秸稈還田量對(duì)川中丘陵冬小麥-夏玉米輪作體系土壤物理特性的影響

馬勝蘭, 況福虹, 林洪羽, 崔俊芳, 唐家良, 朱波, 蒲全波

秸稈還田量對(duì)川中丘陵冬小麥-夏玉米輪作體系土壤物理特性的影響

馬勝蘭1,2, 況福虹1, 林洪羽1,2, 崔俊芳1, 唐家良1, 朱波1, 蒲全波3

1中國科學(xué)院、水利部成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所，成都 610041；2中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；3南充市農(nóng)業(yè)科學(xué)院，四川南充 637000

【】探明秸稈還田量對(duì)農(nóng)田土壤物理特征的影響，為川中丘陵紫色土區(qū)建立“提升土壤質(zhì)量、高效利用秸稈”的種植業(yè)副產(chǎn)物利用模式，同時(shí)為秸稈資源化利用提供科學(xué)依據(jù)?！尽炕谔镩g長(zhǎng)期定位試驗(yàn)（2006—至今），采用原位監(jiān)測(cè)和計(jì)算機(jī)斷層微掃描技術(shù)（CT）相結(jié)合的方法，研究秸稈還田量（無秸稈還田（RMW0）、秸稈30%還田（RMW30）、秸稈50%還田（RMW50）和秸稈100% 還田（RMW100））差異對(duì)冬小麥-夏玉米輪作體系耕層土壤物理特征的影響?！尽浚?）秸稈還田可明顯改善土壤透氣、持水和導(dǎo)水性能，隨秸稈還田量增加改善效果明顯增加。RMW30、RMW50和RMW100處理較RMW0處理土壤容重分別顯著降低15.2%、11.7%和17.9%，土壤孔隙度則分別顯著增加18.4%、13.7%和21.3%。另外，RMW100處理飽和導(dǎo)水率高達(dá)1.62 mm·min-1，導(dǎo)水性能優(yōu)于其他處理。（2）秸稈還田促進(jìn)已有孔隙發(fā)育成更大孔隙，且孔隙均勻性和孔隙間連通性明顯改善，RMW100和RMW50處理對(duì)土壤大孔隙組成的改善優(yōu)于RMW30和RMW0處理。RMW100處理平均孔隙直徑趨大，孔隙間連通性最優(yōu)。RMW50處理孔隙均勻性明顯提高，大小孔隙配比較其他處理更合理。（3）與無秸稈還田處理相比，秸稈還田后＞2 mm團(tuán)聚體數(shù)量顯著增加，0.25—2 mm團(tuán)聚體數(shù)量顯著減少，秸稈還田有利于形成土壤水穩(wěn)性大團(tuán)聚體，促進(jìn)中團(tuán)聚體向大團(tuán)聚體轉(zhuǎn)變，RMW50和RMW100處理改善效果均顯著優(yōu)于RMW30處理。（4）土壤容重、＞0.25 mm團(tuán)聚體和大孔隙特征是反映石灰性紫色土區(qū)耕層土壤物理特征的主要指標(biāo)，第一主成分和第二主成分對(duì)土壤物理性質(zhì)的解釋度分別為57.8%和23.6%。RMW50與RMW100處理土壤物理特征接近，與RMW0和RMW30處理在PC1和PC2軸上出現(xiàn)明顯離散。【】川中丘陵紫色土區(qū)在產(chǎn)量無顯著差異的基礎(chǔ)上，不同秸稈還田量對(duì)耕層土壤物理性質(zhì)的影響存在差異，秸稈50%和100%還田效果無顯著差異，但顯著優(yōu)于秸稈30%還田和不還田處理，宜因地制宜進(jìn)行還田量選擇。

秸稈還田；紫色土；冬小麥-夏玉米輪作；土壤團(tuán)聚體；土壤孔隙

0 引言

【研究意義】土壤物理特征直接影響土壤水肥氣熱狀況和植物吸收水分和養(yǎng)分的環(huán)境，是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中制定合理耕作管理措施的重要依據(jù)[1]。良好的土壤物理特征對(duì)促進(jìn)作物生長(zhǎng)發(fā)育、提高產(chǎn)量和形成優(yōu)良品質(zhì)具有重要作用[2]。近年來，人類對(duì)土地資源掠奪式開發(fā)導(dǎo)致各種土壤問題，尤其在母質(zhì)松軟易受侵蝕，保水保肥能力較差的紫色土區(qū)[3]。該區(qū)耕地保育形勢(shì)嚴(yán)峻，保持和改善農(nóng)田土壤狀況勢(shì)在必行[4]?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】秸稈作為種植業(yè)的主要副產(chǎn)物，資源量大且循環(huán)利用成本較低。秸稈還田是在保障糧食安全的前提下，對(duì)環(huán)境有利且操作簡(jiǎn)便的土壤改良措施[5]。大量研究表明秸稈還田可降低土壤容重、提高土壤孔隙度和田間持水量、緩解水分損失[6]，可減輕土壤被壓實(shí)和團(tuán)聚體破碎的可能性[7]，在保水蓄肥、調(diào)節(jié)土壤結(jié)構(gòu)和保障土壤健康方面發(fā)揮著重要作用。但其效果取決于秸稈質(zhì)量、還田方式和數(shù)量[5-7]。目前關(guān)于秸稈還田量對(duì)土壤物理性質(zhì)影響的研究已很多，但結(jié)論有差異。江恒[8]研究表明與部分還田相比，秸稈全量還田操作簡(jiǎn)便且易被大眾所接受，對(duì)土壤容重和孔隙度改善作用較好，但張久明等[9]則在土壤肥沃的嫩江平原發(fā)現(xiàn)，秸稈全量還田增加了土壤負(fù)擔(dān)，對(duì)土壤物理改善產(chǎn)生負(fù)面影響。王永棟等[10]和孟慶英等[7]分別在隴中旱作區(qū)和遼寧半干旱區(qū)的研究均表明，中等量秸稈（7 000—9 000 kg·hm-2）還田對(duì)土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性和有機(jī)碳的促進(jìn)效果最好。韓新忠等[11]在江淮平原的研究表明，低秸稈量（3 000 kg·hm-2）還田，作物增產(chǎn)顯著且土壤養(yǎng)分明顯提高。可見由于土壤和氣候等因素差異，適合不同區(qū)域的秸稈還田量不一致。同時(shí)，實(shí)踐過程中還田量過大或過小，均不利于穩(wěn)定土壤結(jié)構(gòu)，易造成土壤跑墑和水肥遺漏等問題，因此篩選適合特定區(qū)域土壤特征的秸稈還田量非常重要[8-10]。【本研究切入點(diǎn)】川中丘陵紫色土區(qū)農(nóng)作物秸稈年均收集量約3 630萬噸，約占全國秸稈收集總量的4%[12]。但由于丘陵區(qū)地形破碎，土層淺薄，農(nóng)業(yè)機(jī)械化程度低，丟棄秸稈現(xiàn)象嚴(yán)重，不僅浪費(fèi)資源，也給周邊環(huán)境帶來巨大壓力[13-14]，而該區(qū)相關(guān)研究未能明確合理的秸稈還田量[14-15]。因此，如何篩選合理的秸稈還田量、高效利用秸稈，克服川中丘陵地區(qū)秸稈資源利用率低、污染嚴(yán)重等弊端，成為區(qū)內(nèi)亟需解決的問題?！緮M解決的關(guān)鍵問題】本研究基于長(zhǎng)期秸稈還田田間定位試驗(yàn)，探討不同秸稈還田量對(duì)川中丘陵區(qū)石灰性紫色土物理性質(zhì)的影響，以期為該區(qū)篩選適宜秸稈還田量，建立以“提升土壤質(zhì)量、高效利用秸稈”為核心的種植業(yè)副產(chǎn)物循環(huán)利用模式，為秸稈資源化利用提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

本研究依托中國科學(xué)院鹽亭紫色土農(nóng)業(yè)生態(tài)試驗(yàn)站（105°27￠E，31°16￠N）進(jìn)行（圖1-a）。該試驗(yàn)站地處川中丘陵區(qū)北部的鹽亭縣林山鄉(xiāng)，嘉陵江一級(jí)支流涪江支流的彌江和湍江的分水嶺上[16]。研究區(qū)屬于典型丘陵區(qū)，低山、丘陵和平壩分別占總面積的40.2%、36.4%和23.4%，以中深丘為主，海拔400—600 m，地勢(shì)由南向北逐漸升高[17]。該區(qū)處于春夏旱區(qū)與東部伏旱區(qū)的交錯(cuò)地帶，屬中亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候[18]。多年平均降雨量826 mm，年內(nèi)分布不均，夏秋季占85%，可達(dá)600—750 mm，冬春季占15%，僅100—150 mm。多年年平均氣溫16.6℃，最熱月7—8月，平均氣溫26.5℃，最冷月12月至次年1月，平均氣溫6.0℃（圖2）。

區(qū)內(nèi)以侏羅系蓬萊鎮(zhèn)組紫色砂頁巖發(fā)育而成的石灰性紫色土和水稻土為主，自然肥力較高，適于農(nóng)業(yè)耕作，但土層淺?。ㄆ骄翆雍穸葹?0—45 cm），母質(zhì)松軟易受侵蝕，保水保肥能力較差[19]。土壤中砂粒和粉粒所占比例較大，粗顆粒較多，透水性良好[20]，土壤大孔隙和裂隙豐富，土壤團(tuán)粒穩(wěn)定性較差，顆粒分散，在降雨集中的夏秋季水土流失嚴(yán)重，可使用秸稈還田改善[21]。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)在鹽亭站土壤要素輔助觀測(cè)長(zhǎng)期樣地進(jìn)行（圖1-b）。樣地于2005年建成，并進(jìn)行勻地、布設(shè)處理和預(yù)備試驗(yàn)。試驗(yàn)開始時(shí)，樣地耕層土壤平均容重為1.4—1.6 g·cm-3，砂粒、粉粒和黏粒平均含量分別為25.1%、44.7%和21.5%，平均洗失量8.7%，總孔隙度38%—52%，田間持水量（w/w）28%—39%。樣地建成后，設(shè)置8個(gè)處理，本研究選擇其中不同秸稈還田量的處理：秸稈不還田（RMW0）、秸稈30%還田（RMW30）、秸稈50%還田（RMW50）和秸稈100%還田（RMW100）4個(gè)處理進(jìn)行研究，秸稈還田量比例為質(zhì)量百分比，由于試驗(yàn)小區(qū)秸稈產(chǎn)量具有邊際效應(yīng)，實(shí)際還田量根據(jù)站內(nèi)大田常規(guī)種植樣地當(dāng)季秸稈干物質(zhì)產(chǎn)量平均值計(jì)算，試驗(yàn)站區(qū)內(nèi)小麥和玉米多年平均秸稈產(chǎn)量范圍分別為（5 889±437）和（6 247±272）kg·hm-2（表1）。該還田量比例與川中丘陵地區(qū)傳統(tǒng)及小型機(jī)械收獲方式基本契合：RMW0代表傳統(tǒng)人工收獲模式，農(nóng)民使用鐮刀齊根收獲并移除全部地上部秸稈；RMW30代表丘陵區(qū)小型機(jī)械低留茬收獲模式，約有70%秸稈被移除，30%秸稈留在地里；RMW50代表小型機(jī)械和手工收獲的高留茬模式，約有50%秸稈被移除；RMW100代表收獲農(nóng)學(xué)產(chǎn)量的收獲方式，所有秸稈不移除。

a：地理位置Location of the study area；b：小區(qū)分布圖Plots subdivision map

圖2 研究區(qū)2005—2019年月平均溫度和月降雨量分布

表1 2008—2019年作物產(chǎn)量與秸稈產(chǎn)量

小寫字母代表處理間差異顯著性（＜0.05）Lowercase letters represent significant differences among treatments (＜0.05)

秸稈還田使用各小區(qū)自身產(chǎn)出秸稈，收獲時(shí)測(cè)定各小區(qū)秸稈含水量并將小區(qū)秸稈收集稱重并依據(jù)比例還田。當(dāng)季作物收獲后，將秸稈鍘斷為10—15 cm小段，均勻撒施于對(duì)應(yīng)小區(qū)地表后翻耕，夏玉米季用前茬小麥秸稈還田，冬小麥季采用前茬玉米秸稈還田。樣地于2006年開始進(jìn)行長(zhǎng)期觀測(cè)，持續(xù)至今，作物種植方式為冬小麥-夏玉米輪作。每個(gè)處理隨機(jī)設(shè)置3個(gè)平行，完全隨機(jī)分布，試驗(yàn)小區(qū)面積為50 m2（長(zhǎng)10 m×寬5 m）。樣地管理與當(dāng)?shù)卮筇锓N植管理保持一致。冬小麥和夏玉米種植前用旋耕機(jī)翻地，耕作深度15—20 cm，冬小麥季在翻耕后一次性撒施基肥，夏玉米季在播種期穴施基肥，拔節(jié)期撒施追肥，氮肥基肥和追肥比例3﹕2，磷肥和鉀肥作為基肥在小麥季一次性施用，夏玉米季不使用磷肥和鉀肥作基肥。翻耕、施肥和播種同步進(jìn)行。冬小麥和夏玉米季氮肥施用量分別為130和150 kg N·hm-2，其中冬小麥季氮肥為化肥氮，夏玉米季氮肥為化肥氮+秸稈氮。冬小麥季施用磷鉀肥分別為72 kg P2O5·hm-2和36 kg K2O·hm-2。肥料類型：氮肥基肥為碳酸氫銨（純N 17%），追肥為尿素（純N 46.7%），磷肥為過磷酸鈣（含P2O512%），鉀肥為氯化鉀（含K2O 60%）。冬小麥每年10月下旬播種，次年5月中旬收獲，生長(zhǎng)期約200 d；夏玉米每年5月下旬播種，9月中旬收獲，生長(zhǎng)期約110 d。從多年作物產(chǎn)量發(fā)現(xiàn)，RMW50和RMW100處理冬小麥多年平均產(chǎn)量無顯著差異，約3 750 kg·hm-2，但顯著高于RMW30處理；多年玉米平均產(chǎn)量隨秸稈還田量增加呈上升趨勢(shì)，但處理間產(chǎn)量無顯著差異。

1.3 樣品采集與測(cè)定

2019年夏玉米收獲前，利用SC-900 土壤緊實(shí)度儀對(duì)土壤剖面（0—45 cm）緊實(shí)度進(jìn)行原位測(cè)定。用直徑4 cm，高5 cm的PVC管采集土層深度為3—8 cm的原狀土，使用計(jì)算機(jī)斷層掃描技術(shù)對(duì)PVC管內(nèi)原狀土柱進(jìn)行掃描（掃描儀：Phoenix Nanotom S micro-CT scanner，電壓為100 kV，電流100 μA，時(shí)間間隔1 250 ms，分辨率25 μm），獲取土壤中＞25 μm大孔隙結(jié)構(gòu)特征。采集0—15 cm土層環(huán)刀樣，測(cè)定土壤容重、飽和含水量和飽和導(dǎo)水率[22]，同時(shí)使用土鉆在小區(qū)內(nèi)按反“S”型采集8—10鉆表層土，混合為一個(gè)土樣，風(fēng)干后用吸管法測(cè)定土壤顆粒組成[22]。為不破壞土壤結(jié)構(gòu)，用平鏟采集各小區(qū)耕層土樣，每個(gè)小區(qū)隨機(jī)采集5個(gè)點(diǎn)混合為一個(gè)土樣，使用濕篩法測(cè)定各粒級(jí)土壤團(tuán)聚體含量[22]。

1.4 數(shù)據(jù)計(jì)算與處理

CT掃描方法是通過掃描儀發(fā)出X射線束，對(duì)原狀土柱多方向和多層次進(jìn)行掃描。然后通過計(jì)算X射線穿透目標(biāo)物前后的強(qiáng)度變化，將掃描結(jié)果轉(zhuǎn)換為圖像，再將圖片進(jìn)行二值化，鑒別和定量原狀土柱中土壤孔隙參數(shù)。本研究使用CT-Program 軟件將CT掃描投影圖像轉(zhuǎn)換為切片圖像。然后利用巖心孔隙網(wǎng)絡(luò)模型分析系統(tǒng)軟件對(duì)圖片進(jìn)行增強(qiáng)、降噪和二（多）值化處理（目標(biāo)物質(zhì)灰度值255標(biāo)記，其余物質(zhì)灰度值0標(biāo)記）。最后用可視化圖片重建三維圖像，并提取相關(guān)參數(shù)獲取大孔隙信息（圖3）。其中，喉道截面積表征連接孔隙的路徑截面積，反映水分和養(yǎng)分運(yùn)移路徑；平均孔喉比是平均孔隙直徑與平均喉道直徑（連接孔隙的路徑的平均直徑）的比值，比值越接近1，表示孔隙連通路徑越均勻；平均配位數(shù)表征孔隙間連通路徑數(shù)量。

已知大孔隙的體積和表面積時(shí)，土壤大孔隙的三維形狀因子可用公式（1）計(jì)算：

式中，表示土體中目標(biāo)大孔隙的三維形狀因子；表示土體中目標(biāo)大孔隙的體積（μm3）；表示土體中目標(biāo)大孔隙的表面積（μm2）。越接近1，說明目標(biāo)物的形狀越接近于圓形。

圖3 土壤大孔隙微觀三維結(jié)構(gòu)構(gòu)建

Fig. 3 Construction of microscopic 3D structure of soil macropores

本文使用單因素方差分析（One-Way ANOVA）檢驗(yàn)不同秸稈還田量下土壤物理特征的差異性，并用最小顯著差異法（LSD）對(duì)結(jié)果進(jìn)行多重比較，采用秩相關(guān)和Pearson相關(guān)分析數(shù)據(jù)相關(guān)性。文中使用Office 2016、SPSS 22.0、Origin 9.0、R語言和Canoco5等軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算、統(tǒng)計(jì)分析及作圖。

2 結(jié)果

2.1 秸稈還田量對(duì)土壤透氣、持水和導(dǎo)水性能的影響

秸稈還田可明顯改善耕層土壤透氣性，隨秸稈還田量增加，改善效果明顯（表2）。RMW30、RMW50和RMW100處理土壤容重分別較RMW0顯著降低15.2%、11.7%和17.9%，土壤總孔隙度分別顯著增加18.4%、13.7%和21.3%。處理間飽和含水量無顯著差異，但隨秸稈還田量增加，RMW100處理飽和導(dǎo)水率（1.62 mm·min-1）顯著增加，導(dǎo)水速度優(yōu)于其他處理。

本研究按照美國制土壤質(zhì)地分類標(biāo)準(zhǔn)，將土壤顆粒分為礫石（＞2 mm）、砂粒（0.05—2.0 mm）、粉粒（0.002—0.05 mm）和黏粒（＜0.002 mm）4個(gè)粒級(jí)[23-25]。與試驗(yàn)初期土壤顆粒組成相比，經(jīng)15年秸稈還田，各處理各粒徑顆粒的變化幅度為（2%—6%）（表2），可見15年秸稈還田對(duì)耕層土壤顆粒組成影響不明顯。隨秸稈還田量增加，土壤砂粒含量有上升趨勢(shì)，黏粒含量呈減少趨勢(shì)，秸稈還田一定程度加速土壤顆粒粗化。

本研究將水穩(wěn)性團(tuán)聚體分為大團(tuán)聚體（＞2 mm）、中團(tuán)聚體（0.25—2 mm）、黏粉粒團(tuán)聚體（0.053—0.25 mm）和微團(tuán)聚體（＜0.053 mm）進(jìn)行研究[26-27]。各處理耕層土壤均以0.25—2 mm粒級(jí)土壤團(tuán)聚體為主（36%—51%），＞2 mm粒級(jí)團(tuán)聚體數(shù)量次之（18%—28%），黏粉粒團(tuán)聚體和微團(tuán)聚體所占比例較?。ū?）。與RMW0處理相比，秸稈還田后＞2 mm團(tuán)聚體數(shù)量顯著增加，0.25—2 mm團(tuán)聚體數(shù)量呈顯著減少，說明秸稈還田有利于土壤水穩(wěn)性大團(tuán)聚體形成和促進(jìn)中團(tuán)聚體向大團(tuán)聚體轉(zhuǎn)變，RMW50和RMW100處理改善效果明顯。多數(shù)研究表明＞0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量是評(píng)價(jià)土壤結(jié)構(gòu)的重要指標(biāo)[28]。雖然3個(gè)秸稈還田處理中＞0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量無顯著差異，但RMW50處理＞0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量（71.5%）高于其他處理，說明該處理在改善區(qū)域土壤結(jié)構(gòu)方面可能發(fā)揮更明顯作用。

土壤緊實(shí)度隨土層加深逐漸增加，在20 cm附近出現(xiàn)明顯拐點(diǎn)，與旋耕機(jī)工作深度有關(guān)（約13—18 cm）（圖4-a）。0—20 cm土層土壤緊實(shí)度RMW30＜RMW100＜RMW0＜RMW50處理，RMW0處理20—30 cm土層緊實(shí)度顯著高于其他處理。30 cm以下各處理土壤緊實(shí)度較均勻，多年秸稈旋耕還田對(duì)深層土壤緊實(shí)度影響較小。RMW30與RMW100處理的土壤含水量隨土層深度加深而降低，RMW50和RMW100處理表層土壤含水量最高，隨土層加深先降低，后又略升高（圖4-b）。

表2 秸稈還田量對(duì)耕層土壤顆粒組成和水穩(wěn)性團(tuán)聚體的影響

小寫字母代表處理間差異顯著性（＜0.05） Lowercase letters represent significant differences among treatments (＜0.05)

圖4 秸稈還田量對(duì)土壤剖面緊實(shí)度和含水量的影響

2.2 秸稈還田量對(duì)土壤大孔隙特征的影響

秸稈還田有利于促進(jìn)已有孔隙發(fā)育成更大直徑孔隙（表3）。與不還田處理相比，秸稈還田后＜500 μm孔隙數(shù)量占總孔隙數(shù)量的比例減少，＞500 μm孔隙數(shù)量比例增加。RMW100處理增加最明顯，大孔隙度和大孔隙占比是RMW30和RMW50處理的1.7—2.4倍，RMW100處理的大孔隙比例顯著增加。4個(gè)處理中100—500、500—1 000和＞1 000 μm的孔隙體積分配比分別約為1﹕1﹕12、1﹕1﹕6、1﹕3﹕4和1﹕2﹕28，孔隙體積均以＞1 000 μm孔隙為主，RMW50處理大小孔隙體積分配更均勻，RMW100處理孔隙直徑趨大。由原狀土柱三維復(fù)原和截面圖可直觀看出，RMW0和RMW30處理耕層土壤土柱大孔隙分布不均勻，截面部分粗大孔隙明顯。耕層土壤大孔隙在土柱上分布表現(xiàn)為RMW50處理的孔隙分配均勻，RMW100處理孔隙更密集，有明顯可見的特大孔隙（圖5）。

與RMW0處理相比，RMW30處理的平均孔喉比、孔隙形狀因子和配位數(shù)均無明顯改變，土壤孔隙連通性與均勻性無顯著差異。RMW50處理平均孔喉比顯著提高，孔隙均勻性明顯提高，但喉道截面積和平均配位數(shù)低于其他處理，說明該處理連接孔隙的路徑截面積較小、孔隙的連通路徑較少，孔隙間連通性大大降低。RMW100處理平均孔喉比（0.34）和平均配位數(shù)（0.88）最高，孔隙間均勻性和連通性最好。隨秸稈還田量增加，耕層土壤孔隙間連通性提高，規(guī)則的孔隙有利于水分在土壤中傳輸、保存和作物吸收利用，4個(gè)處理的孔隙形狀因子無顯著差異。

表3 秸稈還田量對(duì)耕層土壤大孔隙特征的影響

黃色為土壤孔隙，土柱中白色為土壤，截面圖中灰色為土壤

2.3 土壤物理特征之間的耦合關(guān)系

由圖6-a可見，秸稈還田量與土壤飽和導(dǎo)水率、土壤砂粒含量呈顯著正相關(guān)，與黏粒含量呈負(fù)相關(guān)，說明長(zhǎng)期秸稈還田促使土壤顆粒粗化。秸稈還田量與＞500 μm孔隙數(shù)量和平均孔喉比呈顯著正相關(guān)，說明長(zhǎng)期秸稈還田有利于促進(jìn)孔隙向更大直徑孔隙發(fā)育和提高孔隙間連通性。綜上，長(zhǎng)期秸稈還田后易改變土壤顆粒的排列組合，影響土壤中大小孔隙分布和連通，進(jìn)而影響土壤中水分養(yǎng)分移動(dòng)。

由圖6-b可見，秸稈還田量與大團(tuán)聚體數(shù)量呈顯著正相關(guān)，與中團(tuán)聚體數(shù)量呈顯著負(fù)相關(guān)，表明隨秸稈還田量增加，中等土壤團(tuán)粒趨于聚集為大土壤團(tuán)粒。大團(tuán)聚體數(shù)量與25—100 μm孔隙數(shù)量呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，而與500—1 000和＞1 000 μm孔隙數(shù)量極顯著正相關(guān)，大團(tuán)聚體數(shù)量增加有利于形成結(jié)構(gòu)大孔隙。土壤孔隙數(shù)量受中小團(tuán)聚體的影響較小，中團(tuán)聚體和黏粉粒團(tuán)聚體與土壤孔隙數(shù)量均無顯著相關(guān)性。平均吼道截面積和孔隙配位數(shù)與微團(tuán)聚體數(shù)量呈極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.77和0.97，說明微團(tuán)聚體數(shù)量對(duì)孔隙的連通性影響較大。

2.4 秸稈還田量對(duì)土壤物理性質(zhì)影響的主成分分析

秸稈還田量對(duì)土壤物理性質(zhì)影響的主成分分析結(jié)果顯示（表4和圖7），2個(gè)主成分累積貢獻(xiàn)率為81.42%，可以表達(dá)原始數(shù)據(jù)提供物理信息的81.42%。第一主成分（PC1）對(duì)土壤物理性質(zhì)的貢獻(xiàn)率為57.80%，容重、大、中土壤團(tuán)聚體載荷分別為0.693、-0.649和-0.693，說明第一主成分是土壤容重和＞0.25 mm團(tuán)聚體的綜合反映；第二主成分（PC2）的貢獻(xiàn)率為23.62%，砂粒、粉粒和＞1 000 μm載荷特征值分別為-0.817、-0.826和-0.674，說明第二主成分主要反映土壤大孔隙和粗顆粒信息，隨秸稈還田量變化，評(píng)估土壤物理特性的主要指標(biāo)有所變化。

表4 主成分分析中各因子共同度和各指標(biāo)的特征向量

a：土壤大孔隙特征和顆粒組成間相關(guān)關(guān)系Correlation analysis between soil large pores characteristics and particle composition；b：土壤大孔隙特征和團(tuán)聚體間相關(guān)關(guān)系Correlation analysis between soil large pores characteristics and water stable agglomerates

*表示顯著性差異＜0.05（最低顯著差異）；**表示顯著性差異＜0.01（中等程度顯著差異）；***表示顯著性差異＜0.001（極顯著差異）

*Indicated significant difference＜0.05 (minimum significant difference); ** Indicated significant difference＜0.01 (moderately significant difference); *** Indicated significant difference＜0.001 (maximum significant difference)

圖6 秸稈還田條件下土壤物理特征相關(guān)性分析

Fig. 6 Correlation analysis of soil physical characteristics under straw returning

圖7所示，RMW50與RMW100處理土壤物理特征較接近，并與RMW0和RMW30處理土壤物理特征在PC1和PC2軸上出現(xiàn)離散特征。共同度表示因子對(duì)各個(gè)變量的解釋程度，共同度越大，因子對(duì)該變量解釋程度越大，共同度低說明在因子中的重要度降低。表4結(jié)果顯示，土壤容重、孔隙度、＞500 μm的孔隙數(shù)量及中團(tuán)聚體均是影響土壤物理性質(zhì)的重要因子。

圖7 秸稈還田條件下土壤物理特征主成分分析

3 討論

3.1 秸稈還田量對(duì)土壤通氣、透水和導(dǎo)水性能的影響

秸稈纖維素含量高、孔隙多，還田后可有效降低土壤容重和土壤緊實(shí)度，增加有效孔隙數(shù)量，改善土壤孔隙結(jié)構(gòu)[29-30]，進(jìn)而增強(qiáng)土壤水分傳導(dǎo)性能和促進(jìn)土壤空氣與外界交流[31-32]。本研究結(jié)果表明，與不還田處理相比，經(jīng)過15年秸稈還田，秸稈100%還田土壤容重顯著下降，土壤孔隙度和飽和導(dǎo)水率顯著增加。在易受侵蝕的紫色土區(qū)秸稈50%和秸稈100%還田效果優(yōu)于30%還田，與江恒[8]研究結(jié)果較一致，秸稈施入量越大對(duì)土壤容重和孔隙度影響越強(qiáng)。但張久明等[9]在嫩江平原區(qū)試驗(yàn)表明，玉米秸稈耕層混拌1/2還田和1/3還田較對(duì)照處理顯著降低土壤容重，增加土壤總孔隙和田間持水量，秸稈全量還田與對(duì)照處理無顯著差異。盡管大量研究表明秸稈全量還田操作簡(jiǎn)便且最容易被大眾所接受，但在土壤肥沃的嫩江平原區(qū)，秸稈全量還田增加了土壤負(fù)擔(dān)，對(duì)土壤物理的改善產(chǎn)生負(fù)面影響。王秋菊等[33]在黑龍江對(duì)草甸土的研究表明，秸稈覆蓋還田對(duì)土壤物理性質(zhì)無正向改善，反而降低土壤溫度，增加土壤容重和緊實(shí)度。關(guān)于秸稈還田研究的結(jié)果不盡一致，與研究區(qū)域氣候條件、土壤狀況和還田技術(shù)有關(guān)，因此選擇秸稈還田量時(shí)宜因地制宜。

本研究結(jié)果顯示，隨秸稈還田量增加，土壤中孔隙直徑趨大，土壤已有孔隙向更大孔隙發(fā)育，與李江濤等[34]認(rèn)為長(zhǎng)期施用有機(jī)肥可顯著促進(jìn)土壤中大孔隙數(shù)量的結(jié)果一致。秸稈還田后在酶和微生物的作用下，有利于增加土壤有機(jī)質(zhì)含量，存在于土壤有機(jī)質(zhì)中的長(zhǎng)鏈分子能有效束縛和黏結(jié)礦物顆粒，加快土壤孔隙結(jié)構(gòu)形成，促進(jìn)土壤已有孔隙向更大孔隙發(fā)育[35-37]。KUNCORO等[38]研究表明，土壤大孔隙是土壤水分運(yùn)移的優(yōu)勢(shì)路徑，并對(duì)土壤入滲性能和飽和導(dǎo)水率有顯著的正向作用，對(duì)土壤飽和導(dǎo)水率的解釋度較高（79%）。本研究秸稈100%還田后，孔隙均勻性和連通性顯著提高，土壤飽和導(dǎo)水率大大提高，導(dǎo)水性能優(yōu)越，與張琪[39]研究中孔隙連通性與飽和導(dǎo)水率之間呈極顯著正相關(guān)關(guān)系的結(jié)果一致?？梢姡斩掃€田改善土壤孔隙結(jié)構(gòu)，提高土壤通氣透水和導(dǎo)水能力，不僅受到土壤大孔隙數(shù)量的影響，還與土壤孔隙間連通性密切相關(guān)。WATSON等[40]指出超過70%的壤中流發(fā)生于大孔隙中，本研究結(jié)果顯示，隨秸稈還田量增加，土壤中孔隙直徑趨大，土壤大孔隙增加，壤中流發(fā)生概率提高，秸稈還田后一定程度有利于減少川中丘陵區(qū)地表徑流發(fā)生，對(duì)紫色土易受侵蝕的情況有利。

3.2 秸稈還田量對(duì)土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響

土壤團(tuán)粒是土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的基礎(chǔ)，也是作物高產(chǎn)所必須的土壤條件之一[41]。秸稈還田有利于提高土壤機(jī)械穩(wěn)定性和抗侵蝕能力[42-43]。本研究結(jié)果表明，秸稈還田有利于促進(jìn)水穩(wěn)性團(tuán)粒形成，促進(jìn)土壤微團(tuán)聚體向中團(tuán)聚體和大團(tuán)聚體轉(zhuǎn)化，且秸稈還田量高的處理（RMW50和RMW100）改善效果優(yōu)于低的處理（RMW30）。一方面秸稈釋放的有機(jī)物質(zhì)在微生物作用下能提高土壤膠結(jié)作用，有利于形成土壤大團(tuán)聚體[43-44]；另一方面秸稈分解釋放的有機(jī)物被礦物顆粒吸附或包被成團(tuán)聚體內(nèi)核，增加了土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)[45]。

秸稈耕層混拌1/2還田和1/3還田較不還田和全量還田處理在改善土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出優(yōu)勢(shì)[32]。遼寧省半干旱地區(qū)進(jìn)行6年秸稈深還田小區(qū)定位試驗(yàn)顯示，秸稈施用量12 000 kg·hm-2（中等量）有助于土壤大團(tuán)聚體的形成，形成良好土壤結(jié)構(gòu)[7]?？梢姡斩掃€田對(duì)土壤團(tuán)聚體的改善效果，并不完全隨秸稈還田量的增加而提高，最適秸稈還田量才能達(dá)到最佳效果。前人研究還表明秸稈還田促進(jìn)土壤中＞0.25 mm團(tuán)聚體的形成，主要集中在耕作層[43]，但是為了更有效地改善犁底層緊實(shí)程度，構(gòu)建肥沃耕層，促進(jìn)土壤中的水、熱、氣交換，閆雷等[46]建議將秸稈還田與深耕相結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)短期內(nèi)增加＞0.25 mm土壤團(tuán)聚體含量的目標(biāo)。秸稈深還田作為保護(hù)性耕作措施，可有效改善土壤質(zhì)量，這也為川中丘陵地區(qū)秸稈還田提供了新思路。

3.3 秸稈還田條件下土壤物理性質(zhì)之間的耦合關(guān)系

土壤孔隙是顆?；驁F(tuán)聚體在土壤三維空間上壘積狀況的反映，既有顆粒間的粒間孔隙，又有團(tuán)聚體間的結(jié)構(gòu)孔隙[47]。本研究中土壤物理參數(shù)的相關(guān)性顯示，經(jīng)長(zhǎng)期秸稈還田，土壤砂粒含量與大孔隙數(shù)量呈顯著正相關(guān)，前人研究也表明砂粒直徑較大和空間排列組合間隙大時(shí)，有利于土壤大孔隙形成[48]。土壤黏粒含量與平均喉道截面積和平均配位數(shù)呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，從孔隙連接通道的角度解釋了黏粒含量比例越高，土壤孔隙間連通性越差。王秋菊等[49]研究也表明，黏粒有極強(qiáng)的黏結(jié)性，黏粒含量越高，土壤越密實(shí)，總孔隙所占體積變小，土壤孔隙間連通性差。本研究中土壤孔隙數(shù)量受土壤大團(tuán)聚體含量影響較大，大團(tuán)聚體數(shù)量增加有利于團(tuán)聚體間的結(jié)構(gòu)大孔隙形成?？紫哆B通性則受土壤中微團(tuán)聚體含量影響較大。本研究基于主成分分析證實(shí)在川中丘陵區(qū)，土壤容重、孔隙度、大孔隙數(shù)量及大、中團(tuán)聚體均是影響該區(qū)耕層土壤物理性質(zhì)的重要因子，以上土壤指標(biāo)對(duì)秸稈還田管理實(shí)踐措施較敏感，可以作為綜合反映土壤結(jié)構(gòu)狀況的重要指標(biāo)。CT微掃描結(jié)果中的土壤孔隙參數(shù)與常規(guī)方法測(cè)定的土壤物理參數(shù)存在較高相關(guān)性，與楊永輝等在褐土旱作區(qū)長(zhǎng)期實(shí)驗(yàn)的結(jié)果一致[50]。

本研究側(cè)重于評(píng)估秸稈還田量對(duì)土壤物理特性的影響，未結(jié)合土壤化學(xué)和生物學(xué)指標(biāo)綜合評(píng)估，存在一定局限性，下一步可結(jié)合相關(guān)指標(biāo)綜合評(píng)價(jià)該區(qū)域的土壤健康情況。

4 結(jié)論

川中丘陵區(qū)秸稈粉碎旋耕還田有利于改善土壤孔隙結(jié)構(gòu)、提高土壤通氣、透水和導(dǎo)水性能，并增強(qiáng)土壤機(jī)械穩(wěn)定性和抗侵蝕能力，且不同秸稈還田量對(duì)土壤物理特性改善效果存在一定差異。在保證產(chǎn)量穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，綜合比較秸稈還田量對(duì)耕層土壤孔隙和團(tuán)聚體等物理特征的影響，發(fā)現(xiàn)秸稈50%和100%還田效果無顯著差異，但顯著優(yōu)于秸稈30%還田和不還田處理。因此在丘陵區(qū)實(shí)際生產(chǎn)中可使用50% 或100% 秸稈還田量，秸稈粉碎旋耕還田的方式作為保護(hù)性耕作可有效改善土壤結(jié)構(gòu)和通氣質(zhì)量，對(duì)規(guī)?；N和促進(jìn)作物生長(zhǎng)具有積極作用。

致謝：感謝中國科學(xué)院鹽亭紫色土農(nóng)業(yè)生態(tài)試驗(yàn)站為本研究提供的試驗(yàn)設(shè)施，感謝高美榮、王艷強(qiáng)和張蓉在氣象數(shù)據(jù)收集、樣品采集及分析過程中給予的幫助。

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Effects of Straw Incorporation Quantity on Soil Physical Characteristics of Winter Wheat-Summer Maize Rotation System in the Central Hilly Area of Sichuan Basin

MA ShengLan1, 2, KUANG FuHong1, LIN HongYu1, 2, CUI JunFang1, TANG JiaLiang1, ZHU Bo1, PU QuanBo3

1Institute of Mountain Hazards and Environment, Chinese Academy of Sciences, Chengdu 610041;2University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049;3Nanchong Academy of Agricultural Sciences, Nanchong 637000, Sichuan

【】The aim of this study was to ascertain the effects of straw returning quantity on the soil physical characteristics and to establish a recycling model for planting by-products, so as to provide a scientific basis for the utilization of straw resources in the central hilly area of Sichuan basin.【】Herein, based on long-term field trials (2006-present) using a combination of in situ monitoring and computed tomography microscanning (CT), the effects of different amounts of straw returned to the field (0 straw returned (RMW0), 30% straw returned (RMW30), 50% straw returned (RMW50), and 100% straw returned (RMW100)) on the physical characteristics at the cultivated soil layer of the winter wheat-summer maize rotation system were examined.【】(1) Straw returned to the field could significantly improve soil permeability, water holding capacity and hydraulic conductivity, and the improving effect increased significantly with the amount of straw returned to the field. Compared with RMW0, soil bulk density under RMW30, RMW50, and RMW100reduced significantly by 15.2%, 11.7%, and 17.9%, respectively; whereas, soil porosity under these treatments were significantly increased by 18.4%, 13.7%, and 21.3%, respectively. In addition, the saturated hydraulic conductivity of RMW100treatment was as high as 1.62 mm·min-1, and the soil hydraulic conductivity was superior to other treatments. (2) Straw returning promoted the development of existing pores into larger ones and significantly improved pore uniformity and connectivity. The RMW100and RMW50treatments improved the macropore composition of the soil better than that under the RMW30and RMW0treatments. The average pore diameter of the RMW100treatment tended to be larger and inter-pore connectivity was optimal. The homogeneity of the pores under the RMW50treatment was significantly improved and the pore size distribution was more appropriate than that under other treatments. (3) Compared with RMW0treatment, the number of ＞2 mm agglomerates increased significantly and the number of 0.25-2 mm agglomerates decreased significantly after straw returned to the field, which was beneficial to the formation of large soil water-stable agglomerates and promoted the transformation of medium to large agglomerates. Both RMW50and RMW100treatments improved significantly better than that under RMW30 treatment.(4) Principal components analysis showed soil bulk density, water-stable aggregate with diameter larger than 0.25 mm and large pore were the main indicators of the physical characteristics of cultivated soils in calcareous purple soils. The first and second principal components explained 57.8% and 23.6% of the physical properties of the soil, respectively. The physical characteristics under RMW50and RMW100treatments were close to each other, and showed significant divergence from the RMW0and RMW30treatments on the PC1 and PC2 axes. 【】On the basis of no significant difference of crop yield in the central hilly area of Sichuan basin, there were differences in the effects of different straw returning quantities on the physical properties of cultivated soil layer, with no significant differences between 50% and 100% straw returning effects, but significantly better than that of 30% and 0 of straw incorporation. The specific straw application rate should be selected according to the local conditions.

straw returning; purple soil; winter wheat-summer maize rotation system; soil aggregate; soil pore characteristics

2022-02-24；

2022-05-09

國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2018YFD0200700）、四川省科技計(jì)劃（2018SZDX0027）

馬勝蘭，E-mail：mashenglan@imde.ac.cn。通信作者況福虹，E-mail：kuangfuh@imde.ac.cn

（責(zé)任編輯 李云霞）