黄河河岸带5种植物类型根系结构特征对土壤渗透性的影响

引用本文

桑凯新, 胡淦林, 黄超, 杨喜田, 郭二辉. 黄河河岸带5种植物类型根系结构特征对土壤渗透性的影响[J]. 中国水土保持科学, 2020, 18(5): 1-8. DOI: 10.16843/j.sswc.2020.05.001.

SANG Kaixin, HU Ganlin, HUANG Chao, YANG Xitian, GUO Erhui. Effects of root structure characteristics of 5 plant types on soil infiltration in the Yellow River riparian[J]. Science of Soil and Water Conservation, 2020, 18(5): 1-8. DOI: 10.16843/j.sswc.2020.05.001.

项目名称

国家自然科学基金"河岸带植被格局对土壤养分流失的‘源-汇’效应及其机理"（41401206）；河南省青年人才托举工程项目"黄河湿地生态系统的退化机理与生态修复研究"（2019HYTP013）

第一作者简介

桑凯新(1993-), 女, 硕士研究生。主要研究方向:植被恢复与水土保持。E-mail:572830679@qq.com

通信作者简介

郭二辉(1984-), 男, 副教授, 硕士生导师。主要研究方向:恢复生态学。E-mail:guoerhui@126.com

文章历史

收稿日期：2019-07-12
修回日期：2020-07-06

Contents Abstract Full text Figures/Tables PDF

黄河河岸带5种植物类型根系结构特征对土壤渗透性的影响

桑凯新 , 胡淦林 , 黄超 , 杨喜田 , 郭二辉

河南农业大学林学院, 450002, 郑州

收稿日期：2019-07-12; 修回日期：2020-07-06

项目名称：国家自然科学基金"河岸带植被格局对土壤养分流失的‘源-汇’效应及其机理"（41401206）；河南省青年人才托举工程项目"黄河湿地生态系统的退化机理与生态修复研究"（2019HYTP013）

第一作者简介：桑凯新(1993-), 女, 硕士研究生。主要研究方向:植被恢复与水土保持。E-mail:572830679@qq.com

通信作者简介：郭二辉(1984-), 男, 副教授, 硕士生导师。主要研究方向:恢复生态学。E-mail:guoerhui@126.com

摘要：河岸植被缓冲带在涵养水源和保持水土方面具有重要的生态服务功能。为探讨河岸带不同植物类型根系结构特征与土壤渗透性之间的关系，在黄河下游河岸带郑州段选取5种单一植物的土壤和根系（0~10、10~20和20~30 cm）进行研究。结果表明：1）0~10 cm土层土壤渗透性为狗牙根>白茅>芦苇>艾蒿>水莎草；10~20和20~30 cm土层土壤渗透性为白茅>芦苇>艾蒿>狗牙根>水莎草。2）随着土层深度增加，狗牙根和水莎草根系结构特征参数和土壤渗透性逐渐降低，艾蒿则相反，而芦苇和白茅呈先增高后降低的趋势。3）根系直径在0.5~2 mm范围内的根系特征参数与土壤入渗特征指标之间存在显著线性相关性（P < 0.05）。4）Kostiakov模型更适宜拟合黄河河岸带土壤水分入渗过程，随着根长密度和根表面积密度的增加，Kostiakov模型参数a逐渐减小，参数b逐渐增大。白茅和芦苇的综合土壤渗透性能最好；狗牙根在0~10 cm土层有较强的渗透性；直径介于0.5~2 mm的根系对土壤渗透性的改善作用最好。

关键词：土壤入渗根系特征根系径级水土保持黄河河岸带

Effects of root structure characteristics of 5 plant types on soil infiltration in the Yellow River riparian

SANG Kaixin , HU Ganlin , HUANG Chao , YANG Xitian , GUO Erhui

College of Forestry, Henan Agricultural University, 450002, Zhengzhou, China

Abstract: [Background] Riparian vegetation buffer zone has important ecological functions in soil and water conservation. However, serious vegetation degradation and soil erosion occur in this buffer zone due to various human disturbances. Thus, we characterized the root structure of five plant species and explored their relationships with soil infiltration. [Methods] The soil and root systems of 5 species (Imperata cylindrica, Phragmites australis, Cynodon dactylon, Artemisia argyi and Juncellus serotinus) in three soil layers (0-10 cm, 10-20 cm, and 20-30 cm) in the riparian zone of lower Yellow River were sampled and analyzed. The soil infiltration was measured using the Double Ring method. The root morphology and structure analysis system (WinRHIZO) was used to analyze root length density, root surface density, and root volume density, while the root system was dried to determine the root biomass. The infiltration process was simulated by the Horton model, Philip model and Kostiakov model. [Results] 1) The soil infiltration in 0-10 cm soil layer tended to be C. dactylon > I. cylindrical > P. australis > A. argyi > J. serotinus. The soil infiltration in the 10-20 cm and 20-30 cm soil layers was in this order: I. cylindrical > P. australis > A. argyi > C. dactylon > J. serotinus. 2) As the soil depth increased, the root structure parameters and soil infiltration of C. dactylon and J. serotinus decreased, that of A. argyi increased, while those of I. cylindrica and P. australis increased first and then decreased. 3) There were linear relationships among the root length density, root surface area density, root volume density, initial soil infiltration rate, stable infiltration rate, and average infiltration rate. The root biomass correlated with both soil stable infiltration rate and average infiltration rate. There was linear correlation between the characteristics of root system with diameter of 0.5-2.0 mm and soil infiltration characteristic index (P < 0.05). 4) Among the models, the Kostiakov model was more suitable to simulate the soil water infiltration processes. The model's parameter "a" decreased while parameter "b" increased with the increased root length density and root surface area density. [Conculsions] Our results indicate that the root system characteristics of the plant species significantly affect soil infiltration. The overall soil infiltration of I. cylindrica and P. australis is the highest among five species. C. dactylon has a relatively better soil infiltration in the 0-10 cm soil layer, and the roots within 0.5-2.0 mm diameter play the key role in soil infiltration processes.

Keywords: soil infiltration root characteristics root diameter grade soil and water conservation Yellow River riparian

河岸带具有涵养水源和保持水土等重要生态功能^[1]。河流周边的人为干扰造成河岸带植被退化和水土流失的加剧^[2]。土壤渗透性对地表径流、入渗和土壤侵蚀量有着重要的影响^[3]。而植物根系在改善土壤结构和防止土壤侵蚀等方面起着重要作用^[4]。国内外学者的研究主要集中在植被类型、凋落物、土壤生物、土壤性状等对土壤渗透性的影响^[5-9]。对根系的研究主要集中在土壤机械组成、土壤养分、土壤团聚体、土壤抗侵蚀性等方面的影响^[10-11]。

黄河湿地研究多为植被群落演替及驱动因素^[12]、土壤养分变异^[13]，水文变化^[14]等。而河岸带不同植物根系结构特征与土壤渗透性之间的影响机制鲜见报道。笔者对黄河自然保护区郑州段5种植物进行研究，试图阐明以下问题：1)5种植物的根系特征与土壤入渗性能；2)土壤渗透模型优化以及不同径级根系的结构特征对土壤渗透性的影响。

1 研究区概况

黄河湿地国家级自然保护区郑州段地处黄河中下游交界处，位于E 113°42′ 56″、N 34°36′ 47″。属暖温带大陆性季风气候，四季分明，年均温15.6 ℃，年平均降雨量为542.15 mm^[15]。研究区优势物种主要为白茅(Imperata cylindrica)、芦苇(Phragmites australis)、狗牙根(Cynodon dactylon)、艾蒿(Artemisia argyi)和水莎草(Juncellus serotinus)等。

2 材料与方法 2.1 样地设置和样品采集

垂直于河道100 m处设置一个平行于河流的水平样带，在样带中选择5种典型植物：白茅(Imperata cylindrica)、芦苇(Phragmites australis)、狗牙根(Cynodon dactylon)、艾蒿(Artemisia argyi)和水莎草(Juncellus serotinus)。5个标准样地均设置为10 m×10 m，每一标准地沿对角线取3个1 m×1 m的小样地。分别按0~10、10~20和20~30 cm土层取2个环刀样和1个大环刀(直径7.5 cm，高10 cm，体积441.6 cm³)样，测定土壤渗透性、土壤密度和根系特征，同时采集土壤样品用于土壤粒径的测定。于2018年9月完成采样，样地基本情况如表 1所示。

表 1 样地基本情况 Tab. 1 Basic situation of plots

2.2 样品的测定和分析

土壤渗透性采用双环入渗法测定^[16]；环刀法测定土壤密度；吸管法测定土壤粒径；WinRHIZO根系分析系统(精度300 dpi)分析根系特征参数，最后将根系在70 ℃恒温下烘干48 h，测定根系生物量。

2.3 数据分析

选择3个较常用的数学模型模拟河岸带土壤水分入渗过程，选出最适宜模型^[17]。

1) 霍顿(Horton)模型：

$ {f\left( t \right) = {f_{\rm{c}}} + \left( {{f_{\rm{o}}} - {f_{\rm{c}}}} \right){{\rm{e}}^{ - kt}}} $

(1)

式中：f(t)为土壤入渗速率，mm/min；t为入渗时间，min；f_c、f_o分别为稳渗率和初渗率；k为常数。

2) 菲利普(Philip)模型：

$ {f\left( t \right) = 0.5S{t^{ - 1/2}} + A} $

(2)

式中：S为模型参数，表征土壤吸水能力的强弱；A为稳渗率，mm/min。

3) 考斯加科夫(Kostiakov)模型：

$ {f\left( t \right) = a{t^{ - b}}} $

(3)

式中a，b为模型参数。

采用Microsoft Excel 2013对数据进行初始整理与汇总，采用SPSS 20.0进行数据分析。

3 结果与分析 3.1 河岸带不同植物种类根系结构特征

图 1所示，对根长密度和根表面积密度而言，0~10 cm土层，狗牙根明显高于其他4种植物；在10~20和20~30 cm土层，白茅>芦苇>艾蒿>狗牙根>水莎草。在0~30 cm这3个土层中，白茅、芦苇和艾蒿的根生物量和根体积密度较高，并均显著高于狗牙根和水莎草。

相同土层不同小写字母表示具有显著差异(P < 0.05)，下同。 Different lowercase letters in the same soil layer indicate significant differences(P < 0.05).The same below。图 1 5种植物类型不同土层根系结构特征参数 Fig. 1 Characteristic parameters of root structure in different soil layers of 5 plant types

3.2 河岸带不同植物种类土壤入渗性能

由图 2可知，土壤初渗率、稳渗率在0~10 cm土层趋势为狗牙根>白茅>芦苇>艾蒿>水莎草，在10~20 cm和20~30 cm土层为白茅>芦苇>艾蒿>狗牙根>水莎草。随土层深度的增加，狗牙根和水莎草土壤各项入渗特征参数逐渐减小，白茅和芦苇呈现先增大后减小的趋势，艾蒿呈逐渐增大。

图 2 5种植物类型不同土层土壤入渗特征参数 Fig. 2 Characteristic parameters of soil infiltration in different soil layers of 5 plant types

3.3 河岸带不同植物土壤入渗过程

由图 3可见，水莎草和狗牙根达到稳渗的时间最短，大约在第15分钟；艾蒿达到稳渗的时间大约处在第25分钟；芦苇和白茅达到稳渗的时间分别是在第35分钟和第40分钟。狗牙根、芦苇和白茅在0~10 cm土层土壤初渗率远远大于水莎草和艾蒿。

图 3 5种植物类型土壤渗透过程曲线 Fig. 3 Soil infiltration process curve of 5 plant types

3.4 河岸带不同植物类型的土壤入渗过程拟合

由表 2可见，Horton模型拟合平均精度为0.853；Philip模型拟合平均精度为0.882；Kostiakov模型拟合平均精度为0.924。从拟合精度判断，Kostiakov模型最好，Horton和Philip模型拟合效果次之。

表 2 5种植物类型土壤入渗特征的拟合参数 Tab. 2 Fitting parameters of soil infiltration characteristics of 5 plant types

植物类型 Plant type	土层厚度 Soil layer depth/cm	Kostiakov模型参数 Parameters of Kostiakov model			Philip模型参数 Parameters of Philip model			Hortoin模型参数 Parameters of Hortoin model
植物类型 Plant type	土层厚度 Soil layer depth/cm	a	b	R²	S	A	R²	f_c	f_o	k	R²
	0~10	0.651	0.602	0.946	1.961	2.104	0.932	2.504	3.143	0.071	0.901
狗牙根Cynodon dactylon	10~20	1.171	0.331	0.883	1.632	0.817	0.897	0.869	0.871	0.102	0.856
	20~30	2.407	0.214	0.969	1.572	0.639	0.912	0.738	0.613	0.279	0.798
	0~10	1.435	0.351	0.965	1.723	0.784	0.911	0.801	0.691	0.242	0.912
水莎草Juncellus serotinus	10~20	1.821	0.251	0.882	1.691	0.756	0.845	0.851	0.685	0.301	0.856
	20~30	2.524	0.188	0.933	1.554	0.669	0.901	0.765	0.581	0.405	0.793
	0~10	1.056	0.492	0.895	1.912	1.378	0.873	1.578	1.905	0.081	0.881
芦苇Phragmites australis	10~20	0.812	0.565	0.957	1.951	1.767	0.902	1.967	2.462	0.128	0.903
	20~30	1.174	0.361	0.885	1.839	1.172	0.844	1.372	1.533	0.179	0.845
	0~10	0.929	0.521	0.961	1.914	1.791	0.903	2.151	2.819	0.079	0.732
白茅Imperata cylindrica	10~20	0.758	0.586	0.928	1.942	2.062	0.899	2.462	3.029	1.137	0.906
	20~30	1.116	0.431	0.876	1.825	1.529	0.792	1.729	1.405	0.157	0.867
	0~10	1.627	0.358	0.921	1.804	1.080	0.876	1.280	0.912	0.214	0.912
艾蒿Artemisia argyi	10~20	1.302	0.392	0.898	1.823	1.208	0.876	1.321	1.310	0.328	0.846
	20~30	1.153	0.434	0.927	1.842	1.356	0.868	1.574	1.443	0.341	0.798
注: a, b, k, S均为模型拟合参数; f_o为初渗率; f_c为Hortoin模型稳渗率; A为Philip模型稳渗率R为相关系数。Notes: a, b, k and S are all model fitting parameters; f_o is the initial infiltration rate; f_c is stable infiltration rate under Hortoin model; A is stable infiltration rate under Philip model and R is the correlation coefficient.

表 2 5种植物类型土壤入渗特征的拟合参数 Tab. 2 Fitting parameters of soil infiltration characteristics of 5 plant types

3.5 根系结构特征参数和土壤入渗特征指标之间的相关性分析

由表 3可知，根表面积密度和各土壤入渗特征参数之间均呈现极显著相关的关系(P < 0.01)；根长密度和初渗率、稳渗率呈现极显著的相关关系(P < 0.01)，和平均入渗速率呈现显著相关的关系(P < 0.05)。根体积密度和土壤入渗特征参数之间均呈现极显著相关的关系(P < 0.05)，根生物量和稳渗率、平均入渗速率呈现显著相关关系(P < 0.05)。

表 3 土壤入渗特征指标与根系结构特征参数的相关系数 Tab. 3 Correlation coefficient between characteristic indexes of soil infiltration and characteristic parameters of root system structure

3.6 土壤入渗特征参数与不同径级根系结构特征参数的关系

由表 4可见，土壤入渗指标与0.5~5 mm径级根系的根长密度、根表面积密度之间存在显著或极显著的关系。土壤入渗特征参数与根长密度、根表面积之间的相关系数最大值均出现在0.5~1 mm和1~2 mm径级中。结果表明，对土壤入渗性能改善作用最大的根系介于0.5~2 mm径级。

表 4 土壤入渗特征指标与不同径级根系结构特征参数之间的相关分析 Tab. 4 Correlation analysis between soil infiltration characteristic indexes and root structure characteristic parameters of different diameter grades

根系径级 Root diameter D/mm	根系结构参数 Root structure parameter	初渗率 Initial infiltration rate	稳渗率 Stable infiltration rate	渗透总量 Total infiltration	平均渗透率 Average infiltration rate
D≤0.1	RLD	0.368	0.226	0.241	0.209
D≤0.1	RSAD	0.325	0.258	0.187	0.194
0.1 < D≤0.2	RLD	0.443	0.303	0.268	0.323
0.1 < D≤0.2	RSAD	0.418	0.296	0.249	0.317
0.2 < D≤0.5	RLD	0.632	0.559	0.585	0.503
0.2 < D≤0.5	RSAD	0.645	0.609	0.592	0.529
0.5 < D≤1	RLD	0.895^**	0.806^*	0.796^*	0.884^**
0.5 < D≤1	RSAD	0.886^**	0.835^**	0.886^**	0.892^**
1 < D≤2	RLD	0.852^*	0.891^**	0.892^**	0.846^*
1 < D≤2	RSAD	0.848^*	0.856^**	0.873^**	0.852^*
2 < D≤5	RLD	0.816^*	0.821^*	0.865^*	0.806^*
2 < D≤5	RSAD	0.799^*	0.756^*	0.792^*	0.821^*
D>5	RLD	0.663	0.716	0.651	0.463
D>5	RSAD	0.747	0.658	0.603	0.609
注: RLD为根长密度; RSAD为根表面积密度; D为根平均直径。Notes: RLD is root length density; RSAD is the density of root surface area; D is the average root diameter.

3.7 不同径级根系特征与土壤入渗模型参数的关系

由表 5可知，不同径级根系根长密度、根表面积密度与Kostiakov模型参数a成负相关关系，与b成正相关关系。参数b与根长密度和根表面积密度在0.5~2 mm和0.5~1 mm径级达到显著相关(P < 0.05)，1~2 mm径级根系的根长密度、根表面积密度与a值的相关系数最大。

表 5 土壤入渗模型参数与不同径级根系特征之间的相关分析 Tab. 5 Correlation analysis between soil infiltration model parameters and root characteristics of different diameter grades

4 讨论

一般情况下土壤入渗越快，土壤的侵蚀就越小^[18]。狗牙根在0~10 cm土层的土壤入渗性能最好，这与其根系主要分布于表层，并且细根所占比例较大有关，根系穿插在土壤中与土壤充分接触，并释放出一定的分泌物，使土壤密度减小，土体结构疏松，从而土壤的渗透性能就会越好^[19]。水莎草根系短小且地上部分也不发达，对土壤的改良作用有限，渗透能力不高。白茅和芦苇是当地的优势物种，其地上生物量丰富，凋落物分解对土壤产生一定的改良作用；相对于砂粒和黏粒来讲，白茅和芦苇粉粒含量较高，粉粒比表面积较大，水分子较容易被土壤颗粒黏着和吸附，容易形成结构稳定的土壤团聚体，在毛管力和重力的作用下，土壤水分被吸持保存和下渗到土壤下层。另其根系极其发达，主根长且细根丰富，根系生物量较高，对土壤的改良效果较好，白茅和芦苇在3个土层中土壤渗透性都较高。艾蒿主根明显细根较少，越往下细根逐渐增多，越往下层，土壤渗透性相对越好。本实验表明土壤入渗指标和根长密度、根体积密度、根表面积密度存在显著和极显著的关系，这与陈永华等^[20]的研究结论相一致。

植物根系可以改善根际土壤物理特性和孔隙度，增加土壤渗透性和水源涵养能力。本研究发现对土壤渗透性起改善作用最佳的根系介于0.5~2 mm，这与闫东锋等^[17]的研究相一致。0.5~2 mm径级根系对土壤渗透性改善作用最大的原因可能是介于该径级的根系数量多、密度大，随着根长密度的增加，土壤团聚体稳定性也相应的得到增加，植物根系包裹土壤颗粒并释放出高、低分子量的分泌物，可以增强土壤颗粒的结合强度，减少表层土壤的侵蚀^[21]。

5 结论

1) 在黄河河岸带郑州段的研究表明，土壤渗透性大小在0~10 cm土层为：狗牙根>白茅>芦苇>艾蒿>水莎草，10~20和20~30 cm土层为：白茅>芦苇>艾蒿>狗牙根>水莎草。

2) 5种植物根长密度、根表面积密度和根体积密度与土壤入渗特征参数呈现显著或极显著的正相关关系，而与根生物量显著性不明显。对土壤渗透性改善作用最佳的根系介于0.5~2 mm径级。

3) 3个土壤渗透模型R²都相对较高，都可以完整的描述土壤入渗过程，其中Kostiakov模型描述效果最好。且直径介于0.5~5 mm径级根系的根长密度、根表面积密度与Kostiakov模型参数a成负相关，与b成正相关。

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