全 文 ：书长期连续种植苜蓿草地地上部分生物量
与土壤水分的空间差异性
王俊１，２，刘文兆１，钟良平１，李玉山１
（１．中国科学院水利部水土保持研究所，陕西 杨凌７１２１００；２．西北大学城市与资源学系，陕西 西安７１０１２７）
摘要：基于苜蓿长期连续种植定位试验，研究了不同施肥与采样位置差异对苜蓿草地地上部分生物量和土壤水分
的影响。苜蓿长期连续种植１９年后，施肥对苜蓿地上部分生物量的影响不显著；试验样地内呈由外及内植株高度
逐渐下降、地上部分生物量积累逐渐减小的“生物漏斗”现象，距样地中心位置不同引起的差异远远超过施肥处理
引起的差异。中下层土壤水分也呈类似的漏斗状分布。相关分析表明，苜蓿地上部分生物量与１ｍ以下土壤水分
含量呈显著相关，表明在长期连续种植条件下下层土壤水分状况是决定苜蓿草地生长状况的主要因素。
关键词：苜蓿；生物漏斗；水分漏斗；长期试验
中图分类号：Ｓ５１１＋．７０１；Ｑ９４５．７９；Ｓ１５２．７　　文献标识码：Ａ　　文章编号：１００４５７５９（２００９）０４００４１０６
　 苜蓿（犕犲犱犻犮犪犵狅狊犪狋犻狏犪）是我国黄土高原地区目前种植的主要牧草品种，也是退耕还林草工程中的主要草
种。水分是影响苜蓿生产力的首要条件［１，２］，产草量与前一年雨季降水和当年生育期降水量的关系密切，而土壤
水分条件的改善则有利于苜蓿生产效率的发挥［３～６］。除水分外，苜蓿生产力高低还受施肥与否［７，８］和生长年限的
影响［１，２，９，１０］。
在黄土高原，由于降水不足，苜蓿草地年蒸散量大于年降水量，根系吸水层达１０ｍ以下，多年连续种植会导
致土壤干燥化，形成生物性土壤下伏干层，从而对陆地水分循环路径发生影响［１，２，１１］，因此，长期以来苜蓿连续种
植后的水分生态效应备受关注，主要涉及到土壤水分的时空分异规律［１２～１５］和土壤干层的形成及其恢复机
制［１，２，１６～１８］。杜世平等［１２］研究表明苜蓿草地土壤水分周年变化可分为４个时期：春季失墒期、夏季增失墒交替
期、伏秋增墒期、土壤水分凝积期，其中在春季失墒期，土壤底层（２ｍ以下）和中层（１～２ｍ）对表层土壤水分具有
明显的补偿作用，而在冬季气候寒冷，土层由上而下冻结（冻结深度为８０ｃｍ 左右），上下土层温差会促使土壤水
分由于热毛管效应向上移动聚积，从而使整个土体（０～１ｍ）含水量都增加。张春霞等［１６］研究发现苜蓿草地０～
２ｍ土层水分受降水影响变化较大，２ｍ以下由于没有水分的补给，出现了干燥化现象。土壤水分的变异系数随
土层深度的增加而减小，水分含量趋于稳定。随着苜蓿生长年限的不断延长，土壤上层水分基本得到恢复，但深
层土壤干化加剧，例如万素梅等［１８］研究表明生长超过１８年的苜蓿草地深层土壤已呈通体干化状态，水分难以恢
复。
需要指出的是，水分在土壤中的运移是个复杂的过程，而上述研究主要集中在由于水分垂直方向上的运移导
致的土壤深层水分匮缺问题，对苜蓿长期种植后的土壤水分横向空间差异性及其对苜蓿生长的影响方面目前尚
无人涉及。１９８４年，中国科学院水利部水土保持研究所在陕西长武建立了大型长期定位试验［２，１９］，其中包括了
不同施肥条件下的苜蓿连续种植试验，本研究在此基础上，对苜蓿连续种植所引起的生物量和土壤水分空间差异
性进行了分析，旨在深化对苜蓿草地水分生态环境的认识。
１　材料与方法
１．１　研究区概况
试验地位于黄土高原南部的长武塬区中国科学院长武农业生态试验站十里铺轮作长期定位试验场（１０７°４４′
４２″Ｅ，３５°１２′４７″Ｎ）。该区塬面地势平坦，属暖温带半湿润大陆性季风气候，农业生产主要依赖生育期的天然降
第１８卷　第４期
Ｖｏｌ．１８，Ｎｏ．４
草　业　学　报
ＡＣＴＡＰＲＡＴＡＣＵＬＴＵＲＡＥＳＩＮＩＣＡ 　　
４１－４６
２００９年８月
 收稿日期：２００８１１０４；改回日期：２００９０２１７
基金项目：中国科学院知识创新工程重要方向项目（ｋｚｃｘ２ｙｗ４２４）和国家自然科学基金项目（３０５０００７７）资助。
作者简介：王俊（１９７４），男，河南虞城人，副教授，博士。Ｅｍａｉｌ：ｗａｎｇｊ＠ｎｗｕ．ｅｄｕ．ｃｎ
通讯作者。Ｅｍａｉｌ：ｗｚｌｉｕ＠ｍｓ．ｉｓｗｃ．ａｃ．ｃｎ
水和前期土壤蓄水，属于典型的旱作农业区，海拔１２２０ｍ，多年平均降水５８４ｍｍ，且季节性分布不均，年均气温
９．１℃，无霜期１７１ｄ。土壤属黄盖粘黑垆土，母质为中壤质马兰黄土，土层深厚，土质疏松，肥力中等，田间持水量
为２２．４％，凋萎湿度９％。布置试验时，耕层土壤有机质含量１０．５ｇ／ｋｇ，全氮０．８ｇ／ｋｇ，有效磷４．５８ｍｇ／ｋｇ，速
效钾１２９．３ｍｇ／ｋｇ，地下水埋深６０ｍ。
１．２　试验设计
定位试验开始于１９８４年秋，试验共设计了３６个处理，每个处理３次重复，共１０８个小区，随机区组设计，试
验小区面积为６６．７ｍ２（长１０．３ｍ，宽６．５ｍ），小区间距０．５ｍ，区组间距１ｍ，小区间的隔离带与区内地面水平
一致。试验处理设计方案见文献［１９］。本研究选择了不同施肥条件下的３个苜蓿连续种植处理，包括：ＣＫ（对照
不施肥）、Ｐ（单施磷肥，磷肥用量６０ｋｇＰ２Ｏ５／ｈｍ２）和 ＮＰＭ（氮磷有机肥配施，用量９０ｋｇＮ／ｈｍ２、６０ｋｇ
Ｐ２Ｏ５／ｈｍ２、厩肥７５ｔ／ｈｍ２）。３个试验处理小区在定位试验布设中呈东西向依次排列，肥料每年９月一次性施入
土壤。苜蓿品种为紫花苜蓿，每年６月初和９月初进行刈割。小区内散生杂草，以绢毛细蔓委陵菜（犘狅狋犲狀狋犻犾犾犪
狉犲狆狋犪狀狊）、多茎委陵菜（犘．犿狌犾狋犻犮犪狌犾犻狊）和地肤（犓狅犮犺犻犪狊犮狅狆犪狉犻犪）为主。
１．３　样品采集与测定
２００３年６月６－７日沿试验小区长轴方向由外侧向内侧每隔１ｍ进行对称刈割采样，其中两侧的４个样方
面积为１ｍ２，中央２个样方合并后面积为２ｍ２，分别计算苜蓿和杂草鲜重，其中外侧和中间的２个样方分别合并
计算，分别代表小区外部和中部位置的地上部分生物量。地上生物量采集后在同一位置用土钻法采集土壤样品，
以０．２ｍ为间隔，深至３ｍ，用烘干法测定土壤水分。
１．４　数据处理
试验数据使用ＳＡＳ统计软件（ＡＮＯＶＡ、ＣＯＲＲＥＬ）进行差异显著性检验和相关性分析。
２　结果与分析
２．１　苜蓿株高
不同采样位置苜蓿生长状况差异显著，由外向内苜蓿株高逐渐下降，外侧植株高度（处理平均为０．８５ｍ，下
同）较中央植株（平均０．３６ｍ）提高了２倍多（图１）。不同施肥处理对苜蓿株高的影响只出现在小区内部中心位
置，而且对照处理植株要高于２个施肥处理。犉检验结果（表１）表明，施肥处理和采样位置对苜蓿株高均具有显
著影响，但采样位置的影响远远大于施肥处理。
２．２　地上部分生物量
苜蓿生物量在不同采样位置的变化与株高相似，外侧植株生物量积累量（平均２０３．５ｋｇ／ｈｍ２）较中部（９５．６
ｋｇ／ｈｍ２）和内部（４５．２ｋｇ／ｈｍ２）分别提高了１１２．８％和３５０．２％。施磷处理苜蓿地上生物量在试验区外侧显著低
于其他２个处理，而在中间位置ＣＫ处理较低，中心位置施肥没有影响。犉检验结果表明，施肥对苜蓿地上生物
量的累积没有达到显著性水平，而采样位置的影响极显著。
施肥和采样位置对杂草地上部分生物量均具有极显著的影响（表１）。在不同的采样位置，杂草地上部分生
物量在施肥后均显著增加。对照处理随采样位置由外及内生物量积累逐渐减小，但Ｐ和ＮＰＭ 处理最低值则出
现在中间位置。
地上部分总生物量在４５．４～２５４．６ｋｇ／ｈｍ２，而且采样位置和施肥对其均具有极显著的影响，但采样位置差
异对生物量积累的影响远远大于施肥的影响。随着采样位置由外及内３个处理均呈下降趋势，差异极显著（犘＜
０．０１）。不同施肥处理间比较，ＮＰＭ处理在小区外侧和中心位置均高于对照和Ｐ处理。
２．３　土壤水分
苜蓿长期连续种植后土壤水分剖面呈不规则的“Ｓ”分布（图２），自表层以下土壤水分迅速下降至０．５ｍ处，
然后逐渐回升至１．０～１．２ｍ，以下层次则基本保持稳定。所有处理０～０．５，０．５～１．０和１．０～３．０ｍ土壤平均
含水量分别为９．２７％，９．３７％和１１．０６％。不同采样位置对土壤水分均具有显著影响。在对照处理中，上层土壤
水分在不同位置差异不大，而在０．５ｍ以下土层样地中心位置的土壤含水量显著低于中部与外侧；Ｐ和ＮＰＭ处
理在不同采样位置间的变化趋势与对照相同，但显著性差异出现在１ｍ以下层次。不同施肥处理间除表层（０～
０．２ｍ）外均无显著差异。
２４ ＡＣＴＡＰＲＡＴＡＣＵＬＴＵＲＡＥＳＩＮＩＣＡ（２００９） Ｖｏｌ．１８，Ｎｏ．４
图１　不同处理不同采样位置苜蓿株高及苜蓿、杂草和总地上部分生物量
犉犻犵．１　犃犫狅狏犲犵狉狅狌狀犱犫犻狅犿犪狊狊狅犳犕．狊犪狋犻狏犪，狉狌犱犲狉犪犾犪狀犱犕．狊犪狋犻狏犪犺犲犻犵犺狋狊犪狋犱犻犳犳犲狉犲狀狋
狊犪犿狆犾犻狀犵狆狅狊犻狋犻狅狀狊狌狀犱犲狉犱犻犳犳犲狉犲狀狋狋狉犲犪狋犿犲狀狋狊
其中大写字母代表不同采样位置差异显著，小写字母代表不同试验处理间差异显著（犘＜０．０５）Ｔｈｅｃａｐｉｔａｌｌｅｔｔｅｒｍｅａｎｓｔｈｅｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔ
ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｓａｍｏｎｇｓａｍｐｌｉｎｇｓｉｔｅｓａｎｄｔｈｅｓｍａｌｌｅｔｔｅｒｉｎｄｉｃａｔｅｓｔｈｅｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｓａｍｏｎｇｔｒｅａｔｍｅｎｔｓａｔ０．０５ｌｅｖｅｌ
表１　施肥和采样位置对苜蓿株高、生物量、杂草生物量、总生物量和杂草比例影响的犉值
犜犪犫犾犲１　犉狏犪犾狌犲狊犳狉狅犿狋犺犲犻犿狆犪犮狋狅犳犳犲狉狋犻犾犻狕犪狋犻狅狀犪狀犱狊犪犿狆犾犻狀犵狆狅狊犻狋犻狅狀狅狀犕．狊犪狋犻狏犪犺犲犻犵犺狋，犕．狊犪狋犻狏犪犫犻狅犿犪狊狊，狉狌犱犲狉犪犾
犫犻狅犿犪狊狊，狋狅狋犪犾犫犻狅犿犪狊狊犪狀犱狋犺犲狆犲狉犮犲狀狋狅犳狉狌犱犲狉犪犾犫犻狅犿犪狊狊狋狅狋狅狋犪犾犫犻狅犿犪狊狊（狀＝７２）
项目
Ｉｔｅｍ
苜蓿株高
犕．狊犪狋犻狏犪ｈｅｉｇｈｔ
苜蓿生物量
犕．狊犪狋犻狏犪ｂｉｏｍａｓｓ
杂草生物量
Ｒｕｄｅｒａｌｂｉｏｍａｓｓ
总生物量
Ｔｏｔａｌｂｉｏｍａｓｓ
杂草比例
Ｒｕｄｅｒａｌｂｉｏｍａｓｓ／Ｔｏｔａｌｂｉｏｍａｓｓ
施肥Ｆｅｒｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ ４．３０ ３．０６ ２９．００ ６．２４ ２７．１１
采样位置Ｓａｍｐｌｉｎｇｐｏｓｉｔｉｏｎ ３１３．２１ ２３５．６２ ２３．４８ ２２８．７３ ２０．１２
位置×施肥Ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ １．３６ １．６３ ２．２６ １．３３ ７．０３
　注：施肥、采样位置及其交互影响０．０５显著性水平犉值分别为３．１４，３．１４和２．５２。
　Ｎｏｔｅ：犉ｖａｌｕｅｗｅｒｅ３．１４，３．１４，２．５２ｆｏｒｆｅｒｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ，ｓａｍｐｌｉｎｇｐｏｓｉｔｉｏｎａｎｄｔｈｅｉｒｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ，ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ．
２．４　土壤水分与地上部分生物量的关系
地上部分生物量积累与不同层次的土壤水分含量具有简单相关性（图３）。苜蓿地上部分生物量和总生物量
与上层（０～０．５ｍ）和中层（０．５～１．０ｍ）土壤水分没有相关性，而与１．０ｍ以下层次平均土壤水分含量呈极显著
正相关。苜蓿生长多年后，根系下扎深度可达５～６ｍ，因此深层土壤水分状况决定着苜蓿生长状况。杂草多为
一年生草本植物，根系下扎深度较浅，其地上部分生物量积累与０．５ｍ以上层次土壤水分状况具有显著相关性。
３４第１８卷第４期 草业学报２００９年
图２　不同施肥处理不同位置土壤水分剖面分布
犉犻犵．２　犛狅犻犾犿狅犻狊狋狌狉犲狆狉狅犳犻犾犲犱犻狊狋狉犻犫狌狋犻狅狀狊犪狋犱犻犳犳犲狉犲狀狋狊犪犿狆犾犻狀犵狆狅狊犻狋犻狅狀狌狀犱犲狉犱犻犳犳犲狉犲狀狋犳犲狉狋犻犾犻狕犪狋犻狅狀狋狉犲犪狋犿犲狀狋
图３　苜蓿、杂草及总生物量与不同土层土壤水分的相关性
犉犻犵．３　犆狅狉狉犲犾犪狋犻狅狀狊犫犲狋狑犲犲狀狊狅犻犾犿狅犻狊狋狌狉犲犪狋犱犻犳犳犲狉犲狀狋狊狅犻犾犾犪狔犲狉狊
犪狀犱狋犺犲犪犫狅狏犲犵狉狅狌狀犱犫犻狅犿犪狊狊狅犳犕．狊犪狋犻狏犪，
狉狌犱犲狉犪犾犪狀犱狋犺犲狋狅狋犪犾犫犻狅犿犪狊狊
Ｎ．Ｓ．表示不显著，、分别表示０．０５和０．００１显著性水平
Ｎ．Ｓ．ｍｅａｎｓｎｏｔｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔ，， ｍｅａｎｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔ
ａｔ０．０５ａｎｄ０．００１ｌｅｖｅｌｓ，ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ
３　讨论与结论
在同一块试验地上，李玉山［１］、郝明德等［７］研究了自１９８４年以来的苜蓿生产力变化，发现苜蓿产草量随着生
长年限的延长而呈下降趋势。苜蓿草地的盛产年限约５年，此后随着杂草的侵入，产草量逐渐减少。在施肥与中
耕管理后，苜蓿盛产期可延长至１０～１５年。本研究进行取样时，苜蓿连续种植已达１９年。与对照相比，施肥后
苜蓿地上部分生物量仍有提高，但其影响已经低于显著性水平，苜蓿的生长状况更多地受土壤水分条件的控制。
在黄土高原地区，土壤水分状况对苜蓿生长具有重要影响。万素梅等［１４］研究表明，在旱区连续多年种植苜
蓿，造成土壤水分缺乏，影响根系的生长发育，进而影响苜蓿的产量。李跃进等［３］研究表明苜蓿地上生物量与
一定深度的土壤贮水量显著相关，尤其是下部土层相关性更大。本研究中对照处理样地０．５ｍ以下土层由外及
内土壤水分逐渐降低呈漏斗状，而施肥样地具有类似变化趋势但深度降至１．０ｍ以下。与中下层土壤“水分漏
４４ ＡＣＴＡＰＲＡＴＡＣＵＬＴＵＲＡＥＳＩＮＩＣＡ（２００９） Ｖｏｌ．１８，Ｎｏ．４
斗”相对应，苜蓿和杂草生长状况也呈类似的“生物漏斗”效应。苜蓿地上部分生物量与１．０ｍ以下土壤水分含
量极显著相关，表明苜蓿连续种植多年后深层土壤水分状况决定着其生长状况。
长期定位试验是深入理解农田生态过程的重要手段［１，２０］，为了保证数据的可靠性和准确性，长武定位试验运
行２０多年以来田间管理保持一致，另一方面试验小区之间的保护行与小区间以及小区内部基本保持水平，并没
有形成微地形起伏，因此可以认为土壤“水分漏斗”的形成应该是水分在土壤中横向运移的结果，而是否还存在土
壤养分的漏斗效应及其对苜蓿生物量的影响机制也值得进一步探讨。这种“漏斗”现象形成对农业长期试验中的
样品采集而言具有重要意义，即要注意在试验小区内部进行多点混合采样以增强数据准确性和代表性。
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５４第１８卷第４期 草业学报２００９年
犛狆犪狋犻犪犾狏犪狉犻犪犫犻犾犻狋狔狅犳狊狅犻犾犿狅犻狊狋狌狉犲犪狀犱犪犫狅狏犲犵狉狅狌狀犱犫犻狅犿犪狊狊狅犳犕犲犱犻犮犪犵狅狊犪狋犻狏犪
狌狀犱犲狉犾狅狀犵狋犲狉犿犮狅狀狋犻狀狌狅狌狊狆犾犪狀狋犻狀犵
ＷＡＮＧＪｕｎ１，２，ＬＩＵ Ｗｅｎｚｈａｏ１，ＺＨＯＮＧＬｉａｎｇｐｉｎｇ１，ＬＩＹｕｓｈａｎ２
（１．ＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＳｏｉｌａｎｄＷａｔｅｒＣｏｎｓｅｒｖａｔｉｏｎ，ＣｈｉｎｅｓｅＡｃａｄｅｍｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅｓａｎｄＭｉｎｉｓｔｅｒｏｆＷａｔｅｒ
Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ，Ｙａｎｇｌｉｎｇ７１２１００，Ｃｈｉｎａ；２．ＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＵｒｂａｎａｎｄＲｅｓｏｕｒｃｅＳｃｉｅｎｃｅ，
ＮｏｒｔｈｗｅｓｔＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉ’ａｎ７１０１２７，Ｃｈｉｎａ）
犃犫狊狋狉犪犮狋：Ｉｍｐａｃｔｓｏｆｆｅｒｔｉｌｉｚａｔｉｏｎａｎｄｓａｍｐｌｉｎｇｐｏｓｉｔｉｏｎｏｎｓｏｉｌｍｏｉｓｔｕｒｅａｎｄａｂｏｖｅｇｒｏｕｎｄｂｉｏｍａｓｓｏｆ犕犲犱犻犮犪犵狅
狊犪狋犻狏犪ｗｅｒｅｓｔｕｄｉｅｄｉｎａｌｏｎｇｔｅｒｍ，ｉｎｓｉｔｕｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ．Ａｆｔｅｒ１９ｙｅａｒｓｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ犕．狊犪狋犻狏犪ｐｌａｎｔｉｎｇ，ｆｅｒｔｉｌｉｚａ
ｔｉｏｎｈａｄｎｏｉｍｐａｃｔｏｎ犕．狊犪狋犻狏犪ａｂｏｖｅｇｒｏｕｎｄｂｉｏｍａｓｓ．Ｈｏｗｅｖｅｒ，ｐｌａｎｔｈｅｉｇｈｔｄｅｃｌｉｎｅｄａｎｄａｃｃｕｍｕｌａｔｉｏｎｏｆ
ａｂｏｖｅｇｒｏｕｎｄｂｉｏｍａｓｓｄｅｃｒｅａｓｅｄｔｏｗａｒｄｓｔｈｅｃｅｎｔｅｒｏｆｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｐｌｏｔ，ｌｉｋｅａｂｉｏｍａｓｓｆｕｎｎｅｌ．Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｓ
ｄｕｅｔｏｓａｍｐｌｉｎｇｐｏｓｉｔｉｏｎｗｅｒｅｍｕｃｈｂｉｇｇｅｒｔｈａｎｔｈｏｓｅｄｕｅｔｏｆｅｒｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ．Ｓｏｉｌｍｏｉｓｔｕｒｅｉｎｔｈｅｌａｙｅｒｓｂｅｌｏｗ１ｍ
ａｌｓｏｒｅｓｅｍｂｌｅｄａｍｏｉｓｔｕｒｅｆｕｎｎｅｌａｎｄｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙｃｏｒｒｅｌａｔｅｄｗｉｔｈ犕．狊犪狋犻狏犪ａｂｏｖｅｇｒｏｕｎｄｂｉｏｍａｓｓ，ｗｈｉｃｈｉｎｄｉ
ｃａｔｅｄｔｈａｔｓｕｂｓｏｉｌｍｏｉｓｔｕｒｅｍａｙｂｅｃｒｕｃｉａｌｔｏ犕．狊犪狋犻狏犪ｇｒｏｗｔｈｉｎｌｏｎｇｔｅｒｍｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｐｌａｎｔｉｎｇｓ．
犓犲狔狑狅狉犱狊：犕犲犱犻犮犪犵狅狊犪狋犻狏犪；ｂｉｏｍａｓｓｆｕｎｎｅｌ；ｓｏｉｌｍｏｉｓｔｕｒｅｆｕｎｎｅｌ；ｌｏｎｇｔｅｒｍｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ
６４ ＡＣＴＡＰＲＡＴＡＣＵＬＴＵＲＡＥＳＩＮＩＣＡ（２００９） Ｖｏｌ．１８，Ｎｏ．４