生物炭土壤结皮覆盖垄沟集雨种植对红豆草根系和根瘤特征的影响

王小赟, 王 琦, 张登奎, 赵晓乐, 赵武成

(甘肃农业大学草业学院，甘肃 兰州 730070)

我国半干旱黄土高原丘陵区是典型农牧交错带和生态环境脆弱带，属于雨养农牧区[1]。干旱季节主要集中于春末夏初(4-6月)，降雨量少、时空分配不均、变化幅度较大(变异系数35%)等，土壤水分常年处于亏缺状态[2-3]。胡广荣等[4]统计，该区域近46a(1971-2016)年降雨量平均下降0.8 mm· yr-1，多数(69.2%)降雨的单次降雨量<5 mm，无法被作物吸收利用；年降雨量主要依靠少数(10.3%) 高强度暴雨(单次降雨量>15 mm)，但高强度暴雨的降雨强度大于土壤入渗强度，产生地表径流，进而引起水土流失、土壤退化及养分亏缺，加剧区域和周边地区生态环境等问题，引起农牧业生产力降低，进而严重威胁该区粮食生产和食品安全等问题[5-6]。为了维护自然环境和保障粮食安全生产，当地政府和农民采取可持续人工优化收集自然降雨的农业耕作措施，包括修梯田、鱼鳞坑、植树造林、小型拦蓄工程和垄沟集雨覆盖种植技术等[7-9]。

垄沟集雨覆盖种植技术是干旱和半干旱区较为普遍的人工优化收集自然降雨的农业耕作措施，该农业耕作措施具有操作简单、重复性高、成本低、效率高和适应性强等优点[10-11]。在垄沟集雨覆盖种植技术中，垄覆盖作为径流产生区，沟覆盖或无覆盖作为降雨径流入渗区或种植区，经过径流和降雨在入渗区或种植区叠加，无效降雨(<5 mm)变为有效降雨(>5 mm)，增加对无效降雨收集和利用[12]。前期研究[13]结果表明，人工土垄、生物可降解膜垄和塑料膜垄的降雨收集效率分别为18%，72%和74%。垄沟集雨覆盖种植技术汇集降雨和径流，从而增加入渗区或种植区的土壤含水量，补充干旱期作物水分亏缺。此外，垄上覆盖能降低土壤与大气的水热交换，提高土壤温度，延长作物水分利用期，促进作物出苗和生长发育，从而提高作物产量和水分利用效率(water use efficiency,WUE)[14]。

研究发现传统垄沟集雨覆盖种植技术多采用塑料地膜覆盖，是非可持续农业耕作措施[15-16]。塑料地膜是1种人工合成高分子化合物，难降解或回收。长期连续使用塑料地膜覆盖引起地膜残留，地膜残留阻碍作物根系吸收土壤水分和养分，降低土壤孔隙度，影响作物出苗和产量形成[17]。近年来，生物可降解地膜对半干旱区垄沟集雨覆盖种植带来新生机，但生物可降解地膜具有覆盖时间较短、成本较高等缺点，导致生物可降解地膜覆盖推广应用受到阻碍[18]。

生物炭(biochar) 是指富碳生物质在限氧高温(< 700℃) 条件下经热解变质形成的1种疏松多孔的固态产物[19]。生物炭具有改良土壤、减轻重金属污染和抑制硝态氮淋溶等效果[20]，同时，生物炭能够增加土壤团聚体、改善土壤结构、增加降雨入渗、减少土壤水分蒸发、径流和土壤侵蚀等作用[21]。Sadeghi等[22]研究表明，与无施加生物炭相比，施加生物炭小区径流量和沉积量分别减少46%～99%和74%～100%。

在垄沟集雨覆盖种植技术中，目前研究较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点，该缺点限制该材料推广应用，同时，该覆盖材料不利于当地农牧业可持续发展。目前有关生物炭作为垄覆盖材料的大田试验的研究较少，尤其在垄沟集雨覆盖种植技术方面的研究。本试验研究不同生物炭覆盖材料和沟垄比对红豆草根干重、根长、根表面积、根体积、根瘤数量和重量等影响，揭示垄沟集雨种植对红豆草根系和根瘤形态的调控，为半干旱黄土高原区抗旱栽培和垄沟集雨覆盖种植提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2017年4月23日-10月20日在中国气象局兰州干旱气象研究所定西干旱气象与生态环境试验基地(35°33′ N，104°35′ E，海拔1 896.7 m) 进行，试验站位于甘肃省定西市西南2～3 km处，该区地处黄土高原西部丘陵区，属半干旱区，光能较多，热量资源不足，雨热同季，气候干燥，属典型温带大陆性季风气候，试验地气候和土壤特征在前期研究[23]中已报道。

1.2 试验设计

试验采用随机区组设计，重复3次，以甘肃红豆草(OnobrychisviciifoliaScop)为供试作物，采用田间垄沟覆盖集雨种植技术，垄覆盖作为径流产生区，沟无覆盖作为种植区，小区随机排列，共设10个处理(3种覆盖材料×3种沟垄比+1种传统平作)。3种覆盖材料分别为牛粪炭土壤结皮、玉米秸秆炭土壤结皮和人工土壤结皮，3种沟垄比分别为60∶30，60∶45和60∶60 (cm∶cm)，各处理沟宽均为60 cm，传统平作作为对照。牛粪炭土壤结皮、玉米秸秆炭土壤结皮和人工土壤结皮形成过程见2.3种植管理。传统平作、土垄、牛粪炭垄和玉米秸秆炭垄的代表符号分别为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)集雨垄的底宽分别为 30，45和60 cm，集雨垄形状为拱形，集雨垄垄坡(垄与地面夹角) 约为40°，集雨垄垄高约为20 cm，相邻2集雨垄垄脚之间为沟，沟宽为60 cm，每1小区有4条垄和3条沟，试验种植示意图见图1，试验处理编号、面积和集雨垄覆盖材料见表1。浙江省生物炭工程技术研究中心提供玉米秸秆炭和牛粪炭。

表1 生物炭覆盖垄沟集雨种植红豆草试验设计

注：TFP:传统平作;MCS:土垄;MSB:秸秆炭垄;CDB:牛粪炭垄

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 种植管理

在2017年3月28日开始整地、人工划分小区和起垄。春季冻土完全融化后，用原地湿土修筑集雨垄，修筑集雨垄湿土的最佳土壤含水量约为15% ～19%，采用人工木板拍实集雨垄湿土，经过降雨形成人工土壤结皮；根据集雨垄面积，牛粪炭或玉米秸秆炭施加量为3×104kg· hm-2，牛粪炭或玉米秸秆炭与湿土体积混合比约为1:1，生物炭与湿土混合物均匀撒施集雨垄表面，采用人工木板拍实生物炭与湿土混合物，经过降雨形成生物炭土壤结皮，于2017年4月5日完成垄沟集雨布置、垄上覆盖人工土壤结皮和生物炭土壤结皮等工作。根据当地红豆草种植经验，播种时不施加任何基肥。2017年4月11日条播播种红豆草，对于垄沟集雨种植处理，每1条沟的面积为10 m (长) × 0.6 m (宽) = 6 m2，每个试验小区种植面积为18 m2(3条沟× 6 m2(沟面积)，播种量为100 kg· hm-2，播种深度为2～3 cm，行距为20 cm，每1条沟种植3行红豆草，每1小区种植9行红豆草；传统平作没有集雨区(集雨垄)，种植面积为36 m2(10 m × 3.6 m)，播种密度和播种深度与垄沟集雨覆盖种植的相对播种量(100 kg· hm-2)和播种深度(2～3 cm)相同，每1小区种植18行红豆草。在整个红豆草生育期(4月23日-10月20日)不施肥、灌溉和施加杀虫剂和除草剂，采用人工除草和手工刈割红豆草。

图1 生物炭覆盖垄沟集雨种植红豆草示意图

1.4 根系和根瘤特征测定

红豆草收获后(10月20日)，用平铲挖掘取根样，开挖样方的长和宽分别为60 cm (沟宽)和20 cm，沿样方长方向按20 cm等距离将长60 cm (沟宽) 3等分，中间长20 cm标记为沟中样段，两边长20 cm标记为沟边样段。取样深度60 cm，按20 cm分层，共分3层。根系的根干重、根长、根表面积和根体积测定参照李富春等方法[24]。用镊子从根系上摘下肉眼能看见全部根瘤，用蒸馏水冲洗根瘤，去除根瘤表面附着物，滤纸吸干表面水分，数根瘤数目，随后将根瘤放入10 ml培养皿，在105℃温度杀青1 h，放置室内自然风干，称根瘤干重。

1.5 数据处理

采取单因素方差分析Duncan法比较不同处理对红豆草根系和根瘤特征的影响，分析软件为SPSS 22.0。

2 结果与分析

2.1 生物炭覆盖垄沟集雨种植对红豆草根干重的影响

从表2可以看出，红豆草根干重随土壤深度增加而减少，就不同处理平均值而言，土壤深度0～20，20～40和40～60 cm的根干重占总根干重(0～60 cm)的比例分别为80%，16% 和4%。在相同覆盖材料种植中，红豆草根干重随集雨垄宽增加而增加，垄宽60 cm集雨垄种植的根干重显著高于垄宽45 cm集雨垄种植，垄宽45 cm集雨垄种植的根干重显著高于垄宽30 cm集雨垄种植。沟边根干重明显高于沟中根干重，就土壤深度0～60 cm平均值而言，在土垄种植中，MCS30，MCS45和MCS60的沟边根干重与沟中根干重比例分别为1.58，1.79和1.84；在玉米秸秆炭垄种植中，MSB30、MSB45和MSB60的沟边根干重与沟中根干重比例分别为2.18，1.48和1.59；在牛粪炭垄种植中，CDB30，CDB45和CDB60的沟边根干重与沟中根干重比例分别为2.09，2.16和1.64。在相同覆盖材料种植中，对3种沟垄比(60∶30，60∶45和60∶60)的根干重求平均值，得到土垄、牛粪炭垄和玉米秸秆炭垄的平均根干重。玉米秸秆炭垄的总根干重(沟边+沟中)显著高于牛粪炭垄，牛粪炭垄的总根干重显著高于传统平作和土垄，传统平作与土垄之间相差不显著。与传统平作相比，土垄、玉米秸秆炭垄和牛粪炭垄的红豆草总根干重分别增加18%，113%和56%。

表2 生物炭覆盖垄沟集雨种植对红豆草根干重的影响

续表2

注：根据Duncan多重比较,同一列后的不同字母表示差异显著(P< 0.05 )；

TFP:传统平作;MCS:土垄;MSB:秸秆炭垄;CDB:牛粪炭垄;BF:沟边;CF:沟中。下标30,45和60 为垄宽(单位: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 生物炭覆盖垄沟集雨种植对红豆草根长的影响

红豆草根长随土壤深度和集雨垄宽度变化规律与根干重类似(表3)。就不同处理平均值而言，土壤深度0～20，20～40和40～60 cm根长占总根长(0～60 cm)的比例分别为55%,31%和14%；沟边根长明显高于沟中根长，就土壤深度0～60 cm平均值而言，在土垄种植中，MCS30,MCS45和MCS60的沟边根长与沟中根长比例分别为1.32，1.35和1.31；在玉米秸秆炭垄种植中，MSB30、MSB45和MSB60的沟边根长与沟中根长比例分别为1.25，1.24和1.26；在牛粪炭垄种植中，CDB30,CDB45和CDB60的沟边根长与沟中根长比例分别为1.23，1.19和1.18。在相同覆盖材料种植中，对3种沟垄比(60∶30，60∶45和60∶60) 的根长求平均值，得到土垄、牛粪炭垄和玉米秸秆炭垄的平均根长。传统平作的总根长(沟边+沟中) 显著高于玉米秸秆炭垄和牛粪炭垄，玉米秸秆炭垄和牛粪炭垄的平均根长显著高于土垄，玉米秸秆炭垄与牛粪炭垄之间相差不显著。与传统平作相比，土垄、牛粪炭垄和玉米秸秆炭垄的总根长分别减少37%，33%和27%。

表3 生物炭覆盖垄沟集雨种植对红豆草根长的影响

续表3

2.3 生物炭覆盖垄沟集雨种植对红豆草根表面积的影响

红豆草根表面积随土壤深度和集雨垄宽度变化规律与根干重类似(表4)。就不同处理平均值而言，土壤深度0～20、20～40和40～60 cm根表面积占总根表面积(0～60 cm)的比例分别为51 %，34%和15%；沟边根表面积明显高于沟中根表面积，就土壤深度0～60 cm平均值而言，在土垄种植中，MCS30,MCS45和MCS60的沟边根表面积与沟中根表面积比例分别为1.49，1.40和1.39；在玉米秸秆炭垄种植中，MSB30、MSB45和MSB60的沟边根表面积与沟中根表面积比例分别为1.37，1.27和1.23；在牛粪炭垄种植中，CDB30，CDB45和CDB60的沟边根表面积与沟中根表面积比例分别为1.44，1.29和1.21。在相同覆盖材料种植中，对3种沟垄比(60∶30，60∶45和60∶60) 的根表面积求平均值，得到土垄、牛粪炭垄和玉米秸秆炭垄的平均根表面积。传统平作的总根表面积(沟边+沟中) 显著高于玉米秸秆炭垄，玉米秸秆炭垄总根表面积显著高于牛粪炭垄和土垄，牛粪炭垄与土垄之间相差不显著。与传统平作相比，土垄、牛粪炭垄和玉米秸秆炭垄的总根表面积分别减少53%，27%和44%。

表4 生物炭覆盖垄沟集雨种植对红豆草根表面积的影响

续表4

2.4 生物炭覆盖垄沟集雨种植对红豆草根体积的影响

红豆草根体积随土壤深度和集雨垄宽度变化规律与根干重类似(表5)。就不同处理平均值而言，土壤深度0～20，20～40和40～60 cm根体积占总根体积(0～60 cm)的比例分别为58 %，30%和12%；沟边根体积明显高于沟中根体积，就土壤深度0～60 cm平均值而言，在土垄种植中，MCS30、MCS45和MCS60的沟边根体积与沟中根体积比例分别为1.48，1.37和1.41；在玉米秸秆炭垄种植中，MSB30、MSB45和MSB60的沟边根体积与沟中根体积比例分别为1.67，1.45和1.32；在牛粪炭垄种植中，CDB30，CDB45和CDB60的沟边根体积与沟中根体积比例分别为1.37，1.51和1.36。在相同覆盖材料种植中，对3种沟垄比(60∶30，60∶45和60∶60) 的根体积求平均值，得到土垄、牛粪炭垄和玉米秸秆炭垄的平均根体积。传统平作的总根体积(沟边+沟中)显著高于玉米秸秆炭垄和牛粪炭垄，玉米秸秆炭垄和牛粪炭垄总根体积显著高于土垄，玉米秸秆炭垄与牛粪炭垄之间相差不显著。与传统平作相比，土垄、牛粪炭垄和玉米秸秆炭垄的总根体积分别减少54%，14%和34%。

表5 生物炭覆盖垄沟集雨种植对红豆草根体积的影响

续表5

2.5 生物炭覆盖垄沟集雨种植对红豆草根瘤数量和重量的影响

红豆草根瘤数量和重量随土壤深度和集雨垄宽度变化规律与根干重类似(表6和表7)。就不同处理平均值而言，土壤深度0～20，20～40和40～60 cm根瘤数(或根瘤重)占总根瘤数(或总根瘤重) (0～60 cm)的比例分别为78 %，20%和2%。沟边的根瘤数和根瘤重明显高于沟中，就土壤深度0-60 cm平均值而言，在土垄种植中，MCS30、MCS45和MCS60的沟边根瘤数与沟中根瘤数比例分别为3.00，3.11和2.08，沟边根瘤重与沟中根瘤重比例分别为2.47，2.18和2.20；在玉米秸秆炭垄种植中，MSB30、MSB45和MSB60的沟边根瘤数与沟中根瘤数比例分别为1.19，1.26和1.08，沟边根瘤重与沟中根瘤重比例分别为1.46，1.35和1.09；在牛粪炭垄种植中，CDB30、CDB45和CDB60的沟边根瘤数与沟中根瘤数比例分别为1.63，1.14和1.91，沟边根瘤重与沟中根瘤重比例分别为1.01，1.37和1.58。在相同覆盖材料种植中，对3种沟垄比(60∶30，60∶45和60∶60) 的根瘤数和根瘤重求平均值，得到土垄、牛粪炭垄和玉米秸秆炭垄的平均根瘤数和根瘤重。玉米秸秆炭垄的总根瘤数和根瘤重(沟边+沟中)显著高于牛粪炭垄，牛粪炭垄的总根瘤数和根瘤重显著高于土垄，土垄的总根瘤数和根瘤重显著高于传统平作。与传统平作相比，土垄、玉米秸秆炭垄和牛粪炭垄的总根瘤数分别增加180%，860%和313%，总根瘤重分别增加86%，489%和198%。

表6 生物炭覆盖垄沟集雨种植对红豆草根瘤数的影响

表7 生物炭覆盖垄沟集雨种植对红豆草根瘤干重的影响/ ×10-4 mg · cm-3

3 讨论

根系是植物直接接触土壤的器官，对土壤环境响应敏感，是感知生物信号的敏感器官[25]。植物根系为植物地上部分提供水分和养分，供给植物生长发育、新陈代谢、蒸腾作用等生理活动，根系吸收营养物质是植物地上部分生长发育的物质基础；地上光合产物通过维管束传输到植物根系，根系生理活动消耗地上植物光合产物，地上植物光合产物是维持根系生理生态活动重要基础。植物根系与植物地上部分相互供应、依赖和制约，协调植物对水分、养分和光能吸收等生理功能，地上植物光合和地下根系生长决定地上生产力和地下根系分配格局[26]。

研究认为植物细根或毛细根有效提高根系获取土壤资源能力，植物粗根或老根更好固结土壤[27]。根系特征值(根干重、根长、根表面积、根体积)是评价根系吸收养分和水分能力的重要指标。根瘤是固氮根瘤菌侵染豆科植物根部而形成共生体，根瘤菌固氮满足植物对氮素等营养需求，具有促进植物生长、提高土壤肥力和改善土壤微环境等功效。本研究表明，红豆草根干重、根长、根表面积、根体积、根瘤数量和根瘤重量随土壤深度增加而减少。在垄沟集雨覆盖种植技术中，表层(0～20 cm)土壤含水量、土壤养分、温度和通气状况优于深层土壤，植物根系和根瘤集中分布于表层土壤，从而造成表层土壤的根系数量、根系重量、根瘤数量和根瘤重量明显多于深层土壤。

在垄沟集雨覆盖种植技术中，垄覆盖作为径流产生区，沟覆盖或无覆盖作为入渗区或种植区，经过径流和降雨在入渗区或种植区进行叠加，叠加径流和降雨首先到达沟边，然后向垄中和沟中侧向入渗，使沟边土壤水分明显大于沟中，沟边较高土壤水分促进红豆草根系侧向生长。同时，垄覆盖不种植任何作物，沟边植物生长空间较大和相互竞争较小，沟边植物光合作用高于沟中植物，沟边植物长势明显高于沟中植物，沟边的根干重、根长、根表面积、根体积、根瘤数量和重量明显大于沟中。杨再强等[28]研究发现，当土壤含水量高于植物生长适宜土壤含水量时，土壤通透性差和土壤环境缺氧，植物根系呼吸困难，根系生长受阻和结瘤效果变弱；当土壤含水量低于植物生长适宜土壤含水量时，植物根系处于水分胁迫状态，根系吸收水分和养分受阻，植物根系吸收水分和养分无法满足植物正常生理需求，根瘤菌侵染机会少，根系生长、结瘤和根瘤菌繁殖等生理功能受阻。

近年来，生物炭作为1种新型功能材料，该新型功能材料应用于解决环境污染、材料短缺、温室气体排放、土壤改良和生态环境保护等相关领域问题，生物炭应用于农业不仅促进富碳生物质再次利用，减少富碳生物质污染，而且有助于可持续农牧业发展，并可能引导农业施肥和生产力的新趋势[29]。生物炭是1种多环芳烃结构化合物，具有较稳定物理和化学性质，同时，是1种大分子有机多孔化合物，容易与土壤颗粒形成团聚体，改善土壤结构，增加土壤孔隙度[30]。生物炭集雨垄是将一定量生物炭与湿土按一定比例混合，混合物均匀撒施集雨垄表面，经过人工洒水、木板拍实和降雨冲击形成生物炭土壤结皮。生物炭土壤结皮具有一定紧实度和外表光滑度，能降低雨滴打击土壤表面强度和增强集雨垄土壤表面抗蚀性。与土垄相比，经日晒后生物炭集雨垄不易产生龟裂，同时生物炭土壤结皮可以减少土壤表面蒸发和增加土壤地表径流，从而增加种植区土壤含水量。在相同覆盖材料种植中，集雨垄径流量随集雨垄宽度增加而增加，沟中土壤含水量随径流量增加而增加，较高土壤含水量促进红豆草根系特征值和根瘤特征值增加，使红豆草根干重、根长、根表面积、根体积、根瘤数量和根瘤重量随集雨垄宽度增加而增加。

本研究表明，适宜土壤含水量促进红豆草根干重、根瘤数量和根瘤重量提高，与传统平作相比，土垄、玉米秸秆炭垄和牛粪炭垄的红豆草总根干重分别增加18%，113%和56%，总根瘤数分别增加180%，860%和313%，总根瘤重分别增加86%，489%和198%。适宜干旱胁迫促进根系伸长、根表面积和根体积增加，与传统平作相比，土垄、玉米秸秆炭垄和牛粪炭垄的红豆草总根长分别减少37%，33%和27%，总根表面积分别减少53%，27%和44%，总根体积分别减少54%，14%和34%。研究观察发现，在生物炭土壤结皮形成初期(1-2月)，径流产生的泥沙和生物炭含量较高；在生物炭土壤结皮形成中期(3-4月)，径流产生的泥沙和生物炭含量趋于稳定；在生物炭土壤结皮形成后期(5-6月)，径流产生的泥沙和生物炭含量逐渐减少。同时，径流产生的泥沙和生物炭含量随降雨量和降雨强度增加而增加。在Kinnell等[31]研究表明，土壤结皮能够有效增加土壤表面抗击雨滴击打强度和抗径流冲刷能力。玉米秸秆炭垄的部分红豆草根系和根瘤特征与牛粪炭垄差异显著，经过研究发现，玉米秸秆炭垄与牛粪炭垄的径流效益差异不显著，导致玉米秸秆炭垄与牛粪炭垄对红豆草部分根系特征值和根瘤特征差异的深层机理有待进一步研究。生物炭土壤结皮与生物土壤结皮形成进程机理不同，生物炭土壤结皮是经过人工拍打、降雨等而成；而生物土壤结皮是经过微生物、藻类、地衣、苔藓等隐花植物的假根体捆绑而成[32]，生物炭土壤结皮与生物土壤结皮的生态功能差异有待进一步研究。

4 结论

红豆草根系和根瘤集中分布于表层(0～20 cm)土壤，红豆草根干重、根长、根表面积、根体积、根瘤数量和根瘤重量随土壤深度增加而减少，随集雨垄宽度增加而增加。沟边的根干重、根长、根表面积、根体积、根瘤数量和重量明显大于沟中。适宜土壤含水量促进红豆草根干重、根瘤数量和根瘤重量提高，适宜土壤水分胁迫促进红豆草根长、根表面积和根体积增加。牛粪炭土壤结皮和玉米秸秆炭土壤结皮是半干旱地区垄沟集雨种植适宜垄覆盖材料。