不同种植制度对黄土高原东部土壤物理质量的影响

徐 伟，刘凯凯，赵文欣，张泽燕，郑海泽，薛建福

（1.山西农业大学农学院，作物生态与旱作栽培生理山西省重点实验室，山西太谷 030801；2.山西农业大学小麦研究所，山西临汾 041000）

黄土高原东部土壤贫瘠，水土流失严重，生态环境极为脆弱[1]。长期不合理的种植制度破坏了黄土高原东部土壤物理结构，使得该地区土壤质量下降。土壤物理质量直接影响着土壤生物质量和土壤化学质量，因而，其对研究土壤质量至关重要[2]。种植制度是影响该地区土壤物理质量的重要因素之一，采用合理的种植制度是改善耕层土壤物理质量的重要措施之一。

土壤容重、孔隙度和质量含水量是反映土壤物理质量的重要指标[3-4]。合理的种植制度能够改善作物水肥利用效率，同时也能够改善土壤物理质量[5]。一般不同种植制度对土壤物理质量的影响有所不同。崔景明[6]在华北南部研究得出，春玉米—大豆轮作制度较春玉米连作制度降低了0～20 cm 土层的土壤容重，提高了土壤孔隙度。范倩玉等[5]在晋北地区研究得出，油菜—荞麦和玉米—荞麦2 种轮作模式与荞麦连作相比，不同程度降低了0～40 cm 土层的土壤容重，增加了0～40 cm 土层土壤总孔隙度和毛管孔隙度。郭金瑞等[7]在东北基于长期定位试验研究发现，与玉米—大豆轮作和大豆连作处理相比，玉米连作处理显著降低了0～60 cm 土层的土壤容重，显著提高了0～60 cm 土层的土壤总孔隙度。分析看出，由于气候条件、土壤类型等方面的差异，不同种植制度对土壤物理质量的影响有所差异。因此，因地制宜结合具体的地方特色开展基于种植制度的土壤物理质量研究对于改善土壤物理质量具有重要意义。

目前，关于不同种植制度对土壤物理质量影响的研究报道较多，但有关黄土高原东部不同种植制度下土壤物理质量变化的研究较少。本研究通过多年定位试验，比较了玉米—小麦（CW）、玉米—小麦—绿豆—小麦（CWMW）和休闲—小麦（FW）种植制度下的土壤物理质量，以期为改善黄土高原东部土壤物理质量进而提高该地区冬小麦产量提供理论依据及技术支撑。

1 材料和方法

1.1 试验地概况

试验于2016—2020 年在山西省临汾市山西农业大学小麦研究所韩村国家试验基地（N36°13′02″，E111°33′07″）进行。该地区海拔约445 m，为典型暖温带大陆半干旱季风气候，年均降水量约468.5 mm，年均蒸发量约1 839.4 mm，年均日照时间约为2 416.5 h，年均温度约12.2 ℃，无霜期约197 d。试验地土壤为壤土，0～20 cm 土壤基础理化性质如表1 所示。

表1 试验地土壤基础理化性质

1.2 试验材料

供试玉米品种为五谷563，绿豆品种为安绿07-2，冬小麦品种为临优145。

1.3 试验方法

试验于2016 年开始，采用单因素完全随机试验设计，共设置连续玉米—小麦（CW）、玉米—小麦—绿豆—小麦（CWMW）和连续休闲—小麦（FW）3 种种植制度（表2），重复3 次，试验小区面积为667 m2。小麦播种前，进行2 次深度为15 cm 的旋耕处理。小麦播量为262.5 kg/hm2。复合肥（N∶P2O5∶K2O＝18∶25∶5）施入量为750 kg/hm2，山东农大生物有机肥（总养分≥30%）施入量为600 kg/hm2。夏播作物收获时间为2019 年10 月11 日，小麦收获时间为2020 年6 月7 日。

表2 2016—2019 年各处理种植情况

1.4 测定项目及方法

试验分别于2019 年夏播作物收获后和2020 年冬小麦收获后采用环刀法测定0～10、10～20、20～30 cm 土层土壤容重、土壤质量含水量和土壤孔隙度并计算土壤三相分离值（R）。在试验地取样后马上盖好环刀，带回实验室后即刻称质量（包括鲜土和环刀），记为M1，然后放入铺有纱布的托盘中吸水至饱和，待吸水到饱和后称质量，记为M2。在105 ℃下烘干至恒质量，记为M3。最后将环刀中的土壤除去后烘干称质量，记为M0。

1.4.1 土壤容重 土壤容重是表征土壤紧实的重要参数[8]。

式中，ρb为土壤容重（g/cm3）；M3为烘干后干土与环刀质量（g）；M0为环刀质量（g）；V 为环刀体积（cm3）。

1.4.2 土壤质量含水量 土壤质量含水量是指单位体积土壤中的水分质量与干土质量的比值。

式中，θg为质量含水量（%）；M1为新鲜土壤与环刀质量（g）。

1.4.3 土壤孔隙度 土壤总孔隙度通过土壤容重和土壤密度计算得出[9]。

式中，Pt为土壤总孔隙度（%）；Pd为土壤颗粒密度，一般是2.63～2.67 g/cm3，本研究采用平均值2.65 g/cm3[10]。

土壤充气孔隙度采用土壤总孔隙度与土壤体积含水量的差值，通过公式（4）和（5）计算。

式中，Pc为毛管孔隙度（%）；θc为毛管含水率（%）；M2为土壤吸水饱和状态下和环刀的质量（g）。1.4.4 土壤三相分离值（R） 土壤三相分离值是指土壤中固、液、气3 个指标的比值[11]。

式中，R 为所测土样三相比与理想状态下土壤三相比在空间距离上的差值，X、Y、Z 分别为固相、液相、气相所占百分比。0.4、0.6 分别为土壤固相、气相数据所占的权重。

1.5 统计分析

采用Microsoft Excel 2016 软件进行数据分析和作图；采用SPSS 16.0 软件进行方差分析，并采用新复极差法（Duncan）检验各制度间差异显著性（P＜0.05）。

2 结果与分析

2.1 不同种植制度对土壤容重的影响

由图1 可知，各种植制度处理下土壤容重随土层的增加呈现上升趋势。夏播作物收获后，在0～10 cm 土层，CWMW 处理土壤容重分别较CW 和FW 处理显著提高了10.4%和15.0%（P＜0.05），且CW 与FW 处理间差异不显著。小麦收获后，CW 处理下10～20 cm 土层的容重分别较CWMW 和FW处理显著降低了15.2%和14.1%（P ＜0.05），但CWMW 与FW 处理之间差异不显著。

2.2 不同种植制度对土壤质量含水量的影响

夏播作物收获后与冬小麦收获后的土壤质量含水量相差较大（图2）。夏播作物收获后0～30 cm土层及冬小麦收获后0～20 cm 土层土壤的质量含水量在各处理间差异均不显著。冬小麦收获后CWMW 处理的20～30 cm 土层土壤质量含水量分别较CW 和FW 处理显著降低了19.7%和13.9%（P＜0.05）。

2.3 不同种植制度对土壤总孔隙度的影响

夏播作物收获后10～30 cm及冬小麦收获后0～10、20～30 cm 土层的土壤总孔隙度在各处理间差异均不显著（图3）。夏播作物收获后CWMW 处理下0～10 cm 土层土壤总孔隙度较CW 和FW 处理分别显著降低9.2%和12.2%。冬小麦收获后CW 处理下10～20 cm 土层的土壤总孔隙度分别较CWMW和FW 处理显著提高了21.6%和19.8%（P＜0.05）。

夏播作物收获后20～30 cm 及冬小麦收获后0～10、20～30 cm 土层的土壤充气孔隙度在各处理间差异均不显著（图3）。夏播作物收获后CW 和FW 处理下0～10 cm 土层的土壤充气孔隙度较CWMW 处理分别显著提高了51.4%和57.8%，CW处理下10～20 cm 土层的土壤充气孔隙度较FW处理显著提高了36.0%（P＜0.05）。冬小麦收获后CW 处理下10～20 cm 土层的土壤充气孔隙度较CWMW 和FW 处理分别显著提高了25.3%和22.6%（P＜0.05）。

2.4 不同种植制度对土壤毛管孔隙度的影响

夏播作物收获后20～30 cm 及冬小麦收获后0～10 cm 土层的毛管孔隙度在各处理间差异均不显著（图4）。夏播作物收获后和冬小麦收获后CW处理下10 ～20 cm 土层的土壤毛管孔隙度较CWMW 处理分别显著提高12.1%和14.4%（P＜0.05），较FW 处理分别显著提高9.6%和12.7%（P＜0.05）。夏播作物收获后CWMW 处理下0～10 cm 土层土壤的毛管孔隙度显著低于CW 和FW 处理（P＜0.05），且CW 和FW 处理之间差异不显著。冬小麦收获后CW 处理下20～30 cm 土层土壤毛管孔隙度与CWMW 和FW 处理间差异均不显著，但FW 处理毛管孔隙度较CWMW 处理显著提高了3.8%（P＜0.05）。

2.5 不同种植制度对土壤三相分离值（R）的影响

夏播作物收获后20～30 cm 及冬小麦收获后0～10 cm 土层的R值在各处理间差异均不显著（图5）。夏播作物收获后CWMW 处理下0～10 cm 土层的R值较CW 和FW 处理分别显著增加了102.1%和62.8%（P＜0.05），而CW 与FW 处理之间差异不显著；FW 处理下10～20 cm 土层的R 值较CW 和CWMW 处理分别显著增加43.6%和23.2%（P＜0.05），而CW 与CWMW 处理之间差异不显著。冬小麦收获后CW 处理下10～20 cm 土层的R 值较CWMW 和FW 处理分别显著提高了22.7%和19.5%（P＜0.05），CWMW 与FW 处理之间差异不显著；FW 处理下20～30 cm 土层的R 值与其他2 个处理间差异均不显著，但是CWMW 处理较CW 处理显著提高13.6%（P＜0.05）。

3 讨论

3.1 不同种植制度对土壤容重及土壤孔隙度的影响

土壤孔隙度是指单位体积土体内孔隙体积所占的百分比，土壤容重是指单位容积原状土壤干土的质量，二者均可反映土壤紧实和充气状况等，是表征土壤物理质量的重要指标[12-13]。本研究发现，夏播作物收获后CW 和FW 处理较CWMW 处理显著降低了0～10 cm 土层土壤容重，显著提高了0～10 cm土层土壤总孔隙度和土壤充气孔隙度，这可能是因为相对于CWMW 处理，CW 处理前茬种植作物为玉米，由于玉米根系较发达且下扎较深致使该土层土壤紧实度下降[14-15]。在10～20 cm 土层，CW 处理土壤容重明显低于CWMW 和FW 处理，CW 处理的土壤总孔隙度和土壤充气孔隙度明显高于CWMW 和FW 处理，这可能与玉米在该土层相对于绿豆有较为发达的根系有关[14，16]，但是其影响效果可能不及0～10 cm 土层。冬小麦收获后CW 处理的土壤容重显著低于CWMW 和FW 处理，CW 处理的土壤总孔隙度和土壤充气孔隙度显著高于C WMW 和FW 处理，这可能是该处理前几年作物种植处理均为玉米—小麦（CW），致使在该土层玉米根系对土壤的影响效应积累所致。在20～30 cm 土层，各处理差异均不显著，这可能与小麦播前2 次旋耕导致在该土层产生较厚的犁底层削减了种植玉米和绿豆在该土层对土壤产生的效应有关。

3.2 不同种植制度对土壤质量含水量的影响

土壤质量含水量能够显著影响土壤通气及作物的生长发育[17-18]。本研究发现，夏播作物和冬小麦收获后0～10、10～20 cm 土层土壤质量含水量差异均不显著，但是CW 处理较CWMW 和FW 处理明显提高了10～20 cm 土层土壤质量含水量，这可能与本试验中单位面积上还田的玉米秸秆量大于绿豆秸秆量，而作物秸秆腐解产生的有机物质改变了土壤中各类团聚体的形成与分布，进而对土壤水分入渗产生影响有关[19-20]。在20～30 cm 土层，冬小麦收获后CW 处理较CWMW 处理显著提高了土壤质量含水量，这可能与该土层玉米根系生物量较绿豆更多，其腐解后促进了土壤有机质形成，进而改善土壤蓄水性能，保蓄更多水分于土壤中有关[21-22]。

3.3 不同种植制度对土壤毛管孔隙度的影响

毛管孔隙度是指直径小于0.1 mm 具有明显毛管作用的孔隙，是表征土壤物理质量优劣的重要指标[23]。本研究得出，夏播作物收获后，CW 处理较CWMW 处理显著提高了0～20 cm 土层土壤毛管孔隙度，这可能与玉米根系较绿豆根系量大且更加发达有关。冬小麦收获后20～30 cm 土层CW 处理较CWMW 处理明显提高了土壤毛管孔隙度，这可能是因为玉米根系在该土层较绿豆根系生物量高，使得在该土层CW 处理较CWMW 处理有较高的有机质含量，进而提高了土壤肥力[24]，促进了小麦根系生长，在一定程度降低了土壤紧实度而提高了土壤毛管孔隙度。

3.4 不同种植制度对土壤三相分离值（R）的影响

土壤三相比影响土壤的通气、透水、供水和保水等物理性质，是评价土壤水、肥、气、热相互关系的重要参数，调节合理土壤三相比进而为作物生长提供良好的水、热、气、肥条件也是耕作和培肥的最终目的[25-26]。R 值越小说明土壤三相分布越理想，土壤物理质量越优良[11]。本研究发现，夏播作物收获后，CW 处理较CWMW 处理显著降低了0～10 cm土层R 值，较FW 处理显著降低了10～20 cm 土层R 值，说明种植玉米对0～20 cm 土层土壤物理质量的改善效果大于种植绿豆和夏休闲。

4 结论

本研究通过对黄土高原东部冬小麦田土壤物理质量研究可知，连续实施CW 处理较CWMW 和FW 处理在不同程度上降低了土壤容重，提高了土壤质量含水量及土壤孔隙度，降低了R 值。整体来看，采用玉米—小麦种植制度可能更有利于改善该地区小麦田土壤物理质量。