綠肥、稻草還田對(duì)植煙土壤團(tuán)聚體組成及有機(jī)質(zhì)分布的影響

嚴(yán)紅星，田 飛，劉建國(guó)，劉勇軍，彭曙光，靳志麗，羅建新*

1.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)，長(zhǎng)沙市芙蓉區(qū)農(nóng)大路1號(hào) 410128

2.湖南省煙草公司，長(zhǎng)沙市天心區(qū)芙蓉南路一段628號(hào) 410007

3.中國(guó)煙草中南農(nóng)業(yè)試驗(yàn)站永州基地，湖南省永州市冷水灘區(qū)珍珠路909號(hào) 425000

由于土地利用集約化程度的提高和化肥的大量施用，導(dǎo)致了土壤板結(jié)、肥力下降等環(huán)境惡化問(wèn)題，最明顯的特征是土壤有機(jī)質(zhì)含量減少和團(tuán)聚體穩(wěn)定性降低［1］。團(tuán)聚體和有機(jī)質(zhì)是保持土壤結(jié)構(gòu)和肥力的基礎(chǔ)［2］，外源有機(jī)物料還田能夠起到增加土壤有機(jī)質(zhì)含量，提高土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性和改善土壤理化性狀的作用。有研究表明［3-7］，綠肥翻壓和秸稈還田后土壤中有機(jī)質(zhì)含量明顯提高，保肥能力增強(qiáng)。有機(jī)物料和化肥配施能顯著提高水稻土的有機(jī)質(zhì)含量和品質(zhì)，有效降低土壤容重，是培肥地力的有效途徑［8］。土壤團(tuán)聚體是土壤最基本的結(jié)構(gòu)單元，是土壤中養(yǎng)分轉(zhuǎn)化的場(chǎng)所［9-10］。Van Bavel［11］和 Gardner［12］提出了以平均質(zhì)量直徑（Mean weight diameter, MWD）和幾何平均直徑（Geometric mean diameter, GMD）作為評(píng)價(jià)土壤團(tuán)聚體分布狀況及穩(wěn)定性的指標(biāo)，MWD 與GMD 值越大，團(tuán)聚體分布狀況與穩(wěn)定性越好；分形維數(shù)（Fractal dimension, D）是反映土壤團(tuán)聚體數(shù)量組成及質(zhì)地均一性的綜合性指標(biāo)［13-14］，土壤有機(jī)質(zhì)在團(tuán)聚體中的分布與變化是土壤中重要的物理化學(xué)性質(zhì)之一［15］。研究表明［16-18］，有機(jī)物料還田能顯著提高土壤大團(tuán)聚體（＞0.250 mm）的數(shù)量和比例，顯著提高 MWD 和 GMD 值，降低 D 值，進(jìn)而影響團(tuán)聚體分布并提高其穩(wěn)定性，而單施化肥對(duì)大團(tuán)聚體的形成有抑制作用。稻草還田能提高大團(tuán)聚體數(shù)量和有機(jī)質(zhì)含量，影響有機(jī)質(zhì)分布，優(yōu)化土壤的理化性狀［19］。不少學(xué)者在有機(jī)物料還田對(duì)提升和改良土壤肥力方面進(jìn)行了大量研究［20-23］，但對(duì)不同種類(lèi)有機(jī)物料在湖南煙區(qū)還田的研究應(yīng)用則少見(jiàn)報(bào)道。為此，在湘南湘西的典型煙區(qū)進(jìn)行了綠肥、稻草還田對(duì)植煙土壤團(tuán)聚體組成及有機(jī)質(zhì)分布的影響試驗(yàn)，以期為煙田土壤改良提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)基本情況

試驗(yàn)于2015—2017年在湘南藍(lán)山縣土市鄉(xiāng)三廣村、江華縣白芒營(yíng)鎮(zhèn)新社灣村和湘西鳳凰縣千工坪鄉(xiāng)通板村、花垣縣道二鄉(xiāng)科技園進(jìn)行。供試土壤為石灰?guī)r母質(zhì)發(fā)育的水稻土（湘南，煙-稻輪作制）和旱地貧瘠土壤（湘西，一年一熟制）。試驗(yàn)田近3年沒(méi)有安排過(guò)肥料試驗(yàn)，交通便利，排灌方便，土質(zhì)、肥力具有代表性。供試煙草品種為云煙87，還田物料為鮮油菜、干稻草（當(dāng)?shù)赝淼镜静荩Ⅴr箭舌豌豆和鮮黑麥草，氮、磷、鉀和干物質(zhì)含量見(jiàn)表1。施用肥料為煙草專用基肥、專用追肥、提苗肥和硫酸鉀，由當(dāng)?shù)責(zé)煵莨咎峁凑债?dāng)?shù)乜緹煒?biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)技術(shù)方案進(jìn)行田間管理。

表1 綠肥和稻草中氮、磷、鉀和干物質(zhì)含量Tab.1 Contents of nitrogen, phosphorus, potassium and dry matter in green manure and rice straw

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用定位試驗(yàn)，在等養(yǎng)分基礎(chǔ)上設(shè)置3 個(gè)處理，3 次重復(fù)，共9 個(gè)小區(qū)，田間小區(qū)隨機(jī)區(qū)組排列。湘南分別為對(duì)照（化肥）、稻草還田（干稻草3 750 kg/hm2）、油菜還田（鮮油菜 22 500 kg/hm2）；湘西分別為對(duì)照（化肥）、箭舌豌豆還田（22 500 kg/hm2）、黑麥草還田（22 500 kg/hm2）。

稻草還田方法：在烤煙移栽前30 d，將干稻草切為長(zhǎng)10～15 cm 的碎段，均勻拋撒在田中，并在稻草上均勻撒施秸稈腐熟劑2.5 ～3.0 kg/667 m2，之后灌水浸泡10 ～15 d。待浸泡的稻草軟化后，用旋耕機(jī)將稻草打碎。用耕翻機(jī)將稻草連同根茬一起翻耕入土，翻耕深度為15～20 cm。

油菜還田方法：在烤煙移栽前30 d 用機(jī)械或手工將油菜打（砍）碎并翻壓，一般埋入土壤中深度為15～20 cm，隨即進(jìn)行耙地和鎮(zhèn)壓，以加速油菜的腐解。

箭舌豌豆或黑麥草種植與還田方法：先將土壤翻耕、耙平，四周開(kāi)好圍溝，9月下旬采取撒播播種。3月下旬，即烤煙移栽前30 d 左右結(jié)合土地翻耕或起壟時(shí)進(jìn)行翻壓鮮箭舌豌豆或黑麥草22 500 kg/hm2。若翻壓前產(chǎn)量過(guò)大，則將過(guò)多的箭舌豌豆或黑麥草割掉一部分并移出，異地還田；小區(qū)內(nèi)產(chǎn)量不足的部分實(shí)施異地補(bǔ)充。先用機(jī)械或手工將其打碎，然后撒在地面或施入溝中，再進(jìn)行翻耕，一般埋入土壤中深度為15～20 cm。

湘南試驗(yàn)各處理的氮肥用量（包括有機(jī)氮和無(wú)機(jī)氮）相同，均為 144 kg/hm2，N∶P2O5∶K2O 為 1.0∶0.8∶2.8，綠肥和稻草還田處理扣除相應(yīng)還田綠肥和稻草帶入土壤的氮；湘西試驗(yàn)各處理的總氮用量為 105 kg/hm2，N∶P2O5∶K2O 為 1.00∶1.28∶3.11，扣除相應(yīng)還田箭舌豌豆和黑麥草帶入土壤中的氮。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.3.1 樣品采集與處理

湘南試驗(yàn)于晚稻收獲后、湘西試驗(yàn)于煙葉采收完成后，在每小區(qū)采用“S ”形采樣法分別采集0～20 cm 的耕層混合土樣以及原狀土樣。將耕層土樣放入塑料袋；將原狀土樣放入塑料盒中，并盡量減少在采集以及運(yùn)輸過(guò)程中對(duì)原狀土的破壞。帶回實(shí)驗(yàn)室后，將土樣風(fēng)干、過(guò)篩后備用；原狀土樣在室內(nèi)沿自然結(jié)構(gòu)輕輕掰成直徑約1 cm 的小土塊，同時(shí)除去植物殘?bào)w、小石塊后，風(fēng)干備用。

1.3.2 測(cè)定方法

采用重鉻酸鉀容量法［24］測(cè)定土壤有機(jī)質(zhì)含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），采用周虎等［13］的方法測(cè)定土壤團(tuán)聚體指標(biāo)。

1.3.3 數(shù)據(jù)處理

土壤團(tuán)聚體的平均質(zhì)量直徑（MWD）、幾何平均直徑（GMD）、分形維數(shù)（D）、土壤團(tuán)聚體中有機(jī)質(zhì)分布的計(jì)算方法［18,25］：

式中：Wdi為 i 粒級(jí)團(tuán)聚體的質(zhì)量；Wi為 i 粒級(jí)團(tuán)聚體所占的比例。

式中：xi為i 粒級(jí)團(tuán)聚體直徑。

式中：全土為未經(jīng)粒徑分離的土樣；全土有機(jī)質(zhì)為土壤有機(jī)質(zhì)。

采用Microsoft Excel 2007 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)處理，用DPS7.05 軟件、新復(fù)極差法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行組間差異的顯著性比較。

2 結(jié)果與討論

2.1 綠肥、稻草還田對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)含量的影響

有機(jī)質(zhì)是植物生長(zhǎng)過(guò)程中重要的礦物質(zhì)營(yíng)養(yǎng)來(lái)源，也是評(píng)價(jià)土壤肥力的重要指標(biāo)，其含量的大小和動(dòng)態(tài)變化對(duì)土壤結(jié)構(gòu)和土壤生產(chǎn)力有直接影響［25］。圖 1 表明，4 種物料還田后的土壤的有機(jī)質(zhì)含量較CK 均有所提高，稻草、油菜還田處理較CK分別提高2.80%和3.24%，箭舌豌豆、黑麥草還田處理較CK 分別提高0.84%和0.48%，但兩個(gè)試驗(yàn)區(qū)的還田處理與CK 間有機(jī)質(zhì)含量差異均不顯著，可能是因?yàn)檫€田年限較短，有機(jī)質(zhì)含量的變化對(duì)有機(jī)物料還田的響應(yīng)緩慢所致。有機(jī)物料富含養(yǎng)分，還田腐解后釋放出大量有機(jī)碳，有利于土壤有機(jī)質(zhì)的積累，因此不同有機(jī)物料還田均能提高土壤有機(jī)質(zhì)含量，但由于有機(jī)物料種類(lèi)和狀態(tài)不同，在土壤中分解過(guò)程存在差異，因此還田后土壤有機(jī)質(zhì)含量的提高幅度也不同。有研究認(rèn)為［5,26-27］，油菜較稻草、箭舌豌豆較黑麥草C/N 小，腐殖化系數(shù)低，在土壤中較易腐解，可向土壤輸入更多的有機(jī)碳，更有利于提高土壤的有機(jī)質(zhì)含量，與本試驗(yàn)結(jié)果基本一致。

圖1 綠肥、稻草還田處理土壤的有機(jī)質(zhì)含量比較Fig.1 Comparison of soil organic matter content between green manure and rice straw returning

2.2 綠肥、稻草還田對(duì)土壤團(tuán)聚體組成的影響

土壤團(tuán)聚體數(shù)量和大小分布直接影響著土壤品質(zhì)，團(tuán)聚體特征是反映土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和抗侵蝕能力的重要指標(biāo)［5］，一般粒徑大于0.250 mm 的團(tuán)聚體稱為大團(tuán)聚體，相對(duì)于其他粒徑的團(tuán)聚體大團(tuán)聚體更能充分體現(xiàn)土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性，其含量越高，土壤品質(zhì)越好［28］。有研究表明［29-30］，土壤中＞0.250 mm 水穩(wěn)性團(tuán)聚體比例與土壤肥力成正比，且MWD、GMD 和D 均能反映土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性。表2 表明，在湘南試驗(yàn)區(qū)，稻草、油菜還田處理與CK 相比，＞0.250 mm 水穩(wěn)性團(tuán)聚體比例分別提高4.81%、7.41%，MWD 和GMD 大小均表現(xiàn)為油菜＞稻草＞CK，稻草、油菜還田處理的D 值較CK 分別下降3.28%和4.92%，不同處理4 個(gè)特征指標(biāo)統(tǒng)計(jì)中僅油菜還田與CK 差異顯著。可見(jiàn)，湘南試驗(yàn)區(qū)油菜還田能顯著提高水穩(wěn)性團(tuán)聚體的團(tuán)聚力，改善團(tuán)聚體數(shù)量組成和均一性，稻草還田也在一定程度上改善團(tuán)聚體特性，但油菜還田效果優(yōu)于稻草還田，這可能是油菜比稻草提供到土壤中的有機(jī)碳多，增強(qiáng)了團(tuán)聚體的膠結(jié)力，有利于促進(jìn)大團(tuán)聚體的形成。在湘西試驗(yàn)區(qū)，箭舌豌豆、黑麥草還田處理與CK 相比，＞0.250 mm 水穩(wěn)性團(tuán)聚體比例分別提高2.70%和12.57%，MWD 和GMD 大小均表現(xiàn)為黑麥草還田＞箭舌豌豆還田＞CK，箭舌豌豆、黑麥草還田處理的D 值較CK 分別下降0.35%和1.06%，不同處理4 個(gè)指標(biāo)間僅黑麥草還田與CK 差異顯著。可見(jiàn)，湘西試驗(yàn)區(qū)綠肥還田均能有效改善土壤團(tuán)聚體特性，但黑麥草還田效果顯著好于箭舌豌豆。這可能是由于黑麥草富含纖維素和木質(zhì)素，有利于土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的形成，與鄧小華等［31］的研究結(jié)果一致。

表2 綠肥、稻草還田處理土壤的團(tuán)聚體穩(wěn)定性比較①Tab.2 Comparison of stability of soil aggregates between green manure and rice straw returning

2.3 綠肥、稻草還田對(duì)團(tuán)聚體有機(jī)質(zhì)含量和分布的影響

團(tuán)聚體中有機(jī)質(zhì)是反映土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和功能的重要指標(biāo)，增加團(tuán)聚體有機(jī)質(zhì)，可以提高團(tuán)聚體的穩(wěn)定性［32-34］。圖2 表明，不同還田處理的湘南、湘西試驗(yàn)區(qū)土壤不同粒徑的水穩(wěn)性團(tuán)聚體中有機(jī)質(zhì)含量變化趨勢(shì)一致，有機(jī)質(zhì)含量均表現(xiàn)為隨粒徑的減小先升高后降低，且2.000～0.250 mm 粒徑范圍內(nèi)有機(jī)質(zhì)含量最高。湘南試驗(yàn)區(qū)土壤中各粒徑團(tuán)聚體有機(jī)質(zhì)含量表現(xiàn)為油菜還田＞稻草還田＞CK，說(shuō)明稻草、油菜還田均能提高不同粒徑團(tuán)聚體中有機(jī)質(zhì)含量，但不同處理間差異不顯著。湘西試驗(yàn)區(qū)綠肥還田提高了大團(tuán)聚體中有機(jī)質(zhì)含量，表現(xiàn)為箭舌豌豆還田＞黑麥草還田＞CK，在小團(tuán)聚體中綠肥還田處理均小于CK，但不同處理間差異不顯著。綠肥、稻草還田后＞0.250 mm團(tuán)聚體有機(jī)質(zhì)含量增幅大于＜0.250 mm 團(tuán)聚體有機(jī)質(zhì)含量，可能是因?yàn)樾绿碛袡C(jī)物料轉(zhuǎn)化的養(yǎng)分首先富集在小團(tuán)聚體中，但隨著大團(tuán)聚體的形成，以及大團(tuán)聚體包含有較大數(shù)量的黏粒及強(qiáng)大的表面吸附能力，養(yǎng)分最終在大團(tuán)聚體中累積，與楊瑩瑩等［19］的研究結(jié)果一致。

圖2 綠肥、稻草還田處理土壤的團(tuán)聚體中有機(jī)質(zhì)含量Fig.2 Organic matter content in aggregates in soils after green manure and rice straw returning

表3 綠肥、稻草還田處理土壤團(tuán)聚體中有機(jī)質(zhì)分布比較Tab.3 Distribution of organic matter in aggregates in soils after green manure and rice straw returning （%）

有機(jī)質(zhì)在固碳和肥力上發(fā)揮著重要作用，因此團(tuán)聚體中有機(jī)質(zhì)的分布備受關(guān)注［35-36］。由表3可知，湘南試驗(yàn)區(qū)不同還田處理與CK 相比，＞2.000 mm 團(tuán)聚體有機(jī)質(zhì)分布有所提高，其中稻草、油菜還田較CK 分別提高24.51%和30.00%，且還田處理與CK 間差異顯著，油菜還田處理與CK 差異極顯著；＜2.000 mm 團(tuán)聚體有機(jī)質(zhì)分布均有降低，大小表現(xiàn)為油菜還田＜稻草還田＜CK。說(shuō)明稻草、油菜還田能提高大粒徑團(tuán)聚體中有機(jī)質(zhì)分布，可能是大團(tuán)聚體數(shù)量的增加及大團(tuán)聚體中有機(jī)質(zhì)含量提高所致。而湘西與湘南試驗(yàn)區(qū)相比較，土質(zhì)不同、團(tuán)聚體數(shù)量組成存在差異，有機(jī)質(zhì)主要分布在＜2.000 mm 的團(tuán)聚體中。箭舌豌豆、黑麥草還田較CK 比＞2.000 mm 團(tuán)聚體有機(jī)質(zhì)分布分別提高14.29%、39.48%，黑麥草還田與CK 差異顯著。2.000～0.250 mm 團(tuán)聚體有機(jī)質(zhì)分布大小表現(xiàn)為黑麥草還田＞箭舌豌豆還田＞CK，但不同處理間差異不顯著。＜0.250 mm 團(tuán)聚體有機(jī)質(zhì)分布大小表現(xiàn)為黑麥草還田＜箭舌豌豆還田＜CK，其中黑麥草還田與CK 相比，＜0.053 mm 團(tuán)聚體有機(jī)質(zhì)分布顯著降低23.77%。說(shuō)明箭舌豌豆、黑麥草還田均能增加大團(tuán)聚體中有機(jī)質(zhì)分布，降低小團(tuán)聚體中有機(jī)質(zhì)分布，黑麥草還田效果顯著，可能是黑麥草促進(jìn)大團(tuán)聚體數(shù)量增加所致。可見(jiàn)，湘南和湘西試驗(yàn)區(qū)綠肥、稻草還田后均呈現(xiàn)有機(jī)質(zhì)分布從小團(tuán)聚體向大團(tuán)聚體中轉(zhuǎn)移的趨勢(shì)，尤其是增加了＞2.000 mm 團(tuán)聚體中的有機(jī)質(zhì)分布，油菜還田效果優(yōu)于稻草還田，黑麥草還田優(yōu)于箭舌豌豆還田，與史瓊彬等［37］的研究結(jié)果相似。

3 結(jié) 論

綠肥、稻草還田能在一定程度上提高植煙土壤的有機(jī)質(zhì)含量，提升幅度油菜大于稻草，箭舌豌豆大于黑麥草。統(tǒng)計(jì)分析表明，不同處理間有機(jī)質(zhì)含量差異不顯著，有機(jī)質(zhì)含量的提高是一個(gè)長(zhǎng)期的、不斷積累的過(guò)程。綠肥、稻草還田能提高大團(tuán)聚體含量，提高M(jìn)WD 和GMD，有效降低分形維數(shù)，對(duì)團(tuán)聚體特征的改善表現(xiàn)為油菜還田優(yōu)于稻草還田，黑麥草還田優(yōu)于箭舌豌豆還田。綠肥、稻草還田能提高水穩(wěn)性團(tuán)聚體中有機(jī)質(zhì)含量，對(duì)大

團(tuán)聚體中有機(jī)質(zhì)含量的提高幅度大于小團(tuán)聚體，尤其是＞2.000 mm 團(tuán)聚體中有機(jī)質(zhì)含量，提高幅度依次為油菜＞稻草、箭舌豌豆＞黑麥草。綠肥、稻草還田后土壤有機(jī)質(zhì)分布均呈現(xiàn)從小團(tuán)聚體向大團(tuán)聚體轉(zhuǎn)移的趨勢(shì)，尤其是提高了＞2.000 mm 團(tuán)聚體中的有機(jī)質(zhì)分布，還田效果油菜優(yōu)于稻草，黑麥草優(yōu)于箭舌豌豆。