添加玉米秸稈對旱作土壤團聚體及其有機碳含量的影響

王碧勝，于維水，武雪萍，高麗麗,2，李景,3，李生平，宋霄君，劉彩彩,4，李倩,5，梁國鵬，蔡典雄，張繼宗

（1中國農業科學院農業資源與農業區劃研究所，北京 100081；2中國農業科學院農業環境與可持續發展研究所，北京 100081；3河北地質大學水資源與環境學院，石家莊 050031；4山西師范大學地理科學學院，山西臨汾 041004；5首都師范大學資源環境與旅游學院，北京 100048）

0 引言

【研究意義】土壤團聚體是土壤的基本結構單元[1］，其分布和穩定性是土壤物理性質的重要指標。土壤有機碳作為土壤質量的核心要素，決定著土壤肥力[2-3］。土壤團聚體和有機碳之間通常有著密切的聯系，一方面團聚體的包被作用可以使其內部的有機碳得到物理保護而免受微生物的分解，增加土壤有機碳的穩定性[4］；另一方面土壤有機碳是重要的膠結物質，能夠增強土粒的團聚性、促進團粒結構的形成[5-7］。秸稈還田不僅能夠使數量巨大的秸稈能源得到充分利用[8-9］，而且能夠有效增加土壤有機碳含量[10-13］、提高土壤肥力和保持土壤水分[14］。此外，秸稈還田對土壤團聚體形成也具有促進作用[15-16］，改善土壤結構。中國北方的旱作農業大約占全國耕地面積55%，此區域土壤干旱和水土流失嚴重，傳統耕作頻繁的翻耕和秸稈移除導致土壤結構破壞和土壤肥力下降，是限制該地區作物產量的主要因素[17］。因此，研究秸稈還田對旱作農田土壤團聚體形成及有機碳分布的影響，對于旱作農田土壤管理措施的選擇具有重要的實踐意義。【前人研究進展】目前關于秸稈還田對土壤團聚體及其有機碳的影響已備受關注。王秀娟等[8］研究表明秸稈還田能夠提高0—20 cm土層＞2 mm團聚體含量以及0.25—1 mm和＜0.25 mm粒級中的有機碳含量。劉哲等[18］研究表明，在培養15 d、60 d和120 d時添加秸稈均能顯著提高土壤＞2 000 μm 團聚體含量。謝檸檜等[19］通過研究玉米根、莖、葉在土壤中的分配，得知在180 d的培養期內各添加物處理有機碳含量均顯著高于未添加處理。上述研究表明，秸稈對團聚體及其有機碳有重要影響，通過短期室內培養研究其變化規律是可行的。【本研究切入點】不同土壤類型和氣候環境常常影響秸稈還田對土壤團聚體及有機碳的作用效果[20-21］，北方旱地具有多風少雨的特殊氣候[17］，自20世紀80年代引入保護性耕作以來[22］，秸稈還田得到普遍推廣。關于秸稈對團聚體影響的研究多是在施肥[2-3,7,10］和耕作[5,16］條件下開展，導致秸稈還田對北方旱作農田土壤團聚體和有機碳的影響尚不清楚；關于添加秸稈對長期傳統耕作的土壤團聚體及其有機碳變化的研究更少見報道。【擬解決的關鍵問題】本文采用室內培養方法，通過對比長期傳統耕作（每年耕作兩次，秸稈移除）和免耕處理（不耕作，秸稈覆蓋）土壤在添加玉米秸稈后團聚體組成、穩定性以及各粒級團聚體有機碳分布的變化，明確添加秸稈對旱地不同耕作處理土壤團聚體及其有機碳的影響，為北方旱作農田篩選合理農田管理方式提供科學依據，為深入研究旱作農田土壤團聚體固碳機制提供基礎數據。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗區位于山西省壽陽縣宗艾村（東經 112°—113°，北緯 37°—38°），海拔 1 066—1 159 m，年平均氣溫7.4℃，近20年的平均降雨量為461.8 mm，年均蒸發量約為1 700—1 800 mm，屬中緯度暖溫帶半濕潤偏旱大陸性季風氣候區，受季風影響，平均風速可達3.9 m·s-1，冬春季最大風力可達8級以上。四季分明、季節溫差大，無霜期為130 d左右。一年一作春玉米播種面積占糧食播種面積的50%以上。試驗地點選在地勢較平緩的褐土上，質地為砂質壤土，屬于全年無灌溉雨養地。2003年時0—20 cm土層基礎養分含量為有機質 25.7 g·kg-1，全氮 1.04 g·kg-1，速效氮（NH4++NO3-）54.0 mg·kg-1，速效磷 7.3 mg·kg-1，速效鉀 84.0 mg·kg-1，pH 7.87。

本試驗開始于2003年并一直保持相同處理，試驗設傳統耕作（CT）和免耕（NT）2種耕作處理，具體操作為：傳統耕作（CT），秋收后秸稈移出，秋季耕翻，春季播前撒施化肥并春耕；免耕（NT），秋收后將秸稈順行推倒免耕覆蓋，春季免耕，順行開5 cm深小槽，點播玉米種子，在兩播種點之間穴施化肥。種植作物為春玉米，一年一作，供試玉米品種為當地優勢品種。處理小區面積為5 m×5 m=25 m2，重復3次，每年不同耕作處理N、P2O5施肥量分別為 105 kg·hm-2。

1.2 供試材料

2016年秋季收獲后，采集0—20 cm土層樣品，通過環刀法獲取原狀土樣，通過土鉆采集3樣點土壤混合均勻獲取混合土樣。采集的土樣帶回實驗室，在通風陰涼處自然風干后沿土塊天然斷裂面輕輕掰開，將大的植物殘體和石子砂礫去除，原狀土樣通過6 mm篩子，用于測定初始土樣水穩性團聚體；混合土樣全部通過2 mm篩子，用于培養試驗。2016年CT和NT處理土壤養分含量分別為：有機質27.3 g·kg-1和35.6 g·kg-1，全氮 1.05 g·kg-1和 1.55 g·kg-1，速效磷 12.0 mg·kg-1和 46.3 mg·kg-1，速效鉀 106.0 mg·kg-1和 173.0 mg·kg-1，pH 8.12和 7.76。供試秸稈為大田試驗傳統耕作處理下玉米秸稈，取地上部分，在60℃烘干，粉碎過2 mm篩，秸稈有機碳含量為424.3 g·kg-1，全氮18.7 g·kg-1。

1.3 培養試驗

試驗設置 4個處理，即傳統耕作土壤不加秸稈（CT）、免耕土壤不加秸稈（NT）、傳統耕作土壤加秸稈（CTS）和免耕土壤加秸稈（NTS），每個處理15次重復。將過2 mm篩的土樣60 g和3 g玉米秸稈（5%烘干土的質量百分數[23］）混勻后裝入500 mL的玻璃廣口瓶中，加入蒸餾水至土壤最大持水量的70%，用中間帶透氣濾紙的塑料膜封閉瓶口，在 25℃恒溫培養箱中通氣培養，每周稱重保持土壤水分。培養周期為180 d，分別于培養后第15天、30天、60天、90天、180天取各處理3個重復樣品進行試驗指標測定；第0天數據采用室內培養試驗開始前土壤測定，因此CT和CTS、NT和NTS分別相同。

1.4 測試方法

土壤水穩性團聚體：稱取50.00 g風干土平鋪于2 mm篩子上，室溫下用蒸餾水浸潤 5 min，手動上下振動篩子，幅度為3 cm，震動2 min，共50次。震動完畢后用蒸餾水將篩子上的土樣洗入鋁盒。按照上述方法將土樣依次通過0.25 mm和0.053 mm篩，分別獲得＞2 000 μm、2 000—250 μm、250—53 μm 和＜53 μm四部分團聚體。

土壤有機碳測定采用干樣燃燒法，所用儀器為元素分析儀（Vario MAX122 C/N，Elementar Analysensysteme GmbH，Hanau, Germany），測定前土樣經 1 mol·L-1鹽酸處理，去除無機碳。

1.5 計算方法

利用各粒級團聚體數據，計算平均重量直徑（MWD）、幾何平均直徑（GMD）、＞0.25 mm團聚體百分比（R0.25）。

式中，Xi為第i級團聚體平均直徑（mm），Mi為第i級團聚體質量（g），Mt為團聚體總質量（g），Mr＞0.25為直徑大于0.25 mm團聚體質量（g）。

團聚體有機碳對土壤有機碳的貢獻率（W）：

式中，W為團聚體中有機碳對土壤中有機碳的貢獻率（%），OCi為第i級團聚體中有機碳含量g C·kg-1aggregate），SOC為土壤中有機碳含量（g C·kg-1soil）。

1.6 統計分析

采用Microsoft Excel 2007和SAS9.2進行數據處理和作圖，采用一般線性模型進行方差分析，最小顯著極差法（LSD法）進行多重比較，顯著性水平P＜0.05。數據為平均值±標準誤（n=3）。

2 結果

2.1 添加秸稈對不同耕作處理土壤團聚體的影響

添加秸稈對不同耕作處理土壤團聚體有較大影響（圖1），不加秸稈處理（CT和NT）團聚體主要分布在250—53 μm級別，占全部團聚體的52%—66%，顯著高于其他團聚體；添加秸稈處理（CTS和NTS）顯著提高土壤大團聚體（＞250 μm）含量，2 000—250 μm團聚體所占比例最高，達41%—50%。在整個培養時期內，CTS較CT提高2 000—250 μm團聚體含量230%—306%，降低250—53 μm和＜53 μm團聚體分別為31%—37%和40%—65%；NTS較NT提高2 000—250 μm團聚體含量92%—134%，降低250—53 μm和＜53 μm團聚體分別為28%—36%和30%—42%，由此可知，添加秸稈對于傳統耕作處理土壤團聚體含量的影響更大。此外，CTS和NTS各級團聚體含量僅在個別培養時期差異顯著，其他培養時間兩處理間無顯著差異，說明添加秸稈可減小傳統耕作與免耕土壤之間團聚體含量的差異。

與培養0 d時團聚體含量相比，添加秸稈條件下CTS處理增加＞2 000 μm團聚體含量，而NTS處理減少＞2 000 μm團聚體含量，其他級別團聚體變化趨勢一致，即增加 2000—250 μm 團聚體含量，減少250—53 μm 和＜53 μm 團聚體含量。

圖1 培養期間土壤水穩性團聚體組成Fig. 1 The proportion of soil water-stable aggregate composition in each phase

2.2 添加秸稈對不同耕作處理土壤團聚體穩定性的影響

平均重量直徑（MWD）、幾何平均直徑（GMD）以及＞0.25 mm團聚體百分比R0.25是評價土壤團聚體穩定性的重要指標。從表 1可知，不加秸稈時，在整個培養階段 NT處理 MWD、GMD、R0.25均顯著高于CT（P＜0.05），培養到180 d時，NT處理MWD、GMD、R0.25分別比CT提高50%、43%和92%，說明免耕處理能增強土壤團聚體穩定性。添加秸稈后，CTS和NTS均顯著提高MWD、GMD、R0.25值，培養至180 d時CTS較CT分別提高133%、130%和235%，NTS較NT分別提高72%、83%和96%，由此可知，添加秸稈對于傳統耕作土壤團聚體穩定性的改善作用更大。在各培養時期，CTS的MWD、GMD、R0.25值與NTS非常接近，并且顯著高于NT，說明添加秸稈可提高傳統耕作土壤團聚體穩定性并縮小甚至掩蓋由于耕作處理不同造成的差異。與培養0 d時相比，添加秸稈同樣顯著提高MWD、GMD、R0.25值，說明在培養時期內團聚體主要保持在較大團聚體級別。

表1 不同培養時期土壤團聚體穩定性Table 1 Soil aggregate stability under different incubation periods

2.3 添加秸稈對不同耕作處理土壤團聚體有機碳的影響

在整個培養期，各處理2 000—250 μm團聚體中有機碳含量最高，達43.7—130.0 g·kg-1，顯著高于其他級別團聚體（圖2）。不加秸稈時，NT處理2 000—250 μm 團聚體有機碳含量顯著低于 CT，降低幅度達29%—40%；250—53 μm和＜53 μm團聚體有機碳含量 NT處理顯著高于 CT處理，提高幅度分別為25%—31%和 9%—20%。與不加秸稈處理相比，添加秸稈提高了＞2 000 μm、250—53 μm 和＜53 μm 團聚體有機碳含量。培養到180 d時，CTS處理250—53 μm和＜53 μm團聚體有機碳含量分別為26.4 g·kg-1和18.5 g·kg-1，較CT提高39%和30%；NTS處理250—53 μm和＜53 μm 團聚體有機碳含量分別為 31.2 g·kg-1和20.1 g·kg-1，較NT分別提高30%和25%。添加秸稈同時顯著降低了2 000—250 μm團聚體有機碳含量，CTS和NTS分別較CT和NT降低有機碳51%和28%，CTS和NTS之間無顯著差異。綜上，添加秸稈對傳統耕作土壤團聚體有機碳的影響程度大于免耕土壤。

與培養 0 d時相比，CTS增加＞2 000 μm 和250—53 μm團聚體有機碳含量，減少2 000—250 μm和＜53 μm團聚體有機碳含量；NTS處理＞2 000 μm、2 000—250 μm和＜53 μm團聚體有機碳基本保持不變，250—53 μm團聚體有機碳含量顯著增加。

圖2 培養期間各級別團聚體有機碳含量Fig. 2 Soil organic carbon content in aggregate

2.4 不同耕作處理團聚體有機碳對土壤有機碳的貢獻率

不加秸稈時，CT和NT處理團聚體有機碳對土壤有機碳的貢獻率以2 000—250 μm和250—53 μm團聚體的貢獻率最高（圖3）。添加秸稈后2 000—250 μm團聚體有機碳的貢獻率最高，CTS和NTS分別高達49%—61%和 50%—60%，顯著高于其他級別團聚體有機碳貢獻率。CTS和NTS處理顯著提高＞2 000 μm和2 000—250 μm團聚體有機碳貢獻率，同時顯著降低250—53 μm和＜53 μm團聚體有機碳貢獻率。培養至180 d時，CTS較CT提高2 000—250 μm團聚體有機碳貢獻率32%，分別降低250—53 μm和＜53 μm團聚體有機碳貢獻率34%和51%；NTS較NT提高2 000—250 μm團聚體有機碳貢獻率16%，分別降低250—53 μm和＜53 μm團聚體有機碳貢獻率26%和36%。綜上，添加秸稈對傳統耕作處理團聚體有機碳貢獻率影響更明顯。與培養0 d時相比，CTS處理＞2 000 μm和2 000—250 μm團聚體有機碳貢獻率處于增加水平，而250—53 μm和＜53 μm團聚體有機碳處于減少水平；NTS處理2 000—250 μm團聚體有機碳貢獻率處于增加水平，其他團聚體有機碳貢獻率均處于減少水平。

表2所示為各培養時期土壤團聚體有機碳貢獻率、團聚體質量百分比、團聚體有機碳濃度與培養 0 d時對應指標的變化量。團聚體有機碳貢獻率變化與團聚體質量百分比變化規律一致，團聚體有機碳貢獻率隨團聚體質量百分比增加而增加。另外，由團聚體質量百分比和團聚體有機碳濃度的變化幅度可知，團聚體質量百分比變化幅度高于團聚體有機碳濃度變化幅度。因此，從添加秸稈促進土壤有機碳儲存角度考慮，添加秸稈對土壤團聚體的影響強于對土壤團聚體有機碳濃度的影響。

3 討論

3.1 添加秸稈促進土壤大團聚體形成

圖3 團聚體有機碳對土壤有機碳的貢獻率Fig. 3 Contributing rates of organic carbon in aggregate to soil organic carbon

土壤團聚體是衡量土壤結構進而判斷土壤質量好壞的重要指標，促進土壤大團聚體（＞250 μm）形成對增強土壤固碳能力、減少水土流失及提高土壤肥力有重要作用[8］。本研究通過室內培養試驗得出，長期進行傳統耕作和免耕處理的土壤，在添加秸稈后能明顯改變其土壤團聚體構成。不加秸稈處理（CT和NT）土壤團聚體以250—53 μm級別為主，占52%—66%；添加秸稈后（CTS和NTS）土壤團聚體以2 000—250 μm級別為主，占41%—50%。添加秸稈使CTS和NTS分別提高 2 000—250 μm 團聚體 230%—306%和92%—134%，同時降低250—53 μm團聚體31%—37%和 28%—36%，降低＜53 μm 團聚體 40%—65%和30%—42%，這與關松等[24］、劉哲等[18］的研究結果一致。關松、劉哲分別研究了室內培養條件下添加玉米、水稻秸稈對黑土、紅壤團聚體組成的作用，結果表明添加秸稈均能增加土壤＞2 000 μm和2 000—250 μm團聚體含量，降低＜250 μm團聚體。

表2 團聚體有機碳貢獻率（W, %）、團聚體質量百分比（P, %）及團聚體有機碳濃度（OC, g C·kg-1 aggregate）變化量Table 2 The increment of aggregate organic carbon contribution rate (W, %), aggregates distribution (P, %) and aggregate organic carbon content (OC, g C·kg-1 aggregate) in added straw treatment soil compared with unprocessed soil

由此可見，添加秸稈對促進土壤大團聚體形成具有顯著作用，這主要是因為秸稈進入土壤后發揮的直接和間接作用。直接作用一方面表現為秸稈直接成為大團聚體形成的核心，使土壤中的細小顆粒附著于秸稈上形成大團聚體[25］；另一方面秸稈直接提高了土壤有機碳含量[14］，有機碳作為土壤團聚體形成和穩定的主要膠結物質[18］，有效促進其形成。間接作用表現為秸稈作為外源碳添加到土壤中，勢必會改變土壤C/N，而微生物自身的 C/N 含量比較低，當秸稈 C/N 小于25∶1時，就能夠提高微生物生物量和活性[26］，尤其促進真菌菌絲生長，纏繞細小顆粒形成團聚體[20,27］，本研究中所用秸稈C/N小于23∶1，極有可能對微生物生長產生促進作用，進而促進團聚體形成；同時，秸稈在腐解過程中常常會產生多種有機質，其中的碳水化合物、蛋白質、木質素等可將小團聚體膠結在一起或通過吸附作用形成大團聚體[8,16］。

添加秸稈能夠顯著提高平均重量直徑（MWD）、幾何平均直徑（GMD）以及＞0.25 mm團聚體百分比，這些指標常用來反映土壤團聚體的大小分布狀況，表征土壤團聚體穩定性具有一致性，值越大代表團聚體越穩定[4］。培養至180 d時，CTS較CT分別提高133%、130%和235%，NTS較NT分別提高53%、75%和87%，說明添加秸稈不僅能夠促進大團聚體形成，而且能夠增強團聚體穩定性。本研究表明，添加秸稈對傳統耕作土壤團聚體的影響大于免耕土壤，這與孫元宏等[20］的研究相似，主要原因是傳統耕作土壤未加秸稈時大團聚體（＞250 μm）含量低，微團聚體（＜250 μm）含量較高，而大團聚體主要是由細小微粒包裹在秸稈表面團聚而成[25］。

3.2 添加秸稈提高團聚體有機碳含量

添加秸稈有助于提高土壤有機碳含量[19,28］，研究表明秸稈進入土壤后主要轉化成土壤團聚體中的有機碳，被隔離保存以限制土壤微生物的分解作用[27］。本研究結果表明，添加秸稈顯著提高＞2 000 μm、250—53 μm（除15 d）和＜53 μm團聚體有機碳含量，培養至180 d時，CTS較CT提高250—53 μm和＜53 μm團聚體有機碳70%和54%；NTS較NT提高＞2 000 μm、250—53 μm 和＜53 μm 團聚體有機碳 23%、30%和25%。這與劉哲等[18］、顧鑫等[29］的研究結果一致，他們分別通過培養試驗研究添加秸稈對土壤團聚體有機碳的影響，結果證明，無論是在紅壤還是棕壤中添加秸稈均顯著提高了各級團聚體有機碳含量。主要原因一是由于秸稈作為外源有機碳直接參與到各級團聚體中，二是秸稈添加后促進了土壤微生物的繁殖[28］，二者均為土壤有機碳主要組成成分[18,27］。另外，從添加秸稈對不同耕作土壤團聚體有機碳的提升作用來看，添加秸稈對傳統耕作土壤團聚體有機碳的提升作用更大，這主要受土壤初始有機碳含量影響，初始有機碳含量越低，固定外源碳越多[20,30］；另外，免耕土壤黏粒膠體的固碳“位點”多數已被利用，而傳統耕作土壤黏粒膠體大量的固碳“位點”呈空置狀態，因此再添加秸稈對傳統耕作團聚體有機碳的影響高于免耕。同時，添加秸稈顯著降低了2 000—250 μm團聚體有機碳含量，培養至180 d時，CTS和NTS分別較CT和NT降低了51%和28%，這主要受秸稈對原有機碳的激發效應影響。SARKER等[31］研究表明，添加秸稈后大團聚體原有有機碳礦化量顯著高于微團聚體，且大團聚體固定的新碳含量隨時間延長會逐漸降低[27］。

3.3 添加秸稈提高大團聚體有機碳貢獻率

本研究結果表明，在相同培養時期內添加秸稈顯著提高＞2 000 μm和2 000—250 μm團聚體有機碳的貢獻率，同時顯著降低250—53 μm和＜53 μm團聚體有機碳貢獻率。與未培養土壤團聚體有機碳貢獻率相比，CTS和NTS均顯著增加2 000—250 μm團聚體有機碳貢獻率，顯著降低250—53 μm和＜53 μm團聚體有機碳貢獻率；但對于＞2 000 μm團聚體有機碳貢獻率二者表現不同：CTS顯著增加而NTS有所降低。王秀娟等[8］的研究也發現秸稈還田提高了土壤大粒級團聚體對有機碳的貢獻率，同時降低了＜250 μm團聚體有機碳貢獻率。這主要是因為秸稈進入土壤改變了土壤團聚體分布狀況，同時也引起團聚體有機碳的變化[21］，與未培養土壤相比，添加秸稈顯著提高了＞2 000 μm（CTS）和 2 000—250 μm（CTS 和 NTS）團聚體含量及其有機碳濃度。郝翔翔等[32］在黑土地區的研究同樣印證了這一點。另外在細小顆粒團聚成大團聚體的過程中，也會導致有機碳發生轉移，進入大團聚體，降低微團聚體中有機碳含量[18］。團聚體質量百分比變化對團聚體有機碳貢獻率變化影響更大，這可能與培養時間有關，在短期內秸稈能夠迅速被細小顆粒包裹形成較大團聚體，但秸稈經過化學過程最后形成土壤有機碳需要更長的時間。

4 結論

添加秸稈使2 000—250 μm級別團聚體成為主體級別，顯著提高土壤團聚體穩定性。各處理2 000—250 μm團聚體有機碳含量最高，添加秸稈顯著提高了＞2 000 μm、250—53 μm 和＜53 μm 團聚體有機碳含量，同時顯著提高了＞2 000 μm和2000—250 μm團聚體有機碳的貢獻率，降低250—53 μm和＜53 μm團聚體有機碳貢獻率。綜上分析得出，添加秸稈對于土壤水穩性大團聚體的形成及其有機碳的提升效果顯著，且在傳統耕作處理土壤中的效果優于免耕處理土壤。