中度和剧烈侵蚀黑土作物地上与地下生长发育的差异

张珊珊，谢云，刘刚，闫静雯，翟俊瑞，赵相杰，王翔鹰

（北京师范大学，地理学与遥感科学学院，地表过程与资源生态国家重点实验室，100875，北京）

中度和剧烈侵蚀黑土作物地上与地下生长发育的差异

张珊珊，谢云†，刘刚，闫静雯，翟俊瑞，赵相杰，王翔鹰

（北京师范大学，地理学与遥感科学学院，地表过程与资源生态国家重点实验室，100875，北京）

土壤侵蚀导致黑土生产力下降已成为不争的事实，以往多采用盆栽、池栽或小区实验，主要关注侵蚀对地上生物量和产量的影响，缺少侵蚀对根系及其与地上生物量关系影响的研究。本研究选择不同侵蚀强度黑土的大田，于2014—2015同时观测地上和地下生长过程及产量，研究侵蚀对二者及其相互关系的影响。结果表明：大田情况下，剧烈侵蚀黑土导致玉米减产32.7％，大豆减产57.1％。与根系生长相比，侵蚀对地上生物量的影响更为显著，且主要在生殖生长期以后影响较大。从地上生物量与根系之间的关系看，随侵蚀加剧，根冠比增加。剧烈侵蚀玉米和大豆根冠比在全生育期平均增加41.8％和67.1％。2种作物的根系分布随土壤深度增加呈指数规律递减，侵蚀导致作物根系趋向深层——中度侵蚀根系的表层比例较高，剧烈侵蚀根系的深层比例较高。

黑土；土壤侵蚀；玉米；大豆；地上生物量；根系生长

黑土因有机质含量丰富而使其所在的东北地区成为我国玉米、大豆等的重要生产基地。由于长期开垦和缺少保护，土壤侵蚀已使黑土厚度变薄［1］，耕层有机质含量降低［2］和土壤质地、结构、密度等理化性质变化，生产力下降［3］。根系发育、根群分布，以及不同环境条件下的根系变化是理解作物生长发育的基础［4］。国内外学者主要基于盆栽、池栽或作物小区等方法，从控水与肥力［5-6］、土壤理化性质［7-9］和产量类型［10-11］等方面研究根系生长与作物产量的关系，如调控土壤水分可局部改变根系的生长与分布：减少灌溉表层根干质量减少，深层根干质量却增加［5-6］。翻耕或土质疏松的土壤根系分布相对均匀，未翻耕或质地黏重的土壤根系更加集中于表层［7-8］。对土壤侵蚀影响产量的研究，主要集中在肥力的补偿效应，即侵蚀越剧烈所需施用的肥料越多［12-13］，以及对生长过程或产量形成的影响［14］，缺少对根系的考虑。笔者选择不同侵蚀状况下的黑土大田研究侵蚀对作物地上和地下生长影响的差异，深入理解相关参数及其随土壤侵蚀强度的变化，土壤侵蚀对黑土作物生产力的影响机理。

1 研究区概况

研究区位于黑龙江省农垦总局九三分局鹤山农场东北部的鹤北小流域（E 124°56′～126°21′，N 48° 43′～49°03′），面积约30 km2。地处大、小兴安岭向松嫩平原过渡的漫川漫岗区，坡长可达上千米，坡度以1°～5°为主。属寒温带大陆性季风气候，年平均气温为0.4℃，1月平均气温为-24.1℃，7月平均气温为20.9℃。多年平均年降水量为534 mm，降水量年际变化大，主要集中在6、7、8三个月。土壤主要是黑土，低洼处为草甸土。下伏母质以黏土层为主，亦有砂黏相间、砂质和砂砾层。农作物以玉米和大豆为主，兼有小麦为轮作作物，以恢复地力。由于是农场管理，农业种植方式均为机械化作业，除小麦为平播外，玉米和豆类均为垄作。垄宽110 cm，其中垄台宽70 cm，种植2行玉米或3行大豆，垄沟宽40 cm，称为“大垄密”。为方便机械化作业，大片农地之间的岗梁或山坡种植林带划分地块，并兼做作业道路。起垄方向均平行于林带，导致垄向与地形等高线会出现平行（横坡种植）、斜交（斜坡种植）、垂直（顺坡种植）等情况，以斜坡种植较普遍，横坡侵蚀较轻，顺坡侵蚀严重。

2 研究方法

2.1 实验设计

2.1.1 不同侵蚀强度大田选择 在鹤北流域内结合土壤剖面特征，以及137Cs测定的土壤侵蚀速率，选择2种侵蚀强度的大田，每个大田面积30～40 hm2。根据东北黑土区土壤侵蚀强度分级标准，分别为中度侵蚀和剧烈侵蚀。中度侵蚀大田属于斜坡种植，坡度2.4°，在距离坡顶200 m、坡底700 m处，依据比色卡判定尚有20 cm黑土层，下伏母质为黄黏土，为选定监测点。剧烈侵蚀属于顺坡种植，坡度3.1°，在距离坡顶100m、坡底800m处已无黑土层，下伏母质为黄砂，选为监测点。采集2个监测点0～15、15～30、30～45 cm土样，每层测定土壤理化性质（表1）3次：吸管法测定土壤机械组成；环刀法测定田间持水量、凋萎湿度、土壤密度；重铬酸钾容量法测定土壤的有机质质量分数；碱解扩散法测定土壤碱解氮质量分数。

表1 中度和剧烈侵蚀强度黑土分层理化性质Tab.1 Physical and chemical features of profiles inmoderately and severely eroded black soils

2.1.2 大田采样 在监测点周围10 m内每隔10 d采样，测定叶面积、地上生物量鲜质量和干质量，地下根干质量和根长。用根钻（直径8 cm，高15 cm）采集根系，15 cm间隔每层5个根样（图1）。垄台2行玉米，行距40 cm，株距15 cm。先随机选择3株玉米采集地上生物量，然后选择其中1株的中心、向垄沟方向距离10和30 cm，向垄台方向距离8和16 cm各取1个样（图1a）。垄台3行大豆，行距20 cm，株距6 cm。先随机选择同一垄台垂直垄台方向的3行相邻大豆采集地上生物量，然后选择外侧植株的中心、向垄沟方向距离10和30 cm、向垄台方向距离8和16 cm各取1个样（图1b）。2014年种植玉米（德美亚1号），5月7号播种，9月17号测产；2015年种植大豆（垦鉴豆27号），5月16号播种，9月18号测产，2个年份各采样8次。

图1 根钻采样分布图Fig.1 Auger sampling positions

2.1.3 室内测量与数据处理 取回的地上植株先称鲜质量，再用LI- 3100C台式叶面积仪扫描叶片面积，然后105℃恒温先烘干1 h，再80℃恒温烘干48 h后称干质量。取回的根样放入清水浸泡过夜，清洗干净后，用DT- SCAN根系测量系统扫描根系和计算根长，最后将所有样品105℃恒温烘干1 h，再恒温65℃烘干24 h后称干质量。测产样本先晒干，再称量，然后数出100颗籽粒称量后，105℃恒温先烘干1 h，再80℃恒温烘干24 h后称百粒质量。

每层i根干质量总量式中Ri为第i层所有根钻的根干质量，g；Wij为第i层第j个根钻的根干质量，g；n为根钻编号。

全剖面根干质量总量

式中：m为采样土层编号。

全剖面根干质量密度

式中，RMD为全剖面根干质量密度，g/m2；r为根钻半径，r=4 cm；n为每层的根钻个数，n=5。

作物地上干质量

式中，BDW为地上干质量，g/m2；B为采集样品的地上干质量，g；S为采集样品的投影面积，m2。

根冠比

生长速率

式中：Gk为k指标的生长速率；Δk为k指标的最大值与第1次采样值的差值；Δt为第1次采样至最大值的生长时间，d。用SPSS V16.0进行单因素方差分析和回归方程的显著性检验，用Origin 8.5制图。

3 结果与讨论

3.1 不同侵蚀强度黑土作物产量的差异

中度、剧烈侵蚀下，玉米产量分别为11.3和7.6 t/hm2，大豆产量分别为2.8和1.2 t/hm2。以中度侵蚀为准，剧烈侵蚀导致玉米产量减少32.7％，大豆产量减少57.1％。不同侵蚀强度黑土的玉米和大豆产量均表现出极显著差异P＜0.01（图2a）。玉米和大豆减产幅度有较大差异主要有2个原因：一是大豆总体产量偏低，减产幅度大；二是研究区2014和2015年气候条件差异明显（表2）。2年的累积积温相近，但作物生长前期2015年的积温明显偏低；以2014年为准，2015年总降水量少了35％，尤其在5—7月，降水量少了51％。作物生长易受气温、降水等气候条件的影响，本研究观测年数少，应进一步观测研究。

表2 2014—2015年作物生长季的降水量与积温Tab.2 Precipitation and accumulated temperature during crop growing seasons of 2014—2015

图2 中度侵蚀和剧烈侵蚀的玉米和大豆产量及收获指数Fig.2 Yields（a）and harvest index（b）ofmaize and soybean in moderately（M）and severely（S）eroded soils

作物收获指数反映作物干物质的分配状况，尤其是获取的籽粒、果实等经济产量所占的比例。中度和剧烈侵蚀下，玉米的收获指数分别为0.46和0.43，无显著差异。大豆的收获指数分别为0.42和0.50，有显著差异P＜0.05（图2b）。由于侵蚀严重的大田，水分条件差，地上的大豆叶子大部分凋落，导致地上生物量明显减少，收获指数增高；而玉米地上生物量相对较高，2种土壤侵蚀强度的收获指数差异不显著。

3.2 不同侵蚀强度黑土作物生长过程的差异

玉米和大豆的叶面积指数（leaf area index，LAI）和干质量（biomass dry weight，BDW）的生育期变化表现出相同的特点（图3）：生长前期不同侵蚀强度黑土的差异不明显，中期后差异增大。统计检验结果（表3）也表明：BDW在玉米生长中期和后期有显著差异，大豆在后期有显著差异；LAI在玉米生长后期有显著差异，大豆则在中期和后期均有显著差异。从2指标的生长速率看：大豆均表现出显著差异，且BDW生长速率有极显著差异；玉米的BDW生长速率有显著差异，但LAI生长速率差异不显著。

图3 中度侵蚀和剧烈侵蚀玉米和大豆生育期叶面积指数（a）和地上干质量（b）Fig.3 LAI（a）and BDW（b）ofmaize and soybean during their growth periods inmoderately（M）and severely（S）eroded soils

以中度侵蚀为准：玉米在生长中期剧烈侵蚀导致BDW减少20.5％，后期减少51.4％，中期LAI减少21.9％，后期减少55.7％；大豆在生长中期剧烈侵蚀导致BDW减少38.5％，后期减少72.4％，中期LAI减少45.4％，后期减少87.7％。从生长速率看，剧烈侵蚀的玉米BDW生长速率降低36.8％，LAI生长速率无差异，大豆BDW生长速率降低68.9％，LAI生长速率降低54.5％。总体而言，不同侵蚀强度黑土的地下生物量差异不显著，只有大豆生长后期RMD差异极其显著。以中度侵蚀为准，玉米在生长后期RMD减少24.7％，大豆在生长后期RMD减少46.3％。玉米RMD生长速率没有差异，剧烈侵蚀导致大豆RMD生长速率降低40.1％。显然，作物地下生物量对侵蚀的响应不如地上生物量敏感，说明不利条件下，根系可自身增强抵御不利土壤环境。这从根冠比随土壤侵蚀强度增加而增加得到反映：与中度侵蚀相比，玉米RS前期、中期、后期分别增加了42.4％、25.8％、57.1％；大豆RS前期、中期、后期分别增加了62％、54.2％、85％。因为随着侵蚀强度增加，土壤质地变粗，养分变差，持水能力降低，导致作物发展根系以满足养分和水分的要求，从而减少产量的损失。

3.3 不同侵蚀强度黑土作物根系分布的差异

玉米根系在拔节期（播种后30 d左右）开始下扎，至灌浆-成熟期（播种后100 d左右）根系达到最大深度，超过60 cm；大豆根系在开花期（播种后50 d左右）开始下扎，至结荚期（播种后65 d左右）根系达到最大深度，超过45 cm。2种侵蚀强度黑土各层根干质量或根长所占比例均没有显著差异（表4），但中度侵蚀下根系更集中于表层，剧烈侵蚀下根系在深层分布更多。

对不同侵蚀强度黑土玉米或大豆根系比例的差异性检验表明：玉米根系差异不显著，而大豆根系差异显著（表4），于是将玉米2种侵蚀强度黑土的根系比例合在一起模拟其随深度的变化，而将大豆分不同土壤侵蚀强度拟合，结果表明：二者均随深度增加呈指数递减（图4）。玉米在0～15 cm土层集中了90％以上的根干质量，而大豆在0～15 cm土层集中了85％以上的根干质量。与其他研究区结果相比，测定的根系最大分布深度偏浅［6，7，10- 11］，且玉米作物在0～15 cm土层的根干质量比例更高，可能是不同研究区玉米品种的差异，以及黑土质地黏重和研究区机械化作业土壤压实的原因。

表3 中度侵蚀和剧烈侵蚀黑土玉米和大豆生长过程参数及差异显著性检验Tab.3 Growth parameters and significance tests of difference of maize and soybean inmoderately（M）and severely（S）eroded soils

表4 中度侵蚀和剧烈侵蚀黑土玉米和大豆生长期根系垂直分布及差异显著性检验Tab.4 Root vertical distributions of maize and soybean and significance tests of difference in moderately and severely eroded soils

4 结论

1）不同侵蚀强度黑土的玉米和大豆产量表现为极显著差异，但收获指数差异不显著。与中度侵蚀黑土相比，玉米和大豆分别减产32.7％和57.1％，且对生长中后期影响显著，表现为BDW和LAI的明显减少。

2）侵蚀对根系生长影响不如地上显著，不同侵蚀强度黑土玉米和大豆的根干质量密度无显著差异，且根干质量密度的减少幅度明显小于地上干质量。二者各层根系比例随土层深度均呈指数规律递减。

3）土壤侵蚀对作物地上和地下生长的影响差异，导致玉米和大豆的根冠比随侵蚀加剧而增加。生长前期、中期和后期玉米的根冠比分别增加42.4％、25.8％、57.1％，大豆的根冠比分别增加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

项目名称：国家自然科学基金“东北黑土区土壤侵蚀对‘作物产量-土壤水分响应关系'的影响”（41371271）；水利部公益性行业科研专项经费项目“典型黑土区坡耕地土壤侵蚀危险程度研究”（201501012）

张珊珊（1987—），女，硕士研究生。主要研究方向：气候与土地生产力。E-mail：shiyi19881108@sina.com

†通信作者简介：谢云（1964—），女，博士，教授。主要研究方向：土地生产力，土壤侵蚀，气候影响评价。E-mail：xieyun@bnu. edu.cn