植物篱对紫色土水土特性的效应及作用机理

摘要

紫色土是我国亚热带地区的一种重要的旱作土壤，集中分布在四川盆地。目前，紫色土坡耕地的水土流失极为严重，亟需进行有效的防治。植物篱不仅能控制水土流失，还可以改善土壤养分状况、调节农田小气候等，具有良好的生态、经济和社会效益，是治理紫色土坡耕地水土流失的一种重要的农艺生物措施。本研究从植物篱的地上部分到地下部分，群体到个体，宏观到微观，较为全面地分析植物篱对紫色土水土特性的影响效应及影响机理，国内外不多见。研究中，以新银合欢（Leucaenaleueocephala）和香根草（Vetiveriazizanioides）构建植物篱，采用了标准径流小区(10°、15°)试验、室内土壤理化性质和微生物类群分析，研究了植物篱对紫色土坡耕地水土流失量、微地形、表土机械组成、表土养分分布、表土微生物的影响;以草本植物（紫花苜蓿（Medicagosativa）、香根草（V.zizanioides）、狗牙根（Cynodondactylon）、百喜草（Paspalumnatatu））为目标物种，采用了WinRHIZO根系扫描、土壤理化性质分析试验、直剪试验和抗冲试验，分析了草本植物根系对紫色土表土容重、孔隙度、养分分布、抗剪性能、抗冲性能的影响。主要研究结果如下:
　　 (1)10°，15°坡耕地上，新银合欢植物篱和香根草植物篱均表现出一定的水土保持效应。据2010年和2011年径流小区的水土流失监测数据知，植物篱对泥沙的控制效应优于对径流的控制效应;同坡度时，香根草植物篱对径流泥沙的拦截效应优于新银合欢植物篱;定植时间较长时，植物篱的减流减沙效益较好，尤其表现在固土减沙方面;坡度对径流泥沙的影响显著于植物篱对径流泥沙的影响。定植2年后，植物篱改变坡耕地微地形的效应开始显现，且15°坡耕地比10°坡耕地、香根草植物篱比新银合欢植物篱、底行植物篱比中行、顶行植物篱稍明显。
　　 (2)10°，15°坡耕地上，新银合欢植物篱和香根草植物篱小区表层(0-20cm)土壤机械组成和养分空间分布均发生变化。2010年，土壤机械组成和养分空间分布呈现一定规律:土壤细颗粒富集在坡脚、坡腰;养分富集在坡脚，坡顶的流失量减少;部分养分富集在篱带前。有机质在坡脚的富集最为明显，其次是全氮、总磷、有效磷和速效钾。有机质、全氮、碱解氮、有效磷、全钾和速效钾在篱带前均发生富集。10°坡地，香根草植物篱小区的细颗粒增量大于新银合欢植物篱小区，在拦截效果上，两种植物篱均表现为:砂粒＞粉粒＞粘粒。对全氮、有效磷、全钾的影响，新银合欢植物篱＞香根草植物篱;对有机质、碱解氮、全磷、速效钾的影响，香根草植物篱＞新银合欢植物篱。总体上，植物篱对全效养分的影响大于速效养分，香根草对土壤颗粒和养分分布的影响大于新银合欢。
　　 2011年，总体上，土壤有机质、全氮、碱解氮、总磷、有效磷、全钾均减少，尤其是碱解氮和有效磷大幅度减少，速效钾则大量增加;植物篱对速效养分的影响大于全效养分。在坡面分布上，仅总磷的分布规律与2010年的类似，由坡项向坡脚递增，其余养分的坡面分布规律与2010的差异较大。2011年的土壤养分数据及坡面分布规律极大异常，需要长期监测以探寻原因和正确揭示植物篱对土壤养分的影响规律及机制。
　　 (3)10°，15°坡耕地上，新银合欢植物篱和香根草植物篱均能显著提高土壤中细菌、真菌和放线菌数量及微生物量碳氮含量、有机碳含量，其中土壤细菌数量、土壤微生物量碳氮含量较对照小区的增幅均在50％以上。总体上，香根草植物篱对上述各指标的影响大于新银合欢植物篱，尤其是对土壤微生物量氮含量的影响，10°坡耕地上香根草植物篱小区的增幅较新银合欢植物篱小区高30％余。坡度对上述微生物指标均有显著影响，10°坡较之15°坡更有利于上述指标的提高。各小区的上述微生物指标在坡面上呈现一个与2010年土壤养分相似的分布规律:由坡顶向坡脚递增，篱带前发生富集。其中，土壤真菌、土壤微生物量碳、土壤有机碳的富集较明显。各微生物指标均与土壤有机质、全氮、速效钾含量显著正相关，尤其是土壤有机质碳含量与土壤有机质含量，土壤有机碳含量与土壤全氮含量，土壤真菌数量与土壤速效钾含量。
　　 (4)同一立地条件下，定植1年的紫花苜蓿、香根草、狗牙根、百喜草对紫色土表土(0-30cm)容重、孔隙度影响较显著且呈现一定规律性，对表土(0-20cm)机械组成几乎无影响，对表土(0-20cm)养分影响较弱。较对照小区，4个草本区表土容重降低，总孔隙度提高，土壤通透性得到改善，其中紫花苜蓿区最为明显。草本区，表土容重表现为:0-10cm土层＜10-20cm土层＜20-30cm土层，与根长密度RLD（rootlengthdensity）的垂直分布相反;总孔隙度表现为:0-10cm土层＞10-20cm土层＞20-30cm土层，与RLD的垂直分布一致。相关分析知，L≤0.5mm和L＞5mm径级的根系对降低表土容重，改善土壤孔隙性贡献最大;全氮、碱解氮与各径级根长密度RLD显著（极显著）相关，其他养分与各径级根长密度RLD相关性则不显著。
　　 (5)同一立地条件下定植1年后，紫花苜蓿、香根草、狗牙根、百喜草的根系均能显著增强表土层(0-10，10-20，20-30cm)根-土复合体的抗剪性能。其中，香根草的增强效果最为显著:100～400kPa竖向荷载下，抗剪强度较对照提高117％～195％，紫花苜蓿、百喜草和狗牙根的提高幅度分别为:18％～125％，18％～186％，21％～68％。对照小区、香根草区、狗牙根区、百喜草区的抗剪强度指标（内摩擦角(φ)和粘聚力c）表现为:土层越深，值越小;紫花苜蓿区的趋势则相反。较之土壤含水率，根系对复合体抗剪性能的影响更显著。根本身的抗剪性能是影响复合体抗剪性能的关键，同径级百喜草根的抗剪性能优于紫花苜蓿根。各径级RLD与根干重显著或极显著相关，但各径级RLD与内摩擦角(φ)、粘聚力c，根干重与内摩擦角φ、粘聚力c均无显著相关。
　　 (6)同一立地条件定植1年后，紫花苜蓿、香根草、狗牙根、百喜草的根系均能显著增强表土层(0-30cm)根-土复合体的抗冲性能，尤其是香根草和百喜草。冲刷试验的各特征时刻(1,2，3，4，7，10min)，草本区的径流含沙量均小于对照小区，且表现为:香根草区＜百喜草区＜狗牙根区＜紫花苜蓿区。紫花苜蓿区和香根草区的径流含沙量变化过程用二次函数拟合较好，对照区和百喜草区的用幂函数拟合较好。各试验小区的土壤抗冲指数ANS与冲刷时间t能较好地用用二次多项式进行拟合，香根草区和百喜草区的拟合效果最好，狗牙根区的拟合效果稍差。这4种根系对表土的抗冲性能均有很好的增强效果，其中香根草的增强效果最好，强化百分率高达277.53％，其次是百喜草。相关分析知:根长密度RLD与抗冲指数ANS显著相关，根表面积与抗冲指数ANS极显著相关。
　　 紫色土区缓坡地，新银合欢植物篱和香根草植物篱对表土理化性质、微生物学性质、力学性质等产生有利影响，进而提高了土壤肥力、抗侵蚀能力和潜在生产力，作为一种生态型的坡耕地治理措施，值得推广。在定植的初期，香根草植物篱对上述各方面的影响效果较显著，这是其茂密茎叶、密实篱笆的机械拦截，较多易分解枯落物的腐解，发达根系的网络固持、加筋作用等共同产生的效应。紫花苜蓿固持土壤的能力较香根草弱，但其根系较香根草深、发达，对表土理化性质亦有较好的改善效果，且是一种良好的牧草，作为植物篱品种很适合在牧区的坡耕地治理中采用。百喜草根系形态小且在土层中分布浅，却具有仅次于香根草的固土抗冲效果，很适合在浅层滑坡地带采用。植物篱对紫色土坡地水土特性的影响是一个复杂的过程，其机理亦非常复杂，需要进行长期、全方位的监测与多学科、深入的研究。

目录

声明

摘要

第1章 文献综述

1．1 植物篱技术的研究

1．1．1 研究历程与现状

1．1．2 植物品种与模式

1．1．3 效益分析与评价

1．2 根系固土抗蚀的研究

1．2．1 根系特征及研究方法

1．2．2 根系固持土壤力学机理

1．2．3 根系增强土壤抗侵蚀性

1．3 结语

第2章 绪论

2．1 研究背景及意义

2．2 研究目标

2．3 研究内容

2．3．1 植物篱对水土流失的影响

2．3．2 植物篱对土壤养分的影响

2．3．3 植物篱对土壤微生物的影响

2．3．4 植物篱植物根系特征及对土壤肥力的影响

2．3．5 植物篱植物根系对土壤抗剪性能的影响

2．3．6 植物篱植物根系对土壤抗冲性能的影响

2．4 技术路线

第3章 植物篱对水土流失的影响

3．1 材料与方法

3．1．1 研究区概况

3．1．2 试验设计

3．1．3 指标测定

3．1．4 数据处理

3．2 结果与分析

3．2．1 降雨与产流、产沙

3．2．2 植物篱的蓄水减流效应

3．2．3 植物篱的保土减沙效应

3．2．4 植物篱改变坡耕地微地形

3．3 小结

第4章 植物篱对土壤养分的影响

4．1 材料与方法

4．1．1 研究区概况

4．1．2 试验设计

4．1．3 采样与分析

4．1．4 数据计算

4．2 结果与分析

4．2．1 植物篱对土壤机械组成的影响

4．2．2 植物篱对土壤有机质的影响

4．2．3 植物篱对土壤氮的影响

4．2．4 植物篱对土壤磷的影响

2．2．5 植物篱对土壤钾的影响

4．3 小结

第5章 植物篱对土壤微生物的影响

5．1 材料与方法

5．1．1 研究区概况

5．1．2 试验设计

5．1．3 采样与分析

5．1．4 数据处理

5．2 结果与分析

5．2．1 植物篱对土壤微生物数量的影响

5．2．2 植物篱对土壤微生物量碳氮的影响

5．2．3 植物篱对土壤有机碳的影响

5．2．4 土壤微生物与养分相关性分析

5．3 小结

第6章 植物篱植物根系特征及培肥效应

6．1 材料与方法

6．1．1 研究区概况

6．1．2 试验设计

6．1．3 采样与分析

6．1．4 数据计算

6．2 结果与分析

6．2．1 根长密度RLD的分布特征

6．2．2 不同植物对土壤容重、孔隙度的影响

6．2．3 不同植物对土壤机械组成的影响

6．2．4 不同植物对土壤有机质的影响

6．2．5 不同植物对土壤氮的影响

6．2．6 不同植物对土壤磷的影响

6．2．7 不同植物对土壤钾的影响

6．2．8 土壤肥力与根系相关性分析

6．3 小结

第7章 植物篱植物根系的固土抗冲效应

7．1 材料与方法

7．1．1 研究区概况

7．1．2 试验设计

7．1．3 采样与分析

7．1．4 数据计算

7．2 结果与分析

7．2．1 根系对土壤抗剪性能的增强效应

7．2．2 根系对土壤抗冲性能的增强效应

7．3 小结

第8章 结论与展望

8．1 主要结论

8．2 研究特色与创新

8．3 存在的问题

8．4 研究展望

参考文献

致谢

攻读博士学位期间的科研成果