挑戰(zhàn)杯-兩種多年生豆科植物對深層土壤養(yǎng)分的影響-城環(huán)

1、山西師范大學第六屆“挑戰(zhàn)杯”青年學生課外學術(shù)科技作品大賽兩種多年生豆科植物對深層土壤養(yǎng)分的影響姓 名劉 濤 郭永強院 系城環(huán)學院地理科學專業(yè)指導教師張永清二一年十月論文題目：兩種多年生豆科植物對深層土壤養(yǎng)分的影響內(nèi)容摘要 探討多年生豆科植物對深層土壤養(yǎng)分的影響。研究了自然生長有小冠花和紫花苜蓿的土壤中有機質(zhì)、氮素、磷素、鉀素等養(yǎng)分的變化情況。結(jié)果表明：生長有不同植物的土壤均表現(xiàn)為有機質(zhì)、全氮、有效磷和速效鉀等含量隨著土層深度的增加呈逐漸減少的趨勢；豆科植物對于提高土壤水分、有機質(zhì)和全氮含量效果明顯，其中提高深層(45-60cm)土壤的有機質(zhì)以及提高中深層(30-60cm)土壤全氮含量的效果達極

2、顯著水平，但對于提高深層土壤有效磷、速效鉀以及改善土壤pH環(huán)境的作用不大。在晉南地區(qū)種植小冠花和紫花苜?？梢蕴岣咄寥烙袡C質(zhì)含量，改善土壤氮素水平,實際操作過程中應(yīng)增施磷鉀肥以充分發(fā)揮其培肥地力、改良土壤、保護生態(tài)的作用?！娟P(guān)鍵詞】小冠花 紫花苜蓿 土壤養(yǎng)分 垂直差異Title：Effect of Two perennial Leguminous plants on the deep soil nutrientAbstractThe aim of the research was to discuss the effects of two perennial leguminous plants

3、on the deep soil nutrient. The changes of soil nutrients such as organic matter, nitrogen, phosphorus and potassium of the natural growth of Coronilla varia and alfalfa soil were studied. The results show that with the increase of depth of soil organic matter, total nitrogen, Phosphorus and availabl

4、e potassium content gradually decreased in different plants growing soil; leguminous for improving of soil moisture, organic and total nitrogen content is obvious, effect on deep soil(45-60cm) organic matter and middle deep soil(30-60cm) total nitrogen reached a extremely remarkable difference level

5、. However, for improving the deep soil phosphorus, potassium, and improve soil pH environment is very limited. Planting Coronilla varia and alfalfa in south of Shanxi province could improve the nitrogen level in soil. In its planting process, phosphorus and potassium should be applied to play the fu

6、nctions of raising up land fertility, improving the soil and ecology protecting.【Key Words】Coronilla varia Alfalfa Soil nutrient Vertical difference目 錄1 材料與方法(1)1.1研究區(qū)概況(1)1.2研究方法(1)1.2.1實驗設(shè)計與樣品采集(1)1.2.2測定項目及分析方法(1)1.2.3數(shù)據(jù)分析(2)2 結(jié)果與分析(2)2.1 豆科植物對土壤水分影響(2)2.2豆科植物對土壤養(yǎng)分影響(3)2.2.1 對有機質(zhì)、全氮含量的影響(3)2.2.2

7、對有效磷含量的影響(5)2.2.3 對速效鉀含量的影響(5)3 結(jié)論與討論(6)參考文獻：(6)兩種多年生豆科植物對深層土壤養(yǎng)分的影響學生姓名：劉濤 郭永強 指導教師：張永清隨著人口的不斷增加和耕地面積的不斷減少，保護耕地資源、提高土地利用率，特別是根據(jù)各地自然資源特點實現(xiàn)廢棄地的復墾和人工造地，已成為增加糧食產(chǎn)量、保障糧食安全的重要措施。黃土高原面積大，部分地區(qū)土壤貧瘠少氮，因此，如何提高其土壤肥力，并使新形成的根土系統(tǒng)向著“有機生命化”的方向加速發(fā)展，是該地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上亟待研究的重要課題。豆科植物一般都具有發(fā)達的根系，而且其根瘤具有固定大氣中游離氮素的作用，這些含氮的根部腐爛后可增加不同深

8、度土壤中的氮素和腐殖質(zhì)，提高土壤肥力。因此研究豆科植物對土壤垂直肥力的影響，尋求盡快提高生土地土壤肥力的生物調(diào)控措施，具有重要的實用價值。豆科植物是黃土高原生態(tài)系統(tǒng)中有效氮的主要供應(yīng)者1，對于改善土壤結(jié)構(gòu)2、改良土壤，保護生態(tài)系統(tǒng)方面有重要作用3。關(guān)于豆科植物對土壤理化性質(zhì)影響的作用機制及效果評價等4已有不少研究，秦燕燕等5的研究表明，在棄耕地添加豆科植物后土壤理化性質(zhì)明顯改善；郭曄紅等6、邱愛軍等7的研究表明，種植豆科植物后土壤全氮質(zhì)量分數(shù)、土壤微生物量碳質(zhì)量分數(shù)和微生物熵均明顯增加，但在晉南地區(qū)豆科植物對增加生土土壤養(yǎng)分，提高土壤深層肥力，尤其是增加深層土壤有機質(zhì)和全氮含量等方面的研究尚未

9、見報道。為此，本文以自然生長有不同豆科植物和無豆科植物的生土為研究對象，測定其養(yǎng)分在不同深度的分布規(guī)律，探索豆科植物對土壤垂直肥力的影響，為提高土壤肥力的生物調(diào)控措施提供理論依據(jù)。1 材料與方法1.1研究區(qū)概況研究區(qū)選在山西師范大學試驗田，地處黃土高原汾河谷地東岸（36.083336.0836N, 111.111.5553E,海拔441m），山西省臨汾市區(qū)內(nèi)，全年平均降水量527.4mm，屬典型的半干旱半濕潤季風氣候，四季分明，雨熱同期。全市普遍分布的地帶性土壤類型為褐土，試驗區(qū)土壤為黃土母質(zhì)上發(fā)育而成的石灰性褐土， 土層深厚，質(zhì)地均勻，貯水性能良好。1.2研究方法1.2.1實驗設(shè)計與樣品采集

10、以覆蓋有自然生長狀態(tài)下的小冠花（Coronilla varia）、紫花苜蓿（Medicago sativa Linn）的土壤和無豆科植物覆蓋的土壤（空白對照）為研究對象（分別用Cv、Ms、CK表示），每種土壤設(shè)置4個采樣深度，分別為距地面0-15cm（D1）、15-30cm（D2）、30-45cm（D3）、45-60cm（D4），每個樣地取3個重復，共36個樣品。采樣位置用GPS定位。取樣后對每個土樣進行混勻、風干及過篩后測定其有機質(zhì)、全氮、有效磷、速效鉀、pH值及吸濕水含量等項目。1.2.2測定項目及分析方法有機質(zhì)測定采用重鉻酸鉀容量法（外加熱法）8：稱取通過0.149mm篩孔的風干土樣0.

11、5000g，放入一干燥的硬質(zhì)試管中，用移液管準確加入0.8000molL-1(1/6K2Cr2O7)標準溶液5mL，加入濃H2SO45mL充分搖勻，試管放入自動控溫的鋁塊管座中（試管內(nèi)的液溫控制在約170），煮沸5min，剩余的重鉻酸鉀用硫酸亞鐵來滴定，用鄰啡羅啉作指示劑，從所消耗的重鉻酸鉀量，計算有機碳的含量。全氮測定采用半微量開氏法9：稱取通過孔徑0.149mm篩的風干土樣1.0000g于消煮管中，加少量無離子水（0.51mL）濕潤土樣后，加入加速劑2g和濃硫酸5mL，搖勻，將消煮管置于電爐上，待消煮完全后將消煮管置于自動定氮儀（VELP-UDK 142）支架上，按照儀器操作規(guī)范進行蒸餾，

12、之后用0.1906 molL-1的硫酸滴定，用作指示劑。從實驗組和空白組使用硫酸的量的差值，計算全氮含量。有效磷測定采用0.05 molL-1NaHCO3浸提法10：稱取通過20目篩子的風干土樣2.500g于150mL三角瓶中，加入0.05 molL-1NaHCO3溶液50mL，再加一勺無磷活性炭，塞緊瓶塞，在振蕩機上振蕩30min，立即用無磷濾紙過濾，濾液承接于100mL三角瓶中，吸取濾液10mL于150mL三角瓶中，再用滴定管準確加入蒸餾水35mL，然后移液管加入鉬銻抗試劑5mL，搖勻，放置30min后，用880nm或700nm波長進行比色。以空白液的吸收值為0，讀出待測液的吸收值（A）。

13、標準曲線繪制：分別準確吸取5gmL-1磷標準溶液0、1.0、2.0、3.0、4.0、5.0mL于150mL三角瓶中，再加入0.05 molL-1NaHCO310mL，準確加水使各瓶的總體積達到45mL，搖勻；最后加入鉬銻抗試劑5mL，混勻顯色。同待測液一樣進行比色，繪制標準曲線。速效鉀測定采用1.0 molL-1NH4OAc浸提,火焰光度法11：稱取通過1mm篩孔的風干土5.00g于100 mL三角瓶或大試管中，加入1molL-1NH4OAc溶液50mL，塞緊橡皮塞，振蕩30min，用干的普通定性濾紙過濾。濾液盛于小三角瓶中，同鉀標準系列溶液一起在火焰光度計上測定。記錄其火焰光度計上的讀數(shù)，然

14、后從標準曲線上求得其濃度。標準曲線的繪制：將鉀標準系列溶液，以濃度最大的一個定到火焰光度計上為滿度，然后從稀到濃依序進行測定，記錄火焰光度計上的讀數(shù)。以讀數(shù)為縱坐標，鉀（K）的濃度gg-1為橫坐標，繪制標準曲線。1.2.3數(shù)據(jù)分析試驗數(shù)據(jù)用Excel 2010進行平均值和標準差的計算，并用SAS數(shù)據(jù)分析軟件進行方差分析和新復極差多重比較。2 結(jié)果與分析2.1 豆科植物對土壤水分影響由圖1可以看出，無論有無豆科植物土壤，土壤水分均隨深度的增加先降低后升高再降低，但不同豆科植物對土壤水分影響的幅度不同。無豆科植物生長的土壤，其水分較有小冠花和紫花苜蓿生長的土壤在表層（0-15cm）少13.00%、

15、16.86%，在15-30cm土層少9.78%、16.64%，在30-45cm少4.74%、16.61%，而在45-60cm少6.68%、17.00%?？梢姸箍浦参飳τ谔岣咄寥浪趾坑幸欢ㄗ饔?，特別是苜蓿對于深層土壤水分含量的提高效果明顯。圖1 小冠花、紫苜蓿對土壤不同深度含水量的影響Fig1 Effect of Coronilla varia and alfalfa on the different depths of soil moisture content2.2豆科植物對土壤養(yǎng)分影響2.2.1 對有機質(zhì)、全氮含量的影響圖2 小冠花、紫苜蓿對土壤不同深度全氮含量的影響Fig2 Effe

16、ct of Coronilla varia and alfalfa on the different depths of soil total nitrogen content土壤有機質(zhì)是土壤中各種營養(yǎng)特別是氮、磷的重要來源，一般來說，土壤有機質(zhì)含量是土壤肥力高低的一個重要指標。由表1可以看出無論有無豆科植物生長土壤的有機質(zhì)和全氮含量基本上都隨著深度的增加而減少，但是生長有豆科植物的土壤二者含量減少的慢，且在不同深度二者含量均較無豆科植物生長的高，特別是在45-60cm深度表現(xiàn)得最為明顯。無豆科植物生長的土壤，有機質(zhì)的含量隨土層深度的加深遞減率依次為17.98%、56.43%和88.77%，而

17、有小冠花和紫花苜蓿生長的土壤該值依次為35.58%和20.67%、26.41%和24.74%、26.74%和31.58%。生長有小冠花和紫花苜蓿的土壤在45-60cm深度有機質(zhì)含量比無豆科植物生長的土壤多10倍有余；無豆科植物生長的土壤全氮含量在土層30-45cm下降到45-60cm過程中其減少率為55.98%，而生長有小冠花的土壤該值僅為0.6%，而生長有紫花苜蓿的土壤全氮含量較上一層要高出2.23%?？梢姸箍浦参飳τ谔岣咄寥烙袡C質(zhì)含量作用明顯，對于提高全氮含量效果更好，特別是對于提高深層土壤全氮含量表現(xiàn)得尤為突出。表1 豆科植物對立地土壤養(yǎng)分的影響Table 1 Effect of Leg

18、uminous plants on the soil nutrient 樣品有機質(zhì)Organic matte（g/kg）全氮Total N（g/kg）有效磷Available P(g/g)速效鉀Available K(g/g)CvD144.970.872.670.4641.531.52268.6316.26CvD228.979.532.100.1629.062.18268.6515.64CvD321.329.901.640.2917.911.46138.8721.10CvD415.623.781.630.1713.621.4353.6314.03MsD141.183.072.180.0834.

19、903.61650.24127.07MsD232.665.481.780.2714.781.50268.9831.66MsD324.588.471.540.1916.772.02119.0332.00MsD416.822.281.570.2314.413.52210.2230.65CKD135.153.051.530.1326.530.17219.3512.09CKD228.832.041.150.0723.941.77132.1421.56CKD312.561.941.120.1119.640.60126.8941.31CKD46.010.150.490.1213.820.8974.245.

20、07注：表內(nèi)數(shù)據(jù)以平均值標準誤表示。Note: Values are meanSD.由表2統(tǒng)計分析結(jié)果可以看出，豆科植物對于增加土壤不同深度有機質(zhì)和全氮含量效果明顯，有機質(zhì)含量在生長有小冠花土壤的表層（0-15cm）高于無豆科植物生長的土壤，達到極顯著水平，而紫花苜蓿則達到顯著水平，在深層（45-60cm）生長有小冠花和紫花苜蓿的土壤有機質(zhì)均極顯著高于無豆科植物生長的土壤。生長有小冠花和紫花苜蓿的土壤全氮含量在15-30cm、45-60cm土層高于無豆科植物的土壤，達到極顯著水平，在其他層次則達到顯著水平?？梢娦」诨ê妥匣ㄜ俎τ谔岣咄寥烙袡C質(zhì)和全氮含量有效果，特別是對于提高深層土壤有機質(zhì)和全

21、氮含量作用明顯。表2 豆科植物對立地土壤不同深度有機質(zhì)、全氮含量的影響Table 2 Effect of Leguminous plants on the different depths of soil organic matter, total nitrogen content土層深度樣品有機質(zhì)Organic matte全氮 Total NSoil depth含量Content顯著性Significance較CK增加率Rate of increase含量Content顯著性Significance較CK增加率Rate of increase（cm）（g/kg）(0.05)（%）（g/kg）

22、(0.05)（%）0-15Cv44.970.87Aa27.94%2.670.46Aa75.09%Ms41.183.07ABa17.14%2.180.08Aab42.44%CK35.153.05Bb01.530.13Ab015-30Cv28.979.53Aa0.49%2.100.16Aa82.13%Ms32.665.48Aa13.29%1.780.27Aa54.50%CK28.832.04Aa01.150.07Bb030-45Cv21.329.90Aa69.74%1.640.29Aa47.18%Ms24.588.47Aa95.69%1.540.19Aa37.90%CK12.561.94Aa01.

23、120.11Ab045-60Cv15.623.78Aa1007.68%1.630.17Aa232.02%Ms16.822.28Aa1092.71%1.570.23Aa220.25%CK6.010.15Bb00.490.12Bb0注：表內(nèi)數(shù)據(jù)以平均值標準誤表示；用不同大、小寫字母分別表示同一深度不同品種間差異極顯著(P0.01)或顯著(P0.05)。Notes: Values are meanSD. Capital letter A, B is data comparison P0.01 extremely remarkable difference level, small letter a,

24、 b is P0.05 remarkable difference level. 2.2.2 對有效磷含量的影響無論有無豆科植物生長，土壤中有效磷的含量基本上隨著土層深度的增加而減少（圖3），而且45-60cm深度土層的有效磷含量變化情況基本一致，但是生長有豆科植物的土壤表層有效磷含量比沒有豆科植物生長的土壤明顯高。無豆科植物生長的土壤有效磷含量由表層的26.52 g/g隨深度的增加逐漸依次減少為23.94g/g、19.64g/g、13.82g/g，生長有小冠花和紫花苜蓿的土壤該值由41.53 g/g和34.90g/g依次降低為29.06g/g和14.78g/g、17.91g/g和16.77g

25、/g、13.62g/g和14.41g/g?？梢姸箍浦参飳τ谔岣咄寥啦煌瑢哟蔚挠行Я缀渴怯幸欢ㄐЧ?。圖3 小冠花、紫花苜蓿對土壤不同深度有效磷含量的影響Fig3 Effect of Coronilla varia and alfalfa on the different depths of soil Phosphorus and content2.2.3 對速效鉀含量的影響有無豆科植物生長，土壤中速效鉀的含量基本上隨著土層深度的增加而減少（圖4），但是生長有小冠花的土壤表層速效鉀含量比沒有豆科植物生長的土壤明顯高，而生長有紫花苜蓿的土壤速效鉀含量比沒有豆科植物生長的土壤要低。無豆科植物生長的

26、土壤速效鉀含量由上層（0-30cm）的268.63g/g隨深度的增加逐漸依次減少為138.87g/g、53.637g/g，生長有小冠花和紫花苜蓿的土壤該值由650.24g/g和219.35g/g依次降低為268.98g/g和132.14g/g、119.03g/g和126.89g/g、210.22g/g和74.24g/g。有小冠花生長的土壤速效鉀含量在表層（0-15 cm）和深層（45-60 cm）比沒有小冠花生長的土壤分別多1.4倍和3倍，而有紫花苜蓿生長的土壤速效鉀含量在除在深層（45-60cm）略微高于沒有紫花苜蓿生長土壤外，其他深度該值均低于沒有紫花苜蓿生長的土壤?？梢娦」诨▽τ谔岣咄寥?/p>

27、表層（0-15 cm）和深層（45-60cm）的速效鉀含量效果明顯。圖4 小冠花、紫苜蓿對土壤不同深度速效鉀含量的影響Fig4 Effect of Coronilla varia and alfalfa on the different depths of soil available potassium content3 結(jié)論與討論小冠花和紫花苜蓿對于提高土壤水分、有機質(zhì)和全氮含量效果明顯,其中提高深層(45-60cm)土壤的有機質(zhì)和提高中深層(30-60cm)土壤全氮含量的效果最好。這與鄭秋玲12、萬素梅等13的研究結(jié)果一致，可能與小冠花和紫花苜蓿的根系分布較深,側(cè)根和毛細根多以及固氮作用

28、有關(guān)系。說明在晉南地區(qū)種植小冠花和紫花苜?？梢蕴岣咄寥烙袡C質(zhì)含量，并改善深層土壤氮素水平。眾所周知，植物的根系有明顯的趨肥性，土壤下層養(yǎng)分含量的增加有利于促進下茬作物根系的下扎，從而擴大植物根系覓水及吸收養(yǎng)分的范圍，提高黃土高原深層土壤水分與養(yǎng)分的有效性，這對增加黃土高原旱薄地區(qū)作物的產(chǎn)量具有重要的實用價值。小冠花和紫花苜蓿對于提高表層土壤有效磷含量也有一定的作用，對于深層則效果不明顯，這與胡發(fā)成14的研究結(jié)果有所不同。胡發(fā)成的研究結(jié)果顯示，苜蓿對于0-60cm深度土壤的有效磷含量均有下降的影響。分析其原因可能與供試的苜蓿種類及土壤條件有關(guān)，不同品種的苜蓿對于土壤養(yǎng)分的影響可能會有差別；本研究

29、結(jié)果是在分析褐土養(yǎng)分的基礎(chǔ)上得出的，而胡的研究對象為灌漠土，由于母質(zhì)差別所造成的差異在本研究中無法排除；本研究中，研究對象位于山西臨汾盆地，而胡的研究對象則在甘肅武威市，兩地的氣候等外界因素存在很大的差異，這對于土壤的生物調(diào)控影響很大。本研究結(jié)果表明在晉南地區(qū)可以種植小冠花以提高深層土壤有效磷的含量，如果僅從增加有效磷的角度出發(fā)，不建議采用紫花苜蓿。小冠花對于提高土壤深層速效鉀含量的效果良好，但紫花苜蓿對土壤速效鉀的含量則有降低的影響。這與孫本華等15的研究結(jié)果一致。也反映出了事物的矛盾與復雜性，在通過豆科植物培肥地力、改良土壤時紫花苜蓿并不能提高土壤速效鉀含量，而選用小冠花則能較好的提高深層土壤的速效鉀含量。豆科植物對于改善土壤pH環(huán)境的作用不大，與邰繼承等16的研究結(jié)果一致。這可能與土壤的緩沖性有關(guān)，有研究結(jié)果表明，黃土高原地區(qū)的石灰性土壤的pH值主要受土壤CaCO3和MgCO3含量所決定14。參考文獻：1 王衛(wèi)衛(wèi). 陜、甘黃土高原根瘤菌、豆科植物共生體結(jié)構(gòu)及固氮作用研究 D 研究生博士學位論文. 西北大學,2003. 2 Coskun Gulser. Effect of forage cropping treatments on soil structure and relationships with