初始含水率对三江并流区消落带含根土壤崩解性的影响*

保锐琴，段青松，李建兴，黄广杰，张立芸，熊寿德，陈正发，王建文

(1.云南农业大学 资源与环境学院，云南 昆明 650201；
2.云南农业大学 水利学院，云南 昆明 650201；
3.中国电建集团昆明勘测设计研究院有限公司，云南 昆明 650216；
4.云南农业大学 机电工程学院，云南 昆明 650201；
5.云南地质工程勘察设计研究院，云南 昆明 650041；
6.云南省滇中引水工程建设管理局，云南 昆明 650224)

土壤崩解是指土壤在静水中发生分散、碎裂、塌落解体且不可逆的物理过程，是土壤普遍存在的一种水理现象[1]。崩解是侵蚀发生的必要条件，为进一步侵蚀提供物质基础和前提条件，因此，土壤崩解是研究土壤侵蚀机理的方法之一[2]，土壤的崩解性主要用崩解量和崩解速率衡量。土壤崩解直接受成土过程、物质组成、干湿交替、初始含水率、水热环境等多种因素影响[3-9]，其中初始含水率是直接决定土壤崩解的关键因素。李喜安等[10]研究发现：当初始含水率增大到一定程度时，黄土崩解性急剧减小甚至消失，其原因是随着初始含水率的增大，土壤塑性、孔隙性、渗水量等减小，不利于崩解发生；
张国栋等[11]对膨胀性红黏土的研究也得出相似结果。但有学者认为土壤崩解速率随土壤初始含水率的增加而增加[12]，其原因是初始含水率较低的土壤吸水增重持续时间较长，延迟了土壤进入快速崩解阶段的时间。植物根系穿插在土壤中，对土壤有“加筋锚固”的作用，可有效增加土壤抗侵蚀能力[13-14]。王桂尧等[15]认为：根系提高土壤抗崩解作用的原因在于根系减少了雨水入渗产生的孔隙气压，还提高了土壤结合力；
肖海等[16]发现：狗牙根根系能够减少饱和土壤崩解量并降低崩解速率；
徐少君等[17]研究发现：三峡库区植物根系的根长密度和根表面积密度能较好地表征饱和土壤的抗崩解能力。初始含水率的变化不仅影响土壤的崩解性，还会影响植物根系与土壤的作用方式[18]，但初始含水率对含根土壤崩解的影响尚不清楚。

位于云南省西北部的三江并流区，区内怒江、澜沧江和金沙江并行而流超过170 km，蕴藏着丰富的水能资源，是中国重要的水电能源基地。该区域同时也是中国最大的世界自然遗产地、西南地区重要生态屏障的核心区，但该区域生态脆弱、敏感，水土流失高发，能源开发与生态环境保护矛盾突出。电站水库建成后，在库周形成消落带，其土壤处于周期性淹水和落干状态，导致严重的土壤侵蚀，危及区域生态安全和电站运行安全。种植适生植物是恢复消落带植被、减少土壤侵蚀的有效措施[19]，但目前对消落带土壤崩解性的研究主要集中于三峡库区紫色土[20-21]，针对三江并流区的研究才刚起步。本研究在三江并流区核心地带的澜沧江黄登电站消落带开展野外土壤崩解试验，测定不同初始含水率条件下原状草本根土复合体的崩解量和崩解速率、根系特征，分析初始含水率对三江并流区消落带含根土壤崩解性的影响，以期为该区域消落带的土壤侵蚀防控和植被恢复提供依据。

1.1 研究区概况及供试植物

研究区为三江并流区核心地带的澜沧江黄登水电站库尾，位于云南省迪庆藏族自治州维西傈僳族自治县境内(27°6′56″N，99°10′29″E)，地处低纬高原，属于亚热带与温带季风高原山地气候，年均气温14.9 ℃，年均降雨量938.6 mm。供试植物为狗牙根(Cynodon dactylon)、美人蕉(Canna indica)、风车草(Cyperus alternifolius)、花叶芦竹(Arundo donaxvar.versicolor)和菖蒲(Acorus calamus)，均具有很强的耐淹和抗旱能力，是消落带植被构建和恢复的优势物种，于2019 年5 月种植。

1.2 供试土样

2021 年5 月在黄登水电站库尾左岸平缓开阔的消落带取深度为0～30 cm 的土样，土壤呈棕褐色，自然条件下呈坚硬或硬塑状态，结构紧密，切面有光泽，裂隙不发育。经测定分析，土壤为淤泥质黏土，其基本理化性质为：干密度1.36 g/cm3，pH 值8.17，有机质含量11.71 g/kg，全氮含量0.87 g/kg，全磷含量0.62 g/kg，全钾含量21.14 g/kg；
颗粒直径(d1)＜0.002 mm 占57.23%，0.002 mm≤d1＜0.020 mm 占27.21%，0.020 mm≤d1＜0.200 mm占15.06%，0.200 mm≤d1＜2.000 mm 占0.50%。

1.3 试验方法

1.3.1 试验设计

试验设置素土和5 个含根土壤共6 个处理。分别选定长势较好且均匀的狗牙根、美人蕉、风车草、花叶芦竹和菖蒲5 个取样区域，剪去植被地上部分，除去表面杂物，采用根钻取出含根土样，其中美人蕉土样避免取到块状根部分；
同时在含根土样取样点附近取不含根系的素土样，每1 个处理取32 个样品。取出土样的侧面用塑料薄膜包裹，上下两端放置透水石，竖直置于水盆中浸泡48 h 至饱和，再经历24、48 和72 h 自然风干，每个处理重复5 次，用于崩解试验。每个处理的土样另各取3 个密封保存带回试验室，用于土壤含水率的测定，测得饱和含水率为36.7%，风干24、48 和72 h 土样的含水率分别为15.2%、11.4%和7.2%。

1.3.2 现场崩解试验

采用图1 所示装置进行现场崩解试验，按《土工试验方法标准》(GB/T50123—2019)[22]操作。试验开始前，将崩解装置安装调适至合适位置，再将崩解架挂在数显拉力计(艾德堡SH20-0.001 N)上且读数(水中)置0；
试验开始时，将土样置于崩解架上，然后将崩解架悬挂在数显拉力计上，利用升降旋钮将崩解架缓慢放入崩解容器中，直至土样的上表面与水面处于同一水平后开始计时并读数，前10 min 每1 min 记录1 次读数，之后每3 min 记录1 次读数，试验持续90 min。

图1 土壤崩解试验装置Fig.1 Soil disintegration test apparatus

土壤崩解量(M，g)和崩解速率(vd，g/min)采用谷天峰等[23]的方法计算，计算公式为：

式中：M0为土壤样品初始饱和质量，g；
m为拉力计的质量读数，即土壤浮重，g；
ma为初始拉力计的质量读数，g；
mb为终止拉力计的质量读数，g；
k为常数；
Δt为土壤崩解历时，未完全崩解则为90 min；
ρS和 ρW分别为土壤和水的密度，g/cm³。

对于非饱和土，土样浸水吸水增重的同时土粒崩落减重，求解过程相对复杂，参考文献[23]简化部分条件进行近似求解，即在崩解完成时测量未崩解的土壤质量，此时土壤已经饱和，将土样的初始质量及已崩解的质量都换成饱和湿土的质量，进而计算崩解量(M)。以土样在水中静置时间为横坐标，以拉力计读数为纵坐标，得出不同初始含水率土样的崩解过程曲线。

1.3.3 根系特性分析

在纱网内清洗完成崩解试验的土壤，收集全部根系，装入自封袋带回实验室用Epson La 扫描仪进行灰度扫描，再用WinRhizo Pro 根系分析系统测定根长(root length，RL)和根表面积(roots surface area，RSA)；
扫描后的根系装入信封内在恒温箱中烘干，获得根系生物量(root weight，RW)。计算根质量密度 (root weight density，RWD)、根长密度 (root length density，RLD)和根表面积密度(roots surface area density，RSAD)，计算公式为：RWD=土样内根系生物量/土样体积；
RLD=土样内根系总长度/土样体积；
RSAD=土样内根系总面积/土样体积。将根系按直径(d2)划分为4 个等级：d2≤0.5 mm、0.5 mm＜d2≤1.0 mm、1.0＜d2≤2.0 mm 和d2＞2.0 mm，并分析不同植物各径级的根系特征。

1.4 数据处理

采用 Excel 和 SPSS 26.0 整理数据；
采用Duncan’s 分析M、vd和根系参数，并对M、vd与根系参数间进行Pearson 相关性分析；
用Origin 2019绘图。

2.1 不同初始含水率下含根土壤的崩解性

由图2 可知：非饱和根土复合体的崩解过程可分为3 个阶段。第1 阶段：试样放入水中后，周围布满大量气泡，试样吸水的同时发生崩解，拉力计读数波动上升，说明土壤吸收水增加的质量大于土壤崩落的质量，吸水增重的强度表现为初始含水率越小，吸水强度越大；
第2 阶段，土壤吸水饱和后，开始大量破裂、脱离，土壤崩解较为剧烈，拉力计读数急剧下降，该阶段为崩解的主要过程；
第3 阶段，随着试验的进行，仅有少量土粒散落，崩解较为缓慢，拉力计读数下降很小，呈稳定状态。饱和土样浸水后，没有出现前期土壤吸水增重阶段，直接进入拉力计读数减小的阶段，随着试验时长的增加，拉力计读数呈先缓慢减小再逐渐趋于平稳的变化趋势。

图2 不同初始含水率(ω)土样的崩解过程曲线Fig.2 Disintegration process curves of different soil samples with different initial water content (ω)

由表1 可知：同一处理下，土壤崩解量随初始含水率的增加而减小，不同初始含水率间的土壤崩解量差异极显著。不同处理下，初始含水率为7.2%时，素土的土壤崩解量显著大于有根处理；
初始含水率为11.4%时，狗牙根处理的土壤崩解量显著小于其他土壤；
初始含水率为15.2%时，素土和狗牙根处理的土壤崩解量显著小于其他处理；
饱和含水率(36.7%)时，有根处理的土壤崩解量均显著大于素土。此外，初始含水率从11.4%到15.2%时，除狗牙根外，其他植物根系的土壤崩解量从小于素土转变为大于素土，且各有根处理间不同初始含水率均以狗牙根处理的土壤崩解量最小、美人蕉的最大。初始含水率为 7.2%、11.4%、15.2%和36.7%时，有根处理的平均土壤崩解量分别为素土的77.0%、92.4%、112.1%和362.8%，说明初始含水率较低时，根系能降低土壤的崩解量；
初始含水率较高时，根系增加土壤的崩解量。

表1 不同初始含水率下的土壤崩解量Tab.1 Disintegration amount under different initial water content g

图2 中曲线下降趋势较明显的阶段为土壤崩解的主要过程，此时土壤崩解速率能较好地表征土壤的崩解性。由表2 可知：不同初始含水率下，素土的崩解速率差异极显著，且随着初始含水率的增大，崩解速率减小。不同处理间，初始含水率为7.2%时，素土的崩解速率显著大于有根处理；
初始含水率为36.7%时，素土的崩解速率显著小于有根处理。初始含水率为 7.2%、11.4%、15.2%和36.7%时，有根处理的平均崩解速率分别为素土的71.4%、106.6%、127.5%和400.0%，说明初始含水率较低时，根系能降低土壤的崩解速率；
初始含水率较大时，根系提高了土壤的崩解速率。

表2 土壤崩解主要阶段的平均崩解速率Tab.2 Average disintegration rate of major soil disintegration stages g/min

综上所述，初始含水率较低时，草本根系能降低土壤的崩解量和崩解速率；
初始含水率较大时，根系能提高土壤的崩解量和崩解速率，促进土壤崩解。在5 种含根土壤中，以狗牙根的抗崩解性最强、美人蕉的抗崩解性最弱。

2.2 不同初始含水率下根系特征对土壤崩解的影响

2.2.1 不同植物的根系特征

由表3 可知：根质量密度表现为花叶芦竹显著大于风车草和美人蕉，但与狗牙根和菖蒲之间无显著差异；
根长密度表现为狗牙根、风车草和花叶芦竹之间无显著差异，但显著大于菖蒲和美人蕉；
根表面积密度表现为风车草与花叶芦竹之间无显著差异，但显著大于其他3 种植物。

表3 不同植物的根系特征Tab.3 Root characteristics of different plants

由表4 可知：直径(d2)≤0.5 mm 的根系中，狗牙根根系的根长密度和根表面积密度显著大于其他根系，其d2＞2 mm 根系的根长密度和根表面积密度显著小于其他根系，说明狗牙根细根多，粗根少；
相较而言，风车草和花叶芦竹的根系特征较为接近，菖蒲和美人蕉的根系特征较为接近。

表4 不同植物和径级(d2)的根系特征Tab.4 Root characteristics of different plants and diameters

2.2.2 不同植物根系对土壤崩解的影响

由表5 可知：在非饱和状态下，含根土壤的崩解量(M)与根长密度(RLD)、RLDd2≤0.5mm、RLD0.5mm＜d2≤1.0mm以及根表面积密度(RSAD)、RSADd2≤0.5mm、RSAD0.5mm＜d2≤1.0mm呈显著或极显著负相关，与 RLD1.0mm＜d2≤2.0mm、RLDd2＞2.0mm、RSADd2＞2.0mm呈显著或极显著正相关，与RSAD1.0mm＜d2≤2.0mm无显著相关性；
在饱和状态，含根土壤的M与RLD、RLD1.0mm＜d2≤2.0mm、RLDd2＞2.0mm、RSAD1.0mm＜d2≤2.0mm、RSADd2＞2.0mm呈显著或极显著正相关，而与根质量密度(RWD)显著负相关。

表5 不同初始含水率下含根土壤崩解量与根系参数的相关性Tab.5 Correlation between the disintegration amount of root soil and root parameters under different initial water content

由表6 可知：初始含水率为7.2%时，土壤崩解速率(vd)分别与 RLDd2≤0.5mm和 RSADd2≤0.5mm显著和极显著负相关，与 RLDd2＞2.0mm显著正相关；
初始含水率为 11.4%和15.2%时，vd与RLD、RLDd2≤0.5mm、RLD0.5mm＜d2≤1.0mm、RSADd2≤0.5mm显著或极显著负相关，与 RLDd2＞2.0mm极显著正相关；
在饱和状态下，vd与 RLD1.0mm＜d2≤2.0mm、RLDd2＞2.0mm和RSADd2＞2.0mm呈显著或极显著正相关。

表6 不同初始含水率下含根土壤崩解速率与根系参数的相关性Tab.6 Correlation between the disintegration rate of root soil and root parameters under different initial water content

综上所述，在非饱和状态，直径≤1 mm 的根系具有明显的抗崩解作用，而直径＞2 mm 的根系具有促进崩解的作用，总体而言，植物根系抗崩解作用大于促进作用，可控制土壤崩解；
在饱和状态，直径≤1 mm 的根系特征与土壤崩解量和崩解速率的关系不显著，而直径＞1 mm 的根系具有促进崩解的作用，总体而言，根系具有促进崩解的作用。

水在土壤崩解中扮演着重要的角色，初始含水率是决定土壤崩解的关键因素之一，直接决定了土壤颗粒胶结的状态和离子之间原始连接力的大小[10]。本研究表明：三江并流区消落带淤泥质黏土崩解性随初始含水率的增加而减弱，这与张晓媛等[12]对砂质黏壤土静水崩解速率的研究结论相似，其原因在于饱和度越高的土壤基质吸力越小，吸水能力就越弱，水的入渗速度越小，土壤内部孔隙压力上升缓慢，有效缓解了土壤崩解[8,24]，从本研究看，草本植物根系对该规律没有影响。

本研究显示：初始含水率较低时根系能抑制土壤崩解，随着初始含水率的升高，根系的抗崩解作用减小或消失甚至会促进崩解，在饱和土壤中根系会促进土壤崩解；
而肖海等[16]和徐少君等[17]研究表明根系在饱和土壤中有抗崩解作用。研究结果存在差异的可能原因是：壤土[16]和沙壤土[17]结构相对疏松，根系对土壤起到固结保护作用；
而本研究土壤属淤泥质黏土，土壤致密紧实，孔隙少而小，崩解量少；
加之供试植物已种植2 年，第1 年的根系有些已经死亡，在土壤中形成了多而大的孔隙，这些孔隙随着根系的走向形成网络结构，促进水分在土壤内的快速迁移[25-27]，从而加快土壤崩解。LI 等[28]通过土柱实验表明根系作用下的饱和导水率是无根系条件下的 6 倍，因此，含根有可能会导致水在土壤中的蔓延速度变快，加快土壤崩解；
此外，根系的交错穿插作用会使本来紧实板结的土壤发生松动、结构发生变化，而有机质的增多也能促进团粒状结构的形成，使土壤更加疏松[29]。

本研究土壤为淤泥质黏土，质地黏重，毛管孔隙小，初始含水率较低时强度较高，整体性好，但浸水易软化，崩解性较强；
黏性土颗粒细小，随着初始含水率的增加，胶结能力提高，崩解性降低[9]。根系促进土壤内部优先流和孔隙的形成，也使土壤发生松动，土壤浸水过程中入渗速度增大，在初始含水率较低时根系的加筋固结作用大于根系通道产生的负作用，对土壤崩解起抑制作用；
随着初始含水率的增大，素土土壤颗粒间的黏结性增强，不易崩解[20]，但根土复合体中土壤颗粒与植物根系间的摩擦力降低甚至滑出失效，当初始含水率增大到一定程度时，这种作用大于根系固土作用，使根土复合体的崩解性增强。除崩解侵蚀外，土壤的水力侵蚀还存在水流冲蚀作用，在初始含水率较高的情况下，根系虽然促进了崩解，但也发挥出抗拉作用，能有效抵抗水流冲蚀，抗冲刷作用强。总体而言，根系虽然存在固土抗蚀作用，但根系固土效果的评估应该更加保守。

本研究表明：根系对淤泥质黏土的抗崩解作用主要归功于直径≤1 mm 的根系，这也是狗牙根根系比其他根系抗崩解性强的原因，狗牙根根系直径≤1 mm 的细根占比较大，能充分接触土壤，有效缠绕、串结土壤，增加土壤颗粒间的结合强度，降低土壤崩解性。直径＞2 mm 的根系对淤泥质黏土的崩解起促进作用，徐少君等[17]研究发现土壤抗崩解增强系数与直径＞2 mm 的根系特征之间无显著相关关系，结合本研究的结果，可以认为直径＞2 mm 的根系抗崩解作用不明显，甚至会促进崩解。

三江并流区消落带淤泥质黏土崩解性随初始含水率的增加而减弱，草本植物根系的存在对该结果无影响。在土壤初始含水率较低的情况下，草本植物根系能抑制土壤崩解，随着初始含水率的升高，根系抑制崩解的作用减小或消失甚至会促进崩解；
饱和状态下，根系会促进土壤崩解。在供试的5 种含根土壤中，狗牙根的抗崩解性最强、美人蕉的最弱。直径＞2 mm 的根系抗崩解作用不明显，甚至会促进崩解。因此，三江并流区消落带植被恢复中，在适生性的前提下应优选细根植物。

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