红壤作为我国重要的地带性土壤资源，在国民经济建设中发挥着重要的作用^[1]。在亚热带季风气候和板结贫瘠土壤特征的共同作用下，我国南方红壤区面临着严峻的季节性干旱问题，制约了红壤生态与生产功能的发挥。近年来，在全球变暖大背景下，红壤区的季节性干旱问题更为突出，给当地的农业生产和生态平衡带来了严峻挑战^[2]，以2022年为例，红壤区遭遇了近60年来最为严重的夏秋连旱^[3]，对农业生产和粮食安全造成了巨大的危害。

土壤培肥是应对季节性干旱的有效手段^[4]。肥沃的土壤通常意味着良好的土壤结构，土壤培肥能提高其水分库容^[5]，扩大作物根系的生长空间^[6]，还可以增强作物对土壤水分吸收的能力^[7]。杜臻杰^[8]研究发现，化肥和有机肥的合理配施可以改善土壤团粒结构，增强土壤的持水性能，进而提升土壤的抗旱能力。绿肥种植是土壤培肥的重要途径，众多研究表明，绿肥种植可以显著提升土壤的理化性质和生物特性。具体地，绿肥种植能够有效降低土壤容重，提高土壤的通气透水性，增加土壤的养分含量及其有效性，改变土壤微生物网络结构^[9-12]。况胜剑等^[13]研究表明，夏季绿肥通过根系在土壤中的穿插提高土壤的入渗能力，通过冠层遮荫减少土壤的蒸发，起到良好的抗旱作用。然而，目前关于冬闲绿肥种植对夏季作物抗旱能力的研究较为有限。

成土母质影响着红壤的抗旱能力。不同的母质条件会导致土壤的结构和肥力水平的差异，进而影响其抗旱性能，但是，关于不同母质发育红壤的抗旱能力，目前尚存在争议。例如，张立存^[14]通过模拟研究发现，相较于红砂岩发育的红壤，第四纪红黏土发育的红壤为作物提供了更有利的生长环境，能够有效减缓表层土壤变干的速度^[15]，从而更能抵御季节性干旱^[16]。而王珏等^[17]研究发现，红砂岩发育的红壤在肥力等级上优于第四纪红黏土发育的红壤，暗示在抗旱方面红砂岩更具优势。因此，冬闲绿肥种植对红壤抵御夏秋季频繁的季节性干旱的影响，特别是第四纪红黏土和红砂岩发育红壤的不同响应，仍需进一步研究。

基于此，本研究通过田间控制试验，探究两种典型母质发育红壤中冬闲绿肥种植对夏季作物抗旱能力的影响，以为红壤区抗旱措施的选择提供理论依据，也为未来气候变化背景下农业的可持续发展提供技术支撑。

1 材料与方法 1.1 研究区概况

本研究在江西省鹰潭市余江区的中国科学院鹰潭红壤生态实验站(28˚15′N，116˚55′E)开展。江西省地属典型红壤区，为亚热带季风气候，雨热资源丰富，但年内分布不均，50% 以上降水出现在3—6月，随后的7—10月通常高温少雨，易发生季节性干旱。研究期间(2021年1月—2023年12月)，研究区日平均气温19.1 ℃，最高日均温度达41.3 ℃，最低值为–7.6 ℃，年平均潜在蒸散发量877.7 mm，年平均降水量1 602.9 mm。其中，3—6月的月均降水量是全年均值的1.8倍，而该时期的潜在蒸散发量低于全年平均水平；7—10月的月均降水量不到全年均值的50%，而潜在蒸散发量却是全年均值的1.5倍。因此，3—6月通常为该地区的雨季，而7—10月为季节性干旱季(图 1)。从干旱程度上看，2022年的季节性干旱最为严重，2023年相对湿润，2021年居中。

1.2 试验设计

本试验在长宽各为2 m的小区开展，小区采用回填土的方式布设，回填深度为1 m。供试土壤为2种母质发育的红壤，母质分别为第四纪红黏土和红砂岩。在本研究的研究周期2021年1月—2023年12月，每年种植一季农作物，作物类型为玉米(掖单13)，通常在4月初种植，7月底收获，研究期内无灌溉。每种母质设置2种绿肥处理：冬闲处理(CK)和冬季绿肥处理(CK+GM)。CK处理即每年夏季种植玉米，冬季土地空闲。CK+GM处理夏季与CK处理保持一致，而在冬季种植肥田萝卜，根据土壤墒情在9—10月撒播肥田萝卜，第二年3月份将肥田萝卜翻压还田，还田深度为0 ~ 15 cm，肥田萝卜的生长情况和气候以及土壤母质有关，生物量约在37.5 ~ 62.5 t/hm²。每个小区采用相同的施肥方法和施肥量，施肥量为120 kg/hm²的氯化钾、300 kg/hm²的过磷酸钙和120 kg/hm²的尿素。每个处理设置3个重复，共12个小区。两种母质发育的红壤质地(美国制)差异显著，第四纪红黏土和红砂岩发育红壤的黏粒含量分别为48.6% 和22.7%，粉粒分别为31.6% 和16.6%，砂粒分别为19.8% 和60.7%。

1.3 指标测定

1) 土壤含水量：在每个小区预埋1根100 cm长的特制PVC管，利用便携式TDR(Trime PICO, IMKO, Ettlingen, Germany)动态测定土壤水分，监测频率为每2周1次，研究期间共测定69次。测定深度为0 ~ 20、20 ~ 40、40 ~ 60 cm，每个深度每次测定2个重复，取其均值，共获得2 484个土壤水分数据。

2) 土壤水分特征曲线：2022年10月，在每个小区用钢制环刀采集0 ~ 20 cm土层的原状土壤样品，密封后带回实验室，用水浸泡饱和后，称重用以计算饱和含水量。将饱和样品放入离心机，设置8个离心机转速，分别为310.1、980.6、2 192.7、2 773.6、3 100.9、5 371.1、6 933.9和9 806.1 r/min，对应吸力分别为10、100、500、800、1 000、3 000、5 000和10 000 hPa，待离心机达到设定转速并稳定时开始计时，对应时间分别为10.0、26.2、48.5、55.1、58.2、73.4、80.5和90.1 min，离心完成后取出环刀，擦干环刀外表水分后称重，得到该吸力下的土壤含水量，继续进行下一个更高转速的离心。完成全部转速离心后，将环刀及土样放入105 ℃的烘箱烘干至恒重，计算样品的容重，用以将质量含水量换算为体积含水量。

以土壤水吸力为横坐标，以土壤体积含水量(cm³/cm³)为纵坐标，借助Van Genuchten模型^[18]拟合土壤水分特征曲线，模型的表达式为：

$ \theta = \theta_{\rm{r}} + \left( {\theta _{\rm{s}} - \theta _{\rm{r}}} \right){\left[ {1 + {{\left( {a \cdot h} \right)}^n}} \right]^{ - m}} $

(1)

式中：θ为土壤体积含水量(cm³/cm³)；h为压力水头(cm)；θ_r和θ_s分别代表土壤的残余含水量和饱和含水量(cm³/cm³)；(cm^-1)和n是经验拟合系数，m = 1– 1/n。

利用拟合的水分特征曲线，可以获得各样品的凋萎含水量，即15 000 hPa吸力下的土壤体积含水量，实测的土壤体积含水量与凋萎含水量之差即为土壤有效含水量：

$ \theta_{有效含水量}=\theta _{实测}-\theta _{(\varPsi =15000\text{hPa}）} $

(2)

利用拟合的水分特征曲线，计算得到不同尺寸的土壤孔隙占比。在一个非饱和的土体内，将土壤内部孔隙假设为由许多不同直径的圆形毛管组成，当土壤水吸力主要由土壤中的某一孔径的毛管力作用产生时，土壤基质吸力^[19]可表示为：

$ S = \frac{{4\gamma {\text{cos}}\psi }}{D} $

(3)

式中：S为土壤吸力，hPa；γ为水的表面张力，其值为75×10^-3 N/m；对于常规土壤，土水界面的接触角Ψ通常很小，因此Ψ通常设置为0；D为毛细管当量直径，mm。因此，公式(3)可简化计算相应吸力下土壤的当量孔径(公式(4))，由此得到各项孔隙分布(表 1)。

$ D = \frac{3}{S} $

(4)

3) 其他土壤理化指标：2022年10月，在每个小区3个不同位置采集0 ~ 20 cm扰动土样，混合均匀后，去除其中石块、根系等杂物，自然风干后过10目筛，采用吸管法测定土壤颗粒组成；过100目筛测定土壤有机碳和全氮含量。以上基本土壤理化性质均参照《土壤农业化学分析方法》测定^[20]。

1.4 数据处理与分析

利用Excel 2007软件进行数据整理和初步分析，采用SPSS18.0软件进行Pearson相关分析、单因素方差分析(One-way ANOVA)、独立t检验(Independent- samples t-test)和多因素方差分析(MANOVA)，利用广义线性模型量化各因素对土壤水分的贡献。绘图采用Origin 2024软件。

2 结果与分析 2.1 冬闲绿肥对红壤理化性质的影响

冬闲绿肥(CK+GM)处理有效改善了红壤的理化属性(表 2)。物理指标方面，当成土母质为第四纪红黏土时，与CK处理相比，CK+GM处理下的土壤饱和含水量和通气容量分别显著提高了6.0% 和20.0%，土壤凋萎含水量显著降低了9.5%；当成土母质为红砂岩时，CK+GM处理下的饱和含水量、有效孔隙和通气容量分别显著提高7.9%、25.0% 和43.8%。化学指标方面，CK+GM处理对两种母质红壤的有机碳和全氮含量均有重要影响。对于第四纪红黏土发育红壤，与CK处理相比，CK+GM处理下的有机碳和全氮分别显著提高了14.9% 和16.3%；对于红砂岩发育红壤，则分别显著提高了13.8% 和12.1%。

CK+GM处理改善了红壤孔隙分布。对于两种土壤母质，CK+GM处理均显著增加了大孔隙占比，减少了中孔隙和微孔隙的数量(图 2)。当母质为第四纪红黏土发育红壤时，与CK处理相比，CK+GM处理下的大孔隙占比显著提升了22.9%，中孔隙显著降低了9.2%，微孔隙显著降低了10.4%；当母质为红砂岩发育土壤时，与CK处理相比，CK+GM处理下的大孔隙占比显著提升了72.8%，中孔隙显著降低了4.7%，微孔隙显著降低了8.5%。

2.2 冬闲绿肥对红壤水分时间动态变化的影响

2021—2023年两种母质红壤水分时间动态显示(图 3)，CK+GM处理提高了土壤水分含量，但影响的深度主要在耕层以下，无论雨季还是旱季，第四纪红黏土和红砂岩发育红壤均表现出该规律。不同的是，在第四纪红黏土发育红壤上，CK+GM处理提高了20 cm以下土层的土壤水分，而在红砂岩发育红壤上仅40 ~ 60 cm土层土壤水分有响应。以整个研究期为例，对于第四纪红黏土发育红壤，CK+GM处理显著提高了20 ~ 40和40 ~ 60 cm土层的土壤水分，提高幅度分别为17.0% 和11.9%(表 3)，而对于0 ~ 20 cm土层的土壤水分无显著影响。对于红砂岩发育红壤，CK+GM处理仅显著提高了40 ~ 60 cm土层的水分含量，提高幅度为9.8%。

不同年份和不同季节，CK+GM处理对土壤水分的影响有所不同。2021年，旱季(7—10月)，与CK处理相比，CK+GM处理显著提升了第四纪红黏土发育红壤20 ~ 40和40 ~ 60 cm土层的水分，提高比例分别为14.0% 和11.3%，而仅显著提升红砂岩发育红壤40 ~ 60 cm土层土壤水分10.4%；雨季，CK+GM处理对土壤水分的提高幅度更大，上述三者提高幅度分别为17.0%、18.0% 和12.1%。2022年季节性干旱最为严重，该年旱季月均降水量仅为全年平均降水量的18%，而雨季月均降水量为全年均值的1.8倍。旱季，CK+GM处理分别显著提升了第四纪红黏土发育红壤20 ~ 40和40 ~ 60 cm土层土壤水分17.1% 和10.6%，显著提升了红砂岩发育红壤40 ~ 60 cm土层土壤水分10.7%；雨季，三者分别显著提升了20.8%、16.5% 和12.1%。在3年研究期间，2023年季节性干旱最不明显。旱季，CK+GM处理分别显著提升了第四纪红黏土发育红壤20 ~ 40和40 ~ 60 cm土层土壤水分20.0% 和9.9%，红砂岩发育红壤40 ~ 60 cm土层土壤水分仅提高6.6%；雨季，三者分别显著提升了20.1%、14.2% 和9.2%。

2.3 冬闲绿肥对旱季红壤有效含水量的影响

季节性干旱期土壤有效水库容对于作物生长发育至关重要。结果(图 4)显示，相比于CK处理，CK+GM处理显著提高红壤0 ~ 60 cm土层旱季土壤有效含水量。对于第四纪红黏土发育红壤，2021年、2022年和2023年0 ~ 20 cm土层有效含水量分别提高227.9%、37.1% 和19.8%，20 ~ 40 cm土层3个水文年有效含水量分别提高83.1%、271.5% 和95.1%，40 ~ 60 cm土层分别提高58.6%、69.4% 和40.6%。对于红砂岩发育红壤，0 ~ 20 cm土层土壤有效含水量在3个水文年的旱季分别提高135.9%、150.7% 和44.9%，20 ~ 40 cm土层分别提高19.7%、36.8% 和9.8%，40 ~ 60 cm分别提高52.1%、52.8% 和30.3%。总体上，第四纪红黏土发育红壤旱季的有效水库容对冬闲绿肥的响应强于红砂岩发育红壤。随着土壤深度增加，两种母质红壤的有效含水量均显著升高，在季节性干旱最为严重的2022年度，CK+GM处理对旱季土壤有效含水量的提升效果最为显著。

土层深度、母质和冬闲绿肥3因素对0 ~ 60 cm土层旱季红壤有效水含量影响的多因素方差分析结果(表 4)显示，土层深度在P < 0.001水平上显著影响旱季土壤有效水含量，冬闲绿肥在P < 0.01水平上显著影响土壤有效水含量，而母质在P < 0.05水平上显著影响土壤有效水含量。土层深度、冬闲绿肥和母质3个因素对旱季土壤有效水含量的贡献依次为55.3%、23.8% 和19.4%，而三者交互作用的贡献不到2.0% (图 5)。

3 讨论 3.1 冬闲绿肥处理有利于提高红壤土壤质量

红壤是一种相对贫瘠、存在明显物理障碍的土壤类型^[21]。本研究发现，冬闲绿肥处理有效改善了红壤的理化属性。一个主要的变化是，与CK处理相比，CK+GM处理促进了土壤碳氮的积累，经过3年处理，第四纪红黏土发育红壤的有机碳含量提高了14.9% (P < 0.05)，红砂岩发育红壤提高了13.8%(P < 0.05)。土壤有机碳含量是土壤质量最为重要的指示指标^[22]，直接影响土壤的养分供给能力，同时，土壤有机碳也关系到土壤中微生物的数量和多样性^[23]，健康的土壤微生物网络又进一步增强了土壤有机碳的转化效率，提高养分的活性。Khatoon等^[24]的研究发现，微生物可以将易分解的有机碳转化成可以长期在土壤中固存的形态，提升土壤碳的封存和土壤功能的稳定，也因此有利于提高作物对自然胁迫的抵御能力，以维持产量稳定^[25]。本研究中冬闲绿肥处理在改善土壤养分状况方面的结果与前人研究结果基本一致^[26-27]。在此基础上，本研究的结果还表明，冬闲绿肥处理能改善红壤的孔隙结构，主要表现在显著增加了大孔隙的占比，第四纪红黏土发育红壤中 > 50 m的孔隙增加了22.9% (P < 0.05)，红砂岩发育红壤中增加了72.8%(P < 0.05)(图 2)。土壤孔隙结构与水文功能密切相关，孔隙状况影响水分在土壤中的传输方式和储存时间^[28]，进而影响水分功能的发挥。因此，土壤水力属性也常被作为土壤质量的重要指标^[29]。冬闲绿肥处理一方面通过根系的穿插直接影响土壤孔隙结构^[30]，由于耕作的扰动，这部分作用主要体现在耕层以下不被耕作影响的深度。另一方面，绿肥通过自身有机物质的转换间接改变土壤孔隙结构^[31]。土壤有机碳和土壤孔隙结构之间存在显著的相关性，均是土壤质量水平的关键指标。因此，冬闲绿肥处理能显著提升红壤的健康水平。

3.2 冬闲绿肥处理提升了红壤的抗旱能力

土壤干旱胁迫危及作物生长和发育，在全球变暖的背景下，红壤区季节性干旱对作物产量的威胁不断增加，提高红壤对季节性干旱的抵御能力对该地区农业的可持续发展至关重要。本研究发现，冬闲绿肥处理能显著提高两种母质发育红壤旱季0 ~ 60 cm土层的有效含水量(图 4)。土壤有效水分的持有能力是衡量土壤抗旱能力的关键指标。虽然，过去的研究已证明绿肥能提高土壤的持水能力^[32]，但是，冬闲绿肥种植对夏季作物抗旱能力的研究比较欠缺。本研究结果为冬闲绿肥在红壤抵御季节性干旱功能方面的作用提供了直接证据。红壤旱季有效含水量状况受到一系列因素的共同影响，本研究的结果显示，土壤深度是影响土壤有效水分含量最为重要的因素，其次是冬闲绿肥处理，其超过了母质的作用，3个因素的贡献分别为55.3%、23.8% 和19.4%(图 5)。土壤深度越大，土壤受到蒸发的影响越小，这也是红壤区深层土壤通常具有更高含水量的原因^[33]。本研究选择的是两种结构对比极为显著的红壤母质，其在土壤颗粒组成和养分含量方面均具有显著差异。但是，尽管如此，冬闲绿肥处理的贡献仍高于土壤母质，这表明冬闲绿肥处理在改善红壤抗旱能力方面的作用突出。近年，红壤地区旱地在冬季多闲置，而红壤区冬季的水分和热量条件优异，在冬闲季节种植绿肥，一方面可以提供大量牧草，另一方面，可以很好地改善土壤质量状况，增强红壤在季节性干旱期的抗旱能力，如果再配合无人机播种，可以大幅降低冬闲绿肥管理的人工成本，是将来非常有应用前景的红壤改良措施。

4 结论

1) 冬闲绿肥处理改善了红壤的理化性状。相比于CK处理，CK+GM处理显著增加了红壤的饱和含水量、有效孔隙度、土壤有机碳和全氮含量，显著降低了土壤容重和凋萎含水量。冬闲绿肥处理对土壤性质的影响在第四纪红黏土和红砂岩发育红壤之间存在一定差异。

2) 冬闲绿肥处理有效提升了红壤对季节性干旱的抵御能力。与CK处理相比，CK+GM处理显著提高了红壤0 ~ 60 cm土层旱季的有效含水量，但提高程度度受母质类型的影响，总体上第四纪红黏土母质的改善作用强于红砂岩母质。

3) 土壤深度、冬闲绿肥和母质共同影响红壤有效含水量。冬闲绿肥的贡献大于母质，是未来一种具有很好应用前景的红壤改良措施。