黄土区撂荒草地根系抑制土壤侵蚀的作用机制

Plant roots significantly affect soil erosion process of overland flow. These effects are significantly different, especially during the different stages of vegetation restoration. Although a few studies had preliminarily discussed the influences of plant root morphology on soil erosion process, divergences still remained in their results. Moreover, the mechanism of roots system in reducing soil erosion and its relative contribution were not yet clear, which need further and systematic study. This study, therefore, will systematically investigate the potential effects of plant root morphology on soil detachment process, the quantitative relationship between characteristic parameters of root morphology (root mass density, root length density, root surface area density and branching rate) and soil detachment capacity, as well as the mechanism of roots system (root binding and fixing of roots, adhesion of root exudates, biofeedback of roots) in reducing soil erosion and its relative contribution, using the flume under a wide range of slope gradient and flow rate in abandoned farmland with different natural succession chronosequences in the Loess Plateau. The dynamic variation of the mechanism of roots system in reducing soil erosion in the process of vegetation restoration of abandoned farmland, and the changes of soil erodibility parameters will be discussed, which could provide fundamental basis for the mechanism of plant root in improving soil anti-erodibility. The results has theoretical significance in discussing soil erosion mechanism, establishing soil erosion process model and evaluating soil and water conservation benefits by vegetation restoration.

植物根系显著影响土壤侵蚀过程，在植被恢复的不同阶段，其影响也可能存在差异。国际上的少量研究虽然初步探讨了根系形态对土壤侵蚀过程的影响，但结果存在一定分歧，且根系抑制土壤侵蚀的作用机制及其相对贡献尚不清楚，亟待深入、系统研究。为此，本研究拟在较大坡度和流量范围内，利用变坡试验水槽，采用径流冲刷方法，选取黄土高原不同演替阶段的撂荒草地，系统研究根系形态对土壤分离过程的潜在影响，量化根系形态特征参数（重量密度、根长密度、表面积密度和分支率）与土壤分离能力间的关系，分析根系抑制土壤侵蚀的作用机制（缠绕-固结作用、根系分泌物粘结作用、"生物反馈"作用）及其相对贡献，探讨撂荒草地植被恢复过程中植物根系对土壤侵蚀影响机制、土壤可蚀性参数的动态变化规律，为揭示植物根系提高土壤抗蚀能力的机理提供理论基础。研究结果对于阐述土壤侵蚀机理、建立土壤侵蚀过程模型和评价植被水土保持效益，具有重要的理论意义。

植物根系显著影响土壤侵蚀过程，在植被恢复的不同阶段，其影响也可能存在差异。国际上的少量研究虽然初步探讨了根系形态对土壤侵蚀过程的影响，但结果存在一定分歧，且根系抑制土壤侵蚀的作用机制及其相对贡献尚不清楚，亟待深入、系统研究。为此，本研究拟在较大坡度和流量范围内，利用变坡试验水槽，采用径流冲刷方法，选取黄土高原不同演替阶段的撂荒草地，系统研究根系形态对土壤分离过程的潜在影响，量化根系形态特征参数（重量密度、根长密度、表面积密度和分支率）与土壤分离能力间的关系，分析根系抑制土壤侵蚀的作用机制（缠绕—固结作用、根系分泌物粘结作用、“生物反馈”作用）及其相对贡献，探讨撂荒草地植被恢复过程中植物根系对土壤侵蚀影响机制、土壤可蚀性参数的动态变化规律，为揭示植物根系提高土壤抗蚀能力的机理提供理论基础。结果表明1）植被根系特征差异能显著影响土壤分离能力，须根根系抑制土壤分离能力的贡献均高于直根根系，受植物个体特征的影响，其差异也会存在不同；总体而言，直根根系须根根系总贡献为65.7%，是直根根系的1.6倍。2）枯落物、生物结皮、根系吸附作用、根系捆绑串联作用、根系生物反馈作用均在抑制土壤分离过程中有着重要的作用；植被恢复抑制土壤分离总贡献率为98.7%，其中枯落物贡献53.8%，生物结皮贡献20.5%，根系贡献24.4%；对于根系贡献，10.9%来自根系吸附作用，13.5%来自捆绑串联及生物反馈作用。统计分析表明生物结皮与植物根系在抑制土壤分离中的贡献相等，根系吸附作用与根系其它作用（捆绑串联作用、生物反馈作用）在抑制土壤分离过程中同等重要。3）对于不同恢复年限撂荒草地，其土壤分离能力在撂荒前18年呈现增加趋势，从最初的0.032 kg m-2 s-1增加为0.047 kg m-2 s-1；而后土壤分离能力有所下降，截止撂荒37年，土壤分离能力降低至0.039 kg m-2 s-1；土壤分离能力随水流剪切力的增大而增加，且水流剪切力可以表征为土壤分离能力的幂函数形式（p<0.01或p<0.05）。此外，植物根系和生物结皮对土壤分离过程有着显著的影响，且均与土壤分离能力间存在着显著的降指数函数关系（p<0.01或p<0.05）。研究结果对于阐述土壤侵蚀机理、建立土壤侵蚀过程模型和评价植被水土保持效益，具有重要的理论意义。