基于不同夏作物-冬小麥種植制度的黃土高原東部農(nóng)田土壤物理質(zhì)量研究

劉昌斌，祁澤偉，馬 茹，徐 偉，張澤燕，鄭海澤，薛建福

（1山西農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院/作物生態(tài)與旱作栽培生理山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西太谷 030801；2山西農(nóng)業(yè)大學(xué)小麥研究所，山西臨汾 041000）

0 引言

地處干旱半干旱地區(qū)的黃土高原，總耕地面積約1691萬hm2[1]，干旱缺水和耕層土壤質(zhì)量惡化是困擾黃土高原旱地農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的難題之一。黃土高原麥區(qū)年降水有著明顯的季節(jié)性，大約常年降水的60%集中分布在7—9月[2-3]，此時(shí)正是該地區(qū)旱地小麥的休閑期，采用合理的種植制度不僅可以利用休閑降雨，而且能改善土壤結(jié)構(gòu)[4-5]，優(yōu)化土壤物理質(zhì)量[6]，解決連作障礙[7]。土壤物理性狀決定著土壤水、肥、氣、熱的循環(huán)和供應(yīng)，這些都直接影響著作物的生長發(fā)育和生理功能等[8]。因此，研究黃土高原地區(qū)有效的種植制度對農(nóng)作物產(chǎn)量的提高具有重要意義。

土壤容重、孔隙度與儲水量等是反映土壤物理性質(zhì)的主要指標(biāo)[9]。關(guān)于種植制度對農(nóng)田土壤物理質(zhì)量影響的研究眾多，但并沒有一致的結(jié)論，這可能是由氣候條件、土壤質(zhì)地、取樣時(shí)間及復(fù)種作物所致。有學(xué)者研究表明，綠肥-煙草種植制度制度較連續(xù)種植煙草顯著降低了0～20 cm土壤容重，增加了0～20 cm土壤總孔隙度[10]。小麥-玉米和小麥-花生種植制度0～30 cm土壤含水量較小麥-玉米-小麥-花生種植制度顯著增加，但小麥-花生與小麥-玉米-小麥-花生種植制度0～50 cm土層土壤容重?zé)o顯著差異[11]。稻-稻-紫云英和稻-稻-黑麥草種植制度0～15 cm土壤總孔隙度和毛管孔隙度顯著高于稻-稻-冬閑種植制度[12]。以上研究均表明，合理的種植制度有益于改善土壤物理性質(zhì)、保證農(nóng)田生產(chǎn)[13]。

黃土高原地區(qū)水土流失嚴(yán)重，農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)較為脆弱[14]，土壤物理質(zhì)量較差。而農(nóng)田土壤是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的關(guān)鍵，農(nóng)田土壤物理質(zhì)量決定了作物能否高產(chǎn)。種植制度對農(nóng)田土壤物理質(zhì)量影響較大。鑒于此，本研究以山西臨汾一年兩熟制農(nóng)田為基礎(chǔ)，分析了連續(xù)夏綠豆-冬小麥(MB-WW，T1)、2年夏玉米-冬小麥+2年夏綠豆-冬小麥(2a SC-WW+2a MB-WW，T2)及連續(xù)夏休閑-冬小麥(SF-WW，T3)3種種植制度對農(nóng)田土壤物理質(zhì)量的影響，以期改善黃土高原東部農(nóng)田土壤物理質(zhì)量。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

本試驗(yàn)在山西省臨汾市山西農(nóng)業(yè)大學(xué)（山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院）小麥研究所旱地試驗(yàn)場(36°6′44″N，111°31′44″E)進(jìn)行。該地區(qū)屬于暖溫帶大陸半干旱季風(fēng)氣候區(qū)，無霜期約203天，年平均氣溫9～13℃，年均降水量550 mm，年日照時(shí)數(shù)為2416.5 h。試驗(yàn)地土壤為石灰性褐土，0～20 cm土層土壤理化性狀為有機(jī)質(zhì)13.87 g/kg，速效氮39.5 mg/kg，速效磷 17.0 mg/kg，速效鉀184.7 mg/kg。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)開始于2016年，采用單因素完全隨機(jī)試驗(yàn)設(shè)計(jì)，設(shè)置3種種植制度（圖1），分別為連續(xù)夏綠豆-冬小麥(MB-WW，T1)、2年夏玉米-冬小麥+2年夏綠豆-冬小麥(2a SC-WW+2a MB-WW，T2)及連續(xù)夏休閑-冬小麥(SF-WW，T3)，各處理秸稈全量還田，重復(fù)3次，小區(qū)面積為667 m2。夏播作物收獲日期為2019年10月11日，小麥播種日期為2019年10月21日，收獲日期為2020年6月7日。播前進(jìn)行兩次旋耕（深度15 cm），播量為262.5 kg/hm2。施肥情況為復(fù)合肥(N:P2O5:K2O=18:25:5)750 kg/hm2，山東農(nóng)大生物有機(jī)肥600 kg/hm2，肥料隨播種機(jī)一次性混合施入。夏播作物玉米和綠豆品種分別為‘五谷563’和‘安綠07-2’。

圖1 小區(qū)種植制度設(shè)計(jì)

1.3 測定指標(biāo)及方法

1.3.1 土壤容重 本試驗(yàn)于2019年10月11日和2020年6月10日作物收獲后，采用環(huán)刀法(100 cm3)分層取樣0～10、10～20、20～30 cm層次的土壤，并計(jì)算土壤容重、土壤質(zhì)量含水量及儲水量、土壤總孔隙度及毛管孔隙度。將帶土樣的環(huán)刀密封好帶回實(shí)驗(yàn)室，將環(huán)刀外的土壤擦拭干凈，測定鮮土加環(huán)刀的重量，記重M1。完畢后，將環(huán)刀置于已放好紗布的托盤中，給托盤加水至土壤吸水飽和重量穩(wěn)定，記重M2。此后，將土樣在105℃烘箱中烘干至恒重，記重M3，最后，將環(huán)刀土壤去除后洗滌，干燥并稱重，記重M0。

采用公式(1)計(jì)算土壤容重。

式中，ρb為土壤容重(g/cm3)，M3為烘干后干土與環(huán)刀的總重量(g)，M0為環(huán)刀的重量(g)，V為環(huán)刀的體積(cm3)。

1.3.2 土壤質(zhì)量含水量 土壤含水量采用公式(2)進(jìn)行計(jì)算。

式中，θg為土壤質(zhì)量含水量(%)，M1為新鮮土壤與環(huán)刀的總重量(g)，M0和M3與公式(1)中相同。

1.3.3 土壤儲水量 土壤儲水量采用公式(3)進(jìn)行計(jì)算。

式中，SWSj為第 j層土壤的儲水量(mm)，θgj為第 j層土壤的重量含水量(%)，ρbj為第j層土壤的容重(g/cm3)，hj為第j層土壤的厚度(mm)。

1.3.4 土壤孔隙度 土壤總孔隙度通過土壤容重與土壤密度之間的關(guān)系計(jì)算得出[15]，采用公式(4)進(jìn)行計(jì)算。

式中，Pt為土壤總孔隙度(%)，Pd是土壤（粒）密度，通常為2.65 g/cm3，ρb與公式(1)中相同。

土壤毛管孔隙度通過土壤容重與土壤毛管孔隙水含量計(jì)算得出[30]，采用公式(5)～(6)計(jì)算。

式中，Pc為土壤毛管孔隙度(%)，θc為毛管孔隙含水量(%)，其通過公式(5)計(jì)算得出，ρb和V與公式(1)中相同。

1.3.5 土壤固、液、氣三相比偏離值 本研究使用土壤固、液、氣三相比偏離值來評價(jià)土壤結(jié)構(gòu)，采用公式(7)～(10)進(jìn)行計(jì)算。

式中，R為土樣三相比與適宜狀態(tài)下土壤三相比在空間距離上的差值。X為土樣固相值，Y為土樣液相值，Z為土樣氣相值，0.4為土壤固相數(shù)據(jù)所占權(quán)重，0.6為土樣氣相數(shù)據(jù)所占權(quán)重。Pb、θg和Pt分別與公式(1)～(4)中相同。

1.4 統(tǒng)計(jì)分析

本試驗(yàn)中所有內(nèi)容均重復(fù)3次并采用Microsoft Excel 2013軟件計(jì)算平均值及標(biāo)準(zhǔn)差，不同處理間的相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用SPSS 26.0軟件進(jìn)行方差分析及多重比較，其中不同處理間多重比較采用新復(fù)極差法(Duncan)進(jìn)行，所有分析圖均采用Microsoft Excel 2013軟件進(jìn)行繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同種植制度對土壤容重的影響

夏播作物收獲季，T1和T2處理0～10 cm土層土壤容重較T3處理分別顯著增加了13.33%和15.83%(P＜0.05)，前兩處理間差異不顯著；此外，各處理10～20 cm和20～30cm土層土壤容重差異不顯著。冬小麥?zhǔn)斋@季，T1處理20～30 cm土層土壤容重較T3處理顯著增加了7.43%(P＜0.05)，T2處理與T1和T3處理差異不顯著；另外，各處理0～10 cm和10～20 cm土層土壤容重差異不顯著。

2.2 不同種植制度對土壤質(zhì)量含水量的影響

夏播作物收獲季，T1和T3處理20～30 cm土層土壤質(zhì)量含水量較T2處理分別顯著增加了7.87%和7.35%(P＜0.05)，前兩處理間差異不顯著；此外，各處理10～20 cm和20～30cm土層土壤質(zhì)量含水量差異不顯著。冬小麥?zhǔn)斋@季，3個(gè)處理各土層土壤質(zhì)量含水量差異均不顯著。

2.3 不同種植制度對土壤儲水量的影響

夏播作物收獲季，T1和T3處理10～20 cm土層土壤儲水量較T2處理分別顯著增加了6.37%和7.10%，T1和T3處理20～30 cm土層土壤儲水量較T2處理分別顯著增加了4.70%和4.58%(P＜0.05)，T1和T3處理10～20 cm和20～30 cm土層土壤儲水量差異不顯著；此外，3個(gè)處理0～10 cm土層土壤儲水量無顯著差異。冬小麥?zhǔn)斋@季，T1和T2處理20～30 cm土層土壤儲水量較T3處理顯著增加了13.18%和10.25%(P＜0.05)，前兩處理間差異不顯著；各處理0～20 cm和10～20cm土層土壤儲水量差異不顯著。

圖2 不同種植制度對土壤容重的影響

圖3 不同種植制度對土壤質(zhì)量含水量的影響

圖4 不同種植制度對土壤儲水量的影響

2.4 不同種植制度對土壤孔隙度的影響

夏播作物收獲季，T3處理0～10 cm土層土壤總孔隙度較T1和T2處理分別顯著增加了12.60%和14.71%(P＜0.05)，T1和T2處理間差異不顯著；此外，各處理在10～20 cm和20～30 cm土層土壤總孔隙度差異不顯著。冬小麥?zhǔn)斋@季，T3處理20～30 cm土層土壤總孔隙度較T1處理顯著增加了10.41%(P＜0.05)，T2處理與其他處理差異不顯著；各處理在0～10 cm和10～20 cm土層土壤總孔隙度差異不顯著。

圖5 不同種植制度對土壤總孔隙度和毛管孔隙度的影響

夏播作物收獲季，T1處理0～10 cm土層土壤毛管孔隙度較 T3處理顯著增加了 11.28%(P＜0.05)，T2處理與其他兩處理差異不顯著；T2處理10～20 cm土層土壤毛管孔隙度較T3處理顯著增加了6.73%(P＜0.05)，T1處理與其他兩處理差異不顯著；T1處理20～30 cm土層土壤毛管孔隙度較T2和T3處理分別顯著增加了15.12%和12.28%(P＜0.05)，后兩處理間無顯著差異。冬小麥?zhǔn)斋@季，T1處理0～10、10～20、20～30 cm土層土壤毛管孔隙度較T2處理分別顯著增加了19.22%、21.89%和28.51%，較T3處理分別顯著增加了31.86%、20.16%和18.86%(P＜0.05)；此外，T2處理0～10 cm土層土壤毛管孔隙度較T3處理顯著增加了10.62%，T3處理20～30 cm土層土壤毛管孔隙度較T2處理顯著增加了8.11%(P＜0.05)。

2.5 不同種植制度對土壤三相比及R值的影響

T1和T2處理0～10 cm土層固相較T3處理顯著增加了13.50%和15.47%(P＜0.05)，且前兩處理間差異不顯著。各處理0～10 cm土層液相無顯著差異。T1和T2處理0～10 cm土層氣相較T3處理顯著減少了33.53%和33.03%(P＜0.05)，前兩處理間無顯著差異。T3處理0～10 cm土層R值較T1和T2處理分別顯著減少了37.16%和31.51%(P＜0.05)，后兩處理間無顯著差異。

各處理10～20 cm土層固相間沒有顯著差異。T1和T3處理10～20 cm土層液相較T2處理分別顯著增加了6.39%和6.63%(P＜0.05)，前兩處理間無顯著差異。T1處理10～20 cm土層氣相較T2處理顯著下降了23.95%(P＜0.05)，T3處理與其他處理無顯著差異。T2處理10～20 cm土層R值較T1和T3處理分別顯著減少了28.11%和27.77%(P＜0.05)，且后兩處理間無顯著差異。

表1 不同種植制度對土壤固相、液相、氣相和R值的影響

T1和T3處理20～30 cm土層液相較T2處理分別顯著增加了4.70%和4.59%(P＜0.05)，前兩處理間無顯著差異。各處理20～30 cm土層固相、氣相及R值無顯著差異。

3 結(jié)論

夏播作物收獲季，T1處理10～20 cm土層土壤儲水量較T2顯著增加了6.37%，20～30 cm土層土壤質(zhì)量含水量和儲水量較T2處理分別顯著增加了7.87%和4.70%。冬小麥?zhǔn)斋@季，T1處理0～30 cm各土層毛管孔隙度較T2和T3處理分別顯著提高了19.20～28.49%和18.86～31.86%。相較于T3處理，冬小麥和夏播作物收獲后T1和T2處理下土壤容重、總孔隙度和土壤固、液、氣三相比偏離值并沒有得到明顯的改善。綜上所述，夏綠豆-冬小麥可能是該地區(qū)潛在提升土壤物理質(zhì)量的種植制度。

4 討論

本研究表明，夏季種植綠豆可有效增加土壤毛管孔隙度，但夏播作物收獲季0～10 cm土層和小麥?zhǔn)斋@季20～30 cm土層土壤容重顯著增加，總孔隙度顯著下降。一般認(rèn)為，采用合理的種植制度可有效降低土壤容重、增加土壤孔隙度[6,11]，且能夠有效改善土壤物理質(zhì)量[16]。但在本研究中并沒有發(fā)現(xiàn)與前人一致的規(guī)律。究其原因，一是土壤容重隨時(shí)間差異呈正態(tài)分布[17]，而時(shí)間異質(zhì)性大于種植制度對土壤容重的影響；二是本試驗(yàn)所采用種植制度年限較短，在制度實(shí)施前期可能會出現(xiàn)反彈現(xiàn)象[6]。

夏播作物收獲季土壤質(zhì)量含水量和儲水量顯著高于小麥?zhǔn)斋@季。此外，T1和T2處理20～30 cm土層土壤儲水量較T3處理顯著增加；但夏播作物收獲季T1和T2處理20～30 cm土層土壤質(zhì)量含水量和儲水量較T3處理顯著下降。年際間土壤質(zhì)量含水量和儲水量差異較大，可能是年際降水變頻較大且分布不均勻造成[18]。本試驗(yàn)在不同種植制度下得出結(jié)論與其他相關(guān)研究類似，采用合理的種植制度能有效減少水分散失、提升土壤水分含量[19-20]。土壤深層水分變化可能是由于種植制度差異引起，土壤儲水量受種植作物類別的影響較大[21]，尤其表現(xiàn)在種植作物與不種植作物之間。夏播作物會有效利用土壤20～30 cm土壤水分，造成夏播作物收獲季該層次土壤含水量和儲水量下降。而小麥?zhǔn)斋@季20～30 cm土壤儲水量的增加，可能是種植制度的作物布局優(yōu)勢，為土壤微生物生命活動提供了良好的條件[11]，而微生物多樣性的增加會進(jìn)一步促進(jìn)土壤有機(jī)質(zhì)、土壤儲水量的增加[22]?？傊?，種植夏播作物可能有益于深層土壤儲水量的增加。由此可見，分析土壤質(zhì)量含水量和儲水量的時(shí)空分布特征對于實(shí)施不同種植制度的大田具有重要意義[23]。該試驗(yàn)需進(jìn)一步設(shè)置不同類型種植制度進(jìn)行研究，以闡述土壤質(zhì)量含水量、儲水量與種植制度的關(guān)系。

理想的土壤三相比（固:液:氣）為50%:25%:25%[24]，即R值近似于0[25]。本試驗(yàn)中，相較于T3處理，T2處理10～20 cm土層土壤三相比及R值得到一定的改善，但T1和T2處理0～10 cm土層土壤三相比及R值反而朝著非理想方向發(fā)展。10～20 cm土壤三相及R值的改善可能是由于夏季種植豆科植物，可以增加氮素固定，利于微生物生長。因此，豆科較禾本科作物能夠增加微生物多樣性，微生物的一系列生理生化活動對土壤三相比及R值的改善發(fā)揮了重要作用。此外，豆科植物農(nóng)田土壤較高的固碳效應(yīng)也可能對土壤三相比及R值的改善具有一定貢獻(xiàn)。姜雨林等[26]研究發(fā)現(xiàn)禾-豆種植制度較傳統(tǒng)禾-禾種植制度具有更好的固碳效應(yīng)，而土壤有機(jī)碳可通過團(tuán)聚體構(gòu)建改善土壤物理質(zhì)量[27]。鑒于此，本研究認(rèn)為有機(jī)碳的增加在種植制度影響土壤三相比及R值的過程中起到了重要作用。因此，深入探究禾-豆種植制度影響土壤物理質(zhì)量的機(jī)制是當(dāng)前亟待解決的問題。

相較于夏休閑-冬小麥種植制度，綠豆-小麥種植制度對土壤物理質(zhì)量有一定的改善，但沒有達(dá)到理想效果，這可能是由于降水格局和土壤自身特性差異所致[28-29]。另外，本研究中土壤容重、總孔隙度結(jié)果與當(dāng)前相關(guān)研究并不一致，產(chǎn)生差異的原因需進(jìn)一步驗(yàn)證。本試驗(yàn)不足之處在于，設(shè)置種植制度的數(shù)量較少，為了更好的探究種植制度影響土壤物理質(zhì)量機(jī)制，需增加適合于黃土高原東部農(nóng)田的種植制度的數(shù)量。此外，需要加強(qiáng)黃土高原東部夏作物-冬小麥種植制度的深入研究，旨在通過合理種植制度解決農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的難題。