植物根系对土壤侵蚀控制机理的研究

介绍了近年来植物根系对土壤侵蚀控制机理的研究进展。在水文效应和机械效应两个方面,植物根系通过增强土壤的抗冲性、渗透能力、抗剪强度以及根系网的固土功能提高土壤的抗侵蚀能力。     

植物根系固土作用研究进展

植物根系是植物吸收水分和养分的重要器官。强大的植物根系不仅可从土壤中吸收植物生长所必须的水分和养分,而且对于改良土壤的结构和成分,增强土壤的抗侵蚀能力和抗剪切能力有着重要的作用。从植物根系方面来研究土壤抗侵蚀能力是一个多学科交叉的新领域。通过多学科、多领域的联合研究,系统地揭示植物根系固土作用和固土机理,植物根系通过增强土壤的抗蚀性、抗冲性、抗剪强度以及根系的锚固力作用,提高了土壤的抗侵蚀能力。对于更有效地控制水土流失、保护和改善生态环境具有非常重要的意义。     

植物根系对土壤抗侵蚀能力的影响

植物根系增加土壤的抗侵蚀能力主要通过两种方式：一是通过根系在土体中交错，穿插，网络固持土壤；二是通过改善土壤的物理性质，提高土壤自身的水力学性质，从而增强土体的抗侵蚀能力，植物根系能明显增强土壤的抗冲性，土壤的渗透性及土体的剪切强度等水力学性质，根系在提高土壤抗侵蚀能力，防止土壤侵蚀方面有具有重要作用。     

三峡库区狗牙根根系固坡抗蚀效应研究

研究了三峡库区嘉陵江岸的野生狗牙根(Cynodon dactylon (L.) Pers.)根系在土壤表层(0-30 cm)的分布特征,并从土壤理化性质和抗剪强度方面分析了其固坡抗蚀效应。研究结果表明:(1)样本的根系密度(RSD,root system density)与根系生物量呈较显著的正线性相关(R2=0.874 7),且90%总根数和86%的总根量均集中分布在0-30 cm的表土层;(2)狗牙根根系改变了土壤结构,土壤容重与根系生物量呈极显著的负线性相关(R2=0.977 8),总孔隙度与根系生物量呈极显著的正线性相关(R2=0.980 5);(3)狗牙根根系提高了土壤团聚体和有机质含量,土壤团聚体、有机质含量均与根系生物量呈极显著的正线性相关(R2=0.947 7,0.952 7);(4)根系增强了土体的抗剪强度,根系密度越大则抗剪强度增量越大;(5)根系对土体抗剪强度的增强主要是通过粘聚力来实现;(6)根系主要是通过增强土体的抗剪强度来实现其固坡抗蚀效应。     

植物根系固坡力学机理研究进展

近20年来,植物固坡在国内外越来越受欢迎。为进一步阐明植被根系对不稳定斜坡加固的力学机理,纵观多年来根系固土的研究成果,基于根系的锚固、加筋理论,从根系形态建成、抗拉、抗剪、采伐后根系强度变化及根系中主要成分木质素、纤维素的含量等方面进行综述。与素土相比,根土复合体的力学性能有了很大的提高,但其内在机理尚不太清楚,需要进一步的研究,并对存在的问题进行探讨,以便为根系的理论研究和植被护坡实践提供参考。     

利用土壤入渗速率和土壤抗剪力确定土壤侵蚀等级

土壤入渗速率决定着地表径流，土壤抗剪力制红着土壤的可蚀性能，因此，两者对水土流失作用有着直接的影响，可以用来确定土壤侵蚀的等级。     

不同植物对铅锌矿废弃地矿渣抗侵蚀性的影响

以废弃铅锌矿矿渣为同一基质,选择苗期光皮桦(Betulalum in iferaH.Winkl)、醉鱼草(Buddle jalind leyanaFort.)、芦竹Arundo donaxLinn.)及五节芒〔Miscanthus floridulus(Lab.)Warb.exSchumet Laut〕进行露天盆栽试验,并以生长200d后的4种植物根系及矿渣为研究对象,分析比较了4种植物的根系特征及其对矿渣紧实度、抗冲抗蚀性的影响。结果显示,4种植物的地下生物量大小为芦竹 > 醉鱼草 > 五节芒 > 苗期光皮桦,并且芦竹的根系总量明显大于其他3种植物;4种植物对矿渣的抗蚀性和抗冲性均有明显增强效应,芦竹对矿渣抗冲抗蚀性的增强效果最明显,其中芦竹对矿渣抗蚀增强系数达0.98,对矿渣抗冲性增强值为26.63。矿渣受侵蚀减缓率与植物根系生物量成显著正相关关系。     

集中水流冲刷条件下土石崩积混合物坡面产沙特征

通过室内人工放水冲刷试验,探究不同流量(2L/min,4L/min,8L/min,16L/min)和砾石含量(0%,20%,40%,60%)条件下,土石混合崩积物坡面产沙特征。结果表明:各条件下产沙过程均呈先增大后减小再趋于稳定的趋势。产沙量随着流量的增大而增大,而含沙量随流量的增大总体呈减小的趋势;在2L/min和4L/min条件下,产沙量及含沙量随着砾石含量的增大呈先减小后增大的趋势,存在临界砾石含量(20%~40%);在8L/min和16L/min条件下,产沙量及含沙量随着砾石含量的增大而增大。产沙率与含沙量的关系表明,含石量对产沙的影响存在临界含石量(20%~40%)。砾石含量和流量可以用来很好地预测土石混合崩积物的产沙率,但对含沙量的预测效果较差。流量对产沙率及含沙量的影响均大于砾石含量。     

Interaction Between Plant Roots and Soil Water Flow in Response to Preferential Flow Paths in Northern China

Preferential flow is expected to provide preferential channels for plant root growth and variations in soil water flow, but few studies were conducted to imply the impacts of these changes, particularly for preferential flow in stony soils. This study aimed to characterize soil water flow and plant root distribution in response to preferential flow paths and quantitatively describe the relation between plant root distribution and soil water flow. Field dye‐tracing experiments centered on experimental plants were conducted to determine the root length density and soil water flow process. Laboratory analyses were performed to characterize changes in the relative concentration of the accumulated effluent and the degree of interaction between plant roots and soil water flow. The amount of fine plant roots with preferential flow paths decreased with increasing soil depth for all experimental plots. The largest plant roots were recorded in the upper soil layers to a depth of 20 cm. The relative concentration of the accumulated effluent increased with time and decreased with soil depth under saturated soil conditions, whereas a distinct early turning point for the relative concentration of the accumulated effluent was observed in the 0–20‐cm soil columns, and the relative concentration of the accumulated effluent initially decreased and then increased with time under unsaturated soil conditions. This study provides quantitative information with which to characterize the interaction between plant roots and soil water flow in response to preferential flow paths in soil–plant–water systems. Copyright © 2016 John Wiley & Sons, Ltd.     

风沙土水分抗风蚀性研究

以典型风沙土为实验材料，通过风洞模型实验探讨了风沙土水分含量临界风蚀风速及风蚀强度的影响。     

黄土高原刺槐林地根系与枯落物对土壤侵蚀的影响

为探讨自然条件下黄土高原地区刺槐林地枯落物和根系对土壤侵蚀的影响。采用5个坡度(8.7%,17.6%,26.8%,36.4%和46.6%)及3种流量(0.5,1.0,2.0 L/s)分别在有枯落物覆盖、去除枯落物的植被和裸坡样地进行试验,探讨刺槐林地枯落物和根系对土壤侵蚀的影响。结果表明,枯落物和根系对土壤侵蚀有显著影响,当枯落物厚度超过3 cm、根系密度>0.5 kg/m³时,土壤侵蚀量减小程度趋于稳定。与裸坡相比,刺槐林地土壤侵蚀量减少约55%,且根系和枯落物对土壤侵蚀量减少的贡献率分别为66%和34%。此外,枯落物与根系可降低土壤可蚀性,增加土壤剪切力,进而增强土壤的抗蚀能力。与裸坡相比,有枯落物覆盖和去除枯落物覆盖的植被样地土壤可蚀性分别降低80%和66%,土壤剪切力分别提高285%和237%。研究结果为揭示森林植被的土壤侵蚀机制提供新的思路,对改善黄土高原的植被建设具有一定的指导意义。     

花岗岩红壤侵蚀退化地不同治理模式土壤抗蚀性评价

为探究花岗岩红壤侵蚀退化地不同治理模式对土壤抗蚀性的影响,通过野外调查与室内外试验,以长汀县封禁（M1）、乔灌草混交（M2）、全坡面播草（M3）、低效林改造（M4）、条沟草灌带（M5）这5种治理模式的土壤为研究对象,选取开垦地（CK1）和裸露地（CK2）为对照,利用主成分分析法揭示土壤抗蚀性主要影响因子,并结合灰色关联分析和耦合分析对土壤抗蚀性进行综合评价。结果表明：（1）不同治理模式的土壤抗蚀性由强到弱依次为M5 > M2 > M3 > M4 > M1 > CK2 > CK1;（2）> 0.25 mm水稳性团聚体含量和有机质含量是影响土壤抗蚀性的主要因子;（3）土壤抗蚀性与土壤理化性质的灰色关联度较高（0.696）,M3的土壤抗蚀性与土壤理化性质之间系统耦合度最高（0.883）。研究结果为花岗岩红壤侵蚀退化地的水土流失治理及生态恢复提供科学依据。     

土壤侵蚀中细沟流的初步分析

细沟中水流速度主要受流量、含沙量和下垫面等因素的影响。在流量不变的条件下 ,通过假定粘滞阻力与流速成正比 ,导出水流的运动学方程 ;以此方程对实验测量结果进行非线性拟合 ,得到了水流速度与时间的关系函数 ,摩擦系数与侵蚀强度的关系式及流体粘滞力与泥沙含量的关系式。这些函数式表明此数学模型在流速较小时是可行的 ;水流速度主要受泥沙含量和坡度的影响 ;坡度越大 ,在开始时速度快速增大 ,但达到稳定流速的时间较长     

模拟玉米茎秆流对土壤侵蚀的影响

玉米茎秆流是降雨过程中经玉米冠层截留后沿茎秆流向根部的水量,是种植坡地地表径流的重要组成部分,对植物根部的土壤侵蚀过程具有重要影响。采用人工模拟降雨方法,研究了成熟期玉米茎秆流对坡地土壤侵蚀的影响。试验土槽长为0.40 m、宽为0.23 m、深为0.14 m;采用直径为2 cm的PVC管模拟成熟期玉米茎秆,高度为1.2 m;模拟茎秆流量为5,10,15 g/s,用相同降雨条件下无茎秆流坡地作为对照措施;降雨强度为60,90,120 mm/h,降雨历时108 min,坡度为10°。结果表明:(1)与对照措施相比,茎秆流具有加快坡地地表产流的作用;(2)模拟茎秆流条件下地表产流量和产沙量均高于对照,相较无茎秆流坡地,3个降雨强度下各茎秆流量的产流贡献率为14.90%~43.10%,产沙贡献率为12.47%~26.75%;(3)茎秆流在茎秆周围地表形成细小股流,促使坡地土壤侵蚀过程由面蚀向细沟侵蚀转变,从而增加了坡地土壤侵蚀量。因此,在坡地水土流失计算与评价中应考虑茎秆流的土壤侵蚀作用。     

天然灌草植被防治土壤风蚀机理

通过对毛乌素沙地不同下垫面上风速、地表粗糙度、临界起沙风速、风沙流结构的观测,发现植被覆盖可以有效防止地表风蚀。植被盖度为40％的固定沙地近地表0．2m高度平均风速比流动沙地降低43％,侵蚀风的持续时数降低85％,临界起沙风速提高70％,地表粗糙度提高180倍;当风沙流速度相同时,20％覆盖度的半同定沙地较流动沙地可平均降低输沙62．33％;而植被盖度为40％的同定沙地较流动沙地可平均降低输沙93．07％。实验证明,单株植物同样可以降低风速。疏透结构和透风结构的单株沙蒿分别可以使植株后0．5m高度的风速较植株前方平沙地同高度的风速下降59．4％和19．8％。     

人工林植被细根防蚀拦沙作用的有效性

选择我国西南山地典型人工林为对象,调查全山坡人工林的植被盖度及根系密度,利用137Cs示踪技术确定人工林坡地土壤侵蚀速率,探讨人工林坡地植被盖度及其细根与土壤侵蚀的关系.结果表明:整个人工林坡地表现为严重土壤侵蚀,侵蚀速率达25.25 t/(hm2·a).不同类型植被覆盖下土壤侵蚀再分布速率为裸地(-36.32 t/(hm2·a))＜乔木(-0.57 t/(hm2·a))＜灌木(0.53 t/(hm2·a))＜草(0.60t/(hm2·a)).回归分析表明,人工林坡地土壤侵蚀速率与植被盖度无显著相关性,土壤侵蚀速率随＜1mm的植被细根密度的增加而降低,二者之间呈显著负相关关系(P＜0.01),但与＞10 mm径级的植被粗根密度没有显著相关性.人工林地植被细根控制土壤侵蚀的有效性可以用植被细根密度与土壤再分布速率的关系方程来定量评价.当植被细根密度为60～100 g/m2时,可以看作人工林植被防蚀拦沙的有效根密度.结果表明,植被细根在控制坡地土壤侵蚀比植被盖度更为重要.因此,禁牧保护植被细根是控制人工林地土壤侵蚀与土地退化的有效措施.