采用10 cm*10 cm*20 cm原状土取样器在表1的各样地表层分别取3个原状土样。在樟子松、灌木地采集表层土样时,先将0—3 cm未腐烂的枯枝落叶层清除,自3—13 cm深度取土。在荒草地,首先用剪子将草茎剪去,将上边厚约1 cm左右的土皮铲掉,自1—11 cm深度取土。在花生地,自表层取样深度为0—10 cm。取样时,用皮锤将取样器垂直钉入。然后,铲掉取样器周边土壤,将取样器完整取出,用铲刀沿取样器底部将土样削平后盖上上下盖。

原状土取回后,将取样器置于水盘内,向水盘内注水,浸水24 h,使其达到毛管水饱和。然后,将饱和的原状土轻轻置于铁架台上8 h去除土壤重力水后进行抗冲试验,试验冲刷坡度为15°,设置冲刷流量为2 L/min,冲刷时间从冲刷槽的出口产流开始计时,每1 min量取1次泥沙样,冲刷10 min,预试验表明此时间可达到稳定状态,共取10次样。冲刷结束后称量各个桶内的径流泥沙量,然后将塑料桶静置澄清,泥沙沉淀完全后倒掉上层清液,剩余泥水样转移至铁盒内,置于烘箱中105℃烘干并测定泥沙质量(g)。

抗冲性指数计算为每冲刷掉1 g的烘干土所需水量,用ANS表示(L/g),ANS愈大,土壤的抗冲性愈强。

ANS=f*t/W

式中:f为冲刷流量(L/min); t为冲刷时间(min); W为烘干泥沙质量(g)。

植物根系生物量的获取是将做完抗冲试验的土体在直径0.5 mm筛网上反复冲洗,将土壤中所有的根系洗出,用WinRHIZO根系分析系统测定根系的根长、根径、根表面积、根体积等指标。然后将根系置于105℃烘箱中,烘24 h左右,然后置于垫子天平上称重,测量根重密度RD(kg/m³)

RD=M_D/V

式中:M_D为根系烘干质量(kg); V为采样器体积(m³)。

植物根系可以从根系固土,改善土壤物理性质等两个方面使土壤结构变得稳定,使土壤抗冲性性能得到增强。不同林草措施的根长密度见图1。由图1可知,樟子松林地的根系总根长密度为8.02 cm/cm³,其中<0.5 mm径级的根系最多,占总根长密度的83.52%,>3 mm的根系最少,占总根长密度的1.54%。杨树林地总根长密度为12.09 cm/cm³,其中<0.5 mm的根系最多,占总根长密度的86.12%,>3 mm的根系最少,占总根长密度的1.18%。灌木林地总根长密度为7.03 cm/cm³,其中<0.5 mm的根系最多,占总根长密度的80.96%,>3 mm的根系最少,占总根长密度的1.72%。花生地总根长密度为4.48 cm/cm³,其中<0.5 mm的根系最多,占总根长密度的80.96%,>3 mm的根系最少,占总根长密度的1.72%。荒草地总根长密度为3.89cm/cm³,其中<0.5 mm的根系最多,占总根长的82.03%,>3 mm的根系最少,占总根长的1.41%。这说明在风沙地不同林草措施下以<0.5 mm的根系最多,占总根系根长密度的83.58%,>3 mm的根系最少,占总根系根长密度的1.46%。其根系总根长密度表现为杨树林地>樟子松林地>灌木林地>荒草地>花生地。

图1 不同径级根系密度

表2 根长密度描述性统计

由图2和图3可知,不同林草措施下的根重密度介于0.09～21.09 kg/m³,平均为3.82 kg/m³,根重密度大小表现为杨树林地(9.403 kg/m³)>樟子松林地(6.142 kg/m³)>灌木林地(1.575 kg/m³)>荒草地(1.483 kg/m³)>花生地(0.487 kg/m³)。不同林草措施根生物量与根重密度表现为同样趋势。杨树林地最大为42.04 g,花生地最小为0.974 g。表明樟子松林地、杨树林地、灌木林地表层根系分布较多,其中以杨树林地最为丰富。而花生地表层须根缺乏,根重密度和根系长度及生物量均最小,这是导致其抗冲性弱的主要原因。

图2 不同林草措施下根重密度

不同植被对土壤结构及其抗冲性的影响主要通过根系来表征。本试验选择裸沙地的样点作为对照,裸沙地的土壤抗冲性指数ANS为0.58 L·min/g,并以此为基础计算根系对土壤抗冲性能的强化值(图3)。不同林草措施下土壤抗冲性能强化值ΔANS表现为:樟子松林地(0.786 4 L·min/g)>杨树林地(0.758 4 L·min/g)>灌木林地(0.458 4 L·min/g)>荒草地(0.296 4 L·min/g)>花生地(0.064 L·min/g)。土壤抗冲性能强化百分率大小依次为樟子松林地(135.52%)>杨树林地(130.69%)>灌木林地(78.97%)>荒草地(51.04%)>花生地(10.35%)。这表明根系对风沙地土壤的保护作用很显著,在相同径流冲刷强度与相同冲刷时间条件下,表层根系丰富的樟子松林地、杨树林地、灌木林地、荒草地比花生地、裸沙地的抗冲性能提高效果更明显。

图3 根系对土壤抗冲性强化特征

不同径级根系对土壤抗冲性的影响也不同,其作用机理也不同,产生的增强效应也有所差异。图4为土壤抗冲性强化值ΔANS与不同径级根系长度的相关性。由图5可知,土壤抗冲性强化值ΔANS与<0.5 mm根系长度、0.5～1 mm根系长度、1～3 mm根系长度呈显著线性正相关,其中1～3 mm根系长度与土壤抗冲性强化值ΔANS之间相关系数最大,R²值达到0.671 7,表明<1～3 mm根系是影响土壤抗冲性的主要因素。而土壤抗冲性强化值ΔANS与>3 mm根系长度呈显著线性负相关,这说明随着根系径级的增大根系长度对土壤抗冲性的强化影响逐渐减弱,并存在一个根系径级的阈值为3 mm。根系生物量及根密度与土壤抗冲性强化值ΔANS之间的关系不显著。