長(zhǎng)期秸稈還田對(duì)潮土水穩(wěn)性團(tuán)聚體的影響

劉學(xué)彤 鄭春蓮 曹彩云 黨紅凱 馬俊永 李科江

摘要：為探究潮土區(qū)長(zhǎng)期秸稈還田土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體的分布及穩(wěn)定性，以河北省低平原潮土區(qū)小麥-玉米輪作系統(tǒng)為研究對(duì)象，利用38年化肥與秸稈配施長(zhǎng)期定位試驗(yàn)，研究了不施肥（CK）和等量氮、磷肥用量為0 kg/hm2（S0）、2 250 kg/hm2（S1）、4 500 kg/hm2（S2）和9 000 kg/hm2（S3）下的秸稈還田量、土壤團(tuán)聚體分布特征及其穩(wěn)定性。結(jié)果表明，與CK相比，長(zhǎng)期施肥與秸稈還田可以降低耕層土壤容重與pH值，而對(duì)土壤顆粒組成沒(méi)有顯著影響。試驗(yàn)區(qū)土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體主要集中在>0.250 mm粒徑中，在0～10 cm土層，S1、S2、S3秸稈還田處理土壤>0.250 mm團(tuán)聚體含量均顯著高于S0無(wú)秸稈處理，微團(tuán)聚體（0.053～0.250 mm粒徑）含量顯著小于S0處理，<0.053 mm團(tuán)聚體含量無(wú)顯著差異，秸稈還田使表層土壤微團(tuán)聚體向大團(tuán)聚體團(tuán)聚，增加了大團(tuán)聚體含量。長(zhǎng)期施肥與秸稈還田可以增加 0～10 cm土層的平均重量直徑（MWD）和幾何平均直徑（GMD），提高表層土壤有機(jī)碳含量;多元回歸方程表明，0～10 cm 土層土壤有機(jī)碳含量與MWD值極顯著相關(guān)。秸稈還田可以增強(qiáng)表層土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性，改善土壤結(jié)構(gòu)。

關(guān)鍵詞：秸稈還田;潮土;水穩(wěn)性團(tuán)聚體;氮;磷;MWD;GWD

中圖分類號(hào)： S153.6文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)：1002-1302（2021）24-0215-06

收稿日期：2021-03-25

基金項(xiàng)目：河北省農(nóng)林科學(xué)院創(chuàng)新工程項(xiàng)目（編號(hào)：2021-4-6-3）;河北省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系小麥產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目;河北省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（編號(hào)：19226438D）。

作者簡(jiǎn)介：劉學(xué)彤（1991—），女，河北平山人，碩士，助理研究員，研究方向?yàn)樽魑镳B(yǎng)分資源管理與土壤肥力培育。E-mail：liuxuetong349@163.com。

通信作者：李科江，碩士，研究員，研究方向?yàn)檗r(nóng)田節(jié)水技術(shù)研究。E-mail：nkylkj@126.com。

土壤團(tuán)聚體是土壤結(jié)構(gòu)的重要組成部分，也是土壤肥力的物質(zhì)基礎(chǔ)，其分布可以表征土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，是評(píng)價(jià)土壤肥力和土壤質(zhì)量的重要指標(biāo)[1-2]。有研究表明，黑土區(qū)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)土壤團(tuán)聚體的主要組成集中在0.25～2.00 mm和0.053～0.250 mm粒級(jí)[3];紅壤稻田土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體組成以<0.25 mm團(tuán)聚體為主[4]。土壤團(tuán)聚體的分布差異與研究區(qū)域的土壤類型、生態(tài)環(huán)境、土壤動(dòng)物和微生物及耕作管理措施等有很大關(guān)系。土壤有機(jī)碳是土壤團(tuán)聚體形成的重要膠結(jié)物質(zhì)，其含量影響團(tuán)聚體的穩(wěn)定性，而土壤團(tuán)聚體是有機(jī)碳貯存的主體，可以保護(hù)有機(jī)碳減少分解[5]，二者緊密聯(lián)系。

秸稈還田作為一種保護(hù)性耕作措施，同時(shí)也是改善土壤結(jié)構(gòu)，增加土壤肥力的有效措施之一，近年來(lái)被廣泛推廣利用。據(jù)報(bào)道，河北省秸稈循環(huán)利用效率已從1996年的58.1%提高到了2016年的85.9%[6]。秸稈還田不僅可以提高土壤肥力，增加土壤有機(jī)質(zhì)含量[7-8]，同時(shí)也增加了土壤大團(tuán)聚體含量和穩(wěn)定性[9-11]。崔榮美等在渭北旱塬以秸稈還田9 000 kg/hm2和13 500 kg/hm2發(fā)現(xiàn)，連續(xù)秸稈還田3年后0～20 cm土層土壤有機(jī)質(zhì)含量分別較對(duì)照提高了8.92%和9.85%，且>0.25 mm團(tuán)聚體含量顯著高于對(duì)照[12]。孟慶英等在遼寧半干旱地區(qū)秸稈深還田條件下的研究發(fā)現(xiàn)，土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體主要集中在<0.25 mm粒級(jí)[13]。秸稈還田后對(duì)土壤團(tuán)聚體影響的差異，可能是由研究區(qū)土壤類型、生態(tài)環(huán)境、耕作措施等不同引起的。河北省低平原潮土是河北省耕作土壤中面積最大的土壤類型，土壤肥力較低，屬中低產(chǎn)田，近年河北省低平原區(qū)小麥—玉米輪作系統(tǒng)秸稈還田已全面普及，秸稈還田后對(duì)土壤碳氮的固持，有機(jī)質(zhì)含量的增加以及作物產(chǎn)量的提高已有研究[14]，而對(duì)該區(qū)域長(zhǎng)期秸稈還田土壤團(tuán)聚體的分布及穩(wěn)定性的研究甚少。本試驗(yàn)以河北省農(nóng)林科學(xué)院旱作農(nóng)業(yè)研究所的深州旱作試驗(yàn)站的長(zhǎng)期化肥與秸稈配施定位試驗(yàn)為平臺(tái)，探討長(zhǎng)期秸稈還田對(duì)土壤團(tuán)聚體的分布以及團(tuán)聚體穩(wěn)定性的影響，以期為合理長(zhǎng)期耕作農(nóng)田培肥土壤、改善土壤結(jié)構(gòu)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

肥料長(zhǎng)期定位試驗(yàn)位于河北省農(nóng)林科學(xué)院旱作農(nóng)業(yè)研究所衡水深州試驗(yàn)站（37°53′N，115°42′E）。試驗(yàn)始于1981年。該區(qū)屬于暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年平均氣溫12.4 ℃，年平均降水量550 mm，降雨集中在6—9月。供試土壤為壤質(zhì)底黏潮土，種植制度為冬小麥—夏玉米輪作，0～20 cm土層土壤的基本理化性狀為pH值 8.7、有機(jī)質(zhì)含量11.5 g/kg、全氮含量0.83 g/kg、全磷含量1.03 g/kg、全鉀含量20.31 g/kg、堿解氮含量51.3 mg/kg、速效磷含量12.3 mg/kg、速效鉀含量109.8 mg/kg。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)以化肥用量為主處理，秸稈還田量為副處理，1981年開(kāi)始布置化肥用量分別為0 kg/hm2（N）+0 kg/hm2（P2O5）、90 kg/hm2（N）+60 kg/hm2（P2O5）、180 kg/hm2（N）+120 kg/hm2（P2O5）、360 kg/hm2（N）+240 kg/hm2（P2O5）和秸稈還田量分別為0、2 250、4 500、9 000 kg/hm2，進(jìn)行復(fù)因子試驗(yàn)，共16個(gè)處理。本試驗(yàn)采用其中的不施肥對(duì)照（CK）和化肥用量360 kg/hm2（N）+240 kg/hm2（P2O5）的不同秸稈還田量[0 kg/hm2（S0）、2 250 kg/hm2（S1）、4 500 kg/hm2（S2）、9 000 kg/hm2（S3）]處理（表1）。田間試驗(yàn)采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，每個(gè)處理重復(fù)3次，小區(qū)面積34 m2（7.5 m×4.5 m）。磷肥和玉米秸稈均在小麥播種整地前一次性底施，玉米秸稈粉碎后還田，旋耕到土壤中;化肥氮冬小麥、夏玉米季各半，其中小麥季氮肥底追各半，追肥在拔節(jié)期撒施后澆水;玉米季氮肥全部用作追肥，在大喇叭口期撒施后澆水。其他管理同一般田間管理。

1.3 樣品采集與分析

2019年9月30日玉米收獲后，每小區(qū)采集3個(gè)點(diǎn)的0～10 cm和10～20 cm土層的原狀土，同層土壤混合后組成1個(gè)土壤樣品，同時(shí)用環(huán)刀法測(cè)定每個(gè)小區(qū)0～10、10～20 cm土層土壤容重。將采集的原狀土自然風(fēng)干，取一部分測(cè)定土壤團(tuán)聚體;剩余土樣研磨過(guò)篩測(cè)定土壤基本理化性狀。團(tuán)聚體分級(jí)采用Cambardella和Elliott的方法，將水穩(wěn)性團(tuán)聚體分為大團(tuán)聚體（>0.250 mm）、微團(tuán)聚體（0.250～0.053mm）和<0.053 mm團(tuán)聚體，其濕篩方法為：分別稱取2份100 g風(fēng)干原狀土于培養(yǎng)皿中，加 30 mL 水，使得水順著土壤孔隙自然濕潤(rùn)，然后將濕潤(rùn)的土壤完全倒于蓋過(guò)土壤約2.00 cm的0.25 mm套篩中，在2 min內(nèi)上下振蕩50次，用水慢慢淋洗篩子上的土，收集未過(guò)篩子的土（粒徑 >0.25 mm）于小燒杯中，然后將<0.25 mm的土樣過(guò)0.053 mm篩子，并分別收集0.053～0.250 mm與<0.053 mm 的土樣于燒杯中，加入適量氯化鈣溶液澄清，于 60 ℃ 下烘箱中烘干、稱質(zhì)量并收集[15]。土壤顆粒組成采用比重計(jì)法，按中國(guó)制（1987）分為沙粒（>0.050 mm）、粉粒（0.002～0.050 mm）和黏粒（<0.002 mm）;土壤pH值用pH計(jì)測(cè)定，水土比 2 mL ∶1 g;土壤有機(jī)碳含量采用重鉻酸鉀外加熱法測(cè)定[16]。

1.4 結(jié)果計(jì)算

團(tuán)聚體的平均重量直徑（MWD）和幾何平均直徑（GMD）計(jì)算公式如下：

MWD=∑ni=1xi×wi;

GMD=exp∑ni=1wi×lnxi∑ni=1wi。

式中：wi為i粒徑團(tuán)聚體的質(zhì)量百分比，%;xi為i粒徑團(tuán)聚體的平均直徑，mm。

利用Excel 2007作圖，采用SPSS 22.0進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 長(zhǎng)期秸稈還田對(duì)土壤容重、pH值和顆粒組成的影響

長(zhǎng)期施肥與秸稈還田會(huì)降低耕層土壤容重與pH值，而對(duì)土壤顆粒組成沒(méi)有顯著影響（表2）。由土壤顆粒組成可以看出，粉粒（0.002～0.050 mm）含量較高，達(dá)到58%～62%，黏粒含量為17%～24%，屬于黏壤土，與CK相比，長(zhǎng)期施肥與秸稈還田對(duì)土壤質(zhì)地沒(méi)有顯著影響。與CK相比，各施肥處理的 0～10、10～20 cm土壤容重和pH值均有所降低，其中施肥與秸稈還田處理下0～10 cm土層土壤容重和pH值顯著降低，不同秸稈還田量處理間沒(méi)有顯著差異。在10～20 cm土層，S0處理的土壤容重顯著低于CK處理，其余處理與CK處理無(wú)顯著性差異;處理間pH值均無(wú)顯著性差異。0～10 cm土層，土壤容重均小于10～20 cm土層;除CK處理外，0～10 cm土層土壤pH值均小于10～20 cm土層。

2.2 長(zhǎng)期秸稈還田對(duì)土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體分布的影響

由圖1可以看出，各處理0～10、10～20 cm土層土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體多集中于大團(tuán)聚體（>0.250 mm粒徑）中，其含量占到53%～62%，而<0.053 mm粒徑的水穩(wěn)性團(tuán)聚體最少，其含量為13%～18%。在0～10 cm土層，S2中秸稈還田量和S3高秸稈還田量處理土壤>0.250 mm團(tuán)聚體含量顯著高于CK不施肥處理，且S1、S2、S3秸稈還田處理土壤>0.250 mm 團(tuán)聚體含量均顯著高于S0無(wú)秸稈還田處理，但各含秸稈處理間差異不顯著;同時(shí)，0～10 cm 土層S1、S2和S3處理的微團(tuán)聚體（0.053～0.250 mm粒徑）含量顯著小于S0處理，而各處理<0.053 mm 團(tuán)聚體含量無(wú)顯著性差異。這表明，秸稈還田有利于表層土壤微團(tuán)聚體團(tuán)聚成更大粒徑的團(tuán)聚體。

在10～20 cm土層，同一粒徑不同處理間水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量均無(wú)顯著差異，表明秸稈還田對(duì)10～20 cm土層水穩(wěn)性團(tuán)聚體的分布無(wú)顯著影響。田慎重等的研究也表明，對(duì)10～20 cm土層水穩(wěn)性團(tuán)聚體的分布，秸稈還田和無(wú)秸稈還田處理之間沒(méi)有表現(xiàn)出明顯的規(guī)律性[17]。

綜合分析，秸稈還田對(duì)土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體分布的影響主要發(fā)生在0～10 cm的表層土壤，秸稈還田使表層土壤微團(tuán)聚體向大團(tuán)聚體團(tuán)聚，增加大團(tuán)聚體含量，對(duì)<0.053 mm團(tuán)聚體含量無(wú)顯著影響。

2.3 長(zhǎng)期秸稈還田對(duì)土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定指數(shù)的影響

長(zhǎng)期秸稈還田潮土土壤MWD和GWD有相同的變化趨勢(shì)（表3），均表現(xiàn)為CK和S0的無(wú)秸稈處理0～10 cm土層小于10～20 cm土層，而S1、S2、S3含秸稈處理0～10 cm土層高于10～20 cm土層。在0～10 cm土層， S1、S2和S3含秸稈的處理MWD和GWD均高于CK不施肥處理，且顯著高于S0無(wú)秸稈處理，但含秸稈的3個(gè)處理間無(wú)顯著差異;在10～20 cm土層，各處理間MWD和GWD均無(wú)顯著差異。其中，0～10、10～20 cm土層的MWD和GWD均表現(xiàn)為S2處理最高，其值分別為2.59、0.93 mm和2.57、0.89 mm。表明秸稈還田可以增強(qiáng)表層 0～10 cm土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性，其在S2處理秸稈還田量時(shí)效果較好。

2.4 土壤有機(jī)碳含量及其與團(tuán)聚體穩(wěn)定性的多元回歸分析

長(zhǎng)期秸稈還田對(duì)潮土土壤有機(jī)碳含量有顯著影響（圖2）。各處理0～10 cm土層土壤有機(jī)碳含量高于10～20 cm土層;其中，S1、S2和S3秸稈還田處理有機(jī)碳含量在兩土層間有顯著差異。S0、S1、S2和S3施肥處理有機(jī)碳含量在0～10 、10～20 cm 土層均顯著高于CK處理。在S0、S1、S2和S3施肥處理中，隨著秸稈還田量的增加，兩土層土壤有機(jī)碳含量逐漸增加;其中，在0～10 cm土層，S2和S3處理土壤有機(jī)碳含量顯著高于S0處理，其余處理間無(wú)顯著差異。表明秸稈還田對(duì)土壤有機(jī)碳的富集主要發(fā)生在0～10 cm的表層土壤，且有機(jī)碳含量隨秸稈還田量的增加而逐漸增加。

如圖3所示，在0～10 cm土層，有機(jī)碳含量與MWD的多元回歸方程為y=0.062x2-1.258x+8.64，[r2=0.925（P<0.01）]，土壤有機(jī)碳含量對(duì)土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性有顯著影響。而在10～20 cm土層，有機(jī)碳含量與MWD的多元回歸方程為y=0.073x2-1.362x+8.685，r2=0.330，在這一土層，土壤有機(jī)碳含量不是影響土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的主要因素。

3 討論與結(jié)論

隨著秸稈還田的大面積推廣，農(nóng)業(yè)秸稈還田已成為目前秸稈的主要利用方式，也是土壤培肥、改良的重要手段[18]。已有研究表明，秸稈還田可以改善土壤理化性狀[19]。本試驗(yàn)表明，長(zhǎng)期秸稈還田并配施適量化肥可以降低0～10 cm土層的土壤容重，這與張亞麗等的研究結(jié)果[20]相似。土壤容重可以反映土壤的孔隙度和透氣性，土壤容重的降低一般表明土壤結(jié)構(gòu)的改善，本研究秸稈還田后0～10 cm土層土壤容重在1.25 g/cm3左右，土壤結(jié)構(gòu)較好;而10～20 cm土層土壤容重大于1.38 g/cm3，土壤孔隙度和透氣性較差。 這可能與耕作方式有關(guān)， 本研究秸稈還田后耕作方式為旋耕，耕作深度在10～15 cm 左右，由于土壤耕作深度的降低，耕作層逐漸淺化，秸稈大多集中在表層0～10 cm土層，使得犁底層厚度增加，從而10～20 cm土層土壤容重較大，土壤緊實(shí)度增加。本研究中，與不施肥相比，秸稈還田配施化肥0～10 cm土層的pH值顯著降低，而不同秸稈還田量處理之間沒(méi)有顯著性差異，因此pH值的降低可能與化肥的施用有關(guān)。20世紀(jì)80年代至21世紀(jì)初有研究報(bào)道，我國(guó)主要產(chǎn)區(qū)土壤pH值顯著下降[21]。土壤顆粒組成是土壤重要的物理特性之一，對(duì)土壤肥力狀況、水分特征等有著明顯影響[22]。本研究中，潮土區(qū)農(nóng)田土壤顆粒組成以粉粒（0.002～0.050 mm）為主，屬于黏壤土，土壤的顆粒組成繼承了成土母質(zhì)的特征[23]，受秸稈還田影響很小。

土壤團(tuán)聚體的水穩(wěn)性是評(píng)價(jià)土壤物理性及抗侵蝕能力的重要指標(biāo)[24-25]，是影響土壤肥力和作物生長(zhǎng)的重要因素之一，其形成和特性既受土壤本身物質(zhì)組成的影響，還受人為活動(dòng)等因素的影響[26]。本試驗(yàn)結(jié)果表明，秸稈還田有助于增加大團(tuán)聚體（>0.250 mm）的含量，而減少微團(tuán)聚體（0.053～0.250 mm）含量，對(duì)<0.053 mm團(tuán)聚體無(wú)顯著影響。這主要是因?yàn)榻斩掃€田后增加了土壤中有機(jī)物質(zhì)的投入，而有機(jī)物質(zhì)分解過(guò)程中形成的腐殖質(zhì)是土壤團(tuán)聚體形成的重要膠結(jié)物質(zhì)，其含量的增加有利于大團(tuán)聚體的形成[26]。Six等認(rèn)為，新的植物殘?bào)w可以促進(jìn)土壤團(tuán)聚體中顆粒有機(jī)質(zhì)的形成，顆粒有機(jī)質(zhì)被土壤中的黏土礦物以及微生物分泌物包裹形成新微團(tuán)聚體核心，在土壤有機(jī)質(zhì)膠結(jié)作用下形成大團(tuán)聚體[27]。孫漢印等在塿土上的研究同樣發(fā)現(xiàn)秸稈還田有利于大團(tuán)聚體（>0.250 mm）含量的增加，但是他們也發(fā)現(xiàn)秸稈還田有利于微團(tuán)聚體（0.053～0.250 mm）含量的增加，而減少了<0.053 mm 團(tuán)聚體含量;這種差異可能是由土壤自身特性差異以及耕作措施引起的。本研究中，玉米秸稈還田方式為粉碎還田，孫漢印等研究還認(rèn)為，不同還田秸稈模式對(duì)團(tuán)聚體影響有差異，整體表現(xiàn)為粉碎還田對(duì)大團(tuán)聚體有增加效果[28]。張志毅等在稻麥輪作下的研究認(rèn)為，秸稈還田配合旋耕有助于提高土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量[29]。

團(tuán)聚體的平均重量直徑（MWD）和幾何平均直徑（GMD）可以反映團(tuán)聚體的分布狀況和穩(wěn)定性，大團(tuán)聚體含量越多，MWD值越大;團(tuán)聚體越穩(wěn)定，GMD值越大[30]。本研究中，施用秸稈的處理0～10 cm 土層MWD和GWD均高于CK不施肥處理以及S0無(wú)秸稈處理，表明施用秸稈后表層土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性增強(qiáng)。大量研究表明，團(tuán)聚體的MWD與土壤有機(jī)碳含量有顯著相關(guān)關(guān)系[28，31]，本研究中多元回歸分析表明，0～10 cm土層的土壤有機(jī)碳含量與MWD的回歸關(guān)系達(dá)到極顯著水平，但在10～20 cm土層無(wú)顯著性關(guān)系，說(shuō)明秸稈還田通過(guò)影響表層土壤有機(jī)碳含量進(jìn)而影響該層團(tuán)聚體的穩(wěn)定性。有機(jī)質(zhì)是土壤團(tuán)聚體的重要膠結(jié)劑，團(tuán)聚體對(duì)有機(jī)碳具有物理保護(hù)作用，秸稈還田后團(tuán)聚體有機(jī)碳的含量與分布以及土壤固碳機(jī)制將是接下來(lái)進(jìn)一步研究的重點(diǎn)內(nèi)容，對(duì)農(nóng)田土壤固碳減排具有重要意義。

與CK不施肥相比，長(zhǎng)期施肥與秸稈還田可以降低耕層土壤容重與pH值，而對(duì)土壤顆粒組成沒(méi)有顯著影響。其中，施肥配合秸稈還田顯著降低了0～10 cm土層土壤容重和pH值，而不同秸稈還田量處理間沒(méi)有顯著差異。所有試驗(yàn)處理土壤團(tuán)聚體主要集中在>0.250 mm中，秸稈還田使表層土壤微團(tuán)聚體向大團(tuán)聚體團(tuán)聚，增加了大團(tuán)聚體含量。在0～10 cm土層，S1、S2、S3秸稈還田處理土壤>0.250 mm 團(tuán)聚體含量均顯著高于S0無(wú)秸稈處理，微團(tuán)聚體（0.053～0.25 mm）含量顯著小于S0處理，<0.053 mm團(tuán)聚體含量無(wú)顯著差異。施肥配合秸稈還田可以增加0～10 cm土層MWD值和GMD值，提高團(tuán)聚體穩(wěn)定性。多元回歸方程表明，0～10 cm土層土壤有機(jī)碳含量與MWD值極顯著相關(guān)。秸稈還田可以提高表層土壤有機(jī)碳含量，增強(qiáng)土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性，改善土壤結(jié)構(gòu)。

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