趙思騰， 師尚禮， 李小龍， 李 文， 張曉燕

(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)學(xué)院， 草業(yè)生態(tài)系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 甘肅 蘭州 730070)

隴中黃土高原丘陵區(qū)是我國(guó)典型的生態(tài)脆弱區(qū)，該地區(qū)旱災(zāi)頻發(fā)、地形破碎、水土流失嚴(yán)重。嚴(yán)峻的生態(tài)環(huán)境和人民保守的舊耕作思想，致使當(dāng)?shù)赝寥鲤B(yǎng)分含量降低，肥力變差，作物產(chǎn)量不穩(wěn)且低下。這些因素嚴(yán)重制約著該區(qū)域農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展[1]。

玉米(Zeamays)為隴中旱作區(qū)主要的規(guī)?；N植作物之一，在國(guó)家“糧改飼”調(diào)結(jié)構(gòu)中也扮演著重要角色，高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)，既能收獲糧食，又能全株青貯作飼草，適宜于作調(diào)整種植結(jié)構(gòu)和“以種帶養(yǎng)”的作物[2]。

土壤團(tuán)聚體、土壤有機(jī)碳、土壤全氮、全磷、全鉀、速效氮、速效磷、速效鉀等土壤理化性狀，是評(píng)價(jià)土壤質(zhì)量的重要指標(biāo)[2-3]。土壤團(tuán)聚體是土壤結(jié)構(gòu)的基本單位，其數(shù)量在一定程度上反應(yīng)土壤持水性，通透性，以及供儲(chǔ)養(yǎng)分能力的強(qiáng)弱，并通過(guò)土壤溫度、土壤水分含量與土壤通氣性等直接影響作物生產(chǎn)力，是重要的土壤物理性質(zhì)[4-6]；土壤養(yǎng)分為作物提供生長(zhǎng)必需的營(yíng)養(yǎng)元素，其含量的高低對(duì)作物生長(zhǎng)發(fā)育有重要影響[7-10]；土壤有機(jī)碳是評(píng)價(jià)土壤質(zhì)量的關(guān)鍵指標(biāo)，是土壤肥力和基礎(chǔ)地力最重要的物質(zhì)基礎(chǔ)，在調(diào)節(jié)土壤水、肥、熱狀況等方面起著較好的維持作用，影響著土壤生產(chǎn)力及其穩(wěn)定性[11-13]。通過(guò)合理輪作能一定程度上優(yōu)化土壤理化性狀，改善土壤微生態(tài)環(huán)境，增加作物產(chǎn)量，提高土地利用效率[14]。近年來(lái)隨著人們環(huán)保意識(shí)的提高，種植結(jié)構(gòu)的調(diào)整以及畜牧業(yè)的發(fā)展，糧草輪作系統(tǒng)得到了有效的推廣[15-17]。但隴中地區(qū)種植結(jié)構(gòu)仍長(zhǎng)年以馬鈴薯(Solanumtuberosum)和小麥(Triticumaestivum)為主，少數(shù)飼草料田也主要以玉米多年連作的種植模式為主，導(dǎo)致土壤質(zhì)量嚴(yán)重下降，大量施用化學(xué)肥料不僅導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)成本的提升，而且對(duì)當(dāng)?shù)卮嗳醯纳鷳B(tài)環(huán)境加重了壓力，培肥地力已成為當(dāng)下實(shí)現(xiàn)作物高產(chǎn)量高品質(zhì)面對(duì)的嚴(yán)峻問(wèn)題。

因此，對(duì)土壤質(zhì)量的綜合評(píng)價(jià)是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與規(guī)劃的基礎(chǔ)工作，客觀、合理的評(píng)價(jià)是掌握土壤基本狀況的前提，評(píng)價(jià)方法的選取是評(píng)價(jià)過(guò)程中的重要環(huán)節(jié)，影響評(píng)價(jià)的精度和準(zhǔn)確度[18]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)評(píng)價(jià)方法做了大量研究，方法的差異集中于評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重確定和數(shù)學(xué)模型，常見的評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重確定方法包括層次分析法、主成分分析法、灰色關(guān)聯(lián)度等。這些評(píng)價(jià)方法使土壤養(yǎng)分評(píng)價(jià)更精確化，但一些方法仍具有算法復(fù)雜、耗時(shí)長(zhǎng)以及不實(shí)用等缺點(diǎn)，且權(quán)重的確定與數(shù)學(xué)模型對(duì)土壤養(yǎng)分評(píng)價(jià)精度的影響存在不確定性。本研究采用熵權(quán)法取代一般權(quán)值法，避免了主觀性；TOPSIS模型是一種適用于多指標(biāo)多方案決策分析的方法[19]，在與熵權(quán)法結(jié)合的基礎(chǔ)上，將其應(yīng)用于土壤肥力評(píng)價(jià)，期望能得到更客觀、更符合實(shí)際的評(píng)價(jià)效果。張彬等[20]基于改進(jìn)的TOPSIS模型對(duì)陜西省周至縣北部農(nóng)耕區(qū)土壤養(yǎng)分進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。在前人的研究基礎(chǔ)上，本研究旨在通過(guò)建立TOPSIS模型和熵權(quán)法的融合，對(duì)玉米與苜蓿(Medicagosativa)、馬鈴薯、大豆(Glycinemax)和小麥4種作物輪作土壤進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，探究不同輪作系統(tǒng)較玉米連作對(duì)土壤肥力影響的差異性，篩選出適宜隴中旱作區(qū)種植玉米的最優(yōu)輪作系統(tǒng)，為生產(chǎn)實(shí)踐提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)設(shè)在隴中黃土高原丘陵溝壑區(qū)的定西市安定區(qū)團(tuán)結(jié)鎮(zhèn)閻家灣村(35°23′ N，104°33′ E,海拔 2 100 m)。該區(qū)年均太陽(yáng)輻射592.9 kJ·cm-2，日照時(shí)數(shù)2 476.6 h，年均氣溫6.4℃，≥0℃年積溫2 933.5℃，≥10℃年積溫2 239.1℃；無(wú)霜期140 d。年平均降水390.9 mm，年蒸發(fā)量1 531 mm，干燥度2.53，80%保證率的降水量為365 mm，變異系數(shù)為24.3%，屬于典型的雨養(yǎng)旱作農(nóng)業(yè)區(qū)。土壤為典型的黃綿土，黃土層較薄，耕地0～40 cm土壤全氮含量平均為1.06 g·kg-1，堿解氮含量平均為48.32 mg·kg-1，速效磷含量平均為11.06 mg·kg-1，速效鉀含量平均為117.62 mg·kg-1，有機(jī)質(zhì)含量平均為15.41 g·kg-1，凋萎含水率約為7.3%，飽和含水率約為22%，土壤肥力均勻，貯水性能良好。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)試驗(yàn)需要，選取玉米連作(C-C)處理作為對(duì)照，玉米-不同作物輪作處理作為研究對(duì)象，試驗(yàn)共設(shè)5個(gè)處理，3次重復(fù)，小區(qū)面積7 m×7 m，隨機(jī)區(qū)組排列，各處理詳見表1。輪作供試作物為紫花苜蓿、小麥、玉米、馬鈴薯、大豆。所有模式均施純氮105 kg·hm-2，純P2O5105 kg·hm-2，所有肥料僅在播種前施入作基肥。

表1 試驗(yàn)輪作系統(tǒng)處理設(shè)計(jì)Table 1 Design of experimental rotation system treatment

1.3 土壤樣品的采集及測(cè)定方法

于2017年10月、2018年10月用內(nèi)徑10 cm的土鉆在各樣地內(nèi)隨機(jī)采集3鉆土樣(2層，每次20 cm)，將土樣帶回實(shí)驗(yàn)室，在室內(nèi)陰干并過(guò)篩，用以測(cè)量土壤有機(jī)碳、全氮、堿解氮、全磷、速效磷、全鉀、速效鉀。土壤總有機(jī)碳(Total organic carbon)采用重鉻酸鉀外加熱法；土壤全氮(Total nitrogen)采用凱氏定氮法；堿解氮(Available nitrogen)采用擴(kuò)散法；全磷(Total phosphorus)采用H2SO4-HCLO4鉬銻抗比色法；速效磷(Available phosphorus)采用NAHCO3鉬銻抗比色法；全鉀(Total potassium)采用NAOH熔融-火焰光度計(jì)法，速效鉀(Available potassium)采用NH4OAc浸提-火焰光度計(jì)法[21]。

同時(shí)，用鏟子采集0～20 cm土樣，每個(gè)處理3次重復(fù)，采集原狀土樣。在采集與運(yùn)輸過(guò)程中盡量減少對(duì)土樣的擾動(dòng)，以避免破壞團(tuán)聚體。帶回實(shí)驗(yàn)室風(fēng)干土樣，沿著土壤結(jié)構(gòu)的自然剖面掰分成1 cm左右的土壤團(tuán)塊，采用人工干篩法測(cè)定各級(jí)團(tuán)聚體含量，均通過(guò)孔徑為5，2，1，0.5和0.25 mm 5個(gè)篩級(jí)，并計(jì)算≥0.25 mm的團(tuán)聚體含量(R0.25)、土壤平均重量直徑(Mean Weight Diameter,MWD)和幾何平均直徑(Geometric Mean Diameter,GMD)[22]。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

采用Microsoft Excel 2010進(jìn)行數(shù)據(jù)整理后用SPSS 19.0軟件分析，Origin 9.1軟件做圖。

TOPSIS模型是系統(tǒng)工程中有限方案多目標(biāo)決策分析的一種決策技術(shù)，為距離綜合評(píng)價(jià)法[23]。該模型通過(guò)定義輪作系統(tǒng)選擇問(wèn)題的理想解和負(fù)理想解，計(jì)算被評(píng)價(jià)輪作系統(tǒng)與理想解和負(fù)理想解之間的歐式距離，從而確定被評(píng)價(jià)輪作系統(tǒng)與理想輪作系統(tǒng)的貼近程度，最后選擇最貼近理想解的輪作系統(tǒng)作為最優(yōu)決策[24]。其建模和求解步驟如下：

設(shè)參與多目標(biāo)決策的指標(biāo)集(土壤肥力指標(biāo))為M=(M1,M2…,Mn)，方案集(試驗(yàn)處理)為D=(D1,D2,…,Dm)，指標(biāo)Mi到方案Dj的值為yij，則形成決策矩陣Y=(yij)n×m，即

為了消除各評(píng)價(jià)指標(biāo)不同量綱對(duì)決策方案的影響，將決策矩陣進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，得到標(biāo)準(zhǔn)化矩陣R=(rij)n×m.

其中，對(duì)于越大越優(yōu)的收益型指標(biāo)：

(1)

對(duì)于越小越優(yōu)的成本型指標(biāo)：

(2)

利用式(1)，(2)計(jì)算出各指標(biāo)的權(quán)重wj。

將標(biāo)準(zhǔn)化決策矩陣與各指標(biāo)權(quán)重相乘，得到加權(quán)標(biāo)準(zhǔn)化決策矩陣Zij。

確定正理想解x+=maxZij和負(fù)理想解x-=Zij。

計(jì)算各方案分別與正理想解和負(fù)理想解的歐式距離。其中，

計(jì)算各方案與最優(yōu)方案的貼合度Si，貼進(jìn)度Si的取值范圍為0到1，Si最大者優(yōu)，各處理Si如圖所示，其中：

2 結(jié)果與分析

2.1 不同輪作系統(tǒng)對(duì)土壤養(yǎng)分的影響

由表2可知，2017年0～20 cm土層中，C-S模式土壤全氮含量最高，C-C系統(tǒng)最低，C-A，C-S與C-C之間差異顯著(P<0.05)，20～40 cm土層土壤全氮表現(xiàn)與上層基本一致；0～20 cm土層土壤堿解氮含量表現(xiàn)為C-A最高，C-C模式最低，其中輪作系統(tǒng)顯著高于連作模式(P<0.05)，20～40 cm土層與0～20 cm土層表現(xiàn)基本一致。2018年土壤全氮和堿解氮含量較2017年比，除C-A、C-S模式外均有所下降，0～20 cm土層土壤全氮含量表現(xiàn)為C-A，C-P，C-S，C-W與C-C差異顯著(P<0.05)，其中C-A，C-S模式顯著高于其余模式(P<0.05)，20～40 cm土層表現(xiàn)與上層基本一致；在0～20 cm土層中，土壤堿解氮含量表現(xiàn)為C-A，C-S，C-S顯著高于C-C模式(P<0.05)，20～40 cm土層中C-A、C-S與C-C模式差異顯著(P<0.05)。整體而言，C-A，C-P，C-S，C-W土壤全氮含量較C-C模式分別高了20.35%，3.54%，12.39%，6.18%；堿解氮含量分別高了31.76%，9.55%，24.48%，16.12%。

表2 不同輪作系統(tǒng)土層間土壤全氮和土壤堿解氮比較Table 2 Comparison of soil total nitrogen and soil available nitrogen in different rotation systems

注：同列不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05)。下同

Note:Different lowercase letters within the same column for the same soil layer indicate significant difference among different treatments at the 0.05 level. The same as below

2017年不同輪作系統(tǒng)對(duì)土壤全磷和速效磷含量影響明顯(表3)。在0～20 cm土層中，C-S輪作系統(tǒng)土壤全磷含量最高，其次為C-A系統(tǒng)，C-C連作系統(tǒng)的土壤全磷最低，C-A，C-P，C-S與C-C差異達(dá)顯著水平(P<0.05)；20～40 cm土層中，C-A處理全磷含量最高，C-W處理最低，C-A與C-C差異顯著(P<0.05)。0～20 cm土層，除C-W模式外，C-A，C-P，C-S系統(tǒng)的土壤速效磷含量均高于C-C處理，差異顯著(P<0.05)，在20～40 cm土層中，C-A處理速效磷含量最高，C-W模式顯著低于其他處理(P<0.05)。2018年較2017年土壤全磷和速效磷含量表現(xiàn)為呈下降趨勢(shì)，其中除C-W模式外，其余處理均高于C-C連作模式。整體而言，C-A，C-P，C-S輪作系統(tǒng)比C-C連作的土壤全磷含量分別高了21.49%，8.87%，15.13%；速效磷分別含量提高了23.37%，28.78%，12.76%。

表3 不同輪作系統(tǒng)土層間土壤全磷和土壤速效磷比較Table 3 Comparison of total phosphorus and available phosphorus in different rotation systems

不同輪作系統(tǒng)對(duì)土壤全鉀和速效鉀含量影響明顯(表4)。2017年，在0～20 cm土層中，除C-P輪作系統(tǒng)其余系統(tǒng)均顯著高于C-C連作系統(tǒng)(P<0.05)，20～40 cm土層表現(xiàn)與0～20 cm土層基本一致。0～20 cm土層，土壤速效鉀含量表現(xiàn)為C-A輪作系統(tǒng)最高，C-P模式最低，C-A、C-W系統(tǒng)顯著高于C-C連作系統(tǒng)(P<0.05)；20～40 cm土層中，C-A輪作系統(tǒng)顯著高于其他處理(P<0.05)，而其余系統(tǒng)之間差異不顯著(P>0.05)。2018年土壤全鉀和速效鉀含量表現(xiàn)與2017年基本一致，且呈一定的下降趨勢(shì)，其中除C-P模式外，其余輪作系統(tǒng)均高于連作系統(tǒng)。整體來(lái)看，C-A，C-S，C-W輪作較C-C連作相比全鉀含量分別提高了17.26%，9.43%，5.87%，速效鉀含量分別提高了4.21%，2.17%，4.92%。

表4 不同輪作系統(tǒng)土層間土壤全鉀和土壤速效鉀比較Table 4 Comparison of total potassium and available potassium in different rotation systems

2.6 不同輪作系統(tǒng)對(duì)土壤有機(jī)碳SOC含量的影響

如圖1所示，2018年土壤有機(jī)碳在0～20 cm土層的表現(xiàn)為C-A輪作系統(tǒng)最高，C-P模式最低，C-A比C-C的土壤有機(jī)碳含量顯著提高了27.52%(P<0.05)，C-P，C-S，C-W與C-C模式差異顯著(P<0.05)，分別比C-C高了13.14%，21.93%和14.37%；在20～40 cm土層中，土壤總有機(jī)碳含量表現(xiàn)與上層基本一致，其中C-A比C-C模式顯著高了26.69%(P<0.05)，C-P，C-S和C-W分別比C-C顯著高了14.16%，22.39%和16.75%(P<0.05)。

圖1 不同輪作系統(tǒng)土層間土壤有機(jī)碳含量Fig.1 Soil organic carbon in different rotation systems

1.7 土壤團(tuán)聚體

由圖2可知，2018年土壤團(tuán)聚體粒徑質(zhì)量占比分布為C-S處理以>5 mm粒級(jí)的團(tuán)聚體為主，其次為1～0.5 mm粒級(jí)的團(tuán)聚體，C-C處理以1～0.5 mm粒級(jí)的團(tuán)聚體為主，其次為5～2 mm粒級(jí)的團(tuán)聚體，其他不同處理均以<0.25 mm粒級(jí)的團(tuán)聚體為主，且均占21%以上，其次為0.5～0.25 mm粒級(jí)的團(tuán)聚體。

見表5，C-S模式R0.25值最高，C-W最低，其中C-S比C-C模式R0.25值高了8.51%，差異顯著(P<0.05)，其余處理與C-C差異不顯著(P>0.05)；同一土層不同處理的MWD值表現(xiàn)為為C-S>C-C>C-P>C-W>C-A，4種處理與C-C之間差異不顯著(P>0.05)；不同處理的GMD值由大到小排序?yàn)镃-C>C-S>C-P>C-W>C-A，C-S模式的GMD值高于C-C，差異顯著(P<0.05)，其余處理與C-C差異不顯著(P>0.05)。說(shuō)明C-S處理顯著增加了≥0.25 mm土壤團(tuán)聚體含量，且增大了MWD和GMD值，提高了土壤的機(jī)械穩(wěn)定性。

圖2 不同輪作系統(tǒng)土壤粒徑質(zhì)量占比分布Fig.2 Distribution of soil particle size and mass proportion in different rotation systems

表5 不同輪作系統(tǒng)土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性特征值Table 5 Characteristic values of soil aggregate stability in different rotation systems

注：同行不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05)

Note: Different lowercase letters in the same row indicate significant difference among different treatments at the 0.05 level

2.4 基于熵權(quán)TOPSIS模型評(píng)價(jià)最優(yōu)輪作系統(tǒng)

通過(guò)熵權(quán)法得出各指標(biāo)權(quán)重值為wj(0.046,0.149,0.126,0.244,0.156,0.032,0.071,0.089,0.087,0)因GMD的熵值趨近于1，提供信息量較少，則權(quán)重趨近于0。

為了消除各指標(biāo)量綱不同對(duì)決策方案的影響，將決策矩陣進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，得到標(biāo)準(zhǔn)化決策矩陣R，將標(biāo)準(zhǔn)化后的決策矩陣R與各指標(biāo)權(quán)重相乘，得到加權(quán)決策矩陣Z，具體見表6。

表6 標(biāo)準(zhǔn)化決策矩陣和加權(quán)標(biāo)準(zhǔn)化決策矩陣
Table 6 Normalized matrix and weighted standardized decision matrix

通過(guò)熵權(quán)法建立TOPSIS模型對(duì)隴中旱作區(qū)不同輪作系統(tǒng)下土壤的多個(gè)指標(biāo)進(jìn)行綜合分析評(píng)價(jià)，從圖3可以得出，各處理貼進(jìn)度Si由高到低的排序?yàn)镃-A>C-S>C-P>C-W>C-C。C-A輪作系統(tǒng)優(yōu)于其他輪作系統(tǒng)，理想貼合度Si為0.76，其次為C-S輪作系統(tǒng)，其理想貼合度Si為0.62，C-C連作系統(tǒng)理想貼合度Si最低，其值為0.25。

圖3 不同輪作系統(tǒng)的貼合度SiFig.3 Fit Si in different rotation systems

3 討論

不同輪作系統(tǒng)會(huì)導(dǎo)致土壤質(zhì)量發(fā)生變化，主要且直觀體現(xiàn)在土壤養(yǎng)分含量的增加和衰減。有研究表明，土壤養(yǎng)分含量會(huì)隨著不同的輪作系統(tǒng)設(shè)計(jì)而呈現(xiàn)相應(yīng)的降低或者升高[25]。本研究發(fā)現(xiàn)，玉米連作模式土壤養(yǎng)分含量處于相對(duì)較低的水平，而玉米輪作苜蓿、馬鈴薯、大豆和小麥4種不同作物后，土壤養(yǎng)分含量大致有一定程度提升，說(shuō)明玉米輪作在一定程度上提高了土壤養(yǎng)分含量。這可能是由于連作導(dǎo)致土壤結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，引發(fā)作物連作障礙，使作物無(wú)法很好的吸收土壤養(yǎng)分元素，導(dǎo)致其不能被充分利用而發(fā)生積累[26]，例如氮素如果發(fā)生堆積，會(huì)轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮，硝酸根離子與等量的鈣離子結(jié)合而隨水流失[27]，通過(guò)合理輪作方式可以充分利用土壤中養(yǎng)分，促進(jìn)土壤微生態(tài)系統(tǒng)循環(huán)，改善土壤物理結(jié)構(gòu)，從而使得土壤質(zhì)量得到改善。有研究發(fā)現(xiàn)，玉米-大豆2年輪作體系中，玉米的產(chǎn)量通常比連作高5%～20%，如果種植1年玉米再種植5年大豆后，玉米產(chǎn)量可提升15%[28]。本研究發(fā)現(xiàn)，土壤養(yǎng)分含量隨著種植年限的增長(zhǎng)而降低，但玉米-苜蓿、玉米-大豆2種輪作處理的全氮和堿解氮含量呈現(xiàn)一定程度的提高，這可能是由于豆科作物的固氮作用提升了土壤的氮含量，與前人的研究結(jié)果一致[29]。

土壤有機(jī)碳含量是土壤養(yǎng)分重要組成部分，與土壤肥力關(guān)系密切[30-31]。本研究發(fā)現(xiàn)，5種處理中玉米-苜蓿輪作有機(jī)碳含量最高，這可能是由于苜蓿根部形成大量根瘤菌，自身的固氮能力將空氣中的氮素固定到土壤中，同時(shí)根系產(chǎn)生一些有機(jī)分泌物和部分腐爛根系，增加了土壤的有機(jī)質(zhì)含量[32-33]，使得玉米-苜蓿輪作的有機(jī)碳含量處于較高水平。羅彩云等[34]研究發(fā)現(xiàn)有豆科植物參與的輪作系統(tǒng)，土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量增加，土壤有機(jī)質(zhì)得到活化，能更好的培肥地力。又有研究表明，連作模式使土壤處于免耕狀態(tài)，土壤的免擾動(dòng)導(dǎo)致土壤有機(jī)碳含量處于較高水平[11]。這與本研究結(jié)果相似，玉米-苜蓿輪作模式有利于土壤有機(jī)碳的穩(wěn)定，且能維持土壤較高的有機(jī)碳含量，推測(cè)其原因在于苜蓿為多年生豆科植物，其自身的固氮能力使土壤氮含量提高，根系分泌的有機(jī)物質(zhì)增加了土壤有機(jī)碳含量，且挖除玉米后種植苜蓿，其自身特有的生理特性導(dǎo)致其后期并不需要翻耕，多年以來(lái)維持了土壤原有的物理結(jié)構(gòu)，與其余輪作模式相比玉米-苜蓿輪作對(duì)土壤擾動(dòng)幅度較小，更好的維持了土壤的穩(wěn)定性，使土壤有機(jī)碳含量較高。相較于玉米輪作，玉米連作土壤有機(jī)碳含量相對(duì)較低可能是由于連作障礙的產(chǎn)生且玉米作物連作對(duì)土壤養(yǎng)分利用過(guò)度，導(dǎo)致土壤結(jié)構(gòu)及理化性質(zhì)變差，進(jìn)而引起土壤有機(jī)碳含量降低[35-37]。

土壤團(tuán)聚體是判斷土壤物理性質(zhì)的重要指標(biāo)，土壤學(xué)中將粒徑在10～0.25 mm的團(tuán)聚體稱為大團(tuán)聚體，其含量越高，說(shuō)明土壤團(tuán)聚性能越好，而<0.25 mm的團(tuán)聚體機(jī)械穩(wěn)定性較差，這部分團(tuán)聚體占比越高，土壤結(jié)構(gòu)越分散，不僅在降雨和灌溉期間堵塞孔隙，影響水分入滲，易產(chǎn)生地表徑流，增加土壤侵蝕度，還容易形成沙塵天氣。土壤MWD是反映土壤團(tuán)聚體大小分布狀況的指標(biāo)，其值越大表明團(tuán)聚體平均粒徑團(tuán)聚度越高，團(tuán)聚體穩(wěn)定性越好。土壤GMD是反映土壤抗侵蝕能力的指標(biāo)，其值越大表明團(tuán)聚體抗侵蝕能力越好[38-40]。陳山等[41]對(duì)不同利用方式的紅壤土團(tuán)聚體進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)土壤團(tuán)聚體的形成依賴于有機(jī)質(zhì)的膠結(jié)作用。穩(wěn)定的團(tuán)聚體能夠?qū)ζ渲械挠袡C(jī)碳形成有效保護(hù)，大團(tuán)聚體能儲(chǔ)存更多的有機(jī)碳[42]。本研究結(jié)果表明，不同輪作模式干篩法所獲得的土壤團(tuán)聚體均以大團(tuán)聚體為主(≥0.25 mm的土壤團(tuán)聚體)，玉米-大豆輪作土壤團(tuán)聚體表現(xiàn)較好，可能是由于其土壤有機(jī)碳含量較高，土壤團(tuán)聚體的形成依賴于較高有機(jī)質(zhì)含量的膠結(jié)作用，且大團(tuán)聚體維持了土壤有機(jī)碳含量，說(shuō)明二者存在一定的共性，與前人研究結(jié)果一致。但玉米-玉米連作的土壤團(tuán)聚體綜合表現(xiàn)較好，可能是由于玉米-玉米連作土壤有地膜覆蓋作保護(hù)，土壤保持了較高的含水量，同時(shí)避免了天氣影響和人為擾動(dòng)，有效防止土壤結(jié)皮，使得土壤結(jié)構(gòu)性能較好，土壤團(tuán)聚體機(jī)械穩(wěn)定性較強(qiáng)。

本研究采用熵權(quán)法，依據(jù)土壤各養(yǎng)分因子對(duì)不同玉米輪作模式下土壤肥力的影響差異確定權(quán)重，減少了人為主觀因素的干擾，并結(jié)合TOPSIS模型實(shí)現(xiàn)了對(duì)土壤肥力客觀的綜合評(píng)價(jià)，為隴中干旱農(nóng)耕區(qū)土壤肥力改良提供了一定的科學(xué)依據(jù)。但文中僅嘗試綜合評(píng)價(jià)了研究區(qū)土壤肥力狀況，并沒(méi)有結(jié)合作物產(chǎn)量及經(jīng)濟(jì)效益等特征，這些有待進(jìn)一步研究。

4 結(jié)論

在隴中旱作區(qū)采用玉米輪作的方式有利于改良土壤質(zhì)量。與玉米連作比，玉米-苜蓿、玉米-大豆輪作土壤氮含量較高；除玉米-小麥處理下土壤磷含量較低外，其余輪作模式土壤磷含量均高于連作；除玉米-馬鈴薯處理下土壤鉀含量較低外，其余輪作模式土壤鉀含量比連作高；輪作較連作比土壤有機(jī)碳含量均有提升，其中玉米-苜蓿處理最高。同時(shí)，各輪作模式下土壤團(tuán)聚體均以大團(tuán)聚體(≥0.25 mm的土壤團(tuán)聚體)為主，其中玉米-大豆輪作的土壤團(tuán)聚體平均重量直徑和幾何平均直徑的值均處于較高水平，說(shuō)明玉米-大豆處理土壤團(tuán)聚體機(jī)械穩(wěn)定性較好。通過(guò)建立TOPSIS模型計(jì)算土壤質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)指數(shù)，結(jié)果表明玉米-苜蓿輪作改良土壤肥力的綜合表現(xiàn)最好。