長期秸稈還田下水稻土鐵氧化物形態對團聚體穩定性的貢獻

摘要：【目的】鐵氧化物是土壤團聚體形成和穩定過程中重要的無機膠結劑。研究長期秸稈還田下土壤團聚體中鐵氧化物形態及分布的變化，以進一步闡明長期秸稈還田改善土壤結構的機理。【方法】基于湖南祁陽紅壤實驗站2012年開始進行的雙季稻長期定位試驗，采集連續11年秸稈不還田（NPK）、僅早稻秸稈還田（NPKRS1）及早稻秸稈和晚稻秸稈均還田（NPKRS2）處理的原狀土，通過干濕篩法分離土壤團聚體（粒徑gt;2、0.25～2、0.053～0.25和lt;0.053mm），測定了團聚體中絡合鐵（FePP）、非晶形鐵氧化物（FeHH）和晶形鐵氧化物（FeDH）含量，并分析了團聚體中3種鐵氧化物與團聚體穩定性的關系。【結果】與NPK處理相比，NPKRS1和NPKRS2處理均顯著提高了gt;2mm團聚體質量百分含量，降低了0.25～2mm的團聚體質量百分含量，團聚體平均重量直徑（MWD）分別顯著提高了41.8%和57.2%，幾何平均直徑（GMD）分別顯著提高了32.8%和36.3%（Plt;0.05）。長期秸稈還田后，所有鐵氧化物含量在0.053～0.25mm團聚體中均顯著提高；FeHH含量在lt;0.053mm粒級團聚體中沒有顯著變化，在其他粒級團聚體中顯著增加了13.9%～56.0%。gt;0.053mm團聚體中FeHH含量和0.053～0.25mm團聚體中FePP、FeDH含量均與團聚體MWD呈顯著正相關（Plt;0.05），lt;0.053mm團聚體中FePP含量和0.25～2mm團聚體中FeDH含量均與團聚體MWD呈顯著負相關。gt;2mm團聚體中FeHH、0.25～2mm團聚體中FeDH、0.053～0.25mm團聚體中FePP、0.25～2mm團聚體中FeHH、0.053～0.25mm團聚體中FeDH、lt;0.053mm團聚體中FePP對團聚體穩定性的影響最大，分別解釋了團聚體MWD變異的5.8%、5.7%、5.7%、5.4%、5.3%、4.5%。【結論】長期秸稈還田促進絡合鐵和晶形鐵氧化物在0.053～0.25mm團聚體中的富集，促進非晶形鐵氧化物在gt;0.053mm團聚體中的富集，有利于gt;2mm團聚體的形成，從而提高土壤團聚體的穩定性。

關鍵詞：秸稈還田；水稻土；團聚體；穩定性；鐵氧化物

土壤團聚體是土壤結構的基本單元，對維持土壤生態功能至關重要[1]。土壤團聚體由土壤顆粒與各種膠結物質（如有機碳、鐵鋁氧化物、陽離子和黏土礦物及其復合物等）膠結而成[2?3]，這些膠結物質分布在土壤團聚體的不同組分中，對于土壤團聚體的穩定性至關重要[4]。在我國南方富鐵稻田土壤中，鐵氧化物主導著團聚體的形成和穩定[5]，團聚作用的強弱與鐵氧化物的晶形和種類密切相關[6]。土壤中鐵氧化物主要包括絡合鐵、非晶形鐵氧化物及晶形鐵氧化物[7]。絡合鐵為鐵氧化物與土壤腐殖質的膠結產物，其自身屬性決定了絡合鐵對團聚體形成的重要作用[8?9]。非晶形鐵氧化物比晶形鐵氧化物具有更高的比表面積和更多的表面活性位點，對土壤的團聚作用強于晶形鐵氧化物[6]。也有學者認為，晶形鐵氧化物反應活性低，與微團聚體穩定性呈極顯著正相關[10]。因此，研究團聚體中鐵氧化物的種類及分布特征對探討土壤團聚體穩定性具有重要意義。

農作物秸稈是重要的土壤有機質來源，秸稈還田在培肥土壤、改良土壤結構及維持作物產量方面均有積極效應[11?13]。有研究發現，與單施化肥處理相比，秸稈還田處理顯著提高了gt;0.25mm團聚體質量百分含量[13]，且顯著增加了土壤團聚體的平均重量直徑，有利于團聚體的穩定[14]。還田秸稈在影響土壤團聚體穩定性的同時，還會改變土壤團聚體中鐵氧化物的含量和分布[15]。研究表明，在稻油輪作體系中，秸稈還田處理土壤團聚體中絡合鐵和非晶形鐵氧化物含量分別增加12.7%～41.1%和1.6%～14.4%[16]。在稻麥輪作農田中同樣發現，秸稈還田顯著提高了大團聚體中弱晶質鐵氧化物含量[17]。秸稈還田對土壤團聚體穩定性或鐵氧化物形態分布的影響已成為當今研究熱點，然而，長期秸稈還田后雙季稻田中土壤不同粒級團聚體中鐵氧化物含量及形態特征如何變化，及其對團聚體穩定性的貢獻，亟需進行深入分析。

本研究基于11年雙季稻長期定位試驗，探究秸稈還田對土壤團聚體粒徑分布及穩定性的影響，從團聚體內鐵氧化物形態分布角度探討土壤團聚體的穩定機制，研究結果對于深入理解土壤鐵氧化物形態分布與團聚體穩定性的關系，提高雙季稻生產力和推動秸稈資源合理利用具有重要意義。

1材料與方法

1.1試驗地概況

試驗地位于中國農業科學院衡陽紅壤實驗站（E111°52′32″，N26°45′42″），屬亞熱帶季風性氣候，年平均溫度17.8℃，年降雨量1290mm，年日照1613h，無霜期293天（數據來源于中國氣象共享服務系統，http：//cdc.cma.gov.cn/）。供試土壤為第四紀紅色黏土發育的水稻土，土壤質地為壤質黏土。試驗開始于2012年，其0—20cm耕層土壤基本性質為：pH6.47、有機碳8.64g/kg、全氮1.48g/kg、有效磷12.6mg/kg、速效鉀49.0mg/kg。

1.2試驗設計

田間試驗包括3個處理：秸稈不還田（NPK）、僅早稻秸稈還田（NPKRS1）、早稻秸稈和晚稻秸稈均還田（NPKRS2），每個處理3次重復，隨機區組排列。小區面積為21m2（長7m、寬3m），小區間用深60cm的水泥埂隔開，防止串水串肥。種植制度為雙季稻輪作，早稻在4月下旬移栽，7月中旬收獲；晚稻在7月中下旬移栽，10月中下旬收獲。秸稈還田處理中稻草在收獲當日即還田，而NPK處理的稻草全部移除。所有處理的氮、磷、鉀肥用量相同，氮（N）肥為165kg/hm2，磷肥（P2O5）和鉀肥（K2O）均為90kg/hm2。其中，磷肥作基肥一次性施入；氮肥的9/11作基肥，2/11作追肥；鉀肥的5/6作基肥，1/6作追肥。基肥在水稻移栽前施用，追肥在移栽后6～10天施用。其他管理措施按當地常規操作進行。

1.3樣品采集與測定

在2023年10月下旬晚稻收獲后，根據五點取樣法，采集0—20cm原狀土壤樣品，去除動植物殘體、混勻，放入塑料盒中帶回實驗室。沿土壤自然結構面掰成小塊后，過8mm篩并去除細根、碎石和凋落物等雜質，風干備用。

風干土壤樣品團聚體采用干濕篩混合的方法分級[18?19]：首先，稱取160g風干土壤樣品依次通過孔徑為2、0.25、0.053mm的篩子，分別稱量各粒級團聚體質量，并計算其占土壤總質量的百分比。再根據各粒級團聚體的干篩比例，將風干土壤樣品配成100g。將100g該混合土壤樣品均勻置于套篩（2、0.25、0.053mm）上層，于盛有蒸餾水的桶中浸泡10min，然后在土壤團聚體分析儀上以30次/min的頻率上下振蕩20min。濕篩結束后依次將每個粒級篩子上的團聚體收集于鋁盒中，烘干（50℃）并稱重。分別得到gt;2、0.25～2、0.053～0.25、lt;0.053mm的團聚體，用于分析團聚體中鐵氧化物含量。

土壤團聚體中不同類型鐵氧化物采用連續提取方法浸提[7]，等離子光譜儀（ICP-OES，安捷倫公司，美國）測定。采用焦磷酸鈉溶液提取絡合鐵，稱取0.5000g土壤樣品于50mL離心管中，加入30mL0.1mol/L的焦磷酸鈉溶液，震蕩16h，依次離心、過濾，濾液即可測定絡合鐵（FePP）；采用鹽酸羥胺?鹽酸溶液提取非晶形鐵氧化物，向上一步的離心管中加入30mL0.25mol/L鹽酸羥胺?鹽酸溶液，震蕩16h，依次離心、過濾，濾液即可測定非晶形鐵氧化物（FeHH）；采用連二亞硫酸鈉溶液提取晶形鐵氧化物，繼續向上一步的離心管中加入30mL0.0574mol/L連二亞硫酸鈉溶液，震蕩16h，離心、過濾后，繼續向離心管中加入10mL0.05mol/L鹽酸溶液，震蕩1h，離心后過濾至連二亞硫酸鈉濾液中，混合濾液即可測定晶形鐵氧化物（FeDH）。

1.4數據計算與統計分析

平均重量直徑（MWD）及幾何平均直徑（GMD）用來表示團聚體分布和穩定性狀況，分別采用公式（1）和（2）[20]計算：

式中，Xi為團聚體的平均直徑（mm），即過篩直徑的平均值；Wi為i粒級團聚體的百分含量（%）；n為團聚體粒級數。

采用Excel2020和IBMSPSSStatistics26進行試驗數據處理與統計分析，采用單因素方差分析（OnewayANOVA）結合鄧肯（Ducan）法進行差異顯著性檢驗（Plt;0.05為差異顯著），用皮爾遜（Pearson）進行相關分析，在R（R4.2.3）中利用“randomForest”建立隨機森林模型，采用Origin2021繪制柱形圖。

2結果與分析

2.1秸稈還田對土壤團聚體質量分布的影響

由圖1可知，土壤中團聚體主要分布在gt;2和0.25～2mm粒級，占比為87.3%～90.0%，但各粒級質量百分比受到秸稈還田處理的影響。與NPK處理相比，NPKRS1和NPKRS2處理均顯著提高了gt;2mm團聚體的質量百分含量，增幅分別為18.9%和23.1%，而0.25～2mm團聚體的質量百分含量分別降低19.8%和21.4%。0.053～0.25mm及lt;0.053mm粒級團聚體質量百分含量在各處理間差異不顯著。

2.2秸稈還田對土壤團聚體穩定性的影響

秸稈還田改變了土壤團聚體穩定性（圖2）。在各處理中，團聚體MWD在NPKRS2處理中最高，為3.4mm，在NPK處理中最低，為2.15mm。與NPK處理相比，NPKRS1和NPKRS2處理團聚體的MWD分別顯著提高41.8%和57.2%。相較NPKRS1處理，NPKRS2處理下團聚體的MWD顯著提高10.9%。

不同處理也顯著改變了土壤團聚體的GMD。與NPK處理相比，NPKRS1和NPKRS2處理下團聚體的GMD分別顯著提高了32.8%和36.3%，但兩個秸稈還田處理間無顯著差異。

2.3秸稈還田對土壤及團聚體中鐵氧化物含量的影響

從各處理土壤中絡合鐵（FePP）、非晶形鐵氧化物（FeHH）和晶形鐵氧化物（FeDH）的含量（圖3）可以看出，雙季稻田土壤中FePP和FeDH含量較高，分別為1.9～3.8和2.3～3.3g/kg；FeHH含量較低，為0.7～0.8g/kg。與NPK處理相比，NPKRS1處理僅提高了41.8%的FeDH含量，對其他兩個鐵氧化物形態沒有顯著影響，而NPKRS2處理下FePP、FeHH和FeDH含量分別顯著提高100%、13.6%和17.6%。

從各形態鐵氧化物在團聚體中的分布狀況（圖4）看出，對于gt;2mm團聚體中FePP含量而言，NPKRS2處理較NPK、NPKRS1處理分別顯著提高了81.0%、80.2%；0.25～2mm團聚體中FePP含量在3個處理間無顯著差異；兩個秸稈還田處理使0.053～0.25mm團聚體中的FePP含量顯著提高了66.1%～77.9%，而使lt;0.053mm團聚體中FePP含量顯著降低了13.7%～15.7%。與NPK處理相比，NPKRS1和NPKRS2處理在gt;2和0.25～2mm團聚體中的FeHH含量顯著增加13.9%～56.0%，且NPKRS2處理顯著高于NPKRS1處理；在0.053～0.25mm團聚體中FeHH含量也顯著增加了23.0%～42.5%，但在NPKRS1和NPKRS2處理間無顯著差異；在lt;0.053mm團聚體中FeHH含量無顯著差異。與NPK處理相比，秸稈還田處理下0.053～0.25mm粒級團聚體中FeDH含量顯著增加了0.8～1.8g/kg，而0.25～2mm團聚體中FeDH含量顯著降低了0.9～1.1g/kg。gt;2mm團聚體中FeDH含量在NPKRS2處理中較NPK處理中顯著增加了0.5g/kg，NPKRS1與NPK處理無顯著差異。與NPKRS1處理相比，NPKRS2處理gt;2、0.053～0.25mm團聚體中FeDH含量分別顯著提高了37.8%和28.8%，而lt;0.053mm團聚體中FeDH含量顯著降低了16.0%。

2.4土壤團聚體含量及穩定性與鐵氧化物的相關關系

團聚體中鐵氧化物含量與團聚體質量分布及穩定性的相關分析結果（圖5）表明，gt;2mm團聚體中FeHH含量與該粒級質量百分含量呈顯著正相關關系（Plt;0.05），0.25～2mm團聚體中FeDH含量與該粒級團聚體質量百分含量也呈顯著正相關關系，其他粒級團聚體中鐵氧化物含量與團聚體質量百分比無顯著相關。0.053～0.25mm團聚體中FePP含量與MWD呈極顯著正相關關系（Plt;0.01），lt;0.053mm團聚體中FePP含量與MWD呈顯著負相關關系。gt;0.053mm團聚體中FeHH含量均與MWD呈極顯著正相關關系。0.25～2mm團聚體中FeDH含量與MWD呈極顯著負相關關系，0.053～0.25mm團聚體中FeDH含量與MWD呈極顯著正相關關系。

為了量化團聚體中鐵氧化物含量對團聚體穩定性的貢獻，采用隨機森林模型分析了各粒級團聚體中不同形態鐵氧化物對團聚體穩定性（MWD）的重要性（圖6）。gt;2mm中FeHH、0.25～2mm中FeDH、0.053～0.25mm中FePP、0.25～2mm中FeHH、0.053～0.25mm中FeDH、lt;0.053mm中FePP對團聚體穩定性的影響最高，分別解釋了團聚體平均重量直徑變異的5.8%、5.7%、5.7%、5.4%、5.3%、4.5%，且統計上顯著。

3討論

3.1秸稈還田條件下團聚體質量百分含量及穩定性差異

土壤團聚體是土壤的重要組成部分，其穩定性在一定程度上可以反映土壤結構的好壞[1]。一般認為，gt;0.25mm粒級團聚體比例越高，土壤結構越好[21]。本研究中3個處理的土壤團聚體質量百分含量均以gt;0.25mm為主，這可能是土壤母質和田間管理綜合影響的結果[18]。本研究發現，在雙季稻田中，秸稈還田促進了0.25～2mm粒級團聚體向gt;2mm粒級的轉化，這可能是因為秸稈還田過程可使大團聚體破碎并與有機殘體或者土壤膠體形成更大的團聚體。另一方面，秸稈還田可以直接增加土壤有機質，同時秸稈的連續輸入為刺激生物活性提供了條件，促使秸稈分解和根系分泌過程中釋放更多的多糖、菌絲等膠結物質，使土壤顆粒不斷粘結形成大團聚體[22]，從而增加了gt;2mm團聚體的比例，而施用化肥主要通過增加作物產量和作物殘茬量，以及促進根系分泌及根的周轉來促進膠結物質的形成[15，23]。

平均重量直徑和幾何平均直徑反映了土壤團聚體大小分布狀況，是評價團聚體團聚度和穩定性的重要指標，它們的值越大，團聚體穩定性越強[1]。本研究中，秸稈還田處理均顯著提高了團聚體的MWD和GMD（圖2），且NPKRS2處理增加幅度最大，說明秸稈還田比單獨施用化肥更能提高土壤團聚體穩定性[17]。郭戎博等[24]基于11年長期定位試驗同樣證實，秸稈還田后團聚體MWD和GMD分別提升8.8%和7.5%。一方面，這可能與本研究中秸稈還田后土壤有機質和鐵氧化物等有機、無機膠結劑的數量和種類增加有關[25]；另一方面，與秸稈還田相比，單施化肥處理有較低的土壤C/N[26]，加速了團聚體中有機碳礦化，從而不利于土壤團聚體穩定性[27?28]。可見，秸稈還田在改變土壤團聚體粒徑分布和穩定性方面發揮重要作用，這與其秸稈自身性質及分解過程中產生的有機酸、膠結物質等密切相關，今后可從這兩方面進一步深入探討，豐富秸稈還田下土壤團聚體穩定機制。

3.2秸稈還田對團聚體中鐵氧化物的影響

秸稈還田后0.053～0.25和lt;0.053mm團聚體中絡合鐵含量分別增加和降低（圖4），這可能與微生物物種組成及活性的差異有關[29]，因為微生物活動的增強可以促進鐵的絡合過程，加速鐵氧化物的生成[30]，造成絡合鐵含量的不同。其次，可能是秸稈還田促進了絡合鐵由黏粉粒中向微團聚體中的轉化。與秸稈不還田相比，秸稈還田處理下非晶形鐵氧化物在除了lt;0.053mm之外的各個粒級中均顯著增加（圖4），說明秸稈還田有利于大團聚體與微團聚體中非晶形鐵氧化物的形成和穩定。Yu等[31]通過23年長期有機改良試驗發現，有機物料降解過程中釋放的低分子量有機酸能夠驅動礦物質從結晶相轉變為高活性、晶形較弱的礦物，進而提高土壤中弱晶形礦物（SRO）含量。另外，秸稈還田后土壤中增加的有機物質，容易與非晶形鐵吸附或結合，占據非晶形鐵氧化物的活性位點，該過程提高了非晶形鐵氧化物自身的化學穩定性[32]。而對于晶形鐵氧化物，秸稈還田后0.25～2mm團聚體中的晶形鐵氧化物含量顯著降低，而在0.053～0.25mm團聚體中含量顯著增加（圖4）。一般來說，秸稈還田會導致土壤氧化還原電位降低[33]，但由于不同粒級團聚體大小、結構、膠結物質及穩定性存在差異，其形成的微環境中氧化還原條件并不相同，促使晶形鐵氧化物在團聚體中具有不同程度的轉化[34]，即發生結晶老化或者活化過程[25]。與秸稈不還田處理相比，lt;0.053mm團聚體中晶形鐵氧化物含量在NPKRS1處理中略有增加，而在NPKRS2處理中有所下降。這可能是由于NPKRS1處理中該粒級的絡合鐵發生了溶解，轉變成了活性較低的晶形鐵氧化物，而在NPKRS2處理中可能是晶形鐵氧化物吸附較小的土壤顆粒，由黏粉粒轉變成了微團聚體，因此導致該粒級中晶形鐵氧化物含量降低。

gt;2mm粒級團聚體中的絡合鐵及晶形鐵氧化物、gt;0.25mm粒級團聚體中的非晶形鐵氧化物及0.053～0.25mm粒級團聚體中的晶形鐵氧化物含量在NPKRS2處理中更高，這可能與有機物料投入量有關。研究表明，有機質可以通過促進團聚體形成或與鐵氧化物發生絡合，改變團聚體中鐵氧化物的含量[16]。本研究中僅早稻秸稈還田處理中稻草帶入的碳含量為2501kg/hm2，早稻晚稻秸稈均還田處理中稻草帶入的碳含量為6023kg/hm2，碳輸入量的增加是直接導致NPKRS2處理團聚體中鐵氧化物含量較NPKRS1處理高的原因之一。另外，早稻晚稻秸稈均還田處理增加了小分子有機酸等分泌物的輸入，對土壤微生物活性和礦物質的氧化還原反應有更大的促進作用[35]。除此之外，晚稻秸稈還田為來年早稻的生長發育提供了養分，確保了秸稈在早稻和晚稻整個生育期養分資源的持續供應[12]，從而進一步提高了土壤鐵氧化物的分布和活性。

本研究中，土壤及團聚體中鐵氧化物含量在各處理中表現為晶形鐵氧化物gt;絡合鐵gt;非晶形鐵氧化物，因此，在絡合鐵以及晶形鐵氧化物含量非常高的土壤中，將來可從鐵氧化物介導的有機碳的固持和礦化等方面重新審視它們在土壤中的重要作用[7]。

3.3鐵氧化物與團聚體穩定性的關系

土壤溶液中的鐵作為黏粒和有機分子的膠結劑，以凝膠狀沉淀在黏粒表面[10]。鐵氧化物的形態、結晶度不同均會影響其對團聚體的穩定性[6]。微團聚體及黏粉粒中絡合鐵含量與團聚體穩定性分別呈正相關和負相關，且對團聚體穩定性貢獻顯著，因此絡合鐵由黏粉粒向微團聚體中的轉化是其提高團聚體穩定性的重要機制之一。這與絡合鐵的自身特性有關，即有機絡合物可以強烈地吸附在鐵氧化物沉淀產物的表面，與有機質膠結成穩定劑，從而促進土壤顆粒的團聚，提高團聚體穩定性[36]。本研究中，gt;2mm團聚體中非晶形鐵氧化物含量與該粒級質量比呈顯著正相關關系，0.25～2mm團聚體中晶形鐵氧化物含量與該粒級質量比均呈顯著正相關關系，而秸稈還田增加了gt;2mm團聚體質量比而降低了0.25～2mm團聚體質量比，表明秸稈還田增加團聚體中非晶形鐵氧化物含量而降低晶形鐵氧化物含量可能是改變團聚體粒徑分布的重要原因之一。而進一步通過相關分析及隨機森林模型發現，大團聚體中的非晶形鐵氧化物和晶形鐵氧化物與團聚體穩定性分別呈現顯著正相關和負相關，團聚體穩定性受大團聚體中非晶形和晶形鐵氧化物含量的影響最大，因此我們推測，秸稈還田后團聚體中晶形鐵氧化物活化形成了非晶形鐵氧化物，后者因其比表面積大、吸附能力強以及高反應活性等特點[6]，能夠吸附更多的0.25～2mm團聚體，促進了gt;2mm粒級團聚體的形成，這也是團聚體穩定性提高的重要機制之一。

4結論

在南方雙季稻田中，秸稈還田處理均顯著提高了gt;0.053mm團聚體中非晶形鐵氧化物含量，以及0.053～0.25mm團聚體中絡合鐵和晶形鐵氧化物含量，其中以早稻秸稈和晚稻秸稈均還田處理提升效果最好。

團聚體的形成和穩定與鐵氧化物密切相關。gt;0.053mm團聚體中非晶形鐵氧化物、0.053～0.25mm團聚體中各形態鐵氧化物均與團聚體MWD呈顯著正相關關系，lt;0.053mm團聚體中絡合鐵含量和0.25～2mm團聚體中晶形鐵氧化物含量均與團聚體MWD呈顯著負相關關系，且對團聚體穩定性解釋率最高，說明秸稈還田促進了鐵氧化物間的轉化，有利于絡合鐵和晶形鐵氧化物在微團聚體中的富集，非晶形鐵氧化物在大團聚體中的富集，進而促進團聚體的形成，提高土壤團聚體穩定性。