綠肥填閑種植對旱作冬小麥農(nóng)田耕層土壤物理性質(zhì)的影響

李 超, 王 俊,, 邢文超, 張少宏, 柳 瑞

(1.西北大學 城市與環(huán)境學院, 陜西 西安 710127; 2.陜西省地表系統(tǒng)與環(huán)境承載力 重點實驗室, 陜西 西安 710127; 3.中國科學院 水利部 水土保持研究所, 陜西 楊凌712100)

黃土高原是中國典型的旱作農(nóng)業(yè)區(qū)，但干旱缺水加上嚴重的水土流失，導(dǎo)致該地區(qū)農(nóng)田土壤質(zhì)量偏低[1]。在主要糧食作物生長的休閑期間，引種豆科或非豆科綠肥作物在土壤質(zhì)量提升方面發(fā)揮了重要作用，但近幾十年來，由于化肥的大面積使用而在本地區(qū)幾近消失。研究表明，這種綠肥填閑種植方式具有促進土壤碳氮固存[2-3]，促進微生物代謝[4]，減少養(yǎng)分淋溶[5]和抑制雜草病蟲害等[6]多種生態(tài)環(huán)境效益。在當前農(nóng)業(yè)“減施增效”背景下，綠肥填閑種植可望在旱作農(nóng)田土壤質(zhì)量維持與提升方面發(fā)揮巨大作用。土壤物理性狀(土壤容重、孔隙度、飽和持水量、毛管持水量、團聚體結(jié)構(gòu)等)是反映土壤質(zhì)量狀況的重要指標[7-10]。與裸地休閑相比，綠肥填閑種植增加了有機物的輸入，同時也改變了土壤微環(huán)境，會導(dǎo)致土壤物理性狀發(fā)生顯著改變。目前，許多國內(nèi)外學者研究[11]表明，綠肥填閑作物對土壤物理性質(zhì)的影響是不一致的。Blanco-Canqui等[12]進行的文獻分析表明，相比傳統(tǒng)休耕，綠肥填閑種植僅在近1/3的地區(qū)導(dǎo)致土壤容重出現(xiàn)了顯著下降。Alvarez等[13]在阿根廷潘帕斯地區(qū)進行的研究也表明，綠肥填閑種植相比休耕會略微降低土壤容重或無影響，這主要取決于綠肥種類和試驗區(qū)域特征。Abdollahi等[14]在丹麥的研究也發(fā)現(xiàn)，綠肥填閑種植在10 a后使土壤形成了穩(wěn)定而連續(xù)的大孔隙，從而顯著改善了后茬糧食作物根系生長的水分和通氣狀況。在中國黃土高原地區(qū)，劉立意等[15]研究表明綠肥作物能夠顯著改善土壤持水能力；張達斌等[16]研究表明，豆科綠肥配合長期施氮能夠顯著提高土壤大團聚體(>5 mm)比例。與豆科綠肥作物相比，非豆科綠肥通常具有更大的生物量積累，因而具有更多的根系和殘余輸入，進而可能對土壤物理性質(zhì)產(chǎn)生更大的影響，相關(guān)研究尚未見報道。為此，本文基于田間定位試驗，系統(tǒng)分析了夏閑期種植不同綠肥作物對旱作冬小麥農(nóng)田耕層土壤容重、孔隙度、飽和持水量、毛管持水量和團聚體的影響，旨在進一步探討綠肥填閑種植對土壤物理質(zhì)量的提升機制，為其在黃土高原旱作農(nóng)業(yè)區(qū)的推廣提供科學依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于中國科學院長武黃土高原農(nóng)業(yè)生態(tài)試驗站(35°12′N，107°44′E)。該區(qū)海拔1 220 m，屬于暖溫帶半干旱半濕潤性季風氣候，年均氣溫9.1 ℃，無霜期約171 d，年均蒸發(fā)量1 440 mm，年均降水量為580 mm，且季節(jié)性分布不均，多集中于夏秋季節(jié)。試驗地土壤為黑壚土，母質(zhì)為中壤質(zhì)馬蘭黃土。土層深厚，全剖面土質(zhì)均勻疏松，通透性好，肥力中等。供試土壤基本理化性質(zhì)如下：有機質(zhì)12.0 g/kg，全氮0.8 g/kg，全磷0.66 g/kg，礦質(zhì)氮13.74 mg/kg，速效磷24.6 mg/kg，速效鉀161.39 mg/kg，土壤pH值為8.11。該研究區(qū)屬于典型旱作農(nóng)業(yè)區(qū)，種植制度為一年一熟或兩年三熟。

1.2 試驗設(shè)計

本試驗始于2017年6月底前季小麥收獲后，共設(shè)置4個綠肥作物處理，分別為：長武懷豆單播、蘇丹草單播、懷豆/蘇丹草混播以及裸地休閑對照(CK)，每個處理重復(fù)3次，共12個小區(qū)，小區(qū)面積為6.7 m×10 m，隨機區(qū)組排列。

綠肥作物在每年6月底至7月初冬小麥收獲后播種，參照本地區(qū)綠肥常規(guī)播量，懷豆處理長武懷豆播量為70 kg/hm2，蘇丹草處理蘇丹草播量為35 kg/hm2，混播處理懷豆和蘇丹草播量分別為35和17.5 kg/hm2。綠肥作物于每年9月中旬使用旋耕機將地上部分直接摻入翻壓入土壤中，兩周后播種冬小麥(長武134)，播量為165 kg/hm2。小麥播種時按60 kg/hm2的N和60 kg/hm2的P分別施入尿素(46%N)和過磷酸鈣(20% P2O5)作為基肥。冬小麥于次年6月底收獲。綠肥作物和冬小麥生長期間無灌溉，必要時進行人工除草。

1.3 樣品采集與測定

2021年6月底冬小麥收獲后，在每個樣地按照五點取樣法分層挖取0—10 cm，10—20 cm土壤剖面采取原狀土樣，一部分土樣使用環(huán)刀(體積為100 cm3)采集，用于測定土壤容重、孔隙度、飽和持水量和毛管持水量。另一部分盡量保持原狀土壤結(jié)構(gòu)帶回實驗室，將土樣在風干過程中沿土壤自然紋理輕輕掰成1 cm左右的土塊，并去除石塊和植物根系，用于土壤團聚體測定和有機碳測定。

(1) 土壤容重采用環(huán)刀法[17]測定。土壤孔隙度和持水量采用原狀土壤浸潤法[18]，土壤飽和持水量和總孔隙度計算公式如下：

土壤飽和持水量(%)=

(浸泡后土質(zhì)量—烘干土質(zhì)量)/

烘干土質(zhì)量×100%

(1)

土壤總孔隙度(%)=飽和持水量×容重

(2)

土壤毛管孔隙度的測定：將浸泡至恒重的環(huán)刀置于支架上，環(huán)刀底部放置濾紙，靜置至恒重，并稱重。土壤毛管持水量、毛管孔隙度和非毛管孔隙度計算方法為：

土壤毛管持水量(%)=

(靜置后土質(zhì)量—烘干土質(zhì)量)/

烘干土質(zhì)量×100%

(3)

土壤毛管孔隙度(%)=(靜置后土質(zhì)量—

烘干土質(zhì)量)×容重×100%

(4)

土壤非毛管孔隙度(%)=土壤總孔隙度—

土壤毛管孔隙度

(5)

(2) 土壤團聚體采用干篩法[19]測定。將孔徑分別為5，2，0.25 mm的土篩按孔徑由小到大疊放成一組套篩，放入機械振篩機中振動10 min，稱重并計算各粒徑所占重量比例。使用下面公式(6)計算土壤團聚體平均重量直徑(MWD，mm)，用于表征土壤團聚體穩(wěn)定性[20]。

(6)

式中：Xi為某級別團聚體的平均直徑；Wi是該粒徑團聚體的重量百分比。

(3) 土壤有機碳測定。使用元素分析儀(EA3000)進行，詳見Wang等[21]的方法。另外，于每年9月中旬綠肥翻壓時使用樣方法采集地上樣品，70 ℃烘干至恒重，稱重計算干重，用于計算綠肥生物量。

1.4 數(shù)據(jù)處理

使用Excel 2010及SPSS(25)軟件進行數(shù)據(jù)處理及統(tǒng)計分析，處理間各測定指標差異使用單因素方差分析進行顯著性檢驗，采用Person法分析各指標間相關(guān)性，使用Origin 2021進行繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤容重和孔隙度

研究區(qū)不同處理土壤容重如圖1所示。與CK相比，蘇丹草和混播處理在0—10 cm土層容重分別降低了4.1%和5.1%(p<0.05)，而懷豆處理與之差異不顯著。在10—20 cm土層，各處理間差異均不顯著。

注：CK為裸地休閑對照，圖中不同小寫字母不同代表處理間差異顯著(p<0.05)。下同

不同處理土壤總孔隙度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度如圖2所示。在0—10 cm土層，蘇丹草和混播處理土壤毛管孔隙度較CK分別提高了21.6%和18.2%(p<0.05)，且蘇丹草處理顯著高于懷豆。在10—20 cm土層，各處理間毛管孔隙度無顯著差異。各處理間土壤非毛管孔隙度在0—10 cm，10—20 cm土層差異均不顯著。在0—10 cm土層，與CK相比，懷豆，蘇丹草和混播處理土壤總孔隙度較CK分別顯著提高了8.8%，19.2%和19.1%(p<0.05)，且蘇丹草處理顯著高于懷豆。在10—20 cm土層，各處理土壤總孔隙度與CK相比差異均不顯著，但而懷豆處理顯著高于混播。

2.2 土壤持水量

不同處理土壤飽和持水量和毛管持水量如圖3所示。由圖3可知，在0—10 cm土層，與CK相比，懷豆，蘇丹草和混播處理下的土壤飽和持水量分別顯著提高了11.0%，24.2%和23.4%(p<0.05)，且蘇丹草和混播顯著高于懷豆。在10—20 cm土層，各處理間土壤飽和持水量無顯著差異。由圖3可知，與CK相比，懷豆，蘇丹草和混播處理下的土壤毛管持水量分別顯著提高了11.9%，26.7%和24.6%(p<0.05)，且蘇丹草和混播顯著高于懷豆。在10—20 cm土層，各處理間土壤毛管持水量無顯著差異。

2.3 土壤團聚體

不同處理土壤團聚體構(gòu)成和土壤團聚體平均重量直徑(MWD)如圖4—5所示。

由圖4可知，在0—10 cm土層，供試土壤團聚體主要分布于>5 cm和0.25～2 mm這兩個粒級，2～5 mm粒級次之，<0.25 mm粒級團聚體比例最低。與CK相比，懷豆和蘇丹草處理顯著提高了>5 mm粒級的團聚體比例，而顯著降低了0.25～2 mm和<0.25 mm粒級的團聚體比例；混播處理也顯著提高了>5 mm粒級的團聚體所占比例，但僅顯著降低了<0.25 mm粒級的團聚體比例。懷豆和蘇丹草處理下的各粒級所占比例基本一致。與混播相比，懷豆和蘇丹草處理具有更高的>5 mm粒級團聚體比例和較低的0.25～2 mm粒級團聚體比例。由圖4還可看出，在10—20 cm土層，土壤團聚體粒級比例隨著粒級減小而減少。與CK相比，懷豆和混播處理顯著降低了2～5 mm粒級團聚體比例，顯著提高了0.25～2 mm粒級的團聚體占比，而蘇丹草處理顯著提高了>5 mm粒級的團聚體比例，同時顯著降低了0.25～2 mm粒級團聚體比例。與懷豆相比，蘇丹草處理顯著增加了>5和<0.25 mm粒級團聚體比例，但顯著降低了2～5 mm和0.25～2 mm粒級團聚體比例。

圖2 綠肥種植對土壤毛管孔隙度、非毛管孔隙度和總孔隙度的影響

圖3 綠肥種植對土壤飽和持水量和毛管持水量的影響

圖4 綠肥種植對不同土層土壤團聚體比例的影響

土壤團聚體MWD是表征土壤團聚體穩(wěn)定性的關(guān)鍵指標，MWD值越大表明團聚體結(jié)構(gòu)越穩(wěn)定。由圖5可知，在0—10 cm土層，與CK相比，懷豆，蘇丹草和混播處理下的MWD分別提高了25.0%，25.7%和7.6%(p<0.05)，且懷豆和蘇丹草處理MWD顯著高于混播。在10—20 cm土層，蘇丹草處理MWD較CK提高了6.4%(p<0.05)，而懷豆和混播與之相比無顯著差異。

圖5 不同綠肥種植下的土壤平均重量直徑

2.4 土壤有機碳

不同處理土壤有機碳含量如圖6所示。由圖6可知，在0—10 cm，懷豆和混播處理的土壤有機碳含量較CK顯著提高了11.0%和8.4%(p<0.05)，而蘇丹草與之差異不顯著。在10—20 cm，僅蘇丹草處理的土壤有機碳較CK顯著提高了12.4%。

2.5 綠肥生物量

不同處理綠肥生物量如圖7所示。由圖7可知，懷豆，蘇丹草和混播處理的填閑生物量在2017—2019年差異均不顯著，而在2019—2020年，蘇丹草和混播較懷豆生物量增加了21.9%和41.6%(p<0.05)，且混播顯著高于蘇丹草。平均3 a來看，混播處理生物量顯著高于懷豆。

2.6 相關(guān)性分析

由表1可知，供試土壤容重與土壤毛管孔隙度、總孔隙度、飽和持水量、毛管持水量和有機碳均呈現(xiàn)顯著負相關(guān)，而毛管孔隙度與總孔隙度、飽和持水量、毛管持水量均呈顯著正相關(guān)。總孔隙度、飽和持水量、毛管持水量、綠肥生物量和土壤有機碳之間均呈顯著正相關(guān)。MWD僅與綠肥生物量呈顯著正相關(guān)，而非毛管孔隙度與其他指標均無顯著相關(guān)性。

圖6 不同綠肥種植下的土壤有機碳

圖7 不同綠肥填閑種植下的填閑生物量

表1 土壤物理性質(zhì)指標之間及其與綠肥生物量和土壤有機碳之間的相關(guān)性

3 討 論

3.1 綠肥填閑種植對土壤容重的影響

土壤容重是土壤最基礎(chǔ)的物理性質(zhì)指標，可以反映土壤的結(jié)構(gòu)、持水性和透水性[22]。一般來說，土壤容重越低，土壤結(jié)構(gòu)越疏松，有助于保持土壤水分、使作物根系加深以及促進土壤中的氣體交換[23]。本研究中，與夏季休耕相比，種植蘇丹草或與長武懷豆混播導(dǎo)致地表土壤容重顯著降低，這與Kelly等[24]在美國高原和中原地區(qū)的研究相一致。Ghahremani[25]在伊朗地區(qū)時長兩年的研究也表明，填閑作物單播或混播較裸地容重降低約13%。土壤容重是否降低還與綠肥填閑作物的種類有關(guān)。一項在美國中西部進行的玉米大豆輪作系統(tǒng)研究[26]表明，黑麥草單播、黑豌豆單播和二者混播相比休耕顯著降低了0—5 cm土層容重，但3種綠肥處理之間的差異不顯著。這與本研究的結(jié)果基本一致。這可能是由于種植填閑作物增加的生物量維持和增加了土壤有機質(zhì)(圖6—7)，從而降低了土壤容重。

3.2 綠肥填閑種植對土壤持水能力的影響

土壤持水能力可以反映土壤的抗旱和保水能力[27]，包括土壤結(jié)構(gòu)、土壤總孔隙度、土壤毛管孔隙度等指標[28]。土壤孔隙度直接影響著土壤的通氣性能，并能促進植物根系的生長，對作物的生長尤其重要[29]。本研究中，蘇丹草單播和混播較裸地休閑相比顯著提高了0—10 cm土層毛管孔隙度，且懷豆單播、蘇丹草單播以及混播與裸地休閑相比均顯著提高了總孔隙度，這與Restovich等[30]在阿根廷地區(qū)進行6 a的試驗結(jié)果相一致。這是由于草本和禾本科植物具有廣泛的纖維根系和生物量(圖6)，能顯著提高土壤通氣狀況。在Mulumba和Lal[31]在美國哥倫布地區(qū)為期11 a的研究表明，土壤總孔隙度會隨著綠肥作物生物量的增加而增加。而Blazewicz-Wozniak[32]在波蘭的研究也表明，綠肥作物生物量積累對0—20 cm土層總孔隙度有積極影響[31]。本研究也表明綠肥作物生物量的增加促進了毛管孔隙度和總孔隙度的增大(表1)。

土壤飽和持水量代表土壤的蓄水能力，毛管持水量代表著土壤的有效水含量。整體來看，本研究中3種綠肥處理在0—10 cm土層飽和持水量和毛管持水量均顯著高于裸地處理，表明夏閑期種植綠肥能顯著提高土壤持水能力。已有研究[33]發(fā)現(xiàn)，植被主要是通過提高土壤有機質(zhì)含量，改善土壤結(jié)構(gòu)，降低土壤容重和增加土壤毛管孔隙度等土壤物理特性，進而提高土壤持水能力。本文中，土壤飽和持水量、毛管持水量與綠肥填閑生物量和土壤有機碳均呈顯著正相關(guān)，也證實了這一點。

3.3 綠肥填閑種植對土壤團聚作用的影響

土壤團聚體是良好的土壤結(jié)構(gòu)單元，是土壤肥沃與否的標志之一[34]。而夏季休閑期引入覆蓋作物，將植物殘茬翻入土中作為土壤有機質(zhì)和腐殖質(zhì)的來源，有利于土壤團聚體形成和穩(wěn)定[35]。在本研究中，綠肥作物均顯著提高了0—10 cm土層>5 mm粒徑所占比例，而在10—20 cm僅蘇丹草單播顯著提高了大團聚體比例，主要原因在于非豆科綠肥具有更高的生物量積累。

土壤團聚體穩(wěn)定性是土壤結(jié)構(gòu)、受侵蝕性和入滲性能的重要指標[36]。綠肥填閑種植對0—10 cm土層MWD值均有顯著提升，且單播的效果優(yōu)于混播，而在10—20 cm土層僅蘇丹草單播處理下的MWD值有顯著提高。Blanco-Canqui等研究[37]指出，旱地條件下，有機碳水平的提高可能是改變土壤團聚體粒徑分布和穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素，通過加速細粒與粗粒的融合，增強土壤顆粒間的結(jié)合力，從而提升大團聚體比例和穩(wěn)定性。而本文中MWD值與土壤有機碳含量并不相關(guān)，但與綠肥生物量呈顯著正相關(guān)(表1)。在Cotrufo等的研究[38]中提到，綠肥植物殘體的加入對土壤大團聚體的形成和穩(wěn)定起著重要作用，且土壤有機質(zhì)是通過微生物對植物殘體的某一部分分解而形成的，這需要更長期的試驗去驗證。

4 結(jié) 論

在黃土高原地區(qū)，冬小麥夏閑期種植蘇丹草或長武懷豆與蘇丹草混播作為綠肥均顯著降低了耕層土壤容重，同時長武懷豆單播、蘇丹草單播或長武懷豆與蘇丹草混播顯著增加了土壤毛管孔隙度、總孔隙度、毛管持水量和飽和持水量。種植綠肥作物同時顯著提高了>5 mm大團聚體比例，提高了團聚體穩(wěn)定性，且單播效果顯著優(yōu)于混播。總之，研究區(qū)冬小麥夏閑期單播種植蘇丹草、長武懷豆能或混播均能有效改善土壤物理結(jié)構(gòu)，提高土壤物理肥力，其中蘇丹草單播的效果優(yōu)于長武懷豆單播和二者混播。