黄土高原典型草本植物根-土复合体抗剪性能的空间差异性及其影响因素研究

为探究黄土高原草本植物根-土复合体抗剪性能的空间差异性,由北至南分别以神木六道沟(砂壤土)、安塞坊塔(粉壤土)和永寿墚(粘壤土)3个不同土壤质地带的土壤为对象,采用盆栽的方式分别种植须根系的黑麦草和直根系的紫花苜蓿,并以裸地为对照。在种植4个月后,测定0~10 cm、10~20 cm和20~30 cm土层根-土复合体的土壤理化性质、根系特征和抗剪强度(粘聚力和内摩擦角)。结果表明:1)与裸地相比,种植黑麦草和紫花苜蓿后,有机质(SOM)、平均重量直径(MWD)和粘聚力(c)均得到增加,但内摩擦角(φ)变化较小,植物对土壤理化性质和抗剪强度的影响效应随土层深度的增加逐渐减小,黑麦草对改善土壤理化性质和抗剪强度的效果优于紫花苜蓿;2)在砂壤土、粉壤土和粘壤土质地下c呈现增加的趋势,根系参数和容重(BD)呈现减小的趋势,SOM和MWD表现为粘壤土>砂壤土>粉壤土,SOM、MWD和c增加值最大的为粘壤土;3)主成分分析显示砂壤土的根系特征指标对根-土复合体抗剪强度的贡献度比较高,粉壤土和粘壤土则是土壤特征指标对根-土复合体抗剪强度的贡献度比较高。研究结果综合评价了黄土高原草本植物根-土复合体的抗剪性能,为黄土高原水土保持研究提供了基础数据和理论参考。

黄土丘陵区不同植物根系抗拉力学特性

植被对于黄土丘陵区的生态修复和物源稳定具有重要意义,其中植物根系抗拉力学特性是影响植物护坡的主要因素。为了研究黄土丘陵区植物根系抗拉特性,以黄土丘陵区3种典型植物种群[狼牙刺(Sophora viciifolia)、铁杆蒿(Artemisia gmelinii)、苔草(Carex lanceolata Boott)]为研究对象,采用野外采样、室内试验与实验分析相结合的方法,探究了3种植物根系抗拉力学特性。研究表明:(1)根长一定时,3种植物的最大抗拉力随着根径的增加而增加,单根极限抗拉强度随着根径的增大而减小;而根径一定时,根系的最大抗拉力和极限抗拉强度随根长的增大而减少;弹性模量值随着根径和根长增长呈下降趋势。(2) 3种植物根系平均最大抗拉力关系为狼牙刺(12.135 N)>苔草(11.194 N)>铁杆蒿(9.168 N);平均极限抗拉强度为铁杆蒿(15.718 MPa)>苔草(15.486 MPa)>狼牙刺(6.457 MPa);平均弹性模量分别为铁杆蒿(2.900 N/mm)>狼牙刺(1.698 N/mm)>苔草(1.003 N/mm)。结果表明这3种植物中铁杆蒿根系的固土能力最好,在选择最为适宜的水土保持物种时可以优先考虑。研究结果可为黄土丘陵区水土保持研究提供一定的科学依据。

植物根系对土壤团聚体形成作用机制研究回顾

土壤团聚体是土壤结构的基本单元,土壤水力侵蚀的微观描述即为土壤团聚体的破裂过程。研究表明:植物根系可以改变土壤的力学以及水文特征,促进土壤团聚体的形成和稳定。因此,对近20年国内外的相关研究成果进行较为系统的回顾,从根系对土壤团聚体的物理、生物、电化学作用3个研究视角,分析了植物根系对土壤团聚体形成的作用机制,提出了现有研究中存在的问题及研究趋势,这对深入认识植物根系对土壤团聚体的影响及其作用机制、发展根-土相互作用的土壤侵蚀过程模型具有重要的意义。

黄土丘陵区主要植物根系对土壤有机质和团聚体的影响

植物根系是植物与土壤进行物质交换的通道,在土壤侵蚀严重、生态脆弱的黄土丘陵区,深入认识根系对土壤物理化学性质的影响具有重要意义。选取了白羊草(Bothriochloa ischaemum)、苔草(Carex lanceolata)、茭蒿(Artemisia leucophylla)、铁杆蒿(Artemisia sacrorum)、狼牙刺(Sophora viciifolia)、柠条(Caragana intermedia)6种植物作为研究对象,取0—10,10—20,20—30,30—40,40—50,50—60 cm土层根系和土样,分析不同土层各物种根长密度、根表面积密度、平均根直径、土壤有机质(SOM)、土壤容重以及各级水稳性团聚体重量百分含量。结果表明:所研究植物根系以细根为主。在0—20 cm土层中,白羊草、苔草根长密度显著大于其余植物(P<0.05),表现为苔草>白羊草>铁杆蒿>茭蒿>狼牙刺>柠条,平均根直径则相反。根系能不同程度地增加SOM含量,SOM含量与根系平均直径和根系表面积密度呈极显著的正相关关系(P<0.01)。在土壤剖面上,水稳性团聚体重量百分含量明显减少的是白羊草、苔草和铁杆蒿样地,水稳性团聚体重量百分含量随土层深度变化不明显的是茭蒿、狼牙刺和柠条样地。根表面积、根长密度能够显著增加0.5~2 mm水稳性团聚体重量百分含量(P<0.05),说明根系能够使小粒径团粒凝聚成更大粒径的土壤团粒。根系能够提高土壤有机质含量,增加中等粒径团聚体含量,改善土壤结构,提高土壤稳定性,对增加土壤抗蚀性起到重要作用。

黄土丘陵区典型植被群落坡面土壤优先流特征及其影响因素

以黄土丘陵区3种典型植被群落(白羊草、铁杆蒿和杠柳)为研究对象,并以退耕1年的撂荒地作为对照(CK),采用原位染色示踪和实验室分析相结合,对比分析不同植被群落斑块格局下的土壤优先流特征,探究植物根系、土壤理化性质对优先流的影响。结果表明:相较CK,植被恢复提高了优先流发育程度;对于各植被斑块,铁杆蒿植被斑块具有最高的染色面积比(45.62%)、最大染色深度(30.30 cm)、优先流比(39.76%)和长度指数(475.90%),杠柳次之,白羊草最小;而对于同一植被群落,除白羊草群落外,其他群落优先流发育程度表现为植被斑块大于裸地斑块;通过结构方程模型发现,优先流染色面积比主要受到土壤总孔隙度、团聚体稳定性、根系生物量密度和有机质含量的直接影响,解释方差可达70%。因此,植被的自然恢复通过其根系发育影响土壤性质,进而改善土壤优先流发育程度,提高土壤入渗能力。