不同種植模式對作物根系固土拉力特性的影響

陳小強, 范茂攀, 王自林, 杜 靜, 李永梅

(1.云南農(nóng)業(yè)大學 資源與環(huán)境學院, 昆明650201; 2.昆明佳曉自來水工程技術股份有限公司, 昆明 650231)

不同種植模式對作物根系固土拉力特性的影響

陳小強1,2, 范茂攀1, 王自林1, 杜 靜1, 李永梅1

(1.云南農(nóng)業(yè)大學 資源與環(huán)境學院, 昆明650201; 2.昆明佳曉自來水工程技術股份有限公司, 昆明 650231)

玉米大豆間作體系對土壤流失的影響研究多集中在地上部，而鮮有研究報道玉米大豆間作根系特征對固土拉力特性的影響。采用田間徑流小區(qū)試驗，研究了坡耕地條件下玉米大豆間作(MD)、玉米單作(MM)、大豆單作(DD)和裸地(CK)的生物量和根系固土拉力。結果表明：MD處理的玉米根系密度較MM處理增加了19.64%，10—20 cm土層深度范圍內(nèi)MD處理與MM和CK處理間差異顯著(p<0.05)，MD處理較MM和CK處理分別高出了4.25%和4.84%，在0—10 cm范圍內(nèi)，MD處理較MM和CK處理分別提高了2.49%和15.85%，在20—30 cm范圍內(nèi)，MD處理較MM和CK處理分別提高了1.56%和6.25%。MD處理的地上部分鮮重生物量較MM處理增加了2.46%，干重生物量較MM處理增加了7.31%，地下部分鮮重生物量較MM處理增加了5.06%，干重生物量較MM處理增加了3.17%。在0—30 cm土層范圍內(nèi)，能有效保持土壤水分，提高土壤含水率。MD處理較MM處理、DD處理和CK處理不論在玉米樣方還是在大豆樣方其固土能力均強，在施加相同荷載情況下，間作處理比單作處理土壤樣方的位移偏移量較單作處理時偏移量小。

間作; 玉米; 大豆; 根系; 固土能力

云南省水土流失面積14.13萬km2，占全省國土總面積的36.9%，其中坡耕地產(chǎn)生的土壤侵蝕量約占全省水土流失總量5.1億t/年的40%[1]。對坡耕地水土流失的綜合治理是云南土地資源可持續(xù)發(fā)展和利用的關鍵任務。植物根系作為植物生命活動的重要器官，在治理水土流失的生物措施中起著至關重要的作用[2]。針對作物根系對固土能力影響的研究，已有研究報道，毛妍婷[3-4]和王斌[5]等通過對狗尾草、香根草和油菜根系固土拉力測定表明，在10 cm和20 cm土層深處，種植狗尾草地塊土壤樣方在施加相同荷載情況下位移量最小，且承受的最大荷載也最大；在相同荷載下，有香根草地塊樣方比裸地樣方位移量明顯減??；土壤樣方內(nèi)油菜根系密度越大，達到土壤樣方與土體分離的特征點所需要施加的載荷就越大。曹云生[6]、黑志輝[7]、格日樂[8]等也分別對油松、玉米以及楊柴根系固土能力進行了研究。然而，對間作種植模式下，作物地下部分根系固土能力的研究鮮有報道。

本研究選用云南省比例普遍的玉米和大豆為研究對象，采用錨桿應力計和剪切箱測定間作、單作和裸地在作物成熟期，根土復合體0—10 cm，10—20 cm和20—30 cm深度范圍內(nèi)的固土能力，探討玉米大豆間作時作物根系在成熟期對不同深度土壤的固持能力，以期為闡釋不同種植模式下水土流失機理提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概述

試驗于2014年3月至2014年11月在云南農(nóng)業(yè)大學后山試驗農(nóng)場內(nèi)進行。試驗地點位于云南省昆明市北郊黑龍?zhí)对颇限r(nóng)業(yè)大學后山水土流失試驗小區(qū)，試驗小區(qū)中心地理坐標為：25°08′18.49″N，102°45′01.58″E；坡度為10°，海拔：1 963 m，坡向為北偏西57°，年平均氣溫15.6℃，無霜期為250～365 d，年平均降雨量為1 200 mm[9]，土壤為砂質(zhì)紅壤。試驗小區(qū)土壤基本理化性質(zhì)為有機質(zhì)含量32.39 g/kg，pH值為6.15，全氮含量0.84 g/kg，堿解氮含量107.8 mg/kg，速效磷含量4.34 mg/kg，速效鉀含量82.36 mg/kg。

1.2 供試作物

玉米為云糯6號，大豆為凱旋999甜脆毛豆王，兩種作物品種的生長期均為100 d左右。

1.3 試驗設計

試驗共設置4種不同的種植模式，分別為玉米單作(MM)、大豆單作(DD)、玉米大豆間作(MD)、裸地(CK)，選取10°的4種不同種植模式重復4次。

種植規(guī)格：采用當?shù)爻Ｒ?guī)的種植規(guī)格種植。MM采用寬窄行種植，大行距為80 cm，小行距為40 cm，株距為25 cm，種植密度為66 660株/hm2；DD采用等行距種植，行距為40 cm，株距為20 cm，種植密度為250 005株/hm2；MD采用2∶2模式間作，玉米與玉米間大行距為170 cm，小行距為35 cm，株距為20 cm，玉米和大豆間行距為50 cm，大豆與大豆間行距為35 cm，株距為15 cm。按面積折算后，間作時大豆的種植密度為156 870株/hm2，玉米種植密度為58 815株/hm2；玉米每塘播種2粒，大豆每塘播種4粒，后期玉米每塘留1株，大豆每塘留2株。裸地撂荒，后期田間農(nóng)事活動按照當?shù)爻Ｒ?guī)方法進行。玉米和大豆一同于2014年5月11日播下，于2014年9月15日收獲。在玉米和大豆的整個生長期內(nèi)，根據(jù)試驗小區(qū)的具體土壤墑情進行澆水、除草及防治病蟲害等農(nóng)事活動。

1.4 試驗設備

Delta—T針式土壤水分儀(ML-2X)：由以色列進口，為全自動數(shù)顯測試儀器，可直接讀取測定深度處土壤含水率。錨桿拉力計為ML-20型:浙江省土工儀器制造有限公司制造，可產(chǎn)生額定載荷20 t；剪切箱采用厚度為1.0 cm的鋼板制作，規(guī)格為:長×寬×高=20 cm×20 cm×20 cm。錨桿拉力計和剪切箱上安裝精度為1 μm的千分表(江蘇星光儀表廠制造)，精度為0.02 mm的千分尺，用以測定土壤樣方位移，超出量程范圍后用米尺測量，以觀測荷載施加后根土復合體的位移量。

1.5 測定項目與測定方法

1.5.1 土壤含水率與樣方生物量 測定深度為0—10 cm，10—20 cm和20—30 cm土壤含水率。測定固土拉力后的玉米和大豆植株和根系洗凈晾干后稱其鮮重，再放進烘箱105℃殺青0.5 h，然后在65～70℃烘干至恒重，測定干重[10]，然后根據(jù)公式：根系生物量密度=活根干重(kg)/取樣器體積(m3)，將其轉(zhuǎn)化為根系生物量密度。

1.5.2 土壤樣方固土能力 在作物收獲前(2014年9月14日)，對玉米作物0—10 cm，10—20 cm和20—30 cm三個層次采用錨桿拉力計和自制剪切箱選取含玉米或大豆植株在內(nèi)的兩個樣方進行固土拉力原位測定。用F-S曲線來反映各樣方所受載荷(F)與位移(S)間的關系，通過曲線特征可以得知樣方中根系抗拉特性與土壤力學特性間的相互作用。完整的F-S曲線反映了3個階段受力土壤樣方的線性變形階段(彈性形變階段)：塑性變形階段；蠕變階段和完全破壞階段[11]。試驗時，每次荷載施加后，讀取荷載施加值與相對應的樣方偏移量，直至荷載增加后壓力表數(shù)值突降(此時達到完全破壞階段)。

1.6 數(shù)據(jù)處理

試驗所得數(shù)據(jù)用Microsoft Excel 2007，SAS 8.2等計算機軟件進行計算、整理和統(tǒng)計分析。采用單因素方差分析，用Duncan多重比較法檢驗不同種植模式間土壤含水量及地上(下)部分生物量間的差異顯著性。

2 結果與分析

2.1 各處理不同深度土壤含水率與生物量

2.1.1 不同種植模式下玉米生物量與土壤含水率 各處理間玉米根系生物量密度、不同土層深度土壤含水率及生物量統(tǒng)計見表1。數(shù)據(jù)表明，采用間作的種植模式，MD處理的玉米根系密度較MM處理增加了19.64%。在土壤含水率指標中，僅10—20 cm 土層深度范圍內(nèi)MD處理與MM和CK處理間差異顯著(p<0.05)，MD處理較MM和CK處理分別高出了4.25%和4.84%，在0—10 cm和20—30 cm范圍內(nèi)，雖MD和MM處理間差異不顯著(p<0.05)，但兩者均與CK處理間差異顯著(p<0.05)。在0—10 cm范圍內(nèi)，MD處理較MM和CK處理分別提高了2.49%和15.85%，在20—30 cm范圍內(nèi)，MD處理較MM和CK處理分別提高了1.56%和6.25%。生物量指標中，地上和地下部分生物量在鮮重指標上MD和MM處理間差異不顯著(p<0.05)，在干重指標上MD和MM處理間地上部分生物量差異顯著(p<0.05)，地下部分差異不顯著(p<0.05)。MD處理的地上部分鮮重生物量較MM處理增加了2.46%，干重生物量較MM處理增加了7.31%，地下部分鮮重生物量較MM處理增加了5.06%，干重生物量較MM處理增加了3.17%。

表1 不同種植模式下玉米生物量與土壤含水率

注：表中數(shù)據(jù)為6次重復平均值±標準差,同一列不同字母表示不同種植模式間測試項目的差異顯著(p<0.05鄧肯氏法)，地上/地下部分生物量為每666.67 m2數(shù)值。

2.1.2 不同種植模式下大豆生物量與土壤含水率 在作物收獲期，各處理間大豆根系密度、不同土層深度土壤含水率及生物量統(tǒng)計見表2。數(shù)據(jù)表明，在根系密度指標中，MD處理較DD處理提高了8.62%。在土壤含水率指標中，0—10 cm土層深度范圍內(nèi)MD和DD處理間差異不顯著(p<0.05)，而兩者與CK處理間差異顯著(p<0.05)，MD處理較DD和CK處理分別增加了1.84%和9.21%；10—20 cm深度范圍內(nèi)，各處理間差異顯著(p<0.05)，MD處理較DD和CK處理分別增加了3.03%和6.55%；20—30 cm深度范圍內(nèi)，MD和DD處理差異不顯著(p<0.05)，兩者與CK處理差異顯著(p<0.05)，MD處理較DD和CK處理分別增加了1.56%和6.25%。在生物量指標中，地上部分生物量的鮮重、干重和地下部分生物量的干重指標MD和DD處理間差異不顯著(p<0.05)，地下部分生物量中鮮重指標MD和DD處理間差異顯著(p<0.05)。地上部分生物量中，MD處理的鮮重和干重較DD處理增加了3.63%和10.53%，地下部分生物量中，MD處理的鮮重較DD處理減少了9.13%，而MD處理的干重較DD處理增加了5.08%。

表2 不同種植模式下大豆生物量與土壤含水率

注：表中數(shù)據(jù)為6次重復平均值±標準差,同一列不同字母表示不同種植模式間測試項目的差異顯著(p<0.05鄧肯氏法)，地上/地下部分生物量為每666.67 m2數(shù)值。

2.2 不同種植模式對作物根系固土拉力的影響

2.2.1 不同種植模式對玉米固土拉力的影響 玉米固土拉力測定結果見圖1。由圖1A可知，當外部荷載在0—10 cm土層深施加壓力時，隨外部荷載的逐步增大，不同處理間所產(chǎn)生的位移量呈拋物線增加趨勢。在初始階段，三種處理間均呈線性關系變化，當外力荷載大于1.0 MPa后，施加相同外力時，間作玉米、單作玉米和裸地的土方產(chǎn)生的位移量依次增大，且裸地土方偏移量最大。當外部荷載為1.3 MPa時，間作處理、單作處理和裸地處理的土方位移量分別為50 mm，66 mm和73 mm；當外部荷載持續(xù)增加致使位移量超過70 mm后，位移量增加的同時，外部荷載值恒定，表明此時該深度間作處理土方已完全被分離，待間作處理和單作處理位移量分別為69 mm和75 mm時，該處理土方也相繼被分離。

圖1 不同種植模式下(玉米)不同土層載荷與位移關系

由圖1B可以看出，當外部荷載在10—20 cm土層深施加壓力時，隨著外部荷載的逐步增大，不同處理間所產(chǎn)生的位移量亦呈拋物線增加趨勢，但較0—10 cm土層深度不同，變化線斜率增大。在初始階段，三種處理間均呈線性關系變化，當外力荷載大于0.4 MPa后，施加相同外力時，土方產(chǎn)生的位移量依次由間作玉米、單作玉米、裸地增大，裸地土方偏移量最大。當外部荷載為1.2 MPa時，間作處理、單作處理和單作處理的土方位移量分別為29 mm，47 mm和57 mm；當外部荷載持續(xù)增加致使位移量超過68 mm后，裸地處理位移量增加的同時，外部荷載值恒定，表明此時該深度土方已完全被分離，而此時間作處理和單作處理的土方早已分離。

由圖1C可看出，當外部荷載在20—30 cm土層深施加壓力時，隨著外部荷載的逐步增大，不同處理間所產(chǎn)生的位移量呈曲線增長趨勢。在起始階段，三種處理間均呈線性關系變化，當外力荷載大于0.6 MPa后，施加相同外力時，土方產(chǎn)生的位移量依次由間作玉米、單作玉米、裸地增大，裸地土方偏移量最大。當外部荷載為1.2 Mpa時，間作處理、單作處理和裸地處理的土方位移量分別為28 mm，39 mm和50 mm；與0—10 cm和10—20 cm相比較而言，20—30 cm深土方位移量最小，但處理間不同。當外部荷載持續(xù)增加至1.4 MPa后，單作處理和裸地處理的土方均已分離，而當外部荷載達到1.6 MPa后，間作處理土方才剝離，表明間作處理20—30 cm深土層較單作處理和裸地土體更不易剝離。

2.2.2 不同種植模式對大豆固土拉力的影響 由圖2A可看出，當外部荷載在0—10 cm土層深施加壓力時，隨著外部荷載的逐步增大，不同處理間所產(chǎn)生的位移量呈拋物線增加趨勢。在初始階段，三種處理間均呈線性關系變化，當外力荷載大于0.5 MPa后，施加相同外力時，土方產(chǎn)生的位移量依次由間作玉米、單作玉米、裸地增大，裸地土方偏移量最大。當外部荷載為1.0 MPa時，間作處理、單作處理和裸地處理的土方位移量分別為33 mm，41 mm和45 mm。表明此時施加相同外力作用時，間作處理的土方位移量最小，單作次之，裸地最大。

圖2 不同種植模式下(大豆)不同土層載荷與位移關系

由圖2B可看出，當外部荷載在10—20 cm土層深施加壓力時，隨著外部荷載的逐步增大，不同處理間所產(chǎn)生的位移量呈拋物線增加趨勢，較0—10 cm土層深度不同，變化線斜率增大。在初始階段，三種處理間均呈線性關系變化，當外力荷載大于0.8 MPa后，施加相同外力時，土方產(chǎn)生的位移量依次由間作玉米、單作玉米、裸地增大，裸地土方偏移量最大。當外部荷載為1.3 MPa時，間作處理、單作處理和裸地處理的土方位移量分別為44 mm，54 mm和61 mm；當外部荷載持續(xù)增加致使位移量超過50 mm后，間作外部荷載值恒定，表明此時該深度土方已完全被分離，當位移量為65 mm和67 mm后，單作處理和裸地的土方也相繼剝離。

由圖2C可看出，當外部荷載在20—30 cm土層深施加壓力時，隨著外部荷載的逐步增大，不同處理間所產(chǎn)生的位移量呈拋物線增加趨勢，較0—10 cm和10—20 cm土層深度不同，變化趨勢更加規(guī)則。在初始階段，三種處理間均呈線性關系變化，當外力荷載大于0.6 MPa后，施加相同外力時，土方產(chǎn)生的位移量依次由間作玉米、單作玉米、裸地增大，裸地土方偏移量最大。當外部荷載為1.4 MPa時，間作處理、單作處理和裸地處理的土方位移量分別為36 mm，40 mm和47 mm；當外部荷載持續(xù)增加致使位移量超過50 mm后，間作外部荷載值恒定，表明此時該深度土方已完全被分離，當位移量為59 mm和60 mm后，單作處理和裸地的土方也相繼剝離。

3 結論與討論

3.1 土壤含水率和作物生物量間的關系

據(jù)表1數(shù)據(jù)，MD處理的玉米根系密度較MM處理增加了19.64%，10—20 cm土層深度范圍內(nèi)MD處理與MM和CK處理間差異顯著(p<0.05)，MD處理較MM和CK處理分別高出了4.25%和4.84%，在0—10 cm范圍內(nèi)，MD處理較MM和CK處理分別提高了2.49%和15.85%，在20—30 cm范圍內(nèi)，MD處理較MM和CK處理分別提高了1.56%和6.25%。在生物量指標中，MD處理的地上部分鮮重生物量較MM處理增加了2.46%，干重生物量較MM處理增加了7.31%，地下部分鮮重生物量較MM處理增加了5.06%，干重生物量較MM處理增加了3.17%。由此可見，間作處理能有效增加作物根系密度，對植株地上和地下部分生物量均有不同程度提高。其次，在0—30 cm土層范圍內(nèi)，能有效保持土壤水分，提高土壤含水率。

針對間作有效提高作物生長和增加土壤含水率，很多研究人員已做了大量研究：高陽等[12]通過玉米大豆間作試驗，采用1∶3，2∶3種植模式，均表明間作玉米單株干物質(zhì)量顯著高于單作玉米，間作群體內(nèi)玉米各器官干物質(zhì)積累高于單作。宋日等[13]用根箱方法模擬研究了玉米大豆間作條件下兩種根型特征與空間變異，研究表明在不同土層，間作作物根干物質(zhì)量相應增加，根冠比增大，比根長明顯增加。唐勁馳等[14]通過選取不同根型的大豆與玉米間作，表明了間作作物的生物量，氮磷含量都顯著高于單作，且淺根型大豆品種不僅有利于兩種間作作物對土壤磷的吸收，同時還有利于對氮的吸收。這些研究成果均與本試驗研究成果一致，間作能有效增加作物生物量，提高根系密度，有助于保持水土。

3.2 根系密度、地上/地下部分生物量與根系固土拉力的關系

據(jù)圖1和圖2可知，MD處理較MM處理、DD處理和CK處理不論在玉米樣方還是在大豆樣方其固土能力均強，在施加相同荷載情況下，間作處理比單作處理土壤樣方的位移偏移量較單作處理時偏移量小，這說明MD處理農(nóng)作物的固持土壤能力要強于MM和DD處理的農(nóng)作物以及CK處理，有利于固結土壤，減少水土流失。

在大豆玉米間作時作物根系固土拉力的研究已經(jīng)有很多研究成果：鄭朝元等[15]通過對10 cm和20 cm深度玉米根系的固土拉力，結果表明施加相同荷載時，兩種深度的位移量隨著深度的增加，位移量變小，根系的分布有利用保持土壤，減少受外力(雨水沖擊)而造成的水土流失量。趙麗兵等[16]通過對0—20 cm土層選取流域內(nèi)的代表性植物做了剪切測試和模型預測，結果表明植物本身均具有較高的抗拉強度，且根系的抗拉強度與直徑間存在顯著冪函數(shù)負相關關系。這些研究成果均與本試驗所得結論有相關和一致性，表明間作能改善地下根型分布，提高土壤抗剪能力，有效保持水土資源，防止水土流失。

綜上，采用2∶2合理的間作種植模式，能有效增加土壤含水率，增加作物根系密度。盡管間作時作物種植密度較單作變小，但能增加作物地上和地下生物量，提高0—30 cm土層深度范圍內(nèi)的土壤抗剪能力，進而在降雨事件發(fā)生時，減少被雨水擊濺和沖刷而造成的水土流失。

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EffectofCropRootonSoilStrengthinDifferentCroppingPatterns

CHEN Xiaoqiang1,2, FAN Maopan1, WANG Zilin1, DU Jing1, LI Yongmei1

(1.CollegeofResourcesandEnvironment,YunnanAgriculturalUniversity,Kunming650201,China;2.KunmingJiaxiaoWaterSupplyEngineeringTechnologyCo.Ltd.,Kunming650231,China)

Studies on the effect of the maize-soybean intercropping system on soil loss are highly concentrated on aboveground, while there are little researches on soil fixing capability of root character of maize-soybean intercropping. We examined the biomass and soil fixing capability of roots in maize-soybean intercropping (MD), maize monoculture(MM), soybean monoculture(DD)and bare land(CK) on slope cropland by using the field runoff plot experiment. The results show that maize root density of MD treatment is 19.64% higher than MM treatment. The difference is significant between MD, MM and CK treatment in the depth of 10—20 cm(p<0.05), MD treatment increased by 4.25% and 4.84%, respectively, compared with MM and CK, increased by 2.49% and 15.85% in the depth of 0—10 cm, and increased by 1.56% and 6.25% respectively in the depth of 20—30 cm. Compared with MM treatment, the above-ground fresh biomass of MD increased by 2.46%, and 5.06% in the underground part, the biomass of dry weight increased by 7.31%, and 3.17% in the underground part. In the range of 0—30 cm soil moisture can be effectively maintained and soil water content can be improved. MD treatment has greater soil fixing capability than other treatments in maize quadrat or soybean quadrat. The displacement of soil of the intercropping is shorter than monoculture under the same load.

intercropping; maize; soybean; root system; soil fixing capability

2016-09-20

：2016-10-09

國家自然科學基金“坡耕地紅壤主要農(nóng)作物根系固土抗蝕生物力學特征研究”(41461059),“間作影響坡耕地紅壤團聚體分形特征和抗蝕性的機制”(41661063)

陳小強(1989—),男,甘肅天水人,碩士,助理工程師,主要從事水資源綜合利用及水土保持研究。E-mail:15877915717@163.com

李永梅(1966—),女,河南新鄉(xiāng)人,博士,教授,主要從事坡地水土保持與持續(xù)利用研究。E-mail:youngmaylee@126.com

S152.9；S157.4+33

：A

：1005-3409(2017)05-0144-05