宋麗萍，羅珠珠，＊，李玲玲，蔡立群，，張仁陟，牛伊寧

（1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，甘肅 蘭州730070；2.甘肅省干旱生境作物學(xué)省部共建國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州730070）

土壤物理性質(zhì)主要包括土壤容重、孔隙度、土壤入滲性能、土壤團(tuán)聚體等，土壤的孔隙數(shù)量大小和容重的改變對土壤中水、肥、氣、熱等肥力因素的變化和供應(yīng)狀況有很大的影響［1－2］。土壤團(tuán)聚體是土壤結(jié)構(gòu)的基本單位，其數(shù)量的多少在一定程度上反映土壤供儲養(yǎng)分、持水性、通透性等能力的高低［3－4］，并通過對土壤水、通氣性、土壤溫度等的影響而直接影響作物生產(chǎn)力［5］，且土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性是決定和影響土壤抗侵蝕性最重要的物理性質(zhì)［6］。

干旱缺水和水土流失是困擾黃土高原旱地農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的兩大難題，而表土的容重、入滲性能以及土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性與土壤水分變化和水土流失關(guān)系密切［7］。紫花苜蓿（Medicagosativa）具有抗旱、耐寒、耐瘠、保持水土等優(yōu)良特性和較強(qiáng)的生態(tài)適應(yīng)性，是隴中黃土高原重要的豆科牧草，也是草田輪作的重要草種，但是紫花苜蓿對水分需求量大，如果降雨少，較深的根系大量消耗土壤深層水分，形成深厚的土壤干層，在長時期內(nèi)難以恢復(fù)，阻斷大氣、土壤以及植物之間水分的循環(huán)利用，同時，苜蓿產(chǎn)量下降，草地嚴(yán)重退化，并制約后茬植被或作物生長［8］。聯(lián)系生產(chǎn)實(shí)踐，高產(chǎn)和持久性是紫花苜蓿生產(chǎn)利用的主要目標(biāo)［9］，草田輪作一定程度上可以改善土壤結(jié)構(gòu)，增加土壤的保水能力，而且能適當(dāng)解決連作障礙，提高土壤的利用效率。有研究表明，合理輪作是防止土壤連作障礙發(fā)生的有效途徑，合理輪作中草田輪作是我國耕作制度的一種古老而有效的方法［10］。Elcio等［11］研究表明，作物輪作對保持和提高土壤質(zhì)量同樣有重要的作用。作物輪作倒茬技術(shù)，相對單一的種植模式優(yōu)勢明顯，它利用作物對環(huán)境水分、養(yǎng)分等生態(tài)因素需求差異，進(jìn)行作物間時序配置，不僅能改善土壤結(jié)構(gòu)［12］，平衡土壤養(yǎng)分［13］，能使半干旱區(qū)作物穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)，還能促進(jìn)對稀缺資源的高效轉(zhuǎn)化與可持續(xù)作用［14－15］。目前，國內(nèi)外對于草田輪作系統(tǒng)的研究主要集中于其土壤干層水分恢復(fù)效應(yīng)方面，而針對不同草田輪作模式對土壤物理性質(zhì)的定量研究結(jié)果較少，本研究以定西市安定區(qū)李家堡鎮(zhèn)土地為例，主要探究黃土高原半干旱區(qū)不同苜蓿－作物輪作模式對土壤主要物理性質(zhì)的影響，旨在為黃土高原半干旱區(qū)苜蓿草地土壤水分可持續(xù)利用和旱地作物穩(wěn)產(chǎn)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)設(shè)在隴中黃土高原半干旱丘陵溝壑區(qū)甘肅省定西市安定區(qū)李家堡鎮(zhèn)麻子川村。該區(qū)平均海拔2000m，年均太陽輻射592.9kJ／cm2，日照時數(shù)2476.6h，年均氣溫6.4℃，≥0℃年積溫2933.5℃，≥10℃年積溫2239.1℃；無霜期140d。年平均降水390.9mm，年蒸發(fā)量1531mm，干燥度2.53，保證率的降水量為365mm，變異系數(shù)為24.3%，屬于典型的雨養(yǎng)旱作農(nóng)業(yè)區(qū)。土壤為典型的黃綿土，土質(zhì)綿軟，土層深厚，質(zhì)地均勻，貯水性能良好；0～200cm土壤容重平均為1.17g／cm3，凋萎含水率7.3%，飽和含水率21.9%。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)試驗(yàn)需要，于2014年選取不同苜蓿－作物輪作處理的苜蓿地作為研究對象，試驗(yàn)共設(shè)6個處理，3次重復(fù)，小區(qū)面積3.0m×7.0m，隨機(jī)區(qū)組排列。供試作物為紫花苜蓿、春小麥（Triticumaestivum）、玉米（Zea mays）、馬鈴薯（Solanumtuberosum）和谷子（Setariaitalica）。各處理詳細(xì)描述見表1。

表1 實(shí)驗(yàn)處理描述Table 1 Treatments description

1.3 土壤樣品的采集及測定方法

土壤容重采用環(huán)刀法［16］，在作物收獲后（2014年10月）分別對土層深度為0～10cm、10～30cm和30～50 cm的容重進(jìn)行測定，各層次3次重復(fù)。土壤總孔隙度計(jì)算公式為：

土壤飽和導(dǎo)水率、土壤滲吸率、宏觀毛管長度和有效孔徑均采用圓盤滲透儀法［17］于作物收獲后（2014年10月）在土壤表層進(jìn)行測定，各處理3次重復(fù)。

團(tuán)聚體土樣在作物收獲后（2014年10月）采樣，分別取0～10cm、10～30cm和30～50cm 3個層次的土樣，每個層次3個重復(fù)，分別采集原狀土樣。在采集和運(yùn)輸過程中盡量減少對土樣的擾動，以免破壞團(tuán)聚體。采回實(shí)驗(yàn)室內(nèi)風(fēng)干土樣。風(fēng)干后的土樣采用干篩法和濕篩法［18］測定各粒級土壤團(tuán)聚體含量，并計(jì)算＞0.25mm的團(tuán)聚體含量（R0.25）、土壤平均重量直徑（mean weight diameter，MWD）和幾何平均直徑（geometric mean diameter，GMD）。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

土壤平均重量直徑（MWD）和幾何平均直徑（GMD）是反映土壤穩(wěn)定性和土壤抗侵蝕性能的重要指標(biāo)，與土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性關(guān)系密切，計(jì)算方法如下：

式中，MWD為團(tuán)聚體平均重量直徑，GMD為團(tuán)聚體幾何平均直徑，珚xi為某級團(tuán)聚體平均直徑，wi為i粒級團(tuán)聚體重量所占的比例。

采用Excel 2007進(jìn)行數(shù)據(jù)整理后用SPSS 19.0軟件分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同輪作模式對土壤容重的影響

輪作對土壤容重和土壤總孔隙度有明顯的影響（表2），且在0～10cm、10～30cm和30～50cm三個層次內(nèi)表現(xiàn)出一定差異性，其中在0～10cm和30～50cm層次差異較顯著，而在10～30cm的中間層差異不明顯。由表2可以看出，相對于L－L處理，其他輪作處理在3個層次上均可不同程度地降低土壤容重，增加土壤總孔隙度。表層0～10cm，土壤容重表現(xiàn)為L－L＞L－C＞L－W＞L－P＞L－F＞L－M。統(tǒng)計(jì)分析表明，除L－C之外，其他處理均與L－L表現(xiàn)為差異顯著（P≤0.05）。10～30cm土層，土壤容重表現(xiàn)為L－L＞L－F＞L－C＞L－M＞L－W＞L－P，L－L與其余處理差異顯著（P≤0.05），但其余5處理間無顯著差異。30～50cm土層，土壤容重表現(xiàn)為L－L＞L－W＞L－C＞L－F＞L－P＞L－M。統(tǒng)計(jì)分析表明，L－L與L－W、L－C之間差異不 顯著，與 L－F、L－P、L－M 差異顯著（P≤0.05）。就0～50cm 土層內(nèi)整體而言，L－F、L－W、L－C、L－P和 L－M 土壤容重分別比 L－L處理降低了6.86%，7.69%，6.22%，9.29%和10.17%，土壤總孔隙度分別比 L－L 處理提高了 9.49%，10.93%，8.96%，13.25%和14.10%，這說明苜蓿－苜蓿連續(xù)種植模式導(dǎo)致耕層土壤容重增加，土壤變緊實(shí)，而進(jìn)行作物輪作后顯著降低耕層土壤容重的同時增大了總孔隙度，其中L－M處理顯著降低了土壤容重，增加了土壤總孔隙度，L－P處理次之。

表2 不同輪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 不同輪作模式對土壤團(tuán)聚體的影響

土壤團(tuán)聚體的機(jī)械穩(wěn)定性（即力學(xué)穩(wěn)定性）是指團(tuán)聚體具有抵抗外力免被壓碎或抵抗外部環(huán)境變化而保持原有形態(tài)的能力，而水穩(wěn)性是團(tuán)聚體抵抗灌水浸泡和降雨擊打的能力［19］。干篩表示苜蓿土壤在自然風(fēng)干條件下的結(jié)構(gòu)組成和分散強(qiáng)度，濕篩表示苜蓿土壤團(tuán)粒在浸水條件下的結(jié)構(gòu)性能和分散強(qiáng)度。本文主要采用＞0.25mm的團(tuán)聚體含量（R0.25）、平均重量直徑（MWD）以及幾何平均直徑（GMD）來評價土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性。

由表3可知，輪作對土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性具有一定的影響，主要表現(xiàn)在0～10cm土層，不同輪作模式下，干篩法處理的土壤R0.25、MWD和GMD值差異較顯著，而濕篩法處理的土壤R0.25、MWD和GMD值差異并不顯著。隨著土層深度的增加，干篩條件下不同處理的R0.25、MWD和GMD值均逐漸增大，且在同一層次，不同處理的R0.25、MWD、GMD值大小順序表現(xiàn)一致。在0～10cm土層表現(xiàn)為L－C＞L－P＞L－L＞L－F＞L－W＞L－M，其中LC處理的R0.25值與L－W、L－M 處理差異顯著，而與L－L、L－F、L－P處理無顯著差異，而 MWD和GMD值除與L－M處理差異顯著之外，與其他處理均無顯著差異；在10～30cm土層表現(xiàn)為L－C＞L－P＞L－L＞L－M＞L－F＞L－W，但處理間差異均不顯著；在30～50cm土層表現(xiàn)為L－F＞L－P＞L－W＞L－M＞L－C＞L－L，但處理間差異均不顯著。其中L－C處理的R0.25、MWD和GMD值在0～10cm和10～30cm均表現(xiàn)為最大。而在濕篩條件下，不同處理的R0.25、MWD、GMD值大小順序表現(xiàn)并不一致，無明顯規(guī)律性，土壤水穩(wěn)定性團(tuán)聚體數(shù)量（R0.25）在0～10cm土層表現(xiàn)為L－L＞L－C＞L－M＞L－W＞L－P＞L－F；10～30cm土層表現(xiàn)為L－F＞L－W＞L－M＞L－P＞L－L＞L－C；而在30～50cm土層表現(xiàn)為L－W＞L－C＝L－P＞L－L＞L－F＝L－M，各土層水穩(wěn)性團(tuán)聚體的R0.25最高為5.98%，遠(yuǎn)小于干篩條件下的最小值68.23%。整體而言，不同輪作處理下，以非水穩(wěn)性團(tuán)聚體為主，而水穩(wěn)性團(tuán)聚體數(shù)量較少，其中L－C處理顯著增加了土壤團(tuán)聚體含量，且增大了MWD和GMD值，提高了土壤的機(jī)械穩(wěn)定性，L－P處理次之，而輪作在一定程度上降低了土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體的含量。

表3 不同輪作模式下土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性特征Table 3 Soil aggregate stability characteristics under different rotation patterns

2.3 不同輪作模式對土壤滲透性能的影響

土壤的滲吸率（S0）、飽和導(dǎo)水率（K0）、宏觀毛管長度（λc）以及有效孔徑（λm）是反映土壤管理措施對土壤滲透性能影響的指標(biāo)。土壤滲吸率反映基質(zhì)勢的大小，基質(zhì)吸力是由于水對土壤顆粒表面和毛管孔隙的物理親和作用形成的。研究表明，土壤滲吸率愈大，毛細(xì)管對入滲的影響就越大，土壤飽和導(dǎo)水率就越低［20－21］。土壤總孔隙度、孔隙大小分布及彎曲度，即土壤的幾何形狀，對土壤導(dǎo)水率及持水特性有直接影響［17］，而土壤的幾何形狀可通過宏觀毛管長度和有效孔徑來描述。宏觀毛管長度為平均孔隙長度，它與土壤滲吸率及導(dǎo)水率有關(guān)，其值愈大，毛細(xì)管對入滲的影響就越大（相對于重力而言），土壤飽和導(dǎo)水率就越低。有效孔徑也叫當(dāng)量孔徑或?qū)嵭Э讖剑侵概c土壤水吸力相當(dāng)?shù)目讖?，其與土壤水吸力成反比，有效孔徑愈小則土壤水吸力愈大［17］。

由表4可見，就整體而言，土壤飽和導(dǎo)水率表現(xiàn)為L－W＞L－M＞L－F＞L－L＞L－C＞L－P，L－W與其他處理差異顯著（P≤0.05），與L－L、L－F、L－C、L－P及L－M 處理相比，L－W 處理分別提高了152.42%，90.06%，169.92%，203.67%及88.51%。土壤滲吸率表現(xiàn)為L－W＞L－F＞L－M＞L－P＞L－C＞L－L，且處理間差異顯著（P≤0.05）。由此表明，較L－L處理而言，L－W、L－F及L－M處理對土壤飽和導(dǎo)水率以及土壤滲吸率的影響較大，而L－P和LC處理對土壤飽和導(dǎo)水率及土壤滲吸率的影響相對較小。宏觀毛管長度表現(xiàn)為L－F＞L－W＞L－P＞L－C＞L－M＞L－L，且L－L與其余處理差異顯著（P≤0.05）。有效孔徑表現(xiàn)為L－L＞L－M＞L－C＞L－P＞L－W＞L－F，且L－L與其他處理差異顯著（P≤0.05）。由此表明，宏觀毛管長度以L－F處理最大，遠(yuǎn)高于其他處理，其次為L－W、L－P及L－C處理，L－M與L－L處理的最小，而有效孔徑與宏觀毛管長度呈現(xiàn)相反的趨勢，這說明輪作處理對宏觀毛管長度及有效孔徑的影響較顯著，其中L－F與L－W等處理土壤水分入滲受毛管作用的影響較大，且土壤水吸力較大，而L－M和L－L處理均相對較小。

表4 苜蓿－作物輪作模式土壤滲透性能Table 4 Soil permeability under different rotation patterns

3 討論

3.1 苜蓿－作物輪作對土壤結(jié)構(gòu)性能的影響

輪作在一定程度上改善了土壤結(jié)構(gòu)，增加了保持土壤水分的能力［22］。有研究認(rèn)為［23－24］，苜蓿是深根作物，根系發(fā)達(dá)，主要分布在耕層20～40cm處，3年生苜蓿根系可達(dá)2m以上，對穿透犁底層，增加耕層厚度，改變土壤結(jié)構(gòu)有重要的作用，同時苜蓿根系龐大可改善土壤物理性狀。吳旭東等［25］研究認(rèn)為，表層土壤容重小，土壤通氣性、結(jié)構(gòu)性好，枯落物多，微生物較多，有利于有機(jī)碳的積累，而隨著土層加深有機(jī)物輸入量減少，土壤通氣性明顯下降，微生物較少，養(yǎng)分循環(huán)較慢，而從本研究結(jié)果也可以看出，隨著土層深度加深，6種不同輪作模式也呈現(xiàn)出類似的趨勢。也有研究認(rèn)為［26］，長期種植苜?？墒贡韺油寥廊葜卦龃?，而耕作對于表層土壤的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性有顯著的影響作用。本研究結(jié)果表明，苜蓿－苜蓿連作模式土壤容重在0～10cm、10～30cm和30～50cm三個層次均表現(xiàn)為最高，而苜蓿－作物輪作模式在降低土壤容重的同時增加了土壤總孔隙度，這可能是由于翻耕輪作在疏松土壤的同時增加了土壤團(tuán)聚體的含量，有效改善土壤結(jié)構(gòu)。

土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性是決定和影響土壤抗侵蝕性最重要的物理性質(zhì)［6］。干篩大團(tuán)聚體數(shù)量遠(yuǎn)大于濕篩大團(tuán)聚體數(shù)量，這是因?yàn)轱L(fēng)干團(tuán)聚體中包括水穩(wěn)性與非水穩(wěn)性團(tuán)聚體，濕篩過程中非水穩(wěn)性大粒徑團(tuán)聚體破碎分解為小粒徑團(tuán)聚體，因而水穩(wěn)性團(tuán)聚體（即通過濕篩法所測得團(tuán)聚體）數(shù)量的多少更能反映土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性［27］。土壤團(tuán)聚體的大量形成使土壤穩(wěn)定性增加，土壤通氣透水性得到改善，進(jìn)一步提高了土壤的穩(wěn)定入滲能力［28］。有研究表明，在不同土壤中，＞0.25mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體的數(shù)量越少，土壤穩(wěn)定性也就越低［29］。Barber［30］在威斯康星州研究發(fā)現(xiàn)苜?？稍黾油寥浪€(wěn)性團(tuán)粒指數(shù)，4年試驗(yàn)期間土壤水穩(wěn)性團(tuán)粒指數(shù)隨其種植年限延長而增加。而本研究發(fā)現(xiàn)，隨著土層深度的增加，不同輪作模式的土壤機(jī)械穩(wěn)定性均逐漸增強(qiáng)，而水穩(wěn)性逐漸減弱，與苜蓿－苜蓿連作模式相比，苜蓿－玉米輪作模式對可以明顯提高0～10cm及10～30cm土層內(nèi)土壤大團(tuán)聚體含量，而不同苜蓿－作物輪作模式下在0～10cm、10～30cm和30～50cm三個土層內(nèi)水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量無明顯規(guī)律性。

3.2 苜蓿－作物輪作對土壤滲透性能的影響

土壤結(jié)構(gòu)特別是孔隙度及孔隙大小分布影響土壤水分的滲透以及保水持水性能［31］，土壤飽和導(dǎo)水率是反映土壤滲透性能的重要物理指標(biāo)，是土壤質(zhì)地、容重、孔隙分布特征的函數(shù)，其中孔隙分布特征對飽和導(dǎo)水率的影響最大［32］。容重主要通過影響到土壤的孔隙度與孔隙大小分布以及土壤的穿透阻力，進(jìn)而對土壤水分的入滲產(chǎn)生影響［33］。有研究表明，隨著土壤容重的增加，土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)喪失、土壤孔隙（包括根道、蟲孔）減小、土壤變得緊密堅(jiān)實(shí)，導(dǎo)致飽和導(dǎo)水率降低［34］。本研究結(jié)果表明，與苜蓿－苜蓿處理相比，苜蓿－小麥和苜蓿－休閑處理可以顯著提高土壤飽和導(dǎo)水率，增加土壤入滲。吳繼強(qiáng)等［35］對不同有效面積孔隙度條件下的大孔隙連通性對水分入滲的影響進(jìn)行分析，表明一定條件下大孔隙的連通性對水分的入滲起主導(dǎo)作用。本研究發(fā)現(xiàn)，較苜蓿－苜蓿連續(xù)種植模式而言，其他輪作模式在增加土壤宏觀毛管長度的同時降低了土壤有效孔徑，其中苜蓿－休閑處理效果最為明顯，其次為苜蓿－小麥處理。這說明輪作增大了毛管作用對土壤水分入滲的影響，土壤水吸力增加［17］。但不同的輪作模式由于受根系穿插、土壤團(tuán)聚體及土壤微生物等的影響表現(xiàn)出一定的差異性，具體原因有待進(jìn)一步研究和探討。

4 結(jié)論

在黃土高原半干旱農(nóng)區(qū)，苜蓿－作物輪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，但不同的輪作模式效果不同，且在0～10cm、10～30cm和30～50cm的土層深度內(nèi)表現(xiàn)出一定的差異性。就整體而言，L－F、L－W、L－C、L－P、L－M 處理的土壤容重分別比 L－L處理降低了6.86%，7.69%，6.22%，9.29%和10.17%，土壤總孔隙度分別比L－L處理平均提高了9.49%，10.93%，8.96%，13.25%和14.10%。輪作對土壤團(tuán)聚體的影響主要表現(xiàn)在0～10cm和10～30cm的土層，其中L－C處理顯著增加了土壤大團(tuán)聚體含量，比L－L處理增加了8.96%，且增大了MWD和GMD值，顯著提高了土壤的機(jī)械穩(wěn)定性，L－P處理次之，但輪作在一定程度上降低了土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體的含量，L－F、L－W、L－C、L－P和 L－M 處理比 L－L處理分別降低了33.44%，23.08%，7.36%，27.09%和20.29%。隨著土層深度的增加，干篩條件下不同輪作處理的R0.25、MWD、GMD值均逐漸增大，且在同一層次，不同處理的R0.25、MWD、GMD值大小順序表現(xiàn)一致，在0～10cm土層表現(xiàn)為L－C＞L－P＞L－L＞L－F＞L－W＞L－M；在10～30cm土層表現(xiàn)為L－C＞L－P＞L－L＞L－M＞L－F＞L－W；而在30～50cm土層表現(xiàn)為L－F＞L－P＞L－W＞L－M＞L－C＞L－L。土壤滲吸率在L－F、L－W、L－C、L－P和L－M 處理下分別比L－L處理提高了1.19，2.31，0.25，0.66和0.75倍，宏觀毛管長度分別提高了3.73，2.92，1.49，2.62和1.15倍，有效孔徑分別降低了79.43%，72.99%，56.71%，69.41%和56.35%，L－F、L－W 和 L－M 處理土壤飽和導(dǎo)水率分別比L－L處理提高了0.32，1.52和0.33倍。

苜蓿－作物輪作對土壤物理性質(zhì)的影響最終反映到土壤物理質(zhì)量，與苜蓿－苜蓿處理（L－L）相比，苜蓿－作物輪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團(tuán)聚體含量并增加土壤入滲，但不同的輪作模式對不同的物理性質(zhì)的改善效果不同，其中苜蓿－谷子和苜蓿－馬鈴薯對于降低土壤容重效果明顯，苜蓿－玉米和苜蓿－馬鈴薯有利于增加土壤大團(tuán)聚體含量，而苜蓿－小麥和苜蓿－休閑模式對增加土壤入滲效果明顯，因此，在黃土高原半干旱區(qū)，苜蓿－作物輪作有助于形成良好的土壤結(jié)構(gòu)，改善土壤的滲透性能，促進(jìn)土壤物理質(zhì)量的提高。

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