秸稈還田方式對鹽堿土壤微觀結構和理化性質的影響

張曼玉，楊海昌，張鳳華，羅艷琴，于善超，孫 靜，曹 政

（石河子大學新疆生產建設兵團綠洲生態農業重點實驗室，新疆石河子 832003）

0 引 言

新疆地區水資源匱乏、鹽堿程度大，鹽堿地面積已達9 910 萬hm2，占全國鹽堿土總面積的1/3，是我國鹽堿地面積較大、鹽堿類型最多的地區之一[1]。鹽堿地的治理在新疆地區是一個長久措施，有利于新疆農業耕地的可持續發展[2]。

在治理鹽堿土的科學研究中，作物秸稈易獲取、低成本，并且可以改善土壤內部環境，緩解鹽脅迫對作物的影響[3]。因此，秸稈作為改良鹽堿土的潛在材料受到越來越多的關注。不同秸稈還田方式不同降鹽效果存在差異。李磊[4]等研究指出，秸稈還田量為0.6、1.2 萬kg/hm2時，土壤容重、含鹽量、pH 值、土壤水穩性團聚體、土壤緊實度以及酶活性均存在較大的差異，當還田1.2 萬kg/hm2時，抑鹽效果及產量效果較突出。在還田量相同的條件下，張金珠[5]等對秸稈表層覆蓋和30 cm 深層覆蓋進行研究，結果發現秸稈表層覆蓋利于耕層土壤根系生長，而深層覆蓋更利于30 cm 以下土層作物根系的發育。王學成[6]等在以上研究的基礎上，對秸稈10、20、30 cm覆蓋深度還田時進行研究，得到秸稈覆蓋深度為30 cm 的還田方式，更有利于土壤耕層脫鹽，促進作物生長。相比秸稈覆蓋還田，秸稈翻壓還田與土壤接觸面積更大，分解更快，但對于秸稈覆蓋與秸稈翻壓還田對鹽堿土的改良差異需要進一步研究。上述研究多為秸稈還田對鹽堿土的理化性質的影響，較少涉及土壤微觀結構方面。土壤微觀結構變化可為鹽堿土的修復和開發提供參考。袁莉民[7]等在對土壤團聚體微觀結構進行研究時，發現土壤蜂窩狀結構、菌絲體的增多，可以改善土壤的保水性能。前人研究[8,9]表明，鹽堿土的改良措施影響其土壤微觀結構，可以更有效阻止深層土壤鹽分向上移動，改變土壤中水分的移動通道，增強土壤蓄水能力。因此，本研究采用棉花秸稈和油菜秸稈分別進行覆蓋和翻壓還田，比較了覆蓋和翻壓還田兩種還田方式對土壤理化性質的影響，并結合掃描電鏡試驗，分析秸稈不同還田方式對鹽堿土微觀結構的影響，為新疆秸稈還田技術提供理論依據與技術支撐，為秸稈還田提供微觀尺度上的認識。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

本研究區位于新疆石河子市北泉鎮（44°95′E，85°99′N）。該地區屬于溫帶大陸性氣候，氣候干燥，年平均氣溫為25.6 ℃，年均降雨量為192.3 mm。日照充足，年日照時數為2 721～2 818 h，平均高溫天氣出現在7-8月。

依據土壤鹽漬化分級標準[5]，研究區土壤為鹽土，土壤含水量為16.11%，土壤為石灰性土壤，土壤鹽分呈現表聚型。試驗區0～20 cm土層基礎理化性質見表1。

表1 土壤基礎性質Tab.1 Basic properties of soil

1.2 試驗設計及方法

1.2.1 試驗設計

新疆農作物種類繁多，其中包括棉花、玉米、小麥、油菜和水稻等。本研究通過田間試驗，選取2種秸稈分別進行秸稈覆蓋和翻壓還田處理。試驗共設5個處理，分別為棉花秸稈覆蓋還田（F1）、油菜秸稈覆蓋還田（F2）、棉花秸稈翻壓還田（H1）、油菜秸稈翻壓還田（H2）、不還田處理（CK）。小區田間布置采取完全隨機區組設計，每個處理設置3 個重復，共15 個小區，小區面積均為30 m2，小區之間留有50 cm 作為保護行。

本研究于2020年10月8日進行秸稈還田，秸稈翻壓還田深度為0～20 cm，秸稈覆蓋還田將秸稈平鋪土壤表面。其中H1 處理和F1 處理均還田22 kg，H2 處理和F2 處理均還田30 kg。于次年3月份開始采樣，每隔15 d進行一次采樣，共取樣5次，采樣深度為0～20 cm。

1.2.2 試驗方法

土壤電導率：土水比1∶5震蕩，利用BEC-6500電導率儀測定；土壤含水量采用烘干法；土壤孔隙幾何形狀：場發射掃描電子顯微鏡；土壤團聚體采用干篩法；土壤有機質：重鉻酸鉀-滴定法[10]。

電鏡的供試土樣的制備如下[9]：去除土壤中水分，將干燥好的土樣斷開，舍去表面多余的顆粒，選取較平整的斷面為檢測面；用導電膠粘至工作臺，并用離子濺射鍍膜儀對土樣進行鍍金；放入樣品室進行檢測。電鏡掃描倍數選擇500倍和5 000倍。

土壤團聚體測定：將采回的原狀土沿著自然結構面輕輕用手掰成直徑約為1 cm 的小土塊，去除植物殘體過5 mm 篩，風干備用。取300 g 土塊放置套篩最上層，套篩孔徑分別為0.053、0.250、2.000 mm，由振篩機進行篩分，篩分時間為20 min，篩分結束后，從上至下依次取土并稱重。。

1.3 數據分析

試驗數據處理采用Excel 2017和Origin 2017軟件進行數據和圖表繪制。利用SPSS進行統計分析。

2 結果與分析

2.1 不同還田方式下土壤水鹽含量變化

圖1和圖2分別為秸稈不同還田方式下土壤含水量、電導率含量變化。由圖可知，隨還田時間的增加，各處理土壤含水量呈逐漸增加的趨勢，而CK 含水量在75 d 內保持基本穩定。在還田第75 d 時，H1、H2、F1 和F2 處理相比CK 含水量分別增加8.93%、7.85%、7.93%和7.27%。土壤鹽分以水為載體，秸稈還田下，各處理土壤電導率均隨時間呈現下降趨勢，且還田處理土壤電導率自第15 d 起均顯著低于CK。在第75 d，H1、H2、F1 和F2 處理較CK 分別降低5.30%、3.89%、3.64%和5.03%。總體來看，秸稈翻壓還田處理75 d 后脫鹽效果和土壤保水能力均優于秸稈覆蓋還田。

圖1 不同還田方式下土壤含水量變化Fig.1 Changes of soil water content under different measures of returning to the field

圖2 不同還田方式下土壤電導率變化Fig.2 Changes of soil conductivity under different measures of returning to the field

2.2 不同還田方式下土壤耕層（0～20 cm）不同粒徑土壤團聚體的分布

如圖3所示，CK 處理下土壤粒徑主要由大于2 mm 的團聚體組成，占團聚體組成比例的55%。其次是0.053～0.250 mm的團聚體，而0.25～2 mm 與小于0.053 mm 占比最小，總占比約為6.16%。與CK 相比，H1、H2 處理均顯著增加0.25～2.00 mm 團聚體比例，增幅分別為3.71%和4.60%；而小于0.053 mm 的團聚體則相反，其降幅分別為0.21%和0.29%。F1、F2處理大于2 mm 的團聚體含量分別顯著增加9.13%和8.34%，0.053～0.25 mm的團聚體含量分別顯著減少9.98%和8.98%。

圖3 不同還田方式下團聚體不同粒徑分布Fig.3 Different particle size distributions of aggregates under different returning methods

為了進一步說明不同還田方式下對土壤微團聚體各粒徑分布的影響，對小于0.25 mm 的土壤微團聚體的分布情況進行探討。圖4為不同處理小于0.25 mm 的土壤微團聚體組成，由圖4可知，相比CK，各處理均降低土壤小于0.25 mm團聚體粒徑占比，其中，H1處理降低趨勢最顯著，為12.8%。

圖4 不同還田方式下小于0.25 mm的土壤微團聚體分布Fig.4 Distribution of soil microaggregates ＜0.25 mm under different returning methods

2.3 不同還田方式下土壤有機質含量變化

圖5為不同還田措施下土壤有機質含量變化。由圖5可以看出，與CK 相比，各處理土壤有機質含量均顯著提高且變化趨勢相似，隨還田時間的增加有機質含量呈逐漸遞增的趨勢。在還田第75 d，H1、H2、F1 和F2 處理較CK 分別增加了30.90%、29.80%、23.81%和23.49%。其中，H1、H2 處理分別顯著高于F1、F2 處理，在還田第75 d，H1、H2 處理較F1、F2 處理有機質含量增加了7.64%和6.78%。可見，秸稈翻壓還田（H1、H2處理）相比秸稈覆蓋還田（F1、F2處理）更有利于土壤有機質的增加。

圖5 不同還田措施下土壤有機質變化Fig.5 Changes of soil organic matter under different measures of returning to the field

2.4 不同還田方式下對土壤微觀結構的影響

圖6和圖7分別為棉花秸稈、油菜秸稈還田下鹽堿土微觀結構的變化。在500 倍電鏡下，可見秸稈翻壓還田下（H1、H2處理）較CK土壤顆粒的數量變少，體積變大，秸稈覆蓋還田下（F1、F2 處理）土壤顆粒膠結在一起，形成較大粒徑的團聚體，相比CK，F1、F2 處理改善效果不顯著。5 000 倍電鏡下，CK 處理土壤孔隙多為不規則形狀，并且有較多細小顆粒填充在土壤孔隙中，土壤表層細小顆粒接觸方式多為面與面相接觸，顆粒之間膠結在一起使得土壤板結較為嚴重，這種土壤結構保水性差，不利于水分的移動。秸稈翻壓還田相比秸稈覆蓋還田更有利于鹽堿土微觀結構改善。F1、F2 處理土壤孔隙數量有所增加，但分布不均勻，大部分孔隙集中在一側，土壤顆粒之間直接點接觸形式增加，相比CK 處理后的鹽堿土板結現象有所減輕，但土體仍較為致密。H1、H2 處理使土壤細小顆粒數量減少，顆粒之間以點連接，孔隙數量增多且分布均勻，部分土壤顆粒結構經改良后由塊狀結構變為片狀結構，土壤孔隙與土壤顆粒結構的改變更加有利于水分和鹽分運移。

圖6 不同還田方式下團聚體不同粒徑分布（棉花秸稈）Fig.6 Different particle size distributions of aggregates under different returning methods (cotton straw)

圖7 不同還田方式下團聚體不同粒徑分布（油菜秸稈）Fig.7 Different particle size distribution of aggregates under different returning methods (rapese straw)

本研究對電鏡圖像（5 000 倍）進行二值化分割，對孔隙進行識別劃分，得到孔隙的長度、寬度、等效直徑、性狀系數、周長、面積等一系列孔隙結構參數。其中，平均面積、平均直徑以及平均周長為土壤顆粒粒度特征的參數，參數值越小，說明土壤中大部分顆粒較小，顆粒越破碎。由表2可見，在不同還田措施下，相比CK，各處理均有效增加顆粒的平均面積，秸稈翻壓處理增加效果優于秸稈覆蓋還田；平均直徑參數的變化中，秸稈翻壓處理影響效果明顯優于覆蓋還田；平均面積、平均直徑、平均周長等表征顆粒大小的微結構特征，其中平均面積受還田處理影響變化，此外，平均直徑與平均周長特征參數呈正相關的關系，但是與平均面積來看，無相關關系。秸稈翻壓還田，加大了秸稈與土壤的接觸面，有利于土壤有機質的增加，土壤有機質為土壤提供膠結物質，促進土壤顆粒的膠結，有助于土壤孔隙的形成，覆蓋還田處理與翻壓還田處理相比，秸稈分解速率較慢，由此可見，秸稈翻壓還田更有利于改善鹽堿土中顆粒破碎的狀況。

表2 不同還田措施下土壤微觀結構參數Tab.2 Soil microstructure parameters under different measures of returning to the field

3 討 論

3.1 不同還田方式對土壤水分及鹽分變化的影響

秸稈翻壓還田和覆蓋還田均起到保墑和增強土壤水分有效性的作用，但影響過程不同。秸稈覆蓋在土壤表面，減少了土層與地面環境的直接相互作用，土壤水分的垂直蒸發減弱，土壤水分利用效率增強[11]。秸稈覆蓋免耕處理對于傳統耕作秸稈覆蓋可增強土壤吸收利用水分的能力，有效水含量高于無覆蓋處理[12]。本研究中，秸稈翻壓還田降鹽保水作用高于秸稈覆蓋還田，主要是由于秸稈翻壓土壤中可以充當儲水層[13]，另一方面秸稈翻壓還田改變了土體構型，相比秸稈覆蓋還田，土壤孔隙變大，透氣透水性增加，促進鹽分向深層土壤淋洗[14]，秸稈翻壓還田切斷了土壤毛管，降低水分蒸發，阻滯鹽分上行。秸稈還田方式具有差異性，秸稈分解速度因此不同，相比于秸稈覆蓋還田，秸稈翻壓與土壤的接觸面積更大，分解速率更快。而秸稈分解產生的有機物質對土壤中的水分有吸附作用，并且大于土壤孔隙的導水作用[15]，因此，秸稈分解速度的快慢也同樣影響土壤的水分保蓄能力。

3.2 對土壤微觀結構的影響

相比覆蓋還田，秸稈翻壓還田有利于土壤團聚體的形成。秸稈分解產生的膠結物質促進土壤微團聚體向大粒徑的團聚體富集和膠結，減少小于0.25 mm 的土壤微團聚體含量。在本研究中不同還田方式分解速率不同，秸稈翻壓還田更有利于減少小于0.25 mm 微團聚體的含量和增加0.25～2.00 mm 大粒徑團聚體的含量[16]。

土壤的孔隙結構是土壤結構中重要的組成部分，土壤內部環境的變化或者顆粒之間的膠結都會引起土壤孔隙的重新排列，不同的孔隙結構會影響土壤內水分的運輸方向及運輸速率。秸稈翻壓還田較覆蓋還田能更加有效改善土壤微觀結構，增加了孔隙的復雜性[17]。將土壤放大500 倍和5 000倍，可以看到經過秸稈翻壓還田后鹽堿土孔隙數量增加且分布均勻，土壤顆粒片狀結構增加，板結現象有所減輕，此研究結果與前人研究結果達成一致[18]。在對鹽堿土的微觀結構的分析中，土壤顆粒的減少，孔隙度的增加，非毛管孔隙比重的增加均可以緩解土壤的返鹽現象，未經治理的鹽堿土顆粒排列緊密，土壤中的孔隙主要由微裂隙構成，當土壤進行灌溉時，一部分水通過微裂隙溜走，大部分水通過此通道蒸發，并且土壤孔隙的不連通，不利于土壤水分的下滲[9]。除此之外，秸稈還田措施改變土壤骨架顆粒的接觸方式，由大量的面與面接觸，逐漸增加直接點的接觸方式。顆粒間的連接是一個動態變化和平衡的過程，顆粒連接形式對水的敏感程度不同，面與面的接觸形式導致土壤透氣透水性較差，直接點接觸的連接方式更可以有利于上層土壤水分向深層土層運移[17]。

4 結 論

（1）隨著秸稈還田時間的增加，秸稈翻壓還田較秸稈覆蓋還田有利于降低土壤鹽分、提高土壤含水量。

（2）秸稈翻壓還田相比覆蓋還田顯著增加土壤有機質含量，促進土壤大粒徑團聚體形成，改善土壤微觀結構。

（3）綜上，在此研究中，新疆地區秸稈翻壓還田對鹽堿土的改良效果優于秸稈覆蓋還田。