【摘 要】
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紫色土区因其成土快但易遭侵蚀的母质和多降雨多丘陵的气候地质背景,加之不合理的开荒置地及种植模式,使得坡耕地水土流失问题突出且严峻。坡改梯工程造就了大量埂坎,埂坎的出现提高了坡耕地的利用率并减少了水土流失,为了稳定埂坎,配合埂坎的水土保持功能,“埂坎+植物篱”(下文统称为地埂篱)的治理模式应运而生。为探索地埂篱在紫色土坡耕地的水土保持价值及其根系对根-土复合体的抗侵蚀性能的影响,在重庆市北碚区“西南
【基金项目】
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国家自然科学基金“紫色土区植物篱根-土复合体抗侵蚀性对微地形变化的响应机理”(41501288); 重庆市基础科学与前沿技术研究一般项目“紫色土区草篱根系生物力学特征及对土壤抗剪性能的影响机理”(cstc2017jcyjAX0472);
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紫色土区因其成土快但易遭侵蚀的母质和多降雨多丘陵的气候地质背景,加之不合理的开荒置地及种植模式,使得坡耕地水土流失问题突出且严峻。坡改梯工程造就了大量埂坎,埂坎的出现提高了坡耕地的利用率并减少了水土流失,为了稳定埂坎,配合埂坎的水土保持功能,“埂坎+植物篱”(下文统称为地埂篱)的治理模式应运而生。为探索地埂篱在紫色土坡耕地的水土保持价值及其根系对根-土复合体的抗侵蚀性能的影响,在重庆市北碚区“西南大学紫色丘陵区坡耕地水土流失监测基地”种植了2种地埂篱(紫花苜蓿和拉巴豆),定量研究了2019年和2020年2种地埂篱根系的形态特征、纤维含量、抗拉力学特性,根区土壤理化性质、根区土壤抗蚀性特征,根-土复合体抗剪/冲性能特征及影响因素,用主成分分析筛选出了根-土复合体抗剪/冲性能的主要影响因素,得出主要结论如下:(1)80%以上的根系长度集中分布于0.0<d≤2.0 mm径级,根系长度随直径的变化规律可用指数函数表示,由此推出的特征直径与平均直径满足线性关系,且特征直径与分叉数呈极显著负相关,与根体积和木纤比呈显著正相关,与分枝数和纤维素含量呈显著负相关,均可用指数函数较好地进行拟合。2019年,拉巴豆地埂篱的分枝数、纤维素、木质素和抗拉力学特性指标均显著大于紫花苜蓿地埂篱。2020年,紫花苜蓿地埂篱的根表面积、根体积、特征直径、极限延伸率和附加粘聚力显著大于拉巴豆地埂篱,其中根体积增幅达339.81%,是拉巴豆的4倍。与整株根系相比,紫花苜蓿和拉巴豆复合体的根系形态和纤维含量指标表现出更显著的差异性,但大小关系基本一致。(2)紫花苜蓿和拉巴豆地埂篱对根区土壤的容重、孔隙度、持水能力、有机质、微团聚体的团聚度、分散系数和可蚀性因子均有显著的改善效果,生长初期拉巴豆对土壤理化性质及抗蚀性的改善效果更显著,土壤容重降低9.70%。1年后,紫花苜蓿的改善效果更为显著,有机质含量增幅达36.66%。影响根区土壤理化性质的指标按相关性大小的排序为:根系抗拉力学指标>根系形态指标>根系纤维含量,突出的指标为抗拉强度、特征直径、根体积和纤维素。影响根区土壤抗蚀性的指标按相关性大小的排序为:根系形态指标>根系抗拉力学特性指标>根系纤维含量,突出的指标为根长、根尖数、极限抗拉力和极限延伸率。(3)根系能显著提高埂坎土壤的抗剪性能和安全系数,在生长初期拉巴豆根系对内摩擦角和粘聚力的改善作用均优于紫花苜蓿,粘聚力增幅达71.06%。1年之后,紫花苜蓿根系对粘聚力的改善作用更好。根系和土壤等5类指标与粘聚力的相关性较高,根系抗拉力学特性指标最突出,与粘聚力均呈显著或极显著相关,仅微团聚体的几何平均直径与内摩擦角有显著相关关系。主成分分析表明,上述5类指标中,按影响力大小排序为:自然含水率>极限延伸率>根表面积密度>纤维素>分散系数。2019年拉巴豆地埂篱抗剪性能的综合评分较高,2020年则是紫花苜蓿地埂篱较高,但均无显著差异。(4)根系在生长初期均能显著提高根-土复合体的抗冲指数,尤其是拉巴豆地埂篱,最大抗冲指数达对照的2.60倍,但1年之后提升效果不再显著。抗冲指数和抗冲指数变化值与冲刷时间均呈显著或极显著正相关,分别用对数函数和二次函数拟合效果最佳。除土壤理化性质外,根系的形态指标、纤维含量、抗拉力学特性指标和土壤的抗蚀性指标与抗冲指数和抗冲指数变化率的相关性均较高,土壤抗蚀性指标最高,最高可达0.74。主成分分析表明,上述5类指标中,按影响力大小排序为有机质>根体积密度>极限抗拉力>分散系数>半纤维素。2019年拉巴豆地埂篱抗冲性能的综合评分较高但无显著差异,2020年则是紫花苜蓿地埂篱较高,且有显著差异。综上,生长初期拉巴豆地埂篱根系发育快细根多且抗拉性能好,改良了根区土壤的理化性质,使其根区土壤具有较强的抗蚀性,进而让根-土复合体有较强的抗剪/冲性能,埂坎的安全系数显著提高。种植1年以后,紫花苜蓿地埂篱根系发育逐渐完善,粗根多,其根-土复合体的抗剪/冲性能和埂坎稳定性已与拉巴豆地埂篱无显著差异。可见,拉巴豆地埂篱发育周期短可在短期内取得固持埂坎的显著成效,紫花苜蓿的发育周期长,但长远来看其固持埂坎成效会日益显著,紫花苜蓿和拉巴豆地埂篱各有优劣,可结合不同的需求选择适宜种植的地埂篱。
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