玉米秸秆还田对土壤团聚体组成及其碳氮分布的影响

安嫄嫄，马 琨，王明国，马占旗

(1.宁夏大学 农学院， 银川 750021；2.宁夏大学 西北土地退化与生态恢复国家重点实验室培育基地，银川 750021；3.宁夏农业技术推广总站，银川 750001；4.宁夏同心县农业技术推广中心， 宁夏同心 751300)

土壤团聚体作为土壤结构的基本单元，是衡量土壤结构性好坏与肥力高低的重要指标，其含量、分布及稳定性与土壤物理结构、化学性质及生物学特性有着密切的关联[1-2]。

秸秆还田是一种广泛使用的保护性耕作措施，可以有效增加土壤养分含量，影响土壤团聚体的构成，改变土壤结构[3-4]。土壤水稳性团聚体的数量和分布状况能有效反映土壤结构的稳定性。已有研究表明，小麦、高粱秸秆还田可增加土壤有机碳和>0.25mm粒径大团聚体的百分含量[5]。稻田进行绿肥作物覆盖还田后,可增加土壤有机碳含量[6]。连续种植绿肥有利于土壤水稳性大团聚体的形成，使土壤结构和稳定性得到明显改善[7]。也有研究认为，长期施用秸秆或者其与化肥配施可显著提高稻田土壤中>2mm和0.25～2mm的水稳性大团聚体的百分含量及团聚体平均重量直径(MWD)，显著促进大团聚体形成、提高土壤团聚体的稳定性[8]。由于土壤碳氮的变化与土壤团聚体形成、分布和稳定性有着紧密的关系[9]。也有研究表明，秸秆还田能够有效减缓有机碳的损失，促进土壤碳库固碳，进而改善土壤微环境[10-11]。王双磊等[12]的研究也证实，棉花秸秆还田能显著提高各粒径土壤水稳性团聚体中碳氮的含量。孙汉印等[13]研究也表明不同秸秆还田对土壤大团聚体碳的增加具有显著影响。由此可见，以秸秆还田为主的农业管理活动会对农田土壤团聚体的组成、碳氮分布及稳定性产生影响。目前，相关研究多集中在秸秆还田、有机肥还田、覆盖及耕作方式交互影响下土壤水稳性小团聚体与大团聚体间的转化、团聚体碳氮的富集及各级团聚体有机碳的再分配特征等研究[14-16]，而有关旱作区持续秸秆还田对土壤水稳性团聚体的稳定性及碳氮分布影响的机制还不够清楚。因此，利用玉米秸秆还田的长期定位试验，研究在宁夏旱作条件下，以秸秆还田方式带入的外源有机碳氮在各粒径团聚体内的动态分布特征；秸秆还田对土壤养分、土壤水稳性团聚体稳定性的影响规律，为改进旱作区传统施肥方式，推进秸秆资源高效利用提供理论依据和技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地位于宁夏同心县河西镇农场村 (37°9′34″N，105°48′2″E)，该区域海拔1 306 m，年均降水量276 mm，年均蒸发量为2 325 mm，年均气温8.7 ℃。土壤质地为砂质壤土。试验开始前土壤基本理化性状为：pH 8.26；全盐0.28 g·kg-1；有机质9.2 g·kg-1；全氮0.54 g·kg-1；碱解氮41 mg·kg-1；全磷0.83 g·kg-1；有效磷41.5 mg·kg-1；全钾20.2 g·kg-1；速效钾216 mg·kg-1；缓效钾1 014 mg·kg-1；阳离子代换量 9.3 mol·kg-1。

1.2 试验设计

试验开始于2014年，采用单因素随机区组设计，常规化肥施用，以秸秆不还田(T0)为对照，设玉米秸秆还田量为3 000 kg·hm-2(T1)、6 000 kg·hm-2(T2)、9 000 kg·hm-2(T3)、12 000 kg·hm-2(T4)共5个处理，重复3次，小区面积为 4 m×15 m。秸秆在还田前粉碎为3～5 cm的小段，深耕翻入0～40 cm土层。供试玉米品种为‘先玉335号’，播种密度6 500株·667m-2。2014-2018年，玉米全生育期氮肥(N)用量分别为32 kg·667m-2、28 kg·667m-2、24 kg·667m-2、26 kg·667m-2、26 kg·667m-2，磷肥(P2O5)和钾肥(K2O)的施用量均为12.5 kg·667m-2、5 kg·667m-2。2018年10月，在玉米收获前，采用多点取样法，采集耕层 0～20 cm土壤，每小区随机采集两个土样，各样本相互独立，共采集30个土样。部分土样低温保存在2～8 ℃冰箱，用于土壤微生物生物量碳的测定；部分土壤样品自然风干，用于土壤基本理化性状及土壤机械组成的测定。

1.3 测定项目及方法

1.3.1 土壤理化性质 土壤总碳(TC)、全氮(TN)以及各粒径的土壤水稳性团聚体碳氮均采用碳氮分析仪(Elementar Vario MAX)测定；全磷采用HClO4-H2SO4消煮，钼锑抗比色；碱解氮采用碱解扩散法；速效磷采用NaHCO3浸提-钼锑抗比色法；速效钾采用NH4OAc浸提-火焰光度法；土壤pH采用酸度计测定[17]，水土体积比为5∶1。土壤微生物生物量碳(SMBC)采用氯仿熏蒸- K2SO4浸提,总有机碳分析仪(ShimadzuTOC-L )测定。

1.3.2 土壤团聚体平均重量直径及水稳系数 土壤团聚体组成采用干筛法和湿筛法测定[18]。土壤团聚体平均重量直径(MWD)的计算公 式为：

式中：Bi为湿筛出来的任一大小范围团聚体的平均直径(mm)；Wi为任一粒径大小的团聚体相应质量占土壤样品干质量的分数。

土壤团聚体水稳系数的计算公式为：

K=A/M×100

式中：K为水稳系数(%)；A为>0.25 mm的水稳定性团聚体总量(g)；M为>0.25 mm的机械稳定性团聚体总量(g)。

1.4 数据分析

采用Excel 2019进行数据处理，利用DPS 7.05进行方差分析，Canoco 5.0进行主成分分析(PCA)。

2 结果与分析

2.1 不同玉米秸秆还田量对土壤理化及生物学特性的影响

由表1可见，与T0相比，连续5 a玉米秸秆还田后，不同还田量下的土壤养分含量均有不同程度的变化。T2、T3、T4处理下，土壤中总碳、碱解氮与速效钾的含量均显著高于T0(P<0.05)。T3、T4处理下，土壤微生物生物量碳较T0增加45.1%、 69.5%(P<0.05)。T4处理土壤pH较T0显著提高0.07。除T3处理土壤全磷较T0显著提高10.61%外；其余秸秆还田处理土壤中全磷、速效磷、全氮、C/N均与T0无显著差异。

可见，受玉米秸秆还田量及还田时间的影响，旱作区农田土壤的基本理化性状及主要生物学指标会发生明显变化，但短期(5 a)的秸秆还田并不会显著影响土壤的C/N。

表1 不同处理土壤理化及生物学性状Table 1 Soil physicochemical and biological properties under different treatments

注：数据为“平均值±标准差”；同列数值后不同小写字母表示差异显著(P<0.05)。表2、表3同。

Note: Data are “means±standard deviation”;different lowercase letters in the same column indicate significant differences (P<0.05 ).The same as in table 2 and table 3.

2.2 不同玉米秸秆还田量对土壤非稳性及水稳性团聚体组成及稳定性的影响

土壤团聚体数量、稳定性及形态直接影响着土壤结构的优劣，而土壤结构的稳定性及保水性主要受团聚体数量及分布状况的影响[19]。由表2可见，整体上，不同秸秆还田量处理下，各粒径的土壤非水稳性团聚体所占的比例与对照处理间均无显著性差异。

由表3可见， T1、T2、T3处理不同粒径的水稳性团聚体所占比例与T0间均无显著性差异。随秸秆还田量的增加，除T2处理外，其余处理下>5 mm粒径的土壤水稳性团聚体所占比例较T0均呈现增加的趋势，但各处理间无显著差异。此外，粒径为2～5 mm、1～2 mm的水稳性团聚体所占百分含量均随秸秆还田量的持续增加呈现逐渐降低的趋势，而粒径为0.5～1 mm的水稳定性团聚体所占百分含量表现为T1=T4>T2>T3。当秸秆还田量达到12 000 kg·hm-2(T4)时，粒径在2～5 mm、0.5～1 mm、0.25～0.5 mm的水稳性团聚体所占百分数与T0间无明显差异，但粒径为1～2 mm的水稳性团聚体所占百分数较对照处理显著降低38.6%(P<0.05)。与T1相比，T4处理下1～2 mm粒径水稳性团聚体所占百分数也显著降低42.6%；与T2、T3相比，T4处理1～2 mm的水稳性团聚体所占百分数分别下降 27.8%、22.5%，但三者间无显著差异。可见，玉米秸秆还田影响土壤水稳性团聚体的组成；持续还田有利于促进中小粒径团聚体的胶结，驱动2～5 mm、1～2 mm、0.5～1 mm粒径的水稳性团聚体向>5 mm粒径的大团聚体 转变。

表2 不同处理土壤非水稳性团聚体组成Table 2 Composition of soil nonwater-stable aggregates under different treatments

表3 不同处理土壤水稳性团聚体组成Table 3 Composition of soil water stable aggregates under different treatments

团聚体的水稳定性一般用MWD及K来表示，MWD越大，土壤水稳定性团聚体的百分比越高；K值越大，土壤团聚体越稳定[20]。由表3可见，土壤MWD和K均表现为随秸秆还田量的增加而逐步提升，两者的变化规律较一致。土壤MWD依次为：T4>T3>T2、T1>T0，除T4处理MWD显著高于对照外(P<0.05)，其余处理的MWD与对照间均无显著差异。土壤K表现为T4>T3>T2>T1>T0，除T1与T0间K无显著性差异外，其余处理均显著高于对照(P<0.05)。

2.3 不同秸秆还田量对土壤团聚体中碳氮分布的影响

由表4可见， T2处理时，不同粒径的土壤水稳性团聚体中碳的含量均高于其他处理；与T0处理相比，各粒径团聚体中的碳有较明显富集现象，但仅0.5～1 mm、0.25～0.5mm粒径的团聚体中碳含量显著高于T0。随秸秆还田量的继续增加，T3、T4处理不同粒径的水稳性团聚体中碳的含量与T0处理相比均无明显差异。土壤团聚体中的氮分布与碳分布趋势类似，除1～2 mm粒径的氮含量在T4处理下最高外，整体上以T2、T3时各粒径团聚体中氮含量较高；其中， T3处理下，各粒径水稳性团聚体氮的含量分别较T0处理显著提高37.5%、25.0%、11.1%、30.0%、 22.2%。T2、T3处理氮在不同粒径的水稳性团聚体中有明显的富集现象。

不同粒径的水稳性团聚体中，秸秆还田会促使>5 mm、0.5～1 mm、0.25～0.5 mm粒径的土壤C/N呈下降的趋势。总体而言， T3处理下，除1～2 mm粒径外，其他粒径的团聚体中土壤C/N均与T0间差异显著 (P<0.05)。可见，持续玉米秸秆还田及还田量的高低会对土壤水稳性团聚体中的氮分布及其C/N产生明显影响；土壤各粒径的水稳性团聚体中，氮比碳表现出更明显的积累现象。

表4 不同处理土壤水稳性团聚体中碳氮含量Table 4 Carbon and nitrogen of soil aggregate under different treatments

注: 数据为“平均值±标准误”; 不同小写字母表示不同处理同一粒级差异显著(P<0.05) 。

Note:Data are “mean±SE”;different lowercase letters indicate significant difference at 0.05 level under different treatments with same size aggregate．

2.4 不同玉米秸秆还田量下土壤团聚体稳定性及各粒径团聚体中碳氮分布与土壤理化性状间的相互关系

由图1可以看出，第一、二排序轴能够分别在方差累积贡献率达到73.71%、26.29%上解释土壤水稳性团聚体组成与MWD、K的相互关系。>5 mm土壤水稳性团聚体所占的百分数与MWD、K呈正相关关系，而与其他粒径水稳性团聚体所占百分数呈负相关关系，这表明，持续较高数量的玉米秸秆还田比较低数量的秸秆还田更容易影响不同粒径土壤水稳性团聚体的组成；土壤水稳性团聚体的MWD和K主要受土壤中粒径>5 mm的水稳性团聚体所占的百分比高低而 影响。

由图2-a可知，第一、二排序轴能够分别在方差累积贡献率达到78.12%、10.92%上解释土壤不同粒径水稳性团聚体中的氮含量与土壤主要理化指标及生物学性状之间的相互关系(r1=0.58,r2=0.80)。>5 mm、2～5 mm、0.25～0.5 mm的土壤水稳性团聚体中的氮与土壤总碳、碱解氮、速效钾、全氮呈正相关；0.5～1 mm、1～2 mm的土壤水稳性团聚体中氮与土壤总碳、微生物生物量碳以及土壤pH间也存在正相关关系。图2-b中，不同粒径水稳性团聚体中的碳与土壤全碳均呈正相关关系(r1=0.83,r2=0.60)；土壤微生物生物量碳与1～2 mm粒径的土壤团聚体中的碳呈正相关关系，与>5 mm、2～5 mm、0.25～ 0.5 mm、0.5～1 mm粒径水稳性团聚体中的碳呈负相关。第一、二排序轴能够在方差累积贡献率达到74.57%上解释了土壤不同粒径水稳性团聚体中的碳含量与土壤主要理化指标及生物学性状之间的相互关系。

>5 mm、2～5 mm、1～2 mm、0.5～1 mm、0.25～0.5 mm分别指不同粒径水稳性团聚体所占百分比；MWD指团聚体平均重量直径；K指团聚体水稳系数

>5 mm,2-5 mm,1-2 mm, 0.5-1 mm and 0.25-0.5 mm respectively refer to percentage of water-stable aggregates with different particle sizes；MWD refers to mean mass diameter of aggregate;Krefers to the water stability coefficient of aggregate

图1 秸秆还田下水稳性土壤团聚体组成与土壤
平均重量直径及水稳系数间的多元分析
Fig.1 Multivariate analysis of composition of soil
water-stable aggregate between mean
weight diameter and water stability
coefficient of soil aggregates

>5 mm、2～5 mm、1～2 mm、0.5～1 mm、0.25～0.5 mm分别指不同粒径土壤水稳性团聚体中氮(a)、碳(b)含量；TC、SMBC、TN、AN、TP、AP、AK、pH 分别指土壤总碳、土壤微生物生物量碳、土壤全氮、碱解氮、土壤全磷、速效磷、速效钾、pH

>5 mm, 2-5 mm, 1-2 mm, 0.5-1 mm and 0.25-0.5 mm respectively refer to nitrogen or carbon of different particle diameters of water stability aggregate; TC, SMBC, TN, AN, TP, AP, AK, pH respectively refer to soil total carbon, soil microbial biomass carbon, total nitrogen, available nitrogen, total phosphorus, available phosphorus, available potassium and pH

图2 秸秆还田土壤不同粒径水稳性团聚体中氮(a)碳(b)组成与土壤理化、生物性状间的多元分析
Fig.2 Multivariate analysis of nitrogen,carbon of different soil water-stable aggregate
between soil physi-chemical and biological characteristics

3 讨 论

3.1 秸秆还田对土壤碳氮的影响

农作物秸秆富含植物生长所必须的氮磷钾等营养元素，是农业生产中重要的肥料来源和潜在碳库。本研究表明，持续秸秆还田下，秸秆还田量高低直接影响土壤中总碳、碱解氮、速效钾及土壤微生物生物量碳的含量，而土壤全氮及C/N未受明显影响。已有研究表明，秸秆还田配施常量化肥会增加土壤碳储量[21]；水稻秸秆还田下，化肥减量15%也能提高土壤碳含量[22]。分析认为，C/N较高的玉米秸秆还田后会激发土壤氮的矿化效应，增加土壤碱解氮含量，影响土壤氮素供应[23]，显著增加土壤微生物生物量碳[24]；此外，由于秸秆富含钾素，且其存在形态与秸秆中有机结合态的碳氮有明显差别；因此，随秸秆的腐解，以离子形态广泛存在的钾更容易回到土壤而积累。此外，由于土壤碳氮的变化主要受外源秸秆、化肥输入的影响，随秸秆翻压、还田，土壤通透性增强，耕层土壤温度降低，因而减缓了土壤碳的矿化速率，促进土壤耕层碳的固存，有利于土壤氮的硝化[25]。玉米秸秆本身含有较高的C/N，土壤微生物在分解有机物质的同时需要获取更多氮素；因此，在促进土壤碳素固定的同时，也增加了土壤微生物生物量碳的含量。也有研究认为，外源秸秆输入虽能够提高土壤碳氮含量[26-27]，但会加剧土壤微生物与作物对氮素营养的竞争[28]；秸秆还田后，土壤微生物优先作物利用土壤氮素，从而加速了秸秆的腐解，促使土壤微生物生物量氮的增加；而在化肥配施条件下，土壤较丰富无机氮素的存在，能降低微生物与作物对土壤氮的竞争。因此，这可能就是不同秸秆还田量配施化肥后，土壤全氮含量在各处理间无明显差异，而土壤碱解氮较全氮变化更明显的主要原因。

土壤C/N是影响土壤微生物的重要因素[29]。秸秆还田腐解后，部分氮素被释放并供土壤微生物及作物吸收利用，从而导致土壤C/N增加。丘清燕等[30]认为秸秆还田会导致土壤C/N偏大，凌宁等[31]也印证了这一结论。相反，杨滨娟等[32]研究表明3 000 kg·hm-2秸秆粉碎还田配施不同比例化肥降低了土壤C/N；13 500 kg·hm-2的玉米秸秆还田会导致土壤C/N失衡[33]。本研究表明，持续5 a秸秆还田及还田量的高低对土壤C/N无显著影响，土壤C/N较稳定，这与前人的研究结果并不一致。这些结果表明，影响土壤C/N变化的原因很可能是由土壤质地类型、秸秆种类、秸秆还田方式及秸秆腐解速率等综合因子作用，具体还需要针对试验土壤环境因子等进一步深入研究。

3.2 秸秆还田对土壤水稳性团聚体稳定性及团聚体中碳氮分布的影响

团聚体作为土壤结构的物质基础，其组成、结构和稳定性会直接影响土壤质量，导致土壤MWD及K的改变。对此，国内外学者已针对秸秆还田对土壤团聚体粒径分布及其稳定性展开了大量研究。相关研究结果表明，秸秆还田配施化肥能提高土壤>0.25 mm水稳性团聚体质量百分比，显著增加土壤的平均重量直径[34]；水稻秸秆粉碎还田对红壤水稳性团聚体MWD有显著性影响[35]；棕壤添加玉米秸秆以后，不仅促进棕壤>2 mm水稳性团聚体的形成，而且显著提高棕壤团聚体的MWD[36]。本研究中，与T0处理相比，秸秆还田量的高低影响土壤水稳性团聚体的质量百分数、MWD与K；土壤水稳性团聚体MWD与粒径>5 mm的水稳性团聚体所占的百分比呈正相关。分析认为，其直接原因是持续秸秆还田有利于土壤腐殖质的形成，同时随秸秆的腐解，碳、氮、磷、钾等元素的释放，能为作物提供丰富的营养物质，促进作物的生长，使作物根系分泌物增加，从而使土壤周围的有机胶结物质增加，促进了土壤水稳性大团聚体的形成[37]；其间接原因是因为随作物秸秆残体输入土壤，能促进真菌菌丝体生长，微生物的分泌物也有助于将土壤微团聚体、土壤矿物质和粗颗粒有机物胶结为大团聚体，最终促进大团聚体的形成[38]。

本研究表明，秸秆还田后，土壤总碳较全氮更容易积累，而土壤团聚体中碳氮的富集则表现出相反的趋势。王碧胜等[39]研究发现，相同培养时期内添加秸秆，显著提高了>2 mm和0.25～ 2 mm团聚体中碳的含量。连续有机、无机肥配施可大幅度提高团聚体中氮的含量[40]。分析认为，在秸秆腐解时，氮素易被土壤微生物所吸收利用，易转化为土壤微生物生物量氮；但微生物存活周期较短，分解之后易被各粒径土壤团聚体所吸附。因此，这就导致不同粒径土壤水稳性团聚体中氮含量的增加。可见，干旱地区通过长期跟踪、定位分析秸秆还田配施化肥方式对土壤水稳性团聚体稳定性及其碳氮分布规律的影响，将有助于进一步揭示其作用机理。

4 结 论

持续玉米秸秆还田会显著影响土壤总碳、碱解氮、速效钾及生物学微生物数碳的含量，但短期 (5 a)内秸秆还田量的高低对土壤C/N无显著影响。旱作区农田土壤团聚体平均重量直径(MWD)及水稳系数(K)主要由秸秆还田量的数量以及粒径>5 mm的土壤水稳性团聚体所占百分比决定。持续玉米秸秆还田后，不同粒径土壤水稳性团聚体中总氮较总碳含量受秸秆还田量的影响更明显。