基于不同夏作物-冬小麦种植制度的黄土高原东部农田土壤物理质量研究

刘昌斌，祁泽伟，马 茹，徐 伟，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）

0 引言

地处干旱半干旱地区的黄土高原，总耕地面积约1691万hm2[1]，干旱缺水和耕层土壤质量恶化是困扰黄土高原旱地农业生产的难题之一。黄土高原麦区年降水有着明显的季节性，大约常年降水的60%集中分布在7—9月[2-3]，此时正是该地区旱地小麦的休闲期，采用合理的种植制度不仅可以利用休闲降雨，而且能改善土壤结构[4-5]，优化土壤物理质量[6]，解决连作障碍[7]。土壤物理性状决定着土壤水、肥、气、热的循环和供应，这些都直接影响着作物的生长发育和生理功能等[8]。因此，研究黄土高原地区有效的种植制度对农作物产量的提高具有重要意义。

土壤容重、孔隙度与储水量等是反映土壤物理性质的主要指标[9]。关于种植制度对农田土壤物理质量影响的研究众多，但并没有一致的结论，这可能是由气候条件、土壤质地、取样时间及复种作物所致。有学者研究表明，绿肥-烟草种植制度制度较连续种植烟草显著降低了0～20 cm土壤容重，增加了0～20 cm土壤总孔隙度[10]。小麦-玉米和小麦-花生种植制度0～30 cm土壤含水量较小麦-玉米-小麦-花生种植制度显著增加，但小麦-花生与小麦-玉米-小麦-花生种植制度0～50 cm土层土壤容重无显著差异[11]。稻-稻-紫云英和稻-稻-黑麦草种植制度0～15 cm土壤总孔隙度和毛管孔隙度显著高于稻-稻-冬闲种植制度[12]。以上研究均表明，合理的种植制度有益于改善土壤物理性质、保证农田生产[13]。

黄土高原地区水土流失严重，农田生态系统较为脆弱[14]，土壤物理质量较差。而农田土壤是农业生产的关键，农田土壤物理质量决定了作物能否高产。种植制度对农田土壤物理质量影响较大。鉴于此，本研究以山西临汾一年两熟制农田为基础，分析了连续夏绿豆-冬小麦(MB-WW，T1)、2年夏玉米-冬小麦+2年夏绿豆-冬小麦(2a SC-WW+2a MB-WW，T2)及连续夏休闲-冬小麦(SF-WW，T3)3种种植制度对农田土壤物理质量的影响，以期改善黄土高原东部农田土壤物理质量。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

本试验在山西省临汾市山西农业大学（山西省农业科学院）小麦研究所旱地试验场(36°6′44″N，111°31′44″E)进行。该地区属于暖温带大陆半干旱季风气候区，无霜期约203天，年平均气温9～13℃，年均降水量550 mm，年日照时数为2416.5 h。试验地土壤为石灰性褐土，0～20 cm土层土壤理化性状为有机质13.87 g/kg，速效氮39.5 mg/kg，速效磷 17.0 mg/kg，速效钾184.7 mg/kg。

1.2 试验设计

本试验开始于2016年，采用单因素完全随机试验设计，设置3种种植制度（图1），分别为连续夏绿豆-冬小麦(MB-WW，T1)、2年夏玉米-冬小麦+2年夏绿豆-冬小麦(2a SC-WW+2a MB-WW，T2)及连续夏休闲-冬小麦(SF-WW，T3)，各处理秸秆全量还田，重复3次，小区面积为667 m2。夏播作物收获日期为2019年10月11日，小麦播种日期为2019年10月21日，收获日期为2020年6月7日。播前进行两次旋耕（深度15 cm），播量为262.5 kg/hm2。施肥情况为复合肥(N:P2O5:K2O=18:25:5)750 kg/hm2，山东农大生物有机肥600 kg/hm2，肥料随播种机一次性混合施入。夏播作物玉米和绿豆品种分别为‘五谷563’和‘安绿07-2’。

图1 小区种植制度设计

1.3 测定指标及方法

1.3.1 土壤容重 本试验于2019年10月11日和2020年6月10日作物收获后，采用环刀法(100 cm3)分层取样0～10、10～20、20～30 cm层次的土壤，并计算土壤容重、土壤质量含水量及储水量、土壤总孔隙度及毛管孔隙度。将带土样的环刀密封好带回实验室，将环刀外的土壤擦拭干净，测定鲜土加环刀的重量，记重M1。完毕后，将环刀置于已放好纱布的托盘中，给托盘加水至土壤吸水饱和重量稳定，记重M2。此后，将土样在105℃烘箱中烘干至恒重，记重M3，最后，将环刀土壤去除后洗涤，干燥并称重，记重M0。

采用公式(1)计算土壤容重。

式中，ρb为土壤容重(g/cm3)，M3为烘干后干土与环刀的总重量(g)，M0为环刀的重量(g)，V为环刀的体积(cm3)。

1.3.2 土壤质量含水量 土壤含水量采用公式(2)进行计算。

式中，θg为土壤质量含水量(%)，M1为新鲜土壤与环刀的总重量(g)，M0和M3与公式(1)中相同。

1.3.3 土壤储水量 土壤储水量采用公式(3)进行计算。

式中，SWSj为第 j层土壤的储水量(mm)，θgj为第 j层土壤的重量含水量(%)，ρbj为第j层土壤的容重(g/cm3)，hj为第j层土壤的厚度(mm)。

1.3.4 土壤孔隙度 土壤总孔隙度通过土壤容重与土壤密度之间的关系计算得出[15]，采用公式(4)进行计算。

式中，Pt为土壤总孔隙度(%)，Pd是土壤（粒）密度，通常为2.65 g/cm3，ρb与公式(1)中相同。

土壤毛管孔隙度通过土壤容重与土壤毛管孔隙水含量计算得出[30]，采用公式(5)～(6)计算。

式中，Pc为土壤毛管孔隙度(%)，θc为毛管孔隙含水量(%)，其通过公式(5)计算得出，ρb和V与公式(1)中相同。

1.3.5 土壤固、液、气三相比偏离值 本研究使用土壤固、液、气三相比偏离值来评价土壤结构，采用公式(7)～(10)进行计算。

式中，R为土样三相比与适宜状态下土壤三相比在空间距离上的差值。X为土样固相值，Y为土样液相值，Z为土样气相值，0.4为土壤固相数据所占权重，0.6为土样气相数据所占权重。Pb、θg和Pt分别与公式(1)～(4)中相同。

1.4 统计分析

本试验中所有内容均重复3次并采用Microsoft Excel 2013软件计算平均值及标准差，不同处理间的相关试验数据采用SPSS 26.0软件进行方差分析及多重比较，其中不同处理间多重比较采用新复极差法(Duncan)进行，所有分析图均采用Microsoft Excel 2013软件进行绘制。

2 结果与分析

2.1 不同种植制度对土壤容重的影响

夏播作物收获季，T1和T2处理0～10 cm土层土壤容重较T3处理分别显著增加了13.33%和15.83%(P＜0.05)，前两处理间差异不显著；此外，各处理10～20 cm和20～30cm土层土壤容重差异不显著。冬小麦收获季，T1处理20～30 cm土层土壤容重较T3处理显著增加了7.43%(P＜0.05)，T2处理与T1和T3处理差异不显著；另外，各处理0～10 cm和10～20 cm土层土壤容重差异不显著。

2.2 不同种植制度对土壤质量含水量的影响

夏播作物收获季，T1和T3处理20～30 cm土层土壤质量含水量较T2处理分别显著增加了7.87%和7.35%(P＜0.05)，前两处理间差异不显著；此外，各处理10～20 cm和20～30cm土层土壤质量含水量差异不显著。冬小麦收获季，3个处理各土层土壤质量含水量差异均不显著。

2.3 不同种植制度对土壤储水量的影响

夏播作物收获季，T1和T3处理10～20 cm土层土壤储水量较T2处理分别显著增加了6.37%和7.10%，T1和T3处理20～30 cm土层土壤储水量较T2处理分别显著增加了4.70%和4.58%(P＜0.05)，T1和T3处理10～20 cm和20～30 cm土层土壤储水量差异不显著；此外，3个处理0～10 cm土层土壤储水量无显著差异。冬小麦收获季，T1和T2处理20～30 cm土层土壤储水量较T3处理显著增加了13.18%和10.25%(P＜0.05)，前两处理间差异不显著；各处理0～20 cm和10～20cm土层土壤储水量差异不显著。

图2 不同种植制度对土壤容重的影响

图3 不同种植制度对土壤质量含水量的影响

图4 不同种植制度对土壤储水量的影响

2.4 不同种植制度对土壤孔隙度的影响

夏播作物收获季，T3处理0～10 cm土层土壤总孔隙度较T1和T2处理分别显著增加了12.60%和14.71%(P＜0.05)，T1和T2处理间差异不显著；此外，各处理在10～20 cm和20～30 cm土层土壤总孔隙度差异不显著。冬小麦收获季，T3处理20～30 cm土层土壤总孔隙度较T1处理显著增加了10.41%(P＜0.05)，T2处理与其他处理差异不显著；各处理在0～10 cm和10～20 cm土层土壤总孔隙度差异不显著。

图5 不同种植制度对土壤总孔隙度和毛管孔隙度的影响

夏播作物收获季，T1处理0～10 cm土层土壤毛管孔隙度较 T3处理显著增加了 11.28%(P＜0.05)，T2处理与其他两处理差异不显著；T2处理10～20 cm土层土壤毛管孔隙度较T3处理显著增加了6.73%(P＜0.05)，T1处理与其他两处理差异不显著；T1处理20～30 cm土层土壤毛管孔隙度较T2和T3处理分别显著增加了15.12%和12.28%(P＜0.05)，后两处理间无显著差异。冬小麦收获季，T1处理0～10、10～20、20～30 cm土层土壤毛管孔隙度较T2处理分别显著增加了19.22%、21.89%和28.51%，较T3处理分别显著增加了31.86%、20.16%和18.86%(P＜0.05)；此外，T2处理0～10 cm土层土壤毛管孔隙度较T3处理显著增加了10.62%，T3处理20～30 cm土层土壤毛管孔隙度较T2处理显著增加了8.11%(P＜0.05)。

2.5 不同种植制度对土壤三相比及R值的影响

T1和T2处理0～10 cm土层固相较T3处理显著增加了13.50%和15.47%(P＜0.05)，且前两处理间差异不显著。各处理0～10 cm土层液相无显著差异。T1和T2处理0～10 cm土层气相较T3处理显著减少了33.53%和33.03%(P＜0.05)，前两处理间无显著差异。T3处理0～10 cm土层R值较T1和T2处理分别显著减少了37.16%和31.51%(P＜0.05)，后两处理间无显著差异。

各处理10～20 cm土层固相间没有显著差异。T1和T3处理10～20 cm土层液相较T2处理分别显著增加了6.39%和6.63%(P＜0.05)，前两处理间无显著差异。T1处理10～20 cm土层气相较T2处理显著下降了23.95%(P＜0.05)，T3处理与其他处理无显著差异。T2处理10～20 cm土层R值较T1和T3处理分别显著减少了28.11%和27.77%(P＜0.05)，且后两处理间无显著差异。

表1 不同种植制度对土壤固相、液相、气相和R值的影响

T1和T3处理20～30 cm土层液相较T2处理分别显著增加了4.70%和4.59%(P＜0.05)，前两处理间无显著差异。各处理20～30 cm土层固相、气相及R值无显著差异。

3 结论

夏播作物收获季，T1处理10～20 cm土层土壤储水量较T2显著增加了6.37%，20～30 cm土层土壤质量含水量和储水量较T2处理分别显著增加了7.87%和4.70%。冬小麦收获季，T1处理0～30 cm各土层毛管孔隙度较T2和T3处理分别显著提高了19.20～28.49%和18.86～31.86%。相较于T3处理，冬小麦和夏播作物收获后T1和T2处理下土壤容重、总孔隙度和土壤固、液、气三相比偏离值并没有得到明显的改善。综上所述，夏绿豆-冬小麦可能是该地区潜在提升土壤物理质量的种植制度。

4 讨论

本研究表明，夏季种植绿豆可有效增加土壤毛管孔隙度，但夏播作物收获季0～10 cm土层和小麦收获季20～30 cm土层土壤容重显著增加，总孔隙度显著下降。一般认为，采用合理的种植制度可有效降低土壤容重、增加土壤孔隙度[6,11]，且能够有效改善土壤物理质量[16]。但在本研究中并没有发现与前人一致的规律。究其原因，一是土壤容重随时间差异呈正态分布[17]，而时间异质性大于种植制度对土壤容重的影响；二是本试验所采用种植制度年限较短，在制度实施前期可能会出现反弹现象[6]。

夏播作物收获季土壤质量含水量和储水量显著高于小麦收获季。此外，T1和T2处理20～30 cm土层土壤储水量较T3处理显著增加；但夏播作物收获季T1和T2处理20～30 cm土层土壤质量含水量和储水量较T3处理显著下降。年际间土壤质量含水量和储水量差异较大，可能是年际降水变频较大且分布不均匀造成[18]。本试验在不同种植制度下得出结论与其他相关研究类似，采用合理的种植制度能有效减少水分散失、提升土壤水分含量[19-20]。土壤深层水分变化可能是由于种植制度差异引起，土壤储水量受种植作物类别的影响较大[21]，尤其表现在种植作物与不种植作物之间。夏播作物会有效利用土壤20～30 cm土壤水分，造成夏播作物收获季该层次土壤含水量和储水量下降。而小麦收获季20～30 cm土壤储水量的增加，可能是种植制度的作物布局优势，为土壤微生物生命活动提供了良好的条件[11]，而微生物多样性的增加会进一步促进土壤有机质、土壤储水量的增加[22]。总之，种植夏播作物可能有益于深层土壤储水量的增加。由此可见，分析土壤质量含水量和储水量的时空分布特征对于实施不同种植制度的大田具有重要意义[23]。该试验需进一步设置不同类型种植制度进行研究，以阐述土壤质量含水量、储水量与种植制度的关系。

理想的土壤三相比（固:液:气）为50%:25%:25%[24]，即R值近似于0[25]。本试验中，相较于T3处理，T2处理10～20 cm土层土壤三相比及R值得到一定的改善，但T1和T2处理0～10 cm土层土壤三相比及R值反而朝着非理想方向发展。10～20 cm土壤三相及R值的改善可能是由于夏季种植豆科植物，可以增加氮素固定，利于微生物生长。因此，豆科较禾本科作物能够增加微生物多样性，微生物的一系列生理生化活动对土壤三相比及R值的改善发挥了重要作用。此外，豆科植物农田土壤较高的固碳效应也可能对土壤三相比及R值的改善具有一定贡献。姜雨林等[26]研究发现禾-豆种植制度较传统禾-禾种植制度具有更好的固碳效应，而土壤有机碳可通过团聚体构建改善土壤物理质量[27]。鉴于此，本研究认为有机碳的增加在种植制度影响土壤三相比及R值的过程中起到了重要作用。因此，深入探究禾-豆种植制度影响土壤物理质量的机制是当前亟待解决的问题。

相较于夏休闲-冬小麦种植制度，绿豆-小麦种植制度对土壤物理质量有一定的改善，但没有达到理想效果，这可能是由于降水格局和土壤自身特性差异所致[28-29]。另外，本研究中土壤容重、总孔隙度结果与当前相关研究并不一致，产生差异的原因需进一步验证。本试验不足之处在于，设置种植制度的数量较少，为了更好的探究种植制度影响土壤物理质量机制，需增加适合于黄土高原东部农田的种植制度的数量。此外，需要加强黄土高原东部夏作物-冬小麦种植制度的深入研究，旨在通过合理种植制度解决农业生产中的难题。