秸稈還田對麥粱兩熟農田土壤團聚體特征的短期效應

孫隆祥, 陳夢妮, 薛建福, 崔福柱, 郝建平, 郭秀卿, 杜天慶, 崔江輝, 張倍寧

(山西農業大學 農學院, 山西 太谷 030801)

近年來，土壤結構退化表現為土壤團聚體穩定性下降及粒徑比例失調，由此引起的耕地侵蝕問題已受到全球公眾的日益關注[1-2]。土壤團聚體由土壤理化生綜合作用形成，是農田土壤的養分庫和微生物生境，其粒徑分布和穩定性是評價土壤質量的重要指標[3]。不同粒級團聚體在土壤水分、肥力及氣體循環過程中表現不同，一般粒徑>0.25 mm的團聚體是土壤最佳團粒結構體，其數量與土壤肥力狀況緊密相關[4]。同時，水穩性團聚體的數量和分布狀況反映了土壤結構的穩定性和抗侵蝕能力[5]。然而，大量的農業活動對農田土壤團聚體粒級分布和穩定性影響不同[6]，秸稈還田措施作為農業活動之一，可以有效增加土壤有機質含量，改善土壤穩定性[7]。因此，深入探討秸稈還田措施對農田土壤團聚體形成與穩定的影響成為農田土壤防治的重要研究內容。

秸稈還田措施能夠有效增加土壤團粒膠結劑，其積累量與土壤0.25～2 mm粒級團聚體含量顯著相關[8]。對此，國內外學者針對秸稈還田對土壤團聚體粒徑及穩定機理開展了大量研究，結果表明秸稈還田恢復有機質的同時能促使土壤耕層結構穩定[9-10]，但學者主要基于稻麥、麥玉等系統[11-12]，研究不同秸稈還田量對土壤生物群落[13]、有機碳庫[14]、土壤質量[15]、酶活性[16]及作物產量[17]等方面的影響，但針對麥粱兩熟農田系統，不同秸稈還田量對土壤團聚體穩定性的影響尚鮮有報道。

高粱是山西省重要的雜糧作物，年均種植面積約6.67萬hm2，占全國高粱種植面積的1/10[18]，其種植優勢轉型，對山西省農業結構、區域經濟發展、農民增收具有重要意義[19]。山西省中部地區傳統種植系統多為一年一熟或兩年三熟制，隨著“晉雜30”的成功選育，使得麥粱一年兩熟制成為了一種可能[20]。以往研究多側重于常規種植系統(稻麥和麥玉系統)下土壤理化生特性及其團聚體變化進行綜合評價，鮮有文章針對麥粱種植系統農田土壤團聚體粒徑分布及穩定性對秸稈還田量的響應開展研究。因此，本文以土壤團聚體分布和穩定性參數——>0.25 mm團聚體含量(R0.25)、平均重量直徑(MWD)、幾何平均直徑(GMD)、土壤團聚體破壞率(PAD)、不穩定團粒指數(ELT)及分形維數(D)等為考察指標[21]，以期為麥粱兩熟農田土壤改良及結構穩定提供理論和實踐指導。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗點位于山西省晉中市太谷縣北洸村山西農業大學科技創新園區(37°42′N，112°55′E)，隸屬黃土高原地貌類型。平均海拔811 m，年平均溫度9.4℃，年降雨量479.6 mm，降水主要集中于6—8月份。全年太陽日照時數平均為2 530.8 h，輻射總量為4 976.8～5 530.6 MJ/m2，年平均無霜期151 d，年平均潛在蒸發量為1 718.4 mm。試驗田土壤為褐土，土層深厚，其耕層土壤(0—30 cm)初始理化性狀見表1。

表1 試驗地耕層土壤基本理化性狀

1.2 試驗設計

試驗于2015年10月進行，采用單因素隨機區組設計，設置秸稈不還田(CK)、半量還田(HR)和全量還田(WR)3個處理，3次重復，共9個小區，小區面積為200 m2(10.0 m×20.0 m)，壟寬65 cm，具體秸稈處理方式見表2。供試冬小麥品種為“長6878”，于當年10月25日種植，基本苗為300～350萬株/hm2，行距為20 cm，2016年6月20日收獲，年產秸稈量為7 500 kg/hm2；夏高粱品種為“晉雜30”，于2016年6月26日機播種植，基本苗為13～14萬株/hm2，行距為40 cm，2016年10月20日收獲，年產秸稈量為8 500 kg/hm2。為了更好地控制肥料因素對試驗的影響，本試驗各作物播種前均施用750 kg/hm2奧磷丹復合肥(N≥17%；P2O5≥17%；K2O≥17%)作為基肥，且作物拔節期追施尿素(N≥46.4%)，施肥量為150 kg/hm2。所有試驗田的田間管理與常規無異，均進行漫灌式澆水和人工控制病蟲草害。秸稈還田處理均為前茬作物秸稈，均進行切割粉碎為5 cm長度。其中，高粱收獲后，試驗田進行翻耕+旋耕處理；小麥收獲后，試驗田僅進行旋耕處理。

表2 田間試驗處理描述

1.3 試驗方法

1.3.1 樣品采集與分析 土壤樣品于2016年10月夏高粱收獲時采集，用“五點取樣法”分別采集0—10 cm，10—20 cm和20—30 cm共3個層次的原狀土樣，沿其自然裂縫將大塊剝離為直徑1 cm左右，在采集和運輸過程中盡量減少對土樣的擾動，在實驗室內風干后剔除有機殘體及石塊，按其原狀土樣比例取混合土樣200 g用于土壤團聚體的測定。

土壤機械穩定性團聚體(干篩法)[22]：取200 g混合土樣置于套篩(孔徑依次為10，7，5，3，2，1，0.5 和0.25 mm)頂部，進行震蕩篩分，測定各孔徑篩分后土樣重量。

水穩性團聚體(濕篩法)[22]：按照干篩后土壤各粒級重量比稱取50 g混合土樣，將其置于1 L量筒內，沿量筒邊緣緩慢加入去離子水至飽和狀，靜置10 min后，再次加入去離子水至1 L刻度線處，上下震蕩10次，將其轉移至放置于水桶中的套篩(孔徑依次為5，3，2，1，0.5，0.25 mm)頂部，將套篩在水中慢慢提起后迅速放下，重復震蕩10次，將各孔徑篩分后土樣分別置于鋁盒中烘干(50℃)稱重。將>0.25 mm的團聚體稱為大團聚體，<0.25 mm的團聚體稱為微團聚體。

1.3.2 計算方法 利用干濕篩后各粒級團聚體數據，計算大團聚體含量比例(R0.25)、平均重量直徑(MWD)、平均幾何直徑(GWD)、土壤團聚體破壞率(PAD)和不穩定團粒指數(ELT)表征團聚體穩定性[23]，計算公式如下：

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：DR0.25為>0.25 mm機械穩定性團聚體含量(%)；WR0.25為>0.25 mm水穩性團聚體含量(%)。

(5)

式中：WT為供試土壤總重量(g)；W0.25為水穩性團聚體重量(g)。

分形維數(D)的計算采用楊培嶺等[24]推導的公式：

(6)

1.3.3 數據統計 采用Microsoft Excel 2010軟件進行數據整理，SPSS 20.0統計分析軟件進行數據處理，Sigmaplot 12.0軟件進行繪圖。不同處理間土壤團聚體各指標采用最小顯著差法(LSD)進行多重比較(p<0.05)。

2 結果與分析

2.1 土壤機械穩定性和水穩性團聚體組成

不同秸稈還田量處理下0—30 cm土層<0.25 mm粒級機械穩定性團聚體含量隨著秸稈還田量的增加而顯著增加(p<0.05)(表3)。相比CK處理，WR處理0—10 cm土層<0.25，0.25～0.5，0.5～1，1～2 mm粒級機械穩定性團聚體含量分別顯著增加了911.2%，969.1%，298.2%和15.1%(p<0.05)。10—20 cm土層，各處理7～10，5～7，3～5，2～3，1～2，0.5～1 mm粒級機械穩定性團聚體含量差異不顯著。CK處理20—30 cm土層1～2 mm粒級機械穩定性團聚體含量較HR和WR處理分別顯著降低了12.3%和22.6%(p<0.05)。WR處理相比CK和HR有效地降低了0—30 cm土層>10 mm粒級機械穩定性團聚體含量。

不同秸稈還田量處理下0—30 cm土層<0.25 mm粒級水穩性團聚體含量隨著秸稈還田量的增加而顯著降低(p<0.05)(表4)。在0—10 cm土層，WR處理0.25～0.5，0.5～1，1～2 mm粒級水穩性團聚體含量相比CK處理分別顯著增加了104.9%，51.5%和67.2%；>5 mm粒級團聚體顯著降低了34.1%(p<0.05)。在10—20 cm土層，HR處理>5，3～5，0.5～1 mm粒級水穩性團聚體含量顯著高于WR處理，和CK處理不存在顯著性差異(p<0.05)。在20—30 cm土層，WR處理0.25～0.5，0.5～1 mm粒級水穩性團聚體含量相比CK處理分別顯著增加了20.4%和34.5%，且>5，3～5 mm粒級水穩性團聚體含量相比CK處理分別顯著降低了100%和94.1%(p<0.05)。

表3 不同秸稈還田量處理下土壤機械穩定性團聚體組成

注：同一土層同列不同字母表示不同處理在p<0.05水平上的統計差異,下表同。

表4 不同秸稈還田量處理下土壤水穩性團聚體組成

2.2 土壤機械穩定性和水穩性團聚體穩定性

不同秸稈還田量處理下土壤機械穩定性團聚體MWD，GMD和R0.25隨著土層深度的增加均呈逐漸降低的趨勢(表5)。WR處理0—10 cm土層機械穩定性團聚體MWD，GMD和R0.25均顯著低于HR和CK處理(p<0.05)。秸稈還田處理下10—20 cm土層機械穩定性團聚體GMD和R0.25值均顯著低于CK處理，且HR處理下MWD相比CK處理顯著降低了18.6%，WR相比CK處理不存在顯著性差異(p<0.05)。相比CK處理，WR處理20—30 cm土層機械穩定性團聚體MWD，GMD和R0.25分別顯著降低了28.3%，31.6%和3.0%(p<0.05)。

不同秸稈還田量處理下土壤水穩性團聚體MWD，GMD和R0.25隨著土層深度的增加表現為逐漸降低的態勢(表6)。0—10 cm土層，WR處理水穩性團聚體GMD和R0.25較CK處理分別顯著提高了2.9%和65.9%(p<0.05)。秸稈還田處理10—20 cm土層水穩性團聚體R0.25含量顯著高于CK處理，且HR處理MWD，GMD和R0.25值均顯著高于WR處理(p<0.05)。20—30 cm土層，各處理水穩性團聚體GMD無顯著性差異，但WR處理R0.25含量較CK和HR處理分別顯著提高了16.7%和45.5%(p<0.05)。土壤機械穩定性團聚體MWD，GMD和R0.25均明顯高于水穩性團聚體，是水分浸泡下大量的機械穩定性團聚體分解的結果。

表5 不同秸稈還田量處理對土壤機械穩定性團聚體穩定指數的影響

注：MWD#指土壤團聚體平均重量直徑；GMD#指土壤團聚體平均幾何直徑；R0.25#指土壤中>0.25 mm的團聚體數量，下表同。

表6 不同秸稈還田量處理對土壤水穩性團聚體穩定指數的影響

2.3 土壤團聚體破壞率

不同秸稈還田量處理下土壤團聚體破壞率(PAD)和不穩定團粒指數(ELT)結果相似(圖1)。WR處理0—10 cm土層團聚體PAD和ELT較CK處理分別顯著降低了7.2%和4.4%(p<0.05)。10—20 cm土層，各處理土壤團聚體PAD，ELT值均表現為HR

2.4 土壤團聚體分形特征

不同秸稈還田量處理下土壤團聚體分形維數(D)隨著土層深度的增加均呈逐漸增大的趨勢(圖2)。WR處理0—30 cm土層機械穩定性團聚體D均高于CK和HR處理，且WR處理0—10，10—20 cm土層機械穩定性團聚體D較CK處理分別顯著提高了39.3%和7.9%(p<0.05)。20—30 cm土層，處理間機械穩定性團聚體D無顯著性差異(p<0.05)(圖2A)。

WR處理0—10 cm土層水穩性團聚體D較CK和HR處理分別顯著降低了0.5%和0.2%(p<0.05)，且在20—30 cm土層，WR處理下水穩性團聚體D較CK和HR處理分別顯著降低了0.1%和0.3%(p<0.05)。各處理10—20 cm土層水穩性團聚體D表現為HR

注：同一土層不同字母表示不同處理在p<0.05水平上的統計差異,下圖同。

圖1不同秸稈還田量處理下土壤團聚體破壞率及不穩定團粒指數

圖2不同秸稈還田量處理方式下土壤團聚體分形維數

2.5 土壤團聚體與理化特征間相關分析

土壤理化特征與團聚體穩定性參數間相關關系表明(表7)，土壤團聚體PAD和ELT兩者主要與土壤容重、全鉀含量存在顯著正相關，且與土壤孔隙度、充氣孔隙度、毛管孔隙度、毛管含水量、全氮含量、有機碳呈顯著負相關(p<0.05)。土壤質量含水量、體積含水量、速效磷、速效鉀、全鉀分別與機械穩定性團聚體MWD，GMD和R0.25呈極顯著正相關，與參數D呈極顯著負相關(p<0.01)。土壤全氮及有機碳含量與水穩性團聚體穩定參數呈極顯著相關關系(p<0.01)，其余土壤理化特征與MWD，GMD相關，與R0.25，D則不相關，兩者呈相反的相關關系。

表7 土壤團聚體與理化特征間相關分析

注：**和*分別表示各指標在0.01，0.05水平上存在Person相關性，下表同。

2.6 土壤團聚體與作物產量間相關分析

土壤團聚體穩定性參數與作物產量相關分析表明(表8)，0—10 cm土層機械穩定性團聚體穩定性參數與產量顯著相關，且與D顯著負相關(p<0.05)。0—20 cm土層水穩性團聚體GMD和MWD與作物產量呈極顯著正相關(p<0.01)。在20—30 cm土層，土壤團聚體PAD，ELT、機械穩定性團聚體R0.25，水穩性團聚體MWD和D均極顯著正相關于作物產量(p<0.01)，且機械穩定性團聚體D、水穩性團聚體R0.25與作物產量呈顯著負相關(p<0.05)。

表8 土壤團聚體與作物產量間相關分析

3 討 論

已有研究表明，在秸稈還田試驗中，秸稈還田可以提高土壤有機質和養分含量，增加微生物多樣性和酶活性，提高土壤孔隙度，降低土壤容重和緊實度，防止土壤因水分和壓力形成大土塊[25]。秸稈還田后，0—30 cm土層>10 mm粒級機械穩定性團聚體含量顯著低于CK處理。在0—10 cm土層，相比HR和CK處理，WR處理顯著降低了>2 mm粒級機械穩定性團聚體含量，顯著增加<2 mm粒級含量(p<0.05)。可能因為表層土壤水分較低，土壤壓力較弱，秸稈的加入亦對土壤產生疏松作用，保護小粒徑土壤免于形成大土塊結構。良好的土壤結構狀況不僅要求較多的機械穩定性大團聚體含量，還應持有一定的穩定性，尤其是水穩性，才能防止耕作、施肥、灌溉、降雨沖擊等影響下土壤結構迅速破裂惡化[26]。秸稈還田后，0—30 cm土層水穩性大團聚體含量顯著增加(p<0.05)，與土壤大團聚體周轉及有機質變化的胚胎發育模型相符合[27]。當外源有機殘體進入時，可促進土壤顆粒有機質(POM)的形成，在礦物質、微生物分泌物和POM相互作用下形成微團聚體核心，繼續在土壤有機質膠結作用下，微團聚體、礦物質和POM結合形成大團聚體，促進土壤大團聚體數量增加[28-29]。此外，WR處理較HR和CK處理顯著增加0—10 cm土層0.5～1，0.25～0.5 mm粒級水穩性團聚體含量。主要因為夏高粱生長初期溫高水足，促進秸稈腐解，增加土壤有機質含量。一方面，有機質的輸入刺激土壤微生物繁殖及活性，促使分泌物、礦物質和POM形成大團聚體[5]。另一方面，土壤養分的增加促進作物生長和根系代謝產物增加，進一步促使大團聚體的形成[30]。秸稈還田量越多，有機質輸入越多，水穩性大團聚體含量越多[31]。但小粒級團聚體相比大粒級團聚體，POM相對更加封閉，團聚體結構更加穩定[32]。秸稈還田后，有機質富集于表層[33]，0—10 cm土層有機質、微生物數量及種類較10—30 cm土層多，因此，秸稈還田后0—10 cm土層大團聚體含量增加，微團聚體減少的現象要比10—30 cm土層顯著(p<0.05)。但眾學者針對稻麥系統[34]、棉花連作系統[35]及雙季稻系統[36]研究發現作物秸稈還田對土壤水穩性團聚體各粒級分布及含量影響不同，應該是作物秸稈的特殊性、種植系統的不同與土壤類型綜合作用的結果[37]。

平均重量直徑(MWD)和平均幾何直徑(GMD)可以靈敏地反映土壤團聚體的粒徑分布狀況，大團聚體百分含量越高，MWD值越大，說明團聚體的平均粒徑團聚程度越高；團聚體越穩定，GMD值越大[38]。本研究發現，秸稈還田顯著促進土壤水穩性團聚體R0.25含量及0—10 cm土層水穩性團聚體GMD值的提升，說明秸稈還田使水穩性團聚體含量及穩定性提高。秸稈還田后，土壤機械穩定性團聚體MWD，GMD和R0.25含量顯著低于CK處理，這主要是CK處理機械穩定性大團聚體含量占據百分比居高的緣故。結合上述各粒徑分布研究結果，由于WR處理顯著提升土壤水穩性大團聚體含量和小粒徑機械穩定性團聚體含量，所以WR處理下土壤水穩性團聚體GMD和R0.25含量最高，機械穩定性團聚體穩定參數最低。此外，經干篩和濕篩處理，土壤團聚體MWD，GMD和R0.25變化趨勢不同，因為干篩法反映原狀土中非水穩性和水穩性團聚體的總體情況，而濕篩法僅反映水穩性團聚體特征，故兩者穩定參數結果不同，濕篩法更能準確反映秸稈還田量對土壤穩定性的影響[39]。其中，土壤團聚體GMD是以土壤團聚體分布服從對數正態分布為前提，然而眾學者認為團聚體分布并非對數正態分布[40]，致使結果中GMD與MWD表現不同。相關性結果表明，土壤機械穩定性團聚體MWD，GMD，R0.25與土壤含水量、速效養分和全鉀呈顯著正相關，與土壤孔隙度呈顯著負相關(p<0.05)，說明秸稈進入土壤后，土壤水分及速效養分會刺激土壤微生物繁殖及多樣性，提升秸稈中有機質返還農田的效率，同時全鉀含有金屬陽離子，亦為大團聚體形成條件，能夠有效增加土壤大團聚體含量。土壤水穩性團聚體穩定參數與土壤有機碳呈正相關，主要是因為土壤水穩性團聚體穩定性與大團聚體含量顯著正相關，而有機碳中POM則是大團聚體形成的主要因子，這一研究結論在楊如萍[41]、高飛[42]、Osborne[29]等的研究中也得到了證實。

土壤團聚體破壞率(PAD)、不穩定團粒指數(ELT)和分形維數(D)能夠敏銳地反映出土壤穩定性及黏粒含量，其值越高，土壤黏粒含量越高，結構越不穩定，也表明退化程度增加[43]。秸稈還田后，0—30 cm土層團聚體PAD和ELT顯著降低，且兩者變化趨勢相似，說明秸稈還田能夠有效提高土壤穩定性，防治土壤退化。WR處理在0—10 cm土層團聚體PAD和ELT顯著低于CK和HR處理，主要原因是表層土壤水分、溫度、空氣充足，秸稈殘留量高于深層土壤，分解過程對水穩性大團聚體形成所需的POM、微生物含量、酶活性、金屬陽離子含量等膠結物質均有提高。在10—20，20—30 cm土層，HR與WR處理表現不同，因為秸稈還田量隨著耕作方式進入深層土壤秸稈量不同，且深層土壤空氣含量不足，秸稈過量將抑制腐解[44]。可能WR處理在10—20 cm土層秸稈還田量超出該土層所容納的最大秸稈量，在20—30 cm土層秸稈還田量則在土壤所容納范圍之內，因而僅提升20—30 cm土壤穩定性。基于干篩法，在0—30 cm土層內，各處理的土壤團聚體D隨著深度的增加而增大，濕篩法則呈“V”字形趨勢，這與李娟[43]、李涵[45]等研究結果不同，可能是因為農田利用方式、作物及土壤質地不同的緣故。相比0—10 cm土層干篩和濕篩各處理結果，團聚體D變化趨勢相反，說明秸稈還田的確能夠提升土壤穩定性。李娟等[43]研究發現土壤團聚體D與R0.25存在負線性關系，及R0.25含量越高，D越低。以上研究結果顯示秸稈還田可以有效增加<0.25 mm粒級機械穩定性團聚體含量，同時秸稈分解過程中產生的膠結劑可以增加土壤水穩性大團聚體含量，也說明了WR處理下土壤水穩性團聚體D最低的原因。土壤容重和全鉀含量均顯著正相關于土壤團聚體PAD，ELT及水穩性團聚體D，說明改善土壤容重、增加金屬陽離子含量有助于提高土壤穩定性。土壤孔隙度、毛管含水量則與土壤團聚體PAD，ELT及水穩性團聚體D呈顯著負相關，與機械穩定性團聚體D呈顯著正相關，主要因為該地區農田土壤主要以機械穩定性大團聚體為主，但其在農業生產中保水保肥性能差，灌溉后土壤易沉淀板結，影響土壤通透性；另外，黃土高原區春季多發土壤風蝕現象亦是因為農戶在播種前進行鎮壓、耙耱等破壞機械大團聚體的緣故[46]。此外，產量與0—10 cm機械穩定性團聚體、10—30 cm土層水穩性團聚體、20—30 cm團聚體PAD，ELT呈顯著相關性，主要是因為0—10 cm土壤機械大團聚體能夠有效緩解土壤板結和雨水對幼苗根系的沖刷，10—20 cm土層水穩定性大團聚體含量越高，說明土壤養分、微生物、菌絲含量越高，且團聚體穩定性越高，土壤疏松程度越高，有利于作物生長。

本文基于秸稈還田量對麥粱兩熟制農田土壤團聚體穩定性短期試驗，與秸稈未還田相比，秸稈還田有利于增加土壤有機質含量[47]，改善土壤結構，提高土壤大團聚體含量及團聚體穩定性，且秸稈100%還田處理效果優于50%還田處理。

4 結 論

(1) 基于麥粱兩熟制農田系統，在短期內，秸稈還田措施能夠顯著降低0—30 cm土層>10和<0.25 mm粒級機械穩定性團聚體含量，增加0.25～2 mm各亞粒級水穩性大團聚體含量，從而提高土壤團聚體R0.25含量。其中，WR處理下土壤機械及水穩性穩定性團聚體R0.25含量較HR處理分別顯著降低約1.9%～9.5%和16.7%～65.9%(p<0.05)。

(2) 秸稈還田措施能夠降低土壤團聚體PAD，ELT及D值，且WR處理較HR處理作用效果更為顯著(p<0.05)。其中，WR處理下0—30 cm土壤團聚體PAD及ELT值較CK處理分別顯著降低約1.6%～7.2%和0.7%～4.4%，并隨著土層的加深逐漸減弱。進一步分析土壤團聚體穩定性與理化性狀相關性發現，土壤團聚體穩定參數與土壤容重及全鉀含量呈顯著正相關，且與土壤孔隙度、含水量、全氮和有機碳含量呈顯著負相關(p<0.05)。

綜合說明麥粱秸稈全還田在短期年限內可以增加土壤有機碳含量，改善土壤孔隙結構及持水保水能力，提高土壤團聚體穩定性，促使雜糧和經濟作物產量的同步增長。