張珊珊，謝云，劉剛，閆靜雯，翟俊瑞，趙相杰，王翔鷹

（北京師范大學(xué)，地理學(xué)與遙感科學(xué)學(xué)院，地表過程與資源生態(tài)國家重點實驗室，100875，北京）

中度和劇烈侵蝕黑土作物地上與地下生長發(fā)育的差異

張珊珊，謝云?，劉剛，閆靜雯，翟俊瑞，趙相杰，王翔鷹

（北京師范大學(xué)，地理學(xué)與遙感科學(xué)學(xué)院，地表過程與資源生態(tài)國家重點實驗室，100875，北京）

土壤侵蝕導(dǎo)致黑土生產(chǎn)力下降已成為不爭的事實，以往多采用盆栽、池栽或小區(qū)實驗，主要關(guān)注侵蝕對地上生物量和產(chǎn)量的影響，缺少侵蝕對根系及其與地上生物量關(guān)系影響的研究。本研究選擇不同侵蝕強度黑土的大田，于2014—2015同時觀測地上和地下生長過程及產(chǎn)量，研究侵蝕對二者及其相互關(guān)系的影響。結(jié)果表明：大田情況下，劇烈侵蝕黑土導(dǎo)致玉米減產(chǎn)32.7％，大豆減產(chǎn)57.1％。與根系生長相比，侵蝕對地上生物量的影響更為顯著，且主要在生殖生長期以后影響較大。從地上生物量與根系之間的關(guān)系看，隨侵蝕加劇，根冠比增加。劇烈侵蝕玉米和大豆根冠比在全生育期平均增加41.8％和67.1％。2種作物的根系分布隨土壤深度增加呈指數(shù)規(guī)律遞減，侵蝕導(dǎo)致作物根系趨向深層——中度侵蝕根系的表層比例較高，劇烈侵蝕根系的深層比例較高。

黑土；土壤侵蝕；玉米；大豆；地上生物量；根系生長

黑土因有機(jī)質(zhì)含量豐富而使其所在的東北地區(qū)成為我國玉米、大豆等的重要生產(chǎn)基地。由于長期開墾和缺少保護(hù)，土壤侵蝕已使黑土厚度變?。?］，耕層有機(jī)質(zhì)含量降低［2］和土壤質(zhì)地、結(jié)構(gòu)、密度等理化性質(zhì)變化，生產(chǎn)力下降［3］。根系發(fā)育、根群分布，以及不同環(huán)境條件下的根系變化是理解作物生長發(fā)育的基礎(chǔ)［4］。國內(nèi)外學(xué)者主要基于盆栽、池栽或作物小區(qū)等方法，從控水與肥力［5-6］、土壤理化性質(zhì)［7-9］和產(chǎn)量類型［10-11］等方面研究根系生長與作物產(chǎn)量的關(guān)系，如調(diào)控土壤水分可局部改變根系的生長與分布：減少灌溉表層根干質(zhì)量減少，深層根干質(zhì)量卻增加［5-6］。翻耕或土質(zhì)疏松的土壤根系分布相對均勻，未翻耕或質(zhì)地黏重的土壤根系更加集中于表層［7-8］。對土壤侵蝕影響產(chǎn)量的研究，主要集中在肥力的補償效應(yīng)，即侵蝕越劇烈所需施用的肥料越多［12-13］，以及對生長過程或產(chǎn)量形成的影響［14］，缺少對根系的考慮。筆者選擇不同侵蝕狀況下的黑土大田研究侵蝕對作物地上和地下生長影響的差異，深入理解相關(guān)參數(shù)及其隨土壤侵蝕強度的變化，土壤侵蝕對黑土作物生產(chǎn)力的影響機(jī)理。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于黑龍江省農(nóng)墾總局九三分局鶴山農(nóng)場東北部的鶴北小流域（E 124°56′～126°21′，N 48° 43′～49°03′），面積約30 km2。地處大、小興安嶺向松嫩平原過渡的漫川漫崗區(qū)，坡長可達(dá)上千米，坡度以1°～5°為主。屬寒溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年平均氣溫為0.4℃，1月平均氣溫為-24.1℃，7月平均氣溫為20.9℃。多年平均年降水量為534 mm，降水量年際變化大，主要集中在6、7、8三個月。土壤主要是黑土，低洼處為草甸土。下伏母質(zhì)以黏土層為主，亦有砂黏相間、砂質(zhì)和砂礫層。農(nóng)作物以玉米和大豆為主，兼有小麥為輪作作物，以恢復(fù)地力。由于是農(nóng)場管理，農(nóng)業(yè)種植方式均為機(jī)械化作業(yè)，除小麥為平播外，玉米和豆類均為壟作。壟寬110 cm，其中壟臺寬70 cm，種植2行玉米或3行大豆，壟溝寬40 cm，稱為“大壟密”。為方便機(jī)械化作業(yè)，大片農(nóng)地之間的崗梁或山坡種植林帶劃分地塊，并兼做作業(yè)道路。起壟方向均平行于林帶，導(dǎo)致壟向與地形等高線會出現(xiàn)平行（橫坡種植）、斜交（斜坡種植）、垂直（順坡種植）等情況，以斜坡種植較普遍，橫坡侵蝕較輕，順坡侵蝕嚴(yán)重。

2 研究方法

2.1 實驗設(shè)計

2.1.1 不同侵蝕強度大田選擇 在鶴北流域內(nèi)結(jié)合土壤剖面特征，以及137Cs測定的土壤侵蝕速率，選擇2種侵蝕強度的大田，每個大田面積30～40 hm2。根據(jù)東北黑土區(qū)土壤侵蝕強度分級標(biāo)準(zhǔn)，分別為中度侵蝕和劇烈侵蝕。中度侵蝕大田屬于斜坡種植，坡度2.4°，在距離坡頂200 m、坡底700 m處，依據(jù)比色卡判定尚有20 cm黑土層，下伏母質(zhì)為黃黏土，為選定監(jiān)測點。劇烈侵蝕屬于順坡種植，坡度3.1°，在距離坡頂100m、坡底800m處已無黑土層，下伏母質(zhì)為黃砂，選為監(jiān)測點。采集2個監(jiān)測點0～15、15～30、30～45 cm土樣，每層測定土壤理化性質(zhì)（表1）3次：吸管法測定土壤機(jī)械組成；環(huán)刀法測定田間持水量、凋萎濕度、土壤密度；重鉻酸鉀容量法測定土壤的有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)；堿解擴(kuò)散法測定土壤堿解氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

表1 中度和劇烈侵蝕強度黑土分層理化性質(zhì)Tab.1 Physical and chemical features of profiles inmoderately and severely eroded black soils

2.1.2 大田采樣 在監(jiān)測點周圍10 m內(nèi)每隔10 d采樣，測定葉面積、地上生物量鮮質(zhì)量和干質(zhì)量，地下根干質(zhì)量和根長。用根鉆（直徑8 cm，高15 cm）采集根系，15 cm間隔每層5個根樣（圖1）。壟臺2行玉米，行距40 cm，株距15 cm。先隨機(jī)選擇3株玉米采集地上生物量，然后選擇其中1株的中心、向壟溝方向距離10和30 cm，向壟臺方向距離8和16 cm各取1個樣（圖1a）。壟臺3行大豆，行距20 cm，株距6 cm。先隨機(jī)選擇同一壟臺垂直壟臺方向的3行相鄰大豆采集地上生物量，然后選擇外側(cè)植株的中心、向壟溝方向距離10和30 cm、向壟臺方向距離8和16 cm各取1個樣（圖1b）。2014年種植玉米（德美亞1號），5月7號播種，9月17號測產(chǎn)；2015年種植大豆（墾鑒豆27號），5月16號播種，9月18號測產(chǎn)，2個年份各采樣8次。

圖1 根鉆采樣分布圖Fig.1 Auger sampling positions

2.1.3 室內(nèi)測量與數(shù)據(jù)處理 取回的地上植株先稱鮮質(zhì)量，再用LI- 3100C臺式葉面積儀掃描葉片面積，然后105℃恒溫先烘干1 h，再80℃恒溫烘干48 h后稱干質(zhì)量。取回的根樣放入清水浸泡過夜，清洗干凈后，用DT- SCAN根系測量系統(tǒng)掃描根系和計算根長，最后將所有樣品105℃恒溫烘干1 h，再恒溫65℃烘干24 h后稱干質(zhì)量。測產(chǎn)樣本先曬干，再稱量，然后數(shù)出100顆籽粒稱量后，105℃恒溫先烘干1 h，再80℃恒溫烘干24 h后稱百粒質(zhì)量。

每層i根干質(zhì)量總量式中Ri為第i層所有根鉆的根干質(zhì)量，g；Wij為第i層第j個根鉆的根干質(zhì)量，g；n為根鉆編號。

全剖面根干質(zhì)量總量

式中：m為采樣土層編號。

全剖面根干質(zhì)量密度

式中，RMD為全剖面根干質(zhì)量密度，g/m2；r為根鉆半徑，r=4 cm；n為每層的根鉆個數(shù)，n=5。

作物地上干質(zhì)量

式中，BDW為地上干質(zhì)量，g/m2；B為采集樣品的地上干質(zhì)量，g；S為采集樣品的投影面積，m2。

根冠比

生長速率

式中：Gk為k指標(biāo)的生長速率；Δk為k指標(biāo)的最大值與第1次采樣值的差值；Δt為第1次采樣至最大值的生長時間，d。用SPSS V16.0進(jìn)行單因素方差分析和回歸方程的顯著性檢驗，用Origin 8.5制圖。

3 結(jié)果與討論

3.1 不同侵蝕強度黑土作物產(chǎn)量的差異

中度、劇烈侵蝕下，玉米產(chǎn)量分別為11.3和7.6 t/hm2，大豆產(chǎn)量分別為2.8和1.2 t/hm2。以中度侵蝕為準(zhǔn)，劇烈侵蝕導(dǎo)致玉米產(chǎn)量減少32.7％，大豆產(chǎn)量減少57.1％。不同侵蝕強度黑土的玉米和大豆產(chǎn)量均表現(xiàn)出極顯著差異P＜0.01（圖2a）。玉米和大豆減產(chǎn)幅度有較大差異主要有2個原因：一是大豆總體產(chǎn)量偏低，減產(chǎn)幅度大；二是研究區(qū)2014和2015年氣候條件差異明顯（表2）。2年的累積積溫相近，但作物生長前期2015年的積溫明顯偏低；以2014年為準(zhǔn)，2015年總降水量少了35％，尤其在5—7月，降水量少了51％。作物生長易受氣溫、降水等氣候條件的影響，本研究觀測年數(shù)少，應(yīng)進(jìn)一步觀測研究。

表2 2014—2015年作物生長季的降水量與積溫Tab.2 Precipitation and accumulated temperature during crop growing seasons of 2014—2015

圖2 中度侵蝕和劇烈侵蝕的玉米和大豆產(chǎn)量及收獲指數(shù)Fig.2 Yields（a）and harvest index（b）ofmaize and soybean in moderately（M）and severely（S）eroded soils

作物收獲指數(shù)反映作物干物質(zhì)的分配狀況，尤其是獲取的籽粒、果實等經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量所占的比例。中度和劇烈侵蝕下，玉米的收獲指數(shù)分別為0.46和0.43，無顯著差異。大豆的收獲指數(shù)分別為0.42和0.50，有顯著差異P＜0.05（圖2b）。由于侵蝕嚴(yán)重的大田，水分條件差，地上的大豆葉子大部分凋落，導(dǎo)致地上生物量明顯減少，收獲指數(shù)增高；而玉米地上生物量相對較高，2種土壤侵蝕強度的收獲指數(shù)差異不顯著。

3.2 不同侵蝕強度黑土作物生長過程的差異

玉米和大豆的葉面積指數(shù)（leaf area index，LAI）和干質(zhì)量（biomass dry weight，BDW）的生育期變化表現(xiàn)出相同的特點（圖3）：生長前期不同侵蝕強度黑土的差異不明顯，中期后差異增大。統(tǒng)計檢驗結(jié)果（表3）也表明：BDW在玉米生長中期和后期有顯著差異，大豆在后期有顯著差異；LAI在玉米生長后期有顯著差異，大豆則在中期和后期均有顯著差異。從2指標(biāo)的生長速率看：大豆均表現(xiàn)出顯著差異，且BDW生長速率有極顯著差異；玉米的BDW生長速率有顯著差異，但LAI生長速率差異不顯著。

圖3 中度侵蝕和劇烈侵蝕玉米和大豆生育期葉面積指數(shù)（a）和地上干質(zhì)量（b）Fig.3 LAI（a）and BDW（b）ofmaize and soybean during their growth periods inmoderately（M）and severely（S）eroded soils

以中度侵蝕為準(zhǔn)：玉米在生長中期劇烈侵蝕導(dǎo)致BDW減少20.5％，后期減少51.4％，中期LAI減少21.9％，后期減少55.7％；大豆在生長中期劇烈侵蝕導(dǎo)致BDW減少38.5％，后期減少72.4％，中期LAI減少45.4％，后期減少87.7％。從生長速率看，劇烈侵蝕的玉米BDW生長速率降低36.8％，LAI生長速率無差異，大豆BDW生長速率降低68.9％，LAI生長速率降低54.5％。總體而言，不同侵蝕強度黑土的地下生物量差異不顯著，只有大豆生長后期RMD差異極其顯著。以中度侵蝕為準(zhǔn)，玉米在生長后期RMD減少24.7％，大豆在生長后期RMD減少46.3％。玉米RMD生長速率沒有差異，劇烈侵蝕導(dǎo)致大豆RMD生長速率降低40.1％。顯然，作物地下生物量對侵蝕的響應(yīng)不如地上生物量敏感，說明不利條件下，根系可自身增強抵御不利土壤環(huán)境。這從根冠比隨土壤侵蝕強度增加而增加得到反映：與中度侵蝕相比，玉米RS前期、中期、后期分別增加了42.4％、25.8％、57.1％；大豆RS前期、中期、后期分別增加了62％、54.2％、85％。因為隨著侵蝕強度增加，土壤質(zhì)地變粗，養(yǎng)分變差，持水能力降低，導(dǎo)致作物發(fā)展根系以滿足養(yǎng)分和水分的要求，從而減少產(chǎn)量的損失。

3.3 不同侵蝕強度黑土作物根系分布的差異

玉米根系在拔節(jié)期（播種后30 d左右）開始下扎，至灌漿-成熟期（播種后100 d左右）根系達(dá)到最大深度，超過60 cm；大豆根系在開花期（播種后50 d左右）開始下扎，至結(jié)莢期（播種后65 d左右）根系達(dá)到最大深度，超過45 cm。2種侵蝕強度黑土各層根干質(zhì)量或根長所占比例均沒有顯著差異（表4），但中度侵蝕下根系更集中于表層，劇烈侵蝕下根系在深層分布更多。

對不同侵蝕強度黑土玉米或大豆根系比例的差異性檢驗表明：玉米根系差異不顯著，而大豆根系差異顯著（表4），于是將玉米2種侵蝕強度黑土的根系比例合在一起模擬其隨深度的變化，而將大豆分不同土壤侵蝕強度擬合，結(jié)果表明：二者均隨深度增加呈指數(shù)遞減（圖4）。玉米在0～15 cm土層集中了90％以上的根干質(zhì)量，而大豆在0～15 cm土層集中了85％以上的根干質(zhì)量。與其他研究區(qū)結(jié)果相比，測定的根系最大分布深度偏淺［6，7，10- 11］，且玉米作物在0～15 cm土層的根干質(zhì)量比例更高，可能是不同研究區(qū)玉米品種的差異，以及黑土質(zhì)地黏重和研究區(qū)機(jī)械化作業(yè)土壤壓實的原因。

表3 中度侵蝕和劇烈侵蝕黑土玉米和大豆生長過程參數(shù)及差異顯著性檢驗Tab.3 Growth parameters and significance tests of difference of maize and soybean inmoderately（M）and severely（S）eroded soils

表4 中度侵蝕和劇烈侵蝕黑土玉米和大豆生長期根系垂直分布及差異顯著性檢驗Tab.4 Root vertical distributions of maize and soybean and significance tests of difference in moderately and severely eroded soils

4 結(jié)論

1）不同侵蝕強度黑土的玉米和大豆產(chǎn)量表現(xiàn)為極顯著差異，但收獲指數(shù)差異不顯著。與中度侵蝕黑土相比，玉米和大豆分別減產(chǎn)32.7％和57.1％，且對生長中后期影響顯著，表現(xiàn)為BDW和LAI的明顯減少。

2）侵蝕對根系生長影響不如地上顯著，不同侵蝕強度黑土玉米和大豆的根干質(zhì)量密度無顯著差異，且根干質(zhì)量密度的減少幅度明顯小于地上干質(zhì)量。二者各層根系比例隨土層深度均呈指數(shù)規(guī)律遞減。

3）土壤侵蝕對作物地上和地下生長的影響差異，導(dǎo)致玉米和大豆的根冠比隨侵蝕加劇而增加。生長前期、中期和后期玉米的根冠比分別增加42.4％、25.8％、57.1％，大豆的根冠比分別增加62％、54.2％、85％。

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Difference of crop's aboveground and underground growth between moderately and severely eroded black soil

Zhang Shanshan，Xie Yun，Liu Gang，Yan Jingwen，Zhai Junrui，Zhao Xiangjie，Wang Xiangying

（State Key Laboratory of Earth Surface Processes and Resource Ecology，School of Geography，Beijing Normal University，100875，Beijing，China）

［Background］Black soil region is one of important grain production bases in China. However，the decrease of crop production has been obvious due to soil erosion by long-term cultivation. Previous researches focused on impacts of erosion on aboveground biomass and yields by using pot，pool or plot experimental methods，and paid little attentions to impacts on root growths.This study is to clarify the response of aboveground biomass，yields，root growths and their relationships to eroded black soils.［Methods］Both moderately and severely eroded black soil fields in Heshan farm of Heilongjiang Province were selected for the study，and the aboveground biomass dry weight（BDW），leaf area index（LAI），and root growths every 10 days during different growth stages for maize and soybean in 2014 and 2015 were measured，and yields were obtained during the harvest time.A root sampling method of 5 holes for each soil layer with 15 cm depth by using a soil auger was proposed，and the root biomass and length were measured after washing root samples.［Results］The soil erosion significantly reduced the yield of maize and soybean.Compared with moderately eroded soil，severe erosion caused the reduction of yield by 32.7％for maize，and 57.1％for soybean.Soil erosion caused more obvious effects on the aboveground biomass，especially during the reproductive period，comparing with impacts on root growth.Severe erosion caused the decrease of BDWby 20.5％and 51.4％for maize during the middle and later growth respectively，and 21.9％and 55.7％for soybean，relative to moderately eroded soil.The growing rate of BDWalso was more sensitive to soil erosion than that of RMD.From view of the impacts of erosion on the relationship between aboveground and underground biomass，the root shoot ratio increased with more severe erosion.The root shoot ratios of maize increased by 42.4％，25.8％，57.1％during the early，middle and later growth stages relative to the moderate soil erosion condition，and increased by 62％，54.2％，85％during the early，middle and later growth stages for soybean.The percentage of root biomass to total root depth for two crops declined exponentially with soil depth.The percentage of root dry weights within the 0～15 cm deep soil layer to total root depths were more than 90％and 85％for maize and soybean respectively.Of two eroded soils，the percentage of root biomass of the surface layer to the total root depth was higher in moderately eroded soil than that in severely eroded soil.［Conclusions］This study indicated that crops adapted to harsh soil environment by developing their roots for absorbing more nutrients and moisture.This study also provided a method for sampling root，and explained the impact mechanism of eroded black soil on crop yields from the view of root growth and its relations to aboveground biomass.The results provide a reference for crop study in this region and lay a foundation for crop model research to modify the crop growth in the nature.

black soil；soil erosion；maize；soybean；aboveground biomass；root growth

S158.1

A

1672-3007（2016）05-0029-08

10.16843/j.sswc.2016.05.005

2016- 03- 14

2016- 08- 30

項目名稱：國家自然科學(xué)基金“東北黑土區(qū)土壤侵蝕對‘作物產(chǎn)量-土壤水分響應(yīng)關(guān)系'的影響”（41371271）；水利部公益性行業(yè)科研專項經(jīng)費項目“典型黑土區(qū)坡耕地土壤侵蝕危險程度研究”（201501012）

張珊珊（1987—），女，碩士研究生。主要研究方向：氣候與土地生產(chǎn)力。E-mail：shiyi19881108@sina.com

?通信作者簡介：謝云（1964—），女，博士，教授。主要研究方向：土地生產(chǎn)力，土壤侵蝕，氣候影響評價。E-mail：xieyun@bnu. edu.cn