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娄义宝，康宏亮，王文龙,，沙小燕，冯兰茜，聂慧莹，史倩华
黄土高原沟壑区沟头植被根系垂直分布及其对土壤抗侵蚀性的影响
娄义宝1，康宏亮1，王文龙1,2*，沙小燕1，冯兰茜2，聂慧莹1，史倩华1
1西北农林科技大学水土保持研究所/黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室，陕西杨凌 712100；
2中国科学院水利部水土保持研究所，陕西杨凌 712100
【】探明沟头植被根系垂直分布及其对土壤抗侵蚀性的影响，为沟蚀防治中植被措施优化配置提供理论依据。【】以不同植被覆盖（杂草（农地）、冰草、铁杆蒿、苜蓿）沟头为研究对象，通过原状土冲刷试验明确沟头土壤抗冲性特征。采用扫描分析法、ZJ型应变控制式直剪仪等分析和测定根系特征及根-土复合体力学、理化性质。【】（1）各植被沟头根系在土壤中分布特征差异明显，根系特征指标（根重密度、根长密度、根表面积密度、根体积密度）总体上呈现冰草地最大，其次为苜蓿地、铁杆蒿地，农地最小；
垂直深度上，农地沟头土壤中根系各指标均随土层加深而减小，冰草、铁杆蒿和苜蓿地沟头土壤中根系各指标整体上则表现为先减小后增大的变化趋势。各植被根系以＜0.5 mm径级根系为主。（2）各植被沟头土壤容重变异性较小，在1.17—1.37 g·cm-3之间变化。＞0.25 mm水稳性团聚体含量呈现出农地和冰草地大于铁杆蒿地和苜蓿地。（3）各植被沟头土壤黏聚力平均值苜蓿地为12.75 kPa、冰草地9.05 kPa、铁杆蒿地8.60 kPa、农地7.25 kPa；
在垂直深度上，农地、冰草地和苜蓿地呈现出随着土层的加深呈先减小后增大的变化，铁杆蒿地则呈现随着土层深度加深逐渐减小的变化。（4）沟头0—100 cm土层土壤抗冲系数为苜蓿地（39.31 L·g-1）＞冰草地（25.49 L·g-1）＞农地（22.39 L·g-1）＞铁杆蒿地（14.75 L·g-1）；
在垂直深度上，表层（0—20 cm）土壤抗冲系数表现为较大值，在34.91—53.30 L·g-1之间变化。【】不同形态根系对土壤抗侵蚀性能作用不一，在沟头防护过程中植被选择应将直根系植物与须根系植物相结合。
土壤抗冲性；
土壤抗剪强度；
根系特征；
土壤侵蚀；
沟头；
植被；
黄土高原沟壑区
【研究意义】黄土高原是世界上土壤侵蚀最严重地区之一[1-2]，在近20年的退耕还林还草政策的实施下，生态系统得以恢复，减轻了土壤侵蚀的发生程度，黄土高原沟蚀的发生得到了一定遏制[3]，但该区的溯源侵蚀依然严重，在一场暴雨的作用下，沟头前近距离可以达到10 m[4]。植被根系可以显著影响沟头溯源侵蚀[5]，其原因之一是植被根系可以降低沟头土壤可蚀性、增强沟头土壤抗冲性与稳定性[6]。不同植被根系分布特征导致沟头溯源侵蚀发生过程存在明显差异[7]。【前人研究进展】植被通过改善土壤的自然侵蚀环境提高土壤的抗侵蚀能力，研究认为植被的恢复和重建过程中根系对增强土壤结构稳定性和抗冲性具有显著的作用[8]。植物根系对土壤侵蚀的影响主要是通过在土壤中穿插交织形成根系网络将土壤缠绕固结在一起[9-10]以及通过根系生化作用改变土壤的理化性质，增强土壤的抗侵蚀能力[11-13]。KRAMER[14]在植被根系对土壤抗侵蚀能力贡献的研究中发现不同植被根系对减少土壤侵蚀有重要的作用，可减少总土壤流失量20%—48%。冯兰茜等[15]在根系密度对黄土塬沟头溯源侵蚀影响的研究过程中发现植被可明显降低土壤侵蚀速率，另外，随着根系密度增加，沟道发育面积逐渐减少。李鹏等[16]在对黄土区草本植被根系与土壤垂直侵蚀产沙关系的研究中发现根系提高土壤抵抗径流侵蚀产沙的能力随土层加深受到了限制，但不是所有的根系都能够有效地提高土壤抗冲性。一般而言，根系性状可分为根系生物量性状、根系形态性状和其他根系功能性状，不同的根系特征对土壤侵蚀的影响存在明显差异[13]。根系形态可分为直根系和须根系两种类型，形态学特征上一般多用根干重、根长、根表面积、根体积密度等参数进行量化分析，由于根系指标间密切的相关性，在一定程度上可以解释相关问题[17]。李勇等[18]认为植物根系强化土壤抗冲性的能力主要取决于有效根密度在土壤剖面中的分布情况，即100 cm2土壤中≤1 mm根系个数。WANG等[13]和STOKES等[19]均认为须根植物比直根植物更能有效地减少土壤分离。【本研究切入点】以往针对不同植被覆盖条件下土壤抗侵蚀性的研究对象多是浅层（0—30 cm）土壤[20-22]，且更多的是关注坡面稳定性[23-24]，针对垂直深度上根系分布特征及其沟头土壤抗侵蚀性的研究则相对较少，而这方面的研究对于科学地进行根系系统配置、防治沟头溯源侵蚀有重要意义。【拟解决的关键问题】鉴于此，本文选取农地、冰草地、铁杆蒿地和苜蓿地的沟头为研究对象，测定根系各个径级特征指标、土壤容重、有机质、黏聚力、抗冲系数等指标，分析4种类型沟头植物根系特性、土壤抗侵蚀性特征以及根系特征对土壤抗侵蚀性的影响。以期探明黄土高原沟壑区不同植被沟头根系垂直分布及其对土壤抗侵蚀性的影响，为溯源侵蚀防治中植被措施优化配置提供理论依据。
1.1 研究区概况
研究区位于黄河水利委员会西峰水土保持科学试验站的南小河沟流域（35°41′—35°44′N，107°30′— 107°37′E，海拔1 050—1 423 m）。流域面积36.3 km2，其中塬面面积占57%，沟坡面积占16%，沟谷面积占27%，主要土壤类型为黄绵土和黑垆土，土壤多为垂直节理发育。该区属于大陆性季风气候，多年平均降雨量为546.8 mm（1954—2014年），年际变化大且年内分配不均，其中60%集中于7—9月份，年均气温9.3℃，无霜期155 d。地形破碎，沟壑纵横，属黄土高塬沟壑区。流域内多年平均侵蚀模数为4 350 t·km-2·a-1，沟谷侵蚀占流域总侵蚀量的86.3%。为防治流域内水土流失，在20世纪70年代提出了“保塬固沟”的治理方针，通过塬、坡、沟“三道防线”的治理模式，以及“退耕还林（草）工程”有效遏制了该区水土流失。目前该区主要草本植被类型包括紫花苜蓿（L.）、冰草（(L.) Gaertn.）、铁杆蒿（Web. ex Stechm.）等。
1.2 样地选择及样品采集
根据对南小河沟流域沟头附近植被恢复现状和植物群落特征的大量野外调查发现，南小河沟沟头区域恢复植被大都停留在草本群落阶段，沟头植被形成了以冰草、铁杆蒿等为优势种的草本群落，同时紫花苜蓿作为良好的水土保持植物和饲料作物，在沟头区域也被广泛种植。因此，本研究分别选取铁杆蒿和苜蓿（直根系植被）、冰草（须根系植被）为优势种的沟头作为研究对象，以农地（玉米、杂草）沟头作为对照，于2020年8月进行采样试验，其中苜蓿已种植2年，冰草地、铁杆蒿地为野外自然生长1年以上样地，其中农地采样时玉米已经收获，生长杂草。所选样地海拔、坡向、坡度相似，土壤类型一致，各样地基本信息如表1所示。
表1 试验样地基本信息
本研究采用KOMPANI-ZARE等[25]提出的沟头土壤和根系特性取样方法，该方法指出沟头附近小于5 m范围的土壤样本可以代表沟头的土壤特性。因此本研究采样点距离沟头位置1—2 m，采样时，首先在样地内去除植被地上部分及枯枝落叶物，分别以0—20、20—40、40—60、60—80、80—100 cm土层垂直挖取土壤剖面进行采样，以“S”形在不同土层深度上分别采集原状土样土壤抗冲样品500 cm3（Φ100 mm×63.7 mm）用于土壤抗冲试验、100 cm3（Φ50.46 mm×50 mm）土壤环刀样品用于土壤容重、饱和导水率等指标测定，60 cm3（Φ61.8 mm×20 mm）土壤环刀用于土壤抗剪强度试验，每层采集土壤铝盒样品用于土壤自然状态下含水量测定，各样品分别重复3次测定，同时每层采集2 kg左右散土样带回实验内，室风干处理，以供土壤理化性质测试，每种样地挖取3个土壤剖面。各植物根系形态特征如图1所示。
1.3 土壤物理参数及根系指标测定
各个植被类型样地的土壤容重、土壤饱和导水率采用环刀法测定；
土壤自然含水量采用烘干法（烘箱105℃烘干至恒重）测定；
土壤抗剪强度采用ZJ型应变控制式直剪仪测定，剪切速率为2.4 mm·min-1，垂直载荷分别为50、100、150、200 kPa。其中，根据试验得到土壤抗剪强度，利用库伦定律计算土壤内摩擦角和黏聚力：
=·tan+
式中，为土壤抗剪强度（kPa）；
为垂直载荷（kPa）；
为内摩擦角（°）；
为黏聚力（kPa）。
图1 不同植物根系形态特征
土壤水稳性团聚体：采用萨维诺夫法测定，通过干筛法筛分土壤中各级大小团聚体的数量，湿筛法确定水稳性团聚体数量。
根系特征指标测定：待土壤抗冲实验完成后，取出环刀内的土样，先放置于水中浸泡数小时以利于根、土分离；
然后置于0.05 mm的筛网内用自来水冲洗出所有根系；
随后，采用Epson Perfection V700 Photo对根系进行灰度扫描，利用WinRHIZO 2013e 根系分析系统进行分析根长度、根表面积、根体积等指标。
1.4 土壤抗冲测定
试验冲刷流量根据黄河水利委员会南小河沟试验站标准径流小区（20 m×5 m）典型暴雨条件下产生的最大径流量确定，设计冲刷流量为16 L·min-1；
将取回的土壤抗冲样品500 cm3（Φ100×63.7）置于低于环刀表面1 cm的水中泡12 h至饱和状态，然后在冲刷之前取出土壤环刀样去除重力水。冲刷坡度设置为3°以模拟取样样地坡度，试验装置如图2所示。
图2 土壤抗冲性试验装置示意图
试验前进行放水流量率定，率定结果与设计流量误差在2%以内，待水流稳定后，将土样装入土样室内，土样表面与水槽面齐平；
放水冲刷15 min，每1 min取一次泥沙样；
试验结束后倒掉取样桶上清液，将泥沙样品倒入铝盒中放入105℃烘箱中烘干至恒重，然后称其质量。土壤抗冲性采用抗冲系数表示，即冲刷掉1 g土壤所需的水量（L·g-1）。
式中，为流量（L·min-1）；
为冲刷时间（min）；
为冲失的干土质量（g）。
1.5 数据处理
采用Excel 2019对数据进行处理和初步分析，采用SPSS 16.0对数据统计和分析，Origin 2021和PowerPoint 2019进行图形绘制。
2.1 沟头植被根系及土壤性质特征
2.1.1 根系特征 不同植物根系在土壤中分布形式存在明显差异，根系在调控土壤侵蚀方面有着不可忽视的作用[26]。由图3可知，不同植物各根系指标（根重密度、根长密度、根表面积密度、根体积密度）特征在沟头土壤各层次中总体上表现为冰草地最大，其次为苜蓿地、铁杆蒿地，农地最小。对于不同植物而言，在垂直深度上，农地各根系指标均表现随土层深度加深而减小，且在0—60 cm土层内下降迅速，在60—100 cm土层内下降缓慢；
冰草地、铁杆蒿地、苜蓿地各根系指标则整体上表现为先减小后增大的变化趋势，其转折点出现在20—40 cm或40—60 cm土层。当由0—20 cm土层加深至80—100 cm土层时，各根系指标变化情况分别为：根重密度减小49%—94%、根长密度减小5%—94%、根表面积密度减小30%—96%、根体积密度减小49%—98%。
图3 沟头不同植物根系特征指标垂直分布
不同径级根系对土壤稳定性的影响差异明显。由图4可知，各植物根系主要以0—0.5 mm径级根系组成，且占总根长的80%—96%；
根表面积也表现为0—0.5 mm径级根系占比最大，其次是0.5—1 mm，其余径级根系占比较小；
与根长和根表面积相比，根体积表现为1—2、2—3、＞3 mm径级根系体积占比明显增大，而不同植物间各径级根系分布规律则不十分明显。
2.1.2 土壤理化性质特征 土壤理化性质会对土壤抗蚀性产生不同程度的影响。由图5可知，不同植物沟头土壤容重变异性较小（变异系数为6%），在1.17—1.37 g·cm-3之间变化，各植被土壤容重的平均值分别为苜蓿地（1.35 g·cm-3）＞农地（1.26 g·cm-3）＞铁杆蒿地（1.23 g·cm-3）＞冰草地（1.21 g·cm-3）。
图4 沟头不同土层各径级根系对根长、根表面积和根体积的贡献
土壤饱和导水率（除农地20—40 cm层）整体上表现为农地最大，其次是冰草地、铁杆蒿地，苜蓿地最小，变化范围依次为0.36—1.83、0.19—0.56、0.09—0.45、0.06—0.23 mm·min-1；
在垂直深度上均表现为先增大后减小“凸型”变化。其中农地0—20 cm土层饱和导水率显著高于其他土层，是由于耕作活动的影响导致其孔隙丰富。
土壤有机质含量整体上表现为随土层加深逐渐减小的变化，整体上看苜蓿地沟头土壤有机质含量较高，在7.41—12.06 g·kg-1之间变化，铁杆蒿地沟头土壤有机质含量较低，在7.03—10.43 g·kg-1之间变化。
＞0.25 mm水稳性团聚体含量整体呈现为农地和冰草地大于铁杆蒿地和苜蓿地，农地、冰草地和铁杆蒿地沟头＞0.25 mm水稳性团聚体含量变化范围分别为23.2%—34.36%、25.7%—39.02%、13.95%—29.17%。
2.2 根系对沟头土壤抗侵蚀性的影响
2.2.1 根系对土壤抗剪强度特征的影响 土壤抗剪强度是土壤最重要的力学性质之一，在一定程度上可以体现侵蚀过程中土壤抵抗径流剪切破坏的能力[27]。黏聚力和内摩擦角是衡量土壤抗剪强度的重要指标[28]，土壤黏聚力主要是土壤颗粒间引力和斥力综合作用的结果，土壤内摩擦角反映了土壤的摩擦特性[29]，会影响沟头土壤的稳定性、抗冲性。不同植物沟头土壤黏聚力和内摩擦角表现出不同的变化规律。如图6所示，各植被沟头土壤黏聚力平均值依次为苜蓿地（12.75 kPa）＞冰草地（9.05 kPa）＞铁杆蒿地（8.60 kPa）＞农地（7.25 kPa）。同时，农地、冰草地和苜蓿地呈现出相同的变化规律，即土壤黏聚力随着土层深度的加深呈先减小后增大的变化，不同的是农地和冰草地转折点出现在60—80 cm土层，苜蓿地出现在20—40 cm土层；
铁杆蒿地则呈现随着土层加深黏聚力逐渐减小的变化。在垂直深度上（除苜蓿地），0—20、20—40 cm土层的黏聚力均大于其他下层土壤，0—20 cm土层的黏聚力可达80—100 cm土层的2.0—5.4倍，苜蓿地0—40 cm土层黏聚力则小于下层土壤；
这是因为上层植物根系丰富增加了土壤抗剪强度，而苜蓿地上层土壤粗根系较多，对于提升土壤抗剪强度能力较弱。
图5 不同植物沟头土壤性质变化特征
图6 不同植物沟头土壤黏聚力、内摩擦角变化特征
内摩擦角并未呈现出明显的差异及变化规律，整体上在18—33°之间变化，各植物沟头土壤内摩擦角平均值在29—32°之间；
其中，农地0—20 cm层内摩擦角（18°）明显小于其他土层，这是因为农地0—20 cm土层为耕层，经常扰动、翻耕导致土壤疏松，土壤颗粒之间摩擦性较小。
2.2.2 根系对土壤抗冲性特征的影响 土壤抗冲性指土壤抵抗机械破坏作用的能力，是土壤抗侵蚀性能重要体现[18]。由图7可知，不同植物沟头土壤抗冲系数存在明显差异。不同植物沟头0—100 cm土层土壤抗冲系数平均值依次表现为苜蓿地（39.31 L·g-1）＞冰草地（25.49 L·g-1）＞农地（22.39 L·g-1）＞铁杆蒿地（14.75 L·g-1），其中，冰草地0—20 cm土层的抗冲系数最大（53.3 L·g-1），而铁杆蒿地40—60 cm土层的最小（6.48 L·g-1）。从整体上看，苜蓿可以较好地增强土壤的抗冲性，其次是冰草，而铁杆蒿则对提升土壤抗冲性的效果较差。
对于不同植被沟头而言，在垂直深度上，土壤抗冲系数整体上表现为0—20 cm土层土壤抗冲系数较大，在34.91—53.30 L·g-1之间变化。农地和铁杆蒿地表现出相同的变化规律，随土层的加深，土壤抗冲系数呈波动式降低，0—20 cm土层抗冲系数是80—100 cm土层的3.4、5.5倍；
冰草地和苜蓿地表现出相似变化规律，呈先减小后增大的变化，其中60—80、80—100 cm层土壤抗冲系数表现为苜蓿地明显大于农地、冰草地、铁杆蒿地，分别高于1.0—3.8倍、0.5—5.3倍。
图7 不同植物沟头土壤抗冲性变化
2.3 沟头土壤抗侵蚀性与根系及土壤性质的关系
由图8可知，土壤抗冲系数与根重密度、根表面积密度、根体积密度、土壤容重、有机质、黏聚力均呈显著正相关关系；
＞0.25 mm水稳性团聚体含量与根长密度、根表面积密度、根体积密度呈显著正相关关系；
土壤黏聚力与根重密度、根表面积密度、根体积密度、土壤有机质呈显著正相关关系；
内摩擦角与土壤饱和导水率呈显著的负相关关系。可以看出，根系指标与土壤抗冲系数、＞0.25 mm水稳性团聚体含量、黏聚力均呈现显著的正相关关系，因此，植物根系对提高土壤的结构稳定性及土壤抗侵蚀性有着显著的作用。
回归分析结果（表2）表明，沟头土壤抗冲系数与根重密度、根长密度、根表面积密度、根体积密度和土壤有机质均呈线性函数关系；
黏聚力与根重密度呈线性函数关系，与根长密度、根表面积密度、根体积密度呈幂函数关系，与土壤有机质呈指数函数关系。
3.1 植被根系对沟头土壤基本性质的影响
根系作为土壤中普遍存在的成分之一，其质量、长度、表面积、体积等以及其形态学特征对土壤的各项性质有一定程度的影响。本研究中，除苜蓿地外，冰草地、铁杆蒿地的沟头土壤容重平均值均小于农地，这是因为根系在一定程度上可以通过对土壤的扰动等降低土壤容重；
而0—20 cm土层农地土壤容重小于各植物沟头土壤，其原因是耕作层（一般为20 cm左右）受经常翻耕影响具有较小的土壤容重。各植被沟头土壤有机质含量表现为0—40 cm土层农地沟头大于其余植物沟头，40 cm以下土层则呈现农地小于冰草地和苜蓿地，这是由于农地在耕作过程中人为进行肥料（有机肥）添加，使农地上层土壤中具有较高的有机质含量；
农作物根系也主要集中于0—40 cm土层内，草本植物根系则可达到更深，而植物根系可以通过根系分泌物与土壤相互作用改善土壤有机质含量[30-31]。
ANS：土壤抗冲系数；
RMD：根重密度；
RLD：根长密度；
RAD：根表面积密度；
RVD：根体积密度；
SBD：土壤容重；
SHC：土壤饱和导水率；
SWA：＞0.25 mm水稳性团聚体；
SOM：土壤有机质；
IFA：内摩擦角；
SCF：黏聚力。下同
表2 沟头土壤抗侵蚀性与根系及土壤性质的拟合方程
吴彦等[32]认为根系提高土壤抗侵蚀能力的主要机制是活根提供分泌物，死根提供有机质，为土壤中团聚体的形成提供基础。此外，由于植物本身的特性和生长环境因素影响，根系在土壤中的形态及分布特征不尽相同，对土壤性质的影响也存在差异。JASTROW等[33]研究表明根系的直径对团聚体形成的作用存在差异，极细的根系（＜0.2 mm）直接参与团聚体的形成，而细根（0.2—1 mm）的作用很大程度上是间接的。相关研究发现，不同植物各径级根密度参数对土壤理化性质（容重、有机质、团聚体等性质）的影响各不相同[30]，且同一植物根系直径大小不同，对土壤理化性质的影响也存在差异[34]。对于0＜D≤1.0 mm的根密度参数而言，铁杆蒿在0＜D≤1.0 mm径级的根密度参数与土壤容重呈极显著负相关，白羊草在0＜D≤5.0 mm径级区间内的根可有效改善土壤的容重，在0＜D≤2.0 mm径级根密度参数与土壤有机质、团聚体呈显著正相关[30]。可知，植物根系可以有效改善土壤结构、降低土壤容重，增加土壤团聚体含量，固结土壤，从而提高土壤抗侵蚀性，但不同形态（直根系或须根系、不同径级）根系对土壤性质改善效果具有差异。
3.2 植被根系对沟头土壤抗侵蚀性的影响
草本植物根系性状的差异显著地影响了植物根系减少土壤剥离的程度[35]，根系与其周围土壤形成的根-土复合体，增加了土壤的抗侵蚀能力，保持水土的作用[36]。本研究发现，在垂直深度上，0—20 cm土层土壤抗冲系数较大，这是由于草本根系大部分集中分布于表层土壤内，通过网络固土作用，提升了土壤抗侵蚀性。农地和苜蓿地20—40 cm土层的土壤抗冲系数均大于0—20 cm土层，其原因可能是农地20—40 cm土层由于长期耕作形成了结构密实的犁底层，抗侵蚀能力较强，苜蓿地是由于0—20 cm土层中以粗根系为主，而粗根与土颗粒间的黏结能力弱，固土能力较差导致。此外，土壤抗冲系数、＞0.25 mm水稳性团聚体含量、黏聚力与各根系指标呈现显著的正相关关系（图8）。这是因为根系在土壤中的穿插、交织，形成网络状根群作用，将土壤包裹[37]，使土壤具有较高的稳定性及抗蚀性。史东梅等[17]对紫色丘陵区农林混合土壤抗冲性的研究中也明确土壤抗冲性的影响因素主要为土壤质地和容重、土壤团聚体、根系分布。胡敏等[38]在根系分布及径级特征对根土复合体抗剪强度的影响研究中指出根系可以明显提高土壤抗剪性能，且垂直根系的贡献高于水平根系。不同径级根系对土壤抗侵蚀性及稳定性的影响也存在明显差异。通过进一步对不同径级根系指标特征与土壤抗冲性、黏聚力相关分析表明（图9），土壤抗冲系数与0—0.5 mm根系特征（根长密度、表面积密度、体积密度）呈显著负相关关系，黏聚力也与0—0.5 mm根系表面密度、体积密度呈显著负相关关系（＜0.05）。这与谌芸等[39]的研究太细的根（d≤0.50 mm）虽与土颗粒接触面大、黏结得好，但在较强的水流的冲击力作用下很容易折断随土冲走而发挥不出应有的固土作用的结果相似。但GUO等[40]通过模拟试验发现在植被演替的研究中发现＜0.5 mm根系比直径更大的根系对土壤剥离的抑制性更强，同时，直径0.5—1 mm的根系能更好描述植被恢复情况，这是由于更细的根系具有更大的比表面积，与土壤的接触面积更大，黏结得更好，对土壤的固持能力更强[41]。
图9 不同径级根系指标与土壤抗冲性、黏聚力相关性
此外，本研究发现从0—20 cm土层看，土壤黏聚力、抗冲系数则表现为冰草地（须根系）大于苜蓿地（直根系），这一研究结果与WANG等[13]表明的须根植物对土壤侵蚀的抑制作用优于直根系植物的结果相似；
但从0—100 cm土层垂直深度上的平均值来看，土壤黏聚力、抗冲系数则均表现为苜蓿地大于冰草地。这可能是由于WANG等[13]的研究是针对表层（0—5 cm）土壤。可以发现不同形态植物根系在垂直深度上对土壤抗侵蚀性的影响存在差异。在不受土壤条件限制的情况下，根系分布深度、形式与物种有关，根系发育随深度变化显著[19]，其固土作用机制主要依靠深、直根系的锚固作用和浅、须侧根系的加筋作用[42]。植被坡面土壤的抗剪强度较裸地土壤抗剪强度明显增加，不同被覆坡面径流量和侵蚀产沙量与土壤黏聚力呈较好的负相关关系[43]。不同形态根系在土壤中起到的作用不一样[44]，因此，在沟头防护过程中植被恢复应当直根系植物与须根系植物相结合，进行合理的植被根系系统配置，从而提高沟头土壤抗侵蚀性。
4.1 不同植物的根系在土壤中分布形式差异明显，根系各指标（根重密度、根长密度、根表面积密度、根体积密度）在沟头土壤内总体上表现为冰草地最大，其次为苜蓿地、铁杆蒿地，农地最小；
在垂直深度上，农地中的根系各指标均表现随土层加深而减小，冰草地、铁杆蒿地、苜蓿地则整体上表现为先减小后增大的变化。各植物主要以0—0.5 mm径级根系为主，占总根长的80%—96%。
4.2 不同植物沟头土壤容重变异性较小，在1.17—1.37 g·cm-3之间变化；
＞0.25 mm水稳性团聚体含量呈现农地和冰草地大于铁杆蒿地和苜蓿地。沟头土壤黏聚力平均值依次表现为苜蓿地（12.75 kPa）＞冰草地（9.05 kPa）＞铁杆蒿地（8.60 kPa）＞农地（7.25 kPa）。在垂直深度上，农地、冰草地和苜蓿地黏聚力呈现出随着土层加深呈先减小后增大的变化，铁杆蒿地则呈现随着土层加深黏聚力逐渐减小的变化。
4.3 沟头0—100 cm土层土壤抗冲系数平均值依次表现为苜蓿地（39.31 L·g-1）＞冰草地（25.49 L·g-1）＞农地（22.39 L·g-1）＞铁杆蒿地（14.75 L·g-1）。植物根系对提高土壤结构的稳定性及土壤抗侵蚀性有着显著的作用，根系各指标与土壤抗冲系数、＞0.25 mm水稳性团聚体含量、黏聚力均呈现显著的正相关关系。不同形态根系对土壤抗侵蚀性能作用不一，在沟头防护过程中植被选择应将直根系植物与须根系植物相结合。
[1] ZHENG F, WANG B. Soil erosion in the loess plateau region of China. Ecohydrology, 2014, 5: 77-92.
[2] LI Z, ZHANG Y, ZHU Q K, HE Y M, YAO W J. Assessment of bank gully development and vegetation coverage on the Chinese Loess Plateau. Geomorphology, 2015, 228: 462-469. doi:10.1016/j.geomorph. 2014.10.005.
[3] CHEN H, CAI Q G. Impact of hillslope vegetation restoration on gully erosion induced sediment yield. Science in China Series D, 2006, 49(2): 176-192. doi:10.1007/s11430-005-0177-4.
[4] SHI Q H, WANG W L, GUO M M, CHEN Z X, FENG L Q, ZHAO M, XIAO H. The impact of flow discharge on the hydraulic characteristics of headcut erosion processes in the gully region of the Loess Plateau. Hydrological Processes, 2020, 34(3): 718-729. doi:10. 1002/hyp.13620.
[5] VANNOPPEN W, VANMAERCKE M, DE BAETS S, POESEN J. A review of the mechanical effects of plant roots on concentrated flow erosion rates. Earth-Science Reviews, 2015, 150: 666-678. doi:10. 1016/j.earscirev.2015.08.011.
[6] GUO M M, WANG W L, KANG H L, YANG B. Changes in soil properties and erodibility of gully heads induced by vegetation restoration on the Loess Plateau, China. Journal of Arid Land, 2018, 10(5): 712-725. doi:10.1007/s40333-018-0121-z.
[7] KANG H L, WANG W L, GUO M M, LI J M, SHI Q H. How does land use/cover influence gully head retreat rates? Ansimulation experiment of rainfall and upstream inflow in the gullied loess region, China. Land Degradation & Development, 2021, 32(9): 2789-2804. doi:10.1002/ldr.3892.
[8] 刘定辉, 李勇. 植物根系提高土壤抗侵蚀性机理研究. 水土保持学报, 2003, 17(3): 34-37, 117. doi:10.13870/j.cnki.stbcxb.2003. 03.010.
LIU D H, LI Y. Mechanism of plant roots improving resistance of soil to concentrated flow erosion. Journal of Soil Water Conservation, 2003, 17(3): 34-37, 117. doi:10.13870/j.cnki.stbcxb.2003.03.010. (in Chinese)
[9] 李强, 刘国彬, 许明祥, 张正, 孙会. 黄土丘陵区撂荒地土壤抗冲性及相关理化性质. 农业工程学报, 2013, 29(10): 153-159.
LI Q, LIU G B, XU M X, ZHANG Z, SUN H. Soil anti-scouribility and its related physical properties on abandoned land in the Hilly Loess
Plateau. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2013, 29(10): 153-159. (in Chinese)
[10] KNAPEN A, POESEN J, GOVERS G, GYSSELS G, NACHTERGAELE J. Resistance of soils to concentrated flow erosion: a review. Earth-Science Reviews, 2007, 80(1/2): 75-109. doi:10.1016/j.earscirev. 2006.08.001.
[11] 刘国彬. 黄土高原草地土壤抗冲性及其机理研究. 土壤侵蚀与水土保持学报, 1998, 4(1): 93-96.
LIU G B. Study on soil anti-scourability and its mechanism of grassland on Loess Plateau. Journal of Soil Erosion and Soil and Water Conservation, 1998, 4(1): 93-96. (in Chinese)
[12] 张荣, 董洪君, 周润惠, 余飞燕, 王敏, 陈聪琳, 喻静, 郝建锋. 四川夹金山灌丛群落根系特征对土壤抗冲性的影响. 生态学杂志, 2020, 39(11): 3558-3566. doi:10.13292/j.1000-4890.202011. 012.
ZHANG R, DONG H J, ZHOU R H, YU F Y, WANG M, CHEN C L, YU J, HAO J F. Effects of root characteristics of shrub community on soil anti-scourability in the Jiajin Mountains, Sichuan Province. Chinese Journal of Ecology, 2020, 39(11): 3558-3566. doi:10.13292/ j.1000-4890.202011.012. (in Chinese)
[13] WANG B, LI P P, HUANG C H, LIU G B, YANG Y F. Effects of root morphological traits on soil detachment for ten herbaceous species in the Loess Plateau. Science of the Total Environment, 2021, 754: 142304. doi:10.1016/j.scitotenv.2020.142304.
[14] KRAMER J. Relative efficiency of roots and shoots of plants in protecting the soil from erosion[D]. Lincoln, NE: University of Nebraska, 1936.
[15] 冯兰茜, 王文龙, 郭明明, 史倩华, 陈同德, 康宏亮. 根系密度对黄土塬沟头溯源侵蚀产沙和形态演化过程的影响. 农业工程学报, 2020, 36(6): 88-96.
FENG L Q, WANG W L, GUO M M, SHI Q H, CHEN T D, KANG H L. Effects of root density on gully headcut erosion and morphological evolution process in gully regions of Loess Plateau. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2020, 36(6): 88-96. (in Chinese)
[16] 李鹏, 李占斌, 鲁克新. 黄土区草本植被根系与土壤垂直侵蚀产沙关系研究. 植物生态学报, 2006, 30(2): 302-306.
LI P, LI Z B, LU K X. Relationship between herbaceous root system and vertical soil sediment yield in loess area. Chinese Journal of Plant Ecology, 2006, 30(2): 302-306. (in Chinese)
[17] 史东梅, 陈晏. 紫色丘陵区农林混作模式的土壤抗冲性影响因素. 中国农业科学, 2008, 41(5): 1400-1409. doi:10.3864/j.issn.0578-1752. 2008.05.018.
SHI D M, CHEN Y. The influencing factors of soil anti-scouribility of tree-crop intercropping land in purple soil hilly region. Scientia Agricultura Sinica, 2008, 41(5): 1400-1409. doi:10.3864/j.issn.0578- 1752.2008.05.018. (in Chinese)
[18] 李勇, 朱显谟, 田积莹. 黄土高原植物根系提高土壤抗冲性的有效性. 科学通报, 1991, 36(12): 935-938.
LI Y, ZHU X M, TIAN J Y. Effects of plant roots on soil scour resistance in the Loess Plateau. Chinese Science Bulletin, 1991, 36(12): 935-938. (in Chinese)
[19] STOKES A, ATGER C, BENGOUGH A G, FOURCAUD T, SIDLE R C. Desirable plant root traits for protecting natural and engineered slopes against landslides. Plant and Soil, 2009, 324(1/2): 1-30. doi:10.1007/s11104-009-0159-y.
[20] GUO M M, WANG W L, KANG H L, YANG B, LI J M. Changes in soil properties and resistance to concentrated flow across a 25-year passive restoration chronosequence of grasslands on the Chinese Loess Plateau. Restoration Ecology, 2020, 28(1): 104-114. doi:10. 1111/rec.13057.
[21] LI Q, LIU G B, ZHANG Z, TUO D F, XU M X. Effect of root architecture on structural stability and erodibility of topsoils during concentrated flow in hilly Loess Plateau. Chinese Geographical Science, 2015, 25(6): 757-764. doi:10.1007/s11769-014-0723-0.
[22] 陈安强, 张丹, 熊东红, 刘刚才. 元谋干热河谷坡面表层土壤力学特性对其抗冲性的影响. 农业工程学报, 2012, 28(5): 108-113. doi:10.3969/j.issn.1002-6819.2012.05.018.
CHEN A Q, ZHANG D, XIONG D H, LIU G C. Effects of mechanical properties of surface soil on soil anti-scourability in Yuanmou dry-hot valley. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2012, 28(5): 108-113. doi:10.3969/j.issn. 1002-6819.2012.05.018. (in Chinese)
[23] DAZIO E R, CONEDERA M, SCHWARZ M. Impact of different chestnut coppice managements on root reinforcement and shallow landslide susceptibility. Forest Ecology and Management, 2018, 417: 63-76. doi:10.1016/j.foreco.2018.02.031.
[24] FATTET M, FU Y, GHESTEM M, MA W, FOULONNEAU M, NESPOULOUS J, BISSONNAIS Y L, STOKES A. Effects of vegetation type on soil resistance to erosion: Relationship between aggregate stability and shear strength. Catena, 2011, 87(1): 60-69. doi:10.1016/j.catena.2011.05.006.
[25] KOMPANI-ZARE M, SOUFI M, HAMZEHZARGHANI H, DEHGHANI M. The effect of some watershed, soil characteristics and morphometric factors on the relationship between the gully volume and length in Fars Province, Iran. Catena, 2011, 86(3): 150-159. doi:10.1016/j.catena.2011.03.008.
[26] 熊燕梅, 夏汉平, 李志安, 蔡锡安. 植物根系固坡抗蚀的效应与机理研究进展. 应用生态学报, 2007, 18(4): 895-904.
XIONG Y M, XIA H P, LI Z A, CAI X A. Effects and mechanisms of plant roots on slope reinforcement and soil erosion resistance: A research review. Chinese Journal of Applied Ecology, 2007, 18(4): 895-904. (in Chinese)
[27] 张爱国, 李锐, 杨勤科. 中国水蚀土壤抗剪强度研究. 水土保持通报, 2001, 21(3): 5-9. doi:10.13961/j.cnki.stbctb.2001.03.004.
ZHANG A G, LI R, YANG Q K. Study on soil anti shearing intensity of water erosion in China. Bulletin of Soil and Water Conservation, 2001, 21(3): 5-9. doi:10.13961/j.cnki.stbctb.2001. 03.004. (in Chinese)
[28] 胡斐南, 魏朝富, 许晨阳, 魏能峤, 钟茫, 钟守琴. 紫色土区水稻土抗剪强度的水敏性特征. 农业工程学报, 2013, 29(3): 107-114.
HU F N, WEI C F, XU C Y, WEI N Q, ZHONG M, ZHONG S Q. Water sensitivity of shear strength of purple paddy soils. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2013, 29(3): 107-114. (in Chinese)
[29] 林金石, 庄雅婷, 黄炎和, 蒋芳市, 林敬兰, 葛宏力. 不同剪切方式下崩岗红土层抗剪特征随水分变化规律. 农业工程学报, 2015, 31(24): 106-110. doi:10.11975/j.issn.1002-6819.2015.24.017.
LIN J S, ZHUANG Y T, HUANG Y H, JIANG F S, LIN J L, GE H L. Shear strengths of collapsing hill in red soil as affected by soil moisture under different experimental methods. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2015, 31(24): 106-110. doi:10.11975/j.issn.1002-6819.2015.24.017. (in Chinese)
[30] 葛芳红, 周正朝, 刘俊娥, 王宁, 李静, 蒋平海. 黄土丘陵区4种典型植物根系分布特征及对土壤分离速率的影响. 水土保持学报, 2017, 31(6): 164-169. doi:10.13870/j.cnki.stbcxb.2017.06.027.
GE F H, ZHOU Z C, LIU J E, WANG N, LI J, JIANG P H. Distribution characteristics of root and their effect on soil separation rate of four typical plants in loess hilly region. Journal of Soil and Water Conservation, 2017, 31(6): 164-169. doi:10.13870/j.cnki.stbcxb. 2017.06.027. (in Chinese)
[31] PARHIZKAR M, SHABANPOUR M, KHALEDIAN M, CERDÀ A, ROSE C W, ASADI H, LUCAS-BORJA M E, ZEMA D A. Assessing and modeling soil detachment capacity by overland flow in forest and woodland of northern Iran. Forests, 2020, 11(1): 65. doi:10.3390/ f11010065.
[32] 吴彦, 刘世全, 王金锡. 植物根系对土壤抗侵蚀能力的影响. 应用与环境生物学报, 1997, 3(2): 119-124.
WU Y, LIU S Q, WANG J X. Effect of plant root system on soil anti-erosion. Chinese Journal of Applied and Environmental Biology, 1997, 3(2): 119-124. (in Chinese)
[33] JASTROW J D, MILLER R M, LUSSENHOP J. Contributions of interacting biological mechanisms to soil aggregate stabilization in restored prairie. Soil Biology and Biochemistry, 1998, 30(7): 905-916. doi:10.1016/S0038-0717(97)00207-1.
[34] 王向荣, 王政权, 韩有志, 谷加存, 郭大立, 梅莉. 水曲柳和落叶松不同根序之间细根直径的变异研究. 植物生态学报, 2005, 29(6): 871-877.
WANG X R, WANG Z Q, HAN Y Z, GU J C, GUO D L, MEI L. Variations of fine root diameter with root order in Manchurian ash and Dahurian larch plantations. Chinese Journal of Plant Ecology, 2005, 29(6): 871-877. (in Chinese)
[35] WANG B, ZHANG G H, YANG Y F, LI P P, LIU J X. Response of soil detachment capacity to plant root and soil properties in typical grasslands on the Loess Plateau. Agriculture, Ecosystems & Environment, 2018, 266: 68-75. doi:10.1016/j.agee.2018.07.016.
[36] 毛瑢, 孟广涛, 周跃. 植物根系对土壤侵蚀控制机理的研究. 水土保持研究, 2006, 13(2): 241-243. doi:10.3969/j.issn.1005-3409.2006. 02.076.
MAO R, MENG G T, ZHOU Y. Mechanism of plant roots on soil erosion control. Research of Soil and Water Conservation, 2006, 13(2): 241-243. doi:10.3969/j.issn.1005-3409.2006.02.076. (in Chinese)
[37] 蒋定生, 范兴科, 李新华, 赵合理. 黄土高原水土流失严重地区土壤抗冲性的水平和垂直变化规律研究. 水土保持学报, 1995, 9(2): 1-8.
JIANG D S, FAN X K, LI X H, ZHAO H L. Study on horizontal and vertical regulation of soil anti-scourability in area with serious soil erosion on loess plateau. Journal of Soil and Water Conservation, 1995, 9(2): 1-8. (in Chinese)
[38] 胡敏, 李为萍, 史海滨, 梁建财. 布根方式及根系径级对根土复合体抗剪性能的影响. 水土保持通报, 2012, 32(1): 42-44. doi:10. 13961/j.cnki.stbctb.2012.01.034.
HU M, LI W P, SHI H B, LIANG J C. Effects of root layout and diameter on shear performance in root-soil composite. Bulletin of Soil and Water Conservation, 2012, 32(1): 42-44. doi:10.13961/j.cnki. stbctb.2012.01.034. (in Chinese)
[39] 谌芸, 何丙辉, 练彩霞, 刘志鹏, 彭石磊. 三峡库区陡坡根-土复合体抗冲性能. 生态学报, 2016, 36(16): 5173-5181. doi:10.5846/ stxb201501270211.
CHEN Y, HE B H, LIAN C X, LIU Z P, PENG S L. Root-soil system anti-scourability on steep slopes in the Three Gorges Reservoir Area. Acta Ecologica Sinica, 2016, 36(16): 5173-5181. doi:10.5846/ stxb201501270211. (in Chinese)
[40] GUO M M, WANG W L, WANG T C, WANG W X, KANG H L. Impacts of different vegetation restoration options on gully head soil resistance and soil erosion in loess tablelands. Earth Surface Processes and Landforms, 2020, 45(4): 1038-1050. doi:10.1002/esp.4798.
[41] BISCHETTI G B, CHIARADIA E A, SIMONATO T, SPEZIALI B, VITALI B, VULLO P, ZOCCO A. Root strength and root area ratio of forest species in Lombardy (northern Italy). Plant and Soil, 2005, 278(1/2): 11-22. doi:10.1007/s11104-005-0605-4.
[42] MATTIA C, BISCHETTI G B, GENTILE F. Biotechnical characteristics of root systems of typical Mediterranean species. Plant and Soil, 2005, 278(1/2): 23-32. doi:10.1007/s11104-005-7930-5.
[43] 肖培青, 姚文艺, 王国庆, 杨春霞, 申震洲. 植被作用下土壤抗剪强度和径流侵蚀力的耦合效应. 水科学进展, 2016, 27(2): 224-230. doi:10.14042/j.cnki.32.1309.2016.02.007.
XIAO P Q, YAO W Y, WANG G Q, YANG C X, SHEN Z Z. Effects of soil shear strength and runoff erosivity on slopes with different vegetation cover. Advances in Water Science, 2016, 27(2): 224-230. doi:10.14042/j.cnki.32.1309.2016.02.007. (in Chinese)
[44] 安然, 柴军瑞, 覃源, 许增光. 植被根系形态对边坡稳定性的影响分析. 水利水电技术, 2018, 49(3): 150-156. doi:10.13928/j.cnki.wrahe. 2018.03.022.
AN R, CHAI J R, QIN Y, XU Z G. Analysis on effect of vegetation root-system morphology on slope stability. Water Resources and Hydropower Engineering, 2018, 49(3): 150-156. doi:10.13928/j.cnki. wrahe.2018.03.022. (in Chinese)
Vertical Distribution of Vegetation Roots and Its Influence on Soil Erosion Resistance of Gully Heads on the Gullied Loess Plateau
LOU YiBao1, KANG HongLiang1, WANG WenLong1,2*, SHA XiaoYan1, FENG LanQian2, NIE HuiYing1, SHI QianHua1
1Institute of Soil and Water Conservation, Northwest A&F University/State Key Laboratory of Soil Erosion and Dryland Farming on the Loess Plateau, Yangling 712100, Shaanxi;2Institute of Soil and Water Conservation, Chinese Academy of Sciences and Ministry of Water Resources, Yangling 712100, Shaanxi
【】The vertical distribution of gully vegetation root system and its effect on soil erosion resistance were explored, so as to provide a theoretical basis for optimizing the allocation of vegetation measures in gully erosion control.【】 In this paper, the gully heads covered with different vegetation (weeds (farmland),,, and) were taken as the research object. The scouring experiment of undisturbed soils was carried out to determine the soil anti-scouribility. Moreover, the root characteristics and mechanical and physiochemical properties of root-soil complex were measured using root scanner and ZJ series strain controlled direct shear test apparatus, and so on, respectively. 【】(1) The root distribution characteristics at the gully head varied among different vegetation types.had the greatest root characteristic indexes (root weight density, root length density, root surface area density, and root volume density), followed by alfalfa, Artemisia, and weeds in farmland. In addition, the root indexes in the gully head soil of farmland decreased with the deepening of soil layer, while those of,andfirstly decreased and then increased with the deepening of soil layer. Furthermore, the roots with the diameter of ＜0.5 mm dominated in the root system of each vegetation. (2) The variability of soil bulk density among different vegetation type was low, ranging from 1.17 g·cm-3to 1.37 g·cm-3. The contents of ＞0.25 mm water-stable aggregates of farmland andland were higher than that ofland andland. (3) The average soil cohesions of gully heads under different vegetation types were as follows: 12.75 kPaforland, 9.05 kPaforland, 8.60 kPa forland, and 7.25 kPa for farmland, respectively. Additionally, the soil cohesion of the farmland,land, andland decreased first and then increased with the deepening of soil layer, while that ofland showed a decreasing trend in the depth of soil. (4) The average anti-scouribility coefficients of 0-100 cm soil at the gully head under different vegetation types were as follows: 39.31 L·g-1forland, 25.49 L·g-1forland, ＞ 22.39 L·g-1for farmland and 14.75 L·g-1forland. Moreover, the soil anti-scouribility coefficient of the 0-20 cm soil layer, varying between 34.91 and 53.30 L·g-1, was larger than that of the lower soil layers.【】 The combination of plants with tap roots and the plants with fibrous roots was suggested for the control of gully head erosion, and the results provided a theoretical basis for the research of gully headcut erosion and gully erosion control.
soil anti-scouribility; soil shear strength; root characteristics; soil erosion; gully vegetation; gullied Loess Plateau
2021-11-15；
2022-02-15
国家自然科学基金（42077079）
娄义宝，E-mail：yibao93@126.com。通信作者王文龙，E-mail：wlwang@nwsuaf.edu.cn
（责任编辑 李云霞）
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