杜靜,柏勇,范茂攀,李永梅
(1.遂寧市蓬溪縣水利局,四川 蓬溪 629100;2.四川中成煤田物探工程院有限公司,四川 成都 610072;3.云南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院,云南 昆明 650201)
土壤團(tuán)聚體的數(shù)量和質(zhì)量會影響土壤肥力,其變化會引起土壤退化、土壤侵蝕和土壤板結(jié)等狀況;水穩(wěn)性團(tuán)聚體對保持土壤肥力和土壤養(yǎng)分有影響[1,2]。一些學(xué)者研究了農(nóng)作物間套作、農(nóng)林間作等不同種植模式下土壤團(tuán)聚體的含量和分形特征等情況,發(fā)現(xiàn)間作可以增加土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性[3-5]。植物根系既可以增加土壤有機(jī)質(zhì)、吸收其中的水分和養(yǎng)分,又可以固結(jié)土壤,使土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)更好,增加土壤抗剪強(qiáng)度[6-9]。本課題組已對玉米、馬鈴薯、大豆、小麥等作物根系的固土力學(xué)特征和土壤抗蝕性進(jìn)行過研究,表明種植農(nóng)作物能有效地利用根系固結(jié)土壤[10,11]。然而截至目前對作物根系與土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性之間的相關(guān)性研究較少。為此,本研究以玉米、馬鈴薯為試驗作物,探討不同種植模式下作物根系與土壤團(tuán)聚體之間的關(guān)系,以期為進(jìn)一步提高土壤固持能力和保水保肥提供理論依據(jù)。
試驗于2016年3—9月在云南農(nóng)業(yè)大學(xué)試驗農(nóng)場進(jìn)行。試驗地海拔1 950 m,周年氣溫4.7~23.7℃,年平均降雨量1 000 mm[12]。土壤基礎(chǔ)理化性質(zhì):有機(jī)質(zhì)含量35.07 g/kg、全氮0.79 g/kg、堿解氮111.25 mg/kg、速效磷5.12 mg/kg、速效鉀88.72 mg/kg,pH 6.68。
玉米品種為云瑞88(云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院糧食作物研究所最新選育的優(yōu)質(zhì)玉米雜交種),馬鈴薯品種為云薯801(云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院經(jīng)濟(jì)作物研究所和宣威市農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心合作選育的新品種)。
肥料為含N≥46.2%的尿素,含P2O5≥16.0%的過磷酸鈣,含K2O≥51.0%的硫酸鉀。
試驗設(shè)3種種植模式共5個處理:玉米單作(MM);馬鈴薯單作(PP);玉米間作(MP);馬鈴薯間作(PM);裸地(CK)。小區(qū)規(guī)格分別為4 m×10 m(坡度10°)4個,4 m×7 m(坡度20°)4個,4 m×6 m(坡度30°)4個。每處理重復(fù)3次。
種植規(guī)格:采用沿等高線常規(guī)種植。玉米、馬鈴薯單作皆采用等行距種植,播種期分別為5月9日、3月28日。玉米行距80 cm,株距25 cm,每公頃種植密度50 000株;馬鈴薯行距60 cm,株距30 cm,每公頃種植密度55 555株。玉米、馬鈴薯間作采用2∶2模式,行距都是40 cm,玉米株距25 cm,馬鈴薯株距30 cm,間作玉米每公頃種植密度50 000株,馬鈴薯密度41 667株。
1.4.1 采樣方法 根據(jù)不同種植模式,在玉米、馬鈴薯成熟期(2016年9月上旬)按“S”型取樣,采集0~30 cm原狀土層和作物根系,帶回室內(nèi)實驗室做相應(yīng)處理。
1.4.2 土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體測定 稱取風(fēng)干土樣500 g,分別用5、2、1、0.5、0.25 mm共5種孔徑的帶有蓋和底的土篩篩土,底盤收集小于0.25 mm的團(tuán)聚體,振蕩后從上到下依次取樣、稱重,計算各級干篩團(tuán)聚體重量(g)。按公式(1)計算并稱取土樣M(約50 g)進(jìn)行濕篩[4]。
式中,mi為過篩后土壤各粒級團(tuán)聚體含量,Mi為需按比例稱取的土壤各粒級團(tuán)聚體含量。
將土樣M(約50 g)分別用5、2、1、0.5、0.25 mm共5種孔徑的網(wǎng)篩以35 r/min的頻率對團(tuán)聚體進(jìn)行30 min濕篩,之后將留在各網(wǎng)篩上的土壤沖洗至鋁盒中,放置在105℃烘箱中烘干(24 h),然后稱重,記為wi,并計算各粒級烘干后重量占總重量的比例Wi(%)[13]。
1.4.3 土壤各粒級團(tuán)聚體有關(guān)指標(biāo)計算 具體如下。
(1)濕篩后各粒級水穩(wěn)性團(tuán)聚體(GMD)的質(zhì)量百分比。計算公式[14]如下:
式中,Wi為某級水穩(wěn)性團(tuán)聚體的質(zhì)量百分比(%),wi為該級水穩(wěn)性團(tuán)聚體的烘干質(zhì)量(g)。
(2)>0.25 mm穩(wěn)定性團(tuán)聚體(DR0.25)含量。計算公式[13]如下:
式中,Wi為第i粒級團(tuán)聚體質(zhì)量占總團(tuán)聚體的百分?jǐn)?shù)。
(3)團(tuán)聚體破壞率(PAD)。計算公式[15]如下:
(4)團(tuán)聚體的平均重量直徑(MWD)。采用邱莉萍等[16]推導(dǎo)的公式計算:
式中,Ri為某級團(tuán)聚體平均直徑;Wi為某級團(tuán)聚體組分的干重。
(5)分形維數(shù)D。利用楊培嶺等[17]推導(dǎo)的公式計算。
式中,Ri為某級團(tuán)聚體平均直徑;M(r<Ri)為粒徑小于Ri的團(tuán)聚體重量;Mr為團(tuán)聚體總重量;Rmax為團(tuán)聚體的最大粒徑。
1.4.4 作物根系特征測定 作物成熟期取樣。用剪切箱(長×寬×高=30.0 cm×30.0 cm×10.0 cm)采集不同作物0~30 cm土層根系,放于直徑0.5 mm土篩中,用流水沖凈,再用鑷子分離玉米、馬鈴薯根系,后將根系平鋪于注入3 mm左右蒸餾水的有機(jī)玻璃根盒內(nèi)。用EPSON 4900掃描儀掃描根系形態(tài),并用WinRHIZO根系分析軟件(Win-RhizoProVision5.0a)處理并分析掃描后的根系圖,計算出單位體積含根量、根長、根表面積和根體積[7]。
用Microsoft Excel 2013對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并制作圖表,統(tǒng)計分析使用SAS軟件。用單因素方差分析和Duncan’s多重比較法進(jìn)行差異顯著性檢驗。根系特征與土壤團(tuán)聚體的相關(guān)性用SPSS軟件進(jìn)行分析。
水穩(wěn)性團(tuán)聚體(GMD)是衡量土壤抗侵蝕能力的指標(biāo)之一,對保持土壤穩(wěn)定性有重要作用[18]。從圖1可以看出,0~10 cm土層中,不同粒級的水穩(wěn)性團(tuán)聚體百分比總體上呈現(xiàn)出隨著粒徑減小而逐漸增加的趨勢。其中,>5 mm和5~2 mm粒級中,各處理的GMD含量無顯著差異;2~1 mm及1~0.5 mm粒級中,MP處理和CK差異顯著,較CK分別增加5.66個百分點和5.39個百分點;0.5~0.25 mm粒級中,PM處理比CK增加7.72個百分點,兩者差異顯著。5個處理中,>0.25 mm粒級的GMD含量從大到小順序為:MP(57.37%)>PM(51.22%)>PP(46.65%)>MM(45.05%)>CK(34.81%),MP、PM處理與CK之間差異顯著,較CK分別增加22.56個百分點和16.41個百分點,說明MP和PM處理具有良好的團(tuán)粒結(jié)構(gòu)。
圖1 0~10 cm土層水穩(wěn)性團(tuán)聚體(GMD)含量
從圖2可以看出,10~20 cm土層中,各粒級GMD含量總體上呈現(xiàn)出隨著粒徑減小而逐漸增加的趨勢。>5 mm粒級中,PM、PP處理的GMD含量與CK差異顯著,較CK增加1.89、2.00個百分點;5~2 mm和2~1 mm粒級中各處理之間無顯著差異;1~0.5 mm中,MP處理和CK間差異顯著,較CK增加4.83個百分點;0.5~0.25 mm粒級中,PM、MP、PP、MM處理與CK差異顯著,分別比CK增加6.87、5.34、4.95、4.49個百分點。5個處理中,>0.25 mm粒級的GMD含量從大到小順序為:MP(52.21%)>PM(51.48%)>MM(44.50%)>PP(42.70%)>CK(33.42%),MP、PM處理與CK差異顯著,較CK分別增加18.79個百分點和18.06個百分點。
圖2 10~20 cm土層水穩(wěn)性團(tuán)聚體(GMD)含量
從圖3可以看出,20~30 cm土層中,各粒級水穩(wěn)性團(tuán)聚體(GMD)含量總體上呈現(xiàn)出隨著粒徑減小而逐漸增加的趨勢。>5 mm粒級中,PM處理與CK差異顯著,較CK增加2.37個百分點;5~2 mm和1~0.5 mm粒級中各處理之間無顯著差異;2~1 mm粒級中,MP處理與CK間差異顯著,較CK增加4.79個百分點;0.5~0.25 mm粒級中,MP、PM、MM處理與CK間差異顯著,分別比CK增加6.59、6.12、5.93個百分點。5個處理中,>0.25 mm粒級的團(tuán)聚體含量從大到小順序為:MP(55.03%)>PM(51.30%)>MM(49.82%)>PP(44.03%)>CK(33.37%),MP、PM、MM處理與CK之間差異顯著,較CK分別增加21.66、17.93、16.45個百分點。
圖3 20~30 cm土層水穩(wěn)性團(tuán)聚體(GMD)含量
通過分析干篩和濕篩處理后土壤團(tuán)聚體的含量,計算得到不同種植模式下各處理土壤團(tuán)聚體破壞率(PAD)(表1)。5個處理的PAD均較大。0~10 cm土層中,MP處理的土壤團(tuán)聚體破壞率相對最小,與CK差異顯著,MP、PM處理較CK減少35.70%、25.54%;10~20 cm土層中,MP處理團(tuán)聚體破壞率相對最小,各處理之間無顯著差異;20~30 cm土層中,MP處理與CK差異顯著,較CK減少32.23%。
表1 不同種植模式下各處理的土壤團(tuán)聚體破壞率(PAD) (%)
不同種植模式下各處理土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體平均重量直徑(MWD)如表2所示,0~10 cm土層中,MP>PM>PP>MM>CK,MP處理與MM、CK之間差異顯著,較CK、MM處理分別高43.73%、28.89%;10~20 cm土層中,各處理差異均不顯著,說明不同種植模式對該土層MWD的影響不顯著;20~30 cm土層中,MP>PM>MM>PP>CK,MP、PM處理與CK差異顯著,較CK分別提高44.12%、37.46%。
5個處理中,MP、PM處理3個土層的水穩(wěn)性團(tuán)聚體平均重量直徑都大于其它3個處理,說明農(nóng)作物間作這種模式有利于保持土壤的穩(wěn)定性。
表2 不同種植模式下各處理的土壤團(tuán)聚體平均重量直徑(MWD) (mm)
土壤分形維數(shù)(D)是反映土壤幾何結(jié)構(gòu)的參數(shù),計算不同種植模式下各處理的土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體分形維數(shù)(D),結(jié)果見表3。0~10 cm土層中,3種種植模式下各處理相比較,MM、PP、PM處理的土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體分形維數(shù)無顯著差異,MP的最小,與CK差異顯著,CK的最大;10~20 cm土層中,各處理無顯著差異;20~30 cm土層中,MP處理與CK差異顯著,MP的最小,CK的最大。各土層相比較,CK的土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體分形維數(shù)都最大,MP處理的都最小,說明間作土壤的抗蝕能力最強(qiáng),單作次之,裸地最弱。
表3 不同種植模式下各處理的土壤團(tuán)聚體分形維數(shù)(D)
2.5.1 不同生育期玉米的根系特征 含根量、根長、根表面積、根體積、根尖數(shù)都是表示根系特征的參數(shù)指標(biāo)。在不同種植模式下,玉米不同深度的根系特征(表4)表明隨著土層深度的加深,玉米的含根量、根尖數(shù)、根長等指標(biāo)都在逐漸降低,MP處理的根系指標(biāo)都高于MM處理,其中0~10 cm土層MP處理較MM處理含根量增加33.79%、根表面積增加14.97%、根體積增加29.42%、根尖數(shù)增加18.46%、根長增加14.38%;10~20 cm土層MP處理較MM處理含根量增加27%、根表面積增加16.61%、根體積增加15.77%、根尖數(shù)增加34.46%、根長增加5.30%;20~30 cm土層MP處理較MM處理含根量增加30.03%、根表面積增加9.29%、根體積增加11.68%、根尖數(shù)增加12.89%、根長增加0.72%。
表4 不同土層玉米根系特征
2.5.2 不同生育期馬鈴薯的根系特征 不同種植模式下不同土層的馬鈴薯根系特征結(jié)果(表5)表明,隨著土層加深,馬鈴薯的含根量、根尖數(shù)、根長等指標(biāo)都在逐漸降低,PM處理的根系特征指標(biāo)都高于PP處理,其中0~10 cm土層PM較PP含根量增加5.32%、根表面積增加4.94%、根體積增加55.83%、根尖數(shù)增加17.66%、根長增加23.99%;10~20 cm土層PM較PP含根量增加14.55%、根表面積增加1.92%、根體積增加9.40%、根尖數(shù)增加3.10%、根長增加18.74%;20~30cm土層PM較PP含根量增加24.32%、根表面積增加10.06%、根體積增加23.81%、根尖數(shù)增加17.79%、根長增加15.92%。
表5 不同土層馬鈴薯根系特征
計算農(nóng)作物收獲期根系特征指標(biāo)與>0.25 mm土壤穩(wěn)定性團(tuán)聚體含量(DR0.25)、團(tuán)聚體破壞率(PAD)、團(tuán)聚體平均重量直徑(MWD)、分形維數(shù)(D)的相關(guān)系數(shù),得表6中結(jié)果??梢钥闯觯琈P、PM、PP、MM處理的根系特征與DR0.25、MWD之間都呈正相關(guān)關(guān)系,即作物的根系越豐富土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量越高,團(tuán)聚體平均重量直徑越大;各處理的根系特征與PAD和D之間都呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,即作物的根系越豐富,土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體破壞率和分形維數(shù)越小。
0~10 cm土層中,MM 處理的根表面積與DR0.25顯著正相關(guān),與PAD顯著負(fù)相關(guān);根長與DR0.25顯著正相關(guān),與PAD、D顯著負(fù)相關(guān)。PP處理的根體積、根長與PAD顯著負(fù)相關(guān),與MWD顯著正相關(guān)。MP處理的根體積與PAD顯著負(fù)相關(guān)。
10~20 cm土層中,PP處理的含根量與PAD顯著負(fù)相關(guān),根表面積與D顯著負(fù)相關(guān);PM處理的含根量與DR0.25顯著正相關(guān),根表面積與MWD顯著正相關(guān);MP處理的含根量與DR0.25、MWD顯著正相關(guān),根表面積、根體積與DR0.25顯著正相關(guān),根長與D顯著負(fù)相關(guān)。
20~30 cm土層中,MM處理的含根量、根表面積與PAD顯著負(fù)相關(guān),根體積與DR0.25、D分別達(dá)顯著正相關(guān)和顯著負(fù)相關(guān);PP處理含根量與PAD、D顯著負(fù)相關(guān);PM處理的根長與PAD顯著負(fù)相關(guān);MP處理含根量、根體積與MWD顯著正相關(guān),根長與PAD顯著負(fù)相關(guān)。
表6 不同種植模式下作物根系特征與土壤團(tuán)聚體的關(guān)系
不同種植模式會導(dǎo)致根系生長、根系密度和根系分布產(chǎn)生較大變化。農(nóng)作物生長過程中,間作模式的根系指標(biāo)值都大于各自的單作模式。隨著土層加深,玉米的含根量、根尖數(shù)、根長等指標(biāo)都在逐漸降低。劉浩等[19]研究發(fā)現(xiàn),根量隨著土層深度的增加而逐漸減少,根系在垂直方向的分布呈冪函數(shù)遞減規(guī)律。本研究中,0~10 cm土層玉米間作較單作的含根量增加33.79%、根表面積增加14.97%、根體積增加29.42%、根尖數(shù)增加18.46%、根長增加14.38%;馬鈴薯間作較單作含根量增加5.32%、根表面積增加4.94%、根體積增加55.83%、根尖數(shù)增加17.66%、根長增加23.99%。這與馬志鵬等[10]研究的玉米大豆間作模式下作物的根系特征結(jié)果相一致。由此看出,0~10 cm土層內(nèi),間作能有效促進(jìn)玉米根系的生長。李玉英等[7]研究玉米蠶豆間作對作物根系的影響,發(fā)現(xiàn)間作可以在縱向和橫向兩個方面促進(jìn)根系生長,并且玉米根系主要分布在0~60 cm土層,間作根系比單作多。宋日等[20]的研究結(jié)果也認(rèn)為間作能促進(jìn)作物根系的發(fā)展。其原因可能是農(nóng)作物間作時,根系在空間分布上存在差異、在時間上根系功能活躍期存在錯位,從而能促成資源的合理利用。
農(nóng)作物間作能在一定程度上改善土壤物理性質(zhì),根系分布會影響土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體的數(shù)量、大小以及穩(wěn)定性。本試驗結(jié)果表明,3個土層都以粒級為0.5~0.25 mm的土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量為主,并且伴隨著粒徑的減小,含量逐漸增加。>0.25 mm粒級的水穩(wěn)性團(tuán)聚體中MP處理含量最高,0~10 cm土層中MP、PM處理較CK分別增加22.56個百分點和16.41個百分點。
MP和PM處理具有良好的團(tuán)粒結(jié)構(gòu)。這與苑亞茹等[21]針對不同植物根際土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的研究結(jié)果一致。裸地的大團(tuán)聚體最少,主要是因為作物根系是>0.25 mm大團(tuán)聚體的主要膠結(jié)劑,根系分泌物有利于土壤團(tuán)聚體的形成。張兵等[4]研究發(fā)現(xiàn)橫坡耕作和農(nóng)林復(fù)合經(jīng)營下DR0.25含量較高,能提高土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性,有利于減輕和防治水土流失。
3種種植模式5個處理中MP處理在3個土層的PAD都最小,其中0~10 cm土層中MP、PM處理較CK的團(tuán)聚體破壞率減少35.70%、25.54%。劉曉利等[22]研究發(fā)現(xiàn),土壤PAD隨著土壤肥力的提高而降低,水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量越低土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性越差,PAD越高。
MP、PM處理3個土層的平均重量直徑都大于其它3個處理,MP的最大,CK的最小,說明農(nóng)作物間作模式有利于保持土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。
各土層CK的分形維數(shù)都最大,MP處理的都最小,說明間作的抗蝕能力最強(qiáng),單作次之,裸地最弱。周剛等[23]發(fā)現(xiàn),DR0.25含量越大,分形維數(shù)越小,土壤的結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性越好,抗蝕性越強(qiáng)。
大團(tuán)聚體是小團(tuán)聚體在植物根系和菌絲共同纏繞作用下形成的,植物根系能夠提高大團(tuán)聚體的含量和土壤團(tuán)聚體的總量,根系分泌物也能夠加速粘結(jié)土壤顆粒。MP、PM、PP、MM 處理的根系特征與DR0.25、MWD之間都呈正相關(guān)關(guān)系,即作物的根系越豐富土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量越高,土壤平均重量直徑越大。0~10 cm土層中,MM處理的根表面積與DR0.25達(dá)顯著正相關(guān);10~20 cm土層中,PM處理的含根量與DR0.25達(dá)顯著正相關(guān),根表面積與MWD達(dá)顯著正相關(guān);MP處理的含根量與DR0.25、MWD達(dá)顯著正相關(guān),根表面積、根體積與DR0.25達(dá)顯著正相關(guān)。由政等[24]研究了團(tuán)聚體穩(wěn)定性與根系特征的關(guān)系,表明團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)受根系生物量、根表面積和根長的影響較大,DR0.25與根系生物量、根表面積呈正相關(guān)關(guān)系,根系生物量、根長密度、根表面積與土壤團(tuán)聚體相關(guān)性顯著,并且細(xì)根對于土壤團(tuán)聚體的形成和穩(wěn)定也起到重要作用。
各處理的根系特征與PAD、D之間都呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,即作物的根系越豐富,土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體破壞率和分形維數(shù)越小。0~10 cm土層中,MM處理的根長與PAD、D達(dá)顯著負(fù)相關(guān);10~20 cm土層中,MP處理根長與D達(dá)顯著負(fù)相關(guān);20~30 cm土層中,MM處理的含根量、根表面積與PAD達(dá)顯著負(fù)相關(guān),PM處理的根長與PAD達(dá)顯著負(fù)相關(guān)。這與陳山[25]對土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的研究結(jié)果一致,即土壤團(tuán)聚體PAD與MWD達(dá)極顯著負(fù)相關(guān),PAD值與土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性也具有極顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系。劉夢云等[26]研究發(fā)現(xiàn)土壤團(tuán)聚體含量與分形維數(shù)之間存在極顯著負(fù)相關(guān),D越小,DR0.25越高,團(tuán)聚體穩(wěn)定性越好。
本試驗表明,各處理的土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量都以0.5~0.25 mm 粒級為主,MP處理的DR0.25含量最高、PAD最小、MWD最大、D最小。相同土層內(nèi),PM處理的玉米根系特征值都高于MM處理;PM處理的馬鈴薯根系特征值也都高于PP處理。MP、PM、PP、MM處理的根系特征指標(biāo)與DR0.25、MWD之間都呈正相關(guān)關(guān)系,與PAD、D之間都呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。綜合表明,農(nóng)作物間作可以促進(jìn)根系生長和土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的形成,有利于提高土壤的抗侵蝕能力。