不同種植模式對黑龍江黑土理化性狀的影響

王 聰，李 明，邱廣偉，王立春，2，劉玲玲，王懷鵬，龐 澤，2，唐春雙，孫繼英

（1.黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 克山分院，黑龍江 齊齊哈爾 161000；2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部馬鈴薯生物學(xué)與遺傳育種重點實驗室，黑龍江 齊齊哈爾 161000；3.黑龍江省農(nóng)墾科學(xué)院 農(nóng)作物開發(fā)研究所，黑龍江 佳木斯 154007）

土壤團(tuán)聚體是土壤最基本的組成單元，其組成是評價土壤性狀的重要指標(biāo)。土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性高，可以保證土壤結(jié)構(gòu)在受外力影響時不被迅速破壞而使土壤惡化[1-3]。土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性受諸多因素影響[4]，其中輪作能夠維持土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性并調(diào)節(jié)土壤理化性狀，是改良土壤結(jié)構(gòu)和保持土壤肥力的重要措施[5-7]。研究表明，土地利用方式不同，土壤團(tuán)聚體組成及穩(wěn)定性、土壤養(yǎng)分含量也不同[8-23]。與連作相比，輪作能提高土壤團(tuán)聚體以及水穩(wěn)性團(tuán)聚體占比[8-10]，并提高土壤中氮、磷、鉀及有機(jī)質(zhì)等養(yǎng)分含量[11-17]。劉高遠(yuǎn)等[13]的研究表明，輪作、連作處理土壤氮含量差異明顯，其中輪作能夠提高土壤中氮含量，從而提高土壤肥力[13]。QING 等[14]、BANSAL 等[15]的研究表明，土壤磷含量是一個動態(tài)指標(biāo)，不同年份間存在差異，外源因素會對土壤磷含量造成影響。其中，輪作可以提高土壤中有效磷含量[16-17]。鉀是作物連作障礙因子之一[18]，土壤速效鉀含量對作物的生長發(fā)育有較大影響，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中常因土壤鉀虧缺而造成作物減產(chǎn)，采用不同作物輪作可以較好地解決該問題，如馬鈴薯-雙季稻輪作可以使土壤鉀含量維持在較穩(wěn)定的狀態(tài)[19]。作物合理輪作也能夠提高土壤有機(jī)質(zhì)含量，改良土壤肥力[20-22]。土壤pH 值反映了土壤酸堿化程度，土壤酸化致使作物產(chǎn)量、品質(zhì)下降，因此，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)注意避免土壤酸化，而合理輪作能夠提高土壤對酸堿物質(zhì)的緩沖能力，防止土壤酸化[23]。

黑土是一種性狀優(yōu)良的土壤，保水、保肥性能好，適合作物生長[24-25]，黑龍江是東北典型黑土區(qū)。克山縣主栽作物為玉米、大豆、馬鈴薯、小麥及雜糧，該地是黑龍江黑土區(qū)典型代表地之一。因此，擬利用克山縣主栽作物進(jìn)行輪作組合試驗，研究不同種植模式對黑土土壤理化性狀的影響，為農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展和保障國家糧食安全提供參考。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

供試大豆品種為當(dāng)?shù)刂髟云贩N克山1 號，玉米品種為當(dāng)?shù)刂髟云贩N克玉19，馬鈴薯品種為當(dāng)?shù)刂髟云贩N克新28 號，高粱品種為當(dāng)?shù)刂髟云贩N克雜15號，小麥品種為當(dāng)?shù)刂髟云贩N克春19號。

1.2 試驗地點

試驗于2019—2021 年在黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院克山分院試驗地進(jìn)行。該地屬于寒溫帶半干旱大陸性氣候，年降水量634 mm，年平均氣溫2.9 ℃，年日照時數(shù)1 774 h，無霜期163 d。試驗田土壤為黑土，弱酸性。

1.3 試驗設(shè)計

試驗設(shè)置3 個輪作處理：玉米-大豆-小麥輪作（T1）、玉米-大豆-馬鈴薯輪作（T2）、玉米-大豆-高粱輪作（T3）；2 個連作（一年三季）處理為對照（CK）：玉米連作（CK1）、大豆連作（CK2）。試驗采取隨機(jī)區(qū)組設(shè)計，3 次重復(fù)。小區(qū)8 行，行長15 m，行距0.65 m。施肥量依據(jù)當(dāng)?shù)厣a(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)確定，玉米：N 135 kg/hm2，P2O5105 kg/hm2，K2O 45 kg/hm2；大豆：N 60 kg/hm2，P2O575 kg/hm2，K2O 30 kg/hm2；小麥：N 75 kg/hm2，P2O567.5 kg/hm2，K2O 37.5 kg/hm2；高粱：N 180 kg/hm2，P2O575 kg/hm2，K2O 30 kg/hm2；馬鈴薯：N 180 kg/hm2，P2O5150 kg/hm2，K2O 112.5 kg/hm2。上述施肥量包括底肥和追肥施肥量。田間管理與大田生產(chǎn)相同。大豆保苗密度40 萬株/hm2，玉米保苗密度10 萬株/hm2，小麥保苗密度700 萬株/hm2，馬鈴薯保苗密度6.5 萬株/hm2，高粱保苗密度30 萬株/hm2。

每年于當(dāng)年最后一季作物收獲后對0～20、20～30 cm 土層進(jìn)行土樣采集，清除地表枯枝落葉后采用五點取樣法取土，將每小區(qū)對角線中心作為中心采樣點，在對角線上選擇4 個與中心點等距的點進(jìn)行取樣。用土鉆取土，將同一處理小區(qū)的土樣去除根系殘體及篩除其他侵入體后混勻裝袋，經(jīng)自然風(fēng)干后研磨過篩備用。

1.4 測定項目及方法

1.4.1 土壤團(tuán)聚體測定 采用干篩法與濕篩法測定10～20 cm 土層機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體和20～30 cm 土層水穩(wěn)性團(tuán)聚體，分別通過孔徑為5、2、1、0.5、0.25 mm 的5 個篩選級別，并計算平均質(zhì)量直徑（MWD）、幾何平均直徑（GMD）、水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量（WSA）、結(jié)構(gòu)體破壞率（PAD）[26]。

1.4.2 土壤化學(xué)指標(biāo)測定 參照鮑士旦[27]的方法對土壤pH 值及堿解氮、有效磷、速效鉀、有機(jī)質(zhì)含量進(jìn)行測定。

1.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

使用Excel 2007 進(jìn)行數(shù)據(jù)整理，使用SPSS 21.0進(jìn)行方差分析以及差異顯著性檢驗。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同種植模式土壤團(tuán)聚體組成特征

2.1.1 土壤機(jī)械組成分析 土壤中不同粒級占比代表了土壤的機(jī)械組成，根據(jù)機(jī)械組成可以對土壤質(zhì)地進(jìn)行劃分。不同輪作條件下土壤機(jī)械組成結(jié)果見表1。由表1可知，＞5 mm粒徑團(tuán)聚體以CK2處理占比最大，為11.82%，顯著高于其他處理；2～5 mm粒徑團(tuán)聚體以T1、T3 處理占比較大，顯著高于T2、CK1、CK2 處理；1～2 mm 以及0.5～1 mm 粒徑團(tuán)聚體以T2 處理占比最大，分別為29.69%、22.73%；＜0.25 mm 粒徑團(tuán)聚體以CK1、CK2 處理占比較大，顯著高于T1、T2、T3 處理。粒徑＜0.25 mm 的小團(tuán)聚體機(jī)械穩(wěn)定性較差，該級別團(tuán)聚體占比越高，表明土壤機(jī)械穩(wěn)定性越差[24]。綜上，T1、T2、T3 處理大團(tuán)聚體占比較高，具有良好的機(jī)械組成，土壤質(zhì)地較為優(yōu)良。

表1 不同種植模式土壤機(jī)械組成Tab.1 Soil mechanical composition of different planting pattern %

2.1.2 土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體組成分析 不同種植模式土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體組成見表2。由表2 可知，＞5 mm 粒徑水穩(wěn)性團(tuán)聚體以CK1 處理占比最大，為4.79%；2～5 mm 粒徑水穩(wěn)性團(tuán)聚體以T2 處理占比最大，為17.52%，顯著高于其他處理；1～2 mm粒徑水穩(wěn)性團(tuán)聚體以T1 處理占比最大，為19.52%，顯著高于其他處理；0.5～1 mm 粒徑水穩(wěn)性團(tuán)聚體以T2、T3 處理占比較大，顯著高于其他處理；0.25～0.5 mm 粒徑水穩(wěn)性團(tuán)聚體以CK1 處理占比最大，為19.27%，顯著高于其他處理；＜0.25 mm 粒徑水穩(wěn)性團(tuán)聚體以CK1 處理占比最大，為28.19%，顯著高于其他處理。

表2 不同種植模式土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體粒級分布Tab.2 Distribution of aggregate size of soil water stability of different planting pattern %

2.1.3 土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定指數(shù)分析 由圖1 可知，不同種植模式土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定指數(shù)呈現(xiàn)一定的規(guī)律。從指數(shù)大小來看，各處理土壤團(tuán)聚體的MWD 表現(xiàn)為T3＞T2＞T1＞CK2＞CK1；GMD 表 現(xiàn) 為T2＞T1＞T3＞CK2＞CK1；WSA 表現(xiàn)為T2＞T3＞T1＞CK2＞CK1；PAD表現(xiàn)為CK1＞CK2＞T3＞T1＞T2。從整體來看，輪作處理土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性優(yōu)于連作。綜上，T3 處理MWD較高；T2處理WSA較高，PAD較低。

圖1 不同種植模式土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定指數(shù)Fig.1 Soil aggregate stability index of different planting pattern

2.2 不同種植模式對土壤養(yǎng)分含量的影響

2.2.1 不同種植模式對土壤堿解氮含量的影響

由圖2 可知，CK2 處理土壤堿解氮含量呈逐年下降趨勢，且下降趨勢逐漸增強(qiáng)，第2 年較第1 年下降0.36%，第3年較第2年下降1.14%，說明大豆連作根瘤增氮作用弱于連作耗氮作用，降低了土壤堿解氮含量。在3 個輪作處理中，第3 年土壤堿解氮含量較第2 年均有所提高，T1、T2、T3 處理分別提高0.51%、1.60%、0.65%，以T2 處理提高幅度為最大。經(jīng)過3 a 試驗后，T2 處理堿解氮含量最高，達(dá)172.44 mg/kg，明顯高于同期其他輪作處理。

圖2 不同種植模式土壤堿解氮含量Fig.2 Soil available nitrogen content of different planting pattern

2.2.2 不同種植模式對土壤有效磷含量的影響

由圖3 可知，CK1、CK2 處理土壤有效磷含量均呈逐年下降趨勢，這是由于連作使土壤磷固定增多，導(dǎo)致有效磷含量降低。其中CK1 處理第2 年較第1年有效磷含量降低了0.05 mg/kg，第3 年較第2 年有效磷含量降低了0.02 mg/kg；CK2處理第2 年較第1 年有效磷含量降低了0.02 mg/kg，第3 年較第2 年有效磷含量降低了0.06 mg/kg。T1、T2、T3處理土壤有效磷含量均呈逐年遞增趨勢。

圖3 不同種植模式土壤有效磷含量Fig.3 Soil available phosphorus content of different planting pattern

2.2.3 不同種植模式對土壤速效鉀含量的影響

由圖4 可知，經(jīng)過3 a 試驗后，CK1、CK2 處理土壤速效鉀含量呈下降趨勢，且均為第3 年下降程度較大，分別較第2 年下降0.79%、0.49%，說明作物連作導(dǎo)致土壤速效鉀含量降低。T1 處理土壤速效鉀含量呈逐年上升趨勢；T2 處理大豆種植年（第2 年）速效鉀含量較高；T3 處理高粱種植年（第3 年）土壤速效鉀含量較高。試驗第3年輪作處理土壤有效鉀含量均高于2個連作處理。

圖4 不同種植模式土壤速效鉀含量Fig.4 Soil available potassium content of different planting pattern

2.2.4 不同種植模式對土壤有機(jī)質(zhì)含量的影響

由圖5 可知，CK1、CK2 處理土壤有機(jī)質(zhì)含量呈逐年下降趨勢，下降程度逐年減小。CK1 處理土壤有機(jī)質(zhì)含量第2 年較第1 年、第3 年較第2 年分別下降了3.46%、1.37%；CK2 處理土壤有機(jī)質(zhì)含量第2 年較第1 年、第3 年較第2 年分別下降3.44%、0.25%。說明作物連作導(dǎo)致土壤有機(jī)質(zhì)含量降低；隨年份增加下降程度降低，說明土壤具有自我修復(fù)功能，通過自動調(diào)節(jié)對土壤有機(jī)質(zhì)含量進(jìn)行補充。T1、T2、T3三個輪作處理有機(jī)質(zhì)含量均呈上升趨勢，說明輪作可提高土壤有機(jī)質(zhì)含量。T2、T3 處理第3 年土壤有機(jī)質(zhì)含量與第1年、第2年差異明顯。3個輪作處理自第2 年起，其土壤有機(jī)質(zhì)含量均高于2 個連作處理。

圖5 不同種植模式土壤有機(jī)質(zhì)含量Fig.5 Soil organic matter content of different planting pattern

2.2.5 不同種植模式對土壤pH 值的影響 由圖6可知，CK2 處理土壤pH 值逐年下降，第2 年土壤pH值較第1 年下降了0.22，第3 年土壤pH 值較第2 年下降了0.06，可能由于大豆根系分泌的酸性物質(zhì)導(dǎo)致了土壤酸度的增加。同時，可能由于土壤的自動調(diào)節(jié)使降低程度逐年減小。3 個輪作處理的第3 年土壤pH 值均高于連作處理，且3 個輪作處理第3 年均明顯高于第1 年、第2 年土壤pH 值。其中，T2、T3處理土壤pH 值逐年上升，說明輪作可改善土壤酸度。T2 處理的馬鈴薯種植年（第3 年）土壤pH 值高于其他處理，說明種植馬鈴薯有利于提高土壤pH值，有望將酸性土壤逐漸改良成中性。

圖6 不同種植模式土壤pH值Fig.6 Soil pH value of different planting pattern

3 結(jié)論與討論

在耕作過程中，機(jī)械外力會影響到土壤團(tuán)聚體形成、穩(wěn)定性以及養(yǎng)分供給能力[28-30]。不同粒級土壤團(tuán)聚體養(yǎng)分供給能力不同，2～5 mm 土壤團(tuán)聚體含量高低與土壤養(yǎng)分呈正相關(guān)關(guān)系[31]。本研中，3個輪作處理2～5 mm 土壤團(tuán)聚體含量高于連作處理，說明輪作能夠保持土壤2～5 mm 土壤團(tuán)聚體占比，從而使土壤保持較高肥力水平。粒徑＜0.25 mm 的小團(tuán)聚體穩(wěn)定性差，其占比高則表明土壤性狀較差，反之則表明土壤性狀良好[1]。本研究中，3 個輪作處理＜0.25 mm 土壤團(tuán)聚體含量均小于2 個連作處理，表明輪作可改善土壤團(tuán)聚體分布，提高水穩(wěn)性團(tuán)聚體占比，提高土壤穩(wěn)定指數(shù)，從而提高土壤抗侵蝕能力。

連年種植同一作物會導(dǎo)致土壤中養(yǎng)分被片面消耗，導(dǎo)致土壤養(yǎng)分不均衡[32-33]。土壤堿解氮含量能夠反映土壤氮供給水平，有研究表明，輪作可以降低土壤氮消耗并在一定程度上維持土壤氮平衡[34-35]，這與本研究結(jié)果一致。輪作對土壤磷含量也會產(chǎn)生影響，在輪作模式下，土壤磷含量呈現(xiàn)升高趨勢，這與李清華等[36]的研究結(jié)果一致。鉀在作物生長發(fā)育以及抗性等方面有重要作用[37-40]，本研究結(jié)果表明，輪作能夠提高土壤速效鉀含量。本研究中，3個輪作處理有機(jī)質(zhì)含量逐年提升，表明輪作可提高土壤有機(jī)質(zhì)含量，這與前人[41-43]研究的結(jié)果一致。另外，本研究結(jié)果表明，玉米-大豆-馬鈴薯處理第3 種植年有機(jī)質(zhì)含量較高。土壤pH 值代表了土壤的酸堿度，土壤酸化對土壤微生物、土壤養(yǎng)分循環(huán)以及作物產(chǎn)量品質(zhì)有較大影響[44-46]。前人研究表明，輪作可以提高土壤pH 值，減少土壤酸化程度，維持土壤酸堿度平衡[47-49]，這與本研究結(jié)果一致，且本研究還發(fā)現(xiàn)，玉米-大豆-馬鈴薯輪作效果較好。

馬鈴薯是一種重要糧食作物，適宜黑龍江黑土區(qū)種植。前人關(guān)于馬鈴薯輪作的研究主要集中在土壤水分利用[50]、土壤根際微生物群落結(jié)構(gòu)變化[51]等方面，關(guān)于黑土區(qū)馬鈴薯輪作的研究尚未見報道。本研究將黑土區(qū)玉米-大豆-馬鈴薯與玉米-大豆-小麥和玉米-大豆-高粱種植模式進(jìn)行比較，綜合比較后認(rèn)為玉米-大豆-馬鈴薯輪作土壤理化性狀優(yōu)于玉米-大豆-小麥輪作及玉米-大豆-高粱輪作。本研究可為黑龍江黑土區(qū)種植模式選擇提供參考。