秸稈移除對(duì)四川地區(qū)紫色土有機(jī)質(zhì)含量的影響

張鵬　任濤　王陽　李龍國

摘 要：四川地區(qū)含有豐富的秸稈資源，可推薦作為生物乙醇生產(chǎn)基地，但是秸稈移除可能會(huì)造成有機(jī)質(zhì)含量下降，影響土壤生產(chǎn)力。通過在紫色土地區(qū)設(shè)置5個(gè)不同的秸稈移除率（0%、25%、50%、75%和100%）處理，探究不同移除率下土壤有機(jī)質(zhì)含量的變化情況。結(jié)果表明，經(jīng)過1年以上的秸稈移除后，與0%移除相比，各移除率下的土壤有機(jī)質(zhì)含量均發(fā)生了下降，但從有機(jī)質(zhì)隨時(shí)間變化角度來看，25%和0%移除處理的有機(jī)質(zhì)含量并未隨時(shí)間增長而發(fā)生下降。

關(guān)鍵詞：秸稈移除;紫色土;有機(jī)質(zhì)

中圖分類號(hào) X43文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A文章編號(hào) 1007-7731（2021）03-0108-03

Effect of Residue Removal on the Soil Organic Matter Content of Purple Soil in Sichuan Area

ZHANG Peng et al.

（College of Water Resource and Hydropower， Sichuan University， Chengdu 610000， China）

Abstract： Sichuan region is recommended as a bioethanol production base because of its abundant straw resources. However， removing the crop straw for bioethanol may negatively affect the soil organic matter and productivity. At present， there are few studies on the impact of residue removal on organic matter in the purple soil area， so we conduct field experiments in the purple soil area to investigate the problem. We set five different straw removal rates （0%， 25%， 50%， 75% and 100%） to explore the changes in organic matter content under different removal rates. The results showed that after more than one year of residue removal， the soil organic matter content under other removal rates decreased relative to 0% removal rate. But from the perspective of organic matter changes over time， the organic matter content under 25% and 0% removal treatments did not decrease with time.

Key words： Residue removal; Purple soil; Soil organic carbon

秸稈移除用于生物質(zhì)能源生產(chǎn)已成為秸稈資源利用新的途徑[1]。四川地區(qū)作為長江上游主要的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū)，由于具有豐富的秸稈資源[2]（每年產(chǎn)生的秸稈占全國總量的12%）被推薦作為生物乙醇生產(chǎn)基地。但是過多的秸稈移除可能會(huì)對(duì)土壤產(chǎn)生不利影響[3]，尤其是會(huì)影響土壤有機(jī)質(zhì)的含量。

土壤有機(jī)質(zhì)是土壤質(zhì)量的重要指標(biāo)，其對(duì)土壤的物理、化學(xué)和生物特性（如土壤保水，養(yǎng)分循環(huán)，氣體通量和水分和植物根系生長）均有一定的影響，增加和維持土壤有機(jī)質(zhì)對(duì)于提高土壤肥力，提高肥料的養(yǎng)分利用率，提高作物產(chǎn)量和改善環(huán)境質(zhì)量的作用至關(guān)重要[4]。作物秸稈若保留在田間，可以向土壤提供大量的有機(jī)物質(zhì)[5]。秸稈移除減少了土壤有機(jī)物質(zhì)的供給，影響土壤有機(jī)質(zhì)的含量。眾多研究表明，當(dāng)秸稈移除率超過一定閾值時(shí)，會(huì)造成土壤有機(jī)質(zhì)下降[6–8]，這個(gè)閾值的大小取決于氣候和土壤條件，即秸稈移除對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)造成的影響是有場地特異性的[9]。四川地區(qū)紫色土富含礦質(zhì)營養(yǎng)，容易發(fā)生淋溶和侵蝕[10]，當(dāng)?shù)剌^高的降雨量也加劇了紫色土淋溶和侵蝕的過程[11]。因此，相對(duì)于其他土壤類型，有機(jī)質(zhì)含量對(duì)秸稈移除的反應(yīng)可能會(huì)更劇烈，造成土壤有機(jī)質(zhì)含量下降的秸稈移除率閾值也可能會(huì)更小。

目前，關(guān)于四川紫色土地區(qū)秸稈移除的研究較少。為此，本研究通過大田實(shí)驗(yàn)探究了秸稈移除對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)含量的影響，從而得到該地區(qū)秸稈移除率閾值，即移除多少比率的秸稈不會(huì)造成土壤有機(jī)質(zhì)的下降，為該地區(qū)的秸稈移除提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況 試驗(yàn)于2018和2019年度在四川省成都市簡陽市（30°29′11″N、104°38′42″E）進(jìn)行，位于四川盆地丘陵區(qū)，海拔高度430m。屬亞熱帶季風(fēng)氣候，多年平均氣溫17℃，年平均降水量874mm，具體溫度和降雨數(shù)據(jù)見圖1。土壤類型為粘壤土，試驗(yàn)前土壤pH8.14，有機(jī)質(zhì)含量22g/kg。試驗(yàn)田在試驗(yàn)開始前已經(jīng)進(jìn)行了40年的夏玉米-冬油菜輪作。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì) 試驗(yàn)共設(shè)置0%（CK）、25%、50%、75%和100%5個(gè)不同的秸稈移除率處理，4次重復(fù)，共20個(gè)田塊，每田塊面積為5m×5m。田塊在田間呈4列分布，每一列都包含5個(gè)秸稈移除率處理。秸稈移除的方法為：先統(tǒng)計(jì)田塊里的作物植株總數(shù)，在作物收獲后，根據(jù)不同的秸稈移除率移除相應(yīng)數(shù)目的作物秸稈，剩下的秸稈平整地鋪在土壤表面。除了秸稈移除率，其他農(nóng)業(yè)管理措施都一致。田間耕作方式為中耕，在每次秸稈移除之后進(jìn)行。田間所施肥料為尿素和磷肥（P2O5≥12%），施肥量分別為825kg/hm2、1500kg/hm2。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 樣品采集 試驗(yàn)于2018年4月開始并進(jìn)行基礎(chǔ)土樣采集，2018年5月份進(jìn)行第1次秸稈移除。在進(jìn)行田間土樣采集時(shí)，取3kg田間表層10cm的土壤，每個(gè)田塊選取5個(gè)采樣點(diǎn)進(jìn)行土樣采集，采集后混合作為1個(gè)樣品。從第1次秸稈移除到2019年8月份，共進(jìn)行了5次土樣采集和3次秸稈移除。

1.3.2 樣品分析 土壤有機(jī)質(zhì)測定采用的方法是燃燒氧化-非紅外氧化法[12]。土樣風(fēng)干之后過0.097mm篩，作為有機(jī)質(zhì)分析試樣。稱取0.05g試樣，精確到0.0001g，放入墊上少量玻璃毛的石英杯中，并緩慢滴加5%磷酸溶液，至試樣無氣泡冒出。將石英杯放入總有機(jī)碳測定儀，測量響應(yīng)值。通過公式計(jì)算得到有機(jī)碳含量，乘上系數(shù)1.724得到有機(jī)質(zhì)含量。計(jì)算公式為：

ω_om=[（A-A₀-a）/b×m1×1000]×100×1.724

式中：wom為土壤有機(jī)質(zhì)含量（g/kg），A為試樣響應(yīng)值，A0為空白試樣響應(yīng)值，a為標(biāo)準(zhǔn)曲線的截距，b為標(biāo)準(zhǔn)曲線的斜率，m1為試樣中干物質(zhì)的質(zhì)量。

1.4 數(shù)據(jù)分析與處理 運(yùn)用Spss25中的單因素ANOVA分析對(duì)不同移除率和不同處理時(shí)間下的土壤有機(jī)質(zhì)含量進(jìn)行了顯著性分析（P≤0.05），使用Excel進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和圖表的繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 相同采樣時(shí)間不同秸稈移除率對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)的含量的影響 由圖1可知，秸稈移除會(huì)造成有機(jī)質(zhì)含量的降低，且隨著試驗(yàn)時(shí)間的增加，由秸稈移除引起的有機(jī)質(zhì)含量的降低變得更加明顯。除第7個(gè)月的采樣，在其他幾次采樣中，相對(duì)于CK，其他移除率下的有機(jī)質(zhì)含量均呈下降趨勢(shì)。在試驗(yàn)開始之后第3個(gè)月的采樣中，相對(duì)于CK只有50%和75%移除率下的有機(jī)質(zhì)含量發(fā)生了顯著下降（P≤0.05）。隨著試驗(yàn)時(shí)間的延長，到第15個(gè)月，相比于CK處理，其他移除率下的有機(jī)質(zhì)含量都發(fā)生了顯著下降（P≤0.05）。

2.2 相同秸稈移除率不同時(shí)間對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)含量的影響 由圖2可知，在所有移除率下，相對(duì)于第7個(gè)月，第8個(gè)月的有機(jī)質(zhì)含量都有顯著上升并達(dá)到最大。第8個(gè)月之前，不同移除率下的有機(jī)質(zhì)含量變化并不一致。第8個(gè)月之后，隨著試驗(yàn)時(shí)間的延長，各個(gè)移除率下的土壤有機(jī)質(zhì)含量都在逐漸下降。總體而言，從第3個(gè)月到第15個(gè)月這段時(shí)間，低移除率（0，25%）下的土壤有機(jī)質(zhì)含量并未發(fā)生顯著下降，但在高移除率下，有機(jī)質(zhì)含量發(fā)生了顯著下降（除75%移除處理）。

3 討論

土壤有機(jī)質(zhì)的含量取決于有機(jī)物質(zhì)的輸入和輸出的動(dòng)態(tài)平衡[8]。秸稈的移除減少了有機(jī)物質(zhì)向土壤的輸入，會(huì)減小土壤有機(jī)質(zhì)的含量。由本次研究結(jié)果顯示，高比率的秸稈移除會(huì)造成土壤有機(jī)質(zhì)含量的下降，尤其是在較長試驗(yàn)時(shí)間下，這與前人的研究類似[13]。土壤有機(jī)質(zhì)的下降還與紫色土易發(fā)生侵蝕的特性有關(guān)[14]，試驗(yàn)地的高降雨量也會(huì)加重紫色土的水力侵蝕。研究表明，秸稈還田可以減小紫色土的侵蝕損失[11]。因此，在高移除率處理下會(huì)有更高的土壤侵蝕損失，有機(jī)質(zhì)的含量也會(huì)損失更多。

從第3個(gè)月到第15個(gè)月這段時(shí)間，低移除率（0和25%）下的土壤有機(jī)質(zhì)含量并未發(fā)生顯著性變化，但是在高移除率下（除了75%）土壤有機(jī)質(zhì)含量發(fā)生了顯著下降。在冬油菜生長期內(nèi)（3個(gè)月到第11個(gè)月），所有移除率下的土壤有機(jī)質(zhì)并未發(fā)生顯著變化。高移除率處理（除了75%）下的有機(jī)質(zhì)含量的顯著下降主要發(fā)生在夏玉米生長期內(nèi)（第11個(gè)月到第15個(gè)月）。這是因?yàn)橄挠衩咨L期間當(dāng)?shù)亟涤炅枯^大，會(huì)導(dǎo)致較高的侵蝕損失，尤其是在高移除率處理下，土壤表面覆蓋的秸稈較少，雨水直接沖刷泥土，造成了更高的侵蝕損失，導(dǎo)致有機(jī)質(zhì)含量發(fā)生顯著下降。

在低移除率處理下（0和25%），有機(jī)質(zhì)含量從第3個(gè)月到第7個(gè)月發(fā)生了顯著下降，但在高移除率下有機(jī)質(zhì)含量卻出現(xiàn)了明顯上升（除了100%移除處理），這種現(xiàn)象與秸稈的降解過程有關(guān)。玉米和油菜秸稈都含有較高的碳氮比，這會(huì)加大秸稈降解的難度[15]，土壤氮或者外源氮的補(bǔ)充可以減小碳氮比[16]，從而加速玉米和油菜秸稈的降解過程。在本試驗(yàn)中，第7個(gè)月土壤采樣前20d，每個(gè)田塊都施加了相同量的尿素，所以在低移除率下會(huì)有更高的碳氮比，秸稈降解也更慢。這導(dǎo)致低移除率下有機(jī)質(zhì)的供給更少，同時(shí)土壤中的有機(jī)質(zhì)在微生物的作用在不斷分解，因此，土壤有機(jī)質(zhì)含量發(fā)生了顯著下降。在100%移除率下，秸稈全部移除只保留根部，投入的有機(jī)物質(zhì)太少，土壤有機(jī)質(zhì)含量也發(fā)生了下降。50%和75%移除率下，秸稈降解過程較快，土壤有機(jī)質(zhì)的補(bǔ)給過程大于分解過程，使得土壤有機(jī)質(zhì)含量有所上升。第8個(gè)月，所有移除率下的土壤有機(jī)質(zhì)含量相對(duì)于第7個(gè)月都出現(xiàn)了顯著上升，這是因?yàn)樘镩g秸稈發(fā)生了比較完全的分解，向田間土壤提供了大量的有機(jī)質(zhì)，在100%移除率下由于作物根部的分解，土壤有機(jī)質(zhì)含量也有一定的上升趨勢(shì)。

由此可見，秸稈移除后，有機(jī)物質(zhì)投入的減少和土壤侵蝕損失的增大是導(dǎo)致土壤有機(jī)質(zhì)含量減小的原因，所以在進(jìn)行1年多的秸稈移除之后，相對(duì)于CK，其他移除率處理下的土壤有機(jī)質(zhì)含量都發(fā)生了顯著下降。但是從有機(jī)質(zhì)含量隨時(shí)間變化的角度來看，只有高移除率下的有機(jī)質(zhì)含量發(fā)生了顯著下降，低移除率（0，25%）下的有機(jī)質(zhì)含量無顯著變化。說明進(jìn)行25%的秸稈移除后，土壤有機(jī)質(zhì)含量雖然相對(duì)于CK有所下降，但并不會(huì)隨時(shí)間增加而發(fā)生顯著下降，有機(jī)質(zhì)的含量可以保持在一定水平。因此，在進(jìn)行秸稈移除時(shí)，選擇25%的秸稈移除率是可取的。

4 結(jié)論

研究表明，秸稈移除減少了土壤有機(jī)物質(zhì)的輸入，造成土壤有機(jī)質(zhì)的含量下降，且隨著時(shí)間的增長，其他移除率下的土壤有機(jī)質(zhì)含量相對(duì)于CK的下降幅度越來越大。但是從各個(gè)移除率下的土壤有機(jī)質(zhì)含量隨時(shí)間的變化可以看到，25%的秸稈移除并不會(huì)造成土壤有機(jī)質(zhì)含量的下降。因此，在四川紫色土農(nóng)田中推薦進(jìn)行25%的秸稈移除。

參考文獻(xiàn)

[1]彭白樺.四川農(nóng)村秸稈類廢棄物的循環(huán)利用和經(jīng)濟(jì)化研究[J].中國市場，2017（12）：198–201.

[2]Y.R.Fang， Y.Wu， G. H. Xie.Crop residue utilizations and potential for bioethanol production in China[J]. Renew. Sustain. Energy Rev， 2019， 113（07）：109288.

[3]M.R.Cherubin.Crop residue harvest for bioenergy production and its implications on soil functioning and plant growth：A review [J]. Sci. Agric.， 2016，75（02）：255–272.

[4]L.Mueller.Assessing the productivity function of soils. A review [J].Agron. Sustain. Dev.， 2010， 30（03）：601–614.

[5]M.Wang， E. Pendall， C. Fang， et al.A global perspective on agroecosystem nitrogen cycles after returning crop residue [J]. Agric. Ecosyst. Environ，2018， 266（06）：49–54.

[6]B. R.Wegner， S. Kumar， S. L. Osborne， et al. Eynard.Soil response to corn residue removal and cover crops in eastern South Dakota [J]. Soil Sci.S oc. Am. J， 2015，79（04）：1179–1187.

[7]W. E. Riedell， S.L.Osborne，K. J. Dagel. Maize residue removal and cover crop effects on subsequent soybean crops [J].Agron. J，2017， 109（06）：2762–2770.

[8]B. J. Dalzell， J. M. F. Johnson，J. Tallaksen， et al. Simulated impacts of crop residue removal and tillage on soil organic matter maintenance [J]. Soil Sci. Soc. Am. J，2013，77（04）：1349–1356.

[9]L.C.Gonzaga， J.L.N.Carvalho， B.G.de Oliveira， et al. Crop residue removal and nitrification inhibitor application as strategies to mitigate N2O emissions in sugarcane fields [J]. Biomass and Bioenergy， 2018， 119（09）：206–216.

[10]X.Ding， Y.Xue，M.Lin， et al. Effects of precipitation and topography on total phosphorus loss from purple soil [J]. Water （Switzerland）， 2017，9（05）：1–13.

[11]M.N.Khan. Effect of slope，rainfall intensity and mulch on erosion and infiltration under simulated rain on purple soil of south-western Sichuan Province，China [J]. Water （Switzerland）， 2016， 8（11）：1–18.

[12]趙莉.燃燒氧化-非分散紅外法測定土壤有機(jī)碳[J].綠色科技，2015（11）：223–225.

[13]D.Warren Raffa，A.Bogdanski， P.Tittonell.How does crop residue removal affect soil organic carbon and yield？A hierarchical analysis of management and environmental factors[J].Biomass and Bioenergy，2015，81（10）：345–355.

[14]B.Wang， F. Zheng，M. J. M.R?mkens， et al. Soil erodibility for water erosion：A perspective and Chinese experiences[J].Geomorphology， 2013， 187（01）：1–10.

[15]H. B. Pulunggono，S. Anwar，B.Mulyanto，et al. Decomposition of oil palm frond and leaflet residues [J].Agrivita，2019，41（03）：524–536.

[16]C. Jiang， W.Yu.Combined influence of external nitrogen and soil contact on plant residue decomposition and indications from stable isotope signatures[J].Environ. Sci. Pollut. Res.，2019（07）：6791–6800. （責(zé)編：張宏民）

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金項(xiàng)目（No.51709190）

作者簡介：張鵬（1995—），男，安徽安慶人，碩士，研究方向：土壤修復(fù)和土壤侵蝕。? 收稿日期：2020-12-03