本研究区位于昆明市盘龙区云南农业大学后山试验基地,种植区为平地,地理位置为102°44'57''E,25°7'44''N,海拔1 930 m,属亚热带—高原山地季风气候。年平均气温15℃,年均日照2 200 h左右,无霜期240 d以上。年降雨量900～1 000 mm,年蒸发量1 856 mm,雨季为7—9月,土壤为山原红壤,<0.01 mm黏粒为54.61%,1～0.01 mm黏粒为 45.39%,肥力中等。

本研究选用2种固土护坡研究较多且适宜研究区种植的草本植物:非洲狗尾草(Setaria anceps Stapf ex Massey L.),多年生禾本科狗尾草属植物,斜生型根系; 紫花苜蓿(Medicago sativa L.),多年生豆科草本植物,垂直型根系^[15]。试验设置素土、单播/非洲狗尾草、单播/紫花苜蓿、混播/非洲狗尾草+紫花苜蓿4个处理,其中素土为对照组。每个处理10个重复,共计40个样品。

试验于2017年7月进行,采用Φ110 mm×3.2 mm的PVC管,每50 cm长等距切割并沿中轴线分为两半,对合后均匀固定3个管卡,并用塑料袋封住底部,制成能盛土的管状桶。土样采用试验地15 cm以下土层的原状土,去除表层杂质干扰,将土料过5 mm筛。装土时,保证每桶装同量的土,并使各处理的土壤干密度与试验地原状土保持一致。每根管内种植6株植物,以PVC管中点为中心,均匀种植在半径为30 mm的圆周上,消除种植密度和间距的影响。将播种完成后的管状桶做好标记,放置在室外,定期浇水管护。

2018年10月初,植株生长1 a后,4个处理各取9个样品,共36个立放在水中浸泡24 h后取出,松开紧箍PVC管的管卡,分开PVC管,取出土柱; 剪去地上部分,用钢锯缓慢平稳地将柱体从中间锯开分为两节,每节的高度为25.0 cm,截取中间20.0 cm为试样,截面直径为10.36 cm,分别称重后计算柱体的饱和密度。每个柱体取截下的土样10 g左右,放入铝盒,称重后用烘干法测定土样的饱和含水量^[15]。

采用南京土壤仪器厂生产的SJ-1A型应变控制式三轴仪进行无侧限抗压强度试验。无侧限抗压强度试验是围压为0的三轴压缩试验,根据摩尔—库伦理论,只要测出试样的最大主应力,就可以确定摩尔应力圆,其顶点的切线即为库仑直线,该直线为一水平线,其在纵轴上的截距即为黏聚力,内摩擦角为0,土体的抗剪强度全部以黏聚力的形式表现^[16]。试验步骤按照土工试验规程^[17]进行。

采用干筛法和湿筛法进行机械稳定性和水稳定性团聚体组成分析,试验仪器为TPF-100土壤团粒结构分析仪。具体方法如下:将无侧限抗压试验结束后的根土复合体中的土壤放在室内通风良好处,当样品稍干时,将土样沿着自然结构轻轻地掰成直径约10 mm左右的小块,风干,每个土柱在0—25,25—50 cm土层采集的预留的风干后的土样称取400 g置于套筛(孔径从大到小依次为10,5,2,1,0.5,0.25 mm)的最上层,盖上上部盖子后进行筛分,以30次/min的频率震荡3 min后停止,将>0.25 mm的土壤团聚体按照不同粒径由上到下的次序依次取筛,称取各孔径筛上的土样重量,计算各粒径的团聚体占总量的百分比。再将干筛后的土样按上述各粒径在原状土所占百分比配备混合土样50 g置于套筛(孔径从大到小依次为5,2,1,0.5,0.25 mm),再放入铁桶中,缓慢加入水并静置5 min,以30次/min的频率湿筛3 min,将各级套筛上的团聚体洗入装有滤纸的漏斗上,将盛有水稳性团聚体的滤纸放在烘箱内,烘干至恒重,然后在大气中放置一昼夜,使其呈风干状态,称重W_wi(精确到0.01 g),计算各粒径的团聚体占总量的百分比。

利用各粒径团聚体数据,计算大于0.25 mm团聚体含量(R_0.25)、平均重量直径(MWD)、几何平均值经(GMD)、分形维数(D_d)等土壤团聚体特征值。

式中:M_r<0.25为直径小于0.25 mm的团聚体重量(g); M_T为团聚体总重量(g); x_i为第i级范围内团聚体的平均直径(mm); y_i为对应于x_i的团聚体质量分数(%); n为粒级数; w_i为直径小于d_i的累积质量(g); w₀为总质量(g); d_i^-为相邻径级d_i与d_i+1间土粒平均直径(mm); d_max^-为最大粒级土粒平均直径(mm)。

采用Excel 2010软件和SPSS 18.0软件对测定数据进行整理和统计,用单因素方差分析法进行数据间的分析比较,对柱体抗剪强度与不同土壤团聚体指标参数进行Pearson相关性分析。表中数据以平均值±标准误差的形式表达,不同大写字母表示同一土层不同处理类型之间的差异极显著(p<0.01),不同小写字母表示同一土层不同处理类型之间的差异显著(p<0.05)。

受压柱体的饱和密度、饱和含水量、黏聚力见表1。种草3个处理的饱和密度、饱和含水量无显著差异,固土力(黏聚力增量)以混播紫花苜蓿+非洲狗尾草最高,其次为非洲狗尾草,紫花苜蓿最低。

表1 受压柱体的饱和密度、饱和含水量、黏聚力

与素土相比,种草处理的机械稳定性团聚体组成变化主要在<0.25,1～2 mm粒径范围内,有根土处理<0.25 mm粒径含量极显著地小于素土,有根土1～2 mm粒径含量显著大于素土,其他粒径无显著变化,说明种植草本植物有使<0.25 mm粒径向1～2 mm粒径转化的趋势。但混播与单播之间无显著性差异。

水稳定性团聚体含量4个处理均以<0.25 mm颗粒的含量最高,有根土极显著小于素土,混播与单播无显著性差异,混播值最低,其次是2～5 mm颗粒,有根土极显著大于素土,另外有根土>5 mm,1～2 mm,0.5～1 mm颗粒含量显著大于素土,混播与单播无显著性差异,混播值均最高。

对比土壤机械稳定性和水稳定性团聚体组成,4个处理>5 mm水稳定性团聚体含量比机械稳定性团聚体含量下降超过70%,而<0.25 mm则相反,在0—25 cm和25—50 cm土层,素土增加40%左右,有根土的增加幅度为50%～70%,说明种植草本植物形成的土壤大团聚体在水中不稳定,在水中会分散,使小团聚体含量增加(图1)。

图1 受压柱体的土壤团聚体组成

平均重量直径(MWD)和几何平均直径(GMD)是反映土壤团聚体大小分布状况的常用指标,MWD和GMD值越大表示土壤平均粒径的团聚度越高,稳定性越好^[18]。在机械稳定性方面,4个处理的MWD和GMD大小在0—25 cm和25—50 cm土层均表现为:混播>单播非洲狗尾草>单播紫花苜蓿>素土,除了在25—50 cm土层混播的MWD与单播紫花苜蓿差异显著,其余各土层各处理间的MWD和GMD差异不大。在水稳定性方面,在0—25 cm和25—50 cm土层,素土的MWD和GMD小于种草处理,混播值最大; 种草处理的MWD与素土存在显著性差异,单播紫花苜蓿与素土差异不明显。

分形维数D_d反映了土壤团聚体含量对土壤结构与稳定性的影响趋势,其值越大,团聚体的分散度越大,土壤结构越不稳定^[19]。在机械稳定性方面,与素土相比,3个种草处理的D_d在0—25 cm土层各降低8.19%,11.12%,11.95%,25—50 cm土层各降低9.67%,11.67%,12.37%。种草处理与素土呈极显著差异,混播与单播无显著差异,但混播的D_d值最小。在水稳定性方面,3个种草处理相比素土,D_d在0—25 cm土层各降低2.95%,4.68%,6.05%,25—50 cm土层各降低3.83%,4.19%,5.23%。种草处理与素土呈显著差异; 混播与素土呈极显著差异,与单播无显著差异,混播的D_d值最小。

土壤中大于0.25 mm的团聚体称为土壤大团聚体含量R_0.25,其数量和分布特征能够表征土壤结构稳定性^[20]。3个种草处理的机械稳定性R_0.25比素土提高了12.76%～23.36%,且与素土呈极显著差异,混播与单播无显著差异,混播的R_0.25值最高。4个处理水稳定性R_0.25在0—25 cm和25—50 cm土层均表现为:混播>单播非洲狗尾草>单播紫花苜蓿>素土; 除了在0—25 cm土层,单播紫花苜蓿与素土呈显著差异,3个种草处理R_0.25极显著大于素土; 与机械稳定性相比,R_0.25值较小,说明柱体内水稳定性团聚体含量比机械稳定性团聚体低。

因此,从机械稳定性和水稳定性团聚体特征来看,种植草本植物,特别是混播种植,能够降低土壤的D_d,提高土体的R_0.25和MWD,对GMD影响不明显(表2—3)。

从机械稳定性来看,素土GMD,D_d与黏聚力的相关系数较大,最小的是R_0.25,GMD与黏聚力呈显著相关。3个种草处理的相关系数表现出:D_d>R_0.25>MWD>GMD。4个处理的D_d与黏聚力相关性最好,相关系数为:混播>单播>素土,混播达到极显著相关。

表2 受压柱体的土壤机械稳定性团聚体指标

表3 受压柱体的土壤水稳定性团聚体指标

从水稳定性来看,素土的相关系数大小与机械稳定性一致:GMD>D_d>MWD>R_0.25,D_d与黏聚力出现显著相关性。3个种草处理相关系数表现一致:D_d>R_0.25>MWD>GMD。4个处理的D_d与黏聚力的相关系数为:混播>单播>素土,混播和单播均呈极显著相关。3个种草处理的R_0.25相比机械稳定性方面,相关系数更高,单播、混播出现显著、极显著相关。

整体来看,4个处理的黏聚力与机械稳定性和水稳定性团聚体的MWD,GMD,R_0.25呈正相关,与D_d呈负相关。各处理的水稳定性团聚体特征与黏聚力的相关性大小关系与机械稳定性一致,但整体优于机械稳定性。素土的GMD与黏聚力的相关系数最高,R_0.25最低,但种草处理的GMD相关系数最低,R_0.25相比素土提高2～8倍。4个处理的团聚体指标中D_d与黏聚力的相关性最好,其次是R_0.25。混播的D_d在机械稳定性和水稳定性两个方面,与黏聚力均呈极显著相关(表4)。

表4 根土复合体黏聚力C与土壤团聚体结构指标的相关性

机械稳定性团聚体组成是指土体具有抵抗外力或抵抗外部环境变化而保持原有形态的团粒构成^[21]。本试验研究结果表明:在机械稳定性方面,4个处理的机械稳定性团聚体含量以2～5 mm颗粒含量最高,3个种草处理大于素土,混播大于单播,3个种草处理在1～2 mm粒径含量显著大于素土,素土<0.25 mm粒径含量极显著的大于3个种草处理。这与张家洋等^[22]在研究混播紫花苜蓿与无芒雀麦的机械稳定团聚体表征一致,且混播与单播差异显著。根系对土颗粒具有绑扎和胶结作用,而混播种植使有胶结作用的分泌物增加^[23],促进和加快小颗粒团聚,种草处理的小颗粒含量比素土快速减少,转而种草处理的大颗粒含量比素土快速增加。

水稳定性团聚体组成反映的是土体在水中或遇水土体寻求稳定而具有的土粒结构。本研究发现4个处理>5 mm水稳定性团聚体含量相比机械稳定性团聚体含量下降较多,<0.25 mm颗粒明显增加,种草处理<0.25 mm颗粒含量极显著小于素土,混播小于单播。可以看出,土体在水中都会产生部分颗粒的破裂和剥离,素土结构单一,在水中土颗粒易溃散,大颗粒逐渐变成小颗粒; 而有根土形成的大团聚体相比素土更稳定,不易受水力作用而破坏。蔺芳等^[31]在砂壤土区分别采用紫花苜蓿/无芒雀麦、紫花苜蓿/黑麦草进行了长达6 a的混播和单播种植,发现不同种植方式下土壤水稳性团聚体的变化主要为<0.25 mm粒径明显减少,3～2 mm和2～0.5 mm粒径明显增加,而且5～3,3～2 mm粒径的大团聚体含量与其有机碳含量、有机质含量均呈极显著正相关,<0.25 mm正好相反。可见植物种植有利于增加土壤大粒径团聚体胶结剂的胶结作用,混播更突出。

平均重量直径MWD、几何平均直径GMD、大团聚体含量R_0.25和分形维数D_d是常用来评价土壤团聚体稳定性的4个指标,通常情况下,MWD,GMD和R_0.25值越大,D_d值越小则土壤团聚体越稳定^[24-25]。万海霞等^[32]指出MWD,GMD与R_0.25呈正相关,与D_d呈负相关。

MWD的大小主要受各径级所占比例的影响,而GMD由于粒径经过对数函数lnx运算,GMD与>1 mm颗粒含量呈正相关,与≤1 mm呈负相关^[27]。本研究结果表明:在机械和水稳定性方面,混播的MWD,GMD均大于单播和素土。唐骏等^[19]对排土场进行植被恢复的研究中,人工草地种植十多年后,MWD和GMD均显著大于素土,对应的水稳定性团聚体组成中>5,2～5,1～2,0.5～1 mm的质量分数都大于素土,与本研究一致。

在本研究中,在机械和水稳定性方面,种草处理的R_0.25极显著大于素土,且混播高于单播,D_d正好相反。魏亚飞等^[26]将紫薯、毛叶苕子、荒草套种在猕猴桃果园,也得到套种模式在不考虑坡位变化时均比单作提高机械和水稳定性R_0.25。张家洋等^[22]的研究中,其D_d与本研究基本吻合,混播<单播<素土。可见,种植草本植物后,土壤中根系分泌物、微生物及其代谢物质增多^[3-4],提高了土体内的有机质含量^[31],促进大团聚体的形成,降低了土体的离散程度,土体结构更稳定,混播种植更为突出^[23],将豆科植物和禾本科植物混播,可促进氮素养分的互通利用,增强共生效应,更有利于土壤大团聚体的形成^[33]。

植物根系会改变土壤团聚体的结构,进而影响土体的稳定性。从本研究的相关性来看,4个处理的团聚体指标D_d与黏聚力的相关性最好,D_d在两个方面均较高。3个种草处理在两个方面也表现出D_d最高,其次是R_0.25和MWD,GMD最低。混播的D_d在两个方面都与黏聚力C呈极显著相关。Pirmoradian等^[28]在探讨分形维数对干旱地区石灰性土壤团聚体稳定性的影响时,将D_d与MWD,GMD进行比较,表明D_d比MWD,GMD更适合于量化耕作处理引起的土壤团聚体稳定性。Zhang等^[7]指出D_d随土壤细粒含量(黏粒、粉粒)的增加而增大,而土壤含水率会影响细粒含量,同时指出在基质吸力不变时,D_d降低会影响土壤黏聚力C。这说明分形维数D_d是衡量土体黏聚力C的一个重要指标,植物通过D_d对土体产生较大影响,混播更为明显^[11]。Fattet^[8]和Zeng^[9]等研究指出土体受水时间长形成的慢湿润MWD_SW相比湿润时间短的快湿润MWD_FW和机械击穿MWD_MB,与黏聚力C呈显著正相关,混播的慢湿润MWD_SW值高于单播。结合本试验的土体抗压强度是采用不固结不排水的三轴试验进行的,试验过程中土体处于饱和状态,水分会影响土体结构的稳定,所以水稳定性团聚体结构特征与抗剪强度的相关性更接近真实情况,本试验的水稳定性团聚体特征与黏聚力的相关性优于机械稳定性,混播的水稳定性MWD与凝聚力的相关系数大于单播,呈显著相关。邓超等^[11]采用大豆玉米间作时指出,间作后根系生物化学作用会调整土壤结构并形成更多大团聚体,土壤团聚体结构能间接反映根系的生化作用对固土能力的影响。本研究发现,3个种草处理的R_0.25与黏聚力的相关系数仅次于D_d,混播大于单播。大团聚体会形成骨架结构,具有抵抗施加的垂直应力的作用,提高土体稳定性。目前来说,分形维数和大团聚体含量对土体黏聚力影响较大,混播种植能促进分形维数和大团聚体含量变化进而增强土体黏聚力。就本研究来看,团聚体的结构受根系的影响较大,今后还需结合根系特征和根系分泌物做进一步定量分析研究。此外,土壤水分会影响团聚体的形成及稳定,而植物的生命活动,包括呼吸作用、光合作用、蒸腾作用,以及土壤的蒸发作用都会影响土壤水分分布规律^[29],而混播种植的植物特征相对单播也有较大变化^[30],生命活动也会有所不同。混播通过影响土壤水分来改变团聚体特征,进而影响抗剪强度也有待做进一步研究。