陇中黄土高原半干旱区苜蓿－作物轮作对土壤物理性质的影响

宋丽萍，罗珠珠，＊，李玲玲，蔡立群，，张仁陟，牛伊宁

（1.甘肃农业大学资源与环境学院，甘肃 兰州730070；2.甘肃省干旱生境作物学省部共建国家重点实验室，甘肃 兰州730070）

土壤物理性质主要包括土壤容重、孔隙度、土壤入渗性能、土壤团聚体等，土壤的孔隙数量大小和容重的改变对土壤中水、肥、气、热等肥力因素的变化和供应状况有很大的影响［1－2］。土壤团聚体是土壤结构的基本单位，其数量的多少在一定程度上反映土壤供储养分、持水性、通透性等能力的高低［3－4］，并通过对土壤水、通气性、土壤温度等的影响而直接影响作物生产力［5］，且土壤团聚体稳定性是决定和影响土壤抗侵蚀性最重要的物理性质［6］。

干旱缺水和水土流失是困扰黄土高原旱地农业生产的两大难题，而表土的容重、入渗性能以及土壤团聚体稳定性与土壤水分变化和水土流失关系密切［7］。紫花苜蓿（Medicagosativa）具有抗旱、耐寒、耐瘠、保持水土等优良特性和较强的生态适应性，是陇中黄土高原重要的豆科牧草，也是草田轮作的重要草种，但是紫花苜蓿对水分需求量大，如果降雨少，较深的根系大量消耗土壤深层水分，形成深厚的土壤干层，在长时期内难以恢复，阻断大气、土壤以及植物之间水分的循环利用，同时，苜蓿产量下降，草地严重退化，并制约后茬植被或作物生长［8］。联系生产实践，高产和持久性是紫花苜蓿生产利用的主要目标［9］，草田轮作一定程度上可以改善土壤结构，增加土壤的保水能力，而且能适当解决连作障碍，提高土壤的利用效率。有研究表明，合理轮作是防止土壤连作障碍发生的有效途径，合理轮作中草田轮作是我国耕作制度的一种古老而有效的方法［10］。Elcio等［11］研究表明，作物轮作对保持和提高土壤质量同样有重要的作用。作物轮作倒茬技术，相对单一的种植模式优势明显，它利用作物对环境水分、养分等生态因素需求差异，进行作物间时序配置，不仅能改善土壤结构［12］，平衡土壤养分［13］，能使半干旱区作物稳产、高产，还能促进对稀缺资源的高效转化与可持续作用［14－15］。目前，国内外对于草田轮作系统的研究主要集中于其土壤干层水分恢复效应方面，而针对不同草田轮作模式对土壤物理性质的定量研究结果较少，本研究以定西市安定区李家堡镇土地为例，主要探究黄土高原半干旱区不同苜蓿－作物轮作模式对土壤主要物理性质的影响，旨在为黄土高原半干旱区苜蓿草地土壤水分可持续利用和旱地作物稳产提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验设在陇中黄土高原半干旱丘陵沟壑区甘肃省定西市安定区李家堡镇麻子川村。该区平均海拔2000m，年均太阳辐射592.9kJ／cm2，日照时数2476.6h，年均气温6.4℃，≥0℃年积温2933.5℃，≥10℃年积温2239.1℃；无霜期140d。年平均降水390.9mm，年蒸发量1531mm，干燥度2.53，保证率的降水量为365mm，变异系数为24.3%，属于典型的雨养旱作农业区。土壤为典型的黄绵土，土质绵软，土层深厚，质地均匀，贮水性能良好；0～200cm土壤容重平均为1.17g／cm3，凋萎含水率7.3%，饱和含水率21.9%。

1.2 试验设计

根据试验需要，于2014年选取不同苜蓿－作物轮作处理的苜蓿地作为研究对象，试验共设6个处理，3次重复，小区面积3.0m×7.0m，随机区组排列。供试作物为紫花苜蓿、春小麦（Triticumaestivum）、玉米（Zea mays）、马铃薯（Solanumtuberosum）和谷子（Setariaitalica）。各处理详细描述见表1。

表1 实验处理描述Table 1 Treatments description

1.3 土壤样品的采集及测定方法

土壤容重采用环刀法［16］，在作物收获后（2014年10月）分别对土层深度为0～10cm、10～30cm和30～50 cm的容重进行测定，各层次3次重复。土壤总孔隙度计算公式为：

土壤饱和导水率、土壤渗吸率、宏观毛管长度和有效孔径均采用圆盘渗透仪法［17］于作物收获后（2014年10月）在土壤表层进行测定，各处理3次重复。

团聚体土样在作物收获后（2014年10月）采样，分别取0～10cm、10～30cm和30～50cm 3个层次的土样，每个层次3个重复，分别采集原状土样。在采集和运输过程中尽量减少对土样的扰动，以免破坏团聚体。采回实验室内风干土样。风干后的土样采用干筛法和湿筛法［18］测定各粒级土壤团聚体含量，并计算＞0.25mm的团聚体含量（R0.25）、土壤平均重量直径（mean weight diameter，MWD）和几何平均直径（geometric mean diameter，GMD）。

1.4 数据处理与分析

土壤平均重量直径（MWD）和几何平均直径（GMD）是反映土壤稳定性和土壤抗侵蚀性能的重要指标，与土壤团聚体稳定性关系密切，计算方法如下：

式中，MWD为团聚体平均重量直径，GMD为团聚体几何平均直径，珚xi为某级团聚体平均直径，wi为i粒级团聚体重量所占的比例。

采用Excel 2007进行数据整理后用SPSS 19.0软件分析。

2 结果与分析

2.1 不同轮作模式对土壤容重的影响

轮作对土壤容重和土壤总孔隙度有明显的影响（表2），且在0～10cm、10～30cm和30～50cm三个层次内表现出一定差异性，其中在0～10cm和30～50cm层次差异较显著，而在10～30cm的中间层差异不明显。由表2可以看出，相对于L－L处理，其他轮作处理在3个层次上均可不同程度地降低土壤容重，增加土壤总孔隙度。表层0～10cm，土壤容重表现为L－L＞L－C＞L－W＞L－P＞L－F＞L－M。统计分析表明，除L－C之外，其他处理均与L－L表现为差异显著（P≤0.05）。10～30cm土层，土壤容重表现为L－L＞L－F＞L－C＞L－M＞L－W＞L－P，L－L与其余处理差异显著（P≤0.05），但其余5处理间无显著差异。30～50cm土层，土壤容重表现为L－L＞L－W＞L－C＞L－F＞L－P＞L－M。统计分析表明，L－L与L－W、L－C之间差异不 显著，与 L－F、L－P、L－M 差异显著（P≤0.05）。就0～50cm 土层内整体而言，L－F、L－W、L－C、L－P和 L－M 土壤容重分别比 L－L处理降低了6.86%，7.69%，6.22%，9.29%和10.17%，土壤总孔隙度分别比 L－L 处理提高了 9.49%，10.93%，8.96%，13.25%和14.10%，这说明苜蓿－苜蓿连续种植模式导致耕层土壤容重增加，土壤变紧实，而进行作物轮作后显著降低耕层土壤容重的同时增大了总孔隙度，其中L－M处理显著降低了土壤容重，增加了土壤总孔隙度，L－P处理次之。

表2 不同轮作模式下土壤容重及孔隙度Table 2 Soil bulk density and porosity under different rotation patterns

2.2 不同轮作模式对土壤团聚体的影响

土壤团聚体的机械稳定性（即力学稳定性）是指团聚体具有抵抗外力免被压碎或抵抗外部环境变化而保持原有形态的能力，而水稳性是团聚体抵抗灌水浸泡和降雨击打的能力［19］。干筛表示苜蓿土壤在自然风干条件下的结构组成和分散强度，湿筛表示苜蓿土壤团粒在浸水条件下的结构性能和分散强度。本文主要采用＞0.25mm的团聚体含量（R0.25）、平均重量直径（MWD）以及几何平均直径（GMD）来评价土壤团聚体的稳定性。

由表3可知，轮作对土壤团聚体稳定性具有一定的影响，主要表现在0～10cm土层，不同轮作模式下，干筛法处理的土壤R0.25、MWD和GMD值差异较显著，而湿筛法处理的土壤R0.25、MWD和GMD值差异并不显著。随着土层深度的增加，干筛条件下不同处理的R0.25、MWD和GMD值均逐渐增大，且在同一层次，不同处理的R0.25、MWD、GMD值大小顺序表现一致。在0～10cm土层表现为L－C＞L－P＞L－L＞L－F＞L－W＞L－M，其中LC处理的R0.25值与L－W、L－M 处理差异显著，而与L－L、L－F、L－P处理无显著差异，而 MWD和GMD值除与L－M处理差异显著之外，与其他处理均无显著差异；在10～30cm土层表现为L－C＞L－P＞L－L＞L－M＞L－F＞L－W，但处理间差异均不显著；在30～50cm土层表现为L－F＞L－P＞L－W＞L－M＞L－C＞L－L，但处理间差异均不显著。其中L－C处理的R0.25、MWD和GMD值在0～10cm和10～30cm均表现为最大。而在湿筛条件下，不同处理的R0.25、MWD、GMD值大小顺序表现并不一致，无明显规律性，土壤水稳定性团聚体数量（R0.25）在0～10cm土层表现为L－L＞L－C＞L－M＞L－W＞L－P＞L－F；10～30cm土层表现为L－F＞L－W＞L－M＞L－P＞L－L＞L－C；而在30～50cm土层表现为L－W＞L－C＝L－P＞L－L＞L－F＝L－M，各土层水稳性团聚体的R0.25最高为5.98%，远小于干筛条件下的最小值68.23%。整体而言，不同轮作处理下，以非水稳性团聚体为主，而水稳性团聚体数量较少，其中L－C处理显著增加了土壤团聚体含量，且增大了MWD和GMD值，提高了土壤的机械稳定性，L－P处理次之，而轮作在一定程度上降低了土壤水稳性团聚体的含量。

表3 不同轮作模式下土壤团聚体稳定性特征Table 3 Soil aggregate stability characteristics under different rotation patterns

2.3 不同轮作模式对土壤渗透性能的影响

土壤的渗吸率（S0）、饱和导水率（K0）、宏观毛管长度（λc）以及有效孔径（λm）是反映土壤管理措施对土壤渗透性能影响的指标。土壤渗吸率反映基质势的大小，基质吸力是由于水对土壤颗粒表面和毛管孔隙的物理亲和作用形成的。研究表明，土壤渗吸率愈大，毛细管对入渗的影响就越大，土壤饱和导水率就越低［20－21］。土壤总孔隙度、孔隙大小分布及弯曲度，即土壤的几何形状，对土壤导水率及持水特性有直接影响［17］，而土壤的几何形状可通过宏观毛管长度和有效孔径来描述。宏观毛管长度为平均孔隙长度，它与土壤渗吸率及导水率有关，其值愈大，毛细管对入渗的影响就越大（相对于重力而言），土壤饱和导水率就越低。有效孔径也叫当量孔径或实效孔径，是指与土壤水吸力相当的孔径，其与土壤水吸力成反比，有效孔径愈小则土壤水吸力愈大［17］。

由表4可见，就整体而言，土壤饱和导水率表现为L－W＞L－M＞L－F＞L－L＞L－C＞L－P，L－W与其他处理差异显著（P≤0.05），与L－L、L－F、L－C、L－P及L－M 处理相比，L－W 处理分别提高了152.42%，90.06%，169.92%，203.67%及88.51%。土壤渗吸率表现为L－W＞L－F＞L－M＞L－P＞L－C＞L－L，且处理间差异显著（P≤0.05）。由此表明，较L－L处理而言，L－W、L－F及L－M处理对土壤饱和导水率以及土壤渗吸率的影响较大，而L－P和LC处理对土壤饱和导水率及土壤渗吸率的影响相对较小。宏观毛管长度表现为L－F＞L－W＞L－P＞L－C＞L－M＞L－L，且L－L与其余处理差异显著（P≤0.05）。有效孔径表现为L－L＞L－M＞L－C＞L－P＞L－W＞L－F，且L－L与其他处理差异显著（P≤0.05）。由此表明，宏观毛管长度以L－F处理最大，远高于其他处理，其次为L－W、L－P及L－C处理，L－M与L－L处理的最小，而有效孔径与宏观毛管长度呈现相反的趋势，这说明轮作处理对宏观毛管长度及有效孔径的影响较显著，其中L－F与L－W等处理土壤水分入渗受毛管作用的影响较大，且土壤水吸力较大，而L－M和L－L处理均相对较小。

表4 苜蓿－作物轮作模式土壤渗透性能Table 4 Soil permeability under different rotation patterns

3 讨论

3.1 苜蓿－作物轮作对土壤结构性能的影响

轮作在一定程度上改善了土壤结构，增加了保持土壤水分的能力［22］。有研究认为［23－24］，苜蓿是深根作物，根系发达，主要分布在耕层20～40cm处，3年生苜蓿根系可达2m以上，对穿透犁底层，增加耕层厚度，改变土壤结构有重要的作用，同时苜蓿根系庞大可改善土壤物理性状。吴旭东等［25］研究认为，表层土壤容重小，土壤通气性、结构性好，枯落物多，微生物较多，有利于有机碳的积累，而随着土层加深有机物输入量减少，土壤通气性明显下降，微生物较少，养分循环较慢，而从本研究结果也可以看出，随着土层深度加深，6种不同轮作模式也呈现出类似的趋势。也有研究认为［26］，长期种植苜蓿可使表层土壤容重增大，而耕作对于表层土壤的结构稳定性有显著的影响作用。本研究结果表明，苜蓿－苜蓿连作模式土壤容重在0～10cm、10～30cm和30～50cm三个层次均表现为最高，而苜蓿－作物轮作模式在降低土壤容重的同时增加了土壤总孔隙度，这可能是由于翻耕轮作在疏松土壤的同时增加了土壤团聚体的含量，有效改善土壤结构。

土壤团聚体稳定性是决定和影响土壤抗侵蚀性最重要的物理性质［6］。干筛大团聚体数量远大于湿筛大团聚体数量，这是因为风干团聚体中包括水稳性与非水稳性团聚体，湿筛过程中非水稳性大粒径团聚体破碎分解为小粒径团聚体，因而水稳性团聚体（即通过湿筛法所测得团聚体）数量的多少更能反映土壤结构的稳定性［27］。土壤团聚体的大量形成使土壤稳定性增加，土壤通气透水性得到改善，进一步提高了土壤的稳定入渗能力［28］。有研究表明，在不同土壤中，＞0.25mm水稳性团聚体的数量越少，土壤稳定性也就越低［29］。Barber［30］在威斯康星州研究发现苜蓿可增加土壤水稳性团粒指数，4年试验期间土壤水稳性团粒指数随其种植年限延长而增加。而本研究发现，随着土层深度的增加，不同轮作模式的土壤机械稳定性均逐渐增强，而水稳性逐渐减弱，与苜蓿－苜蓿连作模式相比，苜蓿－玉米轮作模式对可以明显提高0～10cm及10～30cm土层内土壤大团聚体含量，而不同苜蓿－作物轮作模式下在0～10cm、10～30cm和30～50cm三个土层内水稳性团聚体含量无明显规律性。

3.2 苜蓿－作物轮作对土壤渗透性能的影响

土壤结构特别是孔隙度及孔隙大小分布影响土壤水分的渗透以及保水持水性能［31］，土壤饱和导水率是反映土壤渗透性能的重要物理指标，是土壤质地、容重、孔隙分布特征的函数，其中孔隙分布特征对饱和导水率的影响最大［32］。容重主要通过影响到土壤的孔隙度与孔隙大小分布以及土壤的穿透阻力，进而对土壤水分的入渗产生影响［33］。有研究表明，随着土壤容重的增加，土壤团粒结构丧失、土壤孔隙（包括根道、虫孔）减小、土壤变得紧密坚实，导致饱和导水率降低［34］。本研究结果表明，与苜蓿－苜蓿处理相比，苜蓿－小麦和苜蓿－休闲处理可以显著提高土壤饱和导水率，增加土壤入渗。吴继强等［35］对不同有效面积孔隙度条件下的大孔隙连通性对水分入渗的影响进行分析，表明一定条件下大孔隙的连通性对水分的入渗起主导作用。本研究发现，较苜蓿－苜蓿连续种植模式而言，其他轮作模式在增加土壤宏观毛管长度的同时降低了土壤有效孔径，其中苜蓿－休闲处理效果最为明显，其次为苜蓿－小麦处理。这说明轮作增大了毛管作用对土壤水分入渗的影响，土壤水吸力增加［17］。但不同的轮作模式由于受根系穿插、土壤团聚体及土壤微生物等的影响表现出一定的差异性，具体原因有待进一步研究和探讨。

4 结论

在黄土高原半干旱农区，苜蓿－作物轮作有利于降低土壤容重，增加土壤孔隙度，改善土壤的保水持水性能，但不同的轮作模式效果不同，且在0～10cm、10～30cm和30～50cm的土层深度内表现出一定的差异性。就整体而言，L－F、L－W、L－C、L－P、L－M 处理的土壤容重分别比 L－L处理降低了6.86%，7.69%，6.22%，9.29%和10.17%，土壤总孔隙度分别比L－L处理平均提高了9.49%，10.93%，8.96%，13.25%和14.10%。轮作对土壤团聚体的影响主要表现在0～10cm和10～30cm的土层，其中L－C处理显著增加了土壤大团聚体含量，比L－L处理增加了8.96%，且增大了MWD和GMD值，显著提高了土壤的机械稳定性，L－P处理次之，但轮作在一定程度上降低了土壤水稳性团聚体的含量，L－F、L－W、L－C、L－P和 L－M 处理比 L－L处理分别降低了33.44%，23.08%，7.36%，27.09%和20.29%。随着土层深度的增加，干筛条件下不同轮作处理的R0.25、MWD、GMD值均逐渐增大，且在同一层次，不同处理的R0.25、MWD、GMD值大小顺序表现一致，在0～10cm土层表现为L－C＞L－P＞L－L＞L－F＞L－W＞L－M；在10～30cm土层表现为L－C＞L－P＞L－L＞L－M＞L－F＞L－W；而在30～50cm土层表现为L－F＞L－P＞L－W＞L－M＞L－C＞L－L。土壤渗吸率在L－F、L－W、L－C、L－P和L－M 处理下分别比L－L处理提高了1.19，2.31，0.25，0.66和0.75倍，宏观毛管长度分别提高了3.73，2.92，1.49，2.62和1.15倍，有效孔径分别降低了79.43%，72.99%，56.71%，69.41%和56.35%，L－F、L－W 和 L－M 处理土壤饱和导水率分别比L－L处理提高了0.32，1.52和0.33倍。

苜蓿－作物轮作对土壤物理性质的影响最终反映到土壤物理质量，与苜蓿－苜蓿处理（L－L）相比，苜蓿－作物轮作有利于降低土壤容重，增加土壤孔隙度，并在一定程度上增加土壤团聚体含量并增加土壤入渗，但不同的轮作模式对不同的物理性质的改善效果不同，其中苜蓿－谷子和苜蓿－马铃薯对于降低土壤容重效果明显，苜蓿－玉米和苜蓿－马铃薯有利于增加土壤大团聚体含量，而苜蓿－小麦和苜蓿－休闲模式对增加土壤入渗效果明显，因此，在黄土高原半干旱区，苜蓿－作物轮作有助于形成良好的土壤结构，改善土壤的渗透性能，促进土壤物理质量的提高。

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