不同草本的根系分布特征及对土壤水分状况的影响

李建兴，谌 芸，何丙辉，陶 俊，李天阳

（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）

三峡库区地处亚热带，降雨充沛，丰富的降雨不仅会引发滑坡、泥石流等地质灾害，而且对裸露边坡造成严重侵蚀，引发水土流失，对人民的生命财产构成极大的危害［1］。为防止边坡发生失稳破坏，传统上常采用土木工程措施进行防护，但绝大多数工程护坡随着时间的推移，会出现混凝土老化、钢筋锈蚀等问题，使防护效果显著降低［2］。科学研究和工程实践证明，草本植被不仅可以很大限度地截留降雨，消减雨滴侵蚀能量，降低坡面径流流速从而减轻降雨对坡面土壤的侵蚀［3］，还具有改善生态环境、减少水土流失、涵养水源等功能，所以以植被为主的生态护坡是一种经济、环保的防护措施，也是目前护坡工程研究的热点和发展方向。草本植物的根系可表征植物的水土保持性能的强弱［4］，根系在防止表土侵蚀、浅层滑坡，增加土体的抗风化吹蚀、流水冲刷和重力侵蚀等方面起着重要的作用［5－6］。前人对根系的研究主要集中在根系增强土壤抗冲性、改善土壤渗透性及增强根—土复合体抗剪强度等方面，而对根系影响土壤水分性能的研究则较少。本试验以三峡库区常用的草本护坡植物——香根草、狗牙根、紫花苜蓿和百喜草为研究对象，分析了这4种草本根系的分布特征及其根系对土壤水分状况的影响，以期为生态护坡中植被种类的选择提供理论依据。

1 材料与方法

1．1 研究区概况

试验点位于重庆市北碚区歇马镇西南大学歇马实验基地（北纬29°45′08″，东经106°48′54″），丘陵地貌，属亚热带季风气候，土壤为紫色土，海拔563m，年平均降雨量1 100mm，年平均气温18．3℃，年日照1 270h。

1．2 试验设计和样品采集

在西南大学歇马实验基地选一样地建立5个6m×4m的小区，标为 A，B，C，D，E区。采用当年实生苗，于2010年3月底在A，B，C，D各小区以株行距30cm×35cm分别栽植紫花苜蓿、百喜草、狗牙根和香根草，E区为对照（裸露地）。栽培期间各小区进行常规管理，定期除杂草。

2011年8月底幼苗长成成体植株，紫花苜蓿高35～50cm，盖度达85%左右；百喜草高10～20cm，盖度达80%左右；香根草高80～110cm，盖度达87%左右；狗牙根高2～10cm盖度达90%左右，则在各小区进行采样。由于4种草本只生长了5个月，根系集中分布在0—30cm 土层［7－8］，故主要分析各草本0—30cm土层根系的垂直分布特征。按照S型曲线，选择健壮的植株，确定采样点。去除植株的地上部分后，以植株为中心点，将环刀（内径20cm，高5cm）圆心与中心点重合，沿着植株竖直向下分别按0—10，10—20，20—30cm 的土层进行取样，每层3个重复。

1．3 土壤物理性质的测定及分析方法

样品带回实验室后，用环刀法测定土壤的容重、孔隙度、最大持水量、田间持水量等［9］物理性质。土壤的贮水能力［4］通过下式计算：

式中：S——土壤的贮水能力（t／hm2）；h——土层厚度（m）；p——非毛管孔隙（%）。

试验结束后，取出环刀内的土壤，置于0．05mm的网筛内进行冲洗，直至洗出所有的根系。使用WinRHIZO根系分析系统，以300dpi的扫描分辨率，按直径L≤0．5mm，0．5mm＜L≤1mm，1mm＜L≤2mm，2mm＜L≤5mm，L＞5mm这5个径级，测定根系的根长密度参数。

所有数据采用SPSS for Windows 18．0进行统计和方差分析，显著性运用最小极差法分析，图表采用Excel 2010进行分析制作。

2 结果与分析

2．1 不同草本类型根长密度分布特征

根系的根长密度，即单位土壤体积中所含根系的长度，既能反映根系的穿插和缠绕能力，也能表征某一土壤层的根系伸展量［10］。三峡库区不同草本类型的根长密度对比显示（图1），在0—10cm土层中，香根草的根长密度最大（5．07cm／cm3），紫花苜蓿（3．96cm／cm3）、狗牙根（2．42cm／cm3）次之，百喜草（2．06cm／cm3）最小。在10—20和20—30cm土层中，紫花苜蓿的根长密度最大，分别为3．40，1．54cm／cm3。在0—30cm土层中，根系的总根长密度排序为：香根草＞紫花苜蓿＞狗牙根＞百喜草。

图1 不同草本植物不同土层深度根长密度

从图1可以看出，狗牙根在0—10cm土层的根长密度与其他土层之间差异性显著（p＜0．05），但10—20和20—30cm土层之间差异不显著。紫花苜蓿的根长密度在0—10和10—20cm土层之间差异不显著，但分别比20—30cm土层高2．42，1．87cm／cm3，且差异达到了显著水平。香根草和百喜草的根长密度在不同土壤层之间差异性显著（p＜0．05）。各草本类型的根系集中分布在0—10cm土层，其根长密度是10—20cm 土层的1．16～11．54倍，是20—30cm土层的2．57～78．96倍。各种草本类型的根长密度随土层深度的增加均呈递减趋势，通过对根长密度与土层深度进行拟合分析，发现其遵从指数函数分布，表达式为：y＝aebx（式中y为根长密度；x为土壤深度；a，b为方程参数），与韩凤朋等［11］、李勇等［12］的研究结果一致。各草本拟合后的方程为：百喜草y＝1．442e－4．377x，R2＝0．991；狗 牙 根y＝1．173 e－4．161x，R2＝0．999；紫花苜蓿y＝3．787e－8．698x，R2＝0．986；香根草y＝3．791e－7．692x，R2＝0．962。紫花苜蓿和香根草的根系垂直变化幅度小于狗牙根和百喜草。

2．2 不同径级根长密度分布特征

从表1可以看出，各草本类型中不同径级的根长密度差异较大，根长密度随着径级的增大依次减小，最大径级均为L≤0．5mm。在0—10cm土层，百喜草的不同径级根长密度差异最大，最大根长密度是最小的13．23倍，其他依次为紫花苜蓿11．23倍，香根草8．84倍，狗牙根8．16倍。在10—20cm土层中，狗牙根、百喜草仅有L≤2mm的根系分布。20—30cm土层百喜草无根系分布，而狗牙根总根长密度仅为0．03cm／cm3。

各草本根系的不同径级根长密度的垂直分布均随土层深度的增加而逐渐减小。L≤0．5mm径级根系：0—10cm土层的根长密度是10—20cm土层的1．16～9．25倍，狗牙根差异最大，紫花苜蓿差异最小。0．5mm＜L≤1mm径级根系：0—10cm土层的根长密度是20—30cm土层的2．62～59．89倍，百喜草差异最大，紫花苜蓿差异最小。

表1 各草本不同径级根长密度的垂直分布

2．3 不同草本覆盖下土壤物理性质的变化

土壤容重是土壤物理性质的一个重要指标，反映土壤透水性、通气性，影响根系的穿插、根系生长的阻力状况，决定土壤水源涵养功能［3，13］。由图2可知，不同草本类型的土壤容重均随土壤深度的增加而增加，垂直分布与根长密度分布趋势相反。在0—10，10—20，20—30cm土层，裸地土壤容重均为最大，在各土层之间变化幅度很小。在0—10土层中，4种草本土壤容重存在显著性差异（p＜0．05），表现为百喜草＞狗牙根＞香根草＞紫花苜蓿，其原因可能是根系分布在该层土壤差异性最大，其中紫花苜蓿和香根草表层根系最发达，在根系的作用下土壤容重分别比对照降低10%和9%，表层根系对容重的影响作用明显，植物根系的活动可改善土壤的通透性，降低土壤容重。在10—20cm土层中，狗牙根的土壤容重与裸露地差异性不显著，狗牙根在该层仅有L≤2mm根系分布，细小根系对土壤容重存在一定的影响，由于分布较少，故效果较差。在20—30cm土层中，不同草本土壤容重之间差异性不显著（p＞0．05），土壤容重变异范围在1．50～1．62g／cm3，趋于稳定。以上说明根系分布越广容重越小，根系分布与土壤容重呈负相关。

不同草本类型下土壤的总孔隙度、非毛管孔隙和毛管孔隙存在差异性，在空间分布上随着土层深度的增加而逐渐减小，垂直分布与根长密度分布趋势相同。在0—10cm土层中，紫花苜蓿和香根草土壤的总孔隙度、毛管孔隙差异性不显著，狗牙根与百喜草之间也表现不出差异性，但各草本与裸地之间差异性显著（p＜0．05）。4种草本的表层土壤总孔隙度在43．65%～29．87%变动，表现为香根草＞紫花苜蓿＞狗牙根＞百喜草＞裸露地。各草本表层土壤之间的非毛管孔隙差异性显著（p＜0．05），变异范围在11．56%～2．83%。有研究表明［14］，土壤的非毛管孔隙小于3%根系生长受阻，对照的非毛管孔隙接近3%，说明试验区土壤比较黏实，通透性较差。而香根草、狗牙根、紫花苜蓿的表层非毛管孔隙分别比对照增加3．5，2．6和1．6倍，不同草本类型对土壤非毛管孔隙的改良作用明显。研究表明，含根系的各草本土壤的孔隙性显著高于不含根系的裸露地，草本植物可有效地改善土壤的孔隙性，增加土壤的通气性和透水性。

图2 不同草本植物小区土壤容重和孔隙度的差异性比较

2．4 不同草本覆盖下土壤持水能力的变化

由图3可见，在0—10cm土层，紫花苜蓿和香根草土壤的饱和含水量差异性也不显著，且狗牙根与百喜草之间差异性不明显，但各草本植物小区与裸地之间差异性显著（p＜0．05），其中紫花苜蓿和香根草土壤的饱和含水量显著大于狗牙根和百喜草。薛立等［15］认为土壤的饱和含水量越大涵养水源效果越好，所以在4种护坡草本中紫花苜蓿和香根草的涵养水源效果最好，吸收和过滤地表径流的作用强于狗牙根和百喜草；不同草本类型土壤的毛管持水量与裸地比较差异性显著（p＜0．05），表现为：紫花苜蓿＞香根草＞百喜草＞狗牙根＞裸地。由于毛管孔隙中的水分体现土壤的保水能力，紫花苜蓿在保水能力方面显著强于其他护坡草本植物，紫花苜蓿的土壤可以更好地为其根系提供必需的水分。这表明由于根系分布的差异性，造成土壤容重和孔隙性的差异，从而影响土壤持水能力的变化。

在10—20cm土层，不同处理土壤的饱和含水量差异不显著（p＞0．05），表现为：紫花苜蓿＞香根草＞百喜草＞狗牙根＞裸地，说明不同草本类型根长密度在该层土壤存在一定的差异性，但对饱和含水量的影响较小；不同草本植物土壤的毛管持水量存在一定的差异性，表现为：紫花苜蓿＞百喜草＞香根草＞狗牙根＞裸地，紫花苜蓿在该层的保水能力依然显著大于其他草本植物。

在20—30cm土层，由于不同草本类型的根长密度与裸地差异不明显，4种护坡草本的饱和含水量、毛管持水量和田间持水量差异性不显著（p＞0．05），表现均为紫花苜蓿＞百喜草＞香根草＞狗牙根。其大小变化范围为：饱和持水量在19．48%～23．43%，毛管持水量在18．4%～21．22%，田间持水量在12．37%～15．45%，其中饱和含水量和毛管持水量差异不明显，原因可能是在20—30cm土壤的非毛管孔隙非常小，在饱和含水量中起决定作用的主要是毛管孔隙。

为进一步比较不同种护坡草本蓄水能力的差异，引进表征土壤蓄水能力的因子——贮水能力，土壤的贮水能力主要取决于土壤的非毛管孔隙度［4］。研究结果表明，香根草、紫花苜蓿、狗牙根、百喜草和裸地的贮水能力在0—30cm土层的变动范围分别为：115．6～22．13，86．63～43．33，52．9～16．00，48．3～18．03，33．0～46．67t／hm2，贮水能力随土层的深度增加而逐渐下降。在0—10cm土层，不同护坡草本土壤的贮水能力差异性显著（p＜0．05），香根草土壤的贮水能力极显著（p＜0．01）大于其他草本，贮水能力极强，贮水能力分别是其他草本土层的1．3，2．2和4倍，表明香根草的表层土壤能够快速容纳降水并及时下渗，涵养水源效果较其他草本强。

图3 不同草本植物小区土壤持水量的差异性比较

2．5 根系特征与土壤性质相关性分析

根系一方面在土体中交错、穿插，网络固持土壤，另一方面改善土壤的物理性质，形成疏松多孔的根土复合体［5，12］。为了分析根系与土壤持水性能的相关关系，将0—30cm土层根系不同径级的根长密度与土壤性质作相关性分析，如见表2所示。

（1）根长密度与土层厚度显著负相关，相关系数为－0．687；土层厚度显著影响不同径级的根长密度分布，其中极显著影响0．5mm＜L≤1mm的根系，相关系数达－0．717。这说明土壤厚度显著影响不同径级的根系分布。

（2）土壤容重与0．5mm＜L≤1mm和1mm＜L≤2mm径级的根系显著负相关，相关系数为－0．578，－0．576，土壤容重与不同径级根长密度的相关系数先减小后增大，在0．5mm＜L≤1mm出现最小值，说明0．5mm＜L≤2mm径级的根系对降低土壤容重，改善土壤孔隙性贡献最大。土壤容重与土层厚度极显著正相关，相关系数达0．663，与非毛管孔隙、总孔隙度、毛管持水量、饱和持水量和贮水能力极显著负相关，与田间持水量显著负相关。

表2 土壤持水性能与不同径级根长密度的相关性系数

（3）土壤的总孔隙度、非毛管孔隙与1mm＜L≤2mm径级的根系极显著正相关，相关系数达0．745和0．796，与根长密度和0．5mm＜L≤1mm显著相关。土壤的总孔隙度、非毛管孔隙与不同径级根长密度的相关系数呈现偏峰曲线的特征，相关系数随着径级的增加先增大后减小，在1mm＜L≤2mm均出现峰值。根系的穿插、细根的死亡产生大量根孔对土壤结构的改善起到作用［16］，提高了土壤的孔隙性。土壤总孔隙度与土壤毛管持水量、田间持水量、饱和持水量和贮水能力极显著相关。土壤的毛管孔隙与根长密度、不同径级的根系相关性不明显，与毛管持水量、田间持水量极显著正相关。

（4）土壤的饱和持水量与根长密度显著正相关，相关系数为0．641；与土层厚度极显著负相关；与1mm＜L≤2mm径级的根系极显著正相关，与0．5mm＜L≤1mm径级的根系显著相关，相关系数随着根系径级的增加呈现先增大后减小的趋势；与总孔隙度和非毛管孔隙极显著正相关，相关系数分别为0．962，0．937。土壤的贮水能力与根长密度显著正相关；与1mm＜L≤2mm，2mm＜L≤5mm径级的根系极显著正相关，与0．5mm＜L≤1mm径级的根系显著相关。土壤的毛管持水量与土壤容重极显著负相关，不同径级的根系对毛管持水量的影响不显著，但毛管持水量中部分膜状水和全部的毛管水可以完全被植物根系利用［17］。土壤的田间持水量与总孔隙度和毛管孔隙极显著正相关，相关系数分别达0．735，0．910。

3 结 论

（1）植物根系在土壤不同深度的分布因植物种类及生存环境的变化而有所差异，本试验通过对不同护坡草本的根系研究发现，狗牙根90%的根系分布在0—10cm土层，百喜草在0—10cm土层的根系占到了总根系的82%，而紫花苜蓿和香根草的根系集中分布在0—20cm 土层，与张宏波、沈林洪等［7－8］的研究结果相一致。在0—30cm土层，根系的根长密度随深度的增加而减小，根长密度与土层深度显著负相关，且遵从指数函数分布，0．5mm＜L≤1mm的根系受土层厚度极显著影响。

（2）不同草本类型的土壤总孔隙度、非毛管孔隙和毛管孔隙垂直分布与根系分布趋势相同，即随着土壤深度的增加逐渐减小，而土壤容重随着土壤深度的增加逐渐增大。前人的研究结果表明细根最能充分接触土壤［18］，能有效地缠绕和串联土体，故细根能显著地改变土体的理化性质，本研究发现1mm＜L≤2mm径级的根系与土壤容重、土壤总孔隙度和非毛管孔隙显著相关，在根系长度相同的情况下，径级过大或者过小对土壤水分性质的改良都将减弱。不同草本根系和土壤之间是一个互相促进的过程，由于土壤本身的发育特性影响草本的根系生长，而根系的穿插、挤压反作用于土壤，二者互相促进。

（3）各草本土壤的饱和持水量、毛管持水量和田间持水量随着土层深度的增加逐渐降低，均与根系分布趋势相同。香根草和紫花苜蓿土壤的贮水能力显著大于百喜草和狗牙根。土壤的饱和持水量与土层厚度，0．5mm＜L≤1mm和1mm＜L≤2mm径级的根系显著相关，相关系数随着根系径级的增大呈现偏峰曲线特征。

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