周正朝团队在黄土高原植物根系强化土壤抗侵蚀机制研究中取得系列进展

近年来，陕西师范大学地理科学与旅游学院土壤侵蚀与水土保持研究团队一直致力于黄土高原土壤侵蚀过程及其机制研究。在周正朝教授的带领下，团队成员针对植物根系对土壤抗侵蚀能力的强化效应及其机制开展深入系统的研究，最近取得系列成果发表于 Soil& Tillage Research、Catena、Science of the total environment、Journal of soils and sediments 、 Ecological Modelling 上 。

科研成果（一）：量化了黄土高原植物冠层、根系以及生物结皮对土壤分离的影响贡献。

植物根系可以增加土壤有机质(土壤胶结剂)，降低孔隙水压力，提高土壤抗剪强度，从而起到阻控土壤侵蚀的作用，并受到人们的广泛关注。因此，量化植物冠层、植物根系及其生物结皮对土壤分离影响，有助于阐明黄土高原植被根系对减少土壤分离的机制研究，同时，对于选择适宜的植物来控制土壤侵蚀也具有积极的意义。

图1 植物冠层、根系特征与土壤分离的关系

团队发现， 植物根系对土壤分离量的减少作用最大，占总减少量的92.36 ~ 95.27 %，其次是植物冠层(8.57 ~ 9.54 %)。草本植物根系具有更大的减少侵蚀的潜力。 因此，在黄土高原地区建议采用草本植物防治水土流失。同时，结合植物生长周期和种植密度设置控制实验，发现须根系对减少土壤分离的作用大于直根系，高密度栽培的土壤分离速率在生长前期低于低密度栽培，生长后期则相反。根据研究结果， 将植被作为一种生态工程方法针对生态脆弱地区的水土流失问题，提出以下两点建议:1)须根系植物对减少土壤分离具有重要作用，应优先选择。2)在考虑植被对土壤侵蚀的长期影响时，应根据土壤容量选择合适的种植密度，以优化对土壤侵蚀的控制。 目前，相关研究成果连续发表在期刊 Journal of soils and sediments 上， 其中刘均阳为第一作者，周正朝为通讯作者。

文章链接： https://doi.org/10.1007/s11368-022-03174-3 ； https://doi.org/10.1007/s11368-021-03089-5

科研成果（ 二 ）： 探讨了黄土高原植被恢复影响土壤分离的电化学作用机制

伴随植被的逐步恢复，黄土高原土壤电化学性质可能会发生改变，并进一步引起土壤性质及其土壤抗侵蚀能力的变化。因此，调查和分析植物恢复引起土壤表面电化学性质的变化及其与土壤分离之间的关系，对于深入揭示根系对土壤分离的影响机制具有重要意义。

图2 植物和土壤共同作用下土壤电化学性质变化与土壤分离的关系

团队研究发现 土壤表面电化学特性因土壤质地和植物种类的不同而不同，对土壤分离速率有很大的影响。土壤表面电化学性质的变化导致了明显的土壤分离变化。土壤分离速率平均值以砂质壤土最高，分别是粉砂壤土和粉砂粘壤土的18.91倍和2.23倍。长芒草草本植物可以有效降低土壤分离速率。此外，土壤分离速率、钠离子交换量、表面电荷强度之间呈线性关系递增。土壤分离速率和表面电势呈指数函数递增。因此，土壤质地和植物类型通过提供可变电荷和带电位点影响土壤电化学性能，而土壤表面电化学性能又通过影响土壤内部斥力导致土壤分离能力的变化。 目前，研究成果发表在 Science of the total environment 、 C atena 上，其中刘均阳为第一作者，周正朝为通讯作者。

科研成果（ 三 ）： 黄土高原植物根系固土护坡的影响及其机制研究

随着退耕还林（草）工程的实施，黄土高原植被恢复良好，顶极群落物种对提升边坡稳定性的作用优于其他群落物种。因此，研究黄土高原顶极群落植物(草本植物)的根系特征、根-土剪切应力及其影响因素，对探讨浅层滑坡的防治具有十分重要的意义。

团队通过野外调查采样实测研究发现， 65%以上的根系总参数分布在土壤的上20 cm处，在深层显著降低。随着根径的增加，根系抗拉强度降低，根系抗拉性能与根径呈幂函数关系。根系木质素含量与根径呈显著相关，而纤维素和半纤维素含量与根径无明显相关。抗拉强度与纤维素、木质素呈显著正相关。植物根系的存在使土壤粘聚力提高了13.34~ 115.0.5%。植物根系对边坡稳定性的强化作用主要来自于根系的作用。根-土复合体的土壤黏聚力主要由根系表面积密度解释，内摩擦角主要由根系抗拉强度解释。

图3 植物根系参数和土壤剪切性能的关系

通过Wu氏模型和无限边坡模型模拟边坡安全系数分析，有根加固土安全系数在1.49 ~ 18.49之间，而无根土壤的安全系数在0.61 ~ 1.25之间。有根系的斜坡在坡度为45°时保持稳定，而无根系的斜坡仅在坡度< 15°时保持稳定。根系加固可以提高边坡的稳定性。根系加固和边坡坡度对边坡整体稳定性的影响较大。此外，尽管一些乔木和灌木有较强的根系，比其他植物更能加固土壤，但对其生长条件的需求使它们很难出现在陡峭的斜坡上。团队发现，铁杆蒿植物特别适合作为重建黄土丘陵沟壑区生态系统和保护边坡稳定的优势物种。

上述研究成果分别发表于 Soil& Tillage Research 和 Ecological Modelling ，其中苏雪萌为第一作者，周正朝为通讯作者。