紫色土區(qū)香根草不同徑級(jí)的根系特征與培肥效應(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)香根草不同徑級(jí)的根系特征與培肥效應(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，三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶400715）

為探討水土保持先鋒物種香根草的培肥效應(yīng)及其與各徑級(jí)根系指標(biāo)間的關(guān)系，以裸地為對(duì)照，定期分0～1

0 cm，10～20 cm，20～30 cm土層采集土壤和根系樣品，常規(guī)方法測(cè)定土壤有機(jī)質(zhì)、氮、磷、鉀的全量和速效養(yǎng)分，WinRHIZO（Pro.2004c）根系分析系統(tǒng)分10個(gè)徑級(jí)測(cè)定根系參數(shù)（根長(zhǎng)、根表面積和根體積）。結(jié)果表明：香根草的培肥效應(yīng)主要體現(xiàn)在有機(jī)質(zhì)上，且此效應(yīng)隨香根草定植時(shí)間的延長(zhǎng)而增強(qiáng)，其次是全氮，而有效磷和速效鉀則出現(xiàn)虧損；香根草小區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)、有效磷、全鉀、速效鉀均表現(xiàn)出明顯的土壤養(yǎng)分表聚現(xiàn)象，在0～10 cm土層的含量顯著大于其他土層的（P＜0.05）；0.00 mm＜d≤2.00 mm（d為根系直徑）是影響土壤有機(jī)質(zhì)含量的主要根徑范圍，該范圍內(nèi)所有徑級(jí)的根長(zhǎng)密度/根表面積密度/根體積密度均與土壤有機(jī)質(zhì)含量極顯著正相關(guān)（P＜0.01），尤其是徑級(jí)0.00 mm＜d≤0.50 mm，其次是徑級(jí)1.50 mm＜d≤2.00 mm；d=2.00 mm和d=4.50 mm是重要分界線，當(dāng)0.00 mm＜d≤2.00 mm時(shí)，香根草各徑級(jí)的所有根系指標(biāo)在土層間均表現(xiàn)出顯著性差異且與土層深度極顯著負(fù)相關(guān)，其中0.50 mm＜d≤1.00 mm徑級(jí)的相關(guān)系數(shù)值最大，當(dāng)2.00 mm＜d≤4.50 mm時(shí)土壤養(yǎng)分與所有徑級(jí)的根系指標(biāo)均無顯著性相關(guān)；根重密度/根長(zhǎng)密度/根表面積密度/根體積密度的最大值均出現(xiàn)在0～10 cm土層，且根長(zhǎng)密度在年際間、土層間均表現(xiàn)出顯著性差異。

水土保持；根長(zhǎng)；根表面積；根體積；土壤養(yǎng)分

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諶蕓，何丙輝，練彩霞，劉志鵬.紫色土區(qū)香根草不同徑級(jí)的根系特征與培肥效應(yīng).草業(yè)學(xué)報(bào)，2016，25（2）：187-197.

CHEN Yun，HE Bing-Hui，LIAN Cai-Xia，LIU Zhi-Peng.Effects of Vetiveria zizanioides roots on soil properties in the Purple Soil Area of China and the role of different root diameter classes.Acta Prataculturae Sinica，2016，25（2）：187-197.

我國于20世紀(jì)80年代末開始開發(fā)利用香根草（Vetiveria zizanioides）治理水土流失和穩(wěn)固道路邊坡［1］，并開展香根草生態(tài)工程研究［2］。香根草治理水土流失主要是通過在坡地上構(gòu)建植物籬而實(shí)現(xiàn)，其地上部分茂密莖葉類似于“生物壩”［3］，起到緩流攔沙的作用，而地下部分發(fā)達(dá)根系網(wǎng)絡(luò)固持土壤，起到固土護(hù)坡的作用，此兩方面相關(guān)的研究成果已非常多［4-6］。在紫色土坡耕地的水土流失治理中香根草具有廣泛應(yīng)用，且效果良好［7-8］。紫色土成土?xí)r間短，土層淺薄，結(jié)構(gòu)疏松，有機(jī)質(zhì)含量低，保肥性能較差，因此在水土保持的同時(shí)開辟肥源是提高其生產(chǎn)力的關(guān)鍵。目前有關(guān)香根草對(duì)土壤培肥作用的研究卻較少，且關(guān)注的是香根草植物籬帶間坡地土壤養(yǎng)分的變化［9-11］（即主要由于植物籬的緩流攔沙而引起的土壤養(yǎng)分的重分布），由于取樣難度及對(duì)植物籬墻的破壞等原因，鮮有對(duì)籬帶區(qū)土壤養(yǎng)分進(jìn)行觀測(cè)。植被的培肥效應(yīng)與其地上和地下部分的生物量、地下根系分布及特征等密切相關(guān)［12］。根系穿插在土壤中生長(zhǎng)，一方面促進(jìn)團(tuán)聚體形成，減少土壤養(yǎng)分流失［13］；另一方面改善土壤小生物和微生物環(huán)境，促進(jìn)土壤養(yǎng)分積累。此外，深根還可以吸收利用深層土壤營養(yǎng)物質(zhì)，減少表土層養(yǎng)分損耗。目前，有關(guān)植物根系分布特征對(duì)土壤養(yǎng)分的影響已有不少研究［14-15］，考慮到了土樣（或單位土體）中根系生物量、根長(zhǎng)、根表面積、根體積等根系指標(biāo)，但鮮有考慮到不同徑級(jí)的根系指標(biāo)。如同草本植物的須根（直徑≤1.00 mm）對(duì)固土抗蝕效應(yīng)的貢獻(xiàn)最大一樣，各徑級(jí)根系對(duì)培肥效應(yīng)的貢獻(xiàn)定有差異。本研究在紫色土區(qū)種植香根草3年，分析香根草對(duì)表土層的培肥效應(yīng)，探析各徑級(jí)根系指標(biāo)與培肥效應(yīng)之間的關(guān)系，既彌補(bǔ)了上述研究的空缺，又為紫色土區(qū)坡耕地保護(hù)性利用和香根草的進(jìn)一步推廣應(yīng)用提供了理論依據(jù)。

1　材料與方法

1.1試驗(yàn)設(shè)計(jì)

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（106°48′54″E，29°45′08″N）。對(duì)照（裸地，無任何植被）及香根草小區(qū)規(guī)格均為：長(zhǎng)6 m、寬4 m，3次重復(fù)，共6個(gè)小區(qū)。小區(qū)內(nèi)的香根草于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”。此外，設(shè)置補(bǔ)種區(qū)，一旦香根草小區(qū)植株被取樣，則立即從補(bǔ)種區(qū)移植健康植株補(bǔ)上。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。實(shí)驗(yàn)區(qū)土壤為灰棕紫色土，年均氣溫18.3℃，年均降雨量1100 mm，年均日照1270 h［10］。

1.2樣品采集

2011、2013年7月中旬，天氣連續(xù)放晴時(shí)，進(jìn)行采樣。采樣前3 d以上無拔草和灌溉等人為活動(dòng)。由于香根草生長(zhǎng)迅速，在水土保持中主要作為先鋒物種，考慮的時(shí)效性不長(zhǎng)，加之紫色土土層淺薄，故本研究?jī)H對(duì)0～30 cm土層內(nèi)的土壤養(yǎng)分和根系進(jìn)行取樣分析。土樣采集時(shí)，每個(gè)小區(qū)先按“五點(diǎn)法”確定采樣點(diǎn)，各樣點(diǎn)除去表層植物殘?jiān)褪瘔K等，然后分0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm取土樣。采樣時(shí)，各小區(qū)各土層5個(gè)樣點(diǎn)的土樣重量盡量接近，混合均勻后貼上標(biāo)簽帶回實(shí)驗(yàn)室測(cè)定土壤養(yǎng)分［10］，每年共計(jì)18個(gè)混合土樣。香根草根系采集時(shí)，選取健康成體植株，去除植株的地上部分后，以植株為中心進(jìn)行取樣。取樣時(shí)，先清除表層的枯落物、雜質(zhì)和浮土層，將圓形環(huán)刀（底面積30 cm2，高2 cm）或方形環(huán)刀（長(zhǎng)×寬×高：20 cm×10 cm×10 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)圓形環(huán)刀4個(gè)重復(fù)，方形環(huán)刀3個(gè)重復(fù)，每年共計(jì)63個(gè)根系樣品。2011、2013年取樣時(shí)，香根草小區(qū)植被蓋度分別約為85%、90%。

1.3指標(biāo)測(cè)定

土壤有機(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Na HCO3-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［16］。環(huán)刀內(nèi)的土樣待直剪或沖刷試驗(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)用適宜流量的自來水沖洗，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，Win RHIZO（Pro.2004c）根系分析系統(tǒng)分10個(gè)徑級(jí)（0.0 mm＜d≤0.5 mm，0.5 mm＜d≤1.0 mm，1.0 mm＜d≤1.5 mm，1.5 mm＜d≤2.0 mm，2.0 mm＜d≤2.5 mm，2.5 mm＜d≤3.0 mm，3.0 mm＜d≤3.5 mm，3.5 mm＜d≤4.0 mm，4.0 mm＜d≤4.5 mm，d＞4.5 mm，d為根系直徑，單位mm）測(cè)定根長(zhǎng)RL（root length）、根表面積RSA（root surface area）和根體積RV（root volume）。掃描后的根系采用烘干法和1/1000電子天平稱量獲得根干重RW（root weight）。根重密度RWD（root weight density）/根長(zhǎng)密度RLD（root length density）/根表面積密度RSAD（root surface area density）/根體積密度RVD（root volume density）是指單位土體對(duì)應(yīng)的根干重/根長(zhǎng)/根表面積/根體積，屬于根系的總體參數(shù)；RLDx/RSADx/RVDx（x= 0.50，1.00，1.50，2.00，2.50，3.00，3.50，4.00，4.50）則表示（x-0.5）mm＜d≤x mm徑級(jí)的根長(zhǎng)密度/根表面積密度/根體積密度，RLD＞4.5/RSAD＞4.5/RVD＞4.5表示d＞4.5 mm徑級(jí)的根長(zhǎng)密度/根表面積密度/根體積密度。

1.4數(shù)據(jù)處理

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土壤有機(jī)質(zhì)變化特征

2011和2013年試驗(yàn)小區(qū)各土層的有機(jī)質(zhì)、氮、磷、鉀的全量和速效養(yǎng)分含量見表1。由表1可知，2011年對(duì)照小區(qū)各土層間的有機(jī)質(zhì)含量均存在顯著性差異，表現(xiàn)為：0～10 cm土層的最大，10～20 cm土層的次之，20～30 cm土層的最小；香根草小區(qū)土層間的有機(jī)質(zhì)含量表現(xiàn)為：0～10 cm土層的顯著大于10～20 cm和20～30 cm土層的，而后兩個(gè)土層間則無顯著性差異。同一土層，表現(xiàn)為香根草小區(qū)的有機(jī)質(zhì)含量顯著大于對(duì)照小區(qū)的。0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm土層，香根草小區(qū)的有機(jī)質(zhì)含量依次為對(duì)照小區(qū)的1.23、1.26和1.29倍。

2013年，對(duì)照小區(qū)土層間的有機(jī)質(zhì)含量表現(xiàn)為：0～10 cm土層的顯著大于10～20 cm和20～30 cm土層的，而后兩個(gè)土層間則無顯著性差異；香根草小區(qū)各土層間的有機(jī)質(zhì)含量均存在顯著性差異，表現(xiàn)為：0～10 cm土層的最大，10～20 cm土層的次之，20～30 cm土層的最小。同一土層，亦表現(xiàn)為香根草小區(qū)的有機(jī)質(zhì)含量顯著大于對(duì)照小區(qū)的。0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm土層，香根草小區(qū)的有機(jī)質(zhì)含量依次為對(duì)照小區(qū)的1.45、1.34 和1.32倍。

同一土層，對(duì)照小區(qū)2011年與2013年的有機(jī)質(zhì)含量無顯著性差異；香根草小區(qū)0～10 cm土層，2013年的有機(jī)質(zhì)含量則顯著大于2011年的，其他土層年際間則無顯著性差異。

2.2土壤氮、磷、鉀全量養(yǎng)分變化特征

表1中，2011年對(duì)照小區(qū)土層間的全氮含量表現(xiàn)為：0～10 cm土層的顯著大于10～20 cm和20～30 cm土層的，而后兩個(gè)土層間則無顯著性差異；總磷、全鉀含量在土層間均無顯著性差異。香根草小區(qū)的全氮、總磷含量在土層間均無顯著性差異，全鉀含量則表現(xiàn)為：0～10 cm土層的顯著大于10～20 cm和20～30 cm土層的，而后兩個(gè)土層間無顯著性差異。就數(shù)值而言，對(duì)照小區(qū)和香根草小區(qū)均表現(xiàn)為土層越淺，氮、磷、鉀全量養(yǎng)分含量越高。同一土層，香根草小區(qū)的全氮含量顯著大于對(duì)照小區(qū)的，總磷含量則無顯著性差異，全鉀含量表現(xiàn)為：0～10 cm土層香根草小區(qū)的顯著大于對(duì)照小區(qū)的，而其他土層則無顯著性差異。

表1　2011和2013年試驗(yàn)小區(qū)土壤養(yǎng)分含量Table1　Soil nutrients contents of experimental plots in 2011 and 2013

2013年，對(duì)照小區(qū)的全氮含量在土層間無顯著性差異，總磷、全鉀含量表現(xiàn)為：0～10 cm與10～20 cm土層間的無顯著性差異，但均顯著大于20～30 cm土層的。香根草小區(qū)的全氮、總磷含量在土層間均無顯著性差異，全鉀含量則表現(xiàn)為：0～10 cm土層的顯著大于10～20 cm的，10～20 cm土層的又顯著大于20～30 cm土層的。各小區(qū)氮、磷、鉀全量養(yǎng)分含量的最大值出現(xiàn)在0～10 cm或10～20 cm土層。小區(qū)間全氮含量表現(xiàn)為：在0～10 cm土層香根草小區(qū)的顯著大于對(duì)照小區(qū)的，其他2個(gè)土層小區(qū)間則無顯著性差異；總磷和全鉀均表現(xiàn)為：0～10 cm和10～20 cm土層小區(qū)間無顯著性差異，20～30 cm土層對(duì)照小區(qū)的顯著大于香根草小區(qū)的。

同一土層，對(duì)照小區(qū)2013年的全氮含量均顯著大于2011年的，香根草小區(qū)2013年的全氮、總磷、全鉀含量均顯著大于2011年的。

2.3土壤氮、磷、鉀速效養(yǎng)分變化特征

表1中，2011年對(duì)照小區(qū)堿解氮含量表現(xiàn)為：0～10 cm土層的顯著大于10～20 cm土層的，10～20 cm土層的顯著大于20～30 cm土層的；有效磷含量在土層間則無顯著性差異；速效鉀含量表現(xiàn)為：0～10 cm與10～20 cm土層間的無顯著性差異，卻均顯著大于20～30 cm土層的。香根草小區(qū)的堿解氮含量在土層間表現(xiàn)為：0～10 cm與10～20 cm土層間的無顯著性差異，卻均顯著大于20～30 cm土層的；有效磷含量表現(xiàn)為：0～10 cm土層的顯著大于20～30 cm土層的，而10～20 cm土層的與這2個(gè)土層的均無顯著性差異；速效鉀含量在土層間均存在顯著性差異，表現(xiàn)為：0～10 cm土層的最大，10～20 cm土層的次之，20～30 cm土層的最小。就數(shù)值而言，對(duì)照小區(qū)和香根草小區(qū)均表現(xiàn)為土層越淺，氮、磷、鉀速效養(yǎng)分含量越高。小區(qū)間堿解氮含量表現(xiàn)為：0～10 cm土層的無顯著性差異，其他2個(gè)土層則為香根草小區(qū)的顯著大于對(duì)照小區(qū)的；有效磷含量表現(xiàn)為：0～10 cm和10～20 cm土層，對(duì)照小區(qū)與香根草小區(qū)間無顯著性差異，20～30 cm土層對(duì)照小區(qū)的顯著大于香根草小區(qū)的；各土層的速效鉀含量均表現(xiàn)為對(duì)照小區(qū)的顯著大于香根草小區(qū)的。

2013年，對(duì)照小區(qū)的堿解氮含量在土層間無顯著性差異；有效磷含量表現(xiàn)為：0～10 cm與10～20 cm土層間的無顯著性差異，卻均顯著大于20～30 cm土層的；速效鉀含量在土層間均存在顯著性差異，表現(xiàn)為：0～10 cm土層的最大，10～20 cm土層的次之，20～30 cm土層的最小。香根草小區(qū)的堿解氮含量在土層間無顯著性差異；有效磷、速效鉀含量均表現(xiàn)為：0～10 cm土層的最大，10～20 cm土層的次之，20～30 cm土層的最小。各小區(qū)氮、磷、鉀速效養(yǎng)分含量的最大值幾乎都出現(xiàn)在0～10 cm土層。各土層小區(qū)間的堿解氮含量均無顯著性差異，有效磷和速效鉀的表現(xiàn)則與2011年一致。

同一土層，對(duì)照小區(qū)2013年的速效鉀含量均顯著大于2011年的；10～20 cm和20～30 cm土層，香根草小區(qū)2013年的有效磷含量均顯著大于2011年的。

2.4香根草根系分布特征

2011和2013年香根草小區(qū)各土層的根系總體參數(shù)見表2。表2中，2011年香根草的根重密度（RWD）和根長(zhǎng)密度（RLD）在土層間均存在顯著性差異，表現(xiàn)為：0～10 cm土層的最大，10～20 cm土層的次之，20～30 cm土層的最??；根表面積密度（RSAD）表現(xiàn)為：0～10 cm與10～20 cm土層間的無顯著性差異，卻顯著大于20～30 cm土層的；根體積密度（RVD）表現(xiàn)為：0～10 cm土層的顯著大于20～30 cm土層的，而10～20 cm土層的與這2個(gè)土層的均無顯著性差異。2013年，香根草的RWD表現(xiàn)為：0～10 cm土層的顯著大于10～20 cm，20～30 cm土層的，而后2個(gè)土層間則無顯著性差異；土層間的RLD、RSAD、RVD則表現(xiàn)出與2011年相同的顯著性?？梢姡琑WD、RLD、RSAD、RVD的最大值均出現(xiàn)在0～10 cm土層。年際間，2013年各土層的RWD、RLD均顯著大于2011年的，RSAD和RVD則無顯著性差異。

表2　2011和2013年香根草各土層根系的總體參數(shù)Table2　Overall parameters of V.zizanioides roots in different soil layers in 2011 and 2013

表3為香根草根系總體參數(shù)間及根系總體參數(shù)與土層間的Pearson相關(guān)分析。結(jié)果表明RWD、RLD、RSAD、RVD均與土層深度呈極顯著負(fù)相關(guān)，其中RLD與土層深度的相關(guān)系數(shù)值高達(dá)0.911。這4個(gè)根系指標(biāo)間亦存在極顯著正相關(guān)性，RSAD與RVD間的相關(guān)系數(shù)值最高為0.961，其次是RSAD與RLD間的相關(guān)系數(shù)值為0.890。

根據(jù)根系的直徑d（mm），將每個(gè)土樣所含的根系劃分為10個(gè)等級(jí)，表4為各徑級(jí)的RLD、RSAD和RVD。從顯著性分析的結(jié)果（表4）可以看出：（1）d=2.00 mm是一個(gè)分界線，當(dāng)d＞2.00 mm時(shí)，2011和2013年香根草的各項(xiàng)根系指標(biāo)在所有土層間均無顯著性差異；（2）0.00 mm＜d≤0.50 mm時(shí)，2011和2013年香根草的各項(xiàng)根系指標(biāo)在土層間表現(xiàn)出相同的顯著性：0～10 cm土層的顯著大于10～20 cm和20～30 cm土層的，而后2個(gè)土層間則無顯著性差異；（3）1.00 mm＜d≤1.50 mm和1.50 mm＜d≤2.00 mm時(shí)，2011和2013年香根草的各項(xiàng)根系指標(biāo)在土層間亦表現(xiàn)出相同的顯著性：0～10 cm土層的顯著大于20～30 cm土層的，而10～20 cm土層的分別與這2個(gè)土層的無顯著性差異；（4）0.50 mm＜d≤1.00 mm時(shí)，2011年香根草的各項(xiàng)根系指標(biāo)在所有土層間均表現(xiàn)出顯著性差異：0～10 cm土層的最大，10～20 cm土層的次之，20～30 cm土層的最小，2013年香根草各徑級(jí)根系指標(biāo)在土層間的顯著性則表現(xiàn)為：0～10 cm與10～20 cm土層間的無顯著性差異，卻顯著大于20～30 cm土層的；（5）年際間，僅0～10 cm和10～20 cm土層的RLD0.00mm＜d≤0.50mm，0～10 cm土層的RSAD0.50mm＜d≤1.00mm和RVD0.50mm＜d≤1.00mm，0～10 cm土層的RLD2.50mm＜d≤3.00mm、RSAD2.50mm＜d≤3.00mm和RVD2.50mm＜d≤3.00mm存在顯著性差異，即2013年的顯著大于2011年的。表5相關(guān)分析表明：僅0.00 mm＜d≤0.50 mm、0.50 mm＜d≤1.00 mm、1.00 mm＜d≤1.50 mm和1.50 mm＜d≤2.00 mm這4個(gè)徑級(jí)的RLD/RSAD/RVD與土層深度極顯著負(fù)相關(guān)，其中0.50 mm＜d≤1.00 mm徑級(jí)的相關(guān)系數(shù)值最大（依次為：0.866、0.868和0.866）。

2.5土壤養(yǎng)分與根系參數(shù)的相關(guān)性

表6為土壤養(yǎng)分與土層/根系參數(shù)間的相關(guān)分析，結(jié)果表明：（1）有機(jī)質(zhì)、堿解氮、有效磷、速效鉀與土層深度均極顯著負(fù)相關(guān)，尤其是速效鉀相關(guān)系數(shù)值高達(dá)0.973，全氮、總磷、全鉀與土層深度均無顯著性相關(guān)；（2）有機(jī)質(zhì)、堿解氮、有效磷、速效鉀分別與RWD、RLD、RSAD、RVD極顯著或顯著正相關(guān)，其中僅有效磷與RWD是顯著正相關(guān)；（3）全量養(yǎng)分中，僅全鉀與RLD顯著正相關(guān)；（4）有機(jī)質(zhì)、有效磷、速效鉀分別與0.00 mm＜d≤1.50 mm中（即0.00 mm＜d≤0.50 mm、0.50 mm＜d≤1.00 mm、1.00 mm＜d≤1.50 mm）3個(gè)徑級(jí)的RLD、RSAD、RVD極顯著正相關(guān)，堿解氮?jiǎng)t與這3個(gè)徑級(jí)的根系指標(biāo)顯著正相關(guān)；（5）有機(jī)質(zhì)、有效磷、速效鉀與1.50 mm ＜d≤2.00 mm徑級(jí)的根系指標(biāo)均極顯著正相關(guān)，堿解氮?jiǎng)t與d＞4.50 mm徑級(jí)的根系指標(biāo)極顯著正相關(guān)；（6）全氮、總磷與所有徑級(jí)的根系指標(biāo)均無顯著性相關(guān)；（7）全鉀與0.50 mm＜d≤1.00 mm徑級(jí)的根系指標(biāo)均極顯著正相關(guān)，與RLD1.00mm＜d≤1.50mm、RVD0.00mm＜d≤0.50mm顯著正相關(guān)；（8）d=2.00 mm和d=4.50 mm是分界線，土壤養(yǎng)分與2.00 mm＜d≤4.50 mm間所有徑級(jí)的根系指標(biāo)均無顯著性相關(guān)。

表3　香根草根系總體參數(shù)與土層相關(guān)分析Table3　Correlation analysis between V.zizanioides root overall parameters and soil layers

3　結(jié)論與討論

本研究中香根草的培肥效應(yīng)主要體現(xiàn)在有機(jī)質(zhì)上，且對(duì)有機(jī)質(zhì)的培肥效應(yīng)隨香根草定植時(shí)間的延長(zhǎng)而增強(qiáng)，尤其是0～10 cm土層；其次是全氮，0～10 cm土層的全氮含量均表現(xiàn)為香根草小區(qū)的顯著大于對(duì)照小區(qū)的。已有的研究亦有認(rèn)為植被對(duì)土壤的改良作用主要體現(xiàn)為土壤有機(jī)質(zhì)和氮含量的增加［17］。有機(jī)質(zhì)是土壤性質(zhì)和土地生產(chǎn)力最重要的決定性因素，香根草有利于有機(jī)質(zhì)的積累與眾多因素有關(guān)。紫色土區(qū)水土流失嚴(yán)重的季節(jié)（7-8月份），正是香根草莖葉生長(zhǎng)茂盛的時(shí)候，茂密莖葉的覆蓋一方面攔截降雨、增加入滲，減少了表土層的養(yǎng)分流失，另一方面改善了土壤的溫濕度和微生物環(huán)境。有研究表明徑流攜帶是氮素?fù)p失的主要途徑［18］，因此香根草莖葉的覆蓋作用在抑制產(chǎn)流的同時(shí)有效抑制了土壤氮素的損失［19］。此外，香根草自身消耗土壤養(yǎng)分量較少，卜崇峰等［18］在三峽庫區(qū)紫色土坡地的試驗(yàn)認(rèn)為香根草在發(fā)揮很好地保持水土功效的同時(shí)，并沒有直接消耗大量的土壤養(yǎng)分。本實(shí)驗(yàn)不進(jìn)行刈割，大量枯落莖葉的腐解有效補(bǔ)充了土壤有機(jī)質(zhì)等的損耗，而茂密莖葉對(duì)土壤溫濕度等的改變則又加速了枯落物的腐解。2011年取樣時(shí)，香根草定植僅4個(gè)月，正是生長(zhǎng)繁茂的時(shí)候，不存在枯落莖葉的腐解；2013年取樣時(shí)，香根草已定植28個(gè)月，已有兩季大量枯落物進(jìn)行腐解，對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)等養(yǎng)分進(jìn)行了補(bǔ)充，所以2013年香根草在滿足了自身消耗后對(duì)表土層有機(jī)質(zhì)的補(bǔ)給力度更大，研究中香根草小區(qū)0～10 cm土層的有機(jī)質(zhì)含量和所有土層的全氮含量隨定植年限增加而顯著增加。這與已有的研究結(jié)論有類似之處，夏漢平等［20］在廣東酸性紫色土上的盆栽和大田試驗(yàn)均證明香根草具有良好的改土培肥效應(yīng)，盆栽半年或種植29個(gè)月后，山頂或山腰的土壤有機(jī)質(zhì)和全氮含量都呈現(xiàn)增加趨勢(shì)；林超文等［9］在四川紫色土坡地的植物籬試驗(yàn)表明香根草植物籬能夠緩解有機(jī)質(zhì)的降低速度，在相同條件下增加土壤有機(jī)質(zhì)含量，較之對(duì)照香根草植物籬區(qū)增加了19%；杜峰等［21］在陜北黃土丘陵區(qū)撂荒地的研究中發(fā)現(xiàn)，土壤全氮的變化趨勢(shì)與撂荒群落的地上生物量基本相同，且隨著撂荒年限的增加，0～40 cm土層土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、速效氮、全磷和全鉀和速效鉀在整個(gè)演替階段都呈增加的趨勢(shì)。

表5　香根草各徑級(jí)根系參數(shù)與土層相關(guān)分析Table5　Correlation analysis between V. zizanioides root parameters of different diameter classes and soil layers

香根草小區(qū)的有效磷和速效鉀則出現(xiàn)了虧損。2011和2013年香根草小區(qū)的有效磷和速效鉀在多個(gè)土層或所有土層均顯著小于對(duì)照小區(qū)的，而這些土層磷、鉀的全量養(yǎng)分在小區(qū)間卻無顯著性差異或表現(xiàn)為香根草小區(qū)的顯著大于對(duì)照小區(qū)的，可見香根草對(duì)土壤總磷、全鉀的影響較小，且可能不利于有效磷和速效鉀的積累。全量養(yǎng)分在一定程度上說明的是土壤的供肥潛力；速效養(yǎng)分則是能直接供植物吸收利用的養(yǎng)分，表明的是土壤供肥強(qiáng)度的大小。紫色土自身磷、鉀豐富，種植香根草后總磷、全鉀雖然無顯著變化但磷、鉀速效養(yǎng)分卻出現(xiàn)了虧損，一方面可能是因?yàn)橥寥乐杏行Я姿急壤^低，遠(yuǎn)低于香根草的消耗量；另一方面有效磷在土壤中分布變異極大，可能本試驗(yàn)香根草小區(qū)采樣的0～30 cm土層有效磷含量較低?？葜β淙~腐解及根系生長(zhǎng)分泌有機(jī)酸等均有利于將土壤中大量不能被植物直接吸收利用的固著態(tài)鉀、緩效鉀等轉(zhuǎn)化成可直接利用的速效鉀，而速效鉀卻出現(xiàn)了虧損，原因還有待于進(jìn)一步的試驗(yàn)查明。紫色土土層淺薄、有機(jī)質(zhì)含量低，而香根草有利于有機(jī)質(zhì)和全氮的積累，加之香根草具有很好的水土保持效益，因此適宜在紫色土坡地推廣應(yīng)用，但需注意補(bǔ)施磷肥和鉀肥。

表6　香根草小區(qū)土壤養(yǎng)分與根系參數(shù)相關(guān)分析Table6　Correlation analysis between soil nutrients and root parameters in V.zizanioides plots

植被對(duì)土壤養(yǎng)分有表聚效應(yīng)，本研究中香根草小區(qū)土壤養(yǎng)分的表聚現(xiàn)象與已有的研究略有不同，僅有機(jī)質(zhì)、有效磷、全鉀和速效鉀表現(xiàn)為0～10 cm土層的顯著大于其他土層的。韓鳳朋等［22］的研究中，0～20 cm土層的土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、硝態(tài)氮和銨態(tài)氮均具有明顯的表聚現(xiàn)象；秦川等［14］的試驗(yàn)中僅土壤全氮含量表現(xiàn)為0～10 cm土層的最高。分析原因，除了因?yàn)檠芯康牡赜?、植物種類有差異外，根系特征和土層的劃分亦有不同，韓鳳朋等［22］的研究中土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、硝態(tài)氮均與根長(zhǎng)密度極顯著正相關(guān)，秦川等［14］的研究中全氮與根系生物量極顯著正相關(guān)，本研究中有機(jī)質(zhì)、有效磷、全鉀、速效鉀與RLD顯著或極顯著正相關(guān)，有機(jī)質(zhì)、有效磷、速效鉀亦與RWD顯著或極顯著正相關(guān)，而根系分析中0～10 cm土層的RWD和RLD均顯著大于其他土層的。

根系是連接植物和土壤的紐帶，關(guān)系著土壤養(yǎng)分的運(yùn)移和輸送，其地下空間分布特征決定了它對(duì)土體的影響范圍和影響程度。已有的研究表明土壤有機(jī)質(zhì)和全氮受各項(xiàng)根系指標(biāo)的影響，韓鳳朋等［22］在黃土退耕坡地的研究表明土壤有機(jī)質(zhì)、全氮與根長(zhǎng)密度均極顯著正相關(guān)（相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.990）［22］，秦川等［14］對(duì)紫色土區(qū)不同年限的黃花生物埂進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)全氮與根系生物量極顯著正相關(guān)（相關(guān)系數(shù)為0.888，土壤有機(jī)質(zhì)未做分析）［14］。本研究中，RWD、RLD、RSAD、RVD、0.00 mm＜d≤2.00 mm各徑級(jí)的RLD/RSAD/RVD、RSADd＞4.50mm均極顯著影響土壤有機(jī)質(zhì)含量。可見香根草的發(fā)達(dá)根系非常有利于土壤有機(jī)質(zhì)的積累，可能原因有大量死根的腐解和活根的分泌物等。地上莖葉與地下根系的共同作用，使得香根草在土壤有機(jī)質(zhì)方面具有較顯著的培肥效應(yīng)。氮素對(duì)作物來說是最重要的營養(yǎng)元素，絕大部分作物生長(zhǎng)所需的氮素90%以上都是來源于土壤。本研究中全氮含量與根系指標(biāo)無顯著性相關(guān)，較之對(duì)照香根草卻有利于土壤全氮的積累，可能是因?yàn)橄愀莸母H周圍含有15種固氮菌，在一定程度上有利于提高土壤氮含量［3］。秦川等［14］的研究中全氮與根干重極顯著相關(guān)，與根表面積和根體積顯著相關(guān)，本研究卻與此不相同，需要進(jìn)一步的試驗(yàn)研究。

香根草的徑級(jí)根系中d=2.00 mm和d=4.50 mm是重要分界線，當(dāng)0.00 mm＜d≤2.00 mm時(shí)，香根草各徑級(jí)的所有根系指標(biāo)在土層間均表現(xiàn)出顯著性差異且與土層深度極顯著負(fù)相關(guān)，其中0.50 mm＜d≤1.00 mm徑級(jí)的相關(guān)系數(shù)值最大；當(dāng)d＞2.00 mm時(shí)，所有根系指標(biāo)在所有土層間均無顯著性差異，且土壤養(yǎng)分與2.00 mm＜d≤4.50 mm間所有徑級(jí)的根系指標(biāo)均無顯著性相關(guān)。0.00 mm＜d≤2.00 mm是影響土壤有機(jī)質(zhì)含量的主要根系徑級(jí)，一方面是因?yàn)?.00 mm＜d≤2.00 mm徑級(jí)的根系數(shù)量多、根長(zhǎng)密度值非常大，各土層RLD0.00mm＜d≤2.00mm占RLD的最低比例為95.56%，大量根系穿插土壤改善了土壤的通透性和理化性狀；另一方面這部分根系的RSAD也較大，有利于根系與土壤顆粒的充分接觸和耦合，尤其是隨著定植時(shí)間的增長(zhǎng)，根系與土壤完全耦合，所以對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)的影響更大。進(jìn)一步細(xì)分，0.00 mm＜d≤0.50 mm徑級(jí)的根系對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)的影響較其他徑級(jí)的更為顯著，該徑級(jí)的RLD、RSAD、RVD與有機(jī)質(zhì)的相關(guān)系數(shù)值均最大，依次為0.854、0.858、0.848，且各土層該徑級(jí)的RLD均顯著大于其他徑級(jí)的，這再次表明RLD是影響土壤有機(jī)質(zhì)含量的一個(gè)重要的根系指標(biāo)。對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)影響次大的徑級(jí)為1.50 mm＜d≤2.00 mm，該徑級(jí)RLD、RSAD、RVD與有機(jī)質(zhì)的相關(guān)系數(shù)值依次為0.745、0.744、0.742。在0.00 mm＜d≤2.00 mm的4個(gè)徑級(jí)中，RLD1.50mm＜d≤2.00mm最小，RSAD1.50mm＜d≤2.00mm居中且與RSAD0.50mm＜d≤1.00mm相近，RVD1.50mm＜d≤2.00mm與RVD1.00mm＜d≤1.50mm相近，卻明顯大于RVD0.00mm＜d≤0.50mm和RVD0.50mm＜d≤1.00mm，這表明根徑對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)亦有顯著影響，亦表明各徑級(jí)根系對(duì)有機(jī)質(zhì)的影響是復(fù)雜的故而不能以單項(xiàng)根系指標(biāo)進(jìn)行衡量。已有的研究結(jié)果［23-24］多認(rèn)為須根d≤1.00 mm的生物量和根密度值是影響土壤有機(jī)質(zhì)的主要根系參數(shù)，但對(duì)此直徑范圍未進(jìn)一步細(xì)分且未分析其他徑級(jí)的影響，而本研究對(duì)徑級(jí)的劃分較細(xì)，所以研究結(jié)論無法與其他研究進(jìn)行詳細(xì)對(duì)比，需要進(jìn)一步的試驗(yàn)驗(yàn)證。

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Effects of Vetiveria zizanioides roots on soil properties in the Purple Soil Area of China and the role of different root diameter classes

CHEN Yun，HE Bing-Hui*，LIAN Cai-Xia，LIU Zhi-Peng
College of Resources and Environment，Key Laboratory of Eco-environments in Three Gorges Reservoir Region，Southwest University，Chongqing 400715，China

The aim of this study was to determine the effects of Vetiveria zizanioides plants and their roots on soil properties，and define the role of different root diameter classes.The research was conducted in the Purple Soil Area of China.The experiment compared bare control plots with plots planted in V.zizanioides.Soil and root samples were collected regularly from 0-10 cm，10-20 cm，20-30 cm soil layers.Contents of soil organic matter，total and available nitrogen，phosphorus，and potassium were measured by conventional methods.Roots were divided into 10 diameter classes measured by a Root Analysis System（WinRHIZO，Pro. 2004c）.It was found that：1）V.zizanioides substantially enhanced the accumulation of soil organic matter，the longer the planted time the greater the effect.V.zizanioides also promoted the accumulation of soil total nitrogen，but the effect was weak compared with organic matter.Both available phosphorus and potassium were depleted in all V.zizanioides plots.2）The levels of organic matter，available phosphorus，total potassium and available potassium showed topsoil accumulation in all V.zizanioides plots；i.e.over time their levels in the 0-10 cm soil layer increased significantly more than in the 10-20 cm and 20-30 cm soil layers（P＜0.05）.3）The root diameter range（d）0.00 mm＜d≤2.00 mm was dominant in affecting soil organic matter. root length density（RLD），Root surface area density（RSAD），and root volume density（RVD）of all diameter classes in this range were significantly and positively correlated with soil organic matter content（P＜0.01），with the highest correlation being the 0.00 mm＜d≤0.50 mm diameter range and the next highest being the 1.50 mm＜d≤2.00 mm range.4）Root diameters of d=2.00 mm and d=4.50 mm were important classification divisions.When 0.00 mm＜d≤2.00 mm，RLD，RSAD，and RVD of all diameter classes showed significant differences between all soil layers and were significantly and negatively correlated with soil layer depth. The maximum correlation coefficient occurred in roots of the 0.50 mm＜d≤1.00 mm diameter range.When 2.00 mm＜d≤4.50 mm，all root parameters of all diameter classes were uncorrelated with any measured soil parameter.5）The maximum RLD，RSAD，and RVD occurred in the 0-10 cm soil layer，and RLD differed significantly among all soil layers in the same year or between 2011 and 2013 in the same soil layer.

soil and water conservation；root length；root surface area；root volume；soil nutrients

10.11686/cyxb2015189

2015-04-14；改回日期：2015-08-25

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

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

Corresponding author.E-mail：hebinghui@swu.edu.cn