不同種植制度對黃土高原東部土壤物理質(zhì)量的影響

徐 偉，劉凱凱，趙文欣，張澤燕，鄭海澤，薛建福

（1.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，作物生態(tài)與旱作栽培生理山西省重點實驗室，山西太谷 030801；2.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)小麥研究所，山西臨汾 041000）

黃土高原東部土壤貧瘠，水土流失嚴重，生態(tài)環(huán)境極為脆弱[1]。長期不合理的種植制度破壞了黃土高原東部土壤物理結(jié)構(gòu)，使得該地區(qū)土壤質(zhì)量下降。土壤物理質(zhì)量直接影響著土壤生物質(zhì)量和土壤化學(xué)質(zhì)量，因而，其對研究土壤質(zhì)量至關(guān)重要[2]。種植制度是影響該地區(qū)土壤物理質(zhì)量的重要因素之一，采用合理的種植制度是改善耕層土壤物理質(zhì)量的重要措施之一。

土壤容重、孔隙度和質(zhì)量含水量是反映土壤物理質(zhì)量的重要指標[3-4]。合理的種植制度能夠改善作物水肥利用效率，同時也能夠改善土壤物理質(zhì)量[5]。一般不同種植制度對土壤物理質(zhì)量的影響有所不同。崔景明[6]在華北南部研究得出，春玉米—大豆輪作制度較春玉米連作制度降低了0～20 cm 土層的土壤容重，提高了土壤孔隙度。范倩玉等[5]在晉北地區(qū)研究得出，油菜—蕎麥和玉米—蕎麥2 種輪作模式與蕎麥連作相比，不同程度降低了0～40 cm 土層的土壤容重，增加了0～40 cm 土層土壤總孔隙度和毛管孔隙度。郭金瑞等[7]在東北基于長期定位試驗研究發(fā)現(xiàn)，與玉米—大豆輪作和大豆連作處理相比，玉米連作處理顯著降低了0～60 cm 土層的土壤容重，顯著提高了0～60 cm 土層的土壤總孔隙度。分析看出，由于氣候條件、土壤類型等方面的差異，不同種植制度對土壤物理質(zhì)量的影響有所差異。因此，因地制宜結(jié)合具體的地方特色開展基于種植制度的土壤物理質(zhì)量研究對于改善土壤物理質(zhì)量具有重要意義。

目前，關(guān)于不同種植制度對土壤物理質(zhì)量影響的研究報道較多，但有關(guān)黃土高原東部不同種植制度下土壤物理質(zhì)量變化的研究較少。本研究通過多年定位試驗，比較了玉米—小麥（CW）、玉米—小麥—綠豆—小麥（CWMW）和休閑—小麥（FW）種植制度下的土壤物理質(zhì)量，以期為改善黃土高原東部土壤物理質(zhì)量進而提高該地區(qū)冬小麥產(chǎn)量提供理論依據(jù)及技術(shù)支撐。

1 材料和方法

1.1 試驗地概況

試驗于2016—2020 年在山西省臨汾市山西農(nóng)業(yè)大學(xué)小麥研究所韓村國家試驗基地（N36°13′02″，E111°33′07″）進行。該地區(qū)海拔約445 m，為典型暖溫帶大陸半干旱季風(fēng)氣候，年均降水量約468.5 mm，年均蒸發(fā)量約1 839.4 mm，年均日照時間約為2 416.5 h，年均溫度約12.2 ℃，無霜期約197 d。試驗地土壤為壤土，0～20 cm 土壤基礎(chǔ)理化性質(zhì)如表1 所示。

表1 試驗地土壤基礎(chǔ)理化性質(zhì)

1.2 試驗材料

供試玉米品種為五谷563，綠豆品種為安綠07-2，冬小麥品種為臨優(yōu)145。

1.3 試驗方法

試驗于2016 年開始，采用單因素完全隨機試驗設(shè)計，共設(shè)置連續(xù)玉米—小麥（CW）、玉米—小麥—綠豆—小麥（CWMW）和連續(xù)休閑—小麥（FW）3 種種植制度（表2），重復(fù)3 次，試驗小區(qū)面積為667 m2。小麥播種前，進行2 次深度為15 cm 的旋耕處理。小麥播量為262.5 kg/hm2。復(fù)合肥（N∶P2O5∶K2O＝18∶25∶5）施入量為750 kg/hm2，山東農(nóng)大生物有機肥（總養(yǎng)分≥30%）施入量為600 kg/hm2。夏播作物收獲時間為2019 年10 月11 日，小麥收獲時間為2020 年6 月7 日。

表2 2016—2019 年各處理種植情況

1.4 測定項目及方法

試驗分別于2019 年夏播作物收獲后和2020 年冬小麥收獲后采用環(huán)刀法測定0～10、10～20、20～30 cm 土層土壤容重、土壤質(zhì)量含水量和土壤孔隙度并計算土壤三相分離值（R）。在試驗地取樣后馬上蓋好環(huán)刀，帶回實驗室后即刻稱質(zhì)量（包括鮮土和環(huán)刀），記為M1，然后放入鋪有紗布的托盤中吸水至飽和，待吸水到飽和后稱質(zhì)量，記為M2。在105 ℃下烘干至恒質(zhì)量，記為M3。最后將環(huán)刀中的土壤除去后烘干稱質(zhì)量，記為M0。

1.4.1 土壤容重 土壤容重是表征土壤緊實的重要參數(shù)[8]。

式中，ρb為土壤容重（g/cm3）；M3為烘干后干土與環(huán)刀質(zhì)量（g）；M0為環(huán)刀質(zhì)量（g）；V 為環(huán)刀體積（cm3）。

1.4.2 土壤質(zhì)量含水量 土壤質(zhì)量含水量是指單位體積土壤中的水分質(zhì)量與干土質(zhì)量的比值。

式中，θg為質(zhì)量含水量（%）；M1為新鮮土壤與環(huán)刀質(zhì)量（g）。

1.4.3 土壤孔隙度 土壤總孔隙度通過土壤容重和土壤密度計算得出[9]。

式中，Pt為土壤總孔隙度（%）；Pd為土壤顆粒密度，一般是2.63～2.67 g/cm3，本研究采用平均值2.65 g/cm3[10]。

土壤充氣孔隙度采用土壤總孔隙度與土壤體積含水量的差值，通過公式（4）和（5）計算。

式中，Pc為毛管孔隙度（%）；θc為毛管含水率（%）；M2為土壤吸水飽和狀態(tài)下和環(huán)刀的質(zhì)量（g）。1.4.4 土壤三相分離值（R） 土壤三相分離值是指土壤中固、液、氣3 個指標的比值[11]。

式中，R 為所測土樣三相比與理想狀態(tài)下土壤三相比在空間距離上的差值，X、Y、Z 分別為固相、液相、氣相所占百分比。0.4、0.6 分別為土壤固相、氣相數(shù)據(jù)所占的權(quán)重。

1.5 統(tǒng)計分析

采用Microsoft Excel 2016 軟件進行數(shù)據(jù)分析和作圖；采用SPSS 16.0 軟件進行方差分析，并采用新復(fù)極差法（Duncan）檢驗各制度間差異顯著性（P＜0.05）。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同種植制度對土壤容重的影響

由圖1 可知，各種植制度處理下土壤容重隨土層的增加呈現(xiàn)上升趨勢。夏播作物收獲后，在0～10 cm 土層，CWMW 處理土壤容重分別較CW 和FW 處理顯著提高了10.4%和15.0%（P＜0.05），且CW 與FW 處理間差異不顯著。小麥收獲后，CW 處理下10～20 cm 土層的容重分別較CWMW 和FW處理顯著降低了15.2%和14.1%（P ＜0.05），但CWMW 與FW 處理之間差異不顯著。

2.2 不同種植制度對土壤質(zhì)量含水量的影響

夏播作物收獲后與冬小麥收獲后的土壤質(zhì)量含水量相差較大（圖2）。夏播作物收獲后0～30 cm土層及冬小麥收獲后0～20 cm 土層土壤的質(zhì)量含水量在各處理間差異均不顯著。冬小麥收獲后CWMW 處理的20～30 cm 土層土壤質(zhì)量含水量分別較CW 和FW 處理顯著降低了19.7%和13.9%（P＜0.05）。

2.3 不同種植制度對土壤總孔隙度的影響

夏播作物收獲后10～30 cm及冬小麥收獲后0～10、20～30 cm 土層的土壤總孔隙度在各處理間差異均不顯著（圖3）。夏播作物收獲后CWMW 處理下0～10 cm 土層土壤總孔隙度較CW 和FW 處理分別顯著降低9.2%和12.2%。冬小麥收獲后CW 處理下10～20 cm 土層的土壤總孔隙度分別較CWMW和FW 處理顯著提高了21.6%和19.8%（P＜0.05）。

夏播作物收獲后20～30 cm 及冬小麥收獲后0～10、20～30 cm 土層的土壤充氣孔隙度在各處理間差異均不顯著（圖3）。夏播作物收獲后CW 和FW 處理下0～10 cm 土層的土壤充氣孔隙度較CWMW 處理分別顯著提高了51.4%和57.8%，CW處理下10～20 cm 土層的土壤充氣孔隙度較FW處理顯著提高了36.0%（P＜0.05）。冬小麥收獲后CW 處理下10～20 cm 土層的土壤充氣孔隙度較CWMW 和FW 處理分別顯著提高了25.3%和22.6%（P＜0.05）。

2.4 不同種植制度對土壤毛管孔隙度的影響

夏播作物收獲后20～30 cm 及冬小麥收獲后0～10 cm 土層的毛管孔隙度在各處理間差異均不顯著（圖4）。夏播作物收獲后和冬小麥收獲后CW處理下10 ～20 cm 土層的土壤毛管孔隙度較CWMW 處理分別顯著提高12.1%和14.4%（P＜0.05），較FW 處理分別顯著提高9.6%和12.7%（P＜0.05）。夏播作物收獲后CWMW 處理下0～10 cm 土層土壤的毛管孔隙度顯著低于CW 和FW 處理（P＜0.05），且CW 和FW 處理之間差異不顯著。冬小麥收獲后CW 處理下20～30 cm 土層土壤毛管孔隙度與CWMW 和FW 處理間差異均不顯著，但FW 處理毛管孔隙度較CWMW 處理顯著提高了3.8%（P＜0.05）。

2.5 不同種植制度對土壤三相分離值（R）的影響

夏播作物收獲后20～30 cm 及冬小麥收獲后0～10 cm 土層的R值在各處理間差異均不顯著（圖5）。夏播作物收獲后CWMW 處理下0～10 cm 土層的R值較CW 和FW 處理分別顯著增加了102.1%和62.8%（P＜0.05），而CW 與FW 處理之間差異不顯著；FW 處理下10～20 cm 土層的R 值較CW 和CWMW 處理分別顯著增加43.6%和23.2%（P＜0.05），而CW 與CWMW 處理之間差異不顯著。冬小麥收獲后CW 處理下10～20 cm 土層的R 值較CWMW 和FW 處理分別顯著提高了22.7%和19.5%（P＜0.05），CWMW 與FW 處理之間差異不顯著；FW 處理下20～30 cm 土層的R 值與其他2 個處理間差異均不顯著，但是CWMW 處理較CW 處理顯著提高13.6%（P＜0.05）。

3 討論

3.1 不同種植制度對土壤容重及土壤孔隙度的影響

土壤孔隙度是指單位體積土體內(nèi)孔隙體積所占的百分比，土壤容重是指單位容積原狀土壤干土的質(zhì)量，二者均可反映土壤緊實和充氣狀況等，是表征土壤物理質(zhì)量的重要指標[12-13]。本研究發(fā)現(xiàn)，夏播作物收獲后CW 和FW 處理較CWMW 處理顯著降低了0～10 cm 土層土壤容重，顯著提高了0～10 cm土層土壤總孔隙度和土壤充氣孔隙度，這可能是因為相對于CWMW 處理，CW 處理前茬種植作物為玉米，由于玉米根系較發(fā)達且下扎較深致使該土層土壤緊實度下降[14-15]。在10～20 cm 土層，CW 處理土壤容重明顯低于CWMW 和FW 處理，CW 處理的土壤總孔隙度和土壤充氣孔隙度明顯高于CWMW 和FW 處理，這可能與玉米在該土層相對于綠豆有較為發(fā)達的根系有關(guān)[14，16]，但是其影響效果可能不及0～10 cm 土層。冬小麥收獲后CW 處理的土壤容重顯著低于CWMW 和FW 處理，CW 處理的土壤總孔隙度和土壤充氣孔隙度顯著高于C WMW 和FW 處理，這可能是該處理前幾年作物種植處理均為玉米—小麥（CW），致使在該土層玉米根系對土壤的影響效應(yīng)積累所致。在20～30 cm 土層，各處理差異均不顯著，這可能與小麥播前2 次旋耕導(dǎo)致在該土層產(chǎn)生較厚的犁底層削減了種植玉米和綠豆在該土層對土壤產(chǎn)生的效應(yīng)有關(guān)。

3.2 不同種植制度對土壤質(zhì)量含水量的影響

土壤質(zhì)量含水量能夠顯著影響土壤通氣及作物的生長發(fā)育[17-18]。本研究發(fā)現(xiàn)，夏播作物和冬小麥收獲后0～10、10～20 cm 土層土壤質(zhì)量含水量差異均不顯著，但是CW 處理較CWMW 和FW 處理明顯提高了10～20 cm 土層土壤質(zhì)量含水量，這可能與本試驗中單位面積上還田的玉米秸稈量大于綠豆秸稈量，而作物秸稈腐解產(chǎn)生的有機物質(zhì)改變了土壤中各類團聚體的形成與分布，進而對土壤水分入滲產(chǎn)生影響有關(guān)[19-20]。在20～30 cm 土層，冬小麥收獲后CW 處理較CWMW 處理顯著提高了土壤質(zhì)量含水量，這可能與該土層玉米根系生物量較綠豆更多，其腐解后促進了土壤有機質(zhì)形成，進而改善土壤蓄水性能，保蓄更多水分于土壤中有關(guān)[21-22]。

3.3 不同種植制度對土壤毛管孔隙度的影響

毛管孔隙度是指直徑小于0.1 mm 具有明顯毛管作用的孔隙，是表征土壤物理質(zhì)量優(yōu)劣的重要指標[23]。本研究得出，夏播作物收獲后，CW 處理較CWMW 處理顯著提高了0～20 cm 土層土壤毛管孔隙度，這可能與玉米根系較綠豆根系量大且更加發(fā)達有關(guān)。冬小麥收獲后20～30 cm 土層CW 處理較CWMW 處理明顯提高了土壤毛管孔隙度，這可能是因為玉米根系在該土層較綠豆根系生物量高，使得在該土層CW 處理較CWMW 處理有較高的有機質(zhì)含量，進而提高了土壤肥力[24]，促進了小麥根系生長，在一定程度降低了土壤緊實度而提高了土壤毛管孔隙度。

3.4 不同種植制度對土壤三相分離值（R）的影響

土壤三相比影響土壤的通氣、透水、供水和保水等物理性質(zhì)，是評價土壤水、肥、氣、熱相互關(guān)系的重要參數(shù)，調(diào)節(jié)合理土壤三相比進而為作物生長提供良好的水、熱、氣、肥條件也是耕作和培肥的最終目的[25-26]。R 值越小說明土壤三相分布越理想，土壤物理質(zhì)量越優(yōu)良[11]。本研究發(fā)現(xiàn)，夏播作物收獲后，CW 處理較CWMW 處理顯著降低了0～10 cm土層R 值，較FW 處理顯著降低了10～20 cm 土層R 值，說明種植玉米對0～20 cm 土層土壤物理質(zhì)量的改善效果大于種植綠豆和夏休閑。

4 結(jié)論

本研究通過對黃土高原東部冬小麥田土壤物理質(zhì)量研究可知，連續(xù)實施CW 處理較CWMW 和FW 處理在不同程度上降低了土壤容重，提高了土壤質(zhì)量含水量及土壤孔隙度，降低了R 值。整體來看，采用玉米—小麥種植制度可能更有利于改善該地區(qū)小麥田土壤物理質(zhì)量。