王小赟, 王 琦, 張登奎, 趙曉樂, 趙武成

(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

我國半干旱黃土高原丘陵區(qū)是典型農(nóng)牧交錯帶和生態(tài)環(huán)境脆弱帶，屬于雨養(yǎng)農(nóng)牧區(qū)[1]。干旱季節(jié)主要集中于春末夏初(4-6月)，降雨量少、時空分配不均、變化幅度較大(變異系數(shù)35%)等，土壤水分常年處于虧缺狀態(tài)[2-3]。胡廣榮等[4]統(tǒng)計，該區(qū)域近46a(1971-2016)年降雨量平均下降0.8 mm· yr-1，多數(shù)(69.2%)降雨的單次降雨量<5 mm，無法被作物吸收利用；年降雨量主要依靠少數(shù)(10.3%) 高強(qiáng)度暴雨(單次降雨量>15 mm)，但高強(qiáng)度暴雨的降雨強(qiáng)度大于土壤入滲強(qiáng)度，產(chǎn)生地表徑流，進(jìn)而引起水土流失、土壤退化及養(yǎng)分虧缺，加劇區(qū)域和周邊地區(qū)生態(tài)環(huán)境等問題，引起農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)力降低，進(jìn)而嚴(yán)重威脅該區(qū)糧食生產(chǎn)和食品安全等問題[5-6]。為了維護(hù)自然環(huán)境和保障糧食安全生產(chǎn)，當(dāng)?shù)卣娃r(nóng)民采取可持續(xù)人工優(yōu)化收集自然降雨的農(nóng)業(yè)耕作措施，包括修梯田、魚鱗坑、植樹造林、小型攔蓄工程和壟溝集雨覆蓋種植技術(shù)等[7-9]。

壟溝集雨覆蓋種植技術(shù)是干旱和半干旱區(qū)較為普遍的人工優(yōu)化收集自然降雨的農(nóng)業(yè)耕作措施，該農(nóng)業(yè)耕作措施具有操作簡單、重復(fù)性高、成本低、效率高和適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點[10-11]。在壟溝集雨覆蓋種植技術(shù)中，壟覆蓋作為徑流產(chǎn)生區(qū)，溝覆蓋或無覆蓋作為降雨徑流入滲區(qū)或種植區(qū)，經(jīng)過徑流和降雨在入滲區(qū)或種植區(qū)疊加，無效降雨(<5 mm)變?yōu)橛行Ы涤?>5 mm)，增加對無效降雨收集和利用[12]。前期研究[13]結(jié)果表明，人工土壟、生物可降解膜壟和塑料膜壟的降雨收集效率分別為18%，72%和74%。壟溝集雨覆蓋種植技術(shù)匯集降雨和徑流，從而增加入滲區(qū)或種植區(qū)的土壤含水量，補(bǔ)充干旱期作物水分虧缺。此外，壟上覆蓋能降低土壤與大氣的水熱交換，提高土壤溫度，延長作物水分利用期，促進(jìn)作物出苗和生長發(fā)育，從而提高作物產(chǎn)量和水分利用效率(water use efficiency,WUE)[14]。

研究發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)壟溝集雨覆蓋種植技術(shù)多采用塑料地膜覆蓋，是非可持續(xù)農(nóng)業(yè)耕作措施[15-16]。塑料地膜是1種人工合成高分子化合物，難降解或回收。長期連續(xù)使用塑料地膜覆蓋引起地膜殘留，地膜殘留阻礙作物根系吸收土壤水分和養(yǎng)分，降低土壤孔隙度，影響作物出苗和產(chǎn)量形成[17]。近年來，生物可降解地膜對半干旱區(qū)壟溝集雨覆蓋種植帶來新生機(jī)，但生物可降解地膜具有覆蓋時間較短、成本較高等缺點，導(dǎo)致生物可降解地膜覆蓋推廣應(yīng)用受到阻礙[18]。

生物炭(biochar) 是指富碳生物質(zhì)在限氧高溫(< 700℃) 條件下經(jīng)熱解變質(zhì)形成的1種疏松多孔的固態(tài)產(chǎn)物[19]。生物炭具有改良土壤、減輕重金屬污染和抑制硝態(tài)氮淋溶等效果[20]，同時，生物炭能夠增加土壤團(tuán)聚體、改善土壤結(jié)構(gòu)、增加降雨入滲、減少土壤水分蒸發(fā)、徑流和土壤侵蝕等作用[21]。Sadeghi等[22]研究表明，與無施加生物炭相比，施加生物炭小區(qū)徑流量和沉積量分別減少46%～99%和74%～100%。

在壟溝集雨覆蓋種植技術(shù)中，目前研究較多的材料是塑料地膜和生物可降解地膜，塑料地膜和生物可降解地膜具有以上缺點，該缺點限制該材料推廣應(yīng)用，同時，該覆蓋材料不利于當(dāng)?shù)剞r(nóng)牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展。目前有關(guān)生物炭作為壟覆蓋材料的大田試驗的研究較少，尤其在壟溝集雨覆蓋種植技術(shù)方面的研究。本試驗研究不同生物炭覆蓋材料和溝壟比對紅豆草根干重、根長、根表面積、根體積、根瘤數(shù)量和重量等影響，揭示壟溝集雨種植對紅豆草根系和根瘤形態(tài)的調(diào)控，為半干旱黃土高原區(qū)抗旱栽培和壟溝集雨覆蓋種植提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗于2017年4月23日-10月20日在中國氣象局蘭州干旱氣象研究所定西干旱氣象與生態(tài)環(huán)境試驗基地(35°33′ N，104°35′ E，海拔1 896.7 m) 進(jìn)行，試驗站位于甘肅省定西市西南2～3 km處，該區(qū)地處黃土高原西部丘陵區(qū)，屬半干旱區(qū)，光能較多，熱量資源不足，雨熱同季，氣候干燥，屬典型溫帶大陸性季風(fēng)氣候，試驗地氣候和土壤特征在前期研究[23]中已報道。

1.2 試驗設(shè)計

試驗采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計，重復(fù)3次，以甘肅紅豆草(OnobrychisviciifoliaScop)為供試作物，采用田間壟溝覆蓋集雨種植技術(shù)，壟覆蓋作為徑流產(chǎn)生區(qū)，溝無覆蓋作為種植區(qū)，小區(qū)隨機(jī)排列，共設(shè)10個處理(3種覆蓋材料×3種溝壟比+1種傳統(tǒng)平作)。3種覆蓋材料分別為牛糞炭土壤結(jié)皮、玉米秸稈炭土壤結(jié)皮和人工土壤結(jié)皮，3種溝壟比分別為60∶30，60∶45和60∶60 (cm∶cm)，各處理溝寬均為60 cm，傳統(tǒng)平作作為對照。牛糞炭土壤結(jié)皮、玉米秸稈炭土壤結(jié)皮和人工土壤結(jié)皮形成過程見2.3種植管理。傳統(tǒng)平作、土壟、牛糞炭壟和玉米秸稈炭壟的代表符號分別為TFP (traditional flat planting)、MCS (ridges with manually compacted soil)、CDB(ridges with manually compacted soil with cow dung biochar)和MSB (ridges with manually compacted soil with maize straw biochar)。MCS30,MCS45和MCS60(CDB30,CDB45和CDB60或MSB30,MSB45和MSB60)集雨壟的底寬分別為 30，45和60 cm，集雨壟形狀為拱形，集雨壟壟坡(壟與地面夾角) 約為40°，集雨壟壟高約為20 cm，相鄰2集雨壟壟腳之間為溝，溝寬為60 cm，每1小區(qū)有4條壟和3條溝，試驗種植示意圖見圖1，試驗處理編號、面積和集雨壟覆蓋材料見表1。浙江省生物炭工程技術(shù)研究中心提供玉米秸稈炭和牛糞炭。

表1 生物炭覆蓋壟溝集雨種植紅豆草試驗設(shè)計

注：TFP:傳統(tǒng)平作;MCS:土壟;MSB:秸稈炭壟;CDB:牛糞炭壟

Note:TFP:traditional flat planting;MCS:ridges with manually compacted soil;MSB:ridges with manually compacted soil with maize straw biochar;CDB:ridges with manually compacted soil with cow dung biochar

1.3 種植管理

在2017年3月28日開始整地、人工劃分小區(qū)和起壟。春季凍土完全融化后，用原地濕土修筑集雨壟，修筑集雨壟濕土的最佳土壤含水量約為15% ～19%，采用人工木板拍實集雨壟濕土，經(jīng)過降雨形成人工土壤結(jié)皮；根據(jù)集雨壟面積，牛糞炭或玉米秸稈炭施加量為3×104kg· hm-2，牛糞炭或玉米秸稈炭與濕土體積混合比約為1:1，生物炭與濕土混合物均勻撒施集雨壟表面，采用人工木板拍實生物炭與濕土混合物，經(jīng)過降雨形成生物炭土壤結(jié)皮，于2017年4月5日完成壟溝集雨布置、壟上覆蓋人工土壤結(jié)皮和生物炭土壤結(jié)皮等工作。根據(jù)當(dāng)?shù)丶t豆草種植經(jīng)驗，播種時不施加任何基肥。2017年4月11日條播播種紅豆草，對于壟溝集雨種植處理，每1條溝的面積為10 m (長) × 0.6 m (寬) = 6 m2，每個試驗小區(qū)種植面積為18 m2(3條溝× 6 m2(溝面積)，播種量為100 kg· hm-2，播種深度為2～3 cm，行距為20 cm，每1條溝種植3行紅豆草，每1小區(qū)種植9行紅豆草；傳統(tǒng)平作沒有集雨區(qū)(集雨壟)，種植面積為36 m2(10 m × 3.6 m)，播種密度和播種深度與壟溝集雨覆蓋種植的相對播種量(100 kg· hm-2)和播種深度(2～3 cm)相同，每1小區(qū)種植18行紅豆草。在整個紅豆草生育期(4月23日-10月20日)不施肥、灌溉和施加殺蟲劑和除草劑，采用人工除草和手工刈割紅豆草。

圖1 生物炭覆蓋壟溝集雨種植紅豆草示意圖

1.4 根系和根瘤特征測定

紅豆草收獲后(10月20日)，用平鏟挖掘取根樣，開挖樣方的長和寬分別為60 cm (溝寬)和20 cm，沿樣方長方向按20 cm等距離將長60 cm (溝寬) 3等分，中間長20 cm標(biāo)記為溝中樣段，兩邊長20 cm標(biāo)記為溝邊樣段。取樣深度60 cm，按20 cm分層，共分3層。根系的根干重、根長、根表面積和根體積測定參照李富春等方法[24]。用鑷子從根系上摘下肉眼能看見全部根瘤，用蒸餾水沖洗根瘤，去除根瘤表面附著物，濾紙吸干表面水分，數(shù)根瘤數(shù)目，隨后將根瘤放入10 ml培養(yǎng)皿，在105℃溫度殺青1 h，放置室內(nèi)自然風(fēng)干，稱根瘤干重。

1.5 數(shù)據(jù)處理

采取單因素方差分析Duncan法比較不同處理對紅豆草根系和根瘤特征的影響，分析軟件為SPSS 22.0。

2 結(jié)果與分析

2.1 生物炭覆蓋壟溝集雨種植對紅豆草根干重的影響

從表2可以看出，紅豆草根干重隨土壤深度增加而減少，就不同處理平均值而言，土壤深度0～20，20～40和40～60 cm的根干重占總根干重(0～60 cm)的比例分別為80%，16% 和4%。在相同覆蓋材料種植中，紅豆草根干重隨集雨壟寬增加而增加，壟寬60 cm集雨壟種植的根干重顯著高于壟寬45 cm集雨壟種植，壟寬45 cm集雨壟種植的根干重顯著高于壟寬30 cm集雨壟種植。溝邊根干重明顯高于溝中根干重，就土壤深度0～60 cm平均值而言，在土壟種植中，MCS30，MCS45和MCS60的溝邊根干重與溝中根干重比例分別為1.58，1.79和1.84；在玉米秸稈炭壟種植中，MSB30、MSB45和MSB60的溝邊根干重與溝中根干重比例分別為2.18，1.48和1.59；在牛糞炭壟種植中，CDB30，CDB45和CDB60的溝邊根干重與溝中根干重比例分別為2.09，2.16和1.64。在相同覆蓋材料種植中，對3種溝壟比(60∶30，60∶45和60∶60)的根干重求平均值，得到土壟、牛糞炭壟和玉米秸稈炭壟的平均根干重。玉米秸稈炭壟的總根干重(溝邊+溝中)顯著高于牛糞炭壟，牛糞炭壟的總根干重顯著高于傳統(tǒng)平作和土壟，傳統(tǒng)平作與土壟之間相差不顯著。與傳統(tǒng)平作相比，土壟、玉米秸稈炭壟和牛糞炭壟的紅豆草總根干重分別增加18%，113%和56%。

表2 生物炭覆蓋壟溝集雨種植對紅豆草根干重的影響

續(xù)表2

注：根據(jù)Duncan多重比較,同一列后的不同字母表示差異顯著(P< 0.05 )；

TFP:傳統(tǒng)平作;MCS:土壟;MSB:秸稈炭壟;CDB:牛糞炭壟;BF:溝邊;CF:溝中。下標(biāo)30,45和60 為壟寬(單位:cm)，下同

Note:Means within a column followed by the same letters are not significantly different at the 5% level (Duncan’s One-Way ANOVA);

TFP:traditional flat planting;MCS:ridges with manually compacted soil;MSB:ridges with manually compacted soil with maize straw biochar;CDB:ridges with manually compacted soil with cow dung biochar;BF:border of furrow;CF:center furrow. Subscripts 30,45 and 60 refer to ridge widths in cm,the same as below

2.2 生物炭覆蓋壟溝集雨種植對紅豆草根長的影響

紅豆草根長隨土壤深度和集雨壟寬度變化規(guī)律與根干重類似(表3)。就不同處理平均值而言，土壤深度0～20，20～40和40～60 cm根長占總根長(0～60 cm)的比例分別為55%,31%和14%；溝邊根長明顯高于溝中根長，就土壤深度0～60 cm平均值而言，在土壟種植中，MCS30,MCS45和MCS60的溝邊根長與溝中根長比例分別為1.32，1.35和1.31；在玉米秸稈炭壟種植中，MSB30、MSB45和MSB60的溝邊根長與溝中根長比例分別為1.25，1.24和1.26；在牛糞炭壟種植中，CDB30,CDB45和CDB60的溝邊根長與溝中根長比例分別為1.23，1.19和1.18。在相同覆蓋材料種植中，對3種溝壟比(60∶30，60∶45和60∶60) 的根長求平均值，得到土壟、牛糞炭壟和玉米秸稈炭壟的平均根長。傳統(tǒng)平作的總根長(溝邊+溝中) 顯著高于玉米秸稈炭壟和牛糞炭壟，玉米秸稈炭壟和牛糞炭壟的平均根長顯著高于土壟，玉米秸稈炭壟與牛糞炭壟之間相差不顯著。與傳統(tǒng)平作相比，土壟、牛糞炭壟和玉米秸稈炭壟的總根長分別減少37%，33%和27%。

表3 生物炭覆蓋壟溝集雨種植對紅豆草根長的影響

續(xù)表3

2.3 生物炭覆蓋壟溝集雨種植對紅豆草根表面積的影響

紅豆草根表面積隨土壤深度和集雨壟寬度變化規(guī)律與根干重類似(表4)。就不同處理平均值而言，土壤深度0～20、20～40和40～60 cm根表面積占總根表面積(0～60 cm)的比例分別為51 %，34%和15%；溝邊根表面積明顯高于溝中根表面積，就土壤深度0～60 cm平均值而言，在土壟種植中，MCS30,MCS45和MCS60的溝邊根表面積與溝中根表面積比例分別為1.49，1.40和1.39；在玉米秸稈炭壟種植中，MSB30、MSB45和MSB60的溝邊根表面積與溝中根表面積比例分別為1.37，1.27和1.23；在牛糞炭壟種植中，CDB30，CDB45和CDB60的溝邊根表面積與溝中根表面積比例分別為1.44，1.29和1.21。在相同覆蓋材料種植中，對3種溝壟比(60∶30，60∶45和60∶60) 的根表面積求平均值，得到土壟、牛糞炭壟和玉米秸稈炭壟的平均根表面積。傳統(tǒng)平作的總根表面積(溝邊+溝中) 顯著高于玉米秸稈炭壟，玉米秸稈炭壟總根表面積顯著高于牛糞炭壟和土壟，牛糞炭壟與土壟之間相差不顯著。與傳統(tǒng)平作相比，土壟、牛糞炭壟和玉米秸稈炭壟的總根表面積分別減少53%，27%和44%。

表4 生物炭覆蓋壟溝集雨種植對紅豆草根表面積的影響

續(xù)表4

2.4 生物炭覆蓋壟溝集雨種植對紅豆草根體積的影響

紅豆草根體積隨土壤深度和集雨壟寬度變化規(guī)律與根干重類似(表5)。就不同處理平均值而言，土壤深度0～20，20～40和40～60 cm根體積占總根體積(0～60 cm)的比例分別為58 %，30%和12%；溝邊根體積明顯高于溝中根體積，就土壤深度0～60 cm平均值而言，在土壟種植中，MCS30、MCS45和MCS60的溝邊根體積與溝中根體積比例分別為1.48，1.37和1.41；在玉米秸稈炭壟種植中，MSB30、MSB45和MSB60的溝邊根體積與溝中根體積比例分別為1.67，1.45和1.32；在牛糞炭壟種植中，CDB30，CDB45和CDB60的溝邊根體積與溝中根體積比例分別為1.37，1.51和1.36。在相同覆蓋材料種植中，對3種溝壟比(60∶30，60∶45和60∶60) 的根體積求平均值，得到土壟、牛糞炭壟和玉米秸稈炭壟的平均根體積。傳統(tǒng)平作的總根體積(溝邊+溝中)顯著高于玉米秸稈炭壟和牛糞炭壟，玉米秸稈炭壟和牛糞炭壟總根體積顯著高于土壟，玉米秸稈炭壟與牛糞炭壟之間相差不顯著。與傳統(tǒng)平作相比，土壟、牛糞炭壟和玉米秸稈炭壟的總根體積分別減少54%，14%和34%。

表5 生物炭覆蓋壟溝集雨種植對紅豆草根體積的影響

續(xù)表5

2.5 生物炭覆蓋壟溝集雨種植對紅豆草根瘤數(shù)量和重量的影響

紅豆草根瘤數(shù)量和重量隨土壤深度和集雨壟寬度變化規(guī)律與根干重類似(表6和表7)。就不同處理平均值而言，土壤深度0～20，20～40和40～60 cm根瘤數(shù)(或根瘤重)占總根瘤數(shù)(或總根瘤重) (0～60 cm)的比例分別為78 %，20%和2%。溝邊的根瘤數(shù)和根瘤重明顯高于溝中，就土壤深度0-60 cm平均值而言，在土壟種植中，MCS30、MCS45和MCS60的溝邊根瘤數(shù)與溝中根瘤數(shù)比例分別為3.00，3.11和2.08，溝邊根瘤重與溝中根瘤重比例分別為2.47，2.18和2.20；在玉米秸稈炭壟種植中，MSB30、MSB45和MSB60的溝邊根瘤數(shù)與溝中根瘤數(shù)比例分別為1.19，1.26和1.08，溝邊根瘤重與溝中根瘤重比例分別為1.46，1.35和1.09；在牛糞炭壟種植中，CDB30、CDB45和CDB60的溝邊根瘤數(shù)與溝中根瘤數(shù)比例分別為1.63，1.14和1.91，溝邊根瘤重與溝中根瘤重比例分別為1.01，1.37和1.58。在相同覆蓋材料種植中，對3種溝壟比(60∶30，60∶45和60∶60) 的根瘤數(shù)和根瘤重求平均值，得到土壟、牛糞炭壟和玉米秸稈炭壟的平均根瘤數(shù)和根瘤重。玉米秸稈炭壟的總根瘤數(shù)和根瘤重(溝邊+溝中)顯著高于牛糞炭壟，牛糞炭壟的總根瘤數(shù)和根瘤重顯著高于土壟，土壟的總根瘤數(shù)和根瘤重顯著高于傳統(tǒng)平作。與傳統(tǒng)平作相比，土壟、玉米秸稈炭壟和牛糞炭壟的總根瘤數(shù)分別增加180%，860%和313%，總根瘤重分別增加86%，489%和198%。

表6 生物炭覆蓋壟溝集雨種植對紅豆草根瘤數(shù)的影響

表7 生物炭覆蓋壟溝集雨種植對紅豆草根瘤干重的影響/ ×10-4 mg · cm-3

3 討論

根系是植物直接接觸土壤的器官，對土壤環(huán)境響應(yīng)敏感，是感知生物信號的敏感器官[25]。植物根系為植物地上部分提供水分和養(yǎng)分，供給植物生長發(fā)育、新陳代謝、蒸騰作用等生理活動，根系吸收營養(yǎng)物質(zhì)是植物地上部分生長發(fā)育的物質(zhì)基礎(chǔ)；地上光合產(chǎn)物通過維管束傳輸?shù)街参锔?，根系生理活動消耗地上植物光合產(chǎn)物，地上植物光合產(chǎn)物是維持根系生理生態(tài)活動重要基礎(chǔ)。植物根系與植物地上部分相互供應(yīng)、依賴和制約，協(xié)調(diào)植物對水分、養(yǎng)分和光能吸收等生理功能，地上植物光合和地下根系生長決定地上生產(chǎn)力和地下根系分配格局[26]。

研究認(rèn)為植物細(xì)根或毛細(xì)根有效提高根系獲取土壤資源能力，植物粗根或老根更好固結(jié)土壤[27]。根系特征值(根干重、根長、根表面積、根體積)是評價根系吸收養(yǎng)分和水分能力的重要指標(biāo)。根瘤是固氮根瘤菌侵染豆科植物根部而形成共生體，根瘤菌固氮滿足植物對氮素等營養(yǎng)需求，具有促進(jìn)植物生長、提高土壤肥力和改善土壤微環(huán)境等功效。本研究表明，紅豆草根干重、根長、根表面積、根體積、根瘤數(shù)量和根瘤重量隨土壤深度增加而減少。在壟溝集雨覆蓋種植技術(shù)中，表層(0～20 cm)土壤含水量、土壤養(yǎng)分、溫度和通氣狀況優(yōu)于深層土壤，植物根系和根瘤集中分布于表層土壤，從而造成表層土壤的根系數(shù)量、根系重量、根瘤數(shù)量和根瘤重量明顯多于深層土壤。

在壟溝集雨覆蓋種植技術(shù)中，壟覆蓋作為徑流產(chǎn)生區(qū)，溝覆蓋或無覆蓋作為入滲區(qū)或種植區(qū)，經(jīng)過徑流和降雨在入滲區(qū)或種植區(qū)進(jìn)行疊加，疊加徑流和降雨首先到達(dá)溝邊，然后向壟中和溝中側(cè)向入滲，使溝邊土壤水分明顯大于溝中，溝邊較高土壤水分促進(jìn)紅豆草根系側(cè)向生長。同時，壟覆蓋不種植任何作物，溝邊植物生長空間較大和相互競爭較小，溝邊植物光合作用高于溝中植物，溝邊植物長勢明顯高于溝中植物，溝邊的根干重、根長、根表面積、根體積、根瘤數(shù)量和重量明顯大于溝中。楊再強(qiáng)等[28]研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)土壤含水量高于植物生長適宜土壤含水量時，土壤通透性差和土壤環(huán)境缺氧，植物根系呼吸困難，根系生長受阻和結(jié)瘤效果變?nèi)?；?dāng)土壤含水量低于植物生長適宜土壤含水量時，植物根系處于水分脅迫狀態(tài)，根系吸收水分和養(yǎng)分受阻，植物根系吸收水分和養(yǎng)分無法滿足植物正常生理需求，根瘤菌侵染機(jī)會少，根系生長、結(jié)瘤和根瘤菌繁殖等生理功能受阻。

近年來，生物炭作為1種新型功能材料，該新型功能材料應(yīng)用于解決環(huán)境污染、材料短缺、溫室氣體排放、土壤改良和生態(tài)環(huán)境保護(hù)等相關(guān)領(lǐng)域問題，生物炭應(yīng)用于農(nóng)業(yè)不僅促進(jìn)富碳生物質(zhì)再次利用，減少富碳生物質(zhì)污染，而且有助于可持續(xù)農(nóng)牧業(yè)發(fā)展，并可能引導(dǎo)農(nóng)業(yè)施肥和生產(chǎn)力的新趨勢[29]。生物炭是1種多環(huán)芳烴結(jié)構(gòu)化合物，具有較穩(wěn)定物理和化學(xué)性質(zhì)，同時，是1種大分子有機(jī)多孔化合物，容易與土壤顆粒形成團(tuán)聚體，改善土壤結(jié)構(gòu)，增加土壤孔隙度[30]。生物炭集雨壟是將一定量生物炭與濕土按一定比例混合，混合物均勻撒施集雨壟表面，經(jīng)過人工灑水、木板拍實和降雨沖擊形成生物炭土壤結(jié)皮。生物炭土壤結(jié)皮具有一定緊實度和外表光滑度，能降低雨滴打擊土壤表面強(qiáng)度和增強(qiáng)集雨壟土壤表面抗蝕性。與土壟相比，經(jīng)日曬后生物炭集雨壟不易產(chǎn)生龜裂，同時生物炭土壤結(jié)皮可以減少土壤表面蒸發(fā)和增加土壤地表徑流，從而增加種植區(qū)土壤含水量。在相同覆蓋材料種植中，集雨壟徑流量隨集雨壟寬度增加而增加，溝中土壤含水量隨徑流量增加而增加，較高土壤含水量促進(jìn)紅豆草根系特征值和根瘤特征值增加，使紅豆草根干重、根長、根表面積、根體積、根瘤數(shù)量和根瘤重量隨集雨壟寬度增加而增加。

本研究表明，適宜土壤含水量促進(jìn)紅豆草根干重、根瘤數(shù)量和根瘤重量提高，與傳統(tǒng)平作相比，土壟、玉米秸稈炭壟和牛糞炭壟的紅豆草總根干重分別增加18%，113%和56%，總根瘤數(shù)分別增加180%，860%和313%，總根瘤重分別增加86%，489%和198%。適宜干旱脅迫促進(jìn)根系伸長、根表面積和根體積增加，與傳統(tǒng)平作相比，土壟、玉米秸稈炭壟和牛糞炭壟的紅豆草總根長分別減少37%，33%和27%，總根表面積分別減少53%，27%和44%，總根體積分別減少54%，14%和34%。研究觀察發(fā)現(xiàn)，在生物炭土壤結(jié)皮形成初期(1-2月)，徑流產(chǎn)生的泥沙和生物炭含量較高；在生物炭土壤結(jié)皮形成中期(3-4月)，徑流產(chǎn)生的泥沙和生物炭含量趨于穩(wěn)定；在生物炭土壤結(jié)皮形成后期(5-6月)，徑流產(chǎn)生的泥沙和生物炭含量逐漸減少。同時，徑流產(chǎn)生的泥沙和生物炭含量隨降雨量和降雨強(qiáng)度增加而增加。在Kinnell等[31]研究表明，土壤結(jié)皮能夠有效增加土壤表面抗擊雨滴擊打強(qiáng)度和抗徑流沖刷能力。玉米秸稈炭壟的部分紅豆草根系和根瘤特征與牛糞炭壟差異顯著，經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，玉米秸稈炭壟與牛糞炭壟的徑流效益差異不顯著，導(dǎo)致玉米秸稈炭壟與牛糞炭壟對紅豆草部分根系特征值和根瘤特征差異的深層機(jī)理有待進(jìn)一步研究。生物炭土壤結(jié)皮與生物土壤結(jié)皮形成進(jìn)程機(jī)理不同，生物炭土壤結(jié)皮是經(jīng)過人工拍打、降雨等而成；而生物土壤結(jié)皮是經(jīng)過微生物、藻類、地衣、苔蘚等隱花植物的假根體捆綁而成[32]，生物炭土壤結(jié)皮與生物土壤結(jié)皮的生態(tài)功能差異有待進(jìn)一步研究。

4 結(jié)論

紅豆草根系和根瘤集中分布于表層(0～20 cm)土壤，紅豆草根干重、根長、根表面積、根體積、根瘤數(shù)量和根瘤重量隨土壤深度增加而減少，隨集雨壟寬度增加而增加。溝邊的根干重、根長、根表面積、根體積、根瘤數(shù)量和重量明顯大于溝中。適宜土壤含水量促進(jìn)紅豆草根干重、根瘤數(shù)量和根瘤重量提高，適宜土壤水分脅迫促進(jìn)紅豆草根長、根表面積和根體積增加。牛糞炭土壤結(jié)皮和玉米秸稈炭土壤結(jié)皮是半干旱地區(qū)壟溝集雨種植適宜壟覆蓋材料。