摘要
探明多年不同休耕模式对典型潮土土壤紧实度、储水潜力和大小孔隙含量百分比的影响，以研究其保水供水、改善土壤物理状况的能力。在河南省新乡市中国农业科学院新乡灌溉研究所试验田开展长期定位试验，设置 4 种休耕模式，分别为冬闲田（WF）、毛叶苕子单播（VR）、冬油菜单播（BN）以及毛叶苕子-冬油菜混播 （VR-BN），以冬小麦（WW）为对照分析不同模式下的土壤容重，土壤贯穿阻力，土壤贮存、毛管、通气 3 种孔隙段占比和储水潜力。与 WW 处理相比，VR、BN 和 VR-BN 处理 10 ～ 20 cm 深度土壤容重从 1.65 g/cm3 分别降低至 1.48、1.52 和 1.51 g/cm3 ；VR、BN 处理也使 20 ～ 40 cm 深度的土壤容重显著降低。VR、BN 和 VR-BN 处理能够显著降低 20 ～ 30 cm 土壤深度贯穿阻力。WW 处理犁底层的贯穿阻力最大值为 557 kPa，而 VR-BN 处理的犁底层土壤贯穿阻力较 WW 处理降低了 14.90%，且缓解了犁底层的紧实情况。VR、BN 和 VR-BN 处理的 0 ～ 40 cm 土壤储水潜力显著高于 WW 处理，其中 VR 处理增加了土壤 10 ～ 20 cm 深度的储水潜力，VR-BN 处理增加了土壤 10 ～ 30 cm 的储水潜力。休耕处理主要改变 0 ～ 30 cm 的 3 种孔隙段的占比情况：在 0 ～ 10 cm 土壤深度， VR-BN 处理提升了贮存孔隙的占比；在 10 ～ 20 cm 土壤深度，VR-BN 处理显著增加 28.96% 的毛管孔隙，而 VR 和 BN 处理均增加了通气孔隙占比；在 20 ～ 30 cm 土壤深度，VR-BN 处理显著增加 32.78% 的毛管孔隙。休耕模式下多年种植毛叶苕子、冬油菜两种养地绿肥作物使得犁底层附近的土壤压实减轻。毛叶苕子还田后能够降低土壤容重，提高土壤储水潜力。毛叶苕子-冬油菜混播对犁底层毛管孔隙占比、表层贮存孔隙占比的提升有显著效果，且毛叶苕子-冬油菜混播还田通过改变不同孔隙的占比，还改善了土壤剖面水分的空间分布，有助后茬作物夏玉米根系对水分的利用，是黄淮海地区节水种植的有效途径。
Abstract
In order to better understand how green manure retain and supply water through enhancing soil physical structure， this study investigated the effects of different fallow managements over years on soil compactness，soil water storage potential，and soil pore distribution of a typical fluvo-aquic soil. The experiment was conducted at a long-term experimental field at Xinxiang Irrigation Institute，Chinese Academy of Agricultural Sciences，Xinxiang city，Henan province，China. Five fallow management treatments were set up：winter wheat（WW），winter fallow（WF），Vicia villosa Roth.（VR）， Brassica napus L.（BN），and mixed Vicia villosa Roth-Brassica napus L.（VR-BN）. Soil bulk density，soil penetration resistance，water-storage potential，and soil pore distribution（the percentages of storage pores，capillary pores，and aeration pores）of these five fallow management treatments were analyzed. The results showed that green manure treatments reduced soil bulk density at the 10-20 cm depth from 1.65 g/cm3 in winter wheat to 1.48，1.52 and 1.51 g/cm3 in VR，BN and VR-BN treatments，respectively. The VR and BN treatments also significantly reduced soil bulk density at the 20-40 cm depth. The VR，BN and VR-BN treatments were able to decrease soil penetration resistance at 20-30 cm depth compared to the WW treatment，where the plow layer in the WW treatment had a maximum penetration resistance of 557 kPa. In the plow layer，the penetration resistance of the VR-BN treatment was 14.90% lower than the WW treatment，alleviating soil compaction. The soil water storage potential at 0-40 cm was significant higher in the VR，BN and VR-BN treatments than that of the WW treatment. In detail，the VR treatment mainly increased the soil water storage potential at the depth of 10-20 cm，while the VR-BN treatment mainly increased the soil water storage potential at the depth of 10-30 cm. Fallow treatments primarily changed the soil pore distribution at the 0-30 cm depth：at 0-10 cm soil depth，the VR-BN treatment enhanced the percentage of storage pores；at 10-20 cm soil depth，the VR-BN treatment increased the capillary pores by 28.96%， and both VR and BN treatments increased the percentage of aeration pores；at 20-30 cm soil depth，the VR-BN treatment significantly increased the percentage of capillary pores by 32.78%. Long-term fallow managements of villose vetch and winter oilseed rape could significantly alleviate soil compaction at the plow layer depth. The incorporation of villose vetch biomass into soil could reduce the soil bulk density and increase soil water storage potential. The mixed sowing of villose vetch and winter oilseed rape could improve the proportion of subsoil capillary pores and surface storage pores. By optimizing the soil pore distribution，the mixed sowing of villose vetch and winter oilseed rape enhanced the soil profile’s water storage，hence facilitating more efficient water uptake in the subsequent summer maize season. Growing of green manure such as villose vetch and winter oilseed rape could be an approach of achieving water-saving agriculture in the Huang-Huai-Hai region.
轮作休耕是耕作制度的一种模式，也是耕作学和土壤学的重要交叉研究内容之一。轮作是根据作物对环境尤其是水分等生态因素需求不同，进行作物间时序配置[1-2]；休耕则是在宜耕期只耕不种或不耕不种[3]。轮作休耕的目的均是使耕地得以休养生息，为后茬作物生长创造良好的土壤环境和条件[4]，因此，轮作休耕被认为是未来绿色可持续农业发展的重要举措[5-6]。在农业生产体系中引入绿肥作物（也称覆盖作物或养地作物）替代粮食作物是一种行之有效的休耕模式，可提高土壤质量、恢复地力并补给地下水。国内外大量研究表明，绿肥替代粮食作物可以显著改变土壤物理结构性状[7-9]，为后茬作物提供更好的生长环境[10]。如，Blanco-Canqui 等[11]通过荟萃分析发现绿肥作物可使土壤贯穿阻力降低 5%～29%；张建恒等[12] 研究表明，豆科绿肥种植使得表层（0～10 和 10～20 cm）土壤容重显著下降；Irmak 等[13]关于土壤水分累积的研究显示，与无绿肥作物覆盖相比，进行绿肥覆盖的土壤含水量更高；而蹇述莲等[14] 的研究发现，绿肥作物不仅改善表层土壤物理结构，还可通过增加土壤大孔隙占比和孔隙间连通性来提高水分传导。但不同休耕模式因绿肥品种、种植方式和是否翻压还田而对土壤孔隙结构和水分储存及供应的调控状况有所差异。Villamil 等[15]进行多年休耕研究发现毛叶苕子可通过改变表层土壤总孔隙度来提升水分利用能力，而油菜主根粗壮、侧根细密，其根系生长对土壤孔隙和水分的影响层次较深[16]。Pulido-Moncada 等[17]研究证实多种绿肥混合播种能改善土壤物理特性、调节多层次土壤孔隙分布，并提高土壤水分利用潜力。赵秋等[18]在我国华北平原和 Nouri 等[19]在美国东南部开展的田间多年定位试验均发现，毛叶苕子覆盖或还田较冬季休闲显著提高了耕层土壤孔隙及水分含量。因此，我国“藏粮于地”“农业供给侧改革”和“农业绿色发展”战略明确提出恢复轮作休耕制度，并扩大其推广面积[20-21]。
黄淮海平原充裕的热量和光照条件使其成为全国粮食总产量的主要贡献地区[22]，在保证国家粮食安全方面发挥着举足轻重的作用[23-24]。与此同时，黄淮海平原也是典型的一年两熟种植区，冬小麦（Triticum aestivum，禾本科）接茬夏玉米 （Zea mays，禾本科）是该区域最常见的种植模式之一。长期禾本科-禾本科冬夏连作会严重损耗土壤肥力、破坏土壤物理结构，造成耕地质量退化；且该种植模式灌溉用水和生育季耗水与区域降水量匹配度差，致使该区水资源开发过量，河道干涸、湖泊湿地萎缩、地下水漏斗频现，水资源供需矛盾突出[25-26]。为提升黄淮海平原耕地质量，解决该区地下水紧缺的问题，本研究以河南省新乡市长期定位试验点典型潮土为研究对象，选用 2 种在黄淮海地区能安全越冬且耐旱的冬绿肥（冬油菜和毛叶苕子）进行搭配，形成 4 种冬季休耕模式（冬闲田、毛叶苕子单播、冬油菜单播和毛叶苕子-冬油菜混播），对比传统冬小麦-夏玉米模式，分析土壤紧实度变化、土壤孔隙的分布情况和土壤储水潜力的差异，综合评价不同休耕模式对耕地土壤孔隙结构组成和储水潜力的影响，为该地区建立以冬绿肥替代小麦（粮食作物）的休耕制度提供科学依据。
1 材料与方法
1.1 试验地点
休耕试验开始于2017 年 10 月（ 夏作物收获后），地点位于河南省新乡市七里营镇中国农业科学院新乡灌溉研究所试验田（113°53′E， 38°19′N），属于暖温带大陆性气候。试验区过去 20 年（1998—2017 年）年平均降水量为 567 mm （图1），其中绿肥生育期（前年 10 月至次年 6 月）平均降水量为 180 mm，是年平均降水的 31.7%；年平均温度为 14.1℃。休耕试验布置 5 年间（2018— 2022 年）年平均降水量为 614 mm，年平均温度为 16.0℃，降水和气温均较过去 20 年有所上升，但绿肥生育期降水在年平均降水中的占比无显著变化（2017—2022 年绿肥生育期平均降水量为 188 mm，占年平均降水 30.6%）。本研究取样季的绿肥生育期（2022 年 10 月—2023 年 6 月）的降水量仅为 144 mm，与历年平均相比有所降低，绿肥生育期相对干旱。本试验地块为黄淮海平原的典型旱作耕地，土壤类型为潮土。试验开始前耕层（0～20 cm）土壤有机质、全氮、速效氮、有效磷、速效钾含量的本底值分别为 17.99 g/kg、1.36 g/kg、50.6 mg/kg、42.5 mg/kg、150.0 mg/kg，pH 为 7.82。
图1新乡市七里营镇休耕试验地月降水量、月平均气温
1.2 试验设计
休耕试验采用冬季休耕接茬夏玉米模式，冬季设 5 个处理：冬季不种作物的冬闲田模式（WF）、毛叶苕子（Vicia villosa Roth.）单播（VR）、冬油菜（Brassica napus L.）单播（BN）和毛叶苕子-冬油菜混播（VR-BN），以冬小麦模式（WW）作为对照。试验采用随机区组设计，每个处理设置 3 次重复，共 15 个小区，单个小区面积为 48 m2 （6 m×8 m）。
本研究采用的绿肥为当地常规品种，在每年 10 月中下旬夏玉米收获后立即播种。其中毛叶苕子和冬油菜单播播种量均为 90 kg/hm2，毛叶苕子-冬油菜混播的种子配比为 2∶1（即播种量为 60 kg/hm2 +30 kg/hm2）。毛叶苕子、冬油菜处理播种方式为撒播，毛叶苕子-冬油菜处理进行条播，毛叶苕子行距为 40 cm，油菜播种于毛叶苕子行间。冬小麦模式（对照）播种方式为条播，行距为 20 cm，播种量 225 kg/hm2，6 月中旬收获并播种夏玉米。绿肥休耕模式在每年 5 月下旬青翻还田，还田深度为 20 cm，腐熟 2 周后与冬小麦模式同步播种夏玉米。绿肥种植前不施肥，播种后 1 周各小区统一进行 2 次喷灌，每次灌溉定额量为 110 mm，其他田间管理与当地农户管理措施一致。
1.3 样品采集及测定项目
本研究在休耕试验布置的第 6 年，即 2023 年春季绿肥生长期采集土壤样品并进行分析。
1.3.1 土壤容重和储水潜力
用标准容重钻（新地标，环刀，100 cm3），每 10 cm 为 1 层采集 0～80 cm 深度的土壤样品带回室内烘干称重计算土壤容重（公式 1）和土壤储水潜力（公式 2、3）；每个小区取 3 次平行样品。
土壤容重测定（ρb，g/cm3）：
(1)
式中，m 为烘干后的土壤质量（g）；v 为环刀体积 （cm3）。
土壤储水潜力（SPW）：
(2)
(3)
式中，θt 为土壤总孔隙度（%）；Pd 为土壤颗粒密度，通常为 2.65 g/cm3；ρb 为土壤容重（g/cm3）；h 为土层深度；10 为单位换算系数。
1.3.2 土壤贯穿阻力
土壤贯穿阻力使用紧实度仪（Eijkelkamp Penetrologger，The Netherland）测定，每个小区按照“S” 形测定 10 次平行，测试土壤深度为 0～80 cm。
1.3.3 土壤水分特征曲线和孔隙组成
同步用标准容重钻，每 10 cm 为1层采集 0～40 cm 深度的土壤样品，测定土壤水分特征曲线（公式 4、5）并计算获得土壤孔隙组成（公式 6 至 8）；各水吸力下的体积含水率由沙箱（Eijkelkamp Sandbox，The Netherland）和压力膜仪（Eijkelkamp 1500F1，The Netherland）测定。
水分特征曲线：
(4)
(5)
水分特征曲线采用 Van Genuchten 模型[27]拟合，拟合度 R2 达 0.99。式中，h 为吸力高度（cm）；θs 为饱和含水率（cm3 /cm3）；θr 为残余含水率（cm3 /cm3）； α 为进气参数，无量纲；m=1-1/n，n、m 为模型参数、形状系数。
土壤孔隙由贮存孔隙（θn，<2 μm）、毛管孔隙（θc，2～60 μm）、通气孔隙（θa，>60 μm） 组成[28]：
(6)
(7)
(8)
式中，θs 为饱和含水率（cm3 /cm3）；θr 为残余含水率 （cm3 /cm3）；θ0.002 为水分特征曲线中 2 μm 孔隙大小对应水吸力高度的体积含水率；θ0.06 为水分特征曲线中 60 μm 孔隙大小对应水吸力高度的体积含水率。
1.4 数据统计及分析
使用 Excel 2021 和 Origin 2023b 进行数据处理并作图，SPSS 26.0 进行数据统计分析。不同休耕模式土壤紧实度、总孔隙度、储水潜力和孔隙分布等使用单因素方差分析和邓肯法分析处理间差异显著性（P <0.05 为差异显著）。
2 结果与分析
2.1 土壤孔隙
2.1.1 土壤贯穿阻力
土壤贯穿阻力是反映土壤孔隙度和土壤紧实疏松程度的指标。该指标一般用外力穿透土体的难易程度来评价，值越高表明土壤越紧实，土壤的孔隙度越低。由图2a可知，不同休耕模式下的各处理在 0～40 cm 土壤贯穿阻力随着土层深度增加而逐渐增加，40 cm 以下呈现先降低后增加的趋势，WW 处理土壤贯穿阻力变化趋势与之一致。WF 处理 15 cm 深度以上土壤贯穿阻力范围为 195.28～353.56 kPa，显著大于 VR、BN、VR-BN 和 WW 处理（图2a）；在本研究条件下，休耕处理（3 种冬绿肥和冬闲田）明显缓解了由于长期作物轮作导致的土壤压实情况，休耕处理（VR、 BN、VR-BN 和 WF） 在 20～40 cm 土层土壤的贯穿阻力显著小于 WW 处理，其中，VR、BN 和 VR-BN 处理土壤贯穿阻力在 30 cm 深度与 WW 处理（556.66 kPa）相比降幅最大，分别下降 131.18、 114.63 和 82.96 kPa（图2a）。在 40 cm 以下土层，各休耕处理土壤贯穿阻力与 WW 处理间无显著差异。
2.1.2 土壤容重
土壤容重随土层深度的变化在 VR 和 VR-BN 处理中趋势一致，表层 0～20 cm 容重随深度增大而减少，在大于 40 cm 深度后缓慢上升；BN 和 WF 处理的土壤容重均在 0～20 cm 随深度增大而增加，但 20 cm 深度 WF 处理容重随深度增大趋于稳定，BN 处理在 40 cm 深度以下有波动变化； WW 处理的土壤容重在 0～20 cm 随深度增加而迅速增加，在 20～40 cm 深度缓慢增加，在 40 cm 深度以下逐渐降低。因耕作扰动、作物种植等因素影响，0～10 cm 土层土壤容重在 5 个处理间差异显著（1.34～1.49 g/cm3），其中 WF、VR 以及 VR-BN 处理高于 BN 和 WW 处理；在 10～20 cm 土层中，VR、BN 和 VR-BN 处理（1.48～1.52 g/cm3）土壤容重较 WW 处理（1.65 g/cm3）分别显著降低 10.06%、7.78% 和 8.59%，但 WF（1.67 g/cm3） 与 WW 处理无显著差异（图2b）；在 20～40 cm 土层中，各休耕模式（VR、BN、VR-BN 以及 WF）土壤容重均显著的小于 WW 处理（1.67 g/cm3），其中，各休耕模式较 WW 处理，在 20～30 cm 土层分别降低 21.55%、16.15%、16.15% 和 10.45%，30～40 cm土层分别降低 22.60%、13.85%、19.93% 和 11.34%； 在 40～60 cm 土层中，除 BN 处理外，其他 3 个处理（WF、VR 以及 VR-BN）土壤容重与 WW 处理间差异显著，在 40～50 cm 土层较 WW 处理分别降低 14.84%、22.26% 和 22.98%（图2b），50～60 cm 土层分别降低 8.78%、13.66% 和 16.15%。而 60～70 和 70～80 cm 土层中，WW 处理土壤容重与 BN、WF 处理相比无显著差别，但显著大于 VR 和 VR-BN 处理（图2b）。
图2不同休耕模式下土壤剖面的贯穿阻力（a）和容重（b）
注：不同小写字母代表相同土层深度不同处理间存在显著差异，P <0.05。
2.1.3 土壤孔隙分布及组成
表1显示，绿肥生长期间 0～10 cm 土层各处理间土壤总孔隙度无显著差异，而绿肥处理主要增加了 10～40 cm 土层的总孔隙度。在 10～20 cm 土层中，休耕模式中的 VR 和 VR-BN 处理与WW 处理相比总孔隙度分别显著增加了 8.31% 和 8.98%，但 BN 处理较 WW 和 WF 处理总孔隙度增幅不显著；在 20～30 cm 土层中 WW 处理总孔隙度达到其最小值（33.52%），此深度 VR、BN 和 VR-BN 处理均显著高于 WW 处理，但与 WF 处理差异不显著；在 30～40 cm 土层中，VR、BN 和 VR-BN 处理较 WW 处理总孔隙度分别显著增加了 14.28%、8.76% 和 12.60%。
表1不同休耕模式下土壤贮存孔隙、毛管孔隙、通气孔隙占总孔隙百分比
注：不同小写字母代表相同土层深度的不同处理间存在显著差异，P <0.05。
孔隙分布的优劣决定了土壤的透气性、保水性，进而影响植物的发育和土壤的生态功能。为进一步分析土壤中 3 种孔隙段受到休耕模式不同处理的影响，本研究通过 RETC 软件中的 Van Genuchten 模型对土壤水分特征曲线进行参数拟合（图3），可以分析得出土壤孔隙的分布（表1）。Van Genuchten 模型拟合得到的 0～40 cm 土层深度水分特征曲线表明：各土层低水吸力段（水头高度 0～1000 cm）的体积含水率变化剧烈、高水吸力段（水头高度 1000～5000 cm）的体积含水率变化较为平缓。其中，在 0～10 cm 土层深度（图3a）， WW 处理水分特征曲线的体积含水率整体高于绿肥处理；WF、WW 处理在 10～20 cm 土层深度水分特征曲线随水吸力增加呈更迅速的下降趋势（图3b）；20～30 cm 土层深度中（图3c），VR-BN 处理的体积含水率在水头高度 <500 cm 时高于 WW、 WF 和 VR 处理，而在水头高度 >500 cm 时高于其他处理（WW、WF、VR 和 BN）；30～40 cm 土层深度中（图3d），WW 处理的体积含水率在水头高度 >500 cm 时高于其他处理。土壤的基质势与含水量的关系反映了土壤孔隙度和孔隙分布，十字花科绿肥 BN 和豆科绿肥 VR 处理的土壤水分特征曲线的差异显著，本研究通过分析水分特征曲线进一步研究绿肥品种对土壤孔隙结构的影响。
绿肥植物的根系对土壤结构性的影响会导致土壤孔隙分布发生变化。整体而言，不同冬绿肥-夏作物复合种植模式的不同孔隙段含水率占总孔隙比例（表1）依次为毛管孔隙（2～60 μm）＞贮存孔隙（<2 μm）＞通气孔隙（>60 μm）。其中， VR-BN 处理与 WW、WF 和绿肥单播处理相比显著增加了 0～10 cm 土层深度的贮存孔隙段的占比。此外，VR-BN 处理在更深层次对毛管孔隙增加效应显著，10～20、20～30 cm 土层深度中毛管孔隙占总孔隙的比例较 WF 处理分别增加 28.96%、 32.78%。
图3不同休耕模式下 0～40 cm 土层深度水分特征曲线
休耕模式下绿肥单播对孔隙分布的影响则有所不同。VR 和 BN 处理均可改善 10～20 cm 土层通气孔隙在总孔隙的占比情况，与 WW 和 WF 处理相比，VR 和 BN 处理显著增加了此土层深度中通气孔隙的占比，其中 BN 处理中通气孔隙占比的提升更大，分别增加了 7.91% 和 9.44%，但此深度 VR-BN 处理的通气孔隙占比无显著上升。不同品种绿肥种植对孔隙分布的影响也有所差异。在 20～30 cm 土层深度 BN 处理的毛管孔隙占比与 VR 处理相比显著增加了 12.17%，但在 30～40 cm 土层深度的各处理间 3 种孔隙段占比差异不显著。
2.2 土壤储水潜力
图4左图可见，绿肥播种对其生长期内 0～40 cm 土层深度储水潜力的影响显著。VR 处理土壤的储水潜力与 WW 和 WF 处理相比分别显著增加 21.73% 和 11.86%，但与 BN、VR-BN 处理相比无显著差异。其中，VR 处理较 WW、WF 处理主要增加 10～20 cm 土层深度的储水潜力，分别增加了 8.31 和 8.89 mm；20～30、30～40 cm 土层深度的储水潜力与休耕模式下的 WF 处理相比增幅较小。此外，在 0～40 cm 土层深度中，BN 和 VR-BN 处理的储水潜力较 WW 处理也显著提升。与 WW、WF 处理相比，VR-BN 处理提高了 10～20、20～30 cm 土层深度的储水潜力，分别提高了 23.8%、25.77% 和 41.2%、8.17%，而在 30～40 cm 土层深度中，VR-BN 处理的储水潜力与 WF 处理间无显著差异。由此可知，VR-BN 处理储水潜力的增加主要集中在 10～30 cm 土层。
使用 Pearson 相关系数评估饱和含水率与储水潜力之间的线性关系（图4右）。结果表明，土壤储水潜力与饱和含水率呈正相关关系，决定系数 （R2 ）范围为 0.19～0.31，表明随着 0～40 cm 土层储水潜力的增加，土壤饱和含水率呈现上升趋势；此外，土壤饱和含水率与各土层的储水潜力也呈现出正相关，但仅在 0～10、20～30 以及 30～40 cm 土层呈现显著关系。
不同休耕模式下土壤物理性质的主成分分析表明（图5），在 0～10 cm 土层中（图5a），PC1（42.9%）主要由总孔隙度和容重组成，其中储水潜力的变化与总孔隙度密切相关，与饱和含水率呈现正相关关系，而储水潜力与容重和贯穿阻力呈现反向关系。PC2（29.3%）表明贯穿阻力大的种植模式其毛管孔隙也就越大；在 10～20 cm 土层中（图5b），WW 处理主要影响其贯穿阻力和容重这两个指标，休耕模式中的绿肥处理（VR、BN 以及 VR-BN）主要与通气孔隙、饱和含水率和储水潜力有关，本试验中 VR 处理与 WW、WF 处理相比显著提高了储水潜力以及 10～20 cm 的通气孔隙，表明绿肥模式改善了土壤总孔隙和通气孔隙情况，从而提高了土壤的饱和含水率；而 20～40 cm 的底层土壤中（图5c、d），WW 处理仍然有效影响了土壤容重和贯穿阻力这两项土壤紧实度指标。
图4不同休耕模式下 0～40 cm 深度土壤储水潜力及其与饱和含水率的相关关系
注：不同小写字母代表相同土层深度的不同处理间存在显著差异，不同大写字母代表不同处理间的总储水潜力存在显著差异，P <0.05。
图5不同休耕模式下土壤物理性质主成分分析（PCA）
综上，BN、VR 以及 VR-BN 处理均能改变犁底层（20～30 cm） 附近的土壤结构，减小 20～40 cm 土层深度的土壤紧实程度，其中 VR、 BN 和 VR-BN 处理可以显著提高土壤储水潜力，说明 VR 和 BN 处理具有试验前预期的耗水较少、资源利用率高和改善土壤结构性等诸多特性。
3 讨论
3.1 不同休耕模式对土壤孔隙的影响
3.1.1 不同休耕模式对土壤紧实度的影响
本研究表明冬绿肥种植较冬小麦更能显著改变土壤紧实情况。长期冬小麦-夏玉米轮作使土壤得不到休养、土壤结构变差，而休耕并种植毛叶苕子或冬油菜能够缓解犁底层的土壤压实。Ma 等[7]通过 Meta 分析评估中国北方绿肥施用效果表明，绿肥降低了土壤容重，并有效地提高了土壤质量，与本研究的结果一致。本研究发现种植绿肥或小麦都可降低 15 cm 深度土壤的贯穿阻力，这可能与冬绿肥生长过程中根系的生物耕作效应以及冬小麦播前浅旋耕作对表层土壤的疏松作用有关[29-32]。本研究中发现毛叶苕子能够明显改善 20 cm 深度附近的土壤紧实度，刘冲等[33]的研究也指出毛叶苕子的根系生长活动可有效改善土壤物理结构，翻耕还田的毛叶苕子植物残体腐解后能够增加土壤腐殖质、富里酸，增加土壤有机碳与矿物的结合体，增加土壤大团聚体的形成，可在绿肥作物还田后 120 d 显著降低土壤容重。此外，不同绿肥品种的根系生物量以及根系直径与土壤的物理性质如容重、最大孔隙度、最大持水量密切相关[8，34]。Calonego 等[35]研究发现绿肥作物能有效增加生物孔隙，更快地恢复了因耕作措施导致的表层土壤致密化，本研究的结果佐证了这点：毛叶苕子、冬油菜的根系显著降低了 20～40 cm 深度的土壤贯穿阻力，将两绿肥品种进行混合播种使得土壤犁底层厚度减小，这使得土壤紧实情况得到缓解[36]。其中，毛叶苕子根系发达、生长迅速，冬油菜主根长度更大，扎根较深，两绿肥作物品种进行混播有效改善不同深度的土壤压实[12]。以上研究证明绿肥作物通过植株根系穿透土体和还田后的有机物质输入提高土壤质量[8]。
3.1.2 不同休耕模式对土壤孔隙分布及组成的影响
本研究发现休耕模式中的绿肥作物能够改善土壤孔隙分布。土壤孔隙分布和连通性能够直接反映土壤水分运移、贮存和根系生长活动[30]。毛叶苕子和冬油菜均可以改善土壤 10～20 cm 深度中的通气孔隙比例情况，与冬闲田和冬小麦相比，毛叶苕子和冬油菜均显著增加了此土层土壤通气孔隙的占比。土壤的通气孔隙会影响水分向下入渗的比例并调节田间作物的可用水量[37]。绿肥覆盖种植增加了土壤中的通气孔隙度以及通气孔隙连接性[14，38]，通气孔隙直径大、连通性强，可促进降雨快速渗透，因此对减缓耕层土壤径流和水分调节尤为重要[39]，这与本研究的结果一致。Abdollahi 等[36]在丹麦进行的长期研究表明绿肥种植使得土壤形成稳定且连续性较好的大孔隙段，进而有利于后茬作物根系生长所需的水分和通气孔隙形成。结合主成分分析结果表明通气孔隙的增加也改善了该层土壤的储水潜力，并降低了根系穿透犁底层的贯穿阻力。另外，休耕模式中的各绿肥处理与通气孔隙和饱和含水率相关，这说明绿肥根系主要改善对象为土壤大孔隙。在 20～30 cm 土层冬油菜单播处理与冬闲田处理相比能显著增加其毛管孔隙占比，范倩玉等[40]以北方潮土土壤为研究对象发现，轮作中添加冬油菜的耕层土壤毛管孔隙提高了 50% 左右。但毛叶苕子单播的毛管孔隙占比在这一层次并未显著增加，这可能由于不同作物的根系构型以及生物量上的差别较大，对土壤孔隙形成产生的作用不相同[32]。李学才等[41]研究发现冬油菜种植较冬闲田对照可以明显增加土壤的毛管孔隙度，这与本研究结果一致，但在 30～40 cm 深度各复合种植模式间毛管孔隙度占比差异不显著，本研究中冬油菜处理的土壤容重方面所体现结果与之一致，这说明根系发育对底层土壤的影响较表层土壤更小[42]。冬油菜和毛叶苕子模式对于改善黄淮海地区的土壤孔隙分布状况有着巨大的潜力。
毛叶苕子-冬油菜两种绿肥进行混播的处理对毛管孔隙占总孔隙比例的提升有显著效果，在 10～30 cm 毛管孔隙占总孔隙的比例较冬闲田处理增加，李超等[43]在典型旱作农业区开展的田间定位试验结果也表明不同绿肥品种混播能显著提高土壤的毛管孔隙度，这可能是由于其广泛的纤维根系和还田生物量增加了这一孔隙段，并表明覆盖的绿肥作物种植对犁底层附近土壤结构中的孔隙特征有着积极影响[36]。此外，毛叶苕子-冬油菜处理相较于冬小麦、冬闲田以及绿肥单播处理显著增加了 0～10 cm 土层深度的贮存孔隙段的占比，这说明不同绿肥混播会对更多层次的孔隙组成造成影响，对土壤孔隙组成的影响更大，这与 Ruis 等[44]的研究结果一致。绿肥混合播种对改善土壤的物理特性有较好的效果[17]，不同品种绿肥种植有助于形成更多复杂的孔隙，对土壤孔隙分布的调节作用明显。
3.2 不同休耕模式对土壤储水潜力的影响
本研究发现休耕模式中引入绿肥种植能够有效改善土壤的储水潜力。由于土壤孔隙是土壤水分运移的主要区域[30，37，45]，土壤孔隙分布比例关系着土壤调节水气条件能力，进而影响土壤对作物的水分供给能力[32]。种植冬绿肥对土壤总孔隙度的提升亦会在土壤储水潜力的变化上有所体现，本研究中毛叶苕子处理改善了土壤储水潜力，其储水潜力显著高于冬小麦和冬闲田处理的土壤储水潜力，多年免耕农田系统种植毛叶苕子可以增加土壤的总孔隙度并提高植物的可用水含量[15]，赵秋等[18]研究同样表明，华北地区种植冬绿肥使得土壤总孔隙度较冬季闲田管理相比有所提升。毛叶苕子单播处理主要增加了土壤 10～20 cm 深度的储水潜力，而毛叶苕子-冬油菜混播处理储水潜力的增加体现在 10～30 cm 土层，Basche 等[46]通过长期冬季种植绿肥的试验发现绿肥覆盖作物对 0～30 cm 深度蓄水量有所改善。
种植绿肥对土壤储水潜力的改善效果在本研究与其绿肥品种有关。以往的研究认为根系更深的作物对土壤储水、导水能力提升有很好的效果[47-48]，但本研究发现单播深根系的冬油菜的土壤紧实度 （30～40 cm）与冬闲田处理的土壤紧实度（容重、贯穿阻力）相比无显著差异，土壤储水潜力变化不大。这可能是因为当根系在土壤中遇到更高的穿透阻力时，主根向下生长趋势放缓，而水平方向发育更多的细侧根[30，49]，这使得整体的根系生长出现了水平发育优先于垂直发育的情况，而细侧根对较深层土壤孔隙的影响较小。毛叶苕子和冬油菜混播缓解了这一情况，毛叶苕子根系较冬油菜更浅，但其生物量大且生长迅速，改善了浅层的土壤压实，结合深根系的冬油菜使得土壤孔隙在不同层次分布更加合理，表层部分的贮存孔隙多更易留存水，犁底层毛管孔隙多，表明其缓解土壤压实并优化了储水潜力。本研究发现通气孔隙占比和紧实度中的贯穿阻力是决定储水潜力的关键因素，赵丽丽等[50] 发现低吸力段的大孔隙易于发生水分含量变化，对土壤持水能力影响较大，而大吸力段曲线较为平缓，只有小孔隙中能够留存部分的水分，这说明土壤孔隙对水分吸持能力较强，使得曲线形态趋近于水平；张方博等[30]发现土壤容重以及贯穿阻力的增加会抑制根系生长及其对土壤水分的获取，佐证了本研究的发现。这说明混播冬绿肥种植通过提高通气孔隙和降低土壤贯穿阻力，提升了土壤储水潜力，并主要改善根系发育丰富的表层附近的储水情况。
4 结论
（1）多年休耕模式种植毛叶苕子、冬油菜两种绿肥使得犁底层附近的土壤压实减轻。长期绿肥还田显著降低了 20～40 cm 深度土壤的贯穿阻力，毛叶苕子和冬油菜混合播种使犁底层的深度变浅。种植绿肥并进行绿肥还田能降低土壤容重，改善后茬作物夏玉米根系对水分的利用。
（2）种植绿肥还田改变犁底层附近土壤的孔隙分布情况。冬油菜单播、毛叶苕子单播都显著增加 10～20 cm 深度土壤的通气孔隙占比，冬油菜单播也显著增加了 20～30 cm 深度的毛管孔隙。而毛叶苕子-冬油菜混播还可以增加贮存孔隙和毛管孔隙，其对 0～10 cm 土层的贮存孔隙和 10～30 cm 土层的毛管孔隙有显著增效。
（3）毛叶苕子单播、毛叶苕子-冬油菜混播改善了土壤储水潜力情况，毛叶苕子的长期作用增加了土壤的总孔隙度，主要增加了土壤 10～20cm 深度的储水潜力，毛叶苕子-冬油菜混播还可增加 10～30 cm 土层的储水潜力。绿肥种植通过改变土壤结构性和孔隙分布，改善作物生长期的土壤水分状况，是缓解土壤水分供给的有效途径。