綠肥填閑種植對(duì)旱作冬小麥農(nóng)田耕層土壤物理性質(zhì)的影響

李 超, 王 俊,, 邢文超, 張少宏, 柳 瑞

(1.西北大學(xué) 城市與環(huán)境學(xué)院, 陜西 西安 710127; 2.陜西省地表系統(tǒng)與環(huán)境承載力 重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 陜西 西安 710127; 3.中國(guó)科學(xué)院 水利部 水土保持研究所, 陜西 楊凌712100)

黃土高原是中國(guó)典型的旱作農(nóng)業(yè)區(qū)，但干旱缺水加上嚴(yán)重的水土流失，導(dǎo)致該地區(qū)農(nóng)田土壤質(zhì)量偏低[1]。在主要糧食作物生長(zhǎng)的休閑期間，引種豆科或非豆科綠肥作物在土壤質(zhì)量提升方面發(fā)揮了重要作用，但近幾十年來(lái)，由于化肥的大面積使用而在本地區(qū)幾近消失。研究表明，這種綠肥填閑種植方式具有促進(jìn)土壤碳氮固存[2-3]，促進(jìn)微生物代謝[4]，減少養(yǎng)分淋溶[5]和抑制雜草病蟲(chóng)害等[6]多種生態(tài)環(huán)境效益。在當(dāng)前農(nóng)業(yè)“減施增效”背景下，綠肥填閑種植可望在旱作農(nóng)田土壤質(zhì)量維持與提升方面發(fā)揮巨大作用。土壤物理性狀(土壤容重、孔隙度、飽和持水量、毛管持水量、團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)等)是反映土壤質(zhì)量狀況的重要指標(biāo)[7-10]。與裸地休閑相比，綠肥填閑種植增加了有機(jī)物的輸入，同時(shí)也改變了土壤微環(huán)境，會(huì)導(dǎo)致土壤物理性狀發(fā)生顯著改變。目前，許多國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究[11]表明，綠肥填閑作物對(duì)土壤物理性質(zhì)的影響是不一致的。Blanco-Canqui等[12]進(jìn)行的文獻(xiàn)分析表明，相比傳統(tǒng)休耕，綠肥填閑種植僅在近1/3的地區(qū)導(dǎo)致土壤容重出現(xiàn)了顯著下降。Alvarez等[13]在阿根廷潘帕斯地區(qū)進(jìn)行的研究也表明，綠肥填閑種植相比休耕會(huì)略微降低土壤容重或無(wú)影響，這主要取決于綠肥種類和試驗(yàn)區(qū)域特征。Abdollahi等[14]在丹麥的研究也發(fā)現(xiàn)，綠肥填閑種植在10 a后使土壤形成了穩(wěn)定而連續(xù)的大孔隙，從而顯著改善了后茬糧食作物根系生長(zhǎng)的水分和通氣狀況。在中國(guó)黃土高原地區(qū)，劉立意等[15]研究表明綠肥作物能夠顯著改善土壤持水能力；張達(dá)斌等[16]研究表明，豆科綠肥配合長(zhǎng)期施氮能夠顯著提高土壤大團(tuán)聚體(>5 mm)比例。與豆科綠肥作物相比，非豆科綠肥通常具有更大的生物量積累，因而具有更多的根系和殘余輸入，進(jìn)而可能對(duì)土壤物理性質(zhì)產(chǎn)生更大的影響，相關(guān)研究尚未見(jiàn)報(bào)道。為此，本文基于田間定位試驗(yàn)，系統(tǒng)分析了夏閑期種植不同綠肥作物對(duì)旱作冬小麥農(nóng)田耕層土壤容重、孔隙度、飽和持水量、毛管持水量和團(tuán)聚體的影響，旨在進(jìn)一步探討綠肥填閑種植對(duì)土壤物理質(zhì)量的提升機(jī)制，為其在黃土高原旱作農(nóng)業(yè)區(qū)的推廣提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地位于中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)武黃土高原農(nóng)業(yè)生態(tài)試驗(yàn)站(35°12′N，107°44′E)。該區(qū)海拔1 220 m，屬于暖溫帶半干旱半濕潤(rùn)性季風(fēng)氣候，年均氣溫9.1 ℃，無(wú)霜期約171 d，年均蒸發(fā)量1 440 mm，年均降水量為580 mm，且季節(jié)性分布不均，多集中于夏秋季節(jié)。試驗(yàn)地土壤為黑壚土，母質(zhì)為中壤質(zhì)馬蘭黃土。土層深厚，全剖面土質(zhì)均勻疏松，通透性好，肥力中等。供試土壤基本理化性質(zhì)如下：有機(jī)質(zhì)12.0 g/kg，全氮0.8 g/kg，全磷0.66 g/kg，礦質(zhì)氮13.74 mg/kg，速效磷24.6 mg/kg，速效鉀161.39 mg/kg，土壤pH值為8.11。該研究區(qū)屬于典型旱作農(nóng)業(yè)區(qū)，種植制度為一年一熟或兩年三熟。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)始于2017年6月底前季小麥?zhǔn)斋@后，共設(shè)置4個(gè)綠肥作物處理，分別為：長(zhǎng)武懷豆單播、蘇丹草單播、懷豆/蘇丹草混播以及裸地休閑對(duì)照(CK)，每個(gè)處理重復(fù)3次，共12個(gè)小區(qū)，小區(qū)面積為6.7 m×10 m，隨機(jī)區(qū)組排列。

綠肥作物在每年6月底至7月初冬小麥?zhǔn)斋@后播種，參照本地區(qū)綠肥常規(guī)播量，懷豆處理長(zhǎng)武懷豆播量為70 kg/hm2，蘇丹草處理蘇丹草播量為35 kg/hm2，混播處理懷豆和蘇丹草播量分別為35和17.5 kg/hm2。綠肥作物于每年9月中旬使用旋耕機(jī)將地上部分直接摻入翻壓入土壤中，兩周后播種冬小麥(長(zhǎng)武134)，播量為165 kg/hm2。小麥播種時(shí)按60 kg/hm2的N和60 kg/hm2的P分別施入尿素(46%N)和過(guò)磷酸鈣(20% P2O5)作為基肥。冬小麥于次年6月底收獲。綠肥作物和冬小麥生長(zhǎng)期間無(wú)灌溉，必要時(shí)進(jìn)行人工除草。

1.3 樣品采集與測(cè)定

2021年6月底冬小麥?zhǔn)斋@后，在每個(gè)樣地按照五點(diǎn)取樣法分層挖取0—10 cm，10—20 cm土壤剖面采取原狀土樣，一部分土樣使用環(huán)刀(體積為100 cm3)采集，用于測(cè)定土壤容重、孔隙度、飽和持水量和毛管持水量。另一部分盡量保持原狀土壤結(jié)構(gòu)帶回實(shí)驗(yàn)室，將土樣在風(fēng)干過(guò)程中沿土壤自然紋理輕輕掰成1 cm左右的土塊，并去除石塊和植物根系，用于土壤團(tuán)聚體測(cè)定和有機(jī)碳測(cè)定。

(1) 土壤容重采用環(huán)刀法[17]測(cè)定。土壤孔隙度和持水量采用原狀土壤浸潤(rùn)法[18]，土壤飽和持水量和總孔隙度計(jì)算公式如下：

土壤飽和持水量(%)=

(浸泡后土質(zhì)量—烘干土質(zhì)量)/

烘干土質(zhì)量×100%

(1)

土壤總孔隙度(%)=飽和持水量×容重

(2)

土壤毛管孔隙度的測(cè)定：將浸泡至恒重的環(huán)刀置于支架上，環(huán)刀底部放置濾紙，靜置至恒重，并稱重。土壤毛管持水量、毛管孔隙度和非毛管孔隙度計(jì)算方法為：

土壤毛管持水量(%)=

(靜置后土質(zhì)量—烘干土質(zhì)量)/

烘干土質(zhì)量×100%

(3)

土壤毛管孔隙度(%)=(靜置后土質(zhì)量—

烘干土質(zhì)量)×容重×100%

(4)

土壤非毛管孔隙度(%)=土壤總孔隙度—

土壤毛管孔隙度

(5)

(2) 土壤團(tuán)聚體采用干篩法[19]測(cè)定。將孔徑分別為5，2，0.25 mm的土篩按孔徑由小到大疊放成一組套篩，放入機(jī)械振篩機(jī)中振動(dòng)10 min，稱重并計(jì)算各粒徑所占重量比例。使用下面公式(6)計(jì)算土壤團(tuán)聚體平均重量直徑(MWD，mm)，用于表征土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性[20]。

(6)

式中：Xi為某級(jí)別團(tuán)聚體的平均直徑；Wi是該粒徑團(tuán)聚體的重量百分比。

(3) 土壤有機(jī)碳測(cè)定。使用元素分析儀(EA3000)進(jìn)行，詳見(jiàn)Wang等[21]的方法。另外，于每年9月中旬綠肥翻壓時(shí)使用樣方法采集地上樣品，70 ℃烘干至恒重，稱重計(jì)算干重，用于計(jì)算綠肥生物量。

1.4 數(shù)據(jù)處理

使用Excel 2010及SPSS(25)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及統(tǒng)計(jì)分析，處理間各測(cè)定指標(biāo)差異使用單因素方差分析進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，采用Person法分析各指標(biāo)間相關(guān)性，使用Origin 2021進(jìn)行繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤容重和孔隙度

研究區(qū)不同處理土壤容重如圖1所示。與CK相比，蘇丹草和混播處理在0—10 cm土層容重分別降低了4.1%和5.1%(p<0.05)，而懷豆處理與之差異不顯著。在10—20 cm土層，各處理間差異均不顯著。

注：CK為裸地休閑對(duì)照，圖中不同小寫(xiě)字母不同代表處理間差異顯著(p<0.05)。下同

不同處理土壤總孔隙度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度如圖2所示。在0—10 cm土層，蘇丹草和混播處理土壤毛管孔隙度較CK分別提高了21.6%和18.2%(p<0.05)，且蘇丹草處理顯著高于懷豆。在10—20 cm土層，各處理間毛管孔隙度無(wú)顯著差異。各處理間土壤非毛管孔隙度在0—10 cm，10—20 cm土層差異均不顯著。在0—10 cm土層，與CK相比，懷豆，蘇丹草和混播處理土壤總孔隙度較CK分別顯著提高了8.8%，19.2%和19.1%(p<0.05)，且蘇丹草處理顯著高于懷豆。在10—20 cm土層，各處理土壤總孔隙度與CK相比差異均不顯著，但而懷豆處理顯著高于混播。

2.2 土壤持水量

不同處理土壤飽和持水量和毛管持水量如圖3所示。由圖3可知，在0—10 cm土層，與CK相比，懷豆，蘇丹草和混播處理下的土壤飽和持水量分別顯著提高了11.0%，24.2%和23.4%(p<0.05)，且蘇丹草和混播顯著高于懷豆。在10—20 cm土層，各處理間土壤飽和持水量無(wú)顯著差異。由圖3可知，與CK相比，懷豆，蘇丹草和混播處理下的土壤毛管持水量分別顯著提高了11.9%，26.7%和24.6%(p<0.05)，且蘇丹草和混播顯著高于懷豆。在10—20 cm土層，各處理間土壤毛管持水量無(wú)顯著差異。

2.3 土壤團(tuán)聚體

不同處理土壤團(tuán)聚體構(gòu)成和土壤團(tuán)聚體平均重量直徑(MWD)如圖4—5所示。

由圖4可知，在0—10 cm土層，供試土壤團(tuán)聚體主要分布于>5 cm和0.25～2 mm這兩個(gè)粒級(jí)，2～5 mm粒級(jí)次之，<0.25 mm粒級(jí)團(tuán)聚體比例最低。與CK相比，懷豆和蘇丹草處理顯著提高了>5 mm粒級(jí)的團(tuán)聚體比例，而顯著降低了0.25～2 mm和<0.25 mm粒級(jí)的團(tuán)聚體比例；混播處理也顯著提高了>5 mm粒級(jí)的團(tuán)聚體所占比例，但僅顯著降低了<0.25 mm粒級(jí)的團(tuán)聚體比例。懷豆和蘇丹草處理下的各粒級(jí)所占比例基本一致。與混播相比，懷豆和蘇丹草處理具有更高的>5 mm粒級(jí)團(tuán)聚體比例和較低的0.25～2 mm粒級(jí)團(tuán)聚體比例。由圖4還可看出，在10—20 cm土層，土壤團(tuán)聚體粒級(jí)比例隨著粒級(jí)減小而減少。與CK相比，懷豆和混播處理顯著降低了2～5 mm粒級(jí)團(tuán)聚體比例，顯著提高了0.25～2 mm粒級(jí)的團(tuán)聚體占比，而蘇丹草處理顯著提高了>5 mm粒級(jí)的團(tuán)聚體比例，同時(shí)顯著降低了0.25～2 mm粒級(jí)團(tuán)聚體比例。與懷豆相比，蘇丹草處理顯著增加了>5和<0.25 mm粒級(jí)團(tuán)聚體比例，但顯著降低了2～5 mm和0.25～2 mm粒級(jí)團(tuán)聚體比例。

圖2 綠肥種植對(duì)土壤毛管孔隙度、非毛管孔隙度和總孔隙度的影響

圖3 綠肥種植對(duì)土壤飽和持水量和毛管持水量的影響

圖4 綠肥種植對(duì)不同土層土壤團(tuán)聚體比例的影響

土壤團(tuán)聚體MWD是表征土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的關(guān)鍵指標(biāo)，MWD值越大表明團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)越穩(wěn)定。由圖5可知，在0—10 cm土層，與CK相比，懷豆，蘇丹草和混播處理下的MWD分別提高了25.0%，25.7%和7.6%(p<0.05)，且懷豆和蘇丹草處理MWD顯著高于混播。在10—20 cm土層，蘇丹草處理MWD較CK提高了6.4%(p<0.05)，而懷豆和混播與之相比無(wú)顯著差異。

圖5 不同綠肥種植下的土壤平均重量直徑

2.4 土壤有機(jī)碳

不同處理土壤有機(jī)碳含量如圖6所示。由圖6可知，在0—10 cm，懷豆和混播處理的土壤有機(jī)碳含量較CK顯著提高了11.0%和8.4%(p<0.05)，而蘇丹草與之差異不顯著。在10—20 cm，僅蘇丹草處理的土壤有機(jī)碳較CK顯著提高了12.4%。

2.5 綠肥生物量

不同處理綠肥生物量如圖7所示。由圖7可知，懷豆，蘇丹草和混播處理的填閑生物量在2017—2019年差異均不顯著，而在2019—2020年，蘇丹草和混播較懷豆生物量增加了21.9%和41.6%(p<0.05)，且混播顯著高于蘇丹草。平均3 a來(lái)看，混播處理生物量顯著高于懷豆。

2.6 相關(guān)性分析

由表1可知，供試土壤容重與土壤毛管孔隙度、總孔隙度、飽和持水量、毛管持水量和有機(jī)碳均呈現(xiàn)顯著負(fù)相關(guān)，而毛管孔隙度與總孔隙度、飽和持水量、毛管持水量均呈顯著正相關(guān)?？偪紫抖?、飽和持水量、毛管持水量、綠肥生物量和土壤有機(jī)碳之間均呈顯著正相關(guān)。MWD僅與綠肥生物量呈顯著正相關(guān)，而非毛管孔隙度與其他指標(biāo)均無(wú)顯著相關(guān)性。

圖6 不同綠肥種植下的土壤有機(jī)碳

圖7 不同綠肥填閑種植下的填閑生物量

表1 土壤物理性質(zhì)指標(biāo)之間及其與綠肥生物量和土壤有機(jī)碳之間的相關(guān)性

3 討 論

3.1 綠肥填閑種植對(duì)土壤容重的影響

土壤容重是土壤最基礎(chǔ)的物理性質(zhì)指標(biāo)，可以反映土壤的結(jié)構(gòu)、持水性和透水性[22]。一般來(lái)說(shuō)，土壤容重越低，土壤結(jié)構(gòu)越疏松，有助于保持土壤水分、使作物根系加深以及促進(jìn)土壤中的氣體交換[23]。本研究中，與夏季休耕相比，種植蘇丹草或與長(zhǎng)武懷豆混播導(dǎo)致地表土壤容重顯著降低，這與Kelly等[24]在美國(guó)高原和中原地區(qū)的研究相一致。Ghahremani[25]在伊朗地區(qū)時(shí)長(zhǎng)兩年的研究也表明，填閑作物單播或混播較裸地容重降低約13%。土壤容重是否降低還與綠肥填閑作物的種類有關(guān)。一項(xiàng)在美國(guó)中西部進(jìn)行的玉米大豆輪作系統(tǒng)研究[26]表明，黑麥草單播、黑豌豆單播和二者混播相比休耕顯著降低了0—5 cm土層容重，但3種綠肥處理之間的差異不顯著。這與本研究的結(jié)果基本一致。這可能是由于種植填閑作物增加的生物量維持和增加了土壤有機(jī)質(zhì)(圖6—7)，從而降低了土壤容重。

3.2 綠肥填閑種植對(duì)土壤持水能力的影響

土壤持水能力可以反映土壤的抗旱和保水能力[27]，包括土壤結(jié)構(gòu)、土壤總孔隙度、土壤毛管孔隙度等指標(biāo)[28]。土壤孔隙度直接影響著土壤的通氣性能，并能促進(jìn)植物根系的生長(zhǎng)，對(duì)作物的生長(zhǎng)尤其重要[29]。本研究中，蘇丹草單播和混播較裸地休閑相比顯著提高了0—10 cm土層毛管孔隙度，且懷豆單播、蘇丹草單播以及混播與裸地休閑相比均顯著提高了總孔隙度，這與Restovich等[30]在阿根廷地區(qū)進(jìn)行6 a的試驗(yàn)結(jié)果相一致。這是由于草本和禾本科植物具有廣泛的纖維根系和生物量(圖6)，能顯著提高土壤通氣狀況。在Mulumba和Lal[31]在美國(guó)哥倫布地區(qū)為期11 a的研究表明，土壤總孔隙度會(huì)隨著綠肥作物生物量的增加而增加。而B(niǎo)lazewicz-Wozniak[32]在波蘭的研究也表明，綠肥作物生物量積累對(duì)0—20 cm土層總孔隙度有積極影響[31]。本研究也表明綠肥作物生物量的增加促進(jìn)了毛管孔隙度和總孔隙度的增大(表1)。

土壤飽和持水量代表土壤的蓄水能力，毛管持水量代表著土壤的有效水含量。整體來(lái)看，本研究中3種綠肥處理在0—10 cm土層飽和持水量和毛管持水量均顯著高于裸地處理，表明夏閑期種植綠肥能顯著提高土壤持水能力。已有研究[33]發(fā)現(xiàn)，植被主要是通過(guò)提高土壤有機(jī)質(zhì)含量，改善土壤結(jié)構(gòu)，降低土壤容重和增加土壤毛管孔隙度等土壤物理特性，進(jìn)而提高土壤持水能力。本文中，土壤飽和持水量、毛管持水量與綠肥填閑生物量和土壤有機(jī)碳均呈顯著正相關(guān)，也證實(shí)了這一點(diǎn)。

3.3 綠肥填閑種植對(duì)土壤團(tuán)聚作用的影響

土壤團(tuán)聚體是良好的土壤結(jié)構(gòu)單元，是土壤肥沃與否的標(biāo)志之一[34]。而夏季休閑期引入覆蓋作物，將植物殘茬翻入土中作為土壤有機(jī)質(zhì)和腐殖質(zhì)的來(lái)源，有利于土壤團(tuán)聚體形成和穩(wěn)定[35]。在本研究中，綠肥作物均顯著提高了0—10 cm土層>5 mm粒徑所占比例，而在10—20 cm僅蘇丹草單播顯著提高了大團(tuán)聚體比例，主要原因在于非豆科綠肥具有更高的生物量積累。

土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性是土壤結(jié)構(gòu)、受侵蝕性和入滲性能的重要指標(biāo)[36]。綠肥填閑種植對(duì)0—10 cm土層MWD值均有顯著提升，且單播的效果優(yōu)于混播，而在10—20 cm土層僅蘇丹草單播處理下的MWD值有顯著提高。Blanco-Canqui等研究[37]指出，旱地條件下，有機(jī)碳水平的提高可能是改變土壤團(tuán)聚體粒徑分布和穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素，通過(guò)加速細(xì)粒與粗粒的融合，增強(qiáng)土壤顆粒間的結(jié)合力，從而提升大團(tuán)聚體比例和穩(wěn)定性。而本文中MWD值與土壤有機(jī)碳含量并不相關(guān)，但與綠肥生物量呈顯著正相關(guān)(表1)。在Cotrufo等的研究[38]中提到，綠肥植物殘?bào)w的加入對(duì)土壤大團(tuán)聚體的形成和穩(wěn)定起著重要作用，且土壤有機(jī)質(zhì)是通過(guò)微生物對(duì)植物殘?bào)w的某一部分分解而形成的，這需要更長(zhǎng)期的試驗(yàn)去驗(yàn)證。

4 結(jié) 論

在黃土高原地區(qū)，冬小麥夏閑期種植蘇丹草或長(zhǎng)武懷豆與蘇丹草混播作為綠肥均顯著降低了耕層土壤容重，同時(shí)長(zhǎng)武懷豆單播、蘇丹草單播或長(zhǎng)武懷豆與蘇丹草混播顯著增加了土壤毛管孔隙度、總孔隙度、毛管持水量和飽和持水量。種植綠肥作物同時(shí)顯著提高了>5 mm大團(tuán)聚體比例，提高了團(tuán)聚體穩(wěn)定性，且單播效果顯著優(yōu)于混播?？傊芯繀^(qū)冬小麥夏閑期單播種植蘇丹草、長(zhǎng)武懷豆能或混播均能有效改善土壤物理結(jié)構(gòu)，提高土壤物理肥力，其中蘇丹草單播的效果優(yōu)于長(zhǎng)武懷豆單播和二者混播。