3种草本植物根系特征及与径流泥沙关系

杨庆楠，徐金忠，樊 华，李志飞

(黑龙江省水利科学研究院 水土保持研究所/黑龙江省水土保持重点实验室，黑龙江 哈尔滨 150070)

草本植物根系与土壤抗蚀性密切相关，具体表现在根系对土壤的加筋作用和改良土壤理化性质方面。草本植物根系数量众多、密度大、具有一定的抗拉能力，有效增强了根系对土体的加筋和抗剪作用，提高了含根土体的抗冲抗蚀性，同时根系分泌物和死根分解后可增加土壤水稳性团粒与有机质含量，改善土壤结构，增强土壤颗粒抵抗径流分散的能力[1-2]。此外，草本植物根系还可改善土壤孔隙度，提升土壤降雨入渗能力，进而削减地表径流和降低产沙量[3]。程洪等[4-5]研究表明，香根草等草本植物根系抗拉强度为40～180 mPa，甚至高于柳树、杨树、银槭等乔灌木根系，说明草本植物根系有显著的固土护坡能力；万海霞等[6]对百里香、星毛委陵菜、猪毛蒿、长芒草等4种草本植物根系分布特征及根土结合体固土效果进行了定量分析，结果表明百里香、星毛委陵菜、长芒草3种草本植物固结表层土壤效果较好；李洪勋[7]研究表明，坡地种草可减少47%的产流量和77%的产沙量。

近年来东北黑土区推行的植物柔性治沟方法受到欢迎和重视。在侵蚀沟道边坡治理初期，草本植物与乔灌木相比，具有迅速提高地表覆盖度，有效减少降雨击溅侵蚀等优势[8]。但在实际侵蚀沟治理时，草本植物措施却鲜有实施，因为实施草本植物措施先要削坡整地，而削坡会占用一定面积的耕地，不易被农民接受。相比1∶1.5坡比(侵蚀沟治理削坡常用稳定坡比)削坡，1∶1.2坡比削坡因少占用0.3倍沟深宽度的耕地，在个别占地问题难以解决的侵蚀沟已有实施。治沟植物方面，无芒雀麦根径细小，减少土壤分离效果好，有助于土壤保持水分[9]；早熟禾和紫花苜蓿作为良好的水土保持草种，常应用于边坡防护植被配置中[10-11]。为探索东北黑土区1∶1.5坡比稳定边坡和1∶1.2坡比陡坡上的草本植物根系生长特征、产流产沙量及两者的相关性，本研究以二年生无芒雀麦(BromusinermisLeyss.)、紫花苜蓿(MedicagosativaL.)和一年生冬性早熟禾(PoaannuaL.)3种东北黑土区生态适应性较强的草本植物为研究对象，分析1∶1.5和1∶1.2坡比径流小区上草本植物根系根长密度、平均直径、表面积密度、根尖数密度等特征及其与径流量、泥沙量的相关关系，研究揭示草本植物根系与坡面产流产沙的关系，为东北黑土区1∶1.5稳定坡比边坡和1∶1.2坡比陡坡侵蚀沟综合治理植被选择及土壤侵蚀基础研究提供理论依据。

1 研究区概况

试验地点选在黑龙江省水土保持科技示范园。园区位于黑龙江省宾县宾州镇城西4.5 km处，地理位置为E127°24′47″、N45°44′57″，地貌类型为丘陵漫岗；据宾县孙家沟国家监测点资料，土壤类型为白浆土，0～20 cm土壤容重1.10 g/cm3，有机质含量26.42 g/kg，全氮含量1.43 g/kg，pH值6.07；属中温带大陆性季风气候区，年均降水量590 mm，年均蒸发量910 mm，降雨主要集中在7—9月份，期间降水量占全年降水量的70%以上，年平均气温3.5 ℃，年均日照时数2 732 h，≥10 ℃积温2 400 ℃，年均风速3.1 m/s，年无霜期128 d；位于松嫩平原羊草草原区和小兴安岭张广才岭完达山阔叶红松林区，草本优势科有菊科、禾本科、毛茛科、蔷薇科、百合科、伞形科、唇形科、石竹科、莎草科、蓼科及豆科等。

2 试验材料与方法

2.1 试验设计

无芒雀麦和紫花苜蓿为多年生草本植物，早熟禾为冬性禾草，根系发达，耐寒，耐瘠薄，适应性较好，抗逆性强。在野外一自然边坡上，通过人工修整建成2个人工坡比边坡，分别为1∶1.5(34°)和1∶1.2(40°)，利用喷漆铁板布设成为永久微型径流小区(长2 m×宽1 m)。坡面修整前剥离10 cm厚表土，表土混合均匀于修整结束后回覆至坡面，保持坡面表土理化性质基本一致。每一坡比坡面设置3个草种处理和1个空白对照，即无芒雀麦、早熟禾、紫花苜蓿和裸地，共8个小区。无芒雀麦、早熟禾、紫花苜蓿在1∶1.5和1∶1.2坡比边坡依次标记为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等质量撒播方式播种，2019年5月清理坡面覆盖物，采取常规管护措施。测试时无芒雀麦和紫花苜蓿生长期为2年，早熟禾为当年自然萌发。

2.2 样品采集与数据处理

2019年7月底，在1∶1.5和1∶1.2坡比边坡径流小区采集土样。2019年降雨量较大，草本植物生长初期即达到雨热同期而生长迅速，植物生长中期差异微小，取样时目测植被盖度均在85%～90%。每个径流小区按照坡上、中、下确定采样点，除去地上植株部分，挖深25 cm剖面，小心挖掘出长10 cm、宽5 cm、深20 cm的含根土样放入保鲜袋内，每个小区3个样品(上、中、下取样)，共18个样品。当天带回实验室，浸泡含根土样一段时间至根土分离后，置于网筛内以适当流量自来水冲洗根系。用EPSON LA在400dpi下进行草本植物根系灰度扫描，通过WinRHIZ2004/a根系分析系统分析草本植物根长密度、平均直径、表面积密度和根尖数密度等根系特征。同时，监测2019年7—8月份径流小区自然降雨事件，观测到产流产沙事件22次，人工测量径流收集桶中收集的径流量，搅拌均匀后取含泥沙径流样带回实验室进行过滤、烘干、称量。采用Excel、SPSS 18.0和SigmaPlot 14.0等软件进行数据处理和分析。

3 结果与分析

3.1 3种草本植物根系特征

1∶1.5坡比边坡上3种草本植物的主要根系特征(图1)：①根长密度为2.42～5.92 cm/cm3，早熟禾根长密度显著大于无芒雀麦和紫花苜蓿，无芒雀麦和紫花苜蓿根长密度相近且无显著差异。根长可以反映根系在土体中穿插、缠绕的程度，根系愈长，固结土壤范围愈广，可提高含根土体的抗剪强度。②根系平均直径为0.25～0.54 mm，早熟禾根系平均直径显著大于紫花苜蓿和无芒雀麦。根系直径是影响根系抗拉力和抗拉强度的重要指标[12]，苑淑娟等[13-15]试验证明，草本根系在一定范围内根径越粗单根抗拉力越大，但单根抗拉强度随根径的增加呈现不同程度的下降趋势。刘国彬等[16-17]研究表明，直径小于1.0 mm的根系抗拉能力较强，可增强土体的抗剪强度。③根系表面积密度为0.15～0.39 cm2/cm3，早熟禾根系表面积密度显著大于无芒雀麦和紫花苜蓿。根系表面积密度是根系形态与生理特性的重要指标，表面积密度大，根系与土壤颗粒表面的摩擦力和与土壤颗粒间镶嵌的咬合力就大[18]。相关研究表明，抗冲指数也与根系表面积呈极显著相关[19]。④根尖数密度为15～32个/cm3，早熟禾根尖数密度显著高于无芒雀麦和紫花苜蓿。根尖数量可反映根系快速生长的潜力，根尖数越多，根系生长越旺盛。整体来说，3种草本植物根系根长密度、表面积密度和根尖数密度数值大小排序均为早熟禾>无芒雀麦>紫花苜蓿，平均直径大小排序为早熟禾>紫花苜蓿>无芒雀麦。综上，3种草本植物中早熟禾根系平均直径、根长密度、表面积密度和根尖数密度均最大，这是因为早熟禾在1∶1.5坡比边坡下根尖数量多，根系生长最为旺盛，吸收水分、无机盐、养分较多，根系发达，使得早熟禾的根长密度、根系平均直径、根系表面积密度等根系特征值也最大，且与无芒雀麦和紫花苜蓿相应根系特征值呈显著差异，而无芒雀麦和紫花苜蓿根长密度、根系平均直径、根系表面积密度和根尖数密度等特征值相近，无明显差异。

1∶1.2坡比边坡上3种草本植物的主要根系特征(图1)：①根长密度为2.15～3.31 cm/cm3，无芒雀麦根长密度最大，早熟禾根长密度最小，两者间存着显著差异；②根系平均直径为0.22～0.26 mm，早熟禾平均直径稍大，其次是无芒雀麦和紫花苜蓿，三者均无显著差异；③根系表面积密度为0.17～0.25 cm2/cm3，无芒雀麦根系表面积密度较大，早熟禾和紫花苜蓿根系表面积密度较小且相近，三者间均无显著差异；④根尖数密度为8～14个/cm3，其中无芒雀麦根尖数密度最大，其次是紫花苜蓿，无芒雀麦和早熟禾根尖数密度有显著差异。在1∶1.2坡比边坡上，无芒雀麦根系的根长密度、表面积密度、根尖数密度最大，早熟禾根系的平均直径最大，且无芒雀麦根系根长密度、根尖数密度与早熟禾相应根系特征值有显著差异，无芒雀麦根系表面积密度、平均直径与早熟禾无显著差异，紫花苜蓿根长密度、平均直径、表面积密度、根尖数密度与无芒雀麦和早熟禾均无显著差异。

注：不同大写字母表示不同草种、同一坡度下差异显著；不同小写字母表示同一草种、不同坡度下差异显著图1 3种草本植物根系特征

总体上，1∶1.5和1∶1.2坡比边坡无芒雀麦和紫花苜蓿各根系特征值均无显著差异。早熟禾根系在1∶1.5坡比边坡上的根长密度、根系平均直径、根系表面积密度和根尖数密度均大于其在1∶1.2坡比边坡上的相应值，且均呈显著差异。坡度变大，立地条件发生变化，对植物根系特征产生影响[20]，对早熟禾根系生长发育的阻碍作用大于无芒雀麦和紫花苜蓿，但其根系平均直径仍大于另外2个草种，这可能与其草种本身特性有关。紫花苜蓿在1∶1.5坡比边坡根系根长密度、平均直径和根尖数密度虽大于1∶1.2坡比边坡相应根系特征值，但均无显著差异。无芒雀麦在1∶1.5坡比边坡根系根长密度、平均直径和表面积密度均稍小于1∶1.2坡比边坡相应根系特征值，也无显著差异。

3.2 3种草本植物径流小区的径流产沙特征

2019年7—8月共观测到自然降雨条件下径流小区产流产沙22次。3种草本植物径流小区7—8月总产流产沙情况见图2。1∶1.5坡比边坡，草本植物径流小区产流量为127.86～153.02 L，裸地小区产流量为214.95 L。早熟禾径流小区产流量最少，紫花苜蓿和无芒雀麦径流小区产流量相近，三者分别比裸地小区少40.52%、30.60%和28.81%。1∶1.2坡比边坡，草本植物径流小区产流量为148.11～170.33 L，裸地小区产流量为234.93 L。紫花苜蓿径流小区产流量最少，无芒雀麦径流小区次之，早熟禾径流小区最多，分别比裸地小区少36.95%、31.33%和27.50%。坡度变陡后，早熟禾和无芒雀麦径流小区产流量分别增大了33%和5%，而紫花苜蓿径流小区产流量几乎不受影响。

图2 3种草本植物径流小区7—8月总产流产沙情况

2019年7—8月，1∶1.5坡比边坡径流小区产沙量为10.08～12.55 g，裸地小区产沙量为33.28 g。草本植物径流小区产沙量由少到多依次为早熟禾、无芒雀麦和紫花苜蓿径流小区，分别比裸地小区产沙量少69.71%、63.19%和62.29%，草本植物的减沙百分比高于减流。1∶1.2坡比边坡，草本植物径流小区产沙量为12.95～13.76 g，裸地小区产沙量为34.45 g。紫花苜蓿径流小区产沙量最少，其次是无芒雀麦和早熟禾径流小区，分别比裸地小区少62.41%、62.32%和60.06%。随着坡度变大，早熟禾、无芒雀麦和紫花苜蓿径流小区产沙量分别增加了37%、6%和3%。

整体上，草本植物径流小区在1∶1.5和1∶1.2坡比边坡产流量和产沙量走势一致。坡度变陡，草本植物径流小区减流比例由28%～41%降至27%～37%，减沙比例由62%～70%降至60%～63%。可见，草本植物的减流作用弱于减沙作用，且减流作用受坡度影响较大，减沙作用受坡度影响较小。坡度变陡后，早熟禾径流小区产流和产沙量有较大幅度增加，无芒雀麦径流小区呈小幅度增加，紫花苜蓿径流小区则较为稳定。

3.3 3种草本植物根系特征与径流泥沙的关系

3.3.1 草本植物根系特征与径流小区径流量的关系

3种草本植物根系特征与径流小区产流量关系见图3。草本植物根长密度与径流小区径流量回归函数为y=-0.790 5x+176.57，R2=0.607 5，P=0.068>0.05，根长密度与径流量呈负相关，相关系数较小，相关性不显著，其中Z1.5小区早熟禾根长密度最长，与其他处理差距悬殊。根系愈长，吸收营养物质和水分的范围愈广，耐贫瘠和抗旱性越强，越有利于植物的生长，提高地上生物量、减缓径流的能力越强[21-22]，因此Z1.5小区径流量也最小。草本植物根系平均直径与径流小区径流量回归函数为y=-97.986x+181.49，R2=0.642 7，P=0.055>0.05，根系平均直径与径流量呈负相关，相关系数较小，相关性不大。草本植物根系表面积密度与径流小区径流量回归函数为y=-0.102 3x+174.07，R2=0.417 1，P=0.166>0.05，相关系数小，相关性不大。根系表面积密度越大，根系与土壤的接触面积越大，有利于根系改善土体的孔隙度等理化性质，进而增强土壤的渗透性，提高径流入渗量[23]。草本植物根系根尖数密度与径流小区径流量回归函数为y=-0.001 5x+174.86，R2=0.744 6，P=0.027<0.05，相关系数较大，呈显著负相关。根尖数间接反映根的伸长、对水分和养料的吸收、成熟组织的分化等能力，根尖数越多，根系生长越旺盛，改良土壤效果越好，吸收水分和养分能力越强，地上生物量越大，径流就地入渗和机械阻挡击溅侵蚀能力越强，径流量越小。

注：*表示在0.05水平下显著相关图3 3种草本植物根系特征与径流小区产流量关系

径流小区产流量随植物根系根长密度、平均直径、表面积密度、根尖数密度的增大而降低。根系特征与径流量相关性大小排序为根尖数密度>根系平均直径>根长密度>根系表面积密度，根尖数密度与径流量呈显著相关，即根尖数密度与径流量有较好的线性关系。根系平均直径、根长密度、根系表面积密度与径流量表现出不同程度的相关关系，但均不显著。

3.3.2 草本植物根系与径流小区泥沙量的关系

3种草本植物根系特征与径流小区产沙量关系见图4。草本植物根长密度与径流小区泥沙量回归函数为y=-0.081 8x+15.008，R2=0.846，P=0.009<0.01，相关系数较高，呈极显著负相关。根系在土体里穿插、缠绕，网络串联固持土壤[24-25]，根长越长，说明根系在土体里交错的范围越广，或者土体单位体积内根系含量高，两种情况均有利于形成抗冲性强的土体结构，减少降雨径流带走的泥沙。草本植物根系平均直径与径流小区泥沙量回归函数为y=-9.691 4x+15.381，R2=0.817 9，P=0.013<0.05，呈显著负相关，与相关研究认为直径为0.1～0.4 mm的毛根对于团聚体的形成具有缠绕、串联和根土黏结作用，能有效减少径流带走泥沙量的结果较为一致[16]。草本植物根系表面积密度与径流小区泥沙量回归函数为y=-0.011 4x+14.919，R2=0.669，P=0.047<0.05，相关系数较高，呈显著负相关。刘国彬[16]研究表明，根系参数对土壤抗冲性影响大于土壤抗剪强度，有效根面积可作为水土保持草种选择的重要因子之一。草本植物根系根尖数密度与径流小区泥沙量回归函数为y=-0.000 1x+14.741，R2=0.960 8，P=0.001<0.01，呈极显著负相关。

注：*表示在0.05水平下显著相关，**表示在0.01水平下极显著相关图4 3种草本植物根系特征与径流小区产沙量关系

草本植物根系的平均直径、表面积密度与泥沙量呈显著线性负相关，根长密度、根尖数密度与泥沙量呈极显著线性负相关，根系特征越好，产沙量越少。根系特征与泥沙量相关性大小排序为根尖数密度>根系根长密度>根系平均直径>根系表面积密度，根尖数密度和根长密度对产沙量影响较大。根尖数密度、根长密度、根系平均直径、根系表面积密度与泥沙量的相关系数分别大于与径流量的相关系数，说明根系特征对产沙量的影响大于对径流量的影响。

4 结 论

(1)1∶1.5坡比边坡下，早熟禾根系根长密度、平均直径、表面积密度和根尖数密度等特征值最高；1∶1.2坡比边坡下，无芒雀麦根系根长密度、表面积密度和根尖数密度等特征值最高，其根系平均直径与早熟禾相近。1∶1.2陡坡较1∶1.5稳定边坡早熟禾根系特征值降低幅度为51%～75%，无芒雀麦和紫花苜蓿特征值变化幅度为1%～40%，说明早熟禾根系生长受坡度的影响大于无芒雀麦和紫花苜蓿，不适宜在陡坡立地条件生长。

(2)3种草本植物径流小区与裸地小区相比，产流产沙量分别降低27%～41%和60%～70%，草本植物减沙效果是减水的近2倍。1∶1.2与1∶1.5坡比相比，早熟禾径流小区产流产沙量增加了33%和37%，无芒雀麦和紫花苜蓿径流小区的增加比例在6%以内。随着坡度变大，早熟禾根系特征值大幅度降低，其径流小区产流产沙也明显增加。早熟禾在1∶1.5坡比边坡和紫花苜蓿在1∶1.2坡比边坡减流减沙效果最好。

(3)3种草本植物根系根长密度、平均直径、表面积密度和根尖数密度等特征值与径流泥沙均表现为负相关线性函数关系，根系特征与泥沙量的相关性均高于根系特征与产流量的相关性。根尖数密度与径流量呈显著相关，各根系特征与泥沙量均呈显著及以上相关性。根系根尖数密度与径流、泥沙量相关系数最大，根系表面积密度与径流、泥沙量相关系数最小。

(4)草本植物茎叶只能截流小部分自然降雨或降低雨滴动能，径流减少量与土体孔隙度、入渗能力关系更加密切，但土壤饱水量是有限的，因此降低产流量也是有限的。植物抵抗土壤侵蚀主要依靠根系固结土壤，根系密度越大，根系范围越广、越深，土体加筋作用越强，改良土壤能力越好，越有利于增强土壤颗粒抵抗径流分散的能力，进而提高抗侵蚀能力。因此，根系特征与泥沙量的相关系数更大，相关性更强。目前学术研究多集中于根系宏观几何特征与抗拉力学性能的关系，但却鲜有植被根系特征与产流产沙相关性的直接研究，特别是根系的化学组成、微观结构与抗拉抗剪性能和产流产沙间的关系、不同根系径级与产流产沙的关系还需进一步考究。