黄土高原典型草本植物根系对土壤入渗的影响及空间差异

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黄土高原生态环境脆弱、土壤侵蚀严重,是我国乃至全球水土流失和生态环境退化最为严重的地区之一。降雨入渗作为生态水文过程的重要组成部分,决定着土壤的蓄水和径流,在水循环和潜在的水土流失、土壤侵蚀等水文响应中起着重要作用。研究黄土高原生态水文过程将有助于改善其区域生态环境,维护该区域土壤系统功能。黄土高原植被恢复过程中,植物根系活动是改善土壤性质,提高土壤入渗和蓄水能力的重要驱动因素,而土壤质地也将影响根系引起的土壤水动力特性的变化程度。因此,研究黄土高原典型草本植物根系对土壤性质及土壤入渗能力的影响及其机制具有重要的科学意义。本研究以黄土高原从北到南的不同土壤类型区,即神木县六道沟(砂黄土)、安塞区坊塌(黄绵土)和永寿县永寿墚(粘黄土)为研究区,选取各地区自然恢复的典型草本植物长芒草(须根系)群落和铁杆蒿(直根系)群落和撂荒地(退耕一年的农地)为研究样地,通过原位双环入渗等野外实验和室内样品分析测定相结合,研究了同一土壤质地不同植被及同一植被在不同土壤质地下根系对土壤性质的影响以及植物根系和土壤性质与土壤入渗速率之间的定量关系。该研究有助于理解黄土高原植被恢复过程中根土相互作用及其对入渗过程的影响,同时区域退耕还草工程中选取合适的植被以提高土壤水分入渗,减少地表水分流失,防治水土流失灾害提供一定的科学依据。主要研究结论如下:(1)植被恢复显著提高土壤入渗能力。在同一土壤质地下,六道沟和永寿墚各入渗特征值(初始入渗率、稳定入渗率和平均入渗率)和土壤入渗能力指数(SIC)均表现为长芒草群落>铁杆蒿群落>撂荒地,而坊塌为铁杆蒿群落>长芒草群落>撂荒地。对于同一植物群落,永寿墚的各入渗特征值和SIC显著高于其他两个地区。对比不同土壤质地条件下植被群落对土壤入渗能力的提高程度(相对于同一土壤质地条件下的撂荒地),六道沟地区自然恢复植被群落对土壤入渗能力的提高程度更高,且在长芒草群落中表现更加明显。(2)植被群落对土壤物理性质具有明显改善作用;对于相同植被群落,永寿墚地区土壤结构优于其他两个地区。植物根系特征参数(根生物量密度、根长密度、根表面积密度和根体积密度)均随土层深度的增加先急剧减小后缓慢减小,表聚现象明显。在同一土壤质地下,除根长密度外,铁杆蒿群落其他各根系特征参数均高于长芒草群落;而对于同一植物类型,各根系特征参数整体表现为永寿墚地区高于坊塌和六道沟地区。(3)植物根系发育改善了土壤结构和土壤持水状况,主要包括容重的减小、土壤孔隙度的增加以及土壤持水率的增强。同一土壤质地下,铁杆蒿群落的根系-土壤相关关系强于长芒草群落;而由北部的六道沟至南部的永寿墚地区各植被群落根系-土壤关系强度逐渐增强。整体来说,根表面积密度(RSAD)对土壤物理性质的影响最强,根长密度(RLD)和根体积密度(RVD)次之,根生物量密度(RMD)则影响最弱,且与非毛管孔隙度(NCP)的相关性最强。(4)植被群落的根系与土壤性质有助于土壤入渗率的提高。土壤物理性质对土壤入渗能力的提高呈正向作用,而根系特征对土壤入渗能力的影响较复杂,受土壤质地以及根系直径的影响。同一土壤质地条件下,长芒草群落土壤入渗与根系、土壤特征参数的相关强度高于铁杆蒿群落。对于同一植被群落,土壤入渗与根系、土壤特征参数的相关强度均表现为坊塌>永寿墚>六道沟。对于黄土高原,逐步回归分析结果表明土壤各粒径比例(粘粒和粉粒)、土壤孔隙度(CP和NCP)、饱和持水率和根系特征(RSAD和RVD)是控制土壤入渗能力的主要因子,分别解释了初始入渗率(IIR)、稳定入渗率(SIR)、平均入渗率(AIR)和土壤入渗能力指数(SIC)的 47.9%、90.7%、72.0%和 80.2%。
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