秸稈深還對(duì)黑土亞耕層土壤物理性狀及團(tuán)聚體分布特征的影響*

董建新，叢 萍，劉 娜，李玉義，王 婧，逄煥成?

（1.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所，北京 100081；2.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院煙草研究所，青島 266100）

東北黑土地是中國(guó)最重要的、可年產(chǎn)70億千克糧食的商品糧生產(chǎn)基地，然而長(zhǎng)期以旋代耕的方式造成土壤緊實(shí)、耕層變淺。吉林省大部分玉米產(chǎn)區(qū)土壤有堅(jiān)實(shí)的犁底層存在，其堅(jiān)硬度約為耕層的 3倍，厚度為7～11 cm[1]，嚴(yán)重影響土體水、熱、氣的運(yùn)行[2]，而這種不良結(jié)構(gòu)恰好位于20～40 cm土壤亞耕層范圍，亞耕層作為連接表土層與底土層的重要耕作層，對(duì)作物根系向深層土壤生長(zhǎng)[3]以及土壤碳庫(kù)構(gòu)建有重要作用[4]。目前這種“板結(jié)”性的不良土壤結(jié)構(gòu)占黑土總面積的 30%以上[5]，嚴(yán)重影響黑土地的可持續(xù)發(fā)展。

目前，秸稈還田已成為改良土壤結(jié)構(gòu)的有效措施。研究表明，秸稈還田對(duì)于土壤的蓄水保墑[6]、提高水分利用效率[7]以及防止水土流失等方面均有積極作用。韓曉增等[2]將秸稈及有機(jī)肥施入 20～35 cm的黑土層中，使土壤容重降低6.2%～9.9%，土壤含水量提高7.8%～22.9%，玉米產(chǎn)量提高20%以上，其改良增厚耕作層的效果優(yōu)于秸稈覆蓋還田。秸稈還田后促進(jìn)了土壤膠結(jié)，有利于土壤微團(tuán)聚體向大團(tuán)聚體轉(zhuǎn)化，從而提高土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，而單施化肥則會(huì)抑制土壤大團(tuán)聚體的形成[8]。秸稈還田能夠有效提高耕層>0.25 mm土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量[9]，并且隨秸稈還田量的增加，土壤中機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體及水穩(wěn)性團(tuán)聚體的含量均有所增加[10-11]。然而，當(dāng)前尚未系統(tǒng)地研究過不同秸稈還田方式對(duì)于亞耕層土壤結(jié)構(gòu)的改良作用。

秸稈還田量與秸稈形態(tài)對(duì)土壤結(jié)構(gòu)有重要影響。Liu等[12]的研究表明，秸稈還田量越高，土壤水勢(shì)越高，表明持水量越大；且粉碎秸稈較長(zhǎng)秸稈更能在短期內(nèi)增加土壤的持水能力[13]。然而，當(dāng)前秸稈還田量與秸稈形態(tài)對(duì)土壤物理特征的影響尚不明確。本課題組前期研發(fā)出秸稈顆?；€田技術(shù)，即將秸稈高度粉碎后擠壓造粒，形成秸稈顆粒后直接還田，其堆積密度約為常規(guī)粉碎秸稈的5倍，具有體積小、施用方便、與土壤接觸性好[14]，并且能夠快速提升土壤有機(jī)碳含量[15]的優(yōu)點(diǎn)，這為解決玉米秸稈體量大，秸稈還田形態(tài)單一、粗放，還田質(zhì)量差，影響下一季作物生根以及出苗等問題提供了途徑。我國(guó)東北地區(qū)一季玉米秸稈產(chǎn)量約為 15 000 kg·hm–2，秸稈還田量多在 6 000～15 000 kg·hm–2[16-17]，但如此充足的秸稈資源并未被應(yīng)用到亞耕層土壤結(jié)構(gòu)的改良中來。秸稈深埋還田是將秸稈直接施入亞耕層范圍，與傳統(tǒng)的旋耕還田相比縮短了對(duì)亞耕層的作用路徑，且大量秸稈深施不會(huì)影響作物的生根、出苗，這就為秸稈一次性高量還田提供了可能，一次性還田避免了“年年耕”對(duì)土壤的擾動(dòng)，也減少了人力物力的投入。但目前尚不明確亞耕層土壤物理結(jié)構(gòu)對(duì)秸稈一次性高量深埋還田的響應(yīng)，且新型秸稈顆?；€田是否對(duì)黑土亞耕層土壤物理結(jié)構(gòu)具有積極效果也未可知。因此，本研究從改良亞耕層土壤物理性狀出發(fā)，分秸稈切碎和制成顆粒兩種形式，設(shè) 1 倍（15 000 kg·hm–2）、3 倍（45 000 kg·hm–2）與 5 倍（75 000 kg·hm–2）三種倍量，一次深埋至 30～40 cm土層，通過測(cè)定并比較其后3年秋收期亞耕層土壤主要物理性狀及團(tuán)聚體粒徑分布，分析秸稈不同形態(tài)、不同用量深埋還田對(duì)亞耕層主要物理性狀的影響，以期為選擇最佳秸稈還田措施改良我國(guó)黑土區(qū)農(nóng)田土壤提供理論依據(jù)以及技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

田間定位試驗(yàn)于 2015—2018年在吉林省公主嶺市朝陽(yáng)坡鎮(zhèn)（124°43′E、43°36′N）進(jìn)行，該地位于我國(guó)東北黃金玉米生產(chǎn)帶，地處吉林省中西部，東遼河中游右岸。當(dāng)?shù)匾杂牮B(yǎng)農(nóng)業(yè)為主，種植作物主要為玉米、大豆。屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年均氣溫5.6℃，年均降水量594.8 mm，無霜期144 d。試驗(yàn)地土壤類型為典型黑土。土壤基本理化性狀如表1，土壤質(zhì)地為黏壤土（國(guó)際制）。

表1 試驗(yàn)地土壤基本理化性狀Table 1 Basic soil properties of the experiment field

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

還田秸稈有切碎與制成顆粒兩種形態(tài)，用量以當(dāng)?shù)亟斩掃€田常規(guī)用量為基準(zhǔn)（每年玉米收獲后地上部秸稈總量約為 15 000 kg·hm–2），設(shè) 1倍量（15 000 kg·hm–2）、3 倍量（45 000 kg·hm–2）、5 倍量（75 000 kg·hm–2）3個(gè)水平，以秸稈不還田（CK）為對(duì)照，共計(jì)7個(gè)處理（表2）；每個(gè)處理3次重復(fù)，共設(shè)21個(gè)小區(qū)，每個(gè)小區(qū)長(zhǎng)4 m、寬4 m（6壟）。

供試秸稈取自當(dāng)?shù)赜衩资斋@后農(nóng)田。切碎后還田秸稈（QS處理）經(jīng)風(fēng)干、切碎約10 cm備用；顆粒態(tài)還田秸稈（KL處理）用 HC-2000型粉碎機(jī)粉碎后過 2 mm篩，按照 30%～35%含水量添加蒸餾水，混勻，用FTHBCX350型環(huán)模秸稈顆粒機(jī)擠壓制成直徑4 mm、長(zhǎng)度4～6 cm的棒狀固體。切碎秸稈、顆粒秸稈容重分別約為 53 g·L–1和 447 g·L–1。試驗(yàn)處理編號(hào)及其秸稈用量如表2所示。

表2 不同試驗(yàn)處理秸稈還田方式及其用量Table 2 Method and rate of straw returning relative to treatment

在2015年10月玉米收獲后進(jìn)行秸稈翻埋還田；翻埋前將切碎秸稈和顆粒秸稈按試驗(yàn)設(shè)計(jì)用量均勻鋪于各個(gè)小區(qū)地表，再用秸稈翻埋犁（功率> 92 kW）直接將其翻埋至30～40 cm土層（亞耕層）。此后3年試驗(yàn)期間不再進(jìn)行秸稈還田，且每年玉米播種前清除地表殘留秸稈。2016—2018年玉米一年一熟連作，供試品種為奇玉8號(hào)，每年5月初播種，種植密度67 500 株?hm–2。施用化肥為尿素、過磷酸鈣和硫酸鉀，用量為 N 225 kg·hm–2、P2O575 kg·hm–2和K2O 225 kg·hm–2，其中磷肥、鉀肥用做基肥一次性施入，氮肥 30%基施、70%拔節(jié)期追施。各處理田間管理同當(dāng)?shù)馗弋a(chǎn)玉米栽培。每年10月初玉米收獲，收獲時(shí)進(jìn)行玉米測(cè)產(chǎn)和土壤樣品采集。

1.3 土壤樣品采集與物理性質(zhì)測(cè)定

采集土壤樣本時(shí)，在各小區(qū)對(duì)角線上布置3個(gè)取樣點(diǎn)，取樣深度為0～20 cm、20～40 cm兩層，同一深度土層3個(gè)點(diǎn)取樣混合為一個(gè)土樣，該土樣用于測(cè)定土壤基本物理性質(zhì)。同時(shí)采集0～20 cm、20～40 cm土層原狀土用于土壤團(tuán)聚體測(cè)定，采集的土樣裝入硬質(zhì)塑料盒內(nèi)（17 cm×11 cm×6 cm）以避免其受到擠壓、結(jié)構(gòu)破壞。采集的土樣挑揀出石塊及植株殘?bào)w等雜物，帶回實(shí)驗(yàn)室，立即取其中部分用烘干法測(cè)定土壤質(zhì)量含水量（Soil water content，SWC，g·kg–1），其余部分風(fēng)干備用。

在采集土壤樣品的同時(shí)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定土壤容重、緊實(shí)度。土壤容重采用環(huán)刀法測(cè)定。土壤緊實(shí)度（Soil compactness，SC，kPa）采用SC900緊實(shí)度儀測(cè)定，土壤緊實(shí)度的測(cè)定單位為 kPa，壓強(qiáng)分辨率為35 kPa（精確度為 35 kPa）[18]，測(cè)量范圍為 0～7 000 kPa；最大測(cè)定土層深度為 45 cm，空間分辨率為 2.5 cm，故緊實(shí)度測(cè)定結(jié)果為各小區(qū)0～45 cm土層的穿透阻力分布狀況。

土壤團(tuán)聚體參考 Cambardella和 Elliott[19]的方法，用濕篩法分級(jí)測(cè)定。使用的套篩篩孔直徑分別為2、1、0.5、0.25、0.053 mm。稱取風(fēng)干土樣100 g置于2 mm 篩內(nèi)，套篩放在沉降筒內(nèi)蒸餾水中浸潤(rùn)5 min后，以30 次·min–1速度、上下30 mm的振幅在水中振蕩 2 min，再將套篩取出，將不同孔徑篩內(nèi)的團(tuán)聚體沖洗到燒杯中；獲得>2 mm、1～2 mm、0.5～1 mm、0.25～0.5 mm、0.053～0.25 mm粒徑的團(tuán)聚體，而<0.053 mm的團(tuán)聚體則需要在沉降筒靜置48 h，棄去上清液再轉(zhuǎn)移至燒杯中。將盛有各級(jí)團(tuán)聚體的燒杯置于烘箱內(nèi)50℃烘干后，稱重，計(jì)算可得各粒級(jí)團(tuán)聚體的百分含量[20]。在此過程中，遇有懸浮秸稈殘?bào)w采用自制濾網(wǎng)撈出。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2016對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理并繪圖。運(yùn)用 SAS 9.4軟件做單因素方差分析（One-way ANOVA）和Pearson相關(guān)分析，比較處理間數(shù)據(jù)差異顯著性（LSD，P=0.05）和不同土壤理化性質(zhì)間的相關(guān)性。運(yùn)用CANOCO 5軟件進(jìn)行土壤不同粒徑團(tuán)聚體含量與主要物理性狀關(guān)系的冗余分析（RDA）。

2 結(jié) 果

2.1 不同處理的土壤容重比較

與CK相比，秸稈深埋還田能夠降低0～20 cm耕層與20～40 cm亞耕層土壤容重，尤其以亞耕層降低最顯著。由表3可見，2016年，對(duì)于0～20 cm土層，QS3、QS5與KL5處理的土壤容重顯著低于CK，降低比率以 QS5最高，為 11.9%（P<0.05）；對(duì)于20～40 cm土層，除KL1外，各秸稈還田處理的土壤容重顯著低于CK，降低比率以QS5最高，為 28.1%（P<0.05）；2017年，除 KL1外，各處理仍能較CK顯著降低20～40 cm土層土壤容重，降低比率以QS5最高，為12.2%（P<0.05）；2018年，QS5較CK顯著降低，20～40 cm土層土壤容重的比率最高，可達(dá)10.9%（P<0.05）。

表3 不同處理的土壤容重及土壤容重降低比率Table 3 Soil bulk density and its decreasing rate relative to treatment

秸稈用量相同時(shí)，不同秸稈形態(tài)下土壤容重的比較發(fā)現(xiàn)：秸稈低量還田時(shí)，僅2016年20～40 cm土層切碎秸稈與秸稈顆粒有顯著差異，QS1土壤容重顯著低于KL1 13.1%（P<0.05）；秸稈中量還田時(shí)，僅2016年切碎秸稈與秸稈顆粒表現(xiàn)出顯著差異，對(duì)于0～20 cm與20～40 cm土層，QS3土壤容重分別顯著低于KL3 7.5%（P<0.05）與14.7%（P<0.05）；秸稈高量還田時(shí)，2016年，對(duì)于0～20 cm與20～40 cm土層，QS5土壤容重分別顯著低于KL5 6.8%（P<0.05）與18.9%（P<0.05）；2017年，對(duì)于20～40 cm土層，QS5土壤容重顯著低于 KL5 6.3%（P<0.05）；2018年，QS5處理使得20～40 cm土層土壤容重顯著低于KL5 4.8%（P<0.05）?？梢?，當(dāng)秸稈用量相同時(shí)，粉碎秸稈能夠較秸稈顆粒大幅度降低土壤容重。

秸稈形態(tài)相同時(shí)，不同秸稈用量下土壤容重的比較發(fā)現(xiàn)：粉碎秸稈還田時(shí)，2016年，0～20 cm土層，QS3、QS5土壤容重分別低于QS1 6.9%（P<0.05）與8.3%（P<0.05），20～40 cm土層，QS3、QS5土壤容重分別低于 QS1 7.9%（P<0.05）與 15.1%（P<0.05）；2017年，20～40 cm土層，QS5土壤容重分別低于 QS1 7.6%（P<0.05）與 QS3 6.3%（P<0.05）；2018年，20～40 cm土層，QS5土壤容重分別低于QS1 6.8%（P<0.05）與QS3 4.2%（P<0.05）。秸稈顆粒還田時(shí)，2016年，0～20 cm土層，KL5土壤容重分別低于KL1 4.7%（P<0.05），20～40 cm土層，KL5與 KL3土壤容重分別低于 KL1 9.0%（P<0.05）與 6.2%（P<0.05）；2017年，20～40 cm土層，KL5土壤容重較KL1降低3.4%（P<0.05）；2018年，20～40 cm土層，KL3與KL5的土壤容重分別較KL1降低3.3%（P<0.05）與4.6%（P<0.05）?？梢?，當(dāng)秸稈形態(tài)相同時(shí)，隨秸稈倍量的增加，土壤容重降低幅度加大，一次性高量還田可使土壤容重多年維持在較低水平。

此外，從年際間變化看，隨著秸稈還田時(shí)間的延長(zhǎng)，亞耕層土壤容重逐漸增大，相同處理的土壤容重降低幅度逐漸減小，這與秸稈在土壤中不斷腐解以及農(nóng)機(jī)具逐年進(jìn)地壓實(shí)有關(guān)。

2.2 不同處理的土壤緊實(shí)度的比較

土壤緊實(shí)度是指土壤抵抗外力壓實(shí)和破碎的能力，其大小直接影響土壤中水、肥、氣、熱等狀況，對(duì)作物生長(zhǎng)、發(fā)育和產(chǎn)量均具有重要影響[21]。0～45 cm深度土壤的緊實(shí)度測(cè)定結(jié)果表明，秸稈深埋還田尤其能在第1、2年降低15～35 cm深度的土壤緊實(shí)度（圖1），該范圍恰好為犁底層所在，表明秸稈深埋還田對(duì)打破犁底層有良好效果。因犁底層恰好位于亞耕層范圍內(nèi)，故而對(duì)各處理20～40 cm土層的平均土壤緊實(shí)度進(jìn)一步做統(tǒng)計(jì)分析（表4），結(jié)果表明：2016年，各秸稈還田處理土壤緊實(shí)度均顯著低于CK，其中QS5與KL5的降低幅度最大，分別達(dá)27.2%（P<0.05）與23.8%（P<0.05）；2017年，僅QS3、QS5顯著低于CK 18.5%（P< 0.05）、20.9%（P<0.05）；2018年，僅 QS1、QS3、QS5、KL5處理顯著低于CK，其中QS5降低幅度最高，為24.1%（P<0.05）。可見，秸稈高量還田在降低亞耕層土壤緊實(shí)度上具有顯著優(yōu)勢(shì)。

表4 不同處理對(duì)亞耕層（20～40 cm）土壤緊實(shí)度的影響Table 4 Effect of straw return on soil compactness in the subsoil layer（20–40 cm）relative to treatment /kPa

此外，從圖1與表4還可看出，一次性秸稈深還田后，隨著還田后年份的增加，秸稈降低土壤緊實(shí)度的作用逐漸減弱。2016年，各處理 0～45 cm深度的土壤緊實(shí)度變化范圍為500～1 500 kPa，經(jīng)過1 a秸稈并未完全腐解，仍有部分秸稈殘留于土壤中起到降低緊實(shí)度的作用；2017年，各處理土壤緊實(shí)度在500～1 000 kPa范圍變化，這可能與當(dāng)年降水量多，測(cè)定時(shí)土壤含水量較高有關(guān)；2018年，亞耕層土壤緊實(shí)度增至1 000～2 000 kPa，農(nóng)機(jī)具頻繁進(jìn)地是導(dǎo)致土壤緊實(shí)度上升的重要原因，但秸稈還田處理仍具有降低土壤緊實(shí)度的作用。

2.3 不同秸稈還田方式對(duì)土壤持水能力的影響

表5是每年秋收后采集土樣時(shí)測(cè)定的耕層、亞耕層土壤含水量，在此用于表征土壤持水能力大小。表5數(shù)據(jù)表明，秸稈深還田對(duì)20～40 cm亞耕層土壤含水量的影響高于0～20 cm土層，亞耕層土壤含水量差異在各處理間達(dá)到顯著水平。2016年，各秸稈還田處理20～40 cm土層土壤含水量均顯著高于CK，且提升幅度隨秸稈用量的增加而增加，其中QS5增幅最高、為24.1%（P<0.05），KL1增幅最低、為5.7%（P<0.05）；2017年，QS5、KL3與KL5處理土壤含水量均顯著提高，提高幅度分別為 13.3%（P<0.05）、7.0%（P<0.05）、10.6%（P<0.05）；2018年，僅QS5與KL5處理顯著提高土壤含水量，提高幅度分別為8.9%（P<0.05）、7.4%（P<0.05），可見秸稈高量處理在還田3年后仍然具有較好的保持土壤水分作用。從各處理3年的平均土壤含水量變化來看，不同處理下20～40 cm土層的土壤含水量呈現(xiàn)顯著的規(guī)律性變化，表現(xiàn)在隨著秸稈用量的增加，土壤含水量逐漸升高，然而相同秸稈用量、不同形態(tài)秸稈還田處理間的土壤含水量相差較小。由此可見，秸稈高量深還能夠顯著提高亞耕層土壤持水能力，降低農(nóng)田表土跑墑的風(fēng)險(xiǎn)。

表5 2016—2018年不同處理對(duì)0～20 cm與20～40 cm土壤質(zhì)量含水量的影響Table 5 Effect of straw return on soil water content of 0–20 cm and 20–40 cm soil layer in 2016 to 2018 relative to treatment/%

2.4 不同秸稈還田方式下亞耕層不同粒徑土壤團(tuán)聚體的分布

由圖2可見，粒徑>0.25 mm的水穩(wěn)性大團(tuán)聚體含量占比約30%～35%，其中以0.25～0.5 mm粒徑占比最高，約為15%，而>2 mm與1～2 mm占比最小，約為5%，且高量還田的水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量顯著高于低量還田；而CK則以0.25～0.5 mm和< 0.053 mm粒徑團(tuán)聚體占比最高。

2016年，隨秸稈用量的增加，>2 mm、1～2 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量隨之遞增，這使得>0.25 mm水穩(wěn)性大團(tuán)聚體含量同樣表現(xiàn)出遞增趨勢(shì)。不同處理間比較，KL5的>2 mm與1～2 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量顯著高于其他秸稈還田處理，分別為CK的4.75倍與1.95倍（P<0.05），QS5處理能夠顯著增加0.5～1 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量，約為CK的1.40倍（P<0.05），同時(shí)顯著高于其他秸稈還田處理，而 QS3處理0.25～0.5 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量顯著高于其他處理，與CK相比約為其1.16倍（P<0.05）?？梢娫黾咏斩捰昧靠纱龠M(jìn)>0.25 mm水穩(wěn)性大團(tuán)聚體的形成，增加程度表現(xiàn)為KL5與QS5>QS3與KL3> KL1>QS1。

2017年，>2 mm與>0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量亦隨秸稈用量的增加而增加。與 CK相比，秸稈中、高量還田可提高>2 mm、1～2 mm、0.5～1 mm、0.25～0.5 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量，其中QS5處理下> 2 mm、1～2 mm與0.5～1 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量最高，約為CK的3.93倍、2.03倍與1.64倍（P<0.05），KL5的顯著性水平次之，其>2 mm與0.5～1 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量占比較高，約為CK 3.16倍與1.66倍（P< 0.05），而QS3與KL3中量還田則能顯著提高0.25～0.5 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量，低量還田僅能顯著提高1～2 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量。各粒級(jí)水穩(wěn)性團(tuán)聚體的變化共同影響了>0.25 mm水穩(wěn)性大團(tuán)聚體含量，其顯著性順序表現(xiàn)為KL5與QS5>QS3> KL3> KL1與QS1，其中KL5約為CK的 1.35倍（P< 0.05），QS1約為CK的 1.14倍（P< 0.05）。此外，秸稈還田顯著降低了0.25～0.053 mm微團(tuán)聚體與< 0.053 mm粉黏粒的比例，其中秸稈高量還田的降低幅度最顯著。

2018年，秸稈中、高量還田能顯著提升>2mm、1～2 mm、0.5～1 mm以及0.25～0.5 mm粒徑團(tuán)聚體含量，具體表現(xiàn)為：KL5處理> 2 mm粒徑團(tuán)聚體含量，約為CK的 2.70倍（P< 0.05），KL3處理1～2 mm粒徑團(tuán)聚體含量約為CK的1.90倍（P< 0.05），而QS3與QS5顯著提高0.5～1 mm粒徑團(tuán)聚體含量，約為CK的1.2倍（P<0.05），QS5顯著提高0.25～0.5 mm團(tuán)聚體含量，為CK的1.33倍（P< 0.05）。除QS1外，秸稈還田均能顯著提高> 0.25 mm水穩(wěn)性大團(tuán)聚體含量，其中QS5與QS3最高，約為CK的1.21倍（P< 0.05）。此外，秸稈還田可顯著降低<0.053 mm粉黏粒含量，而對(duì)于0.25～0.053 mm微團(tuán)聚體含量?jī)H秸稈高量還田具有顯著降低作用，可見秸稈中、高量一次性深還能促進(jìn)亞耕層土壤粉黏粒、微團(tuán)聚體團(tuán)聚成大團(tuán)聚體，在一定程度上增加了土壤有機(jī)碳的賦存空間，尤其是水穩(wěn)性團(tuán)聚體的增加對(duì)于土壤結(jié)構(gòu)的改善有重要意義。

2.5 亞耕層土壤團(tuán)聚體粒徑分布與容重、緊實(shí)度及含水量的相關(guān)性

亞耕層土壤團(tuán)聚體粒徑分布與土壤容重、緊實(shí)度及含水量的相關(guān)分析結(jié)果如表6所示。2016年，土壤容重與0.25～0.053 mm團(tuán)聚體含量呈顯著（P<0.05）正相關(guān)，土壤緊實(shí)度與>2 mm、>0.25 mm水穩(wěn)性土壤團(tuán)聚體含量呈顯著（P<0.05）負(fù)相關(guān)，與0.25～0.053 mm團(tuán)聚體含量呈極顯著（P<0.01）正相關(guān)，而土壤含水量與>2 mm、>0.25 mm水穩(wěn)性土壤團(tuán)聚體含量呈顯著（P< 0.05）正相關(guān)，與0.25～0.053 mm團(tuán)聚體含量呈顯著（P<0.05）負(fù)相關(guān)。2017年，土壤容重與>2 mm、>0.25 mm水穩(wěn)性土壤團(tuán)聚體含量呈顯著（P< 0.05）負(fù)相關(guān)，與0.25～0.053 mm呈極顯著（P< 0.01）正相關(guān)，土壤緊實(shí)度與0.25～0.053 mm團(tuán)聚體含量呈顯著（P< 0.05）正相關(guān)，土壤含水量與>2 mm團(tuán)聚體含量呈極顯著（P< 0.01）正相關(guān)，與0.5～1 mm、>0.25水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量呈顯著（P<0.05）正相關(guān)，與0.25～0.5 mm團(tuán)聚體含量呈顯著（P<0.05）負(fù)相關(guān)。2018年，土壤容重與>0.25水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量呈顯著（P< 0.05）負(fù)相關(guān)，土壤緊實(shí)度與 0.5～1 mm土壤團(tuán)聚體含量呈顯著（P<0.05）負(fù)相關(guān)，土壤含水量與>0.25 mm 水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量呈顯著（P<0.05）正相關(guān)。由此可見，大團(tuán)聚體增多可能是提高土壤持水能力、降低土壤容重和緊實(shí)度的重要原因。

表6 亞耕層土壤團(tuán)聚體粒徑分布與容重、緊實(shí)度及含水量的相關(guān)性Table 6 Pearson correlation analysis of soil aggregate distribution with soil bulk density，soil compactness and soil water content in the subsoil layer in 2016 to 2018

進(jìn)一步通過冗余分析（RDA）探究引起土壤容重、土壤緊實(shí)度以及土壤含水量變化的主導(dǎo)團(tuán)聚體粒徑，圖3表明，2016年，兩個(gè)排序軸解釋了總變異的99.27%，表明兩個(gè)排序軸可反映土壤團(tuán)聚體粒徑分布對(duì)土壤容重、土壤緊實(shí)度以及土壤含水量影響的絕大部分信息，其中0.25～0.053 mm（78.9%，F(xiàn)=18.7，P=0.006）微團(tuán)聚體、>0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體（69.9%，F(xiàn)=11.6，P=0.028）以及>2 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體（66.4%，F(xiàn)=9.9，P=0.012）的向量權(quán)重最大，是引起亞耕層土壤容重、緊實(shí)度以及含水量變化的主導(dǎo)團(tuán)聚體粒徑。2017年，兩個(gè)排序軸解釋了總變異的 99.34%，其中>2 mm（62.9%，F(xiàn)=8.5，P=0.014）水穩(wěn)性團(tuán)聚體、0.25～0.053 mm（57.6%，F(xiàn)=6.8，P=0.036）微團(tuán)聚體以及> 0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體（52.7%，F(xiàn)=5.6，P=0.034）的向量權(quán)重最大，是引起亞耕層土壤容重、土壤緊實(shí)度以及土壤含水量變化的主導(dǎo)團(tuán)聚體粒徑。2018年，兩個(gè)排序軸解釋了總變異的 99.42%，其中 1～0.5 mm（63.5%，F(xiàn)=8.7，P=0.044）粒徑團(tuán)聚體是引起亞耕層土壤容重、土壤緊實(shí)度以及土壤含水量變化的主導(dǎo)團(tuán)聚體粒徑。結(jié)合 Pearson相關(guān)分析，微團(tuán)聚體與土壤容重及土壤緊實(shí)度呈正比，而與土壤含水量呈反比，因此秸稈還田后可能通過促進(jìn)微團(tuán)聚體向水穩(wěn)性大團(tuán)聚體團(tuán)聚來實(shí)現(xiàn)土壤物理性狀的改善。

3 討 論

3.1 秸稈高量還田對(duì)亞耕層土壤容重、土壤緊實(shí)度及土壤含水量的影響

土壤容重是衡量土壤結(jié)構(gòu)和評(píng)價(jià)土壤質(zhì)量的重要參數(shù)。前人研究表明，秸稈還田量越高對(duì)土壤容重的降低效果越顯著[22]。在本研究中，各秸稈還田處理均能降低土壤容重，降低幅度同樣隨著秸稈用量的增加而提高，有三點(diǎn)原因：首先，農(nóng)作物秸稈是一種低容重（≈23 g·L–1）的天然有機(jī)材料，施入土壤中又能夠增加土壤孔隙度，從而降低土壤容重[23]，切碎秸稈較秸稈顆粒更易降低土壤容重也是因?yàn)榍兴榻斩掦w積較大，易與土壤顆粒之間形成大孔隙；再者，秸稈在土壤中腐解產(chǎn)生的腐殖酸類有機(jī)分子與土壤中原有的有機(jī)無機(jī)分子相螯合形成有機(jī)無機(jī)復(fù)合體，調(diào)控了土壤的團(tuán)粒結(jié)構(gòu)形成[24]，從而間接影響土壤三相比；此外，秸稈還田時(shí)機(jī)械耕翻攪動(dòng)對(duì)土壤直接起到了疏松作用，也是引起土壤緊實(shí)度降低的重要原因。土壤緊實(shí)度是評(píng)估土壤結(jié)構(gòu)的另一個(gè)重要參數(shù)，可用于表征土壤壓實(shí)強(qiáng)度，并與土壤容重顯著相關(guān)[16，25]。本研究中土壤緊實(shí)度的變化規(guī)律與土壤容重相似，增加秸稈用量以及還田深度還能顯著降低亞耕層的土壤容重以及土壤緊實(shí)度，這有助于打破阻礙根系生長(zhǎng)的犁底層[26]，從而促進(jìn)根系吸收深層土壤的水分及養(yǎng)分。

亞耕層土壤含水量對(duì)秸稈深埋還田的響應(yīng)程度高于耕層，且亞耕層土壤含水量隨秸稈還田量的增加而增加。前人研究證實(shí)，秸稈埋在土壤中尤其增加其相鄰?fù)翆拥耐寥篮縖27]，這主要由三方面原因造成，第一，秸稈分解產(chǎn)生的腐殖質(zhì)具有親水性[28]，能夠形成良好的土壤團(tuán)聚體并保持水分[29]；第二，秸稈本身具有保水性[30]，可以吸收、儲(chǔ)存更多的水分供給植物吸收利用；第三，秸稈施入土壤中改善了土壤孔隙狀況，增加了土壤水分的貯存空間[23]。

此外，本研究得出了隨著時(shí)間的推移，秸稈還田對(duì)改善土壤物理性狀的作用逐漸減弱的結(jié)果。這是因?yàn)檫€田秸稈在土壤中逐漸腐解，其自身保水效果以及對(duì)土壤孔隙的影響減弱[21]，致使后期秸稈還田處理的土壤物理性狀與秸稈不還田處理差異縮小。然而，秸稈高量還田在3年后仍然對(duì)該物理性狀的調(diào)節(jié)有積極作用，這是因?yàn)榻斩挼母饴什粫?huì)隨著秸稈的用量呈直線增加，其必然受到在土壤微生物群落平衡和土壤氮含量的制約[31]。

3.2 秸稈高量還田對(duì)亞耕層土壤團(tuán)聚體粒徑分布的影響

秸稈還田推動(dòng)了土壤團(tuán)聚體的形成過程，促進(jìn)微團(tuán)聚體向大團(tuán)聚體團(tuán)聚，大團(tuán)聚體的增加有利于提高土壤養(yǎng)分的供應(yīng)能力[32]。本研究中以高量秸稈還田處理土壤大團(tuán)聚體含量最高，尤其在第1、2年顯著增加，這主要是因?yàn)榻斩掃€田的第1到第2年為快速腐解期[14]，能夠較快產(chǎn)生大量腐殖酸，加上秸稈還田量高，大大增加了腐殖酸總量，腐殖酸是土壤中重要的有機(jī)膠結(jié)物質(zhì)，能將土壤顆粒膠結(jié)成微團(tuán)聚體，進(jìn)而團(tuán)聚成大團(tuán)聚體[33]。從不同還田秸稈形態(tài)來看，第1年秸稈顆粒高量還田對(duì)大團(tuán)聚體數(shù)量的增加有更好效果，這可能因?yàn)轭w粒態(tài)秸稈在土壤中吸水膨散開變成高粉碎化狀態(tài)，加快了秸稈的腐殖化進(jìn)程，更快地產(chǎn)生腐殖酸所致[14]；而隨著時(shí)間的推移，秸稈顆?？焖俑馄诮Y(jié)束，切碎秸稈由于體積較大、腐解慢，腐解仍在持續(xù)，在第2、3年仍能釋放出大量腐殖酸促進(jìn)團(tuán)聚體形成，故而表現(xiàn)出切碎秸稈在還田后期更利于大團(tuán)聚體形成。然而，各秸稈深還處理并未改變亞耕層0.5～0.25 mm團(tuán)聚體優(yōu)勢(shì)粒級(jí)的地位，這與亞耕層土壤本身的成土過程有關(guān)，在一定程度的淋溶淀積作用下，近似于粉粒黏粒的微小團(tuán)聚體在亞耕層累積[34]，造成其在亞耕層的占比較高。由此可見，秸稈還田對(duì)促進(jìn)不同土層團(tuán)聚體形成的原因基本一致，區(qū)別在于亞耕層團(tuán)聚體形成周期相對(duì)較長(zhǎng)，這與亞耕層通氣性差、微生物活性較低有關(guān)，今后還應(yīng)從亞耕層特殊環(huán)境進(jìn)行深入分析。

3.3 亞耕層土壤團(tuán)聚體粒徑分布的主導(dǎo)作用

土壤團(tuán)聚體是土壤結(jié)構(gòu)的重要組成單位，它的數(shù)量以及大小在一定程度上反映土壤供儲(chǔ)養(yǎng)分、持水性、通透性等能力的高低[35]。文中土壤容重、土壤緊實(shí)度以及土壤含水量三者與各粒級(jí)團(tuán)聚體含量的相關(guān)性分析表明（表6），土壤容重多與水穩(wěn)性大團(tuán)聚體含量呈負(fù)相關(guān)，與微團(tuán)聚體含量呈正相關(guān)，而土壤含水量則與之相反，這是因?yàn)榻斩掃€田量越大，大團(tuán)聚體越多，相對(duì)而言微團(tuán)聚體越少；大團(tuán)聚體含量高不僅土壤孔隙度增高、大孔隙數(shù)量也增加，最終影響了土壤持水性[36-37]，尤其是具有抵抗水力分散作用的水穩(wěn)性大團(tuán)聚體（粒徑>0.25 mm）的含量與土壤水分保持、有機(jī)碳含量以及土壤肥力有密切正相關(guān)關(guān)系[37]。本研究中秸稈一次性還田后的3年間，>0.25 mm土壤水穩(wěn)性大團(tuán)聚體含量顯著高于CK，且不同倍量間亦有顯著差異，表明高量還田具有提高>0.25 mm水穩(wěn)性大團(tuán)聚體的絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，這為土壤物理性狀的改善以及土壤有機(jī)碳的固存提供了有利條件，且前期試驗(yàn)也證實(shí)，秸稈高量深埋還田確實(shí)有顯著提升土壤有機(jī)碳的效應(yīng)[38]。本研究進(jìn)一步通過冗余分析揭示水穩(wěn)性大團(tuán)聚體在影響亞耕層土壤容重、土壤緊實(shí)度以及土壤含水量的變化中具有主導(dǎo)作用，這是因?yàn)橥寥来髨F(tuán)聚體越多，越穩(wěn)定，越能形成良好的孔隙結(jié)構(gòu)[37]，在降低土壤容重[21]的同時(shí)，增強(qiáng)其持水保水能力。可見，秸稈還田后土壤水穩(wěn)性大團(tuán)聚體的增加是土壤物理性狀改善的重要原因。

4 結(jié) 論

秸稈深還對(duì)亞耕層土壤容重、土壤緊實(shí)度的降低以及土壤持水能力的提升效果優(yōu)于耕層，其降低或增加幅度隨秸稈倍量的增加而提高，隨還田時(shí)間的增加而遞減；至秸稈還田第 3年，切碎秸稈75 000 kg·hm–2處理能同時(shí)顯著降低亞耕層土壤容重10.9%、土壤緊實(shí)度24.1%，提高土壤含水量8.9%，切碎秸稈高量還田后效果顯著。秸稈45 000 kg·hm–2與75 000 kg·hm–2還田可顯著提高亞耕層>0.25 mm水穩(wěn)性大團(tuán)聚體含量，降低 0.25～0.053 mm、<0.053 mm微團(tuán)聚體含量。秸稈還田第1、2年是促進(jìn)亞耕層各粒級(jí)大團(tuán)聚體形成的主要時(shí)期。0.25～0.053 mm微團(tuán)聚體、>0.25 mm團(tuán)聚體以及>2 mm團(tuán)聚體為2016年與2017年驅(qū)動(dòng)亞耕層土壤容重、土壤緊實(shí)度以及土壤含水量變化的關(guān)鍵因子，而1～0.5 mm粒徑團(tuán)聚體為2018年的關(guān)鍵因子。綜上，增加秸稈用量實(shí)施秸稈深還能夠改善亞耕層土壤物理性狀，并提升水穩(wěn)性大團(tuán)聚體含量，其中以切碎秸稈 75 000 kg·hm–2深還對(duì)土壤物理結(jié)構(gòu)的改善效果最顯著，在改良培肥土壤的同時(shí)提供了秸稈資源化利用的新途徑。