種植模式對川中丘陵石灰性紫色土結構和地力的影響*

馬勝蘭，況福虹，唐家良，王艷強，吳鵬飛，朱 波

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

種植模式影響作物對養分的吸收和分配[1]，影響土壤質量及農業可持續性[2]。適宜的種植模式能提高復種指數、減少化肥投入、改善土壤結構和養分利用，能一定程度實現土地種養結合，利于農業高產增產，并減少病蟲害發生等[3-4]。不同種植模式對土壤孔隙數量及構成有明顯影響，而土壤孔隙是水分、空氣、根系、土壤動物和微生物在土體內分布和活動的主要場所，其特征（形狀、大小、數量搭配及空間分布）在很大程度上可描述土壤質量的好壞[5]，同時孔隙結構空間分布又影響水分、養分和土壤動物在土壤中分布和運動[6]，綜合研究種植模式對土壤物理、化學和生物學特性的影響，有助于全面了解和評價其對土壤質量的影響。

四川盆地農業生產除了成都平原外，主要集中在紫色丘陵區，該區總面積為 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]。四川盆地種植業以糧食種植為主，川中丘陵區糧食播種面積平均為5.54×106hm2，約占農作物總播種面積的80%，其中小麥、玉米和紅薯各占糧食總產量的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-小麥等區內傳統的糧油作物種植模式[8]。川中丘陵地區既是長江上游農業最發達的區域，也是區內農業生產最有潛力的地區之一[9]，近年來對該地區的農業投入和關注持續增加。本研究針對川中丘陵區：（1）坡耕地多由紫色砂頁巖發育而成，土壤礦質養分供應較充足，但紫色土易受侵蝕，區內水土流失嚴重；（2）旱坡地土層淺薄，保水保肥能力差，農業生產力不穩定等問題，研究并評估區域內糧油旱作模式對土壤特征的影響，對了解和維持健康且高質量的農田土壤具有重要意義，同時對響應農業綠色可持續發展和保護土壤健康的國家政策息息相關。本研究基于川中丘陵地區糧油種植模式長期定位試驗（2006—至今），測定并分析不同種植模式下，耕層土壤物理性質、養分特征和土壤動物食性特征，旨在探明和評估川中丘陵地區傳統糧油種植模式對區內土壤結構和養分的影響，為優化區域傳統糧油種植模式提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

試驗設置在中國科學院鹽亭紫色土農業生態試驗站（105°27′E，31°16′N）土壤要素輔助觀測長期樣地內進行。試驗站位于四川盆地中北部鹽亭縣林山鄉，地處嘉陵江和涪江分水嶺，海拔365～577 m。區內屬中亞熱帶濕潤季風氣候，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，達到995 mm（2008—2014年），降雨季節分布不均，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。區內地形為中深丘，由水平砂頁巖風化而形成多級臺地，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，適于農業耕作，但土層淺薄，平均土層厚度為30～80 cm[10]，保水保肥差，有機質和全氮含量低。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

供試土壤為發育于侏羅系蓬萊鎮組紫色砂頁巖上的石灰性紫色土，長期定位試驗設置初期 0～15 cm耕層土壤基本理化性質：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，有機質、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 實驗設計

根據川中丘陵地區傳統糧油作物種植模式，在土壤要素輔助觀測長期樣地設置玉米-小麥輪作（MW）、玉米-油菜輪作（MR）和玉米-紅薯-小麥輪套作（MWP）3個處理，每個處理隨機設置3個平行，每個試驗小區面積為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、玉米和油菜常規施肥處理的大田秸稈平均產量計算還田量），然后采用旋耕機耕地，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）同時進行，生長期不追肥，玉米在播種期穴施基肥，拔節期撒施追肥（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土壤緊實度儀原位測定土壤剖面緊實度，收獲后釆集0～15 cm表層土壤環刀樣品，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個土樣，同時使用根鉆采集0～15 cm和15～30 cm土壤樣品，每個土層采集約300 g。環刀土壤樣品用于測定土壤容重、飽和含水率和飽和導水率[11]；利用計算機斷層微掃描技術對PVC管內原狀土柱進行掃描（掃描儀：Phoenix Nanotom S micro-CT scanner，設置掃描電壓為100 kV，電流100 μA，時間間隔1 250 ms，分辨率25 μm，即每個土柱獲得2000張截面圖），獲取耕層原狀土的孔隙數量、體積、分布、形狀、連通性等特征參數；土鉆所采集的耕層混合土樣按照《陸地生態系統土壤長期觀測質量保證與質量控制》的要求風干制樣[12]，測定顆粒組成和養分含量。土壤顆粒組成使用吸管法測定；有機質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散法、鉬銻抗比色法和火焰光度計法進行測定[13]，根鉆中的土樣使用干漏斗裝置對干性中小型土壤動物進行分離（60 W白熾燈分離48 h），分離后的標本保存在75%酒精中用于土壤動物食性鑒定。所有分離樣品在顯微鏡和解剖鏡下鑒定、計數，土壤動物種類鑒定參考《中國亞熱帶土壤動物》和《中國土壤動物檢索圖鑒》[14]，再根據不同土壤動物的類型確定其食性并分類。

1.5 數據來源與處理

本研究所有數據來源于中國科學院鹽亭紫色土農業生態試驗站土壤要素輔助觀測長期樣地。該樣地于2006年夏玉米季開始進行常規原位監測工作，監測內容包括作物產量及常規土壤養分。本研究于2018年夏玉米季采集土壤樣品，測定土壤物理、養分及土壤動物食性等相關參數。種植模式對土壤養分的影響屬于中長期過程，因此土壤養分除2018年實測數據外，選擇了該樣地2012年歷史監測數據進行比較。由于作物產量受當年氣候和氣象條件影響較大，同時新建樣地后由于土壤環境尚不夠穩定也容易引起產量波動，本研究使用該樣地2009—2018年作物平均產量進行比較。

CT掃描截面圖像利用三維圖像重建及分析系統軟件V1.0進行處理，獲取每張掃描圖像的目標二值圖（目標物質灰度值255標記，其余物質灰度值0標記），并將獲得的二值圖導入三維模型形態學分析軟件，重建掃描樣本三維形態并計算相關參數。文中使用Office 2016、SPSS 20.0和Origin 8.5軟件對實驗數據進行計算、統計分析及作圖。

2 結 果

2.1 種植模式對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個等級。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處理。粗砂不利于水分和養分吸附和保持，粉粒間表面吸附和毛管力較砂粒強，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，更利于水分和養分向下移動（表1）。

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

不同種植模式對土壤含水率的影響如圖1a所示，3個處理土壤實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。各處理土壤緊實度均隨土層深度增加而增大（圖1b），在20 cm土層附近出現明顯拐點，該拐點和旋耕機旋耕深度有密切關系，且0～20 cm土層中，MW較MR和MWP兩個處理的土壤緊實度高。3個處理22.5～32.5 cm土層的土壤緊實度較均勻，處理間無差異。各處理土壤緊實度在 35 cm以下隨土層深度增加而明顯增加，MR和MWP兩個處理較MW高。

本研究中 CT掃描范圍屬土壤通氣孔隙（當量孔徑>25 μm），將土壤大孔隙劃分為 25～100、100～500、500～1 000和>1 000 μm四個范圍。3個處理的孔隙數量以100～500 μm當量孔徑的孔隙為主，占孔隙總數量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。當量孔徑>1 000 μm 的孔隙數量最少，但體積達到總孔隙體積的 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的大孔隙數量明顯高于MR和MWP處理，但總體積較這兩個處理分別低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，平均配位數則反應孔隙間連通性。MW處理平均孔喉比較MR和MWP處理更接近1，平均配位數是這兩個處理的 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分運移路徑寬度，MWP處理喉道截面積為MW和MR處理的3.5倍和2.7倍，更利于水分和養分通過并向下層土壤運移。平均孔隙形狀因子表征孔隙近圓度，研究表明規則的圓形孔隙有利于水分在土壤中傳輸，同時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處理孔隙數量最少，分布不均勻，粗大孔隙明顯。

2.2 種植模式對土壤養分特征的影響

種植模式影響耕層土壤 pH、養分含量及有效性，進而影響作物生長發育。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年耕層有機質含量均無顯著變化，但 2012年MWP處理有機質含量顯著高于MW處理，到2018年已無顯著差異。2012年三個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處理有機質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41.5%。兩個年份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 種植模式對土壤動物的影響

本研究將土壤動物按照不同食性分為腐食性、植食性、雜食性和捕食性4類進行比較。0～15 cm土層結果顯示（圖4a），3個處理雜食性土壤動物總數量顯著高于其他食性土壤動物，是該區土壤動物的優勢類群，且處理間無顯著差異。MW處理雜食性土壤動物可鑒定種類達6種，顯著高于其他處理。MR處理腐食性土壤動物數量達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，且數量較少；MWP處理土壤動物總數量最多，其中植食性土壤動物種類和數量顯著高于MW處理，可見種植塊莖類作物后，土壤環境更適合植食性土壤動物生存；耕層土壤各處理的捕食性土壤動物種類無顯著差異。

15～30 cm土層的結果顯示（圖4b），隨土層深度增加，各處理土壤動物種類和數量均減少，MW處理無植食性土壤動物，雜食性土壤動物數量顯著低于其他處理，MR處理只有腐食性和雜食性土壤動物，其中雜食性土壤動物數量顯著高于MW處理，但數量和種類顯著低于 MWP處理。3種種植模式下，不同食性土壤動物的類群數量和個體數量呈現明顯表聚性，個別食性土壤動物有向下層積聚的趨勢，MW 和 MWP處理的腐食性土壤動物數量在15～30 cm土層較多，出現一定逆層，這與較深土層有機物腐化程度更高存在一定關系。

2.4 種植模式對作物產量和產值的影響

種植模式對作物產量的影響見表3，MW 處理小麥多年平均產量顯著高于 MWP處理，小春作物季油菜產量顯著低于小麥，MW處理玉米多年平均產量顯著低于其他處理。MWP處理周年作物總產量和產值均顯著高于MW和MR處理。該試驗區內，MW體系小麥產量較高但玉米產量低，周年總產量和產值均較低。MR處理油菜籽產量低，周年總產量最低，但菜籽經濟價值高于小麥，因此周年產值高于MW處理。MWP模式下，盡管作物單產和產值均較低，但由于作物種類較多，其周年總產量和產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量和產值（2009—2018）Table 3 Average crop yield and output of the period of 2009—2018 relative to treatment

2.5 土壤結構與土壤養分的關聯性

土壤肥力形成是自然和人類活動相結合的過程，其物理化學特性關聯度能綜合反映土壤肥力狀況。表4結果顯示，該區域堿解氮含量與<0.002 mm土壤黏粒含量存在顯著正相關關系，這與土壤黏粒的高吸附性密切相關。土壤養分含量和不同孔徑孔隙數量均存在極顯著相關關系，但和速效鉀無顯著相關。有機質、全氮和堿解氮與100～500 μm孔隙數量呈極顯著正相關關系，說明該當量孔徑的孔隙有助于上述養分固持，而該當量孔徑孔隙數量與有效磷含量呈極顯著負相關，說明該當量孔徑的孔隙不利于有效磷保存。500～1 000 μm和>1 000 μm的相關性結果與100～500 μm的結果相反，有機質、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存在有一定關系。

表4 土壤理化特征相關性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分的保持，有機質和全氮含量高于其他處理，利于土壤的可持續利用，但該種植模式下，紫色土耕層土壤較緊實，導水能力較弱，土壤動物總的豐富度和多樣性較低，但植食性土壤動物數量較少有利于保護作物根系，該體系周年產量和產值較低。玉米-油菜模式土壤結構和養分特征與玉米-小麥模式無顯著差異，土壤緊實度較玉米-小麥模式低，但其耕層土壤孔隙配比較玉米-小麥模式差，土壤動物數量雖較少但種類豐富，且腐食性土壤動物數量較多，有利于土壤團粒化，周年產量最小但產值較玉米-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，導水性能強，有利于水分養分移動，同時，這些大孔隙又為土壤動物的生存和繁殖提供了空間和條件，土壤動物總數量和種類最多，且該模式下周年產量與產值最高。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險，與其他處理相比速效養分出現不同程度下降，也預示著要維持該體系的高產，可能需要增加更多養分投入。

3 討 論

3.1 種植模式對土壤結構和土壤動物的影響

種植模式對耕層及深層土壤影響廣泛，合理的種植模式可改善土壤結構，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度較玉米-小麥模式低，這與薯類根系較粗對土壤穿透力強，而小麥根細瘦穿透力較差有關。玉米-紅薯-小麥體系耕層土壤孔隙度和飽和導水率最高，耕層導水性能優于其他處理，土壤動物數量豐富，與容重降低有利于水分運移和氣體交換，增加土壤通氣性和透水性，為生物活動和根系生長創造有利環境的研究結果一致[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土壤孔隙有增大作用，豐富的土壤動物對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。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]。

目前對大孔隙直徑劃分無統一標準，通常認為當量孔徑100～500 μm的孔隙是通氣大孔隙，>500 μm是生物孔隙[19]，Asare 等[20]應用 CT掃描技術發現大孔隙的形成機理與地上殘留物、植物根系類型及土壤動物等因素有關。大孔隙僅占總孔隙的一小部分，但利于水分傳導和運輸，傳導率高達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分的功能。本研究結果顯示，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構有利于水分傳導和運輸，但水分和養分也更容易向深層土壤遷移，與>1 000 μm的孔隙易出現不同程度水肥遺漏現象的研究結果一致[21]。玉米-小麥模式的孔隙比例、平均配位數和孔隙近圓度最佳，有利于保水保肥且連通性較好，與于同艷和張興義[22]的研究結果一致。

土壤是土壤動物和微生物的棲息場所，土壤動物又是土體內物質轉化的主要驅動者，深刻影響土壤功能和質量[23]。本研究耕層土壤各處理雜食性動物為優勢類群，這與其泛食習性有關。玉米-小麥體系較其他處理土壤動物數量和種類少，植食性土壤動物也較少，有利于保護作物根系。腐食性動物有利于有機物分解和團粒化，轉化有機質的能力較強[24]，本研究中玉米-油菜模式下腐食性土壤動物種類和數量較多，植食和捕食性種類單一且數量少，該種植模式可能更適用于團粒結構較差的土壤。本研究中玉米-紅薯-小麥體系土壤動物總數量最多，植食性土壤動物豐富，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，氧氣和養分供應更充分，土壤環境會更適合土壤動物生存，與華萃等[25]的研究結果一致。三種模式不同食性土壤動物的類群數量和個體數量均呈現明顯表聚性，可能受人類季節性翻耕的影響，腐食性土壤動物有向下層積聚的趨勢，可能與下層土壤有機物腐化程度更高有關。

3.2 種植模式對土壤養分和生產力的影響

土壤養分全量反映土壤供給養分的能力，速效養分則反映土壤養分供給強度，對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年的有機質、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，其他養分均出現不同程度下降，一方面與作物種類多對養分需求量高有關，另一方面與該處理土壤條件易使水分和養分向下較快遷移，存在漏水漏肥風險，不利于土壤養分積累和固持有關。同時，不同作物根系布局和對營養的吸收能力有差異，也可能造成耕層土壤養分分布差異[26]。李承力等[27]對不同輪作模式土壤養分差異的研究顯示，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較高，研究結果差異可能與不同研究區域土壤類型、管理措施及施肥條件等不同有關。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[28]。相關研究也表明，玉米與紅薯套作體系中的作物結構不合理，均屬耗地作物，氮、鉀養分呈現高消耗趨勢，難以發揮套作優勢，可能危害農業可持續發展[29]。

不同作物種植對土壤肥力影響不同，加上作物自身生理和養分需求不同，因此產量構成有差異[30]。合理的種植模式能有效提高作物產量和品質，可增產 10%～15%，不合理種植模式致使農田土壤肥力下降、土壤環境惡化[31]。本研究中玉米-油菜模式周年產量低于玉米-小麥體系，但經濟效益卻高于玉米-小麥體系，與李承力等[27]在丹江口庫區坡耕地生產力水平的研究結果一致。本研究中玉米-紅薯-小麥體系周年作物生產力與產值最高。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系。

3.3 各土壤指標耦合對土壤質量的影響

土壤質量評價應綜合考慮多方面因素，尤其是在地形、土壤類型、管理措施、管理目標多樣性程度較高時[29]。研究表明，土壤顆粒組成與土壤的保肥及供肥能力有關，是評價土壤肥力的重要因子之一。李露等[33]研究認為黃土高原土壤有機碳與黏粒含量有顯著相關關系，當黏粒含量為20%～25%時，有機碳與黏粒的相關性較高，當黏粒含量大于30%時，有機碳與黏粒呈負相關關系。本研究黏粒含量均為20%～25%，與有機質含量相關系數為0.433，并無顯著相關關系，這可能與本研究樣本量較小及紫色土本身的土壤性質有關。本研究有效磷、有效鉀含量與粒徑 0.002～0.05 mm 的顆粒含量呈負相關，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果部分一致。顆粒組成中粒級越小，粒間孔隙小，可塑性、黏著性、黏結性和保水保肥性越強[35]，MW處理<0.002 mm的顆粒含量較高，同時總孔隙度小在一定程度上有助于土壤保熵和養分積累。

MW處理的土壤動物數量較其他處理少，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，還會影響土壤動物的活動與生存。本研究中養分含量與當量孔徑>100 μm的各級孔隙數量均存在極顯著相關關系。有機質、全氮、速效氮與當量孔徑100～500 μm的孔隙呈極顯著正相關，該范圍孔隙直徑適中，水氣總容量較大，有利于水氣儲存和增強土壤生物的有效活動，活化土壤養分[36]。但有機質、全氮、速效氮與>500 μm的孔隙呈極顯著的負相關，主要原因是土壤大孔隙產生優勢流極易造成土壤水分和養分流失[37]。本研究中有效磷的結果與其相反，與有效磷多以顆粒態存在，可在大孔隙中有效保存存在一定關系。

4 結 論

川中丘陵地區傳統的三種糧油種植模式利弊共存，選擇時需因地制宜、趨利避害進行綜合評估。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利用，但該模式下土壤動物豐富度和多樣性較低，經濟效益偏低。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構較玉米-小麥模式差，優勢在于腐食性土壤動物數量和種類豐富，對土壤團粒化有利，整體經濟效益高于玉米-小麥模式。玉米-紅薯-小麥模式周年作物總產量和經濟效益最高，耕層土壤疏松，作物類型和孔隙結構有利于土壤動物的生存和繁殖，但該體系耕層土壤孔隙結構不利于保水保肥，長期維持該系統高產需要增加更多養分投入，結合石灰性紫色土易被侵蝕、壤中流發育程度較高、養分極易隨徑流損失等特征，該體系對地力消耗大，難以實現保護耕地質量和農業可持續發展的目標。

致 謝感謝中國科學院鹽亭紫色土農業生態試驗站為本研究提供的實驗設施設備，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。