Effects of vegetation roots on the structure and hydraulic properties of soils: A perspective review

文章来源:https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S004896972306151X 发布时间:2024-02-03 09:31 作者:Tao Xiao, Ping Li, Wenbin Fei, Jiading Wang 浏览量:442

土作为地球关键带的重要组成,在地球关键带的一系列过程及其控制的物质循环中发挥着重要作用,比如水循环、碳循环、氮循环、陆地生态系统运转和人类生存发展等。土是碎散多相地质材料,其结构决定了性质,性质决定了力学反应,以及土中水、气的运移和重分布。植被作为地球关键带的另一重要组成,同样对全球水循环、碳循环和气候变化发挥着重要作用。植被-土体相互作用前期在农业、环境领域受到关注,但随着应对气候变化和实现可持续发展成为全球共识,植被-土体相互作用近年来也受到工程、生态领域的关注,相关理论也得到了补充和发展。 

团队历时二年,详细回顾和总结了植被根系对土体结构和水力学特性影响的相关研究,从多方面综合分析了植被根系对土体结构和水力学特性的影响及内在机理,同时指出了目前的研究不足、未来的研究方向和可能的研究手段。主要内容和结论如下:

 

l   植被根系对土体结构和水力学性质的影响可以归因于4个方面:根系分泌、根系生长、根系吸水、根系腐败。

l   根系分泌物通过改变集粒尺寸和稳定性、孔隙流体的黏度来改变土体结构;根系分泌物以其强大的吸水性导致根系土体的持水能力增强,但是干燥情况下根系分泌物可能从亲水转变为斥水,使得根际土体的持水能力降低;由于增大孔隙流体的粘度,根系分泌物导致土体饱和渗透系数减小,但是干燥情况下根系分泌物保持根际湿润,缓解了渗透系数随吸力的急剧减小。

l   根系生长的结果要么是填充孔隙,要么是堵塞孔隙,这取决于根型和土体类型;总之,根系生长对土体结构的改变使得后者更利于根系的生长和生理;由于目前对根型的定量存在困难,研究根型与根系土水力学特性的关系就变成研究植物类型或根系特征参数与后者的关系,根系参数(如根生物量密度、根径和根长密度)与土体饱和渗透系数有很好的相关性。

l   根系吸水通过提供一个额外负压来增加土体持水能力,减小非饱和渗透系数;但也可能使根际土体经历更多干湿循环而出现微裂缝和大孔,导致持水能力下降;蒸腾诱导吸力被认为是植被对土体的水力加固,这一方向目前存在的问题是无法真正定量研究植被蒸腾吸水对土体结构和性质的影响,因为蒸腾作用表现出高度的植物相关性和时间相关性,并且受多种因素影响。

l   根系腐败导致土体孔隙度增加,通常会导致土体中大孔隙增加,形成优先流;但同时增加了土壤有机质,可能改变集粒尺寸、土体亲水性;根系腐败同样表现出高度时间相关性,受多种因素影响;目前存在的问题是没有掌握根系腐败率的变化规律,可以利用实时智能监控技术和机器学习,将植物作为活的传感器,通过监测地上特征的变化,间接得到根系腐败率的变化和土体性质的变化。

l   上述四个过程都具有高度的时间依赖性,受到多种植物和土体相关因素的影响,并且相互作用,因此定量研究植被根系对土体结构和水力学性质的影响仍然是个挑战。

 

上述综述近期以“Effects of vegetation roots on the structure and hydraulic properties of soils: A perspective review”为题,发表于行业TOP期刊Science of The Total Environment,IF=9.8。论文第一作者为博士研究生肖涛,李萍副教授、王家鼎教授为共同通讯作者,共同作者有墨尔本大学费文斌助理教授。该研究得到了国家自然科学基金(42007251, 42027806)的资助。