草本植物生長發育對土壤團聚體穩定性影響的試驗研究

秦瑞杰,鄭粉莉,2,盧嘉

(1.西北農林科技大學資源環境學院,陜西楊凌712100;2.中國科學院水利部水土保持研究所黃土高原土壤侵蝕與旱地農業國家重點實驗室,陜西楊凌712100)

土壤團聚體是土壤結構的基本單位,團聚體的穩定性與影響其穩定性的因素是土壤侵蝕學研究的重要方面,而植物對修復土壤結構有重要作用。朱顯謨先生曾提出,生物措施是水土保持最有效和最根本的方法[1]。植物通過根系分泌物和死根分解的產物使土壤有機質含量增加,促進土壤團聚體的形成,改善土壤的理化性質,進而提高土壤的抗侵蝕能力,不同植被對改善土壤質量的作用也有差異[2-4]。目前國內外對土壤團聚體及土壤質量的影響因素研究多集中在土地利用方式及施肥方式上[5-7],關于水土保持草本植物對土壤團聚體穩定性的影響研究鮮有報道。冰草(Agropyron cristatum)、高羊茅(Festuca arundinacea)和紫花苜蓿(Medicago sativa)是人工草地建設中三種主要的多年生草本植物,具有根系發達、枝葉繁茂、抗旱、適應性強等特點,也是優良的改土培肥和水土保持植物。為此,本研究通過溫室盆栽試驗,研究冰草、高羊茅和紫花苜蓿三種草本植物在不同生長時期對土壤團聚體穩定性的影響,結合植物生長過程中土壤有機質、植物的地上和地下部分生物量等,探討土壤團聚體的變化影響機制,以期為植被恢復與土壤侵蝕關系的研究提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

盆栽試驗所用試驗盆為18 cm×18 cm。供試土壤自然風干后過1 cm篩。每盆裝土3.5 kg,盆子裝土表面距盆緣約2 cm。填土前每盆按每1 kg干土與0.55 g尿素、1.0 g KH2PO4施肥量充分混合。土壤有機質含量為1.21%,全氮0.83 g/kg,pH值為8.3,機械組成為黏粒25%、粉粒29%和砂粒46%。盆栽試驗在西北農林科技大學水土保持研究所氣候模擬大廳溫室內進行,控制溫室日間溫度為20～25℃,夜間溫度為20℃左右,每天光照約12 h。在每個試驗盆中埋置長為20 cm的塑料管,以供試驗過程中澆水使用。

1.2 試驗設計

試驗設有4種處理,包括冰草、高羊茅、紫花苜蓿、空白對照;除空白對照為無植物外,每個試驗處理各種植40盆植物。整個試驗過程分為4個生長階段(即生長天數為90,130,220,250 d),在各生長階段從每種試驗處理中隨機抽取10盆,用來測定地上和地下生物量以及采集土壤樣品。無論是測定地上和地下生物量,還是土壤樣品的采集,皆設三個重復。試驗于2009年 10月25日播種,出苗 10 d后間苗,選取長勢較為一致的植株,統一定苗至8株/盆。人工澆水維持植物自然生長,并防治病蟲害。對于空白對照,除不播種植物外,所有處理與其他三種植物相同,即對應于每個生長期,均有相同天數的空白對照處理,以便分析整個盆栽試驗期間干濕交替對土壤團聚體穩定性的影響。

1.3 測定指標與方法

地上生物量的測定:采用收獲法,將各個盆里的植物齊地面收獲,55℃下烘至恒重,稱量,獲得每盆處理地上生物量,3次重復。對照處理計為零。

地下生物量的測定:采用沖洗的方式,將植物根部泥土沖洗干凈,剪下根頸以下部分,55℃下烘至恒重,稱量,3次重復。對照處理仍計為零。

土壤有機質的測定:取出盆中土樣自然風干,四分法取部分土樣用于養分分析。有機質采用重鉻酸鉀外化加熱氧化法測定[8],3次重復。

土壤團聚體的測定:采集試驗盆中的全部土壤。將采集土樣自然風干,期間用手將大塊沿紋理輕輕地掰成10～12 mm小土塊。篩取3～5 mm的團聚體,采用Le Bissonnais法中的慢速濕潤法(Slow Wetting,SW)[9-11]進行測定土壤團聚體穩定性,每個處理設3次重復。篩分粒級分別為＜0.05,0.05～0.1,0.1～0.2,0.2～0.5,0.5～1,l～2和＞2 mm。土壤團聚體的穩定性用團聚體平均重量直徑(Mean Weight Diameter,MWD)表示。

1.4 數據處理

所有試驗數據用Excel 2003和DPS 2000進行統計計算和分析,基于LSD進行顯著性分析。

2 結果與分析

2.1 三種植物各生長階段的地上生物量與地下生物量

由圖1可以看出,三種植物的地上、地下生物量均隨著生長時間而逐漸增加,各植物的地上生物量在不同生長階段之間的差異均達到了顯著水平,而地下生物量的情況略有不同,其中冰草和高羊茅的前兩個生長期與后兩個生長期之間有顯著差異,只有紫花苜蓿在各生長期的地下生物量均有顯著差異,與其地上生物量差異趨勢一致。從生物量增長程度上看,冰草和高羊茅生長250 d時地上生物量比90 d時增加了9.2倍,增幅相同;而紫花苜蓿增幅較低,增加了7.5倍。冰草地下生物量增加了近7倍,而高羊茅只增加了4倍多,紫花苜蓿增幅最大,增加了9倍多。

從圖1中還可以看到,同一生長時期內地下生物量為冰草＞紫花苜蓿＞高羊茅,而地上部分生物量則表現為高羊茅＞冰草＞紫花苜蓿;相對于地上部分,紫花苜蓿的根系發育變幅較大(由0.58 g增加到6 g,增加了10倍),即相同生長時間內紫花苜蓿的根冠比大于冰草和高羊茅的根冠比。這種不同植物類型在生長發育過程中的地上生物量和地下生物量差異將可能對土壤團聚體變化過程產生影響。

圖1 三種植物在不同生長階段的地上生物量與地下生物量的動態變化

2.2 草被生長期發育對土壤團聚體MWD的影響差異

利用Le Bissonnais法中的慢速濕潤法測定三種植物在各生長期的MWD,結果見表1。

表1 不同草被生長發育對土壤團聚體穩定性的影響 mm

由表1可知,對于空白對照,在整個試驗過程中MWD值很少變化,表現為無顯著性差異。高羊茅處理與對照處理的MWD的變化趨勢相同,在4個生長階段之間也沒有顯著性差異。而冰草和紫花苜蓿處理的MWD隨生長發育時間的延長呈現逐步增加的趨勢。冰草的MWD在生長90 d與220 d、90 d與250 d以及130 d與250 d之間存在顯著性差異,而在相鄰兩個生長時間內無顯著性差異。紫花苜蓿處理的MWD也隨生長發育時間的延長呈遞增變化,但前三個生長時期之間差異不顯著,只有生長到250 d時才與前三個階段有顯著性差異。此研究結果表明,植物隨著生長發育時間的延長對土壤團聚體穩定性的效應是不同的。已有研究也表明,隨著植被恢復的年限增加,土壤的結構逐步得到改善[12],土壤的抗沖性增強[13]。本研究條件下,冰草和紫花苜蓿處理都使得團聚體MWD有了顯著性的增加,而高羊茅處理的影響不明顯,這可能是生長時間仍然過短所致。

2.3 不同草本植物生長發育對土壤團聚體MWD的影響

表2給出了4個處理在相同時間內對團聚體MWD的影響差異。從表中可以看出,在生長90 d時,三種植物與空白對照之間均無顯著性差異;到了130 d,三種植物團聚體MWD與對照相比都有了提高,但LSD檢驗表明,高羊茅與對照相比沒有顯著性差異,而冰草與對照、紫花苜蓿與對照之間都有了顯著性的差異,且冰草與紫花苜蓿之間也有顯著性差異;220 d和250 d時,高羊茅與對照相比仍沒有顯著性差異,冰草比對照有所增加,但與其他三種處理差異均不顯著,紫花苜蓿比對照有顯著增加。以上結果表明,不同植被生長發育過程中對土壤團聚體穩定性的影響能力是有差異的。總體來講,三種植物對團聚體穩定性的影響順序為紫花苜蓿＞冰草＞高羊茅。與兩種禾本科植物相比,紫花苜蓿隨著生長發育時間的延長對團聚體MWD的影響更大,兩種禾本科植物對團聚體MWD的影響也不盡相同,表明豆科植物的根際微生物群落與禾本科植物有某種方式的差異(可能是由于根際分解物質的N含量較高)并且有助于團聚體穩定性的提高,這與Haynes等人的研究結果相似[14]。

表2 不同草被對土壤團聚體穩定性的影響 mm

2.4 土壤有機質動態變化及其對土壤團聚體的影響

從20世紀初,許多研究都報道了有機質對團聚體穩定性的影響。多數研究都表明,有機質可以促進團聚體的形成并提高團聚體的穩定性[15-17]。圖2表示了本試驗四種處理下土壤有機質的動態變化。

由圖2可以看到,空白對照的土壤有機質含量幾乎沒有變化。但與對照相比,三種植物土壤的有機質均呈先略降低再增加的趨勢,生長到250 d時,冰草、高羊茅和紫花苜蓿的土壤有機質比對照分別增加了11%、6%和5%,增長幅度不大,這可能仍是生長時間過短所致,因為增幅隨時間延長有增加趨勢。

圖2 各處理土壤有機質的變化趨勢

表3表示出了4種處理在四個生長階段團聚體MWD與土壤有機質之間的相關系數,結果表明有機質與團聚體MWD呈正相關,但都沒有達到顯著水平(相關系數臨界值,a=0.05時,r=0.8114),說明有機質對團聚體穩定性有正的促進作用。但由于本實驗時間較短,使二者的相關性不顯著。

表3 各處理不同生長階段土壤團聚體MWD與土壤有機質的相關性分析

2.5 影響土壤團聚體穩定性的因素分析

影響土壤團聚體穩定性的因素有很多,如土壤質地、土壤有機質、黏土礦物類型、鈣鎂等陽離子的含量、鐵和鋁的氧化物等,并且各因素之間也相互影響[12]。這里基于試驗觀測資料,分析各種植被類型下,生長階段、地上生物量、地下生物量和土壤有機質與土壤團聚體MWD的相關關系,分析結果見表4。

表4 試驗處理下MWD與影響因素的相關分析

表4說明影響土壤團聚體MWD的各因素與MWD之間都呈正相關,冰草的團聚體MWD與生長天數X1、地下生物量X3都顯著相關(相關值分別為0.975和0.951),高羊茅與紫花苜蓿的MWD與其他因素有正相關性,但皆沒有達到顯著水平。這說明植物生長時間、地上生物量、地下生物量與土壤有機質的增加可使土壤團聚體MWD增加,但影響程度不同,這一方面是因植被種類不同而異,另一方面也可能是由于植被生長時間較短所導致的,當然,還需要做進一步的試驗研究分析造成這種現象的原因。

3 結論

(1)3種草被的地上生物量和地下生物量皆隨植被生長時間的增加而顯著增加。在250 d的盆栽試驗條件下,空白對照的土壤團聚體平均重量直徑(MWD)基本無變化。

(2)本試驗條件下,紫花苜蓿和冰草均能顯著提高團聚體的穩定性,而高羊茅的影響作用不明顯;同時,土壤有機質對團聚體穩定性的形成有正向促進作用,但由于本實驗時間較短,尚未達到顯著影響。

(3)在草被種類、生長時間、地上生物量、地下生物量和土壤有機質等影響土壤團聚體穩定性因素中,草被生長時間和植物種類是影響土壤團聚體穩定性的重要因素。

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