高寒黑土區(qū)不同輪作模式對土壤團聚體及馬鈴薯產(chǎn)量的影響

摘要：為研究高寒黑土區(qū)不同輪作模式對土壤質(zhì)量及馬鈴薯產(chǎn)量的影響，通過田間定位試驗，對比分析當?shù)?種傳統(tǒng)種植模式［2年輪作處理：馬鈴薯—小麥—甜菜—馬鈴薯（St—Ta—Bv—St），馬鈴薯—水飛薊—小麥—馬鈴薯（St—Smt—Ta—St）；3年輪作處理：小麥—甜菜—小麥—馬鈴薯（Ta—Bv—Ta—St），油菜—小麥—甜菜—馬鈴薯（Bn—Ta—Bv—St），小麥—油菜—大麥—馬鈴薯（Ta—Bn—Hv—St）；馬鈴薯2年連作處理：油菜—小麥—馬鈴薯—馬鈴薯（CK）］，探討不同輪作模式對土壤容重、孔隙度、團聚體及馬鈴薯產(chǎn)量的影響。研究結(jié)果表明，與CK相比，不同輪作模式有利于降低0～20、20～40 cm土層土壤容重，增加土壤孔隙度；輪作對土壤團聚體具有正向作用，提高了 0.50～1.00 mm粒徑土壤團聚體含量，降低了＜0.25 mm粒徑土壤團聚體含量，5種輪作模式均增加了土壤團聚體穩(wěn)定性。其中，0～20 cm土層中，與CK相比，Ta—Bv—Ta—St處理土壤容重顯著降低10.53%，孔隙度和R0.25分別顯著提高18.01%和36.07%。Ta—Bv—Ta—St處理＞2.00 mm粒徑團聚體比例最高，較St—Ta—Bv—St、St—Sm—Ta—St、Bn—Ta—Bv—St、Ta—Bn—Hv—St和CK分別提高了12.47%、30.55%、3.62%、104.43%和 105.88%。20～40 cm土層中，與CK相比，Ta—Bv—Ta—St處理土壤容重降低，孔隙度、平均重量直徑（MWD）和gt;0.25 mm水穩(wěn)性團聚體含量（R0.25）提高。Ta—Bv—Ta—St處理0.50～1.00 mm 粒徑團聚體比例最高，較St—Ta—Bv—St、St—Sm—Ta—St、Bn—Ta—Bv—St、Ta—Bn—Hv—St和CK分別增加了13.92%、37.03%、38.89%、42.07%和193.33%。不同輪作模式間馬鈴薯產(chǎn)量差異顯著，較CK提高35.6%～75.5%，其中Ta—Bv—Ta—St處理更有利于馬鈴塊莖產(chǎn)量的提高。綜上，Ta—Bv—Ta—St輪作模式較其他處理更能改善土壤結(jié)構(gòu)，對提高馬鈴薯高產(chǎn)高效栽培技術效果更為顯著，適宜在高寒黑土區(qū)推廣。

關鍵詞：高寒黑土區(qū)；輪作模式；土壤團聚體；馬鈴薯；產(chǎn)量

中圖分類號：S532.04" 文獻標志碼：A

文章編號：1002-1302（2025）03-0191-08

王籽懿，韓nbsp; 偉，金鴻飚，等. 高寒黑土區(qū)不同輪作模式對土壤團聚體及馬鈴薯產(chǎn)量的影響［J］. 江蘇農(nóng)業(yè)科學，2025，53（3）：191-198.

doi：10.15889/j.issn.1002-1302.2025.03.026

收稿日期：2024-01-25

基金項目：內(nèi)蒙古科技計劃（編號：2022YFDZ0010）；河北省科技計劃結(jié)轉(zhuǎn)項目（編號：21326320D）；內(nèi)蒙古自治區(qū)科技重大專項（編號：2021ZD0005）。

作者簡介：王籽懿（1996—），女，河北張家口人，碩士研究生，主要研究方向為黑土地利用與保護。E-mail：1754899519@qq.com。

通信作者：黃修梅，博士，教授，主要從事作物栽培研究。E-mail：huangxm0404@126.com。

土壤侵蝕是土壤剝蝕、搬運和沉積的過程，影響土壤團聚體結(jié)構(gòu)，降低土壤團聚體穩(wěn)定性與土壤容重［1］，還會顯著降低土壤的養(yǎng)分供應能力，造成作物減產(chǎn)，已成為一個嚴峻的環(huán)境挑戰(zhàn)，會導致土地退化、降低土地生產(chǎn)力及威脅生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和人類的糧食安全［2-3］。在我國高寒黑土區(qū)，由于其種植模式單一且化肥施用過量，使得當?shù)赝寥澜Y(jié)構(gòu)惡化，制約了農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。據(jù)報道，2021年東北地區(qū)水土流失面積達21.41萬km2，占區(qū)域國土面積的19.68%［4］。作物種植和管理對土壤侵蝕的發(fā)生和發(fā)展有顯著影響，而實行輪作可有效改善土壤環(huán)境、提升地力并提高土壤質(zhì)量及其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性［5-6］。評估土壤質(zhì)量的一個重要指標是土壤團聚體的穩(wěn)定性。團聚體穩(wěn)定性反映了土壤結(jié)構(gòu)的健康程度和抗侵蝕能力。因此，研究不同輪作模式下團聚體的分形特征對于高寒黑土區(qū)農(nóng)業(yè)資源的可持續(xù)利用以及實現(xiàn)作物高產(chǎn)具有重要意義。

團聚體既是重要的土壤物理因子［7］，也是土壤結(jié)構(gòu)的基本單元，其數(shù)量多少和穩(wěn)定性是土壤肥力水平的重要指標［8］，在提高土壤生產(chǎn)力、抵抗侵蝕能力和促進植物生長等方面有重要作用［9-10］。土壤學將當量粒徑10.00～0.25 mm的團聚體稱為大團聚體，其含量越高，說明土壤團聚性越好；將＜0.25 mm 的團聚體稱為微團聚體，這一級別團聚體所占比重越高，表明土壤越分散［11］。土壤團聚體穩(wěn)定性反映土壤結(jié)構(gòu)，是評價土壤退化易損性的重要指標［12］。一般認為，平均重量直徑（MWD）和 gt;0.25 mm 水穩(wěn)性團聚體含量（R0.25）越高，團聚體穩(wěn)定性越強，土壤的抗侵蝕和抗耕作性能越好；土壤分形維數(shù)（D）越小，表明土壤結(jié)構(gòu)越穩(wěn)定［13-15］。孫濤等研究認為，東北黑土區(qū)玉米大豆輪作有增加土壤水穩(wěn)性大團聚體含量、降低黏粉粒含量的趨勢，其土壤水穩(wěn)性大團聚體含量（R0.25）顯著高于玉米連作［16］。趙紅等運用元素分析和紅外光譜技術研究了我國東北地區(qū)黑土中腐殖酸（HA）的結(jié)構(gòu)性質(zhì)，發(fā)現(xiàn)免耕增加了黑土腐殖酸的聚合程度，使腐殖質(zhì)的結(jié)構(gòu)趨于穩(wěn)定，從而增強團聚體的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性［17］。朱錕恒等的研究表明，秸稈還田后其腐熟過程中產(chǎn)生的多糖等代謝物可以促進土壤團聚體的形成［18］。近年來，人們越來越重視維持和提高土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，這對于農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展至關重要。

本研究以高寒黑土區(qū)大興安嶺西麓為研究區(qū)，該區(qū)域氣候獨特，屬寒溫帶大陸性季風氣候，有“高寒禁區(qū)”之稱，氣候濕潤，夏季多雨，溫差較大，年有效積溫2 100 ℃，受積溫影響，大田種植主要作物有小麥、甜菜、油菜、水飛薊、大麥與馬鈴薯，土壤以黑鈣土和草甸土為主，結(jié)構(gòu)良好、質(zhì)地疏松，晝夜溫差大，非常適宜馬鈴薯種薯的生產(chǎn)，地理緯度位置也是國際上公認的馬鈴薯最佳種植帶，因此馬鈴薯為當?shù)貎?yōu)勢作物，其余作物為其輪作倒茬作物。研究高寒黑土區(qū)不同輪作模式對土壤團聚體的影響及馬鈴薯產(chǎn)量的影響，對于加強黑土地保護、提高土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，推進“糧食安全”戰(zhàn)略措施和“質(zhì)量興農(nóng)”戰(zhàn)略實施具有重要意義。因此，采用科學方法分析高寒黑土區(qū)輪作模式，對實現(xiàn)黑土區(qū)耕地資源可持續(xù)利用和提高糧食產(chǎn)量至關重要。

1" 材料與方法

1.1" 試驗地概

試驗地位于內(nèi)蒙古自治區(qū)呼倫貝爾市海拉爾區(qū)哈克鎮(zhèn)下轄社區(qū)謝爾塔拉農(nóng)牧場（49°25′N，119°57′E），屬寒溫帶大陸性季風氣候，無霜期90～100 d，年平均氣溫-2.1 ℃左右，晝夜溫差大，年均降水量 300 mm 左右，降水集中在7—9月。

1.2" 試驗設計

采用大田試驗，受無霜期限制，當?shù)卮竺娣e種植的作物主要為小麥（Ta）、甜菜（Bv）、油菜（Bn）、水飛薊（Sm）、大麥（Hv）與馬鈴薯（St），根據(jù)當?shù)胤N植模式，設6種不同處理，分別為2年輪作處理：馬鈴薯—小麥—甜菜—馬鈴薯（St—Ta—Bv—St），馬鈴薯—水飛薊—小麥—馬鈴薯（St—Sm—Ta—St）；3年輪作處理：小麥—甜菜—小麥—馬鈴薯（Ta—Bv—Ta—St），油菜—小麥—甜菜—馬鈴薯（Bn—Ta—Bv—St），小麥—油菜—大麥—馬鈴薯（Ta—Bn—Hv—St）；馬鈴薯2年連作處理：油菜—小麥—馬鈴薯—馬鈴薯（CK）。于2023年5月初播種馬鈴薯，株距為25 cm，行距為90 cm，施肥用量、耕作措施、田間管理遵從當?shù)胤N植習慣。

1.3" 樣品采集

馬鈴薯收獲期每個小區(qū)隨機取3點，進行產(chǎn)量及結(jié)薯個數(shù)測定。商品薯率：薯塊重量大于150 g的為商品薯，商品薯率=大于150 g薯塊重量/總重量×100%；結(jié)薯個數(shù)分別為單薯重大于150 g的薯塊個數(shù)、50～150 g的薯塊個數(shù)和小于50 g的薯塊個數(shù)，每個處理重復3次。

于2023年9月馬鈴薯收獲前，采用“S”形5點取樣法，使用環(huán)刀分別采集每個小區(qū) 0～20 cm和20～40 cm 2個土層的原狀土樣，去除雜質(zhì)后，盡量保持原狀土壤結(jié)構(gòu)帶回實驗室，然后在通風陰涼處自然風干、過篩，用于土壤團聚體組成的測定。

1.4" 指標測定及計算

土壤容重采用環(huán)刀法測定；土壤孔隙度=（1-土壤容重/比重）×100%；采用團聚體濕篩法［19］測定團聚體粒徑組成，將通過干篩法獲得的各粒徑團聚體按比例配制50 g土樣用于濕篩，篩選出 gt;2.00、1.00～2.00、0.25～1.00、lt;0.25 mm 這 4 個粒徑的水穩(wěn)性團聚體，團聚體穩(wěn)定性指標計算公式如下［20］。

gt;0.25 mm 水穩(wěn)性團聚體含量（R0.25）：

R0.25=Mrgt;0.25MT×100%。

式中：Mrgt;0.25為粒徑gt;0.25 mm水穩(wěn)性團聚體重量，g；MT為水穩(wěn)性團聚體總重量，g。

平均重量直徑（MWD）：

MWD=∑ni=1（wi×xi）。

式中：xi為第i級水穩(wěn)性團聚體平均直徑，mm；wi為第i級水穩(wěn)性團聚體重量百分比，%。

分形維數(shù)（D）中從下式求得：

Mrlt;RiMT=RiRmax3-D。

式中：Ri為i級團聚體平均直徑，mm；Mrlt;Ri為粒徑小于Ri的團聚體重量，g；MT為團聚體總重量，g；Rmax為團聚體最大粒徑，mm。

1.5" 數(shù)據(jù)處理

利用Microsoft Excel 2016 和SPSS 23.0軟件進行數(shù)據(jù)的整理與分析，利用單因素方差分析（One-way ANOVA）評價不同處理間各指標的差異顯著性。

2" 結(jié)果與分析

2.1" 不同輪作模式對土壤容重和孔隙度的影響

如表1所示，隨著土壤深度的增加，土壤容重呈升高趨勢。0～20 cm土層土壤容重維持在1.40～1.68 g/cm3之間，CK最高，為1.68 g/cm3，極顯著高于其余處理；St—Sm—Ta—St、Ta—Bv—Ta—St、Bn—Ta—Bv—St和Ta—Bn—Hv—St處理間差異不顯著；與St—Ta—Bv—St、St—Sm—Ta—St、Ta—Bv—Ta—St、Bn—Ta—Bv—St和Ta—Bn—Hv—St處理相比，CK分別提高了27.27%、13.51%、10.53%、20.00%和12.00%。20～40 cm土層，CK土壤容重最高，為 1.79 g/cm3，顯著高于St—Sm—Ta—St和Ta—Bn—Hv—St處理，極顯著高于St—Ta—Bv—St和Bn—Ta—Bv—St處理；Ta—Bv—Ta—St處理次之，為 1.61 g/cm3，與其余處理未形成顯著差異；與St—Ta—Bv—St、St—Sm—Ta—St、Ta—Bv—Ta—St、Bn—Ta—Bv—St和Ta—Bn—Hv—St處理相比，CK分別提高了22.60%、15.48%、11.18%、23.45%和14.01%。

如表1所示，土壤孔隙度整體呈現(xiàn)與容重相反的趨勢。0～20 cm土層，St—Ta—Bv—St處理土壤孔隙度最高，為49.14%，與St—Sm—Ta—St、Ta—Bn—Hv—St處理呈顯著差異，但未達到極顯著差異，極顯著高于Ta—Bv—Ta—St和CK，較CK提高了39.17%；Bn—Ta—Bv—St處理土壤孔隙度處于較高水平，為46.09%，極顯著高于CK，較CK提高了30.53%，與其余處理差異不顯著；St—Sm—Ta—St、Ta—Bv—Ta—St和Ta—Bn—Hv—St處理間差異不顯著，均極顯著高于CK，較CK分別提高了21.81%、18.01%和19.99%。20～40 cm 土層，Bn—Ta—Bv—St和St—Ta—Bv—St處理土壤孔隙度處于較高水平，分別為44.11%和43.95%，均極顯著高于CK，較CK分別提高了41.92%和41.41%，與其余處理未形成顯著差異；St—Sm—Ta—St和Ta—Bn—Hv—St處理差異不顯著，均顯著高于CK，但未達到極顯著差異，較CK分別提高了30.31%和27.96%；Ta—Bv—Ta—St和CK處理未達到顯著性差異，但較CK提高了22.49%。綜上，5種輪作模式與CK相比，對土壤容重和孔隙度均有明顯促進作用。

2.2" 不同輪作模式下土壤團聚體組成分布特征

如圖1所示，不同輪作模式下土壤團聚體粒徑組成存在極顯著差異。0～20 cm土層中，＞2.00 mm 土壤團聚體含量以Ta—Bv—Ta—St處理最高，為20.3%，較CK顯著提高了105.88%，與除Ta—Bn—Hv—St和CK外的其余處理差異不顯著；1.00～2.00 mm土壤團聚體含量以Bn—Ta—Bv—St處理最高，為26.24%，較CK極顯著提高了425.85%，并極顯著高于St—Ta—Bv—St、St—Sm—Ta—St與Ta—Bn—Hv—St處理，與Ta—Bv—Ta—St處理差異不顯著；0.50～1.00 mm土壤團聚體含量以 Bn—Ta—Bv—St處理最高，為26.73%，較CK極顯著提高了179.90%，顯著高于St—Ta—Bv—St處理，與其余處理未形成顯著差異；0.25～0.50 mm 土壤團聚體含量以CK最高，為36.27%，極顯著高于其余處理；＜0.25 mm 土壤團聚體含量以CK最高，為39.33%，與Ta—Bn—Hv—St處理差異不顯著，但極顯著高于其余處理。

隨著取樣深度的增加，20～40 cm土層中，＞2.00 mm 團聚體含量以Bn—Ta—Bv—St處理最高，為29.16%，較CK極顯著提高了108.14%，并極顯著高于其余處理；1.00～2.00 mm土壤團聚體含量以 Bn—Ta—Bv—St處理最高，為28.51%，較CK極顯著提高了74.1%，并極顯著高于其余處理；0.50～1.00 mm土壤團聚體含量以Ta—Bv—Ta—St處理最高，為28.57%，較CK極顯著提高了193.33%，并極顯著高于除St—Ta—Bv—St和CK外的其余處理；0.25～0.50 mm土壤團聚體含量以CK最高，為32.65%，顯著高于 Ta—Bv—Ta—St與Ta—Bn—Hv—St，并極顯著高于Bn—Ta—Bv—St；＜0.25 mm土壤團聚體含量以CK最高，為40.21%，顯著高于St—Sm—Ta—St處理，并極顯著高于其余處理。

綜上，與CK相比，0～20 cm土層，不同輪作方式顯著提高了0.50～1.00 mm的土壤團聚體含量，降低＜0.25 mm的土壤團聚體含量；20～40 cm土層，不同輪作方式顯著提高了0.50～1.00 mm的土壤團聚體含量，降低 0.25～0.50 mm和＜0.25 mm的土壤團聚體含量。

2.3" 不同輪作模式下土壤團聚體穩(wěn)定性變化特征

不同輪作模式下0～20 cm土壤團聚體穩(wěn)定性存在極顯著差異（圖2）。R0.25以Bn—Ta—Bv—St處理最高，為85%，與Ta—Bv—Ta—St處理差異不顯著，但極顯著高于其余處理，較CK極顯著提高了39.30%；Ta—Bv—Ta—St處理的R0.25為83%，極顯著高于除Bn—Ta—Bv—St外的其余處理，較CK極顯著提高了36.10%；St—Ta—Bv—St和St—Sm—Ta—St處理差異不顯著，但極顯著高于CK，較CK分別提高了19.70%與23.0%；CK R0.25含量最低，為61%，與Ta—Bn—Hv—St處理未形成顯著差異。平均重量直徑（MWD）以Bn—Ta—Bv—St處理最高，為 8.23 mm，極顯著高于St—Ta—Bv—St與 Ta—Bn—Hv—St處理，顯著高于 St—Sm—Ta—St與CK，較CK提高了14.30%，與Ta—Bv—Ta—St處理差異不顯著；CK的MWD為 7.2 mm，與St—Sm—Ta—St處理未形成顯著差異。分形維數(shù)（D）以CK最高，為9.78，與Ta—Bn—Hv—St處理未形成顯著差異；Bn—Ta—Bv—St處理的D最低，為3.76，與Ta—Bv—Ta—St處理差異不顯著，但極顯著低于其余處理，較CK極顯著降低了61.60%；Ta—Bv—Ta—St處理的D為4.51，較CK極顯著降低了53.90%；St—Ta—Bv—St和 St—Sm—Ta—St處理差異不顯著，但極顯著低于CK，較CK分別降低了31.50%、30.50%。因此，與對照相比，0～20 cm 土層，不同輪作方式顯著提高土壤大團聚體含量（R0.25），降低分形維數(shù)（D）。

不同輪作模式下20～40 cm土壤團聚體穩(wěn)定性存在極顯著差異（圖2）。R0.25以Bn—Ta—Bv—St處理最高，為86%，顯著高于Ta—Bv—Ta—St處理，但未達到極顯著水平，極顯著高于其余處理，較CK極顯著提高了43.30%；CK R0.25最低，為60%；Ta—Bv—Ta—St處理的R0.25為79%，極顯著高于St—Sm—Ta—St和CK，較二者分別提高了19.70%、31.70%，與St—Ta—Bv—St和Ta—Bn—Hv—St處理未形成顯著差異。MWD以Ta—Bv—Ta—St處理最高，為 8.72 mm，與St—Ta—Bv—St、Bn—Ta—Bv—St處理差異不明顯，顯著高于其余處理，但未形成極顯著差異，較CK提高了35.40%；CK的MWD為 6.44 mm，與 St—Ta—Bv—St、St—Sm—Ta—St、Bn—Ta—Bv—St、Ta—Bn—Hv—St處理未形成顯著差異。分形維數(shù)（D）以CK最高，為9.28；Bn—Ta—Bv—St處理的D最低，為1.29，極顯著低于其余處理，較CK極顯著降低了86.10%；Ta—Bv—Ta—St處理的D為7.58%，顯著低于CK，較CK降低了18.30%；St—Ta—Bv—St和Ta—Bn—Hv—St處理差異不顯著，但顯著低于CK，較CK分別降低了18.20%與25.20%。因此，與對照相比，20～40 cm土

層，不同輪作方式顯著提高土壤大團聚體含量（R0.25）和平均重量直徑（MWD），降低分形維數(shù)（D）。

2.4" 不同輪作模式下土壤團聚體對馬鈴薯產(chǎn)量與商品薯率的影響

不同輪作模式下馬鈴薯產(chǎn)量存在極顯著差異（圖3）。Ta—Bv—Ta—St處理產(chǎn)量最高，為 58.02 t/hm2，與St—Sm—Ta—St、Ta—Bn—Hv—St處理未形成顯著差異，與Bn—Ta—Bv—St處理差異顯著，并極顯著高于St—Ta—Bv—St與CK，較CK提高了75.50%。Ta—Bn—Hv—St處理顯著高于 St—Ta—Bv—St處理，并極顯著高于CK，較CK提高了62.89%，與其余處理差異不顯著。St—Ta—Bv—St和St—Sm—Ta—St處理與Bn—Ta—Bv—St處理差異不顯著，但均極顯著高于CK，較CK分別提高了35.63%、61.95%和43.92%。綜上，不同輪作模式下馬鈴薯產(chǎn)量為Ta—Bv—Ta—St＞Ta—Bn—Hv—St＞St—Sm—Ta—St＞Bn—Ta—Bv—St＞St—Ta—Bv—St＞CK。

不同輪作模式下馬鈴薯商品薯率存在極顯著差異（圖4）。Ta—Bn—Hv—St處理商品薯率最高，為88.76%，顯著高于Ta—Bv—Ta—St處理，并極顯著高于CK，較CK的提高了38.90%，與其余處理未形成顯著差異；Bn—Ta—Bv—St處理顯著高于Ta—Bv—Ta—St處理，并極顯著高于CK，較CK的提高了33.20%，與其余處理差異不顯著；Ta—Bv—Ta—St處理極顯著高于CK，較CK提高了24.18%；St—Ta—Bv—St和 St—Sm—Ta—St處理均極顯著高于CK，較CK分別提高了29.24%和27.71%。

3" 討論

3.1" 不同輪作模式下團聚體在黑土地保護方面的生態(tài)學意義

土壤關系到作物的健康成長。土壤容重代表

了土壤松緊程度和孔隙狀況。合理的輪作制度能夠提高土壤肥力，為馬鈴薯高質(zhì)量生產(chǎn)提供有力保障。本研究發(fā)現(xiàn)，輪作處理后的土壤容重較CK明顯降低，而土壤孔隙度則明顯升高，這可能是由于連作不重視養(yǎng)地，使得土壤板結(jié)，最終導致土壤容重增加、土壤孔隙度下降，而不同的輪作作物因其根系生長發(fā)育特性不同，促使土壤物理性狀發(fā)生變化?？梢姡喿髂軌蚋纳仆寥浪删o度，增加其通透性。

土壤團聚體是土壤微生物的生境及養(yǎng)分儲存場所。土壤團聚體含量及粒級分布不僅影響作物生長發(fā)育，還對土壤的一系列物理、化學及生物學過程有著重要影響。孫濤等研究認為，東北黑土區(qū)玉米大豆輪作有增加土壤水穩(wěn)性大團聚體含量、降低黏粉粒含量的趨勢，土壤水穩(wěn)性大團聚體含量顯著高于玉米連作［16］。白怡婧等在黃壤土上的研究表明，輪作處理對于改善土壤團聚體組成、提高土壤水穩(wěn)性團聚體含量與平均重量直徑的效果十分顯著［21］。魏艷春等研究認為，長期輪作能顯著提高土壤大團聚體數(shù)量和團聚體的平均質(zhì)量直徑，顯著改善土壤結(jié)構(gòu)，增強穩(wěn)定性［22］。本研究結(jié)果表明，輪作促進了大團聚體形成，不同輪作模式下水穩(wěn)定性團聚體均以大團聚體為優(yōu)勢團聚體。在0～20 cm 土層，5種輪作模式較CK能夠顯著提高 ＞0.50 mm 的團聚體含量，在20～40 cm土層較CK 能夠顯著提高0.50～2.00 mm的團聚體含量，尤以Bn—Ta—Bv—St與Ta—Bv—Ta—St輪作效果最佳，St—Ta—Bv—St、St—Sm—Ta—St與Ta—Bn—Hv—St次之。這與其他研究結(jié)果［11，21，23-27］一致。土壤大團聚體含量（R0.25 mm）的提高，可能是由于本研究區(qū)域作物秸稈還田后，秸稈中的多糖、蛋白質(zhì)、木質(zhì)素等膠結(jié)物質(zhì)促進了水穩(wěn)性微團聚體向大團聚體的合成［28］。秸稈還田增加了土壤有機物含量，促進土壤碳氮循環(huán)和作物生長，增加了作物根系分泌物等新鮮有機物的輸入，同時刺激了土壤微生物的種群數(shù)量及活性［29］，這些均有助于增加土壤膠結(jié)物質(zhì)含量，進而促進大團聚體的形成。

土壤團聚體在土壤結(jié)構(gòu)中扮演著重要的角色，其粒級分布和變化對土壤的孔隙結(jié)構(gòu)、水分保持能力以及微生物代謝活動產(chǎn)生顯著影響。土壤團聚體MWD和R0.25值越高，分形維數(shù)（D）越低，團聚體穩(wěn)定性越強。鄭梅迎等指出，＞0.25 mm粒徑團聚體是土壤中最好的結(jié)構(gòu)體［30］。本研究結(jié)果表明，輪作提高了土壤團聚體穩(wěn)定性，5種輪作模式均提高了大團聚體含量（R0.25），降低了分形維數(shù)（D），0～20 cm土層，Bn—Ta—Bv—St與Ta—Bv—Ta—St土壤團聚體平均重量直徑（MWD）較CK明顯提高；20～40 cm土層，Bn—Ta—Bv—St、Ta—Bv—Ta—St與St—Ta—Bv—St較CK明顯提高。這可能是因為秸稈還田提高土壤大團聚體有機碳含量，從而提高土壤團聚體穩(wěn)定性。秸稈還田后促進作物地下部生長，作物根系及其分泌物和真菌菌絲等粘結(jié)形成大團聚，從物理方面保護大團聚體有機碳不被分解，進而增加大團聚體有機碳含量，促進土壤微生物的活動和生物膠結(jié)作用，有利于團聚體的形成和穩(wěn)定。水飛薊茬的分解速度較快，茬秸中的有機物質(zhì)容易被微生物降解。當有機物質(zhì)被降解后，原本存在于土壤團聚體中的有機質(zhì)可能會釋放出來，導致土壤團聚體的穩(wěn)定性降低，進而影響平均重量直徑。大麥茬中纖維素含量較小麥茬高，可能導致了土壤團聚體平均幾何直徑的降低。

因此，重視作物多樣性，可以改善土壤理化性質(zhì)，提高抗風險能力，不同作物的輪換種植可以達到使土地休養(yǎng)生息、恢復地力和保持水土的效果。

3.2" 不同輪作模式下團聚體對作物產(chǎn)能提高的意義

輪作制度是一種提高作物多樣性的有效方式，輪作制度能夠均衡利用土壤養(yǎng)分，改善土壤理化性質(zhì)，調(diào)節(jié)土壤肥力，從而提高作物產(chǎn)量［31-32］。不同作物的生理生態(tài)性狀不同，根系伸展、導水能力不同，地下部分根際土壤結(jié)構(gòu)不同。田秀平等研究發(fā)現(xiàn)，與連年連作區(qū)作物產(chǎn)量相比，隨著種植年限的增加，輪作區(qū)的作物產(chǎn)量優(yōu)勢越來越明顯［33］。梁淑敏等研究發(fā)現(xiàn)，在稻—麥輪作田中，免耕增加了小麥產(chǎn)量及提高了小麥的穩(wěn)產(chǎn)性［34］。本試驗研究發(fā)現(xiàn)，不同輪作模式的馬鈴薯產(chǎn)量均高于馬鈴薯連作。這是因為小麥的根系能夠滲透土壤并與土壤顆粒結(jié)合，形成穩(wěn)定的根系團聚體，在東北地區(qū)的麥田實施免耕耕作，免耕覆蓋可以增加土壤有機質(zhì)含量，減少地表徑流，提高土壤導水率，減少土壤水分散失，促進作物生長發(fā)育，實現(xiàn)作物增產(chǎn)［35］。甜菜擁有較深的根系，能夠穿透土層，并通過根系活動改善土壤結(jié)構(gòu)和促進土壤顆粒團聚。其根系殘留物富含碳元素，可以增加土壤有機碳含量，促進土壤團聚體的穩(wěn)定性，在其深翻收獲過程中增加了有機質(zhì)含量，更有利于馬鈴薯生長。水飛薊屬于深根植物，其根系能夠滲透并疏松土壤，根系分泌物中含有黏土膠質(zhì)和其他黏合物質(zhì)，能夠粘結(jié)土壤顆粒，增加土壤大團聚體數(shù)量。油菜生長迅速，根系發(fā)達，可以有效地改善土壤結(jié)構(gòu)，其根系分泌物中含有有機酸等溶解性物質(zhì)，能夠溶解和釋放土壤中的礦物質(zhì)，促進團聚體形成。由此說明，不同的前期作物會導致土壤結(jié)構(gòu)存在差異，進而影響產(chǎn)量。

黑土地所在的生態(tài)系統(tǒng)具有獨特性，必須在保護和利用之間取得平衡，以實現(xiàn)糧食安全和生態(tài)安全這2個重要目標的協(xié)同發(fā)展。作物多樣性對黑土地所在生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性產(chǎn)生積極影響。多樣化的作物種植具有較好的土壤覆蓋能力，可以減少水土流失和土壤侵蝕風險，并為土壤微生物、有機質(zhì)的形成和循環(huán)提供更好的條件。作物多樣性還有助于增加農(nóng)田中的氮素固定和養(yǎng)分循環(huán)過程，提升生態(tài)系統(tǒng)的營養(yǎng)效率。因此，黑土地的生態(tài)保護對于作物多樣性的維護至關重要，而作物多樣性的保護又可以增強黑土地所在生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

4" 結(jié)論

本試驗在高寒黑土區(qū)低溫環(huán)境下研究不同輪作模式種植馬鈴薯后土壤團聚體的變化特征及馬鈴薯產(chǎn)量。結(jié)果顯示，在0～20 cm土層中，與CK相比，不同輪作方式顯著提高了0.50～1.00 mm的土壤團聚體含量，降低＜0.25 mm的土壤團聚體含量；20～40 cm土層，不同輪作方式顯著提高了 0.50～1.00 mm的土壤團聚體含量，降低0.25～0.50 mm 和＜0.25 mm的土壤團聚體含量。St—Ta—Bv—St、St—Sm—Ta—St、Ta—Bv—Ta—St、Bn—Ta—Bv—St和Ta—Bn—Hv—St這5種輪作模式均可降低全土層土壤容重，增加孔隙度，提高團聚體穩(wěn)定性以及增加作物產(chǎn)量，其中Ta—Bv—Ta—St處理在 0～20 cm和 20～40 cm土層中孔隙度、MWD和R0.25分別提高18.01%～22.49%、7.08%～35.40%、31.67%～36.07%，對增加馬鈴薯產(chǎn)量效果表現(xiàn)最優(yōu)。

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