大豆單間作對土壤團聚體及固土能力的影響

鄧 超, 李永梅, 范茂攀, 王夢雪

(云南農(nóng)業(yè)大學 資源與環(huán)境學院, 昆明 650201)

坡耕地是云南省重要的耕地資源，根據(jù)全國第二次土地調(diào)查數(shù)據(jù)[1]，云南省耕地面積624.39萬hm2，其中坡耕地占總耕地的73.97%。紅壤坡耕地的土壤酸化、粘重板結(jié)、肥力低下，水土流失等問題嚴重，限制了坡耕地上農(nóng)業(yè)的發(fā)展[2]。在紅壤坡耕地上不合理種植耕作，會造成更大面積的水土流失，損害生產(chǎn)力，對區(qū)域經(jīng)濟的發(fā)展和地方環(huán)境保護產(chǎn)生重大威脅。植物根系對于土壤固土能力的增強作用已有大量研究[3-5]，根系的固土力學[6]研究主要有單根抗拉和群根剪切兩個方面的研究方式，其中單根抗拉是通過拉伸試驗，測定單根的材料力學特性，群根剪切是通過外部剪切根土復(fù)合體，測定整體的抗剪強度。根系的固土能力是通過原位水平抗拉試驗，測定群根共同作用固持土壤的能力。毛妍婷等[7-8]從植物根系固土力學角度分析評價了作物和草本植物根系的固土能力，用載荷位移之間關(guān)系曲線代表根系本身抗拉特性與土壤力學特征間的相互作用，證明了油菜、狗尾草可以增加土壤固土能力。不同植物的根系密度越大[9-10]，固土能力越強，間作可以通過增加作物根系密度來提高固土能力[11-12]。鄭朝元等[9]對于深層較淺層具有更高固土能力的研究，進一步考慮了固土能力與土壤間的關(guān)系。有研究表明，間作可以增加土壤穩(wěn)定性團聚體[13]，增加作物的根系[14]，減少水土流失。穩(wěn)定性土壤團聚體增加，土壤抗侵蝕能力增強。王潤澤等[15]研究發(fā)現(xiàn)在紫色土區(qū)植物籬可以增加土壤穩(wěn)定性團聚體。黃俊等[16]在紅壤上發(fā)現(xiàn)根系生物量增加可以促進土壤有機質(zhì)的積累，提高土壤團聚體的穩(wěn)定性。前人研究多集中在根系、土層和種植模式對固土能力的影響，代表土壤結(jié)構(gòu)特征和抗侵蝕能力的團聚體與固土能力的關(guān)系研究鮮見報道。

目前，云南省水土流失面積12.06萬km2，占全省國土總面積的31.46%[17]。因此，坡耕地的水土保持對云南農(nóng)業(yè)發(fā)展尤為重要。因此，本研究選用云南省較普遍的大豆—玉米間作為研究對象，測定大豆間作玉米、大豆單作在作物成熟期根土復(fù)合體0—10 cm土層固土能力，和相應(yīng)的土壤含水率、作物根系和土壤團聚體等指標，分析土壤含水率、作物根系、土壤團聚體和固土能力之間的關(guān)系，探討大豆在單作、間作玉米時對土壤團聚體特征和固土能力的影響，為間作保護坡耕地土壤的可持續(xù)利用和改善土壤結(jié)構(gòu)的應(yīng)用推廣提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概述

試驗于2018年3—9月在云南農(nóng)業(yè)大學后山徑流試驗小區(qū)進行(25°8′18″N，102°45′58″E)，海拔為1 950 m，坡向為北偏西57°，周年氣溫為4.7～23.7℃，年平均降雨量為960 mm，是云南省典型的坡耕地紅壤水土流失區(qū)。供試土壤為紅壤，土壤基本理化性質(zhì)如下：有機質(zhì)為36.41 g/kg，pH值為6.73，堿解氮為112.98 mg/kg，速效磷為5.51 mg/kg，速效鉀為89.27 mg/kg。

1.2 試驗設(shè)計

試驗設(shè)有10°，20°，30°共3組坡度，每組坡度設(shè)置一個大豆單作，一個大豆—玉米間作2個小區(qū)，小區(qū)面積按坡度順序分別為4 m×10 m，4 m×7 m，4 m×6 m。坡耕地上分單間作種植。供試作物大豆為豆單一號，生長期為120 d左右；玉米為云瑞88，生長期也為120 d左右。大豆單作采用等行距種植，株行距25 cm×60 cm，共計17行，每行16株。大豆—玉米間作采用2∶2種植模式，大豆、玉米行內(nèi)株行距都為30 cm×40 cm，玉米與大豆間行距50 cm，共計玉米12行，每行13株，大豆11行，每行13株。玉米每穴播種2粒，大豆每穴播種4粒，后期玉米每穴留1株，大豆每穴留2株。根據(jù)試驗小區(qū)的具體情況在玉米和大豆的整個生育期內(nèi)進行相應(yīng)的澆水、除草等農(nóng)事活動。

1.3 測定項目與測定方法

1.3.1 土壤含水率和土壤團聚體 采用環(huán)刀法測定深度0—10 cm土壤含水率。土壤團聚體則是將采回的土樣去除石塊風干后過5，2，1，0.5，0.25 mm的套篩，篩分之后，根據(jù)相應(yīng)粒級稱重再計算各粒徑干篩團聚體所占樣品比重，配出50 g土樣用于濕篩。濕篩時，將土樣置于2 mm篩上，加水浸沒至套篩振動至最高點時土樣不會露出水面，上下振蕩15 min，按順序收集至鋁盒中，60℃下烘干稱重。最后得到>2 mm，1～2 mm，0.5～1 mm，0.25～0.5 mm，0.106～0.25 mm,<0.106 mm的濕篩團聚體。用濕篩后的土壤團聚體計算>0.25 mm穩(wěn)定性團聚體(R0.25)、平均重量直徑(MWD)和分形維數(shù)(D)，所用計算公式[18]如下:

(1)

(2)

(3)

1.3.2 固土能力 測定儀器為農(nóng)作物根土復(fù)合體固土力學原位測定儀[19],其中ML-20型錨桿拉力計，可以產(chǎn)生200 kN額定載荷，浙江省土工儀器制造有限公司制造。剪切箱制作所用鋼板的厚度為1.0 cm，大小規(guī)格是：長×寬×高=30 cm×30 cm×10 cm。剪切箱與拉力計油缸接觸面積為94.2 cm2。拉力計上安裝壓強表，精度為0.05 MPa，上海名宇儀表有限公司制造，測定固土能力。剪切箱上用直尺測定土壤樣方位移，以觀測在拉力推動下根土復(fù)合體的位移量。

大豆成熟期時，在0—10 cm土層采用農(nóng)作物根土復(fù)合體固土力學原位測定儀選取大豆植株根系橫坡等高度進行原位固土拉力測定，每個處理重復(fù)測定3次。用壓強公式計算載荷，再以F—S曲線來反映各樣方所受載荷(F)與位移(S)間的關(guān)系(圖1)，通過線性特征可以得知樣方中根土復(fù)合體的固土能力，通過肉眼觀察F—S曲線的拐點得到比例極限點(F1)、屈服拉力點(F2)、抗拉極限點(F3)3個載荷臨界點。比例極限點(F1)代表根系彈性形變量和土壤彈性形變量的明顯位移階段的臨界點，此階段撤銷外力根土能恢復(fù)原樣；屈服拉力點(F2)是在塑性形變階段開始臨界點，此階段根系密度越大所需載荷就大；抗拉極限點(F3)是載荷和位移在這階段達到穩(wěn)定增長的階段的臨界點，即經(jīng)塑性形變后，土體分離，根系徹底松動階段[4]；破壞拉力點(F4)是根系完全被破壞的理論意義上的一個點，對固土能力沒有實際意義。

圖1 F-S曲線及載荷臨界點示意圖

1.3.3 根系特征 測定完固土拉力后收集剪切箱內(nèi)所含根系，帶回實驗室清洗干凈后，用鑷子分離成個體平鋪于有機玻璃盒內(nèi)，用EPSONV800掃描儀掃描根系形態(tài)，WINRHIZO軟件對根系掃描圖像分析總根長和根表面積，結(jié)合樣方土壤體積計算根長密度。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2007進行數(shù)據(jù)的整理、圖表的制作，SPSS 20進行相關(guān)性分析，DPSv 7.05軟件進行顯著性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同種植模式土壤含水率

由圖2可以看出，各坡度單間作模式間土壤含水率無顯著差異，但是土壤含水率均隨坡度增加而呈降低趨勢。10°坡上間作比單作高0.32%，20°坡上間作比單作高4.06%，30°坡上間作比單作低3.81%。同一坡度下含水率差異不顯著，在同一坡度下討論單間作模式的差異可以排除含水率影響。

圖2 不同種植模式下的土壤含水率

2.2 不同種植模式土壤團聚體特征

從表1數(shù)據(jù)可以看出，僅在10°坡耕地上單間作土壤團聚體含量存在部分粒徑存在顯著差異，20°，30°坡耕地大豆單間作模式間土壤團聚體含量無顯著差異。先10°坡上間作模式的最優(yōu)勢徑級是<0.106 mm，1～2 mm次之，單作優(yōu)勢徑級0.25～0.5 mm和0.106～0.25 mm；20°坡上間作最優(yōu)勢徑級是0.5～1 mm，0.25～0.5 mm次之，單作最優(yōu)勢徑級是0.5～1 mm，1～2 mm次之；30°坡上，間作最優(yōu)勢徑級是>2 mm，1～2 mm次之，單作最優(yōu)勢徑級1～2 mm，0.5～1 mm次之。隨坡度增加單間作土壤團聚體優(yōu)勢徑級有向大團聚體徑級發(fā)展趨勢。通過同一坡度比較單間作模式可以發(fā)現(xiàn)，10°坡上大豆間作后，0.106～0.25 mm和0.25～0.5 mm的團聚體分別顯著減少了15.2%，10.74%，1～2 mm和<0.106 mm的團聚體顯著增加了5.65%，10.3%，>2 mm的團聚體增加了8.58%；20°坡上大豆間作后，>2 mm，1～2 mm和0.5～1 mm的團聚體分別減少了2.38%，0.51%，0.09%，0.25～0.5 mm，0.106～0.25 mm和<0.106 mm的團聚體分別增加了0.58%，1.77%，2.69%；30°坡上大豆間作后，1～2 mm，0.5～1 mm，0.25～0.5 mm，0.106～0.25 mm和<0.106 mm的團聚體分別減少了1.9%，1.86%，0.41%，2.35%，0.27%，>2 mm的團聚體增加了6.8%。

由表2可知，各指標同一坡度下單間作之間無顯著差異。R0.25間作模式下10°和30°坡分別增加了6.61%，2.63%，在20°坡減少了4.46%；平均重量直徑間作后在10°和30°坡分別增加了32.84%，9.09%，在20°坡減少了10.13%。大豆間作玉米后分形維數(shù)在10°，20°坡上分別增加了2.85%，3%。

表1 不同種植模式下土壤團聚體粒徑分布 %

表2 土壤團聚體特征

2.3 不同種植模式下固土能力特征

由表3和圖3可知，在不同種植模式和坡度上大豆根土土體所受載荷與位移之間存在線性正相關(guān)關(guān)系。其中，通過比較在相同載荷的位移量可以看出，間作后在10°與30°坡上固土能力大于單作，20°坡上結(jié)果相反。3個臨界載荷點在同一坡度上單間作之間差異并不顯著。通過比較均值，10°坡上F1，F(xiàn)2，F(xiàn)3均高于單作，間作提高了根土復(fù)合體彈性形變量和塑性形變量，20°坡上間作F1，F(xiàn)2均低于單作，30°坡上間作F1低于單作，F(xiàn)2高于單作，增加了根土復(fù)合體彈性形變量。

表3 載荷與位移相關(guān)關(guān)系方程及關(guān)鍵臨界點

2.4 不同種植模式下根系特征

經(jīng)方差分析，大豆根長和根表面積在不同坡度單間作模式下均無顯著差異，根體積在20°坡耕地上具有顯著差異。由表4可知，根系指標在不同種植模式下都有隨坡度增加而降低的趨勢。大豆間作玉米后根長在10°，20°和30°坡上分別減少了4.6%，3.82%，10.12%；20°坡上根表面積間作后在各坡度上分別減少了14.42%，15.96%，22.67%；根體積在各坡度下間作比單作分別減少了30.8%，46.25%，31.29%。

2.5 含水率、團聚體、根系特征和固土能力相關(guān)性分析

由表5可以看出，單作模式下，含水率與分形維數(shù)(D)達到顯著正相關(guān)，與平均重量直徑(MWD)和>0.25 mm穩(wěn)定性團聚體卻是顯著負相關(guān)，平均重量直徑和分形維數(shù)顯著負相關(guān)，與>0.25 mm穩(wěn)定性團聚體顯著正相關(guān)，分形維數(shù)與>0.25 mm穩(wěn)定性團聚體達到顯著負相關(guān)，根長與F2顯著負相關(guān)，根體積與F1，F(xiàn)2顯著正相關(guān)。間作模式下，含水率與土壤團聚體分形維數(shù)達到顯著正相關(guān)，與>0.25 mm穩(wěn)定性團聚體達到顯著負相關(guān)，平均重量直徑與>0.25 mm穩(wěn)定性團聚體達到顯著正相關(guān)。間作與單作相比，間作降低了含水率對平均重量直徑的負作用，增強了含水率對分形維數(shù)、>0.25 mm穩(wěn)定性團聚體的作用影響，平均重量直徑和>0.25 mm穩(wěn)定性團聚體與F1，F(xiàn)3的關(guān)系在間作模式下轉(zhuǎn)為負相關(guān)，分形維數(shù)在間作模式下與F1，F(xiàn)2的關(guān)系轉(zhuǎn)為正相關(guān)，間作模式下根長與F1，F(xiàn)2，F(xiàn)3的負相關(guān)轉(zhuǎn)為正相關(guān)，根表面積與F2，F(xiàn)3的關(guān)系轉(zhuǎn)為正相關(guān)，根體積與F1，F(xiàn)2，F(xiàn)3相關(guān)性降低。

表4 不同種植模式下根系特征

3 討 論

3.1 大豆玉米間作對土壤團聚體特征的影響

從土壤團聚體的粒徑分布結(jié)果和>0.25 mm穩(wěn)定性團聚體來看，間作在10°，30°坡上相對于單作都是減小了<0.25 mm小團聚體，增加了>0.25 mm大團聚體的分布，總體上間作對大團聚體的增加是有作用的。結(jié)果與周曉晨等[20]研究結(jié)果一致。從根系特征來看，20°坡上間作低于單作的原因可能是作物根體積顯著降低，間作后根體積的降低影響到了根淀積，作為大團聚體膠結(jié)物質(zhì)的土壤中有機質(zhì)含量過低[21]，所以形成的>0.25 mm穩(wěn)定性團聚體較單作低。這也就影響到了平均重量直徑在20°坡上的減小，但是在10°，30°坡上間作增加了平均重量直徑。10°坡上間作增加大穩(wěn)定性土壤團聚體的優(yōu)勢更加明顯，這和孫志旭等[22]在3°，6°，9°坡上研究結(jié)果一致。

圖3 不同種植模式和坡度下土體載荷與位移間的關(guān)系

表5 大豆單間作下含水率、團聚體特征、根系特征和固土能力的相關(guān)關(guān)系

注：*表示相關(guān)性在0.05水平上顯著，**表示在0.01水平上顯著。

土壤團聚體平均重量直徑代表團聚體的物理結(jié)構(gòu)特征。平均重量直徑值越大說明土壤團聚體中大團聚體更多。大豆單作下平均重量直徑隨坡度增加而升高的結(jié)果和徐程等[23]平均重量直徑受水分影響的結(jié)果一致，土壤中大團聚體增加，水穩(wěn)定性更強。馬仁明等[24]研究表明土壤前期含水率在達到15%之后繼續(xù)增加時，紅壤團聚體受快速濕潤而破碎的消散作用降低，轉(zhuǎn)為機械作用和土壤礦物濕潤后非均勻膨脹作用，所以平均重量直徑會隨水分增加而增大。大豆間作玉米時，10°和30°坡上團聚體平均重量直徑間作比單作高與王英俊等[25]間作白三葉增加果園水穩(wěn)性團聚體平均重量直徑的結(jié)果一致，間作增加了團聚體結(jié)構(gòu)中的大團聚體。

土壤團聚體的分形維數(shù)代表了土壤物理結(jié)構(gòu)特征，本研究中的結(jié)果與白錄順[13]、王婷[26]等玉米大豆間作減小分形維數(shù)的結(jié)果相反，間作模式下增加了分形維數(shù)。間作增加了土壤中的大團聚體，同時也增加了土壤中黏粒物質(zhì)，可能由于黏粒物質(zhì)的影響大于大團聚體的影響，從而導致分形維數(shù)增加。張秦嶺等[27]研究表明受土壤侵蝕影響，農(nóng)田中土壤顆粒分形維數(shù)隨坡度增加而呈降低的趨勢，與本研究結(jié)果一致，坡度越大分形維數(shù)越低。由此推測間作增加分形維數(shù)有助于抵抗土壤侵蝕、調(diào)整土壤結(jié)構(gòu)。

3.2 大豆玉米間作對根系特征和固土能力的影響

大豆間作后，根系生長較單作有所下降，與前文分形維數(shù)的討論結(jié)果較一致。間作后的土壤結(jié)構(gòu)并不利于根系的生長，因此間作后根系對土壤團聚體所能產(chǎn)生的物理作用會降低，相鄰?fù)寥李w粒間空間距離增大，不利于團聚體形成。王婷等[26]研究發(fā)現(xiàn)，間作后作物根系分泌物會增加，增加的有機物質(zhì)膠結(jié)形成更多的大團聚體，根系生物化學作用強于根系物理作用，所以本研究中根系指標降低情況下，在10°，30°坡度下大豆玉米間作下大團聚體比重增加而沒有減少。間作后根系生物化學作用會增強根系物理作用，調(diào)整土壤結(jié)構(gòu)及形成更多大團聚體。

陳小強等[12]研究結(jié)果表明間作可以提高作物固土能力與本研究結(jié)果一致，結(jié)果不一致的地方在于間作沒有增加根系密度也增加了固土能力，說明間作對固土能力的影響不僅僅只依賴于根系的物理結(jié)構(gòu)，同時需要考慮其根系生物化學作用。根系的生物化學作用體現(xiàn)在通過對土壤的影響間接影響固土能力。比例極限點、屈服拉力點、抗拉極限點在間作模式下的增大，說明了間作可以增加根土復(fù)合體彈性形變階段、塑性形變階段。這種增強效應(yīng)隨坡度增加根系減少而減弱，最后只能增加根土復(fù)合體的彈性形變階段。土壤團聚體中>0.25 mm穩(wěn)定性團聚體和平均重量直徑在間作模式與固土能力有負作用，但是分形維數(shù)與比例極限點、屈服拉力點的關(guān)系由負相關(guān)轉(zhuǎn)變?yōu)檎嚓P(guān)，說明間作模式下穩(wěn)定性大團聚體削弱了固土能力，土壤結(jié)構(gòu)增強了固土能力。在10°單間作根系均值上有所降低但無顯著差異，此時間作固土能力的增加受著分形維數(shù)增加的影響。20°坡耕地大豆間作根體積顯著降低，固土能力受此影響間作固土能力低于單作固土能力。30°坡耕地根系與分形維數(shù)均無顯著差異，但是屈服拉力點到抗拉極限的塑性形變階段固土能力高于單作，說明分形維數(shù)增強了固土能力。

本研究中大豆間作玉米在0—10 cm土層犧牲了自身的根系擴展，沒有顯著增加土壤穩(wěn)定性大團聚體的形成降低土壤分形維數(shù)，而是增加了土壤團聚體分形維數(shù)，從而優(yōu)化土壤結(jié)構(gòu)來增強大豆根土復(fù)合體的固土能力。

4 結(jié) 論

(1) 與單作大豆相比，大豆間作玉米在10°，30°坡上>0.25 mm的穩(wěn)定性團聚體含量和平均重量直徑分別增加了6.61%，2.63%和32.84%，9.09%，在10°坡上增加最多；20°坡上，間作的根體積顯著降低，直接影響到了大團聚體形成，說明根系對大團聚體的形成有著重要作用。間作模式下分形維數(shù)在10°，20°坡上分別比單作模式增加了2.85%，3%，30°坡無顯著差異，表明間作對分形維數(shù)有作用，但是隨坡度增加對分形維數(shù)的影響降低。

(2) 與大豆單作相比，大豆間作玉米根系指標均值上有所降低，間作會減少根系的擴展，相關(guān)性來看間作下根長和根體積與關(guān)鍵載荷點的相關(guān)性降低，根系指標與分形維數(shù)的相關(guān)性增強。

(3) 大豆間作在穩(wěn)定性大團聚體削弱根土復(fù)合體固土能力的同時，土壤團聚體分形維數(shù)會增強固土能力。10°坡耕地單間作模式根系指標無顯著差異時，大豆間作的土壤團聚體分形維數(shù)的增加，固土能力高于單作。20°坡耕地大豆間作根體積顯著降低，固土能力低于單作。30°坡耕地大豆單間作根系指標和分形維數(shù)都無顯著差異或趨勢時，間作的分形維數(shù)影響強于單作，間作固土能力高于單作。