全 文 ：第20卷 第3期
Vol.20 No.3
草 地 学 报
ACTA AGRESTIA SINICA
2012年 5月
May. 2012
苜蓿根系生长对黄土母质生土的改良效应
杨珍平,郝教敏,卜玉山,高志强,苗果园*
(山西农业大学,山西 太谷 030801)
摘要:为明确苜蓿根系生长对黄土母质生土的改良效应,以黄土母质生土为供试土壤,采用根管土柱栽培方法,研
究了2~4年生紫花苜蓿(MedicagosativaL.)0~300cm土层根系生长特点及其根际土壤微生物、酶活性以及土
壤营养的垂直分布。结果表明:黄土母质生土0~300cm土层的苜蓿根重、根体积、根直径随土层的加深皆符合
Y=A·e-BX锥形负指数递减模型;苜蓿根系对土壤的穿孔、切割、挤压作用有利于改善生土的结构;苜蓿发达的根
系明显促进了生土根际微生物的繁衍、酶活性的提高及土壤氮素营养与有机质含量的提高。试验年限内,以4年
生苜蓿根际效应更好。本研究结果为苜蓿应用于黄土母质生土地的改良沃化提供了理论参考。
关键词:黄土母质生土;苜蓿;根系生长特征;土壤微生物;土壤酶活性;土壤营养
中图分类号:S551+.7;S154;Q142.3 文献标识码:A 文章编号:1007-0435(2012)03-0489-08
EffectsofAlfalfaRootGrowthonImprovingImmatureSoilofLoessParentMaterial
YANGZhen-Ping,HAOJiao-Min,BUYu-Shan,GAOZhi-Qiang,MIAOGuo-Yuan*
(ShanxiAgriculturalUniversity,Taigu,Shanxi030801,China)
Abstract:Inordertodetermineimprovementsofalfalfa(Medicagosativa)rootgrowthinimmaturesoilof
loessparentmaterial,asoilcolumncultureexperimentinthetubewasconductedwithimmaturesoiloflo-
essparentmaterial.Growthcharacteristicsofalfalfarootgrown2~4years,verticaldistributionsofrhizo-
sphericsoilmicrobes,enzymesactivity,andnutritionfrom0to300cmdepthwereinvestigated.Results
indicatedthatrootweight,rootvolume,androotdiameterofalfalfafrom0to300cmdepthfitthedecline
modelofY=A·e-BX withsoildepthincrease.Immaturesoilstructurewaseffectivelyimprovedbythe
perforating,incising,andsqueezingeffectsofalfalfaroots.Developedrootsofalfalfasignificantlyim-
provedthenumberofrhizosphericmicrobesandincreasedrhizosphericenzymeactivities,thecontentsof
rhizosphericnitrogenandorganicmatter.Alfalfarootsgrownfouryearshadthebestrhizosphericeffect.
Thisstudysuppliedatheoreticalbasisforimprovingimmaturesoilofloessparentmaterialbyplantingal-
falfa.
Keywords:Immaturesoilofloessparentmaterial;Alfalfa;Rootgrowthcharacteristic;Soilmicrobe;Soil
enzymeactivity;Soilnutrition
随着我国人口的增加和耕地的逐步减少,北方
黄河中游干旱、半干旱地区人口压力越来越大,加之
“退耕还林还草”与“生态环境重建”[1],耕地越来越
少,依靠传统的轮作养地与撂荒养地的土地资源越
来越受到限制[2]。因此黄土高原沟壑区填沟平地、
小流域治理过程中,不可避免地要对土壤耕作层进
行位移破坏,母质生土层暴于地表,直接种植作物。
研究表明,黄土母质生土养分十分贫瘠,明显限制了
谷类作物的正常生长,其当年土壤生产力仅为耕作
熟土的1/4左右;且作物根系发育不良,表现在总根
重、最大根长、一级节根数均不及耕作熟土的1/2[3]。
因此如何加快生土地的熟化,是该地区农业生产的
重要课题。
苜蓿(MedicagosativaL.)是一种多年生豆科
植物,由于其根系发达,且抗旱、耐寒、耐瘠,适
应性强,因此在生态环境建设、改善土壤结构、增强
收稿日期:2011-12-20,修回日期:2012-01-25
基金项目:现代农业产业技术体系建设专项经费(CARS-3-1);国家自然科学基金(31101113);山西省自然基金项目(991102);山西省青年
基金项目(20031047)资助
作者简介:杨珍平(1973-),女,山西应县人,博士,副教授,主要从事作物生态研究,E-mail:yangzp.2@163.com;*通信作者 Authorfor
correspondence,E-mail:miaoguoyuan1934@yahoo.com.cn
草 地 学 报 第20卷
土壤肥力等方面发挥着极为重要的作用[4-5]。由“苜
蓿-小麦-大黄牛”组成的家庭农牧生态系统,在我国
华北西北黄土高原上已经传世千年而不断,特别是
对降水稀少的旱作农区,有农谚说“苜蓿茬的小麦三
年好麦”[6]。关于苜蓿耕层土壤养分、水分、微生物
以及苜蓿改良盐渍土、黄绵土等方面前人均做了相
关研究[7-16]。而关于0~300cm土层苜蓿根系生长
对黄土母质生土的改良研究尚未见报道。本文旨在
通过分析0~300cm土层苜蓿根系生长及根际土壤
生物活性垂直分布,探讨应用苜蓿改良黄土母质生
土效果,为指导生土沃化改良提供理论依据。
1 材料与方法
1.1 材料
供试植物为紫花苜蓿,由山西农业大学动科院
草业科学系提供。
供试土壤为黄土母质上发育而成的石灰性褐
土,取自山西农大农场试验地改苗建工地地表以下
2~3m的母质生土。风干,过筛,充分混匀。母质
生土养分含量为:全氮 198 mg·kg-1,碱解氮
17.19mg·kg-1,速效磷4.75mg·kg-1,速效钾
35.22mg·kg-1,有机质4.03g·kg-1,pH值8.3。
1.2 试验设计
本试验在山西农业大学黄土高原作物研究所内
进行,研究采用根管土柱法。根管为特制硬质塑料
管,直径20cm,管壁厚度1cm,截为1m长,再垂直
等分锯成两半。根管两端装有可相互连接与固定的
铁环,以便将根管连接成需要的长度。本试验连接
为3m长,并整合固定,垂直置于根室内。将供试
生土装入根管,不施肥。重复20次。2007年4月
20日播种。出苗后每管留苗5株。每个生长季后
均对地上部刈割称重。根据前人研究结果紫花苜蓿
根系当年入土深度不及2m,次年入土深度可达3
m[17],本试验分别在播种后第2年(2008-05-20)、第
3年(2009-06-12)和第4年(2010-06-04)各取3次重
复对0~300cm土层苜蓿根系与根际土壤分层采
样,每20cm为一层。以母质生土本底土壤为对照
(CK)。
1.3 测定内容
先将地上部收割称重,然后将根管打开,沿管四
周分隔管与土,然后用灭菌牙签轻轻去土,直到露出
根系。再用牙签将每层根际周围的土样直接装入灭
菌纸袋,各层根系及地上部也分装入袋。
根直径测定采用游标卡尺法。取主根,测定其
近地面那一端的直径。根体积测定采用排水法。将
每层根样浸没于1000mL量筒中,浸没前后凹液面
刻度差即为根体积。根重及地上部重测定采用直接
干燥法,先105℃杀青,再80℃烘干至恒重称重。
根系活力测定采用根系还原TTC强度法[18]。
植株养分含量测定:采用植株氮磷钾联合测定
法[19]。将植株样品经H2SO4-H2O2 消煮,全氮测定
采用半微量凯氏定氮法;全磷测定采用钒钼黄比色
法;全钾测定采用火焰光度计法。
土壤样品处理方法:将上述纸袋中的新鲜土样
摇匀,分作3份。1份新鲜,2份风干,分别留作土壤
微生物种群数量、土壤营养及酶活性测定。
土壤营养测定[20]:将风干土样按各种营养测定
的要求过筛,土壤有机质测定采用重铬酸钾容量法-
外加热法,土壤全氮测定采用消煮法,土壤速效氮测
定采用碱解扩散法,速效磷测定采用0.5mol·L-1
NaHCO3 浸提-钼锑抗比色法,速效钾测定采用
NH4OAC浸提-火焰光度法。
土壤酶活性测定[21]:将风干土样按各种酶测定
的要求过筛,脲酶(urease)按靛酚比色法、碱性磷酸
酶(alkalinephosphatase)按磷酸苯二钠比色法、蔗
糖酶(sucrase)按磷酸二氢钠比色法、多酚氧化酶
(polyphenoloxidase)按邻苯三酚比色法、过氧化氢
酶按容量法(0.05mol·L-1高锰酸钾滴定)测定。
土壤微生物种群数量测定采用稀释平板法[22]。
真菌测定采用马丁培养基+孟加拉红+硫酸链霉
素;放线菌测定采用改良高氏1号培养基+重铬酸
钾;细菌测定采用牛肉膏蛋白胨琼脂培养基。结果
计算:每克干土中菌数=菌落平均数×稀释倍数×
10/干土百分比。
0~20cm土壤容重测定采用环刀法[23]。为保
证土壤结构完整性,又避免对土样微生物及酶活性
测定造成影响,取样期间另取1次重复,选择相邻苜
蓿株间的土壤位点,用6cm×4cm(Ф×h)的环刀垂
直深入土层,取样深度略高于环刀高度,然后用钢尺
沿环刀口径轻轻刮平,依文献[23]测定容重,并计算
求得各类孔隙度。
1.4 数据分析
采用Excel2003软件进行数据整理、作图。用
SAS8.0统计分析软件的ANOVA 过程进行方差分
094
第3期 杨珍平等:苜蓿根系生长对黄土母质生土的改良效应
析与多重比较,CORR过程进行相关分析。结果用平
均值±标准偏差来表示。
2 结果与分析
2.1 苜蓿根系穿插作用造就生土垂直面的多孔性
由 表1可知,随土层加深,苜蓿根重、根体积、
主根直径总体呈“T”型递减趋势,其中0~40cm耕
层根重约占0~300cm土层总根重的32%左右,根
体积较大,主根直径较粗;随土层加深,每层根重占
总根重的比例逐渐降低,根体积亦明显降低,主根直
径依次渐细。研究中发现140cm以下,尤其220~
300cm之间,随土层加深,根毛逐渐增多,由此可知
根系直径、根体积与根毛数相互补偿,达到对土壤水
分的吸收利用。
分别对同一根系指标不同土层间作多重比较,
发现无论2年、3年或4年生苜蓿,其耕层0~20cm
与20~40,40~60,60~80cm间根系各项指标的差
异显著(P<0.05),而80~300cm相邻土层间差异
大多不显著,说明80cm以下的苜蓿根量占有相当
比重,有利于吸收土壤深层水分,可知苜蓿为黄土高
原区耐旱的饲料作物。
表1 不同生长时间苜蓿根重、根体积及根直径的垂直分布
Table1 Verticaldistributionofalfalfarootweight,volumeanddiameterfordifferentgrowingyears
土层深度
Soildepth
/cm
根重Rootweight 根体积Rootvolume 主根直径Rootdiameter
第2年
Thesecond
year
第3年
Thethird
year
第4年
Theforth
year
第2年
Thesecond
year
第3年
Thethird
year
第4年
Theforth
year
第2年
Thesecond
year
第3年
Thethird
year
第4年
Theforth
year
g % g % g % mL mL mL cm cm cm
0~20 25.63a 21.42 33.09a 23.68 44.83a 19.76 47.00a 76.33a 85.78a 0.74a 0.77a 0.82a
20~40 13.74b 11.49 14.38b 10.29 24.35b 10.73 27.33b 35.17b 52.89b 0.43b 0.45b 0.75a
40~60 11.29c 9.44 11.47c 8.21 17.29c 7.62 25.33b 31.83c 35.89c 0.39bc 0.40bc 0.67b
60~80 8.76d 7.32 9.99cd 7.14 13.53de 5.96 18.17c 26.90d 26.33e 0.36cd 0.36bcd 0.63b
80~100 8.20de 6.86 9.20de 6.58 12.48efg 5.50 15.63d 26.53d 23.49ef 0.34cde 0.35bcd 0.52c
100~120 7.45ef 6.22 8.33def 5.96 13.01def 5.73 14.10d 24.60e 22.74f 0.32de 0.35bcd 0.50c
120~140 6.55fg 5.47 7.16efg 5.13 11.50gh 5.07 10.90e 21.80f 17.11g 0.31de 0.33cd 0.40d
140~160 5.71gh 4.77 6.34fgh 4.54 11.39gh 5.02 10.13e 20.67fg 22.89f 0.29ef 0.32cd 0.38d
160~180 5.30hi 4.43 6.20fgh 4.44 11.48gh 5.06 9.93e 19.60g 22.78f 0.29ef 0.32cd 0.35de
180~200 5.11hij 4.27 5.68gh 4.07 10.72hi 4.73 10.90e 16.63h 21.71f 0.27ef 0.31cd 0.33de
200~220 5.22hij 4.36 6.07gh 4.34 12.60efg 5.55 10.40e 17.00h 26.37e 0.24fg 0.28cde 0.31de
220~240 5.65gh 4.72 6.33fgh 4.53 14.17d 6.25 10.17e 15.73h 30.89d 0.20gh 0.27de 0.28ef
240~260 4.29ij 3.58 5.01gh 3.58 11.88fgh 5.24 9.23ef 9.17i 24.91ef 0.19gh 0.20e 0.23fg
260~280 4.10j 3.43 5.91gh 4.22 9.57i 4.22 9.10ef 8.60i 21.68f 0.16h 0.18e 0.20g
280~300 2.65k 2.22 4.62h 3.30 8.11j 3.58 7.07f 5.83j 15.70g 0.14h 0.17e 0.17g
总计Total/g 119.66 139.76 226.91 235.40 356.40 451.16
注:同列字母不同表明差异显著(P<0.05),下同
Note:differentlettersinthesamelineindicatesignificantdifference(P<0.05),thesameasbelow
另外,0~300cm土层苜蓿根重、根体积及根直
径的垂直分布均符合Y=A·e-BX锥形负指数递减
模型。A的绝对值越大,根系越发达;B的绝对值越
小,递减幅度越小。本研究中苜蓿根重、根体积、根
直径分别在19.278g、43.15mL和0.677cm左右;
B值均在0.09左右,说明苜蓿根系垂直构型更接近
于柱形;随根系向土层深处延伸,不仅造就土壤垂直
面上的多孔性,而且对土壤产生切割挤压作用,从而
改善土壤剖面物理结构。本研究测得供试母质生土
有关物理性状本底值与种植苜蓿后耕层0~20cm
的测定值分别为:容重1.60和1.30,毛管孔隙度
35.3%和31.4%,非毛管孔隙度13.3%和19.6%,总
孔隙度34.4%和51.0%。可见苜蓿根系的穿插作
用,促进母质生土耕层孔隙度增加,容重降低,使母
质生土向有利于作物生长的方向发展。
2.2 苜蓿根土系统促进母质生土微生物的繁衍
贾志红等[24]曾鉴定黄土母质生土的土壤细菌
为G+,有球状的,也有杆状的。放线菌主要类群为
链霉菌属(Streptomyces),有粉红色孢子类群、绿色
类群、白色孢子类群、黄色类群、灰烬类群、粉红色孢
群中的弗氏类群。真菌主要为曲霉属(Aspergil-
lus)、青霉属(Penicillium)、木霉属(Thichoderma)、
葡萄穗霉属(Stachybotris)。以上这些类群均为土
壤中的有益菌,它们对作物残体的分解与养分的循
环转化起到很大作用。
194
草 地 学 报 第20卷
由表2可知,苜蓿根系活动明显促进了母质生
土微生物的繁衍,且细菌数量>放线菌>真菌;在0
~300cm土层内真菌、放线菌和细菌的平均数量分
别是母质生土本底值的22.6倍、6.1倍和4.5倍,
说明苜蓿根系活动更有利于促进母质生土真菌和放
线菌的繁衍。随土层的加深,3种菌群数量均呈“T”
型分布,以耕层0~20cm最高,20~40cm陡然减
少,40cm以下土层或高或低幅度平缓,但依然远高
于母质生土本底值。可见40cm以下土层微生物数
量保持较高水平,有利于分解吸收该层以下的土壤
养分和水分。
表2 不同生长时间苜蓿根际土壤微生物种群的垂直分布
Table2 Verticaldistributionsofalfalfarhizosphericmicroorganismfordifferentgrowingyears
土层深度
Soil
depth/cm
真菌Fungi
/×103strains·g-1drysoil
放线菌Actinomyces
/×105strains·g-1drysoil
细菌Bacteria
/×107strains·g-1drysoil
合计Total
/×107strains·g-1drysoil
第2年
Thesecond
year
第3年
Thethird
year
第4年
Theforth
year
第2年
Thesecond
year
第3年
Thethird
year
第4年
Theforth
year
第2年
Thesecond
year
第3年
Thethird
year
第4年
Theforth
year
第2年
Thesecond
year
第3年
Thethird
year
第4年
Theforth
year
0~20 37.4a 124.8a 378.1a 46.6a 185.2a 83.7bcde 65.4a 124.2a 131.8b 65.4 124.4 131.9
20~40 7.7efg 10.7def 83.0b 18.4def 132.7b 130.0a 54.5ab 25.3de 73.8fgh 54.5 25.4 73.9
40~60 20.8b 9.5def 6.2c 20.8def 47.4cdef111.0ab 26.9de 14.5fgh 125.1bc 26.9 14.6 125.2
60~80 7.1efg 1.5f 8.3c 34.0bc 75.2c 38.5f 37.0cd 23.5def 37.7i 37.0 23.6 37.7
80~100 9.8ef 13.7cd 6.4c 16.2def 26.1ef 74.2cde 19.2e 49.0c 69.4igh 19.2 49.0 69.4
100~120 3.8g 2.9f 6.0c 21.7de 19.4f 54.1ef 27.2de 10.0ghi 75.7fgh 27.3 10.0 75.7
120~140 11.4def 4.3ef 4.7c 18.9def 63.1cd 54.3ef 30.0de 61.4b 53.8hi 30.0 61.4 53.8
140~160 5.6fg 2.6f 7.3c 11.2fg 22.9f 62.9def 23.3de 31.5d 98.7def 23.3 31.5 98.8
160~180 16.0bcd 2.7f 5.2c 5.8g 27.7ef 91.7bcd 29.6de 12.5gh 89.0efg 29.6 12.5 89.1
180~200 16.0bcd 4.8def 11.3c 15.1efg 39.1def 134.5a 26.5de 23.9def 65.1gh 26.5 24.0 65.2
200~220 9.1efg 2.6f 9.1c 18.6def 29.7ef 64.1def 29.9de 28.1de 73.7fgh 29.9 28.2 73.7
220~240 11.8cde 13.4cd 8.9c 11.0fg 56.6cde 105.5abc 30.7de 19.9efg 118.5bcd 30.7 20.0 118.6
240~260 8.9efg 30.8b 7.9c 26.0cd 29.8ef 62.9def 17.3e 8.9hi 103.5cde 17.3 8.9 103.6
260~280 10.0ef 12.7cde 9.1c 52.9a 45.7cdef114.7ab 44.2bc 3.9gi 176.1a 44.2 3.9 176.2
280~300 17.3bc 21.0c 16.3c 36.6b 18.6f 106.0abc 28.9de 1.0i 73.4fgh 29.0 1.0 73.5
平均 Mean 12.84 17.20 37.86 23.59 54.62 85.88 32.70 29.18 91.01 32.73 29.23 91.10
本底土壤(CK) 1.0 9.0 11.3 11.3
2.3 苜蓿根土系统促进母质生土酶活性的提高
本研究测得供试母质生土各种酶活性的本底值
分别为:脲酶12μg(NH3-N)·g-1、碱性磷酸酶33.5
μg(phenol)·g-1、蔗糖酶2.314mg(glucose)·g-1、
多酚氧化酶0.173mg(PG)·g-1、过氧化氢酶362
μL(0.05mol·L-1KMnO4)·g-1。由图1可知,
在苜蓿生长期内,其根系活动明显促进了母质生土
酶活性的提高;其中脲酶、碱性磷酸酶及蔗糖酶活性
的垂直分布均呈“T”型,与根量的垂直递减趋势一
致;多酚氧化酶与过氧化氢酶活性的垂直分布分别
呈低高交替或高低交替的变化趋势,其中多酚氧化
酶在0~20,80~140和200~220cm有3个酶活
性峰值区域,20~40,160~180及260~300cm有
3个酶活性谷值区域;而过氧化氢酶在0~20,140~
180及260~300cm有3个酶活性峰值区域,60~
80,120~140及220~240cm有3个酶活性谷值区
域。总之,耕层0~40cm酶活性最高,40cm以下
变化幅度相对平缓,但依然远高于母质生土本底值。
40cm以下土层保持较高酶活性水平,有利于促进
深层土壤有机营养矿质化,进而被植物吸收利用。
2.4 苜蓿根土系统促进母质生土肥力的形成
由表3可知,在苜蓿生长期内,其根系活动明显
促进了母质生土全氮、有机质含量的增加,且多以耕
层0~40cm含量最高;除耕层0~20cm土壤速效
磷、速效钾含量较母质生土提高外,其余土层速效磷
及速效钾含量均较母质生土本底值低。可见苜蓿植
株吸收土壤中大量P和 K营养。为此进一步分析
苜蓿根系活力(根系还原 TTC强度,图2)与植株
NPK营养含量(表4)。
由图2可知,随根系向土壤深层延伸,根系还原
TTC能力总体呈加强趋势,且在0~300cm土层内
有4个根系活力高峰区域。随种植年限延长,根系
活力减弱,活力高峰区域下移。但2年的测定结果
均显示180~280cm之间随土层加深根系活力近于
线性提高,以260~280cm处提高幅度最大,活力最
294
第3期 杨珍平等:苜蓿根系生长对黄土母质生土的改良效应
高。深层根系保持较高活力水平有利于吸收深层土
壤水分和养分,再一次充分说明苜蓿为黄土高原地
区抗旱耐瘠作物。
由表4可知,苜蓿根系N含量>K含量>P含
量。但随种植年限延长到4年,0~300cm 根层P
和K含量均成倍增加,尤其 K含量逐年增加;0~
140cm 根层N含量亦成倍增加。可见苜蓿根系强
大的吸收功能与丰富的残留物质,可大大改变母质
生土根土环境,使后续作物获得高产稳产。苜蓿根
系固定、吸收的N,P,K营养大部分向茎叶运输,叶
部最高,这与苜蓿作为饲料作物的功能性相一致。
根系N,P,K含量的垂直分布规律不明显。
图1 不同生长时间苜蓿根际土壤酶活性的垂直分布
Fig.1 Verticaldistributionsofrhizosphericenzymesactivityofalfalfafordifferentgrowingyears
394
草 地 学 报 第20卷
表3 不同生长时间苜蓿根际土壤营养的垂直分布
Table3 Verticaldistributionsofalfalfarhizosphericnutritionfordifferentgrowingyears
土层深度
Soildepth
/cm
全氮
Totalnitrogen/mg·kg-1
速效磷
AvailablePhosphorus/mg·kg-1
速效钾
AvailablePotassium/mg·kg-1
有机质
Organicmatter/g·kg-1
第2年
Thesecond
year
第3年
Thethird
year
第4年
Theforth
year
第2年
Thesecond
year
第3年
Thethird
year
第4年
Theforth
year
第2年
Thesecond
year
第3年
Thethird
year
第4年
Theforth
year
第2年
Thesecond
year
第3年
Thethird
year
第4年
Theforth
year
0~20 709.3a 648.7a 672.0c 5.08b 9.54a 4.97a 28.94a 45.46a 50.97a 13.17a 11.03a 7.19de
20~40 541.3b 485.3b 494.7g 3.19d 4.93b 2.12b 21.60bc 21.60bcd 19.77def 11.40b 5.94c 14.60a
40~60 396.7cd 443.3c 616.0de 1.89fg 4.48c 1.85b 17.93cde 19.77cd 23.44cd 6.57e 4.83gh 5.09f
60~80 350.0fg 336.0d 611.3e 1.65hij 3.73d 1.45b 14.26ef 17.93d 16.09f 9.11c 1.73j 7.86cd
80~100 284.7h 336.0d 508.7fg 2.03ef 2.72e 1.40b 12.42f 10.59e 17.93ef 2.58i 3.95i 7.64cde
100~120 406.0d 247.3f 616.0de 1.80gh 1.69f 2.70b 17.93cde 23.44bc 23.44cd 6.61e 4.76gh 6.89e
120~140 252.0i 336.0d 490.0g 1.65hij 1.58fg 5.04a 17.93cde 21.60bcd 21.60de 5.35f 5.31ef 5.62f
140~160 373.3def 280.0e 728.0b 2.07e 1.38ij 2.34b 16.09def 17.93d 27.11c 6.27e 4.98fgh 7.49cde
160~180 270.7hi 266.0ef 648.7cd 1.36k 1.31j 2.27b 23.44b 25.27b 34.45b 7.05d 5.76cd 7.64cde
180~200 331.3g 252.0ef 658.0c 6.10a 1.40hij 1.42b 17.93cde 21.60bcd 23.44cd 5.35f 5.06fg 12.28b
200~220 508.7c 280.0e 760.7a 1.87fg 1.45hi 1.51b 19.77bcd 17.93d 27.11c 4.46g 7.27b 4.04g
220~240 373.3def 270.7ef 620.7de 1.51jk 1.51gh 2.30b 16.09def 21.60bcd 38.12b 5.65f 4.65h 12.13b
240~260 331.3g 364.0d 672.0c 3.98c 1.38ij 1.54b 14.26ef 19.77cd 23.44cd 3.76h 5.54de 7.49cde
260~280 368.7ef 340.7d 592.7e 1.74ghi 1.34ij 1.42b 16.09def 21.60bcd 19.77def 5.35f 4.24i 8.09c
280~300 359.3fg 336.0d 536.7f 1.63ij 1.31j 1.60b 16.09def 19.77cd 16.09f 5.50f 5.28ef 7.26de
平均 Mean 390.4 348.1 615.1 2.50 2.65 2.26 18.05 21.72 25.52 6.55 5.36 8.09
本底土壤(CK) 198.0 4.75 35.22 4.03
表4 不同生长时间苜蓿根系N,P和K含量垂直分布
Table4 VerticaldistributionsofN,PandKcontentsinalfalfarootfordifferentgrowingyears %
土层深度
Soil
depth/cm
N P2O5 K2O
第2年
Thesecond
year
第3年
Thethird
year
第4年
Theforth
year
第2年
Thesecond
year
第3年
Thethird
year
第4年
Theforth
year
第2年
Thesecond
year
第3年
Thethird
year
第4年
Theforth
year
叶Leaf - - 16.891 - - 1.293 - - 6.078
茎Stem - - 3.656 - - 0.804 - - 4.842
根 Root
0~20 3.196 3.344 6.817 0.464 0.430 1.271 0.778 0.715 3.342
20~40 3.645 2.755 6.737 0.506 0.445 1.004 0.541 0.836 3.067
40~60 3.813 2.642 5.662 0.551 0.422 1.135 0.601 0.836 3.311
60~80 3.854 2.360 5.666 0.537 0.388 0.967 0.599 0.894 3.077
80~100 3.743 2.362 4.722 0.524 0.438 0.967 0.655 0.963 3.290
100~120 3.346 2.353 4.206 0.560 0.382 1.056 0.715 0.840 3.311
120~140 3.842 2.319 5.252 0.652 0.393 1.043 0.719 1.019 3.282
140~160 3.809 2.365 2.920 0.635 0.378 0.953 0.719 1.010 4.003
160~180 3.919 2.332 3.531 0.717 0.347 0.642 0.714 0.951 3.841
180~200 4.016 2.427 1.867 0.680 0.335 0.922 0.716 1.068 3.836
200~220 3.546 2.232 3.326 0.644 0.342 0.956 0.722 0.892 3.578
220~240 3.406 2.190 4.280 0.611 0.338 0.826 0.714 0.888 3.489
240~260 3.523 2.091 3.158 0.595 0.330 0.888 0.653 0.837 3.597
260~280 3.320 2.762 2.428 0.647 0.496 1.001 0.719 1.193 3.367
280~300 4.103 2.788 2.797 0.706 0.511 1.184 0.892 1.024 2.885
根平均 Meanofroot 3.672 2.488 4.225 0.602 0.398 0.988 0.697 0.931 3.418
2.5 苜蓿根系与根土酶活性、微生物及肥力间的互
促互动
采用SAS软件CORR过程分析苜蓿根土酶活
性、微生物与肥力间的Pearson相关系数(表5),结
果表明,根系直径越大,活力越低;根系活力与根重、
根体积或根系N,P,K含量没有直接的显著线性相
关;但根重、根体积、根直径与根系N,P,K含量、根
际土壤微生物、酶活性(多酚氧化酶和过氧化氢酶除
外)及土壤肥力间均成极显著正相关;根际土壤多种
酶活性与微生物及土壤肥力之间多数亦成显著或极
494
第3期 杨珍平等:苜蓿根系生长对黄土母质生土的改良效应
显著正相关。可见直径较小的根系先端,根毛较多,
活力较高,吸收能力较强,促进了根系生长,进而促
进了母质生土微生物繁衍、酶活性提高及土壤肥力
的形成。
图2 苜蓿根系还原TTC强度的垂直分布
Fig.2 Verticaldistributionofalfalfarootde-oxidationTTC
表5 苜蓿根系特性与根际土壤特性之间的相关性
Table5 Correlationbetweenalfalfarootcharacteristicsandrhizosphericsoilproperties
x1 x2 x3 x4 x5 x6 x7 x8 x9 x10 x11 x12 x13 x14 x15 x16 x17 x18 x19
x1 1.00
x2 -0.27 1.00
x3 -0.31 0.97** 1.00
x4 -0.56** 0.84** 0.84** 1.00
x5 -0.24 0.93** 0.92** 0.81** 1.00
x6 -0.25 0.94** 0.89** 0.79** 0.97** 1.00
x7 -0.29 0.91** 0.82** 0.77** 0.86** 0.95** 1.00
x8 -0.08 0.87** 0.81** 0.60** 0.90** 0.94** 0.90** 1.00
x9 -0.03 0.57** 0.58** 0.45* 0.40* 0.37* 0.33 0.26 1.00
x10 0.10 0.57** 0.52* 0.37* 0.32 0.40* 0.50** 0.36* 0.64** 1.00
x11 -0.12 0.54** 0.42* 0.38* 0.23 0.35 0.48** 0.27 0.58** 0.77** 1.00
x12 -0.21 0.67** 0.70** 0.56** 0.69** 0.58** 0.39* 0.46* 0.51** 0.24 0.26 1.00
x13 -0.03 0.75** 0.71** 0.46* 0.69** 0.69** 0.69** 0.70** 0.45* 0.52** 0.49** 0.54** 1.00
x14 -0.09 0.43* 0.40* 0.37* 0.23 0.21 0.28 0.22 0.63** 0.49** 0.48** 0.14 0.35 1.00
x15 -0.18 0.91** 0.86** 0.67** 0.85** 0.89** 0.89** 0.92** 0.43* 0.46* 0.42* 0.50** 0.73** 0.35 1.00
x16 -0.18 0.90** 0.92** 0.75** 0.94** 0.89** 0.74** 0.80** 0.54** 0.38* 0.33 0.79** 0.69** 0.29 0.79** 1.00
x17 -0.11 0.93** 0.92** 0.69** 0.92** 0.89** 0.80** 0.90** 0.49** 0.48** 0.39* 0.71** 0.82** 0.35 0.88** 0.91** 1.00
x18 0.01 -0.29 -0.16 -0.15 0.04 -0.09 -0.30 -0.11 -0.43* -0.64**-0.80** 0.06 -0.29 -0.53**-0.27 -0.02 -0.14 1.00
x19 0.10 -0.09 0.05 -0.13 0.24 0.12 -0.10 0.18 -0.35 -0.59**-0.74** 0.20 0.01 -0.47**-0.01 0.21 0.11 0.84**1.00
注:x1:根系还原TTC强度;x2:根重;x3:根体积;x4:根直径;x5:根系 N含量;x6:根系P含量;x7:根系K含量;x8:真菌;x9:放线菌;x10:细菌;x11:脲酶;x12:碱性磷酸酶;x13:蔗糖
酶;x14:多酚氧化酶;x15:过氧化氢酶;x16:全氮;x17:速效磷;x18:速效钾;x19:有机质;*表示显著相关(P<0.05),**表示极显著相关(P<0.01)
Note:x1:Rootde-oxidationTTC;x2:Rootweight;x3:Rootvolume;x4:Rootdiameter;x5:Ncontentofroot;x6:Pcontentofroot;x7:Kcontentofroot;x8:Fungi;x9:Actinomy-
ces;x10:Bacteria;x11:Urease;x12:Phosphatase;x13:Sucrase;x14:Polyphenoloxidase;x15:Catalase;x16:Totalnitrogen;x17:Availablephosphorus;x18:AvailablePotassium;x19:
Organicmatter;*meansignifiautcorrelationatthe0.05level,**meansignificantcorrelationatthe0.01level
3 讨论
3.1 本研究表明,黄土母质生土0~300cm土层
内,随土层加深,苜蓿根重、根体积、主根直径的垂直
分布均符合Y=A·e-BX的锥形负指数递减模型,约
有20%~30%的根重集中在0~20cm土层,其余
土层依次递减,与前人关于根重“T”型分布的研究
结果一致[25-26]。本研究结果还表明,苜蓿根系自上
而下垂直递减幅度较小(B值0.09左右),垂直构型
接近于柱型;由于根系的穿插、切割、挤压作用,从而
促进母质生土孔隙度增加,容重降低,使母质生土物
理结构向有利于作物生长的方向发展;其深层根量
比例较高,也有利于吸收深层土壤水分,改善深层土
壤生态结构与肥力结构。
594
草 地 学 报 第20卷
3.2 关于苜蓿根土方面的研究,前人多集中在退耕
还草地或多年生草地耕层0~40cm范围内,其结果
表明随种植年限延长,土壤微生物种群数量、微生物
量碳、氮及土壤酶活性提高[27],土壤养分存在表层
聚集现象[28]。本研究关于母质生土0~300cm土
层苜蓿根土垂直分布的研究结果表明,苜蓿根土系
统不仅有利于土壤生物活性及土壤养分在耕层“富
集”,同时其40cm以下发达的根量亦促进了该层以
下土壤微生物的繁衍和多种酶活性的提高(均显著
高于母质生土本底土壤),进而促进了该层以下土壤
氮素营养与有机质含量的增加,使母质生土肥力水
平向有利于作物生长的方向发展。
3.3 苜蓿既是土壤 N素营养的生产固定者,也是
土壤养分的吸收利用者。本研究结果表明,随根系
向土壤深层延伸,根系还原TTC能力增强,根系吸
收N,P,K含量增加,3种营养排序为N>K>P,且
4年生根系N,P,K含量均成倍于2年和3年生的,
尤其P和K含量。根系吸收的营养大部分向茎叶
运输,随苜蓿茎叶被作为饲料刈割,土壤中大量P
和K将被移出农田系统,尤其连续种植4年后,20
cm以下土层中P和 K营养显著降低,从而导致土
壤中P和K营养供需矛盾突出[29]。可见一方面强
大的根系N营养残留有利于改善母质生土肥力结
构,有利于保证后续作物高产稳产,另一方面也说明
在多年种植苜蓿的地块上,需要注重P肥和K肥的
投入,尤其P和K营养本底值极低的母质生土。
4 结论
苜蓿根系垂直分布近于柱型,其穿插、切割、挤
压作用,促进母质生土孔隙度增加,容重降低,使母
质生土物理结构向有利于作物生长的方向发展;苜
蓿发达的根系明显促进了母质生土微生物的繁衍、
酶活性的提高和氮素营养及有机质含量的提高,尤
其40cm以下土层根量发达,吸收活力较高,有利于
改善该层以下土壤生态结构与肥力结构,有利于后
续作物高产稳产。试验年限内,以4年生苜蓿根系最
发达,切割、挤压、穿孔能力更强,土壤微生物数量、酶
活性及肥力更高。生土熟化是我国人工造地和工业
废弃地熟化的重要课题,本研究结果为苜蓿应用于黄
土母质生土地的改良沃化提供了理论参考。
参考文献
[1] 黄懿梅,安韶山,曲东,等.黄土丘陵区植被恢复过程中土壤酶
活性的响应与演变[J].水土保持学报,2007,21(1):152-155
[2] 梁斌,周建斌,杨学云,等.不同培肥措施下种植制度及撂荒对
土壤微生物量碳氮的影响[J].中国生态农业学报,2009,17
(2):209-214
[3] 杨珍平,白志明,张翔宇,等.黄土母质生土地当年施肥对谷类
作物生产力与根际土壤营养及生物活性的影响[J].中国生态
农业学报,2010,18(4):698-705
[4] 万素梅,韩清芳,胡守林,等.黄土高原半湿润区苜蓿草地土壤
氮素消耗特征研究[J].植物营养与肥料学报,2008,14(1):
383-390
[5] 王赫,刘利,周道玮.4种苜蓿属植物幼苗的抗旱性研究[J].草
地学报,2010,18(2):205-211
[6] 苗果园,尹钧.晋南黄土高原“小麦-苜蓿-黄牛”集约型农牧村
落系统分析[J].中国草业科学,1987(S):114-121
[7] LiYS,HuangMB.Pastureyieldandsoilwaterdepletionof
continuousgrowingMedicagosativaintheLoessPlateauof
China[J].Agriculture,EcosystemsandEnvironment,2008,
124(1/2):24-32
[8] LuoY,MeyerhoffPA,LoomisRS.Seasonalpatternsand
verticaldistributionsoffinerootsofalfalfa[J].FieldCrops
Research,1995,40(2):119-127
[9] 李玉山.苜蓿生产力动态及其水分生态环境效应[J].土壤学
报,2002,39(3):404-411
[10]程积民,万惠娥,王静.黄土丘陵区紫花苜蓿生长与土壤水分变
化[J].应用生态学报,2005,16(3):435-438
[11]樊军,邵明安,王全九.陕北水蚀风蚀交错区苜蓿地土壤水分过
耗与恢复[J].草地学报,2006,14(3):261-264
[12]张春霞,郝明德,李丽霞.黄土高原地区紫花苜蓿生长过程中土
壤养分的变化规律[J].草地学报,2005,13(1):66-70
[13]杨玉海,蒋平安.不同种植年限苜蓿地土壤理化特性研究[J].
水土保持学报,2005,19(2):110-113
[14]杨恒山,张庆国,刘晶,等.不同生长年限紫花苜蓿根系及其土
壤微生物的分布[J].草业科学,2007,24(11):38-41
[15]李松.豆科牧草对黄绵土生态因素影响研究[J].中国水土保
持,1992(8):37-39
[16]元炳成.紫花苜蓿改良盐渍土对土壤微生物活性和养分含量的
影响[J].生态环境学报,2011,20(3):415-419
[17]WeaverJE.Rootdevelopmentoffieldcrops[M].NewYork
andLondonMcGrow-HilBookCompany,1926
[18]张志良.植物生理实验指导[M].北京:中国高等教育出版社,
1992:88-154
[19]鲍士旦.土壤农化分析[M].北京:中国农业出版社,2000:263-
271
[20]吕英华,秦双月.测土与施肥[M].北京:中国农业出版社,
2002:48-84
[21]关松荫.土壤酶及其研究法[M].北京:农业出版社,1983:260-
339
[22]许光辉,郑洪元.土壤微生物分析方法手册[M].北京:农业出
版社,1986:102-135
[23]林大仪.土壤学实验指导[M].北京:中国林业出版社,2004:
66-76
[24]贾志红,杨珍平,孙敏,等.施肥对作物根际微生物的影响[J].
作物学报,2004,30(5):491-495
[25]苗果园,张云亭,尹钧,等.黄土高原旱地冬小麦根系生长规律
的研究[J].作物学报,1989,15(2):104-115
[26]张永清.几种谷类作物根土系统的研究[D].太谷:山西农业大
学,2005
[27]蒋平安,罗明,蒋永衡,等.不同种植年限苜蓿地土壤微生物区
系及商值[J].干旱区地理,2006,29(1):115-119
[28]徐丽君,王波,辛晓平.紫花苜蓿人工草地土壤养分及土壤微生
物特性[J].草地学报,2011,19(3):406-411
[29]王俊慧,杨恒山,刘兰芳,等.不同生长年限紫花苜蓿吸钾特征
研究[J].草地学报,2009,17(6):767-771
(责任编辑 刘云霞)
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