覆蓋作物根系對砂姜黑土壓實的響應*

嚴 磊，張中彬，丁英志，王玥凱，王永玖，甘 磊，彭新華

（1. 桂林理工大學，廣西環境污染控制理論與技術重點實驗室科教結合科技創新基地，廣西桂林 541004；2. 土壤與農業可持續發展國家重點實驗室（中國科學院南京土壤研究所），南京 210008；3. 中國科學院大學，北京 100049；4. 安徽省龍亢農場，安徽懷遠 233426）

隨著農業機械化水平的提高，農用大型機械的使用頻率和重量不斷增加，田間土壤壓實已經成為現代農業面臨的主要問題[1]。祝飛華等[2]對關中農田土壤容重研究發現 0～60 cm 土層土壤容重介于1.32～1.69 g·cm-3之間，20～40 cm 土層土壤容重高達1.67 g·cm-3，表明土壤壓實嚴重。壓實使得土壤顆粒重新排列得更加緊密，孔隙度減小，土壤緊實度增加，水分滲透能力下降，嚴重影響作物根系對水分和養分的吸收利用[3]。大量實驗數據表明壓實普遍導致作物減產10%以上，最高可達47%[4]。壓實對土壤造成的危害持續時間可達14 年之久[5]。因此，研究如何緩解土壤壓實，對于促進作物生長，維護糧食安全等方面有重要的指導意義。

目前，最常用的緩解土壤壓實的手段是深松法。深松雖能改善土壤物理性質，在一定程度上緩解土壤壓實，但是深松容易破壞土壤中大孔隙連通性，造成二次壓實[6]。覆蓋作物作為土壤保護性作物，多數覆蓋作物的根系對土壤有較強的穿透能力。覆蓋作物可通過根系的穿插改善土壤結構，提升土壤質量，從而緩解土壤壓實，提高作物產量[7-8]。Chen和Weil[9]發現覆蓋作物能改善壓實土壤容重和土壤含水量，提高后茬作物玉米產量。不同覆蓋作物的根系形態存在較大差異，因此，不同覆蓋作物根系生長對土壤壓實的響應差異較大。昭日格圖和張玉旭[10]研究了不同覆蓋作物對土壤硬度的影響，結果顯示裸地土壤硬度最大，其次為黑麥種植地，最小的是毛野豌豆種植地。Chen 和Weil[11]研究表明不同覆蓋作物根系在同一壓實水平下25～50 cm 土層穿透能力由大到小依次為蘿卜、油菜、黑麥。同時，氣候和土壤等條件的差異，也會造成不同覆蓋作物在不同區域的適應性存在較大差異[12-13]。因此，有必要針對特定區域開展不同覆蓋作物根系對土壤壓實的響應研究。

砂姜黑土主要分布于我國河南南部、安徽北部等地區，土壤黏粒含量高，漲縮性強，干時緊實僵硬。詹其厚[14]的研究表明，砂姜黑土區耕層容重在1.36 ～1.50 g·cm-3之間，耕層以下土壤容重在1.50 g·cm-3以上。王玥凱等[15]的研究也顯示免耕條件下砂姜黑土耕層容重為1.48～1.57 g·cm-3，耕層以下容重為1.55～1.62 g·cm-3，可見砂姜黑土壓實嚴重。因此，本研究在安徽省砂姜黑土區設置壓實與不壓實處理，并以種植不同覆蓋作物（休閑、苜蓿、油菜、蘿卜＋毛苕子混播）為研究對象，分析三種種植模式下覆蓋作物根系對土壤壓實的響應，從而篩選適宜該區域的覆蓋作物來緩解土壤壓實，進而提高作物產量。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

本試驗地點位于安徽省龍亢農場（33°32′N，115°59′E），屬暖溫帶半濕潤季風氣候，年均溫度14.8 ℃，年均降水量約900 mm。土壤為河湖相石灰性沉積物發育的砂姜黑土。該區域種植模式主要為冬小麥/夏玉米一年兩熟輪作制度，耕作方式主要為旋耕。試驗實施前，該區域耕層平均土壤容重為1.50 g·cm-3。

1.2 試驗設計

試驗于2017 年11 月玉米收獲后開展。試驗采取裂區設計，首先間隔設置不壓實（Non-compacted，NC）和壓實（Compacted，C）2 個主處理，每個主處理下設置4 個副處理，分別是不種植覆蓋作物（休閑）和種植不同覆蓋作物（苜蓿、油菜、蘿卜＋毛苕子混播）處理，共8 個處理，每個處理3 次重復。該試驗共24 個小區，每個小區長寬分別為10 m 和7 m。壓實處理通過大型農業機械凱特迪爾KAT1504輪式拖拉機（功率150 kW，四輪驅動，前輪胎型號14.9-26，后輪胎型號18.4-38（雙胎），自重7 400 kg）以輪跡平排的方式連續碾壓3 遍；不壓實處理用深松機間隔深松至35 cm 土層。為便于播種，用小型旋耕機淺旋5～10 cm，然后采用人工撒種方式進行覆蓋作物的播種。

1.3 土壤物理性質測定

在壓實處理完成后，不壓實處理深松前，立即用土壤緊實度儀（SC900，RIMIK，澳大利亞）分別測定不壓實和壓實處理下0～45 cm 土層土壤緊實度，每隔2.5 cm 土層記錄一次測量結果，每個處理重復30 次。

在休閑處理下，于2018 年5 月采用100 cm3不銹鋼環刀分別取不壓實和壓實處理下原狀土壤樣品，取樣深度分別為0～10、10～20、20～30、30～50 cm，共取48 個樣品，用以測定土壤收縮特征和土壤容重。測定時，先將土壤樣品飽和72 h，然后讓其在自然條件下脫水風干，當環刀樣品風干后，將其放入烘箱中分別以30 ℃、60 ℃、105 ℃逐步烘干。每當環刀樣品損失2～4 g 時稱量樣品重量，用深度游標卡尺測量環刀樣品上表面六個固定位置的高度。天平的精確度為0.01 g，深度游標卡尺精確度為0.01 mm。風干過程假定土體的徑向收縮和垂向收縮的收縮程度是一致的。收縮曲線的擬合采用Peng 和Horn[16]基于Van-Genuchten 方程改進的模型，公式如下：

式中，e( )?為土壤孔隙比，cm3·cm-3；se為土壤飽和孔隙比，cm3·cm-3；re為土壤殘余孔隙比，cm3·cm-3；?為土壤水分比，cm3·cm-3；χ、p、q 為無量綱擬合參數。根據方程（1）擬合出來的收縮曲線參數進而計算收縮曲線的最大斜率，具體原理和方法參見Peng 和Horn[16]。土壤收縮系數（COLE）用于描述土體在干燥和飽和兩點間的收縮程度[17]，具體計算公式如下：

式中，L0為土體飽和時的高度，cm；L105C°為土體105 ℃烘干之后的高度，cm。當COLE<0.03，土壤具有較低的收縮能力，0.030.06 土壤具有較高的收縮能力。

1.4 覆蓋作物生長特征測定

在覆蓋作物苗期測定其地表覆蓋度。將1 m×1 m的金屬框架隨機擺放在種植覆蓋作物的小區內，擺放時注意放平，并通過照相機進行拍照收集，共采集36 張。首先將收集到的照片導入WGEO 圖片矯正工具中進行圖片矯正，然后將照片導入Photoshop CS6.0 中，將圖片沿著金屬框架邊緣進行剪裁，并通過顏色替換將作物生長區替換成黑色，未生長區替換為白色。再利用ImageJ1.51 計算出1 m×1 m金屬框架內覆蓋作物覆蓋度。

在覆蓋作物開花期，采用內徑為10 cm 的根鉆對覆蓋作物種植區0～70 cm 土層內作物根系進行采集，每次采集深度為10 cm。先將所取根系清洗干凈，通過WinRHIZO 根系分析系統（Regent Instruments Inc，加拿大）測定根系特征參數（根體積密度、根長密度和根比表面積），然后80℃烘干稱重，計算根干重密度和地下部分生物量。2018 年5 月，通過樣方法測定地上部分生物量，每個小區收割3 個1 m2面積的地上部分，風干后稱重，計算生物量。

1.5 數據處理

通過MATLAB R2014a 對土樣的收縮曲線進行擬合，以獲取收縮曲線參數。采用SPSS 17.0 進行單因素方差分析（One-Way ANOVA），并用鄧肯（Duncan）法進行多重比較，顯著水平為P<0.05。采用Origin 2017 進行圖形繪制。

2 結 果

2.1 壓實對土壤容重和穿透阻力的影響

休閑地中，壓實和不壓實處理下不同土層深度土壤容重如圖1a）所示。壓實和不壓實處理下，土壤容重隨深度的變化趨勢均是先增大后降低，在10～20 cm 達到最大值，分別為 1.65 g·cm-3和1.54 g·cm-3。與不壓實處理相比，壓實處理顯著增加了0～30 cm 土壤容重（P<0.05），而對30～50 cm土壤容重的影響不顯著（P>0.05）。

覆蓋作物種植前穿透阻力在0～45 cm 土層內的變化結果如圖1b）所示。不壓實處理下，在0～20 cm 土層穿透阻力隨土層深度增大而增加，在20 cm 土層達到穩定，以下深度則變化幅度小，保持1 200～1 500 kPa。壓實處理下，0～5 cm 土層內穿透阻力急劇增大并在 2.5 cm 土層形成峰值至2 000 kPa 以上，5 cm 以下土層逐漸下降至30 cm 土層，然后又呈增加趨勢，總體上在1 500 kPa 左右。與不壓實處理相比，壓實處理顯著增加了 0～27.5 cm 和37.5～45 cm 土層的穿透阻力（P<0.05）。

2.2 壓實對土壤收縮特性的影響

由表1 知，壓實處理下，0～50 cm 土層內每一層土壤飽和孔隙比（es）均較不壓實處理顯著下降（P<0.05）；0～40 cm 土層內每一層土壤殘余孔隙比（er）也較不壓實處理顯著降低（P<0.05）。由擬合方程的相關系數（r）和均方根誤差（RMSE）可知，方程（1）能很好地擬合出所有樣品的收縮曲線（r≥0.99，RMSE<0.05）。

表1 不同壓實處理各土層土壤收縮曲線擬合參數Table 1 The saturated void ratio（es），residual void ratio（er），fitting parameters（χ，p，q）of soil shrinkage curves，correlation coefficient（r）and root mean square errors（RMSE）relative to soil layer and soil compactness（C）treatments

不同壓實處理下0～50 cm 土層內土壤收縮曲線如圖2 所示，所有曲線均呈現較好“S”形狀。0～30 cm 土層壓實處理下整個收縮曲線均低于不壓實處理，隨著深度的增加，壓實和不壓實處理下收縮曲線間的差距逐漸減小。0～30 cm 土層，不壓實處理下土壤收縮曲線較為平緩，而壓實處理下土壤收縮曲線更加陡峭；并且隨著深度的增加，壓實和不壓實處理下收縮曲線形狀的差異逐漸減小。

土壤收縮系數均在0.05 以上，表現為較強的收縮特性（圖3a））。在壓實和不壓實處理下，土壤收縮系數均隨深度的增加表現為先減小后增大，在30～50 cm 土層達到最大值，分別為0.10 和0.09。壓實處理0～10 cm 土層的收縮系數顯著高于不壓實處理（P<0.05），而10～50 cm 土層兩種處理土壤收縮系數的差異不顯著（P>0.05）。

0～30 cm 土層不壓實處理下土壤收縮曲線最大斜率隨深度的增加而增加，而壓實處理下土壤收縮曲線最大斜率隨深度的增加而減小（圖3b））。相比于不壓實處理，壓實處理下0～10 cm 和10～20 cm土層深度土壤收縮曲線的最大斜率顯著增加（P<0.05），分別為不壓實處理的1.59 倍和1.41 倍。

2.3 壓實對覆蓋作物的影響

三種種植模式下覆蓋作物根干重密度均隨深度的增加而下降（圖4）。相比不壓實處理，壓實處理降低了0～70 cm 土層苜蓿、0～60 cm 土層油菜和0～50 cm 土層蘿卜+毛苕子每一層（10 cm）的根干重密度，平均降幅分別為 61.4%、57.8%和48.2%。壓實條件下，三種種植模式下0～10 cm 土層內覆蓋作物根干重密度由大到小依次為油菜（1 719 g·cm-3）、苜蓿（1 585 g·cm-3）、蘿卜+毛苕子（924 g·cm-3）；10～30 cm 土層苜蓿根干重密度高于油菜和蘿卜+毛苕子；而30～70 cm 土層，蘿卜+毛苕子根干重密度分別為苜蓿和油菜根干重密度的1.13 倍和1.55 倍。

根體積密度隨深度的變化（圖4）表現出與根干重密度相同的變化趨勢。0～70 cm 土層內壓實處理較不壓實處理分別降低了苜蓿、油菜、蘿卜＋毛苕子根體積密度的63.68%、21.38%、43.40%。不壓實情況下，各土層苜蓿的根體積密度均明顯高于油菜和蘿卜+毛苕子；0～30 cm 土層油菜的根體積密度平均高于蘿卜+毛苕子33.5%，而30 cm 以下土層油菜的根體積密度平均僅為蘿卜+毛苕子35.2%。壓實條件下，0～50 cm 土層苜蓿和油菜的根體積密度平均為蘿卜+毛苕子的1.67 倍和1.79 倍，而50～70 cm 蘿卜+毛苕子的根體積密度均為苜蓿、油菜的2.29 倍。

壓實處理下，0～20 cm 土層苜蓿的根長密度平均高于不壓實處理57.6%；20 cm 以下土層苜蓿的根長密度平均低于不壓實處理的61.3%（圖4）。壓實處理下0～70 cm 土層，油菜的根長密度每一土層均低于不壓實處理（平均減少11.4%）。壓實處理下0～70 cm 土層（除40～50 cm 土層外）蘿卜＋毛苕子的根長密度均高于不壓實處理（平均增加46.7%）。在不壓實處理下，苜蓿根長密度均大于油菜和蘿卜＋毛苕子。在壓實處理下，0～30 cm 土層苜蓿的平均根長密度分別為油菜和蘿卜+毛苕子的3.00 倍和3.31 倍，而30～70 cm 土層蘿卜+毛苕子的平均根長密度最大，分別為苜蓿和油菜的1.32 倍和2.35 倍。

不壓實處理下，三種種植模式下覆蓋作物根比表面積隨深度的增加而逐漸增加（圖4）。壓實處理下，0～30 cm 土層各覆蓋作物根比表面積隨深度增加而增加，而30 cm 以下土層根比表面積隨深度波動較大、變異也較大。在不壓實處理下，10～40 cm土層苜蓿根比表面積小于油菜和蘿卜+毛苕子；而壓實處理下，不同覆蓋作物根比表面積差異不明顯。壓實處理下0～70 cm 土層內苜蓿、油菜、蘿卜＋毛苕子的根比表面積均值較不壓實處理分別增加了91.5%、51.3%、19.7%。

如圖5a）所示，與不壓實處理相比，壓實處理下苜蓿、油菜、蘿卜+毛苕子作物長勢均較弱，覆蓋度也較低；壓實處理下，覆蓋程度最好的為蘿卜+毛苕子。定量分析表明，不論壓實與否，蘿卜+毛苕子覆蓋度均顯著高（P<0.05）于苜蓿和油菜（圖5b））。與不壓實處理相比，壓實導致苜蓿和油菜的覆蓋度顯著下降（P<0.05），降幅分別為53.6%、50.6%，而對蘿卜+毛苕子的覆蓋度影響不顯著（P>0.05）。

不同壓實處理下覆蓋作物地上、地下部分生物量如圖6a）和6b）所示。不壓實處理下，油菜的地上部分生物量（圖6a））最高（5 422 kg·hm-2），分別為蘿卜+毛苕子和苜蓿的1.15 倍和2.10 倍；而壓實處理下蘿卜+毛苕子地上部分生物量顯著大于苜蓿和油菜（P<0.05）。相比于不壓實處理，壓實顯著減少苜蓿和油菜兩種作物地上部分生物量（P<0.05），減少比例分別為62.5%和67.6%；而壓實僅降低蘿卜+毛苕子地上部分生物量的15.8%，影響不顯著（P>0.05）。

不壓實處理下苜蓿和油菜地下部分生物量（圖6b）顯著大于蘿卜＋毛苕子（P<0.05）；壓實處理下三種種植模式下覆蓋作物地下部分生物量差異不顯著（P>0.05）。壓實處理較不壓實處理顯著減小苜蓿和油菜地下部分生物量（P<0.05），減小幅度分別為61.4%和57.7%；而蘿卜＋毛苕子的地下部分生物量僅減少47.8%，影響未達到顯著水平（P>0.05）。

3 討 論

3.1 壓實對土壤容重、穿透阻力及收縮特性的影響

土壤穿透阻力與容重是衡量土壤物理質量的兩個重要指標[18]。本研究顯示壓實顯著增加了 0～30 cm 土層土壤容重，影響了0～45 cm 土層土壤穿透阻力（圖1b））。高愛民等[19]研究割草機對苜蓿地土壤壓實影響，發現0～30 cm 土層內土壤緊實度明顯增加，而王憲良等[20]的研究顯示，0～40 cm 土層壓實處理土壤緊實度明顯大于不壓實處理，且每一層土壤容重分別較不壓實處理增加了3.3%、17.2%、13.0%、11.0%，壓實影響深度能達到40 cm 土層。土壤被壓實的程度不僅取決于土壤類型，還包括壓實機械的荷載、輪胎接觸面積及被壓實的次數，表層土壤受到的壓實作用主要來自于輪胎的壓力，而壓實深度主要取決于壓實機械的荷載重量[21-22]。

本研究中土壤收縮系數大多在0.06 以上，屬于強收縮能力土壤。這主要是由于砂姜黑土黏粒含量豐富，黏粒礦物質主要以脹縮性強的蒙脫石為主[23]。宗玉統[24]報告砂姜黑土在0～20 cm 和20～40 cm 土層收縮系數的平均值分別為0.099 和0.098，與本研究結果接近。壓實或不壓實處理下土壤的收縮能力隨土壤容重的增加而下降（圖1a），圖3a）），這與多數研究結果一致[25-26]。但是本研究發現0～30 cm土層內，壓實增加了土壤的容重，同時也增加了土壤收縮系數，提高了收縮曲線的最大斜率，這與Peng等[27]的研究結果不同。Peng 等[27]指出壓實前后土壤收縮曲線平行。然而Sch?ffer 等[28]則發現高強度壓實顯著改變了收縮曲線的形狀，使其更為陡峭，也增加了土壤收縮系數，這與本研究的結果較為一致。土壤結構及其穩定性的變化會顯著改變土壤的收縮行為，土壤結構性越好、穩定性越強，其收縮能力越弱[29-30]。本研究中使用大型拖拉機多次反復的壓實破壞了土壤大孔隙結構及其穩定性，因而導致土壤收縮幅度增加。收縮曲線最大斜率值作為衡量土壤結構穩定性的一個指標[17]，壓實后該斜率明顯增加則進一步表明壓實導致土壤結構惡化。

3.2 不同覆蓋作物根系對壓實響應的差異

根系作為植物吸收和利用養分的重要器官，生長發育受到土壤結構和壓實程度等多因素影響[31]。壓實一方面減少了土顆粒之間孔隙，從而增加土壤穿透阻力，限制根系的伸展；另一方面，壓實導致土壤孔隙間的連通性較差，降低了水分和養分的運輸能力[32]。因此，本研究發現壓實影響最大的0～30 cm 土層，不同覆蓋作物根干重密度和根體積密度均較不壓實處理顯著降低（圖4）。但是本研究也發現壓實對油菜根長密度影響相對較弱，甚至還增加了表層0～20 cm 苜蓿和除40～50 cm 土層外蘿卜+毛苕子的根長密度；同時壓實總體上增加了不同覆蓋作物的根比表面積（圖4）。G??b[33]研究發現壓實增加了0～10 cm 土層苜蓿小于0.2 mm 的細根長度，降低了0～30 cm 土層苜蓿根系的平均直徑。這一結果表明壓實雖然降低了根系的生物量，不利于粗壯的主根生長，但同時在一定程度上導致覆蓋作物側根等細小根系相對增加，提高了單位根系生物量吸收水分和養分的能力。在壓實或不壓實處理下，不同覆蓋作物生長狀況表現出明顯的差異。在不壓實處理下，苜蓿根系較油菜和蘿卜+毛苕子表現出更強的穿透能力（圖4），而苜蓿的苗期覆蓋度和地上部分生物量卻最低（圖5b）），圖6a））。壓實條件下，蘿卜+毛苕子總根系生物量最低（圖6b）），但卻表現出最強的穿透能力，50 cm 以下土層其根干重密度、根體積密度和根長密度均高于苜蓿和油菜（圖4），蘿卜+毛苕子的苗期覆蓋度和地上部分生物量也顯著高于苜蓿和油菜（圖5b）），圖6a））。有研究發現苜蓿根系發達，在不壓實土壤中生長一年的苜蓿入土深度可達1～2 m；而在壓實土壤中苜蓿根系生長受到抑制，生長一年的苜蓿根系入土深度多小于1 m[34-35]。蘿卜被認為具有很強的穿透壓實土壤的能力，Chen 和Weil[11]報道蘿卜的根系數量隨著穿透阻力的增加而增加，而油菜和黑麥根系數量隨穿透阻力增加而減小，這主要是由于蘿卜粗壯的肉質根有利于其根系穿透高強度的土壤。此外，蘿卜作為肉質儲藏根，壓實可能只對根的早期生長產生影響，對其后期生長影響較弱[36]。毛苕子是一種豆科作物，可以起到固氮的作用，地上部分生物量較大。毛苕子和非豆科作物蘿卜混播有利于促進養分的吸收和作物地上、地下部分的生長[37]，而在壓實脅迫下，這一效應可能更加顯著。因此，在本研究中蘿卜+毛苕子混播模式較苜蓿和油菜單一播種模式更適應壓實的土壤條件，是更適宜用于緩解土壤壓實的覆蓋作物種植模式。

4 結 論

壓實顯著增加了砂姜黑土0～30 cm 土層內土壤容重，增加了0～27.5 cm 和37.5～45 cm 土層土壤穿透阻力，同時破壞了土壤結構，改變了0～20 cm土層土壤收縮特性；壓實降低了苜蓿、油菜、蘿卜+毛苕子三種種植模式下覆蓋作物的根干重密度和根體積密度，但增加了根比表面積。不壓實處理下，苜蓿的根干重密度和根體積密度最大，穿透能力表現為最強，但受壓實影響最嚴重。壓實處理下，蘿卜+毛苕子根系在壓實土壤中穿透能力較苜蓿和油菜更強，且蘿卜+毛苕子地上部分生物量、地下部分生物量及覆蓋度受壓實影響程度最小。因此，蘿卜+毛苕子混合種植較單一的苜蓿或油菜種植能更好地適應壓實的土壤，具有較好的緩解土壤壓實的潛力。