紫色土區(qū)3種草本植物根系特征及改土培肥效應(yīng)

諶蕓，何丙輝，練彩霞，劉志鵬

(西南大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，三峽庫(kù)區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400715)

紫色土區(qū)3種草本植物根系特征及改土培肥效應(yīng)

諶蕓，何丙輝*，練彩霞，劉志鵬

(西南大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，三峽庫(kù)區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400715)

摘要：為探討紫色土區(qū)草本植物根系的改土培肥效應(yīng)，選取已種植3年(2011-2013年)的水土保持常用草類(lèi)紫花苜蓿、狗牙根和香根草為目標(biāo)物種，分0~10 cm，10~20 cm，20~30 cm土層采集根系和土壤樣品，WinRHIZO(Pro.2004c)根系分析系統(tǒng)測(cè)定根系指標(biāo)，常規(guī)方法測(cè)定土壤理化性質(zhì)。結(jié)果表明：所有土層，香根草的各項(xiàng)根系指標(biāo)均較優(yōu)，尤其是根長(zhǎng)密度和根表面積密度(最大均值分別為13.46 cm/cm3和5.75 cm2/cm3)，紫花苜蓿則總體上的根重密度最好(最小均值為18.10 mg/cm3)；定植3年，這3種草本植物并未對(duì)試驗(yàn)區(qū)紫色土的機(jī)械組成產(chǎn)生顯著影響，但在數(shù)值上草本區(qū)有粗顆粒減少、細(xì)顆粒增多的趨勢(shì)；多數(shù)草本植物對(duì)多個(gè)土層的土壤有機(jī)質(zhì)和速效鉀產(chǎn)生顯著影響(有機(jī)質(zhì)增加，速效鉀虧損)，而對(duì)土壤全氮、堿解氮、總磷、有效磷和全鉀的影響卻很微弱；所有草本區(qū)的全鉀含量較高3.93~4.83 g/kg，卻在幾乎所有土層出現(xiàn)速效鉀的虧損，尤其是紫花苜蓿區(qū)最大虧損量達(dá)20.24 mg/kg；相關(guān)分析中，所有土壤養(yǎng)分與全部或部分根系指標(biāo)呈現(xiàn)顯著或極顯著相關(guān)(最大相關(guān)系數(shù)為0.833)。

關(guān)鍵詞：水土保持；根重密度；根長(zhǎng)密度；根表面積密度；土壤養(yǎng)分

Root system distribution characteristics of three herbs and their effects on soil composition and nutrients in the ‘Purple Soil’ region

CHEN Yun, HE Bing-Hui*, LIAN Cai-Xia, LIU Zhi-Peng

CollegeofResourcesandEnvironment,KeyLaboratoryofEco-environmentsinThreeGorgesReservoirRegion,SouthwestUniversity,Chongqing400715,China

Abstract:In order to explore the effects of herb roots on soil physical properties and soil nutrients, alfalfa (Medicago sativa), Bermuda grass (Cynodon dactylon) and vetiver grass (Vetiveria zizanioides), planted for three years, were used for these experiments. Taking bare plots as a contrast, soil and root samples from 0-10 cm, 10-20 cm and 20-30 cm soil layers were collected. Then the WinRHIZO (Pro.2004c) root analysis system was used to measure root parameters and conventional methods were used to measure soil physical and chemical properties. In all three soil layers, vetiver grass root parameters were excellent, especially root length density and root surface area density, for these two traits the maxima averaged 13.46 cm/cm3and 5.75 cm2/cm3, respectively. Overall, root weight density (RWD) of alfalfa was the greatest, with a minimum average of 18.10 mg/cm3. None of the three herbs had any significant effects on soil physical properties 3 years after planting, but data for the herb plots showed that the proportion of sand particles had decreased and the proportion of finer particles (silt and clay) had increased, compared to bare CK plots. Most herbs had significant effects on soil organic matter and available potassium in most soil layers, with content of organic matter increasing and content of available potassium decreasing. However, the herbs had almost no effect on soil total nitrogen, alkali-hydrolyzable nitrogen, total phosphorous, available phosphorous and total potassium. The total potassium contents of all herb plots (3.93-4.83 g/kg) were higher than the bare plots, but the available potassium levels of all herb plots were low, especially in alfalfa. The maximum deficient number was 20.24 mg/kg. All soil nutrients had significant correlations (P<0.05) with all or some of the root parameters, and the maximum correlation coefficient was 0.833, for the relationship between organic matter and RWD.

Key words:soil and water conservation; RWD (root weight density); RLD (root length density); RAD (root surface area density); soil nutrient

紫色土，結(jié)構(gòu)松散，抗侵蝕能力弱，在集中降雨特別是暴雨的沖刷下極易造成嚴(yán)重的水土流失，而植被是治理水土流失最有效和最根本的方法[1-3]。草本植物種植方法簡(jiǎn)單、費(fèi)用低廉、生長(zhǎng)迅速、防止初期土壤侵蝕效果良好，在水土保持中具有重要地位和廣泛應(yīng)用。根系則是植物體非常重要的部分，具有支持與固著，吸收、輸導(dǎo)與貯藏，合成和分泌等主要功能，還具有收縮、呼吸、寄生、攀緣和繁殖等特殊功能[4]。鑒于其重要性，人類(lèi)很早就開(kāi)始研究根系，最早是Hales[5]對(duì)栽培作物的根系進(jìn)行了形態(tài)學(xué)的觀察，并測(cè)定了長(zhǎng)度和重量。植物與土壤方面的研究一致認(rèn)為根系能疏松土壤，能影響土壤有機(jī)質(zhì)等養(yǎng)分的含量和分布。首先，根系穿插在土壤中并生長(zhǎng)，一方面能增加土壤孔隙數(shù)量，疏松土壤，改善土壤通透性，提高土壤水庫(kù)貯水能力[6-8]，另一方面須根網(wǎng)絡(luò)固持土壤顆粒，促進(jìn)團(tuán)聚體形成，均減少了水土流失量，進(jìn)而減少了土壤養(yǎng)分流失；其次，根系能產(chǎn)生各種分泌物，為土壤中的小生物(如蚯蚓)和微生物的活動(dòng)、繁殖等創(chuàng)造有利條件，而這些小生物和微生物可以分解有機(jī)質(zhì)，改善土壤性狀，從而影響土壤養(yǎng)分；再次，深根還可以吸收利用土壤深層營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，減少土壤表層養(yǎng)分損耗，進(jìn)而改變土壤養(yǎng)分分布。

考慮到物種的廣泛性、適生性和經(jīng)濟(jì)性，本實(shí)驗(yàn)選取了南方水土保持先鋒物種香根草(Vetiveriazizanioides)，“牧草之王”紫花苜蓿(Medicagosativa)，本地野生狗牙根(Cynodondactylon)為目標(biāo)物種，人工栽植3年，測(cè)定土壤機(jī)械組成和土壤養(yǎng)分，根系掃描分析系統(tǒng)測(cè)定根系指標(biāo)，分析根系、土壤質(zhì)地和土壤養(yǎng)分的垂直分布特征及根系對(duì)土壤質(zhì)地和土壤養(yǎng)分的影響。以期研究結(jié)果為人工邊坡植被構(gòu)建、植物籬技術(shù)推廣和果園生草栽培中草種選用提供參考，為這幾種草本植物改土培肥效應(yīng)評(píng)估提供一定的理論依據(jù)。

1材料與方法

1.1　研究區(qū)概況

試驗(yàn)小區(qū)位于重慶市北碚區(qū)歇馬鎮(zhèn)西南大學(xué)教學(xué)科研基地內(nèi)，106°48′54″ E，29°45′08″ N，屬丘陵地貌，平均海拔563 m[9]。該地區(qū)屬亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候，年均氣溫18.3℃；雨量充足，年均降雨量1100 mm；日照較少，年均日照1270 h。試驗(yàn)小區(qū)土壤為灰棕紫色土。

1.2　試驗(yàn)設(shè)計(jì)

紫花苜蓿、狗牙根和香根草均為多年生草本植物，根系發(fā)達(dá)，抗逆性強(qiáng)。試驗(yàn)共設(shè)4個(gè)處理：對(duì)照，即裸地，無(wú)任何植被；3個(gè)草本區(qū)，分別種植紫花苜蓿、狗牙根和香根草，每個(gè)處理3次重復(fù)，共12個(gè)小區(qū)(長(zhǎng)6 m，寬4 m)。所有草本植物均于2011年3月底采用育苗區(qū)健壯的實(shí)生苗移栽，“株距×行距”為“30 cm×35 cm”[9]。栽培期間，各小區(qū)進(jìn)行相同的常規(guī)管護(hù)，定期人工拔除雜草和灌溉。

1.3　樣品采集

2013年7月中旬，天氣連續(xù)放晴時(shí)，分別對(duì)各小區(qū)進(jìn)行土樣采集。采樣前3 d以上無(wú)拔草和灌溉。每個(gè)小區(qū)先按“五點(diǎn)法”確定采樣點(diǎn)，然后分0~10 cm、10~20 cm、20~30 cm取各自的混合土樣500 g左右?guī)Щ貙?shí)驗(yàn)室，用于土壤機(jī)械組成和養(yǎng)分測(cè)定。

草本區(qū)按S曲線(xiàn)選取健康成體植株，去除植株的地上部分后，以植株為中心確定采樣點(diǎn)。取樣時(shí)，先清除表層的枯落物、雜質(zhì)和浮土層，將環(huán)刀(底面積30 cm2，高2 cm)刃口向下垂直且水平緩慢地依次壓入0~10 cm、10~20 cm、20~30 cm土層，小心挖掘出，輕輕削平環(huán)刀兩端，去除四周多余的土和根系。每個(gè)小區(qū)4個(gè)重復(fù)，共計(jì)36個(gè)樣。取樣時(shí)，各草本區(qū)植被蓋度約為90%。

1.4　指標(biāo)測(cè)定

土壤機(jī)械組成采用吸管法；有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀容量法；全氮采用濃硫酸消化-擴(kuò)散法；堿解氮采用堿解擴(kuò)散法；全磷采用Na2CO3熔融-鉬銻抗比色法；有效磷采用NaHCO3-鉬銻抗比色法；全鉀采用NaOH熔融-火焰光度法；速效鉀采用NH4Ac-火焰光度法[10]。環(huán)刀內(nèi)的土樣待直剪試驗(yàn)完成后取出，先置于水中浸泡數(shù)小時(shí)以利于根、土分離；然后置于0.05 mm的網(wǎng)篩內(nèi)用適當(dāng)流量的自來(lái)水沖洗，并分選出所有的根系；最后，采用EPSON LA在400 dpi下進(jìn)行灰度掃描，WinRHIZO(Pro.2004c)根系分析系統(tǒng)對(duì)根系長(zhǎng)度RL(root length)和根表面積RA(root surface area)進(jìn)行分析[9]。掃描后的根系裝入牛皮紙信封放入烘箱在105℃下烘至恒重，冷卻后1/1000電子天平稱(chēng)出根干重RW(root weight)。根重密度RWD(root weight density)、根長(zhǎng)密度RLD(root length density)和根表面積密度RAD(root surface area density)的計(jì)算公式如下：

RWD=總根干重/土體體積

(1)

RLD=總根長(zhǎng)度/土體體積

(2)

RAD=總根表面積/土體體積

(3)

1.5　數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2007作圖，SPSS 17.0進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)(Duncan法，P<0.05)和Pearson相關(guān)分析(雙側(cè)，P<0.05，P<0.01)。

2結(jié)果與分析

2.1　根系垂直分布特征

草本植物根系的分布特征決定了它對(duì)土體的影響范圍，即大多數(shù)只能對(duì)深30 cm以?xún)?nèi)的土體產(chǎn)生有效影響[8]，所以本實(shí)驗(yàn)僅研究0~30 cm土層的根系和土壤。同一草本區(qū)，紫花苜蓿和香根草的根重密度在0~10 cm、10~20 cm、20~30 cm土層間均存在顯著性差異，排序均為RWD(0~10 cm)>RWD(10~20 cm)>RWD(20~30 cm)；狗牙根0~10 cm土層的根重密度顯著大于10~20 cm和20~30 cm土層，10~20 cm和20~30 cm土層間則無(wú)顯著性差異。這表明土層能有效影響根系的垂直生長(zhǎng)：0~30 cm，土層越淺，根系生長(zhǎng)能力越強(qiáng)。一般植物在某土層積累的生物量越多，表明在該土層利用土壤水分、營(yíng)養(yǎng)和微量元素的能力越強(qiáng)，所以上述草本植物根系在0~10 cm土層的吸收能力最強(qiáng)，20~30 cm則相對(duì)最弱。草本間，0~10 cm土層，香根草的根重密度顯著大于紫花苜蓿；10~20 cm、20~30 cm土層，紫花苜蓿的根重密度卻顯著大于香根草。紫花苜蓿在0~30 cm各土層間的差異較香根草和狗牙根小，這可能是因?yàn)樽匣ㄜ俎８档闹饕植纪翆臃秶^寬(整株實(shí)驗(yàn)中，其根系的主要分布范圍在0~40 cm土層)，因此土層之間的差異性稍小。所有土層中，狗牙根的根重密度均最小，顯著小于紫花苜蓿和香根草，某些土層其根重密度僅為其他草本的3%(表1)?？梢?jiàn)，狗牙根根系對(duì)表土層水分和養(yǎng)分的吸收利用能力最弱，不會(huì)與其他植物發(fā)生爭(zhēng)水爭(zhēng)肥的問(wèn)題。

表1　草本植物根系參數(shù)

注：表中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤差(n=12)；不同小寫(xiě)字母表示同一草本不同土層之間的差異顯著，不同大寫(xiě)字母表示同一土層不同草本之間的差異顯著。

Note: Data are means±standard deviation. Different lowercase letters indicate significant difference among soil layers of the same herb, and different capital letters indicate significant difference among herbs of the same soil layer.

根長(zhǎng)密度能夠較為客觀的反映根系在各土層中的分布情況。它既能反映根系在土壤中的穿插和纏繞能力，也能表征某一土層的根系伸展量。同一草本區(qū)，紫花苜蓿的根長(zhǎng)密度在各土層間無(wú)顯著差異；狗牙根0~10 cm土層的根長(zhǎng)密度顯著大于10~20 cm，20~30 cm土層，而后兩個(gè)土層間則無(wú)顯著差異；香根草各土層的根長(zhǎng)密度均存在顯著差異。結(jié)合整株實(shí)驗(yàn)的觀察，這可能是因?yàn)?~10 cm土層雖然紫花苜蓿的根重密度大，但根徑較粗、少須根，以致根長(zhǎng)密度值不大；而其他兩個(gè)土層，雖然根重密度較小，但根較細(xì)且多須根，所以根長(zhǎng)密度與0~10 cm土層的相差不大，體現(xiàn)不出顯著性差異。狗牙根和香根草的根系則多須根，且大量分布在0~10 cm土層。同一土層，香根草的根長(zhǎng)密度均顯著大于紫花苜蓿和狗牙根，紫花苜蓿和狗牙根之間則無(wú)顯著差異。紫花苜蓿的根重密度與香根草相當(dāng)或略勝，而根長(zhǎng)密度卻顯著??；紫花苜蓿的根重密度顯著大于狗牙根，而根長(zhǎng)密度卻與其無(wú)顯著差異，原因亦與根徑和須根數(shù)量有關(guān)，觀測(cè)中同一土層紫花苜蓿的須根數(shù)量較狗牙根少很多。有關(guān)的研究認(rèn)為根長(zhǎng)密度能很好表征土壤的抗剪強(qiáng)度[13]，可作為評(píng)估根-土復(fù)合體固土抗沖抗剪性能的重要參數(shù)，據(jù)此紫花苜蓿不宜做護(hù)坡植物。

根表面積密度與根體積和須根的數(shù)量密切相關(guān)。一般而言，根體積越大，根表面積就越大；須根數(shù)量越多，根表面積亦越大，而根體積與根重、須根與根長(zhǎng)亦是密切相關(guān)。根系指標(biāo)相關(guān)分析中，根表面積密度與根長(zhǎng)密度極顯著相關(guān)(r=0.954)，所以同一草本區(qū)各土層之間根表面積的差異性規(guī)律與根長(zhǎng)密度相同；根表面積密度亦與根重密度顯著相關(guān)(r=0.659)，所以同一土層不同草本間亦呈現(xiàn)出與根重密度相似的差異性。

2.2　土壤機(jī)械組成特征

從圖1可知，試驗(yàn)區(qū)土壤顆粒組成：粉粒約占50%，砂粒約占30%，粘粒約占20%，根據(jù)三者的比值可確定為粉粘土。統(tǒng)計(jì)分析表明同一小區(qū)土層間，同一土層小區(qū)間均無(wú)顯著性差異。草本區(qū)植物已定植3年，根系的縱向、橫向已充分生長(zhǎng)，可草本區(qū)與對(duì)照間無(wú)顯著差異，可見(jiàn)此3種草類(lèi)根系對(duì)土壤質(zhì)地的影響很有限。隨定植時(shí)間的進(jìn)一步延長(zhǎng)，草本植物對(duì)土壤機(jī)械組成有可能會(huì)有較顯著的影響。

圖1亦表明隨土層深度的增加，草本區(qū)有砂粒減少，粉粒、粘粒增多的趨勢(shì)。同一土層，各草本區(qū)的砂粒含量均較對(duì)照CK小區(qū)稍小，粉粒和粘粒含量均較對(duì)照CK小區(qū)稍大。土壤顆粒的遷移具有分選性，草本區(qū)粗顆粒(砂粒)減少、細(xì)顆粒(粘粒、粉粒)增多則表明草本植物能固持土壤，改良土壤結(jié)構(gòu)。這一方面可能是地表莖葉有效攔截土壤細(xì)顆粒，減少流失，使得其所占比例增大；另一方面，草本的根系穿插在土壤中能夠粉碎部分大顆粒，而根系的纏繞作用又能固持細(xì)顆粒。

圖1　試驗(yàn)小區(qū)土壤機(jī)械組成Fig.1　Soil mechanical composition in experimental plots　　　A:0~10 cm土壤機(jī)械組成 Soil mechanical compositon in 0~10 cm soil layer;B:10~20 cm土壤機(jī)械組成 Soil mechanical compositon in 10~20 cm soil layer;C:20~30 cm土壤機(jī)械組成 Soil mechanical compositon in 20~30 cm soil layer.圖中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤差(n=3)；不同小寫(xiě)字母表示同一小區(qū)不同土層之間的差異顯著，不同大寫(xiě)字母表示同一土層不同小區(qū)之間的差異顯著。Data are means±standard deviation(n=3). Different lowercase letters indicate significant difference among soil layers of the same plot, and different capital letters indicate significant difference among plots of the same soil layer.

草本區(qū)各土層，細(xì)顆粒的排序均為：紫花苜蓿區(qū)>香根草區(qū)>狗牙根區(qū)，粗顆粒的排序則恰好相反。這與草本間根重密度的排序非常類(lèi)似，雖然相關(guān)分析并未發(fā)現(xiàn)二者之間顯著的相關(guān)性。但根重密度越大表明同體積的土體中根系所占的比例越大，可能對(duì)土體物理性質(zhì)方面的影響越顯著，這有待于進(jìn)一步的長(zhǎng)期觀察和更多根系指標(biāo)的選取和測(cè)定(如根體積和根體積密度)。

2.3　土壤養(yǎng)分分布特征

土壤中的根系，活根能提供分泌物，死根能提供有機(jī)質(zhì)，深根則能吸收土壤深層養(yǎng)分。此外，根系分泌物及枯落物腐解還影響著土壤微生物的生長(zhǎng)繁殖和活性，而土壤微生物又在土壤有機(jī)質(zhì)的分解及各類(lèi)營(yíng)養(yǎng)元素的轉(zhuǎn)化循環(huán)中發(fā)揮著重要作用。因此，根系在土壤中生長(zhǎng)，必然會(huì)影響著土壤養(yǎng)分的含量及分布。試驗(yàn)小區(qū)各土層的養(yǎng)分含量見(jiàn)表2。

表2　試驗(yàn)小區(qū)土壤養(yǎng)分分布

注：表中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤差(n=3)；不同小寫(xiě)字母表示同一小區(qū)不同土層之間的差異顯著，不同大寫(xiě)字母表示同一土層不同小區(qū)之間的差異顯著。

Note: Data are means±standard deviation(n=3). Different lowercase letters indicate significant difference among soil layers of the same plot, and different capital letters indicate significant difference among plots of the same soil layer.

2.3.1土壤有機(jī)質(zhì)分布特征土壤有機(jī)質(zhì)主要來(lái)源于生物有機(jī)體及根系分泌物，枯枝落葉及動(dòng)物尸體等的腐解均有利于土壤有機(jī)質(zhì)的積累。表2中，對(duì)照小區(qū)0~10 cm土層的有機(jī)質(zhì)含量顯著大于10~20 cm，20~30 cm土層，10~20 cm和20~30 cm土層間則無(wú)顯著性差異；紫花苜蓿區(qū)0~10 cm，10~20 cm土層的有機(jī)質(zhì)含量無(wú)顯著性差異，卻顯著大于20~30 cm土層；狗牙根區(qū)和香根草區(qū)各土層的有機(jī)質(zhì)含量均存在顯著差異。數(shù)值上，所有小區(qū)的有機(jī)質(zhì)含量均表現(xiàn)為：0~10 cm土層最大，10~20 cm土層次之，20~30 cm土層最小，這是植被對(duì)土壤養(yǎng)分的表聚效應(yīng)[14]。

各土層，草本區(qū)的有機(jī)質(zhì)含量均顯著大于對(duì)照小區(qū)。這表明草本植物根系的生長(zhǎng)有利于土壤有機(jī)質(zhì)的積累，分析原因可能是：一方面植物的枯落物和根系分泌物增加了土壤有機(jī)質(zhì)含量，另一方面由于地表植被覆蓋土壤，水分蒸發(fā)減慢，有利于腐殖物質(zhì)的分解和轉(zhuǎn)化。0~10 cm土層，香根草區(qū)的有機(jī)質(zhì)含量顯著大于紫花苜蓿區(qū)和狗牙根區(qū)，而紫花苜蓿區(qū)和狗牙根區(qū)之間無(wú)顯著性差異；10~20 cm和20~30 cm土層，紫花苜蓿區(qū)的有機(jī)質(zhì)含量顯著大于香根草區(qū)和狗牙根區(qū)，而香根草區(qū)和狗牙根區(qū)之間無(wú)顯著性差異。這與草本間根重密度的顯著性差異有些類(lèi)似。進(jìn)一步的相關(guān)分析(表3)表明草本區(qū)的土壤有機(jī)質(zhì)含量與上述3個(gè)根系指標(biāo)極顯著相關(guān)，尤其是根重密度(相關(guān)系數(shù)最大，r=0.833)。可見(jiàn)，雖然紫花苜蓿對(duì)土壤養(yǎng)分和營(yíng)養(yǎng)元素的吸收能力強(qiáng)，但其對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)的積累也最有利，分析原因一方面可能是紫花苜蓿根系較深和發(fā)達(dá)，能夠較多地吸收深層土壤的養(yǎng)分，并不只是消耗表土層養(yǎng)分，另一方面紫花苜蓿的地上部分繁茂，枯落物較多且較易腐解，能為土壤補(bǔ)充較多的有機(jī)質(zhì)。

表3　土壤養(yǎng)分與根系指標(biāo)相關(guān)分析

注：“*”表示在0.05水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)；“**”表示在0.01水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)。

Note: “*”and “**”indicate significant correlations at the level of 0.05 and 0.01 respectively, under bilateral inspection.

2.3.2土壤氮分布特征氮素對(duì)作物來(lái)說(shuō)是最重要的營(yíng)養(yǎng)元素，絕大部分作物生長(zhǎng)所需的氮素90%以上都是來(lái)源于土壤。土壤中的全氮含量一般在0.5~4.0 g/kg之間[15]，而紫色土本身的氮素含量偏低。對(duì)照CK小區(qū)和香根草區(qū)，0~30 cm各土層的全氮含量均無(wú)顯著性差異；紫花苜蓿區(qū)0~10 cm土層的全氮含量顯著大于10~20 cm，20~30 cm土層，而10~20 cm和20~30 cm土層間無(wú)顯著性差異；狗牙根區(qū)0~10 cm和10~20 cm土層的全氮含量無(wú)顯著性差異，卻都顯著大于20~30 cm土層的?？梢?jiàn)，表土層全氮含量隨土層深度變化的差異性較小。0~10 cm土層，小區(qū)之間的全氮含量均存在顯著差異，排序?yàn)椋鹤匣ㄜ俎^(qū)>狗牙根區(qū)>香根草區(qū)>對(duì)照CK區(qū)；10~20 cm土層，紫花苜蓿區(qū)與狗牙根區(qū)的全氮含量無(wú)顯著差異，卻均顯著大于香根草區(qū)和對(duì)照CK區(qū)(二者間無(wú)顯著差異)；20~30 cm土層，紫花苜蓿區(qū)的全氮含量顯著大于狗牙根區(qū)和對(duì)照CK區(qū)，與香根草區(qū)無(wú)顯著差異，而狗牙根區(qū)、香根草區(qū)和對(duì)照CK區(qū)之間亦無(wú)顯著差異。就數(shù)值而言，各小區(qū)各土層的全氮含量幾乎全大于對(duì)照小區(qū)，與有機(jī)質(zhì)類(lèi)似，這是因?yàn)橥寥廊恐饕Q于有機(jī)質(zhì)的積累和分解作用的相對(duì)強(qiáng)度[16]。

土壤堿解氮亦稱(chēng)為土壤有效氮，是指在當(dāng)季或一定時(shí)間內(nèi)能被作物吸收利用的氮。各小區(qū)，除狗牙根區(qū)10~20 cm和20~30 cm土層的堿解氮含量無(wú)顯著性差異，其余小區(qū)土層間堿解氮的差異性與全氮一致，相關(guān)分析表明二者極顯著相關(guān)(r=0.613)。同一土層，除狗牙根區(qū)20~30 cm土層的堿解氮含量顯著小于其他小區(qū)外，其余土層各小區(qū)間的堿解氮含量無(wú)顯著性差異?？梢?jiàn)，草本植物在消耗利用土壤堿解氮的同時(shí)，亦向土壤補(bǔ)充有機(jī)質(zhì)，表2中各草本區(qū)各土層的有機(jī)質(zhì)含量均較對(duì)照小區(qū)高，而堿解氮包括部分易分解有機(jī)質(zhì)中的氮。紫花苜蓿區(qū)的全氮含量顯著大于其他小區(qū)，而堿解氮卻與其他小區(qū)無(wú)顯著差異，一則是因?yàn)閴A解氮只是全氮中的部分，二則是因?yàn)樽匣ㄜ俎?duì)土壤養(yǎng)分的吸收利用量較其他2種草本大。

2.3.3土壤磷分布特征同一小區(qū)，對(duì)照CK小區(qū)和狗牙根區(qū)20~30 cm土層的總磷含量顯著小于其他2個(gè)土層，紫花苜蓿區(qū)和香根草區(qū)各土層間均無(wú)顯著差異。可見(jiàn)，總磷在表土層空間分布的差異性非常小，根系并未對(duì)其分布產(chǎn)生有效影響，這可能是因?yàn)橥寥乐锌偭缀康亩嗌僦饕獩Q定于土壤母質(zhì)類(lèi)型，而土壤本身對(duì)磷的固定能力較強(qiáng)。0~10 cm土層，所有小區(qū)的總磷含量無(wú)顯著性差異；10~20 cm土層，以對(duì)照小區(qū)為基準(zhǔn)，紫花苜蓿區(qū)和狗牙根區(qū)則出現(xiàn)了少量的虧損；20~30 cm土層，紫花苜蓿區(qū)和香根草區(qū)的總磷含量顯著大于對(duì)照小區(qū)，而狗牙根區(qū)與對(duì)照間無(wú)顯著差異。相關(guān)分析中，總磷與根長(zhǎng)密度和根表面積密度顯著正相關(guān)(r=0.405，r=0.448)。香根草須根發(fā)達(dá)，根長(zhǎng)密度和根表面積顯著大于其他草本，可見(jiàn)這兩個(gè)根系指標(biāo)與土壤總磷的固持有密切關(guān)系。

同一小區(qū)，除香根草各土層間的有效磷含量差異顯著外，其余小區(qū)土層間的有效磷含量差異性與總磷類(lèi)似；同一土層，除紫花苜蓿區(qū)各土層的有效磷含量均顯著大于其他小區(qū)外，香根草區(qū)20~30 cm土層和狗牙根區(qū)的所有土層均出現(xiàn)了有效磷的虧損。這可能是因?yàn)橥寥乐杏行Я缀枯^其他養(yǎng)分低，其含量又受土壤溫度、酸度和水分等因素的影響，而紫花苜蓿所提供的小環(huán)境有利于有效磷的積累，其根能利用深層土壤中的有效磷，減少表層土壤有效磷的消耗。相關(guān)分析中，有效磷與根重密度極顯著正相關(guān)(r=0.561)。此外，有機(jī)質(zhì)含量高有利于提高磷的有效性[17]，表2中紫花苜蓿區(qū)的有機(jī)質(zhì)含量較其他小區(qū)高。狗牙根區(qū)和香根草區(qū)的有機(jī)質(zhì)含量亦高于對(duì)照區(qū)，卻出現(xiàn)了部分虧損，可見(jiàn)二者對(duì)有效磷的消耗大于積累，尤其是香根草區(qū)(其總磷含量顯著大于其他小區(qū)，而有效磷卻虧損)，需要人工補(bǔ)施磷肥，避免進(jìn)一步地虧損。

2.3.4土壤鉀分布特征土壤中全鉀的含量較其他養(yǎng)分高，試驗(yàn)小區(qū)全鉀含量為3.61~4.83 g/kg。同一小區(qū)，紫花苜蓿區(qū)和狗牙根區(qū)各土層的全鉀含量存在顯著差異；對(duì)照小區(qū)，20~30 cm土層的全鉀含量顯著小于其他土層，其他土層間則無(wú)顯著性差異；香根草區(qū)0~10 cm土層的全鉀含量顯著大于其他土層，其他土層間則無(wú)顯著性差異。可見(jiàn)紫花苜蓿和狗牙根對(duì)表層土壤全鉀的垂直分布產(chǎn)生了有效影響。0~10 cm，10~20 cm土層，狗牙根區(qū)的全鉀含量顯著大于其他小區(qū)；20~30 cm土層，草本區(qū)的全鉀含量均顯著大于對(duì)照區(qū)，紫花苜蓿區(qū)的則顯著大于狗牙根區(qū)和香根草區(qū)，而后兩個(gè)草本區(qū)間則無(wú)顯著性差異。相關(guān)分析中，土壤全鉀與根長(zhǎng)密度和根表面積密度顯著負(fù)相關(guān)(r=-0.397，r=-0.406)，秦川等[18]對(duì)紫色丘陵區(qū)黃花根系的研究中表土層全鉀含量亦與根表面積負(fù)相關(guān)(r=-0.315)。各土層草本區(qū)的土壤全鉀含量較對(duì)照高，分析可能原因：一方面是因?yàn)樽仙粮缓浰?，而上述草?lèi)對(duì)鉀的需求不大；另一方面是草本枯落物腐解及根系分泌物提高土壤微生物活性，向土壤補(bǔ)充了鉀素，進(jìn)而使得表土層全鉀未虧損。

速效鉀能直接被植物根系吸收。所有小區(qū)土層間的速效鉀含量均存在顯著性差異，表現(xiàn)為隨土層加深而含量減小。0~10 cm土層，狗牙根區(qū)的速效鉀顯著大于對(duì)照小區(qū)，紫花苜蓿區(qū)和香根草區(qū)則出現(xiàn)明顯虧損，尤其是紫花苜蓿區(qū)；10~20 cm，20~30 cm土層，草本區(qū)的速效鉀含量均顯著小于對(duì)照小區(qū)，出現(xiàn)虧損。速效鉀只是全鉀中能直接被植物根系吸收利用的一部分，因此其含量變化較全鉀顯著。相關(guān)分析中，土壤速效鉀與根表面積密度顯著正相關(guān)(r=0.422)，可見(jiàn)須根越多，根系表面積越大，越有利于固著態(tài)鉀等的活化和速效鉀的積累。

3討論與結(jié)論

定植3年，香根草的各項(xiàng)根系指標(biāo)均較優(yōu)，尤其是根長(zhǎng)密度和根表面積密度，這與其他相關(guān)研究的結(jié)論一致，也是香根草被多個(gè)國(guó)家和地區(qū)公認(rèn)為理想的水土保持植物的原因之一。紫花苜蓿的根重密度最大，整株研究中其根系長(zhǎng)度較狗牙根和香根草深，能吸收利用深層土壤養(yǎng)分，的確是良好的牧草。狗牙根的各項(xiàng)根系指標(biāo)均較弱，但有關(guān)的研究認(rèn)為其固土抗蝕性能卻較紫花苜蓿強(qiáng)[9,13,19]。

與對(duì)照相比，定植3年的紫花苜蓿、狗牙根和香根草并未對(duì)試驗(yàn)區(qū)紫色土的機(jī)械組成產(chǎn)生顯著影響，且機(jī)械組成與根系指標(biāo)的相關(guān)分析亦未發(fā)現(xiàn)任何顯著相關(guān)。但與對(duì)照小區(qū)相比，在數(shù)值上草本區(qū)有粗顆粒減少，細(xì)顆粒增多的趨勢(shì)。雖然目前草本植物根系對(duì)土壤機(jī)械組成的影響微弱，但進(jìn)一步的長(zhǎng)期觀測(cè)和更多根系指標(biāo)的選取有可能會(huì)發(fā)現(xiàn)顯著性差異和顯著相關(guān)。

定植3年后，多數(shù)草本植物對(duì)多個(gè)土層的有機(jī)質(zhì)和速效鉀均產(chǎn)生顯著影響，而對(duì)土壤全氮、堿解氮、總磷、有效磷和全鉀的影響卻很微弱?？傮w上紫花苜蓿對(duì)土壤養(yǎng)分的影響較狗牙根和香根草明顯，其多個(gè)土層的有機(jī)質(zhì)、全氮、總磷和有效磷含量顯著大于其他小區(qū)。究其原因，一方面紫花苜蓿是深根系植物，根系發(fā)達(dá)，主根粗大，側(cè)根密布，能吸收利用深層土壤養(yǎng)分；另一方面紫花苜蓿是豆科植物，具有共生固氮的能力[15]，即當(dāng)根瘤菌從根毛侵入到根部后能夠形成根瘤，根瘤中的類(lèi)菌體在固氮酶的作用下可將分子態(tài)的氮轉(zhuǎn)變?yōu)榘睉B(tài)氮，而空氣中80%是氮?dú)?，因此有固氮能力的根瘤能夠?yàn)橹参锾峁┑貭I(yíng)養(yǎng)，從而減少根系從表層土壤中吸收氮，減少表土氮的損耗。狗牙根區(qū)所有土層的有效磷均顯著小于對(duì)照小區(qū)，香根草區(qū)總磷顯著大于其他小區(qū)，而有效磷卻虧損，均表明試驗(yàn)區(qū)土壤需要施加磷肥。幾乎所有草本區(qū)的速效鉀虧損，而全鉀含量卻較高，可能是這3種草類(lèi)對(duì)鉀的需求量較大，而全鉀中有效鉀所占的比例卻較小，這需要相關(guān)的實(shí)驗(yàn)研究查明原因。

總體上，定植3年的紫花苜蓿、狗牙根和香根草對(duì)紫色土具有一定的改良培肥效應(yīng)，尤其是對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)，這與張慶費(fèi)等[20]的研究結(jié)論一致。草本區(qū)的土壤養(yǎng)分富集在0~10 cm土層，這與植被對(duì)土壤養(yǎng)分的表聚效應(yīng)相吻合[21]。此外，根系固土方面的研究認(rèn)為根長(zhǎng)密度和根表面積密度是影響土壤抗沖性能的主要根系指標(biāo)，尤其是根表面積，所以香根草是非常好的固土護(hù)坡植物，但若作為植物籬物種，則需考慮與農(nóng)作物間的間距，否則有可能發(fā)生爭(zhēng)水爭(zhēng)肥的問(wèn)題。紫花苜蓿是良好的牧草，各土層的干物質(zhì)量均較大，且改土培肥效應(yīng)較好，但根系力學(xué)性能指標(biāo)較差，不宜用作護(hù)坡植物，作為植物籬或果園生草則應(yīng)合理布設(shè)。狗牙根可用作草坪草，省水省肥，亦可作為生態(tài)護(hù)坡草種，但培肥效應(yīng)不明顯。

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《中國(guó)種業(yè)》 征訂啟事

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CHEN Yun, HE Bing-Hui, LIAN Cai-Xia, LIU Zhi-Peng. Root system distribution characteristics of three herbs and their effects on soil composition and nutrients in the ‘Purple Soil’ region. Acta Prataculturae Sinica, 2015, 24(10): 99-107.

通訊作者*Corresponding author. E-mail：hebinghui@swu.edu.cn

作者簡(jiǎn)介：諶蕓(1981-)，女，四川西昌人，副教授，博士。E-mail：sy22478@126.com

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金(41271291，41501288)，國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2011BAD31B03)，中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)(SWU113013，XDJK2014C103，XDJK2015C170)和西南大學(xué)教育教學(xué)改革研究項(xiàng)目(2013JY052)資助。

收稿日期：2014-11-06；改回日期：2015-01-14

DOI：10.11686/cyxb2014456