不同豆科植物对黄土高原弃土场的改良效果

袁雪红，高照良，张翔，杜捷，白皓,徐斌

(1.中国科学院 水利部 水土保持研究所,712100,陕西杨凌; 2.中国科学院大学,100049,北京; 3.西北农林科技大学水土保持研究所,712100; 陕西杨凌; 4.西北农林科技大学水利与建筑工程学院,712100,陕西杨凌)



不同豆科植物对黄土高原弃土场的改良效果

袁雪红1,2，高照良1，3†，张翔4，杜捷3，白皓3,徐斌3

(1.中国科学院 水利部 水土保持研究所,712100,陕西杨凌; 2.中国科学院大学,100049,北京; 3.西北农林科技大学水土保持研究所,712100; 陕西杨凌; 4.西北农林科技大学水利与建筑工程学院,712100,陕西杨凌)

为了探究豆科植物种植初期对黄土高原地区弃土场的改良效果，本文采用野外模拟弃土场和实验室测定相结合的方法，在弃土场上种植柠条、白三叶、红豆草、草木樨和紫花苜蓿5种豆科植物，研究1年后弃土场土壤的水分和养分状况。结果表明：各小区种植植物1年后，土壤水分状况有了明显的改善；土壤养分硝态氮质量分数增加，有机质、速效钾的质量分数除了草木樨有所增加以外，其他均减少，速效磷的质量分数均减少，土壤中的速效钾由于植物生长消耗而减少，但其质量分数丰富，足以满足植物生长的需要；土壤中的铵态氮和硝态氮质量分数表现为表聚作用，且硝态氮的质量分数均大于铵态氮；植被对土壤的改良程度依次为白三叶>柠条>红豆草>紫花苜蓿>草木樨。因此，种植豆科植物可以有效的改善土壤的水分和氮素营养，为今后弃土场土壤改良提供一定的理论参考。

弃土场； 豆科植物； 土壤改良； 土壤水分； 土壤养分

开发建设活动产生大量弃土场，其土壤表层松散、结构体不稳定、养分缺乏，产生大量的水土流失[1]；因此，对弃土场的改良研究亟待开展。土壤是许多生态过程的载体[2]，土壤水分和养分状况是度量退化的生态系统功能恢复与维持的关键指标[3]。目前，生物改土已成为土地改良的重要指导思想。豆科植物因具有很强的固氮能力[4]，可有效改善土壤特性，增高土壤中碳、氮、磷及微生物量等的质量分数[5-6]。在黄土高原地区，土壤水分是影响植物生长的关键因子[7]，对植物分布和土壤的特性具有重要影响。

前人大都集中在对豆科植物不同的种植年限[8-9]、不同种植模式[10]对土壤的改良效果，以及不同种植模式下种间关系[11]的研究；而对多种豆科植物对同一种土壤的改良效果的对比分析研究较少：因此，笔者选取柠条(Caragana korshinskii Kom)、白三叶(Trifolium repens L.)、红豆草(Onobrychis viciaefolia Scop)、草木樨(Melilotus suaveolens Ledeb.)和紫花苜蓿(Medicago sativa L.)5种豆科植物，研究其对弃土场土壤水分和养分的影响，为弃土场土壤的改良，提供一定的理论基础。

1　研究区概况

研究区设在中国科学院水利部水土保持研究所长武试验站王东沟(E107°41′，N35°14′)，属暖温带半湿润大陆性季风气候，年均气温9.1 ℃，年均有效积温3 029.8 ℃，年均降水量578.5 mm，无霜期为171 d，地带性土壤为黑垆土，其田间持水量、凋萎湿度和稳定土壤湿度分别为22%、9%和15%[12]。

2　材料与方法

研究小区设计规格:长×宽×高分别为2 m×2 m×0.8 m，每个小区用砖块砌筑间隔，将附近扰动生土填在小区内模拟弃土场，填土厚度为70 cm；同时，在每个小区内中央插2 m长中子管。分别选择抗旱性、抗贫瘠性、抗逆性强、根系发达、植株矮小、生长迅速和自我繁殖能力强的多年生豆科植物(柠条、白三叶、红豆草、草木樨和紫花苜蓿)，于2013年11月进行单播，每种处理重复2次，种植前测定小区土壤背景值(表1)。

表1　试验地土壤养分背景值

2014年8月分别进行土壤水分和养分的测定。土壤水分测定深度为0～160 cm。土壤养分按“S”形设计5个取样点，深度为0～10和10～20 cm分层提取，相同层的土样混合，剔除石块和植物残根等杂物，装入自封袋，带回实验室后，将土样摊平、风干、磨细、过筛备用。

土壤水分用中子仪测定；土壤养分质量分数测定参照文献[13]:土壤有机质用K2Cr2O7-H2SO4外加热法；土壤速效氮用流动分析仪测定；土壤速效磷用0.5 mol·L-1NaHCO3浸提-钼锑抗比色法；土壤速效钾用NH4OAc浸提-火焰光度法。

运用Origin85作图，使用Excel进行数据处理，运用SPSS 18.0统计软件进行主成分分析等。

3　结果分析

3.1不同植物类型下土壤含水率的垂直分布特征

由图1可见，5种植物土壤含水率在垂直方向上表现出明显的变异，均随着土层深度的增加而增加。在0～160 cm土层，柠条、白三叶、红豆草、草木樨、紫花苜蓿和空白地土壤平均含水率分别为17.69%、15.98%、17.56%、18.35%、17.95%和14.44%(表2)，表明豆科植物可改善土壤水分状况。

表2　不同土层阶段不同植物类型的含水率

图1　不同植物类型在不同土层厚度下土壤含水率的变化Fig.1　Changes of soil moisture content in different plant types under different soil thickness

在0～30 cm土层中，柠条、白三叶、红豆草、草木樨和紫花苜蓿的土壤平均含水率与对照相比，分别增加了85.58%、75.03%、75.89%、76.46%和76.17%；在30 cm～160 cm土层中，柠条、白三叶、红豆草、草木樨和紫花苜蓿的土壤平均含水率与对照相比分别增加了15.09%、3.72%、15.07%、15.32%和14.44%；且在0～30 cm土层中，土壤含水率的变化幅度大于30 cm以下，表明豆科植物对土壤表层含水率的改善效果优于深层土壤。

3.2不同植物类型下土壤养分质量分数的变化特征

3.2.1土壤有机质质量分数

由表3可知，在0～20 cm土层中，有机质的平均质量分数表现为草木樨>空白>柠条>白三叶>红豆草>紫花苜蓿；与对照相比，草木樨使土壤有机质平均质量分数增加了8.39%，草木樨对土壤有机质积累量大于植物有机质的消耗量；而柠条、白三叶、红豆草和紫花苜蓿与对照相比，分别减少14.50%、33.46%、37.53%和46.05%(表4)。0～10 cm土层有机质质量分数在4.67～8.91 g/kg之间，10～20 cm土层有机质质量分数在3.87～9.44 g/kg之间；白三叶和紫花苜蓿在0～10 cm土层有机质质量分数大于0～20 cm土层处，柠条、草木樨和红豆草在0～10 cm土层有机质质量分数均小于10～20 cm土层处。这是因为土壤中有机质质量分数变化，取决于有机物质输入和输出量的相对大小，白三叶和紫花苜蓿的根系主要集中在0～10 cm土层[14-15]；而柠条、草木樨和红豆草的根系主要集中在10～20 cm土层中[16]，豆科植物根瘤的存在，根系主要集中层的有机质输出大于输入量，使根系所在层的有机质质量分数相对增加。

表3　不同植被类型的土壤养分状况

表4　不同植被类型的土壤养分与对照区相比增减比例

3.2.2土壤速效氮质量分数在0～20 cm土层中，硝态氮的质量分数大小表现为紫花苜蓿>柠条>草木樨>白三叶>红豆草>空白(表3)；表明豆科植物使硝态氮的质量分数增加，紫花苜蓿、柠条、草木樨、白三叶和红豆草，分别增加了16.25%、6.36%、6.12%、3.77%和3.30% (表4)。在0～20 cm土层中，铵态氮的质量分数表现为柠条>红豆草>白三叶>空白>草木樨>紫花苜蓿(见表3)；与对照相比，柠条、红豆草和白三叶土壤中，铵态氮的质量分数分别增加了22.83%、18.02%和4.11%，紫花苜蓿和草木樨分别减少30.49%和28.65%(表4)。

由表3可以看出：土壤中的铵态氮和硝态氮质量分数均表现为0～10 cm土层大于10～20 cm土层，呈现出一定的表聚效应；且硝态氮的质量分数大于铵态氮，由于在土壤通气性好、温度、湿度和反应条件适宜的情况下，铵态氮易被硝化为硝态氮[17]。

3.2.3土壤速效磷质量分数在0～20 cm土层中，速效磷的平均质量分数在4.29～6.26 mg/kg之间，对照的速效磷质量分数为9.01 mg/kg，其大小表现为空白>红豆草>紫花苜蓿>柠条>草木樨>白三叶(表3)。白三叶、草木樨、柠条、紫花苜蓿和红豆草土壤速效磷的质量分数分别减少52.38%、49.5%、44.06%、37.18%和33.51%。

在0～10 cm土层中，豆科植物表现为对土壤速效磷的消耗；而在10～20 cm土层中，除了白三叶表现为对速效磷的消耗外，其他几种豆科植物均表现为对速效磷的积累，与对照相比，红豆草、紫花苜蓿、柠条和草木樨的速效磷的质量分数分别增加45.3%、40.19%、13.08%和2.34%。这可能是由于豆科植物根部存在大量溶磷菌，能分泌有机酸，降低局部土壤的pH值，将难溶态性磷转化为可溶态磷素，使根系所在层的磷质量分数增加[18]。

3.2.4土壤速效钾质量分数在0～20 cm土层中，速效钾的平均质量分数在130.82～153.26 mg/kg之间，除种植草木樨的土壤钾质量分数略微增加之外，其他几种豆科植物均减少，柠条、白三叶、紫花苜蓿和红豆草速效磷质量分数分别减少9.74%、13.20%、13.94%和15.27%；但土壤中速效钾的质量分数状况均达到第2次土壤普查养分分级的3级水平，足以满足植物生长的需要：因此，土壤钾的质量分数不是土壤养分状况的限制性因素。

3.3运用主成分分析法进行土壤肥力综合分析

运用主成分分析法，对豆科植物的改土效果进行综合分析，选取有机质、铵态氮、硝态氮、速效磷和速效钾等指标，对数据进行标准化处理，做出不同因素的相关系数矩阵(表5)。

表5　不同指标的相关系数矩阵

注：**表示极显著相关水平(p<0.01)。Note:** indicates that the correlation is significant at the 0.01 level.

有机质与速效钾存在显著正相关性(表5)，提取主成分后，第1主成分主要反映有机质和速效钾对土壤的改良效果，第2主成分能较好地反映硝态氮对土壤的改良效果，通过对主成分载荷矩阵进行转换，得出系数及表达式：

F1=0.19x1+0.07x2-0.43x3-0.51x4+

1.15x5-0.46x6，

F2=-0.59x1-0.54x2-0.07x3-0.69x4+

0.40x5+1.36x6。

利用标准数据即得主成分得分表见表6，植物对土壤养分改良的综合效果依次为白三叶>柠条>红豆草>紫花苜蓿>草木樨。

4　讨论

黄土高原地区土壤水分时空分布不均匀，且变化率大，因地因时而异[19]。本研究发现种植豆科植物后，土壤含水率的垂直分布曲线表现为增长型，且豆科植物可以改善土壤含水率。这是因为植物覆盖表土，能够减少水分蒸发、增加降雨入渗；同时，植物根系能够疏松表层土壤，提高土壤的持水性，与大多数黄土高原的研究结果一致[20-21]。表层土壤含水率变幅较大，这是由于表层土壤与大气环境的变化关系密切[22]，并且不同植物类型下，根系分布深度及其对水分的吸收利用的差异性，导致土壤含水率变化幅度的差异，与陈洪松等[23]研究的结果一致。豆科植物通过根瘤菌、溶磷菌等微生物，形成不同的根际效益，使不同豆科植物对养分的影响存在差异；因此，要明确不同豆科植物对土壤的改良效果，还需进一步研究豆科植物根际土壤微生物的活性，以及与土壤养分的作用效果。

表6　主成分得分

5　结论

1) 种植豆科植物初期，土壤水分可以得到改善，且对土壤表层含水率的改善效果优于深层土壤；土壤养分硝态氮的质量分数增加，种植草木樨还可以使土壤有机质、速效钾质量分数增加，铵态氮、速效磷的质量分数减少；其他几种植物均表现为土壤有机质、速效磷、速效钾的消耗而减少。土壤中的铵态氮和硝态氮质量分数呈现出养分的表聚效应，且硝态氮的质量分数大于铵态氮，土壤速效钾质量分数丰富，满足植物生长的需要，不是土壤养分状况的限制性因素。

2) 综合分析植物生长初期对土壤的改良效果表现依次为白三叶>柠条 >红豆草>紫花苜蓿>草木樨。

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Improved effects of different legume plants on the abandoned soil field in the Loess Plateau

Yuan Xuehong1,2,Gao Zhaoliang1,3,Zhang Xiang4,Du Jie3,Bai Hao3,Xu Bin3

(1.Institute of Soil and Water Conservation,Chinese Academy of Sciences and Ministry of Water Resources,712100,Yangling,Shaanxi,China;2.University of Chinese Academy of Sciences,100049,Beijing,China; 3.Institute of Soil and Water Conservation,Northwest Agriculture and Forestry University,712100,Yangling,Shaanxi,China; 4.College of Water Conservation and Architectural Engineering,Northwest Agriculture and Forestry University,712100,Yangling,Shaanxi,China)

[Background] The construction activities in recent decades have caused serious soil and water loss,thus ecological restoration and soil and water conservation of spoil ground are the key projects of environmental protection in construction.The objective of this study is to grasp the improvement effects of 5 legumes (Caragana korshinskii Kom,Trifolium repens L.,Onobrychis viciaefolia Scop,Melilotus suaveolens Ledeb.,and Medicago sativa L.) at the early stage on the spoil ground in Loess Plateau region of China.[Methods] Based on field simulation and laboratory analysis,we surveyed soil moisture,nutrient contents and analyzed the correlation among different plant nutrition elements,as well as the improved effects of different plants.[Results] 1) Moisture content of the 0-160 cm layer increased with increasing soil depth,the average moisture content of C.korshinskii Kom,T.repens L.,O.viciaefolia Scop,M.suaveolens Ledeb.,M.sativa L.and control was 17.69%,15.98%,17.56%,18.35%,17.95% and 14.44%,respectively.In the 0-30 cm soil layer,the average moisture content of these plants increased by 77.67%,and in the 30-160 cm soil layer increased by 12.78% compared with the control.2) The mass fraction of nitrate nitrogen of the 5 plants increased compared with the control in the 0-20 cm soil layer,both ammonium nitrogen and nitrate nitrogen in 0-10 cm layer were higher than that of layer 10-20 cm.And for each plant,the mass fraction of nitrate nitrogen was higher than ammonium nitrogen.In the 0-20 cm soil layer,the average mass fraction of available phosphorus under the 5 leguminous plants,ranging from 4.29-6.26 mg/kg,was lower than the control group with 9.01 mg/kg.In the 0-20 cm soil layer the average mass fraction of available K was in the range of 130.82-153.26 mg/kg,the mass fraction of available potassium reached three levels in the second soil survey.3) The results of principal component analysis showed that the comprehensive effect of 5 legumes on improvements of soil varied,with the order of T.repens L.>C.korshinskii Kom >O.viciaefolia Scop >M.sativa L.>M.suaveolens Ledeb.[Conclusions] This study found that planting leguminous plants on the abandoned soil field modified the nutrition condition of soil by improving the soil moisture and the mass fraction of nitrate nitrogen.The improved effect of the surface soil moisture content was better than that of deep soil.Planting M.suaveolens Ledeb.increased the soil organic mass (SOM) and available K mass fraction,reduced the mass fraction of ammonium nitrogen and available phosphorus.Other plants showed the consumption of SOM,available phosphorus,and available potassium.By planting legume on the spoil ground,the accumulation of nitrogen surface increased,and soil available potassium content was rich enough to meet the need of plant growth.The result of the comprehensive analysis revealed that the effect of T.repens L.on soil amelioration was the best among the 5 plants.

spoil ground; legume; soil improvement; soil moisture; soil nutrient

2016-02-29

2016-06-05

项目名称：“十二五”国家科技支撑计划课题“农田水土保持关键技术研究与示范”(2011BAD31B01)

袁雪红(1989—)，女，硕士研究生。主要研究方向：土壤改良工程建设区人为侵蚀过程。E-mail：2391915047@qq.com

简介：高照良(1969—)，男，博士，副研究员。主要研究方向：农业水土工程和荒漠化防治。E-mail:13279266629@163.com

S156.99

A

1672-3007(2016)04-0121-07

10.16843/j.sswc.2016.04.015