秸稈添加對潮土團聚體及有機碳分布和穩定性的影響

劉 哲，孫增慧，張瑞慶*

(1.陜西省土地工程建設集團有限責任公司，陜西 西安 710075；2.陜西地建土地工程技術研究院有限責任公司，陜西 西安 710075；3.國土資源部退化及未利用土地整治工程重點實驗室，陜西 西安 710075；4.陜西省土地整治工程技術研究中心，陜西 西安 710075)

【研究意義】土壤團聚體是一種優良的土壤結構體，土壤團聚狀況和土壤有機碳含量可作為評價土壤結構與肥力的綜合指標，并且在土壤功能維持中發揮著諸多重要作用，如影響土壤侵蝕能力、土壤水分保持、土壤養分保持和轉化、土壤孔隙通透性以及根系的穿透和發育等[1-2]。土壤團聚體和有機碳之間關系密切，土壤有機碳是土壤團聚體形成過程中的重要膠結物質，對形成不同數量和大小粒徑分布的團聚體有著重要作用，同時團聚體形成過程和有機碳固持間的相互影響對于提高土壤碳固持能力又具有重要意義，因而研究二者之間的相互作用有利于揭示有機碳的物理保護機制[3]。而不同粒徑大小的團聚體在轉換、分解、保持土壤有機碳(SOC)方面發揮的作用不同，土壤質量的差異不只與團聚體自身的大小粒級有關，并且還與它們在土壤中的分配比例相關，其中團聚體有機碳含量微觀表征著土壤有機碳的礦化速率和平衡狀態[4-5]。國內外學者把土壤團聚體的水穩定性及不同粒級團聚體有機碳的含量作為評估土壤基本理化性質及抗侵蝕能力的關鍵指標，認為了解團聚體有機碳含量的變化及運移規律對土壤結構及質量的變化有著重要的意義，因此研究土壤團聚體結構穩定性、團聚體有機碳變化特征和運移規律，對促進潮土質量提升和碳固持能力的作用具有重要價值[6-8]。【前人研究進展】秸稈施入土壤后可以培肥土壤，增加土壤有機質含量，同時又可促進秸稈營養元素在土壤中的再循環，秸稈腐解以后產生的有機膠結物質對土壤團聚體的形成也會產生一定的促進作用，加強土粒間的粘結力、改善土壤團聚體結構[9-11]。國外已經大面積的采用季節性休閑或保護性耕作的方式對耕地進行保育，來保障農業的可持續發展，在我國糧食需求呈增長趨勢和生態環境保護的大背景下，以秸稈還田或覆蓋為輔助措施的保護性耕作體系在我國越來越受到重視[11-12]。張鵬等研究表明，秸稈還田可以顯著的提高黃綿土水穩性大團聚體含量，增加土壤結構穩定性，為黃綿土結構特性及理化性狀的改善提供了理論參考[13]；關松等通過對黑土不同粒級水穩性團聚體穩定性的研究表明，秸稈還田促進了黑土水穩性大團聚體含量和土壤穩定性的提高，增加了土壤水穩性團聚體有機碳含量，提高了水穩性大團聚體有機碳儲量[14]。隨著保護性耕作技術的大面積推進使用，秸稈還田措施顯著提高了土壤水穩性團聚體的比例和結構穩定性。同時，還有利于0～20 cm耕層有機碳在土壤中的固持，對減緩溫室效應具有重要的意義[15-16]。【本研究切入點】河南省面積最大的耕作土壤類型是潮土，面積達到了387 萬公頃，占全省總耕地面積的43.2 %，具有砂粒含量高、黏粒含量低、有機碳含量低、結構性差和肥力差等特點[17]。然而在潮土不受擾動的情況下，添加秸稈對潮土不同培養時期團聚體穩定性及團聚體有機碳分布及相對數量變化規律的研究不足，關于揭示秸稈添加如何有效的改善潮土結構和固碳潛力機理的研究內容較少。【擬解決的關鍵問題】為此本研究采用室內模擬培養對照試驗，探究水稻秸稈粉碎處理添加入潮土后，不同培養周期下潮土水穩性團聚體含量和結構穩定性的變化，研究水稻秸稈腐解過程中土壤有機碳在不同大小粒級水穩性團聚體中的運移狀況，以期為潮土肥力提升、團聚體結構改善和碳庫管理提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 供試土壤

供試潮土樣品采自河南省封丘縣中國科學院封丘農業生態長期定位實驗站(35°00′N，114°24′E)。實驗站當地的主要氣候類型為半干旱半濕潤的暖溫帶大陸性季風氣候，多年平均的降雨量為605 mm，降雨時間主要集中在每年7-9 月。土壤類型主要以含碳酸鈣含量比較高2∶1型黏土礦物為主的典型潮土。試驗布置前測得耕層的土壤基礎理化指標如下：pH 8.68，黏粒(<0.002 mm)含量為23 %，粉粒(0.02～0.002 mm)含量為32 %，土壤質地類型為沙壤土，有機碳含量為5.38 g·kg-1，全N含量為0.44 g·kg-1，種植制度為小麥-玉米輪作的一年兩熟制。

1.2 研究方法

采用棋盤法選擇6～8個具有代表性的采樣點，于2014年10月中旬玉米收獲后采集試驗站0～20 cm耕作層土樣，自然風干剔除根系砂礫等雜質后磨樣過2 mm篩子，采用四分法混合均勻后保留足量的待測土樣。本試驗共采用2種試驗處理：分為土壤不添加秸稈(對照組，CK)和土壤添加1 %13C秸稈(試驗組，Str)，每個處理共設置3個重復。本研究所采用的秸稈為溫室自己栽培的水稻秸稈，水稻成熟后采集地上部分并在60 ℃下烘干，烘干后粉碎處理并過0.25 mm篩子，最后測得秸稈粉末的有機碳含量為396.5 g·kg-1。風干潮土和粉碎秸稈混勻后的具體培養方法見相關文獻的介紹[18]，并在15、60、120 d的培養周期時采集各處理土樣，用以測定土壤水穩性團聚體組成和土壤團聚體有機碳。

1.3 測定項目及方法

土壤團聚體有機碳含量和土壤黏粉粒含量采用常規的檢測方法[19]、土壤水穩性團聚體的分級采用濕篩法測定[20]。水穩性團聚體的穩定性指標幾何平均直徑(geometric mean diameter，GMD)，土壤不穩定團粒指數(ELT)，平均質量直徑(mean weight diameter，MWD)和分形維數D值的詳細計算公式見相關的參考文獻和下列公式(1)[20-22]：

(1)

土壤水穩性團聚體有機碳貢獻率的計算見公式(2)[14]：

(2)

1.4 數據處理與分析

試驗數據處理通過Microsoft Excel 2016軟件進行，顯著性分析使用SPSS22.0軟件進行檢驗，SigmaPlot12.0軟件繪制圖表。

2 結果與分析

2.1 添加水稻秸稈處理對潮土團聚體數量的影響

添加秸稈處理后潮土水穩性大團聚體(R0.25)含量比對照處理顯著增加(P<0.05)，尤其是>2000 μm粒級團聚體含量明顯增加，促使水穩性大團聚體占主體(表1)。而未添加秸稈的CK處理下的團聚體分布以水穩性微團聚體為主，>2000 μm粒級水穩性團聚體數量在3.33 %～4.43 %，相比于其他3個粒級水穩性團聚體的含量分布很少，培養60 d的時候，水穩性微團聚百分含量為54.7 %；培養到120 d時，2000～250 μm粒級水穩性大團聚體含量有所增加，但水穩性微團聚體百分含量依然為50.1 %，對照組水穩性團聚體含量仍然以微團聚體為主。

添加秸稈處理后，試驗組250～53 μm和<53 μm粒級水穩性微團聚體的分布數量顯著減少，試驗組>2000 μm粒級水穩性大團聚體分布數量顯著增加(P<0.05)，而2000～250 μm粒級水穩性團聚體分布數量變化差異不顯著。隨著培養時間的延長，水穩性大團聚體(>250 μm)含量逐漸增加。培養到120 d時，>2000 μm、2000～250 μm粒級水穩性團聚體含量分別比對照組增加了595.8 %、1.5 %，250～53 μm、<53 μm粒級水穩性團聚體含量分別比對照組減少了58.9 %、37.2 %，水穩性大團聚體含量達到70.4 %，促使水穩性大團聚體占主體。可以看出秸稈粉碎處理添加到潮土后，有助于潮土水穩性微團聚體向水穩性大團聚體的團聚。

2.2 潮土添加水稻秸稈對水穩性團聚體穩定性指標的影響

良好的土壤團聚體是水穩性的，水穩性團聚體的數量和分布情況對土壤結構的穩定性有著重要的影響，同時也是衡量土壤抗侵蝕能力的重要指標[23]。與對照組相比，不同培養時期試驗組水穩性團聚體的穩定性指標MWD、GMD值顯著增加，D、ELT值顯著減小(P<0.05)(表2)。試驗組到培養結束的時候，相比于對照組MWD、GMD值分別增加了59.4 %、90.3 %，D、ELT值分別比對照組減小13.6 %、40.9 % 。隨著培養時間的延長，對照組不同培養時期MWD、GMD、ELT、D值變化差異不明顯，而不同培養周期添加秸稈后的試驗組穩定性指標間的變化非常明顯，培養周期結束時潮土水穩性團聚體穩定性指標值最大。MWD、GMD 、ELT和D值是反映土壤水穩性團聚體穩定性狀況的常用指標，MWD、GMD 值越大，ELT、D值越小，表明水穩性團聚體的團粒結構越好，土壤結構越穩定[20,24]。所以潮土隨著水稻秸稈的加入，土壤團聚程度和抗侵蝕能力得到一定程度增強。

表1 不同周期下對照組和添加秸稈處理的土壤水穩性團聚體的百分含量

注：小寫字母表示相同處理不同粒級團聚體間差異顯著性；大寫字母表示相同指標不同處理間差異顯著性(P<0.05)，下同。

表2 不同處理對潮土水穩性團聚體穩定性指標值的影響

2.3 不同處理下潮土團聚體有機碳含量及有機碳貢獻率的變化

2.3.1 添加水稻秸稈處理對潮土水穩性團聚體有機碳分布規律的影響 土壤不同粒級團聚體中的有機碳含量是影響土壤碳固持和肥力狀況的重要因素，微觀表征著土壤有機碳的礦化速率和平衡狀態[23]。添加秸稈處理后，不同培養周期內4種粒級團聚體有機碳含量均顯著增加(P<0.05)，但是有機碳在4種不同粒級水穩性團聚體間的大小分布情況存在差異(圖1)。其中，對照組中不同粒級團聚體有機碳含量之間差異不明顯，有機碳主要分布在>2000 μm、2000～250 μm粒級水穩性微團聚體中，250～53 μm粒級團聚體中有機碳含量最少。

在培養周期內，添加秸稈處理的試驗組團聚體有機碳含量分布情況呈現出相同的趨勢，4種粒級水穩性團聚體有機碳含量的分布趨勢均為250～53 μm > (<53 μm) >(>2000 μm)> 2000～250 μm，隨著培養周期的延長，有機碳始終是水穩性微團聚體中的含量高于大團聚體中的含量，且4種粒級水穩性團聚體有機碳含量都呈現出不斷減小的趨勢(圖1)。試驗組培養到120 d時，有機碳在>2000 μm、2000～250 μm、250～53 μm、<53 μm粒級水穩性團聚體中的含量比未添加秸稈的對照組分別增多了20.0 %、17.4 %、62.6 %、50.1 %，總體看來，水穩性微團聚有機碳含量的增加幅度明顯大于大團聚體的增加幅度，潮土有機碳在微團聚中的分布比例較大，數據顯示潮土有機碳在水穩性微團聚體中的積累和分布受秸稈添加過程的影響較大，其變化較為敏感。

2.3.2 潮土不同粒級水穩性團聚體有機碳對土壤有機碳的貢獻率 與對照組相比，添加秸稈處理的試驗組>2000 μm團聚體有機碳貢獻率顯著增加(P<0.05)，促使水穩性大團聚體有機碳貢獻率逐漸增大，250～53 μm與<53 μm粒級水穩性小團聚體有機碳貢獻率逐漸減少(表3)。隨著培養時間的延長，雖然試驗組有機碳在水穩性微團聚中的含量相對比較高，但是對有機碳貢獻率確以>2000 μm 、2000～250 μm粒級團聚體的貢獻比較高。培養到120 d時，水穩性大團聚體有機碳貢獻率達到66.14 %，比對照組增加了29.4 %，對有機碳貢獻率顯著減小的是250～53 μm與<53 μm粒級團聚體有機碳(P<0.05)。分析水穩性微團聚有機碳對土壤有機碳貢獻份額減少的原因可能是，水稻秸稈添加處理，促進了微生物和酶的活性同時增加了有機膠結物質，有助于水穩性微團聚體不斷粘結團聚成為水穩性大團聚體， >2000 μm、2000～250 μm粒級水穩性大團聚體分配比例顯著增加，水穩性大團聚體分配比例的提高幅度大于水穩性微團聚體有機碳的增加幅度，而水穩性微團聚體在團聚體整體中分配占比相對較低。

圖1 不同培養時期對照組和添加秸稈處理的土壤水穩性團聚體各粒級有機碳含量變化Fig.1 Organic carbon contents of different treatments under different incubation period

(%)

2.4 潮土不同粒級水穩性團聚體有機碳與團聚體穩定性指標間的相關分析

水穩性大團聚體(>250 μm)被認為是土壤結構體中優良結構體，是一種大小孔隙分布均勻的團粒結構，對于協調維持土壤結構的穩定具有重要的作用，研究結構表明含有水穩性大團聚的數量越多，土壤的抗侵蝕能力和維持結構穩定性的能力越強[25]。為了揭示潮土水穩性大團聚體含量與團聚體穩定性指標間的相關關系，對潮土水穩性大團聚體含量(R0.25)與團聚體穩定性指標MWD、GMD之間的相關性進行了線性分析。從圖2顯示結果可以得出，土壤>250 μm(R0.25)水穩性大團聚體含量與團聚體穩定性指標GMD，MWD間呈極顯著正相關關系，MWD與水穩性大團聚體含量(R0.25)之間的相關性為R2=0.9610，P<0.0001；GMD與水穩性大團聚體含量(R0.25)之間的相關性為R2=0.9783，P<0.0001，這說明潮土中水穩性大團聚體(>250 μm)含量越高，土壤團聚體的GMD，MWD值越大，潮土團聚體的水穩性越強，土壤結構越穩定。

3 討 論

3.1 添加水稻秸稈處理對潮土水穩性團聚體分布情況和穩定性的影響

水穩性團聚體含量是評價衡量土壤結構穩定性和土壤抗侵蝕能力的關鍵因素。試驗結果證實，土壤有機碳含量與水穩性團聚體的數量之間有著緊密的聯系，通過人為的增加外源有機物料的施用，有利于提高土壤有機碳的含量，能增加團聚體的團聚性能，明顯促進水穩性團聚體的穩定性[26-27]。在本試驗中，試驗組潮土添加水稻秸稈處理后，由于水稻秸稈腐解過程中產生如多糖、纖維素等多種類型的土壤有機粘結物質，以及因秸稈添加物刺激微生物活性后形成的腐殖質類物質，這些都是土壤團聚體形成的重要膠結劑。通過土壤微生物和酶的共同作用，對水穩性大團聚體的形成及穩定產生了積極的促進作用[28-29]，有助于潮土水穩性微團聚體不斷的粘結團聚成為水穩性大團聚體，促使水穩性大團聚體(>250 μm)在潮土中的分布數量顯著增加，水穩性微團聚體含量(<250 μm)顯著減少(P<0.05)。培養到120 d時，>2000 μm粒級水穩性團聚體含量達到23.2 %，比對照組增加了6倍左右，試驗組水穩性大團聚體最終成為優勢粒級，含量比例達到70.4 %，比對照組提高了41.1 %。相比于干篩法測定的機械穩定性，濕篩法可以模擬灌溉或者降水過后所形成的泡水或者濕潤條件，所以測得的土壤團聚體的水穩性能夠更加真實準確的評價土壤結構穩定條件[30]。通過對不同培養時期水穩性團聚體穩定性指標的分析，試驗組不同培養時期水穩性團聚體穩定性指標MWD、GMD值都顯著大于對照組，分形維數(D)、土壤不穩定團粒指數(ELT)值顯著小于對照組(P<0.05)，并且培養到120 d的團聚體穩定性指標值最佳，MWD、GMD和R0.25之間均呈極顯著的正相關關系(P<0.001)。這與張賽等、關松等的研究結果相似，張賽和關松分別研究了添加秸稈處理對紫色土和黑土水穩性團聚體的分布和結構穩定性的作用，研究結果顯示添加秸稈處理有助于水穩性微團聚體不斷的粘結團聚成為水穩性大團聚體(>250 μm)，減少了水穩性微團聚體含量，同時提高了水穩性團聚體的穩定性和抗侵蝕能力[14,31]。

圖2 >0.25 mm水穩性團聚體所占比例與團聚體穩定性指標間的相關關系Fig.2 Correlation between the proportion of >0.25 mm stable soil aggregates and aggregate stability

3.2 添加秸稈處理對團聚體有機碳分布狀況的影響

土壤團聚體的保護機制與土壤有機碳的固定效應間存在密切的關系，土壤有機碳主要被固持于土壤團聚體中。相關的試驗研究也揭示了有機碳在不同粒級團聚體中的分布規律存在差異，而且不同粒級團聚體有機碳的穩定性也存在差異[24,33]。本研究結果表明，添加秸稈處理后，不同培養周期有機碳在4種粒級團聚體中的分布數量均顯著高于對照組(P<0.05)，水穩性微團聚有機碳含量的提高幅度明顯大于大團聚體的提高幅度。試驗組到培養時期結束時，有機碳在>2000 μm、2000～250 μm、250～53 μm、<53 μm粒級水穩性團聚體的含量比對照組團聚體有機碳含量分別增加了20.6 %、17.2 %、62.8 %、50.6 %，結果表明，潮土添加秸稈處理后有機碳在各個粒級團聚體累積含量都呈現增大趨勢，但是有機碳在水穩性微團聚中的分布比例較大，增加幅度也明顯大于大團聚體的增加幅度。分析原因可能是由于添加的是粉碎比較細的水稻秸稈，秸稈腐解能為土壤中的微生物提供豐富的碳源，刺激微生物活性，秸稈粉碎后與土壤結合得更緊密，而且潮土是以碳酸鈣含量較高的2∶1型粘土礦物類型為主，可以將外源碳嵌插到比較細小的粘土礦物晶層中，從而有助于潮土水穩性微團聚體有機碳的固持[32-33]。這與尹云鋒等的試驗成果類似，尹云鋒等采用δ13C標記方法模擬研究添加稻草秸稈處理對有機碳在紅壤團聚體的分布規律的影響，結果表明培養112 d時后，來自外源有機物料的有機碳主要進入分配在水穩性微團聚體中，有機碳在微團聚體的分配含量顯著高于在大團聚體的分配含量[34]。但是由于潮土添加秸稈處理后，促進了微生物和酶的活性同時增加了促使團聚體團聚的有機膠結物質，有助于水穩性微團聚體不斷粘結團聚成為水穩性大團聚體，促使水穩性大團聚體在潮土中的分配比例顯著增大，結果導致水穩性微團聚體有機碳對潮土有機碳的貢獻率小于水穩性大團聚體有機碳，這與張先鳳等得出的潮土有機碳積累的貢獻主要來源于水穩性大團聚體的結果相一致[35]。Chaney等的研究結果表明，通過人為的增加外源有機物料的施用有助于提高微團聚體的團聚性能，促進水穩性團聚體的穩定性，微團聚體內有機碳的降解過程耗能較大，而且微團聚體受到物理保護作用較大，所以微團聚體中有機碳含量的提高有助于土壤有機碳的持久穩定[36-37]，因此潮土添加水稻秸稈處理可以促進提高有機碳在潮土中的累積量，更多的外源有機物料儲存于水穩性微團聚體中，有利于提高土壤有機碳的固持能力。土壤團聚體有機碳的穩定性高對于維持土壤各種養分和土壤有機碳具有重要的意義，因此采取秸稈添加的方式對潮土耕地進行保育，來改善潮土肥力和團聚體結構，從而提高潮土的有機碳穩定性及固持能力。

4 結 論

通過對比分析，潮土添加水稻秸稈處理后，促進了水穩性微團聚體向大團聚體(>250 μm)的團聚，水穩性大團聚體含量達到70.4 %，成為優勢粒級，顯著提高了潮土水穩性團聚體的MWD、GMD，降低了D、ELT值，MWD、GMD與R0.25之間均呈極顯著的正相關關系(P<0.001)，增強了水穩性團聚體的團聚程度，土壤結構和穩定性明顯得到改善。采取秸稈添加的方式對耕地進行保育，有利于潮土不同粒級水穩性團聚體有機碳的增加，且對水穩性微團聚有機碳含量的增加幅度大于大團聚體的增加幅度。顯著提高了>2000 μm 、2000～250 μm粒級水穩性大團聚體有機碳的貢獻率，從而加強了有機碳在潮土中的穩定性及固持能力，改善了潮土肥力和結構的穩定性。