綠洲農田土壤團聚體組成及有機碳和全氮分布對秸稈還田方式的響應

殷 文，郭 瑤，陳桂平，馮福學，趙 財，于愛忠，樊志龍，胡發龍，柴 強

(1. 甘肅省干旱生境作物學重點實驗室/甘肅農業大學農學院，甘肅 蘭州 730070；2. 甘肅農業大學水利水電工程學院，甘肅 蘭州 730070)

土壤結構通過影響作物生長所需水分、養分及土壤中的物質交換、微生物區系活動、作物根系分布等過程而影響作物生長發育[1-2]。土壤團粒結構的形成及穩定性是土壤結構研究的核心內容，在很大程度上反映了土壤結構的水力學穩定性與抗蝕性[3-4]。優化耕作措施[5]、秸稈還田方式[6]、施肥制度[7]等土壤改良措施均影響土壤團聚體的組成及其穩定性。因此，研究不同秸稈還田及耕作方式對土壤團聚體組成、分布及穩定性的影響對于評價土壤生態效益及可持續利用具有重要意義。土壤有機碳和全氮在碳、氮循環中發揮著重要作用，并且在很大程度上影響土壤團聚體的形成及穩定性，也是增強土壤供肥、保肥能力以及對耕作緩沖性能的重要決定因素，與土壤團聚體形成密切相關[8-9]。已有研究證實，翻耕易破壞土壤團聚體，導致團聚體中有機質暴露，增加土壤有機質輸出，加劇溫室氣體排放[10]。因此，通過優化耕作措施提高土壤團聚體中有機碳和氮素含量，可培肥地力、減少農田溫室氣體排放，對建立可持續農業生產模式具有重要指導價值。甘肅河西綠洲灌區作物栽培長期采用鏵式犁翻耕等傳統深翻耕措施[11]，對耕層土壤過度擾動，大量土壤團聚體結構被破壞，冬春裸露休閑，加劇水分無效蒸發，另外，作物秸稈還田技術體系尚未完善，秸稈移除減少了土壤有機質含量，可耕地質量日趨下降，在西北季風的強勁作用下，農田土壤風蝕問題突出，成為制約該地區農業生態環境建設的因素之一[12]。目前，秸稈還田是開展農業秸稈資源再利用、實現生態農業的最重要途徑，在華東地區及雨養農業區已得到了大范圍推廣和應用[13-14]。諸多學者針對秸稈還田對土壤團聚體形成與穩定性的影響機理開展了研究，認為秸稈還田結合免耕措施能顯著提高土壤水穩性團聚體含量及其穩定性[15]；促進大團聚體形成，提高土壤大團聚體中有機碳的氧化穩定性及全氮含量[16]。但是，在干旱綠洲農業區，有關秸稈還田對農田土壤團聚體組成、穩定性及土壤團聚體水平碳、氮含量的影響鮮見報道。為此，本研究以優化秸稈還田技術為突破口，在不同秸稈還田方式下分析干旱灌區農田土壤團聚體組成及有機碳與全氮分布特征，為該區選擇更有利于保持土壤結構穩定性及其碳、氮累積的合理耕作措施提供理論依據，以期為該地區農田生態環境建設提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗在甘肅農業大學武威農技中心綠洲農業科研教學基地進行(37°30′N，103°5′E)。試驗區位于河西走廊東端，屬寒溫帶干旱氣候區，年平均氣溫7.2℃，日照時數2 945 h。試區年平均降雨量約150 mm，主要集中在7-9月，年蒸發量超過2 000 mm，是典型的綠洲灌溉農業區。土壤以荒漠灌淤土為主，粉沙壤質，土層深厚。耕層(0～30 cm)全氮及有機質含量分別為0.94 g·kg-1與11.7 g·kg-1，土壤容重為1.44 g·cm-3。試區耕作以傳統翻耕為主，基于秸稈還田下的土壤理化特性研究相對薄弱，秸稈還田技術尚未成熟、推廣面積小，冬春裸露休閑，水分蒸發強烈，耕地質量日益惡化。

1.2 試驗設計

本研究于2009年布設預備試驗，為后茬玉米創建不同的秸稈還田方式，即2009與2011年種植小麥，小麥收獲時實施不同秸稈還田方式；2010與2012年種植玉米，玉米收獲后秸稈移出農田，并于秋季翻耕，形成“小麥-玉米”輪作模式(表1)。本文主要涉及2012年度玉米農田土壤團聚體組成和有機碳、全氮的系統測定及分析數據。玉米播種日期2012年4月20日，收獲日期為2012年10月2日。供試玉米(ZeamaysL.)品種為武科2號。

試驗設4種耕作及秸稈還田處理，3次重復，田間裂區排列，不同年度種植作物種類及處理方式見表1。

表1 不同年度種植作物種類及處理構成

玉米播種密度為82 500株·hm-2，小區面積10 m×4.8 m=48 m2。傳統耕作前茬小麥低茬收獲后深翻耕(翻耕深度為30 cm)，免耕秸稈還田(高茬收割立茬免耕、高茬收割等量秸稈覆蓋免耕)小麥高茬收割后免耕。所有小區試驗實施年份撒施底肥，然后機械旋耕后耙耱、人工覆膜穴播點種玉米。施肥、灌溉制度與地方高產田一致，即總施N量為450 kg·hm-2，按基肥∶大喇叭口期追肥∶灌漿期追肥=3∶6∶1分施；純P2O5225 kg·hm-2，全作基肥。各處理冬灌水均為1 200 m3·hm-2，生育期內玉米拔節期、大喇叭口期、抽雄吐絲期、開花期、灌漿期分別補灌900、750、900、750、750 m3·hm-2。

1.3 測定指標和計算方法

1.3.1 土壤團聚體組成 2012年10月2日玉米收獲后在田間取耕層0～30 cm土壤樣品，每10 cm為一層，3次重復。3個重復取樣小區再分別取3個點的樣品作為該取樣小區的待測樣品。田間采用“五點法”運用環刀取原狀土樣，帶回室內自然風干，沿其固有的裂縫將大塊土壤輕輕剝成直徑10～20 mm的小土塊，剔除其中石塊、根系后自然風干，用于土壤水穩性團聚體及土壤有機碳和全氮的測定。

土壤團聚體采用濕篩法進行測定，將樣品放置于孔徑自上而下為2、1、0.5、0.25 mm和0.106 mm的各級套篩之上，先用水緩慢濕潤后，再放入水中；在整個套篩處于最下端時，最頂層篩的上邊緣保持低于水面，豎直上下振蕩5 min；收集各級篩層團聚體并分別轉移至鋁盒當中，由于> 2 mm和0.25～2 mm水穩性大團聚體中含有較多的根系與砂礫，在烘干前將其仔細剔除，然后烘干稱重，計算得到各級團聚體的質量百分比。

1.3.2 土壤團聚體平均重量直徑(MWD) 計算方法如下[17]：

(1)

1.3.3 有機碳、全氮測定 將全土與各級別團聚體土樣磨碎過100目篩，利用重鉻酸鉀-外加熱法和凱氏法分別測定全土和各級別團聚體中有機碳、全氮含量[18]。

1.3.4 養分貢獻率計算 利用公式(2)計算各級別土壤團聚體有機碳、全氮在土壤中的貢獻率[19]：

團聚體的貢獻率(%)=[該級團聚體養分含量

×該級團聚體含量/

土壤養分含量]×100%

(2)

1.4 數據統計

數據采用Microsoft Excel 2003整理并作圖，利用SPSS 17.0軟件進行顯著性檢驗。

2 結果與分析

2.1 不同秸稈還田方式下土壤水穩性團聚體組成及穩定指數分析

2.1.1 土壤水穩性團聚體組成 按照大團聚體(≥0.25 mm)和微團聚體(<0.25 mm)分類，各處理大團聚體組分質量隨著土層的加深而降低，但微團聚體含量則相反(圖1)。各處理各土層質量優勢團聚體(含量≥0.25 mm團聚體)變幅為49.9%～66.4%，其中免耕秸稈還田處理(NTSS、NTS)≥0.25 mm 團聚體組分質量相對較高，0～10 cm土層，NTSS、NTS比傳統翻耕(CT)分別高5.4%、12.5%，翻耕秸稈還田(TIS)比CT高7.3%。10～20 cm土層，NTSS、NTS分別比CT高13.3%、14.1%，分別比TIS高13.1%、13.9%，但NTSS與NTS間無顯著性差異。20～30 cm土層，NTSS、NTS比CT分別高11.1%、19.2%，比TIS分別高15.0%、23.5%，總體表現為NTS的提高幅度較大。以上結果說明25～30 cm免耕秸稈覆蓋有利于水穩性團聚體的形成。

圖1 不同秸稈還田方式下不同深度農田土壤團聚體組成Fig.1 Effects of straw retention patterns on composition of soil aggregates in different soil depths

2.1.2 土壤團聚體平均重量直徑(MWD) 免耕秸稈還田明顯提高了農田0～10 cm與20～30 cm土層土壤團聚體平均重量直徑(MWD) (表1)。0～10 cm土層，與傳統耕作(CT)相比，秸稈立茬免耕(NTSS)與秸稈覆蓋免耕(NTS)處理的MWD分別高6.7%、11.6%，以NTS的提高作用較大，比秸稈翻壓還田(TIS)高7.5%，但TIS與CT間無明顯差異。20～30 cm土層NTSS、NTS的土壤團聚體MWD比CT分別提高7.6%、8.1%，比TIS分別提高12.6%、13.2%。10～20 cm土層各處理MWD差異不顯著。

2.2 不同秸稈還田方式下土壤有機碳和全氮分布

2.2.1 有機碳與全氮分布 秸稈免耕還田具有提高耕層0～30 cm土層土壤有機碳(SOC)的作用(圖2(A))。與傳統不留茬翻耕處理CT相比，0～10 cm土層免耕秸別稈還田NTSS、NTS提高SOC分別為8.1%、13.3%，以NTS提高SOC幅度較大，比翻耕秸稈還田TIS高8.2%；10～20 cm土層，NTSS、NTS比CT分別高7.4%、11.4%，NTS比TIS高7.0%；20～30 cm土層，NTSS、NTS比CT分別高7.8%、12.8%，TIS比CT高5.1%，NTS比TIS高7.3%。

同樣，秸稈免耕還田具有提高耕層0～30 cm土層土壤全氮(TN)的作用(圖2(B))。0～10 cm土層，免耕秸稈還田NTSS、NTS與CT相比提高TN分別為14.6%、17.9%，TIS提高11.5%，以NTS提高TN幅度較大，比翻耕秸稈還田TIS高5.8%；10～20 cm土層，NTSS、NTS比CT分別高14.5%、17.9%，TIS比CT提高6.6%，NTS比TIS高10.6%；20～30 cm土層，NTSS、NTS比CT分別高16.2%、20.5%，TIS比CT高10.2%，NTS比TIS高9.3%。

表1 不同秸稈還田方式下不同深度農田土壤團聚體平均重量直徑/mm

注：數據后不同字母表示同一年度中不同處理在0.05水平下差異顯著，下同。

Note: Different letters indicate significant differences among the treatments atP=0.05 probability level， the same below..

2.2.2 不同直徑團聚體中的有機碳與全氮分布 秸稈還田可提高農田耕層0～30 cm各級別團聚體中有機碳和全氮含量，以免耕秸稈還田NTSS、NTS處理的土壤團聚體有機碳和全氮含量較高(表2)。在各土層中，有機碳和全氮含量在各級別團聚體中的分布呈(<0.25 mm)> (0.25～0.5 mm)>(0.5～1 mm)>(1～2 mm)>(≥2 mm)。各級別團聚體有機碳和全氮含量在土壤剖面中的分布隨土層的加深而降低。所有處理各土層各級別團聚體中均有NTS處理的有機碳及全氮含量高于CT。0～10 cm土層，<0.25 mm、0.25～0.5 mm、0.5～1 mm、1～2 mm、≥2 mm團聚體條件下，NTS處理的有機碳含量比CT分別高14.5%、12.6%、14.8%、12.7%、12.7%；10～20 cm土層NTS分別比CT高8.7%、8.6%、13.0%、14.4%、12.0%。20～30 cm土層分別比CT高11.2%、10.2%、12.9%、14.4%、14.9%。全氮含量在0～10 cm土層中各粒級團聚體NTS分別比CT高13.9%、14.1%、21.5%、21.0%、18.3%；10～20 cm土層中分別高21.4%、15.2%、18.5%、18.0%、18.1%。20～30 cm土層中分別高19.8%、16.9%、17.6%、27.4%、25.5%。

注：不同字母表示不同處理在P<0.05水平下差異顯著。Note: Different letters indicate significant differences among the treatments at P<0.05 probability level.圖2 不同秸稈還田方式下不同深度農田土壤有機碳(A)和全氮(B)含量Fig.2 Effects of various straw retention patterns on contentsof organic carbon (A) and total nitrogen (B)in different soil depths

表2不同秸稈還田方式下農田不同深度土壤團聚體有機碳和全氮分布

Table2Effectsofdifferentstrawretentionpatternsondistributionsoforganiccarbonand
totalnitrogeninsoilaggregatesindifferentsoildepths

土層/cmSoil layer處理Treatment有機碳 Organic carbon/(g·kg-1)≥2mm1～2 mm0.5～1 mm0.25～0.5 mm<0.25 mm全氮 Total nitrogen/(g·kg-1)≥2mm1～2mm0.5～1mm0.25～0.5mm<0.25mm0～10NTSS10.55ab10.86ab11.21a11.47ab11.75ab0.97a1.02a1.12ab1.15ab1.21aNTS11.16a11.34a11.84a11.96a12.22a0.99a1.03a1.15a1.20a1.25aTIS10.26bc10.39bc10.85ab11.14ab11.47ab0.95a1.00a1.06b1.12b1.18aCT9.75c10.07c10.31b10.67b10.84b0.87b0.90b0.95c0.99c1.06b10～20NTSS10.26ab10.52ab11.02ab11.23ab11.46a0.94a1.00a1.04ab1.10a1.14abNTS10.69a10.85a11.44a11.74a11.78a0.96a1.00a1.09a1.14a1.18aTIS10.03b10.18b10.54bc10.84bc11.20ab0.87b0.94a0.99b1.00b1.05bcCT9.84b9.99b10.12c10.26c10.52b0.79c0.87b0.92c0.97b1.00c20～30NTSS9.59ab9.86ab10.16ab10.53a10.94ab0.83ab0.89a0.96a1.00b1.14aNTS10.03a10.32a10.64a11.04a11.42a0.86a0.92a0.97a1.10a1.15aTIS9.00b9.69ab10.01ab10.43a10.66bc0.79b0.87a0.92a0.96b1.02bCT9.02b9.36b9.43b9.65b9.94c0.72c0.78b0.83b0.87c0.92c

2.3 不同秸稈還田方式下土壤團聚體有機碳、全氮貢獻率

2.3.1 有機碳 免耕秸稈還田可提高各土層各級別優勢團聚體(≥0.25 mm)的有機碳貢獻率，但降低微團聚體(<0.25 mm)的有機碳貢獻率(圖3)。各土層均表現為(<0.25 mm)>(0.25～0.5 mm)>(0.5～1 mm)>(1～2 mm)>(≥2 mm)。0～10 cm土層，秸稈免耕還田NTSS、NTS處理優勢團聚體有機碳的貢獻率與傳統不留茬翻耕CT相比分別高5.7%、14.0%，TIS比CT高7.5%，NTS比TIS高6.1%。10～20 cm土層，NTSS、NTS比CT分別高24.6%、26.4%，TIS比CT高7.5%，NTSS、NTS比TIS分別高15.1%、16.8%。20～30 cm 土層中，NTSS、NTS比CT分別高9.7%、17.8%，NTSS、NTS比TIS分別高15.5%、24.2%。即0～30 cm土層均表現出NTS提高土壤優勢團聚體有機碳含量的作用最大。

2.3.2 全氮 同樣，免耕秸稈還田可提高各土層各級別優勢團聚體(≥0.25 mm)的全氮貢獻率，但降低微團聚體(<0.25 mm)的全氮貢獻率(圖4)。0～10 cm土層，NTSS、NTS處理優勢團聚體全氮的貢獻率與CT相比分別高7.8%、16.5%，TIS比CT高8.5%，NTS比TIS高7.3%。與0～10 cm相似，10～20 cm土層，NTSS、NTS比CT分別高28.6%、29.1%，TIS比CT高13.4%，NTSS、NTS比TIS分別高13.4%、13.8%。20～30 cm 土層中，NTSS、NTS比CT分別高6.2%、17.2%，NTSS、NTS比TIS分別高10.8%、22.3%。即0～30 cm土層均有NTS提高土壤優勢團聚體全氮含量的作用最大。

3 討 論

分析不同級別土壤團聚體組成及其穩定性可反映土壤結構的變化[20]。長期定位試驗研究證實，免耕秸稈覆蓋有利于土壤團聚體的形成及增加土壤水穩性團聚體含量[5,21]，主要因為：一方面秸稈覆蓋配合免耕措施相對于傳統無秸稈還田深翻耕減少了機械作業對土壤結構的破壞[22]；另一方面秸稈覆蓋明顯改善了耕層土壤水分環境和肥力(有機質)狀況，促進了團聚體的形成[23]，與傳統無秸稈還田深耕相比，明顯提高土壤團聚體穩定性[24]，這一研究結果與本研究一致。這對促進綠洲灌區灌溉和降水的入滲有重要意義，進一步說明免耕結合秸稈覆蓋可改善耕層土壤結構，利于緩解耕層土壤質量退化。另外，本研究發現直徑≥0.25 mm的團聚體隨土層的增加而增加，<0.25 mm微團聚體隨土層增加而較少，這與黃土高原干旱溝壑區研究結果一致[14]。另有研究表明，免耕可提高水穩性團聚體平均重量直徑，且平均重量直徑隨土層增加而增加，以免耕結合秸稈覆蓋提升水穩性團聚體平均重量直徑的效果最好[5]。本研究得出相似結果，與傳統無秸稈還田深翻耕CT處理，3種秸稈還田處理均可不同程度地增加直徑≥0.25 mm團聚體平均重量直徑，其中NTS處理(25～30 cm高茬收割等量秸稈覆蓋免耕)效果最好，這是因為，第一，傳統深翻耕加劇了對耕層土壤結構的擾動，導致土壤團聚體結構重新分布，降低了土壤自身調節作用和恢復過程，從而破壞了土壤團粒結構的穩定性和連續性[25]；第二，小麥收獲后，傳統不留茬耕作處理土壤翻耕裸露，加之傳統深耕結合耙耱的精細耕作措施，導致土壤過度疏松，以致于降雨促進了土壤"結皮"的形成，削弱了土壤與外部環境的水、氣交換能力，嚴重影響了團粒結構的再形成[25-26]；第三，秸稈還田不僅可以緩解暴雨對耕層土體的沖擊力，還可增加土壤有機質，從而促進土壤≥0.25 mm團聚體的形成而增加其含量[23,25]。

圖3 不同秸稈還田方式下玉米農田不同深度土壤團聚體有機碳貢獻率Fig.3 Effects of different straw retention patterns on contributing rates of soil organic carbon in soil aggregates under maize field

圖4 不同秸稈還田方式下玉米農田不同深度土壤團聚體全氮貢獻率Fig.4 Effects of different straw retention patterns on contributing rates of total nitrogen in soil aggregates under maize field

免耕秸稈還田有利于提高土壤有機碳和全氮含量，并且在各土層中有機碳和全氮含量均顯著高于傳統翻耕處理，且以免耕秸稈覆蓋還田處理(NTS)提高土壤有機碳和全氮含量的優勢最明顯，其有機碳和全氮含量隨土層加深而減小，主要是源于作物秸稈等外源有機物大多集中于表層土壤所引起[25,27-28]。本研究得出相似的結果，與傳統不留茬處理相比，3種秸稈還田處理NTSS、NTS、TIS處理均可不同程度提高各級別團聚體中有機碳和全氮含量，以NTS 處理的含量最高；各級別團聚體有機碳和全氮含量均隨土層加深而減小，與土壤中有機碳和全氮含量變化規律一致。同時，團聚體中有機碳和全氮含量隨直徑減小而增加，這是因為直徑越小，粘結力越大，越利于復粒的形成，導致土壤團聚體中養分含量隨直徑減小而增加[19,25]，而微團聚體(<0.25 mm)有機碳含量高于優勢團聚體(>0.25 mm)，可能因為微團聚體中有機碳以穩定的惰性腐殖質碳為主，因其不斷積累而使總有機碳含量較高[29-30]。大團聚體中有機碳主要以易分解、礦化的活性有機碳形式存在[29-30]，因而含量較低。特別是傳統深翻耕加劇了耕作和降雨對耕層的擾動，促進了團聚體(尤其是大團聚體)的破壞，導致固持于大團聚體中的有機質暴露，加速了微生物對土壤有機碳、全氮的消耗，從而導致大團聚體中有機碳和全氮含量較低[25,29]。

土壤團聚體組成、穩定性與土壤養分關系密切，有機碳可促進團聚體的形成[29,31]，全氮對土壤團聚體的水穩性有很大促進作用[32]，土壤團聚體含量是引起團聚體養分貢獻率變化的主要因素[19,25]。本研究發現，3個土層中，>0.25 mm團聚體養分貢獻率隨著土層增加而降低，<0.25 mm微團聚體則相反。綜上所述，土壤團聚體對耕作措施的反應非常敏感，將秸稈還田與耕作措施配套應用于作物生產，土壤有機質將不斷積累，因此，今后研究進一步監測不同年份土壤團聚體及有機碳、全氮分布，將會更加系統地探討土壤團聚體中有機碳及全氮變化，為農業生產的可持續評價提供理論指導。

4 結 論

與傳統無秸稈還田翻耕處理相比，免耕秸稈還田(NTSS, NTS)提高了耕層0～30 cm土層≥0.25 mm 團聚體含量與水穩性，以25～30 cm高茬收割秸稈覆蓋免耕處理(NTS)提高效果最明顯。NTSS、NTS處理土壤有機碳和全氮含量均高于 CT 處理，在0～10、10～20、20～30 cm土層，有機碳含量分別提高8.1%與13.3%、7.4%與11.4%、7.8%與12.8%；全氮含量分別提高14.6%與17.9%、14.5%與17.9%、16.2%與20.5%，同樣，以NTS提高土壤有機碳及全氮比例較大。各直徑團聚體中有機碳和全氮含量均隨土層深度增加而減小，團聚體中有機碳和全氮含量隨直徑減小而增加，NTS處理在各土層各直徑下均保持較高的土壤有機碳及全氮含量。因此，前茬小麥25～30 cm秸稈覆蓋免耕還田是綠洲灌區增強土壤團聚體形成、提高土壤肥力的適宜栽培措施。