劉 敏，趙 財，范 虹，殷 文，樊志龍，胡發(fā)龍，孫亞斌

（省部共建干旱生境作物學國家重點實驗室/甘肅農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院，蘭州 730070）

0 引言

河西綠洲灌區(qū)光熱充沛，但降雨稀少，潛在蒸發(fā)大，資源性水資源短缺是限制農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主要因素。地膜覆蓋是該地區(qū)節(jié)水的重要農(nóng)藝措施，但傳統(tǒng)覆膜方式是作物收獲后進行地膜回收翻耕，翌年播種時覆蓋新膜，地膜的大量投入造成土壤地膜殘留、土地質量下降，同時長期頻繁地犁翻土壤導致表層土壤結構穩(wěn)定性下降，加劇農(nóng)田表層土壤的流失和養(yǎng)分損失[1]。因此，傳統(tǒng)覆膜耕作方式亟需改良。

良好的土壤物理結構有利于作物根系生長，也是作物實現(xiàn)高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的基礎。研究發(fā)現(xiàn)，1～2 mm粒徑團聚體土壤不僅有利于大豆發(fā)芽出苗，而且顯著增加冠部干重、苗高及葉面積[2]，在生產(chǎn)上可以通過免耕增加土壤小粒徑團聚體數(shù)量和比例。李海潮等[3]研究發(fā)現(xiàn)不同容重的土壤，隨土壤容重增大玉米根系生長受阻、氣生根數(shù)減少，根系衰老的速率加快；同時土壤容重對土壤調節(jié)水、氣、熱能力存在影響，通過提高土壤的自動調節(jié)能力可以使土壤肥力水平得以提高并滿足植物對生長因子的持續(xù)需求[4]。研究表明免耕有利于增加土壤大團聚體含量、大孔隙數(shù)量[5]，并在增加土壤有機質、土壤持水性和通透性等方面具有明顯效果[6]。目前，舊膜的循環(huán)再利用與免耕有機結合形成的覆膜免耕技術，在玉米、小麥、胡麻、馬鈴薯等多種作物生產(chǎn)中應用[7-10]。同時研究發(fā)現(xiàn)，舊膜再利用較不覆膜種植具有一定的增溫保墑效果[11]，增產(chǎn)效果顯著，并減少了地膜和田間作業(yè)投入。而間作是一種基于生態(tài)多樣性，提高土地利用率和作物產(chǎn)量[12]，實現(xiàn)資源高效利用和低碳農(nóng)業(yè)協(xié)調發(fā)展[13]的重要農(nóng)作措施。研究發(fā)現(xiàn)，間作可以增加土壤大顆粒團聚體的比例并提高其有機碳含量[14]；玉米間作豌豆種植模式不僅可以提高豆科作物的固氮能力[15]，還可以改善間作土壤養(yǎng)分，并顯著提高作物氮素利用效率和作物產(chǎn)量[16]。因此，通過長期定位試驗，檢測土壤團聚體含量、土壤容重、孔隙度等土壤物理性狀指標，探明覆膜免耕和間作嵌套的種植模式對土壤的物理性質的影響，對光熱資源一熟有余、兩熟不足的河西灌區(qū)發(fā)展多熟種植具有重要意義。

為此，本研究借助2013年在河西綠洲灌區(qū)布設的長期保護性耕作定位試驗，通過分析不同耕作措施和種植模式對農(nóng)田主要土壤物理指標及產(chǎn)量的影響，旨在探索實現(xiàn)干旱區(qū)綠洲資源高效利用、提升綠洲灌區(qū)農(nóng)田土壤物理特性和地膜減投的高效農(nóng)作措施，為該區(qū)域農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供理論指導和實踐依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗地點位于甘肅農(nóng)業(yè)大學綠洲農(nóng)業(yè)科研教學基地（37°31′N，103°50′E，海拔 1506 m），年平均氣溫7.5℃，常年降雨量156 mm，年蒸發(fā)量2400 mm，全年平均日照時數(shù)2700～3030 h，無霜期約155天。試驗區(qū)土壤為灌漠土，該區(qū)光照充足，適合發(fā)展間作，玉米間作豌豆是該地區(qū)主要的間作種植模式。

1.2 試驗設計

試驗于2013—2020年進行，設置傳統(tǒng)覆膜耕作(CT)、覆膜免耕(NT)2個主處理，單作豌豆(P)、單作玉米(M)、玉米間作豌豆(M//P)3個副處理。每個處理設3次重復，小區(qū)面積為5.5 m×8 m=44 m2，試驗處理及代碼如表1所示。其中：傳統(tǒng)覆膜耕作(CT)是指玉米收獲后進行殘留地膜回收再翻耕，翌年播種時旋耕耙耱后再覆蓋新膜；覆膜免耕(NT)，前茬玉米覆膜收獲后免耕，次年直接在舊膜上播種玉米。單作玉米(M)、豌豆(P)的種植密度為9萬株/hm2和80萬株/hm2，行距為40、20 cm。玉米與豌豆間作模式(M//P)采用4:3種植，玉米行距40 cm，豌豆行距20 cm，玉米與豌豆間距25 cm，其中玉米密度為5.2萬株/hm2，豌豆密度為76萬株/hm2。

表1 試驗處理及代碼

供試玉米(Zea mays L.)品種為‘先玉335’，豌豆(Pisum sativum L.)品種為‘隴豌1號’。灌溉及施肥制度與當?shù)馗弋a(chǎn)田保持一致，灌溉定額4650 m3/hm2；玉米總施氮量為360 kg/hm2，豌豆總施氮量為135 kg/hm2，磷肥按照N:P為2:1的比例全部作為基肥施用。

1.3 測定指標和計算方法

1.3.1 土壤團聚體組成 分別于2019年9月20日和2020年9月23日，在玉米收獲后取0～30 cm土層土壤樣品，每10 cm為一層，每個處理3次重復，其中間作種植處理取樣時，在玉米帶和豌豆帶分別隨機采集2點，混合為1個土樣。土壤團聚體采用濕篩法進行測定，將樣品放置于孔徑自上而下為2、1、0.5、0.25 mm的各級套篩之上，進行振蕩篩分5 min（30次/min），最后將各級篩層團聚體洗入鋁盒中，烘干稱重，根據(jù)公式(1)計算所得各粒徑團聚體質量百分比[17]。

式中Ai為某粒級團聚體的質量百分數(shù)(%)；Gi為該粒級團聚體的烘干質量(g)；MT為團聚體總質量(g)。

1.3.2 土壤團聚體平均重量直徑(MWD)根據(jù)式(2)計算土壤團聚體平均重量直徑[18]。

1.3.3 土壤容重和孔隙度 采用環(huán)刀法，分別對土層深度為0～10、10～20、20～30 cm的容重進行測定，各層次3次重復，取樣時間與團聚體取樣時間相同。根據(jù)式(3)計算容重[19]，式(4)為土壤總孔隙度的計算方法。

式中，pd為某層土壤的容重(g/cm3)；M為質量(g)；V為單位體積(cm3)。

其中土壤比重近似2.65 g/cm3。

1.3.4 產(chǎn)量 測產(chǎn)以小區(qū)為單位，單打單收，自然風干后稱重，用水分儀測定水分后，按13%含水量折合成公頃產(chǎn)量。

1.4 數(shù)據(jù)分析

所有數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2019和SPSS 19.0統(tǒng)計軟件進行整理與統(tǒng)計分析，處理間的顯著性檢驗采用Duncan法(α=0.05)。

2 結果與分析

2.1 不同耕作和種植模式下土壤水穩(wěn)性團聚體含量的構成

耕作措施和種植模式及二者交互作用對土壤水穩(wěn)性團聚體含量有顯著影響（圖1）。覆膜免耕處理(NT)較傳統(tǒng)耕作處理(CT)顯著增加了≥0.25 mm水穩(wěn)性團聚體含量，2年中各土層中水穩(wěn)性大團聚體的含量NT較CT增加了2.02%～7.76%。說明覆膜免耕對耕層土壤的擾動小，減少了土壤機械破壞造成土壤團聚體破碎，從而增加了土壤大團聚體的含量，進而改善土壤物理結構。間作種植處理(M//P)下大團聚體含量顯著高于單作，NTM//P分別較NTP和NTM增加12.60%～20.11%和7.05%～9.03%；CTM//P分別較CTP和CTM增加14.48%～19.28%和8.94%～11.55%；且NTM//P與CTM//P差異顯著，NTM//P較CTM//P增加了2.20%～5.80%。說明覆膜免耕間作種植模式有利于大團聚體的形成。

圖1 不同耕作措施和種植模式下農(nóng)田土壤團聚體組成

2.2 不同耕作和種植模式對土壤團聚體平均重量直徑(MWD)的影響

耕作措施和種植模式對土壤團聚體平均重量直徑(MWD)有顯著影響，且兩者的交互作用僅對0～10 cm土層的MWD影響顯著（表2）。2個試驗年度中，各處理的MWD值均呈現(xiàn)均隨著土層深度增加而降低的趨勢。覆膜免耕處理較傳統(tǒng)耕作處理顯著提升了土壤團聚體平均重量直徑，NT較CT在各土層中MWD值提升了2.42%～4.14%。說明覆膜免耕有利于提高團聚體的團聚度，增強團聚體的穩(wěn)定性。間作種植處理下MWD值顯著高于單作，其中NTM//P分別較NTP和NTM增加9.72%～12.29%和5.76%～8.00%；CTM//P分別較CTP和CTM增加9.62%～12.44%和4.01%～7.57%；且NTM//P與CTM//P在0～10 cm土層間差異顯著，NTM//P較CTM//P增加了1.63%～4.64%。說明覆膜免耕間作種植模式有利于表層大團聚體的形成并提高其穩(wěn)定性。

表2 不同耕作措施和種植模式下土壤不同深度團聚體幾何平均直徑 mm

2.3 不同耕作和種植模式對土壤容重的影響

耕作措施和種植模式對土壤容重有顯著影響，而二者互作效應對其影響不顯著（圖2）。2個試驗年度中，各處理土壤容重均隨土層深度的增加而升高，覆膜免耕處理(NT)較傳統(tǒng)耕作處理(CT)顯著降低了0～30 cm土層土壤容重，2年中各個土層土壤容重NT較CT分別降低了1.31%、1.32%和1.57%。說明經(jīng)過2年的免耕土壤緊實度下降，相比長期傳統(tǒng)覆膜翻耕處理，免耕減小了機械對土壤的擾動和壓實作用，有利于土壤結構體的穩(wěn)步發(fā)育。玉米間作豌豆處理下土壤容重顯著低于單作種植模式，其中NTM//P分別較NTP和NTM土壤容重降低1.34%～4.49%和2.00%～3.25%；CTM//P分別較CTP和CTM降低1.27%～3.92%和1.37%～3.89%。說明間作種植模式較單作能有效降低土壤容重。

圖2 不同耕作措施和種植模式下不同深度土壤容重

2.4 不同耕作和種植模式對土壤孔隙度的影響

耕作措施與種植模式對土壤孔隙度有顯著影響，耕作措施×種植模式互作效應對其影響不顯著（表3）。2個試驗年度中各處理土壤孔隙度均隨土層深度的增加而減小，在0～30 cm土層中覆膜免耕處理(NT)與傳統(tǒng)耕作處理(CT)間差異顯著，NT較CT土壤孔隙度增加了1.97%、2.10%、2.28%。說明免耕可以在一定程度上增加土壤的通透性，形成較疏松多孔的土壤結構。玉米間作豌豆處理下土壤孔隙度顯著高于單作種植模式，其中NTM//P分別較NTP和NTM土壤孔隙度增加3.79%～6.44%和2.01%～4.20%；CTM//P分別較CTP和CTM提高低3.12%～4.74%和1.39%～3.26%。說明間作模式能提高土壤總孔隙度，增加土壤的透水透氣性。

表3 不同耕作措施和種植模式下不同深度土壤孔隙度 %

2.5 不同耕作和種植模式對作物產(chǎn)量的影響

種植模式顯著影響玉米籽粒產(chǎn)量，耕作措施、耕作措施×種植模式的互作效應對玉米籽粒產(chǎn)量的影響不顯著（表4）。在同一耕作處理下，玉米籽粒產(chǎn)量在單作、間作兩種不同種植模式間差異顯著。覆膜免耕(NT)處理下，單位面積間作玉米籽粒產(chǎn)量較單作玉米顯著增產(chǎn)31.92%～33.38%；傳統(tǒng)耕作處理(CT)下，單位面積間作玉米籽粒產(chǎn)量較單作玉米顯著增產(chǎn)29.41%～31.68%。說明一膜兩年用玉米產(chǎn)量與傳統(tǒng)覆膜相當，同時玉米間作豌豆模式有利于提高玉米的籽粒產(chǎn)量。

表4 不同耕作措施和種植模式下作物產(chǎn)量 kg/hm2

3 結論

與傳統(tǒng)覆膜相比，NT顯著增加了0～30 cm土層水穩(wěn)性大團聚體含量與土壤團聚體穩(wěn)定性，并降低了耕層的土壤容重，增加了表層土壤的通透性；在覆膜免耕條件下，M//P處理下≥0.25 mm水穩(wěn)性團聚體含量、MWD值以及土壤孔隙度顯著高于單作，更能有效改善土壤結構。本試驗中，覆膜免耕玉米產(chǎn)量與傳統(tǒng)覆膜相當，而種植模式對玉米籽粒產(chǎn)量有顯著影響，單位面積間作玉米籽粒產(chǎn)量在兩種耕作措施下分別較單作玉米增加29.41%～31.68%、31.92%～33.38%。因此，覆膜免耕方式下禾豆間作種植模式是該區(qū)域改善農(nóng)田土壤物理特性、提高作物產(chǎn)量、實現(xiàn)資源高效利用的有效農(nóng)作措施。

4 討論

土壤團聚體是土壤結構構成的基礎，影響土壤的各種理化性質，其含量與穩(wěn)定性是衡量土體安全、土壤肥沃的評價指標之一[20]，并且與土壤的通透性、透水性以及養(yǎng)分儲存等能力有密切關系[21]。MWD是反映土壤團聚體穩(wěn)定性的常用指標，其值越大，表示團聚體的平均粒徑團聚度越高，穩(wěn)定性越強[22]。武均等[23]研究發(fā)現(xiàn)，較傳統(tǒng)耕作相比，免耕在一定程度上可以提高＞0.25 mm團聚體含量；何如等[24]研究發(fā)現(xiàn)，相比與免耕處理，傳統(tǒng)耕作處理下＞0.25 mm團聚體含量降低了2.20%～9.10%。本研究得出相似結論，在0～30 cm土層≥0.25 mm水穩(wěn)性團聚體含量在NT與CT處理間存顯著差異，NT較CT≥0.25 mm水穩(wěn)性團聚體含量提高2.02%～7.76%；同時在NT處理下，不同種植模式間存在顯著差異，M//P分別較P、M水穩(wěn)性大團聚體含量增加12.60%～20.11%和7.05%～11.55%，原因是傳統(tǒng)耕作覆膜方式在播種時對土壤進行旋耕，導致團聚體被擠壓破碎，耕層內的有機質礦化分解加快、有機和礦質復合結合膠體含量減少，導致土粒之間的粘結力下降，影響了團粒結構體的形成[25]。而間作增加土壤團聚體含量的原因可能是不同作物間根系對土粒的纏繞起到成型動力的作用，提高了根系分泌物含量，真菌菌絲和植物根系分泌多糖及其他復合物增加，土壤中微生物的活性增強，微團聚體與土壤顆粒的黏合作用加強，促進微團聚體向大顆粒團聚體轉化[26]。另有研究結果表明免耕和間作模式可提高水穩(wěn)性團聚體的平均重量直徑[27-28]，本研究得出相似結果，NT可以顯著增加直徑≥0.25 mm團聚體平均重量直徑，且在免耕處理下，間作處理的MWD值顯著高于其他處理，分別較P、M增加6.95%、12.07%。這可能是因為傳統(tǒng)春播深翻加劇了對耕層土壤結構的擾動，致使土壤團聚體的結構進行了重新分布，降低了土壤進行自身調節(jié)和自我恢復的能力，從而破壞了土壤團粒結構的穩(wěn)定性[29]；而間作作物根系較為發(fā)達，通過不同作物的根系纏繞和固結作用使土壤更容易形成較大粒級的團聚體，進而增加土壤團聚體穩(wěn)定性[30]。因此在覆膜免耕的基礎上，采用玉米間作豌豆種植模式能夠有效增加水穩(wěn)性大團聚體的含量，并提升土壤團聚體的穩(wěn)定性。

土壤孔隙度以及土壤容重是反映土壤緊實、充氣狀況和土壤物理質量的重要指標[31]。謝軍紅等[32]通過全膜雙壟溝播玉米耕作定位試驗研究發(fā)現(xiàn)，免耕較傳統(tǒng)耕作可以顯著降低土壤容重，同時將土壤孔隙度增加3.06%。本試驗得到相似結論，NT較CT作顯著降低了0～30 cm土層的土壤容重，顯著提高了0～30 cm土層土壤總孔隙度。2年間M//P分別較P、M土壤容重降低了2.97%、1.98%，土壤孔隙度增加了4.50%、2.98%。其影響原因可能是每年的深翻耕對地表土壤結構造成了破壞，同時，在作物的生育期土壤經(jīng)過不斷堵塞大孔隙度從而使地表容重增大[33]。而免耕避免了機具壓實土壤，土壤中微生物的活性增強，有利于形成良好的土體結構，致使土壤有效毛細管增多，且孔隙連續(xù)性改善，從而在一定程度上降低了土壤容重，增加了土壤孔隙度，有利于水分的快速移動和土壤氣體交換。不同種植模式下作物種類不同，其從土壤中吸收的營養(yǎng)與水分也有差異，形成了不同的土壤環(huán)境，因而造成土壤容重、總孔隙度發(fā)生變化[34]。

本研究中，免耕覆膜耕作玉米產(chǎn)量與傳統(tǒng)耕作覆膜相當，種植模式對玉米籽粒產(chǎn)量有顯著影響，單位面積間作玉米籽粒產(chǎn)量在兩種耕作措施下分別較單作玉米增加29.41%～31.68%、31.92%～33.38%，這與前人研究結果相似。張展軍等[35]研究表明，當種植密度一致時，免耕一膜兩年用和傳統(tǒng)耕作一樣，擁有相同的密植增產(chǎn)潛力和水分利用效率。覆膜免耕和間作嵌套的種植模式對作物產(chǎn)量的影響可能是通過改變土壤物理環(huán)境實現(xiàn)，覆膜免耕條件下土壤緊實度下降，減小了機械對土壤的擾動和壓實作用，有利于土壤結構體的穩(wěn)步發(fā)育，同時間作模式通過增加了不同作物間根系的交互作用，較單作更有利于形成較疏松多孔的土壤結構。土壤物理條件的改變會影響熱、氣、水和養(yǎng)分在土壤中的含量和移動，進而影響植物的根系生長發(fā)育，進而影響植物地上部分生長和植物生物量形成[36-37]。