不同輪作模式對潮土土壤物理性狀的影響

范倩玉，李 晉，劉振華 ，楊珍平 ，高志強

（1.山西農業大學資源環境學院，山西太谷030801；2.山西農業大學農學院，山西太谷030801）

連作會導致土壤肥力下降、根系分泌物的自毒作用增強、病原微生物數量增加，致使作物生長受阻、產量下降[1-2]?？茖W合理的輪作模式是解決連作障礙的有效措施[3]，其可降低有害微生物在土壤中的累積[2]，改善土壤微生態環境，促進農作物高產穩產[4]，從而實現農業的可持續發展。

潮土土壤有機質含量普遍較低且難以積累、砂粒含量高、土壤結構差、養分普遍缺乏，其土壤質量及土壤肥力的提升顯得尤為重要[5]。而土壤物理特性受土壤類型、土壤質地、耕作方式以及種植模式等多種因素的影響[6]。有研究表明，輪作可降低土壤容重、增加土壤孔隙度[7]。

本研究以山西大同潮土土壤為研究對象，比較了不同輪作模式下土壤容重、總孔隙度及田間持水量的差異，旨在為選擇更有利于該研究區土壤結構改善的合理輪作模式提供理論依據。

1 材料和方法

1.1 試驗區概況

試驗于2018—2019 年在山西省大同市新榮區破魯鄉高向臺村進行（112°55′E，40°13′N）。該區位于山西省最北端，年均氣溫5 ℃左右，年均降水量為350 mm，無霜期平均110 d。試驗地土壤類型為潮土。播前0～20 cm 耕層土壤基礎養分含量為：有機碳6.27 g/kg、全氮0.19 g/kg、硝態氮15.07 mg/kg、有效磷5.65 g/kg。

1.2 試驗材料

供試油菜為華油雜62，由華中農業大學國家油菜改良中心提供；供試玉米為黑甜糯639，由山西省農業科學院玉米研究所提供；供試馬鈴薯為晉薯16，由山西農業大學馬鈴薯研究團隊提供；供試燕麥為冀張燕2 號，由國家燕麥蕎麥產業體系右玉試驗站提供；供試蕎麥為晉蕎麥2 號，由山西省農業科學院作物科學研究所提供。

1.3 試驗設計

試驗共設5 個處理，即油菜—蕎麥（RB）；玉米—蕎麥（CB）；馬鈴薯—蕎麥（PB）；燕麥—蕎麥（OB）；蕎麥—蕎麥（BB，CK），每個處理重復 3 次，共計18 個小區，小區面積為389 m2。其中，2018 年5 月 1 日播種玉米，5 月 3 日播種油菜、馬鈴薯，5 月25 日播種燕麥和蕎麥。油菜、燕麥和蕎麥播種行距為20 cm，玉米播種行距為50 cm，馬鈴薯播種行距為60 cm；播種量分別為油菜15 kg/hm2，玉米20.25 kg/hm2，馬鈴薯 1 500 kg/hm2，燕麥 60 kg/hm2，蕎麥30 kg/hm2；隨播種一次性基施NPK 復合肥600 kg/hm2（N∶P2O5∶K2O＝18%∶18%∶18%，購于山西天脊煤化工集團有限公司）。于2018 年9 月19 日收獲上述作物，并粉碎秸稈全量翻壓還田，還田深度為25 cm。

2019 年在2018 年的基礎上，所有處理統一播種蕎麥，6 月30 日播種，行距12 cm，播種量22.5 kg/hm2，基施磷酸二銨 150 kg/hm2（N∶P2O5∶K2O＝18%∶46%∶0，購于云南三環中化化肥有限公司）。2019 年9 月25 日收獲蕎麥，并粉碎秸稈全量翻壓還田，還田深度為25 cm。

1.4 土壤樣品采集

土壤樣品于2019 年9 月蕎麥收獲后采集，各處理用環刀取0～20、20～40 cm 剖面土壤樣品，取回后立即進行土壤容重、總孔隙度、毛管孔隙度和田間持水量的測定。

1.5 測定項目及方法

土壤容重、總孔隙度、毛管孔隙度和田間持水量均采用環刀法進行測定[12]。

式中，W0為環刀質量（g）；W1為飽和質量（g）（環刀內土壤充分吸水直至飽和）；W2為環刀內土壤吸水至飽和排出重力水后質量（g）（環刀內土壤充分吸水至飽和后靜置12 h）；W3為烘干土質量＋環刀質量（g）；V為環刀體積（cm3）。

1.6 數據統計分析

采用Microsoft Excel（2016）進行數據分析；采用SAS v8.0 軟件進行one-way ANOVA 方差分析；采用Duncans 新復極差法進行多重比較。

2 結果與分析

2.1 不同輪作模式對土壤容重的影響

由圖 1 可知，各輪作模式下（PB、OB 除外）土壤容重隨土層加深呈現出增加趨勢，與蕎麥連作（CK）相比，油菜—蕎麥（RB）、玉米—蕎麥（CB）輪作模式下0～40 cm 土層土壤容重降低，馬鈴薯—蕎麥（PB）、燕麥—蕎麥（OB）輪作模式下 0～40 cm 土層土壤容重增加。其中，在0～20 cm 土層中，與蕎麥連作（CK）相比，油菜—蕎麥（RB）和玉米—蕎麥（CB）輪作模式下土壤容重降低，但差異不顯著，馬鈴薯—蕎麥（PB）、燕麥—蕎麥（OB）輪作模式下土壤容重分別顯著增加12.41%和13.03%；20～40 cm土層中，與蕎麥連作（CK）相比，各輪作模式下的土壤容重無顯著變化，變化趨勢與0～20 cm 土層基本保持一致。說明油菜—蕎麥、玉米—蕎麥輪作模式可降低土壤容重，但由于輪作年限較短，土壤容重變化差異并不顯著。

2.2 不同輪作模式對土壤孔隙度的影響

從表1 可以看出，各輪作模式下（CB 除外）土壤總孔隙度隨土層加深而減??；總體來看，與蕎麥連作（CK）相比，各輪作模式下（OB 除外）0～40 cm土層土壤總孔隙度均增加。其中，在0～20 cm 土層中，油菜—蕎麥（RB）輪作模式下土壤總孔隙度顯著增加33.48%，其他輪作模式下無明顯變化；20～40 cm 土層中，與 CK 相比，除 OB 外，其余輪作模式土壤總孔隙度均有所增加，差異均呈顯著水平，以油菜—蕎麥輪作模式增幅最大。

表1 不同輪作模式不同深度土壤總孔隙度的變化 %

對不同輪作模式下不同土層土壤毛管孔隙度變化進行分析，結果表明（表2），土壤毛管孔隙度的變化趨勢與土壤總孔隙度基本保持一致。其中，在0～20 cm 土層中，油菜—蕎麥（RB）輪作模式下土壤毛管孔隙度較CK 顯著增加48.16%；20～40 cm土層中，油菜—蕎麥（RB）、玉米—蕎麥（CB）輪作模式下土壤毛管孔隙度分別較CK 顯著增加51.34%和50.25%。表明輪作可改善土壤孔隙狀況，有利于增強土壤通氣、通水和保水能力，以油菜—蕎麥輪作模式效果最佳。

表2 不同輪作模式不同深度土壤毛管孔隙度的變化 %

2.3 不同輪作模式對土壤田間持水量的影響

由表3 可知，各輪作模式下（PB 除外）土壤田間持水量隨土層加深呈現出降低趨勢，與蕎麥連作（CK）相比，各輪作模式下0～40 cm 土層土壤田間持水量均值均增加。其中，在0～20 cm 土層中，油菜—蕎麥（RB）、玉米—蕎麥（CB）輪作模式下土壤田間持水量分別較CK 顯著增加50.77%和18.73%；20～40 cm 土層中，油菜—蕎麥（RB）輪作模式下土壤田間持水量較CK 顯著增加61.01%。表明輪作可增加土壤田間持水量，有利于提高土壤保水能力以及作物對土壤水分的有效利用，其中，油菜—蕎麥輪作模式下土壤田間持水量增幅最大，對其改善效果最佳。

表3 不同輪作模式不同深度土壤田間持水量的變化 %

3 結論與討論

土壤容重是一定容積的土壤（包括土粒及粒間的孔隙）烘干后質量與烘干前體積的比值，是最重要的土壤物理性質之一，其不僅可以較準確地反映土壤物理性狀的整體狀況[8]，還可有效地指示土壤質量和土壤生產力[9]。其大小與土壤質地、結構、有機質含量、土壤堅實度、耕作措施等有關[10-11]，土壤容重越小，土壤越疏松多孔；反之，土壤越緊實，其可較好地反映土壤結構狀況[12]。本研究發現，土壤容重隨土層加深而增加，這與我國陸地生態系統土壤容重的垂直分布特征相一致，一方面是因為土壤容重受有機質含量的影響，有機質含量越低，土壤容重越高，隨土層深度的增加，土壤有機質含量逐漸降低，土壤容重相應增加；另一方面，隨著土壤剖面深度的增加，土體由于超負荷的壓力而變得更加堅實，土壤容重增大[13]。本研究表明，油菜—蕎麥、玉米—蕎麥輪作模式下0～40 cm 土層土壤容重降低，表明這2 種輪作模式可增強土壤疏松度、透氣性、持水能力和溶質遷移潛力等[14]，但其變化并不顯著，這可能是由于輪作年限較短，其對土壤容重的改善作用還未達到顯著水平。

土壤孔隙度是土壤孔隙容積占土體容積的百分比，是反映土壤通透性和持水能力的重要指標[15]，對土壤的質地、松緊度和結構性等有重要作用，同時也可以促進土壤肥力的發揮和作物生長發育[16]。毛管孔隙中水的毛管傳導率大，易于被植物吸收利用，它的大小可反映土壤保持水分的能力[17]。本研究結果表明，土壤總孔隙度和毛管孔隙度均隨土層加深而減小，這可能與上層土壤根系分布較多有關[12]。本研究中，與對照相比，各輪作模式下0～40 cm 土層土壤總孔隙度和毛管孔隙度均增加，但不同輪作模式間存在差異，這是因為土壤的孔隙度受地下根系的生長發育狀況和凋落物的分解狀況等的影響[12]，不同作物生長特性不同，由于生長期間根系的穿插作用使根系直徑、數量、長短以及根系分泌物等影響了土壤孔隙度的變化。本研究中，油菜—蕎麥輪作對土壤孔隙度的改善效果最佳，這可能是因為在土埋方式下，相同時間跨度，油菜較其他作物秸稈腐解率大，返還到土壤中的有機質較多，從而增大了土壤孔隙。

土壤田間持水量是一個水分常數，反映了土壤的特征含水量，是植物有效水分的上限，是衡量土壤保水性能的重要指標[18-19]。本研究發現，土壤田間持水量隨土層加深而降低，與孔隙度變化一致。這是因為影響田間持水量的主要因素是容重、有機質含量和機械組成，田間持水量隨黏粒含量和有機質含量的增大而增大[20]，而孔隙度的變化又與土壤容重有關。本試驗中，土壤容重隨土層加深而增加，孔隙度隨土層加深而降低，因此土壤黏粒含量減小，田間持水量相應減小。本研究結果表明，各輪作模式下0～40 cm 土層土壤田間持水量均增加，以油菜—蕎麥輪作效果最好，與土壤孔隙度的研究結果類似。一方面可能是因為孔隙度變化影響田間持水量；另一方面可能是因為油菜在相同時間內秸稈腐解率較大，返還到土壤中的有機質較多，土壤中有機質含量增加，田間持水量隨之增加。因此，油菜—蕎麥輪作對土壤田間持水量的改善效果最好。

本研究結果表明，輪作可不同程度地降低該研究區土壤容重，增加土壤總孔隙度、毛管孔隙度和田間持水量，對土壤結構的改良具有積極作用。綜合來看，油菜—蕎麥輪作模式對該研究區土壤結構的改良效果最明顯，是該研究區較為理想的輪作模式。