秸秆还田方式对砂姜黑土有机碳组分和孔隙结构的影响

2023-11-26丁天宇郭自春钱泳其王玥凯黄先金张中彬彭新华

农业工程学报 2023年16期

丁天宇，郭自春，钱泳其，王玥凯，黄先金，张中彬，彭新华

（1. 中国科学院南京土壤研究所土壤与农业可持续发展国家重点实验室，南京 210008；2. 中国科学院大学现代农业科学学院，北京 100049）

0 引言

土壤有机碳（soil organic carbon，SOC）是土壤肥力的核心，也是评价土壤质量的重要指标，在农业生产中起着重要作用[1]。SOC 通常划分成颗粒态有机碳（particulate organic carbon，POC）和矿物结合态有机碳（mineral-associated organic carbon，MAOC）两部分[2]。POC 是由未分解或半分解的植物残体和部分微生物分解产物组成的一种混合物[3]，具有比重小（小于1.85 g/cm3）、颗粒大（53～2 000 μm）、C/N 比高（10～40）、周转快（几年至几十年）、易被微生物分解的特征，是土壤有机质最活跃的组分。POC 对土地利用方式或管理措施变化的响应比SOC 和MAOC 更加敏感[4]，其微小的变化将会对大气CO2浓度产生显著影响，此外，POC 具有明显改善土壤结构的作用[5]。

秸秆是POC 的主要来源，不同还田方式对POC 的含量影响存在差异。严昌荣等[6]发现，与旋耕还田相比，免耕覆盖还田使褐土0～5、＞5～10 cm 土层POC 含量均提高了15%；姬强等[7]报道了免耕还田较旋耕还田，使褐土＞10～20 cm 土层POC 含量显著提高了16.1%，0～10、＞10～30 cm 土层POC 含量则无显著性差异；崔思远[8]研究发现与旋耕还田相比，深翻还田使水稻土0～5 cm 土层POC 含量减少了9.1%，使＞10～20 cm 土层POC 增加了6.2%。因此，不同秸秆还田方式影响土壤中POC 含量和分布，但在不同土壤类型、耕作方式和气候等条件下，秸秆还田量及分解转化过程存在差异，对POC 的影响结果并不一致。

不同秸秆还田方式也会对土壤孔隙结构特征产生不同的影响。钱泳其等[9]发现与旋耕还田相比，免耕还田使砂姜黑土0～20 cm 土层内，＞60 μm 孔隙度降低了65.8%，深翻还田则提高了23.4%；邱琛等[10]发现与旋耕还田相比，深翻还田使黑土0～15 cm 土层＜500、＞500～1 000 和＞1 000 μm 的孔隙度分别降低了14.2%、47.6%、23.9%。由于不同耕作方式对于土壤的扰动方式不同，而当秸秆还至不同深度后，其对孔隙结构的改善程度会存在显著差异[11]。然而，上述研究多集中在0～20 cm 土层，有关＞20～40 cm 土层内孔隙结构变化特征鲜有报道。

砂姜黑土是中国典型的中低产田土壤类型之一，虽然土体颜色黑，但SOC 含量偏低（＜ 1.5%），腐殖化程度高，质量差[12]。耕层容重高，其范围一般在1.22～1.65 g/cm3[13]。通过区域采样分析，发现SOC 和容重是限制其作物产量的关键障碍因子[13]。淮北平原普遍实行冬小麦-夏玉米轮作制度，具有丰富的秸秆资源。在过量施用化学肥料和有机肥投入严重不足的条件下，秸秆作为一种重要的外源有机物料，还田后不仅能有效增加土壤有机碳含量，同时能够显著降低土壤容重[14]。目前，砂姜黑土区还田的方式主要有：免耕覆盖还田、浅旋耕还田、深耕翻埋还田。不同耕作方式对土壤的扰动方式不同，因而对有机碳组分和孔隙结构特征的影响存在较大差异。此外，以往的研究多集中在耕层，对于亚耕层的研究报道还缺乏系统比较。因此，本研究利用砂姜黑土连续6 a 耕作还田定位试验，探究不同秸秆还田方式（免耕还田、旋耕还田、深翻还田）对砂姜黑土不同土层（0～10、＞10～20、＞20～40 cm）有机碳组分和孔隙结构的影响，以期为砂姜黑土区中低产田改良和秸秆资源综合利用提供理论依据和技术支撑。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验位于安徽怀远龙亢农场（33°32′N，115°59′E），该地区属于暖温带半湿润季风气候，年均气温14.8 ℃，年均降水量912 mm。土壤类型为河湖相石灰性沉积物发育的砂姜黑土，含砂粒8.0%、粉粒54.1%、黏粒37.9%，在美国土壤系统分类中属于变性土。试验开始前，耕层土壤容重为1.35 g/cm3，有机碳11.5 g/kg，全氮1.29 g/kg，全磷0.39 g/kg，全钾7.91 g/kg，碱解氮146 mg/kg，有效磷18.9 mg/kg，速效钾162 mg/kg，pH 值为7.24。

1.2 试验设计与田间管理

试验地自2015 年实行冬小麦-夏玉米轮作制度，小麦（6 月）和玉米（10 月）收获后全量粉碎还田。试验采用单因素随机区组设计，共设置免耕还田（NTS），旋耕还田（RTS）和深翻还田（DPS）3 个处理，3 次重复，共9 个小区，小区面积为80 m2（10 m×8 m）。

如图1 所示，免耕还田（NTS）：全年不耕作，玉米和小麦收获后秸秆粉碎覆盖在土壤表层，采用中国农业大学研制的免耕播种机一次性完成播种和镇压作业。旋耕还田（RTS）：玉米收获后秸秆粉碎还田，采用1GKN-200H 型旋耕机旋耕2 遍，作业深度15 cm；小麦收获后秸秆粉碎覆盖还田并进行免耕播种。深翻还田（DPS）：玉米收获后秸秆粉碎还田，采用1 LFT-435 型翻转犁进行25～30 cm 深翻作业，并浅旋10 cm 以打碎大土块；小麦收获后秸秆粉碎覆盖还田并进行免耕播种。试验地施用的化肥为尿素、过磷酸钙和氯化钾，每季基肥施用量N 为 100 kg/hm2、P2O5为60 kg/hm2、K2O 为90 kg/hm2，小麦、玉米拔节期各追施N 为 110 kg/hm2。

图1 不同秸秆还田方式作业原理及施用的农机具Fig.1 Operating principle of different straw return methods and agricultural machinery

1.3 样品采集

在2021 年9 月下旬玉米收获时采集土壤样品。样品采集方法：玉米收获后利用PVC 环刀（内径5 cm、高5 cm）随机采集3 个土层（0～10、＞10～20 和＞20～40 cm）原状土样，用保鲜膜包裹（防止水分蒸发）带回实验室。原状环刀样品先置于超纯水中充分饱和，再置于压力膜仪中，在33 kPa 水吸力（田间持水量）下达到水分平衡后取出进行CT 扫描。在原状土附近采集混合土样带回实验室，风干后用于测定SOC 及其组分。同时每个小区采用体积为100 cm3的环刀分层采集原状土壤带回实验室，采用烘干法测定土壤容重。

1.4 CT 扫描与图像处理

利用显微CT（Phoenix Nanotom，Germany）扫描原状土柱样品，扫描电压为100 kV，电流为90 μA，曝光时间为1.25 s，每个土柱在样品台匀速旋转 360°，在此过程中共采集2 303 幅图，图像分辨率为25 μm。利用Datos | x2 Rec 软件进行图像重建，得到2 303 张8 位灰度图像，存储为tiff 格式。

利用Image J 软件（https://imagej.nih.gov/ij/）进行图像处理与分析。首先调节图像亮度和对比度以增强图像，并应用半径为2 个像素的高斯滤波器进行滤波，降低图像噪声。为降低边缘效应，选择图像的中心区域作为感兴趣区域（region of interest,ROI），ROI 为直径1 770个体素、高1 700 个体素的圆柱体，实际大小为直径44.3 mm、高42.5 mm。使用“默认”自动阈值进行图像分割，然后对二值图像进行分析。

孔隙结构可视化通过软件VG Studio Max 2022 获得。利用Image J 软件计算土壤大孔隙度和孔径分布、孔隙形态参数（水力半径、分形维数）和孔隙网络参数（全局连通性、最大连通网络孔隙度）[15]。水力半径定义为土壤大孔隙体积与表面积之比，水力半径越大，孔隙的导水导气能力越大[9]。大孔隙度指基于CT 图像得到的孔隙（＞50 μm）体积占ROI 总体积的百分比，本研究中识别的最小孔径为50 μm。按照孔径大小划分为5 个等级，分别为50～100、＞100～200、＞200～300、＞300～500和＞500 μm。孔径分布通过Bone J 插件的“Thickness”计算得到。

分形维数是孔隙结构几何形状复杂程度的定量参数，随着孔隙形态复杂程度的增加而增大[16]。最大连通网络孔隙度是指土壤中最大的相互连通大孔隙网络的体积占ROI 体积的百分比[16]，利用“Purify”插件得到最大连通网络孔隙。孔隙的全局连通性表示2 个孔隙为同一个孔隙的概率[17]。

式中Γ代表全局连通性，指2 个孔隙为同一个孔隙的概率；n代表孔隙的个数，Vi代表每个孔隙的体积，孔隙的数量和体积利用“Particle analyzer”插件计算。

1.5 有机碳及其组分测定

采用CAMBARDELLA 等[18]提出的方法分离POC和MAOC。具体方法如下：称取10 g 过2 mm 筛的土样置于250 ml 锥形瓶中，加入150 ml 0.5%六偏磷酸钠溶液，在往复式振荡器上震荡18 h，转速为200 r/min。土壤悬液过53 μm 筛，并反复用蒸馏水冲洗。分别收集所有留在筛中的物质（POC）和过滤到筛网下的物质（MAOC），在50 ℃下烘至恒质量，并计算其所占土壤的百分含量。将烘干样品中的有机碳含量换算为单位质量土壤样品的POC 和MAOC 含量。采用重铬酸钾氧化-外源加热法测定土壤有机碳含量[19]。

1.6 数据计算与统计分析

土壤总孔隙度（total porosity，φ）计算见式（2）。

式中ρb表示土壤容重，g/cm3；ρs表示土粒密度，值选用2.69 g/cm3[20]。

利用 SPSS 21.0 软件进行统计分析，采用最小显著差异法进行多重比较，检验各处理间差异；建立POC含量与土壤大孔隙度、全局连通性、最大连通网络孔隙度、水力半径之间的线性回归。采用皮尔森双变量相关分析分别建立POC、SOC 含量与各孔径孔隙度之间的相关关系。

2 结果与分析

2.1 不同秸秆还田方式下砂姜黑土SOC 及其组分的含量

由表1 可知，不同秸秆还田方式处理下土壤有机碳（SOC）及其组分（POC、MAOC）在土层中的垂直分布存在差异。随着深度增加，各处理SOC 及其组分含量呈降低趋势。在＞10～20、＞20～40 cm 土层中，SOC 含量均表现为深翻还田最高、旋耕还田次之、免耕还田最低。相比于旋耕还田，免耕还田使＞10～20 cm 土层SOC 含量降低了14.1%，使＞20～40 cm 土层SOC 和POC 含量分别降低了23.7%和55.9%（P＜0.05）；与旋耕还田相比，深翻还田处理下＞10～20 cm 土层SOC 含量提高了12.7%，＞20～40 cm 土层SOC、POC 和MAOC含量分别提升了44.1%、116.0%和42.4%（P＜0.05）。

表1 不同秸秆还田方式下各土层SOC、POC、MAOC 含量和POC、MAOC 占SOC 的比例Table 1 Effects of different straw return methods on the content and proportion of SOC,POC,and MAOC in various soil layers

POC 和MAOC 占SOC 的比例受到土层深度和秸秆还田方式的影响（表1）。3 种还田方式下POC 占比均在0～10 cm 土层中最高，在＞10～20 cm 和＞20～40 cm土层中，POC 占比均为深翻还田处理最高，免耕还田最低。与旋耕还田相比，深翻还田使0～10 cm 土层POC占比降低了22.2%，使＞20～40 cm 土层POC 占比提高了49.6%（P＜0.05）。相较于旋耕还田，免耕还田使＞20～40 cm 土层POC 占比降低了42.6%（P＜0.05）。

2.2 不同秸秆还田方式下砂姜黑土孔隙结构特征

从三维图像来看（图2），在表层0～10 cm 内，3种还田方式处理下孔隙度较大，孔隙结构复杂；在＞10～40 cm 土层中，免耕还田和旋耕还田处理的孔隙尺寸较小，分布独立，且出现大量管状生物孔隙和不规则孔隙，连接程度较低，最大连通网络孔隙也随着深度增加趋于简单化，其贯通深度减小。与免耕还田、旋耕还田处理相比，深翻还田显著提高了＞10～20 和＞20～40 cm 土层土壤孔隙度，管状孔隙较少，最大连通网络孔隙贯通了整个土层。

图2 不同秸秆还田方式下各土层土壤孔隙网络的三维图像Fig.2 Three-dimensional images of soil pore network under different straw return methods in various soil layers.

整体而言（表2），与旋耕还田相比，深翻还田显著提高了＞10～20、＞20～40 cm 土层内的大孔隙度（＞50 μm）（P＜0.05），分别增加了3.10 倍和2.74 倍。特别地，相比于旋耕还田，深翻还田使＞10～20、＞20～40 cm 土层内的最大连通网络的孔隙度分别增加了7.38 倍和7.08 倍。此外，与旋耕还田相比，深翻还田也显著提高了＞10～20、＞20～40 cm 土层内的全局连通性（P＜0.05）。深翻还田对于孔隙分形维数的影响主要集中在0～10、＞10～20 cm 土层，表明深翻还田增加了这两个土层土壤孔隙的复杂程度。深翻还田显著增加了＞20～40 cm 深度土壤大孔隙的水力半径（P＜0.05），提高了深层土壤水气运输能力。

表2 基于CT 图像获得的土壤孔隙特征参数Table 2 Soil pore characteristic parameters based on CT images.

就具体孔径分布情况来看，不同秸秆还田方式下土壤孔径大小分布存在显著差异（图3）。在0～10、＞10～20、＞20～40 cm 土层中，深翻还田处理下＞500 μm 孔隙度分别占大孔隙度（＞50 μm）的39.0%、41.5%、34.2%。与免耕还田、旋耕还田相比，深翻还田显著提高0～10、＞200～500 μm 的孔隙度（P＜0.05），同时也显著提高了＞10～20、＞20～40 cm 土层中＞200～500、＞500 μm 的孔隙度（P＜0.05）。与旋耕还田相比，免耕还田仅显著降低了＞10～20 cm 土层中50～100 μm 的孔隙度（P＜0.05），其他无显著性差异。

图3 不同秸秆还田方式下各土层土壤孔隙大小分布Fig.3 Distribution of soil pore sizes in various soil layers under different straw return methods

2.3 砂姜黑土POC 和孔隙结构之间的关系

对POC 含量和土壤孔隙参数进行相关分析（图4），发现POC 含量随着大孔隙度（＞50 μm）、全局连通性、最大连通网络孔隙度以及水力半径的增加而增加，且均呈现出显著（P＜0.05）或者极显著（P＜0.01）的正相关关系。POC 含量与＞200～300、＞300～500 和＞500 μm孔隙度呈显著正相关（P＜0.05）（表3），SOC 含量与＞100～200、＞200～300、＞300～500 和＞500 μm 孔隙度呈显著正相关（P＜0.05）；POC 和SOC 含量与50～100 μm 孔隙度呈负相关关系，但是未达显著水平（P＞0.05）（表3）。

表3 POC 和SOC 与各孔径孔隙度相关性系数Table 3 The correlation coefficients between POC,SOC and porosity of each pore size

图4 POC 和土壤孔隙特征之间的关系Fig.4 Relationships between POC and pore characteristics

3 讨论

3.1 不同秸秆还田方式对SOC 和POC 的影响

SOC 和POC 含量受秸秆还田方式影响显著。免耕还田下0～10 cm 土层SOC 和POC 含量与旋耕还田无显著性差异，说明秸秆为表层土壤有机碳积累提供了丰富的碳源[21]。但是在＞10～40 cm 土层中，免耕还田下SOC 和POC 含量均低于旋耕还田，这是因为在没有耕作措施的扰动下，表层大量的有机碳和半分解或未分解的作物秸秆无法向下层土壤转移，主要依靠植物根系腐解作为深层土壤有机碳的补充来源。长期免耕导致犁底层土壤容重大、紧实度高，作物根系生长受阻[22]，根茬碳投入量也会随之减少。相比于旋耕还田，深翻还田显著提高了＞10～40 cm 土层的SOC 和POC 含量。一方面，深翻能够有效打破犁底层，将表层还田的秸秆转移到深层土壤中，增加了深层土壤秸秆碳投入[10]。另一方面，深翻打破犁底层促进了根系下扎，进而显著增加了根系碳投入[23]。因此，深翻还田扩充了秸秆容纳空间，对于土壤养分供应和作物生长发育具有重要意义[24]。

3.2 不同秸秆还田方式对土壤孔隙结构特征的影响

不同耕作方式对土壤扰动不同，进而对孔隙结构产生较大的差异。旋耕作为当前农业生产中一种常规耕作方式，能够使土壤疏松、地表平整；但旋耕作业深度较浅，仅为15 cm，且深层土壤受到表层土壤和农机具压实作用，导致容重增加、大孔隙数量减少[25]。免耕还田以尽量减少对土壤的扰动为基本原则，对改善表层土壤结构具有积极作用。本研究结果发现，0～10 cm 土层主要以＞500 μm 的孔隙为主导，一方面依靠土壤动物的活动和根系下扎形成大孔隙[9,26]，而表层相对适宜的养分和水分条件使作物根系主要集中在土壤表层[27-29]；另一方面，表层秸秆和根系腐解后会促进孔隙网络形成[30]。然而，长期免耕可能会使＞10～20、＞20～40 cm 土层土壤紧实加剧、耕层变浅，作物根系下扎受阻[29]，导致＞500 μm 的孔隙数量较少。与旋耕还田相比，深翻还田显著提高了＞10～20、＞20～40 cm 土层土壤大孔隙度（＞50 μm）和孔隙连通性，尤其是＞200 μm 的孔隙度。深翻还田能够促进大孔隙形成，一方面是因为深翻对相应土层进行翻转作业，使上下土层的土壤混合，形成了大量孔隙[11]；同时深翻改善深层土壤通气导水能力，促进秸秆和根茬腐解产生新孔隙，进而增加土壤孔隙度[30]；另一方面可能是因为深翻促进了作物根系向深层土壤生长，根系的穿插和缠绕作用及根系分泌物的胶结作用也能够促进土壤中大孔隙形成[9]。

3.3 POC 与孔隙结构之间的关系

孔隙结构决定土壤通气状况和水分入渗过程，影响微生物活性，间接参与秸秆的分解过程。本研究发现POC 含量与最大连通网络孔隙度呈显著正相关（P＜0.05），说明秸秆和根茬及其分解产物的分解转化很大程度上与土壤大孔隙度（＞50 μm）及孔隙连通性有关。长期免耕还田下＞10～40 cm 最大连通网络的孔隙度相对较少，存在土壤通气和渗水不良等现象，不利于植物根系的生长发育，影响到根系的残留和土壤颗粒有机碳的补充。深翻还田显著提高了＞10～40 cm 最大连通网络的孔隙度，有利于作物根系生长，从而留下了较多作物残体，同时表层部分秸秆翻埋至下层土壤，增加了颗粒有机碳的来源[7]。此外，孔隙的水力半径越大越有利于POC 的累积，表明大孔隙具有良好的通气性和导水性，进一步促进秸秆分解转化为POC。

有研究表明SOC 含量与土壤总孔隙度[31-32]和大孔隙度（＞50 μm）[16]之间存在显著的正相关关系，可能是由于更大的孔隙度和孔隙连通性为微生物提供适宜条件，有利于氧气供应和养分运输，促进秸秆腐解形成更多的SOC。相关分析结果显示SOC 和POC 含量与＞200～300、＞300～500、＞500 μm 孔隙度呈极显著（或显著）正相关关系，表明该部分孔隙结构是影响土壤固碳的重要因素。FUKUMASU[33]等研究发现POC 含量与＞480～720 μm孔隙度呈显著正相关，这与本研究结果一致，秸秆腐解过程中POC 的分解转化可能受到孔隙结构的调控作用，同时POC 分解会促进新孔隙的形成。因此，在未来的研究中将进一步探究秸秆腐解过程中颗粒有机碳与孔隙结构的互馈作用。