玉米//马铃薯间作根系特征及其与土壤水稳性团聚体关系

杜静，柏勇，范茂攀，李永梅

（1.遂宁市蓬溪县水利局，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.云南农业大学资源与环境学院，云南 昆明 650201）

土壤团聚体的数量和质量会影响土壤肥力，其变化会引起土壤退化、土壤侵蚀和土壤板结等状况；水稳性团聚体对保持土壤肥力和土壤养分有影响［1，2］。一些学者研究了农作物间套作、农林间作等不同种植模式下土壤团聚体的含量和分形特征等情况，发现间作可以增加土壤团聚体的稳定性［3-5］。植物根系既可以增加土壤有机质、吸收其中的水分和养分，又可以固结土壤，使土壤团粒结构更好，增加土壤抗剪强度［6-9］。本课题组已对玉米、马铃薯、大豆、小麦等作物根系的固土力学特征和土壤抗蚀性进行过研究，表明种植农作物能有效地利用根系固结土壤［10，11］。然而截至目前对作物根系与土壤团聚体稳定性之间的相关性研究较少。为此，本研究以玉米、马铃薯为试验作物，探讨不同种植模式下作物根系与土壤团聚体之间的关系，以期为进一步提高土壤固持能力和保水保肥提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概述

试验于2016年3—9月在云南农业大学试验农场进行。试验地海拔1 950 m，周年气温4.7～23.7℃，年平均降雨量1 000 mm［12］。土壤基础理化性质：有机质含量35.07 g/kg、全氮0.79 g/kg、碱解氮111.25 mg/kg、速效磷5.12 mg/kg、速效钾88.72 mg/kg，pH 6.68。

1.2 试验作物与肥料

玉米品种为云瑞88（云南省农业科学院粮食作物研究所最新选育的优质玉米杂交种），马铃薯品种为云薯801（云南省农业科学院经济作物研究所和宣威市农业技术推广中心合作选育的新品种）。

肥料为含N≥46.2%的尿素，含P2O5≥16.0%的过磷酸钙，含K2O≥51.0%的硫酸钾。

1.3 试验设计

试验设3种种植模式共5个处理：玉米单作（MM）；马铃薯单作（PP）；玉米间作（MP）；马铃薯间作（PM）；裸地（CK）。小区规格分别为4 m×10 m（坡度10°）4个，4 m×7 m（坡度20°）4个，4 m×6 m（坡度30°）4个。每处理重复3次。

种植规格：采用沿等高线常规种植。玉米、马铃薯单作皆采用等行距种植，播种期分别为5月9日、3月28日。玉米行距80 cm，株距25 cm，每公顷种植密度50 000株；马铃薯行距60 cm，株距30 cm，每公顷种植密度55 555株。玉米、马铃薯间作采用2∶2模式，行距都是40 cm，玉米株距25 cm，马铃薯株距30 cm，间作玉米每公顷种植密度50 000株，马铃薯密度41 667株。

1.4 测定项目及方法

1.4.1 采样方法 根据不同种植模式，在玉米、马铃薯成熟期（2016年9月上旬）按“S”型取样，采集0～30 cm原状土层和作物根系，带回室内实验室做相应处理。

1.4.2 土壤水稳性团聚体测定 称取风干土样500 g，分别用5、2、1、0.5、0.25 mm共5种孔径的带有盖和底的土筛筛土，底盘收集小于0.25 mm的团聚体，振荡后从上到下依次取样、称重，计算各级干筛团聚体重量（g）。按公式（1）计算并称取土样M（约50 g）进行湿筛［4］。

式中，mi为过筛后土壤各粒级团聚体含量，Mi为需按比例称取的土壤各粒级团聚体含量。

将土样M（约50 g）分别用5、2、1、0.5、0.25 mm共5种孔径的网筛以35 r/min的频率对团聚体进行30 min湿筛，之后将留在各网筛上的土壤冲洗至铝盒中，放置在105℃烘箱中烘干（24 h），然后称重，记为wi，并计算各粒级烘干后重量占总重量的比例Wi（%）［13］。

1.4.3 土壤各粒级团聚体有关指标计算 具体如下。

（1）湿筛后各粒级水稳性团聚体（GMD）的质量百分比。计算公式［14］如下：

式中，Wi为某级水稳性团聚体的质量百分比（%），wi为该级水稳性团聚体的烘干质量（g）。

（2）＞0.25 mm稳定性团聚体（DR0.25）含量。计算公式［13］如下：

式中，Wi为第i粒级团聚体质量占总团聚体的百分数。

（3）团聚体破坏率（PAD）。计算公式［15］如下：

（4）团聚体的平均重量直径（MWD）。采用邱莉萍等［16］推导的公式计算：

式中，Ri为某级团聚体平均直径；Wi为某级团聚体组分的干重。

（5）分形维数D。利用杨培岭等［17］推导的公式计算。

式中，Ri为某级团聚体平均直径；M（r＜Ri）为粒径小于Ri的团聚体重量；Mr为团聚体总重量；Rmax为团聚体的最大粒径。

1.4.4 作物根系特征测定 作物成熟期取样。用剪切箱（长×宽×高＝30.0 cm×30.0 cm×10.0 cm）采集不同作物0～30 cm土层根系，放于直径0.5 mm土筛中，用流水冲净，再用镊子分离玉米、马铃薯根系，后将根系平铺于注入3 mm左右蒸馏水的有机玻璃根盒内。用EPSON 4900扫描仪扫描根系形态，并用WinRHIZO根系分析软件（Win-RhizoProVision5.0a）处理并分析扫描后的根系图，计算出单位体积含根量、根长、根表面积和根体积［7］。

1.5 数据处理

用Microsoft Excel 2013对试验数据进行处理并制作图表，统计分析使用SAS软件。用单因素方差分析和Duncan’s多重比较法进行差异显著性检验。根系特征与土壤团聚体的相关性用SPSS软件进行分析。

2 结果与分析

2.1 不同种植模式下各处理的土壤水稳性团聚体含量

水稳性团聚体（GMD）是衡量土壤抗侵蚀能力的指标之一，对保持土壤稳定性有重要作用［18］。从图1可以看出，0～10 cm土层中，不同粒级的水稳性团聚体百分比总体上呈现出随着粒径减小而逐渐增加的趋势。其中，＞5 mm和5～2 mm粒级中，各处理的GMD含量无显著差异；2～1 mm及1～0.5 mm粒级中，MP处理和CK差异显著，较CK分别增加5.66个百分点和5.39个百分点；0.5～0.25 mm粒级中，PM处理比CK增加7.72个百分点，两者差异显著。5个处理中，＞0.25 mm粒级的GMD含量从大到小顺序为：MP（57.37%）＞PM（51.22%）＞PP（46.65%）＞MM（45.05%）＞CK（34.81%），MP、PM处理与CK之间差异显著，较CK分别增加22.56个百分点和16.41个百分点，说明MP和PM处理具有良好的团粒结构。

图1 0～10 cm土层水稳性团聚体（GMD）含量

从图2可以看出，10～20 cm土层中，各粒级GMD含量总体上呈现出随着粒径减小而逐渐增加的趋势。＞5 mm粒级中，PM、PP处理的GMD含量与CK差异显著，较CK增加1.89、2.00个百分点；5～2 mm和2～1 mm粒级中各处理之间无显著差异；1～0.5 mm中，MP处理和CK间差异显著，较CK增加4.83个百分点；0.5～0.25 mm粒级中，PM、MP、PP、MM处理与CK差异显著，分别比CK增加6.87、5.34、4.95、4.49个百分点。5个处理中，＞0.25 mm粒级的GMD含量从大到小顺序为：MP（52.21%）＞PM（51.48%）＞MM（44.50%）＞PP（42.70%）＞CK（33.42%），MP、PM处理与CK差异显著，较CK分别增加18.79个百分点和18.06个百分点。

图2 10～20 cm土层水稳性团聚体（GMD）含量

从图3可以看出，20～30 cm土层中，各粒级水稳性团聚体（GMD）含量总体上呈现出随着粒径减小而逐渐增加的趋势。＞5 mm粒级中，PM处理与CK差异显著，较CK增加2.37个百分点；5～2 mm和1～0.5 mm粒级中各处理之间无显著差异；2～1 mm粒级中，MP处理与CK间差异显著，较CK增加4.79个百分点；0.5～0.25 mm粒级中，MP、PM、MM处理与CK间差异显著，分别比CK增加6.59、6.12、5.93个百分点。5个处理中，＞0.25 mm粒级的团聚体含量从大到小顺序为：MP（55.03%）＞PM（51.30%）＞MM（49.82%）＞PP（44.03%）＞CK（33.37%），MP、PM、MM处理与CK之间差异显著，较CK分别增加21.66、17.93、16.45个百分点。

图3 20～30 cm土层水稳性团聚体（GMD）含量

2.2 不同种植模式下各处理的土壤团聚体破坏率

通过分析干筛和湿筛处理后土壤团聚体的含量，计算得到不同种植模式下各处理土壤团聚体破坏率（PAD）（表1）。5个处理的PAD均较大。0～10 cm土层中，MP处理的土壤团聚体破坏率相对最小，与CK差异显著，MP、PM处理较CK减少35.70%、25.54%；10～20 cm土层中，MP处理团聚体破坏率相对最小，各处理之间无显著差异；20～30 cm土层中，MP处理与CK差异显著，较CK减少32.23%。

表1 不同种植模式下各处理的土壤团聚体破坏率（PAD） （%）

2.3 不同种植模式下各处理的土壤团聚体平均重量直径

不同种植模式下各处理土壤水稳性团聚体平均重量直径（MWD）如表2所示，0～10 cm土层中，MP＞PM＞PP＞MM＞CK，MP处理与MM、CK之间差异显著，较CK、MM处理分别高43.73%、28.89%；10～20 cm土层中，各处理差异均不显著，说明不同种植模式对该土层MWD的影响不显著；20～30 cm土层中，MP＞PM＞MM＞PP＞CK，MP、PM处理与CK差异显著，较CK分别提高44.12%、37.46%。

5个处理中，MP、PM处理3个土层的水稳性团聚体平均重量直径都大于其它3个处理，说明农作物间作这种模式有利于保持土壤的稳定性。

表2 不同种植模式下各处理的土壤团聚体平均重量直径（MWD） （mm）

2.4 不同种植模式下各处理的土壤团聚体分形维数

土壤分形维数（D）是反映土壤几何结构的参数，计算不同种植模式下各处理的土壤水稳性团聚体分形维数（D），结果见表3。0～10 cm土层中，3种种植模式下各处理相比较，MM、PP、PM处理的土壤水稳性团聚体分形维数无显著差异，MP的最小，与CK差异显著，CK的最大；10～20 cm土层中，各处理无显著差异；20～30 cm土层中，MP处理与CK差异显著，MP的最小，CK的最大。各土层相比较，CK的土壤水稳性团聚体分形维数都最大，MP处理的都最小，说明间作土壤的抗蚀能力最强，单作次之，裸地最弱。

表3 不同种植模式下各处理的土壤团聚体分形维数（D）

2.5 不同种植模式作物根系特征

2.5.1 不同生育期玉米的根系特征 含根量、根长、根表面积、根体积、根尖数都是表示根系特征的参数指标。在不同种植模式下，玉米不同深度的根系特征（表4）表明随着土层深度的加深，玉米的含根量、根尖数、根长等指标都在逐渐降低，MP处理的根系指标都高于MM处理，其中0～10 cm土层MP处理较MM处理含根量增加33.79%、根表面积增加14.97%、根体积增加29.42%、根尖数增加18.46%、根长增加14.38%；10～20 cm土层MP处理较MM处理含根量增加27%、根表面积增加16.61%、根体积增加15.77%、根尖数增加34.46%、根长增加5.30%；20～30 cm土层MP处理较MM处理含根量增加30.03%、根表面积增加9.29%、根体积增加11.68%、根尖数增加12.89%、根长增加0.72%。

表4 不同土层玉米根系特征

2.5.2 不同生育期马铃薯的根系特征 不同种植模式下不同土层的马铃薯根系特征结果（表5）表明，随着土层加深，马铃薯的含根量、根尖数、根长等指标都在逐渐降低，PM处理的根系特征指标都高于PP处理，其中0～10 cm土层PM较PP含根量增加5.32%、根表面积增加4.94%、根体积增加55.83%、根尖数增加17.66%、根长增加23.99%；10～20 cm土层PM较PP含根量增加14.55%、根表面积增加1.92%、根体积增加9.40%、根尖数增加3.10%、根长增加18.74%；20～30cm土层PM较PP含根量增加24.32%、根表面积增加10.06%、根体积增加23.81%、根尖数增加17.79%、根长增加15.92%。

表5 不同土层马铃薯根系特征

2.6 不同种植模式下作物根系特征与土壤团聚体的关系

计算农作物收获期根系特征指标与＞0.25 mm土壤稳定性团聚体含量（DR0.25）、团聚体破坏率（PAD）、团聚体平均重量直径（MWD）、分形维数（D）的相关系数，得表6中结果。可以看出，MP、PM、PP、MM处理的根系特征与DR0.25、MWD之间都呈正相关关系，即作物的根系越丰富土壤水稳性团聚体含量越高，团聚体平均重量直径越大；各处理的根系特征与PAD和D之间都呈负相关关系，即作物的根系越丰富，土壤水稳性团聚体破坏率和分形维数越小。

0～10 cm土层中，MM 处理的根表面积与DR0.25显著正相关，与PAD显著负相关；根长与DR0.25显著正相关，与PAD、D显著负相关。PP处理的根体积、根长与PAD显著负相关，与MWD显著正相关。MP处理的根体积与PAD显著负相关。

10～20 cm土层中，PP处理的含根量与PAD显著负相关，根表面积与D显著负相关；PM处理的含根量与DR0.25显著正相关，根表面积与MWD显著正相关；MP处理的含根量与DR0.25、MWD显著正相关，根表面积、根体积与DR0.25显著正相关，根长与D显著负相关。

20～30 cm土层中，MM处理的含根量、根表面积与PAD显著负相关，根体积与DR0.25、D分别达显著正相关和显著负相关；PP处理含根量与PAD、D显著负相关；PM处理的根长与PAD显著负相关；MP处理含根量、根体积与MWD显著正相关，根长与PAD显著负相关。

表6 不同种植模式下作物根系特征与土壤团聚体的关系

3 讨论

3.1 不同种植模式对农作物根系特征的影响

不同种植模式会导致根系生长、根系密度和根系分布产生较大变化。农作物生长过程中，间作模式的根系指标值都大于各自的单作模式。随着土层加深，玉米的含根量、根尖数、根长等指标都在逐渐降低。刘浩等［19］研究发现，根量随着土层深度的增加而逐渐减少，根系在垂直方向的分布呈幂函数递减规律。本研究中，0～10 cm土层玉米间作较单作的含根量增加33.79%、根表面积增加14.97%、根体积增加29.42%、根尖数增加18.46%、根长增加14.38%；马铃薯间作较单作含根量增加5.32%、根表面积增加4.94%、根体积增加55.83%、根尖数增加17.66%、根长增加23.99%。这与马志鹏等［10］研究的玉米大豆间作模式下作物的根系特征结果相一致。由此看出，0～10 cm土层内，间作能有效促进玉米根系的生长。李玉英等［7］研究玉米蚕豆间作对作物根系的影响，发现间作可以在纵向和横向两个方面促进根系生长，并且玉米根系主要分布在0～60 cm土层，间作根系比单作多。宋日等［20］的研究结果也认为间作能促进作物根系的发展。其原因可能是农作物间作时，根系在空间分布上存在差异、在时间上根系功能活跃期存在错位，从而能促成资源的合理利用。

3.2 不同种植模式对土壤水稳性团聚体的影响

农作物间作能在一定程度上改善土壤物理性质，根系分布会影响土壤水稳性团聚体的数量、大小以及稳定性。本试验结果表明，3个土层都以粒级为0.5～0.25 mm的土壤水稳性团聚体含量为主，并且伴随着粒径的减小，含量逐渐增加。＞0.25 mm粒级的水稳性团聚体中MP处理含量最高，0～10 cm土层中MP、PM处理较CK分别增加22.56个百分点和16.41个百分点。

MP和PM处理具有良好的团粒结构。这与苑亚茹等［21］针对不同植物根际土壤团聚体稳定性的研究结果一致。裸地的大团聚体最少，主要是因为作物根系是＞0.25 mm大团聚体的主要胶结剂，根系分泌物有利于土壤团聚体的形成。张兵等［4］研究发现横坡耕作和农林复合经营下DR0.25含量较高，能提高土壤团聚体稳定性，有利于减轻和防治水土流失。

3种种植模式5个处理中MP处理在3个土层的PAD都最小，其中0～10 cm土层中MP、PM处理较CK的团聚体破坏率减少35.70%、25.54%。刘晓利等［22］研究发现，土壤PAD随着土壤肥力的提高而降低，水稳性团聚体含量越低土壤结构稳定性越差，PAD越高。

MP、PM处理3个土层的平均重量直径都大于其它3个处理，MP的最大，CK的最小，说明农作物间作模式有利于保持土壤结构的稳定性。

各土层CK的分形维数都最大，MP处理的都最小，说明间作的抗蚀能力最强，单作次之，裸地最弱。周刚等［23］发现，DR0.25含量越大，分形维数越小，土壤的结构和稳定性越好，抗蚀性越强。

3.3 不同种植模式下作物根系特征与土壤水稳性团聚体的关系

大团聚体是小团聚体在植物根系和菌丝共同缠绕作用下形成的，植物根系能够提高大团聚体的含量和土壤团聚体的总量，根系分泌物也能够加速粘结土壤颗粒。MP、PM、PP、MM 处理的根系特征与DR0.25、MWD之间都呈正相关关系，即作物的根系越丰富土壤水稳性团聚体含量越高，土壤平均重量直径越大。0～10 cm土层中，MM处理的根表面积与DR0.25达显著正相关；10～20 cm土层中，PM处理的含根量与DR0.25达显著正相关，根表面积与MWD达显著正相关；MP处理的含根量与DR0.25、MWD达显著正相关，根表面积、根体积与DR0.25达显著正相关。由政等［24］研究了团聚体稳定性与根系特征的关系，表明团聚体结构受根系生物量、根表面积和根长的影响较大，DR0.25与根系生物量、根表面积呈正相关关系，根系生物量、根长密度、根表面积与土壤团聚体相关性显著，并且细根对于土壤团聚体的形成和稳定也起到重要作用。

各处理的根系特征与PAD、D之间都呈负相关关系，即作物的根系越丰富，土壤水稳性团聚体破坏率和分形维数越小。0～10 cm土层中，MM处理的根长与PAD、D达显著负相关；10～20 cm土层中，MP处理根长与D达显著负相关；20～30 cm土层中，MM处理的含根量、根表面积与PAD达显著负相关，PM处理的根长与PAD达显著负相关。这与陈山［25］对土壤团聚体稳定性的研究结果一致，即土壤团聚体PAD与MWD达极显著负相关，PAD值与土壤结构稳定性也具有极显著的负相关关系。刘梦云等［26］研究发现土壤团聚体含量与分形维数之间存在极显著负相关，D越小，DR0.25越高，团聚体稳定性越好。

4 结论

本试验表明，各处理的土壤水稳性团聚体含量都以0.5～0.25 mm 粒级为主，MP处理的DR0.25含量最高、PAD最小、MWD最大、D最小。相同土层内，PM处理的玉米根系特征值都高于MM处理；PM处理的马铃薯根系特征值也都高于PP处理。MP、PM、PP、MM处理的根系特征指标与DR0.25、MWD之间都呈正相关关系，与PAD、D之间都呈负相关关系。综合表明，农作物间作可以促进根系生长和土壤团粒结构的形成，有利于提高土壤的抗侵蚀能力。