轮作促进春小麦田土壤质量提升及缓解干旱效应研究

Effects of crop rotation on soil quality in spring wheat fields and its effect on alleviating drought

摘要

为探究长期不同轮作模式下农田土壤质量的变化趋势及其缓解干旱胁迫的效应，在大兴安岭西麓基于春小麦-马铃薯（R₁）、春小麦-马铃薯-油菜（R₂）、春小麦-油菜（R₃）、春小麦连作（C₁）4种长期（2016—2022年）定位轮作模式基础上，设置正常水分（NC）和干旱胁迫（HC）2个水分处理，共8个处理。按作物轮作顺序，2022年各模式均种植春小麦‘龙麦36’，测定不同处理的土壤理化性状、酶活性、微生物量、小麦产量等指标，分析不同轮作模式下土壤质量指标变化对干旱胁迫的响应。结果表明：在土壤性状上，2种水分处理的R₁、R₂、R₃土壤质量含水率、总孔隙度、有机质、碱解氮、全磷、有效磷、全钾、速效钾、蔗糖酶、碱性磷酸酶、微生物量磷均显著高于C₁（P<0.05）；与NC相比，HC中R₁、R₂、R₃的土壤物理化学、酶活性、微生物学等指标变化幅度均小于C₁，其中R₁对干旱胁迫下土壤有效磷含量和过氧化氢酶活性的缓解效应均为最好，分别为66.27%和13.27%，R₂对干旱胁迫下土壤质量含水率、速效钾、蔗糖酶的缓解效应最好，分别为3.77%、50.38%、44.99%，R₃对干旱胁迫下土壤碱性磷酸酶活性的缓解效应最高，为57.29%，NC和HC中R₁、R₂、R₃模式土壤质量系数（SQI）均显著高于C₁（P<0.05），R₁、R₂、R₃之间无显著差异。在产量上，2种水分处理中R₁、R₂、R₃的产量差异不显著，但均显著高于C₁（P<0.05），HC中C₁、R₁、R₂、R₃的产量分别较NC低24.13%、12.95%、16.59%、18.98%，R₁缓解干旱的效应最好，效应值为46.33%；春小麦产量与质量含水率、总孔隙度等土壤物理性状，有机质含量、碱解氮等土壤养分指标，蔗糖酶、碱性磷酸酶等土壤酶活性，土壤微生物量磷等均呈显著正相关。综上，春小麦-马铃薯（R₁）、春小麦-马铃薯-油菜（R₂）、春小麦-油菜（R₃）轮作模式均可显著提高大兴安岭西麓农田土壤耕地质量，进而缓解干旱对春小麦的水分和养分利用的限制，并可显著提高春小麦的产量，其中R₁、R₂缓解干旱胁迫效果较好。

Abstract

To explore the long-term trend of soil quality changes in farmland under different crop rotation patterns and their effects on alleviating drought stress， four long-term （2016-2022） fixed location rotation models， spring wheat-potato （R₁）， spring wheat-potato-rape （R₂）， spring wheat-rape （R₃）， and continuous spring wheat （C₁）， were established on the western slope of the Great Khingan Mountains. Two water treatments， normal moisture （NC） and drought stress （HC）， were designed， resulting in a total of eight treatments. In order of crop rotation， spring wheat ‘Longmai 36’ was planted in all rotation models in 2022. The soil physicochemical properties， enzyme activities， microbial biomass， and wheat yield under different treatments were determined， and the response of soil quality indicators under different rotation systems to drought stress， and the mitigation effects were analyzed. The results showed that： In terms of soil properties， under both water treatments， R₁， R₂ and R₃ had significantly higher soil moisture content， total porosity， organic matter， alkali-hydrolyzed nitrogen， total phosphorus， available phosphorus， total potassium， available potassium， sucrase， alkaline phosphatase， and microbial biomass phosphorus than those of C₁ （P<0.05）. Compared with NC， the variation amplitudes of soil physicochemical properties， enzyme activities， and microbial indicators in R₁， R₂ and R₃ under HC were all smaller than those in C₁. Among which， R₁ showed the best mitigation effect on available phosphorus content and catalase activity under drought stress， with mitigation values of 66.27% and 13.27%， respectively. R₂ had the best mitigation effect on soil moisture content， available potassium， and sucrase activity under drought stress， with values of 3.77%， 50.38%， and 44.99%， respectively. R₃ had the highest mitigation effect on alkaline phosphatase activity under drought stress， reaching 57.29%. Under both NC and HC conditions， the soil quality index （SQI） of R₁， R₂ and R₃ was all significantly higher than that of C₁ （P<0.05）， with no significant differences among R₁， R₂ and R₃. In terms of yield， under both water treatments， the yield differences among R₁， R₂ and R₃ were not significant， but were all significantly higher than that of C₁ （P<0.05）. Under HC， the yields of C₁， R₁， R₂ and R₃ decreased by 24.13%， 12.95%， 16.59%， and 18.98%， respectively， compared with NC， with R₁ showing the best drought mitigation effect （46.33%）. The yield of spring wheat shows a significant positive correlation with soil physical properties such as mass water content and total porosity， soil nutrient indicators including organic matter content and available nitrogen， soil enzyme activities like sucrase and alkaline phosphatase， as well as soil microbial biomass phosphorus. In conclusion， spring wheat-potato （R₁）， spring wheat-potato-rape （R₂）， spring wheat-rape （R₃） rotation patterns can significantly improve the quality of farmland soil arable land in the western foothills of the Great Khingan Mountains， thereby alleviate the limitations of water and nutrient use by spring wheat under drought， and significantly increase spring wheat yield. R₁ and R₂ have better effects on alleviating drought stress.

Graphical abstract

关键词

干旱胁迫 / 轮作模式 / 春小麦 / 土壤质量 / 产量

Key words

drought stress / crop rotation mode / spring wheat / soil quality / yield

大兴安岭西麓耕地是我国重要粮食生产基地，对保障国家粮食安全发挥着关键作用^［1］。该地区属于半干旱地区，降水较少，导致农业生产损失巨大，干旱已成为限制该区域农业生产发展的主要因素^［2］。因此，采取适宜的保护性耕作措施缓解干旱对土壤质量的影响，对春小麦抗逆稳产具有重要意义。

干旱不仅抑制作物生长，降低其对土壤养分的吸收利用，还会破坏土壤物理结构，并影响土壤酶活性^［3］。有研究表明，干旱会降低土壤氮、磷的有效性，阻碍植物吸收速效氮和有效磷，且随着干旱加剧，磷循环会受到显著的影响^［4］；王梓轩等^［5］发现，甘蔗根际土壤的脲酶、过氧化氢酶、酸性磷酸酶和酸性蛋白酶的活性在干旱胁迫下均表现为下降；此外，李越等^［6］研究表明，干旱胁迫会抑制燕麦土壤微生物量碳、氮、磷的积累。轮作作为改善农田生态环境、培肥地力、缓解粮食生产结构失衡等问题的有效措施，被许多国家和地区广泛采用^［7-10］。因此，对轮作改善土壤环境及其缓解干旱的能力进行研究具有重要意义。

轮作结合合理的耕作措施，能有效地保护和改善土壤环境^［7］，陈子明等^［8］研究发现，轮作能提高土壤保墒能力，降低土壤容重，增加土壤通透性，改善团聚体结构。轮作还可以提高土壤孔性，从而改善土壤的物理性状^［9］，促进水分的高效利用和作物间养分的均衡利用，从而增加了耕地肥力、提高了耕地生产力^［10］，还可显著增加土壤养分积累，平衡氮、磷、钾等养分，稳定土壤pH^［11］。徐培智等^［12］研究表明，轮作土壤蔗糖酶和酸性磷酸酶活性可升高48.1%和27.2%，并有效降低土壤过氧化氢酶和多酚氧化酶活性。玉米-豌豆轮作可显著提高玉米连作田土壤蔗糖酶、脲酶和碱性磷酸酶的活性^［13］。徐阳春等^［14］研究发现，长期（16年）水旱轮作（稻-麦）可有效增加0—5 cm土层土壤微生物量碳、氮、磷的含量。综上，轮作可以改善土壤理化、生物学性状，而有关大兴安岭沿麓农田的研究多集中于耕作方式对土壤结构、土壤养分等方面的影响，针对轮作缓解干旱效应的研究鲜有报道。本研究基于2016—2022年4种长期定位轮作模式，在大兴安岭西麓黑土地，通过测定不同轮作模式下土壤理化性状、酶活性、微生物量及小麦产量等指标，分析不同轮作模式的土壤质量指标变化对干旱胁迫的响应及其缓解干旱胁迫的效应，旨在研究不同轮作方式下，长期定位农田的土壤质量演变及对干旱胁迫的缓解作用，以期为大兴安岭沿麓土壤地力提升及小麦的抗逆高效生产提供参考。

1　材料与方法

1.1　试验地概况

试验地点位于内蒙古自治区农牧业科学院特泥河土壤管理与生态修复科学观测试验站（120°48´ E，49°55´ N，海拔650 m）。该地区地处中温带半干旱大陆性草原气候区，年无霜期90~105 d。2022年平均气温-0.38 ℃，平均降水量259.4 mm，5—8月降水量占全年降水量的71.13%，年日照时数2 828.3 h，试验地小麦生育期5—8月的降雨量和平均气温的动态变化见图1。试验点耕地土壤类型为黑钙土，土壤养分：有机质54.84 g/kg、碱解氮0.32 g/kg、速效钾0.21 g/kg、有效磷 0.038 g/kg，pH 6.97。

1.2　试验设计

供试春小麦品种为‘龙麦36’，由试验站提供，该品种具有高产、优质、多抗、广适性的特点，耐旱也耐寒。轮作定位从2016年开始，以春小麦、油菜、马铃薯为主栽作物设置的4种长期定位轮作模式分别为：春小麦-马铃薯（R₁），春小麦-马铃薯-油菜（R₂），春小麦-油菜（R₃），春小麦连作（C₁）（图2）。2016—2022年作物均在雨养条件下生长，2022年（第7年）按照作物轮作顺序定位田均种植春小麦‘龙麦36’，春小麦拔节后期，设置正常水分（保持土壤质量含水率在25%~28%，NC，田间最大持水量的70%~80%为标准计算^［15］）和干旱胁迫（土壤质量含水率在9%~12%，HC，以田间最大持水量的25%~35%为标准计算^［15］）2个水分梯度；试验采用随机区组设计，共8个处理，每个处理设3次重复，共24个小区，每个小区9 m²，设置1 m宽保护行，试验地面积约240 m²。每个处理只施用基肥，不施用追肥，基肥尿素60 kg/hm²、磷酸二铵165 kg/hm²和硫酸钾30 kg/hm²，其中N 28 kg/hm²、P 75.90 kg/hm²、K 15 kg/hm²，其他管理方法同当地大田。

于春小麦拔节后期（2022-07-04）开始进行水分处理，正常水分和干旱胁迫均使用旱棚来控制，为保持试验小区通风，大棚塑料棚膜两侧距离地面1.5 m，处理期间每天对0—20 cm土壤质量含水量进行监测，干旱胁迫处理在处理期间未进行灌水，正常水分处理期间进行人工补水，使土壤质量含水率保持在25%~28%，每次灌溉量固定为900 m³/hm²计算，C₁和R₃在07-08和07-24进行人工灌溉，R₁和R₂在07-21和07-24进行人工灌溉；直到2022-07-27，连作模式的土壤质量含水率降至9%~12%，处理完成。2022-07-28对8个处理同时取样。

1.3　样品采集及指标测定

1.3.1　土壤物理化学和生物学指标

0—20 cm的土壤容重及孔隙度采用环刀法^［16］测定。土壤化学性状、酶活性、微生物量样品均采用五点取样法^［17］，将土壤表层浮土去除，用土钻取0—20 cm土层的土壤样品，每个小区3次重复。将3次重复的土样均匀混合后，分别装入5个自封袋内，将土壤样品在实验室内阴干后，一部分用1 mm不锈钢网筛将土壤过筛，用于测定土壤pH和土壤酶的活性；一部分用0.15 mm不锈钢网筛将土壤过筛，用于测定土壤化学指标；将用于测定土壤微生物量的2袋土壤样品立即置于4 ℃保存；后续采用电位法、重铬酸钾滴定法、全自动凯氏定氮仪法、HClO₄-H₂SO₄法、NaOH熔融-火焰光度法、扩散吸收法、NaHCO₃法、NH₄OAc浸提-火焰光度法^［18］分别测定土壤pH、有机质、全氮、全磷、全钾、碱解氮、有效磷、速效钾。土壤蔗糖酶、过氧化氢酶、碱性磷酸酶、脲酶分别采用3，5-二硝基水杨酸比色法、高锰酸钾滴定法、磷酸苯二钠比色法、靛酚蓝比色法测定^［19］。土壤微生物量碳、微生物量氮采用氯仿熏蒸提取-TOC法，微生物量磷采用氯仿熏蒸提取-全磷测定法^［20］测定。

1.3.2　缓解干旱胁迫效应值

与正常水分（NC）相比，干旱胁迫下4种模式春小麦土壤性状指标呈显著增加或降低，将此增加或降低的幅度计算为百分数，再将R₁、R₂、R₃ 3个模式百分数与C₁百分数相比的增加或降低幅度作为缓解干旱胁迫的效应值。设C₁模式的变化百分数为P_C1，R₁、R₂、R₃ 模式的变化百分数分别为P_R1、P_R2、P_R3，则R₁的缓解干旱效应值见公式（1），公式如下：

E_{\mathrm{R}\mathrm{1}}=\left(\frac{P_{\mathrm{C}\mathrm{1}}-P_{\mathrm{R}\mathrm{1}}}{P_{\mathrm{C}\mathrm{1}}}\right)\times \mathrm{100}\mathrm{\%}（1）

式中：E_R1，干旱效应值；P_C1，C₁模式的变化百分数；P_R1，R₁模式变化的百分数。

1.3.3　土壤质量指数（SQI）

首先对各处理数据标准化。正向指标使用标准化公式（2），负向指标使用公式（3），通过主成分分析（PCA）对不同指标进行赋权得到不同指标的权重W_i，之后通过公式（4）计算土壤质量指数（SQI）^［21］。公式如下：

Z_{\mathrm{i}}=(X_{\mathrm{i}}–X_{\mathrm{m}\mathrm{i}\mathrm{n}})/(X_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}–X_{\mathrm{m}\mathrm{i}\mathrm{n}})（2）

Z_{\mathrm{i}}=(X_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}–X_{\mathrm{i}})/(X_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}–X_{\mathrm{m}\mathrm{i}\mathrm{n}})（3）

\mathrm{S}\mathrm{Q}\mathrm{I}={\displaystyle \sum _{i=\mathrm{1}}^{\mathrm{18}}}(Z_i\times W_i)（4）

式中：Z_i，第i个标准化的数值；X_i，第i个原始数据；X_min，数据集中的最小值；X_max，数据集中的最大值；W_i，权重；SQI，土壤质量指数。

1.4　统计分析

采用Excel整理数据；使用SPSS 27.0进行单因素方差分析、独立样本t检验、双因素方差分析作图采用GraphPad 9.0。单因素方差分析采用LSD法，相关分析和绘图使用 OriginPro 2021软件。

2　结果与分析

2.1　春小麦田土壤物理性状变化

由图3可知，与正常水分处理（NC）相比，干旱胁迫处理（HC）的土壤质量含水率、总孔隙度均极显著降低（P<0.01），土壤容重则极显著增加（P<0.01）。NC和HC的春小麦-马铃薯（R₁）、春小麦-马铃薯-油菜（R₂）、春小麦-油菜（R₃）模式的土壤质量含水率比春小麦连作（C₁）分别高出4.58%、5.12%、1.31%和9.05%、12.12%、6.01%（P<0.05）；HC的C₁、R₁、R₂、R₃土壤质量含水率分别比NC各轮作模式低63.90%、62.35%、61.49%、62.22%，R₁、R₂、R₃缓解干旱的效应值分别为2.43%、3.77%、2.63%，R₂的效应值最高；2种水分处理中R₁、R₂、R₃土壤容重均显著低于C₁（P<0.05），与NC相比，HC的C₁、R₁、R₂、R₃分别增加10.70%、5.22%、9.94%、8.73%，R₁的土壤容重变化最小。2个水分处理中R₁、R₂、R₃土壤总孔隙度均显著高于C₁（P<0.05），HC的C₁、R₁、R₂、R₃总孔隙度分别较NC组降低11.90%、4.68%、9.16%、7.82%，R₁土壤总孔隙度变化较小。与C₁相比，R₁、R₂、R₃积极调控缓解了干旱胁迫对土壤物理结构的破坏，其中R₁、R₂缓解干旱胁迫的能力较好。

2.2　春小麦田土壤养分变化

2.2.1　土壤pH

由图4可知，干旱胁迫处理（HC）中的春小麦连作模式（C₁）的土壤pH极显著高于正常水分处理（NC）（P<0.01）。NC中R₁、R₂、R₃的土壤pH均显著低于C₁，R₁和R₂均显著低于R₃（P<0.05），HC中R₁、R₂、R₃土壤pH均显著低于C₁（P<0.05）。与NC相比，HC中C₁、R₁、R₂、R₃的土壤pH分别增加14.81%、13.65%、0.15%、9.35%，R₂的土壤pH变化幅度最小，受到干旱胁迫影响小。

2.2.2　土壤有机质含量

由图5可知，与NC相比，HC的土壤有机质含量无显著变化。2个水分处理的R₁、R₂、R₃的土壤有机质含量差异不显著，但均显著高于C₁（P<0.05），NC中R₁、R₂、R₃的土壤有机质含量分别较C₁增加23.98%、20.95%、18.98%，HC中R₁、R₂、R₃的土壤有机质含量分别较C₁增加24.00%、23.62%、22.57%，轮作模式R₁土壤有机质含量最高，为57.33g/kg。与NC相比，HC中C₁、R₁、R₂、R₃的土壤有机质含量分别降低5.76%、5.74%、3.68%、2.92%。

2.2.3　土壤全氮、碱解氮含量

由图6可知，NC中R₁、R₂、R₃的全氮含量显著低于C₁。NC中R₁、R₂碱解氮含量显著高于C₁，且R₁、R₂均显著高于R₃（P<0.05），HC中R₂、R₃的碱解氮含量显著高于C₁（P<0.05）；HC中C₁、R₁、R₂的碱解氮含量分别较NC低1.55%、5.70%、4.01%（P<0.01），R₃则无显著变化；干旱胁迫下R₃的土壤氮素供应稳定。

2.2.4　土壤全磷、有效磷含量

由图7可知，HC中C₁、R₁、R₂、R₃土壤全磷含量较NC降低19.31%、19.01%、20.17%、35.50%（P<0.05），R₁全磷含量降低幅度最小，受干旱胁迫影响小。有效磷含量的变化较全磷敏感，HC中R₁、R₂、R₃的有效磷含量显著高于C₁（P<0.05）；HC中C₁、R₁、R₂、R₃土壤有效磷含量较NC降低21.75%、7.34%、10.30%、9.68%，R₁、R₂、R₃缓解干旱的效应值分别为66.27%、52.65%、55.51%，R₁缓解干旱胁迫能力最好，磷素供应能力稳定。

2.2.5　土壤全钾、速效钾含量

由图8可知，与NC相比，HC中的全钾含量无显著变化；速效钾含量变化较全钾敏感，2种水分处理中R₁、R₂、R₃的速效钾含量均显著高于C₁（P<0.05）。HC中C₁、R₁、R₂、R₃速效钾分别比NC低25.03%、13.62%、12.42%、15.72%，R₂的速效钾含量降低幅度最小，缓解干旱的效应为50.38%。

2.3　春小麦田土壤酶活性变化

由图9可知，正常水分处理（NC）和干旱胁迫处理（HC）中R₁、R₂、R₃的蔗糖酶活性、碱性磷酸酶活性均显著高于C₁（P<0.05），与NC相比，HC中C₁、R₁、R₂、R₃的蔗糖酶活性、碱性磷酸酶活性均极显著降低（P<0.01），R₂缓解干旱对蔗糖酶活性影响的效应最好，效应值为44.99%，R₃缓解干旱对碱性磷酸酶活性影响的效应最好，效应值为57.29%。NC中R₁、R₂、R₃的过氧化氢酶（CAT）活性均显著低于C₁（P<0.05），HC中R₁、R₂、R₃的脲酶活性及R₁、R₂的CAT活性均显著低于C₁（P<0.05），与NC相比，HC中C₁的脲酶活性增加35.45%，R₁、R₂、R₃的脲酶活性则均无显著变化，HC中C₁、R₁、R₂、R₃的过氧化氢酶活性与NC相比分别增加5.35%、4.64%、4.75%、5.98%（P<0.05），R₁、R₂、R₃脲酶活性受干旱胁迫影响较小，且R₁缓解干旱对CAT活性影响的效果最好，效应值13.27%。

2.4　春小麦田土壤微生物量变化

由图10可知，干旱胁迫处理（HC）中微生物量碳、氮、磷较正常水分处理（NC）极显著降低（P<0.01）。NC中R₁、R₂、R₃的微生物量碳均显著低于C₁（P<0.05），而HC中R₁、R₂、R₃的微生物量碳均显著高于C₁；与NC相比，HC中C₁、R₂、R₃土壤微生物量碳分别低71.49%、20.42%、54.06%，R₁无显著差异，R₁缓解干旱胁迫对土壤微生物量碳影响的效果最好。NC中C₁、R₂、R₃的微生物量氮均显著高于R₁（P<0.05），HC中R₁的微生物量氮最高，为11.73 mg/kg；HC中C₁、R₂、R₃的微生物量氮分别比NC低34.66%、29.97%、30.75%，R₁的微生物量氮含量差异不显著。2种处理中R₁、R₂、R₃的土壤微生物量磷均显著高于C₁（P<0.05），R₂显著高于R₁、R₃（P<0.05）；HC中C₁、R₁、R₂、R₃的微生物量磷较NC分别低40.89%、52.45%、42.19%、55.23%。

2.5　产量变化

由图11可知，与NC相比，HC的春小麦产量显著降低（P<0.05）。2种处理中，R₁、R₂、R₃的产量差异不显著，但均显著高于C₁（P<0.05），HC中C₁、R₁、R₂、R₃的产量分别较NC低24.13%、12.95%、16.59%、18.98%，R₁的产量降幅最小，缓解干旱的效应最好，效应值为46.33%。

2.6　春小麦田土壤质量指标与产量的相关性分析

由图12可知，土壤质量含水率（SMC）、总孔隙度（TPOR）与土壤pH、CAT均呈极显著负相关，与土壤有机质（SOM）、碱解氮（AN）、全磷（TP）、有效磷（AP）、速效钾（AK）、蔗糖酶（SUC）、碱性磷酸酶（ALP）、微生物量磷（MBP）呈极显著正相关；土壤养分SOM、AN、TP、AP、AK与土壤酶活性SUC、ALP、MBP呈极显著正相关，与CAT呈极显著负相关；春小麦产量与微生物量碳（MBC）、TPOR、SOM、AN、TP、AP、AK、SUC、ALP、MBP均呈极显著正相关，与土壤容重（BD）、pH、CAT则呈极显著负相关。

2.7　不同轮作模式土壤质量指数综合评价

由表1可知，不同轮作方式对土壤质量指数（SQI）产生了显著影响，正常水分处理（NC）和干旱

胁迫处理（HC）中R₁、R₂、R₃模式的SQI均显著高于C₁（P<0.05），R₁、R₂、R₃之间无显著差异。

3　讨 论

3.1　轮作模式对干旱胁迫下春小麦田土壤物理性状的影响

已有研究认为，保护性耕作措施有利于降低土壤容重^［22］。本研究发现，在正常水分（NC）和干旱胁迫（HC）2种处理中，春小麦-马铃薯（R₁）、春小麦-马铃薯-油菜（R₂）、春小麦-油菜（R₃）土壤容重均显著低于春小麦连作（C₁），土壤总孔隙度均显著高于C₁，且在干旱胁迫下优势更加明显，R₁、R₂、R₃土壤容重在HC增加幅度较C₁小，这可能是由于长期的连作，使得土壤耕层变浅、土壤板结，最终导致土壤容重增加、土壤总孔隙度下降^［23］，不同的轮作作物因其根系生长发育特性不同，促使土壤物理性状发生变化，轮作能够改善土壤疏松度，增加其通透性，本研究与刘战东等^［24］的研究结果一致，适宜的耕作栽培技术可提高土壤贮水量和水分利用率，起到蓄水保墒作用。本研究中，R₁、R₂、R₃春小麦田在干旱胁迫处理下土壤质量含水率显著高于C₁，说明3种轮作模式在同样的干旱处理下均具有保水作用，麻秀粉等^［25］研究结果表明，科学合理的保护性耕作措施能够优化土壤的理化结构，提高土壤保水保肥能力，进而促进高产，与本研究结果一致。

3.2　轮作模式对干旱胁迫下春小麦田土壤化学性状的影响

土壤pH、有机质、氮磷钾含量等土壤理化性质是评价土壤质量的重要指标^［26］。本研究中，C₁土壤pH显著高于R₁、R₂、R₃，呈弱碱性，可能是连作导致土壤结构紧实，土壤通气性和透水性变差，影响有机质的分解和酸性物质的产生，从而使土壤pH上升。本试验结果表明，水分对土壤有机质含量无显著影响，与Bell等^［27］在北美沙漠研究中的发现不同，其随着干旱程度的增加，土壤有机碳显著降低，可能是因为土壤类型不同，所以变化趋势不同，但本研究中R₁、R₂、R₃的土壤有机质含量显著高于C₁，这与李林蓉等^［28］研究结果一致。土壤速效养分主要来自土壤有机质的矿化和施入土壤中肥料的速效成分，这部分养分是作物养分的直接来源，也是反映土壤近期内养分供应的指标^［29］。本研究中，R₁、R₂、R₃的全氮、碱解氮含量均显著高于连作（C₁），可能是由于连作模式下小麦对氮的需求更高；土壤有效磷、速效钾变化较全磷、全钾敏感，全磷含量变化平稳而有效磷变化较为显著，这是由于作物对于有效磷的吸收利用更为快速和直接，全磷含量主要受施肥的影响，而有效磷含量受 施肥种类、作物种类，以及施肥和作物的交互作用影响^［30］，闫非凡等^［31］研究表明，轮作种植方式中土壤的全磷、有效磷含量均低于连作种植方式中土壤的全磷、有效磷含量，与本研究中全磷和有效磷变化趋势相反，可能是由于本研究中C₁土壤养分偏低，对于土壤中的养分转化率需求更高，因此土壤中的磷残留量少。本研究中速效钾变化显著，全钾无显著变化，这是由于作物在短期内吸收钾的形式主要为速效钾，土壤中的全钾含量基本保持稳定。

3.3　轮作模式对干旱胁迫下春小麦田土壤酶活性的影响

土壤酶积极参与土壤的代谢过程，可以参与到土壤各个生物化学反应之中，一方面可以促进土壤有机物转化，另一方面也可以为植物提供营养元素^［32］。本研究显示，干旱胁迫对各轮作模式土壤的蔗糖酶活性均有显著抑制作用，此结果与周芙蓉等^［33］研究结论存在一定的差异，可能与植物活体及残体分泌物等因素有关^［34］。此外，在本研究中，干旱胁迫提高了脲酶的活性，这与肖新等^［35］的研究结论一致；而Sardans等^［36］的研究发现，土壤脲酶和蛋白酶活性均随着土壤湿度的减小而降低，可能是由于不同作物对土壤养分消耗存在差异，导致残留养分不同，从而引起土壤酶活性的差异。陶佳^［37］以苹果幼树为研究对象，发现干旱处理可以使土壤碱性磷酸酶活性降低，但却可以显著提高过氧化氢酶活性，这与本试验结果相似，说明植物在处于逆境环境时，过氧化氢酶活性的增加有助于消除逆境对小麦的不利影响。本研究中，R₁、R₂、R₃的土壤蔗糖酶、碱性磷酸酶均高于C₁，且在干旱胁迫时无显著变化，这与赵春夺等^［17］研究结果一致，不同作物轮作能够增强土壤酶的活性。

3.4　轮作模式对干旱胁迫下春小麦田土壤微生物量的影响

土壤微生物量碳、氮、磷可直接驱动微生物参与的养分循环过程，并形成土壤肥力^［38］，是衡量土壤肥力水平和土壤质量的重要生物学指标^［39］，本研究中，HC中R₁、R₂、R₃的土壤微生物量碳、氮、磷均显著低于NC，可能是由于干旱胁迫限制了微生物获取营养物质的能力，并在很大程度上抑制微生物生长，从而影响土壤微生物量碳、氮^［40］。另外，本研究中HC的R₁、R₂土壤微生物量碳、氮、磷高于C₁，这与张娟^［41］对轮作、间作和连作3种模式的研究结果一致，轮作模式能够有效改善土壤微生物区系结构组成，并且显著提高土壤微生物量碳、氮，效果优于间作和连作模式，可能是由于轮作制度改善了土壤环境，增加了土壤微生物多样性，丰富了土壤中碳源、氮源、磷源的转化途径，从而提高了土壤中微生物量碳、氮、磷含量^［42］。

3.5　土壤质量指标间的相关性

土壤物理性状、土壤酶的活性与土壤养分之间存在密切关系^［43］。本研究中土壤质量含水率（SMC）、土壤总孔隙度（TPOR）与土壤有机质（SOM）、碱解氮（AN）、全磷（TP）、有效磷（AP）、速效钾（AK）、蔗糖酶（SUC）、碱性磷酸酶（ALP）、微生物量磷（MBP）均呈显著正相关；土壤SOM、AN、TP、AP、AK与土壤酶SUC、ALP、MBP活性也均呈显著正相关，这与刘彦伶等^［44］的研究结果一致。土壤物理性状影响着土壤养分的吸附、固定、转化和释放，适宜的水分有利于养分的转化和植物生长，适宜的孔隙度有利于植物根系伸展，提高养分的吸收能力^［45］，当土壤有机质含量较高时，也利于形成良好的土壤团粒结构，这种结构有利于保持土壤水分^［46］。土壤中的酶活性对有机物的降解和营养元素的周转起到了关键作用，酶活性越强，表明有机物质分解和养分转化的速度越快，土壤养分供应能力越强^［47］。另外，本研究中，土壤养分与产量之间存在极显著正相关。这与Magar等^［48］研究结果一致，土壤性状是植物生长的基础，植物从土壤中吸收养分来支持其生长和发育，养分含量高或稳定，利于作物生长发育。

综上，与C₁相比，R₁、R₂、R₃均可缓解干旱胁迫对土壤物理性状、土壤养分、土壤酶活性及土壤微生物量的负面影响，本研究中3种轮作模式的SQI也显著高于春小麦连作，说明轮作模式提高了土壤质量，这与张斯佳^［5］等的研究结果一致；在产量上，本研究中轮作模式的产量较高，这与田秀平等^［49］研究一致。因此，轮作模式通过提高土壤质量，进而促进作物生长发育，一定程度上缓解了干旱对春小麦生长的影响，维持产量稳定。今后应以养分循环过程调控等为研究重点，具体分析相关功能基因及土壤微生物对土壤质量的提升作用，从微观角度深层次揭示轮作模式对干旱的缓解机制。

4　结 论

干旱胁迫（HC）和正常水分（NC）处理下，春小麦-马铃薯（R₁）、春小麦-马铃薯-油菜（R₂）、春小麦-油菜（R₃）的土壤质量含水率、总孔隙度、有机质、碱解氮、全磷、有效磷、全钾、速效钾、蔗糖酶、碱性磷酸酶、微生物量磷均显著高于C₁（P<0.05）。与NC相比，HC中R₁、R₂、R₃土壤物理化学、酶活性、微生物学等指标的差异均较C₁小，缓解干旱胁迫效应较好。NC和HC中，R₁、R₂、R₃模式土壤质量系数（SQI）均显著高于C₁（P<0.05）。R₁、R₂、R₃的产量差异不显著，但均显著高于C₁（P<0.05）。综上，R₁、R₂、R₃ 3种轮作方式均可改善大兴安岭西麓干旱胁迫下土壤质量含水量、孔隙度等土壤物理性状，提升土壤蔗糖酶、碱性磷酸酶等活性，促进土壤微生物量碳、氮、磷的积累，增加土壤有机质、速效氮磷钾等养分积累，提高了土壤耕地质量，进而缓解干旱对春小麦的水分和养分利用的限制，并可显著提高春小麦的产量，其中R₁、R₂缓解干旱胁迫的效果较好。

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基金资助

内蒙古自治区2022年科技领军人才项目(2022LJRC0010)

内蒙古自治区科技计划(2025KYPT0006)

国家自然科学基金联合基金(U23A20195)

内蒙古农牧业青年创新基金(2022QNJJN01)

内蒙古自治区草原英才科技计划