綠肥、稻草還田對植煙土壤團聚體組成及有機質分布的影響

嚴紅星，田 飛，劉建國，劉勇軍，彭曙光，靳志麗，羅建新*

1.湖南農業大學，長沙市芙蓉區農大路1號 410128

2.湖南省煙草公司，長沙市天心區芙蓉南路一段628號 410007

3.中國煙草中南農業試驗站永州基地，湖南省永州市冷水灘區珍珠路909號 425000

由于土地利用集約化程度的提高和化肥的大量施用，導致了土壤板結、肥力下降等環境惡化問題，最明顯的特征是土壤有機質含量減少和團聚體穩定性降低［1］。團聚體和有機質是保持土壤結構和肥力的基礎［2］，外源有機物料還田能夠起到增加土壤有機質含量，提高土壤團聚體穩定性和改善土壤理化性狀的作用。有研究表明［3-7］，綠肥翻壓和秸稈還田后土壤中有機質含量明顯提高，保肥能力增強。有機物料和化肥配施能顯著提高水稻土的有機質含量和品質，有效降低土壤容重，是培肥地力的有效途徑［8］。土壤團聚體是土壤最基本的結構單元，是土壤中養分轉化的場所［9-10］。Van Bavel［11］和 Gardner［12］提出了以平均質量直徑（Mean weight diameter, MWD）和幾何平均直徑（Geometric mean diameter, GMD）作為評價土壤團聚體分布狀況及穩定性的指標，MWD 與GMD 值越大，團聚體分布狀況與穩定性越好；分形維數（Fractal dimension, D）是反映土壤團聚體數量組成及質地均一性的綜合性指標［13-14］，土壤有機質在團聚體中的分布與變化是土壤中重要的物理化學性質之一［15］。研究表明［16-18］，有機物料還田能顯著提高土壤大團聚體（＞0.250 mm）的數量和比例，顯著提高 MWD 和 GMD 值，降低 D 值，進而影響團聚體分布并提高其穩定性，而單施化肥對大團聚體的形成有抑制作用。稻草還田能提高大團聚體數量和有機質含量，影響有機質分布，優化土壤的理化性狀［19］。不少學者在有機物料還田對提升和改良土壤肥力方面進行了大量研究［20-23］，但對不同種類有機物料在湖南煙區還田的研究應用則少見報道。為此，在湘南湘西的典型煙區進行了綠肥、稻草還田對植煙土壤團聚體組成及有機質分布的影響試驗，以期為煙田土壤改良提供依據。

1 材料與方法

1.1 試驗基本情況

試驗于2015—2017年在湘南藍山縣土市鄉三廣村、江華縣白芒營鎮新社灣村和湘西鳳凰縣千工坪鄉通板村、花垣縣道二鄉科技園進行。供試土壤為石灰巖母質發育的水稻土（湘南，煙-稻輪作制）和旱地貧瘠土壤（湘西，一年一熟制）。試驗田近3年沒有安排過肥料試驗，交通便利，排灌方便，土質、肥力具有代表性。供試煙草品種為云煙87，還田物料為鮮油菜、干稻草（當地晚稻稻草）、鮮箭舌豌豆和鮮黑麥草，氮、磷、鉀和干物質含量見表1。施用肥料為煙草專用基肥、專用追肥、提苗肥和硫酸鉀，由當地煙草公司提供，按照當地烤煙標準化生產技術方案進行田間管理。

表1 綠肥和稻草中氮、磷、鉀和干物質含量Tab.1 Contents of nitrogen, phosphorus, potassium and dry matter in green manure and rice straw

1.2 試驗設計

采用定位試驗，在等養分基礎上設置3 個處理，3 次重復，共9 個小區，田間小區隨機區組排列。湘南分別為對照（化肥）、稻草還田（干稻草3 750 kg/hm2）、油菜還田（鮮油菜 22 500 kg/hm2）；湘西分別為對照（化肥）、箭舌豌豆還田（22 500 kg/hm2）、黑麥草還田（22 500 kg/hm2）。

稻草還田方法：在烤煙移栽前30 d，將干稻草切為長10～15 cm 的碎段，均勻拋撒在田中，并在稻草上均勻撒施秸稈腐熟劑2.5 ～3.0 kg/667 m2，之后灌水浸泡10 ～15 d。待浸泡的稻草軟化后，用旋耕機將稻草打碎。用耕翻機將稻草連同根茬一起翻耕入土，翻耕深度為15～20 cm。

油菜還田方法：在烤煙移栽前30 d 用機械或手工將油菜打（砍）碎并翻壓，一般埋入土壤中深度為15～20 cm，隨即進行耙地和鎮壓，以加速油菜的腐解。

箭舌豌豆或黑麥草種植與還田方法：先將土壤翻耕、耙平，四周開好圍溝，9月下旬采取撒播播種。3月下旬，即烤煙移栽前30 d 左右結合土地翻耕或起壟時進行翻壓鮮箭舌豌豆或黑麥草22 500 kg/hm2。若翻壓前產量過大，則將過多的箭舌豌豆或黑麥草割掉一部分并移出，異地還田；小區內產量不足的部分實施異地補充。先用機械或手工將其打碎，然后撒在地面或施入溝中，再進行翻耕，一般埋入土壤中深度為15～20 cm。

湘南試驗各處理的氮肥用量（包括有機氮和無機氮）相同，均為 144 kg/hm2，N∶P2O5∶K2O 為 1.0∶0.8∶2.8，綠肥和稻草還田處理扣除相應還田綠肥和稻草帶入土壤的氮；湘西試驗各處理的總氮用量為 105 kg/hm2，N∶P2O5∶K2O 為 1.00∶1.28∶3.11，扣除相應還田箭舌豌豆和黑麥草帶入土壤中的氮。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 樣品采集與處理

湘南試驗于晚稻收獲后、湘西試驗于煙葉采收完成后，在每小區采用“S ”形采樣法分別采集0～20 cm 的耕層混合土樣以及原狀土樣。將耕層土樣放入塑料袋；將原狀土樣放入塑料盒中，并盡量減少在采集以及運輸過程中對原狀土的破壞。帶回實驗室后，將土樣風干、過篩后備用；原狀土樣在室內沿自然結構輕輕掰成直徑約1 cm 的小土塊，同時除去植物殘體、小石塊后，風干備用。

1.3.2 測定方法

采用重鉻酸鉀容量法［24］測定土壤有機質含量（質量分數），采用周虎等［13］的方法測定土壤團聚體指標。

1.3.3 數據處理

土壤團聚體的平均質量直徑（MWD）、幾何平均直徑（GMD）、分形維數（D）、土壤團聚體中有機質分布的計算方法［18,25］：

式中：Wdi為 i 粒級團聚體的質量；Wi為 i 粒級團聚體所占的比例。

式中：xi為i 粒級團聚體直徑。

式中：全土為未經粒徑分離的土樣；全土有機質為土壤有機質。

采用Microsoft Excel 2007 軟件進行數據的統計處理，用DPS7.05 軟件、新復極差法對數據進行組間差異的顯著性比較。

2 結果與討論

2.1 綠肥、稻草還田對土壤有機質含量的影響

有機質是植物生長過程中重要的礦物質營養來源，也是評價土壤肥力的重要指標，其含量的大小和動態變化對土壤結構和土壤生產力有直接影響［25］。圖 1 表明，4 種物料還田后的土壤的有機質含量較CK 均有所提高，稻草、油菜還田處理較CK分別提高2.80%和3.24%，箭舌豌豆、黑麥草還田處理較CK 分別提高0.84%和0.48%，但兩個試驗區的還田處理與CK 間有機質含量差異均不顯著，可能是因為還田年限較短，有機質含量的變化對有機物料還田的響應緩慢所致。有機物料富含養分，還田腐解后釋放出大量有機碳，有利于土壤有機質的積累，因此不同有機物料還田均能提高土壤有機質含量，但由于有機物料種類和狀態不同，在土壤中分解過程存在差異，因此還田后土壤有機質含量的提高幅度也不同。有研究認為［5,26-27］，油菜較稻草、箭舌豌豆較黑麥草C/N 小，腐殖化系數低，在土壤中較易腐解，可向土壤輸入更多的有機碳，更有利于提高土壤的有機質含量，與本試驗結果基本一致。

圖1 綠肥、稻草還田處理土壤的有機質含量比較Fig.1 Comparison of soil organic matter content between green manure and rice straw returning

2.2 綠肥、稻草還田對土壤團聚體組成的影響

土壤團聚體數量和大小分布直接影響著土壤品質，團聚體特征是反映土壤結構穩定性和抗侵蝕能力的重要指標［5］，一般粒徑大于0.250 mm 的團聚體稱為大團聚體，相對于其他粒徑的團聚體大團聚體更能充分體現土壤團聚體的穩定性，其含量越高，土壤品質越好［28］。有研究表明［29-30］，土壤中＞0.250 mm 水穩性團聚體比例與土壤肥力成正比，且MWD、GMD 和D 均能反映土壤團聚體的穩定性。表2 表明，在湘南試驗區，稻草、油菜還田處理與CK 相比，＞0.250 mm 水穩性團聚體比例分別提高4.81%、7.41%，MWD 和GMD 大小均表現為油菜＞稻草＞CK，稻草、油菜還田處理的D 值較CK 分別下降3.28%和4.92%，不同處理4 個特征指標統計中僅油菜還田與CK 差異顯著。可見，湘南試驗區油菜還田能顯著提高水穩性團聚體的團聚力，改善團聚體數量組成和均一性，稻草還田也在一定程度上改善團聚體特性，但油菜還田效果優于稻草還田，這可能是油菜比稻草提供到土壤中的有機碳多，增強了團聚體的膠結力，有利于促進大團聚體的形成。在湘西試驗區，箭舌豌豆、黑麥草還田處理與CK 相比，＞0.250 mm 水穩性團聚體比例分別提高2.70%和12.57%，MWD 和GMD 大小均表現為黑麥草還田＞箭舌豌豆還田＞CK，箭舌豌豆、黑麥草還田處理的D 值較CK 分別下降0.35%和1.06%，不同處理4 個指標間僅黑麥草還田與CK 差異顯著。可見，湘西試驗區綠肥還田均能有效改善土壤團聚體特性，但黑麥草還田效果顯著好于箭舌豌豆。這可能是由于黑麥草富含纖維素和木質素，有利于土壤團粒結構的形成，與鄧小華等［31］的研究結果一致。

表2 綠肥、稻草還田處理土壤的團聚體穩定性比較①Tab.2 Comparison of stability of soil aggregates between green manure and rice straw returning

2.3 綠肥、稻草還田對團聚體有機質含量和分布的影響

團聚體中有機質是反映土壤團聚體結構穩定性和功能的重要指標，增加團聚體有機質，可以提高團聚體的穩定性［32-34］。圖2 表明，不同還田處理的湘南、湘西試驗區土壤不同粒徑的水穩性團聚體中有機質含量變化趨勢一致，有機質含量均表現為隨粒徑的減小先升高后降低，且2.000～0.250 mm 粒徑范圍內有機質含量最高。湘南試驗區土壤中各粒徑團聚體有機質含量表現為油菜還田＞稻草還田＞CK，說明稻草、油菜還田均能提高不同粒徑團聚體中有機質含量，但不同處理間差異不顯著。湘西試驗區綠肥還田提高了大團聚體中有機質含量，表現為箭舌豌豆還田＞黑麥草還田＞CK，在小團聚體中綠肥還田處理均小于CK，但不同處理間差異不顯著。綠肥、稻草還田后＞0.250 mm團聚體有機質含量增幅大于＜0.250 mm 團聚體有機質含量，可能是因為新添有機物料轉化的養分首先富集在小團聚體中，但隨著大團聚體的形成，以及大團聚體包含有較大數量的黏粒及強大的表面吸附能力，養分最終在大團聚體中累積，與楊瑩瑩等［19］的研究結果一致。

圖2 綠肥、稻草還田處理土壤的團聚體中有機質含量Fig.2 Organic matter content in aggregates in soils after green manure and rice straw returning

表3 綠肥、稻草還田處理土壤團聚體中有機質分布比較Tab.3 Distribution of organic matter in aggregates in soils after green manure and rice straw returning （%）

有機質在固碳和肥力上發揮著重要作用，因此團聚體中有機質的分布備受關注［35-36］。由表3可知，湘南試驗區不同還田處理與CK 相比，＞2.000 mm 團聚體有機質分布有所提高，其中稻草、油菜還田較CK 分別提高24.51%和30.00%，且還田處理與CK 間差異顯著，油菜還田處理與CK 差異極顯著；＜2.000 mm 團聚體有機質分布均有降低，大小表現為油菜還田＜稻草還田＜CK。說明稻草、油菜還田能提高大粒徑團聚體中有機質分布，可能是大團聚體數量的增加及大團聚體中有機質含量提高所致。而湘西與湘南試驗區相比較，土質不同、團聚體數量組成存在差異，有機質主要分布在＜2.000 mm 的團聚體中。箭舌豌豆、黑麥草還田較CK 比＞2.000 mm 團聚體有機質分布分別提高14.29%、39.48%，黑麥草還田與CK 差異顯著。2.000～0.250 mm 團聚體有機質分布大小表現為黑麥草還田＞箭舌豌豆還田＞CK，但不同處理間差異不顯著。＜0.250 mm 團聚體有機質分布大小表現為黑麥草還田＜箭舌豌豆還田＜CK，其中黑麥草還田與CK 相比，＜0.053 mm 團聚體有機質分布顯著降低23.77%。說明箭舌豌豆、黑麥草還田均能增加大團聚體中有機質分布，降低小團聚體中有機質分布，黑麥草還田效果顯著，可能是黑麥草促進大團聚體數量增加所致。可見，湘南和湘西試驗區綠肥、稻草還田后均呈現有機質分布從小團聚體向大團聚體中轉移的趨勢，尤其是增加了＞2.000 mm 團聚體中的有機質分布，油菜還田效果優于稻草還田，黑麥草還田優于箭舌豌豆還田，與史瓊彬等［37］的研究結果相似。

3 結 論

綠肥、稻草還田能在一定程度上提高植煙土壤的有機質含量，提升幅度油菜大于稻草，箭舌豌豆大于黑麥草。統計分析表明，不同處理間有機質含量差異不顯著，有機質含量的提高是一個長期的、不斷積累的過程。綠肥、稻草還田能提高大團聚體含量，提高MWD 和GMD，有效降低分形維數，對團聚體特征的改善表現為油菜還田優于稻草還田，黑麥草還田優于箭舌豌豆還田。綠肥、稻草還田能提高水穩性團聚體中有機質含量，對大

團聚體中有機質含量的提高幅度大于小團聚體，尤其是＞2.000 mm 團聚體中有機質含量，提高幅度依次為油菜＞稻草、箭舌豌豆＞黑麥草。綠肥、稻草還田后土壤有機質分布均呈現從小團聚體向大團聚體轉移的趨勢，尤其是提高了＞2.000 mm 團聚體中的有機質分布，還田效果油菜優于稻草，黑麥草優于箭舌豌豆。