秸稈添加對(duì)潮土團(tuán)聚體及有機(jī)碳分布和穩(wěn)定性的影響

劉 哲，孫增慧，張瑞慶*

(1.陜西省土地工程建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，陜西 西安 710075；2.陜西地建土地工程技術(shù)研究院有限責(zé)任公司，陜西 西安 710075；3.國(guó)土資源部退化及未利用土地整治工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710075；4.陜西省土地整治工程技術(shù)研究中心，陜西 西安 710075)

【研究意義】土壤團(tuán)聚體是一種優(yōu)良的土壤結(jié)構(gòu)體，土壤團(tuán)聚狀況和土壤有機(jī)碳含量可作為評(píng)價(jià)土壤結(jié)構(gòu)與肥力的綜合指標(biāo)，并且在土壤功能維持中發(fā)揮著諸多重要作用，如影響土壤侵蝕能力、土壤水分保持、土壤養(yǎng)分保持和轉(zhuǎn)化、土壤孔隙通透性以及根系的穿透和發(fā)育等[1-2]。土壤團(tuán)聚體和有機(jī)碳之間關(guān)系密切，土壤有機(jī)碳是土壤團(tuán)聚體形成過(guò)程中的重要膠結(jié)物質(zhì)，對(duì)形成不同數(shù)量和大小粒徑分布的團(tuán)聚體有著重要作用，同時(shí)團(tuán)聚體形成過(guò)程和有機(jī)碳固持間的相互影響對(duì)于提高土壤碳固持能力又具有重要意義，因而研究二者之間的相互作用有利于揭示有機(jī)碳的物理保護(hù)機(jī)制[3]。而不同粒徑大小的團(tuán)聚體在轉(zhuǎn)換、分解、保持土壤有機(jī)碳(SOC)方面發(fā)揮的作用不同，土壤質(zhì)量的差異不只與團(tuán)聚體自身的大小粒級(jí)有關(guān)，并且還與它們?cè)谕寥乐械姆峙浔壤嚓P(guān)，其中團(tuán)聚體有機(jī)碳含量微觀表征著土壤有機(jī)碳的礦化速率和平衡狀態(tài)[4-5]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者把土壤團(tuán)聚體的水穩(wěn)定性及不同粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳的含量作為評(píng)估土壤基本理化性質(zhì)及抗侵蝕能力的關(guān)鍵指標(biāo)，認(rèn)為了解團(tuán)聚體有機(jī)碳含量的變化及運(yùn)移規(guī)律對(duì)土壤結(jié)構(gòu)及質(zhì)量的變化有著重要的意義，因此研究土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、團(tuán)聚體有機(jī)碳變化特征和運(yùn)移規(guī)律，對(duì)促進(jìn)潮土質(zhì)量提升和碳固持能力的作用具有重要價(jià)值[6-8]?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】秸稈施入土壤后可以培肥土壤，增加土壤有機(jī)質(zhì)含量，同時(shí)又可促進(jìn)秸稈營(yíng)養(yǎng)元素在土壤中的再循環(huán)，秸稈腐解以后產(chǎn)生的有機(jī)膠結(jié)物質(zhì)對(duì)土壤團(tuán)聚體的形成也會(huì)產(chǎn)生一定的促進(jìn)作用，加強(qiáng)土粒間的粘結(jié)力、改善土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)[9-11]。國(guó)外已經(jīng)大面積的采用季節(jié)性休閑或保護(hù)性耕作的方式對(duì)耕地進(jìn)行保育，來(lái)保障農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，在我國(guó)糧食需求呈增長(zhǎng)趨勢(shì)和生態(tài)環(huán)境保護(hù)的大背景下，以秸稈還田或覆蓋為輔助措施的保護(hù)性耕作體系在我國(guó)越來(lái)越受到重視[11-12]。張鵬等研究表明，秸稈還田可以顯著的提高黃綿土水穩(wěn)性大團(tuán)聚體含量，增加土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，為黃綿土結(jié)構(gòu)特性及理化性狀的改善提供了理論參考[13]；關(guān)松等通過(guò)對(duì)黑土不同粒級(jí)水穩(wěn)性團(tuán)聚體穩(wěn)定性的研究表明，秸稈還田促進(jìn)了黑土水穩(wěn)性大團(tuán)聚體含量和土壤穩(wěn)定性的提高，增加了土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體有機(jī)碳含量，提高了水穩(wěn)性大團(tuán)聚體有機(jī)碳儲(chǔ)量[14]。隨著保護(hù)性耕作技術(shù)的大面積推進(jìn)使用，秸稈還田措施顯著提高了土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體的比例和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。同時(shí)，還有利于0～20 cm耕層有機(jī)碳在土壤中的固持，對(duì)減緩溫室效應(yīng)具有重要的意義[15-16]?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】河南省面積最大的耕作土壤類型是潮土，面積達(dá)到了387 萬(wàn)公頃，占全省總耕地面積的43.2 %，具有砂粒含量高、黏粒含量低、有機(jī)碳含量低、結(jié)構(gòu)性差和肥力差等特點(diǎn)[17]。然而在潮土不受擾動(dòng)的情況下，添加秸稈對(duì)潮土不同培養(yǎng)時(shí)期團(tuán)聚體穩(wěn)定性及團(tuán)聚體有機(jī)碳分布及相對(duì)數(shù)量變化規(guī)律的研究不足，關(guān)于揭示秸稈添加如何有效的改善潮土結(jié)構(gòu)和固碳潛力機(jī)理的研究?jī)?nèi)容較少?！緮M解決的關(guān)鍵問(wèn)題】為此本研究采用室內(nèi)模擬培養(yǎng)對(duì)照試驗(yàn)，探究水稻秸稈粉碎處理添加入潮土后，不同培養(yǎng)周期下潮土水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的變化，研究水稻秸稈腐解過(guò)程中土壤有機(jī)碳在不同大小粒級(jí)水穩(wěn)性團(tuán)聚體中的運(yùn)移狀況，以期為潮土肥力提升、團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)改善和碳庫(kù)管理提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 供試土壤

供試潮土樣品采自河南省封丘縣中國(guó)科學(xué)院封丘農(nóng)業(yè)生態(tài)長(zhǎng)期定位實(shí)驗(yàn)站(35°00′N，114°24′E)。實(shí)驗(yàn)站當(dāng)?shù)氐闹饕獨(dú)夂蝾愋蜑榘敫珊蛋霛駶?rùn)的暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候，多年平均的降雨量為605 mm，降雨時(shí)間主要集中在每年7-9 月。土壤類型主要以含碳酸鈣含量比較高2∶1型黏土礦物為主的典型潮土。試驗(yàn)布置前測(cè)得耕層的土壤基礎(chǔ)理化指標(biāo)如下：pH 8.68，黏粒(<0.002 mm)含量為23 %，粉粒(0.02～0.002 mm)含量為32 %，土壤質(zhì)地類型為沙壤土，有機(jī)碳含量為5.38 g·kg-1，全N含量為0.44 g·kg-1，種植制度為小麥-玉米輪作的一年兩熟制。

1.2 研究方法

采用棋盤法選擇6～8個(gè)具有代表性的采樣點(diǎn)，于2014年10月中旬玉米收獲后采集試驗(yàn)站0～20 cm耕作層土樣，自然風(fēng)干剔除根系砂礫等雜質(zhì)后磨樣過(guò)2 mm篩子，采用四分法混合均勻后保留足量的待測(cè)土樣。本試驗(yàn)共采用2種試驗(yàn)處理：分為土壤不添加秸稈(對(duì)照組，CK)和土壤添加1 %13C秸稈(試驗(yàn)組，Str)，每個(gè)處理共設(shè)置3個(gè)重復(fù)。本研究所采用的秸稈為溫室自己栽培的水稻秸稈，水稻成熟后采集地上部分并在60 ℃下烘干，烘干后粉碎處理并過(guò)0.25 mm篩子，最后測(cè)得秸稈粉末的有機(jī)碳含量為396.5 g·kg-1。風(fēng)干潮土和粉碎秸稈混勻后的具體培養(yǎng)方法見(jiàn)相關(guān)文獻(xiàn)的介紹[18]，并在15、60、120 d的培養(yǎng)周期時(shí)采集各處理土樣，用以測(cè)定土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體組成和土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目及方法

土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳含量和土壤黏粉粒含量采用常規(guī)的檢測(cè)方法[19]、土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體的分級(jí)采用濕篩法測(cè)定[20]。水穩(wěn)性團(tuán)聚體的穩(wěn)定性指標(biāo)幾何平均直徑(geometric mean diameter，GMD)，土壤不穩(wěn)定團(tuán)粒指數(shù)(ELT)，平均質(zhì)量直徑(mean weight diameter，MWD)和分形維數(shù)D值的詳細(xì)計(jì)算公式見(jiàn)相關(guān)的參考文獻(xiàn)和下列公式(1)[20-22]：

(1)

土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體有機(jī)碳貢獻(xiàn)率的計(jì)算見(jiàn)公式(2)[14]：

(2)

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理通過(guò)Microsoft Excel 2016軟件進(jìn)行，顯著性分析使用SPSS22.0軟件進(jìn)行檢驗(yàn)，SigmaPlot12.0軟件繪制圖表。

2 結(jié)果與分析

2.1 添加水稻秸稈處理對(duì)潮土團(tuán)聚體數(shù)量的影響

添加秸稈處理后潮土水穩(wěn)性大團(tuán)聚體(R0.25)含量比對(duì)照處理顯著增加(P<0.05)，尤其是>2000 μm粒級(jí)團(tuán)聚體含量明顯增加，促使水穩(wěn)性大團(tuán)聚體占主體(表1)。而未添加秸稈的CK處理下的團(tuán)聚體分布以水穩(wěn)性微團(tuán)聚體為主，>2000 μm粒級(jí)水穩(wěn)性團(tuán)聚體數(shù)量在3.33 %～4.43 %，相比于其他3個(gè)粒級(jí)水穩(wěn)性團(tuán)聚體的含量分布很少，培養(yǎng)60 d的時(shí)候，水穩(wěn)性微團(tuán)聚百分含量為54.7 %；培養(yǎng)到120 d時(shí)，2000～250 μm粒級(jí)水穩(wěn)性大團(tuán)聚體含量有所增加，但水穩(wěn)性微團(tuán)聚體百分含量依然為50.1 %，對(duì)照組水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量仍然以微團(tuán)聚體為主。

添加秸稈處理后，試驗(yàn)組250～53 μm和<53 μm粒級(jí)水穩(wěn)性微團(tuán)聚體的分布數(shù)量顯著減少，試驗(yàn)組>2000 μm粒級(jí)水穩(wěn)性大團(tuán)聚體分布數(shù)量顯著增加(P<0.05)，而2000～250 μm粒級(jí)水穩(wěn)性團(tuán)聚體分布數(shù)量變化差異不顯著。隨著培養(yǎng)時(shí)間的延長(zhǎng)，水穩(wěn)性大團(tuán)聚體(>250 μm)含量逐漸增加。培養(yǎng)到120 d時(shí)，>2000 μm、2000～250 μm粒級(jí)水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量分別比對(duì)照組增加了595.8 %、1.5 %，250～53 μm、<53 μm粒級(jí)水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量分別比對(duì)照組減少了58.9 %、37.2 %，水穩(wěn)性大團(tuán)聚體含量達(dá)到70.4 %，促使水穩(wěn)性大團(tuán)聚體占主體?？梢钥闯鼋斩挿鬯樘幚硖砑拥匠蓖梁?，有助于潮土水穩(wěn)性微團(tuán)聚體向水穩(wěn)性大團(tuán)聚體的團(tuán)聚。

2.2 潮土添加水稻秸稈對(duì)水穩(wěn)性團(tuán)聚體穩(wěn)定性指標(biāo)的影響

良好的土壤團(tuán)聚體是水穩(wěn)性的，水穩(wěn)性團(tuán)聚體的數(shù)量和分布情況對(duì)土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性有著重要的影響，同時(shí)也是衡量土壤抗侵蝕能力的重要指標(biāo)[23]。與對(duì)照組相比，不同培養(yǎng)時(shí)期試驗(yàn)組水穩(wěn)性團(tuán)聚體的穩(wěn)定性指標(biāo)MWD、GMD值顯著增加，D、ELT值顯著減小(P<0.05)(表2)。試驗(yàn)組到培養(yǎng)結(jié)束的時(shí)候，相比于對(duì)照組MWD、GMD值分別增加了59.4 %、90.3 %，D、ELT值分別比對(duì)照組減小13.6 %、40.9 % 。隨著培養(yǎng)時(shí)間的延長(zhǎng)，對(duì)照組不同培養(yǎng)時(shí)期MWD、GMD、ELT、D值變化差異不明顯，而不同培養(yǎng)周期添加秸稈后的試驗(yàn)組穩(wěn)定性指標(biāo)間的變化非常明顯，培養(yǎng)周期結(jié)束時(shí)潮土水穩(wěn)性團(tuán)聚體穩(wěn)定性指標(biāo)值最大。MWD、GMD 、ELT和D值是反映土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體穩(wěn)定性狀況的常用指標(biāo)，MWD、GMD 值越大，ELT、D值越小，表明水穩(wěn)性團(tuán)聚體的團(tuán)粒結(jié)構(gòu)越好，土壤結(jié)構(gòu)越穩(wěn)定[20,24]。所以潮土隨著水稻秸稈的加入，土壤團(tuán)聚程度和抗侵蝕能力得到一定程度增強(qiáng)。

表1 不同周期下對(duì)照組和添加秸稈處理的土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體的百分含量

注：小寫字母表示相同處理不同粒級(jí)團(tuán)聚體間差異顯著性；大寫字母表示相同指標(biāo)不同處理間差異顯著性(P<0.05)，下同。

表2 不同處理對(duì)潮土水穩(wěn)性團(tuán)聚體穩(wěn)定性指標(biāo)值的影響

2.3 不同處理下潮土團(tuán)聚體有機(jī)碳含量及有機(jī)碳貢獻(xiàn)率的變化

2.3.1 添加水稻秸稈處理對(duì)潮土水穩(wěn)性團(tuán)聚體有機(jī)碳分布規(guī)律的影響 土壤不同粒級(jí)團(tuán)聚體中的有機(jī)碳含量是影響土壤碳固持和肥力狀況的重要因素，微觀表征著土壤有機(jī)碳的礦化速率和平衡狀態(tài)[23]。添加秸稈處理后，不同培養(yǎng)周期內(nèi)4種粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳含量均顯著增加(P<0.05)，但是有機(jī)碳在4種不同粒級(jí)水穩(wěn)性團(tuán)聚體間的大小分布情況存在差異(圖1)。其中，對(duì)照組中不同粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳含量之間差異不明顯，有機(jī)碳主要分布在>2000 μm、2000～250 μm粒級(jí)水穩(wěn)性微團(tuán)聚體中，250～53 μm粒級(jí)團(tuán)聚體中有機(jī)碳含量最少。

在培養(yǎng)周期內(nèi)，添加秸稈處理的試驗(yàn)組團(tuán)聚體有機(jī)碳含量分布情況呈現(xiàn)出相同的趨勢(shì)，4種粒級(jí)水穩(wěn)性團(tuán)聚體有機(jī)碳含量的分布趨勢(shì)均為250～53 μm > (<53 μm) >(>2000 μm)> 2000～250 μm，隨著培養(yǎng)周期的延長(zhǎng)，有機(jī)碳始終是水穩(wěn)性微團(tuán)聚體中的含量高于大團(tuán)聚體中的含量，且4種粒級(jí)水穩(wěn)性團(tuán)聚體有機(jī)碳含量都呈現(xiàn)出不斷減小的趨勢(shì)(圖1)。試驗(yàn)組培養(yǎng)到120 d時(shí)，有機(jī)碳在>2000 μm、2000～250 μm、250～53 μm、<53 μm粒級(jí)水穩(wěn)性團(tuán)聚體中的含量比未添加秸稈的對(duì)照組分別增多了20.0 %、17.4 %、62.6 %、50.1 %，總體看來(lái)，水穩(wěn)性微團(tuán)聚有機(jī)碳含量的增加幅度明顯大于大團(tuán)聚體的增加幅度，潮土有機(jī)碳在微團(tuán)聚中的分布比例較大，數(shù)據(jù)顯示潮土有機(jī)碳在水穩(wěn)性微團(tuán)聚體中的積累和分布受秸稈添加過(guò)程的影響較大，其變化較為敏感。

2.3.2 潮土不同粒級(jí)水穩(wěn)性團(tuán)聚體有機(jī)碳對(duì)土壤有機(jī)碳的貢獻(xiàn)率 與對(duì)照組相比，添加秸稈處理的試驗(yàn)組>2000 μm團(tuán)聚體有機(jī)碳貢獻(xiàn)率顯著增加(P<0.05)，促使水穩(wěn)性大團(tuán)聚體有機(jī)碳貢獻(xiàn)率逐漸增大，250～53 μm與<53 μm粒級(jí)水穩(wěn)性小團(tuán)聚體有機(jī)碳貢獻(xiàn)率逐漸減少(表3)。隨著培養(yǎng)時(shí)間的延長(zhǎng)，雖然試驗(yàn)組有機(jī)碳在水穩(wěn)性微團(tuán)聚中的含量相對(duì)比較高，但是對(duì)有機(jī)碳貢獻(xiàn)率確以>2000 μm 、2000～250 μm粒級(jí)團(tuán)聚體的貢獻(xiàn)比較高。培養(yǎng)到120 d時(shí)，水穩(wěn)性大團(tuán)聚體有機(jī)碳貢獻(xiàn)率達(dá)到66.14 %，比對(duì)照組增加了29.4 %，對(duì)有機(jī)碳貢獻(xiàn)率顯著減小的是250～53 μm與<53 μm粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳(P<0.05)。分析水穩(wěn)性微團(tuán)聚有機(jī)碳對(duì)土壤有機(jī)碳貢獻(xiàn)份額減少的原因可能是，水稻秸稈添加處理，促進(jìn)了微生物和酶的活性同時(shí)增加了有機(jī)膠結(jié)物質(zhì)，有助于水穩(wěn)性微團(tuán)聚體不斷粘結(jié)團(tuán)聚成為水穩(wěn)性大團(tuán)聚體， >2000 μm、2000～250 μm粒級(jí)水穩(wěn)性大團(tuán)聚體分配比例顯著增加，水穩(wěn)性大團(tuán)聚體分配比例的提高幅度大于水穩(wěn)性微團(tuán)聚體有機(jī)碳的增加幅度，而水穩(wěn)性微團(tuán)聚體在團(tuán)聚體整體中分配占比相對(duì)較低。

圖1 不同培養(yǎng)時(shí)期對(duì)照組和添加秸稈處理的土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體各粒級(jí)有機(jī)碳含量變化Fig.1 Organic carbon contents of different treatments under different incubation period

(%)

2.4 潮土不同粒級(jí)水穩(wěn)性團(tuán)聚體有機(jī)碳與團(tuán)聚體穩(wěn)定性指標(biāo)間的相關(guān)分析

水穩(wěn)性大團(tuán)聚體(>250 μm)被認(rèn)為是土壤結(jié)構(gòu)體中優(yōu)良結(jié)構(gòu)體，是一種大小孔隙分布均勻的團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，對(duì)于協(xié)調(diào)維持土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定具有重要的作用，研究結(jié)構(gòu)表明含有水穩(wěn)性大團(tuán)聚的數(shù)量越多，土壤的抗侵蝕能力和維持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的能力越強(qiáng)[25]。為了揭示潮土水穩(wěn)性大團(tuán)聚體含量與團(tuán)聚體穩(wěn)定性指標(biāo)間的相關(guān)關(guān)系，對(duì)潮土水穩(wěn)性大團(tuán)聚體含量(R0.25)與團(tuán)聚體穩(wěn)定性指標(biāo)MWD、GMD之間的相關(guān)性進(jìn)行了線性分析。從圖2顯示結(jié)果可以得出，土壤>250 μm(R0.25)水穩(wěn)性大團(tuán)聚體含量與團(tuán)聚體穩(wěn)定性指標(biāo)GMD，MWD間呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，MWD與水穩(wěn)性大團(tuán)聚體含量(R0.25)之間的相關(guān)性為R2=0.9610，P<0.0001；GMD與水穩(wěn)性大團(tuán)聚體含量(R0.25)之間的相關(guān)性為R2=0.9783，P<0.0001，這說(shuō)明潮土中水穩(wěn)性大團(tuán)聚體(>250 μm)含量越高，土壤團(tuán)聚體的GMD，MWD值越大，潮土團(tuán)聚體的水穩(wěn)性越強(qiáng)，土壤結(jié)構(gòu)越穩(wěn)定。

3 討 論

3.1 添加水稻秸稈處理對(duì)潮土水穩(wěn)性團(tuán)聚體分布情況和穩(wěn)定性的影響

水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量是評(píng)價(jià)衡量土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和土壤抗侵蝕能力的關(guān)鍵因素。試驗(yàn)結(jié)果證實(shí)，土壤有機(jī)碳含量與水穩(wěn)性團(tuán)聚體的數(shù)量之間有著緊密的聯(lián)系，通過(guò)人為的增加外源有機(jī)物料的施用，有利于提高土壤有機(jī)碳的含量，能增加團(tuán)聚體的團(tuán)聚性能，明顯促進(jìn)水穩(wěn)性團(tuán)聚體的穩(wěn)定性[26-27]。在本試驗(yàn)中，試驗(yàn)組潮土添加水稻秸稈處理后，由于水稻秸稈腐解過(guò)程中產(chǎn)生如多糖、纖維素等多種類型的土壤有機(jī)粘結(jié)物質(zhì)，以及因秸稈添加物刺激微生物活性后形成的腐殖質(zhì)類物質(zhì)，這些都是土壤團(tuán)聚體形成的重要膠結(jié)劑。通過(guò)土壤微生物和酶的共同作用，對(duì)水穩(wěn)性大團(tuán)聚體的形成及穩(wěn)定產(chǎn)生了積極的促進(jìn)作用[28-29]，有助于潮土水穩(wěn)性微團(tuán)聚體不斷的粘結(jié)團(tuán)聚成為水穩(wěn)性大團(tuán)聚體，促使水穩(wěn)性大團(tuán)聚體(>250 μm)在潮土中的分布數(shù)量顯著增加，水穩(wěn)性微團(tuán)聚體含量(<250 μm)顯著減少(P<0.05)。培養(yǎng)到120 d時(shí)，>2000 μm粒級(jí)水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量達(dá)到23.2 %，比對(duì)照組增加了6倍左右，試驗(yàn)組水穩(wěn)性大團(tuán)聚體最終成為優(yōu)勢(shì)粒級(jí)，含量比例達(dá)到70.4 %，比對(duì)照組提高了41.1 %。相比于干篩法測(cè)定的機(jī)械穩(wěn)定性，濕篩法可以模擬灌溉或者降水過(guò)后所形成的泡水或者濕潤(rùn)條件，所以測(cè)得的土壤團(tuán)聚體的水穩(wěn)性能夠更加真實(shí)準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定條件[30]。通過(guò)對(duì)不同培養(yǎng)時(shí)期水穩(wěn)性團(tuán)聚體穩(wěn)定性指標(biāo)的分析，試驗(yàn)組不同培養(yǎng)時(shí)期水穩(wěn)性團(tuán)聚體穩(wěn)定性指標(biāo)MWD、GMD值都顯著大于對(duì)照組，分形維數(shù)(D)、土壤不穩(wěn)定團(tuán)粒指數(shù)(ELT)值顯著小于對(duì)照組(P<0.05)，并且培養(yǎng)到120 d的團(tuán)聚體穩(wěn)定性指標(biāo)值最佳，MWD、GMD和R0.25之間均呈極顯著的正相關(guān)關(guān)系(P<0.001)。這與張賽等、關(guān)松等的研究結(jié)果相似，張賽和關(guān)松分別研究了添加秸稈處理對(duì)紫色土和黑土水穩(wěn)性團(tuán)聚體的分布和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的作用，研究結(jié)果顯示添加秸稈處理有助于水穩(wěn)性微團(tuán)聚體不斷的粘結(jié)團(tuán)聚成為水穩(wěn)性大團(tuán)聚體(>250 μm)，減少了水穩(wěn)性微團(tuán)聚體含量，同時(shí)提高了水穩(wěn)性團(tuán)聚體的穩(wěn)定性和抗侵蝕能力[14,31]。

圖2 >0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體所占比例與團(tuán)聚體穩(wěn)定性指標(biāo)間的相關(guān)關(guān)系Fig.2 Correlation between the proportion of >0.25 mm stable soil aggregates and aggregate stability

3.2 添加秸稈處理對(duì)團(tuán)聚體有機(jī)碳分布狀況的影響

土壤團(tuán)聚體的保護(hù)機(jī)制與土壤有機(jī)碳的固定效應(yīng)間存在密切的關(guān)系，土壤有機(jī)碳主要被固持于土壤團(tuán)聚體中。相關(guān)的試驗(yàn)研究也揭示了有機(jī)碳在不同粒級(jí)團(tuán)聚體中的分布規(guī)律存在差異，而且不同粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳的穩(wěn)定性也存在差異[24,33]。本研究結(jié)果表明，添加秸稈處理后，不同培養(yǎng)周期有機(jī)碳在4種粒級(jí)團(tuán)聚體中的分布數(shù)量均顯著高于對(duì)照組(P<0.05)，水穩(wěn)性微團(tuán)聚有機(jī)碳含量的提高幅度明顯大于大團(tuán)聚體的提高幅度。試驗(yàn)組到培養(yǎng)時(shí)期結(jié)束時(shí)，有機(jī)碳在>2000 μm、2000～250 μm、250～53 μm、<53 μm粒級(jí)水穩(wěn)性團(tuán)聚體的含量比對(duì)照組團(tuán)聚體有機(jī)碳含量分別增加了20.6 %、17.2 %、62.8 %、50.6 %，結(jié)果表明，潮土添加秸稈處理后有機(jī)碳在各個(gè)粒級(jí)團(tuán)聚體累積含量都呈現(xiàn)增大趨勢(shì)，但是有機(jī)碳在水穩(wěn)性微團(tuán)聚中的分布比例較大，增加幅度也明顯大于大團(tuán)聚體的增加幅度。分析原因可能是由于添加的是粉碎比較細(xì)的水稻秸稈，秸稈腐解能為土壤中的微生物提供豐富的碳源，刺激微生物活性，秸稈粉碎后與土壤結(jié)合得更緊密，而且潮土是以碳酸鈣含量較高的2∶1型粘土礦物類型為主，可以將外源碳嵌插到比較細(xì)小的粘土礦物晶層中，從而有助于潮土水穩(wěn)性微團(tuán)聚體有機(jī)碳的固持[32-33]。這與尹云鋒等的試驗(yàn)成果類似，尹云鋒等采用δ13C標(biāo)記方法模擬研究添加稻草秸稈處理對(duì)有機(jī)碳在紅壤團(tuán)聚體的分布規(guī)律的影響，結(jié)果表明培養(yǎng)112 d時(shí)后，來(lái)自外源有機(jī)物料的有機(jī)碳主要進(jìn)入分配在水穩(wěn)性微團(tuán)聚體中，有機(jī)碳在微團(tuán)聚體的分配含量顯著高于在大團(tuán)聚體的分配含量[34]。但是由于潮土添加秸稈處理后，促進(jìn)了微生物和酶的活性同時(shí)增加了促使團(tuán)聚體團(tuán)聚的有機(jī)膠結(jié)物質(zhì)，有助于水穩(wěn)性微團(tuán)聚體不斷粘結(jié)團(tuán)聚成為水穩(wěn)性大團(tuán)聚體，促使水穩(wěn)性大團(tuán)聚體在潮土中的分配比例顯著增大，結(jié)果導(dǎo)致水穩(wěn)性微團(tuán)聚體有機(jī)碳對(duì)潮土有機(jī)碳的貢獻(xiàn)率小于水穩(wěn)性大團(tuán)聚體有機(jī)碳，這與張先鳳等得出的潮土有機(jī)碳積累的貢獻(xiàn)主要來(lái)源于水穩(wěn)性大團(tuán)聚體的結(jié)果相一致[35]。Chaney等的研究結(jié)果表明，通過(guò)人為的增加外源有機(jī)物料的施用有助于提高微團(tuán)聚體的團(tuán)聚性能，促進(jìn)水穩(wěn)性團(tuán)聚體的穩(wěn)定性，微團(tuán)聚體內(nèi)有機(jī)碳的降解過(guò)程耗能較大，而且微團(tuán)聚體受到物理保護(hù)作用較大，所以微團(tuán)聚體中有機(jī)碳含量的提高有助于土壤有機(jī)碳的持久穩(wěn)定[36-37]，因此潮土添加水稻秸稈處理可以促進(jìn)提高有機(jī)碳在潮土中的累積量，更多的外源有機(jī)物料儲(chǔ)存于水穩(wěn)性微團(tuán)聚體中，有利于提高土壤有機(jī)碳的固持能力。土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳的穩(wěn)定性高對(duì)于維持土壤各種養(yǎng)分和土壤有機(jī)碳具有重要的意義，因此采取秸稈添加的方式對(duì)潮土耕地進(jìn)行保育，來(lái)改善潮土肥力和團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)，從而提高潮土的有機(jī)碳穩(wěn)定性及固持能力。

4 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)比分析，潮土添加水稻秸稈處理后，促進(jìn)了水穩(wěn)性微團(tuán)聚體向大團(tuán)聚體(>250 μm)的團(tuán)聚，水穩(wěn)性大團(tuán)聚體含量達(dá)到70.4 %，成為優(yōu)勢(shì)粒級(jí)，顯著提高了潮土水穩(wěn)性團(tuán)聚體的MWD、GMD，降低了D、ELT值，MWD、GMD與R0.25之間均呈極顯著的正相關(guān)關(guān)系(P<0.001)，增強(qiáng)了水穩(wěn)性團(tuán)聚體的團(tuán)聚程度，土壤結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性明顯得到改善。采取秸稈添加的方式對(duì)耕地進(jìn)行保育，有利于潮土不同粒級(jí)水穩(wěn)性團(tuán)聚體有機(jī)碳的增加，且對(duì)水穩(wěn)性微團(tuán)聚有機(jī)碳含量的增加幅度大于大團(tuán)聚體的增加幅度。顯著提高了>2000 μm 、2000～250 μm粒級(jí)水穩(wěn)性大團(tuán)聚體有機(jī)碳的貢獻(xiàn)率，從而加強(qiáng)了有機(jī)碳在潮土中的穩(wěn)定性及固持能力，改善了潮土肥力和結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。