不同種植模式對玉米根系及土壤團聚體穩(wěn)定性的影響

夏梓泰，程偉威，趙吉霞，李永梅，范茂攀

云南農(nóng)業(yè)大學資源與環(huán)境學院，云南 昆明 650201

長期連作嚴重影響耕地土壤質(zhì)量演化及其可持續(xù)利用（賈志紅等，2010），進而影響作物產(chǎn)量，威脅當?shù)丶Z食安全，合理的輪作方式是改善這一情況的有效手段。作物輪作通過利用不同作物生物學特性間的差異，均衡互補地利用以肥、水、光、氣、生物等為核心的土壤資源，實現(xiàn)年際間土地高效利用，提高資源的利用效率（劉玉華等，2006）。作物輪作在中國擁有悠久的歷史，實行合理的輪作制度能調(diào)節(jié)土壤肥力，緩解連作障礙，促進作物增產(chǎn)，具有經(jīng)濟、生態(tài)和社會等多方面效益（趙其國等，2017）。常見的輪作模式有：豆禾輪作、綠肥和經(jīng)濟作物輪作、水旱輪作等（王志強等，2017），目前云南的輪作模式以冬綠肥-夏玉米為主。

化肥在中國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中對提高作物產(chǎn)量發(fā)揮著重要作用，但長期大量施用化肥會導致耕地土壤結(jié)構(gòu)變差（趙彩衣等，2019），土壤的保肥能力和自我調(diào)節(jié)能力下降，容易導致耕地土壤發(fā)生侵蝕，破壞生態(tài)環(huán)境，影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的正常進行。綠肥是清潔的有機肥源，也是現(xiàn)代生態(tài)農(nóng)業(yè)的重要組成部分（李子雙等，2013），在中國農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中的應用歷史悠久，經(jīng)常用于培肥地力，已經(jīng)成為輪作、間作和覆蓋還田的優(yōu)良目標作物（朱亞瓊等，2020）。翻壓綠肥進入土壤后會腐解釋放養(yǎng)分，提高土壤肥力（周志明等，2016），改善土壤物理性質(zhì)（李帥等，2019），從而增強下一季作物對土壤養(yǎng)分的吸收利用，促進作物生長并提高作物產(chǎn)量。

苕子（Vicia villosa Roth）是一種一年生或越年生的綠肥作物，具有耐寒、耐旱、耐薄瘠的特點（韓云飛等，2020），豌豆（Pisum sativum L.）為半耐寒性的綠肥作物，兩者均為豆科植物（Leguminosae SP.）。在中國云南省，冬季光熱資源充足，因此可充分利用冬季光熱資源和休閑期種植一季綠肥作物，既能增加冬季耕地地表作物覆蓋，降低水土流失的風險（潘福霞等，2011），又能培肥地力（官會林等，2010；劉昌永等，2016），對作物的生長性狀和產(chǎn)量都具有積極意義。

種植模式（Li et al.，2018）、耕作方式（Nath et al.，2017；Lovera et al.，2021）、秸稈還田（Zhao et al.，2018）等相關(guān)農(nóng)業(yè)措施均會影響作物根系和土壤團聚體。當前對不同輪作模式的研究大多集中于土壤養(yǎng)分（Bell et al.，2012；張達斌等，2013）和作物產(chǎn)量（Sun et al.，2018；Jiang et al.，2021；黃晶等，2016）方向，而對作物根系特征和土壤團聚體的影響的研究鮮有報道。因此本試驗主要通過設(shè)置冬季休閑以及冬季種植苕子和豌豆作為綠肥，對比3種種植模式下玉米各生育期根系特征、根系分泌物的含量和土壤團聚體組成，并分析根系特征和根系分泌物對土壤團聚體穩(wěn)定性的影響，研究結(jié)果有利于試驗區(qū)域坡耕地水土流失防控，同時為當?shù)剞r(nóng)作物合理配置提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗區(qū)位于云南省昆明市盤龍區(qū)松華壩水源區(qū)大擺社區(qū)（25°2′28.8″N，102°58′39.7″E），坡度為10°，屬亞熱帶季風氣候，海拔為2234 m，年降水量900—1000 mm，年平均氣溫16 ℃。該試驗地土壤基本理化性質(zhì)為：pH 6.29，有機質(zhì) 30.15 g·kg?1，全氮 1.14 g·kg?1，堿解氮 115.3 mg·kg?1，速效磷 6.41 mg·kg?1，速效鉀 92.36 mg·kg?1。

1.2 試驗設(shè)計

1.2.1 供試作物

玉米品種為云瑞“88”；苕子和豌豆分別為當?shù)仄毡椴捎玫陌谆òo豌豆和毛葉紫花苕。

1.2.2 小區(qū)設(shè)計

本試驗小區(qū)面積為4 m×5 m，坡度為10°。試驗設(shè)3個處理，玉米單作（MM）、玉米-苕子-玉米輪作（MVM）和玉米-豌豆-玉米輪作（MPM），每個處理3次重復，共9個小區(qū)，區(qū)組內(nèi)小區(qū)隨機排列。

1.2.3 種植模式

玉米不同種植模式如表1所示。于2018年5月種植第一年玉米，當年11月種植苕子和豌豆，2019年5月種植第二年玉米。玉米采用寬窄行種植，寬行80 cm，窄行40 cm，株距25 cm。播種模式為穴播，種植時每穴兩粒，待出苗后兩株取其一，單個小區(qū)植株共計9行，每行16株。苕子和豌豆采用撒播種植方式，將種子均勻撒于種完玉米的小區(qū)里，然后結(jié)合中耕、除草措施，稍微翻動表土，播種深度（覆土厚度）為2—3 cm。

表1 試驗處理Table 1 Experiment treatment

1.2.4 田間管理

玉米施肥采取單株精準施肥模式，玉米施N 315 kg·hm?2，P2O5120 kg·hm?2，K2O 120 kg·hm?2，其中氮肥分兩次施用（50%做基肥，50%做追肥），追肥在喇叭口期進行，磷肥和鉀肥全部做基肥施用；苕子和豌豆作為綠肥作物，不進行施肥處理。玉米在播種、施肥、灌水后采用塑料透明薄膜覆蓋。在作物各個生長期內(nèi)，根據(jù)作物的長勢情況，適時進行灌水作業(yè)。為避免擾動土壤，原則上不進行除草。

1.3 樣品采集與測定

1.3.1 樣品采集

玉米根系樣品和土壤樣品采集均在第二年種植玉米的喇叭口期、抽雄期和成熟期進行；在作物成熟期進行產(chǎn)量的測定。

（1）根系樣品采集：在每個小區(qū)隨機選取3株具有代表性的植株，以植株為中心，采用全挖法將帶有土體的完整根系挖出，帶回實驗室進行根系特征和根系分泌物的分析測定。

（2）土壤樣品采集：采用“S”型取樣方法采集0—20 cm土層的土樣，在采樣和運輸過程中避免擠壓和擾動，保持土壤的原狀結(jié)構(gòu)，以免破壞團聚體。采樣后將土樣按其自然結(jié)構(gòu)掰成直徑約 5 cm的土塊，剔除石塊和植物根系等雜物，在實驗室進行風干，用于土壤團聚體的測定。

1.3.2 指標測定：

（1）玉米根系特征測定（馬志鵬等，2016）：將收集根系分泌物后的作物根系整理平鋪于掃根托盤中，避免根系交叉，然后用EPSON Perfection V700掃描儀進行掃描，用Winrhizo根系掃描分析系統(tǒng)分析根系形態(tài)結(jié)構(gòu)參數(shù)，包括根長、根平均直徑、根體積和根表面積。

（2）根系分泌物的提取與測定（王婷等，2018）：將帶有土體的植株地下部浸入裝水圓桶中，使植株根系慢慢完整露出，用自來水多次清洗根系后再用蒸餾水清洗3次后放入大號黑色不透光自封袋中，收集植株根系分泌物，用200 mL 5 mg·L?1百里酚浸泡 3 min 后用 200 mL 0.005 mol·L?1CaCl2收集 2 h。根系分泌物收集液在40 ℃條件下旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)15 min后，濃縮至20 mL，濃縮液過0.45 μm濾膜，置于?20 ℃冰箱保存，待測。根系分泌總糖含量測定采用蒽酮比色法；總有機酸含量測定采用HPLC法，儀器型號為Agilent 1200高效液相色譜儀。

（3）土壤團聚體測定（吳憲等，2020）：采用濕篩法進行土壤水穩(wěn)性團聚體測定。

＞0.25 mm水穩(wěn)性團聚體質(zhì)量分數(shù)（吳憲等，2020）（R0.25）：

式中：

mr＞0.25——粒徑＞0.25 mm 水穩(wěn)性團聚體質(zhì)量（g）；

mt——水穩(wěn)性團聚體總質(zhì)量（g）。

平均質(zhì)量直徑（吳憲等，2020）（RMWD，mm）：

式中：

wi——各粒級水穩(wěn)性團聚體質(zhì)量百分數(shù)（%）。

幾何平均直徑（吳憲等，2020）（RGMD，mm）：

式中：

wi——各粒級水穩(wěn)性團聚體質(zhì)量百分數(shù)（%）。

1.4 數(shù)據(jù)處理

應用Microsoft Excel進行數(shù)據(jù)整理和相關(guān)圖表的繪制。應用SPSS 23.0軟件對根系特征指標、根系分泌物和土壤團聚體指標數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，采用單因素方差分析進行不同處理下相關(guān)指標的差異顯著性分析；采用多因素方差分析作物輪作和生育期對相關(guān)指標的交互影響；對根系特征指標、根系分泌物和土壤團聚體指標進行Pearson相關(guān)性分析。

2 結(jié)果分析

2.1 不同種植模式下作物產(chǎn)量

不同種植模式下作物產(chǎn)量如表2所示，冬季作物中，苕子產(chǎn)量高于豌豆，但差異不顯著；夏季玉米產(chǎn)量大小順序為MVM＞MPM＞MM，其中，MVM比MM顯著提高10.6%（P＜0.05），MPM比MM顯著提高7.7%（P＜0.05），兩種輪作模式相比，MVM比MPM高2.7%，但差異不顯著。

表2 不同種植模式下作物產(chǎn)量Table 2 Crop yield under different planting patterns

2.2 不同種植模式下玉米各生育期根系特征

由表3可知，玉米根長隨生育期的推進不斷增加，MVM和MPM處理在各生育期均高于MM處理，且在成熟期 MPM比 MM顯著提高 40.27%（P＜0.05）；根表面積隨生育期的推進不斷增加，MVM 和 MPM 處理在喇叭口期和抽雄期均高于MM處理，且在抽雄期達到顯著（P＜0.05）；根體積隨生育期的推進不斷增加，且 MPM 在抽雄期比MM 顯著提高 49.68%（P＜0.05），MVM 在成熟期顯著高于 MM 處理（P＜0.05）。根平均直徑隨生育期的推進總體呈不斷增加的趨勢，MVM 在抽雄期和成熟期顯著高于 MM 處理（P＜0.05）。方差分析（表4）表明，玉米生育期對根長、根表面積、根體積和根平均直徑均有極顯著影響（P＜0.01）；輪作對根長、根體積和根平均直徑有極顯著影響（P＜0.01），對根表面積有顯著影響（P＜0.05）；兩者交互作用對根體積有極顯著影響（P＜0.01），對根長和根平均直徑有顯著影響（P＜0.05）。

表3 不同種植模式下玉米各生育期根系特征Table 3 Root system characteristics of maize in different growth periods under different planting patterns

表4 玉米生育期和輪作對根系特征的影響Table 4 Effects of maize growth period and crop rotation on root characteristics

2.3 不同種植模式下玉米各生育期根系分泌物含量

由圖1可知，不同種植模式下總糖含量隨生育期的推進呈上升的趨勢，在喇叭口期，總糖含量大小順序為MPM＞MVM＞MM，且MVM和MPM分別比MM顯著提高8.62%和10.15%（P＜0.05）；在抽雄期，其大小順序為MPM＞MVM＞MM，且MVM和 MPM分別比 MM顯著提高 31.27%和 36.12%（P＜0.05）；在成熟期，其大小順序為MVM＞MPM＞MM，且MVM和MPM分別比MM顯著提高30.72%和28.93%（P＜0.05）。由圖2可知，不同種植模式下總有機酸含量隨生育期的推進呈上升的趨勢，在喇叭口期，總有機酸含量大小順序為MVM＞MPM＞MM；在抽雄期，其大小順序為MPM＞MVM＞MM，且MVM和MPM分別比MM顯著提高15.14%和16.76%（P＜0.05）；在成熟期，其大小順序為MPM＞MVM＞MM，且MVM和MPM分別比MM顯著提高16.77%和17.92%（P＜0.05）。MVM和MPM之間則無顯著差異（P＞0.05）。方差分析（表5）表明，玉米生育期對總糖和總有機酸有極顯著影響（P＜0.01）；輪作對總糖和總有機酸有極顯著影響（P＜0.01）；兩者交互作用對總糖有極顯著影響（P＜0.01），對總有機酸有顯著影響（P＜0.05）。

表5 玉米生育期和輪作對根系分泌物的影響Table 5 Effects of maize growth period and crop rotation on root exudates

圖1 不同種植模式下玉米各生育期根系分泌總糖含量Fig. 1 The content of total sugar secreted by the roots of maizein different growth periods under different planting patterns

圖2 不同種植模式下玉米各生育期根系分泌總有機酸含量Fig. 2 The content of total organic acid secreted by the roots of maize in different growth periods under different planting patterns

2.4 不同種植模式下各生育期土壤團聚體穩(wěn)定性特征

由表6可知，土壤水穩(wěn)性團聚體各粒級占比大小順序為 (0.25—2 mm)＞(＜0.25 mm)＞(＞2mm)，其中，各生育期MVM和MPM的0.25—2 mm團聚體含量均高于MM，且在抽雄期MVM比MM顯著提高27.88%（P＜0.05）；在抽雄期 MPM 的＞2 mm 團聚體含量比MM顯著提高22.59%（P＜0.05）；對于＜0.25 mm團聚體，同一處理隨著生育期推進而不斷減小，且在每個生育期MVM和MPM均低于MM，在抽雄期和成熟期達到顯著（P＜0.05）。對于R0.25，同一處理隨著生育期推進呈不斷增加的趨勢，且在每個生育期MVM和MPM 均高于 MM，在抽雄期和成熟期達到顯著（P＜0.05）；對于 RMWD，同一處理隨著生育期推進呈不斷增加的趨勢，MVM 在 3個生育期均顯著高于MM（P＜0.05），MPM在抽雄期和成熟期顯著高于MM（P＜0.05）；對于RGMD，同一處理隨著生育期推進呈不斷增加的趨勢，MVM和MPM均在抽雄期和成熟期顯著高于MM（P＜0.05）。方差分析（表7）表明，玉米生育期對RMWD和RGMD有顯著影響（P＜0.05）；輪作對R0.25、RMWD和RGMD有極顯著影響（P＜0.01）；兩者交互作用對R0.25、RMWD和RGMD均無顯著影響。

表6 不同種植模式下玉米各生育期土壤團聚體特征Table 6 Characteristics of soil aggregates in different growth periods of maize under different planting patterns

表7 玉米生育期和輪作對土壤團聚體穩(wěn)定性的影響Table 7 Effects of maize growth period and crop rotation on the soil aggregate stability

2.5 玉米根系與土壤團聚體穩(wěn)定性相關(guān)性分析

由表8可知，總糖和總有機酸含量與根長、根表面積、根體積和根平均直徑均呈極顯著正相關(guān)關(guān)系（P＜0.01）；土壤團聚體R0.25與根平均直徑呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01），與根表面積、根體積、總糖和總有機酸之間呈顯著正相關(guān)（P＜0.05）；RMWD與根長、根表面積、根體積、總糖和總有機酸之間呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01），與根平均直徑呈顯著正相關(guān)（P＜0.05）；RGMD與根表面積、根體積、根平均直徑和總糖之間呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01），與根長和總有機酸呈顯著正相關(guān)關(guān)系（P＜0.05）。

表8 玉米根系與土壤團聚體穩(wěn)定性相關(guān)性分析Table 8 Correlation analysis of maize root system and soil aggregate stability

3 討論

3.1 不同種植模式對玉米各生育期根系特征的影響

作物根系特征反映了土壤中養(yǎng)分狀況和土壤微生態(tài)環(huán)境質(zhì)量，良好的土壤環(huán)境和水肥供應能力能夠促進作物根系的生長及其對土壤養(yǎng)分的吸收（姜英等，2020）。本研究表明，豆科綠肥輪作模式下玉米各生育期的根長、根表面積、根體積和根平均直徑都優(yōu)于玉米單作，且根系特征隨著生育期的推進呈不斷增加的趨勢，結(jié)果與前人（張智勇等，2019；馬瑞等，2020）一致。其原因在于翻壓于土壤中的冬季種植綠肥在腐解以后能增加土壤中氮、磷、鉀和有機質(zhì)的含量（劉佳等，2016），改善土壤環(huán)境，提高作物根系生長所需養(yǎng)分。另外，土壤中各種元素的增加也能夠調(diào)節(jié)微生物活性，改善物理結(jié)構(gòu)，對根系在土層中的分布有積極影響。其次，本研究還發(fā)現(xiàn)，苕子輪作對玉米根系的改良效果優(yōu)于豌豆，這可能是由于云南省冬季干旱少雨，而苕子的耐旱性優(yōu)于豌豆，所以冬季苕子的生長狀況好于豌豆，從而對土壤肥力的改善情況也優(yōu)于豌豆；而夏季玉米對養(yǎng)分利用的量和效率的提高能促進其產(chǎn)量提高，同時，作物擁有的良好的根表面積和根體積能夠增加根系對養(yǎng)分和水分的吸收利用（劉濤等，2016），進而增加作物產(chǎn)量。

3.2 不同種植模式的玉米各生育期根系分泌物及土壤團聚體的影響

植物的根際過程和根際效應主要指低分子量和高分子量物質(zhì)（如質(zhì)子、碳水化合物、有機酸、氨基酸等）以復雜混合物的形式從根中釋放出來并作用于根際微環(huán)境的過程（Mimmo et al.，2014）。已有研究表明，不同種植模式會影響根系分泌物的分布（王婷等，2018；秦麗等，2020），本研究結(jié)果與其類似，玉米-苕子-玉米和玉米-豌豆-玉米的根系分泌總糖含量在各生育期均顯著高于玉米單作，而根系分泌總有機酸含量則在抽雄期和成熟期顯著高于玉米單作。本研究還發(fā)現(xiàn)，豆科綠肥輪作能顯著提高土壤團聚體穩(wěn)定性，且隨著玉米生育期的推進，土壤團聚體穩(wěn)定性呈不斷增強的趨勢，結(jié)果與前人（馬瑞等，2020）研究相似，輪作模式中綠肥的翻壓能夠增加土壤中根系的種類，根系分泌物的含量也隨之增加，并且優(yōu)良的根系特征也能夠增加根系分泌物含量，根系分泌物通過膠結(jié)作用促進土壤團聚體穩(wěn)定性。綠肥-玉米輪作模式能夠提高土壤團聚體穩(wěn)定性，改善土壤結(jié)構(gòu)，提升土壤產(chǎn)能，利于作物生長并提高產(chǎn)量。

3.3 玉米根系與土壤團聚體穩(wěn)定性的相關(guān)性

本研究得出，根系特征與團聚體指標（R0.25、RMWD和RGMD）呈正相關(guān)關(guān)系，說明根系特征對團聚體穩(wěn)定性有積極影響，結(jié)果與前人（白錄順等，2019）研究一致。土壤物理性質(zhì)與作物根系性狀相互影響，具有良好形態(tài)特征的根系能夠通過其穿插和纏繞作用提高其固土能力，促進大團聚體的形成，提高團聚體穩(wěn)定性及土壤抗侵蝕能力，充分發(fā)揮根系保持水土的功能（李強等，2020；劉均陽等，2020），而土壤物理性質(zhì)會影響根系的生長和功能，特別是土壤緊實度會影響根系的活力和地上生物量，進而對作物產(chǎn)量產(chǎn)生影響（Rebetzke et al.，2014）。另外，根系分泌總糖和總有機酸與團聚體穩(wěn)定性呈正相關(guān)關(guān)系，該結(jié)果與前人（宋日等，2009；苑亞茹等，2011；王婷等，2018）研究一致。一方面，土壤微生物可以通過根系分泌物獲得碳源，從而促進團聚體的形成（Van Hees et al.，2005），特別是土壤真菌對于根系分泌物的利用更加充分（Baumert et al.，2018），因此，根系分泌物可以通過土壤微生物的作用提高土壤團聚體穩(wěn)定性。另外，根系分泌物中存在的某些化合物能夠通過分散和膠結(jié)土壤參與根際過程，影響根-土界面的土壤結(jié)構(gòu)（Naveed et al.，2017）。本試驗下一階段將測定不同種植模式下玉米根系所分泌的不同種類的有機酸，有助于進一步明確不同種類有機酸在土壤團聚過程中發(fā)揮的具體作用。

綜上，豆科綠肥與玉米輪作能夠改善土壤團聚體，改良作物根系特征，這對于坡耕地生態(tài)環(huán)境保護和糧食增產(chǎn)有重要意義，另外，綠肥腐解能夠產(chǎn)生養(yǎng)分，若進行長期綠肥種植可適當降低種植地施肥量，且不同品種的綠肥能產(chǎn)生不同的經(jīng)濟效益，基于這一因素考慮，冬種豌豆與夏玉米輪作是一種更優(yōu)的種植模式。中國云南省苕子和豌豆種植面積大且產(chǎn)量高，但在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實踐中對于這兩種豆科綠肥的科學利用仍有待進一步探討，特別是制定綠肥作物合理的翻壓量和翻壓時間，以及不同作物與不同品種綠肥的搭配使用等。由于研究區(qū)土壤環(huán)境復雜以及研究年限較短，本研究未涉及綠肥腐解對土壤養(yǎng)分的形成過程以及綠肥翻壓量對土壤理化性質(zhì)和作物的影響，這也是本試驗下一步研究和探討的方向。

4 結(jié)論

（1）與玉米單作相比，兩種綠肥輪作模式均能顯著提高玉米產(chǎn)量，有利于優(yōu)化玉米根系特征，增加根系分泌物含量，且苕子輪作效果整體優(yōu)于豌豆輪作。

（2）土壤團聚體穩(wěn)定性隨玉米生育期的推進呈不斷增加的趨勢。與玉米單作相比，輪作模式能顯著提高團聚體穩(wěn)定性，且苕子輪作整體優(yōu)于豌豆輪作，但差異不顯著。

（3）相關(guān)性分析表明，玉米根系特征值和根系分泌物與土壤團聚體穩(wěn)定性指標具有顯著相關(guān)性。