全 文 ：第 16 卷 第 2 期
Vol. 16 No . 2
草 地 学 报
ACTA AGRESTIA SINICA
2008 年 3 月
Mar . 2008
紫花苜蓿和短花针茅根系分布与土壤水分研究
成向荣1, 2 , 黄明斌1* , 邵明安1, 樊 军1
( 1. 中国科学院水利部西北农林科技大学水土保持研究所 黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室, 陕西杨陵 712100;
2. 中国科学院研究生院, 北京 100039)
摘要: 以陕北农牧交错带人工草种紫花苜蓿( Med icago sativa L . )和天然草种短花针茅( Stipa br ev if lora Griseb. )
为对象,采用根钻法调查两个草种的根系垂直分布以及刈割后苜蓿根系变化特征, 并通过定位观测研究土壤水分
动态变化。结果表明:紫花苜蓿和短花针茅根系密度随土壤深度增加而减少, 而且均以直径小于等于1 mm的须根
为主; 0~ 50 cm 土层紫花苜蓿和短花针茅根系量分别占 0~ 100 cm 剖面总量的 67%和 84%。紫花苜蓿和短花针
茅根系分布与土壤水分消耗特征吻合。生长旺盛期苜蓿大量消耗 0~ 140 cm 土层土壤水分, 5- 9 月平均有效土壤
储水不足 10 mm;生长季末深层( 140~ 280 cm)土壤储水也逐渐降低, 约为裸地储水量的 50%。短花针茅0~ 280
cm 剖面土壤水分状况明显好于苜蓿地,比苜蓿地多储水 100 mm 左右;主要消耗浅层( 0~ 50 cm)土壤水分, 深层水
分利用较少。
关键词: 紫花苜蓿; 短花针茅; 根系分布; 土壤水分
中图分类号: S797. 27 文献类型: A 文章编号: 1007-0435( 2008) 02-0170-06
Root Distribution and Soil Water Dynamics of Medicago sativa L. and
Stipa brevif lora Griseb.
CHENG Xiang-rong 1, 2 , HUANG M ing-bin1* , SHAO M ing-an1 , FAN Jun1
( 1. State Key Lab oratory of Soil Erosion and Drylan d Farming of the Loess Plateau, Inst itute of Soil and Water Conservat ion,
Chinese Academy of S ciences, M inist ry of Water Resources, and N orthw est Sc-i Tech Un iversity of Agricu lture
and Fores t ry, Yangling, Shaan xi Province 712100, Ch ina;
2. Gradu ate School, C hinese Academy of S cien ces , Beijing 100039, China)
Abstract: Vertical root dist ribut ions of M edicago sat iv a L. and St ip a brevi f lor a Griseb. w er e invest igated
using dr ill method and soil water dynam ics were studied by po sit ioning field obser vation in the farming-
pastor al interlaced region o f no rthern Shaanx i pr ovince. T he results show that r oot densit ies o f M . sativa
and S. br evi f lor a decreased along w ith the increased so il depth, and the diameter o f most ro ots w as w ithin
l mm. The per centage o f M. sat iv a and S. brev if lor a roots in 0- 0. 5 m soil layer w ere 67% and 84% of
the total roo t amount thr oughout 0- 1. 0 m prof ile, r espect ively. So il w ater used by M. sativa and S. bre-
vif lor a were greatly af fected by their ro ots dist ribut ion in prof ile. Water stored in 0- 140 cm so il layer
w as depleted mainly by M. sativa; the averaged plant available w ater w as less than 10 mm from M ay to
September; in deep soil lay er of 140- 280 cm, soil w ater sto rag e also declined g radual ly at the end of the
grow ing season and w as about 50% of that in bare land. Water stored in 0- 280 cm soil lay er under S.
br ev if lora was 100 mm more than that under M. sat iva. So il w ater consumed by S. br ev if lora was mainly
from 0- 50 cm soil layer , and litt le soil w ater consumption w as observ ed in deep so il layer.
Key words: M edicago sat iv a L. ; S tipa brevif lor a Gr iseb. ; Root dist ribut ion; So il w ater storag e
陕北农牧交错带是毛乌素沙漠向陕北黄土高原
丘陵沟壑区的过渡地带, 也是我国典型的风沙过渡
区和生态脆弱区。加强这一地区草场资源建设, 不
仅是畜牧业发展的物质基础,也是防止水土流失,改
收稿日期: 2007-06-18; 修回日期: 2007-10-25
基金项目: 国家自然科学基金( 40471062) ,西北农林科技大学创新团队项目
作者简介: 成向荣( 1979- ) ,男,甘肃天水人,博士研究生,研究方向为土壤物理和生态水文, E-m ail: cxr @ nwsuaf . edu. cn; * 通讯作者
Author for correspondence, Em ail : hm bd@ nw suaf. edu. cn
第 2期 成向荣等:陕北农牧交错带紫花苜蓿和短花针茅根系分布与土壤水分研究
善生态环境的重要措施。水分是农牧交错带草地建
设主要限制因素。根系是植物吸收、转化和储藏营
养物质的重要器官, 对地上部的生长、形态建成发生
作用,其分布特征反映了植物对地下资源的利用状
况和水土保持性能的强弱。目前,在黄土高原农牧
交错带,已开展了许多人工、天然草地土壤水分消耗
和恢复的研究[ 1~ 4] , 但有关根系分布研究较少 [ 5, 6]。
因此,研究草地根系分布与土壤水分的相互关系, 具
有重要的现实意义。紫花苜蓿 ( Medicago sativa
L. ) (以下简称苜蓿)作为一种优质、高产、抗旱, 适
应性强的草种, 在陕北农牧交错带广泛种植。随生
长年限的增加, 苜蓿逐渐衰败,进而演替到该地区的
稳定 草 原 群 落-短 花 针 茅 ( S tipa brevi f lor a
Gr iseb. )群落[ 7] 。本文的研究目的是比较生长旺盛
期(种植的第 3, 4年)的人工苜蓿和退化苜蓿地上发
育的天然短花针茅根系分布特征及其土壤水分动
态,初步探讨根系分布对土壤水分的影响。
1 研究区概况
试验区位于陕西神木县以西 14 km 处的六道
沟流域(东经 110b21c~ 110b23c, 北纬 38b46c~ 48b
51c) ,海拔 1094. 0~ 1273. 9 m。流域北依长城, 地
处毛乌素沙漠的边缘, 属于黄土高原水蚀风蚀交错
带的强烈侵蚀中心, 流域面积 6. 89 km2。该区年均
降水量 437. 4 mm,年内年际变率大, 50% 以上集中
在 7- 8 月。年均气温 8. 4 e , \10 e 活动积温为
3248. 0 e ,无霜期 153 d, 全年日照时数 2836 h, 年
总太阳辐射量为 5922 M J # m - 2 , 属中温带半干旱
气候。土壤主要为沙黄土和风沙土。
2 材料与方法
在六道沟小流域选取处于产草高峰期的 3, 4年
生人工苜蓿,种植 20多年苜蓿退化后发育的短花针
茅为主要建群种的天然草地和裸地建立 3个 4 m @
15 m的小区(西北向, 13~ 15b坡地) , 其中苜蓿地和
裸地 2003 年以前均为农地。苜蓿生长旺盛期高
35~ 50 cm, 盖度 70%左右; 小区内杂草非常少, 仅
有个别狗尾草 ( S etar ia vi r idi s ( L . ) Beauv. ) 茵陈
蒿( A r tem isia cap il lar is Thunb. )和猪毛菜( Salso-
la col l ina Pall. )分布, 盖度小于 5%。短花针茅高
10~ 35 cm, 盖度 60%以上;小区内有零星苜蓿和少
量达乌里胡枝子 ( L esp edez a davurica ( Laxm . )
Schindl. )混杂分布。裸地定期除草。各小区下方
安装径流桶,分为两级, 收集小区的产流, 降雨后测
定径流量。
每个小区在坡的上、中和下部各安装 1根 3 m
中子管,用中子水分仪( CNC503DR)监测土壤水分
变化。0~ 1 m 土层每 10 cm 读取 1组数据, 1 m 以
下 20 cm 读数。3点的平均值为该小区的测定值。
在生长季长芒草地随机割取 1 m @ 1 m的 2个样方,
称重计算生物量。2006年 7月 19日和 10月 17日以
及 2007年 8月 2日刈割苜蓿,统计小区生物量。
用内径 9 cm 的根钻分别在小区的上、中和下部
确定4个样点,分层( 10 cm )取样调查苜蓿和长芒草
0~ 1. 0 m 根系垂直分布特征。2006年苜蓿第 1次
刈割后测定 0~ 0. 5 m 土层根系动态变化。捡出每
层所有活根系, 编号后装入纸袋。将野外带回的根
样用自来水清洗干净后, 采用加拿大 REGENT 公
司产的根系形态学和结构分析系统( WINRhizo) ,按
直径 [ 1 mm、[ 2 mm 和> 2 mm 的标准分为 3级,
测定各径级的根系长度和表面积。
用下式计算某土层根长密度( roo t length den-
sity, RLD) 和根系表面积密度 ( root surface area
density, RSD) :
RLD, RSD=
E
n
i= 1
s
n
# 1
Pr
2 # h
式中: r 土钻半径( m ) , h 土层厚度( m ) , s 根系长度
( m )或表面积( m2 ) , n为样点总数。
短花针茅地土壤容重在 1. 42~ 1. 5 g # cm- 3 ,
苜蓿和裸地容重在 1. 35 g # cm- 3左右。降雨量用
标准雨量桶测定。2006和 2007年 5~ 9月总降水量
较为接近,分别为 320. 6和 316. 6 mm, 比多年均值少
10%。2年各月降水变化特征基本一致(图 1) , 2006
年 7月降水量比 2007年约高 30 mm,而 9月比 2007
年低 30 mm 左右, 5、6和8月降水量相差不大。
图 1 试验期各月降水量
Fig . 1 Monthly precipitation dur ing the experimental per iod
使用 Excel 2003进行数据分析和处理。
171
草 地 学 报 第 16卷
3 结果与分析
3. 1 苜蓿和短花针茅根系垂直分布特征
从图 2可以看出, 在 0~ 1. 0 m 剖面,苜蓿和短
花针茅根长密度( RLD)随土壤深度增加均呈减小
趋势。其中 0 ~ 0. 5 m土层, 根系直径小于1 mm、
2 mm和总根系密度随土壤深度增加显著下降, 0. 5 m
以下土层缓慢减少。直径小于 1和 2 mm 根长密度
垂直分布与总根长密度没有显著差异, 直径大于
2 mm的根系较少, 仅为总根长密度的 1. 4% (苜蓿)
和 4. 5% (短花针茅)。可见,苜蓿和短花针茅根系
均以直径小于 1 mm 的毛根为主。
苜蓿和短花针茅根系表面积密度( RSD)与根长
密度垂直分布特征类似(未列出)。苜蓿 0~ 100 cm
剖面直径小于1 mm、2 mm、大于 2 mm和总根系表面
积密度分别为 8. 756、10. 486、1. 670和 12. 156 m2 #
m
- 3。而短花针茅 0~ 1. 0 m 剖面相应根径的RSD分
别为1. 218、1. 685、0. 315和1. 999 m2 #m- 3。无论是根
长密度还是表面积密度, 0~ 1. 0 m 剖面苜蓿都比短
花针茅大的多,分别为短花针茅的 7. 4倍和 6. 1倍。
1 m 处直径小于 1 mm 的苜蓿根长密度为
387. 1 m #m - 3 ,而短花针茅只有 28. 8 m # m- 3 , 即
使在 0. 5 m 处也仅为 49. 9 m # m- 3。苜蓿根系的
最大分布没有测定, 已有研究表明,研究区 4年生苜
蓿根系分布深度接近 4m[ 8]。但本研究中的苜蓿小
区, 2 m 以下土壤中有不均匀料浆石块分布,可能对
苜蓿根系垂直分布深度有一定影响。尽管如此, 苜
蓿根系分布比短花针茅要深广的多。
3. 2 苜蓿刈割后根系动态分布特征
刈割后直径小于 1 mm 的苜蓿根系动态特征如
图 3所示。0~ 0. 5 m 土层总根长密度随时间增加
先减小后增大,最后再减小。0~ 0. 2 m 土层根长密
度变化较大,其中表层 10 cm 土层根长密度变化最
大,在 1550. 52~ 2850. 27 m #m- 3 ,变异系数 0. 27。
0. 3~ 0. 5 m土层根长密度变化相对较小。Luo 等[ 9]
的研究表明,夏季苜蓿根系生长主要取决于地上部供
给根系碳水化合物的状况,刈割后根系获取的碳水化
合物减少,根系生长受到抑制,根系死亡率增加,导致
根长密度降低。此后,随地上部分的生长,根系获取
的碳水化合物增加,苜蓿根长密度相应增大。
3. 3 土壤水分动态
3. 3. 1 水量平衡 2006和 2007年观测期( 5月中
旬- 9月底)苜蓿、短花针茅和裸地的水量平衡特征
见表 1。2 年观测期内降水量基本相同, 接近 290
mm。观测期末苜蓿地土壤储水量比观测初期有不
同程度的下降,而短花针茅和裸地储水量均有一定
的增加。2006年短花针茅小区产流 6次, 径流量为
35. 4 mm,苜蓿和裸地小区产流 4次,径流总量分别
为 5. 7和 15. 2 mm; 2007年仅短花针茅小区产流 3
mm,苜蓿和裸地小区产流非常少。观测期末苜蓿
地蒸散量已超过同期降水量, 两年的 ET/ P(蒸散
量/降水量)分别为 104. 5%和 102. 1% , 短花针茅
地的分别为 82. 8%和 86. 8%, 裸地的分别为 92%
和 97. 3%。苜蓿地两年平均蒸散量分别比短花针
茅地和裸地多 45. 9 和 32. 4 mm, 短花针茅蒸散量
略低于裸地蒸散量(表 1)。
图 2 苜蓿和短花针茅不同径级根长密度垂直分布
F ig . 2 Ver tical RLD dist ribution of M. sativa and S. brev if lora in differ ent diameter g r ades
172
第 2期 成向荣等:陕北农牧交错带紫花苜蓿和短花针茅根系分布与土壤水分研究
图 3 0. 0~ 0. 5 m土层苜蓿刈割后不同时期根长密度 ( –[ 1 mm) 分布特征(左)和总根长密度变化特征(右)
F ig . 3 Ver tical RLD (–[ 1 mm) distr ibut ion in different time after cut in 0. 0- 0. 5 m pro file ( left)
and chang ing characterist ics o f total RLD w ith time ( right) o f M. sativa
表 1 苜蓿、短花针茅和裸地水量平衡特征
T able 1 Water balance of different land use patterns
土地利用方式
Land use pat tern
时段
Period
降水量
Rainfal l ( m m)
土壤储水量变化量
Change of soil water storage ( mm)
径流量
Runof f ( mm)
蒸发量
ET ( mm)
苜蓿 M. sat iv a 2006. 5. 13- 9. 27 285. 9 - 18. 7 5. 7 298. 9
2007. 5. 16- 9. 28 289. 4 - 6. 3 0. 1 295. 6
短花针茅 S . br ev i f l ora 2006. 5. 13- 9. 27 285. 9 13. 9 35. 4 236. 6
2007. 5. 16- 9. 28 289. 4 20. 3 3. 0 266. 1
裸地 Bare land 2006. 5. 13- 9. 27 285. 9 22. 5 15. 2 248. 2
2007. 5. 16- 9. 28 289. 4 7. 7 0. 2 281. 5
3. 3. 2 土壤储水量季节变化 2006 和 2007 年观
测期,苜蓿、短花针茅和裸地不同土层土壤储水量季
节变化趋势基本一致(图 4)。0~ 50 cm 土层储水
季节变化较大, 对降水有明显的响应。50~ 140 和
140~ 280 cm土层土壤水分的变化较为平缓。2006
年 0~ 50 cm 土层裸地平均土壤储水量为 74 mm,
短花针茅地为 51. 1 mm,苜蓿地储水量最低为 35. 5
mm, 且部分时段已低于无效储水。可见, 苜蓿对该
层水分消耗已相当严重。短花针茅地产流较多(表
1) ,减少了土壤水分的补给, 也导致土壤储水量下
降。5月中旬至 7 月中旬降水较少, 3 个小区 0 ~
50 cm土层土壤储水量基本上呈减小的趋势; 7月中
旬至 8月底降水比较集中, 土壤储水量均有明显恢
复; 9月土壤储水量又开始下降。2006 年观测期,
50~ 140 cm 土层观测期末苜蓿地土壤储水量减少
5 mm,裸地土壤储水略有增加,短花针茅变化很小。
苜蓿地平均土壤储水量为 58. 7 mm, 有效水不足
10 mm,比裸地低 105. 2 mm; 短花针茅地平均土壤
储水量为 111. 1 mm , 比裸地低 52. 7 mm。140~
280 cm 土层观测期末苜蓿地土壤储水量减少了
13 mm, 平均土壤储水量为168. 9 mm。短花针茅和
裸地土壤储水量略有增加, 平均土壤储水量分别为
186. 8和 295. 1 mm。苜蓿对该层土壤水分的消耗
相对较少,略低于短花针茅土壤储水量。
2007年观测期苜蓿、短花针茅和裸地各土层土
壤储水量动态变化与 2006年类似。0~ 50 cm 土层
苜蓿地土壤储水量仍维持在较低水平, 部分时段低
于无效储水。短花针茅地 0~ 50 cm 土层平均土壤
储水量为59. 5 mm,仅比裸地平均储水量低 8. 6 mm。
7月中旬以前, 裸地土壤储水量明显高于短花针茅;
7月中旬以后, 由于裸地没有除草, 杂草生长旺盛,
到 9月初地表盖度已达 38%, 增加了土壤水分消
耗,土壤储水量和短花针茅地接近(图 4)。50~ 140
cm 土层这 3个小区土壤储水量变化较小, 与 2006
年大体一致。140~ 280 cm 土层观测期末苜蓿地土
壤储水量减少了 17mm, 平均土壤储水量为 150. 4
mm,约为裸地的 50% ;短花针茅和裸地土壤储水变
化较小,观测期末较观测初期土壤储水量分别减少
了 4 mm 和 2 mm。短花针茅平均土壤储水量为
184. 4 mm,比苜蓿地多储水 34 mm, 约为裸地储水量
的 63%。2个生长季短花针茅 140~ 280 cm 土层水
分几乎没有变化, 但土壤储水相对较低,可能是前期
苜蓿强烈耗水, 深层水分没有得到完全恢复。试验
173
草 地 学 报 第 16卷
区15年生苜蓿- 短花针茅群落 200 cm 以下土壤含
水量[ 4] 与短花针茅 140~ 280 cm 土层水分接近, 就
是一个很好的证明。
图 4 2006, 2007 年苜蓿、短花针茅和裸地 0~ 50 cm、50~ 140 cm和 140~ 280 cm土层土壤储水量季节变化
F ig. 4 Seasonal dynamics of so il w ater sto rag e in 0~ 50cm, 50~ 140cm, and 140~ 280 cm so il lay ers of
M. sativa land, S. br ev if lora land, and bare land
4 讨 论
无论是天然草种还是人工草种, 根系密度均随
土壤深度的增加而减少。短花针茅 84%根系( 0~
100 cm剖面)集中在 0~ 50 cm 土层,其中表层 30 cm
土层达 70%。3 年生苜蓿这一比例分别为 67%和
51%。这与现有的一些研究结果一致 [ 5, 10, 11]。郭正
刚等[ 5] 和万素梅等[ 10] 研究多个紫花苜蓿品种在黄
土高原根系发育能力, 认为根系集中在土壤表层与
该层苜蓿具有发达侧根有关。而表层土壤具有丰富
的养分,且可获得较多降水的补给, 也是根系(尤其
是细根)集中分布于土壤表层的重要原因[ 12] 。
根系垂直分布对剖面土壤水分有重要影响。大
部分根系集中在 0~ 50 cm 土层增加了对土壤水分
消耗。2年观测期内, 0~ 50 cm 土层苜蓿地平均土
壤储水量为 36 mm, 土壤有效水不足 10 mm。由于
耗水强烈,该层储水时常低于无效储水,土壤储水量
仅为裸地的 50%。短花针茅 0~ 50 cm 土层平均土
174
第 2期 成向荣等:陕北农牧交错带紫花苜蓿和短花针茅根系分布与土壤水分研究
壤储水量为 55 mm, 约为裸地的 77%。苜蓿土壤
储水显著低于短花针茅, 这与该层根系分布特征吻
合。此外, 苜蓿刈割后, 随地上部分生长, 0~ 50 cm
土层的根毛总量比刈割前增加,尤其是 0~ 20 cm 土
层根系密度明显增大, 这有利于第 2茬苜蓿充分利
用雨季的降水。郭正刚等 [ 13]研究表明, 刈割抑制紫
花苜蓿主根纵向发展,而促进侧根横向发育; 随刈割
次数增加,侧根集中分布在土壤表层的比例也增加。
生长旺盛期苜蓿根系分布可能已超出我们观测
的 280 cm 深度,尽管深层土壤根系分布较少, 却对
土壤水分消耗非常严重。两年观测期内, 50~ 140
cm 土层土壤储水量接近无效储水,可利用的水分较
少,几乎得不到降水的补给; 140~ 280 cm 土层储水
也呈逐渐下降趋势。而短花针茅作为研究区地带性
的草本植物, 50~ 280 cm 土层土壤储水量相对较
高。在黄土高原典型草原区的研究也表明, 3 年生
苜蓿蒸腾耗水占蒸散量的 86% ,而禾本科草本长芒
草仅为 40. 7%;水分利用强度苜蓿草地为 137. 3% ,
而长芒草地为 88. 7% [ 13] 。这也说明,苜蓿生长旺盛
期,土壤水分的消耗较大,强烈的耗水导致土壤储水
不断下降。此外,苜蓿地上部生物特征也说明其耗
水性比短花针茅强。短花针茅鲜生物量为 1423~
1464 kg # hm- 2 ,苜蓿小区鲜生物量为 2516~ 5200
kg # hm- 2 , 比短花针茅高 1. 7~ 3. 5 倍。说明干旱
的苜蓿地具有较高的生物量, 而水分条件相对较好
的短花针茅地生物量却较低。这与李凤民和张振
万[ 14]对苜蓿和长芒草的研究结果一致。
尽管苜蓿为当地畜牧业的发展提供了优良的牧
草,也对减少地表径流、防止水土流失有积极作用。
但生长旺盛期的苜蓿耗水严重, 水分胁迫极大的影
响和抑制苜蓿的正常生长。生长盛期持续时间较为
短暂,最多不超过 6 年, 经过 10 年时间紫花苜蓿草
地可演替到该地区的稳定草原群落-短花针茅群落
[ 7]。樊军等 [ 4]研究证实,试验区 15年生苜蓿- 短花
针茅群落翻耕 2年后, 200 cm 土层土壤水分有明显
提高。因此,必须采取适当的管理措施,如确定适宜
的种植密度,每年适当增加刈割次数,苜蓿- 作物带
状混播或轮作等,增加水分的利用效率,延长人工草
地的使用寿命。
5 结 论
5. 1 生长旺盛期的苜蓿和短花针茅根系密度均随
土壤深度增加而减少, 短花针茅 0~ 0. 5 m 土层根
系密度占总量( 0~ 1. 0 m 剖面)的 84%, 苜蓿这一
比例为 67%,而且均以直径 [ 1 mm 须根为主。
5. 2 刈割后 0~ 0. 5 m 土层直径小于 1 mm 的苜蓿
总根长密度, 随时间增加先减小后增大, 最后再减
小,可能与地上部供给根系碳水化合物的量有关。
5. 3 2006和 2007年观测期末苜蓿地蒸散量均超过
同期降水量,平均 ET/ P(蒸散量/降水量)为 103. 3%,
短花针茅 84. 8%,裸地 94. 6%。苜蓿地 2年平均蒸
散量分别比短花针茅地和裸地多 45. 9和 32. 4 mm,
短花针茅蒸散量略低于裸地。
5. 4 苜蓿和短花针茅对剖面水分消耗与根系密度
垂直分布特征一致。苜蓿地 0~ 140 cm 土层水分消
耗严重,有效储水非常低, 140~ 280 cm 土层生长季
末土壤储水也呈减少趋势。而短花针茅主要消耗浅
层土壤水分,对深层土壤水分影响不大。
参考文献
[ 1] 李玉山. 苜蓿生产力动态及其水分生态环境效应[ J] . 土壤学
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(责任编辑 梁艳萍)
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