冀西北旱作春玉米秸稈還田模式對土壤團聚體穩定性的影響

摘要 ［目的］研究冀西北旱作區春玉米秸稈還田對土壤團聚體穩定性的影響，優化適宜旱作區春玉米秸稈還田模式。［方法］采用連續3年田間定位試驗，設計秸稈還田翻耕（JF）、秸稈還田旋耕（JX）、秸稈還田大壟輪播（JL）3種還田模式，分析土壤不同粒徑團聚體質量比、平均重量直徑（MWD）和幾何平均直徑（GMD）。［結果］冀西北旱作區春玉米農田土壤以0.25～0.50 mm團聚體占比最高，在26.28%～31.84%，其次為>1.00～2.00 mm團聚體，＜0.25 mm團聚體占比最低。秸稈還田能顯著提高＞1.00 mm團聚體比例（P<0.05），增幅順序為JX>JL>JF，JF、JL、JX處理比CK土壤MWD分別提高了10.59%、12.94%、17.06%，土壤GMD分別提高了15.31%、16.33%、18.37%。秸稈還田后春季土壤團聚體大顆粒占比下降，微顆粒占比升高，穩定性下降。秸稈還田顯著提高0～20 cm土層>1.00～2.00 mm團聚體占比，增加土壤團聚體穩定性，提高>20～40 cm土層0.25～0.50 mm和<0.25 mm團聚體占比，降低土壤團聚體穩定性。［結論］秸稈還田模式通過對秸稈的破碎程度、有機碳輸入、影響微生物酶活性調節土壤團聚體結構及穩定性，冀西北旱作區春玉米秸稈還田旋耕對土壤團聚體穩定性提高最顯著。

關鍵詞 秸稈還田；春玉米；土壤團聚體；穩定性；旱作區

中圖分類號 S141.4 文獻標識碼 A 文章編號 0517-6611（2024）21-0058-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2024.21.012

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Effect of Spring Maize Straw Returning Model in Northwest Hebei Province on Soil Aggregation Stability

BAI Xue-dong1，2， HE Jiang-peng1，2， ZHAO Hai-chao1，2 et al

（1. Hebei Pr25c12e443c3a33e4df228e60ce3e92bcd7ffbb414c5c2ce5edb23a1d891f0a7fovincial Key Laboratory of Agricultural Products and Food Quality and Safety Analysis and Testing， Hebei North College，Zhangjiakou，Hebei 075000; 2. Zhangjiakou Key Laboratory of Quality and Safety of Special Agricultural Products， Hebei North College，Zhangjiakou，Hebei 075000）

Abstract ［Objective］To study the effect of the method of returning maize straw （to the field） on soil aggregation stability in northwest Hebei Province and optimize the suitable mode of spring corn straw returning.［Method］A 3-year fixed-site straw returning experiment was conducted. Three methods of returning straw to the field were set up， including tillage （ploughing， JF）， rotary tillage （JX） and large ridge rotation （JL）， and analyze the aggregate mass ratio， average weight diameter （MWD） as well as geometric mean diameter （GMD）.［Result］The soil of spring corn farmland in the arid region of northwest Hebei Province had the highest proportion of 0.25-0.50 mm aggregates， with a mass ratio between 26.28% and 31.84%， followed by >1.00-2.00 mm aggregates， and the lowest proportion of <0.25 mm aggregates. The proportion of straw agglomeration increased significantly （P<0.05）， and the order of increase was JX> JL> JF. The JF， JL and JX treatments increased by 10.59%， 12.94% and 17.06%， and the soil GMD increased by 15.31%， 16.33% and 18.37%， respectively. After returning straw to the field， the proportion of large particles in soil aggregates decreased in spring， while the proportion of micro particles increased and the stability decreased. Returning straw significantly increased the proportion of >1.00-2.00 mm aggregates in the 0-20 cm soil layer， increased soil aggregate stability， increased the proportion of 0.25-0.50 mm and<0.25 mm aggregates in the >20-40 cm soil layer， then reduced soil aggregate stability. ［Conclusion］The mode of straw returning regulates the structure and stability of soil aggregate through the crushing degree， organic carbon input and the influence of microbial enzyme activity， meanwhile improves the stability of spring maize straw returning in the dry farming area of northwest Hebei Province.

Key words Straw returning;Spring maize;Soil aggregation;Stability;Dry farming area

基金項目 河北北方學院項目（XJ2023018）；河北省現代農業產業技術體系項目（HBCT2023020202）。

作者簡介 白雪冬（1999—），男，河北承德人，碩士研究生，研究方向：農業資源與利用。

*通信作者，副教授，博士，碩士生導師，從事農業生態學研究。

收稿日期 2023-12-15

土壤團聚體是土壤結構的基本單元［1］，是土壤顆粒在自然過程中凝聚膠結而形成的大小不同的多孔結構體［2］，它包括微生物、動植物殘體及其分泌物［3］。大量研究表明土壤團聚體優勢粒徑直徑在0.25～2.00 mm［4］，不同粒徑的團聚體與土壤有機質組分的保持、養分的供給和微生物活性密切相關［5］，粒級越小的團聚體通過分子間的吸引力和靜電作用相互凝結在一起形成的復合黏粒［6］，其土壤穩定性越強。土壤團聚體穩定性指團聚體在受到破壞性壓力時能夠抵抗分解的潛力［7］，土壤的評價穩定性常用平均重量直徑（MWD）和幾何平均直徑（GMD）2個指標表示［8］。穩定的土壤團聚體有利于土壤結構改良、氣體與水汽循環、養分的利用與貯藏，土壤團聚體可以將土壤有機質包在里面以減緩其被微生物等分解［1］，進而提高土壤養分的供給和保蓄能力，因此土壤團聚體穩定性是土壤肥力研究的熱點。

秸稈還田是影響土壤團聚體的重要農作措施，因此不同秸稈還田模式對土壤團聚體結構及穩定性的影響存在差異，皇甫呈惠等［8］研究表明小麥玉米秸稈還田可以提升0.25～2.00 mm團聚體占比，并提高土壤MWD 和GMD。周孟椋等［9］研究表明秸稈還田對沙質潮土團聚體穩定性提高了25%以上。閆雷等［10］研究表明秸稈還田免耕可以提高黑土坡耕地耕層團聚體的穩定性，增加各粒級有機質含量。高鳴慧等［11］研究表明秸稈還田可以提高棕壤土團聚體有機質含量。冀西北旱作區土壤受風蝕影響較大，較高的土壤團聚體穩定性有利于提高其抗風蝕能力，采用干篩法分析土壤團聚體可以了解團聚體的力穩性。筆者通過多年玉米秸稈還田定位試驗，分析不同秸稈還田模式對土壤團聚體結構及穩定性的影響，為優化旱作區春玉米秸稈還田模式提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2017—2020年在河北省張家口蔚縣西合營鎮南大坪村（海拔880 m，114°13′～115°04′E、39°34′～40°10′N）進行，該區域是冀西北典型的旱作春玉米種植區，土壤類型為栗鈣土。氣候夏季涼爽，平均氣溫在6.8～7.6 ℃，多年降水量不足400 mm，春秋季大風天較頻繁。土壤基本理化性質pH 8.39，容重1.34 g/cm，全氮0.42 g/kg，全磷0.46 g/kg，有機質35.77 g/kg。

1.2 土壤樣品采集及分析

試驗設置秸稈還田翻耕（JF）、秸稈還田旋耕（JX）和大壟輪播秸稈還田（JL）3種還田模式，以秸稈不還田為對照（CK），共4個處理。

不同還田模式處理如下：①秸稈還田翻耕，玉米收獲后全部秸稈（還田量為9 000～10 500 kg/hm2）粉碎（5～6 cm）覆蓋地表，播種前進行深翻（深度為20～25 cm）；②秸稈還田旋耕，玉米收獲后全部秸稈粉碎覆蓋地表，播種前進行淺旋耕（深度為10～12 cm）；③大壟輪播秸稈還田，玉米收獲后全部秸稈粉碎還田，采用高起壟（壟高20 cm，壟距60 cm）播種，第2年在上一年壟背開溝起壟種植，依次輪換位置開溝起壟種植，如圖1所示。以秸稈不還田作為對照（CK）。每個處理種植0.33 hm2，2017、2018、2019年10月連續還田3年，2018年（品種為鄭單958）、2019年（品種為福來818）、2020年（品種為誠信16號）5月初播種，均采用等行距起壟（壟高20 cm）種植，春季隨播種施入玉米專用肥750 kg/hm2，壟距60 cm，株距32 cm，株數52 500株/hm2。每個處理分別在2019年10月、2020年5月利用GPS定位，選擇3個樣方，每個樣方4 m2，樣方按“S”形采樣法采集5點，每個樣點采集0～20、>20～40 cm土層土壤。現場混勻，去除土壤中植物殘體等雜質，置于塑封袋中帶回實驗室，置于干燥處陰涼風干。

1.3 測定項目及方法

土壤團聚體不同粒徑的分級采用沙維諾夫干篩法［12］，將風干的土壤樣品沿著自然裂痕分割為1 cm3左右，取200 g左右土樣使其通過5.00、2.00、1.00、0.50、0.25 mm的篩組，得到＞5.00、>2.00～5.00、>1.00～2.00、>0.50～1.00、0.25～0.50、＜0.25 mm 6個粒級的團聚體，稱量每個粒級團聚體重量并計算其所占比例。計算公式如下：

團聚體質量分數= 某粒級團聚體質量土壤樣品總質量×100%

土壤團聚體穩定性指標用平均重量直徑（MWD）和幾何平均直徑（GMD）［13］來表示。計算公式如下：

MWD=ni=1wini=1wi

GMD=Exp ni=1wilnni=1wi

式中：n為粒徑分組的組數；為粒徑的平均直徑；wi為粒徑團聚體的質量分數。

1.4 數據處理與分析

用Excel 2003軟件進行數據分析并作圖，采用SPSS 20.0軟件對土壤團聚體分布、團聚體穩定性和團聚體有機碳含量進行單因素方差分析（ANOVA），處理間差異顯著性分析用Duncan法進行檢驗（P<0.05）。

2 結果與分析

2.1 春玉米秸稈還田模式對土壤團聚體各粒徑分布的影響

從不同秸稈還田模式下土壤團聚體各粒徑所占百分比（圖2）可以看出，土壤團聚體各粒徑占比在6.03%～31.84%，其中0.25～0.50 mm團聚體為優勢粒級，占比在26.28%～31.84%，>1.00～2.00 mm團聚體為次優勢粒級，＜0.25 mm團聚體為劣勢粒級，JF、JL和JX處理相比于CK處理能顯著提高＞5.00、>2.00～5.00和>1.00～2.00 mm團聚體比例，對＞5.00 mm團聚體分別提高了14.68%、18.65%、31.40%，JL處理對>2.00～5.00 mm團聚體提高效果最好，JF和JL處理對>1.00～2.00 mm團聚體提高效果好于JX處理。總體來看，春玉米秸稈還田能提高較大團聚體占比，提高效果從大到小依次為JX>JL>JF。

注：不同小寫字母表示同一粒徑不同秸稈還田模式間差異顯著（P<0.05）。

Note：Different lowercase letters indicate significant differences between different straw returning modes with the same particle size（P<0.05）.

從春玉米秸稈還田模式下土壤團聚體粒徑季節變化（圖3）可以看出，在2019年秋季，各還田模式均能顯著提高>2.00～5.00和>1.00～2.00 mm團聚體占比，JF和JL處理顯著提高>0.50～1.00 mm團聚體占比，JL處理顯著提高＞5.00 mm團聚體占比；在2020年春季，各還田模式顯著提高＞5.00 mm團聚體占比，JL處理顯著提高>2.00～5.00 mm團

聚體占比，JF處理顯著提高>1.00～2.00 mm團聚體占比。

與2019年秋季相比，2020年春季各還田模式＞5.00 mm和>0.50～1.00 mm團聚體占比均下降，0.25～0.50 mm團聚體占比均上升，JF和JX處理>2.00～5.00 mm團聚體占比分別下降了

1.82%、1.70%，>1.00～2.00 mm團聚體的占比CK和JF處理上升，JL和JX處理下降，<0.25 mm團聚體的占比JF和JL處理上升，JX處理下降了0.85%?？梢娊斩掃€田后經過1個冬季土壤團聚體大顆粒占比下降，微顆粒占比升高。

從春玉米秸稈還田模式下土壤團聚體粒徑層次變化（圖4）可以看出，在0～20 cm土層，各還田模式均能顯著提高>1.00～2.00 mm團聚體占比，JX處理顯著提高＞5.00 mm團聚體占比，JL和JX處理顯著提高>2.00～5.00 mm團聚體占比。在>20～40 cm土層，各還田模式明顯提高0.25～0.50和<0.25 mm團聚體占比?？梢娊斩掃€田主要增加0～20 cm土層大顆粒團聚體占比，增加>20～40 cm土層小顆粒團聚體占比。與0～20 cm土層相比，>20～40 cm土層在＞5.00 mm團聚體中，JF和JX處理團聚體占比上升，JL處理下降；在>2.00～5.00 mm團聚體中，JF處理團聚體占比上升，JL和JX處理下降；在>1.00～2.00和>0.50～1.00 mm團聚體中，各還田方式團聚體占比均下降；在0.25～0.50 mm團聚體中，各還田方式團聚體占比均上升，JF、JL和JX處理分別提高了3.52%、3.93%和3.20%，在<0.25 mm團聚體中，JL處理團聚體占比上升了2.47%，JF和JX處理下降。

2.2 春玉米秸稈還田模式對土壤團聚體穩定性的影響

從表1可以看出，不同還田模式MWD在1.70～1.99 mm，順序為JX>JL>JF>CK；GMD在0.98～1.16 mm，順序為JX>JL>JF>CK；JF、JL、JX處理相比于CK，土壤MWD分別提高了10.59%、12.94%、17.06%，土壤GMD分別提高了15.31%、16.33%、18.37%?？傮w來看，不同秸稈還田模式均能提高土壤MWD和GMD，從而提高土壤團聚體穩定性，其中JX處理提高土壤穩定性效果最顯著，其次為JL處理。

從春玉米秸稈還田模式下土壤團聚體穩定性年際變化（表2）可以看出，不同秸稈還田模式各時期均使土壤MWD和GMD高于CK。與2019年相比，2020年CK、JF、JL、JX處理的MWD分別下降了17.20%、16.59%、18.01%、7.28%，GMD分別下降了15.09%、19.20%、22.48%、9.84%?？傮w來看，2019—2020年各還田模式均能提高土壤團聚體穩定性，秋季秸稈還田后經過冬季到達春季后土壤團聚體穩定性下降。

從春玉米秸稈還田模式下土壤團聚體穩定性層次變化（表3）可以看出，各秸稈還田處理0～20 cm土層土壤MWD和GMD均高于CK，JX處理MWD顯著高于CK。各秸稈還田處理>20～40 cm土層土壤MWD和GMD均低于CK，JF和JL處理土壤MWD和GMD顯著低于CK。與0～20 cm土層相比，>20～40 cm土層CK、JF和JX處理MWD分別提高了22.54%、3.14%、4.50%，JL處理下降了9.23%；CK和JX處理GMD分別提高了29.29%、5.13%，JL處理下降了15.38%，JF基本穩定?？傮w來看，秸稈還田能提高0～20 cm土層土壤團聚體穩定性，其中秸稈還田后旋耕模式（JX）提高效果顯著，但秸稈還田降低>20～40 cm土層土壤團聚體穩定性，其中秸稈還田后旋耕模式（JX）降低不顯著，且秸稈還田大壟輪播（JL）使>20～40 cm土層土壤團聚體穩定性低于0～20 cm土層。

3 討論

土壤團聚體是土壤營養物質合成、轉化和分解的場所，穩定的團聚體對土壤肥力、土壤生產力和理化性狀有重要影響。該試驗研究結果表明冀西北旱作區土壤0.25～0.50 mm團聚體最多，占比26.28%～31.84%，>1.00～2.00 mm團聚體為次優勢粒級，＜0.25 mm團聚體占比最少，為劣勢粒級，表明該區域受環境因素的影響，土壤較小顆粒團聚體為主，農田土壤質量較差，這與李璠［14］的研究結果一致。春玉米秸稈還田是影響土壤團聚體的重要措施，不同秸稈還田模式可以提高土壤大團聚體（>1.00 mm）占比，表明秸稈還田可以促進土壤團聚體黏合，改善土壤結構，且秸稈還田后旋耕增加幅度最高，主要是旋耕有利于粉碎秸稈、促進秸稈腐解。土壤團聚體穩定性表示土壤應對外力的能力，如抵抗剪切破壞和機械阻力破壞等，穩定的團聚體有利于減少土壤因遭受侵蝕和板結等帶來的問題［15］。該試驗結果表明不同秸稈還田模式均能提高土壤MWD和GMD，這與盛明等［16］的研究結果一致，其中旋耕處理MWD和GMD增加顯著，表明秸稈還田后旋耕可以更好地增加土壤的穩定性，提高土壤對抗外力的能力。秸稈還田對表層（0～20 cm）土壤團聚體影響明顯高于>20～40 cm土層，且對春季土壤的影響低于秋季土壤的影響。主要是因為秸稈還田主要覆蓋在地表，春季土壤融化促進土壤活性，降低土壤團聚體穩定性。秸稈還田后翻耕和旋耕，通過機械破碎促進秸稈腐解，增加其對土壤團聚體的影響，但翻耕對促進>20～40 cm土層團聚體穩定性影響較低。

土壤養分的積累有利于增加土壤團聚體穩定性，根據土壤穩定性、團聚體占比與土壤碳組分、微生物、酶活性相關性分析可見，>1.00～2.00 mm占比與微生物碳（MBC）和活性有機碳（ASOC）呈極顯著或顯著正相關，可見，MBC和ASOC含量的增加有利于>1.00～2.00 mm團聚體質量比增加，>0.50～1.00 mm占比與土壤總碳（TC）呈顯著負相關，表明土壤碳素增加有利于>0.50～1.00 mm團聚體形成，0.25～0.50 mm占比與土壤無機碳（SIC）呈顯著正相關，可見微生物和酶的活性抑制0.25～0.50 mm團聚體形成，促進小團聚體養分釋放。土壤團聚體穩定性的2個指標MWD和GMD與土壤有機碳有正相關關系［17］，表明有機碳含量增加促進土壤團聚體穩定性。不同還田模式土壤團聚體中>1.00～2.00和>0.50～1.00 mm團聚體碳組分含量較高，可見秸稈還田向土壤提供碳素有利于促進中等粒徑團聚體的形成，不同還田模式均能提高>5.00 mm團聚體總碳和有機碳含量，大團聚體是由小團聚體在富含碳的非穩性膠結劑的作用下黏結而形成，這些膠結劑包括真菌菌絲、植物的根系微生物的多糖等，導致大的團聚體碳含量較多［18］。秸稈還田通過向土壤輸入碳素和影響微生物酶活性使土壤中等以上團聚體占比增加，小團聚體占比下降，進而提高土壤穩定性，由于秸稈還田主要分布在表層（0～20 cm）土層，主要影響表層土壤團聚體，春季溫度升高微生物及酶活性逐步增強，促進團聚體中養分釋放，使土壤穩定性下降［19-20］。

4 結論

（1）冀西北旱作區春玉米農田土壤以0.25～0.50 mm團聚體占比最高，占比為26.28%～31.84%，其次為>1.00～2.00 mm團聚體，＜0.25 mm團聚體占比最低。

（2）秸稈還田后春季土壤團聚體大顆粒占比下降，微顆粒占比升高；秸稈還田顯著提高0～20 cm土層>1.00～2.00 mm團聚體占比，提高>20～40 cm土層0.25～0.50 mm和<0.25 mm團聚體占比。秸稈還田旋耕對土壤團聚體影響較高。

（3）秸稈還田均能提高土壤MWD和GMD，增加土壤團聚體穩定性，春季土壤團聚體穩定性下降，提高0～20 cm土層團聚體穩定性，降低>20～40 cm土層團聚體穩定性。秸稈還田旋耕對土壤團聚體穩定性提高最顯著。

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