稻麥輪作區秸稈還田對水稻土結構的影響

房　煥　李　奕　周　虎　顏曉元　彭新華

(1.中國科學院南京土壤研究所土壤與農業可持續發展國家重點實驗室， 南京 210008; 2.中國科學院大學， 北京 100049; 3.東北農業大學資源與環境學院， 哈爾濱 150030)

0　引言

土壤結構控制著土壤中水、氣運動和養分的釋放與保持，對作物的生長具有重要作用[1]。近年來，我國水稻種植區普遍進行秸稈還田。大量研究表明秸稈還田有助于改善土壤結構。YAO等[2]發現稻田秸稈還田能夠增加耕層有機碳含量，并改善干濕交替過程中土壤的恢復力。武際等[3]發現水旱輪作條件下秸稈還田能夠降低表層土壤的容重，提高表層土壤的含水率、有機碳和養分含量。然而，也有一些研究表明秸稈還田在不同情況下對土壤結構的影響不同。例如安婉麗等[4]報道秸稈還田對早稻田的團聚體分布及穩定性沒有顯著影響，但顯著提高了晚稻田的團聚體穩定性及大團聚體的數量。張翰林等[5]研究發現稻麥輪作制度下土壤結構與秸稈還田的年限有關，隨著秸稈還田時間的增加，秸稈還田對土壤結構的影響才顯現出來?？傮w而言，稻麥輪作區秸稈還田對水稻土結構的影響尚不明確。

以往對土壤結構的研究主要集中在團聚體及其穩定性方面，而對土壤內部孔隙結構的直接研究較少[6]。近年來X射線計算機斷層掃描(CT)技術快速發展，可以通過CT掃描和圖像處理技術快速分析土壤內部形態和三維孔隙結構[7]。本研究基于長江中下游稻麥輪作區長期定位秸稈還田試驗，利用X射線CT掃描等技術，研究稻麥輪作下秸稈還田對水稻土結構的影響，以期為該區域采取合理的秸稈還田措施提供依據。

1　材料與方法

1.1　試驗區概況

長期定位試驗田位于中國科學院常熟生態試驗站(31°32′93″ N, 120°41′88″ E)。土壤為黃土狀母質發育的黃泥土，屬潴育型水稻土。土壤砂粒、粉粒和粘粒比例分別為29.8%、39.1%和31.1%。種植制度為小麥-水稻輪作。試驗始于1990年，設置4個處理：①秸稈不還田不施肥(CK)。②秸稈不還田施氮磷鉀肥(NPK)。③半量秸稈還田加氮磷鉀肥(NPKS1)，秸稈施用量為每季干重2 250 kg/hm2。④全量秸稈還田加氮磷鉀肥(NPKS2)，秸稈施用量為每季干重4 500 kg/hm2。每個處理3個重復，隨機區組排列。小區大小為4 m×5 m。氮、磷、鉀肥分別為尿素、過磷酸鈣和氯化鉀。氮肥施用量為每季180 kg/hm2，在水稻季，40%作基肥，40%分蘗期施用，20%抽穗期施用；在小麥季，40%作基肥，40%拔節期施用，20%抽穗期施用。磷肥和鉀肥每季的施用量分別為75 kg/hm2P2O5和150 kg/hm2K2O，均在小麥和水稻種植前作為基肥。

1.2　樣品采集與處理

于2015年7月水稻分蘗期采集土壤樣品。在每個小區內用PVC環刀(高3 cm、直徑3 cm)隨機采集3個表層(0～5 cm)原狀土樣，用保鮮膜包裹防止水分蒸發。并在原狀土采集點附近采集混合土壤樣品(0～10 cm)，混合后放在鋁盒中帶回實驗室。原狀土置于壓力膜儀中，保持33 kPa，平衡后進行CT掃描。混合土壤樣品在20℃下風干，在含水率達到塑限含水率時，將土樣掰成小于10 mm的團聚體。風干土樣一部分用于土壤團聚體分析，一部分過篩用于土壤理化性質測定。

1.3　CT掃描與圖像處理

利用X射線顯微CT(型號為NanotomS)掃描原狀土樣品，掃描參數設置和圖像重建參照文獻[8]方法。重建后生成1 900幅2 283×2 284體元的8位灰度圖像，分辨率為0.016 mm。為了避免采樣過程對樣品邊緣的影響，僅選擇中部的900×900×900體元作為感興趣區域(Region of interest, ROI)。利用Image J軟件進行圖像預處理，包括增加對比度和中值濾波。由于后續圖像分析過程中硬件軟件等條件限制，利用Image J軟件將ROI圖像分辨率調整為0.032 mm，最終ROI為450×450×450體元，實際大小為14.4 mm×14.4 mm×14.4 mm。趙玥等[9]的研究表明圖像分割時閾值選擇不理想易導致孔隙連通性失真，克里格法[10]能夠很好解決這個問題，得到更精確的二值圖像。圖像孔隙度為二值圖像中孔隙所占的比例，孔隙大小分布利用數學形態學的開運算計算，通過Quantim軟件完成[11]。

1.4　土壤容重、團聚體分布、穩定性與有機碳含量

CT掃描后的原狀土在105℃下干燥，計算土壤容重。團聚體穩定性采用濕篩法。將小于10 mm的團聚體在40℃干燥箱中干燥，取20 g土樣快速濕潤10 min后，放置在套篩上(從上到下順序為2、1、0.5、0.25、0.05 mm)，振蕩5 min。上下振幅4 cm，頻率為30 r/min。然后將各級團聚體全部沖洗至已知質量的鋁盒中，小于0.05 mm的團聚體則通過沉降獲得。將收集到的各級團聚體在40℃干燥箱中干燥，計算平均質量直徑(Mean weight diameter，MWD)

(1)

式中n——篩子的個數

ri——第i個篩子孔徑，mm

mi——第i個篩子上的團聚體質量百分比

用來表示團聚體穩定性。每個處理3次重復。

使用碳氮分析儀(Vario MAX型，Elementar公司，德國)測定收集的各級團聚體和混合土樣的有機碳(SOC)含量。

1.5　統計分析

采用SPSS 19.0對數據進行統計分析。方差分析采用One-Way ANOVA，并用LSD 法進行多重比較，顯著性水平為0.05。

2　結果與討論

2.1　秸稈還田對水稻土容重和有機碳(SOC)含量的影響

施用化肥和秸稈還田顯著提高了有機碳含量(P<0.05)(表1)。與CK相比，NPK處理SOC含量提高了19%；與NPK相比，半量(NPKS1)和全量(NPKS2)秸稈還田處理SOC含量分別提高了9.5%和19.4%。結果表明，秸稈與氮磷鉀配合施用更利于SOC含量的積累，秸稈還田量與有機質增加量呈正相關關系，大量相關研究也證實了這一點。YAO等[2]在對紅壤性水稻土的研究中發現，在深耕和淺耕方式下，秸稈還田都能顯著提高SOC含量，且全量秸稈還田較部分秸稈還田的提高效果更為顯著。LIU等[12]研究也發現淹水、水旱輪作以及旱地等不同耕作制度下，秸稈還田均能顯著提高SOC含量。秸稈本身是一個重要的碳源[13]，因此秸稈還田會直接導致SOC含量的增加。另一方面，農作物的秸稈中含有相當數量的植物必需的碳、氮、磷、鉀等元素[14]，進而提高農作物的地上地下生物量，間接增加了土壤中碳的投入。有研究還表明，秸稈還田增加了土壤中酶的活性，刺激了土壤中微生物的生長和繁殖，能夠提高土壤中活性碳的含量[15]。

表1　長期秸稈還田對土壤有機碳含量和容重的影響Tab.1　Effect of long-term rice straw incorporation on soil organic carbon content and bulk density

注：同一列中不同小寫字母代表差異顯著(P<0.05)，數值采用均值±標準誤差表示，下同。

施用化肥和秸稈還田顯著降低了土壤容重(P<0.05)(表1)。與CK相比，NPK處理顯著降低了土壤容重(P<0.05)。與NPK相比，NPKS2顯著降低了土壤容重(P<0.05)，而NPKS1對容重的影響不顯著(P>0.05)。結果表明秸稈還田的量是影響土壤容重的一個重要因素。ZHOU等[8]利用CT掃描方法證實了有機物料的添加能夠增加團聚體內部以及團聚體之間的孔隙，從而降低容重。秸稈還田后，秸稈分解會形成孔隙；此外，秸稈還田會增加地下根系和土壤生物的活動，都會促進孔隙的形成，增加土壤孔隙度，降低土壤容重[16]。

2.2　秸稈還田對水稻土水穩性團聚體的影響

不同處理各級水穩性團聚體含量如表2所示。與CK相比，NPK處理0.25～2 mm團聚體含量提高了20.6%；而與NPK處理相比，NPKS2處理大于2 mm團聚體含量提高了45.1%，但是不同處理各級團聚體含量均未達到顯著性差異(P>0.05)。CK、NPK、NPKS1和NPKS2處理的MWD分別為0.82、0.83、0.80、1.02 mm，雖然NPKS2處理MWD較其他處理有所提高，但沒有達到顯著性水平。結果表明，稻麥輪作區秸稈還田對團聚體分布和水穩定性沒有產生顯著影響。許多研究表明秸稈還田能夠提高團聚體的水穩定性[2,17-18]，與本研究結果不一致。ZHANG等[18]的研究表明秸稈還田量是影響土壤結構的一個重要因素，本研究中半量秸稈還田同化肥處理團聚體水穩定性沒有差異，而全量秸稈還田下團聚體水穩定性則有所提高，表明秸稈還田量是影響團聚體穩定性效果的重要因素。另外，土壤結構是動態變化的，安婉麗等[4]研究發現秸稈還田對早稻田團聚體穩定性沒有顯著影響，但顯著提高了晚稻田團聚體穩定性。本研究中僅在水稻分蘗期采集了一次樣品，為了更準確地評價秸稈還田對土壤結構的影響，今后需要開展團聚體水穩定性的動態研究。

2.3　秸稈還田對水稻土團聚體有機碳分布的影響

經過25 a秸稈還田后，不同處理的團聚體SOC含量呈現相同的趨勢，由大到小為NPKS2、NPKS1、NPK、CK(圖1)。與CK相比，NPK處理大于2 mm和0.25～2 mm兩個級別的團聚體SOC含量分別提高了16.6%和15.8%，而小于0.25 mm的2個粒級則沒有顯著變化(P>0.05)。與NPK處理相比，NPKS1處理0.05～0.25 mm團聚體SOC含量提高了15.8%，其他粒級沒有顯著變化(P>0.05)；NPKS2處理0.25～2 mm級別的團聚體的有機碳含量提高20.2%，增加幅度最大。結果表明，秸稈還田措施下，增加的有機碳在大團聚體中積聚得最多。這可能是由于在團聚體周轉的過程中，微團聚體(小于0.25 mm)結構相對穩定，有機碳含量變化較小，而在添加的秸稈作用下形成的大團聚體對有機質形成物理保護，容易固持SOC。整體來看，不同處理各粒級團聚體中SOC含量與土壤總SOC含量呈相同的趨勢(表1)。秸稈還田能夠有效提高土壤SOC含量和各級團聚體SOC含量[19]，而大團聚體SOC含量增加幅度又高于微團聚體。陳曉芬等[20]在對紅壤性水稻土的研究中也發現了同樣的規律，提出水穩性大團聚體是有機碳的主要載體。JASTROW等[21]利用13C 示蹤法也證實了大團聚體比微團聚體含有更多的有機碳。

表2　長期秸稈還田對各級水穩性團聚體比例的影響Tab.2　Effect of long-term rice straw incorporation on water stable aggregate size distribution

圖1　長期秸稈還田對各粒級團聚體中有機碳分布的影響Fig.1　Effect of long-term rice straw incorporation on SOC of different aggregate classes

圖2　長期秸稈還田對水稻土二維和三維結構的影響Fig.2　Effect of long-term rice straw incorporation on 2D and 3D structures of paddy soil

2.4　秸稈還田對水稻土孔隙結構的影響

圖2為不同處理的二維灰度圖像(14.4 mm×14.4 mm)、二值圖像(14.4 mm×14.4 mm)和三維孔隙結構圖像(14.4 mm×14.4 mm×14.4 mm)。其中，灰度圖中淺色部分為土壤基質，深色部分為孔隙；二值圖像中白色代表孔隙，黑色代表土壤基質。由于分辨率的限制(0.032 mm)，本研究中的圖像中獲取的孔隙均為大于圖像分辨率的孔隙。從二維圖像可以觀察到CK和NPK處理的孔隙數量少，且孔隙較小。NPKS1處理的孔隙數量相對增多，孔隙的大小有一定增加。NPKS2處理的孔隙度則是顯著提高，且孔隙的聯通性較好，較大孔隙的比例也大幅度提升。從三維圖像來看，CK處理的內部孔隙較少，且多為細長的孔隙；與CK處理相比，NPK的孔隙度有所提高，且孔隙直徑有所增大；NPKS1處理可明顯看到內部秸稈殘留產生的大孔隙以及生物孔隙，NPKS2的孔隙則更多更復雜。由此可見，秸稈還田顯著影響了土壤的孔隙結構，秸稈還田量越多，孔隙度增大越顯著，孔隙結構越復雜。

定量分析結果同定性觀察趨勢相一致，CK、NPK、NPKS1和NPKS2處理大孔隙度分別為3.3%、3.7%、4.4%和7.9%。與CK相比，NPK處理沒有顯著提高土壤的大孔隙度。與單施化肥相比，NPKS1沒有顯著提高土壤的大孔隙度，NPKS2處理的大孔隙度則提高了113.5%。土壤孔隙大小分布如圖3所示，隨著當量孔隙直徑的增大，4個處理的孔隙度的變化趨勢大體一致，均在當量孔徑為0.1～0.2 mm時達到峰值，60%以上的孔隙分布在0.032～0.5 mm之間。對于當量孔徑小于1.50 mm的各粒級的孔隙度，NPK處理與CK相比沒有表現出顯著差異；與NPK處理相比，NPKS1沒有表現顯著差異，而NPKS2處理的孔隙度在各當量孔徑范圍都有顯著提高。當當量孔徑大于1.50 mm時，孔隙度從大到小表現為NPKS1、NPKS2、CK、NPK?？傮w來說，與CK相比，NPK不能提高土壤各粒級孔隙的孔隙度；與NPK相比，NPKS1處理各孔徑范圍的孔隙度雖然也有所增加，但并沒有達到顯著水平，而全量NPKS2顯著提高了各個孔徑范圍的孔隙度。全量秸稈還田顯著提高了有機碳含量，促進微生物和真菌活動，同時也促進了根系生長，使土壤大孔隙度顯著提高[22]。結果表明秸稈還田能夠改善土壤的大孔隙結構，但是需要秸稈還田達到一定量時才有顯著效果，研究結果與相關研究基本一致[23-24]。

圖3　長期秸稈還田對孔隙大小分布的影響Fig.3　Effect of long-term rice straw incorporation on soil pore size distribution

3　結束語

基于25 a的長期定位試驗，分析了稻麥輪作模式下秸稈還田對土壤結構的影響。結果表明，稻麥輪作區秸稈還田能夠顯著提高土壤有機碳含量，降低土壤容重，增大土壤總孔隙度。秸稈還田增加大團聚體含量和水穩定性，但是未達到顯著水平。不過，秸稈還田顯著提高了各級團聚體中有機碳的含量，尤其是大團聚體中有機碳含量。全量秸稈還田顯著增大了土壤的大孔隙度，改善了土壤的孔隙結構，而半量秸稈還田對孔隙結構的影響則不顯著，說明秸稈還田量是影響水稻土孔隙結構的一個重要因素，秸稈還田量與孔隙結構之間的定量關系還有待進一步研究。研究結果對農業生產中采取合理的秸稈還田措施具有一定的參考價值。

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