種植模式對(duì)川中丘陵石灰性紫色土結(jié)構(gòu)和地力的影響*

馬勝蘭，況福虹，唐家良，王艷強(qiáng)，吳鵬飛，朱 波

（1.中國科學(xué)院、水利部成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所，成都 610041；2.西南民族大學(xué)青藏高原研究院，成都 610041；3.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

種植模式影響作物對(duì)養(yǎng)分的吸收和分配[1]，影響土壤質(zhì)量及農(nóng)業(yè)可持續(xù)性[2]。適宜的種植模式能提高復(fù)種指數(shù)、減少化肥投入、改善土壤結(jié)構(gòu)和養(yǎng)分利用，能一定程度實(shí)現(xiàn)土地種養(yǎng)結(jié)合，利于農(nóng)業(yè)高產(chǎn)增產(chǎn)，并減少病蟲害發(fā)生等[3-4]。不同種植模式對(duì)土壤孔隙數(shù)量及構(gòu)成有明顯影響，而土壤孔隙是水分、空氣、根系、土壤動(dòng)物和微生物在土體內(nèi)分布和活動(dòng)的主要場所，其特征（形狀、大小、數(shù)量搭配及空間分布）在很大程度上可描述土壤質(zhì)量的好壞[5]，同時(shí)孔隙結(jié)構(gòu)空間分布又影響水分、養(yǎng)分和土壤動(dòng)物在土壤中分布和運(yùn)動(dòng)[6]，綜合研究種植模式對(duì)土壤物理、化學(xué)和生物學(xué)特性的影響，有助于全面了解和評(píng)價(jià)其對(duì)土壤質(zhì)量的影響。

四川盆地農(nóng)業(yè)生產(chǎn)除了成都平原外，主要集中在紫色丘陵區(qū)，該區(qū)總面積為 15.8×104km2，耕地面積占 29.5%，其中旱地約占 40%，以丘陵坡地為主，耕地資源少，墾殖度高[7]。四川盆地種植業(yè)以糧食種植為主，川中丘陵區(qū)糧食播種面積平均為5.54×106hm2，約占農(nóng)作物總播種面積的80%，其中小麥、玉米和紅薯各占糧食總產(chǎn)量的17.0%，14.0%和13.0%，長期以來形成了玉米-小麥、玉米-油菜、玉米-紅薯-小麥等區(qū)內(nèi)傳統(tǒng)的糧油作物種植模式[8]。川中丘陵地區(qū)既是長江上游農(nóng)業(yè)最發(fā)達(dá)的區(qū)域，也是區(qū)內(nèi)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)最有潛力的地區(qū)之一[9]，近年來對(duì)該地區(qū)的農(nóng)業(yè)投入和關(guān)注持續(xù)增加。本研究針對(duì)川中丘陵區(qū)：（1）坡耕地多由紫色砂頁巖發(fā)育而成，土壤礦質(zhì)養(yǎng)分供應(yīng)較充足，但紫色土易受侵蝕，區(qū)內(nèi)水土流失嚴(yán)重；（2）旱坡地土層淺薄，保水保肥能力差，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力不穩(wěn)定等問題，研究并評(píng)估區(qū)域內(nèi)糧油旱作模式對(duì)土壤特征的影響，對(duì)了解和維持健康且高質(zhì)量的農(nóng)田土壤具有重要意義，同時(shí)對(duì)響應(yīng)農(nóng)業(yè)綠色可持續(xù)發(fā)展和保護(hù)土壤健康的國家政策息息相關(guān)。本研究基于川中丘陵地區(qū)糧油種植模式長期定位試驗(yàn)（2006—至今），測定并分析不同種植模式下，耕層土壤物理性質(zhì)、養(yǎng)分特征和土壤動(dòng)物食性特征，旨在探明和評(píng)估川中丘陵地區(qū)傳統(tǒng)糧油種植模式對(duì)區(qū)內(nèi)土壤結(jié)構(gòu)和養(yǎng)分的影響，為優(yōu)化區(qū)域傳統(tǒng)糧油種植模式提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)設(shè)置在中國科學(xué)院鹽亭紫色土農(nóng)業(yè)生態(tài)試驗(yàn)站（105°27′E，31°16′N）土壤要素輔助觀測長期樣地內(nèi)進(jìn)行。試驗(yàn)站位于四川盆地中北部鹽亭縣林山鄉(xiāng)，地處嘉陵江和涪江分水嶺，海拔365～577 m。區(qū)內(nèi)屬中亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候，多年平均氣溫 17.3℃，極端最高氣溫和最低氣溫分別為 40℃和–5.1℃，多年平均降雨量 826 mm（1981—2006年），近年來年平均降雨量有上升趨勢，達(dá)到995 mm（2008—2014年），降雨季節(jié)分布不均，集中在夏季，春夏秋冬四季分別約占全年降雨量的6%、65%、20%和9%。汛期暴漲暴落，無霜期294 d。區(qū)內(nèi)地形為中深丘，由水平砂頁巖風(fēng)化而形成多級(jí)臺(tái)地，土壤以石灰性紫色土為主，該土壤自然肥力較高，通透性良好，適于農(nóng)業(yè)耕作，但土層淺薄，平均土層厚度為30～80 cm[10]，保水保肥差，有機(jī)質(zhì)和全氮含量低。旱地典型糧食作物種植模式為玉米-小麥、玉米-油菜、玉米-紅薯-小麥，冬季種植小麥和油菜，夏季種植玉米。

1.2 供試土壤

供試土壤為發(fā)育于侏羅系蓬萊鎮(zhèn)組紫色砂頁巖上的石灰性紫色土，長期定位試驗(yàn)設(shè)置初期 0～15 cm耕層土壤基本理化性質(zhì)：容重為1.54 g·cm–3，砂粒、粉粒、黏粒和洗失量平均含量分別為25.1%、44.7%、21.5%和 8.7%，pH 8.36，有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷和全鉀含量分別為 11.33、0.75、0.73和23.32 g·kg–1，堿解氮、有效磷和速效鉀含量分別為58.55、5.28 和 86.42 mg·kg–1。

1.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)川中丘陵地區(qū)傳統(tǒng)糧油作物種植模式，在土壤要素輔助觀測長期樣地設(shè)置玉米-小麥輪作（MW）、玉米-油菜輪作（MR）和玉米-紅薯-小麥輪套作（MWP）3個(gè)處理，每個(gè)處理隨機(jī)設(shè)置3個(gè)平行，每個(gè)試驗(yàn)小區(qū)面積為50 m2（5 m×10 m）。小麥、玉米和油菜種植前，先使用前茬作物秸稈50%粉碎（長度 10～15cm）還田（按小麥、玉米和油菜常規(guī)施肥處理的大田秸稈平均產(chǎn)量計(jì)算還田量），然后采用旋耕機(jī)耕地，耕作深度為 15～20 cm，小麥和油菜種植前均在翻耕后一次性施肥（基肥），耕地、施肥和播種（油菜移栽）同時(shí)進(jìn)行，生長期不追肥，玉米在播種期穴施基肥，拔節(jié)期撒施追肥（基肥和追肥比例 3︰2），紅薯在玉米播種后套作于行間。肥料類型為：碳酸氫銨（基肥，純N 17%），尿素（追肥，純N 46.7%），過磷酸鈣（含 P2O512%）和氯化鉀（含K2O 60%），玉米（含紅薯套作）、小麥和油菜季氮肥施用量分別為N 150、130和130 kg·hm–2，磷鉀肥施用量分別為 P2O572 kg·hm–2和 K2O 36 kg·hm–2。冬小麥、油菜、夏玉米和紅薯生長周期分別約為200、205、110和120 d。

1.4 樣品采集與分析

2018年夏玉米/紅薯收獲前，利用 SC-900土壤緊實(shí)度儀原位測定土壤剖面緊實(shí)度，收獲后釆集0～15 cm表層土壤環(huán)刀樣品，采用直徑4 cm，高5 cm的PVC管采集耕層原狀土柱，并采用土鉆按照反S型采集8～10鉆土，混合為 1個(gè)土樣，同時(shí)使用根鉆采集0～15 cm和15～30 cm土壤樣品，每個(gè)土層采集約300 g。環(huán)刀土壤樣品用于測定土壤容重、飽和含水率和飽和導(dǎo)水率[11]；利用計(jì)算機(jī)斷層微掃描技術(shù)對(duì)PVC管內(nèi)原狀土柱進(jìn)行掃描（掃描儀：Phoenix Nanotom S micro-CT scanner，設(shè)置掃描電壓為100 kV，電流100 μA，時(shí)間間隔1 250 ms，分辨率25 μm，即每個(gè)土柱獲得2000張截面圖），獲取耕層原狀土的孔隙數(shù)量、體積、分布、形狀、連通性等特征參數(shù)；土鉆所采集的耕層混合土樣按照《陸地生態(tài)系統(tǒng)土壤長期觀測質(zhì)量保證與質(zhì)量控制》的要求風(fēng)干制樣[12]，測定顆粒組成和養(yǎng)分含量。土壤顆粒組成使用吸管法測定；有機(jī)質(zhì)和全氮使用元素分析儀（Vario EL cube，德國 Elementar）測定；堿解氮、有效磷和速效鉀分別采用堿解擴(kuò)散法、鉬銻抗比色法和火焰光度計(jì)法進(jìn)行測定[13]，根鉆中的土樣使用干漏斗裝置對(duì)干性中小型土壤動(dòng)物進(jìn)行分離（60 W白熾燈分離48 h），分離后的標(biāo)本保存在75%酒精中用于土壤動(dòng)物食性鑒定。所有分離樣品在顯微鏡和解剖鏡下鑒定、計(jì)數(shù)，土壤動(dòng)物種類鑒定參考《中國亞熱帶土壤動(dòng)物》和《中國土壤動(dòng)物檢索圖鑒》[14]，再根據(jù)不同土壤動(dòng)物的類型確定其食性并分類。

1.5 數(shù)據(jù)來源與處理

本研究所有數(shù)據(jù)來源于中國科學(xué)院鹽亭紫色土農(nóng)業(yè)生態(tài)試驗(yàn)站土壤要素輔助觀測長期樣地。該樣地于2006年夏玉米季開始進(jìn)行常規(guī)原位監(jiān)測工作，監(jiān)測內(nèi)容包括作物產(chǎn)量及常規(guī)土壤養(yǎng)分。本研究于2018年夏玉米季采集土壤樣品，測定土壤物理、養(yǎng)分及土壤動(dòng)物食性等相關(guān)參數(shù)。種植模式對(duì)土壤養(yǎng)分的影響屬于中長期過程，因此土壤養(yǎng)分除2018年實(shí)測數(shù)據(jù)外，選擇了該樣地2012年歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。由于作物產(chǎn)量受當(dāng)年氣候和氣象條件影響較大，同時(shí)新建樣地后由于土壤環(huán)境尚不夠穩(wěn)定也容易引起產(chǎn)量波動(dòng)，本研究使用該樣地2009—2018年作物平均產(chǎn)量進(jìn)行比較。

CT掃描截面圖像利用三維圖像重建及分析系統(tǒng)軟件V1.0進(jìn)行處理，獲取每張掃描圖像的目標(biāo)二值圖（目標(biāo)物質(zhì)灰度值255標(biāo)記，其余物質(zhì)灰度值0標(biāo)記），并將獲得的二值圖導(dǎo)入三維模型形態(tài)學(xué)分析軟件，重建掃描樣本三維形態(tài)并計(jì)算相關(guān)參數(shù)。文中使用Office 2016、SPSS 20.0和Origin 8.5軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算、統(tǒng)計(jì)分析及作圖。

2 結(jié) 果

2.1 種植模式對(duì)土壤物理特征的影響

MWP處理耕層土壤容重顯著低于MW和 MR處理，飽和含水率和飽和導(dǎo)水率則顯著高于其他處理，可見該處理耕層土壤密度小，孔隙多，水分向深層土壤移動(dòng)較快（表1）。土壤顆粒分為礫石（>2mm）、砂粒（0.05～2.0mm）、粉粒（0.002～0.05 mm）和黏粒（<0.002 mm）4個(gè)等級(jí)。本研究各處理耕層土壤無礫石且粉粒含量比例高，處理間黏粒含量無顯著差異。MW處理砂粒含量顯著低于MR和 MWP處理，但粉粒含量顯著高于這兩個(gè)處理。粗砂不利于水分和養(yǎng)分吸附和保持，粉粒間表面吸附和毛管力較砂粒強(qiáng)，MW處理的顆粒組成更有利于保水保肥，而 MWP處理砂粒含量高，通透性好，更利于水分和養(yǎng)分向下移動(dòng)（表1）。

表1 不同處理耕層土壤物理性質(zhì)比較Table 1 Soil physical properties in different treatments

不同種植模式對(duì)土壤含水率的影響如圖1a所示，3個(gè)處理土壤實(shí)際含水率變化趨勢一致，表層土壤含水率最高，隨土層加深土壤含水率先降低后略有上升。0～15 cm土層 MR處理實(shí)際含水率較MW和MWP處理顯著低2.6%和2.9%；15～30 cm土層各處理無顯著差異；30～50 cm 土層與 0～15 cm土層趨勢相同。各處理土壤緊實(shí)度均隨土層深度增加而增大（圖1b），在20 cm土層附近出現(xiàn)明顯拐點(diǎn)，該拐點(diǎn)和旋耕機(jī)旋耕深度有密切關(guān)系，且0～20 cm土層中，MW較MR和MWP兩個(gè)處理的土壤緊實(shí)度高。3個(gè)處理22.5～32.5 cm土層的土壤緊實(shí)度較均勻，處理間無差異。各處理土壤緊實(shí)度在 35 cm以下隨土層深度增加而明顯增加，MR和MWP兩個(gè)處理較MW高。

本研究中 CT掃描范圍屬土壤通氣孔隙（當(dāng)量孔徑>25 μm），將土壤大孔隙劃分為 25～100、100～500、500～1 000和>1 000 μm四個(gè)范圍。3個(gè)處理的孔隙數(shù)量以100～500 μm當(dāng)量孔徑的孔隙為主，占孔隙總數(shù)量40%以上，但該范圍孔隙體積僅約占總孔隙體積的 12%（表2），MWP處理最高，處理間差異小。當(dāng)量孔徑>1 000 μm 的孔隙數(shù)量最少，但體積達(dá)到總孔隙體積的 50%及以上，MWP處理>1 000 μm的孔隙體積占總孔隙體積的80%，平均孔隙直徑趨大。MW處理>1 000 μm的大孔隙數(shù)量明顯高于MR和MWP處理，但總體積較這兩個(gè)處理分別低18.6%和29.7%，孔隙平均直徑趨小。

表2 不同處理土壤孔隙特征Table 2 Characteristics of soil pore in different treatments

平均孔喉比是孔隙直徑與喉道直徑平均值的比值，范圍在0～1之間，比值越接近1，則反映孔隙越均勻，平均配位數(shù)則反應(yīng)孔隙間連通性。MW處理平均孔喉比較MR和MWP處理更接近1，平均配位數(shù)是這兩個(gè)處理的 1.6倍和 1.8倍（表2），可見MW種植模式耕層土壤孔隙更均勻且孔隙間連通性較好，MR處理耕層土壤孔隙均勻性和連通性較MW處理差。MWP處理平均孔喉比和平均配位數(shù)最低，說明其孔隙均勻性和連通性均最差。喉道截面積反映水分和養(yǎng)分運(yùn)移路徑寬度，MWP處理喉道截面積為MW和MR處理的3.5倍和2.7倍，更利于水分和養(yǎng)分通過并向下層土壤運(yùn)移。平均孔隙形狀因子表征孔隙近圓度，研究表明規(guī)則的圓形孔隙有利于水分在土壤中傳輸，同時(shí)有利于作物吸收利用[15]。MW 處理較其他處理近圓度偏低，但處理間差異較小。從不同處理原狀土柱三維截面圖（圖2）可直觀看出，MW處理耕層土壤孔隙較其他處理多且分布較均勻，連通性好，MR處理孔隙大小不勻稱分布，均勻性較MW處理差，土柱下部孔隙較少，MWP處理孔隙數(shù)量最少，分布不均勻，粗大孔隙明顯。

2.2 種植模式對(duì)土壤養(yǎng)分特征的影響

種植模式影響耕層土壤 pH、養(yǎng)分含量及有效性，進(jìn)而影響作物生長發(fā)育。本研究耕層土壤 pH在8.29～8.53之間（圖3a），各處理2018年pH較2012年均有所上升，MWP處理顯著升高，處理間在相同年份無顯著差異。圖3b所示各處理2012和2018年耕層有機(jī)質(zhì)含量均無顯著變化，但 2012年MWP處理有機(jī)質(zhì)含量顯著高于MW處理，到2018年已無顯著差異。2012年三個(gè)處理土壤全氮含量無顯著差異（圖3c），2018年，MW和MR處理無顯著變化，MWP處理全氮含量降低并顯著低于 MW處理，可見 MWP處理有機(jī)質(zhì)和全氮含量降低趨勢明顯。

堿解氮反映土壤有效氮情況，圖3d顯示，MW處理 2012年堿解氮含量顯著低于 MR處理，2018年與其他處理無顯著差異。2018年 MW、MR 和MWP有效磷含量較2012年分別上升45.9%、49.3%和40.3%（圖3e），MW和MR處理升高顯著。2012年MR處理顯著高于MW處理，2018年MR處理顯著高于 MWP處理，三個(gè)處理耕層土壤有效磷累積明顯。圖3f顯示，各處理2018年速效鉀含量較2012年均顯著下降，MWP處理下降幅度達(dá)41.5%。兩個(gè)年份MR和MW處理耕層土壤速效鉀含量均顯著高于MWP處理，MR和MW處理無顯著差異。

2.3 種植模式對(duì)土壤動(dòng)物的影響

本研究將土壤動(dòng)物按照不同食性分為腐食性、植食性、雜食性和捕食性4類進(jìn)行比較。0～15 cm土層結(jié)果顯示（圖4a），3個(gè)處理雜食性土壤動(dòng)物總數(shù)量顯著高于其他食性土壤動(dòng)物，是該區(qū)土壤動(dòng)物的優(yōu)勢類群，且處理間無顯著差異。MW處理雜食性土壤動(dòng)物可鑒定種類達(dá)6種，顯著高于其他處理。MR處理腐食性土壤動(dòng)物數(shù)量達(dá)5 000只·m–2，可鑒定種類為5種，顯著高于其他處理該食性的種類，植食和捕食性種類單一，且數(shù)量較少；MWP處理土壤動(dòng)物總數(shù)量最多，其中植食性土壤動(dòng)物種類和數(shù)量顯著高于MW處理，可見種植塊莖類作物后，土壤環(huán)境更適合植食性土壤動(dòng)物生存；耕層土壤各處理的捕食性土壤動(dòng)物種類無顯著差異。

15～30 cm土層的結(jié)果顯示（圖4b），隨土層深度增加，各處理土壤動(dòng)物種類和數(shù)量均減少，MW處理無植食性土壤動(dòng)物，雜食性土壤動(dòng)物數(shù)量顯著低于其他處理，MR處理只有腐食性和雜食性土壤動(dòng)物，其中雜食性土壤動(dòng)物數(shù)量顯著高于MW處理，但數(shù)量和種類顯著低于 MWP處理。3種種植模式下，不同食性土壤動(dòng)物的類群數(shù)量和個(gè)體數(shù)量呈現(xiàn)明顯表聚性，個(gè)別食性土壤動(dòng)物有向下層積聚的趨勢，MW 和 MWP處理的腐食性土壤動(dòng)物數(shù)量在15～30 cm土層較多，出現(xiàn)一定逆層，這與較深土層有機(jī)物腐化程度更高存在一定關(guān)系。

2.4 種植模式對(duì)作物產(chǎn)量和產(chǎn)值的影響

種植模式對(duì)作物產(chǎn)量的影響見表3，MW 處理小麥多年平均產(chǎn)量顯著高于 MWP處理，小春作物季油菜產(chǎn)量顯著低于小麥，MW處理玉米多年平均產(chǎn)量顯著低于其他處理。MWP處理周年作物總產(chǎn)量和產(chǎn)值均顯著高于MW和MR處理。該試驗(yàn)區(qū)內(nèi)，MW體系小麥產(chǎn)量較高但玉米產(chǎn)量低，周年總產(chǎn)量和產(chǎn)值均較低。MR處理油菜籽產(chǎn)量低，周年總產(chǎn)量最低，但菜籽經(jīng)濟(jì)價(jià)值高于小麥，因此周年產(chǎn)值高于MW處理。MWP模式下，盡管作物單產(chǎn)和產(chǎn)值均較低，但由于作物種類較多，其周年總產(chǎn)量和產(chǎn)值均顯著高于其他處理。

表3 不同種植模式作物多年平均產(chǎn)量和產(chǎn)值（2009—2018）Table 3 Average crop yield and output of the period of 2009—2018 relative to treatment

2.5 土壤結(jié)構(gòu)與土壤養(yǎng)分的關(guān)聯(lián)性

土壤肥力形成是自然和人類活動(dòng)相結(jié)合的過程，其物理化學(xué)特性關(guān)聯(lián)度能綜合反映土壤肥力狀況。表4結(jié)果顯示，該區(qū)域堿解氮含量與<0.002 mm土壤黏粒含量存在顯著正相關(guān)關(guān)系，這與土壤黏粒的高吸附性密切相關(guān)。土壤養(yǎng)分含量和不同孔徑孔隙數(shù)量均存在極顯著相關(guān)關(guān)系，但和速效鉀無顯著相關(guān)。有機(jī)質(zhì)、全氮和堿解氮與100～500 μm孔隙數(shù)量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，說明該當(dāng)量孔徑的孔隙有助于上述養(yǎng)分固持，而該當(dāng)量孔徑孔隙數(shù)量與有效磷含量呈極顯著負(fù)相關(guān)，說明該當(dāng)量孔徑的孔隙不利于有效磷保存。500～1 000 μm和>1 000 μm的相關(guān)性結(jié)果與100～500 μm的結(jié)果相反，有機(jī)質(zhì)、全氮和堿解氮在>500 μm孔隙條件下，容易向下遷移，與大孔隙容易造成漏水漏肥的觀點(diǎn)一致，而500～1 000 μm和>1 000 μm孔隙卻更有利于有效磷保存，這與有效磷多以顆粒態(tài)存在有一定關(guān)系。

表4 土壤理化特征相關(guān)性Table 4 Correlation analysis of soil physical and chemical properties

圖5可見，玉米-小麥種植模式下，耕層土壤孔隙配比、孔隙均一性及連通性更好，土壤顆粒組成較其他處理更利于水分和養(yǎng)分的保持，有機(jī)質(zhì)和全氮含量高于其他處理，利于土壤的可持續(xù)利用，但該種植模式下，紫色土耕層土壤較緊實(shí)，導(dǎo)水能力較弱，土壤動(dòng)物總的豐富度和多樣性較低，但植食性土壤動(dòng)物數(shù)量較少有利于保護(hù)作物根系，該體系周年產(chǎn)量和產(chǎn)值較低。玉米-油菜模式土壤結(jié)構(gòu)和養(yǎng)分特征與玉米-小麥模式無顯著差異，土壤緊實(shí)度較玉米-小麥模式低，但其耕層土壤孔隙配比較玉米-小麥模式差，土壤動(dòng)物數(shù)量雖較少但種類豐富，且腐食性土壤動(dòng)物數(shù)量較多，有利于土壤團(tuán)?；?，周年產(chǎn)量最小但產(chǎn)值較玉米-小麥模式偏高。玉米-紅薯-小麥模式耕層土壤疏松、通氣透水性高，導(dǎo)水性能強(qiáng)，有利于水分養(yǎng)分移動(dòng)，同時(shí)，這些大孔隙又為土壤動(dòng)物的生存和繁殖提供了空間和條件，土壤動(dòng)物總數(shù)量和種類最多，且該模式下周年產(chǎn)量與產(chǎn)值最高。但由于玉米-紅薯-小麥模式不同孔徑大孔隙配比較差，該處理存在漏水漏肥風(fēng)險(xiǎn)，與其他處理相比速效養(yǎng)分出現(xiàn)不同程度下降，也預(yù)示著要維持該體系的高產(chǎn)，可能需要增加更多養(yǎng)分投入。

3 討 論

3.1 種植模式對(duì)土壤結(jié)構(gòu)和土壤動(dòng)物的影響

種植模式對(duì)耕層及深層土壤影響廣泛，合理的種植模式可改善土壤結(jié)構(gòu)，增加土壤水分入滲[16]，提高持水性能防止土壤退化[15]。本研究玉米-紅薯-小麥模式耕層土壤容重和緊實(shí)度較玉米-小麥模式低，這與薯類根系較粗對(duì)土壤穿透力強(qiáng)，而小麥根細(xì)瘦穿透力較差有關(guān)。玉米-紅薯-小麥體系耕層土壤孔隙度和飽和導(dǎo)水率最高，耕層導(dǎo)水性能優(yōu)于其他處理，土壤動(dòng)物數(shù)量豐富，與容重降低有利于水分運(yùn)移和氣體交換，增加土壤通氣性和透水性，為生物活動(dòng)和根系生長創(chuàng)造有利環(huán)境的研究結(jié)果一致[17]。玉米-小麥和玉米-油菜體系耕層土壤孔隙度較玉米-紅薯-小麥輪作體系小，與薯類根系生長延伸過程對(duì)土壤孔隙有增大作用，豐富的土壤動(dòng)物對(duì)土壤施加影響也使得該體系孔隙度高。本研究表明玉米-小麥體系耕層土壤的顆粒組成有利于提高其持水性能，而玉米-紅薯-小麥體系砂粒含量高通透性好，利于水分向下移動(dòng)。已有研究也表明砂粒雖利于水分入滲，但其表面吸附能力較弱可能更易造成土壤水分流失[18]。

目前對(duì)大孔隙直徑劃分無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，通常認(rèn)為當(dāng)量孔徑100～500 μm的孔隙是通氣大孔隙，>500 μm是生物孔隙[19]，Asare 等[20]應(yīng)用 CT掃描技術(shù)發(fā)現(xiàn)大孔隙的形成機(jī)理與地上殘留物、植物根系類型及土壤動(dòng)物等因素有關(guān)。大孔隙僅占總孔隙的一小部分，但利于水分傳導(dǎo)和運(yùn)輸，傳導(dǎo)率高達(dá)70%，又是土壤空氣與大氣交換的直接通道，中等孔隙適合根的生長，小孔隙有保持土壤水分和養(yǎng)分的功能。本研究結(jié)果顯示，玉米-小麥、玉米-紅薯-小麥和玉米-油菜體系>1 000 μm 的孔隙分別占總孔隙體積的 49.8%、68.4%和79.5%，玉米-小麥體系平均孔隙直徑趨小，而玉米-紅薯-小麥體系平均孔隙直徑趨大，玉-薯-麥模式耕層土壤孔隙結(jié)構(gòu)有利于水分傳導(dǎo)和運(yùn)輸，但水分和養(yǎng)分也更容易向深層土壤遷移，與>1 000 μm的孔隙易出現(xiàn)不同程度水肥遺漏現(xiàn)象的研究結(jié)果一致[21]。玉米-小麥模式的孔隙比例、平均配位數(shù)和孔隙近圓度最佳，有利于保水保肥且連通性較好，與于同艷和張興義[22]的研究結(jié)果一致。

土壤是土壤動(dòng)物和微生物的棲息場所，土壤動(dòng)物又是土體內(nèi)物質(zhì)轉(zhuǎn)化的主要驅(qū)動(dòng)者，深刻影響土壤功能和質(zhì)量[23]。本研究耕層土壤各處理雜食性動(dòng)物為優(yōu)勢類群，這與其泛食習(xí)性有關(guān)。玉米-小麥體系較其他處理土壤動(dòng)物數(shù)量和種類少，植食性土壤動(dòng)物也較少，有利于保護(hù)作物根系。腐食性動(dòng)物有利于有機(jī)物分解和團(tuán)?；?，轉(zhuǎn)化有機(jī)質(zhì)的能力較強(qiáng)[24]，本研究中玉米-油菜模式下腐食性土壤動(dòng)物種類和數(shù)量較多，植食和捕食性種類單一且數(shù)量少，該種植模式可能更適用于團(tuán)粒結(jié)構(gòu)較差的土壤。本研究中玉米-紅薯-小麥體系土壤動(dòng)物總數(shù)量最多，植食性土壤動(dòng)物豐富，可見加入塊根類作物種植后，塊根作物根系生長和延伸有利于大孔隙形成，氧氣和養(yǎng)分供應(yīng)更充分，土壤環(huán)境會(huì)更適合土壤動(dòng)物生存，與華萃等[25]的研究結(jié)果一致。三種模式不同食性土壤動(dòng)物的類群數(shù)量和個(gè)體數(shù)量均呈現(xiàn)明顯表聚性，可能受人類季節(jié)性翻耕的影響，腐食性土壤動(dòng)物有向下層積聚的趨勢，可能與下層土壤有機(jī)物腐化程度更高有關(guān)。

3.2 種植模式對(duì)土壤養(yǎng)分和生產(chǎn)力的影響

土壤養(yǎng)分全量反映土壤供給養(yǎng)分的能力，速效養(yǎng)分則反映土壤養(yǎng)分供給強(qiáng)度，對(duì)植物在短周期的生長具有較大影響。本研究顯示玉米-小麥體系2018年的有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮和有效磷含量較2012年無顯著變化或略有增加，而玉米-紅薯-小麥體系除有效磷外，其他養(yǎng)分均出現(xiàn)不同程度下降，一方面與作物種類多對(duì)養(yǎng)分需求量高有關(guān)，另一方面與該處理土壤條件易使水分和養(yǎng)分向下較快遷移，存在漏水漏肥風(fēng)險(xiǎn)，不利于土壤養(yǎng)分積累和固持有關(guān)。同時(shí)，不同作物根系布局和對(duì)營養(yǎng)的吸收能力有差異，也可能造成耕層土壤養(yǎng)分分布差異[26]。李承力等[27]對(duì)不同輪作模式土壤養(yǎng)分差異的研究顯示，玉米-油菜輪作體系土壤氮含量最高，玉米-小麥輪作體系土壤磷鉀含量最高，本研究中玉米-油菜輪作土壤磷鉀含量最高，玉米-小麥輪作土壤氮含量相對(duì)較高，研究結(jié)果差異可能與不同研究區(qū)域土壤類型、管理措施及施肥條件等不同有關(guān)。本研究中，各處理2018年土壤速效鉀含量較2012年均顯著降低，玉米-紅薯-小麥模式降低幅度最大，與紅薯喜鉀密切相關(guān)[28]。相關(guān)研究也表明，玉米與紅薯套作體系中的作物結(jié)構(gòu)不合理，均屬耗地作物，氮、鉀養(yǎng)分呈現(xiàn)高消耗趨勢，難以發(fā)揮套作優(yōu)勢，可能危害農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展[29]。

不同作物種植對(duì)土壤肥力影響不同，加上作物自身生理和養(yǎng)分需求不同，因此產(chǎn)量構(gòu)成有差異[30]。合理的種植模式能有效提高作物產(chǎn)量和品質(zhì)，可增產(chǎn) 10%～15%，不合理種植模式致使農(nóng)田土壤肥力下降、土壤環(huán)境惡化[31]。本研究中玉米-油菜模式周年產(chǎn)量低于玉米-小麥體系，但經(jīng)濟(jì)效益卻高于玉米-小麥體系，與李承力等[27]在丹江口庫區(qū)坡耕地生產(chǎn)力水平的研究結(jié)果一致。本研究中玉米-紅薯-小麥體系周年作物生產(chǎn)力與產(chǎn)值最高。一方面由于作物類型多，另一方面玉米生長要求土壤水分含量需在50%左右[32]，玉米紅薯間作期間，紅薯葉低矮，能有效覆蓋部分地面并保持水分存在一定關(guān)系。

3.3 各土壤指標(biāo)耦合對(duì)土壤質(zhì)量的影響

土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)應(yīng)綜合考慮多方面因素，尤其是在地形、土壤類型、管理措施、管理目標(biāo)多樣性程度較高時(shí)[29]。研究表明，土壤顆粒組成與土壤的保肥及供肥能力有關(guān)，是評(píng)價(jià)土壤肥力的重要因子之一。李露等[33]研究認(rèn)為黃土高原土壤有機(jī)碳與黏粒含量有顯著相關(guān)關(guān)系，當(dāng)黏粒含量為20%～25%時(shí)，有機(jī)碳與黏粒的相關(guān)性較高，當(dāng)黏粒含量大于30%時(shí)，有機(jī)碳與黏粒呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。本研究黏粒含量均為20%～25%，與有機(jī)質(zhì)含量相關(guān)系數(shù)為0.433，并無顯著相關(guān)關(guān)系，這可能與本研究樣本量較小及紫色土本身的土壤性質(zhì)有關(guān)。本研究有效磷、有效鉀含量與粒徑 0.002～0.05 mm 的顆粒含量呈負(fù)相關(guān)，與茍曦[34]的研究有效磷、有效鉀含量隨粉粒含量增加而減少的結(jié)果部分一致。顆粒組成中粒級(jí)越小，粒間孔隙小，可塑性、黏著性、黏結(jié)性和保水保肥性越強(qiáng)[35]，MW處理<0.002 mm的顆粒含量較高，同時(shí)總孔隙度小在一定程度上有助于土壤保熵和養(yǎng)分積累。

MW處理的土壤動(dòng)物數(shù)量較其他處理少，可見孔隙度較小不僅影響土壤中空氣的含量，阻礙根系伸展，還會(huì)影響土壤動(dòng)物的活動(dòng)與生存。本研究中養(yǎng)分含量與當(dāng)量孔徑>100 μm的各級(jí)孔隙數(shù)量均存在極顯著相關(guān)關(guān)系。有機(jī)質(zhì)、全氮、速效氮與當(dāng)量孔徑100～500 μm的孔隙呈極顯著正相關(guān)，該范圍孔隙直徑適中，水氣總?cè)萘枯^大，有利于水氣儲(chǔ)存和增強(qiáng)土壤生物的有效活動(dòng)，活化土壤養(yǎng)分[36]。但有機(jī)質(zhì)、全氮、速效氮與>500 μm的孔隙呈極顯著的負(fù)相關(guān)，主要原因是土壤大孔隙產(chǎn)生優(yōu)勢流極易造成土壤水分和養(yǎng)分流失[37]。本研究中有效磷的結(jié)果與其相反，與有效磷多以顆粒態(tài)存在，可在大孔隙中有效保存存在一定關(guān)系。

4 結(jié) 論

川中丘陵地區(qū)傳統(tǒng)的三種糧油種植模式利弊共存，選擇時(shí)需因地制宜、趨利避害進(jìn)行綜合評(píng)估。玉米-小麥輪作模式耕層土壤孔隙配比合理，土壤孔隙均一性及孔隙間連通性更好，利于耕層保水保肥，有利于土壤資源的可持續(xù)利用，但該模式下土壤動(dòng)物豐富度和多樣性較低，經(jīng)濟(jì)效益偏低。玉-油模式下土壤理化特征與玉米-小麥模式無顯著差異，但該種植模式的土壤孔隙結(jié)構(gòu)較玉米-小麥模式差，優(yōu)勢在于腐食性土壤動(dòng)物數(shù)量和種類豐富，對(duì)土壤團(tuán)?；欣?，整體經(jīng)濟(jì)效益高于玉米-小麥模式。玉米-紅薯-小麥模式周年作物總產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)效益最高，耕層土壤疏松，作物類型和孔隙結(jié)構(gòu)有利于土壤動(dòng)物的生存和繁殖，但該體系耕層土壤孔隙結(jié)構(gòu)不利于保水保肥，長期維持該系統(tǒng)高產(chǎn)需要增加更多養(yǎng)分投入，結(jié)合石灰性紫色土易被侵蝕、壤中流發(fā)育程度較高、養(yǎng)分極易隨徑流損失等特征，該體系對(duì)地力消耗大，難以實(shí)現(xiàn)保護(hù)耕地質(zhì)量和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo)。

致 謝感謝中國科學(xué)院鹽亭紫色土農(nóng)業(yè)生態(tài)試驗(yàn)站為本研究提供的實(shí)驗(yàn)設(shè)施設(shè)備，感謝朱新玉、章熙鋒和張蓉在采樣及樣品分析過程中給予的建議和幫助。