旋耕配合秸秆颗粒还田对土壤物理特性的影响

2021-07-21董建新宋文静丛萍李玉义逄焕成郑学博王毅王婧况帅徐艳丽

中国农业科学 2021年13期

董建新，宋文静，丛萍，李玉义，逄焕成，郑学博，王毅，王婧，况帅，徐艳丽

董建新1，2，宋文静2，丛萍1，2，李玉义1，逄焕成1，郑学博2，王毅3，王婧1，况帅2，徐艳丽2

1中国农业科学院农业资源与农业区划研究所，北京 100081；2中国农业科学院烟草研究所，山东青岛 266101；3山东潍坊烟草有限公司，山东潍坊 261205

【】针对黄淮烟区植烟田由于化肥投入较高、耕作频繁造成的土壤板结、通透性降低、水稳性团聚体数量下降等土壤物理性质恶化的问题，探讨通过秸秆颗粒还田与耕作方式改善土壤物理性状的可行性。采用3年田间定位试验，以旋耕+不施秸秆颗粒（RG0）为对照，设置3种秸秆颗粒用量（G1：2 250 kg·hm-2、G2：4 500 kg·hm-2、G3：6 750 kg·hm-2）与2种耕作方式（旋耕：R、深翻：T）的交互处理，分析不同处理对土壤容重、田间持水量、土壤孔隙度、土壤团聚体稳定性的影响。（1）与RG0相比，3年间RG处理易显著降低0—20 cm土层土壤容重，降幅6.7%—16.5%，而TG处理易显著降低20—40 cm土层土壤容重，降幅3.0%—9.8%，秸秆颗粒高量还田降低比率最高。（2）RG处理提升0—20 cm土层田间持水量的效果显著，其中RG3较RG0提升14.9%（2017年）；增加秸秆颗粒用量提升20—40 cm土层田间持水量显著，其中RG3较RG0提升18.0%（2018年）。（3）RG3与TG3处理显著提高0—20 cm与20—40 cm土层土壤总孔隙度，最高达17.9%与14.6%（2017年），但仅RG2与RG3处理显著提高20—40 cm土层土壤毛管孔隙度。（4）RG处理在还田后期对0—20 cm土层土壤团聚体稳定性的提升作用显著；＞2 mm、＜0.106 mm、0.5—1 mm、0.106—0.25 mm与1—2 mm粒级团聚体是影响0—20 cm土层土壤物理性状的主要因子（Exp＞66%），而0.5—1 mm与0.106—0.25 mm粒级团聚体是影响20—40 cm土层土壤物理性状的主要因子（Exp＞48%）。秸秆颗粒用量6 750 kg·hm-2配合旋耕处理可同时降低0—20和20—40 cm土层的土壤容重，提升持水性能与土壤团聚体稳定性，且聚类分析也表明该处理促使土壤物理特性居于一类水平，是能有效改善当地烟田土壤物理结构的可行措施。

秸秆颗粒；土壤耕作；土壤物理性质；团聚体稳定性

0 引言

【研究意义】良好的土壤结构是土体内水、肥、气、热正常运行的重要保障，是促进作物良好生长的必要条件[1]。然而当前我国黄淮烟区耕层土壤容重增加、通透性变差、土壤团聚体稳定性降低等逐步成为作物高产高效的重要限制因素[2]。研究表明，连续施用化肥及不合理的耕作是造成烟田土壤结构性变差的重要原因，连续施用化肥20年可造成＞0.25 mm水稳性大团聚体含量显著减少，团聚体破坏率提高9.38%—16.56%，平均重量直径减少0.15—0.18 mm[3]；不合理的耕作可使土壤紧实度在作物耗水高峰期超过4 000 kPa，严重影响作物生长[4]。可见，亟需探寻适宜的施肥方式以保障土壤良好的物理性状。【前人研究进展】秸秆还田措施兼具改土培肥与废弃物资源利用的双重优点，具有极大的推广应用价值。国内外研究表明，秸秆全量还田可使土壤容重降低6.2%— 9.9%，土壤含水量提高7.8%—22.9%[5]，也能提高土壤大团聚体（＞0.25 mm）和小团聚体（0.25—0.053 mm）含量[6]；且随着投入量的增加，土壤1 mm大孔隙的饱和导水率及有效孔隙率显著增加[7]，土壤蓄水量显著提高，土壤紧实度显著降低[8]。此外，耕作措施也能显著改变土壤物理结构[9]，翻耕30 cm较常规耕作可提高0—40 cm耕层田间持水量及土壤孔隙度12.67%与5.94%，降低土壤容重6.90%[10]；深耕40 cm与30 cm无显著差异，但二者较翻耕20 cm能显著提高总孔隙度与毛管孔隙度，降低土壤容重[11]；但也有研究表明，22—24 cm深度的耕作就能够显著破坏土壤微结构，降低水稳性团聚体的数量[12]，故部分学者将少免耕与秸秆还田相配合来促进耕层土壤团聚体稳定性的增加[13]。可见，秸秆还田与耕作措施可对土壤物理结构造成显著影响，然而如何将二者合理配合以改善植烟土壤物理结构尚不明确。【本研究切入点】将秸秆进行粉碎、挤压、造粒从而制成秸秆颗粒，可作为新型秸秆还田材料应用于农田生产，与常规秸秆直接还田相比具有施用方便、养分释放率高[14]、快速增加土壤有机质[15]等优点。在黄淮海地区的研究发现，当秸秆颗粒与粉碎秸秆均以6 000 kg·hm-2施入浅耕层时，秸秆颗粒处理可使冬小麦生长季的土壤有机质水平高于粉碎秸秆8.5%[16]；当秸秆颗粒以不同的用量埋至40 cm土层时，对土壤有机质含量的提升幅度随秸秆用量而增加[15]。然而，秸秆颗粒对于土壤物理结构的影响未有报道。【拟解决的关键问题】鉴于此，本试验设置2 250、4 500和6 750 kg·hm-23种用量的秸秆颗粒肥施用水平，结合旋耕与翻埋两种耕作方式，研究秸秆颗粒配合不同耕作方式对土壤物理性状的影响效应：（1）研究不同秸秆颗粒用量、不同耕作方式对植烟土壤物理性状及团聚体结构的影响；（2）筛选出能够改善当地植烟土壤物理结构的较优秸秆颗粒施用方式。以期为农田土壤物理结构的改良提供指导，并推动作物秸秆的资源化利用。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

于2016—2018年在山东省诸城市贾悦镇（119°06′E，36°01′N）开展田间试验，当地海拔高度130 m，气候类型为温带季风气候，年均日照时数2 578.4 h，年均气温12.3℃，年均降水量773 mm，无霜期232 d。试验地采用烤烟-冬闲的种植模式，耕作方式以旋耕为主，土壤类型为褐土，土壤质地为壤质黏土（国际制：砂粒12.51%，粉粒44.65%，黏粒42.84%）。土壤基础理化性状见表1。

1.2 试验设计

本试验设置G1：2 250 kg·hm-2、G2：4 500 kg·hm-2和G3：6 750 kg·hm-23种秸秆颗粒用量，以及隔年深翻（T）与连年旋耕（R）2种耕作模式，以常规旋耕+不施秸秆为对照（RG0），共计7个处理（表2），每个处理3次重复，随机区组设计，每个小区72 m2。秸秆颗粒仅在深翻年份（2016年与2018年）施入，以保证深翻时混入下层土壤。该秸秆颗粒肥为课题组研制，采用当季玉米秸秆（含碳42.69%，氮1.15%，磷0.10%，钾0.98%），在王婧等[14]粉碎—挤压—造粒方法的基础上添加化肥和秸秆促腐菌剂，每t添加NH4+-N 5.5 kg、NO3--N 2.0 kg、P2O57.5 kg、K2O 6.0 kg和促腐菌剂3 kg。TG处理组是利用秸秆掩埋翻耕犁将秸秆颗粒深翻入土内，以1004 型拖拉机为牵引动力（功率73.5 kw），耕深约35 cm；RG处理为每年常规旋耕，耕深15 cm，使秸秆颗粒与0—15 cm土壤混合。而后常规起垄并施用化肥，化肥施用总量为N 76.95 kg·hm-2、P2O576.95 kg·hm-2和K2O 193.50 kg·hm-2，其包括单独投入的化肥量以及秸秆颗粒制造过程中所添加的化肥量，单施的化肥于起垄时条施。供试作物为NC55品种烤烟，每年5月上旬移栽，田间栽烟4行，株距0.5 m，行距1.2 m，每小区（72 m2）栽烟120株。

表1 供试土壤基础理化性状

表2 试验设计表

1.3 测定指标与方法

1.3.1 土壤表观物理性状的测定与计算土壤容重（bulk density，BD，g·cm-3）于烤烟成熟期运用环刀法在田间测定。土壤容重降低比率以试验组土壤容重较RG0的降低幅度来表示。

田间持水量（field water capacity，FWC，%）于烤烟成熟期运用环刀法取田间土样测定田间持水量。田间持水量上升比率以试验组田间持水量较RG0的上升幅度表示。

土壤总孔隙度（soil total porosity，%）=×100 （1）

式中，BD为土壤容重（g·cm-3）；为土壤比重（通常为2.65 g·cm-3）。

土壤毛管孔隙度（soil capillary porosity，%）=FWC×BD （2）

式中，FWC为田间持水量（%）；BD为土壤容重（g·cm-3）。

以上指标测定方法及计算均参考《土壤物理性质测定法》[17]。

1.3.2 土壤团聚体特征的测定与计算在烤烟成熟期进行土壤团聚体的采集，用环刀取土样的同时分别采集0—20、20—40 cm的原状土装入硬质塑料盒内（17 cm×11 cm×6 cm），避免在运输过程中受到挤压，以保持土壤原有结构。装盒之前将石块以及植株残体等挑拣出，将盒装土带回实验室风干备用。取100 g风干土样置于套筛（孔径依次为2、1、0.5、0.25、0.106 mm）顶部，以30次/min手工上下振荡5 min，测定各孔径筛子上土样重量，计算＞2 mm、1—2 mm、0.5—1 mm、0.25—0.5 mm、0.106— 0.25 mm与＜0.106 mm的团聚体含量占比、＞0.25 mm水稳性团聚体含量（0.25）、平均重量直径（mean weight diameter，）、几何平均直径（geometric mean diameter，）以及分形维数（）[18-19]，计算公式如下：

分形维数根据公式（6）进行计算：

1.4 数据处理

采用Microsoft Excel 2016对试验数据进行整理，运用SAS 9.4软件中的单因素方差分析（one-way ANOVA）比较不同处理间的差异（LSD，=0.05），采用双因素方差分析（two-way ANOVA）耕作方式与秸秆颗粒用量的交互作用，采用聚类分析法对不同的秸秆颗粒处理进行排序。采用Canoco 5.0软件对土壤团聚体特征与表观物理性状的相互关系进行冗余分析（redundancy analysis, RDA）。

2 结果

2.1 不同处理对植烟土壤容重的降低作用

对于0—20 cm土层（表3），2016年各处理间土壤容重水平无显著差异；2017年，除TG1外，各处理较RG0显著降低土壤容重8.48%—16.47%（＜0.05），且TG处理下土壤容重降低比率随秸秆颗粒用量的增加而升高，其中RG3处理的降低水平最显著；2018年，各处理显著降低土壤容重6.70%—11.35%（＜0.05），以RG3的降低水平最为显著。相同秸秆颗粒用量、不同耕作方式比较发现，旋耕处理较翻埋处理更大幅度地降低了0—20 cm土层土壤容重，其中2017年RG3显著低于TG3 8.73%（＜0.05）。从年际间变化看，试验第2、3年土壤容重较第1年有显著降低，其中RG3降低比率最高，达14.8%。

对于20—40 cm土层，2016年，除RG2外，各处理土壤容重较RG0显著降低3.03%—6.05%（＜0.05），以TG1的降低比率最大；2017年，除TG1外，各处理显著降低土壤容重5.64%—8.56%（＜0.05），且TG处理下土壤容重呈梯度性显著差异，表现为TG3＜TG2＜TG1；2018年，各处理显著降低土壤容重3.47%—9.84%（＜0.05），其中TG3的降低程度最显著。相同秸秆颗粒用量、不同耕作方式比较发现，3年间，TG处理较RG处理大幅降低20—40 cm土壤容重，但旋耕处理在一定程度上也能降低20—40 cm土壤容重。

双因素方差分析表明（表4），耕作方式在2016年与2017年是影响0—20 cm土层土壤容重的显著或极显著因素，秸秆用量及二者的交互作用在2017年是影响0—20 cm土层的极显著因素。耕作方式在2016年与2018年是影响20—40 cm土层土壤容重的显著或极显著因素，秸秆颗粒用量以及二者的相互作用在2017年是影响20—40 cm土层的极显著因素。可见，试验期间耕作方式是引起土壤容重变化的主导因素。

2.2 不同处理对植烟土壤田间持水量的提升作用

对于0—20 cm土层，2016年RG1、RG2与RG3处理的田间持水量显著高于RG0 7.28%—11.65%（＜0.05），处理间无显著差异；2017年，仅RG1、RG2与RG3处理的田间持水量显著高于RG0 7.72%— 14.86%（＜0.05），以RG3处理提高的最大；2018年，仅TG2与RG3处理的田间持水量较RG0显著提高7.43%（＜0.05）与11.83%（＜0.05）（表5）。相同秸秆用量、不同耕作方式相比较，旋耕处理下的田间持水量平均水平高于深翻处理，表明秸秆颗粒配合旋耕更利于0—20 cm田间持水量的增加。从年际间变化来看，2016、2017与2018年田间持水量变化范围分别为20.73%—23.14%、18.84%— 22.01%、19.24%—21.52%，不同年份间变化不大，然而第2、3年秸秆颗粒处理较RG0的增幅要高于第1年，表明秸秆颗粒还田1年后对田间持水量的提升效果更显著。

表3 2016—2018年不同处理下植烟土壤容重及容重降低比率

小写字母代表同一土层不同处理间进行差异比较，差异分析在＜0.05的显著性水平。下同

Lowercase letters represent differences between treatments in the same soil layer at level of 0.05. The same as below

表4 双因素方差分析耕作方式与秸秆颗粒用量交互作用对土壤容重的影响

对于20—40 cm土层，2016年各处理较RG0提高田间持水量4.72%—11.74%，其中以RG3提升效果最显著（＜0.05），TG2次之为8.04%（＜0.05）；2017年，仅TG2与TG3处理的田间持水量显著高于RG0 16.81%（＜0.05）与15.08%（＜0.05）；2018年，除RG1外，各处理显著提高田间持水量12.23%— 17.98%（＜0.05），可见，4 500和6 750 kg·hm-2秸秆颗粒还田量配合不同的耕作方式对20—40 cm土层田间持水量的增加有积极效果。从年际间变化看，随着试验年限的增加秸秆颗粒处理较RG0的增幅逐渐增大，表明秸秆的腐解以及秸秆的再投入均对田间持水量的提升有积极作用。

双因素方差分析表明（表6），对于0—20 cm土层，耕作方式是影响2016、2017年田间持水量的显著与极显著因素；而对于20—40 cm土层，仅秸秆颗粒用量在2017年是影响田间持水量极显著因素。

表5 2016—2018年不同处理下植烟土壤田间持水量及其上升比率

表6 双因素方差分析耕作方式与秸秆颗粒用量交互作用对田间持水量的影响

2.3 对土壤总孔隙度与毛管孔隙度的影响

由图1可知，2016年，RG处理0—20 cm土层总孔隙度显著高于TG2与TG3处理，其中RG1处理分别较TG2与TG3处理提高7.70%（＜0.05）与7.23%（＜0.05），但与RG0相比无显著差异；TG1与TG3处理分别较RG0处理显著提高20—40 cm土层总孔隙度10.8%（＜0.05）与9.8%（＜0.05）。2017年，除TG1外，各处理均能显著提高0—20 cm土层总孔隙度，其中RG3与RG1较RG0增幅17.9%（＜0.05）与15.9%（＜0.05），二者亦显著高于TG2与TG3；除TG1外，各处理均能显著提高20—40 cm土层总孔隙度，其中以TG3最高，显著高于RG0 14.6%（＜0.05）。2018年，各处理0—20 cm土层的总孔隙度均显著高于RG0，其中以RG3的最高；除RG1外，各处理均能显著增加20—40 cm土层总孔隙度，其中TG处理最为显著。可见，秸秆还田处理能够增加土壤总孔隙度，其中旋耕更利于0—20 cm土层总孔隙度的增加，而深翻更利于20—40 cm土层总孔隙度的增加，且随着试验年限的延长，秸秆颗粒处理较RG0提升土壤总孔隙度的幅度在增加。

从毛管孔隙度变化看，2016年，TG2、TG3与RG1分别较RG0显著提高0—20 cm土层土壤毛管孔隙度9.8%、7.4%与7.5%（＜0.05）；与RG0相比除TG3外，各处理均能显著提高20—40 cm土层的土壤毛管孔隙度，其中RG3较RG0增幅最高，达10.7%（＜0.05）。2017年，各处理降低了0—20 cm土层毛管孔隙度，TG1显著低于RG0 10.7%（＜0.05）；RG2与RG3处理较RG0显著提升20—40 cm土层的土壤毛管孔隙度7.3%（＜0.05）与7.0%（＜0.05），而TG1与RG1显著低于RG0 12.8%（＜0.05）与18.3%（＜0.05）。2018年，RG2与RG3处理分别较RG0显著提高20—40 cm土层毛管孔隙度8.8%（＜0.05）和11.2（＜0.05）。可见，秸秆颗粒处理随着试验年限的增加能够降低0—20 cm土层毛管孔隙度，而旋耕处理可有效提升20—40 cm土层的毛管孔隙度，且在秸秆颗粒投入年份（2016年与2018年）的增幅较高。

图1 2016—2018年0—20 cm与20—40 cm土层土壤总孔隙度与毛管孔隙度的变化

双因素方差分析表明（表7），对于0—20 cm土层，耕作方式在2016年与2017年是影响土壤总孔隙度的极显著因素，秸秆用量以及二者的交互作用在2017年与2018年是影响土壤总孔隙度的极显著或显著因素。对于20—40 cm土层，耕作方式在各年份均是影响总孔隙度的显著因素，耕作方式与秸秆颗粒用量的交互作用是影响毛管孔隙度的显著因素；2017年，耕作方式、秸秆用量及二者交互作用对总孔隙度的影响均达到显著或极显著水平，而毛管孔隙度仅受秸秆颗粒用量的极显著影响；2018年，耕作方式是影响总孔隙度与毛管孔隙度的极显著因素。

2.4 不同处理对植烟土壤团聚体的影响

2.4.1 不同处理对植烟土壤团聚体分布的影响土壤团聚体是土壤结构的基本单位，其分布状态以及稳定性是衡量土壤质量的重要指标[20]。由图2可知，2016年，0—20 cm与20—40 cm土层土壤团聚体以0.25—0.5 mm粒级团聚体占比最高，分别为25.1%— 33.1%与24.8%—36.1%，其中TG2与TG3处理居于最高水平，而0.106—0.25 mm粒级占比次之。2017年，土壤团聚体以0.25—0.5 mm与0.5—1 mm粒级占比最高，约为20.3%—32.3%，其中TG2与TG3处理含量较高；另外，RG处理可显著提高0—20 cm土层＞2 mm与1—2 mm粒级团聚体含量，RG3处理增幅最高，分别为20.9%与19.0%。2018年，0—20 cm与20—40 cm土层均以0.5—1 mm（20.9%— 27.4%）、0.25—0.5 mm（24.4%—33.1%）粒级占比最高，其中TG处理能较RG处理显著提高0.25—0.5 mm粒级团聚体含量。随还田时间的增加，＞0.25 mm粒级团聚体含量占比逐渐增加，由0.25—0.5 mm与0.106—0.25 mm占主导转变为0.25—0.5 mm与0.5—1 mm占主导。

图2 不同处理下土壤团聚体分布特征

2.4.2 对土壤团聚体稳定性的影响由表8可见，秸秆颗粒配合不同耕作方式显著影响了土壤团聚体稳定性。0—20 cm土层，2016年各处理较RG0显著提高0.25值20.5%—31.8%（＜0.05），TG3、TG2、TG1与RG1处理分别显著提高了与15.7%—23.5%（＜0.05）与23.1%—38.5%（＜0.05），其中TG3的0.25值、与均居于最高水平，但各处理的值并无显著差异。2017年，除TG1外，各处理均较RG0显著提高R值、与，以RG3增幅最高，分别为28.3%（＜0.05）、80.3%（＜0.05）与94.6%（＜0.05）；3个指标在相同耕作方式下随秸秆颗粒用量的增加而增大，相同秸秆颗粒用量下RG处理高于TG处理，且RG处理可显著降低值。2018年，仅RG1显著提高0.25值，除TG3外各处理显著提高与。可见，随着试验年限的增加旋耕处理更有利于增加0—20 cm土层团聚体稳定性。

20—40 cm土层，2016年，TG2与RG3的0.25值显著高于RG0 7.2%（＜0.05）与15.9%（＜0.05），仅RG3处理的与显著高于RG0 21.5%（＜0.05）与25.7%（＜0.05），各处理的值无显著差异，此外，深翻处理的出现显著降低现象。2017年，仅RG2处理提高了0.25、与。2018年，RG处理的较相同用量的TG处理显著增加，其中RG1高于TG1 16.4%（＜0.05），RG3高于TG3 17.9%（＜0.05），但较RG0无显著差异；RG1处理的显著高于TG1、TG3与RG0，表明深翻不利于20—40 cm土层团聚体稳定性。从年际间变化看，2016与2018年处理间变幅较大，这可能与秸秆颗粒的投入有关。

2.5 土壤团聚体粒级分布对土壤物理性状的影响效应

土壤团聚体是土壤微结构的重要组成部分，对土壤物理特性（如土壤容重、水分、孔隙度等）有重要影响。图3利用冗余分析（RDA）研究了6个土壤团聚体粒级分布对8个土壤物理性状（容重、田间持水量、总孔隙度、毛管孔隙度、0.25、、与）的影响，结果表明，对于0—20 cm土层，两个排序轴解释了总变异的99.39%，表明两个排序轴可反映土壤团聚体粒级分布对土壤物理性状影响的绝大部分信息，＞2 mm、＜0.106 mm、0.5—1 mm、0.106—0.25 mm与1—2 mm粒级团聚体均是影响土壤物理性状的主要因子。对于20—40 cm土层，两个排序轴解释了总变异的91.76%，0.5—1 mm与0.106— 0.25 mm团聚体是影响土壤物理性状的主要因子。

图3 0—20与20—40 cm土层土壤物理性状与土壤团聚体粒级分布的冗余分析

表7 双因素方差分析耕作方式与秸秆颗粒用量交互作用对土壤总孔隙度和毛管孔隙度的影响

表8 不同秸秆颗粒施用方式下土壤R0.25、MWD、GMD及D的变化

0.25代表＞0.25 mm水稳性团聚体含量，代表平均重量直径，代表几何平均直径，代表分形维数

0.25means ＞0.25 mm water stable aggregate content,means mean weight diameter,means geometric mean diameter,means fractal dimension

2.6 聚类分析评价土壤综合物理性状

为观察各处理对土壤物理性状及团聚体结构特征的综合影响效应，以3年试验期间所测得的0—20 cm与20—40 cm土层的上述8个指标结果为依据，对7个处理进行系统聚类。图4表明，对于0—20 cm土层，7个处理可分为5类，其中RG1、RG3、RG2为一类水平，TG1与TG3分居于二、三类水平，TG2居于四类水平，这表明，秸秆颗粒配合旋耕可使土壤物理性状得到综合改善，但是分类水平在秸秆颗粒用量发生分异。对于20—40 cm土层，RG2与RG3居于一类水平，TG1与RG1分居二、三类水平，这表明增加秸秆颗粒用量的旋耕处理使得20—40 cm土层的综合物理性状有较好表现。

图4 各处理的聚类分析

3 讨论

3.1 旋耕配合秸秆颗粒还田对土壤物理性状的影响

不同耕作方式下增加秸秆颗粒用量对0—20 cm与20—40 cm土层的土壤容重、田间持水量、土壤孔隙度的改善有积极影响，其中土壤容重受耕作方式的影响达到显著或极显著水平。前人研究也肯定了耕作方式对土壤容重的影响，崔建平等[21]指出，土壤容重随翻耕深度的增加而下降，但本研究发现这也因不同土层而异，由于旋耕作业深度约为15 cm，而深翻作业深度约40 cm，且深翻将20—40 cm土层的部分土壤翻至浅耕层，故对于0—20 cm土层，旋耕处理对土壤容重的降低幅度更大，而对于20—40 cm土层，深翻的降低幅度更大，这与童文杰等[11]的研究结论一致。

田间持水量是衡量田间土壤保持水分能力的重要指标，视为对作物有效的土壤水分的上限，对农田灌溉和作物水分管理具有十分重要意义[22]。本研究4 500和6 750 kg·hm-2用量的秸秆颗粒处理在3年间均提高了0—20与20—40 cm土层的田间持水量，这表明增加秸秆颗粒用量可提高土壤对水分的保蓄能力，其与秸秆颗粒施入后改变了土壤孔隙结构有关，由于田间持水量即为毛管悬着水最高时的水含量，毛管孔隙借助毛管引力将水分保持在其中，水分在毛管力作用下可以向各个方向运动，能溶解养分，可见，毛管孔隙在土壤有效水的贮存以及运移方面具有重要意义。本研究发现，尤其是对于20—40 cm土层，4 500和6 750 kg·hm-2秸秆颗粒还田量在2016与2017年的毛管孔隙度均高于2 250 kg·hm-2处理，加之秸秆颗粒本身具有很强的保水性[8,23]，最终使得20—40 cm土层田间持水量升高。李永宁等[24]的研究发现，在自然植被下的土壤毛管孔隙度以及非毛管孔隙度通常随土层的加深而降低，然而本研究中20—40 cm土层的毛管孔隙度高于0—20 cm土层，这与自然土层孔隙度的分布不一致，这说明长期频繁耕作会使得浅耕层（0—20 cm）的毛管孔隙度降低，非毛管孔隙度增大。而土壤总孔隙度通常是指土壤非毛管孔隙与毛管孔隙的总和，非毛管孔隙中以通气孔隙为主，总孔隙度高而毛管孔隙度低的土壤往往通气孔隙偏多。本研究中供试土壤的总孔隙度表现为0—20 cm土层高于20—40 cm土层，而毛管孔隙度则相反，表明0—20 cm土层通气孔度高于20—40 cm，这符合农田土壤“上松下实”的土体构造[25]。另外，与RG0相比，秸秆颗粒配合不同耕作措施在一定程度上增加0—20 cm土层土壤总孔隙度而降低土壤毛管孔隙度，这是因为秸秆颗粒为直径约5 mm，长度4—6 cm的短棒状，还田后易在土体内形成大孔隙。

随着试验年限的增加，施用秸秆颗粒降低土壤容重、提高田间持水量以及土壤总孔隙度的幅度逐渐增大，这主要有两方面原因：一是随着年份的增加，秸秆颗粒在土壤中逐渐腐解，产生的腐殖酸利于良好土壤团粒结构的形成[26-27]，促进土壤水、肥、气、热的协调；二是秸秆颗粒由秸秆粉末挤压制备而成，其容重约为447 g·L-1，显著低于土壤，且具良好的吸水、保水性[28]，故而2018年再次投入秸秆颗粒后对土壤物理性状有更大幅度的改善。

3.2 旋耕配合秸秆颗粒还田对土壤团聚体特征的影响

土壤团粒结构体通常是指＞0.25 mm的团聚体，可用其所占比例（0.25）来说明土壤团聚体数量变化；另外，土壤团聚体平均重量直径（）、平均几何直径（）以及分形维数（）也是反映土壤团聚体大小及分布状况的常用指标，与值越大、值越小，表明团聚度越高，团聚体稳定性越强[20]。研究土壤团聚体大小分布以及稳定性则能较好地反映土壤结构特征[29]。本研究中，不同处理并未改变土壤团聚体粒级分布，均以0.25—1 mm粒级团聚体占比最高，0.25、与3个指标的显著性水平分异较更明显，表明此三者对于各处理的敏感度较高，更利于观察秸秆颗粒施用方式对土壤结构的影响。因而当前对于团聚体特征的研究中，大多数学者倾向于用与进行评价[30]，少数学者也选择来评价[31]，可能与其敏感性不同有关。本研究中深翻处理并未对20—40 cm土层的土壤团聚体稳定性产生积极影响。前人研究发现，耕作使土壤团聚体稳定性较开垦前下降[13,32]，而本研究中旋耕处理对20—40 cm土层扰动少，类似于开垦前土壤，而深翻则对0—40 cm土层均有扰动，因此经深翻处理的土壤团聚体稳定性有所下降，本研究中采用隔年深翻配施秸秆颗粒的耕作模式在一定程度上也降低了年年深翻对土壤的扰动。此外，与不施用秸秆颗粒相比，施用秸秆颗粒的旋耕处理在一定程度上提高了团聚体稳定性。这表明秸秆颗粒有促进土壤团聚体稳定的效应，主要原因在于秸秆腐解后产生的腐殖酸类物质是土壤团聚体重要的胶结物质，促进微团聚体向大团聚体团聚，从而增加团聚体稳定性[33]。但是不同秸秆颗粒用量间的差异并不显著，这与先前在黄淮海地区小麦-玉米轮作系统下不同秸秆颗粒用量差异显著的结论[15]不一致。其原因，一是本研究中秸秆颗粒的施用量低（先前施用的秸秆颗粒最低量为6 000 kg·hm-2），秸秆颗粒本身腐解速率快[14]，加之添加了促腐剂更促进了腐殖酸及秸秆养分的快速释放，使得处理前期效果更显著；二是秸秆颗粒呈短圆柱状，极易在耕作时滚动，有可能在土体内呈团簇状不均匀分布[34]，造成了取样的均匀度不一致。

3.3 土壤团聚体结构对基本物理性状的影响效应及综合分析

土壤团聚体是土壤结构的重要组成单位，它的数量以及大小在一定程度上反映土壤供储养分、持水性、通透性等能力的高低[18]。本研究通过冗余分析发现，＞2 mm粒级团聚体是极显著影响0—20 cm土层土壤物理性状的因子，这是因为土壤大团聚体越多、越稳定，越能形成良好的孔隙结构[35]，在降低土壤容重的同时，增强其持水保水能力；而对于20—40 cm土层0.5—1 mm粒级团聚体与是显著影响因子，表明20—40 cm土层可能受多种粒级团聚体共同作用。本研究发现，秸秆颗粒配合旋耕处理对各物理性状有着更积极的影响，20—40 cm土层物理性状也表现为旋耕优于深翻，可能与养分的迁移作用有关。前人研究表明，受淋溶作用以及人为活动等的影响，生物炭逐渐向下层土壤迁移[36]，5年后其对深层土壤物理结构的影响更强[20]。本研究在3年内即表现出对下层土壤的显著影响，主要因为秸秆颗粒在培养的前60 d为快速腐解期，平均腐解速率达0.068 g·d-1[14]，能够较快生成腐殖酸，烤烟生长季恰是雨季，腐殖酸易随水迁移至下层土壤，促进了下层土壤团聚体形成及稳定性增加[34]。聚类分析发现，GR3处理在对0—20与20—40 cm土层的综合影响效应中均居于一类水平，对综合物理性状的影响贡献中排序最前，因此从提高秸秆消纳量，降低机具能耗、节约成本的角度，推荐秸秆颗粒以6 750 kg·hm-2用量配合旋耕来改善当地烟田物理性状。值得指出的是，本研究考虑到烟草品质以及生产成本，最高选择6 750 kg·hm-2的秸秆颗粒用量进行试验，结果也证明，该最高用量下土壤物理性状的综合效应表现最好，故今后仍需细化秸秆颗粒用量并结合烤烟品质进行研究，结合经济效益以及生态效益评估烟田最佳秸秆颗粒用量。

4 结论

4.1 增加秸秆颗粒用量可显著改善植烟土壤物理性状，以高量效果最显著。旋耕与深翻分别是造成0—20与20—40 cm土层土壤容重降低、田间持水量与土壤孔隙度提升的主要耕作方式。与秸秆颗粒还田量相比，耕作方式是土壤物理性状分异的主要因素。

4.2 秸秆颗粒配合深翻以及旋耕可不同程度提高0—20 cm土层团聚体稳定性。0.5—1 mm与0.106— 0.25 mm粒级团聚体同为0—20与20—40 cm土层土壤物理性状分异的主要因子，对两个土层综合物理性状变异解释率分别为＞66%与＞48%。

4.3 聚类分析表明，RG3处理在对0—20与20—40 cm土层物理性状的综合排序里均居于一类水平，因此从提高秸秆资源化利用、降低农机具耕作成本的角度，推荐秸秆颗粒用量6 750 kg·hm-2配合旋耕，作为改善当地烟田土壤物理结构的可行措施。

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Improving Farmland Soil Physical Properties by Rotary Tillage Combined with High Amount of Granulated Straw

DONG JianXin1, 2, SONG WenJing2, CONG Ping1, 2, LI YuYi1, PANG HuanCheng1, ZHENG XueBo2, WANG Yi3, WANG Jing1, KUANG Shuai2, XU YanLi2

1Institute of Agricultural Resources and Regional Planning, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100081;2Tobacco Research Institute, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Qingdao 266101, Shandong;3Weifang Tobacco Company of Shandong Province, Weifang 261205, Shandong

【】Aiming at the problems of soil physical properties deterioration because of the high input of chemical fertilizer and frequent cultivation, such as soil hardening, permeability reduction and water stable aggregate quantity decrease, the feasibility of improving the above soil physical properties by straw granular fertilizer and cultivation method was discussed.】Three years of field experiments were carried out with rotary tillage + no straw granular fertilizer (RG0) as the control. The three kinds of straw granular fertilizer (G1: 2 250 kg·hm-2, G2: 4 500 kg·hm-2, G3: 6 750 kg·hm-2) and two tillage methods (rotary tillage: R, deep burying: T) were set, and the effects of straw granular fertilizer and tillage methods on soil bulk density, field water holding capacity, soil porosity and soil aggregate stability were studied. 【】The results showed that: (1) Compared with RG0, RG treatment significantly reduced soil bulk density in 0-20 cm soil layer by 6.7%-16.5%, while TG treatment significantly reduced soil bulk density in 20-40 cm soil layer by 3.0%-9.8%. The decrease rate of the high amount of straw granular returning was the highest. (2) RG was more conducive to increase the field water capacity of 0-20 cm soil layer, with RG3 increasing the most significant, up to 14.9%; the amount of straw granule fertilizer significantly affected the field water capacity of 20-40 cm soil layer, and the effect of twice and three times treatment was the most significant. (3) The total porosity of 0-20 cm soil layer was significantly affected by tillage, which was increased up to 17.9% under RG3, while TG3 significantly increased it in 20-40 cm soil layer. RG2 and RG3 could significantly increase the capillary porosity of 20-40 cm soil layer during three years. (4) The stability of soil aggregates in 0-20 cm soil layer was significantly improved under RG treatment in the later stage of returning to the field. What’s more, aggregate size of ＞2 mm, ＜0.106 mm, 0.5-1 mm, 0.106-0.25 mm and 1-2 mm were the important components (Exp＞66%) that affected the physical properties of 0-20 cm soil layer, while 0.5-1 mm and 0.106-0.25 mm particle size aggregates were the important components (Exp＞48%) that affected the physical properties of 20-40 cm soil layer. 【】Treatment of RG3 reduced the soil bulk density, improved the water holding capacity, and promoted the soil aggregates stability of the two soil layers at the same time. Cluster analysis further indicated that the soil physical properties were at the first level treated by RG3. Thus, 6 750 kg·hm-2of straw granular fertilizer combined with rotary tillage was a feasible measure to improve the physical structure of local tobacco field soil effectively, and also provided technical guidance for the utilization of crop straw.

granulated straw; tillage management; soil physical properties; aggregate stability