摘要
合理的种植有助于改变农田生态环境、改善土壤结构，对于农作物高效种植具有积极意义。为探明不同种植模式对土壤结构的影响，设置长期玉米连作、大豆连作和玉米—大豆—马铃薯（玉豆薯）轮作 3 个处理，对比多年连作、轮作模式下土壤容重、土壤含水量、土壤团聚体、土壤碳氮含量等指标变化。结果表明：玉米连作降低 0 ～ 40 cm 土壤容重，增加了 0 ～ 10 cm 耕层含水量，玉豆薯轮作在 30 ～ 40 cm 土层中含水量达到最大值，形成保水层；0 ～ 30 cm 耕层中，玉豆薯轮作处理的广义土壤结构指数为 99.60，无限趋近理想值，其三相比例最接近 2∶1∶1；>0.25 mm 的水稳性团聚体作为最理想的团聚体在 0 ～ 50 cm 土层中轮作处理比例显著高于连作处理，轮作对土壤碳氮含量影响较小。综上，玉豆薯轮作处理能够一定程度上改善土壤结构。
Abstract
Reasonable planting patterns helps to change the ecological environment of farmland，improve soil structure，and has positive significance for efficient crop cultivation. To investigate the effects of different planting patterns on soil structure， three treatments were set up：long-term maize continuous cropping，soybean continuous cropping，and maize-soybeanpotato rotation. The changes in soil bulk density，soil water content，soil aggregates，and soil carbon and nitrogen content were compared under long-term continuous cropping and crop rotation modes. The results showed that continuous cropping of corn reduced soil bulk density in 0–40 cm and increased soil moisture content in 0–10 cm. The rotation of maize-soybeanpotato reached its maximum moisture content in the 30–40 cm soil layer，forming a water retaining layer；In the 0–30 cm cultivation layer，the generalized soil structure index of the maize-soybean-potato rotation treatment was 99.60，infinitely approaching the ideal value，and its three-phase ratio was closest to 2∶1∶1；>0.25 mm water stable aggregates，as the most ideal aggregate，had a significantly higher proportion of rotation treatment in the 0–50 cm soil layer than continuous cropping treatment，and rotation had a relatively lower impact on soil carbon and nitrogen content. In summary，the rotation of maizesoybean-potato could improve soil structure to a certain extent.
Keywords
我国东北黑土地是全球仅有的四大块黑土区之一，典型黑土面积约 1.85×107 hm2，其中面积分布最广的在黑龙江省，约占我国黑土地面积的 56%[1]。2022 年黑龙江省粮食种植面积达到 1.47×107 hm2，占全国 12.4%，粮食总产量 7.76×1010 kg，连续 13 年位居全国第一，为“中国饭碗”保驾护航，这得益于沃野千里的黑土地[2-4]。但连年丰收的背后是不堪重负的黑土地。东北三大主栽作物是玉米、水稻和大豆，其中旱田作物中玉米的投入产出比更能为农户带来经济收益，且农户对玉米种植技术熟练程度高，因此玉米种植面积远远超过其他作物，连作种植不可避免；其次，为了保证产量与收益，化学肥料的用量持续增加，忽视有机肥的施用，以及不合理的耕种制度导致黑土地日益贫瘠，黑土地“变薄、变瘦、变硬”。为了保护黑土地生态环境，保证耕地可持续利用，国家多次强调将轮作落实到每一块农田[5]。近年来，水田与旱田、禾本科与豆科以及粮草轮作等种植模式持续开展，主要从土壤微生物方面阐述了轮作制度对保护耕地和提高产量的作用机理[6-11]，探索轮作在农业种植中如何发挥“用”“养”相结合的耕种理念，本研究将马铃薯纳入轮作制中，增加轮作制度中作物多样性，发挥不同作物对土壤环境的差异性影响，对比玉米、大豆多年连作与玉米-大豆-马铃薯（玉豆薯）轮作对土壤物理结构和碳氮含量的影响，探寻适合当地可持续耕种模式，为轮作系统发展完善以及黑土地高效培育提供理论依据。
1 材料与方法
1.1 试验地概况
试验地点位于黑龙江省牡丹江市温春镇黑龙江省农业科学院牡丹江分院土壤肥料试验基地 （44.60′N，129.58′E），该区土壤类型为草甸土，温带大陆性季风气候，雨热同期，年平均气温 5.0℃，年平均降水量 500～600 mm。试验地基本概况见表1。
表1试验地基本概况
1.2 试验材料
玉米品种为当地宜栽品种‘绿单 4 号’，播种量为 25 kg·hm-2，株距 0.28 m，行距 0.65 m，种植密度为 5.5～6.0 万株·hm-2。氮肥选用尿素 （N 46%），磷肥选用磷酸氢二铵（N 18%，P2O5 46%），钾肥选用氯化钾（K2O 60%）。马铃薯品种为‘尤金’，氮肥选用尿素（N 46%），磷肥选用重过磷酸钙（P2O5 45%），钾肥选用氯化钾（K2O 60%）。应用膜下滴灌水肥一体化栽培模式，垄距 0.8 m，株距 0.25 m，滴头间距 0.2 m，流速 1～2 L·h-1。大豆品种为‘ 牡豆 14’，垄距 0.65 m，株距 0.25 m，大豆选择 50% 含量专用肥料 （N-P2O5-K2O=13-26-11）。玉米季和大豆季雨养，无灌溉措施。于 5 月中旬播种，10 月上旬收获。
1.3 试验设计
试验设置玉米连作（CCC）、大豆连作（SSS）、玉豆薯轮作（CSP）共 3 个处理，自 2006 年设立长期定位试验区开始已经连续种植 18 年，玉豆薯轮作已经开展 6 轮。每个处理 3 次重复，总计 9 个小区。小区采用随机区组设计，每个小区面积 156 m2 （12 垄，垄宽 0.65 m，垄长 20 m）。
试验于每年秋季进行秋整地，在作物收获后利用灭茬机将秸秆粉碎 5～10 cm，然后翻耕埋至 30～35 cm 深度土层中。试验所有处理年际间同一作物的施肥、品种及其他管理措施均相同。
1.4 测定指标与方法
试验于 2023 年 10 月 10 日作物收获后进行土样采集，每小区设 5 个取样点，取样深度为 0～50 cm，每 10 cm 取样 1 份，五点相同层次土样混匀带回。土样分为两部分，一部分直接用环刀取样测定土壤容重、含水量等指标，另一部分则取 500 g 带回进行团聚体测定。本试验土壤团聚体采用湿筛法，利用水稳式团粒分析仪进行操作。
土壤容重：利用直尺测量每个层次深度，铁锹挖出足够使用环刀的空间，每个小区 5 点重复，每个点 5 个层次，每层次取 1 环刀，按照标准环刀法取样带回实验室，称重计算[12]。土壤含水率：采用烘干法测定[12]。
土壤总孔隙度（%）=（1-土壤容重 / 土壤比重） ×100，自然状态下土壤比重是 2.65 mg·m-3[13]。
土壤三相比 = 固相∶液相∶气相 =（1-土壤总孔隙度）∶（土壤质量含水量 × 容重）∶[土壤总孔隙度-（土壤质量含水量 × 容重）][14]。
广义土壤结构指数（GSSI）计算：
式中，Xg 为固相体积百分比（>25%），Xy 为液相体积百分比（>0），Xq为气相体积百分比 （>0）[15]。
>0.25 mm 的水稳性团聚体的含量（WR0.25） 计算：
式中，Mr>0.25 为粒径大于 0.25 mm 团聚体质量（g）； MT 为团聚体总质量（g）[15]。
1.5 数据统计与分析
数据采用 Excel2019 进行整理统计，使用 SPSS 26.0 进行数据主体间效应检验、单变量方差分析和 Duncan 多重比较。
2 结果与分析
2.1 不同种植模式对土壤容重和含水量的影响
种植模式对各耕层土壤容重影响显著（表 2）， 0～10 cm 耕层，SSS 处理土壤容重为 1.20 g·cm-3， 显著高于 CSP 和 CCC 处理；10～20 cm 耕层，土壤容重表现为 SSS>CSP>CCC，SSS 处理土壤容重较 CSP 和 CCC 处理分别提高了 18.69%、10.23%； 20～30 cm 耕层，CCC 处理土壤容重显著增加， 较 SSS 和 CSP 处理分别增加了 0.10 和 0.19 g·cm-3； 30～40 cm 土层，CSP 处理土壤容重为 1.48 g·cm-3， 显著高于连作处理；40～50 cm 土层不同种植模式的土壤容重保持在 1.30～1.37 g·cm-3 之间，起伏较小，容重趋于稳定。对比相同模式不同耕层土壤容重变化可以发现，CCC 处理土壤容重随着土层加深表现为先增加后降低再增加的趋势，0～20 cm 土壤容重较小且变化平缓，在 20～30 cm 耕层土壤容重陡然增加；SSS处理土壤容重在 0～50 cm 土层呈现出先增加后降低的趋势，在 20～40 cm 深度，土壤容重较为稳定；CSP 处理土壤容重在 0～50 cm 土层中变化较为平缓，呈现逐步升高后又降低的趋势，在 30～40 cm 处达到最高，为 1.48 g·cm-3。通过主体间效应检验，土壤容重对种植模式和土层深度的响应十分敏感，双因素共同作用对土壤容重的影响显著（P<0.01）。综上，不同种植模式对土壤容重的影响不同，CSP 处理能够改善土壤结构，降低土壤容重在各耕层间的急剧变化。
表2不同种植模式对各土层土壤容重和含水量的影响
注：同一土层字母不同表示处理间差异显著（P<0.05），** 表示在 0.01 水平上存在显著性差异。下同。
种植模式对各土壤层含水量的影响较小（表 2）， CCC 处理土壤含水量于耕层 0～10 cm 处最大，为 19.02%， 显著高于 CSP 和 SSS 处理；10～50 cm， 不同种植模式下土壤含水量差异较小；对比相同模式不同耕层土壤含水量变化可以发现，SSS 处理土壤含水量随土层深度增加而增加；CSP 处理土壤含水量在 0～50 cm 土壤剖面表现为先增后减的趋势，在 30～40 cm 处达到最高。通过主体间效应检验，耕层深度对土壤含水量的影响显著（P<0.01），30～50cm土壤含水量显著高于0～30cm，且随着土层深度加深含水量的影响不存在显著性差异（P>0.05），双因素共同作用下土壤含水量 P 值为 0.229，差异不显著。 综上可得，不同轮作模式对土壤含水量影响较小。
2.2 不同种植模式对剖面土壤三相结构的影响
不同种植模式对剖面土壤三相结构的影响见表3，0～30 cm 土层，固液气三相比最接近 2∶1∶1 的为 CSP 处理，0～10 cm 处固相∶液相∶气相为 46.83% ∶ 17.37% ∶ 35.80%，GSSI 为 CSP>CCC>SSS，CSP 处理最高，为 93.39，显著高于其他处理；10～20 cm 处 CSP 处理固相∶液相∶ 气相为 47.23% ∶ 25.27% ∶ 27.49%，其 GSSI 为9 9.36，最接近理想值；20～30 cm 土层，CSP 处理的固相占比略低于 CCC 和 SSS 处理，为 47.86%，其土壤三相比例最接近旱田理想值，且 GSSI 显著高于 CCC 和 SSS 处理，为 99.60。30～40 cm 土层，对比三处理可以发现 CSP 处理固相占比最高，达到 50.77%，气相占比显著低于其他处理，土壤三相结构指数略低于 CCC 和 SSS 处理，差异不显著。40～50 cm 处理，CSP 固液气三相比为 48.95% ∶ 23.96% ∶ 27.08%，GSSI 为 96.46，更趋于理想值。纵向对比不同层次相同处理三相结构状态可以发现，土壤固相与液相占比在 20～50 cm 土层显著高于 0～20 cm 耕层，气相占比反之，CSP 处理的 GSSI 在 0～30 cm 耕层无限接近理想状态。通过主体间效应检验，种植模式对土壤液相的影响较小（P>0.05），对土壤固相、气相和 GSSI 在 0.05 水平上影响显著；土层深度对土壤三相存在显著影响，土壤三相结构对双因素共同作用响应较为敏感。
表3不同种植模式对剖面土壤三相结构的影响
注：* 表示在 0.05 水平上存在显著性差异，下同。GSSI 为广义土壤结构指数。
2.3 不同种植模式对剖面土壤团聚体的影响
分别对比不同层次土壤团聚体分布比例（表4）， 0～10 cm 土层，CSP 处理的 0.25～2、0.53～0.25 mm 土壤团聚体含量显著高于其余两处理，<0.053 mm 土壤团聚体含量显著高于 CCC 处理，WR0.25 较 CCC 和 SSS 处理分别提高了 39.78%、6.99%。10～20 cm 土层，大团聚体（>0.25 mm）比例 CSP 处理优于其他两处理，<0.25 mm 的微团聚体表现为 CSP<CCC<SSS，且三处理间差异显著。20～30 cm 土层，CSP 处理 >2 mm 和 WR0.25 团聚体显著高于连作处理，>0.25 mm 的水稳性团聚体较 CCC和 SSS 处理显著提高了 23.80%、 5.37%，<0.25 mm 的微团聚体占比 CSP>SSS>CCC，差异显著（P<0.05）。30～40 cm 土层，>0.25 mm 的水稳性团聚体 CSP 处理高于 CCC 与 SSS 处理，增幅分别为 31.76%、66.26%。40～50 cm 土层，CSP 处理各级土壤团聚体占比均显著高于 SSS 和 CCC 处理（除 >2 mm），>0.25 mm 的水稳性团聚体较二者显著提高了 135.07%、32.84%。不同种植模式对土壤团聚体影响大不相同，纵观整个耕层可以发现：>0.25 mm 的水稳性团聚体含量表现出 CSP>SSS>CCC，且三者差异显著（P<0.05）；在 0～50 cm 不同土层深度水稳性团聚体则表现出 20～30 cm 土层最多，10～20 cm 土层次之，0～10 cm 土层最少，各层次间差异显著 （P<0.05），主体间效应检验显示种植模式、土层深度及二者交互作用对各级土壤团聚体均存在显著影响。
表4不同种植模式下各土层土壤土壤团聚体分布比例
注：WR0.25 为 >0.25 mm 的水稳性大团聚体含量。
2.4 不同种植模式对剖面土壤有机碳和全氮的影响
如图1所示，不同种植模式下 0～50 cm 剖面土壤有机碳含量随着深度加深而减少，各处理间呈现出 CCC 处理土壤有机碳含量高于 SSS 处理，高于 CSP 处理。不同土层深度 CCC 处理土壤有机碳含量比 SSS 处理高 0.68～1.56 g·kg-1，且差异显著（除 10～20 cm）；0～50 cm 土层 CCC 处理土壤有机碳含量显著高于 CSP 处理，较 CSP 处理增加了 1.04～2.69 g·kg-1；SSS 处理土壤有机碳较 CSP 处理在 0～40 cm 处增加了 0.74～1.13 g·kg-1。综上，玉米连作处理的土壤有机碳含量高于大豆连作与玉豆薯轮作。
图1不同种植模式下各土层有机碳含量
注：同一土层柱上不同小写字母代表处理间差异显著（P<0.05）。下同。
土壤全氮随着土层深度加深呈逐渐下降的趋势（图2）。从图中可以看出，CCC 处理土壤全氮在 0～10 cm 较 SSS 处理显著增加了 0.28 g·kg-1，较 CSP 处理增加 0.06 g·kg-1，但差异不显著。0～50 cm土层 CCC 处理全氮含量始终高于 SSS 处理，在 30～50 cm 处呈现出 CCC>SSS>CSP，略有差异但不显著。纵观整个土壤剖面，玉米连作处理的土壤全氮含量优于大豆连作和玉豆薯轮作。
图2不同种植模式下各土层全氮含量
3 讨论
3.1 种植模式与剖面土壤容重之间的关系
诸多研究证明种植模式对耕地土壤可持续利用有很大影响，连作对同一养分的过度消耗造成地力不均，其次同种作物对土壤结构的影响也是不容忽视的[16-18]。本试验研究结果表明，玉米连作在 0～40 cm 土层土壤容重低于大豆连作与玉豆薯轮作，与郭金瑞等[19]的研究结果相似，其原因一是玉米为须根系作物，较其他作物根系更加发达，对土壤孔隙结构影响较大，使得土壤疏松，容重降低；二是试验地秋季秸秆打碎直接还田的因素，玉米秸秆量大，还田后对土壤疏松程度有很大影响。容重随土层深度加深也有不同变化趋势，玉米连作容量先增后减再增，大豆连作和玉豆薯轮作容量呈倒“V”形曲线变化，但均在 0～20 cm 处容重偏低，因耕种过程中人为扰动影响了土壤松散程度，使得土壤容重降低，这与柏炜霞[20]在耕种模式研究中得到的结果相吻合。
3.2 种植模式与剖面土壤含水量之间的关系
土壤含水量结果表明，0～10 cm 土层玉米连作处理含水量显著高于其他处理，因其须根系发达、容重小、孔隙多，致使储水空间大。此外，玉豆薯轮作在 30～40 cm 土层处含水量达到最大值，形成明显的保水层，说明种植对土壤结构有所改善，提高了土壤保水性能。陈琛[21]指出豆科作物在轮作系统中能够起到蓄水保肥的作用。
3.3 种植模式与剖面土壤三相结构比例之间的关系
不同种植模式对土壤三相结构比例也存在一定影响，本试验结果表明 0～30 cm 土层中玉豆薯轮作处理的固液气三相比例较连作处理更接近旱田的 2∶1∶1，GSSI 无限趋近 100，土壤结构更合理，分析原因可能是轮作处理通过根系物理作用以及分泌物质影响了土壤中团聚体的形成，从而改善土壤三相存在比例[22-25]。
3.4 种植模式与剖面土壤团聚体数量之间的关系
轮作制度能够有效改善土壤团聚体数量，改善土壤团粒结构[26-27]。范倩玉[28]研究指出轮作处理提高0～40 cm 土层团聚体结构稳定性，白怡婧等[29] 研究结果表明小麦玉米轮作能够改善土壤团聚体结构，增加团聚体稳定性，本研究中玉豆薯轮作在 0～50 cm 土层中 WR0.25 含量高于连作处理，这一结果与前人研究一致，其原因可能是轮作系统中长期不同作物根系分泌物、秋季秸秆还田后作用于土壤增加土壤有机质含量，有机质胶结土壤中微小颗粒，形成稳定的团聚体结构。
3.5 种植模式与剖面土壤有机碳、全氮含量之间的关系
试验中 0～50 cm 土壤有机碳和全氮含量结果显示玉米连作高于大豆连作和玉豆薯轮作，因试验区秋季作物收获后会将秸秆全部还田，玉米秸秆是大豆的 3 倍，且玉米秸秆碳氮比高于大豆，所以会出现连作较轮作碳氮含量高的现象。谢泽宇等[30] 研究不同粮草种植模式中指出苜蓿连作较轮作更有利于土壤中碳、氮的积累，于淑婷[31]在华北轮作制度的研究中指出土壤中碳、氮有一部分来源于作物秸秆，玉米残体投入量大，地块碳、氮含量高，本试验结果与之相似。
4 结论
玉米连作较大豆连作和玉豆薯轮作相比降低 0～40 cm 处土壤容重；玉豆薯轮作在 30～40 cm 含水量最高，形成明显保水层；在土壤三相结构比中玉豆薯轮作三相比以及 GSSI 较连作处理更合理， 0～30 cm 土层中，GSSI 无限趋近理想值 100；土壤团粒结构中玉豆薯轮作 >0.25 mm 的水稳性团聚体在 0～50 cm 土层中比例显著高于玉米连作与大豆连作；土壤有机碳和全氮含量在 0～50 cm 土层中表现为玉米连作优于大豆连作和玉豆薯轮作。综合各指标结果，玉豆薯轮作能够一定程度上改善土壤结构，增加土壤团聚体含量，但是对土壤碳、氮含量的影响较小。