作物轮作与秸秆还田对土壤孔隙度和有机碳分布的影响

Influence of crop rotation and straw returning to the field on soil porosity and organic carbon distribution

摘要

为探究作物长期轮作对土壤物理结构和有机碳的影响，于2022和2023年在内蒙古自治区呼伦贝尔市阿荣旗土壤管理与生态修复科学观测试验基地设置马铃薯连作（对照）、玉米连作、大豆连作、大豆-玉米轮作、大豆-马铃薯轮作、玉米-玉米-马铃薯轮作及大豆-玉米-马铃薯轮作共7个处理，系统分析作物收获期不同处理下土壤容重、总孔隙度、毛管孔隙度、有机碳含量、有机碳储量及有机碳层化率变化的差异。结果表明：与马铃薯连作处理相比，玉米-玉米-马铃薯轮作、大豆-玉米轮作及玉米连作处理可显著降低0—10、10—20、20—40 cm土层土壤容重，不同土层分别显著降低13.96%~19.94%、13.05%~21.83%、12.53%~22.72%；40—60 cm土层大豆-玉米轮作处理及玉米连作处理显著降低了12.46%~17.47%（P<0.05）；玉米-玉米-马铃薯轮作、大豆-玉米轮作及玉米连作处理可显著提高0—10、10—20、20—40 cm土层土壤总孔隙度，不同土层分别显著提高了7.57%~10.82%、7.35%~12.56%、7.42%~13.35%，40—60 cm土层大豆-玉米轮作处理及玉米连作处理显著提高了7.42%~10.64%（P<0.05）。0—10 cm土层玉米-玉米-马铃薯轮作、大豆-玉米轮作处理土壤毛管孔隙度显著提高了5.37%~7.86%（P<0.05）；0—10 cm土层大豆-玉米-马铃薯轮作、玉米-玉米-马铃薯轮作处理土壤有机碳含量显著提高了10.23%~36.78%；10—20 cm土层玉米-玉米-马铃薯轮作处理显著提高了16.65%~33.77%；20—40 cm土层玉米-玉米-马铃薯轮作及大豆-玉米-马铃薯轮作处理显著提高了28.74%~53.66%；60—80 cm土层大豆-玉米-马铃薯轮作处理显著提高了10.89%~13.00%；80—100 cm土层大豆-玉米轮作处理显著提高了16.67%~19.28%（P<0.05）；大豆-玉米-马铃薯轮作、大豆-马铃薯轮作处理可提高0—10、0—20 cm深度土层有机碳储量，大豆-玉米-马铃薯轮作、玉米-玉米-马铃薯轮作可提高0—40、0—60、0—80、0—100 cm深度土层有机碳储量；玉米-玉米-马铃薯轮作、大豆-玉米-马铃薯轮作处理第一层化率及第二层化率降低，玉米-玉米-马铃薯轮作处理第三层化率、第四层化率升高。综上所述，内蒙古农牧交错黑土区最佳轮作模式为大豆-玉米轮作，其次为大豆-玉米-马铃薯及玉米-玉米-马铃薯轮作。

Abstract

To explore the effects of long-term crop rotation on soil physical structure and organic carbon， a total of seven treatments， namely potato continuous cropping， maize continuous cropping， soybean continuous cropping， soybean-maize rotation， soybean-potato rotation， maize-maize-potato rotation， and soybean-maize-potato rotation， were set up at the Soil Management and Ecological Restoration Scientific Observation and Experiment Base located in Arong Banner， Hulun Buir City， Inner Mongolia Autonomous Region from 2022 to 2023 by taking potato continuous cropping as control. The effects of different treatments on soil bulk density， total porosity， capillary porosity， organic carbon content， organic carbon storage， and organic carbon stratification rate during harvest period were determined. The results showed that： Compared to the continuous cropping treatment of potatoes， maize-maize-potato rotation treatment， soybean-maize rotation treatment， and maize continuous cropping treatment significantly reduced the soil bulk density in the 0-10， 10-20， and 20-40 cm soil layers， which were respectively significantly reduced by 13.96% to 19.94%， 13.05% to 21.83%， and 12.53% to 22.72% in different soil layers （P<0.05）. The rotation treatment of soybean-maize and the continuous cropping treatment of maize in the 40-60 cm soil layer significantly reduced by 12.46% to 17.47% （P<0.05）. Maize-maize-potato rotation treatment， soybean-maize rotation treatment， and maize continuous cropping treatment could significantly increase the total soil porosity in the 0-10， 10-20， and 20-40 cm soil layers. The different soil layers were significantly increased by 7.57% to 10.82%， 7.35% to 12.56%， and 7.42% to 13.35%， respectively. The rotation treatment of soybean-maize and the continuous cropping treatment of maize in the 40-60 cm soil layer significantly increased by 7.42% to 10.64% （P<0.05）. The capillary porosity of the soil in the 0-10 cm soil layer treated with maize-maize-potato rotation and soybean-maize rotation increased significantly by 5.37% to 7.86% （P<0.05）. The soil organic carbon content significantly increased by 10.23% to 36.78% in the 0-10 cm soil layer treated with rotation of soybean-maize-potato and rotation of maize-maize-potato. The rotation treatment of maize-maize-potato in the 10-20 cm soil layer significantly increased by 16.65% to 33.77%. The rotation treatments of maize-maize-potato and soybean-maize-potato in the 20-40 cm soil layer significantly increased by 28.74% to 53.66%. The rotation treatment of soybean-maize-potato in the 60-80 cm soil layer significantly increased by 10.89% to 13.00%. The rotation treatment of soybean-maize in the 80-100 cm soil layer significantly increased by 16.67% to 19.28% （P<0.05）. Soybean-maize-potato rotation and soybean-potato rotation treatments increased the organic carbon storage in the soil layers at depths of 0-10 and 0-20 cm. Soybean-maize-potato rotation and maize-maize-potato rotation can increase the organic carbon storage in the soil layers at depths of 0-40， 0-60， 0-80， and 0-100 cm， respectively. The first and second stratification rate decreased in the maize-maize-potato rotation treatment and the soybean-maize-potato rotation treatment， while the third and fourth stratification rate increased in the maize-maize-potato rotation treatment. To sum up， the optimal crop rotation model for the black soil agro-pastoral ecotone in Inner Mongolia is soybean-maize rotation， followed by the soybean-maize-potato and maize-maize-potato rotations.

Graphical abstract

关键词

农牧交错黑土区 / 轮作 / 土壤物理结构 / 土壤有机碳 / 有机碳层化率

Key words

the black soil agro-pastoral ecotone / crop rotation / soil physical structure / soil organic carbon / organic carbon stratification rate

玉米、大豆及马铃薯作为中国重要的粮食作物，其稳产和高产是保障国家粮食供给安全的重要基石。我国玉米种植地主要以东北、内蒙古及宁夏为主，占全国种植面积的36%^［1］；大豆种植地主要集中在中国东北地区，约占全国种植总面积的41%^［2］；马铃薯种植地主要集中在东北、内蒙古、山西及河北，其种植面积约占全国种植面积的42%^［3］。东北及内蒙古等地构成了中国农牧交错黑土区的核心地带，是我国粮畜产品生产的重要基地，全国25%的粮食均产于黑土区，自然黑土土壤结构良好、腐殖质层深厚、含丰富的有机质，具有高肥力、高适耕性的特点。长期以来农牧交错黑土区一直以玉米、大豆单作种植方式为主^［4］，然而随土地开垦程度加大，黑土地肥力不断下降，土壤结构变差^［5］。在长期单作种植情况下，作物根系在土壤中形成特定分布模式影响土壤结构，增加了土壤容重^［6］，尤其在马铃薯长期连作情况下，土传病害增加，土壤结构改变，透气性下降，使土壤更加紧实^［7］。自2017—2019年东北黑土区开始推广玉-豆轮作用地养地结合模式^［4］。研究表明通过不同作物的轮作，丰富生物多样性，有利于提高土壤生态系统稳定性，改善土壤质量^［8］。

土壤容重是衡量土壤物理性质的重要指标之一，其影响土壤有机碳储量的时空分布^［9］，反映土壤紧实度、孔隙状态及持水能力等指标^［10］。过高的土壤容重不利于植物根系的生长及土壤养分的循环利用^［11］。合理的轮作模式可以降低土壤容重，疏松土质，有利于作物根系发育^［12］。孙继英等^［13］在玉米、大豆及马铃薯轮作研究中发现，轮作可有效降低土壤容重，提高作物产量。吴金芝等^［14］对玉米-小麦轮作研究中发现，0—40 cm土层土壤容重有效降低了4.9%~11.5%。樊博等^［15］及Yue等^［16］对玉米及大豆生长根系研究中发现，两者根系在土壤中的生长均可增加土壤孔隙度，改善土壤物理结构。王籽懿等^［17］研究表明玉米-马铃薯轮作有利于降低0—40 cm土层土壤容重、增加土壤孔隙度。土壤有机碳储量可很好反映土壤有机碳储存能力^［18］。

已有研究表明轮作可以有效提升土壤有机碳含量，尤其对表层有机碳含量影响更为显著^［19-21］，同时可有效改善土壤物理结构，增加土壤透气性及孔隙度，改善土壤质量。但目前的研究主要集中在玉米-大豆轮作模式，且关于内蒙古农牧交错黑土区轮作模式对土壤质量影响的研究鲜有报道。因此，本研究拟在内蒙古自治区农牧交错黑土区呼伦贝尔市阿荣旗设置定位试验，以玉米、大豆、马铃薯不同轮作模式对土壤质量的影响为研究对象，在作物收获期，测定土壤中有机碳含量、有机碳储量、有机碳层化率、容重及孔隙度，分析不同轮作模式对土壤有机碳及物理结构的影响，探究各指标间的相关效应，以期为黑土耕地土壤物理结构改善、耕地质量提升、合理轮作模式的选择提供理论依据。

1　材料与方法

1.1　试验区概况

试验于2016年在内蒙古自治区农牧业科学院土壤管理与生态修复科学观测试验基地（48°12' N，123°48' E）进行。试验地土壤类型为黑土，质地为黏壤土。全年日照时数2 750~2 850 h，无霜期90~130 d。基础地力见表1。2022—2023年试验区月降雨量与月平均气温见图1，2022年4—11月降雨量为394.50 mm、主要集中在7月，2023年4—11月降雨量为640.70 mm、主要集中在7—8月。

1.2　试验方法

1.2.1　试验供试材料

试验所用供试材料品种为玉米品种“锋玉8”（龙江县丰吉种业有限责任公司提供）、大豆品种“克山1号”（黑龙江省农业科学院克山分院）、马铃薯品种“兴佳2”（黑龙江省大兴安岭地区农业林业科学院提供）。

1.2.2　试验设计

试验采取随机区组排列设计，共设置7个处理。分别为大豆-玉米轮作（S-M）、大豆-马铃薯轮作（S-P）、玉米-玉米-马铃薯轮作（M-M-P）、大豆-玉米-马铃薯轮作（S-M-P）、玉米连作（M-M）、大豆连作（S-S）、马铃薯连作（P-P），以P-P为对照处理。每个处理3次重复，小区面积为381 m²，共计21个小区。采用播种机进行玉米、大豆播种，马铃薯利用专用播种机播种。不同处理年际间施肥量根据作物进行施用，均不施加有机肥。其中：播前玉米地块施加复合肥450 kg/hm²，m（N）∶m（P₂O₅）∶m（K₂O）=19∶19∶19；马铃薯地块施加复合肥375 kg/hm²，m（N）∶m（P₂O₅）∶m（K₂O）为19∶19∶19；大豆地块施加复合肥300 kg/hm²，m（N）∶m（P₂O₅）∶m（K₂O）为14∶23∶11。此外，在玉米拔节期追施尿素，追肥量为247.5 kg/hm²、马铃薯地块追施尿素150 kg/hm²，大豆地块不追肥。各处理耕作方式一致，均采取深翻秸秆还田措施，于作物收获后将玉米、大豆、马铃薯秸秆全部粉碎全量还田，玉米秸秆还田量为：10 153~12 461 kg/hm²，大豆秸秆还田量为：3 910~5 300 kg/hm²，马铃薯秸秆还田量为：4 050~5 400 kg/hm²。其他田间管理均一致。

1.3　土壤样品采集及测定方法

1.3.1　土壤物理结构测定

在2022和2023年作物收获期进行样品采集，采用环刀法，分4个土层深度：0—10、10—20、20—40及40—60 cm，重复3次。样品吸水、烘干及称重。土壤容重计算公式如下^［22］：

\mathrm{S}\mathrm{B}\mathrm{D}=(M_{\mathrm{3}}-M_{\mathrm{1}})/\mathrm{100}

式中：SBD为土壤容重，g/cm³；M₃为105 ℃烘干后原状土样和环刀恒重，g；M₁为环刀重，g；100为环刀容积，cm³。

土壤总孔隙度及毛管孔隙度计算公式如下^［23-24］：

\mathrm{T}\mathrm{P}=(\mathrm{1}-\frac{\mathrm{S}\mathrm{B}\mathrm{D}}{\mathrm{2.65}})\times \mathrm{100}\mathrm{\%}

\mathrm{C}\mathrm{P}=(M_{\mathrm{2}}-M_{\mathrm{3}})/(M_{\mathrm{3}}-M_{\mathrm{1}})\times \mathrm{S}\mathrm{B}\mathrm{D}\times \mathrm{100}\mathrm{\%}

式中：TP为土壤总孔隙度，%；CP为土壤毛管孔隙度，%；M₃为105 ℃烘干后原状土样和环刀恒重，g；M₂为原状土样和环刀吸水12 h后置于干砂盘中2 h后质量，g；M₁为环刀重，g；2.65为土壤比重，g/cm³。

1.3.2　土壤有机碳测定

在2022和2023年作物收获期进行土壤样品的采集，采用“五点取样法”，用细土钻，分6个土层深度：0—10、10—20、20—40、40—60、60—80及80—100 cm，将5个点土样充分混匀，重复3次。SOC含量计算公式如下^［25］：

\begin{array}{l}\mathrm{S}\mathrm{O}\mathrm{C}=C\times (V_{\mathrm{0}}-V)\times {\mathrm{10}}^{-\mathrm{3}}\times \mathrm{3.0}\times \\ \mathrm{1.33}\times \mathrm{1}\mathrm{000}/m\end{array}

式中：SOC为土壤有机碳含量，g/kg；C为0.5 mol/L FeSO₄标准溶液浓度，V₀为空白滴定所用FeSO₄体积，mL；V为样品滴定所用FeSO₄体积，mL；1.33为氧化校正系数；m为风干土重，g。

SOC储量用等质量法测定计算公式如下^［26］：

\mathrm{S}\mathrm{O}\mathrm{C}\mathrm{S}={\displaystyle \sum _{i=\mathrm{1}}^n}(C_i\times SB{D}_i\times D_i)/\mathrm{10}

式中：SOCS为某深度的土壤有机碳储量，T/hm²；C_i 为第i层土壤有机碳含量，g/kg；SBD _i 为第i层土壤容重，g/cm³；D_i 为第i层土壤厚度，cm；n为土层数。

SOC层化率计算公式如下^［27］：

\mathrm{S}{\mathrm{R}}_i=\frac{C_{\mathrm{1}}}{C_{i+\mathrm{1}}}

式中：SR _i 为不同深度土层土壤有机碳层化率；C₁为0—10 cm土层有机碳含量，g/kg；i取值1、2、3、4、5，i+1分别代表10—20、20—40、40—60、60—80、80—100 cm土层；C_i+1 为不同土层有机碳含量，g/kg。

1.4　数据处理

采用Microsoft Excel 2019软件进行数据预处理后，用IBM SPSS Statistics 26.0进行单因素方差分析（ANOVA）和显著性检验（P<0.05），利用Origin 2022对分析结果进行绘图。

2　结果与分析

2.1　不同作物轮作系统对土壤容重的影响

2022和2023年不同轮作系统对土壤容重的影响结果见图2。0—40 cm土层P-P处理土壤容重最高，其次为S-P、S-S、S-M-P。与P-P处理相比，S-P、S-S及S-M-P处理容重降低，但不显著（P>0.05），S-M、M-M-P及M-M处理可显著降低0—40 cm土层土壤容重（P<0.05）。其中，0—10 cm土层显著降低13.96%~19.94%（P<0.05）；10—20 cm土层显著降低13.05%~21.83%（P<0.05）；20—40 cm土层显著降低12.53%~22.72%（P<0.05）。40—60 cm土层P-P处理土壤容重最高，与P-P处理相比，S-M、M-M处理可显著降低该土层土壤容重（P<0.05），其中S-M处理降幅最大。此外，2022年S-M-P处理在0—60 cm土层中土壤容重总体上均有所降低，但不显著（P>0.05），2023年S-M-P处理土壤容重显著降低（P<0.05）。

2.2　不同作物轮作系统对土壤总孔隙度的影响

2022和2023年不同轮作系统对土壤总孔隙度的影响结果见图3。不同土层中各处理总孔隙度的变化有所差异。总体上，P-P处理土壤总孔隙度最低。0—40 cm土层，最大值出现在S-M、M-M-P及M-M处理之间。与P-P处理相比，S-P、S-S及S-M-P处理总孔隙度升高，但不显著（P>0.05），S-M、M-M-P及M-M处理可显著提高0—40 cm土层土壤总孔隙度（P<0.05），其中，0—10 cm土层显著提高7.57%~10.82%（P<0.05）；10—20 cm土层显著提高7.35%~12.56%（P<0.05）；20—40 cm土层显著提高7.42%~13.35%（P<0.05）。40—60 cm土层S-M处理土壤总孔隙度最高，与P-P处理相比，S-M及M-M处理均显著提高土壤总孔隙度（P<0.05）。此外，与P-P处理相比，2022年S-M-P处理在0—60 cm土层中土壤总孔隙度总体上均有所提高，但不显著（P>0.05），2023年S-M-P处理土壤总孔隙度显著提高（P<0.05）。

2.3　不同作物轮作系统对土壤毛管孔隙度的影响

2022和2023年不同轮作系统对土壤毛管孔隙度的影响结果见图4。不同处理对各土层土壤毛管孔隙度的影响存在差异。总体上，0—40 cm土层中M-M、S-M及M-M-P处理对土壤毛管孔隙度的影响较大，与P-P处理相比，其中，0—10 cm土层M-M、S-M及M-M-P处理土壤毛管孔隙度显著提高了5.37%~7.86%（P<0.05），S-M-P及S-S处理土壤毛管孔隙度有所提高，但不显著（P>0.05）；10—20、20—40 cm土层M-M处理分别显著提高6.90%~7.67%、5.14%~5.22%（P<0.05），S-M、M-M-P、S-M-P及S-S处理提高不显著（P>0.05）。40—60 cm土层M-M、S-M及S-S处理土壤毛管孔隙度提高，但不显著（P>0.05）。此外，2023年轮作处理毛管孔隙度整体上高于2022年。2023年连作处理毛管孔隙度整体上低于2022年。

2.4　不同作物轮作系统对土壤有机碳含量的影响

2022和2023年不同轮作系统对土壤有机碳含量的影响结果见图5。总体上，各土层不同处理中M-M、S-M、S-M-P及M-M-P处理土壤有机碳含量均高于其他处理，P-P处理含量最低。其中，与P-P处理相比，0—10 cm土层2022年M-M含量最高，最高达22.83 g/kg，其次为S-M、S-M-P、S-S处理，其有机碳含量显著提高7.95%~17.05%（P<0.05）；2023年S-M含量最高，最高达26.38 g/kg，其次为M-M、S-M-P、M-M-P、S-S处理，其有机碳含量显著提高16.09%~36.78%（P<0.05）。10—20 cm土层2022和2023年均为M-M-P处理含量最高，显著提高16.65%~33.77%（P<0.05），其次为M-M、S-M-P、S-M、S-S、S-P处理，2022年提高了1.28%~14.10%（P>0.05），2023年显著提高了14.29%~31.17%（P<0.05）。20—40 cm土层2022和2023年均为M-M-P处理含量最高，其次为S-M-P、M-M、S-S，均显著提高（P<0.05），此外2023年S-M处理有机碳含量显著提高（P<0.05），2022年提高不显著（P>0.05）。40—60 cm土层2022年各处理间无显著差异（P>0.05），2023年S-S处理有机碳含量最高，其次为M-M、S-P、S-M-P，且均显著提高（P<0.05）。60—80 cm土层有机碳含量2022年M-M及S-M-P处理显著提高（P<0.05），其次为S-M、M-M-P、S-S、S-P，但提高不显著（P>0.05）；2023年S-M处理有机碳含量提升最显著，其次为M-M-P、S-S、S-M-P、M-M，均显著提高（P<0.05）。80—100 cm土层M-M处理有机碳含量最高，其次为S-M处理，均显著提高（P<0.05）。此外，0—60 cm土层除P-P处理，2023年其余处理有机碳含量整体均高于2022年。60—100 cm土层有机碳含量2023年较2022年呈降低趋势。

2.5　不同作物轮作系统对土壤有机碳储量的影响

2022和2023年不同轮作系统对土壤有机碳储量的影响结果见图6。总体上，相较于P-P处理，2022年S-M-P、S-M、M-M-P处理可不同程度提高土壤有机碳储量，但不显著（P>0.05）；2023年40—100 cm土深土壤的S-M-P、M-M-P及S-S处理有机碳储量均显著提升（P<0.05）。2022年，0—10 cm土深S-S处理有机碳储量最高，M-M-P处理最低；0—20 cm土深S-M-P处理有机碳储量最高，M-M-P处理最低；0—40、0—60、0—80、0—100 cm土深S-M-P处理储量最高，S-M处理最低。2023年0—10、0—20 cm土深S-S处理储量最高，且各处理间差异不显著（P>0.05）；0—40 cm土深S-M-P处理储量最高，其次为S-S、M-M、M-M-P、S-P，与P-P处理相比，显著提高了7.60%~19.53%（P<0.05）；0—60、0—80、0—100 cm土深S-S处理储量最高，其次为S-M-P、M-M、M-M-P，不同土深有机碳储量分别显著提高8.07%~14.89%、8.62%~13.16%、7.97%~11.93%（P<0.05）。此外，所有处理0—100 cm土深2023年有机碳储量整体高于2022年。

2.6　不同作物轮作系统对土壤有机碳层化率的影响

2022和2023年不同轮作系统对土壤有机碳层化率的影响结果见图7。可见：相较于P-P处理，轮作处理可降低土壤SR1及SR2，且M-M-P处理最低，2022年不同处理间SR1差异不显著（P>0.05）；2023年除S-M处理显著增加16.80%（P<0.05），其余处理间差异不显著（P>0.05）。2022和2023年S-M-P及M-M-P处理显著降低SR2，降低14.88%~22.50%（P<0.05）。2022年M-M处理SR3最高，其次为S-M-P、S-M、S-S、S-P，M-M-P处理最低，不同处理间差异不显著（P>0.05）；2023年M-M-P处理SR3最高，其次为S-M、M-M、S-M-P，S-P处理最低，S-M及M-M-P处理显著提高22.69%~22.85%（P<0.05），其余处理间差异不显著（P>0.05）。2022年S-P处理SR4最低，其次为S-M-P、M-M-P，且层化率均低于P-P处理，S-M处理最高，不同处理间差异不显著（P>0.05）；2023年S-M处理SR4最高，其次为M-M、S-M-P、M-M-P、S-S、S-P，P-P处理最低，且除S-M处理显著提高18.88%（P<0.05），其余处理间差异不显著（P>0.05）。2022年M-M-P及S-P处理SR5高于P-P处理，S-M-P处理最低，其次为S-M、S-M、S-S，各处理间差异不显著（P>0.05）；2023年P-P处理SR5最低，S-M处理SR5最高，其次为S-M-P、M-M-P、S-S、S-P、M-M，各处理间差异不显著（P>0.05）。此外，结果显示轮作处理对表层土壤层化率较显著，对深层土壤层化率影响并不显著。层化率各处理间2022年变化趋势较为平缓，2023年呈“Z”字型变化，且大豆-玉米轮作处理下SR3、SR4、SR5层化率均处于峰值。

2.7　作物轮作系统下各指标相关性分析

不同轮作模式对物理结构及有机碳指标的相关性分析结果见图8，SOC与CP、TP呈显著正相关，与SBD、SR、SOCS呈显著负相关（P<0.05），相关性程度为SR>SOCS>CP>TP/SBD。SOCS与SBD、SR呈显著正相关，与CP、TP、SOC呈显著负相关（P<0.05）相关性程度为SOC>SR>CP>TP/SBD。SR与SBD、SOCS呈显著正相关，与CP、TP、SR呈显著负相关（P<0.05），相关性程度为SOC>SOCS>CP>TP/SBD。SBD与SR、SOCS呈显著正相关，与SOC、TP、CP呈显著负相关（P<0.05），相关性程度为TP>SOC>CP>SOCS>SR。TP与CP、SOC呈显著正相关，与SOCS、SR、SBD呈显著负相关（P<0.05），相关性程度为SBD>SOC>CP>SOCS>SR。

2.8　长期作物耕作对物理结构的影响

长期不同轮作系统对土壤容重的影响与2016年基础值相比结果见表2。可见：相较于2016年土壤容重，2022—2023年各深度土层中所有处理均呈提高趋势，其中S-M容重增加显著性最小、其次为M-M-P、S-M-P，P-P处理容重增加最显著。0—10 cm土层所有处理容重显著提高了13.95%~39.41%，其中轮作处理显著提高了13.95%~37.42%（P<0.05）。10—20 cm土层S-M-P、S-P、S-S及P-P处理容重显著提高了20.31%~30.82%（P<0.05）。20—40 cm土层除M-M、M-M-P处理，其余处理容重显著提高了4.07%~28.10%（P<0.05）。40—60 cm土层除M-M、S-M处理，其余处理容重显著提高了8.23%~20.01%（P<0.05）。

长期不同轮作系统对土壤总孔隙度的影响与2016年基础值相比结果见表3。可见：相较于2016年土壤总孔隙度，2022—2023年各深度土层中所有处理均呈降低趋势，其中S-M总孔隙度降低显著性最小、其次为M-M-P、S-M-P，P-P处理总孔隙度降低最显著。0—10 cm土层所有处理总孔隙度显著降低了5.56%~15.39%（P<0.05），其中轮作处理显著降低了5.56%~14.62%（P<0.05）。10—20 cm土层除M-M、S-M处理，其余处理总孔隙度显著降低4.36%~13.53%（P<0.05）。20—40 cm土层除S-M、M-M-P处理，其余处理总孔隙度显著降低了4.49%~12.93%（P<0.05）。40—60 cm土层S-S、M-M-P、S-P及P-P处理显著降低了5.58%~10.80%（P<0.05）。

3　讨 论

3.1　作物轮作系统对土壤物理结构的影响

不同作物根系对土壤的穿透性不同，根系的分布可影响土壤物理结构，改善土壤板结状况，增大土壤透气性，调节土壤孔隙度及容重^［28］。本研究发现与2016年播前相比，2022—2023年各处理土壤容重增加，孔隙度降低，连作处理对提升容重、降低总孔隙度的影响显著性高于轮作处理。与Jin等^［29］研究一致，玉米-大豆长期轮作中土壤小粒径团聚体组分过多，使大孔隙比例降低，导致与播前相比容重增加。同年内，相较于P-P处理，M-M-P处理可显著提高0—40 cm土层土壤总孔隙度，降低土壤容重，S-M处理可对0—60 cm土层总孔隙度及容重产生显著影响。2022及2023年研究表明M-M-P及S-M处理可显著提高0—10 cm土层毛管孔隙度，玉米、大豆参与的轮作模式对改善土壤物理结构有显著影响，豆科作物轮作可有效提高土壤结构聚集指数，增大土壤孔隙度^［30］，与本研究一致。大豆-玉米及玉米-玉米-马铃薯轮作可使0—40 cm土壤容重降低、孔隙度增加，与豆科作物高C∶N残留物加速分解有关，在短期内可使土壤有机质含量升高，改善土壤质量^［31］。玉米-玉米-马铃薯轮作改善0—40 cm土层物理结构，可能与土壤深翻打破犁底层、疏松土质有关，使土壤孔隙度增大，玉米秸秆还田将更多的有机质保留在土壤中，使土壤有机碳含量增加。并且玉米与马铃薯根系分布形成互补，促进土壤团聚体的形成，玉米轮作虽对团聚体含量无显著影响，但可以提高团聚体中的碳氮含量^［32］，是改善土壤物理结构的原因。本研究发现大豆-玉米轮作不仅可以改善表层土壤物理结构，对深层（>40 cm）土壤容重及孔隙度也可产生影响，可能是由于大豆属于直根系植物，其根系可深入土壤50—80 cm，根系可穿透更深的土层增加土壤孔隙度，玉米参与轮作可增加土壤孔隙度^［33-34］，且大豆根系固氮菌使土壤生物量增加，综合玉米、大豆对土壤结构的影响进而改善土壤物理结构。郭金瑞等^［35］进行的21年轮作研究表明，0—60 cm土层玉米连作土壤容重小于玉米-大豆轮作，总孔隙度玉米连作大于玉米-大豆轮作，但本研究中2023年0—60 cm各土层玉米连作土壤容重大于玉米-大豆轮作，总孔隙度玉米连作小于玉米-大豆轮作，可能与玉米连作秸秆还田量有关，大量秸秆还田增加土壤有机质含量、改善土壤物理结构降低土壤容重，且玉米与大豆不同秸秆在土壤中分解速度也不同，本研究进行6~7年的轮作试验，轮作周期的长短也是影响土壤物理结构变化的重要原因之一。

3.2　作物轮作系统对土壤有机碳的影响

有机碳是土壤有机质的重要组成部分，高有机碳含量有助于保持土壤的持水能力，改善土壤物理结构。本研究发现相较于P-P处理，S-M-P、M-M-P及S-M处理可显著提高0—40 cm土层有机碳含量，S-M-P可显著提高60—80 cm土层土壤有机碳含量，S-M处理可显著提高80—100 cm土层有机碳含量。S-M-P可显著提高100 cm深度土层有机碳储量，S-P处理可提高表层有机碳储量，M-M-P可显著提高40—100 cm深度有机碳储量。M-M-P及S-M-P可有效降低土壤SR1、SR2。SR3、SR4、SR5层化率，2023年均表现为大豆-玉米轮作处理处于层化率比值峰值。本研究中发现大豆-玉米轮作、大豆-玉米-马铃薯轮作及玉米-玉米-马铃薯轮作可有效提高表层土壤有机碳，其中大豆-玉米-马铃薯轮作不仅对表层有机碳含量提高有显著影响，也可提高深层有机碳含量。豆科作物参与轮作可使有机碳库增加7.1%~21.4%^［36］，这与本研究大豆参与轮作使有机碳含量增加一致。豆科作物残留物养分含量要高于禾本科植物，进而使其在参与轮作中有助于提高土壤质量。此外，本研究中大豆-玉米轮作提高土壤有机碳含量，但有机碳储量并没有显著提高，有机碳含量增加可能与大豆为固氮作物有关，其参与轮作缓解土壤氮循环限制，土壤碳氮等获取酶活力提高，使土壤有机碳含量增加。研究表明大豆-玉米轮作可有效提高0—20 cm土层有机碳储量^［37-38］，但本研究中0—20 cm土层大豆-玉米轮作土层有机碳储量的变化并无显著变化，可能由于大豆轮作增加土壤氮素矿化加快，加速有机碳分解，导致新有机碳输入进而增加有机碳含量，但整体碳储量未能得到提升^［39］。玉米-玉米-马铃薯轮作使土壤有机碳升高的原因是由于玉米秸秆还田，使更多养分留在土壤中，提高土壤碳封存、土壤深翻使表层作物残留进入深层使有机碳含量及储量升高^［40］。大豆秸秆作为高C∶N残留物可被土壤微生物有效利用进而加速土壤碳氮循环，玉米碳投入比大豆高1.4~1.8倍，使得有更多的有机质储存在土壤中^［41］。本研究中大豆-玉米-马铃薯轮作使表层及深层土壤有机碳含量及储量提高，可能由于大豆与玉米高碳投入、不同类型根系多样性的轮作使得深层土壤有机碳得到激活、秸秆还田高碳氮回报、团聚体稳定性的提高等有关。有机碳随土壤的加深而降低，本研究中，大豆-玉米-马铃薯及玉米-玉米-马铃薯轮作降低了表层有机碳层化率，显著提高了深层土壤层化率，SR3、SR4、SR5层化率2023年相较于2022年变化趋势发现，大豆-玉米轮作处理均为每土层层化率中的峰值，主要受表层有机碳变化的影响，2022年增加并不显著，但2023年大豆-玉米轮作0—10 cm土层土壤有机碳含量显著增加。说明大豆、玉米参与的轮作对改善表层土壤质量有积极作用。

3.3　作物轮作系统对土壤物理结构及有机碳相关性的影响

本研究结果表明，TP、CP与SOC互呈显著正相关，SR、SBD与SOCS互呈显著正相关，SBD与TP、CP、SOC呈显著负相关。土壤孔隙度与土壤水分及养分的存储、运输有关，受到作物根系活动的影响，大孔隙度有利于土壤中空气的流通，保障植物根系呼吸及微生物活动，促进土壤养分循环，总孔隙度决定土壤中孔隙的总体数量和空间，为毛管孔隙的形成和发育提供了基础。毛管孔隙度的大小影响土壤细菌活动，调控土壤有机碳^［42］。土壤容重能很好地反映土壤物理结构，容重增加，使土壤紧实度增加，孔隙度变小，限制根系生长及作物发育，不利于有机物质的分解和转化，导致土壤碳降低^［43］。轮作处理提升土壤有机碳含量，增加土壤孔隙度，降低土壤容重，Xu等^［44］研究表明土壤有机碳含量提升有助于大团聚体的形成，进而增大土壤孔隙度。土壤总孔隙度随有机碳含量的提高而提高，容重随有机碳含量的提高而降低^［45］，土壤有机碳含量随土层加深而减低，导致土壤层化率升高。不同轮作模式改善土壤物理结构，提高有机碳含量及储量，提升土壤质量。

4　结 论

本研究以马铃薯连作为对照，探究不同轮作模式对土壤物理结构及有机碳影响变化。主要结论如下：

1）大豆-玉米及玉米-玉米-马铃薯轮作处理可有效改善土壤物理结构，大豆-玉米轮作可有效调节0—60 cm土层容重及孔隙度、玉米-玉米-马铃薯轮作可有效调节0—40 cm土层容重及孔隙度。

2）大豆-玉米、大豆-玉米-马铃薯及玉米-玉米-马铃薯轮作可有效提高土壤有机碳含量。大豆-玉米-马铃薯、大豆-马铃薯及玉米-玉米-马铃薯轮作处理可有效提高土壤有机碳储量。

3）玉米-玉米-马铃薯、大豆-玉米-马铃薯及大豆-玉米轮作处理使0—40 cm土层层化率降低，大豆-玉米轮作处理使40—100 cm土层层化率提升。综上，内蒙古农牧交错黑土区适宜的轮作模式为大豆-玉米，其次为玉米-玉米-马铃薯、大豆-玉米-马铃薯。

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基金资助

农牧交错区耕地保育与产能提升创新人才团队项目(2025TYL09)

内蒙古自治区科技计划(2022YFDZ0071)

内蒙古自治区科技计划(2022YFDZ0060-2)

内蒙古自治区科技计划(2025YFDZ0059)

中央引导地方科技发展资金(2022ZY0216)