草甸黑土團聚體穩定性對耕作與炭基肥施用的響應

張 迪，姜佰文，梁世鵬，呂思琪，許欣桐

草甸黑土團聚體穩定性對耕作與炭基肥施用的響應

張 迪，姜佰文※，梁世鵬，呂思琪，許欣桐

（東北農業大學資源與環境學院，哈爾濱 150030）

為了闡明東北草甸黑土典型區域短期耕作深度及炭基肥料施入對土壤團聚體穩定性影響，2016－2018年連續3 a翻耕秸稈全量還田玉米地上，設置深耕（DCF）與旋耕(SCF)，配施有機肥(M)和生物炭(C)，共6個處理：DCF、DCF+M、DCF+B、SCF、SCF+M、SCF+B。利用干濕篩法獲得土壤團聚體6個粒級組，分析了平均重量直徑（mean weight diameter，MWD）、水穩性團聚體比例（water-stable aggregate，WSA）、團聚體破壞度（percentage of aggregate destruction，PAD）、水穩性團聚體幾何直徑（geometric mean diameter，GMD）以及土壤團聚體有機碳組成和游離結晶態鐵鋁氧化物（FeDCB和AlDCB）、無定性態鐵鋁氧化物（Feoxa和Aloxa）。結果表明，耕作方式和施肥顯著影響土壤團聚體組成，影響程度表現為旋耕＞深耕，增施有機肥＞常規施肥＞增施生物炭。不同形態鐵鋁氧化物質量分數在0.10～2.45 g/kg之間，游離結晶態鐵鋁氧化物含量顯著高于無定形態鐵鋁氧化物含量。除FeDCB外，DCF處理鐵鋁氧化物含量均高于DCF+B處理，SCF處理Aloxa含量顯著高于SCF+M、SCF+B處理19.35%和12.12%；Feoxa和Aloxa與>0.25 mm團聚體、WSA相關性大于其他影響因素，Feoxa對變異解釋貢獻率為61.3%。土壤有機碳含量與<0.25 mm團聚體負相關，而與>0.25 mm團聚體成正相關，其貢獻率為33.0%。AlDCB、Aloxa及>0.25 mm團聚體的形成呈正相關關系，二者總貢獻率為9.3%；鐵鋁氧化物及有機碳改變共同解釋74.9%土壤團聚體穩定性和粒級分布，鐵鋁氧化物單獨貢獻率為7.9%，有機碳組分單獨貢獻率為9.2%；綜上所述，短期耕作與炭基肥料施入對土壤結構穩定性影響顯著，SCF+M是比較理想的耕作模式，在草甸黑土改良中具有一定應用價值。

肥料；土壤；有機質；耕作；土壤團聚體；穩定性；鐵鋁氧化物

0 引 言

草甸黑土表土疏松、底土黏重以及近年來人為集約化不合理耕作導致種植結構單一導致土壤微生物多樣性下降、水土流失加劇、土壤有機質下降、黑土耕層變薄、土壤養分庫容偏低、土壤酸化現象日趨嚴重。因此改良東北草甸黑土結構提升其可持續利用性是我們當前急需解決的問題。土壤團聚體形成與動態變化及團聚體穩定性等是土壤結構研究的主要內容[1]。作為土壤結構的基本單元，土壤團聚體穩定性與土壤理化性質以及生物學性質息息相關，團聚體含量與其粒級分布不僅能夠影響作物生長發育和最終產量，而且還對土壤結構改良和農業可持續利用等方面有著重要影響[2-3]。耕作與施肥是改善土壤結構的2個重要方式。近年來，也有許多關于耕作與施肥方式對土壤團聚體以及土壤結構影響的研究。田慎重等[4]基于9 a旋耕-深松定位試驗研究表明長期耕作轉變為旋耕-深松秸稈還田顯著提高土壤表層大團聚體比例，顯著提高土壤團聚體穩定性。Abid等[5]探究了免耕、傳統耕作對土壤緊實度和土壤團聚體穩定性的影響，結果表明，深耕減小了土壤的緊實度，增加了土壤微團聚體形成，促進了土壤碳氮的累積。Yilmaz等[6]研究認為，施用有機肥顯著增加了土壤的團聚化作用，可在一定程度上抵消耕作對團聚體的破壞作用，減緩團聚體的周轉。因此，減少耕作及施用有機肥等可以提高農田土壤團聚體的穩定性已被一些試驗證實[7-9]；此外，相關研究也表明，增施生物炭可增加黑土和黃壤有機碳含量及土壤大團聚體比例及平均重量直徑[10-12]。Sun等[13]研究表明增施生物碳可增加黏土土壤團聚體穩定性并增加土壤孔隙度。李叢蕾等[14]研究表明，施用生物質炭與過氧化鈣能有效改善旱地紅壤團聚體穩定性及提高有機碳含量，且配施效果優于單施。目前國內外對土壤團聚體研究主要針對單一施肥水平、施肥措施、不同耕作模式和不同耕作年限土壤，分析其各粒級組分含量以及土壤有機質組分對土壤團聚體轉化以及穩定性的影響[15-19]，然而針對不同耕作方式以及炭基肥料施入的交互作用對東北草甸黑土區土壤團聚體穩定機制影響相關研究仍較少。針對這一問題，本文探討了東北草甸黑土典型區域耕作深度及炭基肥料交互作用對土壤團聚體穩定性的影響。確定科學合理耕作及施肥方式，以期為東北黑土區草甸黑土保護持續利用提供科學依據。

1 材料和方法

1.1 試驗地點與材料

試驗始于2016年10月，地點為黑龍江省綏化市北林區太平川鎮團結村，地理坐標126°47￠E，46°35￠N，海拔158 m。中溫帶大陸性季風氣候，年平均氣溫1.3～4.0 ℃，年平均降雨量483 mm，60%降水集中在7－8月，平均活動積溫2 400～2 700 ℃，無霜期40～120 d，供試玉米品種為鑫鑫1號，供試土壤類型為草甸黑土。供試肥料：尿素（N：46%），磷酸二銨（N：18%，P2O5：46%），氯化鉀（K2O：60%），牛糞腐熟有機肥（風干基，N 1.56%，P 0.38%，K 0.90%），生物炭以玉米秸稈作為原料，使用生物炭爐經400～600 ℃炭化（粒度：2.0～4.8 mm，質量分數67.03 g/kg，pH值 9.83），施肥量如表1所示。土壤測定基本理化性質：堿解氮167.67 mg/kg，速效磷35.19 mg/kg，速效鉀145.67 mg/kg，有機質32.10 g/kg，pH值5.90。

1.2 試驗設計與樣品采集

試驗設計：裂區試驗，主處理：深耕（DCF）與旋耕（SCF），副處理：有機肥（M）和生物炭（C）。秸稈全量還田，2個因素相互組合共設6個處理（如表1所示）：深耕化肥（DCF）、深耕化肥增施有機肥（DCF+M）、深耕化肥增施生物炭（DCF+B）、旋耕化肥（SCF）、旋耕化肥增施有機肥（SCF+M）、旋耕化肥增施生物炭（SCF+B）。試驗始于2016年10月，收獲后整地施生物炭和有機肥。次年機械起壟播種施肥。具體耕作與施入作業如下所述：

旋耕處理：10月5日機械收割機收獲玉米同時將玉米秸稈粉碎，10月20日利用小型拋肥機進行有機肥和生物炭的拋灑。由于生物炭質輕，易飛散，特取一定量土壤表層土（0～20 cm）與生物炭體積比1:1進行混合后利用拋肥機進行拋灑。10月22日利用意大利馬斯琪奧滅茬整地機進行旋耕整地（耕作深度10～15 cm），次年機械春耕起壟小型播種施肥機一次性播種施肥，6～8葉期小追肥機1次追肥，10月玉米機械收獲。其他水分及田間管理同當地常規管理。

深耕處理：秋季整地利用德國雷肯五鏵翻轉犁進行深耕（耕作深度25～30 cm），其他施肥及整地時間及方式與旋耕處理相同。其他水分及田間管理同當地常規管理。

每個處理從0到20 cm的耕層表面隨機取樣。將所有樣品運到實驗室，陰干過程中，將它們沿著天然裂紋手工破碎成小塊，避免受到機械壓力而破碎。去除根茬和小石子后備用。

表1 試驗施肥方案以及耕作方式

1.3 土壤團聚體分析方法

非水穩性團聚體采用干篩法獲得，將風干原狀土分多次置于孔徑依次為5、2、1、0.5、0.25 mm的套篩頂部，加蓋、搖動套篩，收集各孔徑篩子上的團聚體，稱質量備用并計算各粒級非水穩定性團聚體含量。

水穩性團聚體采用濕篩法獲得，濕篩是根據干篩法求得的各級團聚體百分含量，把風干樣品按各粒級比例配比混合成50 g土樣，置于依次疊好孔徑為5、2、1、0.5、0.25、0.106 mm的套篩上。將篩組置于團粒分析儀的震蕩架上，沿桶壁緩慢加入去離子水至水沒過土樣，浸泡、濕潤5 min，以3 cm振幅、25～30次/min的頻率豎直震蕩10 min，（震蕩過程中篩組上緣部分不得超出水面），將套篩從水中緩慢取出，靜置，稍干，將各級篩層團聚體用去離子水分別洗入100 mL（或200 mL）燒杯中，60 ℃烘干48 h至恒質量，稱取各個粒徑的質量（精確至0.01 g），從而獲得＞5、2～5、1～2、0.5～1、0.25～0.5、0.106～0.25 mm 6個級別的土壤團聚體。

土壤團聚體相關指標計算如下：

平均重量直徑（MWD）

水穩性團聚體（WSA）百分比