风化是土壤形成的基础，是自然生态系统中植物所需矿质养分的重要来源，同时也是生物地球化学过程中的重要组成部分^[1]。化学风化作为地球表面元素化学循环的一个重要过程，为人类了解古气候环境的演变过程提供了重要的研究记录。矿物的化学风化作用作为一个持续的、动态的地球化学过程，提高了土壤中的盐基离子含量，进而促进了植物营养元素的长期有效性及土壤化学成分的可持续性^[2]，并影响海洋化学性质和全球地质时间尺度的大气CO₂浓度调节^[3]。矿物风化产生的盐基离子通常被认为具有对流域大气化学沉降的缓冲作用^[4]。土壤中盐基离子主要是通过植物吸收和淋溶而损失，若矿物风化产生的盐基离子不能补充植物吸收，并消耗酸沉降中的H⁺，则将发生土壤酸化^[5-7]。因此，土壤风化速率是确定土壤生态系统酸缓冲负荷持久性的重要参数^[8]，对评价区域尺度酸沉降的缓冲作用具有重要意义^[9-10]。植物在土壤发生和发育过程中起着极为重要的作用，其通过维持生态平衡、改善生态环境而对地表物质的演化过程产生显著的影响^[11]。植物对水、大气、矿物养分和微量元素生物地球化学循环的影响主要通过影响光合作用、自身生长、养分利用、水分利用、蒸腾作用和凋落物降解等过程来实现^[12-13]。土壤的形成过程是植物营养物质的地质大循环(地质淋溶过程)和生物小循环(生物积累过程)之间的协同过程。其中，植物根系对成土过程的发展具有重要的影响。植物根系通过保持或改变土壤物理结构和化学成分等，对地球薄层土壤圈生态和生产功能产生重要影响。其具体作用主要体现在：①植物根系具有重要的水土保持功能，能够大大提高土壤的抗侵蚀能力；②植物根系能够穿透土壤，促进土壤剖面和水平面上的物质交换和水分循环；③植物根系分泌物中的低分子化合物(单糖、氨基酸、有机酸和酚类等)能够活化根际难溶的钙、磷、钾、砷等养分元素^[14]，同时植物根系分泌的柠檬酸、草酸、苹果酸等物质对于根际营养物质的提取、有害金属物质的脱毒、矿物质的风化和根际生物群落的调节等均有重要的作用^[15-16]。

紫色土作为我国重要的土壤类型之一，由于其继承了母岩的高肥力属性，土壤生产能力较高，加之风化速度快且侵蚀能力强，因而被视为一种特殊的土类。紫色土在我国主要分布在于长江上游部分地区，其中四川与云南分布较为集中^[17-18]，分布面积超过全国紫色土分布面积的75%。已有较多学者开展了针对紫色土风化的研究，研究多集中于紫色土的物理与化学风化，主要探讨了自然状态下紫色母岩的风化崩解^[19]，以及酸环境下母岩矿物崩解^[20]形成土壤的过程。而在土壤风化过程中植物的贡献是不可忽视的，李勇等^[21]的研究表明植物根系生长对黄土的风化具有显著的促进作用，而在紫色土的风化研究中植物的贡献鲜有报道。因此，本研究以云南元谋典型植被覆盖下的紫色土为研究对象，开展植物根系分布对紫色土风化的影响研究，以为紫色土的生物风化研究提供一定的科学依据。

1 材料与方法 1.1 研究区概况

研究区位于云南省元谋县干热河谷区凉山乡(25°44′12″ N ~ 25°44′18″ N，101°56′40″ E ~ 101°56′ 42″ E)，该区域属于南亚热带干热季风气候，年均气温和年均降水量分别为22℃和643 mm。基于前期调研，以该地区的主要植被锥连栎(Quercus franchetii Skan，乔木)、华西小石积(Osteomeles schwerinae C.K.Schneid，灌木)、牛筋草(Eleusine indicate(L.) Gaerth，草本)覆盖下的紫色土为主要研究对象。

1.2 样品采集

在研究区内，选择典型植被覆盖地设置样带(地)，并以多年植被覆盖度较低的紫色土裸地为对照(CK)。各样地海拔均分布于1 887 ~ 1 907 m，标准样带设置为10 m×10 m，草本与裸地覆盖下的每一标准样带沿对角线取3个1 m×1 m的样地，在每个样地中选取植被盖度均匀的25 cm×25 cm的样方，采用土块法^[22]进行土壤样品与根系的分层采集；乔木与灌木在标准样地中选取生长良好的3株，在植株主树干两侧挖掘相互平行的条状沟，使条状沟的长度与树冠的半径相等，在两平行的条状沟之间形成的土梁上进行土壤样品、根系的分层采集。样品采集挖掘至母岩层，每20 cm划分为一层，其中草本、裸地与灌木覆盖条件下土层挖掘至80 cm深度(具体层次划分为0 ~ 20、20 ~ 40、40 ~ 60、60 ~ 80 cm)，乔木覆盖下的土层挖掘至90 cm深度(具体层次划分为0 ~ 20、20 ~ 40、40 ~ 60、60 ~ 80、80 ~ 90 cm)。将各植被覆盖条件下相同深度土层的3个土壤样品混匀后装入密封袋带回实验室，风干后用于土壤养分和风化程度的测定。同时挑拣出每个土层中的根系装入密封袋，用于分析根系的分布情况。样品采集点信息见表 1。

1.3 指标测定 1.3.1 根系指标

将现场收集到的各土层根系运回实验室，清洗后将根系置于扫描仪(仪器型号：Epson perfection V800 photo)带水的扫描盘中，扫描过程中避免扫描盘中根系相互交叉。用根系分析软件(WinRHIZO)分析根系表面积、根系体积。

1.3.2 土壤化学属性

根据《土壤农化分析》^[23]中方法测定各土层pH、有机质(SOM)、速效钾(AK)、有效磷(AP)、碱解氮(AN)，其中pH采用pH计测定；SOM采用重铬酸钾外加热法；AP采用钼蓝比色法；AK采用火焰光度计法；AN采用碱解扩散法。

1.3.3 化学蚀变指数

本研究选用土壤化学蚀变指数(CAI)反映不同土层的化学风化程度。首先，采用乙酸铵和水将各土层土样中交换态和水溶态的盐基离子去除，以防止水溶态和交换态盐基离子引起CAI值计算误差。其次，去除盐基离子后的样品采用偏硼酸锂消融-ICP测定Al₂O₃、Na₂O、K₂O、CaO的含量，用于计算CAI值，计算公式为：

$ {\text{CAI}} = \left[ {\frac{{{\text{A}}{{\text{l}}_2}{{\text{O}}_3}}}{{{\text{A}}{{\text{l}}_2}{{\text{O}}_3} + {\text{N}}{{\text{a}}_2}{\text{O}} + {{\text{K}}_2}{\text{O}} + {\text{Ca}}{{\text{O}}^*}}}} \right] \times 100 $

式中：氧化物表示其摩尔质量百分比，CaO^*为硅酸盐矿物中的Ca含量。

1.4 数据分析

试验数据通过Excel 2019进行预处理，采用SPSS 27.0进行Pearson相关性分析，采用Origin 2021进行图表绘制。

2 结果与分析 2.1 植被类型对紫色土化学性质的影响

研究区裸地、草本、乔木和灌木覆盖下的紫色土pH分别为7.0 ~ 7.5、6.5 ~ 8.0、5.25 ~ 6.5和6.3 ~ 6.6。随着土层深度的增加，裸地和灌木覆盖土壤pH呈下降趋势，而草地和乔木覆盖土壤pH则呈相反趋势(如图 1A)。在同一土层深度下，土壤pH因植被覆盖差异而不同。其中，在0 ~ 20 cm土层，不同植被覆盖下土壤pH表现为裸地 > 灌木 > 草本 > 乔木，与裸地相比，灌木、草本与乔木覆盖下分别降低了10.24%、11.19%、28.98%；在 > 20 cm土层，不同植被覆盖下土壤pH表现为草本 > 裸地 > 灌木 > 乔木，与裸地相比，草本覆盖下增加了3.04%(20 ~ 40 cm土层)、12.06%(40 ~ 60 cm土层)、11.23%(60 ~ 80 cm土层)，灌木与乔木覆盖下分别降低了10.71%、24.56%(20 ~ 40 cm土层)，10.06%、16.5%(40 ~ 60 cm土层)，9.70%、10.99%(60 ~ 80 cm土层)。

裸地、草本、乔木和灌木4类植被覆盖的紫色土SOM含量分别为4.43 ~ 13.35、4.50 ~ 10.10、4.29 ~ 14.39和5.91 ~ 12.73 g/kg，且不同植被覆盖类型下SOM含量均随土层深度的增加而呈现降低趋势(图 1B)。在 < 60 cm土层，不同植被覆盖下SOM含量表现为乔木 > 裸地 > 灌木 > 草本，与裸地相比，乔木覆盖下SOM含量分别增加了7.75%(0 ~ 20 cm土层)、22.61%(20 ~ 40 cm土层)，灌木与草本覆盖下SOM含量分别降低了4.61%、17.67%(0 ~ 20 cm土层)，11.98%、27.98%(20 ~ 40 cm土层)。在40 ~ 60 cm土层，不同植被覆盖下SOM含量表现为草本 > 乔木 > 灌木 > 裸地，灌木、乔木、草本覆盖下SOM含量较裸地分别提高了64.42%、42.56%、17.93%(40 ~ 60 cm土层)。在60 ~ 80 cm土层，不同植被覆盖下SOM含量表现为：灌木 > 乔木 > 草本 > 裸地，与裸地相比，灌木、乔木与草本覆盖下SOM含量分别增加了30.07%、3.41%、1.47%。

裸地、草本、乔木、灌木4类植被覆盖下紫色土AN含量为：14.00 ~ 50.75、18.67 ~ 68.25、28.00 ~ 63.00、30.33 ~ 73.50 mg/kg，不同植被覆盖下AN含量随土层深度的增加呈下降趋势(图 1C)。在0 ~ 20 cm土层，不同植被覆盖下AN含量表现为灌木 > 裸地 > 乔木 > 草本，与裸地相比，灌木覆盖条件下AN含量增加了7.69%，乔木与草本覆盖条件下降低了7.69%、25.64%。在20 ~ 40 cm土层，4种不同植被覆盖下AN含量呈现：灌木 > 乔木 > 裸地 > 草本，与裸地相比，灌木与乔木覆盖下分别增加了56.25%、50.00%。在 > 40 cm土层，不同植被覆盖下AN含量表现为乔木 > 灌木 > 裸地 > 草本，与裸地相比，乔木与灌木覆盖下分别增加了120.00%、60.00%(40 ~ 60 cm土层)，78.13%、62.50%(60 ~ 80 cm土层)，草本覆盖下分别降低了20.00%(40 ~ 60 cm土层)、25.00%(60 ~ 80 cm土层)。

裸地、草本、乔木、灌木4类植被覆盖下紫色土AP含量分别为15.40 ~ 19.15、8.60 ~ 16.15、5.20 ~ 13.9、7.15 ~ 9.45 mg/kg，除裸地AP含量随土层深度的增加先增加后降低、最大值出现在20 ~ 40 cm土层外，其他植被类型覆盖下AP含量随土层深度的增加呈下降趋势(图 1D)。在0 ~ 20 cm土层，不同植被覆盖下AP含量表现为草本 > 裸地 > 乔木 > 灌木，与裸地相比，草本覆盖下增加了4.87%，乔木与灌木覆盖下分别降低了38.64%、9.74%。在20 ~ 40 cm土层，不同植被覆盖下AP含量呈裸地 > 草本 > 乔木 > 灌木，与裸地相比，草本、乔木与灌木覆盖下AP含量降低了60.97%、69.78%、76.97%。在 > 40 cm土层，AP含量呈现了裸地 > 草本 > 灌木 > 乔木，与裸地相比，草本、灌木与乔木覆盖下分别降低了62.03%、71.74%、73.48%(40 ~ 60 cm土层)，55.09%、62.66%、72.15% (60 ~ 80 cm土层)。

不同植被覆盖下紫色土AK含量均呈随土层深度的增加而降低的趋势(图 1E)。裸地、草本、乔木、灌木覆盖下AK含量分别为：110.67 ~ 132.5、89.5 ~ 115.5、96.5 ~ 174、83.5 ~ 227 mg/kg。在0 ~ 40 cm土层，不同植被覆盖下AK含量表现为灌木 > 乔木 > 裸地 > 草本，与裸地相比，灌木、乔木覆盖下AK含量分别增加了71.32%、31.32%(0 ~ 20 cm土层)，34.21%、27.98%(20 ~ 40 cm土层)，草本覆盖下降低了12.83%(0 ~ 20 cm土层)、28.95%(20 ~ 40 cm土层)。在40 ~ 60 cm土层，不同植被覆盖下AK含量呈现乔木 > 灌木 > 裸地 > 草本，与裸地相比，乔木与灌木覆盖下AK含量增加了30.39%、21.08%，草本覆盖下降低了15.20%。在60 ~ 80 cm土层，不同植被覆盖下土壤AK含量呈现裸地 > 乔木 > 草本 > 灌木，与裸地相比，乔木、草本与灌木覆盖下土壤AK含量分别降低了12.35%、19.13%、24.55%。

2.2 植被类型对紫色土风化程度的影响

乔木、灌木、草本和裸地覆盖下紫色土化学蚀变指数分别为78.53 ~ 84.68、77.89 ~ 82.18、77.91 ~ 81.04、73.98 ~ 78.87。乔木覆盖下CAI值随土层深度的增加而降低，且同一土层深度下，乔木覆盖下土壤CAI值皆高于其他植被覆盖；草本覆盖下CAI值随土层深度增加呈先增加后降低的趋势，最大值出现在20 ~ 40 cm土层；灌木与裸地覆盖下CAI值随土层深度的增加呈先降低后增加的趋势，最大值出现在0 ~ 20 cm土层。在0 ~ 20 cm与40 ~ 60 cm土层，不同植被覆盖的紫色土CAI值表现为乔木 > 灌木 > 草本 > 裸地，相比于裸地，乔木、灌木和草本覆盖下分别增加了7.37%、4.20%、2.76%(0 ~ 20 cm土层)，7.80%、5.62%、3.13%(40 ~ 60 cm土层)；在20 ~ 40 cm土层，不同植被覆盖的紫色土CAI值表现为乔木 > 草本 > 灌木 > 裸地，相比于裸地，乔木、草本与灌木覆盖下分别增加了11.83%、9.59%、6.74%；在60 ~ 80 cm土层，不同植被覆盖下的紫色土CAI值表现为乔木 > 草本 > 灌木 > 裸地，相比于裸地，乔木、草本和灌木覆盖下分别增加了8.80%、5.31%、5.28%。

2.3 植被类型对紫色土根系分布的影响

4类植被根系分布情况调查表明，草本与裸地覆盖条件下根系仅存于0 ~ 20 cm土层，灌木根系在60 ~ 80 cm土层无根系分布，乔木根系在0 ~ 90 cm土层皆有分布。各植被单位体积根系表面积均随土层深度的增加而降低(图 3A)，最大值皆出现在0 ~ 20 cm土层，且呈现乔木 > 草本 > 灌木 > 裸地的规律。乔木、草本、灌木、裸地覆盖条件下单位体积根系表面积分别为94 011.43、93 862.50、67 097.44、38 345.83 cm²/m³，相比于裸地，乔木、草本和灌木覆盖条件下分别增加了145.17%、144.78%、74.98%。在20 ~ 40 cm与40 ~ 60 cm土层，灌木覆盖下的单位体积根系表面积分别比乔木高72.69%、24.33%。

4类植被类型覆盖下根系体积随土层深度的增加而降低，最大值出现在0 ~ 20 cm土层，且乔木 > 灌木 > 草本 > 裸地，根系体积分别为2497.60、2363.38、936.38、332.50 cm³/m³，相比于裸地，乔木、灌木和草本覆盖条件下分别增加了651.16%、610.79%、181.62%；在20 ~ 40 cm与40 ~ 60 cm土层，乔木覆盖下的根系体积分别高于乔木43.56%、23.50%。

2.4 紫色土风化程度的影响因素

紫色土风化程度与土壤养分、根系分布特点的相关性表明，根系体积、根系表面积与紫色土CAI值呈极显著正相关(P < 0.01)；土壤pH、AP含量和与紫色土CAI值呈显著负相关(P < 0.05)；土壤SOM、AN含量与紫色土CAI值在呈显著正相关(P < 0.05)；土壤AK含量与CAI值无显著相关性。

3 讨论 3.1 不同植被覆盖下紫色土剖面根系分布对养分的影响

本研究发现，4类不同植被覆盖下，根系的分布随土层深度的增加而降低，SOM、AN、AP、AK含量随土层深度的增加呈下降趋势。乔木与草本覆盖下紫色土pH随土层深度的增加而增加，灌木与裸地覆盖下则随之降低后趋于稳定。各剖面养分的分布表现出表聚的现象^[24-25]，主要受植物枯枝落叶的堆积与分解、死根的腐解、根系分泌物的影响。水分、土壤孔隙以及根系的穿插均有助于养分的下渗。各养分指标中，AN与SOM含量随土层深度的增加降低最为明显，与李青山等^[25]、郑力文^[26]的研究结果相一致，因为植被的着生是碱解氮、有机质的主要来源。韩琳和王鸽^[27]的研究表明土壤中的氮大部分以可溶性NO₃^–、NO₂^–和NH₄⁺形态淋溶至土壤下层。4类不同植被中，裸地与草本覆盖条件下的紫色土剖面AP总体含量高于乔木与灌木。这一现象的出现可能受植被根系分泌物中低分子量有机酸的种类以及含量的影响。根系对土壤磷素的影响主要通过根系分泌物实现，根系的分布特征决定了根系分泌物在土体里的分布以及影响范围。与乔木和灌木相比，裸地与草本覆盖条件下的根系集中分布在0 ~ 20 cm土层，且根系较为密集。根系分泌物中低分子量有机酸对土壤中难溶性磷具有较好的活化作用，且不同有机酸类型对磷的活化作用效果不同。Harrold和Tabatabai^[28]的研究表明，含有羧基和羟基官能团的脂肪族酸或含有邻羟基官能团的酚酸的活化效果强于其他官能团组合的类似有机酸。张乃于^[29]的研究表明，常见的根系分泌物中对磷的活化效果：草酸 > 柠檬酸 > 其他酸，表明草酸和柠檬酸在土壤磷素的活化作用中具有较高的潜力。裸地覆盖下土壤AP含量随土层深度的增加呈先上升后降低的趋势，在土层深度为20 ~ 40 cm出现最大值，这一现象的出现可能由表层土壤无植被覆盖，导致水分下渗带动表层磷的向下迁移造成。不同植被覆盖下的紫色土AK含量与根系在剖面中的分布规律相似，乔木与灌木覆盖条件下的紫色土AK含量随土层深度的增加具有明显的下降趋势，裸地、草本覆盖下的紫色土AK含量在40 ~ 80 cm土层趋于稳定。相比于裸地与草本，乔木与灌木对土壤钾元素具有更强的活化作用。紫色土受成土母质的影响，导致土壤含钾量较高。除根系的穿插为土壤中钾元素的迁移提供路径外，根系对土壤中AK的吸收促进了土壤中各形态钾的相互转换，根系的分泌物则会促进土壤中钾离子的释放。崔建宇等^[30]的研究表明，当根系分泌物中的低分子量有机酸浓度为1mmol/L时，各有机酸对土壤钾的活化效果：草酸 > 酒石酸 > 苹果酸。钾在土壤中的移动性介于氮与磷之间，具有良好的迁移性。

3.2 不同植被覆盖下紫色土剖面根系分布对土壤CAI的影响

本研究发现，不同植被覆盖下紫色土CAI值表层高于底层，与根系和养分在土壤剖面中的分布规律一致，且土壤CAI值与植物根系体积、表面积呈极显著正相关，4类植被中乔木根系的表面积与体积值最大，在相同的土层深度下乔木覆盖下的CAI值最大。土壤CAI值与土壤pH、AP含量呈显著负相关，与土壤SOM、AN含量呈显著正相关。李勇等^[21]的研究发现，植物根系对土壤风化作用的强化效应随土层深度的增加而减小，覆盖的植被种类不同，其根系对土壤风化的加强作用具有明显的差别，≤1 mm的根系对土壤风化具有较好的强化作用。本研究中涉及的4类植被根系中均含有≤1mm的根系，其对土壤的风化具有较好的促进作用。4类植被覆盖下，裸地的土壤风化程度整体最低，乔木、灌木与草本3类植被覆盖下的土壤属于自然形成，土壤剖面表层的化学蚀变指数相近。随土层深度的增加，根系对土壤风化的影响开始出现明显的区别，根系的长度决定了根系对土壤风化影响的区域范围。草本植物根长受限，导致根系对土壤的风化作用效果集中在0 ~ 20 cm土层，乔木与灌木的根系对风化的影响仍在深层土层持续。植物驱动土壤矿物风化的大量研究表明，根系对土壤风化的直接作用主要表现在：根系分泌物中低分子量有机酸以及H⁺的酸解、根际微生物的对土壤矿物的分解^[31]。酸性环境对土壤矿物的风化具有促进作用^[20]，随pH的降低促进风化的效果越好。Dontsova等^[32]研究表明，与无菌根定殖相比，被几种外生菌根真菌定植的苏格兰松树幼苗能够在更大程度上溶解磷灰石并吸收相关的磷，且幼苗对白云母的风化作用也有所增强。植物根系对土壤风化间接驱动作用还体现在有机质的分解为土壤微生物提供丰富的碳源与氮源。土壤的风化过程除受植被着生的影响外，还受成土母岩、气候等因素的影响。虽然紫色土与其他土壤相比具有风化快的特点，在本研究中根系的各指标与土壤CAI值具有较明显的相关性，但自然的成土过程极为缓慢，植物根系对土壤风化的影响较为有限。

4 结论

1) 4类植被覆盖类型的根系在紫色土中主要分布在0 ~ 20 cm土层，均呈现随土层深度的增加而减少的趋势，根系表面积与体积也随之降低。乔木根系分布至90 cm深度，灌木根系分布至60 cm深度，草本与裸地覆盖下的根系仅存在于0 ~ 20 cm土层。

2) 4类不同植被覆盖条件下，土壤养分含量均随土层深度的增加而降低，其中有机质、碱解氮与速效钾含量下降幅度最为显著。有机质与碱解氮含量主要受地表枯枝落叶腐解的影响。紫色土含钾量丰富，土壤表层根系活化最为强烈，钾元素得以释放，促进了养分的表聚现象。有效磷含量的变化较小，受根系分布的影响较小，在土壤中的移动性较差。

3) 乔木、灌木、草地与裸地覆盖下的土壤CAI值随土层深度的增加而降低，表明紫色土表层风化程度高，深层风化程度低。土壤CAI值与根系表面积、根系体积呈极显著正相关(P < 0.01)，相关系数高达0.621、0.693，表明根系的分布对紫色土的风化具有促进作用。