草本植物根系纖維成分及力學(xué)特征對紅壤抗侵蝕效應(yīng)影響.pdf

1、我國南方紅壤丘陵區(qū)土壤侵蝕嚴(yán)重，類型復(fù)雜。紅壤中富含鐵鋁等氧化物，粘粒含量高，土壤團聚體結(jié)構(gòu)特征發(fā)育良好，其穩(wěn)定性被認(rèn)為是調(diào)控土壤侵蝕的主控因子，顯著影響著侵蝕特征。植被措施是防治水土流失最有效的因素，其中草本植物優(yōu)勢突出，而根系部分起決定性作用。草本植物種類的合理選取，對紅壤區(qū)水土流失治理有著突出的意義。為選取固坡草本植物，發(fā)揮草本根系的固土護坡作用優(yōu)勢，本研究選擇南方丘陵區(qū)第四紀(jì)粘土、泥質(zhì)頁巖和花崗巖三種典型母質(zhì)發(fā)育紅壤，5種水土保

2、持常用草本植物香根草、百喜草、狗牙根、馬尼拉草和狗尾草為研究對象，分析3種紅壤團聚體和土體土力學(xué)特性隨土壤物理性質(zhì)的變化特征，探討5種根系的抗拉力學(xué)特性與根系主要化學(xué)成分含量隨不同根徑的變化特征及二者的相關(guān)性分析，以期揭示根系固土的內(nèi)在力學(xué)作用機制;同時，為明確草本根系特征與根系的抗侵蝕效應(yīng)關(guān)系，根據(jù)前面研究結(jié)論，通過對泥質(zhì)頁巖和花崗巖紅壤以及百喜草的研究，分析不同種植密度和土壤深度下的根系參數(shù)空間分布特征，根系的抗拉力學(xué)特性與主要化學(xué)

3、成分含量關(guān)系，探討2種紅壤的理化性質(zhì)、分離速率、抗剪強度、入滲特性隨根系變化的的變異特征的差異性，評價Wu-Waldron模型在百喜草根系對紅壤固土增強效應(yīng)的實用性，研究結(jié)果以期為我國南方紅壤侵蝕成因機理的闡明和水土流失防治措施的規(guī)劃提供相關(guān)理論基礎(chǔ)和實踐指導(dǎo)。取得的主要結(jié)論如下:
　　(1)由于穩(wěn)定性機制，預(yù)處理方法和衡量指標(biāo)的差異，供試土壤的穩(wěn)定性排序不盡相同。濕篩法與LB法測定團聚體穩(wěn)定性結(jié)果均表明:3種供試紅壤團聚體穩(wěn)定性

4、從高到低依次為第四紀(jì)粘土紅壤、花崗巖紅壤、泥質(zhì)頁巖紅壤。不同破碎機制中，3種紅壤團聚體穩(wěn)定性排序均為快速濕潤(FW)＜預(yù)濕振蕩(WS)＜慢速濕潤(SW)。其中，第四紀(jì)粘土紅壤對消散作用較為敏感;花崗巖紅壤對機械破碎作用較為敏感;而泥質(zhì)頁巖紅壤對上述兩種作用均很敏感?？梢?，快速濕潤引起的消散作用和外力作用引起的機械振蕩作用，是紅壤團聚體破碎的主要機制。
　　(2)3種紅壤的ψ值和c值與土壤含水量有著顯著的相關(guān)性(P＜0.05)。不同

5、紅壤的c值曲線峰值以及曲線中存在一個快速下降點所對應(yīng)的含水量有所不同，其大小與土壤的塑限值緊密相關(guān)。土壤ψ值和c值都與土壤容重呈顯著正相關(guān)(P＜0.05)，而與團聚體顆粒粒徑的相關(guān)性中，ψ值并未表現(xiàn)出明顯的變化趨勢，而c值則表現(xiàn)為先增加后減小，均在0.25-1mm粒徑下達到最大值。3種紅壤各粒徑下團聚體抗張強度與含水量呈顯著負相關(guān)（P＜0.05），而與團聚體粒徑的變化趨勢，則隨含水量的不同有所差異。當(dāng)含水量相對較低時，兩者呈顯著負相關(guān);

6、當(dāng)含水量相對較高時，兩者呈顯著正相關(guān)。
　　(3)在不同含水量、容重和團聚體顆粒粒徑處理下，3種紅壤的ψ值和c值變化趨勢有所不同。當(dāng)含水量較低時、顆粒粒徑較大時以及各土壤容重處理下，ψ值表現(xiàn)為花崗巖紅壤＞泥質(zhì)頁巖紅壤＞第四紀(jì)粘土紅壤，而c值表現(xiàn)為第四紀(jì)粘土＞紅壤花崗巖紅壤＞泥質(zhì)頁巖紅壤;含水量較高時，ψ值表現(xiàn)為泥質(zhì)頁巖紅壤＞第四紀(jì)粘土＞紅壤花崗巖紅壤，而顆粒粒徑較小時，c值表現(xiàn)為第四紀(jì)粘土＞泥質(zhì)頁巖紅壤＞紅壤花崗巖紅壤。
　

7、　(4)5種根系4個徑級的抗拉力學(xué)特性表現(xiàn)為香根草＞百喜草＞狗牙根＞馬尼拉草＞狗尾草。香根草和百喜草的根系具有較大的抗拉力學(xué)特性，與其他3種植物根系差異顯著。5種根系抗拉力學(xué)特性與根系直徑呈顯著相關(guān)性，兩者均表現(xiàn)為冪函數(shù)關(guān)系(P＜0.05)。根系主要化學(xué)成分中纖維素、綜纖維素、木質(zhì)素含量和木纖比大小與根系直徑呈顯著相關(guān)性，而根系的半纖維素含量與根系直徑并未表現(xiàn)出顯著的相關(guān)性。根系抗拉力與纖維素、綜纖維素和木纖比相關(guān)性顯著;而抗拉強度則與

8、纖維素、綜纖維素、木質(zhì)素含量和木纖比相關(guān)性顯著。說明5種草本植物的纖維素、木質(zhì)素、綜纖維素含量和木纖比與根系的力學(xué)性質(zhì)有較好的相關(guān)關(guān)系，而與半纖維素含量并未表現(xiàn)出顯著的相關(guān)性。
　　(5)土壤團聚體穩(wěn)定性與百喜草根系特征參數(shù)大小呈顯著正相關(guān)（P＜0.05），在各根系處理中，超過70％的根系特征參數(shù)都分布在兩種土壤的上面20cm，這些參數(shù)隨著土壤深度的增加以及播種密度的減小而顯著降低(P＜0.01)。土壤相對分離速率（RSD）與根系

9、參數(shù)特征(RAR、RLD、RD、RSAD)和播種密度呈顯著負相關(guān)(P＜0.01)，與土壤深度、水流剪切力大小呈顯著正相關(guān)(P＜0.05);當(dāng)根系播種密度大于20 g/m2時，RSD值將維持在一個較低的水平，并不會隨著播種密度的繼續(xù)增大而顯著的減小。
　　(6)通過Wu-Waldron模型計算得出的根系對土壤抗剪強度的預(yù)測增加值(Sr)顯著大于實測值，對于表明20 cm的土層，預(yù)測值比實測值超出幅度范圍達151.64％-365.53

10、％，而底部20 cm土層，預(yù)測值比實測值超出幅度范圍也達到11.05％-48.44％，說明Wu-Waldron模型在應(yīng)用于本研究中所用的試驗土壤和植被根系時會過高的估計根系對土壤抗剪強度的增強效應(yīng)，尤其是對于表層含有大量植被根系的土層，誤差偏大，顯得并不適用。兩種土壤中根系的四種特征參數(shù)與Sr值和RSD值的關(guān)系中，根系RAR值與其相關(guān)性最高。
　　(7)土壤的孔隙度特性（總孔隙度、非毛管孔隙）、入滲特性（初滲速率、穩(wěn)滲速率和累積入