秸秆还田对连作玉米黑土团聚体稳定性及有机碳含量的影响

李 艳,2，李玉梅，刘峥宇3，孟祥海4，胡颖慧4，金 梁，王 伟，蔡姗姗，魏 丹

(1.黑龙江省农业科学院 土壤肥料与环境资源研究所,黑龙江 哈尔滨150086；2.东北农业大学 资源与环境学院,黑龙江 哈尔滨 150030；3.黑龙江省鹤岗市绥滨县绥滨农场，黑龙江 绥滨156203；4.黑龙江省农业科学院 牡丹江分院,黑龙江 牡丹江157041)

0 引 言

东北黑土是我国最肥沃的土壤之一，但是由于长期的不合理耕作，导致黑土的有机质含量逐年下降，土壤结构破坏，肥力退化等一系列问题发生[1]。秸秆还田是农田表土有机碳含量增加的主要手段之一，其中尤以黑土地区的秸秆产量最为丰富，秸秆还田是土壤保护性耕作措施之一，不仅可以改善土壤的物理状况和养分状况，同时还可以通过改善土壤的团粒结构大小和土壤有机碳的直接输入等方法实现固碳[2]。土壤团聚体作为土壤结构的基本单元，影响着土壤水热传输，养分的保持、供应和转化，土壤抗侵蚀能力以及根系的穿透和发育等[3]。团聚体内含有大约90%的有机质，在有机碳固定及保护机制的研究中，土壤团聚体有机碳的物理结合及其化学变化是重要内容，通过培肥措施改变土壤团聚体结构，对团聚体中有机碳数量和活性提高有重要意义[4-6]。

研究表明，土地利用方式及培肥措施对团聚体有机碳的影响首先在大团聚体上体现出来，而微团聚体内的有机碳则维持在较稳定的水平上[7-10]。秸秆还田后土壤>2 mm大团聚体和0.25～0.053 mm微团聚体含量明显增加，而<0.053 mm微团聚体含量则明显降低。此外，秸秆还田还促进了大团聚体中有机碳的增加[11]，以9 000～13 500 kg·hm-2的数量进行秸秆还田后，表层有机碳含量分别较对照提高了8.92%～9.85%，且二者大团聚体(>0.25 mm)含量及团聚体的平均重量均显著高于对照[12]。

为了探究秸秆还田对传统耕作方式下黑土团聚体结构特征和土壤培肥的影响，本研究以东北典型黑土玉米连作土壤为研究对象，通过测定团聚体粒级分布、容重、含水量及有机碳等指标，综合分析不同处理下土壤团聚体粒级、含量和稳定性等特征，团聚体形成对土壤有机碳提升的贡献，为土壤固碳、黑土可持续利用和东北黑土区推广保护性耕作提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

本研究试验田位于黑龙江省哈尔滨市道里区民主乡现代农业科技示范园区(45°44′N,126°36′E)，该园区位于松花江南岸冲击平原上，为松花江、阿什河的一级阶地。寒温带大陆季风气候，年降雨量550 mm，年温度3.3 ℃，无霜期141 d，作物生长期约120 d。土壤类型为黑土，成土母质为近代沉积的黄土状粘土堆积物，质地黏重。

1.2 试验设计

试验于2012年春季开始，种植作物玉米(ZeamaysL.)。共设4个处理：无秸秆无氮肥(CK-NO，P2O560 kg·hm-2、K2O 75 kg·hm-2)、优化施肥(OPT，N 165 kg·hm-2、P2O560 kg·hm-2、K2O 75 kg·hm-2)、秸秆还田不施氮肥(ST-NO，P2O560 kg·hm-2、K2O 75 kg·hm-2)和秸秆还田优化施肥(ST-OPT，N 165 kg·hm-2、P2O560 kg·hm-2、K2O 75 kg·hm-2)。每小区面积60 m2，4次重复，小区随机排列。于每年秋季作物收获后秸秆全部还田，还田深度为20 cm。

1.3 土壤样品采集与分析

2017年秋季收获后，对不同处理4个重复小区0～50 cm土层进行土样采集，每隔10 cm土层采集，每次采集3点进行混匀后取1 kg左右土样，每个处理同样的方法取样3次，土壤样品采集后放在硬质铝盒内运回实验室，以免破坏团聚体结构。在自然结构面用手将采回的土壤掰成直径1 cm以下的小土块，处理时尽量避免受到机械压力，筛除根系和小石粒，土壤风干备用。采用Elliott提出的干、湿筛法测定土壤机械稳定性和水稳性团聚体含量[13-14]；用环刀法测定各土层土壤容重和田间持水量；测定不同土层和湿筛后不同粒级土壤有机碳，用重铬酸钾容量法(外加热法)测定[15]。

1.4 数据处理

土壤团聚体分形维数(FD)计算采用杨培岭方法[16]:

采用SPSS 15.0软件进行数据分析，SigmaPlot 10.0软件制作图表，不同处理以及土壤不同层次之间数据的差异显著性采用Duncan法进行比较，用Pearson进行相关性分析。

2 结果与分析

2.1 秸秆还田对黑土团聚体机械稳定性的影响

玉米连作5年后，不同处理不同深度的土层，其土壤团聚体的机械稳定性发生变化(表1)。干筛法各处理均以≥10 mm粒径的土粒含量最多，平均30.2%，0～20 cm土层粒径变化趋势明显。无秸秆无氮肥(CK-NO)处理与秸秆还田无氮肥(ST-NO)处理不同粒级土粒分布趋势相近，均在2～1 mm和3～2 mm两个粒级间出现高峰，但在10～20 cm土层，CK-NO处理1～0.5 mm粒级含量高于5～3 mm粒级，而ST-NO处理以5～3 mm和3～2 mm粒径为主，占14.1%和9.96%，明显高于CK-NO处理。优化施肥(OPT)处理与秸秆还田优化施肥(ST-OPT)处理在1～0.5 mm和5～3 mm两个粒级出现高峰，但OPT处理在10～20 cm土层的0.5～0.25 mm、1～0.5 mm、2～1 mm、3～2 mm和5～3 mm 5个粒级土粒的含量均低于其它土层，即OPT处理降低了10～20 cm土层中5～0.25 mm粒径的土粒含量。而ST-OPT处理10～20 cm土层5～3 mm粒径土粒含量增加，3～0.25 mm粒径间土粒含量在0～30 cm土层内分布较为均匀，至30～50 cm土层，呈增加趋势。秸秆还田能够增加5～3 mm较大粒径团聚体的含量，而无秸秆还田处理，1～0.5 mm较小粒径团聚体含量增加明显。对不同处理>0.25 mm的大团聚体分析，发现ST-OPT处理、OPT处理和ST-NO处理变化趋势相同，均随土层深度增加，>0.25 mm团聚体比例增加。

2.2 秸秆还田对黑土团聚体水稳定性的影响

无论秸秆还田与否，湿筛法1～2 mm粒径土粒在各处理中分布均最低，平均占5.34%～10.1%(图1)。随土层深度的增加，>0.25 mm团聚体含量呈降低趋势，其中施肥处理大于不施肥处理，秸秆还田处理大于秸秆不还田处理。秸秆还田增加了10～20 cm土层中≥2 mm粒径土粒的含量，与秸秆不还田处理相比平均增加18.5%；其次是0～10 cm土层，增加幅度3.50%；ST-OPT处理，在20～30 cm土层该粒径的含量增加6.50%；同时，ST-OPT与ST-NO处理比OPT与CK-NO处理在30～40 cm土层处0.5～0.25 mm和0.25～0.053 mm水稳性团聚体含量也表现为增加趋势，分别为6.76%和4.50%。而秸秆不还田，0～50 cm土层内≥2 mm粒径土粒的含量随土层深度增加表现为减小。不同深度土层>0.25 mm土壤团聚体结构体含量：ST-OPT>ST-NO>OPT>CK-NO，秸秆还田更有利于土壤团粒结构的形成。CK-NO处理0.25～0.5 mm水稳性团聚体含量最低，随着土层深度的增加而减小，以20～30 cm土层最小。

注：CK-NO代表无秸秆无氮肥处理；OPT代表优化施肥处理；ST-OPT代表秸秆还田优化施肥处理；ST-NO代表秸秆还田无氮肥处理。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. 图1 不同处理土壤水稳性团聚体粒径分布图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质，土壤粒径分形维数的分析，能够表征土壤粒径大小对土壤结构的影响。研究证实，分形维数能很好地描述团聚体分布情况，土壤扰动程度越大、分形维数也越大。由图2可见，无论秸秆还田与否，10～20 cm土层土壤分形维数均较大，分别为ST-OPT为2.53，ST-NO为2.71，OPT为2.75，CK-NO为2.61，该层作物根系活动旺盛，土壤扰动较大，因而变化也最为明显；30～50 cm土层，土壤分形维数逐渐降低，其中ST-OPT处理分形维数最小，为2.41，而CK-NO和OPT处理分形维数均高于秸秆还田处理，ST-OPT处理不同土层的土壤分形维数均最低，可能与本试验黑土土壤质地较为黏重有关，原因还有待于进一步分析。

2.3 秸秆还田对黑土物理性状的影响

土壤容重大，表明土壤紧实、板结，土壤退化趋势愈强；容重小，则说明土壤疏松多孔，结构型良好。由图3可见，与对照CK-NO处理比较，除ST-OPT处理外，ST-NO处理和OPT处理土壤容重均表现为降低，以20～30 cm土层降低趋势较为明显，但处理间差异不显著。一方面与试验黑土黏粒含量较多，孔隙度较小有关；一方面也与对照不施肥处理作物根系下扎深度较浅有关。由图4可见，随着土层深度增加，田间持水量先降低后增加，以20～30 cm土层最低。土壤容重与田间持水量成显著线性负相关关系(r=0.884，见图5)，含水量增加后，土壤气相空间减少，团粒结构更加紧密，可导致土壤容重降低。OPT处理在20 cm以下土层土壤容重显著降低，田间持水量增大，可能与黑土本身特性有关，其原因还有待于进一步研究。

图2 土壤分形维数的变化Fig.2 The change of fractal diamensions

图3 不同土层土壤容重变化Fig.3 Change of soil bulk density in different soil layers

图4 不同土层土壤田间持水量变化Fig.4 Change of soil water holding capacity in different soil layers

图5 秸秆还田下土壤容重与田间持水量的相关性Fig.5 The correlation between bulk density and field water holding capacity with straw returning

2.4 秸秆还田对黑土团聚体中有机碳含量的影响

不同土层不同粒级水稳性团聚体中的有机碳含量如图6所示，OPT、ST-OPT和ST-NO处理比CK-NO处理分别提高有机碳10.5%、2.01%和5.50%，不同处理中有机碳含量以20 cm土层最高，随着土层增加含量逐渐减少。CK-NO处理土壤团聚体中有机碳含量在20.8～33.4 g·kg-1之间，0～30 cm土层不同粒径有机碳含量变化较大，30～50 cm变化较小，其中0～20 cm土层中1～0.25 mm粒径有机碳含量最高，平均为25.6 g·kg-1。OPT处理团聚体有机碳含量在25.5～36.7 g·kg-1之间，0～30 cm土层的有机碳含量增加明显。ST-OPT处理团聚体土壤有机碳含量在21.3～35.1 g·kg-1之间，0～20 cm土层的有机碳含量最高，为29.7 g·kg-1，随着土层深度增加，含量逐渐降低，以2～1 mm粒级团聚体中有机碳含量最高，达35.1 g·kg-1，比其它粒级平均高出14.5%；ST-NO与ST-OPT处理下，有机碳含量变化一致，含量在22.2～36.8 g·kg-1之间，秸秆还田增加了团粒结构对有机碳的固定功能，提高了土壤肥力。

图6 不同施肥处理不同深度不同粒径土壤有机碳变化Fig.6 Soil organic carbon changes of different treatment in different depths and sizes

3 讨 论

秸秆还田是农田土壤有机质提高的重要措施，秸秆在土壤中分解，首先能改良土壤的结构和物理性状，其次能有效提高土壤有机质含量和肥料利用率[17]。土壤团聚体在维持土壤环境和肥力方面起保护作用[18]。连续5年秸秆还田对土壤团聚体含量、粒级分布、容重、含水量及有机碳含量产生了一定的影响。

3.1 秸秆还田对土壤团聚体的稳定性的影响

团聚体的分布对土壤结构影响很大，尤其是团聚体的水稳性。不同处理土壤团聚体机械稳定性表现为≥10 mm粒径的土粒含量最多，以0～20 cm土层表现最明显。施肥对团聚体的形成及土壤肥力的提高有一定的作用，但是施肥过程中机械的作用也能够破坏土壤的团粒结构，CK-NO处理虽不施入氮肥，但是OPT处理团聚体比例略低于CK-NO处理，这可能是黑土本身的性质造成的；秸秆还田后，10～20 cm团聚体含量上，ST-OPT>ST-NO处理，与该土层10～20 cm根系活动频繁有一定关系，同时氮肥的施入调节了土壤碳氮比，提高了土壤微生物活性和植物的生长能力，土壤团聚体含量增加。

>0.25 mm的团聚体是土壤中最好的结构体，其数量与土壤的肥力状况呈正相关关系[19]，所以黑土水稳性团聚体以>0.25 mm粒级为优势粒级。本研究发现，水稳性团聚体随着土层深度的增加，>0.25 mm团聚体含量逐渐降低，施肥处理大于不施肥处理，秸秆还田处理大于秸秆不还田处理，不同处理0～50 cm土层>0.25 mm土壤团粒结构体总含量大小为：ST-OPT>ST-NO>OPT>CK。很多研究学者也得出相同结论，秸秆还田对土壤团聚体影响显著，可增加>2 mm 大团聚体的含量，降低<0.25 mm的含量[20]。秸秆还田促进了土壤腐殖物质的形成，使土壤颗粒周围的有机结合物质增加，对大团聚体的形成产生积极影响[21]。总之，不施氮肥、无秸秆还田条件下，根系生长和下扎受阻，根系区系难以形成团粒胶结物质，秸秆还田都在耕作层，加上植物根系的作用，所以随着土层的增加，团聚体的变化趋势越来越不明显，团聚体的变化主要体现在耕作层。土壤颗粒体积分形维数与土壤颗粒体积百分含量具有显著的对数相关关系，随着土壤剖面深度的增加，土壤大颗粒体积百分含量增加，土壤颗粒体积分形维数也随之增加，与土壤水稳性团聚体含量变化基本一致。

3.2 秸秆还田对土壤容重的影响

土壤容重是植物生长的重要条件，关系到土壤中水、气、热状况和养分的调节，以及植物根系的伸展和植物的生长发育[22]。田间持水量长期以来被认为是土壤所能稳定保持的最高土壤含水量，是对作物有效水的上限[19]。通常黏粒和有机质含量高的土壤持水性能较好，田间持水量也较大，黏粒含量越高，总孔隙度越小，容重越大。秸秆还田可降低表层土壤容重，从而提高土壤田间持水，减少耕作阻力[23-24]。两次秸秆还田(即两年连续还田或隔年秸秆还田)土壤容重降低，孔隙度增加[25]。本研究表明，秸秆还田后土壤容重降低，以20～30 cm土层降低明显，各处理田间持水量随着土层的增加先降低后增加，且容重与田间持水量成线性显著负相关关系(r=0.884)，秸秆还田增加了土壤的孔隙度，使土壤疏松，团粒结构比例改变，从而影响容重的变化；同时施肥处理在秸秆还田条件下调整了碳氮比，提高微生物活性，植物根系活动量增加，对土壤容重情况也有所改善。

3.3 秸秆还田对土壤团聚体中有机碳的影响

团聚体对土壤有机质起到物理性保护作用，有机质是土壤团聚体形成的重要胶结剂，因此，有机碳的含量与土壤团聚体的形成是相互促进的过程[26]。秸秆中含有大量的木质素和纤维素等物质，氮肥的施入使土壤碳氮比合理，微生物分解能力增加，秸秆有效腐解，土壤碳库得到扩大[27]。很多研究表明，秸秆还田能提高土壤各级团聚体中有机碳的含量：秸秆还田连续施用8年后，土壤团聚体内的有机碳含量普遍提高[28]。本研究中各处理水稳性团聚体不同粒径中有机碳含量，以秸秆还田处理有机碳含量大于无秸秆还田处理，增施氮肥处理有机碳含量大于无氮肥施入处理；>0.25 mm粒径的大团聚体中有机碳含量大于小团聚体中碳含量(0.25 mm)，最高有机碳含量一般出现在1 mm粒径和0.5 mm粒径；随着土层深度的增加，有机碳含量逐渐减少。长期施肥条件下黑土团聚体中有机碳的分布规律表明，有机无机肥配施处理下土壤各级团聚体全碳含量均增加。秸秆还田在提高团聚体稳定性的同时，还能提高大团聚体中有机碳含量[29-31]，这与本研究结果相同。

4 结 论

连续秸秆还田显著增加了黑土中大粒径团聚体数量，降低了土壤容重，使土壤结构稳定性增加；氮肥的配合施入有助于土壤中大团聚体的形成，同时合理地调节了土壤碳氮比例，有效提高有机碳含量，土壤肥力得到提高。本研究是从土壤基础物理性状和团聚体固碳的角度来探讨秸秆还田的效果，对秸秆还田在黑土固碳和肥力保育方面具有积极意义。在今后的研究中，应将微生物、环境因素等指标进行综合分析，为黑土的培肥与可持续利用提供科学的依据。