秸秆还田量对陇中旱作麦田土壤团聚体稳定性和有机碳含量的影响

王永栋，武 均,2，蔡立群,2,3，张仁陟,2,3

(1.甘肃农业大学资源与环境学院，甘肃 兰州 730070；2.甘肃农业大学甘肃省干旱生境作物学重点实验室，甘肃 兰州 730070；3.甘肃省节水农业工程技术研究中心，甘肃 兰州 730070)

土壤团聚体是土壤结构组成的基本单元，也是土壤肥力的物质基础，其数量、大小与分布影响着土壤物理结构、养分物质循环和微生物活动等，是评价土壤质量的重要指标[1]。土壤团聚体稳定性是土壤可持续利用和土壤生产力水平的主要影响因素[2]，其中团聚体的水稳定性与土壤的抗侵蚀能力密切相关，稳定的土壤团聚体能减少水土流失和土壤养分损失的风险，提升土壤的固碳、固氮能力[3]。土壤有机碳是土壤的重要组成部分，不仅对土壤的理化性质具有调控作用，也决定着土壤肥力[4]。土壤有机碳与团聚体之间联系紧密，一方面在团聚体的形成与稳定中，土壤有机碳作为重要的胶结物质，通过增强土粒间的团聚性来保证团粒结构的稳定性；另一方面土壤团聚体为有机碳的形成与转化提供载体，其对土壤有机碳的物理保护作用是碳固定和稳定的主要机制[5-6]。

作物秸秆是农田生态系统中的可再生资源，而秸秆还田是秸秆资源利用的有效途径。有研究表明，秸秆还田在改良土壤物理性状、提高土壤养分含量和增加作物产量等方面作用显著[7]。秸秆还田对增加土壤大团聚体数量和提升团聚体稳定性有积极的影响，主要是因为秸秆腐解通过增强土壤微生物活动和刺激土壤酶活性产生的效应[8]。WANG等[9]研究发现秸秆还田可以提升土壤有机碳含量，也有研究认为土壤有机碳储量的增加是有限度的，只有在土壤有机碳未达到饱和时才能有效提升其含量[10]。秸秆还田后，自身的碳素经矿化和腐殖化过程成为了土壤有机碳，同时因秸秆碳的激发效应加速了土壤原有有机碳的矿化，而秸秆作为外源添加物质，其数量和质量是影响有机碳激发效应的关键因素[11]。刘晓舟[12]研究认为小麦秸秆比玉米秸秆对土壤团聚体形成与稳定的影响更显著，可能与不同作物秸秆的生物利用度差异有关。韩新忠等[13]研究表明在江淮平原地区3 000 kg·hm-2的小麦秸秆还田量处理作物增产显著、土壤养分和酶活性明显提高；而张静等[14]和孟庆英等[2]分别在黄土高原有灌溉条件的地区和辽宁省半干旱地区的研究结果显示，玉米秸秆还田量分别为9 000 kg·hm-2和12 000 kg·hm-2时对土壤肥力和作物产量的促进效果最好，可见由于土壤类型和气候条件等因素间的差异，导致适合不同区域的秸秆还田模式不一致。陇中黄土高原水土流失严重，生态环境脆弱，秸秆还田能促进农田生态系统的良性循环，有效缓解上述现象。有关该区不同耕作措施的影响研究众多[15-16]，但未能明确合理的还田秸秆类型和还田量。因此，为探究秸秆还田对陇中黄土高原旱作农田土壤团聚体稳定性和有机碳的影响，本研究对土壤团聚体稳定指数和有机碳及二者间关系进行测定与分析，为探寻适宜该区的秸秆类型和还田量提供有效参数，为秸秆高效利用、改善土壤质量和提升土壤生产力提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验布设于陇中黄土高原半干旱丘陵沟壑区的甘肃省定西市李家堡镇麻子川村。该区平均海拔2 000 m，年均大气温度6.4℃，≥ 0℃积温2 933.5℃，≥ 10℃积温2 239.1℃，无霜期140 d，多年平均降水量390.9 mm，年蒸发量1 531 mm，干燥度2.53，80%保证率的降水量365 mm，变异系数为24.3%，是典型的雨养农业区。土壤为典型的黄绵土，土质绵软，质地均匀，土层深厚，储水性能良好。试区土壤基本理化性质：pH 8.13，有机碳8.06 g·kg-1，全氮0.88 g·kg-1，碱解氮56.35 mg·kg-1，速效磷24.71 mg·kg-1，速效钾132.50 mg·kg-1，0～200 cm平均土壤容重 1.17 g·cm-2。

1.2 试验设计

试验选用两种秸秆类型(小麦秸秆、玉米秸秆)，根据当地小麦和玉米的常规秸秆产量分别为3 500 kg·hm-2和10 000 kg·hm-2，设置4个还田量水平，分别为：0、3 500(低量)、7 000(中量)、14 000 kg·hm-2(高量)，共7个处理(CK：秸秆不还田；W1：低量小麦秸秆还田；W2：中量小麦秸秆还田；W4：高量小麦秸秆还田；C1：低量玉米秸秆还田；C2：中量玉米秸秆还田；C4：高量玉米秸秆还田)，各处理3次重复，共计21个小区，采用随机区组排列，小区面积为2 m×3 m=6 m2。试验种植作物为‘定西40号’春小麦，自2019年开始，于每年3月下旬播种，8月收获，播种量187.5 kg·hm-2，行距20 cm。各处理播种前均施N 105 kg·hm-2(尿素，纯氮含量为46%)，P2O545.9 kg·hm-2(过磷酸钙，P2O5含量为14%)。小麦秸秆和玉米秸秆均为该试验区其他地块种植的当季作物产生，分别于每年8月和10月对应小麦和玉米收获后，采用人工搬迁的方式转移秸秆，用铡草机将其切割为3～5 cm长的小段，按本试验处理所需均匀散布于还田小区内，并利用旋耕机将其翻埋入土壤(三耕两耱，耕深18±2 cm)。

1.3 样品采集与测定

2020年8月作物收获后采用五点法分别采集各小区0～10，10～20，20～30 cm土层原状土样1 000 g左右，装入硬质塑料保鲜盒带回实验室后，除去植物根系、杂草、小石块等杂物，沿土块自然裂隙剥成直径约为1 cm的土块后于通风干燥处风干，分别取500 g用于土壤团聚体分析和土壤理化指标测定。

土壤机械稳定性(MS)和水稳性团聚体(WS)测定分别采用干筛法和湿筛法[17]。将一定质量的风干土通过孔径依次为5、2、1、0.25 mm的套筛，分别称重并计算出干筛的各级团聚体百分含量，之后按照其各粒级的比例配出50 g土样，平铺于套筛上(套筛孔径自上而下依次为2、1、0.25 mm)，用去离子水浸润10 min后，手动上下振动套筛20次，幅度为3 cm。振动完毕后将套筛取出，留在套筛上的各级团聚体用水洗入铝盒，待沉降后弃去上清液，在55℃下烘干后称重，得到湿筛的各级团聚体百分含量。

土壤有机碳采用重铬酸钾外加热法测定。

1.4 计算方法

PAD(团聚体破碎率)=(Md-Mw)×100/Md

式中，Xi为第i粒级团聚体平均直径；Wi为第i粒级团聚体质量百分比；Md和Mw分别为>0.25 mm粒级干筛和湿筛的团聚体质量百分数。

1.5 数据处理

文中数据、图表用Microsoft Excel 2010处理，SPSS 20.0软件进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 秸秆还田对团聚体粒径分布的影响

2.1.1 机械稳定性团聚体分布 如图1所示，各处理土壤均表现为以<0.25 mm粒级团聚体含量最高(在26.75%～35.09%范围)，其次是>5 mm粒级团聚体(在16.99%～20.19%范围)，1～2 mm粒级团聚体含量最低(在13.90%～17.87%范围)。随着土层的加深，<0.25 mm粒级团聚体含量降低，其他粒级含量均增加。在0～30 cm土层，相比于CK，各秸秆还田处理均不同程度降低了<0.25 mm粒级团聚体含量，增加了>5、2～5和1～2 mm粒级团聚体含量，而0.25～1 mm粒级团聚体含量变化不明显，此趋势整体上均以C2处理的效果最显著，在小麦秸秆还田处理中均以W2处理效果最显著。在0～10、10～20、20～30 cm土层，相比于CK，C2处理的<0.25 mm粒级团聚体含量分别降低了18.69%、19.77%和21.74%，W2处理分别降低了16.64%、16.62%和17.00%。

图1 不同秸秆类型和还田量对土壤机械稳定性团聚体分布的影响

2.1.2 水稳性团聚体分布 如图2所示，各处理土壤均表现为以<0.25 mm粒级团聚体含量最高(在72.47%～83.03%范围)，其次是0.25～1 mm粒级团聚体(在6.05%～11.41%范围)，≥2 mm粒级团聚体含量最低(在3.80%～8.01%范围)。随着土层的加深，<0.25 mm粒级团聚体含量增加，其他粒级含量均降低。在0～30 cm土层，相比于CK，各秸秆还田处理均不同程度降低了<0.25 mm粒级团聚体含量，增加了>0.25 mm各粒级团聚体含量，整体上均以C2处理的效果最显著，在小麦秸秆还田处理中均以W2处理效果最显著。在0～10、10～20、20～30 cm土层，相比于CK，C2处理的<0.25 mm粒级团聚体含量分别降低了8.95%、5.59%和7.92%，W2处理分别降低了6.90%、4.58%和7.56%。

图2 不同秸秆类型和还田量对土壤水稳性团聚体分布的影响

2.2 秸秆还田对团聚体稳定性的影响

2.2.1 土壤团聚体平均重量直径 由图3可知，各处理土壤机械稳定性团聚体MWD值在2.18～2.57 mm范围，不同土层间差异不明显。在0～30 cm土层，相比于CK，各秸秆还田处理均不同程度提高了MWD值，且均以C2处理的提升幅度最大，其次是W2处理。在0～10 cm和20～30 cm土层，C2处理的MWD值较CK分别显著提高了16.06%和16.29%，其他处理间差异不显著；在0～10 cm和10～20 cm土层，小麦秸秆还田处理中均以W2处理的MWD值最大，且较CK分别提高了9.63%和6.11%。各处理土壤水稳性团聚体MWD值在0.43～0.55 mm范围，且随土层加深其MWD值逐渐降低。在0～10 cm土层，各处理MWD值以C4处理最大，C2处理次之，CK最小；在10～20 cm土层，W2、W4、C2和C4处理的MWD值均较CK显著提高了10.87%；在20～30 cm土层，各秸秆还田处理MWD值均显著高于CK，其中W2处理MWD值较CK显著提高了20.93%。相比于CK，整体上玉米秸秆还田比小麦秸秆还田处理对MWD值的提升幅度更大。

注：同一土层不同小写字母表示处理间差异显著(P<0.05)，下同。

2.2.2 土壤团聚体几何平均直径 由图4可知，各处理土壤机械稳定性团聚体GMD值在0.80～1.08 mm范围，不同土层间差异不明显。在0～30 cm土层，相比于CK，各秸秆还田处理均不同程度提高了GMD值。在0～10 cm和10～20 cm土层，各处理GMD值均以C2处理最大，W2处理次之，其中C2处理的GMD值较CK显著提高了28.75%和20.00%；在20～30 cm土层，W4、C2和C4处理的GMD值较CK分别显著提高了18.07%、30.12%和19.28%。各处理土壤水稳性团聚体GMD值在0.33～0.38 mm范围，不同土层间差异不明显。在0～30 cm土层，C2处理的GMD值均显著高于CK，且在各土层分别显著提高了11.76%、8.82%和6.06%；在小麦秸秆还田处理中均以W2处理的GMD值最大，在20～30 cm土层，W2处理的GMD值较CK显著提高了12.12%。相比于CK，整体上玉米秸秆还田比小麦秸秆还田处理对MWD值的提升幅度更大。

图4 不同秸秆类型和还田量对土壤机械稳定性和水稳性团聚体几何平均直径的影响

2.2.3 土壤团聚体破碎率 由图5可知，各处理土壤团聚体破碎率(PAD)在59.50%～74.37%范围，且随土层加深PAD呈增加的趋势。在0～30 cm土层，相比于CK，各秸秆还田处理均不同程度降低了土壤团聚体破碎率。在0～10 cm土层，C1处理的土壤团聚体破碎率较CK显著降低了13.23%，其他处理间差异不显著；在10～20 cm土层，各处理土壤团聚体破碎率以C4处理最小，C2处理次之，在20～30 cm土层，各处理土壤团聚体破碎率以W2处理最小，C1处理次之，且各处理间差异未达显著性水平。相比于CK，整体上玉米秸秆还田比小麦秸秆还田处理对土壤团聚体破碎率的降低幅度更大。

图5 不同秸秆类型和还田量对土壤团聚体破碎率的影响

2.3 秸秆还田对土壤有机碳的影响

由图6可知，各处理土壤有机碳含量随土层加深而降低。在0～30 cm土层，相比于CK，各秸秆还田处理均显著提高了土壤有机碳含量，且均以C4处理最高，在各土层C4处理的土壤有机碳含量较CK分别显著提高了31.37%、36.00%和36.31%。玉米秸秆还田处理中，在0～30 cm土层各处理土壤有机碳含量按其高低排序均为C4>C2>C1；小麦秸秆还田处理中，在0～10 cm土层，各处理土壤有机碳含量以W4处理最高，较CK显著提高了26.08%，在10～20 cm和20～30 cm土层，各处理土壤有机碳含量均以W2处理最高，且较CK分别显著提高了27.87%和29.85%。相比于CK，整体上玉米秸秆还田比小麦秸秆还田处理对土壤有机碳含量的提升幅度更大。

图6 不同秸秆类型和还田量对土壤有机碳含量的影响

2.4 土壤有机碳与团聚体稳定性间的相关性与多元回归分析

如表1所示，在0～20 cm土层，土壤机械稳定性团聚体MWD和GMD与有机碳含量呈显著正相关关系，而在20～30 cm土层关系不显著；在0～30 cm土层，土壤水稳性团聚体MWD和GMD与有机碳含量呈极显著正相关，土壤团聚体破碎率PAD与有机碳含量呈极显著负相关。

表1 土壤有机碳与团聚体稳定性相关关系

由于土壤有机碳含量与水稳性团聚体稳定指数MWD和GMD关系达到显著水平，可对其进行多元回归分析。结果显示，土壤有机碳含量与平均重量直径MWD的拟合方程为y=-160.32x2+179.98x-40.349，R2为0.7257，土壤有机碳含量与几何平均直径GMD的拟合方程为y=-922.16x2+706.81x-125.35，R2为0.7495，此外，土壤有机碳含量与团聚体破碎率PAD的拟合方程为y=-0.0094x2+1.0864x-21.273，R2为0.5007。可见土壤有机碳含量与水稳性团聚体几何平均直径GMD的拟合关系更适合描述土壤有机碳含量与团聚体稳定性的关系。

3 讨 论

随着土层的加深，水稳性团聚体粒径逐渐减小，大团聚体数量逐渐降低，而机械稳定性团聚体趋势与之相反，与田慎重等[18]研究结果一致，这可能是耕作对土壤的扰动程度和土壤胶结物质分布差异造成的。本研究发现，各处理土壤机械稳定性团聚体以>0.25 mm团聚体为主，水稳性团聚体以<0.25 mm团聚体为主，武均等[15]研究认为本研究区土壤易因湿筛分析时水分快速入渗而造成团聚体破裂和崩解，该作用常导致较大团聚体变为微团聚体(<0.25 mm)。关于添加秸秆对土壤团聚体的影响与多数研究结果[19-20]一致，即秸秆还田能不同程度降低<0.25 mm粒级团聚体，增加>0.25 mm各粒级团聚体含量。秸秆进入土壤后，一方面直接被土壤中的细小颗粒附着在秸秆上形成大团聚体[21]；另一方面秸秆在分解过程中产生的腐殖酸可与土壤中的钙、镁结合，形成水稳性土壤团粒结构，同时产生形成团聚体所需的多种胶结物质，通过胶结和吸附作用使微团聚体向大团聚体转移，提高土壤团聚体团聚度，这是影响土壤团聚体含量和稳定性的内在因素[22-23]。土壤团聚体稳定性可反映在外界环境变化的影响下，土壤团聚体维持其原有结构的能力。本研究发现，秸秆还田不同程度提升了土壤团聚体的MWD和GMD，降低了团聚体破碎率PAD，这与多数研究[2,16]结果一致，这3种指标在表征土壤团聚体稳定性上具有一致性，MWD和GMD值越大，团聚体破碎率越小，则团聚体越稳定。尤其在中秸秆还田量处理下对团聚体稳定性的提升效果显著，表明适宜的秸秆还田能提升土壤大团聚体的数量和质量，增加微团聚体的团聚能力；而高秸秆还田量不利于大团聚体的形成和稳定。在试验期间受当地环境条件限制，低量和中量秸秆施入土壤后腐解率较高，促进了小麦的生长发育和土壤结构的改良；而高量秸秆腐解不充分，未腐解的部分约占三分之二，这导致土壤环境变差，降低小麦出苗率的同时延迟了其生育时期。此外，玉米秸秆比小麦秸秆还田时对土壤团聚体改良效果更好，这可能与其对微生物活性的影响最适有关。土壤团聚体稳定性与土壤中胶结物质的生物稳定性关系密切，微生物可以形成多种生物膜结构，使胶结物质保持更高的稳定性，从而提升团聚体的稳定性，而玉米秸秆中酚类物质含量偏高，更易于形成稳定的大团聚体[24]。

土壤有机碳的变化是其输入和输出的相对关系决定的，即有机物质的矿化损失、腐殖化过程和团聚作用的累积、土壤物质迁移等构成的动态平衡[25]。本研究发现，随着土层的加深土壤有机碳含量降低，这可能与耕层深度、作物根系和微生物的分布有关。秸秆还田相比不还田提升了土壤有机碳含量，且在表层土壤秸秆还田量越高，提升效果越显著，与张鹏等[20]研究结果一致。原因是秸秆进入土壤后为微生物提供了丰富的碳、氮源，促进了微生物对有机物质的分解利用和重新形成腐殖质的过程，土壤有机碳的原有平衡被打破，秸秆和土壤物质产生新的有机碳，提升了土壤的固碳潜力[26]。本试验秸秆在旋耕还田后集中在表层土壤，这部分土壤对环境变化更为敏感，其水热条件和通气性能更适宜秸秆的腐解，随着秸秆施入量的增加，还田效应越明显。在下层土壤，随着玉米秸秆还田量的增加有机碳含量在提高，而高量较中量小麦秸秆还田时有机碳含量不再提升，这可能是由于秸秆性质差异引起的，高量小麦秸秆还田使下层土壤空间温度上升，加剧了微生物活动，秸秆碳源的消耗速率加快，同时激发效应导致的土壤原有有机碳的矿化损失增加，抵消了部分秸秆碳积累量[27]。此外，胡乃娟等[28]研究发现，相比高量秸秆，中低量秸秆还田在提高土壤有机碳方面具有显著优势，可能是因为秸秆还田量过高会使土壤碳氮比失衡，没有足够的氮素供应时，微生物繁殖活动被抑制，导致秸秆腐解率降低。也有研究认为[29]，秸秆还田对土壤有机碳的增加作用主要体现在对难降解有机碳的贡献，秸秆的加入促进了土壤有机碳的稳定性，因此高量秸秆还田对土壤有机碳的提升并不能良好地体现在对作物的碳素供应上。本研究发现，玉米秸秆还田对土壤有机碳含量的提升效果好于小麦秸秆，原因可能是玉米秸秆的碳、氮素含量高于小麦秸秆，且碳氮比低于小麦秸秆，其易分解的水溶性物质和粗蛋白质含量高，难分解的纤维素和木质素含量低，短期内比小麦秸秆腐解更快、养分释放率更高[27]。

相关性和多元回归分析结果表明，土壤有机碳与机械稳定性团聚体稳定指数显著正相关，与水稳性团聚体稳定指数呈极显著正相关关系，与张翰林等[30]研究结果类似，进一步说明土壤团聚体与有机碳间相互促进和稳定的作用关系。土壤有机碳与PAD呈极显著负相关关系，但其方程的拟合度偏低，而土壤有机碳与水稳性团聚体GMD的拟合度最高，说明二者间的拟合关系更适合描述土壤有机碳与团聚体稳定性的关系。

4 结 论

陇中黄土高原旱作农田土壤机械稳定性团聚体以>0.25 mm各级团聚体为主，且随土层加深其团聚体粒径逐渐增大，而水稳性团聚体均与之相反；秸秆还田可降低<0.25 mm粒级团聚体含量，同时提升土壤团聚体稳定指数MWD和GMD，降低团聚体破碎率PAD，在中量秸秆还田时效果最好，且玉米秸秆比小麦秸秆效果更明显；秸秆还田提升了土壤有机碳含量，表层土壤随秸秆还田量的增加提升幅度越大。多元回归分析结果表明，土壤有机碳与水稳性团聚体GMD的拟合关系更适合描述土壤有机碳与团聚体稳定性的关系。综上，在玉米秸秆还田量7000 kg·hm-2时最适宜改良土壤团聚体结构和提升土壤固碳潜力。