程伟威 王婷 范茂攀 李永梅 王自林 肖靖秀
摘要:通過田间小区试验单作玉米、马铃薯//玉米间作,采集玉米在3个不同生育期(拔节期、大喇叭口期、抽雄期)的根系和土壤,测定根系分泌物中的有机酸、总糖和土壤团聚体状况,分析根系特征和根系分泌物对土壤团聚体的影响。结果表明,间作玉米根长、根体积、根表面积显著高于单作玉米(P<0.05)。玉米根系分泌总糖和总有机酸含量随生育期的推移而增加,间作显著提高玉米根系分泌总糖和总有机酸含量(P<0.05)。抽雄期,间作玉米比单作>0.25 mm水稳性团聚体含量(R0.25)显著提高8.17%(P<0.05);团聚体几何平均直径(GMD)显著提高12.24%(P<0.05),分形维数(D)显著降低1.09%;团聚体破坏率(PAD)显著降低26.08%。玉米根系分泌总糖含量、总有机酸含量与R0.25、GMD、D、PAD呈极显著相关关系(P<0.01),玉米间作对改变玉米根系特征及根系分泌物中总糖和总有机酸含量、提高土壤团聚体的稳定性有很大影响。
关键词:玉米;不同种植模式;坡耕地红壤;土壤团聚体
中图分类号:S157.4 文献标识码:A
文章编号:0439-8114(2019)15-0033-06
DOI:10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2019.15.008 开放科学(资源服务)标识码(OSID):
Effects of different planting patterns of maize on red soil aggregates in sloping farmland
CHENG Wei-wei,WANG Ting,FAN Mao-pan,LI Yong-mei,WANG Zi-lin,XIAO Jing-xiu
(College of Resources and Environment,Yunnan Agricultural University,Kunming 650201,China)
Abstract: Through the field plot test for monocropping corn, monocropping potatoes and corn intercropping potato, collection of corn in different development stages of the three (elongation stage, bell stage, tasseling stage) of root and soil, and determine the organic acid and total sugar in root exudates. And soil aggregate status, analysis of root characteristics and root exudates on soil aggregates. The results showed that the root length, root volume and root surface area of intercropping maize were significantly higher than those of monoculture maize(P<0.05). The total sugar and organic acid secreted by maize roots increased with the growth stage. Intercropping significantly increased the total sugar and organic acid secreted by maize roots (P<0.05). At tasseling stage, the water stable aggregate content(R0.25) of>0.25 mm in intercropping maize was significantly increased by 8.17% compared with that of monoculture maize(P<0.05). The geometric mean diameter(GMD) of aggregate was significantly increased by 12.24%(P<0.05), and the fractal dimension(D) was significantly decreased by 1.09%. The percentage of aggregate destruction(PAD) was significantly reduced by 26.08%. The total sugar and organic acid secreted by the root system of maize were significantly correlated with R0.25,GMD,D and PAD(P<0.01). Therefore, maize intercropping potato can change the characteristics of maize root system, increase the total sugar content and total organic acid content secreted by maize root system, and then improve the stability of soil aggregates.
Key words: maize; different planting patterns; red soil of sloping cultivated land; soil aggregate
近些年來,随着中国现代化进程的不断加快,高度集约化农业耕作模式盛行,一系列生态环境问题也日益凸显,比如水土流失、土壤肥力下降、农田生物多样性丧失、土壤酸化板结、水体富营养化等问题[1]。如何在不过度扰动土壤的同时又能够高效地进行生产作业,保证粮食的供应是目前世界范围内农业科学工作者广泛讨论和研究的问题。间作模式一直被作为一种良好的耕作模式为众多农业科学工作者所推崇,土壤结构的好坏影响着土壤水分移动和保持、侵蚀、结壳、养分循环、根系渗透和作物产量[2],因此良好的土壤结构是土壤保持肥力及保证作物高产的基本条件之一,土壤团聚体则是衡量土壤结构好坏的重要指标[3]。土壤团聚体的形成包含着物理、化学、生物等多方面的作用,其形成的内在机理较为复杂,根据Six等[4]、Tisdall[5]和Oades等[6]的研究,团聚体的形成是在各种外力作用下,矿物质与次生黏土矿物颗粒以黏团的形式相互黏结、凝聚,黏团再经过胶结、根毛和菌丝体的团聚作用形成团聚体。此外,足够多的细小土粒、胶结作用、凝聚作用以及团聚作用等都是形成团聚体必不可少的条件。而促进团聚体形成的一些胶结物质大多都是有机类物质, 因此土壤中的有机类物质对土壤团聚体的数量和大小分布有重要意义[7]。已有研究表明,作物根系分泌物能够显著提高土壤有机碳矿化率、土壤水溶性糖和多糖含量及水稳性团聚体稳定性[8]。
植物在生长过程中所产生的根系分泌物是土壤中有机类物质的一个重要来源。植株根系分泌物是植物体与外界环境进行交互作用的一个重要媒介,也是构成植物根际微生态的要素之一。在种植豌豆、小麦和黑麦的土壤中,9.5 mm以上的大团聚体明显减少,而0.25~9.50 mm的团聚体明显增加[9]。合理的耕作模式不但增加作物产量,还能改善土壤的结构性状[10,11],水稻田的生物量在间作下有明显的提高[12],豆类和玉米间作也显著提高玉米的产量和吸氮量[13]。玉米与大豆间作模式下,玉米根系特征值及根系活力显著高于单作[14]。间作种植模式下的农作物根系较单作更为发达,也更有利于控制径流导致的养分流失[15]。豆科作物与禾本科作物间作能够提高植株根系分泌物的总糖与总有机酸的量[16]。目前对于间作模式条件下,土壤团聚体对作物根系分泌物响应的研究鲜见报道。本研究旨在为坡耕地红壤农作物的合理配置和土壤培肥提供理论基础和科学依据。
1 材料与方法
1.1 试验小区概况及作物品种
试验地位于云南省昆明市盘龙区松华坝,地理坐标:东经102°58′39.7,北纬25°2′28.8。试验地坡度为10°,海拔2 234 m,降雨量900~1 000 mm,属于亚热带季风性气候,年均温16 ℃。试验地前3年种植模式均为玉米单作,小区初始土样有机质30.15 g/kg,全氮1.14 g/kg,碱解氮为115.3 mg/kg,速效磷6.41 mg/kg,速效钾92.36 mg/kg,pH 6.29。试验采用的玉米品种为云瑞88,马铃薯品种为会-2。
1.2 试验设计
试验设4个处理(空白对照、玉米单作、马铃薯单作和玉米/马铃薯间作),3次重复,共12个小区。每个地块规格为4 m×10 m,玉米单作采用宽窄行种植,宽行80 cm,窄行40 cm,株距25 cm;马铃薯单作采用等行距种植,行距60 cm,株距35 cm;玉米马铃薯间作采用2∶2种植模式,玉米行距40 cm,株距30 cm,马铃薯行距40 cm,株距35 cm。玉米与马铃薯的播种在2018年5月初,当年10月中旬收获。
玉米单作与玉米间作模式下,玉米施N 225 kg/hm2,P2O5 75 kg/hm2,K2O 75 kg/hm2,其中氮肥分2次平均施用,磷肥和钾肥全部作基肥施用;马铃薯施N 90 kg/hm2,P2O5 75 kg/hm2,K2O 150 kg/hm2,全部作基肥施用。
1.3 样品处理及分析
对于土壤团聚体, 主要通过干筛和湿筛进行分析。土壤样品的采集选用“S”型5点取样法,采集小区土样后带到实验室风干,使用套筛(孔径依次为0.25、0.50、1.00、2.00、5.00 mm)以150次/min,振荡幅度10 cm,振荡3 min。依次确定其各粒径的质量及百分比含量,按其百分比收取100 g混合土样后用团聚体分析仪测定其水稳性团聚体的占比,在实际操作中,水应没过5 mm筛的底部,而且套筛在水中振荡时不没过其顶部,套筛的振幅为3 cm,频率为30次/min,15 min后依次收取各粒径的水稳性团聚体于铝盒中,置于105 ℃烘箱中烘12 h,烘干称重,计算各粒径的水稳性团聚体占比。
将采集的根系洗净后使用EPSON4900扫描仪进行扫描,然后使用WINRHIZO根系分析软件对扫描后的图像进行分析。对于根系分泌物的分析,其总糖的含量测定采用蒽酮比色法,总有机酸的含量则采用HPLC法。仪器的型号为Agilent1200高效液相色谱仪,流动相为10 mmol/L硫酸二氢钾溶液(pH 2.45),柱温35 ℃,流速1 mL/min,进样量10 μL,检测波长214 nm,分析时间10 min。
1.4 数据分析
团聚体平均质量直径[17]:
MWD=■X×Wi
式中,X为各粒径水稳性团聚体平均质量;Wi为第i个筛子的破碎团聚体重量百分比。
几何平均直径[17]:
GMD=exp■milnRi/■mi
式中,Ri为某级团聚体平均直径;mi为某级团聚体组分的干重。
分形维数[18]:
■=■■
式中,■i为某级团聚体平均直径;M(r<■i)为粒径小于r的团聚体重量;MT为团聚体总重量;Rmax为团聚体最大粒径。
结构体破坏率[19]:
结构体破坏率(PAD)=■×100%
式中,MT为供试土壤的总质量,g;M0.25为0.25 mm水稳性团聚体重量,g。
大于0.25 mm的水稳性团聚体占比:
R0.25=■×100%
式中,MR>0.25为粒径大于0.25 mm的水稳性团聚体质量,g;T为水稳性团聚体总质量,g。
数据的处理采用Microsoft Excel 2010、SPSS 23.0。
2 结果与分析
2.1 玉米根系在不同种植模式下的变化
由图1可知,随着生育期的推移,玉米根长、根表面积、根体积、根尖数均呈增长趋势,在抽雄期达到最大值。在玉米大喇叭口期、抽雄期,玉米//马铃薯间作与玉米单作相比,玉米根长、根表面积、根体积、根尖数差异显著。在3个生育期中,玉米//马铃薯间作模式下,根长分别增加了9.1%、12.9%、35.5%,根表面积分别增加了53.3%、28.9%、33.1%,根体积分别增加了20.9%、46.1%、18.1%,根尖数比同时期的玉米单作分别增加了12.7%、6.5%、24.0%,结果表明玉米根系特征值在间作模式下均优于单作模式。
2.2 玉米根系分泌物在不同种植模式下的变化
2.2.1 总糖含量在不同种植模式下的变化 由图2可知,玉米3个生育期中,玉米//马铃薯间作根系分泌物总糖含量比玉米单作增加148.05%、36.40%、84.94%(P<0.05)。无论是玉米单作还是玉米//马铃薯间作,玉米根系分泌总糖含量在拔节期、大喇叭口期、抽雄期均表现为不断升高的趋势。
2.2.2 总有机酸含量在不同种植模式下的变化 由图3可知,在玉米的拔节期、大喇叭口期、抽雄期,玉米//马铃薯间作相比玉米单作,玉米根系分泌物中总有机酸的含量分别提高128.90%、35.98%、37.44%(P<0.05)。
2.3 土壤团聚体在不同种植模式下的变化
不同种植模式下的3个生育期中土壤团聚体各类指标均有所变化。由表1可知,在3个生育期中,玉米//马铃薯间作下的结构体破坏率(PAD)要低于玉米单作,分别降低7.59%、21.97%、26.08%(P<0.05)。
3个生育期中,玉米//马铃薯间作模式下要比玉米单作的R0.25分别提高6.82%、7.81%、8.17%(P<0.05)。水稳性团聚体指标MWD、GMD随着玉米生育期推移均表现为上升趋势,玉米间作相比单作,GMD在3个生育期分别提高7.69%、13.04%、12.24%(P<0.05)。玉米间作相比单作,MWD在大喇叭口期及抽雄期分别提高8.26%、10.08%。
由表1发现,在同一种植模式下,随着生育期的推移其水稳性团聚体R0.25不断提高,结构体破坏率PAD明显下降。在抽雄期,玉米//马铃薯间作与玉米单作相比,两种种植模式的水稳性团聚体R0.25、PAD均有显著性差异。
2.4 土壤水稳性团聚体分形维数在不同种植模式下的变化
土壤是具有不规则形状的复杂多孔介质,并且具有自相似结构,有一定的分形特征[20],因此可以利用分形几何学研究土壤的物理性状。Tyler等[21]提出土壤粒径分布的质量分形维数计算公式后,一直被广泛用于土壤科学的研究中。由图4可知,同一种植模式下,水稳性团聚体的分形维数(D)随着生育期的推移不断减小。玉米单作与玉米//马铃薯间作的水稳性团聚体D均有显著性差异。3个生育期,玉米//马铃薯间作与玉米单作相比,D分别降低0.73%、1.44%、1.09%(P<0.05)。在整个生育期中, 土壤水稳性团聚体D分布范围为2.71~2.80。其中分形维数(D)越小,则表示土壤团聚体的稳定性越好[20]。
2.5 根系分泌物与土壤团聚体稳定性指标相关分析
由表2可知,玉米根系分泌物中总糖和总有机酸的含量对土壤团聚体稳定性指标中PAD、R0.25、D、GMD影响较大,根系总糖和总有机酸的分泌量与R0.25、MWD、GMD呈正相关,而与D、PAD呈负相关。
总糖和总有机酸分泌量在大喇叭口期与R0.25、GMD呈极显著正相关性(P<0.01),与D、PAD呈极显著负相关性(P<0.01),与MWD无显著相关性。总糖和总有机酸分泌量在抽雄期,与R0.25、GMD呈极显著正相关性(P<0.01),与MWD呈显著正相关性(P<0.05),与D、PAD呈极显著负相关性(P<0.01)。在拔节期,由于试验作物均处于苗期,其根系分泌物含量较少,对于土壤团聚体的影响很小,不具备相关性分析的统计条件。
3 讨论
研究表明,间作有利于玉米、大豆根系的生长,且与单作相比玉米的根系特征值均有明显的增加[16,22]。本研究结果与其相吻合,在玉米3个生育期中,玉米//马铃薯間作模式下,根表面积、根体积、根尖数比同时期的玉米单作均有显著增加。也有研究表明,植物在各生育期,其根系分泌物的量均有所变化[23,24], 并且随着作物生育期的推移,其根系分泌有机酸和总糖的能力也在升高。本研究也证明了玉米根系分泌物中总糖、总有机酸的含量随着玉米生育期(拔节期、大喇叭口期、抽雄期)的推移不断升高, 并且于抽雄期其分泌量达到最大值。在不同的根际生态类型下,作物根系分泌物的特征也不同[25,26], 本研究证明玉米间作下根系分泌总糖、总有机酸含量显著高于玉米单作,玉米//马铃薯间作模式改善了根际微生态环境[27],促进了植物对养分的吸收, 增强了植株的碳氮代谢,从而使得植物根系分泌总糖、总有机酸的能力增强。在间作体系下,土壤微生物群落的结构更加良好,提升了植物根系抑制土传病害的能力,使根系活力得到加强,同时也促进了根系分泌总糖、总有机酸的能力[28]。土壤团聚体是衡量土壤结构好坏的重要指标,各类粒的土壤团聚体对固定有机碳的作用大相径庭。各类农艺措施在改变土壤有机碳的同时也影响着大团聚体与微团聚体之间的转化和再分布,土壤结构的稳定性和抗侵蚀能力也随之改变[29]。
良好的土壤结构和团聚体稳定性对改善土壤质量,提高土壤肥力,提高农艺生产力,提高孔隙度,降低土壤可蚀性至关重要[30]。对于给定的土壤,土地管理[31]、耕作[32]、施肥[33]等措施都能对生物和非生物性的团聚体胶结产生影响,因此土壤团聚体的特征受这些因素的影响很大。间作和轮作等农艺措施有利于团聚体含量的增加、表层土壤结构的改善[34]。土壤有机质在土壤团聚体的数量和粒径分布中起着重要作用[35],土壤有机质含量的增加有利于土壤结构的形成和稳定[36],而团聚体的形成又反过来影响土壤有机碳的分解[37]。研究表明影响土壤团聚体的因素都影响土壤碳,土壤碳的数量和质量与团聚体密切相关[38],与高度集约化的农业管理相比,进行间作处理的土地在提高土壤大团聚体(>2 mm)的形成上非常明显,在此农艺模式下菌丝的长度和有机质的含量都有所增加,因此土壤团聚体的稳定性也得到了增加[39]。
本研究选取R0.25、MWD、GMD、D、PAD作为根系分泌物与土壤团聚体稳定性相关指标。Pirmoradian等[40]和Ahmadi等[41]研究表明,土壤穩定性与GMD的相关系数高于MWD,与D的相关系数高于GMD,D相比MWD、GMD能对土壤团聚体稳定性状况具有较好的表征。
4 结论
玉米根系特征值在间作模式下均优于单作模式。在3个生育期中,玉米//马铃薯间作模式下,根表面积、根体积、根尖数比同时期的玉米单作均有显著增加(P<0.05)。
在玉米拔节期、大喇叭口期、抽雄期,玉米根系分泌的总糖、总有机酸含量呈递增趋势,间作相比单作更加显著,并且在抽雄期达到峰值。在抽雄期,玉米//马铃薯间作相比玉米单作,玉米根系分泌总糖、总有机酸含量分别提高84.94%、37.44%(P<0.05)。
玉米//马铃薯间作相比玉米单作,在玉米抽雄期,土壤水稳性团聚体分形维数D显著降低1.09%(P<0.05),土壤团聚体几何平均直径GMD提高12.24%, 团聚体平均质量直径MWD提高10.08%,土壤水稳性团聚体R0.25显著提高8.17%(P<0.05),结构体破坏率PAD显著降低26.08%(P<0.05)。
根系分泌总糖、总有机酸量在玉米抽雄期与土壤水稳性团聚体GMD、R0.25呈极显著正相关关系,与D、PAD达到极显著负相关关系(P<0.01),与MWD达到显著正相关关系(P<0.05)。
相比单作,在间作模式下玉米根系分泌的总糖、总有机酸含量也得到了提高,与此同时团聚体稳定性也得到了提高。
参考文献:
[1] ZHANG F S,CHEN X P,VITOUSEK P. Chinese agriculture:An experiment for the world[J].Nature,2013,497(7447):33-35.
[2] 刘中良,宇万太.土壤团聚体中有机碳研究进展[J].中国生态农业学报,2011,19(2):447-455.
[3] 卢金伟,李占斌.土壤团聚体研究进展[J].水土保持研究,2002(1):81-85.
[4] SIX J,PAUSTIAN K,ELLIOTT E T,et al. Soil structure and organic matter:I. Distribution of aggregate-size classes and aggregate-associated carbon[J].Soil science society of america journal,2000,64(2):681-689.
[5] TISDALL J M. Possible role of soil microorganisms in aggregation in soils[J].Plant and soil,1994,159(1):115-121.
[6] OADES J M,WATERS A G. Aggregate hierarchy in soils[J]. Australian journal of soil research,1991,26(9):815-828.
[7] ANGERS D A. Changes in soil aggregation and organic carbon under corn and alfalfa[J].Soil Sci Soc Am,1992,56:1244-1249.
[8] 宋 日,刘 利,马丽艳,等.作物根系分泌物对土壤团聚体大小及其稳定性的影响[J].南京农业大学学报,2009,32(3):93-97.
[9] 涂书新,孙锦荷,郭智芬,等.根系分泌物与根际营养关系评述[J].土壤与环境,2000,9(1):64-67.
[10] 肖焱波,李 隆,张福锁.小麦//蚕豆间作体系中的种间相互作用及氮转移研究[J].中国农业科学,2005,38(5):965-973.
[11] LI L,SUN J H,ZHANG F S,et al. Wheat/maize or wheat/soybean strip intercropping I.Yield advantage and interspecific interactions on nutrients[J].Field crops research,2001,71:123-137.
[12] 褚贵新,沈其荣,李奕林,等.用N叶片标记法研究旱作水稻与花生间作系统中氮素的双向转移[J].生态学报,2004,24(2):278-284.
[13] 李少明,赵 平,范茂攀,等.玉米大豆间作条件下氮素养分吸收利用研究[J].云南农业大学学报,2004,19(5):572-574.
[14] 李志贤,王建武,杨文亭,等.广东省甜玉米/大豆间作模式的效益分析[J].中国生态农业学报,2010,18(3):627-631.
[15] 肖靖秀,郑 毅,汤 利,等.小麦-蚕豆间作对根系分泌糖和氨基酸的影响[J].生态环境学报,2015,26(11):1825-1830.
[16] 杜 静,范茂攀,王自林,等.玉米-马铃薯间作根系特征及其与坡耕地红壤径流养分流失的关系[J].水土保持学报,2017,31(1):55-60.
[17] KEMPER W D,ROSENAU R C. Aggregate stability and size distribution[J].Methods of soil analysis,1986:425-442.
[18] 杨培岭,罗远培,石元春.用粒径的重量分布表征的土壤分形特征[J].科学通报,1993,38(20):1896.
[19] 陈 山,杨 峰,林 杉,等.土地利用方式对红壤团聚体稳定性的影响[J].水土保持学报,2012,26(5):211-216.
[20] 李德成,张桃林.中国土壤颗粒组成的分形特征研究[J].土壤与环境,2000(4):263-265.
[21] TYLER S W,WHEATCRAFT S W.Application of fractal mathematics to soil water retention estimation[J].Soil science society of America journal,1989,53(4):987-996.
[22] 宋 日,牟 瑛,王玉兰,等.玉米、大豆间作对两种作物根系形态特征的影响[J].东北师大学报:自然科学版,2002,34(3):83-86.
[23] 肖靖秀,郑 毅,汤 利.小麦-蚕豆间作对根系分泌低分子量有机酸的影响[J].应用生态学报,2014,25(6):1739-1744.
[24] 陈 利,肖靖秀,郑 毅.间作玉米大豆根系分泌物中有机酸的变化特征[J].西南林业大学学报,2016,36(5):78-83.
[25] 陈龙池,廖利平,汪思龙,等.根系分泌物生态学研究[J].生态学杂志,2002,21(6):57-62.
[26] 史刚荣.植物根系分泌物的生态效应[J].生态学杂志,2004, 23(1):97-101.
[27] 涂书新,孙锦荷.植物根系分泌物与根际营养关系评述[J].土壤与环境,2000,9(1):64-67.
[28] 离子勤,张淑香.连作障碍与根际微生态研究Ⅰ.根系分泌物及其生态效应[J].应用生态学报,1998,9(5):549-554.
[29] PUGET P,CHENU C,BALESDENT J. Dynamic of soil organic matter associated with particle-size fractions of water-stable aggregate[J].European journal of soil science,2000,51:595-605.
[30] 周晓晨,李永梅,王自林,等.坡耕地红壤农作物根系与团聚体稳定性的关系[J].山西农业大学学报:自然科学版,2017,37(11):818-824.
[31] 陈宁宁,李 军,吕 薇,等.不同轮耕方式对渭北旱塬麦玉轮作田土壤物理性状与产量的影响[J].中国生态农业学报,2015, 23(9):1102-1111.
[32] 武 均,蔡立群,齐 鹏,等.不同耕作措施下旱作农田土壤团聚体中有机碳和全氮分布特征[J].中国生态农业学报,2015, 23(3):276-284.
[33] 刘 哲,孙增慧,吕贻忠.长期不同施肥方式对华北地区温室和农田土壤团聚体形成特征的影响[J].中国生态农业学报,2017, 25(8):1119-1128.
[34] 周 虎,吕贻忠,杨志臣,等.保护性耕作对华北平原土壤团聚体特征的影响[J].中国农业科学,2007,40(9):1973-1979.
[35] ANGERS D A. Changes in soil aggregation and organic carbon under corn and alfalfa[J].Soil Sci Soc Am,1992,56,1244-1249.
[36] BRONICK C J,LAL R. Soil structure and management:A review[J].Geoderma,2005,124:3-22.
[37] FERNANDEZ R,QUIROGA A,ZORATI C,et al. Carbon contents and respiration rates of aggregate size fractions under no-till and conventional tillage[J].Soil Till Res,2010,109:103-109.
[38] 竇 森,李 凯,关 松.土壤团聚体中有机质研究进展[J].土壤学报,2011,48(2):412-418.
[39] XIE J Y,XU M G,CIREN Q J,et al. Soil aggregation and aggregate associated organic carbon and total nitrogen under long-term contrasting soil management regimes in loess soil[J].Integr Agr,2015,14:2405-2416.
[40] PIRMORADIAN N,SEPASKHAH A R,HAJABBASI M A. Application of fractal theory to quantify soil aggregate estability as influenced by tillage treatments[J].Biosystems engineering,2005,90(2):227-234.
[41] AHMADI A,NEYSHABOURI M R,ROUHIPOUR H,et al. Fractal dimension of soil aggregates as an index of soil erodibility[J].Journal of hydrology,2011,400(3/4):305-311.