秸秆还田对麦粱两熟农田土壤团聚体特征的短期效应

孙隆祥, 陈梦妮, 薛建福, 崔福柱, 郝建平, 郭秀卿, 杜天庆, 崔江辉, 张倍宁

(山西农业大学 农学院, 山西 太谷 030801)

近年来，土壤结构退化表现为土壤团聚体稳定性下降及粒径比例失调，由此引起的耕地侵蚀问题已受到全球公众的日益关注[1-2]。土壤团聚体由土壤理化生综合作用形成，是农田土壤的养分库和微生物生境，其粒径分布和稳定性是评价土壤质量的重要指标[3]。不同粒级团聚体在土壤水分、肥力及气体循环过程中表现不同，一般粒径>0.25 mm的团聚体是土壤最佳团粒结构体，其数量与土壤肥力状况紧密相关[4]。同时，水稳性团聚体的数量和分布状况反映了土壤结构的稳定性和抗侵蚀能力[5]。然而，大量的农业活动对农田土壤团聚体粒级分布和稳定性影响不同[6]，秸秆还田措施作为农业活动之一，可以有效增加土壤有机质含量，改善土壤稳定性[7]。因此，深入探讨秸秆还田措施对农田土壤团聚体形成与稳定的影响成为农田土壤防治的重要研究内容。

秸秆还田措施能够有效增加土壤团粒胶结剂，其积累量与土壤0.25～2 mm粒级团聚体含量显著相关[8]。对此，国内外学者针对秸秆还田对土壤团聚体粒径及稳定机理开展了大量研究，结果表明秸秆还田恢复有机质的同时能促使土壤耕层结构稳定[9-10]，但学者主要基于稻麦、麦玉等系统[11-12]，研究不同秸秆还田量对土壤生物群落[13]、有机碳库[14]、土壤质量[15]、酶活性[16]及作物产量[17]等方面的影响，但针对麦粱两熟农田系统，不同秸秆还田量对土壤团聚体稳定性的影响尚鲜有报道。

高粱是山西省重要的杂粮作物，年均种植面积约6.67万hm2，占全国高粱种植面积的1/10[18]，其种植优势转型，对山西省农业结构、区域经济发展、农民增收具有重要意义[19]。山西省中部地区传统种植系统多为一年一熟或两年三熟制，随着“晋杂30”的成功选育，使得麦粱一年两熟制成为了一种可能[20]。以往研究多侧重于常规种植系统(稻麦和麦玉系统)下土壤理化生特性及其团聚体变化进行综合评价，鲜有文章针对麦粱种植系统农田土壤团聚体粒径分布及稳定性对秸秆还田量的响应开展研究。因此，本文以土壤团聚体分布和稳定性参数——>0.25 mm团聚体含量(R0.25)、平均重量直径(MWD)、几何平均直径(GMD)、土壤团聚体破坏率(PAD)、不稳定团粒指数(ELT)及分形维数(D)等为考察指标[21]，以期为麦粱两熟农田土壤改良及结构稳定提供理论和实践指导。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验点位于山西省晋中市太谷县北洸村山西农业大学科技创新园区(37°42′N，112°55′E)，隶属黄土高原地貌类型。平均海拔811 m，年平均温度9.4℃，年降雨量479.6 mm，降水主要集中于6—8月份。全年太阳日照时数平均为2 530.8 h，辐射总量为4 976.8～5 530.6 MJ/m2，年平均无霜期151 d，年平均潜在蒸发量为1 718.4 mm。试验田土壤为褐土，土层深厚，其耕层土壤(0—30 cm)初始理化性状见表1。

表1 试验地耕层土壤基本理化性状

1.2 试验设计

试验于2015年10月进行，采用单因素随机区组设计，设置秸秆不还田(CK)、半量还田(HR)和全量还田(WR)3个处理，3次重复，共9个小区，小区面积为200 m2(10.0 m×20.0 m)，垄宽65 cm，具体秸秆处理方式见表2。供试冬小麦品种为“长6878”，于当年10月25日种植，基本苗为300～350万株/hm2，行距为20 cm，2016年6月20日收获，年产秸秆量为7 500 kg/hm2；夏高粱品种为“晋杂30”，于2016年6月26日机播种植，基本苗为13～14万株/hm2，行距为40 cm，2016年10月20日收获，年产秸秆量为8 500 kg/hm2。为了更好地控制肥料因素对试验的影响，本试验各作物播种前均施用750 kg/hm2奥磷丹复合肥(N≥17%；P2O5≥17%；K2O≥17%)作为基肥，且作物拔节期追施尿素(N≥46.4%)，施肥量为150 kg/hm2。所有试验田的田间管理与常规无异，均进行漫灌式浇水和人工控制病虫草害。秸秆还田处理均为前茬作物秸秆，均进行切割粉碎为5 cm长度。其中，高粱收获后，试验田进行翻耕+旋耕处理；小麦收获后，试验田仅进行旋耕处理。

表2 田间试验处理描述

1.3 试验方法

1.3.1 样品采集与分析 土壤样品于2016年10月夏高粱收获时采集，用“五点取样法”分别采集0—10 cm，10—20 cm和20—30 cm共3个层次的原状土样，沿其自然裂缝将大块剥离为直径1 cm左右，在采集和运输过程中尽量减少对土样的扰动，在实验室内风干后剔除有机残体及石块，按其原状土样比例取混合土样200 g用于土壤团聚体的测定。

土壤机械稳定性团聚体(干筛法)[22]：取200 g混合土样置于套筛(孔径依次为10，7，5，3，2，1，0.5 和0.25 mm)顶部，进行震荡筛分，测定各孔径筛分后土样重量。

水稳性团聚体(湿筛法)[22]：按照干筛后土壤各粒级重量比称取50 g混合土样，将其置于1 L量筒内，沿量筒边缘缓慢加入去离子水至饱和状，静置10 min后，再次加入去离子水至1 L刻度线处，上下震荡10次，将其转移至放置于水桶中的套筛(孔径依次为5，3，2，1，0.5，0.25 mm)顶部，将套筛在水中慢慢提起后迅速放下，重复震荡10次，将各孔径筛分后土样分别置于铝盒中烘干(50℃)称重。将>0.25 mm的团聚体称为大团聚体，<0.25 mm的团聚体称为微团聚体。

1.3.2 计算方法 利用干湿筛后各粒级团聚体数据，计算大团聚体含量比例(R0.25)、平均重量直径(MWD)、平均几何直径(GWD)、土壤团聚体破坏率(PAD)和不稳定团粒指数(ELT)表征团聚体稳定性[23]，计算公式如下：

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：DR0.25为>0.25 mm机械稳定性团聚体含量(%)；WR0.25为>0.25 mm水稳性团聚体含量(%)。

(5)

式中：WT为供试土壤总重量(g)；W0.25为水稳性团聚体重量(g)。

分形维数(D)的计算采用杨培岭等[24]推导的公式：

(6)

1.3.3 数据统计 采用Microsoft Excel 2010软件进行数据整理，SPSS 20.0统计分析软件进行数据处理，Sigmaplot 12.0软件进行绘图。不同处理间土壤团聚体各指标采用最小显著差法(LSD)进行多重比较(p<0.05)。

2 结果与分析

2.1 土壤机械稳定性和水稳性团聚体组成

不同秸秆还田量处理下0—30 cm土层<0.25 mm粒级机械稳定性团聚体含量随着秸秆还田量的增加而显著增加(p<0.05)(表3)。相比CK处理，WR处理0—10 cm土层<0.25，0.25～0.5，0.5～1，1～2 mm粒级机械稳定性团聚体含量分别显著增加了911.2%，969.1%，298.2%和15.1%(p<0.05)。10—20 cm土层，各处理7～10，5～7，3～5，2～3，1～2，0.5～1 mm粒级机械稳定性团聚体含量差异不显著。CK处理20—30 cm土层1～2 mm粒级机械稳定性团聚体含量较HR和WR处理分别显著降低了12.3%和22.6%(p<0.05)。WR处理相比CK和HR有效地降低了0—30 cm土层>10 mm粒级机械稳定性团聚体含量。

不同秸秆还田量处理下0—30 cm土层<0.25 mm粒级水稳性团聚体含量随着秸秆还田量的增加而显著降低(p<0.05)(表4)。在0—10 cm土层，WR处理0.25～0.5，0.5～1，1～2 mm粒级水稳性团聚体含量相比CK处理分别显著增加了104.9%，51.5%和67.2%；>5 mm粒级团聚体显著降低了34.1%(p<0.05)。在10—20 cm土层，HR处理>5，3～5，0.5～1 mm粒级水稳性团聚体含量显著高于WR处理，和CK处理不存在显著性差异(p<0.05)。在20—30 cm土层，WR处理0.25～0.5，0.5～1 mm粒级水稳性团聚体含量相比CK处理分别显著增加了20.4%和34.5%，且>5，3～5 mm粒级水稳性团聚体含量相比CK处理分别显著降低了100%和94.1%(p<0.05)。

表3 不同秸秆还田量处理下土壤机械稳定性团聚体组成

注：同一土层同列不同字母表示不同处理在p<0.05水平上的统计差异,下表同。

表4 不同秸秆还田量处理下土壤水稳性团聚体组成

2.2 土壤机械稳定性和水稳性团聚体稳定性

不同秸秆还田量处理下土壤机械稳定性团聚体MWD，GMD和R0.25随着土层深度的增加均呈逐渐降低的趋势(表5)。WR处理0—10 cm土层机械稳定性团聚体MWD，GMD和R0.25均显著低于HR和CK处理(p<0.05)。秸秆还田处理下10—20 cm土层机械稳定性团聚体GMD和R0.25值均显著低于CK处理，且HR处理下MWD相比CK处理显著降低了18.6%，WR相比CK处理不存在显著性差异(p<0.05)。相比CK处理，WR处理20—30 cm土层机械稳定性团聚体MWD，GMD和R0.25分别显著降低了28.3%，31.6%和3.0%(p<0.05)。

不同秸秆还田量处理下土壤水稳性团聚体MWD，GMD和R0.25随着土层深度的增加表现为逐渐降低的态势(表6)。0—10 cm土层，WR处理水稳性团聚体GMD和R0.25较CK处理分别显著提高了2.9%和65.9%(p<0.05)。秸秆还田处理10—20 cm土层水稳性团聚体R0.25含量显著高于CK处理，且HR处理MWD，GMD和R0.25值均显著高于WR处理(p<0.05)。20—30 cm土层，各处理水稳性团聚体GMD无显著性差异，但WR处理R0.25含量较CK和HR处理分别显著提高了16.7%和45.5%(p<0.05)。土壤机械稳定性团聚体MWD，GMD和R0.25均明显高于水稳性团聚体，是水分浸泡下大量的机械稳定性团聚体分解的结果。

表5 不同秸秆还田量处理对土壤机械稳定性团聚体稳定指数的影响

注：MWD#指土壤团聚体平均重量直径；GMD#指土壤团聚体平均几何直径；R0.25#指土壤中>0.25 mm的团聚体数量，下表同。

表6 不同秸秆还田量处理对土壤水稳性团聚体稳定指数的影响

2.3 土壤团聚体破坏率

不同秸秆还田量处理下土壤团聚体破坏率(PAD)和不稳定团粒指数(ELT)结果相似(图1)。WR处理0—10 cm土层团聚体PAD和ELT较CK处理分别显著降低了7.2%和4.4%(p<0.05)。10—20 cm土层，各处理土壤团聚体PAD，ELT值均表现为HR

2.4 土壤团聚体分形特征

不同秸秆还田量处理下土壤团聚体分形维数(D)随着土层深度的增加均呈逐渐增大的趋势(图2)。WR处理0—30 cm土层机械稳定性团聚体D均高于CK和HR处理，且WR处理0—10，10—20 cm土层机械稳定性团聚体D较CK处理分别显著提高了39.3%和7.9%(p<0.05)。20—30 cm土层，处理间机械稳定性团聚体D无显著性差异(p<0.05)(图2A)。

WR处理0—10 cm土层水稳性团聚体D较CK和HR处理分别显著降低了0.5%和0.2%(p<0.05)，且在20—30 cm土层，WR处理下水稳性团聚体D较CK和HR处理分别显著降低了0.1%和0.3%(p<0.05)。各处理10—20 cm土层水稳性团聚体D表现为HR

注：同一土层不同字母表示不同处理在p<0.05水平上的统计差异,下图同。

图1不同秸秆还田量处理下土壤团聚体破坏率及不稳定团粒指数

图2不同秸秆还田量处理方式下土壤团聚体分形维数

2.5 土壤团聚体与理化特征间相关分析

土壤理化特征与团聚体稳定性参数间相关关系表明(表7)，土壤团聚体PAD和ELT两者主要与土壤容重、全钾含量存在显著正相关，且与土壤孔隙度、充气孔隙度、毛管孔隙度、毛管含水量、全氮含量、有机碳呈显著负相关(p<0.05)。土壤质量含水量、体积含水量、速效磷、速效钾、全钾分别与机械稳定性团聚体MWD，GMD和R0.25呈极显著正相关，与参数D呈极显著负相关(p<0.01)。土壤全氮及有机碳含量与水稳性团聚体稳定参数呈极显著相关关系(p<0.01)，其余土壤理化特征与MWD，GMD相关，与R0.25，D则不相关，两者呈相反的相关关系。

表7 土壤团聚体与理化特征间相关分析

注：**和*分别表示各指标在0.01，0.05水平上存在Person相关性，下表同。

2.6 土壤团聚体与作物产量间相关分析

土壤团聚体稳定性参数与作物产量相关分析表明(表8)，0—10 cm土层机械稳定性团聚体稳定性参数与产量显著相关，且与D显著负相关(p<0.05)。0—20 cm土层水稳性团聚体GMD和MWD与作物产量呈极显著正相关(p<0.01)。在20—30 cm土层，土壤团聚体PAD，ELT、机械稳定性团聚体R0.25，水稳性团聚体MWD和D均极显著正相关于作物产量(p<0.01)，且机械稳定性团聚体D、水稳性团聚体R0.25与作物产量呈显著负相关(p<0.05)。

表8 土壤团聚体与作物产量间相关分析

3 讨 论

已有研究表明，在秸秆还田试验中，秸秆还田可以提高土壤有机质和养分含量，增加微生物多样性和酶活性，提高土壤孔隙度，降低土壤容重和紧实度，防止土壤因水分和压力形成大土块[25]。秸秆还田后，0—30 cm土层>10 mm粒级机械稳定性团聚体含量显著低于CK处理。在0—10 cm土层，相比HR和CK处理，WR处理显著降低了>2 mm粒级机械稳定性团聚体含量，显著增加<2 mm粒级含量(p<0.05)。可能因为表层土壤水分较低，土壤压力较弱，秸秆的加入亦对土壤产生疏松作用，保护小粒径土壤免于形成大土块结构。良好的土壤结构状况不仅要求较多的机械稳定性大团聚体含量，还应持有一定的稳定性，尤其是水稳性，才能防止耕作、施肥、灌溉、降雨冲击等影响下土壤结构迅速破裂恶化[26]。秸秆还田后，0—30 cm土层水稳性大团聚体含量显著增加(p<0.05)，与土壤大团聚体周转及有机质变化的胚胎发育模型相符合[27]。当外源有机残体进入时，可促进土壤颗粒有机质(POM)的形成，在矿物质、微生物分泌物和POM相互作用下形成微团聚体核心，继续在土壤有机质胶结作用下，微团聚体、矿物质和POM结合形成大团聚体，促进土壤大团聚体数量增加[28-29]。此外，WR处理较HR和CK处理显著增加0—10 cm土层0.5～1，0.25～0.5 mm粒级水稳性团聚体含量。主要因为夏高粱生长初期温高水足，促进秸秆腐解，增加土壤有机质含量。一方面，有机质的输入刺激土壤微生物繁殖及活性，促使分泌物、矿物质和POM形成大团聚体[5]。另一方面，土壤养分的增加促进作物生长和根系代谢产物增加，进一步促使大团聚体的形成[30]。秸秆还田量越多，有机质输入越多，水稳性大团聚体含量越多[31]。但小粒级团聚体相比大粒级团聚体，POM相对更加封闭，团聚体结构更加稳定[32]。秸秆还田后，有机质富集于表层[33]，0—10 cm土层有机质、微生物数量及种类较10—30 cm土层多，因此，秸秆还田后0—10 cm土层大团聚体含量增加，微团聚体减少的现象要比10—30 cm土层显著(p<0.05)。但众学者针对稻麦系统[34]、棉花连作系统[35]及双季稻系统[36]研究发现作物秸秆还田对土壤水稳性团聚体各粒级分布及含量影响不同，应该是作物秸秆的特殊性、种植系统的不同与土壤类型综合作用的结果[37]。

平均重量直径(MWD)和平均几何直径(GMD)可以灵敏地反映土壤团聚体的粒径分布状况，大团聚体百分含量越高，MWD值越大，说明团聚体的平均粒径团聚程度越高；团聚体越稳定，GMD值越大[38]。本研究发现，秸秆还田显著促进土壤水稳性团聚体R0.25含量及0—10 cm土层水稳性团聚体GMD值的提升，说明秸秆还田使水稳性团聚体含量及稳定性提高。秸秆还田后，土壤机械稳定性团聚体MWD，GMD和R0.25含量显著低于CK处理，这主要是CK处理机械稳定性大团聚体含量占据百分比居高的缘故。结合上述各粒径分布研究结果，由于WR处理显著提升土壤水稳性大团聚体含量和小粒径机械稳定性团聚体含量，所以WR处理下土壤水稳性团聚体GMD和R0.25含量最高，机械稳定性团聚体稳定参数最低。此外，经干筛和湿筛处理，土壤团聚体MWD，GMD和R0.25变化趋势不同，因为干筛法反映原状土中非水稳性和水稳性团聚体的总体情况，而湿筛法仅反映水稳性团聚体特征，故两者稳定参数结果不同，湿筛法更能准确反映秸秆还田量对土壤稳定性的影响[39]。其中，土壤团聚体GMD是以土壤团聚体分布服从对数正态分布为前提，然而众学者认为团聚体分布并非对数正态分布[40]，致使结果中GMD与MWD表现不同。相关性结果表明，土壤机械稳定性团聚体MWD，GMD，R0.25与土壤含水量、速效养分和全钾呈显著正相关，与土壤孔隙度呈显著负相关(p<0.05)，说明秸秆进入土壤后，土壤水分及速效养分会刺激土壤微生物繁殖及多样性，提升秸秆中有机质返还农田的效率，同时全钾含有金属阳离子，亦为大团聚体形成条件，能够有效增加土壤大团聚体含量。土壤水稳性团聚体稳定参数与土壤有机碳呈正相关，主要是因为土壤水稳性团聚体稳定性与大团聚体含量显著正相关，而有机碳中POM则是大团聚体形成的主要因子，这一研究结论在杨如萍[41]、高飞[42]、Osborne[29]等的研究中也得到了证实。

土壤团聚体破坏率(PAD)、不稳定团粒指数(ELT)和分形维数(D)能够敏锐地反映出土壤稳定性及黏粒含量，其值越高，土壤黏粒含量越高，结构越不稳定，也表明退化程度增加[43]。秸秆还田后，0—30 cm土层团聚体PAD和ELT显著降低，且两者变化趋势相似，说明秸秆还田能够有效提高土壤稳定性，防治土壤退化。WR处理在0—10 cm土层团聚体PAD和ELT显著低于CK和HR处理，主要原因是表层土壤水分、温度、空气充足，秸秆残留量高于深层土壤，分解过程对水稳性大团聚体形成所需的POM、微生物含量、酶活性、金属阳离子含量等胶结物质均有提高。在10—20，20—30 cm土层，HR与WR处理表现不同，因为秸秆还田量随着耕作方式进入深层土壤秸秆量不同，且深层土壤空气含量不足，秸秆过量将抑制腐解[44]。可能WR处理在10—20 cm土层秸秆还田量超出该土层所容纳的最大秸秆量，在20—30 cm土层秸秆还田量则在土壤所容纳范围之内，因而仅提升20—30 cm土壤稳定性。基于干筛法，在0—30 cm土层内，各处理的土壤团聚体D随着深度的增加而增大，湿筛法则呈“V”字形趋势，这与李娟[43]、李涵[45]等研究结果不同，可能是因为农田利用方式、作物及土壤质地不同的缘故。相比0—10 cm土层干筛和湿筛各处理结果，团聚体D变化趋势相反，说明秸秆还田的确能够提升土壤稳定性。李娟等[43]研究发现土壤团聚体D与R0.25存在负线性关系，及R0.25含量越高，D越低。以上研究结果显示秸秆还田可以有效增加<0.25 mm粒级机械稳定性团聚体含量，同时秸秆分解过程中产生的胶结剂可以增加土壤水稳性大团聚体含量，也说明了WR处理下土壤水稳性团聚体D最低的原因。土壤容重和全钾含量均显著正相关于土壤团聚体PAD，ELT及水稳性团聚体D，说明改善土壤容重、增加金属阳离子含量有助于提高土壤稳定性。土壤孔隙度、毛管含水量则与土壤团聚体PAD，ELT及水稳性团聚体D呈显著负相关，与机械稳定性团聚体D呈显著正相关，主要因为该地区农田土壤主要以机械稳定性大团聚体为主，但其在农业生产中保水保肥性能差，灌溉后土壤易沉淀板结，影响土壤通透性；另外，黄土高原区春季多发土壤风蚀现象亦是因为农户在播种前进行镇压、耙耱等破坏机械大团聚体的缘故[46]。此外，产量与0—10 cm机械稳定性团聚体、10—30 cm土层水稳性团聚体、20—30 cm团聚体PAD，ELT呈显著相关性，主要是因为0—10 cm土壤机械大团聚体能够有效缓解土壤板结和雨水对幼苗根系的冲刷，10—20 cm土层水稳定性大团聚体含量越高，说明土壤养分、微生物、菌丝含量越高，且团聚体稳定性越高，土壤疏松程度越高，有利于作物生长。

本文基于秸秆还田量对麦粱两熟制农田土壤团聚体稳定性短期试验，与秸秆未还田相比，秸秆还田有利于增加土壤有机质含量[47]，改善土壤结构，提高土壤大团聚体含量及团聚体稳定性，且秸秆100%还田处理效果优于50%还田处理。

4 结 论

(1) 基于麦粱两熟制农田系统，在短期内，秸秆还田措施能够显著降低0—30 cm土层>10和<0.25 mm粒级机械稳定性团聚体含量，增加0.25～2 mm各亚粒级水稳性大团聚体含量，从而提高土壤团聚体R0.25含量。其中，WR处理下土壤机械及水稳性稳定性团聚体R0.25含量较HR处理分别显著降低约1.9%～9.5%和16.7%～65.9%(p<0.05)。

(2) 秸秆还田措施能够降低土壤团聚体PAD，ELT及D值，且WR处理较HR处理作用效果更为显著(p<0.05)。其中，WR处理下0—30 cm土壤团聚体PAD及ELT值较CK处理分别显著降低约1.6%～7.2%和0.7%～4.4%，并随着土层的加深逐渐减弱。进一步分析土壤团聚体稳定性与理化性状相关性发现，土壤团聚体稳定参数与土壤容重及全钾含量呈显著正相关，且与土壤孔隙度、含水量、全氮和有机碳含量呈显著负相关(p<0.05)。

综合说明麦粱秸秆全还田在短期年限内可以增加土壤有机碳含量，改善土壤孔隙结构及持水保水能力，提高土壤团聚体稳定性，促使杂粮和经济作物产量的同步增长。