绿肥填闲种植对旱作冬小麦农田耕层土壤物理性质的影响

李 超, 王 俊,, 邢文超, 张少宏, 柳 瑞

(1.西北大学 城市与环境学院, 陕西 西安 710127; 2.陕西省地表系统与环境承载力 重点实验室, 陕西 西安 710127; 3.中国科学院 水利部 水土保持研究所, 陕西 杨凌712100)

黄土高原是中国典型的旱作农业区，但干旱缺水加上严重的水土流失，导致该地区农田土壤质量偏低[1]。在主要粮食作物生长的休闲期间，引种豆科或非豆科绿肥作物在土壤质量提升方面发挥了重要作用，但近几十年来，由于化肥的大面积使用而在本地区几近消失。研究表明，这种绿肥填闲种植方式具有促进土壤碳氮固存[2-3]，促进微生物代谢[4]，减少养分淋溶[5]和抑制杂草病虫害等[6]多种生态环境效益。在当前农业“减施增效”背景下，绿肥填闲种植可望在旱作农田土壤质量维持与提升方面发挥巨大作用。土壤物理性状(土壤容重、孔隙度、饱和持水量、毛管持水量、团聚体结构等)是反映土壤质量状况的重要指标[7-10]。与裸地休闲相比，绿肥填闲种植增加了有机物的输入，同时也改变了土壤微环境，会导致土壤物理性状发生显著改变。目前，许多国内外学者研究[11]表明，绿肥填闲作物对土壤物理性质的影响是不一致的。Blanco-Canqui等[12]进行的文献分析表明，相比传统休耕，绿肥填闲种植仅在近1/3的地区导致土壤容重出现了显著下降。Alvarez等[13]在阿根廷潘帕斯地区进行的研究也表明，绿肥填闲种植相比休耕会略微降低土壤容重或无影响，这主要取决于绿肥种类和试验区域特征。Abdollahi等[14]在丹麦的研究也发现，绿肥填闲种植在10 a后使土壤形成了稳定而连续的大孔隙，从而显著改善了后茬粮食作物根系生长的水分和通气状况。在中国黄土高原地区，刘立意等[15]研究表明绿肥作物能够显著改善土壤持水能力；张达斌等[16]研究表明，豆科绿肥配合长期施氮能够显著提高土壤大团聚体(>5 mm)比例。与豆科绿肥作物相比，非豆科绿肥通常具有更大的生物量积累，因而具有更多的根系和残余输入，进而可能对土壤物理性质产生更大的影响，相关研究尚未见报道。为此，本文基于田间定位试验，系统分析了夏闲期种植不同绿肥作物对旱作冬小麦农田耕层土壤容重、孔隙度、饱和持水量、毛管持水量和团聚体的影响，旨在进一步探讨绿肥填闲种植对土壤物理质量的提升机制，为其在黄土高原旱作农业区的推广提供科学依据。

1 材料和方法

1.1 试验地概况

试验地位于中国科学院长武黄土高原农业生态试验站(35°12′N，107°44′E)。该区海拔1 220 m，属于暖温带半干旱半湿润性季风气候，年均气温9.1 ℃，无霜期约171 d，年均蒸发量1 440 mm，年均降水量为580 mm，且季节性分布不均，多集中于夏秋季节。试验地土壤为黑垆土，母质为中壤质马兰黄土。土层深厚，全剖面土质均匀疏松，通透性好，肥力中等。供试土壤基本理化性质如下：有机质12.0 g/kg，全氮0.8 g/kg，全磷0.66 g/kg，矿质氮13.74 mg/kg，速效磷24.6 mg/kg，速效钾161.39 mg/kg，土壤pH值为8.11。该研究区属于典型旱作农业区，种植制度为一年一熟或两年三熟。

1.2 试验设计

本试验始于2017年6月底前季小麦收获后，共设置4个绿肥作物处理，分别为：长武怀豆单播、苏丹草单播、怀豆/苏丹草混播以及裸地休闲对照(CK)，每个处理重复3次，共12个小区，小区面积为6.7 m×10 m，随机区组排列。

绿肥作物在每年6月底至7月初冬小麦收获后播种，参照本地区绿肥常规播量，怀豆处理长武怀豆播量为70 kg/hm2，苏丹草处理苏丹草播量为35 kg/hm2，混播处理怀豆和苏丹草播量分别为35和17.5 kg/hm2。绿肥作物于每年9月中旬使用旋耕机将地上部分直接掺入翻压入土壤中，两周后播种冬小麦(长武134)，播量为165 kg/hm2。小麦播种时按60 kg/hm2的N和60 kg/hm2的P分别施入尿素(46%N)和过磷酸钙(20% P2O5)作为基肥。冬小麦于次年6月底收获。绿肥作物和冬小麦生长期间无灌溉，必要时进行人工除草。

1.3 样品采集与测定

2021年6月底冬小麦收获后，在每个样地按照五点取样法分层挖取0—10 cm，10—20 cm土壤剖面采取原状土样，一部分土样使用环刀(体积为100 cm3)采集，用于测定土壤容重、孔隙度、饱和持水量和毛管持水量。另一部分尽量保持原状土壤结构带回实验室，将土样在风干过程中沿土壤自然纹理轻轻掰成1 cm左右的土块，并去除石块和植物根系，用于土壤团聚体测定和有机碳测定。

(1) 土壤容重采用环刀法[17]测定。土壤孔隙度和持水量采用原状土壤浸润法[18]，土壤饱和持水量和总孔隙度计算公式如下：

土壤饱和持水量(%)=

(浸泡后土质量—烘干土质量)/

烘干土质量×100%

(1)

土壤总孔隙度(%)=饱和持水量×容重

(2)

土壤毛管孔隙度的测定：将浸泡至恒重的环刀置于支架上，环刀底部放置滤纸，静置至恒重，并称重。土壤毛管持水量、毛管孔隙度和非毛管孔隙度计算方法为：

土壤毛管持水量(%)=

(静置后土质量—烘干土质量)/

烘干土质量×100%

(3)

土壤毛管孔隙度(%)=(静置后土质量—

烘干土质量)×容重×100%

(4)

土壤非毛管孔隙度(%)=土壤总孔隙度—

土壤毛管孔隙度

(5)

(2) 土壤团聚体采用干筛法[19]测定。将孔径分别为5，2，0.25 mm的土筛按孔径由小到大叠放成一组套筛，放入机械振筛机中振动10 min，称重并计算各粒径所占重量比例。使用下面公式(6)计算土壤团聚体平均重量直径(MWD，mm)，用于表征土壤团聚体稳定性[20]。

(6)

式中：Xi为某级别团聚体的平均直径；Wi是该粒径团聚体的重量百分比。

(3) 土壤有机碳测定。使用元素分析仪(EA3000)进行，详见Wang等[21]的方法。另外，于每年9月中旬绿肥翻压时使用样方法采集地上样品，70 ℃烘干至恒重，称重计算干重，用于计算绿肥生物量。

1.4 数据处理

使用Excel 2010及SPSS(25)软件进行数据处理及统计分析，处理间各测定指标差异使用单因素方差分析进行显著性检验，采用Person法分析各指标间相关性，使用Origin 2021进行绘图。

2 结果与分析

2.1 土壤容重和孔隙度

研究区不同处理土壤容重如图1所示。与CK相比，苏丹草和混播处理在0—10 cm土层容重分别降低了4.1%和5.1%(p<0.05)，而怀豆处理与之差异不显著。在10—20 cm土层，各处理间差异均不显著。

注：CK为裸地休闲对照，图中不同小写字母不同代表处理间差异显著(p<0.05)。下同

不同处理土壤总孔隙度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度如图2所示。在0—10 cm土层，苏丹草和混播处理土壤毛管孔隙度较CK分别提高了21.6%和18.2%(p<0.05)，且苏丹草处理显著高于怀豆。在10—20 cm土层，各处理间毛管孔隙度无显著差异。各处理间土壤非毛管孔隙度在0—10 cm，10—20 cm土层差异均不显著。在0—10 cm土层，与CK相比，怀豆，苏丹草和混播处理土壤总孔隙度较CK分别显著提高了8.8%，19.2%和19.1%(p<0.05)，且苏丹草处理显著高于怀豆。在10—20 cm土层，各处理土壤总孔隙度与CK相比差异均不显著，但而怀豆处理显著高于混播。

2.2 土壤持水量

不同处理土壤饱和持水量和毛管持水量如图3所示。由图3可知，在0—10 cm土层，与CK相比，怀豆，苏丹草和混播处理下的土壤饱和持水量分别显著提高了11.0%，24.2%和23.4%(p<0.05)，且苏丹草和混播显著高于怀豆。在10—20 cm土层，各处理间土壤饱和持水量无显著差异。由图3可知，与CK相比，怀豆，苏丹草和混播处理下的土壤毛管持水量分别显著提高了11.9%，26.7%和24.6%(p<0.05)，且苏丹草和混播显著高于怀豆。在10—20 cm土层，各处理间土壤毛管持水量无显著差异。

2.3 土壤团聚体

不同处理土壤团聚体构成和土壤团聚体平均重量直径(MWD)如图4—5所示。

由图4可知，在0—10 cm土层，供试土壤团聚体主要分布于>5 cm和0.25～2 mm这两个粒级，2～5 mm粒级次之，<0.25 mm粒级团聚体比例最低。与CK相比，怀豆和苏丹草处理显著提高了>5 mm粒级的团聚体比例，而显著降低了0.25～2 mm和<0.25 mm粒级的团聚体比例；混播处理也显著提高了>5 mm粒级的团聚体所占比例，但仅显著降低了<0.25 mm粒级的团聚体比例。怀豆和苏丹草处理下的各粒级所占比例基本一致。与混播相比，怀豆和苏丹草处理具有更高的>5 mm粒级团聚体比例和较低的0.25～2 mm粒级团聚体比例。由图4还可看出，在10—20 cm土层，土壤团聚体粒级比例随着粒级减小而减少。与CK相比，怀豆和混播处理显著降低了2～5 mm粒级团聚体比例，显著提高了0.25～2 mm粒级的团聚体占比，而苏丹草处理显著提高了>5 mm粒级的团聚体比例，同时显著降低了0.25～2 mm粒级团聚体比例。与怀豆相比，苏丹草处理显著增加了>5和<0.25 mm粒级团聚体比例，但显著降低了2～5 mm和0.25～2 mm粒级团聚体比例。

图2 绿肥种植对土壤毛管孔隙度、非毛管孔隙度和总孔隙度的影响

图3 绿肥种植对土壤饱和持水量和毛管持水量的影响

图4 绿肥种植对不同土层土壤团聚体比例的影响

土壤团聚体MWD是表征土壤团聚体稳定性的关键指标，MWD值越大表明团聚体结构越稳定。由图5可知，在0—10 cm土层，与CK相比，怀豆，苏丹草和混播处理下的MWD分别提高了25.0%，25.7%和7.6%(p<0.05)，且怀豆和苏丹草处理MWD显著高于混播。在10—20 cm土层，苏丹草处理MWD较CK提高了6.4%(p<0.05)，而怀豆和混播与之相比无显著差异。

图5 不同绿肥种植下的土壤平均重量直径

2.4 土壤有机碳

不同处理土壤有机碳含量如图6所示。由图6可知，在0—10 cm，怀豆和混播处理的土壤有机碳含量较CK显著提高了11.0%和8.4%(p<0.05)，而苏丹草与之差异不显著。在10—20 cm，仅苏丹草处理的土壤有机碳较CK显著提高了12.4%。

2.5 绿肥生物量

不同处理绿肥生物量如图7所示。由图7可知，怀豆，苏丹草和混播处理的填闲生物量在2017—2019年差异均不显著，而在2019—2020年，苏丹草和混播较怀豆生物量增加了21.9%和41.6%(p<0.05)，且混播显著高于苏丹草。平均3 a来看，混播处理生物量显著高于怀豆。

2.6 相关性分析

由表1可知，供试土壤容重与土壤毛管孔隙度、总孔隙度、饱和持水量、毛管持水量和有机碳均呈现显著负相关，而毛管孔隙度与总孔隙度、饱和持水量、毛管持水量均呈显著正相关。总孔隙度、饱和持水量、毛管持水量、绿肥生物量和土壤有机碳之间均呈显著正相关。MWD仅与绿肥生物量呈显著正相关，而非毛管孔隙度与其他指标均无显著相关性。

图6 不同绿肥种植下的土壤有机碳

图7 不同绿肥填闲种植下的填闲生物量

表1 土壤物理性质指标之间及其与绿肥生物量和土壤有机碳之间的相关性

3 讨 论

3.1 绿肥填闲种植对土壤容重的影响

土壤容重是土壤最基础的物理性质指标，可以反映土壤的结构、持水性和透水性[22]。一般来说，土壤容重越低，土壤结构越疏松，有助于保持土壤水分、使作物根系加深以及促进土壤中的气体交换[23]。本研究中，与夏季休耕相比，种植苏丹草或与长武怀豆混播导致地表土壤容重显著降低，这与Kelly等[24]在美国高原和中原地区的研究相一致。Ghahremani[25]在伊朗地区时长两年的研究也表明，填闲作物单播或混播较裸地容重降低约13%。土壤容重是否降低还与绿肥填闲作物的种类有关。一项在美国中西部进行的玉米大豆轮作系统研究[26]表明，黑麦草单播、黑豌豆单播和二者混播相比休耕显著降低了0—5 cm土层容重，但3种绿肥处理之间的差异不显著。这与本研究的结果基本一致。这可能是由于种植填闲作物增加的生物量维持和增加了土壤有机质(图6—7)，从而降低了土壤容重。

3.2 绿肥填闲种植对土壤持水能力的影响

土壤持水能力可以反映土壤的抗旱和保水能力[27]，包括土壤结构、土壤总孔隙度、土壤毛管孔隙度等指标[28]。土壤孔隙度直接影响着土壤的通气性能，并能促进植物根系的生长，对作物的生长尤其重要[29]。本研究中，苏丹草单播和混播较裸地休闲相比显著提高了0—10 cm土层毛管孔隙度，且怀豆单播、苏丹草单播以及混播与裸地休闲相比均显著提高了总孔隙度，这与Restovich等[30]在阿根廷地区进行6 a的试验结果相一致。这是由于草本和禾本科植物具有广泛的纤维根系和生物量(图6)，能显著提高土壤通气状况。在Mulumba和Lal[31]在美国哥伦布地区为期11 a的研究表明，土壤总孔隙度会随着绿肥作物生物量的增加而增加。而Blazewicz-Wozniak[32]在波兰的研究也表明，绿肥作物生物量积累对0—20 cm土层总孔隙度有积极影响[31]。本研究也表明绿肥作物生物量的增加促进了毛管孔隙度和总孔隙度的增大(表1)。

土壤饱和持水量代表土壤的蓄水能力，毛管持水量代表着土壤的有效水含量。整体来看，本研究中3种绿肥处理在0—10 cm土层饱和持水量和毛管持水量均显著高于裸地处理，表明夏闲期种植绿肥能显著提高土壤持水能力。已有研究[33]发现，植被主要是通过提高土壤有机质含量，改善土壤结构，降低土壤容重和增加土壤毛管孔隙度等土壤物理特性，进而提高土壤持水能力。本文中，土壤饱和持水量、毛管持水量与绿肥填闲生物量和土壤有机碳均呈显著正相关，也证实了这一点。

3.3 绿肥填闲种植对土壤团聚作用的影响

土壤团聚体是良好的土壤结构单元，是土壤肥沃与否的标志之一[34]。而夏季休闲期引入覆盖作物，将植物残茬翻入土中作为土壤有机质和腐殖质的来源，有利于土壤团聚体形成和稳定[35]。在本研究中，绿肥作物均显著提高了0—10 cm土层>5 mm粒径所占比例，而在10—20 cm仅苏丹草单播显著提高了大团聚体比例，主要原因在于非豆科绿肥具有更高的生物量积累。

土壤团聚体稳定性是土壤结构、受侵蚀性和入渗性能的重要指标[36]。绿肥填闲种植对0—10 cm土层MWD值均有显著提升，且单播的效果优于混播，而在10—20 cm土层仅苏丹草单播处理下的MWD值有显著提高。Blanco-Canqui等研究[37]指出，旱地条件下，有机碳水平的提高可能是改变土壤团聚体粒径分布和稳定性的关键因素，通过加速细粒与粗粒的融合，增强土壤颗粒间的结合力，从而提升大团聚体比例和稳定性。而本文中MWD值与土壤有机碳含量并不相关，但与绿肥生物量呈显著正相关(表1)。在Cotrufo等的研究[38]中提到，绿肥植物残体的加入对土壤大团聚体的形成和稳定起着重要作用，且土壤有机质是通过微生物对植物残体的某一部分分解而形成的，这需要更长期的试验去验证。

4 结 论

在黄土高原地区，冬小麦夏闲期种植苏丹草或长武怀豆与苏丹草混播作为绿肥均显著降低了耕层土壤容重，同时长武怀豆单播、苏丹草单播或长武怀豆与苏丹草混播显著增加了土壤毛管孔隙度、总孔隙度、毛管持水量和饱和持水量。种植绿肥作物同时显著提高了>5 mm大团聚体比例，提高了团聚体稳定性，且单播效果显著优于混播。总之，研究区冬小麦夏闲期单播种植苏丹草、长武怀豆能或混播均能有效改善土壤物理结构，提高土壤物理肥力，其中苏丹草单播的效果优于长武怀豆单播和二者混播。