全 文 ：豆科植物对不同深度土壤水分及养分含量的影响
王大勇 ，刘 涛 2，3，郭慕萍 1，张永清 3
（1.山西省气候中心 山西 太原 030006 ; 2.陕西师范大学旅游与环境学院 陕西 西安 710062; 3.山西师范大学城市与环境科学学院 山西
临汾 041004）
摘 要：选取人工种植自然生长4年的小冠花和紫花苜蓿的土壤和无豆科植物覆盖的土壤为研究对象，设置4个采样深
度，测定有机质、全氮、有效磷、速效钾和吸湿水含量等。结果表明：紫花苜蓿试验区0 ~ 15 cm、15 ~ 30 cm、30 ~ 45 cm和
45 ~ 60 cm土壤水分含量均高于对照区，且与对照区土壤水分含量随深度变化趋势相同，表明紫花苜蓿对土壤水分有较显
著的提高作用；小冠花仅对15 ~ 30 cm土壤水分有较显著提高作用。小冠花和紫花苜蓿提高45 ~ 60 cm土层的有机质和
15 ~ 30 cm和45 ~ 60 cm土壤全氮含量的效果显著，特别是45 ~ 60 cm深度，小冠花和紫花苜蓿试验区土壤有机质含量分
别为对照区2.6和2.8倍，全氮含量为对照区的3.3和3.2倍。小冠花和紫花苜蓿均能显著提高土壤表层（0 ~ 15 cm）有效磷
含量，分别高出对照区56.54%和31.55%，同时紫花苜蓿能在一定程度上改善45 ~ 60 cm土壤有效磷含量。紫花苜蓿对土壤
速效钾含量的改善作用有随土层深度增加而增加的趋势，45 ~ 60 cm的土层改善作用最显著，从整体上讲，紫花苜蓿改善土
壤速效钾含量的作用优于小冠花。试验区表层土壤（0 ~ 15 cm）有机质与全氮和有效磷显著相关，但与速效钾无显著相关关
系。0 ~ 45 cm的土层，小冠花和紫花苜蓿试验区和对照区土壤均不缺乏营养物质，而45 ~ 60 cm的土层，小冠花和紫环苜
蓿试验区有机质含量较低，对照区全氮含量过低，小冠花试验区和对照区速效钾含量偏低。
关 键 词：小冠花；紫花苜蓿；土壤水分；有机质；全氮；有效磷；速效钾
中图分类号：S152.7+5文献标识码：A 文章编号：0564-3945(2013)03-0551-05
收稿日期：2012-02-24；修订日期：2012-06-25
基金项目：中国气象局气候变化专项（CCFS-11-4）资助
作者简介：王大勇(1982-)，男，黑龙江鸡东人，硕士，工程师，研究方向为气候变化与数值模拟。E-mail：dayong_cuit@sina.com
土 壤 通 报
ChineseJournalofSoilScience
第 44卷第 3期
2013年 6月
Vol .44 ,No .3
Jun . , 2013
随着人口的不断增加和耕地面积的不断减少，保
护耕地资源、提高土地生产效率，已成为增加粮食产
量、保障粮食安全的重要措施。黄土高原部分地区土壤
贫瘠少氮，因此，如何提高其土壤肥力，并使新形成的
根土系统向着“有机生命化”的方向加速发展，是该地
区农业生产上亟待研究的重要课题。豆科植物一般都
具有发达的根系，并且能够固定大气中游离氮素，这些
含氮的根部腐烂后可增加不同深度土壤中的氮素和腐
殖质，提高土壤肥力。因此研究豆科植物对土壤垂直
肥力的影响，寻求提高生土地土壤肥力的生物调控措
施，具有重要的价值。
豆科植物是黄土高原生态系统中有效氮的主要供
应者[1]，对于改善土壤结构[2]，维护生态系统功能有重
要作用[3]。研究表明氮素缺乏影响植物的产量[4-6]，农作
物所吸收的氮素大部分来自土壤有机氮的矿化，然而，
由于其释放缓慢，而大多数作物在生长初期又需要较
多的氮量，因此这些氮难以满足农作物的需求；不施肥
情况下，牧草和谷物的生产主要依赖于豆科植物的残
茬和土壤有机质的矿化作用。豆科牧草占黄土高原人
工牧草种植面积的99% 以上[7]。
关于豆科植物对土壤理化性质影响的作用机制及
效果评价[8]已有不少研究，秦燕燕等[9]的研究表明，在弃
耕地添加豆科植物后土壤理化性质明显改善；郭晔红
等[10]、邱爱军等[11]的研究表明，种植豆科植物后土壤全
氮质量分数、土壤微生物量碳质量分数和微生物熵均
明显增加，然而在山西南部地区豆科植物对增加生土
土壤养分，提高土壤深层肥力，尤其是增加深层土壤有
机质和全氮含量等方面的研究确未见报道。
小冠花（Coronilla varia）根系庞大, 根瘤能固氮，茎
叶营养丰富, 牛羊喜食，紫花苜蓿（Alfalfa）由于其高产
优质抗逆性强及蛋白质含量高，被作为黄土高原地区
人工草地建设的首选草种[12]。
为此，本文以人工种植自然生长小冠花和紫花苜
蓿和无豆科植物的生土为研究对象，测定其养分在不
同深度的分布规律，探索豆科植物对土壤垂直肥力的
影响，为提高土壤肥力的生物调控措施提供理论依据。
1 材料与方法
1.1 研究区概况
试验田位于山西师范大学农场，黄土高原汾河谷
地东岸（36.083°~36.084°N，111.5552°~ 111.5553°E，
海拔441 m），山西省临汾市境内，年平均降水量527.4
第 44 卷土 壤 通 报
mm，属典型的暖温带半干旱半湿润季风气候，雨热同
期。全市普遍分布的地带性土壤为褐土，试验田土壤为
黄土母质上发育而成的石灰性褐土，土层深厚，质地均
匀，贮水性能良好。
1.2 研究方法
1.2.1 试验设计与样品采集 选取人工种植自然生长
4年的小冠花（Coronilla varia）、紫花苜蓿（Alfalfa）的土
壤和无豆科植物覆盖的土壤（有自然生长的植被）为研
究对象（分别用Cv、Al、CK表示），三种处理土壤的最
初条件一致。每种土壤设置4个采样深度，分别为距地
面0 ~ 15 cm（D1）、15 ~ 30 cm（D2）、30 ~ 45 cm（D3）、
45 ~ 60 cm（D4），每个样地取3个重复，共36个样品。
采样位置用GPS定位。取样后对每个土样进行混匀、
风干，过筛后测定其有机质、全氮、有效磷、速效钾和吸
湿水含量等。
1.2.2 测定项目及分析方法 吸湿水含量的测定采用
烘干法[13]；有机质测定采用重铬酸钾容量法（外加热
法）[14]，全氮采用凯氏定氮（DK8 Heating Digester,
UDK142 Automatic Distillation Unit, 意大利 VELP 生
产）—半微量滴定法[15]；速效磷采用0.5 mol L-1NaHCO3
浸提—钼锑抗比色法[13]；速效钾采用1 mol L-1中性醋
酸铵浸提—火焰光度法[13]。
1.2.3 数据分析 试验数据用Excel 2010进行平均值
和标准差的计算，并用SAS数据分析软件进行方差分
析和新复极差多重比较。
2 结果与分析
2.1 豆科植物对土壤水分影响
随土层深度的增加，对照区土壤含水量先减少后
增加再减少。紫花苜蓿试验区土壤含水量随深度变化
的趋势与对照区相同，而小冠花试验区土壤含水量变
化趋势为先增加后减少再增加。紫花苜蓿试验区与对
照区土壤平均含水量相比：0 ~ 15 cm高20.28%, 15 ~
30 cm高 19.96%, 30 ~ 45 cm 高 14.45%，45 ~ 60 cm
高11.33%；小冠花试验区土壤平均含水量与对照区土
壤相比：0 ~ 15 cm低5.07%，15 ~ 30 cm高22%，30 ~
45 cm低10.45%，45 ~ 60 cm低8.12%。可见紫花苜蓿
对土壤水分有较显著的提高作用；小冠花对15 ~ 30
cm土壤水分有较显著提高作用，但是对0 ~ 15 cm、30
~ 45 cm和 45 ~ 60 cm的土壤水分有减少作用，这种
减少作用随土层深度增加减弱（图1）。
2.2 豆科植物对土壤养分影响
2.2.1 有机质、全氮含量 试验区和对照区，土壤有机
质和全氮含量变化的基本趋势是随土层深度的增加而
减少，然而试验区土壤有机质和全氮含量减少的速率
慢，不同深度的土层含量均较对照区高。对照区，土壤
有机质含量随土层深度的增加，递减率依次为
17.98%、56.43%和52.15%，而小冠花试验区该值依次
分别为35.58%、26.41%、26.74%，紫花苜蓿试验区该值
分别为20.69%、24.74%和31.57%。对照区土壤，全氮
的含量随土层深度的增加递减率依次为 24.84%、
2.61%和 56.25%，而小冠花试验区该值分别为
21.35%、21.90%、0.60%，紫花苜蓿试验区该值分别为
18.35%、13.48%和-1.95%。有机质含量在试验区土壤
的表层（0 ~ 15 cm）高于对照区土壤，小冠花试验区达
极显著水平，紫花苜蓿试验区达显著水平；深层土壤
（45 ~ 60 cm）的有机质含量两试验区均高于对照区土
壤，均达极显著水平，小冠花试验区和紫花苜蓿试验区
的土壤有机质含量分别为对照区土壤的2.6和2.8倍。
土壤全氮含量在15 ~ 30 cm和45 ~ 60 cm土层试验
区高于对照区，小冠花和紫花苜蓿试验区均达极显著
水平，在其他层次则达显著水平；特别在45 ~ 60 cm
的土层深度，小冠花和紫花苜蓿试验区，全氮含量分别
为对照区的3.3和3.2倍。可见：小冠花和紫花苜蓿对
于提高土壤有机质和全氮含量效果较显著，特别是45
~ 60 cm这一土层（表1）。
2.2.2 有效磷含量 对照区和试验区，土壤有效磷含
量总体趋势是随土壤深度的增加而减少（图2），这与
常生华等研究结果一致[16]，且在45 ~ 60 cm土层深度，
三种试验区土壤有效磷含量变化结果趋于一致。对照
区土壤有效磷含量由表层的 26.53μg/g 逐渐减少为
23.94μgg-1、19.64μgg-1、13.82μgg-1，小冠花试验区该
值由41.53μgg-1依次降低为29.06μgg-1、17.91μgg-1、
13.62μg g-1，紫花苜蓿试验区该值由 34.90μg g-1依
次降低为14.78μg g-1、16.77μg g-1、和14.41μg g-1。因
此，小冠花和紫花苜蓿对于提高土壤表层（0 ~ 15 cm）
图 1 小冠花、紫苜蓿对不同深度土壤含水量的影响
Fig.1 EffectsofCoronilla varia andAlfalfa on moisturecontentsin different
soildepth
552
3 期 王大勇等：豆科植物对不同深度土壤水分及养分含量的影响
有效磷作用显著，分别高出对照区56.54%和31.55%。
小冠花试验区15 ~ 30 cm的土层比对照区土壤有效
磷含量高出21.38%，而30 ~ 45 cm和45 ~ 60 cm分
别比对照区低25.19%和0.1%；紫花苜蓿试验区，15 ~
30 cm和30 ~ 45 cm的土壤比对照区土壤有效磷含量
分别低38.26%和14.61%，而45 ~ 60 cm比对照区土壤
有效磷含量高4.27%。因此，紫花苜蓿对改善45 ~ 60
cm土壤有效磷含量有一定作用，而小冠花对中深层土
壤（30 ~60cm）有效磷含量具有减少作用。
2.2.3 速效钾含量 试验区表层土壤（0 ~ 15 cm）的速
效钾含量明显高于对照区，且紫花苜蓿试验区土壤速
效钾含量高于小冠花试验区。对照区和小冠花试验区
随土层深度增加，土壤速效钾含量呈减少趋势，而紫花
苜蓿试验区土壤在0~45cm土层，土壤速效钾含量随
深度增加而减少，在45~60cm的土层，随深度增加速
效钾含量呈明显增加趋势，且其含量显著高于对照区和
小冠花试验区。随土层深度的增加，小冠花试验区土壤
速效钾含量由268.63μgg-1逐渐改变为268.65μgg-1、
138.87μg g-1、53.63μg g-1，紫花苜蓿试验区土壤速效
钾含量由 350.24μg g-1依次降低为 268.98μg g-1、
119.03μgg-1和210.22μgg-1，对照区土壤速效钾含量由
219.35μgg-1逐渐降低为132.14μgg-1、126.89μgg-1和
74.24μg g-1。可见小冠花对于提高0 ~ 15 cm和15 ~
30 cm土壤的速效钾含量作用显著，分别为对照区土
壤含量的1.22倍和2.03倍，而30 ~ 45 cm和45 ~ 60
cm的土壤速效钾含量分别为对照区的1.09倍和0.72
倍，表明小冠花对土壤速效钾的改善作用随土层深度
的增加而减少，需要注意的是：在45 ~ 60 cm的深度，
小冠花试验区土壤速效钾含量低于对照区，我们认为
小冠花对土壤速效钾含量的改善作用主要体现在表层
0 ~ 30 cm土壤。紫花苜蓿试验区，0 ~ 15 cm土壤速效
钾含量为对照区的1.60倍，15 ~ 30 cm土壤速效钾含
量为对照区的2.04倍，30 ~ 45 cm土壤速效钾含量为
对照区的0.94倍，45 ~ 60 cm的土壤为对照区的2.83
倍，因此紫花苜蓿对土壤速效钾含量的改善作用有随
土层的增加而增加的趋势，45 ~ 60 cm的土层改善作
用最显著。小冠花和紫花苜蓿相比较，0 ~ 15 cm和
15 ~ 30 cm紫花苜蓿提高土壤速效钾含量作用比小冠
花显著；30 ~ 45 cm两者改善作用均不显著；45 ~ 60
cm紫花苜蓿改善土壤速效钾含量的作用远远优于小
冠花。
3 结论与讨论
紫花苜蓿和小冠花对土壤水分含量的影响不同。
紫花苜蓿对土壤水分有较显著的提高作用，试验区0
~ 60 cm土壤水分含量均高于对照区，且与对照区土
壤含水量随深度变化趋势相同。小冠花对15 ~ 30 cm
表 1 豆科植物对立地土壤不同深度有机质、全氮含量的影响
Table1 EffectsofLeguminousplantsonorganicmatterandtotalnitrogencontentsindifferentsoildepths
较CK增加率
Rateofincrease(%)
74.5%
42.5%
0
82.6%
54.8%
0
46.4%
33.9%
0
232.7%
220.4%
0
含量
Content(gkg-1)
44.97±0.87Aa
41.18±3.07ABa
35.15±3.05Bb
28.97± .53Aa
32.66±5.48Aa
28.83±2.04Aa
21.32±9.90Aa
24.58±8.47Aa
12.56±1.94Aa
15.62±3.78Aa
16.82±2.28Aa
6.01±0.15Bb
较CK增加率
Rateofincrease(%)
27.9%
17.2%
0
0.5%
13.3%
0
69.8%
95.7%
0
159.9%
179.9%
0
土层深度
Soildepth(cm)
0-15
15-30
30-45
45-60
样品
Samples
Cv
Ms
CK
Cv
Ms
CK
Cv
Ms
CK
Cv
Ms
CK
含量
Content(gkg-1)
2.67±0.46Aa
2.18±0.08Aab
1.53±0.13Ab
2.10± .16Aa
1.78±0.27Aa
1.15±0.07Bb
1.64±0.29Aa
1.54±0.19Aa
1.12±0.11Ab
1.63±0.17Aa
1.57±0.23Aa
0.49±0.12Bb
有机质Organicmatter 全氮TotalN
注：表内数据以平均值±标准差表示；大写字母分别表示同一深度不同处理间差异达到极显著(P<0.01)，小写字母表示同一深度不同处理间差异
达到显著水平(P<0.05)。
图 2 小冠花、紫苜蓿对不同深度土壤有效磷含量的影响
Fig.2 Effects ofCoronilla varia andAlfalfa on phosphorus contents in
differentsoildepths
553
第 44 卷土 壤 通 报
土壤水分有较显著提高作用，但是对0 ~ 15 cm、30 ~
45 cm和 45 ~ 60 cm的土壤水分是减少作用，这种减
少作用随深度增加减弱。因此在黄土高原从改善土壤
水分状况的角度看，建议考虑在一定期限内种植紫花
苜蓿。有研究表明：不同生长年限苜蓿草地土壤水分呈
现规律性的变化，随土层深度的增加，土壤含水率增
加；3年、4年、6年生苜蓿草地，相对于生长年限为8
年、12年、18年和26年的土壤，土壤水分条件最好[12]。
小冠花和紫花苜蓿对于提高深层（45 ~ 60 cm）土壤的
有机质和提高中深层（30 ~ 60 cm）土壤全氮含量的效
果较显著，这与郑秋玲[17]、万素梅等[18]的研究结果一
致。试验区表层土壤全氮含量与土壤有机质有显著的
相关性(表2)，与刘世全等的研究结果一致[19]，因此，了
解土壤有机质的动态变化有利于表层土壤氮变化的监
测，增加土壤有机质，可增加土壤氮的供应。同样，表层
土壤有机质与有效磷呈显著相关关系，显著影响着土
壤有效磷含量的消长，但与土壤速效钾无显著相关关
系(表2)。
苜蓿的根系分布较深，侧根和毛细根增多，改善了
土壤的物理性质，增加了土壤有机质的吸收，使土壤
有机质含量提高。豆科植物根系的固氮作用使土壤N
含量提高。紫花苜蓿提高土壤全氮含量可能是因为其
能提高深层土壤NH4+- N 含量[20]。
对照土壤养分含量分级表[21]，我们发现：0 ~ 45 cm
的土层，小冠花和紫花苜蓿试验区和对照区土壤均不
缺乏营养物质，而45 ~ 60 cm的土层，小冠花和紫花
苜蓿试验区有机质含量较低，对照区全氮含量过低，小
冠花和对照区速效钾含量偏低。
植物的根系有明显的趋肥性，土壤下层养分含量
的增加有利于促进下茬作物根系的下扎，从而扩大植
物根系觅水及吸收养分的范围，提高黄土高原深层土
壤水分与养分的有效性，这对增加黄土高原旱薄地区
作物的产量具有重要的价值。
山西省丘陵起伏、沟壑纵横, 坡地旱地多, 水土流
失严重, 土壤肥力低, 发展小冠花以综合利用土地资
源, 保持水土很有经济价值，有研究表明：在坡地种小
冠花比黄豆地土壤流失可减少96.5%[22]，因此为解决
黄土高原坡耕地水土流失和粮食兼收的问题, 建议尝
试推广小冠花。紫花苜蓿主要分布于我国长江以北地
区，黄土高原一带是我国紫花苜蓿种植面积最大的地
区，紫花苜蓿是优良牧草；并具有蓄水保土的效果，有
利于调节气候，改善农业生态环境[23]；同时紫花苜蓿对
Pb具有一定的耐受机制，有助于净化环境[24]。
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图 3 小冠花、紫苜蓿对土壤不同深度速效钾含量的影响
Fig.3 Effects ofCoronilla varia andAlfalfa on available potassium contents
indifferentsoildepths
表 2 不同深度土壤有机质与土壤养分相关系数
Table 2 Correlation coefficients of soil organic matter and nutrients in
differentsoildepths
土层深度
Soildepth(cm)
0-15
15-30
30-45
45-60
全氮
TotalN
0.999*
0.217
0.902
0.989
有效磷
Available
phosphorus
0.998*
-0.923
-0.990
0.370
速效钾
Available
potassium
0.491
0.529
-0.145
0.483
注: *在0.05水平（双侧）上显著相关，**在0.01水平（双侧）上显著相
关。
554
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Effects of Perennial Leguminous Plants on Moisture and Nutrients in
Different Soil Depths
WANGDa-yong1,LIUTao2，3,GUOMu-ping1,ZHANGYong-qing3
(1.Shanxi Climate Center, Taiyuan 030006, China；2. College of Tourism and Environment, Shaanxi Normal University, Xian 710062,
China; 3. College of Urban and Environment Sciences, Shanxi Normal University, Linfen 041004, China)
Abstract: The paper analyzed the effects on moisture, organic matter, total nitrogen, available phosphorus, available
potassium in soil profile of the experiment areas and the control plot. Coronilla varia and alfalfa naturally grew for four
years in the experiment areas. Results showed that soil moisture content in soil profile of the experimental areas was
higher than it in the control plot, however, there was a same variation trend of soil moisture content in soil profile
between the experimental areas and the control plot. Alfalfa could improve soil moisture content in the whole soil
profile, while Coronilla varia could improve soil moisture content only in the depth of 15 - 30 cm. Coronilla varia and
alfalfa could significantly improve soil organic matter content in the depth of 45 - 60 cm and total nitrogen content in
the depths of 30 - 45 cm and 45 - 60 cm. In the depth of 45 - 60 cm, soil organic matter contents in Coronilla varia
and alfalfa experimental areas were 2.6 and 2.8 times higher than the control plot, respectively, and the data of total
nitrogen were 3.3 and 3.2 times, respectively. Both of Coronilla varia and alfalfa could significantly improve available
phosphorus content in the depth of 0 - 15 cm. Soil available phosphorus contents in Coronilla varia and alfalfa
experimental areas were 56.54% and 31.55% respectively, which were higher than them in the control plot. Moreover,
Alfalfa could improve available phosphorus content in the depth of 45 - 60 cm, also improve available potassium
content with the increase of soil depth in the soil profile. As a whole, the effect of Alfalfa on available potassium
content was better than Coronilla varia. Soil organic matter content of top soil (0 - 15 cm) in the experimental areas
had a high correlation with total nitrogen and available phosphorus, while it had no correlation with available
potassium. Soil of 0 - 45 cm depth did not lack nutrients in the experiment areas and the control plot. However, soil
organic matter content in the depth of 45 - 60 cm in Coronilla varia and alfalfa experimental areas was low. Total
nitrogen in the control plot was low. Available potassium content was low in the Coronilla varia experimental area and
the control plot.
Key words: Coronilla varia; Alfalfa; Soil moisture; Organic matter ; Total nitrogen; Available phosphorus;Aavailable
potassium
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