綠洲灌區(qū)玉米農(nóng)田土壤團聚體組成及其穩(wěn)定性對綠肥還田方式的響應(yīng)*

呂奕彤, 于愛忠, 呂漢強, 王玉瓏, 蘇向向, 柴 強

(甘肅農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院/甘肅省干旱生境作物學重點實驗室 蘭州 730070)

土壤作為作物生長的重要載體, 能夠為其生長提供養(yǎng)分、水分及物理支撐等條件。土壤物理結(jié)構(gòu)是評價土壤質(zhì)量的重要內(nèi)容, 良好的土壤結(jié)構(gòu)能夠蓄水保肥、促進水肥協(xié)調(diào)供應(yīng)和為根系延伸提供有利條件[1]。研究發(fā)現(xiàn), 土壤團聚體特征、容重等受管理措施、土壤有機質(zhì)含量、水分條件等因素影響[2-4]。綠肥是中國傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的精華, 其在改善土壤理化性狀方面發(fā)揮著重要作用[5-7]; 綠肥還田能促進主栽作物對養(yǎng)分的吸收利用, 改善土壤理化性狀、蓄水保墑和固持土壤無機氮[8-10]。季節(jié)性休閑耕地種植綠肥,其發(fā)達的根系在土壤中持續(xù)活動以及還田后腐殖化作用, 可改良土壤團粒結(jié)構(gòu)、增加大團聚體數(shù)量、降低土壤容重, 使土壤保持良好的通透性, 同時增加土壤有機質(zhì)、礦化富集微量元素, 達到休耕養(yǎng)地的目的[11-12]。研究表明, 頻繁耕作將破壞土壤物理結(jié)構(gòu), 同科作物長期連作致使土壤肥力失衡, 從而降低土壤質(zhì)量, 導(dǎo)致減產(chǎn)[13-14]。休閑期裸露地表不僅增加無效耗水、降低利用效率, 而且加重了耕地質(zhì)量惡化[15]; 將豆科(Leguminosae)綠肥與禾本科(Gramineae)作物輪作, 能有效改善農(nóng)田土壤肥力[16]。豫南稻區(qū)研究發(fā)現(xiàn), 綠肥還田造成團聚體分布變化,但團聚體穩(wěn)定性并未改變[17]; 旱作農(nóng)業(yè)區(qū)提前翻壓綠肥會降低土壤水分儲備, 綠肥還田利用方式對土壤團粒結(jié)構(gòu)等土壤物理性狀的影響因不同區(qū)域存在差異[18-21]。

西北綠洲灌區(qū)小麥(Triticum aestivumL.)、玉米(Zea mayzL.)主栽作物長期連作, 并采用鏵式犁翻耕, 對土壤擾動頻繁, 造成表土細碎等問題[22]。該地域關(guān)于綠肥還田利用方式對土壤質(zhì)量的影響研究不足, 造成對綠肥生態(tài)效應(yīng)的科學評價缺乏必要理論支撐。本研究通過分析麥后復(fù)種綠肥不同還田利用方式對翌年輪作玉米田土壤主要物理特征的影響,以期為區(qū)域內(nèi)選擇適宜的綠肥還田利用方式提供理論依據(jù)和技術(shù)參考。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

田間試驗于甘肅農(nóng)業(yè)大學武威綠洲農(nóng)業(yè)綜合試驗站(103°5′E, 37°31′N)進行。該區(qū)屬寒溫帶干旱氣候區(qū), 海拔接近1800 m, 平均氣溫約7.2 ℃, 日照時數(shù)2945 h。多年平均降水量不足160 mm, 主要集中在7—9月, 但年蒸發(fā)量接近2500 mm, 屬于典型的綠洲農(nóng)業(yè)灌溉區(qū)。土壤以灌漠土為主, 粉砂壤質(zhì), 結(jié)構(gòu)均一。作物以玉米、小麥為主, 小麥收獲后多采用傳統(tǒng)翻耕休閑。兩年(2018—2019年)玉米生育期內(nèi)平均降雨量與日均氣溫變化如圖1所示。

1.2 試驗設(shè)計

田間試驗始于2016年, 為了消除年際間氣候因子變異對試驗結(jié)果的影響, 本試驗在同一試驗田內(nèi)采用雙序列輪作設(shè)計(表1)。

表1 2016—2019年田間試驗的輪作序列Table 1 Rotation sequences of the field experimental from 2016 to 2019

試驗田設(shè)5個處理, 試驗處理與代碼如表2所示。每個處理3次重復(fù), 隨機區(qū)組排列, 小區(qū)面積54 m2(6 m×9 m)。玉米品種為‘先玉335’, 小麥品種為‘永良4號’, 綠肥為箭 筈 豌豆(Vicia sativaL.)‘蘭箭2號’。玉米覆膜平作, 播種密度為8.25萬株·hm-2, 行距40 cm; 春小麥條播, 播種密度為675萬?！m-2,行距12 cm; 箭筈豌豆條播, 播量為75 kg·hm-2, 行距15 cm。作物播種時間如表3所示。

表2 不同處理代碼、綠肥還田方式及作物種植方式Table 2 Codes, green manure utilization and crop planting patterns of different treatments

表3 2017—2019年作物播種日期(月-日)Table 3 Crop sowing date (month-day) from 2017 to 2019

玉米生育期灌水總量4050 m3·hm-2, 依次在玉米拔節(jié)期(900 m3·hm-2)、大喇叭口期(750 m3·hm-2)、抽雄吐絲期(900 m3·hm-2)、灌漿初期(750 m3·hm-2)與灌漿中期(750 m3·hm-2)灌水; 小麥生育期灌水總量2400 m3·hm-2, 依次在小麥苗期(750 m3·hm-2)、孕穗期(900 m3·hm-2)與灌漿期(750 m3·hm-2)灌水, 水表計量。玉米施肥制度與當?shù)馗弋a(chǎn)田一致, 總施氮量為360 kg·hm-2, 比例為基肥108 kg·hm-2(30%)、大喇叭口期追肥180 kg·hm-2(50%)、灌漿期追肥72 kg·hm-2(20%), 施P2O5180 kg·hm-2, 全做基肥;春小麥施氮180 kg·hm-2, P2O590 kg·hm-2, 全做基肥;復(fù)種綠肥不施肥。氮肥為尿素, 磷肥為磷酸二銨。灌水施肥采用膜下滴灌水肥一體化技術(shù)。

1.3 測定指標與計算方法

1.3.1 土壤團聚體組成

試驗于2018年9月23日、2019年9月27日玉米收后在田間取0～30 cm土層土壤樣品, 每10 cm為一層, 五點取樣法, 3次重復(fù)。土壤團聚體組成使用土壤團粒分析儀(DM 200-II 上海)進行濕篩分級,篩徑分別為2 mm、1 mm、0.5 mm和0.25 mm, 通常將粒徑≥0.25 mm的團聚體劃分為大團聚體。根據(jù)式(1)計算所得各粒級團聚體質(zhì)量百分比[23]。

式中:Ai為某粒級團聚體的質(zhì)量分數(shù)(%),Gi為該粒級團聚體的烘干質(zhì)量(g),MT為團聚體總質(zhì)量(g)。

1.3.2 容重

使用環(huán)刀采集土壤樣品(100 cm3), 105 ℃下烘干稱重, 根據(jù)式(2)計算容重[24]。

式中:P為某層土壤的容重(g·cm-3),M為質(zhì)量(g),V為體積(cm3)。

1.3.3 平均重量直徑(MWD)和幾何平均直徑(GMD)

MWD和GMD是衡量土壤團聚體穩(wěn)定性的重要指標, 其值在一定程度可以體現(xiàn)團粒結(jié)構(gòu)的團聚程度, MWD和GMD越大, 團聚體穩(wěn)定性越高, 計算公式如下[25-26]:

式中: MWD和GMD單位為(mm),為某級別團聚體平均直徑(mm),iW為該級別團聚體所占比例(%)。

1.3.4 土壤團聚體分形維數(shù)

分形維數(shù)(D)數(shù)值大小可用來衡量土壤緊實程度, 采用楊培嶺等[27]推導(dǎo)出的公式:

對式(5)兩側(cè)取對數(shù)得:

式中:為某級團聚體平均直徑(mm),為團聚體的最大粒徑(mm),Mi為粒徑小于的團聚體重量和(g),MT為團聚體總重量(g)。

1.3.5 土壤平均質(zhì)量比表面積(MWSSA)

土壤平均質(zhì)量比表面積基于土壤界面過程思想與平均直徑方法來構(gòu)建, 公式如下[28]:

式中:MWSSA為平均質(zhì)量比表面積(cm2·g-1),di為某粒級的平均直徑(mm),iW為與di相對應(yīng)粒級的質(zhì)量分數(shù)(%)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

所有數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2016記錄整理、Origin 2017作圖, 使用SPSS 25.0進行單因素方差分析(One Way-ANOVA)、Duncan法多重比較(α=0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同綠肥還田方式下團聚體組成

麥后復(fù)種綠肥不同還田利用方式對玉米田各土層各粒級團聚體含量影響顯著(圖2)。兩年研究結(jié)果表明, 0～30 cm土層內(nèi), 大團聚體(直徑≥0.25 mm)含量均隨土壤深度的增加而降低, 微團聚體(直徑＜0.25 mm)變化趨勢相反。從不同土層來看, 各處理團聚體粒級分布均主要集中在0.25～0.5 mm粒級,占總量的37.8%～49.3%; 其次為＜0.25 mm粒徑, 占總量的26.8%～44.3%; 粒級≥2.0 mm團聚體含量最少, 僅占2.3%～4.5%。與傳統(tǒng)翻耕不復(fù)種綠肥(CT)相比, 4個綠肥還田處理均顯著提高了各土層大團聚體的含量(P＜0.05); 其中綠肥地表覆蓋免耕(NTG)各土層大團聚體增加量比CT處理提高15.3%～23.7%(P＜0.05)。相對于CT, NTG與根茬免耕(NT)處理在10～20 cm 土層增幅最大(23.4%～23.7%和22.5%～23.2%)。在大團聚體中, 1.0～2.0 mm粒級, 綠肥還田處理與CT相比增幅最大, 20～30 cm土層,NTG處理顯著高于其他處理; 0～20 cm土層內(nèi), 2018年NTG處理顯著低于NT處理, 顯著高于其他處理,2019年NTG與NT處理差異不顯著, 顯著高于其他處理(P＜0.05)。在粒級≥2.0 mm團聚體內(nèi), NTG處理含量顯著高于其他處理(P＜0.05)。綠肥還田處理均顯著降低了微團聚體含量, 與CT處理相比, NTG和NT處理分別降低26.6%～31.6%和16.3%～30.9%(P＜0.05); 與TG、T處理相比, NTG處理降低8.6%～26.8% (P＜0.05)。說明相對于傳統(tǒng)翻耕不復(fù)種綠肥, 不同綠肥還田利用方式均能提高0～30 cm土層大團聚體含量; 4種還田利用方式中, 綠肥地表覆蓋免耕提高大團聚體含量的作用最大。

2.2 不同綠肥還田方式下土壤團聚體平均重量直徑(MWD)與幾何平均直徑(GMD)

不同綠肥還田利用方式對MWD與GMD影響顯著(表4)。兩年研究結(jié)果表明, 與傳統(tǒng)翻耕不復(fù)種綠肥相比, 綠肥還田處理均顯著提升了MWD與GMD; MWD與GMD隨土層深度增加而降低。2018年, 綠肥全量還田條件下, NTG處理土壤團聚體MWD和GMD比CT提高16.6%～25.9%和16.5%～23.2%, 同時顯著高于TG和根茬還田處理(P＜0.05); 0～10 cm土層的MWD和GMD, NTG比CT提高16.6%和16.5%, 同時顯著高于其他綠肥還田處理(P＜0.05); 根茬還田處理NT、T處理比CT處理分別提高14.3%、4.7%和12.1%、4.86%(P＜0.05)。10～20 cm土層的MWD和GMD, NTG處理比CT和TG處理分別提高23.0%、8.2%和23.1%、6.7%, 同時顯著高于T處理(P＜0.05)。20～30 cm土層的MWD和GMD, NTG較TG、NT、T和CT分別提高9.8%、6.7%、16.7%、24.9%和7.7%、8.1%、17.4%、23.2%(P＜0.05)。2019年, 綠肥全量還田條件下NTG的MWD和GMD比CT處理分別提高17.1%～25.9%和16.9%～22.7%, 同時顯著高于TG和根茬還田處理(P＜0.05); 0～10 cm土層的MWD和GMD, NTG比CT分別提高17.1%與16.9%, 同時顯著高于其他綠肥還田處理(P＜0.05); 根茬還田處理NT、T比CT分別提高13.1%、4.3%和11.0%、4.4% (P＜0.05)。10～20 cm土層的MWD和GMD, NTG比CT和TG分別提高22.5%、22.7%和8.2%、6.5%, 同時顯著高于根茬還田處理NT、T (P＜0.05)。20～30 cm土層的MWD和GMD, NTG比TG、NT、T和CT分別提高10.0%、6.6%、17.8%、25.9%和5.9%、5.5%、16.3%、21.6%(P＜0.05)。綜合上述結(jié)果, 相對于根茬還田與傳統(tǒng)翻耕不復(fù)種綠肥, 綠肥全量還田提高了玉米農(nóng)田0～30 cm土壤團聚體穩(wěn)定性, 其中麥后復(fù)種綠肥覆蓋免耕效果最為明顯。

表4 2018年和2019年不同綠肥還田方式下土壤不同深度團聚體平均重量直徑和幾何平均直徑Table 4 Average weight diameter and geometric average diameter of soil aggregates at different soil depths under different green manure utilization patterns in 2018 and 2019 mm

2.3 不同綠肥還田方式下土壤團聚體分形維數(shù)

兩年研究結(jié)果表明, 綠肥還田對0～30 cm土層土壤團聚體分形維數(shù)影響顯著(P＜0.05); 除綠肥覆蓋免耕外, 4個處理分形維數(shù)值均隨土層深度增加而增加(圖3)。2018年, 綠肥全量還田條件下, NTG處理分形維數(shù)較CT降低0.8%～2.8%, 同時顯著低于TG和T處理(P＜0.05); 在0～10 cm土層, 綠肥全量還田NTG、TG處理比T和CT降低1.8%、2.5%和0.7%、1.5%, NTG比TG處理降低1.0%, 與NT處理差異不顯著(P＞0.05); 根茬還田處理NT和T較CT降低2.7%和0.8% (P＜0.05)。10～20 cm土層, NTG、TG處理比CT和T處理分別降低2.5%、1.6%和0.5%、1.5%, NTG比TG處理低1.0%, NTG與NT差異不顯著(P＜0.05)。20～30 cm土層, TG、T、NTG與NT比CT處理分別降低1.4%、0.9%、2.8%和2.5%,NTG比TG、T處理分別降低1.4%、2.0% (P＜0.05)。2019年, 綠肥免耕還田條件下NTG和NT處理分形維數(shù)較CT降低2.5%～2.9%和2.3%～2.4%, NTG與NT處理分形維數(shù)顯著低于TG和T處理(P＜0.05);0～10 cm土層, 綠肥全量還田處理NTG、TG比T和CT處理降低1.9%、2.6%和0.9%、1.6%, NTG比TG處理降低 1.0%, 與根茬免耕處理差異不顯著(P＜0.05); 翻耕還田處理TG、T較CT降低1.6%和0.6% (P＜0.05)。10～20 cm土層, NTG較CT、TG和T降低2.5%、1.1%和1.8%, 與根茬免耕處理差異不顯著(P＜0.05)。20～30 cm土層, NTG、NT比TG、T和CT降低1.4%、2.1%、2.9%和0.9%、1.6%、2.4%,NTG比NT處理降低0.6% (P＜0.05)。說明不同綠肥還田利用方式均能降低分形維數(shù), 能夠顯著增加土壤團聚體穩(wěn)定性; 其中綠肥覆蓋免耕效果最顯著。

2.4 不同綠肥還田方式下土壤團聚體平均質(zhì)量比表面積(MWSSA)

如圖4所示, MWSSA受不同綠肥還田利用方式影響顯著。兩年研究結(jié)果表明, 綠肥還田顯著提高0～30 cm土層內(nèi)MWSSA, MWSSA均隨土壤深度的增加而降低(P＜0.05)。2018年, 綠肥免耕還田條件下NTG和NT處理平均質(zhì)量比表面積顯著高于CT、TG和T處理。在0～10 cm土層, NTG、NT處理比TG、T和CT提高7.0%、9.0%、13.0%和5.7%、7.7%、11.6%, NTG處理比NT處理提高1.2% (P＜0.05); TG和T處理較CT提高5.6%和3.6% (P＜0.05)。10～20 cm土層, NTG、NT處理較CT、TG和T提高17.3%、7.0%、9.1%和15.7%、5.6%、7.7%, 同時NTG處理顯著高于NT處理(P＜0.05)。20～30 cm土層, NTG、NT比TG、T和CT提高8.3%、12.3%、19.0%和3.1%、6.9%、13.2%, NTG處理比NT處理提高5.1%(P＜0.05)。2019年, 綠肥全量還田條件下NTG和NT處理MWSSA較CT提高13.3%～19.7%和10.6%～14.5%, 同時顯著高于TG和T處理(P＜0.05);在0～10 cm土層, 綠肥免耕還田處理NTG、NT比TG、T和CT處理提高6.6%、9.7%、13.3%和4.0%、7.0%、10.6%, NTG處理比NT處理提高2.5%(P＜0.05); 綠肥翻壓還田處理TG、T較CT提高6.3%和3.3%(P＜0.05)。10～20 cm土層, NTG、NT處理比CT、TG和T提高16.9%、7.0%、10.3%和14.5%、4.8%、8.1%, NTG處理比NT處理提高2.1%(P＜0.05)。20～30 cm土層, NTG、NT處理比TG、T和CT提高8.5%、13.1%、19.7%和3.2%、7.7%、13.9%,NTG處理比NT處理提高5.1%(P＜0.05)。說明不同綠肥還田利用方式均能夠增加土壤團聚體平均質(zhì)量比表面積, 其中綠肥覆蓋免耕提升效果最顯著, 是提升平均質(zhì)量比表面積較優(yōu)的還田利用方式。

2.5 不同綠肥還田方式下土壤容重的變化

不同綠肥還田方式對土壤容重影響顯著(圖5)。兩年研究結(jié)果表明, 各處理土壤容重均隨土層深度的增加而升高。2018年, 綠肥翻壓還田容重顯著低于綠肥免耕還田與傳統(tǒng)翻耕不復(fù)種綠肥。在0～10 cm土層, TG、T處理較NTG、NT和CT處理分別降低3.2%、4.2%、2.9%和1.0%、2.0%、0.7%, TG處理顯著低于T處理, NTG處理與CT處理差異不顯著,NT處理顯著高于CT處理(P＜0.05)。10～20 cm土層,TG、T處理較NTG、NT和CT處理分別降低2.5%、4.0%、2.2%和1.6%、3.2%、1.4%, TG處理顯著低于T處理, NTG處理與CT處理差異不顯著, NT處理顯著高于CT處理(P＜0.05)。20～30 cm土層, TG、T處理較NTG、NT和CT處理降低4.6%、6.4%、4.1%和3.4%、5.2%、2.9%, TG處理顯著低于T處理(P＜0.05), NTG處理與CT處理差異不顯著(P＞0.05),NT處理容重顯著高于CT處理(P＜0.05)。2019年,0～10 cm土層, TG、T處理較NTG、NT和CT處理降低3.2%、4.9%、4.1%和0.5%、2.2%、1.4%, TG處理顯著低于T處理(P＜0.05); NTG處理比CT和NT處理分別降低0.9%和1.7%, NT處理比CT處理提高0.9%(P＜0.05)。10～20 cm土層, TG、T處理較NTG、NT和CT處理分別降低2.2%、3.8%、2.4%和1.6%、3.2%、1.8%, TG處理顯著低于T處理, NTG處理與CT處理差異不顯著(P＞0.05), NT處理比CT處理提高1.4%(P＜0.05)。20～30 cm土層, TG、T處理較NTG、NT和CT處理分別降低4.1%、6.1%、4.7%和3.4%、5.4%、4.0%, TG處理顯著低于T處理(P＜0.05), NTG處理比CT和NT處理分別降低0.6%和2.1%, NT處理比CT處理提高1.5%(P＜0.05)。與傳統(tǒng)翻耕不復(fù)種綠肥相比, 綠肥翻壓還田能夠降低0～30 cm土壤容重; 綠肥覆蓋免耕具有降低土壤容重的潛質(zhì), 能夠在一定程度上緩解免耕造成土壤耕層緊實問題。

3 討 論

3.1 土壤團聚體組成對綠肥還田的響應(yīng)

土壤團聚體組成及其穩(wěn)定性決定了土壤養(yǎng)分存儲、蓄水保墑與抗侵蝕等能力高低[29], 大團聚體(直徑≥0.25 mm)含量在一定程度上可作為評價土壤結(jié)構(gòu)特征的指標。本研究發(fā)現(xiàn), 綠肥還田能夠提高土壤大團聚體含量, 4種還田利用方式中以綠肥免耕覆蓋效果最為顯著; 1.0～2.0 mm團粒增幅最高; 綠肥覆蓋免耕對＞2.0 mm粒級團聚體提升最大。前人研究結(jié)果表明, 綠肥還田能夠改善土壤狀況, 歸因于綠肥根系的活動, 根系有機體有利于土壤結(jié)構(gòu)的形成, 種植綠肥能夠增加土壤大團聚體含量, 而土壤大團聚體有利于C的富集, 對于C、N的固持速率高于礦化損失, 同時綠肥還田為土壤提供的有機質(zhì)是團粒結(jié)構(gòu)形成過程中優(yōu)良的黏合劑[1,6,30]; 與綠肥還田相似的秸稈還田也能夠增加土壤有機質(zhì)、促進水穩(wěn)性團聚體的形成[31-32]。此外, 耕作方式是影響土壤團聚體形成的另一因素, 免耕能夠顯著提升土壤大團聚體含量、土壤含水量和改良土壤結(jié)構(gòu)[33]。其主要原因在于, 與免耕相比, 傳統(tǒng)翻耕加劇了對耕層土壤的擾動, 破壞了土壤大團聚體結(jié)構(gòu), 導(dǎo)致土壤團聚體重新分布, 加速團聚體周轉(zhuǎn), 阻礙土壤自身的調(diào)節(jié)作用與恢復(fù)過程, 進而破壞了土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和連續(xù)性[15]。河西綠洲灌區(qū)降水多集中在小麥收后的8月、9月, 復(fù)種綠肥與刈割覆蓋不僅能夠減緩?fù)寥缆懵秾?dǎo)致的風蝕水蝕, 而且能夠阻止水分無效損失, 使大量降水保蓄在土壤內(nèi)[34]。

3.2 土壤團聚體穩(wěn)定性對綠肥還田的響應(yīng)

土壤團聚體穩(wěn)定性能夠直接反映土壤的退化程度。平均重量直徑(MWD)和幾何平均直徑(GMD)是衡量土壤團聚體穩(wěn)定性的指標, 其值越高, 表示粒徑團聚度越高, 穩(wěn)定性越強, 反之越差[25-26]。土壤分形維數(shù)是反映土壤顆粒與微團聚體組成的參數(shù), 可作為評價土壤結(jié)構(gòu)質(zhì)量的綜合指標, 數(shù)值越小表明土壤質(zhì)量越高, 常與平均質(zhì)量比表面積同時用來表征土壤結(jié)構(gòu)受破壞程度與分散性[24]。本研究發(fā)現(xiàn),綠肥還田能夠提升各個土層MWD、GMD值, 其中以綠肥覆蓋免耕的提升最為明顯; 所有處理MWD與GMD值均隨土壤深度增加而降低, 這與其他研究者所做秸稈覆蓋免耕研究的變化趨勢不一致, 可能是覆蓋方式不同導(dǎo)致, 小麥收后僅將秸稈覆蓋在地表, 而綠肥在小麥收后(7月)至盛花期翻壓(10月)約有3個月的生長期, 對土壤的影響更為立體與長遠[35-36]。同時綠肥還田降低了土壤團聚體的分形維數(shù), 增加了平均質(zhì)量比表面積(MWSSA), 以綠肥免耕覆蓋改變最為有效, 而且減緩了10～30 cm土層團聚體穩(wěn)定性降低的趨勢, 可能由于綠肥還田能夠有效增加土壤有機質(zhì), 間接增加了大團聚體含量, 從而影響了分形維數(shù)。有研究發(fā)現(xiàn), 灌木叢土壤由于長期演替向土壤歸還大量凋落物, 腐殖質(zhì)積累較多,增加有機質(zhì)的同時形成物理保護, 還能夠較好地留存蓄積水分, 綠肥覆蓋能夠減緩雨滴沖擊, 減小了由大團聚體破碎造成的微團聚體增加[37-38]。本研究中所設(shè)對土壤結(jié)構(gòu)具有保護作用的綠肥覆蓋免耕與根茬免耕措施下, MWSSA值較高, 但有研究者認為MWSSA值越低, 土壤結(jié)構(gòu)越好[39], 說明MWSSA在評價土壤質(zhì)量時存在不確定性[40]。

3.3 土壤容重對綠肥還田的響應(yīng)

土壤容重是評價土壤質(zhì)量的另一重要指標, 反映土壤緊實程度。過于疏松的土壤不能為植株根系提供足夠的物理支撐, 蓄水保墑能力差, 養(yǎng)分易隨降水或灌水流失; 過于緊實的土壤也不利于植株根系伸長生長, 土壤通氣性差, 易產(chǎn)生地表徑流[41]。本研究發(fā)現(xiàn), 相較于傳統(tǒng)翻耕, 綠肥全量翻壓還田能夠降低各土層土壤容重; 而綠肥覆蓋免耕措施下, 與傳統(tǒng)翻耕相比, 各土層容重基本保持不變或降低。已有研究表明, 小麥秸稈、玉米秸稈與綠肥等有機物還田能夠提升土壤孔隙度, 降低土壤容重[42-43]。與翻耕相比,免耕減少了對土壤的擾動, 使表層土壤容重增加,綠肥與秸稈類似, 是一種密度較低的生物炭源, 還入土壤后會起到‘稀釋作用’, 從而降低土壤密度, 增加水分滲入土壤的速率, 進而改善土壤質(zhì)量[4,44]?？偟膩碚f, 在禾本科作物連作頻繁、土壤壓力較大的內(nèi)陸干旱灌區(qū), 綠肥覆蓋免耕措施能夠在不增加土壤容重的前提下提升土壤大團聚體含量, 改善土壤質(zhì)量。

綜上所述, 本研究發(fā)現(xiàn), 綠肥覆蓋免耕相對于其他還田利用方式更能有效改善土壤團聚體特性。然而, 進入土壤中的植物有機殘體在土壤中的腐殖化過程受諸多因素影響, 同時其對土壤結(jié)構(gòu)的影響亦需要較長時間才能顯現(xiàn)出來[45]。因此, 干旱內(nèi)陸氣候背景下, 不同綠肥還田方式對農(nóng)田土壤團聚體組成及其穩(wěn)定性的影響與機制仍需長期觀測探究。

4 結(jié)論

與傳統(tǒng)翻耕不復(fù)種綠肥相比, 不同綠肥還田利用方式均提高了0～30 cm土層大團聚體含量與土壤團聚體穩(wěn)定性, 其中綠肥覆蓋免耕提升最為顯著;翻壓還田降低了土壤容重。相較于其他3種還田方式, 綠肥覆蓋免耕在具有保留并增加土壤大團聚體優(yōu)點的同時, 具有降低土壤容重的潛力。麥后復(fù)種綠肥地表覆蓋免耕是增加綠洲灌區(qū)土壤團聚體穩(wěn)定性及大團聚體形成, 降低土壤容重, 改善土壤質(zhì)量的適宜措施。