长期秸秆还田对潮土水稳性团聚体的影响

刘学彤 郑春莲 曹彩云 党红凯 马俊永 李科江

摘要：为探究潮土区长期秸秆还田土壤水稳性团聚体的分布及稳定性，以河北省低平原潮土区小麦-玉米轮作系统为研究对象，利用38年化肥与秸秆配施长期定位试验，研究了不施肥（CK）和等量氮、磷肥用量为0 kg/hm2（S0）、2 250 kg/hm2（S1）、4 500 kg/hm2（S2）和9 000 kg/hm2（S3）下的秸秆还田量、土壤团聚体分布特征及其稳定性。结果表明，与CK相比，长期施肥与秸秆还田可以降低耕层土壤容重与pH值，而对土壤颗粒组成没有显著影响。试验区土壤水稳性团聚体主要集中在>0.250 mm粒径中，在0～10 cm土层，S1、S2、S3秸秆还田处理土壤>0.250 mm团聚体含量均显著高于S0无秸秆处理，微团聚体（0.053～0.250 mm粒径）含量显著小于S0处理，<0.053 mm团聚体含量无显著差异，秸秆还田使表层土壤微团聚体向大团聚体团聚，增加了大团聚体含量。长期施肥与秸秆还田可以增加 0～10 cm土层的平均重量直径（MWD）和几何平均直径（GMD），提高表层土壤有机碳含量;多元回归方程表明，0～10 cm 土层土壤有机碳含量与MWD值极显著相关。秸秆还田可以增强表层土壤团聚体稳定性，改善土壤结构。

关键词：秸秆还田;潮土;水稳性团聚体;氮;磷;MWD;GWD

中图分类号： S153.6文献标志码： A

文章编号：1002-1302（2021）24-0215-06

收稿日期：2021-03-25

基金项目：河北省农林科学院创新工程项目（编号：2021-4-6-3）;河北省现代农业产业技术体系小麦产业创新团队项目;河北省重点研发计划（编号：19226438D）。

作者简介：刘学彤（1991—），女，河北平山人，硕士，助理研究员，研究方向为作物养分资源管理与土壤肥力培育。E-mail：liuxuetong349@163.com。

通信作者：李科江，硕士，研究员，研究方向为农田节水技术研究。E-mail：nkylkj@126.com。

土壤团聚体是土壤结构的重要组成部分，也是土壤肥力的物质基础，其分布可以表征土壤结构稳定性，是评价土壤肥力和土壤质量的重要指标[1-2]。有研究表明，黑土区农田生态系统土壤团聚体的主要组成集中在0.25～2.00 mm和0.053～0.250 mm粒级[3];红壤稻田土壤水稳性团聚体组成以<0.25 mm团聚体为主[4]。土壤团聚体的分布差异与研究区域的土壤类型、生态环境、土壤动物和微生物及耕作管理措施等有很大关系。土壤有机碳是土壤团聚体形成的重要胶结物质，其含量影响团聚体的稳定性，而土壤团聚体是有机碳贮存的主体，可以保护有机碳减少分解[5]，二者紧密联系。

秸秆还田作为一种保护性耕作措施，同时也是改善土壤结构，增加土壤肥力的有效措施之一，近年来被广泛推广利用。据报道，河北省秸秆循环利用效率已从1996年的58.1%提高到了2016年的85.9%[6]。秸秆还田不仅可以提高土壤肥力，增加土壤有机质含量[7-8]，同时也增加了土壤大团聚体含量和稳定性[9-11]。崔荣美等在渭北旱塬以秸秆还田9 000 kg/hm2和13 500 kg/hm2发现，连续秸秆还田3年后0～20 cm土层土壤有机质含量分别较对照提高了8.92%和9.85%，且>0.25 mm团聚体含量显著高于对照[12]。孟庆英等在辽宁半干旱地区秸秆深还田条件下的研究发现，土壤水稳性团聚体主要集中在<0.25 mm粒级[13]。秸秆还田后对土壤团聚体影响的差异，可能是由研究区土壤类型、生态环境、耕作措施等不同引起的。河北省低平原潮土是河北省耕作土壤中面积最大的土壤类型，土壤肥力较低，属中低产田，近年河北省低平原区小麦—玉米轮作系统秸秆还田已全面普及，秸秆还田后对土壤碳氮的固持，有机质含量的增加以及作物产量的提高已有研究[14]，而对该区域长期秸秆还田土壤团聚体的分布及稳定性的研究甚少。本试验以河北省农林科学院旱作农业研究所的深州旱作试验站的长期化肥与秸秆配施定位试验为平台，探讨长期秸秆还田对土壤团聚体的分布以及团聚体稳定性的影响，以期为合理长期耕作农田培肥土壤、改善土壤结构提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

肥料长期定位试验位于河北省农林科学院旱作农业研究所衡水深州试验站（37°53′N，115°42′E）。试验始于1981年。该区属于暖温带大陆性季风气候，年平均气温12.4 ℃，年平均降水量550 mm，降雨集中在6—9月。供试土壤为壤质底黏潮土，种植制度为冬小麦—夏玉米轮作，0～20 cm土层土壤的基本理化性状为pH值 8.7、有机质含量11.5 g/kg、全氮含量0.83 g/kg、全磷含量1.03 g/kg、全钾含量20.31 g/kg、碱解氮含量51.3 mg/kg、速效磷含量12.3 mg/kg、速效钾含量109.8 mg/kg。

1.2 试验设计

试验以化肥用量为主处理，秸秆还田量为副处理，1981年开始布置化肥用量分别为0 kg/hm2（N）+0 kg/hm2（P2O5）、90 kg/hm2（N）+60 kg/hm2（P2O5）、180 kg/hm2（N）+120 kg/hm2（P2O5）、360 kg/hm2（N）+240 kg/hm2（P2O5）和秸秆还田量分别为0、2 250、4 500、9 000 kg/hm2，进行复因子试验，共16个处理。本试验采用其中的不施肥对照（CK）和化肥用量360 kg/hm2（N）+240 kg/hm2（P2O5）的不同秸秆还田量[0 kg/hm2（S0）、2 250 kg/hm2（S1）、4 500 kg/hm2（S2）、9 000 kg/hm2（S3）]处理（表1）。田间试驗采用随机区组设计，每个处理重复3次，小区面积34 m2（7.5 m×4.5 m）。磷肥和玉米秸秆均在小麦播种整地前一次性底施，玉米秸秆粉碎后还田，旋耕到土壤中;化肥氮冬小麦、夏玉米季各半，其中小麦季氮肥底追各半，追肥在拔节期撒施后浇水;玉米季氮肥全部用作追肥，在大喇叭口期撒施后浇水。其他管理同一般田间管理。

1.3 样品采集与分析

2019年9月30日玉米收获后，每小区采集3个点的0～10 cm和10～20 cm土层的原状土，同层土壤混合后组成1个土壤样品，同时用环刀法测定每个小区0～10、10～20 cm土层土壤容重。将采集的原状土自然风干，取一部分测定土壤团聚体;剩余土样研磨过筛测定土壤基本理化性状。团聚体分级采用Cambardella和Elliott的方法，将水稳性团聚体分为大团聚体（>0.250 mm）、微团聚体（0.250～0.053mm）和<0.053 mm团聚体，其湿筛方法为：分别称取2份100 g风干原状土于培养皿中，加 30 mL 水，使得水顺着土壤孔隙自然湿润，然后将湿润的土壤完全倒于盖过土壤约2.00 cm的0.25 mm套筛中，在2 min内上下振荡50次，用水慢慢淋洗筛子上的土，收集未过筛子的土（粒径 >0.25 mm）于小烧杯中，然后将<0.25 mm的土样过0.053 mm筛子，并分别收集0.053～0.250 mm与<0.053 mm 的土样于烧杯中，加入适量氯化钙溶液澄清，于 60 ℃ 下烘箱中烘干、称质量并收集[15]。土壤颗粒组成采用比重计法，按中国制（1987）分为沙粒（>0.050 mm）、粉粒（0.002～0.050 mm）和黏粒（<0.002 mm）;土壤pH值用pH计测定，水土比 2 mL ∶1 g;土壤有机碳含量采用重铬酸钾外加热法测定[16]。

1.4 结果计算

团聚体的平均重量直径（MWD）和几何平均直径（GMD）计算公式如下：

MWD=∑ni=1xi×wi;

GMD=exp∑ni=1wi×lnxi∑ni=1wi。

式中：wi为i粒径团聚体的质量百分比，%;xi为i粒径团聚体的平均直径，mm。

利用Excel 2007作图，采用SPSS 22.0进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 长期秸秆还田对土壤容重、pH值和颗粒组成的影响

长期施肥与秸秆还田会降低耕层土壤容重与pH值，而对土壤颗粒组成没有显著影响（表2）。由土壤颗粒组成可以看出，粉粒（0.002～0.050 mm）含量较高，达到58%～62%，黏粒含量为17%～24%，属于黏壤土，与CK相比，长期施肥与秸秆还田对土壤质地没有显著影响。与CK相比，各施肥处理的 0～10、10～20 cm土壤容重和pH值均有所降低，其中施肥与秸秆还田处理下0～10 cm土层土壤容重和pH值显著降低，不同秸秆还田量处理间没有显著差异。在10～20 cm土层，S0处理的土壤容重显著低于CK处理，其余处理与CK处理无显著性差异;处理间pH值均无显著性差异。0～10 cm土层，土壤容重均小于10～20 cm土层;除CK处理外，0～10 cm土层土壤pH值均小于10～20 cm土层。

2.2 长期秸秆还田对土壤水稳性团聚体分布的影响

由图1可以看出，各处理0～10、10～20 cm土层土壤水稳性团聚体多集中于大团聚体（>0.250 mm粒径）中，其含量占到53%～62%，而<0.053 mm粒径的水稳性团聚体最少，其含量为13%～18%。在0～10 cm土层，S2中秸秆还田量和S3高秸秆还田量处理土壤>0.250 mm团聚体含量显著高于CK不施肥处理，且S1、S2、S3秸秆还田处理土壤>0.250 mm 团聚体含量均显著高于S0無秸秆还田处理，但各含秸秆处理间差异不显著;同时，0～10 cm 土层S1、S2和S3处理的微团聚体（0.053～0.250 mm粒径）含量显著小于S0处理，而各处理<0.053 mm 团聚体含量无显著性差异。这表明，秸秆还田有利于表层土壤微团聚体团聚成更大粒径的团聚体。

在10～20 cm土层，同一粒径不同处理间水稳性团聚体含量均无显著差异，表明秸秆还田对10～20 cm土层水稳性团聚体的分布无显著影响。田慎重等的研究也表明，对10～20 cm土层水稳性团聚体的分布，秸秆还田和无秸秆还田处理之间没有表现出明显的规律性[17]。

综合分析，秸秆还田对土壤水稳性团聚体分布的影响主要发生在0～10 cm的表层土壤，秸秆还田使表层土壤微团聚体向大团聚体团聚，增加大团聚体含量，对<0.053 mm团聚体含量无显著影响。

2.3 长期秸秆还田对土壤团聚体稳定指数的影响

长期秸秆还田潮土土壤MWD和GWD有相同的变化趋势（表3），均表现为CK和S0的无秸秆处理0～10 cm土层小于10～20 cm土层，而S1、S2、S3含秸秆处理0～10 cm土层高于10～20 cm土层。在0～10 cm土层， S1、S2和S3含秸秆的处理MWD和GWD均高于CK不施肥处理，且显著高于S0无秸秆处理，但含秸秆的3个处理间无显著差异;在10～20 cm土层，各处理间MWD和GWD均无显著差异。其中，0～10、10～20 cm土层的MWD和GWD均表现为S2处理最高，其值分别为2.59、0.93 mm和2.57、0.89 mm。表明秸秆还田可以增强表层 0～10 cm土壤团聚体的稳定性，其在S2处理秸秆还田量时效果较好。

2.4 土壤有机碳含量及其与团聚体稳定性的多元回归分析

长期秸秆还田对潮土土壤有机碳含量有显著影响（图2）。各处理0～10 cm土层土壤有机碳含量高于10～20 cm土层;其中，S1、S2和S3秸秆还田处理有机碳含量在两土层间有显著差异。S0、S1、S2和S3施肥处理有机碳含量在0～10 、10～20 cm 土层均显著高于CK处理。在S0、S1、S2和S3施肥处理中，随着秸秆还田量的增加，两土层土壤有机碳含量逐渐增加;其中，在0～10 cm土层，S2和S3处理土壤有机碳含量显著高于S0处理，其余处理间无显著差异。表明秸秆还田对土壤有机碳的富集主要发生在0～10 cm的表层土壤，且有机碳含量随秸秆还田量的增加而逐渐增加。

如图3所示，在0～10 cm土层，有机碳含量与MWD的多元回归方程为y=0.062x2-1.258x+8.64，[r2=0.925（P<0.01）]，土壤有机碳含量对土壤团聚体的稳定性有显著影响。而在10～20 cm土层，有机碳含量与MWD的多元回归方程为y=0.073x2-1.362x+8.685，r2=0.330，在这一土层，土壤有机碳含量不是影响土壤团聚体稳定性的主要因素。

3 讨论与结论

随着秸秆还田的大面积推广，农业秸秆还田已成为目前秸秆的主要利用方式，也是土壤培肥、改良的重要手段[18]。已有研究表明，秸秆还田可以改善土壤理化性状[19]。本试验表明，长期秸秆还田并配施适量化肥可以降低0～10 cm土层的土壤容重，这与张亚丽等的研究结果[20]相似。土壤容重可以反映土壤的孔隙度和透气性，土壤容重的降低一般表明土壤结构的改善，本研究秸秆还田后0～10 cm土层土壤容重在1.25 g/cm3左右，土壤结构较好;而10～20 cm土层土壤容重大于1.38 g/cm3，土壤孔隙度和透气性较差。 这可能与耕作方式有关， 本研究秸秆还田后耕作方式为旋耕，耕作深度在10～15 cm 左右，由于土壤耕作深度的降低，耕作层逐渐浅化，秸秆大多集中在表层0～10 cm土层，使得犁底层厚度增加，从而10～20 cm土层土壤容重较大，土壤紧实度增加。本研究中，与不施肥相比，秸秆还田配施化肥0～10 cm土层的pH值显著降低，而不同秸秆还田量处理之间没有显著性差异，因此pH值的降低可能与化肥的施用有关。20世纪80年代至21世纪初有研究报道，我国主要产区土壤pH值显著下降[21]。土壤颗粒组成是土壤重要的物理特性之一，对土壤肥力状况、水分特征等有着明显影响[22]。本研究中，潮土区农田土壤颗粒组成以粉粒（0.002～0.050 mm）为主，属于黏壤土，土壤的颗粒组成继承了成土母质的特征[23]，受秸秆还田影响很小。

土壤团聚体的水稳性是评价土壤物理性及抗侵蚀能力的重要指标[24-25]，是影响土壤肥力和作物生长的重要因素之一，其形成和特性既受土壤本身物质组成的影响，还受人为活动等因素的影响[26]。本试验结果表明，秸秆还田有助于增加大团聚体（>0.250 mm）的含量，而减少微团聚体（0.053～0.250 mm）含量，对<0.053 mm团聚体无显著影响。这主要是因为秸秆还田后增加了土壤中有机物质的投入，而有机物质分解过程中形成的腐殖质是土壤团聚体形成的重要胶结物质，其含量的增加有利于大团聚体的形成[26]。Six等认为，新的植物残体可以促进土壤团聚体中颗粒有机质的形成，颗粒有机质被土壤中的黏土矿物以及微生物分泌物包裹形成新微团聚体核心，在土壤有机质胶结作用下形成大团聚体[27]。孙汉印等在塿土上的研究同样发现秸秆还田有利于大团聚体（>0.250 mm）含量的增加，但是他们也发现秸秆还田有利于微团聚体（0.053～0.250 mm）含量的增加，而减少了<0.053 mm 团聚体含量;这种差异可能是由土壤自身特性差异以及耕作措施引起的。本研究中，玉米秸秆还田方式为粉碎还田，孙汉印等研究还认为，不同还田秸秆模式对团聚体影响有差异，整体表现为粉碎还田对大团聚体有增加效果[28]。张志毅等在稻麦轮作下的研究认为，秸秆还田配合旋耕有助于提高土壤水稳性团聚体含量[29]。

团聚体的平均重量直徑（MWD）和几何平均直径（GMD）可以反映团聚体的分布状况和稳定性，大团聚体含量越多，MWD值越大;团聚体越稳定，GMD值越大[30]。本研究中，施用秸秆的处理0～10 cm 土层MWD和GWD均高于CK不施肥处理以及S0无秸秆处理，表明施用秸秆后表层土壤结构稳定性增强。大量研究表明，团聚体的MWD与土壤有机碳含量有显著相关关系[28，31]，本研究中多元回归分析表明，0～10 cm土层的土壤有机碳含量与MWD的回归关系达到极显著水平，但在10～20 cm土层无显著性关系，说明秸秆还田通过影响表层土壤有机碳含量进而影响该层团聚体的稳定性。有机质是土壤团聚体的重要胶结剂，团聚体对有机碳具有物理保护作用，秸秆还田后团聚体有机碳的含量与分布以及土壤固碳机制将是接下来进一步研究的重点内容，对农田土壤固碳减排具有重要意义。

与CK不施肥相比，长期施肥与秸秆还田可以降低耕层土壤容重与pH值，而对土壤颗粒组成没有显著影响。其中，施肥配合秸秆还田显著降低了0～10 cm土层土壤容重和pH值，而不同秸秆还田量处理间没有显著差异。所有试验处理土壤团聚体主要集中在>0.250 mm中，秸秆还田使表层土壤微团聚体向大团聚体团聚，增加了大团聚体含量。在0～10 cm土层，S1、S2、S3秸秆还田处理土壤>0.250 mm 团聚体含量均显著高于S0无秸秆处理，微团聚体（0.053～0.25 mm）含量显著小于S0处理，<0.053 mm团聚体含量无显著差异。施肥配合秸秆还田可以增加0～10 cm土层MWD值和GMD值，提高团聚体稳定性。多元回归方程表明，0～10 cm土层土壤有机碳含量与MWD值极显著相关。秸秆还田可以提高表层土壤有机碳含量，增强土壤团聚体稳定性，改善土壤结构。

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