添加玉米秸秆对旱作土壤团聚体及其有机碳含量的影响

王碧胜，于维水，武雪萍，高丽丽,2，李景,3，李生平，宋霄君，刘彩彩,4，李倩,5，梁国鹏，蔡典雄，张继宗

（1中国农业科学院农业资源与农业区划研究所，北京 100081；2中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所，北京 100081；3河北地质大学水资源与环境学院，石家庄 050031；4山西师范大学地理科学学院，山西临汾 041004；5首都师范大学资源环境与旅游学院，北京 100048）

0 引言

【研究意义】土壤团聚体是土壤的基本结构单元[1］，其分布和稳定性是土壤物理性质的重要指标。土壤有机碳作为土壤质量的核心要素，决定着土壤肥力[2-3］。土壤团聚体和有机碳之间通常有着密切的联系，一方面团聚体的包被作用可以使其内部的有机碳得到物理保护而免受微生物的分解，增加土壤有机碳的稳定性[4］；另一方面土壤有机碳是重要的胶结物质，能够增强土粒的团聚性、促进团粒结构的形成[5-7］。秸秆还田不仅能够使数量巨大的秸秆能源得到充分利用[8-9］，而且能够有效增加土壤有机碳含量[10-13］、提高土壤肥力和保持土壤水分[14］。此外，秸秆还田对土壤团聚体形成也具有促进作用[15-16］，改善土壤结构。中国北方的旱作农业大约占全国耕地面积55%，此区域土壤干旱和水土流失严重，传统耕作频繁的翻耕和秸秆移除导致土壤结构破坏和土壤肥力下降，是限制该地区作物产量的主要因素[17］。因此，研究秸秆还田对旱作农田土壤团聚体形成及有机碳分布的影响，对于旱作农田土壤管理措施的选择具有重要的实践意义。【前人研究进展】目前关于秸秆还田对土壤团聚体及其有机碳的影响已备受关注。王秀娟等[8］研究表明秸秆还田能够提高0—20 cm土层＞2 mm团聚体含量以及0.25—1 mm和＜0.25 mm粒级中的有机碳含量。刘哲等[18］研究表明，在培养15 d、60 d和120 d时添加秸秆均能显著提高土壤＞2 000 μm 团聚体含量。谢柠桧等[19］通过研究玉米根、茎、叶在土壤中的分配，得知在180 d的培养期内各添加物处理有机碳含量均显著高于未添加处理。上述研究表明，秸秆对团聚体及其有机碳有重要影响，通过短期室内培养研究其变化规律是可行的。【本研究切入点】不同土壤类型和气候环境常常影响秸秆还田对土壤团聚体及有机碳的作用效果[20-21］，北方旱地具有多风少雨的特殊气候[17］，自20世纪80年代引入保护性耕作以来[22］，秸秆还田得到普遍推广。关于秸秆对团聚体影响的研究多是在施肥[2-3,7,10］和耕作[5,16］条件下开展，导致秸秆还田对北方旱作农田土壤团聚体和有机碳的影响尚不清楚；关于添加秸秆对长期传统耕作的土壤团聚体及其有机碳变化的研究更少见报道。【拟解决的关键问题】本文采用室内培养方法，通过对比长期传统耕作（每年耕作两次，秸秆移除）和免耕处理（不耕作，秸秆覆盖）土壤在添加玉米秸秆后团聚体组成、稳定性以及各粒级团聚体有机碳分布的变化，明确添加秸秆对旱地不同耕作处理土壤团聚体及其有机碳的影响，为北方旱作农田筛选合理农田管理方式提供科学依据，为深入研究旱作农田土壤团聚体固碳机制提供基础数据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验区位于山西省寿阳县宗艾村（东经 112°—113°，北纬 37°—38°），海拔 1 066—1 159 m，年平均气温7.4℃，近20年的平均降雨量为461.8 mm，年均蒸发量约为1 700—1 800 mm，属中纬度暖温带半湿润偏旱大陆性季风气候区，受季风影响，平均风速可达3.9 m·s-1，冬春季最大风力可达8级以上。四季分明、季节温差大，无霜期为130 d左右。一年一作春玉米播种面积占粮食播种面积的50%以上。试验地点选在地势较平缓的褐土上，质地为砂质壤土，属于全年无灌溉雨养地。2003年时0—20 cm土层基础养分含量为有机质 25.7 g·kg-1，全氮 1.04 g·kg-1，速效氮（NH4++NO3-）54.0 mg·kg-1，速效磷 7.3 mg·kg-1，速效钾 84.0 mg·kg-1，pH 7.87。

本试验开始于2003年并一直保持相同处理，试验设传统耕作（CT）和免耕（NT）2种耕作处理，具体操作为：传统耕作（CT），秋收后秸秆移出，秋季耕翻，春季播前撒施化肥并春耕；免耕（NT），秋收后将秸秆顺行推倒免耕覆盖，春季免耕，顺行开5 cm深小槽，点播玉米种子，在两播种点之间穴施化肥。种植作物为春玉米，一年一作，供试玉米品种为当地优势品种。处理小区面积为5 m×5 m=25 m2，重复3次，每年不同耕作处理N、P2O5施肥量分别为 105 kg·hm-2。

1.2 供试材料

2016年秋季收获后，采集0—20 cm土层样品，通过环刀法获取原状土样，通过土钻采集3样点土壤混合均匀获取混合土样。采集的土样带回实验室，在通风阴凉处自然风干后沿土块天然断裂面轻轻掰开，将大的植物残体和石子砂砾去除，原状土样通过6 mm筛子，用于测定初始土样水稳性团聚体；混合土样全部通过2 mm筛子，用于培养试验。2016年CT和NT处理土壤养分含量分别为：有机质27.3 g·kg-1和35.6 g·kg-1，全氮 1.05 g·kg-1和 1.55 g·kg-1，速效磷 12.0 mg·kg-1和 46.3 mg·kg-1，速效钾 106.0 mg·kg-1和 173.0 mg·kg-1，pH 8.12和 7.76。供试秸秆为大田试验传统耕作处理下玉米秸秆，取地上部分，在60℃烘干，粉碎过2 mm筛，秸秆有机碳含量为424.3 g·kg-1，全氮18.7 g·kg-1。

1.3 培养试验

试验设置 4个处理，即传统耕作土壤不加秸秆（CT）、免耕土壤不加秸秆（NT）、传统耕作土壤加秸秆（CTS）和免耕土壤加秸秆（NTS），每个处理15次重复。将过2 mm筛的土样60 g和3 g玉米秸秆（5%烘干土的质量百分数[23］）混匀后装入500 mL的玻璃广口瓶中，加入蒸馏水至土壤最大持水量的70%，用中间带透气滤纸的塑料膜封闭瓶口，在 25℃恒温培养箱中通气培养，每周称重保持土壤水分。培养周期为180 d，分别于培养后第15天、30天、60天、90天、180天取各处理3个重复样品进行试验指标测定；第0天数据采用室内培养试验开始前土壤测定，因此CT和CTS、NT和NTS分别相同。

1.4 测试方法

土壤水稳性团聚体：称取50.00 g风干土平铺于2 mm筛子上，室温下用蒸馏水浸润 5 min，手动上下振动筛子，幅度为3 cm，震动2 min，共50次。震动完毕后用蒸馏水将筛子上的土样洗入铝盒。按照上述方法将土样依次通过0.25 mm和0.053 mm筛，分别获得＞2 000 μm、2 000—250 μm、250—53 μm 和＜53 μm四部分团聚体。

土壤有机碳测定采用干样燃烧法，所用仪器为元素分析仪（Vario MAX122 C/N，Elementar Analysensysteme GmbH，Hanau, Germany），测定前土样经 1 mol·L-1盐酸处理，去除无机碳。

1.5 计算方法

利用各粒级团聚体数据，计算平均重量直径（MWD）、几何平均直径（GMD）、＞0.25 mm团聚体百分比（R0.25）。

式中，Xi为第i级团聚体平均直径（mm），Mi为第i级团聚体质量（g），Mt为团聚体总质量（g），Mr＞0.25为直径大于0.25 mm团聚体质量（g）。

团聚体有机碳对土壤有机碳的贡献率（W）：

式中，W为团聚体中有机碳对土壤中有机碳的贡献率（%），OCi为第i级团聚体中有机碳含量g C·kg-1aggregate），SOC为土壤中有机碳含量（g C·kg-1soil）。

1.6 统计分析

采用Microsoft Excel 2007和SAS9.2进行数据处理和作图，采用一般线性模型进行方差分析，最小显著极差法（LSD法）进行多重比较，显著性水平P＜0.05。数据为平均值±标准误（n=3）。

2 结果

2.1 添加秸秆对不同耕作处理土壤团聚体的影响

添加秸秆对不同耕作处理土壤团聚体有较大影响（图1），不加秸秆处理（CT和NT）团聚体主要分布在250—53 μm级别，占全部团聚体的52%—66%，显著高于其他团聚体；添加秸秆处理（CTS和NTS）显著提高土壤大团聚体（＞250 μm）含量，2 000—250 μm团聚体所占比例最高，达41%—50%。在整个培养时期内，CTS较CT提高2 000—250 μm团聚体含量230%—306%，降低250—53 μm和＜53 μm团聚体分别为31%—37%和40%—65%；NTS较NT提高2 000—250 μm团聚体含量92%—134%，降低250—53 μm和＜53 μm团聚体分别为28%—36%和30%—42%，由此可知，添加秸秆对于传统耕作处理土壤团聚体含量的影响更大。此外，CTS和NTS各级团聚体含量仅在个别培养时期差异显著，其他培养时间两处理间无显著差异，说明添加秸秆可减小传统耕作与免耕土壤之间团聚体含量的差异。

与培养0 d时团聚体含量相比，添加秸秆条件下CTS处理增加＞2 000 μm团聚体含量，而NTS处理减少＞2 000 μm团聚体含量，其他级别团聚体变化趋势一致，即增加 2000—250 μm 团聚体含量，减少250—53 μm 和＜53 μm 团聚体含量。

图1 培养期间土壤水稳性团聚体组成Fig. 1 The proportion of soil water-stable aggregate composition in each phase

2.2 添加秸秆对不同耕作处理土壤团聚体稳定性的影响

平均重量直径（MWD）、几何平均直径（GMD）以及＞0.25 mm团聚体百分比R0.25是评价土壤团聚体稳定性的重要指标。从表 1可知，不加秸秆时，在整个培养阶段 NT处理 MWD、GMD、R0.25均显著高于CT（P＜0.05），培养到180 d时，NT处理MWD、GMD、R0.25分别比CT提高50%、43%和92%，说明免耕处理能增强土壤团聚体稳定性。添加秸秆后，CTS和NTS均显著提高MWD、GMD、R0.25值，培养至180 d时CTS较CT分别提高133%、130%和235%，NTS较NT分别提高72%、83%和96%，由此可知，添加秸秆对于传统耕作土壤团聚体稳定性的改善作用更大。在各培养时期，CTS的MWD、GMD、R0.25值与NTS非常接近，并且显著高于NT，说明添加秸秆可提高传统耕作土壤团聚体稳定性并缩小甚至掩盖由于耕作处理不同造成的差异。与培养0 d时相比，添加秸秆同样显著提高MWD、GMD、R0.25值，说明在培养时期内团聚体主要保持在较大团聚体级别。

表1 不同培养时期土壤团聚体稳定性Table 1 Soil aggregate stability under different incubation periods

2.3 添加秸秆对不同耕作处理土壤团聚体有机碳的影响

在整个培养期，各处理2 000—250 μm团聚体中有机碳含量最高，达43.7—130.0 g·kg-1，显著高于其他级别团聚体（图2）。不加秸秆时，NT处理2 000—250 μm 团聚体有机碳含量显著低于 CT，降低幅度达29%—40%；250—53 μm和＜53 μm团聚体有机碳含量 NT处理显著高于 CT处理，提高幅度分别为25%—31%和 9%—20%。与不加秸秆处理相比，添加秸秆提高了＞2 000 μm、250—53 μm 和＜53 μm 团聚体有机碳含量。培养到180 d时，CTS处理250—53 μm和＜53 μm团聚体有机碳含量分别为26.4 g·kg-1和18.5 g·kg-1，较CT提高39%和30%；NTS处理250—53 μm和＜53 μm 团聚体有机碳含量分别为 31.2 g·kg-1和20.1 g·kg-1，较NT分别提高30%和25%。添加秸秆同时显著降低了2 000—250 μm团聚体有机碳含量，CTS和NTS分别较CT和NT降低有机碳51%和28%，CTS和NTS之间无显著差异。综上，添加秸秆对传统耕作土壤团聚体有机碳的影响程度大于免耕土壤。

与培养 0 d时相比，CTS增加＞2 000 μm 和250—53 μm团聚体有机碳含量，减少2 000—250 μm和＜53 μm团聚体有机碳含量；NTS处理＞2 000 μm、2 000—250 μm和＜53 μm团聚体有机碳基本保持不变，250—53 μm团聚体有机碳含量显著增加。

图2 培养期间各级别团聚体有机碳含量Fig. 2 Soil organic carbon content in aggregate

2.4 不同耕作处理团聚体有机碳对土壤有机碳的贡献率

不加秸秆时，CT和NT处理团聚体有机碳对土壤有机碳的贡献率以2 000—250 μm和250—53 μm团聚体的贡献率最高（图3）。添加秸秆后2 000—250 μm团聚体有机碳的贡献率最高，CTS和NTS分别高达49%—61%和 50%—60%，显著高于其他级别团聚体有机碳贡献率。CTS和NTS处理显著提高＞2 000 μm和2 000—250 μm团聚体有机碳贡献率，同时显著降低250—53 μm和＜53 μm团聚体有机碳贡献率。培养至180 d时，CTS较CT提高2 000—250 μm团聚体有机碳贡献率32%，分别降低250—53 μm和＜53 μm团聚体有机碳贡献率34%和51%；NTS较NT提高2 000—250 μm团聚体有机碳贡献率16%，分别降低250—53 μm和＜53 μm团聚体有机碳贡献率26%和36%。综上，添加秸秆对传统耕作处理团聚体有机碳贡献率影响更明显。与培养0 d时相比，CTS处理＞2 000 μm和2 000—250 μm团聚体有机碳贡献率处于增加水平，而250—53 μm和＜53 μm团聚体有机碳处于减少水平；NTS处理2 000—250 μm团聚体有机碳贡献率处于增加水平，其他团聚体有机碳贡献率均处于减少水平。

表2所示为各培养时期土壤团聚体有机碳贡献率、团聚体质量百分比、团聚体有机碳浓度与培养 0 d时对应指标的变化量。团聚体有机碳贡献率变化与团聚体质量百分比变化规律一致，团聚体有机碳贡献率随团聚体质量百分比增加而增加。另外，由团聚体质量百分比和团聚体有机碳浓度的变化幅度可知，团聚体质量百分比变化幅度高于团聚体有机碳浓度变化幅度。因此，从添加秸秆促进土壤有机碳储存角度考虑，添加秸秆对土壤团聚体的影响强于对土壤团聚体有机碳浓度的影响。

3 讨论

3.1 添加秸秆促进土壤大团聚体形成

图3 团聚体有机碳对土壤有机碳的贡献率Fig. 3 Contributing rates of organic carbon in aggregate to soil organic carbon

土壤团聚体是衡量土壤结构进而判断土壤质量好坏的重要指标，促进土壤大团聚体（＞250 μm）形成对增强土壤固碳能力、减少水土流失及提高土壤肥力有重要作用[8］。本研究通过室内培养试验得出，长期进行传统耕作和免耕处理的土壤，在添加秸秆后能明显改变其土壤团聚体构成。不加秸秆处理（CT和NT）土壤团聚体以250—53 μm级别为主，占52%—66%；添加秸秆后（CTS和NTS）土壤团聚体以2 000—250 μm级别为主，占41%—50%。添加秸秆使CTS和NTS分别提高 2 000—250 μm 团聚体 230%—306%和92%—134%，同时降低250—53 μm团聚体31%—37%和 28%—36%，降低＜53 μm 团聚体 40%—65%和30%—42%，这与关松等[24］、刘哲等[18］的研究结果一致。关松、刘哲分别研究了室内培养条件下添加玉米、水稻秸秆对黑土、红壤团聚体组成的作用，结果表明添加秸秆均能增加土壤＞2 000 μm和2 000—250 μm团聚体含量，降低＜250 μm团聚体。

表2 团聚体有机碳贡献率（W, %）、团聚体质量百分比（P, %）及团聚体有机碳浓度（OC, g C·kg-1 aggregate）变化量Table 2 The increment of aggregate organic carbon contribution rate (W, %), aggregates distribution (P, %) and aggregate organic carbon content (OC, g C·kg-1 aggregate) in added straw treatment soil compared with unprocessed soil

由此可见，添加秸秆对促进土壤大团聚体形成具有显著作用，这主要是因为秸秆进入土壤后发挥的直接和间接作用。直接作用一方面表现为秸秆直接成为大团聚体形成的核心，使土壤中的细小颗粒附着于秸秆上形成大团聚体[25］；另一方面秸秆直接提高了土壤有机碳含量[14］，有机碳作为土壤团聚体形成和稳定的主要胶结物质[18］，有效促进其形成。间接作用表现为秸秆作为外源碳添加到土壤中，势必会改变土壤C/N，而微生物自身的 C/N 含量比较低，当秸秆 C/N 小于25∶1时，就能够提高微生物生物量和活性[26］，尤其促进真菌菌丝生长，缠绕细小颗粒形成团聚体[20,27］，本研究中所用秸秆C/N小于23∶1，极有可能对微生物生长产生促进作用，进而促进团聚体形成；同时，秸秆在腐解过程中常常会产生多种有机质，其中的碳水化合物、蛋白质、木质素等可将小团聚体胶结在一起或通过吸附作用形成大团聚体[8,16］。

添加秸秆能够显著提高平均重量直径（MWD）、几何平均直径（GMD）以及＞0.25 mm团聚体百分比，这些指标常用来反映土壤团聚体的大小分布状况，表征土壤团聚体稳定性具有一致性，值越大代表团聚体越稳定[4］。培养至180 d时，CTS较CT分别提高133%、130%和235%，NTS较NT分别提高53%、75%和87%，说明添加秸秆不仅能够促进大团聚体形成，而且能够增强团聚体稳定性。本研究表明，添加秸秆对传统耕作土壤团聚体的影响大于免耕土壤，这与孙元宏等[20］的研究相似，主要原因是传统耕作土壤未加秸秆时大团聚体（＞250 μm）含量低，微团聚体（＜250 μm）含量较高，而大团聚体主要是由细小微粒包裹在秸秆表面团聚而成[25］。

3.2 添加秸秆提高团聚体有机碳含量

添加秸秆有助于提高土壤有机碳含量[19,28］，研究表明秸秆进入土壤后主要转化成土壤团聚体中的有机碳，被隔离保存以限制土壤微生物的分解作用[27］。本研究结果表明，添加秸秆显著提高＞2 000 μm、250—53 μm（除15 d）和＜53 μm团聚体有机碳含量，培养至180 d时，CTS较CT提高250—53 μm和＜53 μm团聚体有机碳70%和54%；NTS较NT提高＞2 000 μm、250—53 μm 和＜53 μm 团聚体有机碳 23%、30%和25%。这与刘哲等[18］、顾鑫等[29］的研究结果一致，他们分别通过培养试验研究添加秸秆对土壤团聚体有机碳的影响，结果证明，无论是在红壤还是棕壤中添加秸秆均显著提高了各级团聚体有机碳含量。主要原因一是由于秸秆作为外源有机碳直接参与到各级团聚体中，二是秸秆添加后促进了土壤微生物的繁殖[28］，二者均为土壤有机碳主要组成成分[18,27］。另外，从添加秸秆对不同耕作土壤团聚体有机碳的提升作用来看，添加秸秆对传统耕作土壤团聚体有机碳的提升作用更大，这主要受土壤初始有机碳含量影响，初始有机碳含量越低，固定外源碳越多[20,30］；另外，免耕土壤黏粒胶体的固碳“位点”多数已被利用，而传统耕作土壤黏粒胶体大量的固碳“位点”呈空置状态，因此再添加秸秆对传统耕作团聚体有机碳的影响高于免耕。同时，添加秸秆显著降低了2 000—250 μm团聚体有机碳含量，培养至180 d时，CTS和NTS分别较CT和NT降低了51%和28%，这主要受秸秆对原有机碳的激发效应影响。SARKER等[31］研究表明，添加秸秆后大团聚体原有有机碳矿化量显著高于微团聚体，且大团聚体固定的新碳含量随时间延长会逐渐降低[27］。

3.3 添加秸秆提高大团聚体有机碳贡献率

本研究结果表明，在相同培养时期内添加秸秆显著提高＞2 000 μm和2 000—250 μm团聚体有机碳的贡献率，同时显著降低250—53 μm和＜53 μm团聚体有机碳贡献率。与未培养土壤团聚体有机碳贡献率相比，CTS和NTS均显著增加2 000—250 μm团聚体有机碳贡献率，显著降低250—53 μm和＜53 μm团聚体有机碳贡献率；但对于＞2 000 μm团聚体有机碳贡献率二者表现不同：CTS显著增加而NTS有所降低。王秀娟等[8］的研究也发现秸秆还田提高了土壤大粒级团聚体对有机碳的贡献率，同时降低了＜250 μm团聚体有机碳贡献率。这主要是因为秸秆进入土壤改变了土壤团聚体分布状况，同时也引起团聚体有机碳的变化[21］，与未培养土壤相比，添加秸秆显著提高了＞2 000 μm（CTS）和 2 000—250 μm（CTS 和 NTS）团聚体含量及其有机碳浓度。郝翔翔等[32］在黑土地区的研究同样印证了这一点。另外在细小颗粒团聚成大团聚体的过程中，也会导致有机碳发生转移，进入大团聚体，降低微团聚体中有机碳含量[18］。团聚体质量百分比变化对团聚体有机碳贡献率变化影响更大，这可能与培养时间有关，在短期内秸秆能够迅速被细小颗粒包裹形成较大团聚体，但秸秆经过化学过程最后形成土壤有机碳需要更长的时间。

4 结论

添加秸秆使2 000—250 μm级别团聚体成为主体级别，显著提高土壤团聚体稳定性。各处理2 000—250 μm团聚体有机碳含量最高，添加秸秆显著提高了＞2 000 μm、250—53 μm 和＜53 μm 团聚体有机碳含量，同时显著提高了＞2 000 μm和2000—250 μm团聚体有机碳的贡献率，降低250—53 μm和＜53 μm团聚体有机碳贡献率。综上分析得出，添加秸秆对于土壤水稳性大团聚体的形成及其有机碳的提升效果显著，且在传统耕作处理土壤中的效果优于免耕处理土壤。