2022, Vol. 59
在光温条件允许的情况下，周年轮作是提高土地生产力和资源利用率的种植模式，并具有提高生态系统稳定性的作用[1-2]。水旱轮作是中国、印度和巴基斯坦等亚洲人口大国主要的种植体系，我国水旱轮作模式主要分布于长江流域，以小麦-水稻和油菜-水稻轮作模式为主[3-4]。其中麦-稻轮作主要分布于江苏、安徽等省的江淮流域，油-稻轮作主要分布在江西、湖南等江南地区，在四川、湖北等地和江苏、安徽的长江流域两种轮作模式并存[5]。有研究表明，在小麦和油菜交错种植区，两种轮作模式的水稻产量有较大差异，前期朱芸[6]通过大数据综合比较了长江流域油-稻与麦-稻轮作体系水稻生产力的差异及两种轮作模式对氮肥的响应，结果表明油-稻轮作水稻产量显著高于麦-稻轮作且在获得同等水稻产量水平下，油-稻轮作表现出更好的节肥效果。马鹏等[7]的田间试验结果表明油-稻轮作的水稻产量和氮肥利用效率均高于麦-稻轮作。水稻产量差异反映了两轮作模式土壤生产力的差异[8]。土壤肥力是决定土壤质量的重要因素，直接影响着土壤生产力[9]。通常将土壤有机质和养分含量等化学性质以及孔隙结构和团聚体稳定性等物理性质作为评价土壤肥力的指标[10]。
在轮作中，施肥措施也能显著影响土壤理化性质，包耀贤等[11]研究表明长期平衡施肥能够显著改善土壤的理化性质。秸秆是重要的可再生资源，因为其含有丰富的矿质养分，所以秸秆还田是常见的农业利用秸秆方式[12]。武际等[13]研究结果表明，水旱轮作模式下秸秆还田可改善土壤容重并提高土壤养分含量。前人关于油-稻与麦-稻轮作比较的研究主要集中于水稻产量或经济效益的差异[14]，而关于轮作间土壤理化特征差异的研究相对较少。为了系统地探究油-稻和麦-稻轮作在不同施肥措施下土壤养分含量及团聚体碳氮分布等物理和化学性质的差异，本研究利用已经进行了3个轮作周期的不同轮作模式和不同施肥措施的定位试验开展相关研究，为长江中游油麦交错区水旱轮作模式优化和合理施肥提供依据。
1 材料与方法 1.1 试验区概况定位试验始于2015年9月，试验地点为湖北省沙洋县曾集镇张池村（30°43'5"N，112°18'25"E）。该地区为亚热带季风气候，年均气温16℃，年均降水量1 100 mm，无霜期240~270 d。供试土壤类型为黄壤发育的水稻土，试验前耕层（0~20 cm）土壤理化性质为：pH 6.84，有机质11.78 g·kg–1，全氮0.74 g·kg–1，有效磷5.15 mg·kg–1，速效钾212.0 mg·kg–1。
1.2 试验设计本研究为同田对比定位试验，试验在一块地力均匀的田块进行。试验采用裂区试验设计，主处理为不同轮作模式，分别为油菜-水稻（RR，rapeseed- rice）和小麦-水稻（WR，wheat-rice）轮作。将一块试验田一分为二，1/2为油-稻轮作，另1/2为麦-稻轮作。副处理为不同的施肥措施，分别为不施肥（CK）、施用化肥（NPK）、化肥与秸秆还田相结合（NPK+S）。NPK和NPK+S处理的油菜/小麦季和水稻季化学肥料用量均为N 180 kg·hm–2、P2O5 60 kg·hm–2、K2O 75 kg·hm–2。肥料品种分别为尿素（含N 460 g·kg–1）、过磷酸钙（含P2O5 120 g·kg–1）、氯化钾（含K2O 600 g·kg–1）。CK和NPK处理的作物秸秆齐地收割后全部移出田块，NPK+S处理的前季作物秸秆原地还田，油菜/小麦季的秸秆（稻草）采用粉碎覆盖还田的方式，水稻季的秸秆（油菜/小麦秸秆）采用粉碎翻压还田的方式，还田量约5 000~6 000 kg·hm–2。每个副处理3次重复，随机区组排列，小区面积为25 m2。
油菜采用移栽种植方式，移栽密度为每公顷11.25万株，每年10月中旬移栽，来年5月上旬收获；小麦采用条播的种植方式，播种量为225 kg·hm–2，每年10月底播种，来年5月下旬收获；水稻采用移栽的种植方式，移栽密度为每公顷21万株，每年5月下旬移栽，9月下旬收获。两季作物种植前进行翻耕整地，试验中其他农事措施（包括病虫草害的防治等）均按照推荐方法进行。
1.3 样品采集与测定 1.3.1 土壤样品的采集与预处理在试验进行的第4年即2019年5月油菜和小麦收获后，每个小区采用五点取样法采集0~20 cm土壤样品，5个点的土样混合后带回实验室处理。将土样沿自然裂缝掰开并过10 mm筛[15]，在避光处自然风干。风干后挑去细根和石块后用四分法分为两份，其中一份研磨过20目和100目筛后用于土壤化学性质的测定，另一份用于土壤团聚体的测定。
1.3.2 土壤基础化学性质的测定土壤有机质和全氮采用元素分析仪（Elementar，德国）进行测定；有效磷采用0.5 mol·L–1 NaHCO3浸提-钼锑抗比色法测定；速效钾采用1 mol·L–1NH4OAc浸提-火焰光度法进行测定；土壤pH采用水土比2.5︰1，pH计测定[16]。
1.3.3 土壤孔隙度的测定同时使用环刀采集各小区5~10 cm土层原状土，用来测定土壤孔隙度。土壤总孔隙度通过公式计算获得：总孔隙度/%=（1-容重÷比重）×100（土壤容重采用环刀法测定，本研究中比重取2.65 g·cm–3 [17]）；毛管孔隙度采用毛管水的测定方法；通气孔隙度通过公式计算获得：通气孔隙度=总孔隙度-毛管孔隙度[18-19]。
土壤团聚体筛分及有机碳、全氮含量的测定取风干土壤样品通过孔径为2、0.25、0.053mm的套筛，分别称量计算出各级干筛团聚体占土壤总质量的百分率，并按干筛比例配成50 g的风干土样[20]。然后根据Elliott[21]的土壤团聚体湿筛法测定团聚体组成：将土样放置于自上而下为2、0.25、0.053mm的套筛上，先放入水桶中浸泡10 min，然后在土壤团聚体分析仪上以30 min–1的速度筛分10 min（振幅4 cm）。湿筛结束后将留在各级筛孔上的团聚体洗入铝盒中，50℃烘干后称量，计算水稳性团聚体组成。各级团聚体研磨过100目筛后利用元素分析仪测定有机碳和全氮含量。
1.4 数据处理土壤团聚体稳定性指标采用平均重量直径（MWD）、平均几何直径（GMD）、大团聚体含量（WSMA）和微团聚体含量（WSMiA）描述。MWD和GMD的值表征了团聚体对水的稳定性，其值越高团聚体稳定性越强；WSMA是土壤团聚体结构体，其数量与土壤肥力状况呈正相关[22]。计算公式如下[15，20]：
| $ {\text{MWD}} = \sum\limits_{i = 1}^n {{W_i}{{\bar X}_i}} $ | (1) |
| $ {\text{GMD}} = \exp (\sum\limits_{i = 1}^n {{W_i}\ln {{\bar X}_i}} ) $ | (2) |
式中，
WSMA（> 0.25 mm，g·kg–1）=大于0.25 mm团聚体的烘干重（g）÷50 g×10
WSMiA（< 0.25 mm，g·kg–1）=小于0.25 mm团聚体的烘干重（g）÷50 g×10
某级团聚体有机碳（全氮）对土壤总有机碳（全氮）的贡献率/%=[该级团聚体中有机碳（全氮）含量/（g·kg–1）×该级团聚体含量/（g·kg–1）÷1 000÷土壤总有机碳（全氮）含量/（g·kg–1）] ×100。利用该公式计算各级团聚体中有机碳（全氮）对土壤总有机碳（全氮）的贡献率。
采用Excel 2016软件进行数据处理，SPSS 20.0软件进行统计分析，利用最小显著性差异（LSD）法在P≤0.05水平进行差异显著性检验，Origin 2017软件绘图。
2 结果 2.1 不同轮作和施肥措施下土壤养分含量差异轮作模式和施肥措施对土壤有机质、全氮、有效磷含量均有显著影响，且两者对土壤全氮含量的影响存在显著交互作用（表 1）。与麦-稻轮作相比，油-稻轮作土壤有机质和有效磷含量在各施肥处理中分别提高了13.1%~19.2%和18.8%~59.5%，土壤全氮含量在CK和NPK处理中提高了28.1%~29.2%，而NPK+S处理的土壤全氮含量两轮作间无显著差异；轮作间土壤pH、速效钾含量差异不显著。在相同轮作模式中，土壤有机质、全氮、有效磷和速效钾含量均表现为：CK < NPK < NPK+S，油-稻轮作中NPK+S与NPK处理的土壤有机质、全氮和有效磷含量差异不显著；各施肥处理间的土壤pH均无显著差异。
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表 1 轮作和施肥措施对土壤养分含量的影响 Table 1 Effect of the crop rotation and fertilization patterns on soil nutrient contents |
由表 2可以看出，轮作模式对土壤总孔隙度和毛管孔隙度有显著影响，施肥措施对土壤孔隙度无显著影响，轮作模式和施肥措施对土壤孔隙度有显著的交互作用。与麦-稻轮作相比，油-稻轮作在秸秆不还田时（CK和NPK处理）土壤总孔隙度提高了8.1%~10.3%，其中毛管孔隙度提高了10.5%~11.7%，在NPK+S处理中两轮作模式的土壤孔隙度无显著差异。在麦-稻轮作中，NPK+S处理的土壤总孔隙度和毛管孔隙度较CK和NPK处理显著提高；油-稻轮作中不同施肥措施的土壤孔隙度无显著差异。
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表 2 轮作和施肥措施对土壤孔隙度的影响 Table 2 Effects of crop rotation and fertilization patterns on soil porosity |
土壤水稳性团聚体组成结果显示，供试土壤主要以大于2 mm粒径团聚体为主（图 1）。与麦-稻轮作相比，油-稻轮作显著提高了大于2 mm粒径团聚体的含量，分别提高了35.8%（CK处理）、25.1%（NPK处理）和13.7%（NPK+S处理），2~0.25 mm粒径的团聚体含量则相应降低。NPK和NPK+S处理大于2 mm粒径团聚体含量显著高于相同轮作模式中的CK处理，2~0.25 mm粒径的团聚体含量则相应降低；NPK+S与NPK处理不同粒径团聚体含量在相同轮作模式中无显著差异。
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注：不同小写字母表示相同施肥措施下不同轮作模式间达到显著差异（P < 0.05），不同大写字母表示同一轮作模式下不同施肥措施间达到显著差异（P < 0.05）。下同。 Note：Different lowercase letters indicate significant differences between treatments different in cropping system，but the same in fertilization pattern（P < 0.05），and different capital letters indicate significant differences between treatments different in fertilization pattern，but the same in cropping system（P < 0.05）. The same below. 图 1 轮作和施肥措施对土壤水稳性团聚体组成分布的影响 Fig. 1 Effects of crop rotation and fertilization patterns on composition and distribution of soil water-stable aggregates |
不同处理对土壤水稳性团聚体稳定性的影响如表 3所示。轮作模式和施肥措施对土壤团聚体稳定性均有显著影响，但两者对团聚体稳定性的影响无显著交互作用。与麦-稻轮作相比，油-稻轮作的MWD、GMD和WSMA在相同施肥措施下分别显著提高了11.1%~13.0%、18.7%~24.3%和4.1%~4.8%，WSMiA则相应降低。NPK和NPK+S处理的MWD、GMD和WSMA均显著高于相同轮作模式中的CK处理，WSMiA则相应降低；NPK+S与NPK处理土壤团聚体稳定性在相同轮作模式中无显著差异。
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表 3 轮作和施肥措施对土壤团聚体平均重量直径、平均几何直径、大团聚体及微团聚体含量的影响 Table 3 Effects of crop rotation and fertilization patterns on MWD, GMD, WSMA and WSMiA of soil aggregates |
不同处理团聚体有机碳含量均表现为大于2 mm粒径团聚体最高，粒径越小有机碳含量越低（表 4）。轮作模式对相同粒径团聚体有机碳含量无显著影响，不同施肥措施间相同粒径团聚体有机碳含量差异显著。NPK和NPK+S处理大于2 mm、2~0.25 mm和0.25~0.053 mm粒径团聚体有机碳含量显著高于相同轮作模式中的CK处理，而小于0.053 mm粒径团聚体有机碳含量无显著差异；NPK与NPK+S处理各粒径团聚体有机碳含量在相同轮作模式中差异不显著。
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表 4 轮作和施肥措施对团聚体有机碳含量的影响 Table 4 Effects of crop rotation and fertilization patterns on organic carbon content in aggregates |
图 2为土壤团聚体有机碳贡献率，可以看出各处理均为大团聚体有机碳贡献率最高。与麦-稻轮作相比，油-稻轮作大于2 mm粒径团聚体有机碳贡献率分别提高了33.8%（CK处理）、16.9%（NPK处理）和18.8%（NPK+S处理），2~0.25 mm粒径团聚体有机碳贡献率则相应降低。NPK和NPK+S处理大于2 mm粒径团聚体有机碳贡献率显著高于相同轮作模式中的CK处理，2~0.25 mm粒径团聚体有机碳贡献率则相应降低；NPK与NPK+S处理的各粒径团聚体有机碳贡献率在相同轮作模式中无显著差异。
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图 2 轮作和施肥措施对团聚体有机碳贡献率的影响 Fig. 2 Effects of crop rotation and fertilization patterns on contribution rate of aggregates to total organic carbon |
由表 5可知，不同粒径团聚体全氮含量与有机碳含量变化趋势相同，均以大于2 mm粒径团聚体含量最高。轮作模式对各粒径团聚体全氮含量均产生显著影响，施肥措施主要对大于2 mm和2~0.25 mm粒径团聚体全氮含量有显著影响，两者间存在显著交互作用。与麦-稻轮作相比，油-稻轮作CK和NPK处理各粒径团聚体全氮含量显著提高，NPK+S处理各粒径团聚体全氮含量轮作间无显著差异。NPK和NPK+S处理各级团聚体全氮含量均显著高于相同轮作模式中的CK处理；麦-稻轮作中NPK+S处理各粒径团聚体全氮含量显著高于NPK处理，油-稻轮作中两处理间无显著差异。
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表 5 轮作和施肥措施对团聚体全氮含量的影响 Table 5 Effects of crop rotation and fertilization patterns on total nitrogen content of aggregates |
图 3为土壤团聚体全氮贡献率，可以看出各处理均为大团聚体全氮贡献率最高。与麦-稻轮作相比，油-稻轮作不同施肥处理的大于2 mm粒径团聚体全氮贡献率提高了11.0%~26.1%，2~0.25 mm粒径团聚体全氮贡献率则相应降低。NPK和NPK+S处理大于2 mm粒径团聚体全氮贡献率显著高于相同轮作模式中的CK处理，2~0.25 mm粒径团聚体全氮贡献率则相应降低；NPK与NPK+S处理的各粒径团聚体全氮贡献率在相同轮作模式中无显著差异。
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图 3 轮作和施肥措施对团聚体全氮贡献率的影响 Fig. 3 Effects of crop rotation and fertilization patterns on contribution rate of aggregates to soil total nitrogen |
选择在水稻种植前取样可更好地反映油菜或小麦种植及施肥措施对土壤理化性质的影响。结果表明，轮作方式和施肥措施对土壤的理化特性均产生显著影响，本研究结果对于指导油麦交错区优化油菜作为旱季轮作作物以达到促进粮油稳产兼丰、加强科学施肥、实现秸秆还田保障产量和培肥地力的目标具有重要意义，为国家正在实施的轮作休耕行动提供理论依据。
3.1 油-稻轮作可提高土壤有机质含量土壤有机质是土壤肥力的重要指标，可影响土壤养分含量和生产力，改善土壤物理结构等[23]。本研究结果表明，油-稻轮作的土壤有机质和全氮含量显著高于麦-稻轮作（表 1），这可能是由于油菜与小麦相比在生育后期会有大量的落叶归还至土壤中，提高了土壤中有机质和全氮含量。前人研究表明，在田间生长过程中油菜落叶能够额外带入碳约745 kg· hm–2和氮27.1 kg·hm–2至土壤中[24-25]，而小麦落叶仅能带入碳约92.0 kg·hm–2和氮8.0 kg·hm–2 [26-27]。此外，本研究发现油-稻轮作中大团聚体中的有机碳和全氮贡献率显著高于麦-稻轮作（图 2），由于大团聚体对土壤碳和氮可形成物理保护、减少矿化[28]，因此这也可能是油-稻轮作有机质和全氮含量增加的原因。在NPK处理中，油-稻轮作的土壤有机质较麦-稻轮作提高19.2%，高于CK处理（提高14.9%），这可能是由于施肥后油菜的生物量更高[29]。而在NPK+S处理中，油-稻轮作土壤有机质较麦-稻轮作提高13.1%，增幅低于NPK处理，这可能是由于秸秆还田可提高土壤有机质[30]，因此轮作对土壤有机质的影响降低。
通过有机质与物理性质指标的相关性分析发现（表 6），有机质含量与土壤总孔隙度和毛管孔隙度显著相关，即有机质含量增加有利于土壤中毛管孔隙的形成，进而提高土壤中的总孔隙度[31]。此外，有机质含量与MWD和GMD显著相关，说明有机质含量增加时土壤团聚体的稳定性提高，原因是土壤有机质是团聚体的重要胶结物，土壤有机质含量越高，形成的团聚体数量越多，其稳定性就越强[32]。本研究结果表明，与麦-稻轮作相比，油-稻轮作显著提高了土壤毛管孔隙度、总孔隙度、大团聚体含量及团聚体稳定性（表 2和图 1），这可能与土壤有机质含量提高有关，具体机制仍需更深入的研究。
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表 6 有机质含量与物理性质相关性 Table 6 Correlation analysis of organic matter content with physical properties |
与CK相比，NPK和NPK+S处理能够提高土壤有机质、全氮、有效磷含量（表 1）；由于有机质含量的提高，土壤孔隙度、大团聚体数量及稳定性提高（表 2和表 3）。与NPK相比，NPK+S处理可提高土壤有机质和养分含量（表 1），这与前人研究结果[33]相似。然而，不同轮作模式中秸秆还田的土壤培肥效果不同，其中油-稻轮作NPK+S较NPK处理土壤有机质提高了7.6%，而麦-稻轮作提高了13.5%，这是由于油-稻轮作中NPK处理的土壤有机质含量较高（19.60 g·kg–1），而秸秆还田是在一定范围内可显著提升土壤有机质含量[34]。因此，在实际生产中油-稻轮作秸秆还田的同时可适当减少化肥施用量，以提高资源利用效率。一般认为秸秆还田能够增加土壤中有机胶结物质的数量，进而改善土壤团聚体结构[35]。但在本研究中，两轮作模式中NPK+S较NPK处理土壤团聚体的分布及稳定性均无显著差异（图 1，表 3）。其原因可能为：第一，秸秆还田年限较短，张翰林等[36]的研究表明，秸秆短期还田（5年以内）对土壤团聚体稳定性无显著影响；第二，秸秆还田方式的影响，高洪军等[37]的研究表明，秸秆覆盖还田与翻压还田相比不利于大团聚的形成及团聚体稳定性的提高。
“油菜是养地作物”是农民在长期生产实践中总结出来的规律，但尚无系统的理论依据和数据支撑。相对于小麦，由于油菜种植的机械化程度较低且用工成本较大，油麦交错区的农民更倾向于种植小麦，但该区域受气候等因素影响小麦赤霉病发生的风险较高，同时油-稻轮作的稻谷产量普遍高于麦-稻轮作，且该区域还存在弃耕现象而有大量的冬闲田出现，如果能从土壤角度阐明油菜种植对土壤肥力的作用，在实际生产上可为国家耕地质量提升计划的实施提供技术支撑。将油菜轮作纳入相关技术措施，能保障油源供给、培肥耕地地力、减少土壤退化和提高轮作体系生产力。本研究仅是初步的结果，两种轮作模式的周年土壤过程、土壤肥力各要素受轮作影响的程度及其量化指标、油菜轮作提高地力的机制以及与其他条件（如施肥措施、气候因素等）的关系均为亟待深入研究的内容。
4 结论经过三周年的轮作种植后，不同处理间土壤的物理和化学性质均表现出明显的差异。与麦-稻轮作相比，油-稻轮作在相同施肥处理中土壤养分含量显著提高，土壤孔隙结构得到改善，土壤团聚体的稳定性增加，大团聚体有机碳和全氮贡献率提高，秸秆不还田时油-稻轮作对土壤理化性质的影响更为显著。相同轮作模式中，施用化肥（NPK）和化肥与秸秆还田相结合（NPK+S）处理的土壤养分含量、团聚体稳定性均显著高于不施肥（CK）处理；在麦-稻轮作中，NPK+S处理的土壤养分含量和土壤孔隙度均显著高于NPK处理。综上所述，油-稻轮作和化肥配合秸秆还田均可显著改善土壤养分含量及团聚体碳氮分布等理化性质，是长江流域油麦交错区培肥地力的有效措施。
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