土壤-根系复合体对耕作侵蚀的影响机理

Plant roots are closely related to soil erosion. There have been more knowledge about the effects of plant roots on water erosion, but the studies of plant roots effects on tillage erosion are still scarce. In this project, wheat roots and soil forming composites (soil-root composite) were taken as the study object in typical steep areas of purple soil. The distribution characteristics of wheat roots in the soil-root composites were analyzed, along with the cohesion and frictional strength of soil mechanical features. The impact of soil-root composites on tillage detachment units was ascertained using a magnetic tracing technique, tillage simulation experiments, and digital image processing techniques. This study concentrates mainly on the effects of soil-root composites and tillage detachment units on tillage translocation and tillage erosion, and reveals the influence mechanisms of soil-root composites on tillage erosion in sloping fields. The important innovation of this study is to take into account the influence of plant roots on tillage erosion, which may be helpful to enrich the understanding of erosion controlling characteristics of plant roots, and it will lay a foundation for perfecting the tillage erosion model.

根系与土壤侵蚀关系密切，关于根系对水力侵蚀的影响已有较多认识，然而缺乏根系对耕作侵蚀的影响机理研究。本项目选择紫色土坡地典型作物小麦根系与土壤构成的复合体（简称土壤-根系复合体）为研究对象，采用磁性示踪、模拟耕作、数字图像处理等技术，分析小麦根系分布特征及相应的土壤-根系复合体的黏结性、摩擦强度等土力学性质，研究土壤-根系复合体对耕作剥离体构型的影响，阐明土壤-根系复合体土力学性质和耕作剥离体构型对土壤耕作位移和耕作侵蚀强度的影响，揭示土壤-根系复合体对耕作侵蚀的影响机理。本项目创新之处在于耕作侵蚀的研究中考虑作物根系的影响，将有助于丰富对坡耕地作物根系防蚀特性的认识，也为完善耕作侵蚀模型奠定重要基础。

目前关于土壤-根系复合体的相关研究主要集中在根系对坡面水力侵蚀方面的作用机制，而忽略了对耕作侵蚀的影响。为了探讨土壤-根系复合体对坡面土壤迁移与耕作侵蚀的影响机理，本项目以紫色土区坡地典型粮食作物（小麦）的土壤-根系复合体作为研究对象，采用当地常规种植模式（条播和窝播），并以裸地作为对照，采用磁性示踪、数字图像处理等方法，结合模拟耕作试验系统研究了土壤-根系复合体对土壤耕作侵蚀的影响机理，主要结果如下：.（1）与无根裸地相比，土壤-根系复合体的理化性质发生了明显变化，其结构稳定性及抗剪强度显著增强。条播地和窝播地土壤的平均几何直径比裸地分别增加了31.72%和31.13%，这主要是由于小麦根系促进了大团聚体（>5 mm）的形成，进而增强土壤-根系复合体的结构稳定性。相比于裸地，条播地和窝播地土壤黏聚力值分别增加了65.98%和63.59%，但内摩擦角无明显变化。根系分泌物使土壤-根系复合体的黏聚力显著增加，从而增强了复合体的抗剪强度。.（2）土壤-根系复合体对耕作剥离体的形态特征影响显著。相比于无根裸地，土壤-根系复合体6-8 cm和>8 cm粒径耕作剥离体的形状系数、棱角性AP和棱角性AC明显增加，而2-4 cm粒径相反；除<2 cm粒径外，土壤-根系复合体其余粒径的分形维数显著高于裸地（P<0.05）。结果表明土壤-根系复合体中2-4 cm粒径耕作剥离体接近标准圆且棱角圆润，但含量较高的6-8 cm、>8 cm粒径更加偏离标准圆，棱角更突出且表面更粗糙。.（3）土壤-根系复合体显著减少了坡地内土壤传输量与耕作侵蚀速率。条播地和窝播地坡面平均位移距离分别为0.15 m （0.12—0.17 m） 和0.16 m （0.13—0.19 m），而裸地为0.26 m（0.22—0.29 m）；土壤迁移速率在条播和窝播种植模式下分别为33.89和37.44 kg/(m·tillage pass)，均显著低于裸地（P<0.05）。裸地耕作侵蚀速率分别是条播地和窝播地的1.99倍和1.80倍。平均质量直径、平均几何直径及黏聚力与土壤迁移速率均存在显著的负相关关系（P<0.05）。结果表明土壤-根系复合体通过改善土壤结构和抗剪强度以及耕作剥离体的形态特征，间接地影响了耕作过程中土壤运动的三个阶段（拖拽、分离、滚动和滑动），从而有效地减少了耕作侵蚀速率。