長期地表秸稈覆蓋對果園土壤理化性狀及有機碳積累的影響

胡燕芳 章明奎

摘要：為了解南方低丘果園地表長期覆蓋秸稈對土壤質量的影響，在浙江中部選擇立地條件與種植時間相同的2個相鄰柑橘園（分別為覆蓋秸稈種植6年的果園和常規種植的果園），采集0～10 cm、10～20 cm、20～ 30 cm的分層土樣，對土壤理化性質進行綜合分析，研討了長期地表秸稈覆蓋對柑橘園紅壤質量的影響。結果表明，地表長期覆蓋秸稈可顯著降低0～10 cm、10～20 cm土壤的容重，增加土壤的保水能力和水穩定性團聚體數量，明顯增加0～10 cm、10～20 cm土壤有機質的積累、活性有機質的數量和速效鉀及中微量元素的水平，增加土壤微生物數量和酶活性，同時可降低土壤的酸度和防止表土砂化。與對照相比，秸稈覆蓋土壤的輕組、粗顆粒、細顆粒有機碳對土壤總有機碳的貢獻均有明顯的增加。秸稈覆蓋對20～30 cm土層的影響較小。研究認為，柑橘園地表進行覆蓋秸稈具明顯的生態效應，可有效防止水土流失，改善園地土壤理化性質，增強園地土壤養分供應能力，可以作為低丘柑橘園的水保措施和培肥技術進行應用。

關鍵詞：低丘果園；秸稈覆蓋；土壤質量；有機碳積累；團聚體；酶活性

中圖分類號：S571.1，S38文獻標志碼：A論文編號：cjas20190400005

Long-term Straw Mulching： Effects on Soil Physical and Chemical Properties and Organic Carbon Accumulation in Orchards

Hu Yanfang1， Zhang Mingkui2

（1Kecheng District Soil-Fertilizer and Rural Energy Technology Extension Station of Quzhou City， Quzhou 324000， Zhejiang， China；2College of Environmental and Resource Sciences， Zhejiang University， Hangzhou 310058， Zhejiang， China）

Abstract： To understand the effects of long-term straw mulching on soil quality in low hilly orchards in southern China， 2 adjacent orchards with the same site condition and planting time were selected in central Zhejiang （orchard with straw mulching for 6 years and orchard with conventional planting， respectively）. We collected soil samples of 0-10 cm， 10-20 cm and 20-30 cm from the two orchards， and comprehensively analyzed the physical and chemical properties of soil samples， and discussed the effects of long-term straw mulching on the soil quality. The results showed that： long-term straw mulching could significantly reduce the soil bulk density of 0-10 cm and 10-20 cm， and increase the soil water-holding capacity and the water-stable aggregates’content； could significantly increase the accumulation of organic matter， the amount of active organic matter， available potassium and medium and trace elements， as well as the number of soil microorganisms and enzyme activities； meanwhile， long-term straw mulching could reduce the soil acidity and prevent the sanding of topsoil； compared with the control， the contribution of light， coarse and fine particulate organic carbon to total organic carbon in soil with straw mulching increased significantly； the straw mulching had little influence on 20-30 cm soil layer. In conclusion， the straw mulching has obvious ecological effects on citrus orchards， which can effectively prevent soil erosion， improve the physical and chemical properties of soil， and enhance the nutrient supply capacity of soil. It can be used as a water conservation measure to improve the soil fertility in low hilly citrus orchards.

Keywords： Low Hilly Orchard； Straw Mulching； Soil Quality； Organic Carbon Accumulation； Aggregate； Enzyme Activity

0引言

農地（包括果園）地表覆蓋在中國已有悠久的應用歷史，主要是為了穩溫保墑、免耕滅草，同時控制與降低水土流失。根據覆蓋材料的不同，農地可采用地膜、園藝地布、生草和秸稈等覆蓋[1-3]，從生物、經濟以及環境等因素考慮，不同覆蓋形式各有其優缺點。地膜覆蓋透光率高、質輕耐久、能增溫保水、增產早熟，但其通透性差、容易被風撕裂，并且因難以自然降解，容易造成環境污染[4-5]。園藝地布覆蓋透氣、透水、穩固性好，具有一次鋪設多年受益，能較好控制雜草、保濕、防止水土流失及提高土壤養分利用等優點[3]，但這一方法需較高的投資。生草覆蓋可實現適地適草，改善生態環境[6]，提高土壤肥力水平，但種草易爭肥爭水、感染病蟲。秸稈覆蓋利用農業副產品——秸稈進行覆蓋，資源豐富，具有培肥土壤、防止水土流失和促進作物增產的優點，并具有適用性廣的特點，在各地均可應用[7-10]。

近年來的研究表明，農地秸稈覆蓋可改善土壤質量，覆蓋的秸稈物質在土壤微生物的作用下，可逐漸轉變為腐殖質、補充土壤有機質，改良土壤結構、保證作物生長的養分供應；促使土壤疏松、增加土壤通氣性，改善作物根系的生長環境[11-14]。據研究，農地秸稈覆蓋后，春季土溫上升緩慢，有利于避免倒春寒引起的危害；而夏季土溫比不覆蓋的低，可防止高溫對作物的危害；秋季土溫下降較為緩慢，有利于作物的生長；冬季土溫比不覆蓋的高，有利于某些作物的安全越冬。在干旱地區，農地秸稈覆蓋明顯減少了土壤水分蒸發，可實施免耕作業，有效減少灌溉次數，降低生產費用[2]；而合適的土壤墑情可延長根系活動時間，促進作物生長。覆蓋秸稈物質分解產生的礦質元素可積累在表土[15-18]，可增加土壤中的速效養分，有利于提高微量元素的水平。

紅壤是中國重要的土壤資源，因地處熱帶、亞熱帶地區，熱量豐富，為作物高產提供了潛在的光能。但因紅壤具高度風化的特點，強酸、低礦質養分和有機質分解迅速及季節性干旱是限制作物高產的主要限制因素[19-21]。除某些地勢低平、水資源豐富的區域可通過改為水田達到高產穩產外，多數紅壤因坡度較大，主要以種植水果和旱地作物為主，且存在缺乏水、肥、氣、熱協調和明顯的水土流失問題?，F代果園經營是一項目綜合應用農業、生態、管理的生產實踐活動，要求采取減少地表蒸發、減免水土流失和不斷提高地力、實現優質高產的農藝措施。因此，如何減弱果園紅壤的水土流失，維護和提高土壤質量，是現代果園管理的重要內容。

近年來，中國南方紅壤地區有不少果園采用秸稈覆蓋，已取得了明顯的生態效益，但有關在果園紅壤采用秸稈覆蓋對土壤質量的長期影響尚缺乏全面評估，有關秸稈覆蓋對土壤有機質積累及有機質在土壤團聚體中的分布也知之甚少。為此，本研究在浙江中部選擇立地條件與果樹種植時間相同的2個相鄰果園（分別為覆蓋秸稈種植6年的果園和常規種植的果園），采集0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm的分層土樣，通過對土壤理化性質的詳細分析，研討了長期地表秸稈覆蓋對果園紅壤質量及有機質積累的影響，目的是為科學管理果園提供依據。

1調查區基本情況與方法

1.1調查區基本情況

調查區位于浙江中部衢州市，屬亞熱帶季風氣候區，具有四季分明、冬夏長春秋短、光溫充足、降雨豐沛而季節分配不均的地帶性特征。常年平均氣溫在16.3～17.3℃，無霜期251～261天，多年平均年降水量為1843 mm。地形為低丘，海拔在50 m左右。

基于田間調查，于2017年選擇了立地條件、種植時間及施肥管理相同的2片相鄰柑橘園進行采樣。該2片柑橘園由同一農戶經營，土壤類型為第四紀紅土母質發育的黃筋泥（屬紅壤土類紅壤亞類），種植柑橘11年，地表坡度在5—10°之間。其中一片果園已持續6年采用秸稈覆蓋種植，秸稈于每年12月至次年1月覆蓋至地表，覆蓋量以不露土厚度5 cm為標準。在第2年再次覆蓋新的秸稈前結合施肥通過翻耕把前一年的秸稈翻壓入土下；不進行秸稈覆蓋一片果園也在同期作同樣的翻耕。該2片果園除其中一片覆蓋秸稈外，其他管理措施完全相同。

1.2土樣的采集

在2片果園中各選擇3個地塊，分別采集0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm的分層土樣，每地塊分層土樣各由同一采樣地塊的5個分點的相同層次的土樣混合而成，即每一類果園各采集3個重復樣用于分析。土樣于2017年11月秸稈翻壓和施肥前采集。為便于文中討論，以下分別稱秸稈覆蓋果園和不進行秸稈覆蓋果園為“覆蓋”和“對照”。采集的土壤樣品根據測定項目進行必要的預處理，用于各類土壤性狀的分析。

1.3分析方法

1.3.1土壤肥力指標的測定土壤肥力指標包括容重、pH、交換性酸、陽離子交換量（CEC）、全氮、全磷、有效磷、速效鉀、NH4-N、NO3-N、有效鈣、有效鎂及有效鐵、錳、銅、鋅、鉬、硅，采用常規方法測定[22]。其中，土壤有效磷采用0.5 mol/L NaHCO3提取；NH4-N、NO3-N采用2 mol/L KCl提取，用納氏試劑比色法和紫外分光光度法測定；土壤有效硅采用乙酸緩沖液浸提，硅鉬藍比色法測定；有效鈣和有效鎂采用乙酸銨提取，原子吸收法測定；土壤有效銅、鋅、鐵、錳采用DTPA提取，原子吸收法測定；土壤有效鉬用草酸-草酸銨提取，極譜法測定。土壤團聚體采用濕篩法分離測定。 1.3.2土壤有機質及其分布測定土壤有機質的分布采用濕篩法粒級分組與密度分離相結合的方法進行分析。濕篩法獲得的不同粒徑（>5 mm， 5～2 mm， 2～ 0.25 mm， 0.25～0.053 mm，<0.053 mm）水穩性團聚體烘干稱重后，磨細過0.15 mm篩，采用重鉻酸鉀—濃硫酸外加熱法測定其有機碳含量。另分別稱取5.00g烘干后大團聚體（>0.25 mm）和微團聚體（0.25～0.053 mm）的樣品進行密度分組[23]，用密度為1.85 g/cm3NaI溶液分離得到游離態輕組（fLF）和重組（HF）；向剩余重組中加入0.5%（w/v）六偏磷酸鈉（HMP）溶液，振蕩18h，依次通過0.25 mm和0.053 mm的篩子，分別得到粗顆粒有機碳（cPOC；>0.25mm）、細顆粒有機碳（fPOC；0.25～ 0.053 mm）和礦物結合態有機碳（mSOC；<0.053 mm），各組分在40℃下烘干、稱重，測定有機碳含量，并計算各有機碳組分質量在土壤中的相對含量。土壤及其各組分有機碳含量采用元素分析儀測定。土壤水溶性有機碳用0.5 mol/L K2SO4溶液浸提，用Shimadzu TOC自動分析儀測定。土壤中易氧化碳采用袁可能法測定[24]。提取液中可溶性總碳的含量用Shimadzu TOC自動分析儀測定。各粒級團聚體有機碳對土壤有機碳的貢獻率采用式（1）計算。

1.3.3土壤微生物和酶活性土壤三大類微生物組成用培養法測定，分別用牛肉膏蛋白胨培養基、高氏1號合成培養基和察貝克培養基作為細菌、放線菌、真菌的培養基質[25]。土壤蔗糖轉化酶、磷酸酶、脲酶、過氧化氫酶及脫氫酶采用常規方法測定[25]，其中，蔗糖轉化酶用3，5-二硝基水楊酸比色法測定，磷酸酶用磷酸苯二鈉比色法測定，脲酶用奈氏比色法測定，過氧化氫酶用滴定法測定，脫氫酶用氯化三苯基四氮唑（TTC）法測定。

2結果與分析

2.1土壤容重、水穩定性團聚體和含水率

表1結果表明，與對照比較，覆蓋可明顯降低0～ 10 cm和10～20 cm土層的容重，但對20～30 cm土層的容重影響不明顯。長期秸稈覆蓋后，0～10 cm和10～ 20 cm土層的容重分別比對照下降8.06%和5.88%。覆蓋果園0～10 cm土層的粘粒含量明顯高于對照，前者比后者高19.16%；但覆蓋對10～20 cm和20～30 cm土層的粘粒含量影響不明顯，表明覆蓋可明顯降低粘粒的流失。覆蓋有利于土壤水分的保持，在采樣時測定的土壤含水量結果表明，覆蓋區0～10 cm和10～20 cm土層的含水量明顯高于對照，前者分別比后者高22.67%和15.46%；但覆蓋對20-30 cm土層的含水量影響較小，僅比對照高7.21%。

覆蓋可促進土壤水穩定性團聚體的形成（見表2），增加了大粒徑的水穩定性團聚體的比例，降低小粒徑水穩定性團聚體的含量。覆蓋區0～10 cm和10～ 20 cm土層的>0.25 mm水穩定性團聚體含量分別比對照增加了7.32%和6.49%，但覆蓋對20～30 cm土層的水穩定性團聚體影響不明顯。

2.2土壤酸度、CEC和土壤肥力狀況

覆蓋區0～10 cm和10～20 cm土層土壤pH值高于對照（表1），前者比后者分別提高0.19和0.08單位，但覆蓋區20～30 cm土層土壤的pH值與對照無明顯的差異。相對應的土壤交換性酸也是覆蓋區低于對照，但3個土層中只有0～10 cm土層的交換性酸在覆蓋區與對照區達到顯著差異。長期秸稈覆蓋后，0～10 cm和10～20 cm土層土壤CEC有一定的提高（表1），覆蓋土壤比對照分別高出16.01%和9.41%。

由表3可知，覆蓋對土壤全磷影響不明顯，但明顯提高了0～10 cm土層土壤全氮、有效磷、速效鉀、NH4-N和NO3-N的含量，分別比對照增加14.45%、22.75%、32.48%、52.14%和66.57%；但覆蓋對10～20 cm和20～ 30 cm土層全氮、有效磷、速效鉀、NH4-N和NO3-N的含量均沒有明顯的影響。由表4可知，除有效錳外，覆蓋可明顯增加土壤中有效態中量和微量元素的含量，其中覆蓋與對照之間0～10 cm土層土壤有效態中量和微量元素的含量差異達到了顯著的水平，10～20 cm土層土壤有效鈣、有效硅、有效鋅和有效鉬含量的差異也達到顯著的水平。

2.3土壤酶活性

覆蓋明顯增加了土壤中可培養的3類微生物的數量（見表5），其中對0～10 cm土層土壤細菌、放線菌的影響達到顯著的水平。表5結果還表明，覆蓋提高了0～10 cm和10～20 cm土層土壤中脲酶、蔗糖轉化酶、過氧化氫酶、磷酸酶和脫氫酶活性，在0～10 cm土層中的5類酶活性的提高量達到顯著水平。

2.4土壤有機碳的積累及其在團聚體中的分配

由表6可知，秸稈覆蓋可明顯提高土壤有機碳總量、易氧化有機碳、微生物生物量碳和水溶性有機碳含量。覆蓋區0～10 cm土層土壤有機碳含量明顯高于對照，前者比后者有機碳含量提高23.04%。覆蓋區10～ 20 cm和20～30 cm土層土壤有機碳含量分別比對照增加14.76%和1.93%，但兩者的差異不明顯。覆蓋區0～ 10 cm和10～20 cm土層土壤易氧化有機碳、微生物生物量碳和水溶性有機碳含量明顯高于對照，分別比對照高出29.40%、35.23%、66.67%和27.96%、64.41%、64.71%，對活性有機碳組分（易氧化碳、微生物生物量碳和水溶性碳）的影響大于對有機碳總量的影響，這顯然與秸稈覆蓋增加了進入土壤有機物質數量有關。

表7為根據團聚體組成與有機質含量計算的各團聚體有機碳積累對土壤有機質的貢獻，不同粒徑水穩定性團聚體對土壤有機碳貢獻率有較大的差異，隨粒徑的下降而下降。但不同土壤團聚體中有機碳貢獻率具有相似的規律，均表現為>5 mm最高，其次為5～ 2 mm和2～0.25 mm，0.25～0.053 mm和<0.053 mm的有機碳貢獻率最低。秸稈覆蓋明顯增加了0～10 cm和10～20 cm土層土壤中>5 mm有機碳的貢獻率，相應地2～0.25 mm、0.25～0.053 mm和<0.053 mm各粒徑的團聚體對土壤有機碳的貢獻率呈現下降的趨勢。與對照比較，覆蓋的0～10 cm和10～20 cm土層土壤的>5 mm水穩定性團聚體對土壤有機碳的貢獻率分別增加了28.25%和15.82%，而0～10 cm土層土壤的5～ 2 mm、2～0.25 mm、0.25～0.053 mm和<0.053 mm的有機碳貢獻率分別比對照下降30.63%、27.34%、17.79%和30.04%。

表8可知，在大團聚體（>0.25 mm）內，各有機碳組分的相對含量以礦物結合態有機碳（mSOC）為主，細顆粒有機碳（fPOC）次之，粗顆粒有機碳（cPOC）和輕組（fLF）的含量最低。與對照相比，覆蓋的0～10 cm和10～20 cm土層土壤的輕組、粗顆粒、細顆粒有機碳對土壤總有機碳均有明顯的增加，分別增加142.72%、57.26%、47.29%和84.49%、148.31%、31.70%，相應地秸稈覆蓋的土壤中礦物結合態有機碳的貢獻率有所下降。在小團聚體（0.25～0.053 mm）內，各有機碳組分的相對含量也以礦物結合態有機碳（mSOC）為主，細顆粒有機碳（fPOC）次之，輕組（fLF）的含量很低。與對照相比，覆蓋的0～10 cm和10～20 cm土層土壤的輕組、細顆粒有機碳對土壤總有機碳的貢獻也略有增加，分別增加150.00%、12.28%和50.00%、17.57%，但從絕對量來看，增加較小。同樣，覆蓋的0～10 cm和10～20 cm土層的土壤中礦物結合態有機碳的貢獻率有所下降。這表明秸稈覆蓋增加的土壤有機碳主要以活性較高的組分中存在，穩定性較低。

3討論

果園秸稈覆蓋是近年來推行的一種生態高效栽培模式[26-28]。由于在地表覆蓋了秸稈，改變了土壤與周圍環境之間的能量和物質交換方式。以上分析結果表明，果園秸稈覆蓋可以顯著提高土壤有機碳的積累，增加土壤活性有機質含量，提高土壤微生物和酶活性，并明顯增加土壤全氮積累及速效磷、速效鉀水平，增加程度隨深度而下降。土壤有機碳與酶活性的增加顯然與秸稈覆蓋引入的有機物質有關，覆蓋于地表的秸稈隨著時間的增加可逐漸分解，部分轉變為腐殖質從而增加了土壤有機碳；同時，有機物質的分解也促進了微生物的繁殖，從而提高了土壤微生物生物量和各類微生物的數量。朱慶松等[29]的研究表明，覆蓋秸稈可使病蟲害大發生幾率變小。而土壤有機碳的增加在一定程度上促進了土壤團粒結構的形成，降低了土壤容重，有利于土壤水分的滲透，增強了土壤的保水性能；同時，秸稈覆蓋避免了土壤與大氣直接接觸，減弱了太陽光對土壤的直接輻射，顯著降低土壤水分的蒸發速度，因此提高了土壤水分的積累。有研究表明[30]，由于地表覆蓋物具有保水、蓄水作用，其可保持土壤長期含水量較高，空氣濕度也會比裸露地高。有關地表覆蓋增加腐殖質積累，改善土壤結構、提高水肥條件、增加抗旱保墑能力也被其他的研究所證實[31-34]。因水稻秸稈含有多種微量元素，因此，隨著秸稈的分解，其中的各類中微量元素也逐漸釋放，這是長期秸稈覆蓋能明顯增加表土有效態中微量元素水平的重要原因。吳玉瓊的研究也認為[31]，覆蓋秸稈有助于多種元素有效性的提高。另外，本研究的結果也表明，秸稈覆蓋還可減緩土壤酸化，其原因可能有二個方面：一是秸稈中含有鹽基物質，分解產生的鹽基可中和土壤酸度；另一方面，秸稈分解產生的腐殖質對土壤酸化有一定的緩沖作用，可減弱土壤的進一步酸化。

采用濕篩法粒級分組與密度分離相結合的方法對各團聚體中有機碳分析表明，秸稈覆蓋改善了大團聚體的質量比例，增加的土壤有機質主要集中分布在大粒徑的團聚體中，明顯提高輕組（fLF）、粗顆粒有機碳（cPOC）和細顆粒有機碳（fPOC）含量，這一結果也被秸稈覆蓋增加可氧化的有機碳水平所證實。大團聚體的增加與覆蓋秸稈分解產生的大量的多糖代謝物及腐殖物質[35]，后者可加速大團聚體的形成，最終導致大團聚體含量的增加，提高團聚體的穩定性[36]。隨著秸稈分解殘體進入土壤，土壤中的真菌和其他微生物首先利用易降解的有機碳，粗顆粒有機質（>0.25 mm）與微生物代謝產生的粘液等物質及黏土顆粒包裹在一起形成大團聚體；粗顆粒有機質進一步分解成細顆粒有機質（0.25～0.053 mm），細顆粒有機質與礦質顆粒緊密結合在大團聚體內部形成微團聚體[23]。因此，長期秸稈覆蓋首先促進了土壤大團聚體的形成，而大團聚體中有機碳主要來源于新鮮的植物殘體，所以本研究中大團聚體具有較高的有機碳含量。Li等[37]的研究也表明，秸稈開始分解過程中有機碳主要積累在大團聚體中，隨著時間的推移，大團聚體中的碳不斷減少，微團聚體中的碳不斷增加。有研究顯示，秸稈還田后團聚體內超過50%的細顆粒有機碳來自秸稈殘留物，粗顆粒有機碳則隨著還田時間的增加而減少[37]。因此可知，柑橘園秸稈覆蓋可加速土壤有機碳的周轉速率，隨著時間的增加，有機碳逐漸由輕組、粗顆粒有機碳和細顆粒有機碳向礦物結合態有機碳轉變，最終成為較為穩定的組分，使土壤有機碳的不斷積累。

4結論

結果表明，低丘柑橘園覆蓋農作物秸稈可以顯著改善土壤質量，明顯增加0～20 cm土壤有機質的積累，提高活性有機質含量、土壤微生物和酶活性，增加土壤有效態大量、中量和微量元素狀況，增加土壤中水穩定性團聚體的含量，降低土壤容重，增加土壤含水量，避免因水土流失引起的土壤砂化。研究認為，柑橘園地表進行覆蓋秸稈具良好的綜合效應，可以作為低丘柑橘園的水保措施，改善園地土壤理化性質，增強園地土壤養分供應能力。

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