不同輪作模式對(duì)潮土土壤物理性狀的影響

范倩玉，李 晉，劉振華 ，楊珍平 ，高志強(qiáng)

（1.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，山西太谷030801；2.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，山西太谷030801）

連作會(huì)導(dǎo)致土壤肥力下降、根系分泌物的自毒作用增強(qiáng)、病原微生物數(shù)量增加，致使作物生長(zhǎng)受阻、產(chǎn)量下降[1-2]?？茖W(xué)合理的輪作模式是解決連作障礙的有效措施[3]，其可降低有害微生物在土壤中的累積[2]，改善土壤微生態(tài)環(huán)境，促進(jìn)農(nóng)作物高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)[4]，從而實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

潮土土壤有機(jī)質(zhì)含量普遍較低且難以積累、砂粒含量高、土壤結(jié)構(gòu)差、養(yǎng)分普遍缺乏，其土壤質(zhì)量及土壤肥力的提升顯得尤為重要[5]。而土壤物理特性受土壤類型、土壤質(zhì)地、耕作方式以及種植模式等多種因素的影響[6]。有研究表明，輪作可降低土壤容重、增加土壤孔隙度[7]。

本研究以山西大同潮土土壤為研究對(duì)象，比較了不同輪作模式下土壤容重、總孔隙度及田間持水量的差異，旨在為選擇更有利于該研究區(qū)土壤結(jié)構(gòu)改善的合理輪作模式提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)于2018—2019 年在山西省大同市新榮區(qū)破魯鄉(xiāng)高向臺(tái)村進(jìn)行（112°55′E，40°13′N）。該區(qū)位于山西省最北端，年均氣溫5 ℃左右，年均降水量為350 mm，無霜期平均110 d。試驗(yàn)地土壤類型為潮土。播前0～20 cm 耕層土壤基礎(chǔ)養(yǎng)分含量為：有機(jī)碳6.27 g/kg、全氮0.19 g/kg、硝態(tài)氮15.07 mg/kg、有效磷5.65 g/kg。

1.2 試驗(yàn)材料

供試油菜為華油雜62，由華中農(nóng)業(yè)大學(xué)國(guó)家油菜改良中心提供；供試玉米為黑甜糯639，由山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院玉米研究所提供；供試馬鈴薯為晉薯16，由山西農(nóng)業(yè)大學(xué)馬鈴薯研究團(tuán)隊(duì)提供；供試燕麥為冀張燕2 號(hào)，由國(guó)家燕麥?zhǔn)w麥產(chǎn)業(yè)體系右玉試驗(yàn)站提供；供試蕎麥為晉蕎麥2 號(hào)，由山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所提供。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)共設(shè)5 個(gè)處理，即油菜—蕎麥（RB）；玉米—蕎麥（CB）；馬鈴薯—蕎麥（PB）；燕麥—蕎麥（OB）；蕎麥—蕎麥（BB，CK），每個(gè)處理重復(fù) 3 次，共計(jì)18 個(gè)小區(qū)，小區(qū)面積為389 m2。其中，2018 年5 月 1 日播種玉米，5 月 3 日播種油菜、馬鈴薯，5 月25 日播種燕麥和蕎麥。油菜、燕麥和蕎麥播種行距為20 cm，玉米播種行距為50 cm，馬鈴薯播種行距為60 cm；播種量分別為油菜15 kg/hm2，玉米20.25 kg/hm2，馬鈴薯 1 500 kg/hm2，燕麥 60 kg/hm2，蕎麥30 kg/hm2；隨播種一次性基施NPK 復(fù)合肥600 kg/hm2（N∶P2O5∶K2O＝18%∶18%∶18%，購(gòu)于山西天脊煤化工集團(tuán)有限公司）。于2018 年9 月19 日收獲上述作物，并粉碎秸稈全量翻壓還田，還田深度為25 cm。

2019 年在2018 年的基礎(chǔ)上，所有處理統(tǒng)一播種蕎麥，6 月30 日播種，行距12 cm，播種量22.5 kg/hm2，基施磷酸二銨 150 kg/hm2（N∶P2O5∶K2O＝18%∶46%∶0，購(gòu)于云南三環(huán)中化化肥有限公司）。2019 年9 月25 日收獲蕎麥，并粉碎秸稈全量翻壓還田，還田深度為25 cm。

1.4 土壤樣品采集

土壤樣品于2019 年9 月蕎麥?zhǔn)斋@后采集，各處理用環(huán)刀取0～20、20～40 cm 剖面土壤樣品，取回后立即進(jìn)行土壤容重、總孔隙度、毛管孔隙度和田間持水量的測(cè)定。

1.5 測(cè)定項(xiàng)目及方法

土壤容重、總孔隙度、毛管孔隙度和田間持水量均采用環(huán)刀法進(jìn)行測(cè)定[12]。

式中，W0為環(huán)刀質(zhì)量（g）；W1為飽和質(zhì)量（g）（環(huán)刀內(nèi)土壤充分吸水直至飽和）；W2為環(huán)刀內(nèi)土壤吸水至飽和排出重力水后質(zhì)量（g）（環(huán)刀內(nèi)土壤充分吸水至飽和后靜置12 h）；W3為烘干土質(zhì)量＋環(huán)刀質(zhì)量（g）；V為環(huán)刀體積（cm3）。

1.6 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

采用Microsoft Excel（2016）進(jìn)行數(shù)據(jù)分析；采用SAS v8.0 軟件進(jìn)行one-way ANOVA 方差分析；采用Duncans 新復(fù)極差法進(jìn)行多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同輪作模式對(duì)土壤容重的影響

由圖 1 可知，各輪作模式下（PB、OB 除外）土壤容重隨土層加深呈現(xiàn)出增加趨勢(shì)，與蕎麥連作（CK）相比，油菜—蕎麥（RB）、玉米—蕎麥（CB）輪作模式下0～40 cm 土層土壤容重降低，馬鈴薯—蕎麥（PB）、燕麥—蕎麥（OB）輪作模式下 0～40 cm 土層土壤容重增加。其中，在0～20 cm 土層中，與蕎麥連作（CK）相比，油菜—蕎麥（RB）和玉米—蕎麥（CB）輪作模式下土壤容重降低，但差異不顯著，馬鈴薯—蕎麥（PB）、燕麥—蕎麥（OB）輪作模式下土壤容重分別顯著增加12.41%和13.03%；20～40 cm土層中，與蕎麥連作（CK）相比，各輪作模式下的土壤容重?zé)o顯著變化，變化趨勢(shì)與0～20 cm 土層基本保持一致。說明油菜—蕎麥、玉米—蕎麥輪作模式可降低土壤容重，但由于輪作年限較短，土壤容重變化差異并不顯著。

2.2 不同輪作模式對(duì)土壤孔隙度的影響

從表1 可以看出，各輪作模式下（CB 除外）土壤總孔隙度隨土層加深而減??；總體來看，與蕎麥連作（CK）相比，各輪作模式下（OB 除外）0～40 cm土層土壤總孔隙度均增加。其中，在0～20 cm 土層中，油菜—蕎麥（RB）輪作模式下土壤總孔隙度顯著增加33.48%，其他輪作模式下無明顯變化；20～40 cm 土層中，與 CK 相比，除 OB 外，其余輪作模式土壤總孔隙度均有所增加，差異均呈顯著水平，以油菜—蕎麥輪作模式增幅最大。

表1 不同輪作模式不同深度土壤總孔隙度的變化 %

對(duì)不同輪作模式下不同土層土壤毛管孔隙度變化進(jìn)行分析，結(jié)果表明（表2），土壤毛管孔隙度的變化趨勢(shì)與土壤總孔隙度基本保持一致。其中，在0～20 cm 土層中，油菜—蕎麥（RB）輪作模式下土壤毛管孔隙度較CK 顯著增加48.16%；20～40 cm土層中，油菜—蕎麥（RB）、玉米—蕎麥（CB）輪作模式下土壤毛管孔隙度分別較CK 顯著增加51.34%和50.25%。表明輪作可改善土壤孔隙狀況，有利于增強(qiáng)土壤通氣、通水和保水能力，以油菜—蕎麥輪作模式效果最佳。

表2 不同輪作模式不同深度土壤毛管孔隙度的變化 %

2.3 不同輪作模式對(duì)土壤田間持水量的影響

由表3 可知，各輪作模式下（PB 除外）土壤田間持水量隨土層加深呈現(xiàn)出降低趨勢(shì)，與蕎麥連作（CK）相比，各輪作模式下0～40 cm 土層土壤田間持水量均值均增加。其中，在0～20 cm 土層中，油菜—蕎麥（RB）、玉米—蕎麥（CB）輪作模式下土壤田間持水量分別較CK 顯著增加50.77%和18.73%；20～40 cm 土層中，油菜—蕎麥（RB）輪作模式下土壤田間持水量較CK 顯著增加61.01%。表明輪作可增加土壤田間持水量，有利于提高土壤保水能力以及作物對(duì)土壤水分的有效利用，其中，油菜—蕎麥輪作模式下土壤田間持水量增幅最大，對(duì)其改善效果最佳。

表3 不同輪作模式不同深度土壤田間持水量的變化 %

3 結(jié)論與討論

土壤容重是一定容積的土壤（包括土粒及粒間的孔隙）烘干后質(zhì)量與烘干前體積的比值，是最重要的土壤物理性質(zhì)之一，其不僅可以較準(zhǔn)確地反映土壤物理性狀的整體狀況[8]，還可有效地指示土壤質(zhì)量和土壤生產(chǎn)力[9]。其大小與土壤質(zhì)地、結(jié)構(gòu)、有機(jī)質(zhì)含量、土壤堅(jiān)實(shí)度、耕作措施等有關(guān)[10-11]，土壤容重越小，土壤越疏松多孔；反之，土壤越緊實(shí)，其可較好地反映土壤結(jié)構(gòu)狀況[12]。本研究發(fā)現(xiàn)，土壤容重隨土層加深而增加，這與我國(guó)陸地生態(tài)系統(tǒng)土壤容重的垂直分布特征相一致，一方面是因?yàn)橥寥廊葜厥苡袡C(jī)質(zhì)含量的影響，有機(jī)質(zhì)含量越低，土壤容重越高，隨土層深度的增加，土壤有機(jī)質(zhì)含量逐漸降低，土壤容重相應(yīng)增加；另一方面，隨著土壤剖面深度的增加，土體由于超負(fù)荷的壓力而變得更加堅(jiān)實(shí)，土壤容重增大[13]。本研究表明，油菜—蕎麥、玉米—蕎麥輪作模式下0～40 cm 土層土壤容重降低，表明這2 種輪作模式可增強(qiáng)土壤疏松度、透氣性、持水能力和溶質(zhì)遷移潛力等[14]，但其變化并不顯著，這可能是由于輪作年限較短，其對(duì)土壤容重的改善作用還未達(dá)到顯著水平。

土壤孔隙度是土壤孔隙容積占土體容積的百分比，是反映土壤通透性和持水能力的重要指標(biāo)[15]，對(duì)土壤的質(zhì)地、松緊度和結(jié)構(gòu)性等有重要作用，同時(shí)也可以促進(jìn)土壤肥力的發(fā)揮和作物生長(zhǎng)發(fā)育[16]。毛管孔隙中水的毛管傳導(dǎo)率大，易于被植物吸收利用，它的大小可反映土壤保持水分的能力[17]。本研究結(jié)果表明，土壤總孔隙度和毛管孔隙度均隨土層加深而減小，這可能與上層土壤根系分布較多有關(guān)[12]。本研究中，與對(duì)照相比，各輪作模式下0～40 cm 土層土壤總孔隙度和毛管孔隙度均增加，但不同輪作模式間存在差異，這是因?yàn)橥寥赖目紫抖仁艿叵赂档纳L(zhǎng)發(fā)育狀況和凋落物的分解狀況等的影響[12]，不同作物生長(zhǎng)特性不同，由于生長(zhǎng)期間根系的穿插作用使根系直徑、數(shù)量、長(zhǎng)短以及根系分泌物等影響了土壤孔隙度的變化。本研究中，油菜—蕎麥輪作對(duì)土壤孔隙度的改善效果最佳，這可能是因?yàn)樵谕谅穹绞较?，相同時(shí)間跨度，油菜較其他作物秸稈腐解率大，返還到土壤中的有機(jī)質(zhì)較多，從而增大了土壤孔隙。

土壤田間持水量是一個(gè)水分常數(shù)，反映了土壤的特征含水量，是植物有效水分的上限，是衡量土壤保水性能的重要指標(biāo)[18-19]。本研究發(fā)現(xiàn)，土壤田間持水量隨土層加深而降低，與孔隙度變化一致。這是因?yàn)橛绊懱镩g持水量的主要因素是容重、有機(jī)質(zhì)含量和機(jī)械組成，田間持水量隨黏粒含量和有機(jī)質(zhì)含量的增大而增大[20]，而孔隙度的變化又與土壤容重有關(guān)。本試驗(yàn)中，土壤容重隨土層加深而增加，孔隙度隨土層加深而降低，因此土壤黏粒含量減小，田間持水量相應(yīng)減小。本研究結(jié)果表明，各輪作模式下0～40 cm 土層土壤田間持水量均增加，以油菜—蕎麥輪作效果最好，與土壤孔隙度的研究結(jié)果類似。一方面可能是因?yàn)榭紫抖茸兓绊懱镩g持水量；另一方面可能是因?yàn)橛筒嗽谙嗤瑫r(shí)間內(nèi)秸稈腐解率較大，返還到土壤中的有機(jī)質(zhì)較多，土壤中有機(jī)質(zhì)含量增加，田間持水量隨之增加。因此，油菜—蕎麥輪作對(duì)土壤田間持水量的改善效果最好。

本研究結(jié)果表明，輪作可不同程度地降低該研究區(qū)土壤容重，增加土壤總孔隙度、毛管孔隙度和田間持水量，對(duì)土壤結(jié)構(gòu)的改良具有積極作用。綜合來看，油菜—蕎麥輪作模式對(duì)該研究區(qū)土壤結(jié)構(gòu)的改良效果最明顯，是該研究區(qū)較為理想的輪作模式。