秸稈還田對連作玉米黑土團聚體穩(wěn)定性及有機碳含量的影響

李 艷,2，李玉梅，劉崢宇3，孟祥海4，胡穎慧4，金 梁，王 偉，蔡姍姍，魏 丹

(1.黑龍江省農(nóng)業(yè)科學院 土壤肥料與環(huán)境資源研究所,黑龍江 哈爾濱150086；2.東北農(nóng)業(yè)大學 資源與環(huán)境學院,黑龍江 哈爾濱 150030；3.黑龍江省鶴崗市綏濱縣綏濱農(nóng)場，黑龍江 綏濱156203；4.黑龍江省農(nóng)業(yè)科學院 牡丹江分院,黑龍江 牡丹江157041)

0 引 言

東北黑土是我國最肥沃的土壤之一，但是由于長期的不合理耕作，導(dǎo)致黑土的有機質(zhì)含量逐年下降，土壤結(jié)構(gòu)破壞，肥力退化等一系列問題發(fā)生[1]。秸稈還田是農(nóng)田表土有機碳含量增加的主要手段之一，其中尤以黑土地區(qū)的秸稈產(chǎn)量最為豐富，秸稈還田是土壤保護性耕作措施之一，不僅可以改善土壤的物理狀況和養(yǎng)分狀況，同時還可以通過改善土壤的團粒結(jié)構(gòu)大小和土壤有機碳的直接輸入等方法實現(xiàn)固碳[2]。土壤團聚體作為土壤結(jié)構(gòu)的基本單元，影響著土壤水熱傳輸，養(yǎng)分的保持、供應(yīng)和轉(zhuǎn)化，土壤抗侵蝕能力以及根系的穿透和發(fā)育等[3]。團聚體內(nèi)含有大約90%的有機質(zhì)，在有機碳固定及保護機制的研究中，土壤團聚體有機碳的物理結(jié)合及其化學變化是重要內(nèi)容，通過培肥措施改變土壤團聚體結(jié)構(gòu)，對團聚體中有機碳數(shù)量和活性提高有重要意義[4-6]。

研究表明，土地利用方式及培肥措施對團聚體有機碳的影響首先在大團聚體上體現(xiàn)出來，而微團聚體內(nèi)的有機碳則維持在較穩(wěn)定的水平上[7-10]。秸稈還田后土壤>2 mm大團聚體和0.25～0.053 mm微團聚體含量明顯增加，而<0.053 mm微團聚體含量則明顯降低。此外，秸稈還田還促進了大團聚體中有機碳的增加[11]，以9 000～13 500 kg·hm-2的數(shù)量進行秸稈還田后，表層有機碳含量分別較對照提高了8.92%～9.85%，且二者大團聚體(>0.25 mm)含量及團聚體的平均重量均顯著高于對照[12]。

為了探究秸稈還田對傳統(tǒng)耕作方式下黑土團聚體結(jié)構(gòu)特征和土壤培肥的影響，本研究以東北典型黑土玉米連作土壤為研究對象，通過測定團聚體粒級分布、容重、含水量及有機碳等指標，綜合分析不同處理下土壤團聚體粒級、含量和穩(wěn)定性等特征，團聚體形成對土壤有機碳提升的貢獻，為土壤固碳、黑土可持續(xù)利用和東北黑土區(qū)推廣保護性耕作提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

本研究試驗田位于黑龍江省哈爾濱市道里區(qū)民主鄉(xiāng)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技示范園區(qū)(45°44′N,126°36′E)，該園區(qū)位于松花江南岸沖擊平原上，為松花江、阿什河的一級階地。寒溫帶大陸季風氣候，年降雨量550 mm，年溫度3.3 ℃，無霜期141 d，作物生長期約120 d。土壤類型為黑土，成土母質(zhì)為近代沉積的黃土狀粘土堆積物，質(zhì)地黏重。

1.2 試驗設(shè)計

試驗于2012年春季開始，種植作物玉米(ZeamaysL.)。共設(shè)4個處理：無秸稈無氮肥(CK-NO，P2O560 kg·hm-2、K2O 75 kg·hm-2)、優(yōu)化施肥(OPT，N 165 kg·hm-2、P2O560 kg·hm-2、K2O 75 kg·hm-2)、秸稈還田不施氮肥(ST-NO，P2O560 kg·hm-2、K2O 75 kg·hm-2)和秸稈還田優(yōu)化施肥(ST-OPT，N 165 kg·hm-2、P2O560 kg·hm-2、K2O 75 kg·hm-2)。每小區(qū)面積60 m2，4次重復(fù)，小區(qū)隨機排列。于每年秋季作物收獲后秸稈全部還田，還田深度為20 cm。

1.3 土壤樣品采集與分析

2017年秋季收獲后，對不同處理4個重復(fù)小區(qū)0～50 cm土層進行土樣采集，每隔10 cm土層采集，每次采集3點進行混勻后取1 kg左右土樣，每個處理同樣的方法取樣3次，土壤樣品采集后放在硬質(zhì)鋁盒內(nèi)運回實驗室，以免破壞團聚體結(jié)構(gòu)。在自然結(jié)構(gòu)面用手將采回的土壤掰成直徑1 cm以下的小土塊，處理時盡量避免受到機械壓力，篩除根系和小石粒，土壤風干備用。采用Elliott提出的干、濕篩法測定土壤機械穩(wěn)定性和水穩(wěn)性團聚體含量[13-14]；用環(huán)刀法測定各土層土壤容重和田間持水量；測定不同土層和濕篩后不同粒級土壤有機碳，用重鉻酸鉀容量法(外加熱法)測定[15]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

土壤團聚體分形維數(shù)(FD)計算采用楊培嶺方法[16]:

采用SPSS 15.0軟件進行數(shù)據(jù)分析，SigmaPlot 10.0軟件制作圖表，不同處理以及土壤不同層次之間數(shù)據(jù)的差異顯著性采用Duncan法進行比較，用Pearson進行相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 秸稈還田對黑土團聚體機械穩(wěn)定性的影響

玉米連作5年后，不同處理不同深度的土層，其土壤團聚體的機械穩(wěn)定性發(fā)生變化(表1)。干篩法各處理均以≥10 mm粒徑的土粒含量最多，平均30.2%，0～20 cm土層粒徑變化趨勢明顯。無秸稈無氮肥(CK-NO)處理與秸稈還田無氮肥(ST-NO)處理不同粒級土粒分布趨勢相近，均在2～1 mm和3～2 mm兩個粒級間出現(xiàn)高峰，但在10～20 cm土層，CK-NO處理1～0.5 mm粒級含量高于5～3 mm粒級，而ST-NO處理以5～3 mm和3～2 mm粒徑為主，占14.1%和9.96%，明顯高于CK-NO處理。優(yōu)化施肥(OPT)處理與秸稈還田優(yōu)化施肥(ST-OPT)處理在1～0.5 mm和5～3 mm兩個粒級出現(xiàn)高峰，但OPT處理在10～20 cm土層的0.5～0.25 mm、1～0.5 mm、2～1 mm、3～2 mm和5～3 mm 5個粒級土粒的含量均低于其它土層，即OPT處理降低了10～20 cm土層中5～0.25 mm粒徑的土粒含量。而ST-OPT處理10～20 cm土層5～3 mm粒徑土粒含量增加，3～0.25 mm粒徑間土粒含量在0～30 cm土層內(nèi)分布較為均勻，至30～50 cm土層，呈增加趨勢。秸稈還田能夠增加5～3 mm較大粒徑團聚體的含量，而無秸稈還田處理，1～0.5 mm較小粒徑團聚體含量增加明顯。對不同處理>0.25 mm的大團聚體分析，發(fā)現(xiàn)ST-OPT處理、OPT處理和ST-NO處理變化趨勢相同，均隨土層深度增加，>0.25 mm團聚體比例增加。

2.2 秸稈還田對黑土團聚體水穩(wěn)定性的影響

無論秸稈還田與否，濕篩法1～2 mm粒徑土粒在各處理中分布均最低，平均占5.34%～10.1%(圖1)。隨土層深度的增加，>0.25 mm團聚體含量呈降低趨勢，其中施肥處理大于不施肥處理，秸稈還田處理大于秸稈不還田處理。秸稈還田增加了10～20 cm土層中≥2 mm粒徑土粒的含量，與秸稈不還田處理相比平均增加18.5%；其次是0～10 cm土層，增加幅度3.50%；ST-OPT處理，在20～30 cm土層該粒徑的含量增加6.50%；同時，ST-OPT與ST-NO處理比OPT與CK-NO處理在30～40 cm土層處0.5～0.25 mm和0.25～0.053 mm水穩(wěn)性團聚體含量也表現(xiàn)為增加趨勢，分別為6.76%和4.50%。而秸稈不還田，0～50 cm土層內(nèi)≥2 mm粒徑土粒的含量隨土層深度增加表現(xiàn)為減小。不同深度土層>0.25 mm土壤團聚體結(jié)構(gòu)體含量：ST-OPT>ST-NO>OPT>CK-NO，秸稈還田更有利于土壤團粒結(jié)構(gòu)的形成。CK-NO處理0.25～0.5 mm水穩(wěn)性團聚體含量最低，隨著土層深度的增加而減小，以20～30 cm土層最小。

注：CK-NO代表無秸稈無氮肥處理；OPT代表優(yōu)化施肥處理；ST-OPT代表秸稈還田優(yōu)化施肥處理；ST-NO代表秸稈還田無氮肥處理。Note: CK-NO means no straw and no nitrogen fertilizer; OPT means optimized chemical fertilization; ST-OPT means optimized chemical fertilizer with straw returning; ST-NO means no nitrogen fertilizer with straw returning. 圖1 不同處理土壤水穩(wěn)性團聚體粒徑分布圖Fig.1 Soils particle size distributions of water stability with different fertilization treatments

土壤是具有分型特征的多孔介質(zhì)，土壤粒徑分形維數(shù)的分析，能夠表征土壤粒徑大小對土壤結(jié)構(gòu)的影響。研究證實，分形維數(shù)能很好地描述團聚體分布情況，土壤擾動程度越大、分形維數(shù)也越大。由圖2可見，無論秸稈還田與否，10～20 cm土層土壤分形維數(shù)均較大，分別為ST-OPT為2.53，ST-NO為2.71，OPT為2.75，CK-NO為2.61，該層作物根系活動旺盛，土壤擾動較大，因而變化也最為明顯；30～50 cm土層，土壤分形維數(shù)逐漸降低，其中ST-OPT處理分形維數(shù)最小，為2.41，而CK-NO和OPT處理分形維數(shù)均高于秸稈還田處理，ST-OPT處理不同土層的土壤分形維數(shù)均最低，可能與本試驗黑土土壤質(zhì)地較為黏重有關(guān)，原因還有待于進一步分析。

2.3 秸稈還田對黑土物理性狀的影響

土壤容重大，表明土壤緊實、板結(jié)，土壤退化趨勢愈強；容重小，則說明土壤疏松多孔，結(jié)構(gòu)型良好。由圖3可見，與對照CK-NO處理比較，除ST-OPT處理外，ST-NO處理和OPT處理土壤容重均表現(xiàn)為降低，以20～30 cm土層降低趨勢較為明顯，但處理間差異不顯著。一方面與試驗黑土黏粒含量較多，孔隙度較小有關(guān)；一方面也與對照不施肥處理作物根系下扎深度較淺有關(guān)。由圖4可見，隨著土層深度增加，田間持水量先降低后增加，以20～30 cm土層最低。土壤容重與田間持水量成顯著線性負相關(guān)關(guān)系(r=0.884，見圖5)，含水量增加后，土壤氣相空間減少，團粒結(jié)構(gòu)更加緊密，可導(dǎo)致土壤容重降低。OPT處理在20 cm以下土層土壤容重顯著降低，田間持水量增大，可能與黑土本身特性有關(guān)，其原因還有待于進一步研究。

圖2 土壤分形維數(shù)的變化Fig.2 The change of fractal diamensions

圖3 不同土層土壤容重變化Fig.3 Change of soil bulk density in different soil layers

圖4 不同土層土壤田間持水量變化Fig.4 Change of soil water holding capacity in different soil layers

圖5 秸稈還田下土壤容重與田間持水量的相關(guān)性Fig.5 The correlation between bulk density and field water holding capacity with straw returning

2.4 秸稈還田對黑土團聚體中有機碳含量的影響

不同土層不同粒級水穩(wěn)性團聚體中的有機碳含量如圖6所示，OPT、ST-OPT和ST-NO處理比CK-NO處理分別提高有機碳10.5%、2.01%和5.50%，不同處理中有機碳含量以20 cm土層最高，隨著土層增加含量逐漸減少。CK-NO處理土壤團聚體中有機碳含量在20.8～33.4 g·kg-1之間，0～30 cm土層不同粒徑有機碳含量變化較大，30～50 cm變化較小，其中0～20 cm土層中1～0.25 mm粒徑有機碳含量最高，平均為25.6 g·kg-1。OPT處理團聚體有機碳含量在25.5～36.7 g·kg-1之間，0～30 cm土層的有機碳含量增加明顯。ST-OPT處理團聚體土壤有機碳含量在21.3～35.1 g·kg-1之間，0～20 cm土層的有機碳含量最高，為29.7 g·kg-1，隨著土層深度增加，含量逐漸降低，以2～1 mm粒級團聚體中有機碳含量最高，達35.1 g·kg-1，比其它粒級平均高出14.5%；ST-NO與ST-OPT處理下，有機碳含量變化一致，含量在22.2～36.8 g·kg-1之間，秸稈還田增加了團粒結(jié)構(gòu)對有機碳的固定功能，提高了土壤肥力。

圖6 不同施肥處理不同深度不同粒徑土壤有機碳變化Fig.6 Soil organic carbon changes of different treatment in different depths and sizes

3 討 論

秸稈還田是農(nóng)田土壤有機質(zhì)提高的重要措施，秸稈在土壤中分解，首先能改良土壤的結(jié)構(gòu)和物理性狀，其次能有效提高土壤有機質(zhì)含量和肥料利用率[17]。土壤團聚體在維持土壤環(huán)境和肥力方面起保護作用[18]。連續(xù)5年秸稈還田對土壤團聚體含量、粒級分布、容重、含水量及有機碳含量產(chǎn)生了一定的影響。

3.1 秸稈還田對土壤團聚體的穩(wěn)定性的影響

團聚體的分布對土壤結(jié)構(gòu)影響很大，尤其是團聚體的水穩(wěn)性。不同處理土壤團聚體機械穩(wěn)定性表現(xiàn)為≥10 mm粒徑的土粒含量最多，以0～20 cm土層表現(xiàn)最明顯。施肥對團聚體的形成及土壤肥力的提高有一定的作用，但是施肥過程中機械的作用也能夠破壞土壤的團粒結(jié)構(gòu)，CK-NO處理雖不施入氮肥，但是OPT處理團聚體比例略低于CK-NO處理，這可能是黑土本身的性質(zhì)造成的；秸稈還田后，10～20 cm團聚體含量上，ST-OPT>ST-NO處理，與該土層10～20 cm根系活動頻繁有一定關(guān)系，同時氮肥的施入調(diào)節(jié)了土壤碳氮比，提高了土壤微生物活性和植物的生長能力，土壤團聚體含量增加。

>0.25 mm的團聚體是土壤中最好的結(jié)構(gòu)體，其數(shù)量與土壤的肥力狀況呈正相關(guān)關(guān)系[19]，所以黑土水穩(wěn)性團聚體以>0.25 mm粒級為優(yōu)勢粒級。本研究發(fā)現(xiàn)，水穩(wěn)性團聚體隨著土層深度的增加，>0.25 mm團聚體含量逐漸降低，施肥處理大于不施肥處理，秸稈還田處理大于秸稈不還田處理，不同處理0～50 cm土層>0.25 mm土壤團粒結(jié)構(gòu)體總含量大小為：ST-OPT>ST-NO>OPT>CK。很多研究學者也得出相同結(jié)論，秸稈還田對土壤團聚體影響顯著，可增加>2 mm 大團聚體的含量，降低<0.25 mm的含量[20]。秸稈還田促進了土壤腐殖物質(zhì)的形成，使土壤顆粒周圍的有機結(jié)合物質(zhì)增加，對大團聚體的形成產(chǎn)生積極影響[21]?？傊?，不施氮肥、無秸稈還田條件下，根系生長和下扎受阻，根系區(qū)系難以形成團粒膠結(jié)物質(zhì)，秸稈還田都在耕作層，加上植物根系的作用，所以隨著土層的增加，團聚體的變化趨勢越來越不明顯，團聚體的變化主要體現(xiàn)在耕作層。土壤顆粒體積分形維數(shù)與土壤顆粒體積百分含量具有顯著的對數(shù)相關(guān)關(guān)系，隨著土壤剖面深度的增加，土壤大顆粒體積百分含量增加，土壤顆粒體積分形維數(shù)也隨之增加，與土壤水穩(wěn)性團聚體含量變化基本一致。

3.2 秸稈還田對土壤容重的影響

土壤容重是植物生長的重要條件，關(guān)系到土壤中水、氣、熱狀況和養(yǎng)分的調(diào)節(jié)，以及植物根系的伸展和植物的生長發(fā)育[22]。田間持水量長期以來被認為是土壤所能穩(wěn)定保持的最高土壤含水量，是對作物有效水的上限[19]。通常黏粒和有機質(zhì)含量高的土壤持水性能較好，田間持水量也較大，黏粒含量越高，總孔隙度越小，容重越大。秸稈還田可降低表層土壤容重，從而提高土壤田間持水，減少耕作阻力[23-24]。兩次秸稈還田(即兩年連續(xù)還田或隔年秸稈還田)土壤容重降低，孔隙度增加[25]。本研究表明，秸稈還田后土壤容重降低，以20～30 cm土層降低明顯，各處理田間持水量隨著土層的增加先降低后增加，且容重與田間持水量成線性顯著負相關(guān)關(guān)系(r=0.884)，秸稈還田增加了土壤的孔隙度，使土壤疏松，團粒結(jié)構(gòu)比例改變，從而影響容重的變化；同時施肥處理在秸稈還田條件下調(diào)整了碳氮比，提高微生物活性，植物根系活動量增加，對土壤容重情況也有所改善。

3.3 秸稈還田對土壤團聚體中有機碳的影響

團聚體對土壤有機質(zhì)起到物理性保護作用，有機質(zhì)是土壤團聚體形成的重要膠結(jié)劑，因此，有機碳的含量與土壤團聚體的形成是相互促進的過程[26]。秸稈中含有大量的木質(zhì)素和纖維素等物質(zhì)，氮肥的施入使土壤碳氮比合理，微生物分解能力增加，秸稈有效腐解，土壤碳庫得到擴大[27]。很多研究表明，秸稈還田能提高土壤各級團聚體中有機碳的含量：秸稈還田連續(xù)施用8年后，土壤團聚體內(nèi)的有機碳含量普遍提高[28]。本研究中各處理水穩(wěn)性團聚體不同粒徑中有機碳含量，以秸稈還田處理有機碳含量大于無秸稈還田處理，增施氮肥處理有機碳含量大于無氮肥施入處理；>0.25 mm粒徑的大團聚體中有機碳含量大于小團聚體中碳含量(0.25 mm)，最高有機碳含量一般出現(xiàn)在1 mm粒徑和0.5 mm粒徑；隨著土層深度的增加，有機碳含量逐漸減少。長期施肥條件下黑土團聚體中有機碳的分布規(guī)律表明，有機無機肥配施處理下土壤各級團聚體全碳含量均增加。秸稈還田在提高團聚體穩(wěn)定性的同時，還能提高大團聚體中有機碳含量[29-31]，這與本研究結(jié)果相同。

4 結(jié) 論

連續(xù)秸稈還田顯著增加了黑土中大粒徑團聚體數(shù)量，降低了土壤容重，使土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性增加；氮肥的配合施入有助于土壤中大團聚體的形成，同時合理地調(diào)節(jié)了土壤碳氮比例，有效提高有機碳含量，土壤肥力得到提高。本研究是從土壤基礎(chǔ)物理性狀和團聚體固碳的角度來探討秸稈還田的效果，對秸稈還田在黑土固碳和肥力保育方面具有積極意義。在今后的研究中，應(yīng)將微生物、環(huán)境因素等指標進行綜合分析，為黑土的培肥與可持續(xù)利用提供科學的依據(jù)。