试验于2018年3—9月在云南农业大学后山径流试验小区进行(25°8'18″N,102°45'58″E),海拔为1 950 m,坡向为北偏西57°,周年气温为4.7～23.7℃,年平均降雨量为960 mm,是云南省典型的坡耕地红壤水土流失区。供试土壤为红壤,土壤基本理化性质如下:有机质为36.41 g/kg,pH值为6.73,碱解氮为112.98 mg/kg,速效磷为5.51 mg/kg,速效钾为89.27 mg/kg。

试验设有10°,20°,30°共3组坡度,每组坡度设置一个大豆单作,一个大豆—玉米间作2个小区,小区面积按坡度顺序分别为4 m*10 m,4 m*7 m,4 m*6 m。坡耕地上分单间作种植。供试作物大豆为豆单一号,生长期为120 d左右; 玉米为云瑞88,生长期也为120 d左右。大豆单作采用等行距种植,株行距25 cm*60 cm,共计17行,每行16株。大豆—玉米间作采用2:2种植模式,大豆、玉米行内株行距都为30 cm*40 cm,玉米与大豆间行距50 cm,共计玉米12行,每行13株,大豆11行,每行13株。玉米每穴播种2粒,大豆每穴播种4粒,后期玉米每穴留1株,大豆每穴留2株。根据试验小区的具体情况在玉米和大豆的整个生育期内进行相应的浇水、除草等农事活动。

由图2可以看出,各坡度单间作模式间土壤含水率无显著差异,但是土壤含水率均随坡度增加而呈降低趋势。10°坡上间作比单作高0.32%,20°坡上间作比单作高4.06%,30°坡上间作比单作低3.81%。同一坡度下含水率差异不显著,在同一坡度下讨论单间作模式的差异可以排除含水率影响。

图2 不同种植模式下的土壤含水率

从表1数据可以看出,仅在10°坡耕地上单间作土壤团聚体含量存在部分粒径存在显著差异,20°,30°坡耕地大豆单间作模式间土壤团聚体含量无显著差异。先10°坡上间作模式的最优势径级是<0.106 mm,1～2 mm次之,单作优势径级0.25～0.5 mm和0.106～0.25 mm; 20°坡上间作最优势径级是0.5～1 mm,0.25～0.5 mm次之,单作最优势径级是0.5～1 mm,1～2 mm次之; 30°坡上,间作最优势径级是>2 mm,1～2 mm次之,单作最优势径级1～2 mm,0.5～1 mm次之。随坡度增加单间作土壤团聚体优势径级有向大团聚体径级发展趋势。通过同一坡度比较单间作模式可以发现,10°坡上大豆间作后,0.106～0.25 mm和0.25～0.5 mm的团聚体分别显著减少了15.2%,10.74%,1～2 mm和<0.106 mm的团聚体显著增加了5.65%,10.3%,>2 mm的团聚体增加了8.58%; 20°坡上大豆间作后,>2 mm,1～2 mm和0.5～1 mm的团聚体分别减少了2.38%,0.51%,0.09%,0.25～0.5 mm,0.106～0.25 mm和<0.106 mm的团聚体分别增加了0.58%,1.77%,2.69%; 30°坡上大豆间作后,1～2 mm,0.5～1 mm,0.25～0.5 mm,0.106～0.25 mm和<0.106 mm的团聚体分别减少了1.9%,1.86%,0.41%,2.35%,0.27%,>2 mm的团聚体增加了6.8%。

由表2可知,各指标同一坡度下单间作之间无显著差异。R_0.25间作模式下10°和30°坡分别增加了6.61%,2.63%,在20°坡减少了4.46%; 平均重量直径间作后在10°和30°坡分别增加了32.84%,9.09%,在20°坡减少了10.13%。大豆间作玉米后分形维数在10°,20°坡上分别增加了2.85%,3%。

表1 不同种植模式下土壤团聚体粒径分布%

表2 土壤团聚体特征

由表3和图3可知,在不同种植模式和坡度上大豆根土土体所受载荷与位移之间存在线性正相关关系。其中,通过比较在相同载荷的位移量可以看出,间作后在10°与30°坡上固土能力大于单作,20°坡上结果相反。3个临界载荷点在同一坡度上单间作之间差异并不显著。通过比较均值,10°坡上F₁,F₂,F₃均高于单作,间作提高了根土复合体弹性形变量和塑性形变量,20°坡上间作F₁,F₂均低于单作,30°坡上间作F₁低于单作,F₂高于单作,增加了根土复合体弹性形变量。

表3 载荷与位移相关关系方程及关键临界点

经方差分析,大豆根长和根表面积在不同坡度单间作模式下均无显著差异,根体积在20°坡耕地上具有显著差异。由表4可知,根系指标在不同种植模式下都有随坡度增加而降低的趋势。大豆间作玉米后根长在10°,20°和30°坡上分别减少了4.6%,3.82%,10.12%; 20°坡上根表面积间作后在各坡度上分别减少了14.42%,15.96%,22.67%; 根体积在各坡度下间作比单作分别减少了30.8%,46.25%,31.29%。

由表5可以看出,单作模式下,含水率与分形维数(D)达到显著正相关,与平均重量直径(MWD)和>0.25 mm稳定性团聚体却是显著负相关,平均重量直径和分形维数显著负相关,与>0.25 mm稳定性团聚体显著正相关,分形维数与>0.25 mm稳定性团聚体达到显著负相关,根长与F₂显著负相关,根体积与F₁,F₂显著正相关。间作模式下,含水率与土壤团聚体分形维数达到显著正相关,与>0.25 mm稳定性团聚体达到显著负相关,平均重量直径与>0.25 mm稳定性团聚体达到显著正相关。间作与单作相比,间作降低了含水率对平均重量直径的负作用,增强了含水率对分形维数、>0.25 mm稳定性团聚体的作用影响,平均重量直径和>0.25 mm稳定性团聚体与F₁,F₃的关系在间作模式下转为负相关,分形维数在间作模式下与F₁,F₂的关系转为正相关,间作模式下根长与F₁,F₂,F₃的负相关转为正相关,根表面积与F₂,F₃的关系转为正相关,根体积与F₁,F₂,F₃相关性降低。

表4 不同种植模式下根系特征

从土壤团聚体的粒径分布结果和>0.25 mm稳定性团聚体来看,间作在10°,30°坡上相对于单作都是减小了<0.25 mm小团聚体,增加了>0.25 mm大团聚体的分布,总体上间作对大团聚体的增加是有作用的。结果与周晓晨等^[20]研究结果一致。从根系特征来看,20°坡上间作低于单作的原因可能是作物根体积显著降低,间作后根体积的降低影响到了根淀积,作为大团聚体胶结物质的土壤中有机质含量过低^[21],所以形成的>0.25 mm稳定性团聚体较单作低。这也就影响到了平均重量直径在20°坡上的减小,但是在10°,30°坡上间作增加了平均重量直径。10°坡上间作增加大稳定性土壤团聚体的优势更加明显,这和孙志旭等^[22]在3°,6°,9°坡上研究结果一致。

图3 不同种植模式和坡度下土体载荷与位移间的关系

表5 大豆单间作下含水率、团聚体特征、根系特征和固土能力的相关关系

土壤团聚体平均重量直径代表团聚体的物理结构特征。平均重量直径值越大说明土壤团聚体中大团聚体更多。大豆单作下平均重量直径随坡度增加而升高的结果和徐程等^[23]平均重量直径受水分影响的结果一致,土壤中大团聚体增加,水稳定性更强。马仁明等^[24]研究表明土壤前期含水率在达到15%之后继续增加时,红壤团聚体受快速湿润而破碎的消散作用降低,转为机械作用和土壤矿物湿润后非均匀膨胀作用,所以平均重量直径会随水分增加而增大。大豆间作玉米时,10°和30°坡上团聚体平均重量直径间作比单作高与王英俊等^[25]间作白三叶增加果园水稳性团聚体平均重量直径的结果一致,间作增加了团聚体结构中的大团聚体。

土壤团聚体的分形维数代表了土壤物理结构特征,本研究中的结果与白录顺^[13]、王婷^[26]等玉米大豆间作减小分形维数的结果相反,间作模式下增加了分形维数。间作增加了土壤中的大团聚体,同时也增加了土壤中黏粒物质,可能由于黏粒物质的影响大于大团聚体的影响,从而导致分形维数增加。张秦岭等^[27]研究表明受土壤侵蚀影响,农田中土壤颗粒分形维数随坡度增加而呈降低的趋势,与本研究结果一致,坡度越大分形维数越低。由此推测间作增加分形维数有助于抵抗土壤侵蚀、调整土壤结构。

大豆间作后,根系生长较单作有所下降,与前文分形维数的讨论结果较一致。间作后的土壤结构并不利于根系的生长,因此间作后根系对土壤团聚体所能产生的物理作用会降低,相邻土壤颗粒间空间距离增大,不利于团聚体形成。王婷等^[26]研究发现,间作后作物根系分泌物会增加,增加的有机物质胶结形成更多的大团聚体,根系生物化学作用强于根系物理作用,所以本研究中根系指标降低情况下,在10°,30°坡度下大豆玉米间作下大团聚体比重增加而没有减少。间作后根系生物化学作用会增强根系物理作用,调整土壤结构及形成更多大团聚体。

陈小强等^[12]研究结果表明间作可以提高作物固土能力与本研究结果一致,结果不一致的地方在于间作没有增加根系密度也增加了固土能力,说明间作对固土能力的影响不仅仅只依赖于根系的物理结构,同时需要考虑其根系生物化学作用。根系的生物化学作用体现在通过对土壤的影响间接影响固土能力。比例极限点、屈服拉力点、抗拉极限点在间作模式下的增大,说明了间作可以增加根土复合体弹性形变阶段、塑性形变阶段。这种增强效应随坡度增加根系减少而减弱,最后只能增加根土复合体的弹性形变阶段。土壤团聚体中>0.25 mm稳定性团聚体和平均重量直径在间作模式与固土能力有负作用,但是分形维数与比例极限点、屈服拉力点的关系由负相关转变为正相关,说明间作模式下稳定性大团聚体削弱了固土能力,土壤结构增强了固土能力。在10°单间作根系均值上有所降低但无显著差异,此时间作固土能力的增加受着分形维数增加的影响。20°坡耕地大豆间作根体积显著降低,固土能力受此影响间作固土能力低于单作固土能力。30°坡耕地根系与分形维数均无显著差异,但是屈服拉力点到抗拉极限的塑性形变阶段固土能力高于单作,说明分形维数增强了固土能力。

本研究中大豆间作玉米在0—10 cm土层牺牲了自身的根系扩展,没有显著增加土壤稳定性大团聚体的形成降低土壤分形维数,而是增加了土壤团聚体分形维数,从而优化土壤结构来增强大豆根土复合体的固土能力。