之间壤中流浓度在玉米生育期的苗期和抽雄期呈现出较大差别,坡度越大,地表径流带走的磷素越多,壤中流总磷越小.(3)坡耕地上合理的耕作措施对磷素流失的调控具有一定作用,但有别于其它类型坡耕地,横坡垄作并不是一种综合效益很好的耕作方式, 相比而言平作控制水土流失及磷素流失效果更好.

... 紫色土抗侵蚀性弱,紫色土区是我国水土流失严重区域之一^[2] ...

2002

0.0

Wang Y

The Evaluation on the Effect of Water and Soil Conservation for Different Vegetation Restoration Models in the Area of Converting Agricultural Land into Forest and Pasture[D].

Ya’an: Sichuan Agricultural University, 2002.

王迎春. 退耕还林区不同植被恢复模式的水土保持及土壤改良效果评价[D]. 雅安: 四川农业大学, 2002.

该研究选择了该地区18种植被恢复模式,同时选择了4种森林类型、1种农耕地作比较,研究不同还林模式的水土保持（选取杂交竹、巨桉和农耕地为代表）和土壤改良效果,从中筛选出效果最好的模式,为大规模的退耕还林工程提供依据.通过研究,得出以下结论.①退耕还林后,林地的水土保持效果比还林前的坡耕地有了明显的改善.②分别对杂交竹生物量和巨桉生物量与各自对应的径流比和泥沙比作相关性分析,得出巨桉生物量与其对应的泥沙比的相关系数r在0.05水平上显著,其余三个相关系数为0.10水平上显著.③就上层土壤容重而言,退耕还林地极显著地高于农耕地,而下层容...

2012

0.0

Zhang D

Assessment on Soil and Water Conservation Function of De-farmed Bamboo Plantations in South Sichuan Province[D].

Beijing: Chinese Academy of Forestry, 2012.

张大鹏. 川南退耕竹林水土保持功能研究与综合评价[D]. 北京: 中国林业科学研究院, 2012.

硬头黄竹（Bambusarigida）和撑绿杂交竹（Bambusa pervariabilis×Dendrocalamopsis daii）是我国丛生竹资源的重要组成部分，同时也是我国南方重要的经济竹种和生态建设竹种，不仅生长快、产量高，在造纸、编织和纤维利用等领域有明显优势，而且还具有较好的生态功能，在我国竹产业的发展和生态建设中发挥了不可替代的作用。川南地处长江上游，雨量充沛，但多年来对陡坡地不合理的开垦和

2014

0.0

... 目前有关根系特征对土壤抗侵蚀性的影响研究虽多,但多数研究^[5,6,7,8,9]选取的是根系总体指标(即所有根系平均的根长密度、根表面积密度、根体积密度及根重密度等),鲜有考虑到不同径级根系指标 ...

2006

0.0

2005

0.0

2005

0.0

2003

0.0

2000

0.0

Chen S

, Huang Y

, Wu X

Study on the effect of soil’s antierosion capacity by Pinus elliottii engelm root systems.

Journal of Southwest Agricultural University, 2000, 22(5): 468-471.

陈士银, 黄月琼, 吴雪彪. 湿地松林根系对土壤抗侵蚀能力影响的研究. 西南农业大学学报, 2000, 22(5): 468-471.

... 而仅有的径级根系指标对土壤抗侵蚀性的影响研究^{[10,11,12,13]}中,又只分析了径级根长密度和径级根表面积密度 ...

... 陈士银等^[10]、吴彦等^[28]及郑子成等^[29]的研究表明,d#cod#x02264 ...

2007

0.0

Chen

Study of Soil Anti-scourability and It’s Influencing Factors in Purple Soil Hilly Region[D].

Chongqing: Southwest University, 2007.

陈晏. 紫色土丘陵区土壤抗冲性及影响因素研究[D]. 重庆: 西南大学, 2007.

三峡库区由于自然因素和人为活动的影响，生态环境脆弱，人地关系矛盾突出，区内水土流失严重。紫色土耕地是三峡库区主要土地资源，同时也是库区水土流失的主要发源地。三峡库区建成后，人地矛盾进一步突出，水土流失有恶化趋势，因此在区内开展紫色土土壤侵蚀机理及规律研究，对该区水土保持生态环境建设具有重要的现实意义。土壤侵蚀过程是侵蚀动力与侵蚀对象相互作用的过程，而土壤作为被侵蚀对象自身的抗侵蚀能力是影响土壤侵蚀发生的内在因素。土壤抗冲性是土壤抵抗径流对土壤的机械破坏和推动下移的能力，是评价土壤抗侵蚀能力的重要指标，是衡量不同...

... 而仅有的径级根系指标对土壤抗侵蚀性的影响研究^{[10,11,12,13]}中,又只分析了径级根长密度和径级根表面积密度 ...

2013

0.0

Li J

Effect of Herb Plants Roots on Slop Reinforcement and Soil Erosion Resistance in the Three Gorges Reservoir Region[D].

Chongqing: Southwest University, 2013.

李建兴. 三峡库区不同护坡草类植物根系的固土抗蚀效应研究[D]. 重庆: 西南大学, 2013.

为明确用于三峡库区植被构建的边坡植物物种根系特征与根系的固土抗蚀效应关系，本文以裸地为对照，取三峡库区常见草本植物香根草(Vetiveriazizanioides(Lin.)Nash)、百喜草(PaspalumnotatumFlugge)、狗牙根(Cynodondactylon(L)Pers.）和紫花苜蓿(MedicagosativaL.)等4种护坡草本为研究对象，利用环刀在自建试验区内直接取样的方法，获取了含有目标物根系的试验样品，以初渗入速率、平均渗透速率、稳渗速率和渗透总量表征土壤渗透性，采用双环法测量土壤的渗透性，以土壤内摩擦角f和粘聚力c为评价指标，采用直接剪切仪测定土壤的抗剪强度，以抗冲性指数ANS...

... 而仅有的径级根系指标对土壤抗侵蚀性的影响研究^{[10,11,12,13]}中,又只分析了径级根长密度和径级根表面积密度 ...

2014

0.0

Wang S

Study on Mechanism of Soil Reinforcement and Conservation and Appropriateness for Typical Bio-embankment on Slope Farmland in Chongqing[D].

Chongqing: Southwest University, 2014.

汪三树. 重庆市坡耕地典型生物梗固土保土机理与适宜性研究[D]. 重庆: 西南大学, 2014.

重庆市坡耕地水十流失问题作为三峡库区农业生态环境可持续发展的主要障碍,越来越多的受到人们重视。为了减少坡耕地水土流失并合理利用土地资源,坡耕地的改造和生态重建成为该地区生态农业的主要发展趋势。坡耕地改造后形成大量的地埂资源,为合理利用坡改梯后的地埂资源,改善坡耕地周围的生态环境条件,推广实行生物埂措施可有效抵御坡耕地季节性干旱,减少水土流失,维护埂坎稳定性。本文以紫色丘陵区和石漠化区坡耕地生物埂为研究对象,通过室内外土壤物理性质测定方法,结合植物根系生物力学测试手段,深入研究了生物埂措施对土壤抗蚀性和抗剪性的影响,对比分析各生物埂根系及土壤的力学性质差异；同时利用土壤水库及原状土冲刷水槽法,对比评价了各生物埂土壤存蓄水效应,进一步研究生物埂措施对土壤抗冲性的影响；通过研究不同类型及管理方式生物埂土壤的抗蚀性、抗冲性和抗剪强度变化,结合生物埂根系生物力学特征,深入分析了坡耕地生物埂的固土保土作用机理,为生物埂措施的适宜性评价提供理论基础。主要结论如下： (1)不同类型及管理方式的坡耕地生物埂土壤团聚体结构稳定性特征差异明显。与草本埂相比,木本埂护埂效果更加明显,更有利于生物埂坎土壤团聚体稳定性特征,而农业耕作活动对生物埂土壤团聚体稳定性影响较大。不同类型生物埂0.25mm水稳定性团聚体含量大小依次为花椒埂(69.29%)桑树埂(59.97%)紫花苜蓿埂(47.92%)自然生草埂(41.32%),而不同管理方式桑树生物埂表现为桑埂自然生草桑埂清草桑埂农地,距离坡耕地越近,桑树生物埂土壤水稳性团聚体含量越高；桑埂农地土壤风干和湿筛团聚体分形维数均是最低,其值分别为2.358和2.910；不同生物埂的团聚体稳定性指数大小为花椒埂(3.61)桑树埂(2.83)自然生草埂(2.05)紫花苜蓿埂(2.01),而不同管理方式桑树埂土壤团聚体稳定性指数表现为桑埂农地(1.42)桑埂清草地(1.50)桑埂自然生草地(1.71)；木本生物埂土壤结构松散,通透性好,具有良好的土壤结构和稳定性,受农耕活动的影响,桑埂农地的土壤团聚体稳定性相对较差。 (2)基于Le Bissonnais法的3种处理方式下各生物埂土壤团聚体分布特征和稳定性能不同。快速湿润作用下土壤大团聚体(5-1mm)分布含量最少,土壤小团聚体(0.25mm)分布最高,生物埂土壤团聚体受到快速湿润作用后其崩解率最大；生物埂土壤团聚体在3种处理下其团聚体稳定性表现为FWSWWS,团聚体MWD值大小依次为FW (0.84)SW(1.44)＜WS(1.87),团聚体GMD值表现为FW (0.35)SW (0.85)WS (1.23),快速湿润作用下土壤团聚体稳定性能较差,土壤团聚体内压缩空气的压力为生物埂土壤团聚体崩解的主要机制。 (3)坡耕地木本生物埂和草本生物埂根系形态及空间分布特征差异明显。木本生物埂属于斜生根型,紫花苜蓿根为垂直根型,在0～40cm土层范围内,生物埂根系分布随着土层深度加深呈递减趋势,根系的水平分布呈现明显的阶梯分布,木本埂根系生物量、根长和根表面积显著高于草本埂(P＜0.01)；在垂直0-20cm和水平0-60cm的土层空间中,生物埂根系中以D＜1mm和D=1～2mm的细根分布为主；而D2mm的粗根在土壤主要起支撑和牢固作用,在生物埂坎发生垮塌和崩塌过程中发挥主要的力学特性,维持生物埂坎的稳定性。 (4)生物埂根系生物力学特征与根系直径关系密切,而生物埂土壤抗剪强度特征与生物埂根系含量有关。生物埂根系应变—应力曲线为单峰曲线,无明显的颈缩现象,直径越小的根其应变—应力曲线更加光滑,三种生物埂根系的最大应力表现为花椒(14.50MPa)＞桑树(12.42MPa)＞紫花苜蓿(9.13MPa)；生物埂根系的平均抗拉力表现为花椒埂(73.91N)紫花苜蓿埂(68.07N)＞桑树埂(61.88N),根系最大抗拉力与直径均表现为正相关；根系抗拉强度表现为花椒埂＞紫花苜蓿埂＞桑树埂,其值分别为16.52MPa、16.08MPa和13.02MPa,随生物埂根系直径的增加,抗拉强度变小；生物埂根系抗拉力和抗拉强度与直径之间的关系均可以用f=axb (a, b为常数)进行回归模拟；生物埂措施增强了土壤抗剪切能力,固土保土效应显著,土壤抗剪强度表现为紫花苜蓿埂(0.382kg/cm2)花椒埂(0.260kg/cm2)＞桑树埂(0.228kg/cm2)＞自然生草埂(0.185kg/cm2),与根长密度和根重密度呈显著性正相关。 (5)生物埂措施能够有效提高土壤的入渗和蓄水性能,显著增强了土壤的抗冲性。生物埂土壤稳定入渗率大小为桑树埂(1.26mm/min)＞花椒埂(1.07mm/min)＞紫花苜蓿埂(0.56mm/min)＞自然生草埂(0.52mm/min)；生物埂土壤有效库容与自然生草埂相比差异明显(P＜0.05),表现为木本埂草本埂自然生草埂,而石漠化区桑树生物埂土壤有效库容大小依次为桑埂清草地桑埂自然生草地桑埂农地,大小依次是1235.71t/hm2、1187.38t/hm2、937.84t/hm2、这与生物埂土壤孔隙和入渗特征关系密切。生物埂土壤冲刷可分为快速冲刷(0-3min)、慢速冲刷(3-20min)和平稳冲刷(20-28min)3个阶段,土壤抗冲性随着坡度的增大而降低,抗冲性指数(ANS)与坡度可用y=61.235x-1.4826进行回归拟合。 (6)坡耕地埂坎受到土壤水文生态作用、自身重力和根系生物力三种作用力,生物埂措施显著提高了土壤抗冲性,增强了土壤抗蚀性能和土壤结构稳定性,通过根系的“加筋作用”和“锚固作用”增强了土壤抗剪强度,固土保土作用显著,维护了埂坎稳定性。利用AHP层次分析法建立了包含3个层次(目标层、准则层、指标层)共12指标的生物埂适宜性评价指标体系,结合专家打分和矩阵一致性检验,获得各指标的权重值。各指标中以生物埂根系抗拉强度(C8)的权重值最大(0.2646),其次为土壤抗剪强度(C6),大小为0.2167,以表征土壤紧实状况的土壤容重(C1)、表征生物埂景观美化效果的景观美学度(C12)、表征土壤抗蚀性的水稳性指数(C4)和表征生物埂土壤肥力的有机质(C2)的权重值均较低,其大小分别是0.0322,0.0213,0.0212和0.0114,利用这些指标体系可评价坡耕地生物埂措施的综合效应和适宜性。

... 而仅有的径级根系指标对土壤抗侵蚀性的影响研究^{[10,11,12,13]}中,又只分析了径级根长密度和径级根表面积密度 ...

2015

0.0

Chen Y

, Peng S

, Chen

, et al.

Soil erosion control effectiveness of Vetiveria zizanioides root system in the purple soil cropland .

Pratacultural Science, 2015, 32(4): 485-491.

陈义君, 彭石磊, 谌芸, 等. 紫色土坡耕地香根草根系的固土抗蚀效应. 草业科学, 2015, 32(4): 485-491.

The direct cutting natural grass and vetiver grass (Vetiveria zizanioides) and the washing undisturbed soil experiments were used to analyze the soil erosion effect of their root system at the slope of 3° and 25° of purple soil. Results showed that: 1) The vetiver root system altered the soil structure, indicating that the soil bulk density was significantly negative correlated with root length density and surface area density (P vetiver grass 25°>natural grass grass 3°>natural grass 25°; On different experimental plot, soil antiscouribility index showed as vetiver grass 3° >vetiver grass 25° >natural grass 3°>natural grass 25°; 4) Compared with the natural grass, soil structure with vetiver was more stable, and had stronger ability of shear strength and soil antiscouribility; And the vetiver showed the soil erosion effect in sloping cropland of 3° and 25°.

本试验以坡度3°和25°下的自然生草和香根草（Vetiveria zizanioides）为研究对象，采用室内直剪试验和原状土冲刷试验，分析紫色土坡耕地上香根草根系的固土抗蚀效应。结果表明，1）香根草根系改变了土壤结构，土壤容重与根长密度、根表面积密度极显著负相关（P 香根草25°>自然生草3°>自然生草25°，土壤抗冲指数表现为，香根草3°>香根草25°>自然生草3°>自然生草25°；4）与自然生草相比，含香根草土体结构稳定，抗剪、抗冲能力强，在3°和25°坡耕地上均表现出一定的固土抗蚀效应。

... 该区土壤主要为中生代侏罗系沙溪庙组灰棕紫色沙泥页岩母质上发育而成的中性紫色土^[14] ...

... 开始产流时立即采集泥沙样品并计时,前4 min内每1 min采集一次,此后每3 min采集一次,历时10 min^[14] ...

2013

0.0

Feng G

, Shen

, Li L

, et al.

Experimental research on shear strength of root-soil complex.

Journal of Southwest China Normal University: Natural Science Edition, 2013, 38(7): 129-133.

冯国建, 沈凡, 李丽蓉, 等. 根土复合体抗剪强度试验研究. 西南师范大学学报: 自然科学版, 2013, 38(7): 129-133.

为研究植物根系的力学效应,分别对土体、芦竹和狗牙根两种植物的根—土复合体试样进行直接剪切试验,对比无根土体与含根系土体的抗剪强度指标,评价其强度效应.结果表明:(1)根—土复合体的抗剪强度随垂直压力的增大而呈线性增大,表明其抗剪强度与剪切面上的法向压力成正比,且符合库仑定律;(2)根—土复合体的黏聚力显著大于无根土的黏聚力,而内摩擦角的变化不显著.根据芦竹和狗牙根两种植物的根—土复合体强度,在护坡效果方面,芦竹优于狗牙根.

... 和粘聚力c的值^[15] ...

... ,这与冯国建等^[15]、杨亚川等^[27]的研究结果一致 ...

1978

0.0

... 5 其他指标测定及计算土壤微团聚体组成测定采用卡庆斯基法(吸管法)^[16],土壤容重测定采用环刀法^[16],土壤有机碳测定采用外加热法^[17] ...

2008

0.0

... 5 其他指标测定及计算土壤微团聚体组成测定采用卡庆斯基法(吸管法)^[16],土壤容重测定采用环刀法^[16],土壤有机碳测定采用外加热法^[17] ...

2014

0.0

Yan J

, He L

, He B

, et al.

Effects of different governance patterns of small watershed on fractal features of soil micro-aggregates in the hilly areas of central Sichuan Basin. Chinese Journal of

Eco-Agriculture, 2014, 22(11): 1294-1300.

闫建梅, 何联君, 何丙辉, 等. 川中丘陵区不同治理模式对土壤微团聚体分形特征的影响. 中国生态农业学报, 2014, 22(11): 1294-1300.

... 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^[18] ...

... 001 mm)越小,意味着分形维数D越小,土壤团聚体的结构稳定性越好^[18] ...

1993

0.0

Yang P

, Luo Y

, Shi Y

Using weight distribution of soil particle size to express soil fractal features.

Chinese Science Bulletin, 1993, 38(20): 1896-1899.

杨培岭, 罗远培, 石元春. 用粒径的重量分布表征的土壤分形特征. 科学通报, 1993, 38(20): 1896-1899.

... 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^[19]),小于某一特定测量尺度的累积土粒质量m_i与d_i之间的分形关系式为: ...

2013

0.0

Li J

, He B

, Chen

, et al.

Root distribution features of typical herb plants for slope protection and their effects on soil shear strength.

Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2013, 29(10): 144-152.

李建兴, 何丙辉, 谌芸, 等. 不同护坡草类植物的根系分布特征及其对土壤抗剪强度的影响. 农业工程学报, 2013, 29(10): 144-152.

Abstract: Plant root systems play an important role in soil erosion control. To investigate characteristics of root systems of herb vegetation for erosion control in the Three Gorges Reservoir region and their influences on soil shear strength, we used bare land as a control. Four typical herb plants of erosion control, Vetiveria zizanioides (Lin.) Nash, Paspalum notatum Flugge, Cynodon dactylon (L) Pers. and Medicago sativa L., were selected and investigated in the experiments. Circular knives (base area: 30 cm2, high: 10 cm) were used to take samples from the test area for analysis. Direct shear apparatus was applied to analyze soil shear strength. A root analysis system (WinRHIZOPro.2004c) was used to characterize the root systems. The results indicated that: 1) Vetiveria zizanioides (Lin.) Nash had the largest root length density and root surface area density. 2) Root length density, root surface area density, and root weight density of all typical herb plants were decreased with the increasing of soil depth, but the difference on root length density, root surface area density, and root weight density among different herb plants was not significant with the increasing soil depth. The root length density, root surface area density, and root weight density were 0.92 cm/cm3, 0.29 cm2/cm3, and 2.10 mg/cm3 for Cynodon dactylon (L) Pers., 1.01 cm/cm3, 0.77 cm2/cm3 and 34.72 mg/cm3 for Medicago sativa L., 8.12 cm/cm3, 3.12 cm2/cm3 and 27.70 mg/cm3 for Vetiveria zizanioides (Lin.) Nash and 1.66 cm/cm3, 0.71 cm2/cm3 and 9.26 mg/cm3 for Paspalum notatum Flugge, respectively. 3) Soil shear strength was significantly different in the 4 herb plants. Even in the same herb plant, it had different patterns with the difference of soil layers. The internal friction angle φ and cohesion c declined with the increasing of soil depth. We found that the internal friction angle φ and cohesion c of all herb plants were higher than that of bare land. The sequence from high to low were: Vetiveria zizanioides (Lin.) Nash＞Paspalum notatum Flugg＞Medicago sativa L. ＞Cynodon dactylon (L) Pers. 4) The internal friction angle φ, cohesion c, and shear displacement were 14.79o, 15.96 kPa, and 3.43 mm for Cynodon dactylon (L) Pers., 17.44o, 20.93 kPa and 4.89 mm for Medicago sativa L., 24.04o, 31.36 kPa and 2.88 mm for Vetiveria zizanioides(Lin.) Nash and 18.71o, 30.34 kPa and 3.63 mm for Paspalum notatum Flugge and 9.45o, 14.18 kPa and 5.51 mm for bare land, respectively. 5) The internal friction angle φ was logarithmic growth and cohesion c was linear growth with the increase of root length density and root surface area density, and soil shear strength had an obvious correlation relationship with root systems when the diameter was less than 5 mm. It is concluded that root length density and root surface area density are the best indexes to characterize soil shear strength, especially root length density and root surface area density of roots with D≤5 mm. The results will be useful for hillslope vegetation protection and soil erosion control.

为明确用于三峡库区植被构建的边坡植物物种根系特征与土壤抗剪强度之间的关系，该文以裸地为对照，应用WinRHIZO（Pro.2004c）根系分析系统对香根草（Vetiveria zizanioides(Lin.) Nash）、百喜草（Paspalum notatum Flugge）、狗牙根（Cynodon dactylon(L) Pers.）和紫花苜蓿（Medicago sativa L.）4种护坡草本的根系特征进行定量分析。研究发现：香根草的根长密度和根表面积密度显著大于其他草本；各草本类型的根长密度、根表面积密度及根重密度均随着土壤深度的增加递减，但随深度的增加，不同草本类型的差异逐步缩小；不同草本类型土壤内摩擦角φ和粘聚力c大小均为：香根草＞百喜草＞紫花苜蓿＞狗牙根＞裸地，且随土层深度的增加而降低；随着根长密度、根表面积密度的增大，土壤内摩擦角φ呈显著的对数增长，土壤粘聚力c呈显著的线性增长，且与直径D≤5?mm不同径级的根系特征之间存在明显的相关性。结果表明：相对于裸地而言，4种草本均能显著增强土壤内摩擦角φ和粘聚力c，且根系对土壤内摩擦角φ的提高程度大于土壤粘聚力c；根长密度和根表面积密度，尤其是直径D≤5?mm径级的根长密度和根表面积密度能很好的表征土壤的抗剪强度，可作为评估土壤抗剪强度的重要参数。

... 0~10 cm土层,草类根系各项总体指标和径级指标均显著大于10~20 cm和20~30 cm土层,说明根系具有在浅层(0~10 cm)土壤集中分布的特征,这与李建兴等^[20]、秦川等^[21]的研究结果一致 ...

... 0 mm须根径级是增强土壤抗侵蚀性的主要径级,本研究结果与此有所不同,类似的结果如李建兴等^[20]的研究中2 ...

2013

0.0

Qin

, He B

, Liu Y

, et al.

Effects of Hemerocallis root system distribution characteristics on soil nutrients in terrace banks planted for hillslope protection.

Acta Prataculturae Sinica, 2013, 22(5): 256-264.

秦川, 何丙辉, 刘永鑫, 等. 生物埂护坡上黄花根系分布特征及其对土壤养分的影响. 草业学报, 2013, 22(5): 256-264.

以川东丘陵区的梯田生物埂为研究对象，选择生物埂护坡上种植的黄花和生物埂网格内土壤为研究内容，为明确４种不同种植年限黄花根系分布特征及其对土壤养分的影响，通过野外调查和室内实验相结合的研究方法，分析了生物埂护坡上黄花根系分布特征、生物量与土壤养分之间差异性和相互关系。结果表明，随着种植年限的增长，黄花根长、根量、根表面积和根体积等指标均增加，４年生黄花根系垂直分布明显比其他３种种植年限的大，分别为１８５．３ｃｍ、１７１３３条、２３７．５ｃｍ２、３０１．２ｃｍ３和１５８．９ｃｍ。根系水平分布由于受到网格大小的限制而出现差异性。４种不同种植年限黄花根系平均生物量的大小顺序依次为：４ａ＞３ａ＞２ａ＞１ａ，不同生长年限不同土壤层内根系的生物量也存在一定的差异。黄花根系形态不但影响植物本身的生长，还影响其保土培肥效果，３、４年生黄花根系土壤养分含量均比１、２年生黄花高，且种植植物的样地比对照裸坡地养分含量高，不同种植年限同一土层的土壤养分含量有显著性差异，土壤全氮、有效氮和有效钾含量均与黄花根系指标有显著的相关性，说明黄花根系的水土保持作用有保留土壤养分的能力。研究结果可为川东丘陵区的梯田生物埂的草本选择和土壤养分改良方面提供理论依据和实际应用参考价值。

0.0

... 较之马唐,0~30 cm土层的香根草根系更为发达,其根系网络串联土壤和根土粘结作用更有利于形成稳定的土壤团聚结构^[22] ...

2005

0.0

Zhang X

, Yang S

, Zhang B

, et al.

Comparative research on rhizosphere soil and non-rhizosphere soil properties in different stand age of Pinus sylvestris var. mongolica sand -fixation forest.

Journal of Fujian College of Forestry, 2005, 25(1): 80-85.

张学利, 杨树军, 张百习, 等. 不同林龄樟子松根际与非根际土壤的对比. 福建林学院学报, 2005, 25(1): 80-85.

文中对章古台不同林龄樟子松固沙林根际土壤和非根际土壤进行了对比研究,结果表明:随林龄增长,其根际土壤和非根际土壤pH值表现为下降趋势.根际土壤有机质含量较非根际土壤有机质提高的幅度以中龄林阶段最高,近熟林阶段次之,在幼龄林阶段最小;在幼龄林时,根际土壤的CEC值与非根际土壤相近,而在中龄林和近熟林阶段均小于非根际土壤;在幼龄林时根际土壤中盐分积累的程度最高,随林龄增长根际土壤中盐分积累程度逐渐下降;在不同发育阶段,根际土壤全N、速效N、速效K含量均高于非根际土壤,而速效P含量均低于非根际土壤.随林龄增长,樟子松根际和非根际土壤中细菌数量占总菌数的百分比下降;在不同的发育阶段,根际土壤中酶的活性均高于非根际土壤.

... 此外,香根草根系的分泌物可能较多,分泌物与土粒的胶结作用亦能增强土壤团聚体的结构稳定性^[23],故香根草根-土复合体的抗侵蚀性优于马唐的 ...

2016

0.0

Chen

, He B

, Lian C

, et al.

Study of root-soil system anti-scourability on steep slopes in the Three Gorges Reservoir Area.

Acta Ecologica Sinica, 2016, 36(16): 1-9.

谌芸, 何丙辉, 练彩霞, 等. 三峡库区陡坡根-土复合体抗冲性能. 生态学报, 2016, 36(16): 1-9.

以三峡库区已种植4a的紫花苜蓿、百喜草、狗牙根和香根草为对象,并以裸地为对照,采用改进的冲刷水槽、WinRHIZO(Pro.2004c)根系分析系统和应变控制式直剪仪,分析测定5个处理根-土复合体抗冲性能以及根系、土壤参数,以期揭示不同草本植物根系对陡坡地紫色土表土抗冲性能的强化效应.研究结果表明:与对照(裸地)相比,4种草本植物根系均能显著增强紫色土表土的抗冲性能,其中香根草根-土复合体的抗冲性能最强(为对照小区的2.75-3.58倍),而紫花苜蓿复合体的抗冲性能最弱(为对照小区1.96-2.60倍);草本植物根长密度(RLD)和根表面积密度(RSAD)是影响陡坡下紫色土表土抗冲性能的主要因子;0.50 mm＜d≤1.50 mm径级的根系有利于土壤抗冲性能的增强,尤其是1.00 mm＜d≤1.50 mm径级的根系对根-土复合体的抗冲性能强化效应最大;4种草本植物根系均有利于降低土壤容重、提高土壤有机质含量和增强土壤抗剪性能;土壤粘聚力c是影响根-土复合体抗冲性能的又一主要因子,径级1.00 mm＜d≤2.00 mm的根系则最有利于提高土壤粘聚力c.

... 根据谌芸等^[24,25]的研究,分析原因:一方面较高的植被覆盖度为地表枯落物和根系腐烂分解提供了适宜的温度与湿度条件,另一方面浅层土壤发达的根系增加了土壤微生物的数量与活性,并产生大量的根系分泌物,提高了土壤有机碳含量 ...

... 0 mm须根径级,这与谌芸等^[24]的研究结果类似 ...

2016

0.0

Chen

, He B

, Lian C

, et al.

Effects of Vetiveria zizanioides roots on soil properties in the Purple Soil Area of China and the role of different root diameter classes.

Acta Prataculturae Sinica, 2016, 25(2): 187-197.

谌芸, 何丙辉, 练彩霞, 等. 紫色土区香根草不同径级的根系特征与培肥效应. 草业学报, 2016, 25(2): 187-197.

The aim of this study was to determine the effects of Vetiveria zizanioides plants and their roots on soil properties, and define the role of different root diameter classes. The research was conducted in the Purple Soil Area of China. The experiment compared bare control plots with plots planted in V. zizanioides . Soil and root samples were collected regularly from 0-10 cm, 10-20 cm, 20-30 cm soil layers. Contents of soil organic matter, total and available nitrogen, phosphorus, and potassium were measured by conventional methods. Roots were divided into 10 diameter classes measured by a Root Analysis System (WinRHIZO, Pro. 2004c). It was found that: 1) V. zizanioides substantially enhanced the accumulation of soil organic matter, the longer the planted time the greater the effect. V. zizanioides also promoted the accumulation of soil total nitrogen, but the effect was weak compared with organic matter. Both available phosphorus and potassium were depleted in all V. zizanioides plots. 2) The levels of organic matter, available phosphorus, total potassium and available potassium showed topsoil accumulation in all V. zizanioides plots; i.e. over time their levels in the 0-10 cm soil layer increased significantly more than in the 10-20 cm and 20-30 cm soil layers ( P <0.05). 3) The root diameter range ( d ) 0.00 mm< d ≤2.00 mm was dominant in affecting soil organic matter. root length density (RLD), Root surface area density (RSAD), and root volume density (RVD) of all diameter classes in this range were significantly and positively correlated with soil organic matter content ( P <0.01), with the highest correlation being the 0.00 mm< d ≤0.50 mm diameter range and the next highest being the 1.50 mm< d ≤2.00 mm range. 4) Root diameters of d =2.00 mm and d =4.50 mm were important classification divisions. When 0.00 mm< d ≤2.00 mm, RLD, RSAD, and RVD of all diameter classes showed significant differences between all soil layers and were significantly and negatively correlated with soil layer depth. The maximum correlation coefficient occurred in roots of the 0.50 mm< d ≤1.00 mm diameter range. When 2.00 mm< d ≤4.50 mm, all root parameters of all diameter classes were uncorrelated with any measured soil parameter. 5) The maximum RLD, RSAD, and RVD occurred in the 0-10 cm soil layer, and RLD differed significantly among all soil layers in the same year or between 2011 and 2013 in the same soil layer.

为探讨水土保持先锋物种香根草的培肥效应及其与各径级根系指标间的关系,以裸地为对照,定期分010 cm,1020 cm,2030 cm土层采集土壤和根系样品,常规方法测定土壤有机质、氮、磷、钾的全量和速效养分,WinRHIZO(Pro.2004c)根系分析系统分10个径级测定根系参数(根长、根表面积和根体积)。结果表明:香根草的培肥效应主要体现在有机质上,且此效应随香根草定植时间的延长而增强,其次是全氮,而有效磷和速效钾则出现亏损;香根草小区土壤有机质、有效磷、全钾、速效钾均表现出明显的土壤养分表聚现象,在010 cm土层的含量显著大于其他土层的( P <0.05);0.00 mm< d ≤2.00 mm( d 为根系直径)是影响土壤有机质含量的主要根径范围,该范围内所有径级的根长密度/根表面积密度/根体积密度均与土壤有机质含量极显著正相关( P <0.01),尤其是径级0.00 mm< d ≤0.50 mm,其次是径级1.50 mm< d ≤2.00 mm; d =2.00 mm和 d =4.50 mm是重要分界线,当0.00 mm< d ≤2.00 mm时,香根草各径级的所有根系指标在土层间均表现出显著性差异且与土层深度极显著负相关,其中0.50 mm< d ≤1.00 mm径级的相关系数值最大,当2.00 mm< d ≤4.50 mm时土壤养分与所有径级的根系指标均无显著性相关;根重密度/根长密度/根表面积密度/根体积密度的最大值均出现在010 cm土层,且根长密度在年际间、土层间均表现出显著性差异。

2013

0.0

... 粘聚力c主要来源于土粒间的物理化学作用力,包括库仑力(静电力)、范德华力和胶结作用力等^[26] ...

1996

0.0

Yang Y

, Mo Y

, Wang Z

, et al.

Experimental study on anti-water erosion and shear strength of soil-root composite.

Journal of China Agricultural University, 1996, (2): 31-38.

杨亚川, 莫永京, 王芝芳, 等. 土壤-草类植被根系复合体抗水蚀强度与抗剪强度的试验研究. 中国农业大学学报, 1996, (2): 31-38.

分析了草本植被根系保持水土效能的机理，提出将根茎连接处形成的微型“栏上栅”及“滤水土体”抵抗径流推移破坏的极限能力，作为土壤-草本植被根系复合体的抗水蚀强度，并研究了它与含根量的相关性。通过复合体原型结构试样的直剪试验，证明复合体的抗剪强度τf与法向压力σ的关系符合库伦定律，即τf＝σtan C，但式中是土粒与土粒、土粒与根系之间的综合内摩擦角（13°～25°）；C是土位与土粒、土粒与报系之间的凝聚力，以及由土的剪应力传递给根系而引起的根系抗拔力之和（16～60kPa）。由试验结果知，复合体抗剪强度随含根量增加而增大，随含水量增多而减小；C值与含根量呈正相关，而值与含根量关系不大。

... ,这与冯国建等^[15]、杨亚川等^[27]的研究结果一致 ...

1997

0.0

, Liu S

, Wang J

Effect of plant root system on soil anti-erosion.

Chinese Journal of Applied and Environmental Biology, 1997, (2): 119-124.

吴彦, 刘世全, 王金锡. 植物根系对土壤抗侵蚀能力的影响. 应用与环境生物学报, 1997, (2): 119-124.

植物根系增加土壤的抗侵蚀能力主要通过两种方式:一是通过根系在土体中交错、穿插,网络固持土壤;二是通过改善土壤的物理性质,提高土壤自身的水力学性质,从而增强土体的抗侵蚀能力。植物根系能明显增强土壤的抗冲性、土壤的渗透性及土体的剪切强度等水力学性质。根系在提高土壤抗侵蚀能力、防止土壤侵蚀方面具有重要作用。

... 陈士银等^[10]、吴彦等^[28]及郑子成等^[29]的研究表明,d#cod#x02264 ...

2014

0.0

Zheng Z

, Zhang X

, Li T

, et al.

Characteristics and influencing factors of soil anti-scourability during maize growing season.

Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2014, 45(9): 180-186.

郑子成, 张锡洲, 李廷轩, 等. 玉米季土壤抗冲性变化特征及其影响因素分析. 农业机械学报, 2014, 45(9): 180-186.

Soil anti-scourability is one of the important parameters for evaluating the ability of soil resistance to soil erosion. In order to explore the characteristics of soil anti-scourability, dynamic change and influence factors of soil anti-scourability were studied during maize growing season by using the method of the undisturbed soil sample washing experiment and laboratory analysis. The results showed that sediment concentration decreased first and then gradually became a balanced developing state with the prolonging washing time during the maize growth season under the condition of different sloping degrees. The sediment concentration reached the highest value under the condition of 15°. With the growing of maize, soil anti-scourability and enhancement effect increased gradually and reached the maximum in the mature period. With the increase in slope, the enhancement effect of maize root on soil anti-scourability decreased gradually. Soil anti-scourability positively correlated with soil bulk density, organic matter content and >2mm water-stable aggregates significantly, but negatively correlated with ＜0.25mm water-stable aggregates. Soil anti scourability was significantly correlated with the root content, root surface area, root volume, and total root length. Therefore, it had great significance for guiding comprehensive control of soil erosion to select the maize varieties with <0.5mm root systems, and applying soil and water conservation measures to increase soil organic matter content and water-stable aggregates. The results could provide theoretical guidance to soil erosion control in purple soil areas.

采用野外原状土冲刷与室内分析相结合的方法，对玉米各生育期土壤抗冲性动态变化及其影响因素进行了研究。结果表明：不同坡度条件下，玉米各生育期土壤冲刷过程中含沙量随冲刷时间延长呈先下降后趋于平稳的变化，在15°坡度下含沙量最高。土壤抗冲性和增强效应随生育期推进呈逐渐增加的趋势，于成熟期达最大。随冲刷坡度的增加，玉米根系对土壤抗冲性的增强效应呈逐渐降低的变化趋势。土壤抗冲性与土壤容重、有机质和2mm以上水稳性团聚体数量呈极显著正相关，与0~0.25mm水稳性团聚体数量呈极显著负相关。土壤抗冲性与含根量、根系表面积、根系体积和总根长呈极显著正相关。因此，采用增施有机肥促进有机质和水稳性团聚体的提高，以及筛选根径0~0.5mm根系发达的玉米品种对该区域水土流失防治具有重要现实意义。

... 陈士银等^[10]、吴彦等^[28]及郑子成等^[29]的研究表明,d#cod#x02264 ...

2013

0.0

Xu H

Effect of Gradient to Distribute Characteristics and Pull-out Resistance of Plant Roots on Rock Slopes[D].

Beijing: Beijing Forestry University, 2013.

徐洪雨. 坡度对岩石边坡植物根系分布及抗拔力的影响[D]. 北京: 北京林业大学, 2013.

采用全挖法，对平地和边坡条件下胡枝子和紫花苜蓿根系分布特征进行调查，分析边坡之间、平地与边坡之间根系分布特征的差异性。设置3个处理，使用“液压式拉力计”测量边坡植物根系抗拔力大小，分析不同边坡间根系抗拔力的差异性，及抗拔力的相关性。主要研究结果如下:　　 1)随着边坡坡度的增大，胡枝子根系的分枝级数及其Ⅱ级根的直径发生明显的变化。在60°边坡，Up-slope方向根系的生长角度增大。随着坡度增大，Up-slope和Down-slope方向根系的根系分布范围、长度比例、生物量比例发生规律性的变化。　　随着坡度的增大，紫花苜蓿主根直径、侧根中Ⅰ级根...

... 除此之外,也可能与研究区域地形坡度和土壤性质不完全相同有关,有研究指出坡度的变化会对根系垂直分布情况和根系生物量产生影响^[30] ...