秸稈還田與長期連作棉田土壤水穩性團聚體特征

曹晶晶，魏飛，馬芳霞，劉軍，黃金花，劉建國

（石河子大學農學院，新疆兵團綠洲生態農業重點實驗室，新疆石河子832003）

秸稈還田與長期連作棉田土壤水穩性團聚體特征

曹晶晶，魏飛，馬芳霞，劉軍，黃金花，劉建國

（石河子大學農學院，新疆兵團綠洲生態農業重點實驗室，新疆石河子832003）

以棉花長期連作定點試驗田為研究對象，研究秸稈還田對長期棉花連作土壤水穩性團聚體及有機碳分布的影響。試驗設長期連作5、10、20 a和30 a的秸稈還田小區及長期棉花連作5、10 a和20 a無秸稈還田小區，共計7個處理，每個處理3個重復。結果顯示：無秸稈還田條件下，隨著連作年限的增加，土壤1～0.25mm水穩性團聚體含量和團聚體中有機碳含量逐漸降低，＜0.053mm水穩性團聚體含量逐漸增加；而秸稈還田可以顯著提高長期連作棉田土壤中1～0.25mm水穩性團聚體含量、團聚體平均重量直徑（MWD）、幾何平均直徑（GMD）值及團聚體中有機碳含量；秸稈還田條件下隨著連作年限的增加，土壤1～0.25 mm水穩性團聚體含量逐漸增加，＜0.053 mm水穩性團聚體含量逐漸降低，且對0～30 cm耕作層土壤影響較大；與無秸稈還田相比，秸稈還田長期連作棉田，隨著連作年限的增加，團聚體分形維數（D）逐漸降低，而無秸稈還田分形維數（D）逐漸增加，團聚體分形維數表現為隨土層加深而增大，最后在20～30 cm處趨于穩定。說明秸稈還田顯著提高長期連作棉田水穩性團聚體的穩定性，對改善土壤結構、提升土壤的肥力具有積極作用，能夠緩解長期連作對土壤物理性狀產生的不利影響。

秸稈還田；長期連作；棉田；水穩性團聚體；團聚體穩定性

Keywords：straw returning；long-term continuous cropping；cotton；water stable aggregate；stability of aggregate

土壤團聚體是評價土壤肥力和土壤質量的重要指標，其分布和穩定性直接影響了土壤的孔隙性、持水性、通透性和抗侵蝕性，從而影響農作物的生長［1］。團聚體的穩定性分為機械穩定性、水穩性和生物學穩定性。研究表明，土壤團聚體與有機碳是相互依存的，團聚體是有機碳存在的場所，有機碳是團聚體存在的膠結物質［2］。Oades等試驗研究表明，各個級別的團聚體中有機質含量影響著團聚體的穩定性，在水穩性團聚體形成過程中，有機膠結物質起著重要的作用［3］。土壤團聚體的形成、分布、作用功能及有機碳的分布不僅受土壤種類的影響，同時也受耕作方式、施肥、秸稈還田、種植模式等因素的影響［2］。

長期連作會導致作物減產、土壤理化性狀變差等［4］連作障礙問題，而秸稈還田增加土壤中有機膠結物質的含量，改善土壤結構，增加土壤養分含量，秸稈還田還顯著影響了土壤水穩性團聚體的數量及穩定性［5－6］。新疆棉區存在傳統有機肥源不足、農田養分主要靠施用化肥、發展綠肥又受到水資源的制約等問題，秸稈還田作為培肥地力的重要措施之一，對土壤肥力、團聚體的形成、土壤孔隙度的增加具有很大的促進作用。近年來關于秸稈還田及長期連作對土壤環境的影響已有報道，但大多集中于土壤腐殖質組分、微生物量、土壤理化性狀、有機碳組分等［7－9］方面，但關于秸稈還田對長期連作棉田土壤水穩性團聚體的研究卻少有報道。因此，研究秸稈還田對長期連作棉田土壤水穩性團聚體特征具有十分重要的意義。

本文利用棉花長期連作定位試驗，分析秸稈還田及長期連作棉田不同土層的各級別水穩性團聚體的分布狀況，以及土壤水穩性團聚體平均重量直徑、幾何平均直徑、分形維數和水穩性團聚體中有機碳分布等指標。研究長期連作棉田水穩性團聚體的分布及有機碳的分布規律，為評價秸稈還田對長期連作棉田土壤結構的影響和新疆棉田土壤培肥制度的建立提供科學的理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗設計

本試驗在石河子大學農學院試驗站棉花長期連作定點試驗田進行。試驗設有長期連作5、10、20 a和30 a的秸稈還田小區，其分別標記為5 a、10 a、20 a和30 a。另設有長期連作5、10 a和20 a無秸稈還田小區，其分別標記為CK5、CK10和CK20共計7個處理，每個處理3個重復。秸稈還田長期連作小區是每年秋季棉花收獲后將所有的棉花秸稈用鍘刀切成5～8 cm小段還田，即模擬大田生產將棉花秸稈（6 000～7 500 kg·hm－2）全部機械還田，入冬前結合施用化肥翻入耕層，然后冬灌；無秸稈還田長期連作小區是棉花收獲后將全部秸稈帶出農田，然后施用化肥、翻耕、冬灌。每處理小區1.5 m×1.5 m，不同處理間用厚塑料膜隔開，每處理三次重復。種植的棉花品種為“新陸早46號”，按“30 cm＋60 cm＋30 cm”寬窄行距配置，采用膜下滴灌，4月20日播種，種植密度為每公頃19.8萬株，7月8日打頂。全生育期滴灌12次，滴灌總量5 400 m3·hm－2，共施純氮495 kg·hm－2，30%基施，其余隨水滴施，其他管理措施同大田管理。供試的土壤為草甸土。

1.2 土樣采集

于2015年棉花播種前分別采集0～10、10～20、20～30、30～40、40～50 cm 5個土層剖面原狀土樣，每處理3個重復。土樣采集后放入塑料盒內帶回實驗室，在運輸過程中盡量減少對土樣的擾動。然后放于實驗室內自然風干并沿著土壤結構的自然剖面掰開，同時防止外力作用而變形。讓土樣自然風干，備用。

1.3 測試方法

土壤水穩性團聚體百分含量的測定采用濕篩法［10］，濕篩分析在團聚體分析儀上進行，套篩孔徑依次為1、0.25、0.053 mm。各處理取100 g土樣倒入套篩中，浸潤10 min后以30次·min－1（上下篩動時套篩不能露出水面）上下振蕩5 min。篩分后，拆開套篩，將留在套篩上的各級團聚體用水洗入鋁盒中，待澄清后倒去上清液，烘箱55℃烘干至恒重，各處理3次重復。

1.4 指標計算

（1）不同級別水穩性團聚體的質量百分含量［11］

式中，Wi為某級水穩性團聚體的質量分數（%）；Wwi為該級水穩性團聚體的質量（g）。

（2）平均重量直徑（MWD）［12］

式中，MWD為平均重量直徑；wi為對應于xi的團聚體的重量百分比；xi為各粒級的平均直徑。

（3）幾何平均直徑（GMD）［12］

式中，GMD為幾何平均直徑；wi為對應于xi的團聚體的重量百分比；xi為各粒級的平均直徑。

（4）分形維數（D）的推導公式［13］：

1.5 數據分析

運用Excel2003及SPSS19.0對實驗數據進行統計分析及繪圖。

2 結果與分析

2.1 秸稈還田對長期連作棉田0～50 cm土層水穩性團聚體分布的影響

由圖1可以看出，0～10 cm土層和10～20 cm土層的變化趨勢一致，秸稈還田與無秸稈還田，不同處理下0～20 cm土層的水穩性團聚體多集中于1～0.25 mm團聚體，占水穩性團聚體總量的38.0%～65.3%，而＞1mm水穩性團聚體含量最少。同一處理各粒徑水穩性團聚體含量由高到底的順序為：1～0.25mm，＜0.053mm，0.25～0.053mm，＞1mm。各處理＞1 mm及0.25～0.053 mm水穩性團聚體分布較平均，沒有表現出明顯的規律。秸稈還田處理，1～0.25 mm團聚體隨著連作年限的增加呈現逐漸增加的趨勢，＜0.053mm水穩性團聚體隨著連作年限的增加逐漸降低，而無秸稈還田處理與秸稈還田處理呈現相反的趨勢，1～0.25 mm團聚體隨著連作年限的增加而下降，＜0.053 mm水穩性團聚體隨著連作年限的增加逐漸增加。秸稈還田處理與無秸稈還田處理相比，1～0.25 mm秸稈還田處理團聚體含量明顯高于無秸稈還田處理，而＜0.053 mm無秸稈還田處理高于秸稈還田處理，說明秸稈還田有利于土壤中水穩定性微團聚體向較大的水穩定性團聚體轉化。

圖1 長期連作棉田0～50 cm土層水穩性團聚體分布Fig.1 Soilwater-stable aggregate distribution of long-term continuous cropping cotton field at0～50 cm layer

同一處理下20～30、30～40 cm和40～50 cm土層團聚體含量變化趨勢相似，與0～20 cm土層相比1～0.25mm團聚體含量下降，而＜0.053mm團聚體含量上升明顯，各土層1～0.25mm團聚體含量分別占總量的65.0%、61.0%、50.0%、46.0%和44.0%，＜0.053 mm團聚體含量分別占總量的16.5%、20.0%、30.4%、33.7%和34.6%（30a為例）。在20～30、30～40 cm和40～50 cm土層秸稈還田處理隨著連作年限的增加，1～0.25 mm團聚體含量呈現增長的趨勢，而＜0.053 mm和0.25～0.053 mm團聚體呈現下降的趨勢。無秸稈還田處理與秸稈還田處理相比，相對應的粒級則呈現相反的變化趨勢。同一處理各粒徑水穩性團聚體含量由高到低的順序為：1～0.25 mm，＜0.053 mm，0.25～0.053 mm，＞1 mm。

無論秸稈還田還是無秸稈還田處理，不同土層間1～0.25 mm水穩性團聚體含量差異表現為0～10 cm＞10～20 cm＞20～30 cm＞30～40 cm＞40～50 cm。而＜0.053 mm水穩性團聚體含量剛好相反，在0～50 cm范圍內，隨土層深度增加1～0.25mm水穩性團聚體含量降低。＞1 mm和0.25～0.053 mm土壤水穩性團聚體含量差異不明顯。

在0～30 cm耕作層土壤，秸稈還田處理1～0.25mm水穩性團聚體含量顯著高于無秸稈還田處理，且隨著連作年限的不斷增加，其增長幅度逐漸變大。1～0.25mm水穩性團聚體含量在0～10、10～20 cm和20～30 cm土層連作5、10、20 a處理比CK5、CK10、CK20分別增加了11.3%、25.0%、43.8%；8.7%、26.2%、55.3%和2.6%、18.9%、44.1%。40～50 cm土層差異不顯著。＜0.053 mm水穩性團聚體含量在0～10、10～20 cm和20～30 cm土層連作5、10、20 a處理比CK5、CK10、CK20分別降低了14.1%、29.4%、40.2%，14.0%、22.6%、35.7%和1.0%、7.4%、16.7%。

2.2 秸稈還田對長期連作棉田土壤水穩性團聚體中有機碳的影響

由圖2可以看出，長期連作棉田土壤水穩性團聚體中有機碳含量，隨著水穩性團聚體級別的減小呈現先減小后增加的趨勢；＞1 mm水穩性團聚體中秸稈還田長期連作30 a處理有機碳含量最多，為15.28 g·kg－1；0.25～0.053 mm水穩性團聚體中無秸稈還田長期連作CK20處理有機碳含量最少，為7.57 g·kg－1。無秸稈還田條件下，各個級別土壤團聚體中有機碳含量隨著連作年限的增加而減少。秸稈還田長期連作條件下，每個級別水穩性團聚體中有機碳含量隨著連作年限的增加呈上升趨勢。在所有級別的水穩性團聚體中，秸稈還田處理團聚體中的有機碳含量高于無秸稈還田長期連作棉田，且隨著連作年限的增加，增加幅度不斷增大，20 a處理達到最大（除30 a以外）。在＞1 mm水穩性團聚體有機碳含量中，連作5、10、20 a處理比CK5、CK10、CK20分別增加了0.26%、22.04%、31.80%；4.60%、23.37%、24.68%；1.78%、17.85%、24.28%；19.02%、29.30%、47.37%（以＞1 mm團聚體有機碳含量為例）。說明秸稈還田能提高長期連作棉田水穩性團聚體中有機碳含量，且＜0.053 mm水穩性團聚體含量增加幅度最大。秸稈還田與無秸稈還田各級水穩性團聚體中有機碳含量由高到低的順序依次為：＞1mm，＜0.053mm，1～0.25mm，0.25～0.053mm。

2.3 秸稈還田對長期連作棉田土壤水穩性團聚體大小的影響

平均重量直徑（MWD）和幾何平均直徑（GMD）是評判土壤團聚體穩定性的可靠指標，MWD和GMD值越大則表示團聚體的團聚程度越高，穩定性和抗侵蝕能力越強［14－17］。

由圖3可知，隨土層深度的增加，土壤水穩定性團聚體MWD趨于減小。秸稈還田處理，隨著連作年限的增加，土壤水穩性團聚體的MWD逐漸增大，10～20、20～30 cm土層差異顯著。無秸稈還田處理，隨著連作年限的增加土壤水穩性團聚體MWD逐漸減小。秸稈還田處理水穩性團聚體MWD高于無秸稈還田處理，30～40、40～50 cm土層差異不顯著。這表明長期連作導致土壤水穩性團聚體MWD降低，而秸稈還田提高了長期連作棉田土壤水穩性團聚體的MWD，且隨著土層深度的增加，秸稈還田對土壤水穩性團聚體的MWD影響較小。

圖2 長期連作棉田土壤水穩性團聚體中有機碳的分布Fig.2 Organic carbon of soilwater-stable aggregates under long-term continuous cropping cotton field

圖3 長期連作棉田土壤水穩性團聚體平均重量直徑（MWD）和幾何平均直徑（GMD）Fig.3 Soilwater-stable aggregatemean weight diameter and geometric weight diameter of long-term continuous cropping cotton field

由圖3可知，隨土層深度的增加，秸稈還田處理及無秸稈還田處理的土壤水穩性團聚體的GMD均呈降低趨勢。秸稈還田處理，隨連作年限的增加，土壤水穩性團聚體的GMD呈上升趨勢。無秸稈還田處理，隨著連作年限的增加，土壤水穩性團聚體的GMD呈下降的趨勢。秸稈還田處理團聚體的GMD高于無秸稈還田處理。0～10、10～20 cm和20～30 cm土層連作5、10、20 a處理與CK5、CK10、CK20相比分別增加了20.7%、42.9%、68.8%，17.3%、36.2%、73.5%和1.0%、18.1%、41.1%。30～40 cm和40～50 cm土層之間差異不顯著。這表明長期連作導致土壤水穩性團聚體的GMD降低，秸稈還田顯著提高了長期連作棉田0～30 cm土層的土壤水穩性團聚體GMD和土壤的抗侵蝕能力。

2.4 秸稈還田對長期連作棉田土壤水穩性團聚體分形特征的影響

楊培玲［13］等分析土壤分形特征時得出，分形維數越高，粘粒含量越多，土壤結構越緊實，通透性越差。吳承禎［18］等認為土壤結構越好，分形維數越低，團聚體越穩定。按照分形維數的公式對各處理團聚體分形維數進行數學擬合（R2＞0.89），結果表明（圖4），秸稈還田與無秸稈還田長期連作棉田的土壤團聚體分形維數分別在2.61～2.79和2.69～2.81之間。在0～10、10～20、20～30 cm土層，土壤水穩性團聚體分形維數均表現為秸稈還田長期連作棉田顯著低于無秸稈還田長期連作棉田。秸稈還田處理隨著連作年限的增加，各處理的分形維數減小。無秸稈還田處理隨著連作年限的增加，各處理的分形維數增大。說明長期連作增加了土壤水穩性團聚體分形維數，而秸稈還田能降低長期連作棉田的分形維數。秸稈還田與無秸稈還田處理下，團聚體分形維數表現為隨土層加深而增大，最后在30 cm處趨于穩定。這表明秸稈還田對長期連作棉田30 cm以下的土壤分形維數影響較小，但30 cm以下的土壤水穩性團聚體的分形維數最大，說明其顆粒最小，水穩性團聚體穩定性最低。

圖4 長期連作棉田土壤水穩性團聚體的分形維數Fig.4 Fractal dimension of soilwater-stable aggregates under long-term continuous cropping cotton field

3 討論

不同級別的團聚體對土壤養分的儲備和供應、孔隙分布、持水性和生物活動具有不同的作用［19］。各級別水穩性團聚體的分配比例能較好地反映土壤團聚體的結構狀況。劉威等［20］的試驗表明秸稈還田和免耕相結合對土壤結構改良效果最好，這一措施可以增加農田表層土壤＞0.25 mm團聚體百分含量，提高團聚體的穩定性，改善土壤的結構。李涵［21］等研究了渭北旱塬區秸稈覆蓋還田土壤團聚體的特征，發現秸稈還田能提高土壤總有機碳含量，且能提升0～30 cm土層土壤團聚體的穩定性。本試驗中無秸稈還田長期連作棉田，隨著連作年限的增加土壤1～0.25 mm水穩性團聚體含量及團聚體MWD、GMD值降低。而秸稈還田提高了長期連作棉田土壤1～0.25 mm水穩性團聚體含量及團聚體的MWD、GMD值。這可能是由于秸稈還田能不斷為土壤供給腐殖質及有機質，使土壤中的腐殖質和有機質含量增加，加強了土壤顆粒之間有機質的膠結作用，從而導致土壤中較小團聚體向較大團聚體的轉化［1］。秸稈還田使土壤養分豐富，微生物活動頻繁，促進土壤較大水穩性團聚體的含量，從而增強土壤團聚體的穩定性，改善土壤的結構［21－22］。張鵬等［23］也認為適量的秸稈還田可以顯著提高土壤＞0.25 mm水穩性團聚體含量及團聚體的MWD、GMD值，這與本試驗的研究結果基本一致。

無論秸稈還田還是無秸稈還田處理，1～0.25 mm水穩性團聚體及團聚體的MWD、GMD值，隨土層的加深而降低。對0～30 cm土層的影響比較顯著（圖1，圖2）。這可能是由于秸稈還田后棉花秸稈位于耕層土壤中，通過長時間的微生物活動及耕作才能到達下層土壤，團聚體是土壤中有機質的主要儲存場所，表層土中近90%的土壤有機碳都位于團聚體中［24］。本試驗中，0～30 cm土壤中主要以1～0.25mm水穩性團聚體為主，且隨著土層的加深1～0.25mm水穩性團聚體含量下降（圖1）。黃金花等［8］認為秸稈還田與無秸稈還田長期連作棉田，隨著土層深度的增加土壤總有機碳含量逐漸減小。秸稈位于耕層土壤中，能夠減小雨水的沖刷面積，緩解外力對土壤結構的破壞。能夠有效減少土壤出現“結皮”、“板結”等現象［25］。劉威等［20］認為秸稈還田和免耕會增加農田表層土壤＞0.25 mm水穩性團聚體及團聚體的MWD、GMD值，與本試驗結果基本一致。但這與田慎重等［26］的研究結果相反，這可能與土壤耕作方式及農田管理措施的不同有關。

本試驗中無秸稈還田長期連作棉田，隨著連作年限的增加，各個級別水穩性團聚體中有機碳含量逐漸減小。秸稈還田處理隨著連作年限的增加，各個級別水穩性團聚體中有機碳含量逐漸增大。這是由于秸稈還田后，不斷向土壤輸送有機物質。其中＞1 mm水穩性團聚體中有機碳含量最大，0.25～0.053mm水穩性團聚體中有機碳含量最小，呈現“V”型分布且差異顯著（P＜0.05）。這一研究結果與張鳳華［27］和王靜婭［28］的研究結果基本一致。而與苑亞茹等［29］的研究結果相反，這可能是與土壤的類型及種植的作物有關。

4 結論

1）秸稈還田對長期連作棉田的1～0.25 mm及＜0.053mm土壤水穩性團聚體的分布產生顯著（P＜0.05）影響。而對＞1 mm和0.25～0.053 mm土壤水穩性團聚體分布的影響不顯著。土壤團聚體的分形維數（D）與＞1mm、1～0.25mm兩種團聚體含量呈極顯著的負相關關系（P＜0.01）。

2）秸稈還田后長期連作棉田的WMD、GMD值增加，而分形維數（D）減小，且0～30 cm土層差異顯著（P＜0.05）。秸稈還田還顯著增加了長期連作棉田水穩性團聚體中有機碳的含量，＞1 mm水穩性團聚體中有機碳含量最大，0.25～0.053 mm水穩性團聚體中有機碳含量最小。

3）研究表明長期連作導致土壤水穩性團聚體的穩定性下降，而秸稈還田提高了長期連作棉田的土壤團聚體的水穩定性，提高土壤的抗侵蝕能力。秸稈還田對改善土壤結構、提升土壤的肥力具有積極作用，能夠緩解長期連作對土壤物理性狀產生的不利影響。

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Stalk returning and continuous cotton cropping on soilwater stable aggregate

CAO Jing-jing，WEIFei，MA Fang-xia，LIU Jun，HUANG Jing-hua，LIU Jian-guo
（Agriculturɑl College，ShiheziUniversity，Key Lɑborɑtory of Oɑsis Ecology Agriculture of Xinjiɑng Bingtuɑn，Shihezi，Xinjiɑng 832003，Chinɑ）

The objective of the experiment is to study the effectof straw incorporation on water stable aggregate distribution and organic carbon in the continuous cropping cotton field，providing scientific basis for long－term continuous cropping of cotton.This experiment had seven treatments’of continuous cropping plots，four treatments of cotton straw returning.There were three replicates for each treatment，The four treatmentswith cotton straw included four continuous cropping plots，such as5，10，20 and 30 years，the other three treatmentswere 5，10 and 20 years continuous cropping plots.The results showed that under without straw returning，with the year of continuous cropping increasing，the percentage of 1～0.25mm water stable aggregate and water stable aggregate organic carbon were remarkably decreased，the content of＜0.053mm water-stable aggregateswas gradually increased.But straw returning could significantly improved the percentage of1～0.25mm water stable aggregate，aswell asMWD，GMD and water stable aggregate organic carbon of long－term continuous cropping.Besides，with the year of continuous cropping increasing，the percentage of＞0.25 mm water stable aggregatewas remarkably increased，the content of＜0.053 mm water-stable aggregateswas gradually decreased.The largest impactwas detected for the 0～30 cm soil layer.Compared with no straw returning，straw returning and long-term continuous cropping cotton fields，with the time of continuous cropping increasing，fractal dimension（D）was gradually reduced，and aggregates fractal dimension performance increaseswith depth，and finally stabilized at 20～30 cm soil layer.Straw returning significantly improved the stability of water stable aggregates under long－term continuous cropping.Straw returning has a positive effectof improve soil structure and enhance soil fertility，thusmitigating the negative effect of long-term continuous cropping on soil physical properties.

S152.3

：A

1000-7601（2017）01-0026-07

10.7606／j.issn.1000-7601.2017.01.05

2016-01-06

國家自然科學基金（31260307）

曹晶晶（1989—），女，新疆塔城人，碩士研究生，研究方向為農田生態環境。E-mail：caojingjing1126＠163.com。

劉建國（1968—），男，山東濟寧人，教授，研究方向為農田生態環境與農作制度。E-mail：l－jianguo＠126.com。