張 霞 張育林 劉 丹 杜昊輝 李 軍 王旭東

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院， 陜西楊凌 712100； 2.西北農(nóng)林科技大學(xué)農(nóng)學(xué)院， 陜西楊凌 712100)

0 引言

土壤團(tuán)聚體是由土粒和有機(jī)物質(zhì)膠結(jié)而形成的直徑為0.25～10 mm的結(jié)構(gòu)單位，其形成與土壤有機(jī)碳密不可分, 同時(shí)土壤團(tuán)聚體對(duì)土壤有機(jī)碳的物理保護(hù)可使有機(jī)碳減緩或免受礦化分解，對(duì)土壤固碳和土壤肥力的發(fā)揮具有十分重要的作用[1-3]。耕作是影響土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、有機(jī)碳礦化的主要人為因素[4-5]，頻繁的翻耕使土壤結(jié)構(gòu)遭到破壞，土壤有機(jī)碳含量下降[6]。很多研究表明，以少耕、免耕為主要內(nèi)容的保護(hù)性耕作對(duì)增加土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、提高土壤有機(jī)碳含量、增加土壤固碳能力有重要作用[7-9]。張祥彩等[10]研究表明，免耕、深松可分別提高0～10 cm、10～30 cm土層粒徑大于0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量。楊永輝等[11]在研究長(zhǎng)期免耕下土壤結(jié)構(gòu)與有機(jī)碳分布的特征時(shí)發(fā)現(xiàn)，長(zhǎng)期免耕處理有利于提高土壤大于0.5 mm大粒級(jí)團(tuán)聚體含量，顯著增加土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，并提高了0～40 cm土層總有機(jī)碳及各粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳含量。目前，國(guó)內(nèi)外關(guān)于不同耕作方式等對(duì)土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定及有機(jī)碳分布影響的研究較多[12-14]，但是關(guān)于作物種植方式對(duì)土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定及有機(jī)碳分布影響的研究不多，且多集中于水旱輪作、禾本科-豆科作物輪作的研究[15-17]，關(guān)于小麥連作與小麥/玉米輪作下土壤結(jié)構(gòu)及有機(jī)碳差異的研究較少。

渭北旱塬是黃土高原典型的旱作雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)，作為陜西省重要的糧食生產(chǎn)基地，冬小麥和春玉米是該地區(qū)的主要糧食作物，而降水短缺及其季節(jié)分布不均制約著作物生長(zhǎng)發(fā)育，農(nóng)民習(xí)慣采用“翻耕+淺旋”的耕作方式，長(zhǎng)期劇烈的土壤擾動(dòng)引發(fā)了該地區(qū)土壤結(jié)構(gòu)破壞嚴(yán)重、土壤有機(jī)碳礦化損失大、水分利用效率低等一系列問(wèn)題[18-19]。如何構(gòu)建適合當(dāng)?shù)氐母鞣绞?、改善土壤結(jié)構(gòu)、增加土壤固碳能力、提高作物產(chǎn)量和水分利用效率是亟待解決的問(wèn)題。為此，本文基于渭北旱塬的長(zhǎng)期定位試驗(yàn)，在小麥連作和小麥/玉米輪作兩種種植方式下，以耕作措施對(duì)土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、有機(jī)碳固定、小麥水分利用的影響為研究重點(diǎn)，探討不同種植方式與耕作措施下土壤結(jié)構(gòu)、有機(jī)碳與小麥產(chǎn)量、水分利用效率的關(guān)系，以期為渭北旱塬區(qū)選擇更有利于土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、有機(jī)碳積累、提高小麥水分利用效率的種植方式與耕作措施提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

長(zhǎng)期定位試驗(yàn)在陜西省合陽(yáng)縣甘井鎮(zhèn)進(jìn)行(35°19′54.45″N，110°05′58.35″E)，地屬黃土高原渭北旱塬溝壑區(qū)，海拔850 m，年平均氣溫10℃左右，年降水量約520 mm，年蒸發(fā)量約1 832.8 mm。降雨年際間分配不均，主要集中在7—9月。供試土壤為黑壚土，試驗(yàn)前土壤理化性質(zhì)如表1所示。

表1 2007年試驗(yàn)開(kāi)始前供試土壤理化性質(zhì)Tab.1 Physical and chemical properties of tested soil before beginning of experiment in 2007

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)于2007年9月—2016年6月進(jìn)行，試驗(yàn)期間無(wú)灌溉。試驗(yàn)采用裂區(qū)設(shè)計(jì)，主區(qū)為種植方式，分為小麥連作和小麥/玉米輪作2種，均為一年一熟制；副區(qū)為耕作方式，分為連年免耕(NN)、連年深松(SS)、免耕-深松(NS)和連年翻耕(CC)4種，兩種因素相互組合，共8個(gè)處理(表2)。試驗(yàn)設(shè)3次重復(fù)，小區(qū)面積22.5 m×5 m=112.5 m2。2007年試驗(yàn)開(kāi)始前長(zhǎng)期采用傳統(tǒng)翻耕耕作方式，前作作物為玉米，2007—2016年試驗(yàn)期間在小麥、玉米收獲后均全額秸稈粉碎覆蓋。供試小麥品種2007—2013年期間為晉麥47，2014年及以后為長(zhǎng)6 359。小麥/玉米輪作田玉米田供試玉米品種為豫玉22。小麥/玉米輪作田作物播種見(jiàn)表3。

表2 試驗(yàn)處理Tab.2 Experimental treatments

表3 2007—2016年小麥/玉米輪作田種植作物Tab.3 Cultivated crops in rotation in 2007—2016

小麥連作田中，施肥量N為150 kg/hm2，P2O5為120 kg/hm2，K2O為90 kg/hm2，生育期不追肥，其中氮肥、磷肥和鉀肥分別為尿素、磷酸二銨和氯化鉀。冬小麥播種時(shí)，旋耕切碎殘茬、平整地表和混合肥料后，采用條播機(jī)播種，每年9月下旬播種，次年6月中下旬收獲，行距20 cm。試驗(yàn)期間其他田間管理措施同當(dāng)?shù)卮筇?，無(wú)灌溉。

小麥/玉米輪作田中，小麥和玉米施基肥：N 150 kg/hm2、P2O5120 kg/hm2和K2O 90 kg/hm2，播前人工撒施肥料；作物生育期，小麥不追肥，玉米大喇叭口期追施N 150 kg/hm2，其中氮肥、磷肥、鉀肥分別為尿素、磷酸二銨和氯化鉀。小麥用條播機(jī)播種，每年9月下旬播種，次年6月中下旬收獲；玉米用點(diǎn)播機(jī)播種，每年4月下旬播種，9月中下旬收獲。試驗(yàn)期間其他田間管理措施同當(dāng)?shù)卮筇?，無(wú)灌溉。

免耕是指在作物收獲后將秸稈粉碎覆蓋地表，無(wú)其他措施，保持秸稈覆蓋地表越過(guò)休閑期；翻耕是指在作物收獲后將秸稈粉碎覆蓋地表，然后采用傳統(tǒng)鏵式犁(1LF-230型雙向反轉(zhuǎn)二鏵犁，耕寬60 cm，耕深20～30 cm)將土壤翻耕20～25 cm，秸稈翻埋于土壤中，地表裸露越過(guò)休閑期；深松是在作物收獲時(shí)將秸稈粉碎覆蓋于地表，采用深松機(jī)(型號(hào)為1S2200，耕寬50 cm，耕深30～40 cm)進(jìn)行深松，深度為30～35 cm，保持秸稈覆蓋地表越過(guò)休閑期。2007—2016年土壤耕作次序見(jiàn)表4。

表4 2007—2016年土壤輪耕次序Tab.4 Sequence of soil rotational tillage systems in 2007—2016

注： ST為深松；NT為免耕；CT為翻耕。

1.3 土樣采集與測(cè)定

2016年6月中下旬小麥?zhǔn)斋@后在田間取樣，每個(gè)處理多點(diǎn)分層取樣，分別采集0～10 cm、10～20 cm、20～35 cm和35～50 cm土層的原狀土樣，將采集的原狀土樣在室內(nèi)沿自然結(jié)構(gòu)輕輕掰成小土塊，過(guò)8 mm篩，自然風(fēng)干，用于團(tuán)聚體分析。

土壤各粒級(jí)水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量采用濕篩法(Elliot法)測(cè)定[20]，土壤有機(jī)碳含量采用重鉻酸鉀-外加熱法測(cè)定[21]。

1.4 計(jì)算公式

各粒級(jí)水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量計(jì)算公式為

(1)

式中WAi——各粒級(jí)水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量，%

Mi——各粒級(jí)水穩(wěn)性團(tuán)聚體質(zhì)量，g

M——土壤樣品總質(zhì)量，g

團(tuán)聚體平均重量直徑[22]計(jì)算公式為

(2)

式中IMWD——團(tuán)聚體平均重量直徑，mm

Xi——各粒級(jí)團(tuán)聚體的平均直徑，mm

各粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳對(duì)土壤有機(jī)碳的貢獻(xiàn)率計(jì)算公式為

(3)

式中Ai——各粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳對(duì)土壤有機(jī)碳的貢獻(xiàn)率，%

ISOCi——各粒級(jí)團(tuán)聚體中有機(jī)碳質(zhì)量比，g/kg

ISOC——土壤有機(jī)碳質(zhì)量比，g/kg

水分利用效率計(jì)算公式為

(4)

其中

ETa=We-Wb+P

(5)

W=DHCw

(6)

式中WUE——水分利用效率，kg/(hm2·mm)

Ya——單位面積的作物產(chǎn)量，kg/hm2

ETa——作物整個(gè)生育期耗水量，mm

We——作物播種時(shí)土壤蓄水量，mm

Wb——作物收獲時(shí)土壤蓄水量，mm

P——作物整個(gè)生育期降雨量，mm

W——土壤蓄水量，mm

D——土壤容重，g/cm3

H——土層厚度，cm

Cw——田間土壤含水率，%

1.5 數(shù)據(jù)處理

用Microsoft Excel 2007軟件進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)的計(jì)算與處理并作圖。用SAS 8.0 軟件進(jìn)行相關(guān)性分析和方差分析，顯著性檢驗(yàn)為Duncan新復(fù)極差法(P<0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同種植方式和耕作措施下農(nóng)田土壤團(tuán)聚體的變化

2.1.1土壤0～50 cm水穩(wěn)性團(tuán)聚體分布

不同處理下土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體分布如表5所示，從種植方式看，小麥/玉米輪作下耕層(0～20 cm土層)土壤大于0.25 mm大團(tuán)聚體含量(R0.25)均高于小麥連作下對(duì)應(yīng)耕作處理。從耕作措施來(lái)看，在0～10 cm土層，各粒級(jí)團(tuán)聚體(大于2 mm、1～2 mm、0.5～1 mm和0.25～0.5 mm)含量均以WCC處理最小，且在兩種種植方式下，各耕作處理的R0.25含量由大到小均表現(xiàn)為連年免耕、連年深松、免耕-深松、連年翻耕。在10～20 cm土層，8種處理的大于2 mm、0.5～1 mm粒級(jí)團(tuán)聚體含量差異不顯著；1～2 mm、0.25～0.5 mm粒級(jí)團(tuán)聚體含量分別以RNS、RNN處理最大，與連年翻耕處理相比，小麥連作下免耕、深松以及免耕-深松輪耕處理的R0.25含量均略有增加；小麥/玉米輪作下各耕作處理間的R0.25含量無(wú)顯著差異。在20～35 cm土層，各處理的大于2 mm粒級(jí)團(tuán)聚體含量差異不顯著；1～2 mm、0.5～1 mm、0.25～0.5 mm粒徑團(tuán)聚體含量均以RNS處理最大，與連年翻耕處理相比，除了小麥/玉米輪作下連年深松處理的R0.25含量顯著減少外，其他處理均變化不明顯。在35～50 cm土層，大于2 mm、1～2 mm、0.5～1 mm粒徑團(tuán)聚體含量均以RSS處理最大，0.25～0.5 mm粒徑團(tuán)聚體含量以RNN處理最大；與連年翻耕處理相比，小麥連作下免耕-深松處理的R0.25含量顯著增加；小麥/玉米輪作下其他耕作處理的R0.25含量均有所增加，且連年免耕、連年深松處理達(dá)差異顯著水平。

2.1.2種植方式和耕作措施對(duì)土壤中大于0.25 mm粒級(jí)團(tuán)聚體的交互作用

通過(guò)方差分析(表6)可知，種植方式和耕作措施對(duì)R0.25的影響不同。在0～10 cm表層，影響R0.25的因素中耕作措施的作用極顯著(P<0.01)，且種植方式和耕作措施的交互效應(yīng)對(duì)R0.25的作用也達(dá)到了極顯著水平(P<0.01)。在10～20 cm土層，種植方式和耕作措施對(duì)土壤R0.25的影響不大。在20～35 cm和35～50 cm土層，種植方式和耕作措施對(duì)R0.25均分別產(chǎn)生顯著影響(P<0.05)和極顯著影響(P<0.01)，且兩者的交互效應(yīng)對(duì)R0.25也有極顯著影響(P<0.01) 。

2.1.3土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體平均重量直徑變化

各處理水穩(wěn)性團(tuán)聚體平均重量直徑(MWD)受種植方式和耕作措施的交互效應(yīng)比較明顯(表7)。在0～10 cm和35～50 cm土層，種植方式和耕作措施的交互效應(yīng)對(duì)MWD均產(chǎn)生極顯著影響(P<0.01)。

在0～10 cm土層，小麥/玉米輪作下各耕作處理MWD高于小麥連作下對(duì)應(yīng)耕作處理；與連年翻耕處理相比，小麥連作下其他耕作處理的MWD均有所增加，其中免耕-深松處理達(dá)差異顯著水平；小麥/玉米輪作下各耕作處理間的MWD差異不顯著。在10～20 cm土層，小麥/玉米輪作下各耕作處理MWD高于小麥連作下對(duì)應(yīng)耕作處理；但在同一種植條件下，不同耕作之間差異不顯著。在20～35 cm土層，與連年翻耕處理相比，小麥連作下其他耕作處理的MWD均略有增加；小麥/玉米輪作下連年深松處理的MWD顯著減少。在35～50 cm土層，小麥連作下各耕作處理間的MWD差異不顯著；小麥/玉米輪作下連年免耕、連年深松處理的MWD顯著高于連年翻耕處理。

2.2 不同種植方式與耕作措施下農(nóng)田土壤有機(jī)碳含量變化

2.2.1土壤有機(jī)碳含量變化

如圖1所示，8個(gè)處理的土壤有機(jī)碳含量均隨土層加深而減少，且小麥/玉米輪作下各耕作處理0～50 cm土層的土壤有機(jī)碳(SOC)含量大多高于小麥連作下對(duì)應(yīng)耕作處理。表層土壤(0～10 cm)的有機(jī)碳含量由大到小順序?yàn)镽NS、RNN、WNN、WNS、RSS、WSS、RCC、WCC，在兩種種植方式下，連年免耕、連年深松、免耕-深松處理的SOC含量均顯著高于連年翻耕處理。在10～20 cm土層，各處理的SOC含量差異不大，但WNN處理顯著低于其他處理。在20～35 cm土層，兩種種植方式下的SOC含量由大到小均表現(xiàn)為免耕-深松、連年翻耕、連年深松、連年免耕。在35～50 cm土層，與連年翻耕處理相比，小麥連作下其他耕作處理的SOC含量無(wú)明顯變化；小麥/玉米輪作下的連年深松、連年免耕顯著減少。

表5 不同處理下土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體的分布Tab.5 Distribution of water stable aggregate under different treatments %

注：同一列不同小寫(xiě)字母表示不同處理之間差異達(dá)到顯著水平(P<0.05)，下同。

表6 種植方式、耕作措施對(duì)土壤中大于0.25 mm團(tuán)聚體的二因素方差分析Tab.6 Two-factor variance analysis of different cropping methods，tillage systems and their interaction on water stable aggregate of size larger than 0.25 mm

注：P表示種植方式；T表示耕作措施；*表示差異達(dá)0.05水平；** 表示差異達(dá)0.01水平；下同。

2.2.2各粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳含量變化

由表8可知，隨著土層的加深以及團(tuán)聚體粒徑變小，其有機(jī)碳含量呈降低趨勢(shì)。整體上看，小麥/玉米輪作下各粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳含量大多高于小麥連作下對(duì)應(yīng)耕作處理。在0～10 cm土層，大于0.25 mm各粒級(jí)大團(tuán)聚體有機(jī)碳含量均以WCC處理最小，且在兩種種植方式下其他耕作處理大于0.25 mm各粒級(jí)大團(tuán)聚體有機(jī)碳含量均高于連年翻耕處理。在10～20 cm土層，小麥連作和小麥/玉米輪作下，與連年翻耕相比，連年免耕、連年深松主要增加了大于2 mm粒徑團(tuán)聚體有機(jī)碳含量，免耕-深松則增加了1～2 mm、0.5～1 mm、0.25～0.5 mm、0～0.25 mm粒徑團(tuán)聚體有機(jī)碳含量。在20～35 cm土層，大于2 mm、1～2 mm、0.5～1 mm 粒徑團(tuán)聚體有機(jī)碳含量以RNS處理最大，0.25～0.5 mm、0～0.25 mm粒徑團(tuán)聚體有機(jī)碳含量以RSS處理最大，與連年翻耕相比，兩種種植方式下連年免耕處理的各粒徑團(tuán)聚體有機(jī)碳含量有所減少，免耕-深松處理有所增加，連年深松處理變化不顯著。在35～50 cm土層，各粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳含量均以RNS處理最大，且與連年翻耕相比，兩種種植方式下連年免耕、連年深松處理的各粒徑團(tuán)聚體有機(jī)碳含量變化不顯著，免耕-深松處理則有所增加。

表7 不同種植方式和耕作措施對(duì)土壤團(tuán)聚體MWD的影響Tab.7 Effects of different cropping methods and tillage systems on soil water-stable aggregate mean weight diameter (MWD)

圖1 土壤有機(jī)碳質(zhì)量比的變化Fig.1 Soil organic carbon content

2.2.3各粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳貢獻(xiàn)率變化

不同處理下土壤各粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳貢獻(xiàn)率的變化如圖2所示，在0～10 cm土層，小麥/玉米輪作下大于0.25 mm各粒級(jí)大團(tuán)聚體有機(jī)碳貢獻(xiàn)率均高于小麥連作下對(duì)應(yīng)耕作處理，且與連年翻耕相比，在小麥連作下，其他耕作處理的大于0.25 mm各粒級(jí)大團(tuán)聚體有機(jī)碳貢獻(xiàn)率均有所增加；在小麥/玉米輪作下，連年免耕、連年深松增加了0.5～1 mm粒徑團(tuán)聚體有機(jī)碳貢獻(xiàn)率，免耕-深松則增加了小于1 mm各粒徑團(tuán)聚體有機(jī)碳貢獻(xiàn)率。在10～20 cm土層，小麥連作下，連年免耕、免耕-深松處理大于0.25 mm各粒級(jí)大團(tuán)聚體有機(jī)碳貢獻(xiàn)率均高于連年翻耕處理，連年深松則增加了大于2 mm、1～2 mm、0.25～0.5 mm粒徑團(tuán)聚體有機(jī)碳貢獻(xiàn)率；在小麥/玉米輪作下，與連年翻耕相比，連年免耕增加了1～2 mm、0.25～0.5 mm粒徑團(tuán)聚體有機(jī)碳貢獻(xiàn)率，免耕-深松則增加了1～2 mm、0～0.25 mm粒徑團(tuán)聚體有機(jī)碳貢獻(xiàn)率。在20～35 cm土層，大于0.25 mm各粒級(jí)大團(tuán)聚體有機(jī)碳含量均以RNS處理最大，且與連年翻耕相比，在小麥連作下，連年免耕、連年深松、免耕-深松處理的1～2 mm粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳貢獻(xiàn)率均有所增加；在小麥/玉米輪作下，連年免耕增加了0.5～1 mm粒徑團(tuán)聚體有機(jī)碳貢獻(xiàn)率，連年深松增加了0～0.25 mm粒徑團(tuán)聚體有機(jī)碳貢獻(xiàn)率，免耕-深松處理大于0.25 mm各粒級(jí)大團(tuán)聚體有機(jī)碳貢獻(xiàn)率均有所增加。在35～50 cm土層，與連年翻耕相比，在小麥連作下，連年免耕處理增加了小于2 mm各粒徑團(tuán)聚體有機(jī)碳貢獻(xiàn)率，連年深松處理增加了0～0.25 mm粒徑團(tuán)聚體有機(jī)碳貢獻(xiàn)率，免耕-深松處理則增加了大于0.25 mm各粒徑大團(tuán)聚體有機(jī)碳貢獻(xiàn)率；在小麥/玉米輪作下，連年免耕、連年深松處理大于0.25 mm各粒級(jí)大團(tuán)聚體有機(jī)碳貢獻(xiàn)率均有所增加，免耕-深松處理則增加了小于1 mm各粒徑團(tuán)聚體有機(jī)碳貢獻(xiàn)率。

表8 不同處理下土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體有機(jī)碳質(zhì)量比分布Tab.8 Distribution of aggregate-associated organic carbon under different treatments g/kg

圖2 不同處理下土壤各粒級(jí)水穩(wěn)定性團(tuán)聚體有機(jī)碳貢獻(xiàn)率的變化Fig.2 Contribution of aggregate-associated organic carbon to soil total organic carbon under different treatments

2.2.4種植方式和耕作措施對(duì)土壤大于0.25 mm大團(tuán)聚體有機(jī)碳貢獻(xiàn)率的交互作用

通過(guò)方差分析(表9)可知，在0～50 cm各土層，種植方式、耕作措施對(duì)大于0.25 mm大團(tuán)聚體有機(jī)碳貢獻(xiàn)率(ISOC0.25)的影響均達(dá)到極顯著水平 (P<0.01)，且種植方式和耕作措施的交互效應(yīng)對(duì)ISOC0.25也產(chǎn)生極顯著影響(P<0.01)。

2.3 種植方式和耕作措施對(duì)土壤水分利用和小麥產(chǎn)量的影響

由表10可知，小麥產(chǎn)量由大到小順序依次為RNS、WNS、WSS、RCC、WNN、WCC、RNN、RSS，在小麥連作和小麥/玉米輪作兩種種植方式下，小麥產(chǎn)量均以免耕-深松處理最高，分別比連年翻耕處理增加了14.25%、19.30%。小麥/玉米輪作下各耕作處理的水分利用效率(WUE)均高于小麥連作對(duì)應(yīng)耕作處理；在小麥連作下，其他耕作處理的WUE均顯著高于連年翻耕處理，免耕-深松處理的WUE增加幅度最大，為24.98%；在小麥/玉米輪作下，與連年翻耕處理相比，免耕-深松理的WUE增加顯著，增加幅度為9.89%。

表9 種植方式、耕作措施對(duì)土壤中大于0.25 mm大團(tuán)聚體有機(jī)碳貢獻(xiàn)率的二因素方差分析Tab.9 Two-factor variance analysis of different cropping methods，tillage systems and their interaction on contributing rate of soil organic carbon in water-stable aggregate of size larger than 0.25 mm

2.4 小麥產(chǎn)量和水分利用效率與土壤性狀的相關(guān)性

由表11可知，R0.25、MWD與SOC均呈顯著正相關(guān)；ISOC0.25與R0.25、MWD、SOC呈極顯著正相關(guān)；WUE與R0.25、MWD、SOC、ISOC0.25呈顯著正相關(guān)。進(jìn)一步分析不同土層各因子的相關(guān)性表明(表12)，小麥產(chǎn)量與20～35 cm土層的R0.25、ISOC0.25呈顯著正相關(guān)，并與35～50 cm土層的SOC呈顯著正相關(guān)；WUE與0～10 cm、10～20 cm、20～35 cm土層的MWD以及ISOC0.25呈顯著正相關(guān)，并與20～35 cm、35～50 cm土層的SOC呈顯著正相關(guān)。

表10 2016年不同處理下的小麥產(chǎn)量和水分利用效率Tab.10 Wheat yield and water use efficiency under different treatments in 2016

表11 小麥產(chǎn)量和水分利用效率與土壤性狀的相關(guān)系數(shù)Tab.11 Correlation coefficients between wheat yield and water use efficiency and soil properties

表12 小麥產(chǎn)量、WUE與各土層土壤水穩(wěn)定性團(tuán)聚體、有機(jī)碳的相關(guān)系數(shù)Tab.12 Correlation coefficients of wheat yield, WUE and soil water aggregate and organic carbon in different soil layers

3 討論

3.1 種植方式和耕作措施對(duì)土壤團(tuán)聚體的影響

土壤團(tuán)聚體作為評(píng)價(jià)土壤結(jié)構(gòu)質(zhì)量的重要指標(biāo)，其含量和穩(wěn)定性能夠直接影響土壤結(jié)構(gòu)質(zhì)量的優(yōu)劣，并影響著土壤水分利用、養(yǎng)分運(yùn)移和作物生長(zhǎng)[23-24]。本研究結(jié)果表明，不同種植方式和耕作措施下的各粒級(jí)團(tuán)聚體在0～50 cm各土層表現(xiàn)出不同的分布趨勢(shì)。從種植方式來(lái)看，小麥/玉米輪作下耕層土壤大于0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體(R0.25)含量以及水穩(wěn)性團(tuán)聚體的平均重量直徑(MWD)高于小麥連作，說(shuō)明小麥/玉米輪作比小麥連作更有利于耕層土壤水穩(wěn)定性團(tuán)聚體形成，提高耕層土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體穩(wěn)定性，這與李海波等[25]研究結(jié)果一致。土壤團(tuán)聚體受耕作影響較大，頻繁的耕作阻礙團(tuán)聚體的形成，降低土壤中大團(tuán)聚體穩(wěn)定性[26]。侯賢清等[27]研究發(fā)現(xiàn)，與連年翻耕相比，免耕與深松組合的隔年輪耕措施土壤中大于0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量增加顯著；王勇等[28]研究表明，免耕、深松等措施均可增加土壤大于0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量。本研究發(fā)現(xiàn)，連年免耕(NN)、連年深松(SS)以及免耕-深松(NS)輪耕處理主要增加了表層土壤(0～10 cm)水穩(wěn)性團(tuán)聚體的R0.25含量，這一方面是因?yàn)镹N、SS、NS耕作處理秸稈覆蓋地表，增加了0～10 cm表層土壤有機(jī)物質(zhì)輸入，而有機(jī)質(zhì)作為膠結(jié)劑促進(jìn)團(tuán)聚體形成，相關(guān)性分析(表11)中R0.25與土壤有機(jī)碳含量呈顯著正相關(guān)也進(jìn)一步證明了這一點(diǎn)；另一方面是因?yàn)橄鄬?duì)于翻耕(CC)處理，NN、NS處理減少了機(jī)械對(duì)土壤的擾動(dòng)，降低了耕作對(duì)土壤結(jié)構(gòu)體的破壞。另外，無(wú)論是小麥連作，還是小麥/玉米輪作，NS處理還對(duì)35～50 cm土層的R0.25含量有一定的增加作用，說(shuō)明免耕-深松輪耕方式能夠影響到更深層土壤結(jié)構(gòu)的形成。

對(duì)各處理的土壤水穩(wěn)定性團(tuán)聚體的MWD進(jìn)行比較時(shí)發(fā)現(xiàn)，在小麥連作下，連年免耕、連年深松、免耕—深松處理均增加了表層土壤(0～10 cm)水穩(wěn)性團(tuán)聚體的MWD，而在小麥/玉米輪作下，各耕作處理的MWD表現(xiàn)出無(wú)明顯規(guī)律，這可能是因?yàn)閮煞N種植方式下的種植作物不一樣，其作物根系生長(zhǎng)及分泌物、作物還田秸稈的數(shù)量和質(zhì)量、土壤微生物的差異導(dǎo)致的，有待進(jìn)一步深入研究。

3.2 種植方式和耕作措施對(duì)土壤有機(jī)碳的影響

連續(xù)9年的定位試驗(yàn)表明，土壤有機(jī)碳含量受種植方式、耕作措施及兩者的交互作用影響顯著(表8)。小麥/玉米輪作下土壤有機(jī)碳以及各粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳含量大多高于小麥連作下對(duì)應(yīng)耕作處理，這主要是因?yàn)樾←?玉米輪作下玉米季還田的秸稈量較多，增加了農(nóng)田土壤的有機(jī)物質(zhì)輸入。從耕作處理來(lái)看，與連年翻耕相比，連年免耕處理、連年深松處理均能顯著增加0～10 cm土壤有機(jī)碳含量；免耕-深松處理則對(duì)0～50 cm各土層的有機(jī)碳含量均有增加作用，與李景等[29]研究結(jié)果一致。土壤團(tuán)聚體的形成與土壤有機(jī)碳密不可分，同時(shí)土壤團(tuán)聚體對(duì)有機(jī)碳亦有保護(hù)作用[30]。ISOC0.25與R0.25、MWD、SOC呈正相關(guān)也說(shuō)明了土壤團(tuán)聚體與有機(jī)碳之間的相互耦合關(guān)系(表11)。相對(duì)于連年翻耕處理，連年免耕、連年深松、免耕-深松處理不但能提高表層(0～10 cm)土壤各粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳含量，對(duì)表層土壤大于0.25 mm大團(tuán)聚體有機(jī)碳貢獻(xiàn)率(ISOC0.25)也有一定的增加作用。這是因?yàn)樵谶B年免耕、連年深松、免耕-深松處理下秸稈覆蓋于地表，增加了表層有機(jī)物質(zhì)的輸入，且土壤翻動(dòng)小，降低了有機(jī)質(zhì)的礦化，促進(jìn)土壤表層有機(jī)碳含量的增加以及團(tuán)聚體的形成，從而使表層土壤各粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳含量以及ISOC0.25均有所增加；同時(shí)，由于連年免耕、連年深松、免耕-深松處理對(duì)土壤結(jié)構(gòu)體破壞小，也進(jìn)一步增加了對(duì)有機(jī)碳的保護(hù)作用。另外，免耕-深松處理對(duì)35～50 cm土層土壤各粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳含量以及ISOC0.25也有增加作用，這可能是因?yàn)槊飧?深松處理的隔年深松耕作打破土壤犁底層，疏松底土，增加土壤透氣性，促進(jìn)作物根系生長(zhǎng)發(fā)育，留下的根系殘?bào)w較多，進(jìn)而提高了深層土壤有機(jī)碳含量。

3.3 小麥產(chǎn)量和水分利用效率的變化及其與土壤性狀的關(guān)系

本研究發(fā)現(xiàn)，與連年翻耕相比，免耕-深松處理可以顯著提高小麥產(chǎn)量，且由相關(guān)性分析可知(表11)，小麥產(chǎn)量與20～35 cm土層的R0.25、ISOC0.25呈顯著正相關(guān)，并與35～50 cm土層的SOC呈顯著正相關(guān)，表明在免耕-深松處理下，土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性提高，有機(jī)碳含量增加，使作物生長(zhǎng)環(huán)境得到改善，小麥產(chǎn)量增加，這與ZHANG等[31]研究結(jié)果一致。

在渭北旱塬地區(qū)水分短缺是制約農(nóng)作物生長(zhǎng)的重要因素，提高水分利用效率對(duì)作物增產(chǎn)有重要意義。通過(guò)相關(guān)分析發(fā)現(xiàn)，WUE與土壤水穩(wěn)定性團(tuán)聚體R0.25、MWD呈顯著正相關(guān)，且與0～10 cm、10～20 cm、20～35 cm土層的MWD也呈顯著正相關(guān)，表明土壤結(jié)構(gòu)體大小和穩(wěn)定性是影響小麥WUE關(guān)鍵因素，且隨著土壤水穩(wěn)定性團(tuán)聚體R0.25、MWD的增加，土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性逐漸增強(qiáng)，提高了WUE。姬強(qiáng)等[32]研究表明，有機(jī)碳的增加會(huì)促進(jìn)提高土壤水分利用效率。本研究發(fā)現(xiàn)WUE與SOC、ISOC0.25呈顯著正相關(guān)，并與0～10 cm、10～20 cm、20～35 cm土層的ISOC0.25呈顯著正相關(guān)，這表明有機(jī)碳的提高有利于促進(jìn)提高土壤水分利用效率，且大于0.25 mm團(tuán)聚體中的有機(jī)碳對(duì)作物的水分利用效率影響顯著。在對(duì)比各處理的水分利用效率時(shí)，本研究發(fā)現(xiàn)，小麥/玉米輪作下水分利用效率高于小麥連作下對(duì)應(yīng)耕作處理，這可能與小麥/玉米輪作下土壤有機(jī)碳含量較高，土壤結(jié)構(gòu)相對(duì)較好，小麥生育期蓄水量較大有關(guān)。相對(duì)于連年翻耕，免耕-深松處理的水分利用效率增加顯著，這主要是因?yàn)樵诿飧?深松處理下作物秸稈覆蓋于土壤表層，減少了土壤水分的蒸發(fā)，增強(qiáng)了土壤蓄水能力，且隔年深松措施打破了犁底層，有利于增加土壤通透性，改善土壤結(jié)構(gòu)，促進(jìn)水分的傳輸，增強(qiáng)了土壤供給作物水分的能力，與前人研究結(jié)果一致[33]。

4 結(jié)論

(1)9年的田間定位試驗(yàn)表明，在渭北高原黑壚土地區(qū)，小麥/玉米輪作田耕層土壤大于0.25 mm水穩(wěn)性大團(tuán)聚體含量、水穩(wěn)性大團(tuán)聚體平均重量直徑均高于小麥連作田，土壤結(jié)構(gòu)更為穩(wěn)定；且小麥/玉米輪作下土壤有機(jī)碳以及團(tuán)聚體有機(jī)碳含量較高，更有利于土壤固碳。對(duì)比兩種種植方式下的水分利用效率，小麥/玉米輪作下的水分利用效率也高于小麥連作方式。

(2)從耕作措施來(lái)看，相對(duì)于連年翻耕處理，連年免耕、連年深松處理主要增加了0～10 cm土層大于0.25 mm水穩(wěn)性大團(tuán)聚體含量、有機(jī)碳含量以及各粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳含量，并提高了表層土壤大于0.25 mm大團(tuán)聚體有機(jī)碳貢獻(xiàn)率。免耕-深松處理則均增加0～50 cm各土層的有機(jī)碳含量，且能提高0～10 cm和35～50 cm土壤R0.25、各粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳含量以及大于0.25 mm大團(tuán)聚體有機(jī)碳貢獻(xiàn)率。與連年翻耕處理相比，免耕-深松處理對(duì)小麥增產(chǎn)作用較大，且水分利用效率增加顯著。綜合來(lái)看，免耕-深松耕作不僅提高了土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體及有機(jī)碳的含量，且對(duì)提高小麥產(chǎn)量、水分利用效率也有顯著效果，是該地區(qū)較適宜的耕作模式。