生物炭土壤結(jié)皮覆蓋壟溝集雨種植對(duì)紅豆草根系和根瘤特征的影響

王小赟, 王 琦, 張登奎, 趙曉樂(lè), 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(guó)半干旱黃土高原丘陵區(qū)是典型農(nóng)牧交錯(cuò)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(shí)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(jì)，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(wú)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(wèn)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(wèn)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(yú)鱗坑、植樹(shù)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(jiǎn)單、重復(fù)性高、成本低、效率高和適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[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(wú)覆蓋作為降雨徑流入滲區(qū)或種植區(qū)，經(jīng)過(guò)徑流和降雨在入滲區(qū)或種植區(qū)疊加，無(wú)效降雨(<5 mm)變?yōu)橛行Ы涤?>5 mm)，增加對(duì)無(wú)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(zhǎng)作物水分利用期，促進(jìn)作物出苗和生長(zhǎng)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(zhǎng)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(lái)，生物可降解地膜對(duì)半干旱區(qū)壟溝集雨覆蓋種植帶來(lái)新生機(jī)，但生物可降解地膜具有覆蓋時(shí)間較短、成本較高等缺點(diǎn)，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(shí)，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(wú)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(diǎn)，該缺點(diǎn)限制該材料推廣應(yīng)用，同時(shí)，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(yàn)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(yàn)研究不同生物炭覆蓋材料和溝壟比對(duì)紅豆草根干重、根長(zhǎng)、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(duì)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(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)于2017年4月23日-10月20日在中國(guó)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(yàn)基地(35°33′ N，104°35′ E，海拔1 896.7 m) 進(jìn)行，試驗(yàn)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(yàn)地氣候和土壤特征在前期研究[23]中已報(bào)道。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，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(wú)覆蓋作為種植區(qū)，小區(qū)隨機(jī)排列，共設(shè)10個(gè)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(duì)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(guò)程見(jiàn)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(hào)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(yàn)種植示意圖見(jiàn)圖1，試驗(yàn)處理編號(hào)、面積和集雨壟覆蓋材料見(jiàn)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(yàn)設(shè)計(jì)

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(kāi)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(shí)集雨壟濕土，經(jīng)過(guò)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(shí)生物炭與濕土混合物，經(jīng)過(guò)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(yàn)，播種時(shí)不施加任何基肥。2017年4月11日條播播種紅豆草，對(duì)于壟溝集雨種植處理，每1條溝的面積為10 m (長(zhǎng)) × 0.6 m (寬) = 6 m2，每個(gè)試驗(yàn)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(méi)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(duì)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(gè)紅豆草生育期(4月23日-10月20日)不施肥、灌溉和施加殺蟲(chóng)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(cè)定

紅豆草收獲后(10月20日)，用平鏟挖掘取根樣，開(kāi)挖樣方的長(zhǎng)和寬分別為60 cm (溝寬)和20 cm，沿樣方長(zhǎng)方向按20 cm等距離將長(zhǎng)60 cm (溝寬) 3等分，中間長(zhǎng)20 cm標(biāo)記為溝中樣段，兩邊長(zhǎng)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(zhǎng)、根表面積和根體積測(cè)定參照李富春等方法[24]。用鑷子從根系上摘下肉眼能看見(jiàn)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)紅豆草根長(zhǎng)的影響

紅豆草根長(zhǎng)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(zhǎng)占總根長(zhǎng)(0～60 cm)的比例分別為55%,31%和14%；溝邊根長(zhǎng)明顯高于溝中根長(zhǎng)，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(zhǎng)與溝中根長(zhǎng)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(zhǎng)與溝中根長(zhǎng)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(zhǎng)與溝中根長(zhǎng)比例分別為1.23，1.19和1.18。在相同覆蓋材料種植中，對(duì)3種溝壟比(60∶30，60∶45和60∶60) 的根長(zhǎng)求平均值，得到土壟、牛糞炭壟和玉米秸稈炭壟的平均根長(zhǎng)。傳統(tǒng)平作的總根長(zhǎng)(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(zhǎng)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(zhǎng)分別減少37%，33%和27%。

表3 生物炭覆蓋壟溝集雨種植對(duì)紅豆草根長(zhǎng)的影響

續(xù)表3

2.3 生物炭覆蓋壟溝集雨種植對(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)紅豆草根瘤數(shù)的影響

表7 生物炭覆蓋壟溝集雨種植對(duì)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(duì)土壤環(huán)境響應(yīng)敏感，是感知生物信號(hào)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(zhǎng)發(fā)育、新陳代謝、蒸騰作用等生理活動(dòng)，根系吸收營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)是植物地上部分生長(zhǎng)發(fā)育的物質(zhì)基礎(chǔ)；地上光合產(chǎn)物通過(guò)維管束傳輸?shù)街参锔?，根系生理活?dòng)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(dòng)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(duì)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(zhǎng)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(zhǎng)、根表面積、根體積)是評(píng)價(jià)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(duì)氮素等營(yíng)養(yǎng)需求，具有促進(jìn)植物生長(zhǎng)、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(zhǎng)、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(wú)覆蓋作為入滲區(qū)或種植區(qū)，經(jīng)過(guò)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(zhǎng)。同時(shí)，壟覆蓋不種植任何作物，溝邊植物生長(zhǎng)空間較大和相互競(jìng)爭(zhēng)較小，溝邊植物光合作用高于溝中植物，溝邊植物長(zhǎng)勢(shì)明顯高于溝中植物，溝邊的根干重、根長(zhǎng)、根表面積、根體積、根瘤數(shù)量和重量明顯大于溝中。楊再?gòu)?qiáng)等[28]研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)土壤含水量高于植物生長(zhǎng)適宜土壤含水量時(shí)，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(zhǎng)受阻和結(jié)瘤效果變?nèi)?；?dāng)土壤含水量低于植物生長(zhǎng)適宜土壤含水量時(shí)，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(wú)法滿足植物正常生理需求，根瘤菌侵染機(jī)會(huì)少，根系生長(zhǎng)、結(jié)瘤和根瘤菌繁殖等生理功能受阻。

近年來(lái)，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(wèn)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(shì)[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(shí)，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(guò)人工灑水、木板拍實(shí)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(shí)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(shí)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(zhǎng)、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(zhǎng)、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(zhǎng)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(shí)，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(guò)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(duì)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(guò)人工拍打、降雨等而成；而生物土壤結(jié)皮是經(jīng)過(guò)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(zhǎng)、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(zhǎng)、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(zhǎng)、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。