不同種植制度對黃土高原東部土壤物理質量的影響

徐 偉，劉凱凱，趙文欣，張澤燕，鄭海澤，薛建福

（1.山西農業大學農學院，作物生態與旱作栽培生理山西省重點實驗室，山西太谷 030801；2.山西農業大學小麥研究所，山西臨汾 041000）

黃土高原東部土壤貧瘠，水土流失嚴重，生態環境極為脆弱[1]。長期不合理的種植制度破壞了黃土高原東部土壤物理結構，使得該地區土壤質量下降。土壤物理質量直接影響著土壤生物質量和土壤化學質量，因而，其對研究土壤質量至關重要[2]。種植制度是影響該地區土壤物理質量的重要因素之一，采用合理的種植制度是改善耕層土壤物理質量的重要措施之一。

土壤容重、孔隙度和質量含水量是反映土壤物理質量的重要指標[3-4]。合理的種植制度能夠改善作物水肥利用效率，同時也能夠改善土壤物理質量[5]。一般不同種植制度對土壤物理質量的影響有所不同。崔景明[6]在華北南部研究得出，春玉米—大豆輪作制度較春玉米連作制度降低了0～20 cm 土層的土壤容重，提高了土壤孔隙度。范倩玉等[5]在晉北地區研究得出，油菜—蕎麥和玉米—蕎麥2 種輪作模式與蕎麥連作相比，不同程度降低了0～40 cm 土層的土壤容重，增加了0～40 cm 土層土壤總孔隙度和毛管孔隙度。郭金瑞等[7]在東北基于長期定位試驗研究發現，與玉米—大豆輪作和大豆連作處理相比，玉米連作處理顯著降低了0～60 cm 土層的土壤容重，顯著提高了0～60 cm 土層的土壤總孔隙度。分析看出，由于氣候條件、土壤類型等方面的差異，不同種植制度對土壤物理質量的影響有所差異。因此，因地制宜結合具體的地方特色開展基于種植制度的土壤物理質量研究對于改善土壤物理質量具有重要意義。

目前，關于不同種植制度對土壤物理質量影響的研究報道較多，但有關黃土高原東部不同種植制度下土壤物理質量變化的研究較少。本研究通過多年定位試驗，比較了玉米—小麥（CW）、玉米—小麥—綠豆—小麥（CWMW）和休閑—小麥（FW）種植制度下的土壤物理質量，以期為改善黃土高原東部土壤物理質量進而提高該地區冬小麥產量提供理論依據及技術支撐。

1 材料和方法

1.1 試驗地概況

試驗于2016—2020 年在山西省臨汾市山西農業大學小麥研究所韓村國家試驗基地（N36°13′02″，E111°33′07″）進行。該地區海拔約445 m，為典型暖溫帶大陸半干旱季風氣候，年均降水量約468.5 mm，年均蒸發量約1 839.4 mm，年均日照時間約為2 416.5 h，年均溫度約12.2 ℃，無霜期約197 d。試驗地土壤為壤土，0～20 cm 土壤基礎理化性質如表1 所示。

表1 試驗地土壤基礎理化性質

1.2 試驗材料

供試玉米品種為五谷563，綠豆品種為安綠07-2，冬小麥品種為臨優145。

1.3 試驗方法

試驗于2016 年開始，采用單因素完全隨機試驗設計，共設置連續玉米—小麥（CW）、玉米—小麥—綠豆—小麥（CWMW）和連續休閑—小麥（FW）3 種種植制度（表2），重復3 次，試驗小區面積為667 m2。小麥播種前，進行2 次深度為15 cm 的旋耕處理。小麥播量為262.5 kg/hm2。復合肥（N∶P2O5∶K2O＝18∶25∶5）施入量為750 kg/hm2，山東農大生物有機肥（總養分≥30%）施入量為600 kg/hm2。夏播作物收獲時間為2019 年10 月11 日，小麥收獲時間為2020 年6 月7 日。

表2 2016—2019 年各處理種植情況

1.4 測定項目及方法

試驗分別于2019 年夏播作物收獲后和2020 年冬小麥收獲后采用環刀法測定0～10、10～20、20～30 cm 土層土壤容重、土壤質量含水量和土壤孔隙度并計算土壤三相分離值（R）。在試驗地取樣后馬上蓋好環刀，帶回實驗室后即刻稱質量（包括鮮土和環刀），記為M1，然后放入鋪有紗布的托盤中吸水至飽和，待吸水到飽和后稱質量，記為M2。在105 ℃下烘干至恒質量，記為M3。最后將環刀中的土壤除去后烘干稱質量，記為M0。

1.4.1 土壤容重 土壤容重是表征土壤緊實的重要參數[8]。

式中，ρb為土壤容重（g/cm3）；M3為烘干后干土與環刀質量（g）；M0為環刀質量（g）；V 為環刀體積（cm3）。

1.4.2 土壤質量含水量 土壤質量含水量是指單位體積土壤中的水分質量與干土質量的比值。

式中，θg為質量含水量（%）；M1為新鮮土壤與環刀質量（g）。

1.4.3 土壤孔隙度 土壤總孔隙度通過土壤容重和土壤密度計算得出[9]。

式中，Pt為土壤總孔隙度（%）；Pd為土壤顆粒密度，一般是2.63～2.67 g/cm3，本研究采用平均值2.65 g/cm3[10]。

土壤充氣孔隙度采用土壤總孔隙度與土壤體積含水量的差值，通過公式（4）和（5）計算。

式中，Pc為毛管孔隙度（%）；θc為毛管含水率（%）；M2為土壤吸水飽和狀態下和環刀的質量（g）。1.4.4 土壤三相分離值（R） 土壤三相分離值是指土壤中固、液、氣3 個指標的比值[11]。

式中，R 為所測土樣三相比與理想狀態下土壤三相比在空間距離上的差值，X、Y、Z 分別為固相、液相、氣相所占百分比。0.4、0.6 分別為土壤固相、氣相數據所占的權重。

1.5 統計分析

采用Microsoft Excel 2016 軟件進行數據分析和作圖；采用SPSS 16.0 軟件進行方差分析，并采用新復極差法（Duncan）檢驗各制度間差異顯著性（P＜0.05）。

2 結果與分析

2.1 不同種植制度對土壤容重的影響

由圖1 可知，各種植制度處理下土壤容重隨土層的增加呈現上升趨勢。夏播作物收獲后，在0～10 cm 土層，CWMW 處理土壤容重分別較CW 和FW 處理顯著提高了10.4%和15.0%（P＜0.05），且CW 與FW 處理間差異不顯著。小麥收獲后，CW 處理下10～20 cm 土層的容重分別較CWMW 和FW處理顯著降低了15.2%和14.1%（P ＜0.05），但CWMW 與FW 處理之間差異不顯著。

2.2 不同種植制度對土壤質量含水量的影響

夏播作物收獲后與冬小麥收獲后的土壤質量含水量相差較大（圖2）。夏播作物收獲后0～30 cm土層及冬小麥收獲后0～20 cm 土層土壤的質量含水量在各處理間差異均不顯著。冬小麥收獲后CWMW 處理的20～30 cm 土層土壤質量含水量分別較CW 和FW 處理顯著降低了19.7%和13.9%（P＜0.05）。

2.3 不同種植制度對土壤總孔隙度的影響

夏播作物收獲后10～30 cm及冬小麥收獲后0～10、20～30 cm 土層的土壤總孔隙度在各處理間差異均不顯著（圖3）。夏播作物收獲后CWMW 處理下0～10 cm 土層土壤總孔隙度較CW 和FW 處理分別顯著降低9.2%和12.2%。冬小麥收獲后CW 處理下10～20 cm 土層的土壤總孔隙度分別較CWMW和FW 處理顯著提高了21.6%和19.8%（P＜0.05）。

夏播作物收獲后20～30 cm 及冬小麥收獲后0～10、20～30 cm 土層的土壤充氣孔隙度在各處理間差異均不顯著（圖3）。夏播作物收獲后CW 和FW 處理下0～10 cm 土層的土壤充氣孔隙度較CWMW 處理分別顯著提高了51.4%和57.8%，CW處理下10～20 cm 土層的土壤充氣孔隙度較FW處理顯著提高了36.0%（P＜0.05）。冬小麥收獲后CW 處理下10～20 cm 土層的土壤充氣孔隙度較CWMW 和FW 處理分別顯著提高了25.3%和22.6%（P＜0.05）。

2.4 不同種植制度對土壤毛管孔隙度的影響

夏播作物收獲后20～30 cm 及冬小麥收獲后0～10 cm 土層的毛管孔隙度在各處理間差異均不顯著（圖4）。夏播作物收獲后和冬小麥收獲后CW處理下10 ～20 cm 土層的土壤毛管孔隙度較CWMW 處理分別顯著提高12.1%和14.4%（P＜0.05），較FW 處理分別顯著提高9.6%和12.7%（P＜0.05）。夏播作物收獲后CWMW 處理下0～10 cm 土層土壤的毛管孔隙度顯著低于CW 和FW 處理（P＜0.05），且CW 和FW 處理之間差異不顯著。冬小麥收獲后CW 處理下20～30 cm 土層土壤毛管孔隙度與CWMW 和FW 處理間差異均不顯著，但FW 處理毛管孔隙度較CWMW 處理顯著提高了3.8%（P＜0.05）。

2.5 不同種植制度對土壤三相分離值（R）的影響

夏播作物收獲后20～30 cm 及冬小麥收獲后0～10 cm 土層的R值在各處理間差異均不顯著（圖5）。夏播作物收獲后CWMW 處理下0～10 cm 土層的R值較CW 和FW 處理分別顯著增加了102.1%和62.8%（P＜0.05），而CW 與FW 處理之間差異不顯著；FW 處理下10～20 cm 土層的R 值較CW 和CWMW 處理分別顯著增加43.6%和23.2%（P＜0.05），而CW 與CWMW 處理之間差異不顯著。冬小麥收獲后CW 處理下10～20 cm 土層的R 值較CWMW 和FW 處理分別顯著提高了22.7%和19.5%（P＜0.05），CWMW 與FW 處理之間差異不顯著；FW 處理下20～30 cm 土層的R 值與其他2 個處理間差異均不顯著，但是CWMW 處理較CW 處理顯著提高13.6%（P＜0.05）。

3 討論

3.1 不同種植制度對土壤容重及土壤孔隙度的影響

土壤孔隙度是指單位體積土體內孔隙體積所占的百分比，土壤容重是指單位容積原狀土壤干土的質量，二者均可反映土壤緊實和充氣狀況等，是表征土壤物理質量的重要指標[12-13]。本研究發現，夏播作物收獲后CW 和FW 處理較CWMW 處理顯著降低了0～10 cm 土層土壤容重，顯著提高了0～10 cm土層土壤總孔隙度和土壤充氣孔隙度，這可能是因為相對于CWMW 處理，CW 處理前茬種植作物為玉米，由于玉米根系較發達且下扎較深致使該土層土壤緊實度下降[14-15]。在10～20 cm 土層，CW 處理土壤容重明顯低于CWMW 和FW 處理，CW 處理的土壤總孔隙度和土壤充氣孔隙度明顯高于CWMW 和FW 處理，這可能與玉米在該土層相對于綠豆有較為發達的根系有關[14，16]，但是其影響效果可能不及0～10 cm 土層。冬小麥收獲后CW 處理的土壤容重顯著低于CWMW 和FW 處理，CW 處理的土壤總孔隙度和土壤充氣孔隙度顯著高于C WMW 和FW 處理，這可能是該處理前幾年作物種植處理均為玉米—小麥（CW），致使在該土層玉米根系對土壤的影響效應積累所致。在20～30 cm 土層，各處理差異均不顯著，這可能與小麥播前2 次旋耕導致在該土層產生較厚的犁底層削減了種植玉米和綠豆在該土層對土壤產生的效應有關。

3.2 不同種植制度對土壤質量含水量的影響

土壤質量含水量能夠顯著影響土壤通氣及作物的生長發育[17-18]。本研究發現，夏播作物和冬小麥收獲后0～10、10～20 cm 土層土壤質量含水量差異均不顯著，但是CW 處理較CWMW 和FW 處理明顯提高了10～20 cm 土層土壤質量含水量，這可能與本試驗中單位面積上還田的玉米秸稈量大于綠豆秸稈量，而作物秸稈腐解產生的有機物質改變了土壤中各類團聚體的形成與分布，進而對土壤水分入滲產生影響有關[19-20]。在20～30 cm 土層，冬小麥收獲后CW 處理較CWMW 處理顯著提高了土壤質量含水量，這可能與該土層玉米根系生物量較綠豆更多，其腐解后促進了土壤有機質形成，進而改善土壤蓄水性能，保蓄更多水分于土壤中有關[21-22]。

3.3 不同種植制度對土壤毛管孔隙度的影響

毛管孔隙度是指直徑小于0.1 mm 具有明顯毛管作用的孔隙，是表征土壤物理質量優劣的重要指標[23]。本研究得出，夏播作物收獲后，CW 處理較CWMW 處理顯著提高了0～20 cm 土層土壤毛管孔隙度，這可能與玉米根系較綠豆根系量大且更加發達有關。冬小麥收獲后20～30 cm 土層CW 處理較CWMW 處理明顯提高了土壤毛管孔隙度，這可能是因為玉米根系在該土層較綠豆根系生物量高，使得在該土層CW 處理較CWMW 處理有較高的有機質含量，進而提高了土壤肥力[24]，促進了小麥根系生長，在一定程度降低了土壤緊實度而提高了土壤毛管孔隙度。

3.4 不同種植制度對土壤三相分離值（R）的影響

土壤三相比影響土壤的通氣、透水、供水和保水等物理性質，是評價土壤水、肥、氣、熱相互關系的重要參數，調節合理土壤三相比進而為作物生長提供良好的水、熱、氣、肥條件也是耕作和培肥的最終目的[25-26]。R 值越小說明土壤三相分布越理想，土壤物理質量越優良[11]。本研究發現，夏播作物收獲后，CW 處理較CWMW 處理顯著降低了0～10 cm土層R 值，較FW 處理顯著降低了10～20 cm 土層R 值，說明種植玉米對0～20 cm 土層土壤物理質量的改善效果大于種植綠豆和夏休閑。

4 結論

本研究通過對黃土高原東部冬小麥田土壤物理質量研究可知，連續實施CW 處理較CWMW 和FW 處理在不同程度上降低了土壤容重，提高了土壤質量含水量及土壤孔隙度，降低了R 值。整體來看，采用玉米—小麥種植制度可能更有利于改善該地區小麥田土壤物理質量。