坡耕地红壤农作物根系与团聚体稳定性的关系

周晓晨，李永梅，王自林，白录顺，周贵飞，范茂攀

(云南农业大学 资源环境学院，云南 昆明 650201)

坡耕地红壤农作物根系与团聚体稳定性的关系

周晓晨，李永梅，王自林，白录顺，周贵飞，范茂攀*

(云南农业大学 资源环境学院，云南 昆明 650201)

[目的]为了研究农作物不同种植模式下土壤结构稳定性的差异，以及根系与土壤团聚体破坏率的关系。[方法]本研究采用单作种植玉米、大豆、马铃薯，间作种植玉米+大豆和玉米+马铃薯，测定不同种植模式下各处理的团聚体破坏率、根系特征，分析不同作物根系形态特征与团聚体破坏率的关系。[结果]常规管理条件下，在 0～10 cm土层，玉米大豆间作>0.25 mm团聚体的数量较大豆单作、玉米单作分别增加了29.58%、66.01%，10～20 cm土层，玉米大豆间作>0.25 mm团聚体的数量较玉米单作增加了42.28%；在0～10 cm土层，间作模式的土壤抗蚀指数显著大于单作模式，土粒的抗分散能力强，玉米间作大豆较玉米单作与大豆单作团聚体破坏率分别降低了42.22%和26.40%，玉米间作马铃薯较玉米单作与马铃薯单作团聚体破坏率分别降低了35.71%和32.88%，在10～20 cm的土层中，玉米间作大豆的团聚体破坏率较大豆单作、玉米单作分别显著降低了16.67%和22.75%；与单作模式相比，间作模式的农作物根长、根表面积、根体积均有显著改善，且与团聚体的破坏率呈显著负相关。[结论]可以得出，玉米间作大豆、玉米间作马铃薯能优化作物根系特征，降低团聚体的破坏率，提高团聚体的稳定性，有助于水土保持。

种植模式； 红壤； 团聚体破坏率； 根系特征

云南省土地总面积39.4万km2，属山地高原地形，山地面积37.04万km2，约占全省土地总面积的94%。云南省耕地面积6.07万km2，其中坡耕地面积为3.48万km2，占全省耕地面积的57.39%[1]。在坡耕地利用上，以玉米、烤烟为主的农作物占89.4%[2]。普遍顺坡种植，致使全省水土流失面积14.13万km2，占全省土地面积的36.9%，其中坡耕地产生的土壤侵蚀量约占全省水土流失总量的40%[3]。坡耕地水土流失是制约云南农业发展的主要问题之一，提高土壤结构稳定，降低土壤侵蚀量是云南省农业可持续发展的关键。

土壤团聚体是在生物与非生物的单独或共同作用下经由团聚和破碎交替过程形成的，是土壤结构的基本单元和土壤结构稳定性最基本的物质基础，它的稳定性对土壤生产力以及土壤物理特性具有极大的影响[4]。因此，土壤团聚体尤其是水稳性团聚体的定量指标，如>0.25 mm水稳性团聚体(WSA0.25)、土壤团聚体的破坏率(PAD)，土壤抗蚀性指数等是评价土壤质量及抗蚀能力的重要指标[5]。这些指标与作物根系有着密切关系[6]，研究表明根系对团聚体的破坏率有显著改善作用，刘定辉等[7]认为植物根系可以通过改善土壤物理性质和根系自身力学作用，提高土壤团聚体的稳定性，降低土壤被分散能力，有效防止水流对土壤的侵蚀。目前，学者对作物根系与团聚体稳定性关系主要以黄土、紫色土的林草植物为主[8,9]，而不同种植模式下农作物根系与坡耕地红壤团聚体稳定性的之间关系鲜有报道。

因此，为了探讨云南省坡耕地红壤农作物不同种植模式下根系特征对土壤团聚体稳定性的影响，以玉米、大豆、马铃薯主要农作物为研究对象，设计不同单间作种植模式，通过比较分析农作物根系特征与水稳性团聚体的分布、团聚体破坏率、土壤抗蚀指数之间的关系，以期为合理选择农作物及种植模式，提高云南坡耕地红壤抗蚀性、加强坡耕地可持续利用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地点

试验于2016年 4-11月进行，地点位于云南省昆明市盘龙区松华水源保护区。试验区的中心地理坐标为25°02′28.8″N,102°58′39.7″E；坡度为 10°，海拔高度2 234 m,年平均气温 16 ℃，年平均降雨量为900～1 000 mm。

1.2 试验材料

1.2.1 供试作物

玉米为云瑞88、大豆为滇杂7号、马铃薯为会-2。3种作物的生长期均为100 d左右。

1.2.2 供试土壤

试验小区土壤为旱地红壤，土壤基本理化性质如表1所示，用常规方法测定[11]。物理性质如表2所示。

表1 试验小区土壤基本理化性质Table 1 The basic physicochemical properties of soil in the experimental area

表2 试验小区各粒径水稳性团聚体的百分含量/%Table 2 The percentage of the water stability aggregatein the experimental area

1.3 试验处理

试验小区设置在坡度均为8°的坡面上，共3个区组、15个小区，每个小区均为4 m×10 m。试验共设置的5种不同的种植模式(5个处理)：单作玉米(MM)、单作大豆(SS)、单作马铃薯(PP)、玉米间作大豆(MS)和玉米间作马铃薯(MP)，随机区组排列，每个处理重复3次。

1.4 田间管理

1.4.1 种植规格

种植规格采用当地常规种植。单作均采用等行距种植。玉米行距为80 cm，株距为25 cm；大豆行距为40 cm，株距为20 cm；马铃薯行距为40 cm，株距为30 cm；玉米大豆间作采用 2∶2模式间作，大豆与大豆之间宽行距为120 cm，窄行距为40 cm，株距为20 cm，玉米和大豆之间行距为40 cm，玉米与玉米之间行距为40 cm，株距为25 cm；玉米马铃薯间作采用 2∶2模式间作，玉米与玉米之间宽行距为120 cm，窄行距为40 cm，株距为25 cm，马铃薯和玉米之间行距为40 cm，马铃薯与马铃薯之间行距为40 cm，株距为30 cm。

1.4.2 施肥量

所施化肥为尿素含N≥46.4，过磷酸钙含P2O5≥16.0，农业用硫酸钾含K2O≥51.0。整个生育期按试验设计只施用化学肥料。玉米共施纯氮315 kg·hm-2、P2O5120 kg·hm-2、K2O 120 kg·hm-2，其中磷肥和钾肥一次性作为基肥施用，氮肥分3份分别做基肥、小喇叭期追肥和大喇叭期追肥施用。大豆总共施纯氮120 kg·hm-2、P2O5240 kg·hm-2、K2O 180 kg·hm-2，均一次性作为基肥施用。马铃薯共施纯氮150 kg·hm-2、P2O5150 kg·hm-2、K2O 225 kg·hm-2，其中磷肥和钾肥一次性作为基肥施用，氮肥的2/3作为基肥施用，剩余的1/3在开花期作为追肥施用。其他田间管理按当地常规方法进行。

1.5 样品采集与测定方法

1.5.1 土样采集

1.5.2 土壤团聚体含量的测定

采用干筛法[10]测定土壤机械稳定性团聚体的含量：称500 g风干土样置于孔径依次为5、2、1、0.5、0.25 mm的套筛最上层，以每分钟30次的频率震荡5 min，称各孔径筛子和底盘上的土样质量。

1.5.3 土壤水稳性团聚体含量的测定

采用湿筛法[10]测定土壤水稳性团聚体的含量：从干筛后各级土壤团聚体中分别取其1/10配成50 g土样，置于孔径依次为 5、2、1、0.5和 0.25 mm 的套筛最上层，加水淹没最上层筛面 2～3 cm，浸泡 10 min，然后以每分钟 25 次频率震荡 2 min，将留在每个筛子上面的土壤冲洗到铝盒中，105 ℃ 下烘干，称质量。

1.5.4 根系形态特征

用30 cm×30 cm×10 cm的取样器沿土壤剖面分0～10、10～20 cm分层采集根系，冲洗根系，使用EPSON 4900系统分析含根量、根长、根表面积、跟体积等根系指标。

1.5.5 团聚体破坏率

团聚体破坏率能很好地反映土壤团聚体和水稳性团聚体的分布和稳定性特征。计算方法如下[6]：

信度检验包括内部一致性信度和组合信度。如表1所示，所有构念的Cronbachα值和组合信度CR值均高于0.7，说明每个构念的内部一致性和组合信度都较高。效度检验包括聚合效度和判别效度。表1所报告的各个潜在变量的平均方差提取值(AVE)都大于0.5，超过了学者推荐的基本值。最后，通过比较各个变量的AVE值与其他变量之间相关系数的平方，发现其AVE值均大于该变量与其他变量之间相关系数的平方，这说明各变量之间具有良好的判别效度。综上，本研究的数据具有较好的信度和效度，适合做进一步的检验分析。

式中DA0.25，WSA0.25分别为>0.25 mm干筛和湿筛团聚体百分数含量。

1.5.6 土壤抗蚀性指数

选取不同深度土层风干的2～5 mm土粒50颗，均匀静置在2 mm孔径的筛子上进行侵水试验。每隔1 min记录一次分散土粒数，连续记录10 min，计算抗蚀性指数：S=(总土粒数-分散土粒数)/总土粒数×100%。

1.6 数据处理

试验数据采用 Microsoft Excel 2016、IBM SPSS 19等计算机软件进行计算、作图和统计分析。用 Duncan多重比较法检验差异显著性，采用单因素方差分析；独立t检验做差异显著性分析；用SPSS相关分析根系特征与团聚体破坏率的相关性。

2 结果与分析

2.1 不同种植模式下农作物的根系形态特征

根系的形态特征主要有含根量、根长、根表面积、根体积和根尖数。在不同种植模式下，农作物根系在不同深度土层的分布结果表明(见表3)：在不同深度土层，间作处理的根长根系形态参数均大于单作处理。在0～10 cm深度土层，MS处理较MM处理的含根量、根长、根表面积、根体积、根尖数分别增加了227.08%、76.65%、121.58%、86.04%和86.11%，较SS处理分别增加了29.22%、21.21%、113.18%、46.72%和51.68%；MP处理的上述根系形态参数分别是MM和PP处理的2.93、1.54、1.87、1.40、1.76倍 和2.73、1.50、2.00、1.66、1.95倍；在10～20 cm深度土层，MS处理较MM处理的对应根系形态参数分别增加了109.64%、97.91%、99.04%、55.56%和118.73%，较SS处理分别增加了39.20%、61.05%、41.44%、12.32%和59.48%。MP处理的根系形态参数分别是MM和PP 1.65、1.44、1.64、1.53、1.65倍和 1.43、1.33、1.33、1.32 和1.36 倍。

表3 不同种植模式下农作物的根系特征参数Table 3 The root characteristic parameters of the crop under different planting patterns

注：同列相同字母表示差异极显著(P<0.05)。下同

Note：Different letters show significant difference at less than 0.05 level in the same line.The same below

间作模式在不同深度土层范围内，各参数都大于单作模式，0～10 cm深度土层间作模式各参数优于10～20 cm深度土层，且MS处理的优势大于MP处理。由此可见，就根系形态特征而言，间作模式效果好于单作模式。

2.2 不同种植模式下土壤水稳性团聚体的分布

水稳性团聚体的分布在一方面表征着土壤结构的好坏。不同种植模式下土壤水稳性团聚体的分布(表4)结果表明，间作提高了>0.25 mm团聚体的含量，降低了<0.25 mm团聚体的数量，间作模式的WSA0.25值均大于单作模式，在0～10 cm土层，MS处理的WSA0.25值与SS、MM处理的差异达显著水平，较SS、MM处理分别增加了29.58%、66.01%，而MP处理与MM、PP处理的差异不显著。在10～20 cm土层，MS处理的WSA0.25值与MM处理的差异达显著水平，较MM处理增加了42.28%。PP处理的WSA0.25与MM处理的差异亦达显著水平，PP处理较MM处理显著增加了24.94%。可以看出，间作在一定程度上改善了土壤团聚体的质量。

2.3 不同种植模式下土壤的抗蚀性指数

从图1可以看出，在同一深度的土层，不同种植模式下的土壤抗蚀性指数随着时间的推移呈现下降趋势，且下降趋势呈先平缓，再迅速，后平缓的变化规律。在第0～2 min，土壤抗蚀性指数相差不大，第3～7 min，土壤的抗蚀性迅速降低，8～10 min，土壤的抗蚀性又处于平缓的状态。间作模式的抗蚀性均优于单作模式，说明单作模式的土壤较间作模式更容易被侵蚀；单作模式下，玉米单作的抗蚀性低于大豆单作和马铃薯单作，可能是由于大豆、马铃薯的根系对土壤结构的改善好于玉米单作。10～20 cm土层土壤的抗蚀性指数下降趋势大于0～10 cm土层，可能是由于0～10 cm土层作物根系分布较多，增强了土壤团聚体质量造成的。

表4 农作物不同种植模式下各粒径水稳性团聚体的百分含量/%Table 4 The percentage of water stability aggregate under different planting patterns of crops

图1 不同种植模式下土壤的抗蚀性指数Fig.1 The soil anti-erodibility index under different planting patterns

2.4 不同种植模式下土壤团聚体的破坏率

团聚体破坏率可以很好地反应土壤团聚体稳定性，不同种植模式下土壤团聚体的破坏率见图2。可以看出，在0～10 cm的土层中，MS处理的土壤团聚体破坏率与MM与SS处理差异显著，MS处理较MM与SS处理土壤团聚体破坏率分别降低了42.22%和26.40%，MP处理的土壤团聚体破坏率与MM与PP处理差异显著，MP处理较MM与PP处理土壤团聚体破坏率分别降低了35.71%和32.88%，SS处理的PAD值较MM和PP分别显著降低了21.48%和18.02%。在10～20 cm的土层中，MS处理的PAD值与SS、MM处理的差异显著，分别降低了16.67%和22.75%。MP处理与MM、PP处理的差异不显著。可以看出间作模式较单作模式明显降低了土壤团聚体的破坏率。对比MS处理较MM、SS处理在0～10 cm和10～20 cm土层中PAD值分别降低了42.22%、26.40%和16.67%和22.75%，发现0～10 cm土层中团聚体破坏率的降幅更明显。

图2 不同种植模式下土壤团聚体的破坏率Fig.2 The percentage of aggregate destruction under different planting patterns

2.5 农作物根系特征与团聚体破坏率的关系

在不同种植模式下，农作物根系特征与团聚体破坏率的相关性如表5所示。在0～10 cm土层范围内，不同种植模式的含根量、根长、根表面积与团聚体破坏率的相关关系均达显著负相关，而根体积只与MS处理的团聚体破坏率达显著负相关，说明团聚体的破坏率与含根量、根长、根表面积的关系更密切，且随着各指标的优化，团聚体的破坏率得到明显降低。MS、MP处理的根系特征与团聚体破坏率的相关关系比单作处理的较显著，说明农作物间作具有降低团聚体破坏率，增加土壤团聚体稳定性的作用。在10～20 cm土层范围内，MS处理的含根量、根表面积，SS处理的根表面积，MP处理的根长、根表面积、根体积与团聚体的破坏率显著负相关，各参数与团聚体破坏率的相关系数较0～10 cm土层的相关性较小，说明根系降低团聚体破坏率的作用在0～10 cm土层的效果更明显。在不同的土层，间作模式下作物的根系特征与含根量、根长、根表面积与团聚体破坏率比单作模式下的相关关系更显著，说明间作模式下作物的根长更长、含根量更多、根表面积更大，土壤结构更紧实，从而团聚体的破坏率明显小于单作模式。

表5不同种植模式下农作物根系特征与团聚体破坏率的相关关系

Table5 The correlation between the root characteristics of different crops and the percentage of aggregate destruction under different planting patterns

土层深度/cmSoildepth处理Treatment团聚体的破坏率/%PAD含根量/gRootcontent根长/cmRootlength根表面积/cm2RootSurfArea根体积/cm3Rootvolume根尖数Tips0～1010～20SS60 89-0 92∗∗-0 85∗-0 93∗-0 65-0 64MS44 81-0 98∗∗-0 89∗∗-0 94∗∗-0 88∗-0 59MM77 55-0 88∗-0 93∗-0 86∗-0 71-0 62MP49 85-0 91∗∗-0 97∗∗-0 96∗∗-0 77∗-0 71∗PP74 28-0 85∗∗-0 83∗-0 68∗-0 58-0 54SS72 01-0 84-0 74-0 83∗-0 57-0 60MS60 02-0 86∗-0 77∗-0 85∗-0 59-0 54MM77 67-0 76-0 82-0 76-0 58-0 51MP70 98-0 85∗-0 88∗-0 87∗-0 77∗-0 64PP73 33-0 75-0 71-0 61-0 54-0 49

注：*和**分别表示显著和极显著相关

Note：*and**showed that the correlation achieve the very significant level and significant level

3 讨论

3.1 不同种植模式对土壤团聚体稳定性的影响

国内外学者研究认为土壤团聚体含量是评价土壤可蚀性的最佳指标[11，12]，土壤团聚体的含量受很多因素影响，如有机质含量、根系生长、耕作和土地管理方式等[13，14]。有试验表明土层中植物根系通过自身生理力学作用使土壤紧实，提高土壤团聚体含量，增加抗水流分散能力，提高土壤抗蚀性[15]。本试验也证明间作模式下，土壤大团聚体的含量优于单作模式，这与薛倢等[16]以黄土丘陵区几种不同植被为对象，对土壤抗蚀性的恢复作用研究结果一致。

水力侵蚀是云南地区坡耕地水土流失的主要原因，随着雨水的冲刷，土体松散，产生径流，造成水土流失[15]。试验数据显示，间作模式的土壤抗蚀性显著优于单作模式，10～20 cm土层土壤的抗蚀性指数下降趋势大于0～10 cm土层，表明根系对表层土壤的抗蚀性影响较强，这与郑子成[12]、魏艳春[17]的研究结果一致。团聚体破坏率作为评价土壤团聚体稳定性的另一个重要指标[6]，通常PAD值愈大则团聚体愈容易遭到破碎，其稳定性就越低，反之亦然。间作模式不仅对土壤团聚体的分布产生影响，也会改善团聚体的稳定性[18]。研究显示2层、多层橡胶林的土壤团聚体稳定性明显优于单层橡胶林人工橡胶林[19]。橡胶树和其他树种间作能够起到生态互补作用，提高团聚体的稳定性[20]。这与本试验0～10 cm土层，玉米间作大豆处理较玉米单作与大豆单作处理土壤团聚体破坏率分别降低42.22%和26.40%的结果一致。

3.2 作物根系特征与土壤团聚体稳定性的关系

间作模式下，作物根系形态发生显著变化。在不同深度土层，间作模式作物根系形态参数均有不同程度的优化，玉米间作大豆和玉米间作马铃薯处理的含根量、根长、根表面积、根体积、根尖数显著优于单作处理，这与宋日等[21]的研究结果完全一致。可能是由于间作根系在土壤空间上的分布差异，种间互作等效应造成根系形态特征的差异。团聚体的破坏率随着根系形态参数的增加而降低，李勇等[22]在研究黄土高原植物根系提高土壤抗蚀性能的研究时，指出植物根系可以降低团聚体的破坏率，提高土壤抗侵蚀能力。本试验结果亦显示土壤团聚体的破坏率与含根量、根长、根表面积的相关关系均达显著负相关，可能是由于根系通过缠绕和固结作用，改善了土壤理化性质，增强了土壤的抗蚀性。由此可以得出，间作模式优化了根系形态特征，降低了团聚体的破坏率，提高了土壤的抗蚀性，可以有效减少坡耕地红壤的水土流失。

4 结论

在不同深度的土层，土壤水稳性团聚体的分布、团聚体的破坏率、土壤的抗蚀指数等指标都表明间作模式优于单作模式。具体表现在0～10 cm土层，MS处理的WSA0.25值较SS、MM处理分别增加了29.58%、66.01%，在10～20 cm土层，MS处理的WSA0.25值与较MM处理增加了42.28%；间作模式的土壤抗蚀指数随着侵水时间的增加降低趋势平稳，且小于单作模式；在0～10 cm的土层中，MS处理较MM与SS处理土壤团聚体破坏率分别降低了42.22%和26.40%，MP处理较MM与PP处理土壤团聚体破坏率分别降低了35.71%和32.88%。在10～20 cm的土层中，MS处理的PAD值较SS、MM处理分别降低了16.67%和22.75%。农作物通过合理的间作可以改善团聚体的结构，降低团聚体的破坏率，减少坡耕地红壤的水土流失。间作模式与单作模式相比，作物的根系形态特征得到了改善，各处理间差异性显著。间作模式的含根量、根长、根表面积与团聚体的破坏率都达到了显著负相关。综上表明，在坡耕地红壤地区，农作物间作及其根系能有效减低团聚体破坏率，增强土壤结构的稳定性，减少水土流失。

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Therelationshipbetweencropsrootandaggregatestabilityofredsoilinslopingarableland

ZhouXiaochen,LiYongmei,WangZilin,BaiLushun,ZhouGuifei,FanMaopan*

(CollegeofResourcesandEnvironment,YunnanAgriculturalUniversity,Kunming650201,China)

[Objective]In order to invest the difference of soil structure stability under different planting patterns of crops, as well as the relationship between root and percentage of aggregate destruction.[Methods]The research adopted the monocultures of flue-cured tobacco, maize, soybean, and potato, and intercropping of maize + soybean and maize + potato, determining the water stable aggregates, percentage of aggregate destruction, root system characteristics, analyzed the relationship between different crops root characteristics and percentage of aggregate destruction.[Result]The result showed that under the condition of the routine management, in 0-10 cm soil layer, the number of >0.25 mm water stable aggregated maize intercropping soybean compared with soybean monoculture, maize monoculture was increased by 29.58% and 66.01%, in 10-20 cm soil layer, the number of >0.25 mm water stable aggregated maize intercropping soybean compared with maize monoculture was increased by 42.28%;in 0-10 cm soil layer,the soil anti-erodibility index of intercropping pattern was significantly greater than monoculture pattern, the ability of soil particle to resist dispersion was high; the percentage of aggregate destruction of maize intercropping soybean compared with than maize monoculture and soybean monoculture was reduced by 42.22% and 26.40%, maize intercropping potato compared with maize monoculture and potato monoculture was reduced by 35.71%和32.88%. In 10-20 cm soil layer, the percentage of aggregate destruction of maize intercropping soybean compared with than soybean monoculture and maize monoculture was reduced by 16.67% and 22.75%; compared with the monoculture, the crop root length, root surface area and root volume in intercropping pattern were significantly improved and was negatively correlated with the percentage of aggregate destruction.[Conclusion]Thus, maize intercropping soybean and maize intercropping potato could optimize crop root characteristics, reduced the damage rate of aggregate, improved the stability of aggregates, and contributed to the conservation of water and soil.

Planting patterns, Red soil, Percentage of aggregate destruction, Root characteristics

2017-05-18

2017-06-25

周晓晨(1990—)，男(汉)，山西河津人，硕士研究生，研究方向：农业资源与环境方面

*通信作者：范茂攀，博士，副教授，硕士生导师，Tel：13888855067； E-mail：mpfan@126.com

国家自然科学基金项目(41461059，41661063)

S512

A

1671-8151(2017)11-0818-07

(编辑：梁文俊)