不同輪作模式對東北黑土地影響的研究進(jìn)展

摘要：我國東北黑土區(qū)是世界上四大黑土區(qū)之一，是東北農(nóng)業(yè)繼續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)，也是國家糧食安全的重要保證。近年來，我國政府逐漸重視對黑土地的保護(hù)與利用，但我國東北黑土耕地質(zhì)量由于連年耕種導(dǎo)致土質(zhì)嚴(yán)重退化，土壤中的有機(jī)質(zhì)流失，土壤結(jié)構(gòu)也受到嚴(yán)重的破壞，從而影響農(nóng)作物的生長。輪作作為保障黑土區(qū)耕地資源可持續(xù)利用的重要手段，對改變經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)，提高農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)效益，促進(jìn)黑土區(qū)農(nóng)村經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展，實(shí)現(xiàn)黑土區(qū)耕地修養(yǎng)生息、提升地力和平衡糧食供求結(jié)構(gòu)具有重要意義。保護(hù)黑土地，探尋適宜東北黑土區(qū)的輪作模式至關(guān)重要。本文根據(jù)不同輪作模式對黑土地所產(chǎn)生的影響，總結(jié)了不同輪作模式對黑土地土壤物理性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)、土壤微生物、酶活性和作物產(chǎn)量的影響等相關(guān)方面的研究現(xiàn)狀，在分析總結(jié)現(xiàn)有研究的基礎(chǔ)上，提出了關(guān)于未來黑土地的建議與展望，以期為黑土區(qū)農(nóng)業(yè)的永續(xù)發(fā)展提供參考。

關(guān)鍵詞：輪作模式；東北黑土地；土壤養(yǎng)分

中圖分類號(hào)：S344.1文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1002-1302（2024）11-0027-08

世界上的耕作土壤中最肥沃的當(dāng)屬黑土地［1］。在我國東北地區(qū)，老百姓將富含有機(jī)質(zhì)、常用于耕作的暗色表土層稱為黑土［2］，同時(shí)，黑土也是東北用于耕作的主要土壤。我國的黑土分布范圍較廣，主要位于東北平原，遼寧省南部一直延伸至內(nèi)蒙古東部，北起大興安嶺，南至遼寧省南部，西到內(nèi)蒙古東部的大興安嶺山地邊緣，東至烏蘇里江和圖們江［3］。黑土地指表層含暗色腐殖質(zhì)的土壤類型，以溫帶及寒溫帶草原化草甸植被為主［4］，具有性狀優(yōu)良、肥力較高等特點(diǎn)，適合農(nóng)耕是其主要特征，因此被認(rèn)為是最富饒而又極其寶貴的優(yōu)質(zhì)土地之一［5］。美國土壤分類系統(tǒng)稱其為“軟土”［6］，中國土壤分類系統(tǒng)稱其為“均腐土”［7］，這2種不同的土壤分類系統(tǒng)，給我們提供了一種認(rèn)識(shí)土壤的新視角，讓我們有機(jī)會(huì)更好地了解不同土壤的特性，從而更好地改善土壤質(zhì)量。

黑土地對于保障世界糧食安全具有舉足輕重的地位［8］，東北地區(qū)是我國重要的糧食基地，在產(chǎn)量、人均谷物和谷物份額方面長期處于全國前列，這里集中了豐富的黑土，是世界上最大的4個(gè)黑土區(qū)之一，是農(nóng)業(yè)的理想之地［9］。東北地區(qū)擁有2.99×107 hm2 可耕土地，其中黑土區(qū)面積約109萬km2［10］，東北地區(qū)谷物產(chǎn)量幾乎占全國總產(chǎn)量的1/4［11］，占全國商業(yè)谷物總產(chǎn)量的1/3，是名副其實(shí)的“第一谷物儲(chǔ)備區(qū)”，對國家的糧食安全至關(guān)重要，同時(shí)也為緩解全球糧食安全提供支持［12］。近幾年，東北地區(qū)的糧食綜合生產(chǎn)能力不斷提高，但當(dāng)前作物種植依然以連作為主［13］，這過程中也凸顯出一系列科學(xué)問題，受到愈來愈多的關(guān)注，水土流失、集約化種植體系不僅制約了黑土地的可持續(xù)利用，高強(qiáng)度利用導(dǎo)致黑土地發(fā)生了嚴(yán)重退化［14］，制約了東北地區(qū)農(nóng)業(yè)的發(fā)展，也限制著作物持續(xù)高產(chǎn)。因此，如何以更低的資源和環(huán)境代價(jià)確保糧食安全、實(shí)現(xiàn)可持續(xù)的集約化，這既是國家視角的重大需求，也是國際農(nóng)業(yè)和資源環(huán)境科學(xué)的重大科學(xué)命題［15］。

現(xiàn)有研究認(rèn)為，輪作是一種平衡用地養(yǎng)地和協(xié)調(diào)保護(hù)利用耕地的種植模式。輪作比連作對提高黑土土壤有機(jī)質(zhì)含量和作物產(chǎn)量，降低病蟲害的影響有明顯的作用［16］?，F(xiàn)有學(xué)者認(rèn)為，輪作這種種植方式是指每一個(gè)生長或播種周期、每一個(gè)季節(jié)均要在同一塊土地上種不同作物的方式［17］?？删徑馔寥郎鷳B(tài)失調(diào)，土壤養(yǎng)分流失和預(yù)防病蟲害等問題［18］。大自然保護(hù)協(xié)會(huì)（TNC）的邁克爾·多恩指出，作物多樣化輪作種植有助于保留土壤中的養(yǎng)分、緩解水土流失、增加農(nóng)田系統(tǒng)的穩(wěn)定性［19］。

將同一農(nóng)田種植區(qū)域上根據(jù)年度和季節(jié)的氣候變化，輪流種植不同農(nóng)作物或復(fù)合種植的方式稱為輪作［20］。輪作制度在夏商周至春秋戰(zhàn)國時(shí)期的連作制度基礎(chǔ)上初步形成［21］。根據(jù)《戰(zhàn)國策》和《憧約》的記載，戰(zhàn)國和漢初時(shí)，極有可能已出現(xiàn)了大豆冬麥輪作。到公元6世紀(jì)，北魏農(nóng)學(xué)家賈思勰所寫的《齊民要術(shù)》中指出輪作的重要性［22］。魏晉時(shí)期，我國華北地區(qū)形成了以冬小麥—小豆—粟為茬口組合的2年3熟的輪作模式［23］。這種以地養(yǎng)田的方式，可有效發(fā)揮土地的作用，防止病蟲害和草害的發(fā)生，改善土壤的物理和化學(xué)性質(zhì)［24-27］。

在輪作技術(shù)不斷發(fā)展的當(dāng)下，也與其他領(lǐng)域有了諸多聯(lián)系。朱澤生等基于對衛(wèi)星遙感影像解譯得出，稻棉和棉稻輪作周期的差異十分接近，表明試驗(yàn)建立的棉稻和稻棉輪作評估模型將有重要的應(yīng)用［28］；古力娜扎爾·艾力等基于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)建立模擬模型，結(jié)果表明，隨著苜蓿輪作年限的增加，土壤的水環(huán)境和水分利用率會(huì)逐漸下降［29］。

1 不同輪作模式對黑土地理化性質(zhì)的影響

早期研究有關(guān)植物連作障礙的探討主要從土壤的物理和化學(xué)特性出發(fā)，發(fā)現(xiàn)連作可引起土壤酸堿度下降、土壤固結(jié)、通氣能力下降、土壤養(yǎng)分失衡、肥效相關(guān)酶活性下降、容重增加、含鹽率升高，并出現(xiàn)次生鹽漬化傾向［30-32］。一些研究表明，東北玉米連作由來已久，黑土大粒級(jí)團(tuán)聚體及各密度組分的有機(jī)質(zhì)結(jié)構(gòu)有脂肪化、簡單化的傾向，團(tuán)聚體與礦物質(zhì)相結(jié)合，有機(jī)質(zhì)保護(hù)效果減弱，降低了黑土的穩(wěn)定性［33］。

1.1 不同輪作模式對黑土地物理性質(zhì)的影響

土壤物理性質(zhì)是指土壤的結(jié)構(gòu)與狀態(tài)，是決定土壤生態(tài)環(huán)境功能的主要因素［34］。土壤團(tuán)聚體為土壤結(jié)構(gòu)中最基本的單元，它的含量從某種角度反映了土壤的供儲(chǔ)養(yǎng)分含量、持水性的強(qiáng)度、通透性和其他容量［35-36］，并通過土壤水、通氣性的研究，土壤溫度及其他因素的作用，對作物生產(chǎn)力產(chǎn)生直接影響，且土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性對土壤抗侵蝕性具有決定作用。

彭現(xiàn)憲研究得出，大豆—玉米輪作比連作玉米可有效改善土壤的健康狀況，提高土壤的有機(jī)質(zhì)含量，為植物的生長提供良好基礎(chǔ)［37］。張福韜等研究得出，輪作不影響各個(gè)粒級(jí)團(tuán)聚體的含量，輪作模式下原土、大團(tuán)聚體和微團(tuán)聚體碳、氮含量較高，以微團(tuán)聚體的含量最高，并且玉米輪作和連作存在顯著差異［38］。輪作對土壤穩(wěn)定性結(jié)構(gòu)的形成具有促進(jìn)作用，穩(wěn)定性物質(zhì)含量增加，利于碳氮在微團(tuán)聚體內(nèi)的固定、穩(wěn)定和提高土壤有機(jī)質(zhì)等。吳鵬博等通過3年連續(xù)的田間定位試驗(yàn)得出，相同施肥條件下輪作模式中土壤有機(jī)碳（SOC）、易氧化有機(jī)碳（ROC）、可溶性有機(jī)碳（DOC）、重組有機(jī)碳（HFOC）和微生物生物量碳（MBC）高于連作；眉豆—燕麥輪作模式為建立合理輪作模式提供了理論支撐［39］。揚(yáng)陽以玉米、大豆為研究對象，通過分析0～10 cm土層在不同種植模式下的團(tuán)聚體和有機(jī)碳，表明休耕輪作加秸稈還田條件下，土壤不被翻動(dòng)，有利于土壤表層中的有機(jī)質(zhì)累積，土壤大團(tuán)聚體不會(huì)被破壞，土壤的團(tuán)聚程度呈上升趨勢，土壤的機(jī)械穩(wěn)定性也在一定程度上呈上升狀態(tài)［40］。有研究指出，輪作通過影響土壤結(jié)構(gòu)進(jìn)而影響土壤孔隙度，最后對有機(jī)碳產(chǎn)生直接或間接影響［41］。郭金瑞等通過長期定位試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，相較于玉米連作，玉米—大豆輪作和大豆連作能顯著降低土壤容重，增加土壤總孔隙度［42］。高盼等的研究表明，相較于春玉米連作處理，輪作下土壤固相比降低，氣相比例和液相占比有所上升，土壤孔隙度在0～10 cm土層增加［43］。

綜上所述，小麥—玉米輪作作物須根易在土壤內(nèi)形成大孔隙，使土壤總孔隙度顯著增大，又促使土壤容重下降。輪作下脂肪族、芳香族和含烷氧結(jié)構(gòu)的物質(zhì)含量高于連作，在微團(tuán)聚體中表現(xiàn)明顯，表明輪作能促進(jìn)土壤穩(wěn)定性結(jié)構(gòu)形成，增加穩(wěn)定性物質(zhì)含量，有利于碳氮固定于微團(tuán)聚體中，穩(wěn)定和增加土壤有機(jī)質(zhì)、增強(qiáng)作物吸收土壤養(yǎng)分、增強(qiáng)土壤蓄水能力及透氣性。眉豆—燕麥輪作有機(jī)碳含量均高于連作。玉米—大豆輪作中各級(jí)團(tuán)聚體含量未有影響，但機(jī)械穩(wěn)定性升高。大豆根系的根瘤菌具有固氮作用，可將空氣中的氮固定在土壤中增加土壤含氮量，達(dá)到培肥的作用，為后季種植玉米提供物質(zhì)保障。

1.2 不同輪作模式對黑土地化學(xué)性質(zhì)的影響

土壤養(yǎng)分作為土壤供給作物生長發(fā)育的營養(yǎng)成分是必不可少的。而土壤營養(yǎng)成分是確保土壤肥力的一個(gè)主要標(biāo)志［44］，而作物所需的有機(jī)質(zhì)、氮、磷等常被用來作為印證土壤肥力的指標(biāo)［45］。

1.2.1 不同輪作模式對有機(jī)質(zhì)的影響

有研究表明，隨著團(tuán)粒直徑的減小各施肥處理團(tuán)聚體內(nèi)有機(jī)碳含量的表現(xiàn)趨勢為先升高再降低，0.25～2.00 mm 土壤團(tuán)聚體的有機(jī)碳含量最高［46］。王百慧的研究表明，在大豆生長后進(jìn)行隔年輪作，有機(jī)質(zhì)含量下降、速效磷含量升高均不明顯；脲酶和轉(zhuǎn)化酶活性不變，蛋白酶活性增強(qiáng)，過氧化氫酶、過氧化物酶活性降低。在小麥生長后進(jìn)行3年輪作，土壤有機(jī)質(zhì)和速效磷含量增加，堿解氮含量不變，脲酶和轉(zhuǎn)化酶活性基本無變化［47］。張振江認(rèn)為，在黑河豆麥輪作條件下，實(shí)行麥秸隔年還田，對于緩解土壤有機(jī)質(zhì)含量的減少有一定效果［48］。張樹春等認(rèn)為在東北旱田通過米豆輪作，在增加土壤有機(jī)質(zhì)含量、培肥地力的同時(shí)，還能有效地控制玉米的土傳病害及養(yǎng)分單一消耗問題，合理解決大豆的重茬問題，實(shí)現(xiàn)農(nóng)作物高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)、提質(zhì)、節(jié)本、增效的目標(biāo)［49］。

1.2.2 不同輪作模式對氮的影響

黑土施用氮肥能提高土壤堿解氮含量，但以黑土為例，其供氮潛力略低于磷，因此，農(nóng)田黑土應(yīng)特別注意突出氮肥的施用［50-51］。有研究表明，玉米—大豆輪作較玉米連作顯著提高了0～20 cm耕層＞2 mm土壤團(tuán)聚體全氮含量，同時(shí)對土壤全氮的貢獻(xiàn)率也高于連作；玉米—大豆輪作模式，在發(fā)揮大豆固氮作用的同時(shí)，也顯著擴(kuò)充了土壤氮庫，提高了土壤肥力［52］。

王聰?shù)韧ㄟ^對黑土地不同種植模式的探究得出，玉米—大豆不同種植模式對土壤團(tuán)聚體影響不同，10～20 cm土層輪作處理0.5～2.0 mm粒級(jí)土壤機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體占比高于連作處理，且以引入馬鈴薯的處理最高；20～30 cm土層0.5～2.0 mm粒級(jí)水穩(wěn)性團(tuán)聚體以輪作處理較高；馬鈴薯處理下的水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量較高，結(jié)構(gòu)破壞率較低，穩(wěn)定性較好［53］。不同種植模式對黑土土壤養(yǎng)分的影響也不同，連作土壤的堿解氮、有效磷、速效鉀、有機(jī)質(zhì)含量較輪作處理低，且土壤發(fā)生酸化。輪作處理中，以馬鈴薯輪作處理提高土壤養(yǎng)分含量及調(diào)節(jié)土壤酸度整體效果較好。綜上，玉米—大豆—馬鈴薯輪作處理可提高土壤機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體和水穩(wěn)性團(tuán)聚體，并且粒徑 ＜ 0.25 mm的小團(tuán)聚體占比較低，結(jié)構(gòu)破壞率低，同時(shí)可提高土壤堿解氮、有機(jī)質(zhì)含量，減弱土壤酸化。

1.2.3 不同輪作模式對磷的影響

陳丹等研究表明，輪作可增加土壤氮、磷、鉀的含量，其中，有效磷的增幅作用最為明顯；大豆也可在一定程度上增加土壤中的有效磷和有效鉀含量，提高土壤肥力［54］。Monaci等對紫花苜蓿輪作的研究及Kanton等對大豆和玉米輪作的研究均表明，輪作可顯著提高土壤的有效磷含量［55-56］?？锒骺〉韧ㄟ^對玉米—大豆輪作條件下，不同耕作方式加有機(jī)肥對土壤養(yǎng)分的研究，表明土壤0～10 cm的土層，輪作下的堿解氮含量比連作高21.68%，有效磷含量差異不明；土壤20～40 cm的土層，互作效果明顯，有效磷、速效鉀含量均有提高，但堿解氮含量無顯著變化［57］。作物生長過程中不僅根系生長會(huì)被促進(jìn)，深層土壤的養(yǎng)分也有所提高。馮雪婉等以大豆、玉米為研究對象，得出輪作中土壤有機(jī)質(zhì)（SOM）、全磷（TP）、有效磷（AP）和有效氮（AN）的含量顯著高于連作的結(jié)論［58］。

1.2.4 不同輪作模式對鉀的影響

張亦馳采用長期定位試驗(yàn)與室內(nèi)分析相結(jié)合的方法，證明在輪作處理的土壤中，隨著土壤深度的增加，土壤的全鉀含量和礦物質(zhì)鉀含量趨于增加，土壤緩效鉀的含量有所下降，底層土壤略高于上層土壤，輪作處理可使表層土壤速效鉀耗損，但玉米連作土壤緩效鉀、土壤全鉀和土壤速效鉀含量仍比輪作土壤緩效鉀含量高［59］。吳鵬博等得出輪作模式的土壤速效鉀含量在同一施肥水平下優(yōu)于連作模式的試驗(yàn)結(jié)果［39］。

綜上所述，大豆—玉米輪作模式能夠增加土壤有機(jī)質(zhì)、速效磷、全磷和速效鉀含量，有效緩解連作障礙；大豆—小麥輪作模式中3年輪作方式比隔年輪作方式增加了脲酶的活性，有機(jī)質(zhì)、速效磷等養(yǎng)分含量也高于隔年輪作方式。玉米—大豆—馬鈴薯輪作模式的水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量較高，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，能夠有效提高土壤堿解氮、有機(jī)質(zhì)含量，調(diào)節(jié)土壤酸度。

2 不同輪作模式對黑土地微生物的影響

2.1 不同輪作模式對細(xì)菌的影響

不同的作物輪作對土壤微生物的豐度，土壤微生物的多樣性和土壤微生物群落有不同的影響［60］。研究表明，細(xì)菌能夠產(chǎn)生特定的指示物，可用來評價(jià)土壤質(zhì)量，因此它們可作為一個(gè)潛在的土壤質(zhì)量監(jiān)測與評價(jià)指標(biāo)。細(xì)菌作為根際環(huán)境中最豐富、最廣泛的微生物，在維持農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定方面有重要作用［61］。

提俊陽等研究表明，大豆—玉米—玉米輪作和大豆—玉米輪作可提高土壤中固氮細(xì)菌的豐度和多樣性，這種固氮細(xì)菌的豐度和多樣性可有效促進(jìn)土壤的生態(tài)平衡，從而改善土壤的肥力狀況［62］。高洪軍等研究指出，由于玉米和大豆在種植方式上存在差異，它們之間的輪作可更好地保護(hù)土壤，從而使土壤固氮酶nif B基因的相對豐度得到提高。這與連續(xù)種植玉米的情況相比有顯著的提升。同時(shí)，還可以增加細(xì)菌群落的多樣性，從而有助于增強(qiáng)土壤肥力，促進(jìn)作物生長發(fā)育［63］。劉株秀基于東北黑土區(qū)長期田間定位試驗(yàn)，以大豆和玉米為研究對象，采用高通量測序的方法，證明了種植模式和年限可影響土壤微生物多樣性和群落結(jié)構(gòu)，從而影響土壤的質(zhì)量和生物多樣性，大豆和玉米的輪作在一定程度上增加了物種的種類，但它們也限制了土壤中其他物種的發(fā)展，使得土壤群落多樣性受到一定程度的壓制［64］。馮雪婉等以大豆連作（CS）、玉米連作（CM）、玉米—大豆輪作（MS）、玉米—玉米—大豆輪作（MMS）和玉米—大豆—大豆輪作（MSS）為研究對象，結(jié)果表明吉林省西部半干旱區(qū)，MSS與MMS更有利于土壤固氮菌繁殖；輪作固氮菌豐度顯著高于CM，顯著低于CS；MMS與MSS固氮菌多樣性顯著高于CM；輪作和連作土壤固氮菌群落結(jié)構(gòu)差異明顯，全氮（TN）是固氮菌群落結(jié)構(gòu)變化的主要驅(qū)動(dòng)因子，種植制度通過土壤化學(xué)性質(zhì)間接影響固氮菌的豐度和多樣性［58］。

2.2 不同輪作模式對真菌的影響

作為分解者和微生物的主要組成部分，真菌為土壤養(yǎng)分和能量循環(huán)作出貢獻(xiàn)。王倩利用PLFA 測序技術(shù)研究得出，與玉米連作系統(tǒng)相比，生長季節(jié)內(nèi)玉米—大豆輪作系統(tǒng)以子囊菌富集為主并顯著降低了土壤真菌生物量而增加了土壤真菌的多樣性［65］。劉杭在東北黑土區(qū)基于田間定位試驗(yàn)開展大豆、玉米、小麥輪作試驗(yàn)，研究表明，大豆、玉米、小麥長期連作顯著降低了土壤微生物的代謝活性，大豆和小麥長期連作土壤微生物糖類物質(zhì)利用率顯著低于輪作土壤微生物，長期玉米連作使得真菌群落豐度下降，土壤微生物對多聚物和胺類物質(zhì)的利用率顯著低于玉米輪作［66］。張夢亭等基于玉米大豆輪作，發(fā)現(xiàn)長期免耕能夠在各輪作方式下形成較為穩(wěn)定的土壤線蟲群落結(jié)構(gòu)；土壤擾動(dòng)如深翻、移除秸稈對土壤線蟲群落結(jié)構(gòu)在長期免耕條件下的穩(wěn)定性有損害，但其損害程度在不同輪作方式之間存在差異［67］。

2.3 不同輪作模式對放線菌的影響

史功賦發(fā)現(xiàn)，合理的輪作休耕措施能夠改善土壤理化性狀，可提高厚壁菌門、放線菌門及其他有益菌的種類及豐度，使得土壤酶活性達(dá)到最佳，促使春小麥增加土壤水分、有效利用養(yǎng)分，有利于它的生長發(fā)育；同時(shí)，春小麥對微生物也有一定的促進(jìn)作用，使其群落結(jié)構(gòu)保持穩(wěn)定，使土壤-微生物-春小麥形成良性循環(huán)的過程，從而達(dá)到農(nóng)田土壤可持續(xù)利用的目的［68］。陳歡等研究表明，在小麥—玉米輪作條件下，長期施用有機(jī)肥可顯著增加土壤微生物總數(shù)量，尤其是細(xì)菌和放線菌的數(shù)量有顯著增長［69］。

綜上所述，土壤微生物作為土壤生態(tài)系統(tǒng)的核心，在參與調(diào)節(jié)土壤養(yǎng)分循環(huán)與能量流動(dòng)方面具有廣泛作用。與連作相比，輪作后的大田，其在微生物種類和數(shù)量上，均能得到有效改善。其中，玉米、大豆輪作可以提高黑土微生物多樣性，改善土壤微生物結(jié)構(gòu)和功能，細(xì)菌中變形菌門、慢生根瘤菌屬、酸桿菌屬和固氮菌的相對豐度上升，鞘脂單胞菌屬的相對豐度下降；真菌中子囊菌旺盛生長，但土壤真菌生物量降低，多樣性升高；土壤線蟲群落結(jié)構(gòu)在輪作條件下配合免耕更加穩(wěn)定。大豆、玉米、小麥旱地輪作變形菌門、酸桿菌門、放線菌為優(yōu)勢菌門，擬桿菌門豐富度則與土壤pH值有關(guān)。春小麥—馬鈴薯—休耕輪作與連作模式相比微生物α多樣性上升，物種種類豐富度提高，群落結(jié)構(gòu)比較穩(wěn)定，厚壁菌屬、放線菌屬等有益菌屬種類和豐度均呈現(xiàn)上升趨勢。

3 不同輪作模式對黑土地酶活性的影響

土壤酶指土壤中的生物活性蛋白質(zhì)，它在土壤新陳代謝中起著重要作用［70］，它對土壤生態(tài)系統(tǒng)起著至關(guān)重要的作用，土壤的種種生化反應(yīng)，除了受微生物自身活動(dòng)影響之外，均由多種對應(yīng)酶共同參與［71］。

有機(jī)肥的投入不僅增加了土壤養(yǎng)分和能源，且?guī)肓素S富的微生物，還會(huì)激發(fā)土壤酶活性［72］。熊湖等發(fā)現(xiàn)，通過馬鈴薯—玉米輪作可提高土壤酶活性，加速土壤中速效養(yǎng)分轉(zhuǎn)化，促進(jìn)馬鈴薯植株生長發(fā)育，從而緩解長期連作對馬鈴薯的脅迫作用［73］。侯乾等研究發(fā)現(xiàn)，馬鈴薯長期連作會(huì)導(dǎo)致土壤中酶活性顯著下降，降低馬鈴薯對土壤養(yǎng)分的吸收利用效率［74］。烏恩等發(fā)現(xiàn)，輪作處理較連作處理并未顯著提高耕層土壤含水量，但種子期、栽培期和成熟期的土壤表面溫度顯著上升，與連續(xù)播種的玉米相比，玉米、高粱和燕麥輪作的土壤表面溫度最高上升了21.76%；輪作提高了土壤硬度，降低了 0～20 cm耕層土壤脲酶、過氧化氫酶、蔗糖酶活性；提高了20～40 cm耕層土壤蔗糖酶活性，玉米—高粱—燕麥輪作最高增幅為64.51%；玉米—大豆—甜菜輪作提高了耕層土壤有效磷含量，最高增幅為172.24%，降低了堿解氮和速效鉀含量，最低降幅分別為2035%和7.37%［75］。于鎮(zhèn)華等研究表明，大豆—玉米輪作中土壤酶的活性隨著土層深度的增加而下降，其中蔗糖酶和過氧化氫酶活性下降顯著，過氧化氫酶活性隨化肥施用量的增加而降低［76］。戴建軍等采用盆栽試驗(yàn)的方法，比較玉米、大豆連作與輪作對根際土壤酶活性的變化，結(jié)果表明，輪作玉米、大豆，多酚氧化酶、脲酶活性上升，蔗糖酶活性變化不明顯［77］。張廣娜等研究發(fā)現(xiàn)，大豆和玉米輪作對土壤酶活性的影響大于大豆輪作，大豆和玉米輪作中總硫含量下降最多，土壤β-半乳糖苷酶、蛋白酶和β-葡萄糖苷酶活性明顯提高［78］。趙月等的研究結(jié)果表明，在玉米的各個(gè)生育期，不同耕層厚度中的土壤脲酶活性差異不顯著，但根系土壤的酶活性較強(qiáng)，能夠有效提取土壤中的營養(yǎng)物質(zhì)，從而有利于玉米的生長發(fā)育［79］。因此，通過提高熟土層的厚度，可提高根系土壤的酶活性，從而更好地促進(jìn)玉米的生長發(fā)育。

綜上所述，土壤酶活性體現(xiàn)了土壤所發(fā)生的多種生物化學(xué)過程的趨勢與強(qiáng)弱程度。研究表明，在長期連作條件下，土壤有益菌減少導(dǎo)致脲酶等轉(zhuǎn)化酶的活性降低，使得土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化效率降低，引起氨化細(xì)菌等的數(shù)量降低，從而使過氧化氫酶等抗逆性酶活性降低。而玉米—高粱—燕麥和玉米—大豆—甜菜的輪作模式雖未顯著提高耕層土壤含水量，但能顯著提高苗期、分枝期、成熟期耕層土壤溫度，改善耕層土壤硬度，優(yōu)化土壤物理結(jié)構(gòu)，打破玉米連作障礙，提高深層土壤蔗糖酶活性，改善土壤化學(xué)性狀。玉米—大豆輪作模式中根際土壤多酚氧化酶、脲酶活性降低，蔗糖酶、過氧化氫酶的活性隨著土層深度的增加呈下降趨勢，全硫含量下降，但β-半乳糖苷酶、β-葡糖苷酶、蛋白酶、磷酸單酯酶以及芳基硫酸酯酶活性明顯增加。

4 不同輪作模式對產(chǎn)量的影響

長期連續(xù)耕種使農(nóng)田中的植物覆蓋物和根系失去了自然的結(jié)構(gòu)，土壤生物多樣性降低，土壤水分分布不均，植物根系受到影響，導(dǎo)致水分和養(yǎng)分不足，植物缺乏營養(yǎng)，抵抗力下降，容易受到病蟲害侵?jǐn)_，最終影響植物的生長發(fā)育，導(dǎo)致產(chǎn)量降低。研究表明馬鈴薯長期連作會(huì)影響根際土壤中菌群，土傳病害加重，嚴(yán)重影響馬鈴薯品質(zhì)和產(chǎn)量［80］。玉米長期連作下導(dǎo)致土壤物理性狀惡化、有機(jī)質(zhì)含量降低、土壤養(yǎng)分失衡，與此同時(shí)，土壤微生物的群落結(jié)構(gòu)和多樣性發(fā)生改變，會(huì)損害玉米的品質(zhì)，影響玉米產(chǎn)量和營養(yǎng)價(jià)值，從而影響到玉米的市場價(jià)格［81-86］。為緩解連作障礙，人們通常選用其他作物進(jìn)行輪作處理。

目前，東北仍以玉米—大豆輪作種植模式為主，玉米根系在土壤中扎根較淺；大豆根系在土壤中很深，可從土壤更深的層次上攝取營養(yǎng)，使得不同土層深度養(yǎng)分得到平衡使用，增產(chǎn)作用顯著［87］。王娜等明確指出，在實(shí)際農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，長期連續(xù)種植大豆和玉米會(huì)降低產(chǎn)量，而輪作會(huì)增加大豆和玉米的產(chǎn)量，長期種植大豆會(huì)顯著降低土壤養(yǎng)分含量［88］。王樹起等的研究表明，大豆連作降低了有效養(yǎng)分含量，造成大豆產(chǎn)量下降，因此，合理種植作物就顯得尤為重要［89］。蓋志佳等的研究結(jié)果表明，玉米—高粱—大豆、玉米—玉米—大豆輪作模式下，大豆籽粒產(chǎn)量分別比連作大豆籽粒產(chǎn)量提高2388%、17.55%，收益也有明顯增長，輪作對農(nóng)民的利益比較有利，還有助于構(gòu)建合理的農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)［90］。張陽等通過對玉米—大豆輪作的研究表明，大豆的氮肥和磷肥減少50%、大豆的氮肥增加50%、玉米的磷肥減少50%的控制模式可在同一季節(jié)提高大豆和玉米的產(chǎn)量，周年產(chǎn)量可提高1005%，在玉米—玉米—大豆輪作模式中，周年產(chǎn)量可提高13.40%［91］。姚凡云等基于東北半干旱環(huán)境，以玉米—花生輪作為對象結(jié)合秸稈還田進(jìn)行研究，結(jié)果表明，與連作相比，播種前玉米區(qū)和花生區(qū)0～40 cm土層土壤平均含水量分別提高 19%～3.9%、11.0%～13.9%，而2016年和2017年土壤當(dāng)量比（LER）為1.05～1.16，2018年LER均lt;1［92］。

綜上所述，合理的輪作模式可有效提高作物產(chǎn)量。玉米—大豆輪作，發(fā)揮大豆固氮作用，給下茬作物玉米帶來氮素營養(yǎng)；玉米采收后所營造的土壤環(huán)境，對促進(jìn)大豆生物固氮是有利的，因而可互促增產(chǎn)，增加作物的產(chǎn)量，改善作物的質(zhì)量。但玉米—花生輪作模式結(jié)合，秸稈還田雖能有效改善作物播前的土壤水分狀況，但對于作物產(chǎn)量的影響差異較大。

5 建議與展望

合理輪作模式，是東北農(nóng)業(yè)發(fā)展中所面臨的重要課題。東北黑土地充當(dāng)糧食安全穩(wěn)壓器，有著優(yōu)越的自然地理?xiàng)l件，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)十分有利，但受全球氣候變化及長期開發(fā)利用的影響，黑土地“薄、瘦、硬、劣、減”等問題突出，即平均土層降低、水土流失嚴(yán)重、有機(jī)質(zhì)含量下降等。而合理的輪作模式，對改善農(nóng)田生態(tài)環(huán)境，提高土壤肥力，均衡利用土壤養(yǎng)分有重要作用。國內(nèi)外學(xué)者從不同角度進(jìn)行研究，提出了諸多見解，為本研究提供了理論素材，但在這些研究中依然存在不足。因此，探究適合東北黑土地的輪作模式，下一步深入研究的重點(diǎn)應(yīng)該是選擇、培育出適合東北自然地理環(huán)境的優(yōu)質(zhì)品種，探索其不同輪作模式對土壤理化性質(zhì)和土壤肥力等方面的作用特點(diǎn)，采取因地制宜的管理方式，不僅有利于改善土壤質(zhì)量，還能提高土地利用效率。最后，還需要建立多尺度的土壤水文模型，深入研究土壤水分循環(huán)的空間-時(shí)間變化，及土壤水分運(yùn)移的機(jī)理。此外，研究還要涉及到全球變化、森林生態(tài)系統(tǒng)等復(fù)雜的學(xué)科，加強(qiáng)跨學(xué)科間的交叉研究，發(fā)展出能夠模擬未來氣候下土壤有機(jī)質(zhì)與肥力的人工智能模型，為國家農(nóng)業(yè)的發(fā)展提供必要依據(jù)。

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