秸稈還田量對半干旱區褐土團聚體穩定性及有機碳組分的影響

摘要： 為探究秸稈還田量對遼西褐土團聚體穩定性及各組分有機碳含量的影響，以遼寧西部半干旱地區褐土為試驗對象，研究不同秸稈還田量對于不同剖面土壤團聚體穩定性及其有機碳組分含量的影響。于2020年3月中旬進行秸稈還田，共設置4個秸稈施用量（0、5 000、10 000、20 000 kg/hm2），于2022年秋收后采集土壤樣品，對褐土土壤團聚體及其有機碳組分進行分析。試驗結果表明：各處理水穩性團聚體占比主要集中于＜0.250 mm粒徑。與CK相比較，秸稈還田顯著提高了水穩性大團聚體含量（＞0.25 mm）與水穩性團聚體MWD（平均重量直徑），且隨著還田量的增加而提高。秸稈還田使不同粒級團聚體有機碳含量呈現出增加的趨勢；10 cm剖面，與CK相比較，3個秸稈處理顯著提高了＞0.25 mm粒級團聚體有機碳含量。30 cm剖面，僅gt;0.250～2.000 mm粒級團聚體有機碳含量提升顯著。與CK相比較，秸稈處理顯著提高了10 cm剖面與30 cm剖面土壤顆粒有機碳（POC）含量，其中以S2處理增幅最高。可見，秸稈還田能有效提升土壤團聚體穩定性，有利于增加土壤團聚體有機碳含量，對于土壤顆粒有機碳含量提升具有促進作用。

關鍵詞： 土壤有機碳；團聚體；秸稈還田；顆粒有機碳；穩定性；有機碳組分

中圖分類號：S158.3 "文獻標志碼：A

文章編號：1002-1302（2024）01-0219-06

東北地區作為我國重要的糧食產區，在保障我國糧食生產方面有著重要作用。2021年，東北地區糧食產量達14 445.7萬t，約占全國糧食產量的21.15%［1］。近年來，隨著化肥工藝技術的提升，化肥有效利用率也不斷增強，導致農民對化肥的依賴性日益加深，而對于耕地“重用輕保”，使得土壤質量迅速下降，進而導致土壤質量惡化。而秸稈作為農業生產過程當中的副產品，產量極高，且具有重要的生物價值效益，對于改善土壤物理化學性狀，調節土壤養分含量以及耕層有機質累積等方面都具有重要意義。

土壤團聚體是土壤結構中的最小基礎單元，其粒徑分布與結構穩定性是評價土壤質量的重要指標之一，可以通過分析其變化，獲得土壤理化性質、結構功能以及養分狀況的綜合動態數據［2］。土壤團聚體是土壤有機碳的主要貯存容器，通過物理包裹有機碳的形式，使得內部的有機碳免受外界微生物分解利用，對土壤結構的穩定性產生積極影響［3］。土壤團聚體穩定性是土壤結構的重要表征，一般受土地利用、外源養分輸入等方面影響［4-5］。當外源有機物料進入到土壤當中，不僅提升了土壤有機質含量，同時對土壤團聚體形成也有促進作用，提升了土壤團聚體的穩定性［6］。因此，土壤團聚體穩定性對于土壤的生產能力、養分供給能力有著重要的影響［7］。

相較于土壤團聚體，土壤有機碳組分對外源有機物料在土壤中的分解與轉化更為敏感，對于土壤碳循環與周轉更為重要，土壤有機碳組分中顆粒態礦物對于有機碳的吸附與固定是土壤固定有機碳的重要方式［8］。通常將粒徑大于0.053 mm的有機碳稱為顆粒態有機碳（POC），易受田間管理與作物生長的影響，易被微生物分解礦化，作為土壤速效養分，供作物吸收利用［9-10］；將與土壤粉黏粒聯系更為緊密，粒徑小于0.053 mm的有機碳，稱為礦物結合態有機碳（MOC）， 此類有機碳生物利用效率低，穩定性高，一般稱為惰性有機碳［11-12］。這2種土壤有機碳含量在土壤中的變化對于土壤團聚體的形成、碳封存以及碳穩定等都具有重要的影響［13］。

遼寧西部地區冬季氣候寒冷時期長，夏季干旱少雨，土壤肥力中下，屬于中低產田。隨著遼寧省大力開展秸稈還田措施，秸稈還田對于該地區提升土壤肥力、作物產量等方面的作用已有報道［14-15］，而對該地區秸稈還田后，土壤團聚體的分布及穩定性鮮有報道。基于此，本研究利用3年的田間定位試驗，設置不同秸稈還田量，研究在該模式下，對褐土團聚體組成及各組分有機碳含量的影響，以期為遼西地區農田耕作提升土壤地力，調節土壤結構提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

本試驗于2020—2022年在遼寧省朝陽市喀左縣六官鎮東前溝村試驗田進行，地理位置為119°68′E， 41°16′N。 該地區屬于寒溫帶大陸性季風氣候，溫熱干旱，全年平均日照時數為2 807.8 h， 年平均溫度8.7 ℃，無霜期144 d，年均降水量為491.5 mm左右。供試土壤類型為褐土，土壤基本理化性質如下：有機質含量16.29 g/kg，全氮含量0.803 g/kg，總磷含量0.491 g/kg，全鉀含量12.31 g/kg，有效磷含量16.69 mg/kg，pH值6.65。

1.2 試驗設計

于2020年3月中旬開始試驗，本試驗共設計4個處理小區（表1），每個小區面積為48 m2（6.0 m×8.0 m），小區間隔1.5 m。將試驗用玉米秸稈于陰暗處自然風干，剪成≤30 mm的小段備用。通過機械旋耕還田，還田深度為0～20 cm。于2020年4月下旬采用單行播種方式，于秸稈填埋區域上方起壟進行作物種植。種植作物為玉米（吉第67），耕種前施用基肥，為常規玉米專用緩釋型復合肥（N ∶ P 2O 5 ∶ K 2O=28 ∶ 14 ∶ 12），每個處理區肥料用量為60 g/m2，生長季未再追肥。所有試驗區的澆水除草措施，均按照當地田間管理進行。

1.3 樣品采集與測定

1.3.1 樣品采集 于2022年10月11日采集土壤樣品，在處理區內采用“S”形采樣法，選取5點，分別于10、30 cm剖面，采用內徑為5 cm的土鉆取原狀土，帶回實驗室在室溫下自然風干，在風干過程中，沿土塊自然結構縫隙將土塊掰成直徑3 cm的小土塊，同時去除原狀土中肉眼可見的根系、石子等雜物，混合備用。

1.3.2 測定方法 （1）團聚體篩選：團聚體采用Six等的方法對不同粒徑的土壤團聚體進行 篩分［16］，從而獲得＞2.000 mm（大團聚體）、gt;0.250～ 2.000 mm（小團聚體）、gt;0.053～0.250 mm（微團聚體）、≤0.053 mm（粉-黏團聚體）各粒級團聚體。（2）有機碳、顆粒有機碳、礦物結合態有機碳含量的測定：采用Cambardella等的方法分離土壤有機碳組分，分別獲得土壤顆粒有機碳和礦物結合態有機碳［17］。土壤團聚體各粒級有機碳、土壤顆粒有機碳、土壤礦物質結合態有機碳含量均采用元素分析儀（Vario EL Ⅲ，德國）進行分析測定（土壤中不含碳酸鹽）。

1.3.3 計算方法 平均重量直徑計算公式如下：

MWD=∑ n i d ×M aggregate。

式中：MWD指團聚體平均重量直徑，mm；d 指第i級的團聚體各粒級的平均重量直徑，mm；M aggregate指不同粒級的團聚體在土壤中所占的質量百分比，%［18］。

1.4 數據分析

數據處理與分析采用Microsoft Excel 2019，采用SPSS 26.0 進行單因素方差分析，采用鄧肯氏極差法（Duncan's）進行多重比較（α=0.05）。采用Origin 21進行繪圖。數據均采用3次重復的平均值。

2 結果與分析

2.1 不同秸稈還田量對不同剖面土壤有機碳含量的影響

不同秸稈還田量對10 cm剖面和30 cm剖面土壤有機碳含量的影響如圖1所示。秸稈還田增加了 10 cm 剖面中土壤的有機碳含量，除S1理外，其余處理與CK相比差異顯著；30 cm剖面，除S3處理其余處理土壤有機碳含量雖有增加趨勢但與CK相比差異不顯著（Plt;0.05）。

2.2 不同秸稈還田量對不同深度下土壤團聚體比例的影響

通過分析各土層水穩性團聚體百分比含量情況（表2）可知，各處理中＞2.000 mm粒級團 聚體占比最低，且隨著秸稈添加量增加而增加。

在10 cm剖面，S1、S2、S3處理中＞2.000 mm的團聚體含量較CK分別提升了50.50%、80.73%和142.52%，差異顯著（Plt;0.05）；在30 cm剖面，僅S3處理中＞2.000 mm的團聚體含量較CK呈顯著差異（Plt;0.05），提升了90.30%。在gt;0.250～2.000 mm 粒級，10 cm剖面，僅S2處理較CK提升顯著（22.54%）（Plt;0.05），其余各處理與CK相比均不顯著；30 cm 剖面，S3處理較CK提升了21.32%（Plt;0.05）。≤0.250 mm粒級下，各處理占比隨秸稈添加量的增加而減小，gt;0.053～0.250 mm 粒級，10 cm剖面除S1處理外，其他處理與CK比較差異達顯著水平（Plt;0.05），30 cm剖面，各處理間差異不顯著（Plt;0.05）。≤0.053 mm粒徑下，10 cm 與30 cm剖面，除S1處理其余處理與CK呈顯著差異（Plt;0.05）。

通過計算發現，隨著還田量的增加，添加秸稈處理的團聚體的平均重量直徑（MWD）顯著增加，這也意味著土壤中＞0.250 mm粒徑的土壤團聚體含量呈上升趨勢，10 cm剖面中團聚體的MWD與CK相比較，分別提高了18.1%、34.5%和47.3%，各處理與CK均呈顯著性差異（Plt;0.05）：在30 cm剖面，各處理與CK相比較，分別提升了8.77%、26.31%、36.84%，且僅S3處理與CK差異顯著（Plt;0.05）。

2.3 不同秸稈還田量對不同剖面土壤團聚體有機碳含量的影響

由圖2可見，不同深度下，各處理土壤團聚體有機碳含量較CK均整體呈現出增加的趨勢。添加秸稈處理在10 cm和30 cm剖面，＞2.000 mm粒徑中團聚體有機碳含量均有所增加。在10 cm剖面，各處理較CK中＞2.000 mm有機碳含量分別提升了29.62%、30.23%和32.11%，差異顯著（Plt;0.05）；在gt;0.250～2.000 mm粒徑下，S2、S3處理中土壤有機碳含量較CK分別提升了14.44%和37.16%，差異顯著（Plt;0.05），而S1處理雖有小幅度提升，但無顯著差異（9.86%）。30 cm剖面，各處理中＞2.000 mm 團聚體有機碳含量提升約6.10%～12.66%；在gt;0.250～2.000 mm 粒徑下，各添加秸稈處理較CK分別提升了14.99%、21.36%和19.13%（Plt;0.05），尤以S2處理有機碳含量變化最大。隨著粒級細度的提升，在10 cm剖面，gt;0.053～0.250 mm粒級，添加秸稈處理中團聚體有機碳含量較CK分別提升3.95%～22.51%，≤0.053 mm 粒徑下，與CK相比較，S3處理團聚體有機碳含量提升20.34%，差異顯著（4.31%）。

2.4 不同秸稈還田量對于不同剖面土壤POC與MOC含量的影響

如圖3所示，不同處理下、不同剖面中土壤礦物質結合態有機碳在土壤有機碳中的占比均大于土壤顆粒有機碳的占比。在10 cm剖面的土層中，添加秸稈處理中MOC與POC在土壤總有機碳中的占比分別為69%～71%、29%～31%。在 30 cm 剖面，添加秸稈處理POC的占比分別為26%、27%、28%。總體來說，各添加秸稈處理POC較CK占比雖增加，但比例變化幅度不大。不同深度、不同處理中土壤POC與MOC含量變化如圖4所示。在 10 cm 剖面，相較于CK，秸稈還田均增加了各處理中土壤POC含量，分別提升了8.76%、25.52%、22.44%，其中以S2處理增幅最大；而30 cm剖面，S1、S2對 30 cm 剖面土層中土壤POC的提升較小，與CK相比較分別提升了9.79%、7.73% 均遠低于S3處理（39.17%）。不同處理土壤中MOC含量在不同剖面變化相差無幾。

3 討論

3.1 秸稈還田對于褐土團聚體組成及穩定性的影響

土壤團聚體作為土壤重要的組成部分，承擔著蓄存、轉運養分的功能，是提升作物產量的重要因素之一，其特性對于土壤侵蝕板結、有機質周轉等過程具有重要影響［19-20］。本研究中，不同秸稈還田量對于不同剖面土壤有機碳含量、不同粒級團聚體分布情況與穩定性均產生了影響。通過相關性分析發現，各剖面土壤有機碳含量與平均重量直徑（MWD）間呈極顯著正相關關系（Plt;0.01）（圖5），土壤中大團聚體含量（＞0.25 mm） 隨著秸稈還田量的增加而提高。孟慶英等的研究也表明不同秸稈還田量可以顯著提升不同剖面中大團聚體含量［21］。宋潔等研究表明，秸稈還田可使不同剖面＞0.25 mm團聚體含量增加，形成優勢粒級［22］。當秸稈施入到土壤中， 經微生物利用，在微生物體表形成多糖生物膜， 可以有效提高微生物抵御外界的擾動能力，同時具有 更好的生物穩定性與秸稈降解能力［23-24］。利用

秸稈中的瞬時膠結劑如木質素、半纖維素、幾丁質等膠結物質，經過微生物自身周轉，與土壤中持久性膠結劑（腐殖質、金屬氧化物、強吸附聚合物）、土壤中金屬離子鍵，對土壤中＜2 μm微團聚體進行鏈接、聚合、包裹從而形成大團聚體，而大團聚體的形成同時對于有機碳在土壤中的固存起到了積極的作用［25-27］。本研究表明，秸稈進入到土壤中后，10 cm "剖面中大團聚體有機碳含量提升為39.48% ～69.27%，高于30 cm剖面大團聚體有機碳含量變化（提升21.09%～42.28%），同時對不同剖面中＜0.250 mm "的微團聚體有機碳含量也表現出一定的增加趨勢，這與馮秋蘋等的研究結果［28-29］一致，與孟慶英等的結果［21］相反，可能是由于還田深度不同而導致的結果差異。

3.2 秸稈還田對土壤有機碳組分的影響

土壤有機碳在土壤中的存在方式主要分顆粒有機碳與礦物質結合態有機碳。土壤顆粒有機碳作為植物殘體腐殖質過程中重要的中間產物，被認為是土壤活性有機質組分的衡量指標，其在土壤有機碳中的比例直接影響土壤有機碳的穩定性，秸稈還田可以提升土壤有機碳含量，主要是由于土壤顆粒有機碳的增加［30-32］。本研究發現，土壤有機碳含量與土壤顆粒有機碳含量呈極顯著正相關關系（Plt;0.01）（圖5），與前人研究結果［33］相似。有學者研究表明，土壤顆粒有機碳含量在土壤有機碳含量中占比一般為11%～83%［34-35］。而本試驗中 10 cm 剖面下，土壤顆粒有機碳含量僅占土壤有機碳含量的27%～31%。可能是由于遼西地區褐土中養分含量低，且土壤POC未得到補充，同時在田間耕作管理與作物根系擾動的雙重影響下，促進了土壤顆粒有機碳的快速礦化分解，當秸稈進入到土壤，土壤中外源碳的添加使得微生物活性增強，促使土壤顆粒有機碳形成，進而提升土壤POC含量，且隨著秸稈還田量的增加而變化［36］。

MOC作為外源有機質的最終產物，作為土壤中的惰性有機碳，具有極高的穩定性，其與土壤顆粒通過配位體緊密相連，通過離子鍵對有機碳進行吸附固定，進一步增強了其在土壤中的穩定性，其在短時間內變化較小［37］。常漢達等通過連續20年的棉花秸稈還田試驗發現，MOC含量呈先上升后下降的趨勢變化，在連作第10年時含量最高，隨后逐漸下降［38］。趙馨雅等通過連續5年的秸稈覆蓋試驗發現，土壤MOC含量雖有增加的趨勢，但是較空白處理并未有顯著增長［33］。本試驗研究發現，在連續3年秸稈還田后，不同剖面添加秸稈處理中MOC含量沒有明顯變化，這可能與MOC的惰性性質及土壤內的循環周轉率緩慢有關。本試驗周期只有3年，若 希望看到秸稈還田量對于褐土不同剖面中MOC"含量的影響，可能需要更長的試驗周期，同時結合土壤中的MOC含量變化，也進一步說明土壤中主要以POC礦化損耗為主［39］。

4 結論

通過連續3年的田間試驗發現，秸稈還田可以有效改善土壤結構，對土壤團聚體結構、團聚體穩定、MWD等方面都具有積極的作用。秸稈還田促進了土壤中大團聚體的形成，同時也顯著提高了土壤團聚體中有機碳的含量。秸稈還田顯著提高了土壤表層（0～10 cm）與亞表層（10～30 cm）中POC的含量說明土壤中主要以POC礦化損耗為主要因素。本研究結果表明，秸稈還田可以有效增加遼西地區褐土耕層土壤有機碳含量，提高土壤團聚體有機碳含量與顆粒有機碳含量，進一步增強團聚體穩定性，對于提升遼西地區褐土土壤養分含量與生產力具有重要作用。

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收 稿日期：2023-04-14

基金項目：遼寧省農業科學院院長基金（編號：2022QN2309）。

作者簡介：劉 暉（1992—），男，內蒙古烏蘭察布人，碩士，助理研究員，主要從事土壤改良保育研究。E-mail：576404250@qq.com。

通信作者：于 淼，碩士，副研究員，主要從事土壤微生態調節研究。E-mail：Email：52638019@qq.com。