添加水稻秸稈對不同類型土壤團聚體分布和穩(wěn)定性的影響

劉 哲, 韓霽昌, 陳 茜, 余正洪, 張衛(wèi)華, 高紅貝

(1.陜西省土地工程建設(shè)集團有限責任公司,西安 710075;2.國土資源部退化及未利用土地整治工程重點實驗室,西安 710075; 3.中國科學院 南京土壤研究所, 南京 210008)

添加水稻秸稈對不同類型土壤團聚體分布和穩(wěn)定性的影響

劉 哲1,2, 韓霽昌1,2, 陳 茜1,2, 余正洪3, 張衛(wèi)華1,2, 高紅貝1,2

(1.陜西省土地工程建設(shè)集團有限責任公司,西安 710075;2.國土資源部退化及未利用土地整治工程重點實驗室,西安 710075; 3.中國科學院 南京土壤研究所, 南京 210008)

以不同類型土壤(紅壤、潮土、砂姜黑土)為研究對象，通過室內(nèi)模擬試驗，研究水稻秸稈添加對3種類型土壤水穩(wěn)性團聚體分布及穩(wěn)定性的影響。培養(yǎng)溫度為28℃，培養(yǎng)時間為120 d。研究結(jié)果表明：未添加水稻秸稈的3種類型土壤(對照組)，微團聚體(<250 μm)占主體，>2 000 μm粒級水穩(wěn)性團聚體含量最少。與對照相比，添加水稻秸稈后促使>2 000 μm粒級水穩(wěn)性團聚體顯著增加(p<0.05)，大團聚體(>250 μm)占主體。紅壤、潮土、砂姜黑土試驗組>250 μm水穩(wěn)性團聚體比對照組增加的比例分別為35.6%，41.1%，22.0%，潮土的增加比例最為明顯。3種類型土壤水穩(wěn)性團聚體的平均重量直徑(MWD)，幾何平均直徑(GMD)顯著增加(p<0.05)，分形維數(shù)(D)值、土壤不穩(wěn)定團粒指數(shù)(ELT)顯著減少，土壤結(jié)構(gòu)和抗侵蝕能力明顯得到改善，潮土的穩(wěn)定性指標變化最為明顯，團聚體結(jié)構(gòu)改善效果最好。3種類型土壤>0.25 mm(R0.25)水穩(wěn)性團聚體含量與GMD，MWD間呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(p<0.001)。

水穩(wěn)性團聚體; 土壤類型; 團聚體穩(wěn)定性; 水稻秸稈

土壤團聚體作為土壤的基本結(jié)構(gòu)單元和重要組成部分,對土壤的許多理化性質(zhì)具有重大影響，其形成、特性以及作用功能很復(fù)雜,既受土壤本身物質(zhì)組成的影響,也受人為活動等因素的影響[1-3]。不同粒級的團聚體在營養(yǎng)元素的保持、供應(yīng)及轉(zhuǎn)化能力等方面發(fā)揮著不同的作用，土壤肥力水平的高低,不僅取決于大、小粒級團聚體自身的作用,而且與它們的組成比例也有關(guān)[4]。

土壤團聚體的穩(wěn)定性是指團聚體抵抗外力作用或外部環(huán)境變化而保持其原有形態(tài)的能力,包括水穩(wěn)定性、力學穩(wěn)定性、化學穩(wěn)定性和生物穩(wěn)定性等[5]，主要是依靠有機的、無機的或有機無機復(fù)合的膠結(jié)物質(zhì)，增加有機質(zhì)能夠有效地提高土壤的團聚能力，植物殘體作為土壤有機物質(zhì)的主要來源，施入土壤腐解以后對團聚體的形成產(chǎn)生一定的激發(fā)效應(yīng)[6-7]。團聚體的數(shù)量和大小是決定土壤侵蝕、壓實、板結(jié)等物理過程速度和幅度的關(guān)鍵指標，其穩(wěn)定性也是反映土壤結(jié)構(gòu)狀況的重要指標之一，它不僅在調(diào)節(jié)土壤肥力、維持土地生產(chǎn)力方面具有重要作用，而且與土壤的抗蝕能力及環(huán)境質(zhì)量有密切關(guān)系[8-10]。

國內(nèi)外學者把土壤團聚體的水穩(wěn)性作為評價土壤物理性質(zhì)及土壤結(jié)構(gòu)的重要指標，認為土壤的結(jié)構(gòu)特性直接影響著土壤肥力及抗侵蝕性，因此提高土壤團聚體的穩(wěn)定性以及團聚體的數(shù)量和質(zhì)量，一直是農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展研究的重要方向[11-12]。以往研究秸稈添加對團聚體穩(wěn)定性的影響多集中在一種類型土壤上，如侯曉娜等[13]研究了秸稈添加對砂姜黑土團聚體組成、穩(wěn)定性的影響，結(jié)果顯示秸稈添加顯著增加了>2 000 μm團聚體含量，張鵬等[14]研究了秸稈還田對寧南半干旱地區(qū)土壤團聚體特征的影響，結(jié)果表明秸稈還田有利于提高土壤水穩(wěn)性團聚體結(jié)構(gòu)水平，增加土壤穩(wěn)定性并改善土壤結(jié)構(gòu)狀況，關(guān)松等[15]研究了黑土添加玉米秸稈對團聚體組成和分布的影響，取得了一定成果，但是對比研究秸稈添加對不同類型土壤團聚體的組成及穩(wěn)定性的差異性研究鮮有報道，難以區(qū)分秸稈添加對不同類型土壤團聚體數(shù)量及穩(wěn)定性影響的差異。為此本研究以3種類型土壤為研究對象，通過室內(nèi)培養(yǎng)對比試驗，研究水稻秸稈添加對3種不同類型土壤水穩(wěn)性團聚體形成、分布及穩(wěn)定性的差異性影響，以期為培肥土壤，改善土壤結(jié)構(gòu)，提高土壤抗侵蝕性提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

紅壤采樣區(qū)位于中國科學院江西鷹潭紅壤生態(tài)試驗站(東經(jīng)116°55′,北緯28°15′),土壤為第四紀紅黏土發(fā)育而成的紅壤,母巖礦物類型主要以鐵鋁氧化物和1∶1黏土礦物為主；潮土采樣區(qū)位于河南封丘生態(tài)試驗站(東經(jīng)114°24′，北緯35°00′),土壤類型主要為黃河沉積物發(fā)育的潮土，礦物類型主要為碳酸鈣含量比較高的2∶1型黏土礦物；砂姜黑土采樣區(qū)位于安徽省濉溪楊柳試驗點(東經(jīng)116°77′，北緯33°62′)，礦物類型主要以蒙脫石為主的2∶1型黏土礦物。

1.2 試驗材料

于2014年9月采集試驗站土壤，供試土樣采集深度均為0—30 cm，5個樣點混勻后四分法取樣。采集的土壤除去粗的植物殘體和大的砂礫等雜質(zhì)，帶回實驗室于陰涼通風處自然風干，然后沿自然脆弱帶輕輕掰開，使其能通過2 mm篩子，土壤的基本性質(zhì)見表1。本試驗所用秸稈樣品為溫室栽培水稻秸稈，并采用脈沖標記法獲取13C標記秸稈，在播種115 d后，獲取水稻地上部分，在60℃烘干，粉碎過0.25 mm篩，使水稻秸稈攪拌均勻的分布于供試土壤中，其SOC含量為396.5 g/kg。

表1 土壤基本理化性質(zhì)

1.3 培養(yǎng)方法

本試驗采用兩種處理：對照組(不加秸稈)和試驗組(加1%13C秸稈)，每個處理設(shè)置3個重復(fù)。將過2 mm篩的紅壤300 g于2 L的塑料培養(yǎng)瓶中，加入3 g13C標記水稻秸稈，充分混勻后，加入蒸餾水至土壤最大持水量的70%，并在28℃恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)。同時做不加秸稈的對照試驗。培養(yǎng)期間每天通氣，并每周稱重以保持土壤含水分。在120 d時取3個重復(fù)的各處理土壤，用以測定土壤團聚體穩(wěn)定性(濕篩法)。

1.4 測定方法

土壤有機碳采用重鉻酸鉀外加熱法；土壤pH值 采用電位法(水土比2.5∶1)；土壤黏粒和粉粒含量采用吸管法測定[16]；土壤團聚體的分布狀況和穩(wěn)定性采用濕篩法。采用2 000，250，53 μm的分樣篩獲得>2 000，250～2 000，53～250和<53 μm的土壤團聚體。具體步驟為：稱取50 g鮮土樣置于2 000，250 μm分級套篩上，在去離子水中浸泡5分鐘，然后采用自動篩分儀上下振動篩分，每次振動幅度為3 cm，頻率30次/min，上下震蕩5 min。然后將過2 000，250 μm的土壤懸液過53 μm，將過53 μm的土壤懸液采用離心法得到<53 μm的土壤團聚體。篩分>2 000，250～2 000 μm的土壤團聚體時，去掉水表面漂浮的植物殘體等。將所獲得的各級團聚體放入已稱重的鋁盒中，于60℃烘干，然后稱重，記為Wwit，然后再加入10 mol/L六偏磷酸鈉溶液10 ml并用玻璃棒攪拌分散，置于相應(yīng)孔徑篩子震蕩，將留在篩子上的沙粒烘干并稱重，記為Wwis，再計算土壤團聚體質(zhì)量分布。

1.5 計算方法

各粒級團聚體重量Wwi由公式(1)計算獲得：

Wwi=Wwit-Wwis

(1)

Wi為i粒級團聚體重量所占的比例。

(2)

描述土壤團聚體分形特征可采用平均重量直徑(mean weight diameter，MWD)，幾何平均直徑(geometric mean diameter，GMD)，土壤不穩(wěn)定團粒指數(shù)(ELT)[17-18]，計算公式如下：

利用各粒級團聚體數(shù)據(jù)，計算大于0.25 mm團聚體R0.25，MWD，GMD。

(3)

(4)

(5)

(6)

分形維數(shù)D的計算采用楊培嶺等[18]推導(dǎo)的公式

(7)

對公式(6)兩邊取對數(shù)，可得：

(8)

1.6 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2016軟件進行數(shù)據(jù)整理，SigmaPlot 10.0軟件進行作圖，SPSS 22.0軟件對試驗數(shù)據(jù)進行單因素方差分析，采用最小顯著極差法(LSD法)進行多重比較，顯著性水平p<0.05，極顯著水平p<0.01。

2 結(jié)果與分析

2.1 水稻秸稈添加對不同類型土壤各粒級水穩(wěn)性團聚體分布的影響

從表2的結(jié)果可以看出，3種類型土壤試驗組水穩(wěn)性大團聚體(>250 μm)含量都顯著增加(p<0.05)，水穩(wěn)性微團聚體(<250 μm)含量都顯著減少，說明添加秸稈處理有促使水穩(wěn)性微團聚體向大團聚體團聚的趨勢。培養(yǎng)到120 d，大團聚體的大小順序為潮土>砂姜黑土>紅壤。其中，紅壤、潮土、砂姜黑土試驗組>2 000 μm水穩(wěn)性團聚體比對照組增加的比例分別為113.5%，595.8%，298.0%，潮土的增加比例最為明顯，2 000～250 μm水穩(wěn)性團聚體增加的比例分別為15.6%，1.5%，16.3%，砂姜黑土的增加比例最為明顯。

3種不同類型土壤的優(yōu)勢粒級均為2 000～250 μm。潮土與砂姜黑土的水穩(wěn)性團聚體分布大小規(guī)律均是2 000～250 μm>小于53 μm>250～53 μm>大于2 000 μm，紅壤的水穩(wěn)性團聚體分布規(guī)律為2 000～250 μm>250～53 μm>小于53 μm>大于2 000 μm，3種類型土壤有個共同的規(guī)律是2 000～250 μm粒級水穩(wěn)性含量均是最高，在各粒級團聚體中占主導(dǎo)地位。紅壤、潮土、砂姜黑土試驗組>250 μm水穩(wěn)性團聚體比對照組增加的比例分別為35.6%，41.1%，22.0%，潮土的增加比例最為明顯。

表2 不同培養(yǎng)時期水穩(wěn)性團聚體的組成

注：小寫字母同一粒級不同處理間差異達到顯著；大寫字母表示同一處理不同粒級差異達到顯著(p<0.05)

2.2 水稻秸稈添加對不同類型土壤水穩(wěn)性團聚體平均重量直徑(MWD)，幾何平均直徑(GMD)，分形維數(shù)(D)，土壤不穩(wěn)定團粒指數(shù)(ELT)的影響

從表3可以看出，水稻秸稈添加后3種類型土壤試驗組水穩(wěn)性團聚體的平均重量直徑(MWD)，幾何平均直徑(GMD)顯著增加，分形維數(shù)(D)，土壤不穩(wěn)定團粒指數(shù)(ELT)顯著減小。培養(yǎng)到120 d時，潮土試驗組的MWD，GMD分別比對照組增加了59.4%，90.3%，D，ELT值分別減小8.1%、40.7%，在3種不同類型土壤中潮土變化最為明顯。由于土壤團聚體的MWD，GMD，D，ELT是反映土壤團粒結(jié)構(gòu)粒徑幾何形狀的參數(shù)，土壤團聚體的MWD，GMD值越高，D，ELT越小，表明土壤越具有良好的結(jié)構(gòu)，穩(wěn)定性越好[18-21]，所以結(jié)果表明隨著水稻秸稈的加入，3種類型土壤的團聚程度和穩(wěn)定性明顯增強，土壤結(jié)構(gòu)得到一定程度的改善，潮土的改善效果最為明顯。

表3 水稻秸稈添加對團聚體穩(wěn)定性的影響

注：同一列中小寫字母表示差異達到顯著(p<0.05)。

2.3 土壤大團聚體含量R0.25與團聚體穩(wěn)定性之間的相關(guān)分析

由圖1可以看出，土壤>0.25 mm(R0.25)水穩(wěn)性團聚體含量與GMD，MWD間呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(GMD，R2=0.929 3，p<0.000 1；MWD，R2=0.820 4，p<0.0001)，說明土壤>0.25 mm水穩(wěn)性團聚體含量越高，土壤團聚體的GMD，MWD值越大，土壤團聚體的水穩(wěn)性越強，土壤結(jié)構(gòu)越穩(wěn)定。同時說明添加水稻秸稈，3種不同類型土壤都能顯著增加大團聚體含量及其水穩(wěn)性，是改善土壤理化性質(zhì)和提高土壤抗蝕性的有效途徑。

圖1>0.25mm水穩(wěn)性團聚體所占比例與團聚體穩(wěn)定性之間的關(guān)系

3 討 論

3.1 水稻秸稈添加對不同類型土壤水穩(wěn)性團聚體形成及分布的影響

本文的研究結(jié)果表明了水稻秸稈添加對3種不同類型土壤團聚體的形成和分布均產(chǎn)生了明顯的影響。水稻秸稈作為一種新的外源碳源，增加了土壤有機物料的投入，在室內(nèi)模擬培養(yǎng)試驗下，碳量增加提高了微生物活性,促進微生物菌絲的生長，而且有機物料含有多糖、蛋白質(zhì)、木質(zhì)素，通過土壤微生物和酶進行腐解，在產(chǎn)生的真菌菌絲體生長和其他微生物產(chǎn)生胞外多糖的分解活動下,其轉(zhuǎn)化形成的腐殖質(zhì)在團聚體形成過程中作為重要的膠結(jié)物質(zhì)，促使土壤顆粒與礦物質(zhì)結(jié)合在一起，對團聚體的形成產(chǎn)生一定的激發(fā)效應(yīng)，促進微團聚體進而膠結(jié)成大團聚體[22-24]。本試驗結(jié)果也表明3種類型土壤添加水稻秸稈后，>2 000 μm和2 000～250 μm水穩(wěn)性大團聚體含量均顯著增加，250～53 μm和<53 μm水穩(wěn)性團聚體含量均顯著減少(p<0.05)。這與顧鑫等、關(guān)松等的研究結(jié)果相似[6,15]，顧鑫和關(guān)松分別研究了室內(nèi)模擬情況下添加玉米秸稈對棕壤團聚體和黑土團聚體組成分布的影響，結(jié)果表明添加玉米秸稈不但顯著增加大團聚體含量，還使微團聚體含量降低。但3種類型土壤團聚體的變化程度還是有差異的，紅壤、潮土、砂姜黑土試驗組>250 μm水穩(wěn)性團聚體比對照組增加的比例分別為35.6%，41.1%，22.0%，潮土增加比例最為明顯。表現(xiàn)為為土壤初始有機碳含量越低，大團聚體的增加比例越大。分析原因可能是對于礦質(zhì)類型土壤，土壤初始有機碳含量越低，黏粒含量越高，外源新碳就分配的越多，由于黏土礦物具有較強的表面吸附能力及更易吸附降解性較差的疏水性有機碳,而且黏土礦物通常占黏粒的絕大部分。因此，不難理解黏粒含量通常與土壤有機碳含量表現(xiàn)出正相關(guān)關(guān)系，根據(jù)團聚體的形成與穩(wěn)定機制，土壤有機碳是團聚體形成的重要影響因素，分配的外源有機碳越多，促進了團聚體的團聚與水穩(wěn)性團聚體的穩(wěn)定，新團聚體含量及大小增加幅度就越明顯，由于潮土的初始有機碳含量最低，黏粒含量最高，所以導(dǎo)致潮土的大團聚體增加效果最為明顯[25-28]。

3.2 水稻秸稈添加對不同類型土壤水穩(wěn)性團聚體穩(wěn)定性及相關(guān)性的影響

土壤團聚體的平均質(zhì)量直徑(MWD)，平均幾何直徑(GMD),R0.25，分形維數(shù)(D)，不穩(wěn)定團粒指數(shù)(ELT)可以較好反映土壤團聚體的大小分布變換狀況、通透性及抗侵蝕性，大團聚體的百分含量越高，MWD，GMD值越大，D，ELT值越小，說明團聚體的平均粒徑團聚程度越高，土壤越具有良好的結(jié)構(gòu)與穩(wěn)定性,抗蝕能力越強[18-21]。安婉麗等研究表明，秸稈還田顯著增加了晚稻田土壤水穩(wěn)性大團聚體穩(wěn)定性，MWD，GMD，R0.25值顯著增加，D值顯著減少[12]，侯曉娜等研究顯示，秸稈添加顯著增加了砂姜黑土水穩(wěn)性團聚體MWD，GMD，R0.25值，顯著減少D值[13]，本試驗結(jié)果也表明3種類型土壤試驗組的MWD，GMD，R0.25值都顯著大于對照組，D，ELT值顯著小于對照組，而且MWD ，GMD與R0.25呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(p<0.001)，MWD ，GMD與R0.25值越大，D，ELT值越小，表明MWD，GMD，R0.25，D和ELT均可以用來表征土壤團聚體穩(wěn)定性，且其在表征團聚體穩(wěn)定性的過程中具有一致性。說明添加水稻秸稈，改變了3種類型水穩(wěn)性團聚體的分布狀況，顯著提高了土壤水穩(wěn)性團聚體穩(wěn)定性和抗侵蝕能力，改善了土壤結(jié)構(gòu)性狀，而潮土的相關(guān)穩(wěn)定性指標變化最為明顯，與大團聚體的變化一致，潮土團聚體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性改善效果最好。

4 結(jié) 論

(1) 未添加水稻秸稈的3種類型土壤，微團聚體占主體，>2 000 μm粒級水穩(wěn)性團聚體含量最少，團聚體的平均重量直徑(MWD)，幾何平均直徑(GMD)、R0.25相對比較小，D，ELT值比較大，團聚體的團聚能力和抗侵蝕能力比較弱。

(2) 室內(nèi)培養(yǎng)條件下，3種類型土壤添加水稻秸稈后，加速了>2 000 μm粒級水穩(wěn)性團聚體的團聚，使得大團聚體占主體，顯著提高了3種類型土壤水穩(wěn)性團聚體的MWD，GMD，R0.25，降低了D，ELT值，土壤結(jié)構(gòu)和抗侵蝕能力明顯得到改善。潮土的大團聚體及團聚體相關(guān)穩(wěn)定性指標變化最為明顯，團聚體數(shù)量、大小及穩(wěn)定性改善效果最好。

(3) 3種類型土壤>0.25 mm(R0.25)水穩(wěn)性團聚體含量與GMD，MWD間呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(p<0.001)。

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EffectsofApplicationofRiceStrawonDistributionandStabilityofAggregatesinDifferentSoilTypes

LIU Zhe1,2, HAN Jichang1,2, CHEN Qian1,2, YU Zhenghong3, ZHANG Weihua1,2, GAO Hongbei1,2

(1.ShaanxiProvinceLandEngineeringConstructionGroup,Xi′an710075,China;2.KeyLaboratoryofDegradedandUnusedLandConsolidationEngineering,MinistryofLandandResourcesofChina,Xi′an710075,China; 3.InstituteofSoilScience,ChineseAcademyofSciences,Nanjing210008,China)

An indoor incubation experiment of red soil, aquatic soil and mortar black soil under incubation at 28℃ for 120 days was conducted to study effects of application of rice straw on distribution and stability of water-stable aggregates in three soil types. The results showed that the contents of microaggregates(<250 μm) in three soil types with no-application of rice straw were most and the contents of >2 000 μm macroaggregates were the least, compared with the control, >2 000 μm waterstable aggregates significantly increased under the application of rice straw (p<0.05), while the macroaggregates (>250 μm) became the most, the macroaggregates (>250 μm) of red soil, aquatic soil and mortar black soil increased by 35.6%，41.1% and 22.0%, respectively, compared with the control, the increasing proportion of aquatic soil was the most. At the same time, the mean weight diameter (MWD) and geometric mean diameter (GMD) of water-table aggregates significantly increased (p<0.05), the value of fractal dimension (D) and unstable aggregate index (ELT) were lower than the control, the structure and erosion resistance of three soil types were obviously improved, while the improvement effects of stability index and aggregate structure of the aquatic soil were the best. The macroaggregates (>250 μm) and GMD，MWD had the significant positive correlation (p<0.001).

water-stable aggregates; soil type; aggregate stability; rice straw.

S152.4+81

A

1005-3409(2017)06-0167-05

2016-10-09

2016-11-12

國家科技支撐計劃課題(2014BAL01B01);國土資源部公益性行業(yè)科研專項項目(201411008-3);陜西省重點科技創(chuàng)新團隊計劃項目(2016KCT-23)

劉哲(1987—),男,陜西寶雞人，碩士,研究方向為土壤結(jié)構(gòu)和土壤質(zhì)量改良。E-mail:liuzhe168@126.com

韓霽昌(1966—),男,陜西渭南人,研究員,博士,主要研究方向為土地工程及土地資源利用。E-mail:405009048@qq.com