范 圍 吳景貴 李建明 何瑞成 姚顏瑩 王篤超 孫 玲 王彩云

（吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，長春 130118）

隨著世界糧食產(chǎn)量的不斷增加，作物殘?bào)w成為一種不斷增長、數(shù)量龐大的有機(jī)污染物［1］。作物殘?bào)w是指作物收獲后仍殘留在田地中的植株，包括農(nóng)作物的根、莖、葉以及其他部分［2］。目前，全球作物殘?bào)w年均總產(chǎn)量約為74 Tg，其中，小麥與水稻殘?bào)w總產(chǎn)量約為45 Tg［3］。2014年，中國的作物殘?bào)w總產(chǎn)量達(dá)到了8.5 Tg，近十年的年平均作物殘?bào)w總產(chǎn)量也達(dá)到了7 Tg［4］。

隨著作物殘?bào)w數(shù)量的不斷增加，由此而產(chǎn)生的環(huán)境問題也日益嚴(yán)峻，作物殘?bào)w的安全利用與處理已經(jīng)成為人類社會(huì)所面臨的重要問題［5］。廣泛的研究表明，作物殘?bào)w是土壤養(yǎng)分的重要來源，它可以直接影響土壤的生物、物理和化學(xué)性質(zhì)［6-7］。在土壤中施用作物殘?bào)w可以有效增加土壤的礦質(zhì)態(tài)氮、全氮以及有機(jī)碳含量［8-9］。在土壤中施用作物殘?bào)w不僅可以促進(jìn)耕作、減少土壤侵蝕、增加土壤微生物群落多樣性，還可以起到防止土壤養(yǎng)分經(jīng)淋洗而流失的作用［10］。究其原因，主要是因?yàn)楫?dāng)作物殘?bào)w施入土壤后，增加了土壤有機(jī)質(zhì)含量，減少了土壤侵蝕現(xiàn)象的發(fā)生［11］。

目前在東北地區(qū)，秸稈的主要還田方式有兩種，分別是秸稈翻壓還田及秸稈覆蓋還田。但傳統(tǒng)的秸稈還田方式通常存在秸稈不易腐解、影響出苗及不利耕作等缺點(diǎn)。因此，一種新型的秸稈還田方式——秸稈均勻還田技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。秸稈均勻還田是指通過粉壟耕作，將粉碎至1～2 cm的作物殘?bào)w與土壤均勻混合，使其均勻分布至0～70 cm的土層中。不同于傳統(tǒng)的旋耕、翻耕、犁翻耕等耕作方式，粉壟耕作是一種全新的耕作方式，其原理是利用專用機(jī)械垂直螺旋型鉆頭，按照作物種植需求將土壤旋磨粉碎并自然懸浮呈壟，其粉碎深度最深可達(dá)70～100 cm，粉壟耕作面上種植相應(yīng)作物；因該耕作方式將土壤旋磨粉碎且自然呈壟，將其命名為粉壟［12］。與傳統(tǒng)的耕作方式相比，粉壟耕作能打破耕作土壤犁底層，有效降低土壤容重，并能提高土壤的透氣性與蓄水保水能力，對(duì)土壤物理性質(zhì)具有非常明顯的改善作用［13-18］；并且可在確保改善土壤物理性質(zhì)與提高作物產(chǎn)量的同時(shí)，使作物殘?bào)w在土壤中均勻分布，這有利于加快作物殘?bào)w的腐解。

國內(nèi)外學(xué)者對(duì)秸稈還田做了一系列研究：孫元宏等［19］研究表明，秸稈還田促進(jìn)了土壤中小粒徑團(tuán)聚體（小于0.25 mm）向大團(tuán)聚體（大于0.25 mm）轉(zhuǎn)化，大團(tuán)聚體含量相比不施秸稈增加了10倍左右，同時(shí)，秸稈還田也有效促進(jìn)了耕層土壤大團(tuán)聚體中有機(jī)碳的積累，其增加幅度為69.90%。Kabiri等［20］的研究結(jié)果顯示，深耕加強(qiáng)了土壤中碳和氮與大粒徑土壤團(tuán)聚體的結(jié)合能力，減弱了碳和氮與小粒徑團(tuán)聚體的結(jié)合能力。彭義等［21］研究表明，秸稈覆蓋有利于有機(jī)碳在表層的累積，與無秸稈覆蓋土壤相比，具有更高的氨基化合物、脂肪族碳和芳香族碳含量。然而，目前對(duì)于秸稈均勻還田的研究仍然較少。因此，本文通過在東北農(nóng)業(yè)主產(chǎn)區(qū)進(jìn)行長期定位試驗(yàn)，研究了秸稈均勻還田對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響，并對(duì)比了不同秸稈還田方式對(duì)土壤理化性質(zhì)及作物產(chǎn)量的影響，以期為合理確定適合東北地區(qū)的最佳秸稈還田方式提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)地點(diǎn)選在吉林省長春市農(nóng)安縣正邦農(nóng)場(chǎng)(44°26＇N，125°21＇E)。試驗(yàn)區(qū)地勢(shì)平坦，屬于溫帶大陸性季風(fēng)氣候，受季風(fēng)的強(qiáng)烈影響，冬春寒冷干燥，夏季溫暖多雨，干濕季節(jié)更替明顯。多年平均氣溫為9.8℃，1月份最冷，平均氣溫為-12.5℃，7月份最熱，平均氣溫為22.3℃；無霜期平均145 d，大于等于10℃積溫達(dá)2800℃。降水年際和年內(nèi)分布極不均勻，年平均降水量331.9 mm，主要集中在6至9月份。土壤類型為草甸黑鈣土，其CaCO3淀積部位較高，多見于50 cm土層內(nèi)，并含有少量可溶性鈉鹽，土壤呈微堿性，相當(dāng)于美國系統(tǒng)分類下的鈣積冷涼軟土（Calciboroll）。其基本理化性質(zhì)如下：土壤全氮1.26 g kg-1；堿解氮103.5 mg kg-1；有效磷19.3 mg kg-1；速效鉀127.0mg kg-1；土壤有機(jī)質(zhì)12.73 g kg-1；平均pH 7.75。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)共設(shè)4個(gè)處理，分別為（1）對(duì)照（CK）：未施用秸稈，僅進(jìn)行正常的耕作；（2）秸稈均勻還田（EIS）：將粉碎至1～2 cm的秸稈通過粉壟耕作的方式使其在0～20 cm土層與土壤充分混勻；（3）秸稈覆蓋還田（SM）：播前對(duì)土地翻耕，人工播種后將秸稈順著行間均勻覆蓋；（4）秸稈翻壓還田（SP）：將粉碎至10 cm的秸稈通過機(jī)械翻壓的方式使其在0～20 cm土層與土壤充分混勻。每個(gè)小區(qū)長10 m，寬5 m，面積為50 m2，隨機(jī)排列，3個(gè)重復(fù)。各小區(qū)秸稈還田量均相同，年施用量為7 500 kg hm-2。還田秸稈的養(yǎng)分含量為：有機(jī)碳399.0 g kg-1, 全氮6.7 g kg-1，C/N 59.55︰1。各小區(qū)均施等量底肥，年施用量為氮肥165 kg hm-2（以N計(jì)）、磷肥82.5 kg hm-2（以P2O5計(jì)）、鉀肥82.5 kg hm-2（以K2O計(jì)）。每年種植玉米，品種為吉農(nóng)大988（吉林農(nóng)大科貿(mào)種業(yè)有限責(zé)任公司），4月末播種，10月初秋收。各小區(qū)全程雨養(yǎng)，無補(bǔ)充灌溉；小區(qū)除草主要為人工除草。于2016年10月對(duì)不同處理各小區(qū)進(jìn)行0～20 cm土壤樣品采集及樣品分析測(cè)定。

1.3 分析方法

土壤容重采用環(huán)刀法進(jìn)行測(cè)量；土壤緊實(shí)度采用土壤緊實(shí)度儀（TJSD-750型，浙江托普儀器有限公司）測(cè)定；土壤有機(jī)碳（Soil organic carbon，SOC）采用重鉻酸鉀外加熱法測(cè)定；堿解氮測(cè)定采用堿解擴(kuò)散法；有效磷測(cè)定采用碳酸氫鈉浸提—鉬銻抗比色法；速效鉀測(cè)定采用火焰光度計(jì)法；pH采用電位法測(cè)定［22］。

土壤腐殖質(zhì)組成提取測(cè)定采用腐殖質(zhì)組成修改法［23］進(jìn)行提?。阂?.1 mol L-1Na4P2O7+0.1 mol L-1NaOH混合液為提取劑從土壤中提取腐殖酸（Humus extracted，HE），用0.5 mol L-1H2SO4分離腐殖酸（HE）得到胡敏酸（HA）與富里酸（FA），剩余為胡敏素（HM）。各組分含碳量采用重鉻酸鉀容量法測(cè)定。

H A樣品提取純化：采用國際腐殖質(zhì)協(xié)會(huì)(International Humic Substances Society，IHSS)推薦的方法［24］，將風(fēng)干土樣用0.1 mol L-1HCl調(diào)至土水比1∶10，用0.1 mol L-1NaOH溶液提取得到HE，將HE提取液經(jīng)6 mol L-1HCl酸化至pH=1.0得到粗HA，經(jīng)高速離心、電滲析、旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)和凍干后得到純化后的HA樣品。

H A紅外光譜通過傅里葉變換紅外光譜儀（AVATAR360，美國）測(cè)定，采用KBr壓片法，測(cè)試范圍為500～4 000 cm-1，通過OMNIC軟件對(duì)紅外譜圖進(jìn)行特征峰選取和半定量分析，對(duì)不同波數(shù)的特征吸收峰進(jìn)行峰面積計(jì)算，用某一峰面積占各峰總面積的百分比表示其峰強(qiáng)度。

土壤團(tuán)聚體組成測(cè)定分別采用了干篩法和濕篩法［25］。干篩時(shí)，稱取風(fēng)干土樣約500 g，用孔徑為5、3、2、1、0.5、0.25 mm的套篩，在電動(dòng)振篩分機(jī)（8411型，浙江省上虞市道墟五四儀器廠）上以30次 min-1的速度篩分5 min，將留在每級(jí)篩子上的團(tuán)聚體稱重，計(jì)算各級(jí)團(tuán)聚體占土樣總量的百分含量。然后按其百分比，配成2份質(zhì)量為50 g的土樣，作濕篩分析用。濕篩時(shí)，先將團(tuán)聚體充分潤濕5 min，再用孔徑為5、2、1、0.5、0.25 mm的套篩，在土壤團(tuán)聚體分析儀（TTF-100型，浙江省上虞市舜龍實(shí)驗(yàn)器廠）上以30次 min-1的速度篩分6 min（振幅4 cm）。濕篩結(jié)束后將留在各級(jí)篩孔上的團(tuán)聚體用水洗入鋁盒中，烘干后稱重，計(jì)算水穩(wěn)性團(tuán)聚體組成。

1.4 土壤團(tuán)聚體平均當(dāng)量直徑及水穩(wěn)系數(shù)計(jì)算

土壤團(tuán)聚體平均當(dāng)量直徑（MWD）的計(jì)算公式為：

式中，Bi為篩分出來的任一大小范圍團(tuán)聚體的平均直徑，mm；Wi為任一大小范圍團(tuán)聚體的相應(yīng)質(zhì)量占土壤樣品干質(zhì)量的分?jǐn)?shù)。

土壤團(tuán)聚體水穩(wěn)系數(shù)的計(jì)算公式為：

式中，K為水穩(wěn)系數(shù)，%；A為大于0.25 mm水穩(wěn)定性團(tuán)聚體總量，g；M為大于0.25 mm機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體總量，g。

1.5 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)經(jīng)Excel 2016處理后，采用SPSS 22.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，采用鄧肯（Duncan）新復(fù)極差法進(jìn)行5%水平的差異顯著性分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同秸稈還田方式對(duì)土壤容重及土壤緊實(shí)度的影響

土壤容重及土壤緊實(shí)度是衡量土壤松緊狀況的重要指標(biāo)，其直接影響土壤的通氣性及作物根系的生長發(fā)育。過松的土壤不利于作物根系生長，易跑風(fēng)漏墑，土壤養(yǎng)分也易隨降雨或灌水而流失。而過緊的土壤，通氣透水性差，容易造成地面積水及地表徑流，并且對(duì)土壤微生物活動(dòng)及養(yǎng)分轉(zhuǎn)化均會(huì)產(chǎn)生不利影響。本研究結(jié)果表明，秸稈還田有效降低了耕層土壤容重，但各秸稈還田處理間變化卻不盡相同。由圖1可見，與CK相比，EIS與SP顯著降低了土壤容重，降低幅度分別為33.11%、28.37%，而SM對(duì)土壤容重影響較小，僅較對(duì)照處理降低12.16%。不同秸稈還田方式對(duì)土壤緊實(shí)度影響與土壤容重大致趨同。在不同秸稈還田處理間，EIS處理變化幅度最大，其降低幅度相對(duì)于SM及SP，分別降低10.2%與6.4%。該結(jié)果與Kabiri等［20］的研究結(jié)果相似。秸稈具有密度低的特點(diǎn)，在未完全分解狀態(tài)下對(duì)土壤會(huì)起到物理性疏松作用，從而降低單位體積內(nèi)土壤質(zhì)量。而秸稈均勻還田相較于其他兩種秸稈還田處理，對(duì)土壤容重及土壤緊實(shí)度的顯著改善，則可能是由于秸稈均勻還田通過粉壟耕作方式，有效打破了土壤犁底層，疏松了土壤。并且其使秸稈與土壤充分接觸，有效促進(jìn)了秸稈對(duì)土壤物理性質(zhì)的改善。

圖1 不同秸稈還田處理的土壤容重與土壤緊實(shí)度Fig. 1 Soil bulk density and soil compactness relative to treatment

2.2 不同秸稈還田方式對(duì)土壤團(tuán)聚體組成及穩(wěn)定性的影響

土壤結(jié)構(gòu)的好壞主要受土壤團(tuán)聚體數(shù)量、穩(wěn)定性及形態(tài)的影響，而水穩(wěn)性團(tuán)聚體的數(shù)量和分布狀況更是直觀反映了土壤的結(jié)構(gòu)保水性、穩(wěn)定性及抗侵蝕能力。其中0.25～5 mm 團(tuán)聚體是土壤中較為理想的大團(tuán)聚體，它的通氣性、保肥性、保溫性、機(jī)械彈性和水穩(wěn)性均優(yōu)，其含量越高，表示土壤的結(jié)構(gòu)越好。由表1可見，秸稈還田處理均能有效增加大于1 mm 水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量，其中EIS處理增加幅度較高。EIS較CK及SP和SM處理提高了大于0.25 mm團(tuán)聚體的數(shù)量，其增加幅度分別為16.71%、13.18%和24.29%。這表明，秸稈均勻還田能促進(jìn)土壤中水穩(wěn)性小團(tuán)聚體向較大的水穩(wěn)性大團(tuán)聚體轉(zhuǎn)化，這主要與土壤中有機(jī)質(zhì)含量增加有關(guān)。有研究發(fā)現(xiàn)，黑土大團(tuán)聚體主要膠結(jié)物質(zhì)是有機(jī)質(zhì)；直徑1～10 mm 的水穩(wěn)性團(tuán)聚體通常適于作物的生長，因?yàn)檫@種團(tuán)聚體有利于土壤自動(dòng)調(diào)節(jié)通氣與持水的矛盾、養(yǎng)分釋放與保持的矛盾［26］。同時(shí)，EIS處理中大于5 mm及2～5 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量均高于SP及SM處理，且達(dá)到顯著水平。說明與其他秸稈還田方式相比，秸稈均勻還田更能有效增加土壤中大于2 mm 的水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量，使土壤結(jié)構(gòu)得以改善。

團(tuán)聚體的水穩(wěn)定性一般用平均當(dāng)量直徑（MWD）及水穩(wěn)系數(shù)（K）來表示，水穩(wěn)定性團(tuán)聚體的百分比越高，MWD越大；團(tuán)聚體越穩(wěn)定，K值越大［27］。由表1可以看出，各秸稈還田處理土壤MWD及K值均高于CK，表現(xiàn)為EIS＞SP＞SM＞CK；對(duì)于MWD，各處理較CK增幅分別為80.28%、61.69%和47.04%；對(duì)于K值，各處理較CK增幅分別為33.69%、23.71%和11.40%。這說明秸稈還田對(duì)于培肥土壤、提高土壤團(tuán)聚體水穩(wěn)定性具有較好的作用。產(chǎn)生這一結(jié)果是由于秸稈還田后分解產(chǎn)生如多糖、蛋白質(zhì)等有機(jī)質(zhì)，以及由于土壤中微生物活性提高而形成腐殖物，這些重要的有機(jī)膠結(jié)質(zhì)對(duì)大團(tuán)聚體的形成及穩(wěn)定性產(chǎn)生了積極影響［28］。Jastrow［29］認(rèn)為植物殘?bào)w輸入土壤能促進(jìn)真菌菌絲體生長，微生物的分泌液將土壤微團(tuán)聚體、土壤礦物質(zhì)和粗顆粒有機(jī)物膠結(jié)為大團(tuán)聚體。而添加秸稈速腐劑可以加快秸稈的分解速率，促進(jìn)大團(tuán)聚體的形成［30］。本研究中以EIS處理效果最好，其MWD及K值較SP處理增加幅度為11.50%與8.07%。這可能是由于粉壟耕作方式相比于傳統(tǒng)秸稈翻壓還田更有效地促進(jìn)了玉米秸稈與土壤的充分接觸，增加了土壤與玉米秸稈的接觸面積，起到了促進(jìn)腐解的作用，有效促進(jìn)了土壤大團(tuán)聚體（大于0.25 mm）的形成。而SM處理較低的土壤MWD、K值及大于0.25 mm 團(tuán)聚體數(shù)量則有可能是由于覆蓋秸稈難以與土壤充分接觸，難以達(dá)到玉米秸稈腐解產(chǎn)物直接快速作用于土壤的目的。

2.3 不同秸稈還田方式對(duì)土壤有機(jī)碳含量的影響

黑鈣土作為一種黏粒含量較低、對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)保護(hù)能力較弱的輕質(zhì)土壤，其有機(jī)質(zhì)礦化速率受人為擾動(dòng)的影響較大。不同秸稈還田方式對(duì)黑鈣土有機(jī)碳的影響如圖2所示，各處理有機(jī)碳含量表現(xiàn)為EIS＞SM＞SP＞CK。與CK相比，EIS、SP與SM處理下表層土壤有機(jī)碳含量分別增加了27.8%、15.9%與7.5%。說明秸稈還田有利于提高土壤有機(jī)碳含量，促進(jìn)土壤有機(jī)質(zhì)積累。Thomsen和Christensen［31］的研究同樣表明，秸稈還田使土壤有機(jī)碳源的輸入增加。Liu等［11］的研究表明，將秸稈混入土層并使其與土壤顆粒充分接觸，作物秸稈更易腐解轉(zhuǎn)化為土壤有機(jī)碳組分，有利于土壤團(tuán)聚體生成，增加土壤對(duì)有機(jī)碳的固持效果。土壤有機(jī)碳的積累同樣與作物根系的生長有密切的關(guān)系。張麗等［32］的研究表明，深松耕作促使玉米根系在土壤0～20 cm土層的分布相對(duì)減少，較多根系向下伸長生長，20 cm土層以下根干重、根長密度、根表面積密度和根體積密度均有所增加。而作物根系分布特性的改變，促使了有機(jī)質(zhì)積累特性的變化。秸稈均勻還田處理?xiàng)l件下較高的有機(jī)碳含量則說明，秸稈均勻還田通過粉壟耕作技術(shù)，有效促進(jìn)了秸稈與土壤的緊密接觸，促進(jìn)了作物根系生長，激發(fā)了土壤微生物活性，因此，相較于其他秸稈還田方式，秸稈均勻還田更有利于土壤有機(jī)碳積累。

表1 不同秸稈還田處理土壤團(tuán)聚體組成、平均當(dāng)量直徑(MWD)及水穩(wěn)系數(shù)(K)Table 1 Soil aggregates composition, mean weight diameter (MWD) and water stability coefficient (K) relative to treatment

2.4 不同秸稈還田方式對(duì)土壤腐殖質(zhì)組成的影響

圖2 不同秸稈還田處理的土壤有機(jī)碳含量Fig. 2 Soil organic carbon content relative to treatment

各處理土壤腐殖質(zhì)組分有機(jī)碳含量如表2所示，秸稈還田處理顯著增加了土壤腐殖質(zhì)各組分含量，但各秸稈還田處理間變化卻不盡相同。與CK相比，EIS顯著增加了土壤腐殖物質(zhì)（HEC）、土壤胡敏酸碳（HAC）和富里酸碳（FAC）含量，增加幅度分別為47.6%、63.3%與33.8%。對(duì)于不同秸稈還田處理，EIS較SP的增加幅度最為顯著，其較SP的HEC、HAC與FAC含量的增加幅度分別為28.2%、26.3%與30.4%。對(duì)于SM處理，EIS對(duì)其HEC、HAC與FAC含量的增加幅度則分別為8.2%、12.1%與4.3%。這一結(jié)果說明秸稈還田有利于土壤腐殖質(zhì)組分改善，而秸稈均勻還田方式對(duì)土壤腐殖質(zhì)積累效果最好。該結(jié)果與鄒洪濤等［33］的研究結(jié)果相似。這可能是由于秸稈還田后被土壤微生物礦化分解，促進(jìn)了土壤腐殖質(zhì)的形成。相比于傳統(tǒng)犁翻耕作方式，秸稈均勻還田使秸稈與土壤充分混合，有利于土壤微生物活性的增強(qiáng)，因此，相較于其他處理顯著促進(jìn)了玉米秸稈礦化分解和土壤腐殖質(zhì)的形成。

胡敏酸碳與富里酸碳的比值（HAC/FAC）是反映土壤有機(jī)質(zhì)腐殖化程度的重要指標(biāo)。從表2可以看出，秸稈還田處理增加了土壤HAC/FAC，但是與CK相比，SM處理下土壤HAC/FAC值略有增加，但變化并不顯著；而EIS與SP處理下土壤HAC/FAC值從0.88分別增加至1.10與1.07，增加幅度分別為25%與21.6%。張晉京和竇森［34］的研究結(jié)果表明，秸稈分解期間土壤腐殖質(zhì)各組分含量增加，土壤腐殖質(zhì)得到更新，活性增強(qiáng)。因此，隨著玉米秸稈礦化分解及土壤有機(jī)質(zhì)的形成，土壤胡敏酸在腐殖物質(zhì)中所占比例顯著提高，EIS與SP對(duì)土壤HAC/FAC的影響最為顯著。

表2 不同秸稈還田處理土壤腐殖質(zhì)組成Table 2 Soil humus composition relative to treatment

土壤腐殖質(zhì)色調(diào)系數(shù)Δlog K是衡量腐殖物質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度的一個(gè)重要指標(biāo)。ΔlogK值越大，土壤腐殖質(zhì)結(jié)構(gòu)越簡單；ΔlogK值越小，則腐殖質(zhì)結(jié)構(gòu)越復(fù)雜。各處理土壤胡敏酸與富里酸的Δlog K值如圖3所示，相比于CK處理，EIS、SM與SP等秸稈還田處理均增加了土壤富里酸的ΔlogK，其增加幅度分別為12.4%、16.1%與21.7%；對(duì)于土壤胡敏酸，僅有EIS處理略有增加，增加幅度為8.7%，而SM與SP處理則分別下降了7.7%、15.7%。因此，相比于CK及其他處理，秸稈均勻還田促使土壤胡敏酸及富里酸分子結(jié)構(gòu)簡單化。產(chǎn)生這一結(jié)果的原因可能是秸稈均勻還田有效促進(jìn)了玉米秸稈的腐解與轉(zhuǎn)化，使其被微生物分解轉(zhuǎn)化為新的且結(jié)構(gòu)較為簡單的土壤腐殖質(zhì)。

2.5 不同秸稈還田方式對(duì)土壤胡敏酸紅外光譜的影響

圖3 不同秸稈還田處理的土壤腐殖質(zhì)各組分色調(diào)系數(shù)Fig. 3 Δlog K values of soil humus relative to treatment

不同秸稈還田方式下土壤HA的傅里葉變換紅外光譜（FTIR）變化如圖4所示。腐殖物質(zhì)紅外光譜主要吸收峰的峰位及其歸屬［35］為：2 920 cm-1處代表不對(duì)稱脂族C-H伸縮振動(dòng)的峰，2 850 cm-1處代表-CH2-對(duì)稱脂族C-H伸縮振動(dòng)的峰，1 720 cm-1處代表羧基C=O伸縮振動(dòng)的吸收峰，1 620 cm-1處代表芳香C=C伸縮振動(dòng)的吸收峰，1 454 cm-1為脂族C-H變形振動(dòng)，1 230 cm-1為酰胺、羧基中-OH的變形振動(dòng)和C-O伸縮振動(dòng)，1 035 cm-1為多糖或類多糖物質(zhì)的C-O伸縮與硅氧化合物的Si-O伸縮振動(dòng)。并用2 920/1 720和2 920/1 620特征比值來反映腐殖質(zhì)分子的脂族鏈烴碳/羧基碳和脂族鏈烴碳/芳香碳的比值。

由圖4可見，不同秸稈還田方式土壤HA的紅外光譜特征基本相似，但各處理特征峰吸收強(qiáng)度上有不同程度的差異，反映了不同秸稈還田方式能夠引起黑鈣土壤HA的結(jié)構(gòu)單元和官能團(tuán)數(shù)量上的差異。對(duì)土壤HA主要吸收峰相對(duì)強(qiáng)度的半定量分析（表3）結(jié)果表明，EIS處理HA在2 920 cm-1、2 850 cm-1吸收峰的相對(duì)強(qiáng)度均高于CK、SP及SM，1 620 cm-1和1 720 cm-1吸收峰的相對(duì)強(qiáng)度小于CK，這說明秸稈均勻還田使HA脂肪鏈烴含量增加，芳香碳及羧基含量降低。相應(yīng)地，其在2 920/1 720和2 920/1 620處比值均高于CK、SP及SM，說明秸稈均勻還田使土壤HA脂族性增強(qiáng)。對(duì)于其他處理，SP處理在1 620 cm-1處較CK及EIS增幅較大，且2 920/1 620特征比值最小，這說明秸稈翻壓還田相比其他秸稈還田方式對(duì)HA芳香碳含量增幅較大；SM處理在2 920 cm-1、2 850 cm-1和1 620 cm-1吸收峰的相對(duì)強(qiáng)度均低于CK，1 720 cm-1吸收峰的相對(duì)強(qiáng)度大于CK，說明HA脂肪鏈烴與芳香碳含量減少，羧基含量增加。

圖4 不同秸稈還田處理土壤中胡敏酸的傅里葉變換紅外光譜Fig. 4 Fourier transform infrared spectroscopy spectra (FTIR)of soil HA relative to treatment

表3 不同秸稈還田方式對(duì)土壤胡敏酸的傅里葉變換紅外光譜主要吸收峰相對(duì)強(qiáng)度的影響Table 3 Relative intensity of the main absorption peaks in FTIR spectra of soil humic acid relative to treatment

Lynch等［36］通過13C NMR 對(duì)比分析作物秸稈和動(dòng)物糞便堆肥后土壤胡敏酸結(jié)構(gòu)特征，結(jié)果表明，作物秸稈堆肥下胡敏酸中碳水化合物低于其他處理，其脂肪族含量最高，脂族性最強(qiáng)。而Brunetti 等［37］認(rèn)為施用有機(jī)肥后土壤HA結(jié)構(gòu)縮合度下降，脂族性增強(qiáng)，芳香性減弱，HA 結(jié)構(gòu)趨于脂族化。本文得出類似結(jié)論可能是因?yàn)椋罕韺油寥烙捎谑茏魑锔导皞鹘y(tǒng)犁翻耕作的影響，土壤透氣性、透水性和微生物活性均高于亞表層土壤［38］；而秸稈均勻還田在使秸稈與表層土壤充分接觸的基礎(chǔ)上，加深了對(duì)亞表層土壤的擾動(dòng)作用，改變了氣體擴(kuò)散及團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)，充足的氧氣及與土壤充分接觸的秸稈刺激了微生物分泌和土壤酶活性的提高，較多的HA結(jié)構(gòu)被分解，同時(shí)隨著秸稈腐解，土壤中新生成了大量結(jié)構(gòu)較為簡單、脂族性強(qiáng)的HA分子，從而促進(jìn)了土壤中腐殖質(zhì)的更新與活化［39］。

2.6 不同秸稈還田方式對(duì)玉米產(chǎn)量的影響

由圖5可以看出，秸稈還田處理相比于不還田處理顯著促進(jìn)了玉米產(chǎn)量增長，但不同秸稈還田方式下玉米產(chǎn)量的變化卻不盡相同。相比于CK，EIS與SM顯著增加了單位面積玉米產(chǎn)量，其增加幅度為44.9%與39.9%；而SP 增長幅度較小，為7.7%。

圖5 不同秸稈還田處理?xiàng)l件下的玉米產(chǎn)量Fig. 5 Yield of maize relative to treatment

作物產(chǎn)量是衡量肥料施用效果及土地生產(chǎn)能力的重要參數(shù)，而作物產(chǎn)量又隨著不同外界因素的影響而產(chǎn)生變化。由表4不同秸稈還田方式玉米產(chǎn)量與土壤理化性質(zhì)的相關(guān)性分析可見，產(chǎn)量與土壤容重及土壤緊實(shí)度的相關(guān)系數(shù)為-0.780及-0.917，呈現(xiàn)極顯著負(fù)相關(guān)，說明降低土壤容重及土壤緊實(shí)度可以有效促進(jìn)作物產(chǎn)量的提升。而玉米產(chǎn)量與土壤有機(jī)碳含量以及HAC/FAC的相關(guān)系數(shù)為0.981與0.834，均呈極顯著正相關(guān)，說明土壤有機(jī)碳及土壤腐殖質(zhì)組分的增加可以有效促進(jìn)玉米產(chǎn)量的增加。因此，秸稈均勻還田相比于其他處理，通過粉壟耕作的方式有效降低了土壤容重及緊實(shí)度，又通過促使秸稈與土壤緊密接觸，有效促進(jìn)了土壤有機(jī)碳及腐殖物質(zhì)的積累，從而有效提高了玉米產(chǎn)量。

表4 不同秸稈還田處理玉米產(chǎn)量與土壤理化性質(zhì)的相關(guān)性Table 4 Correlation analysis of maize yield and soil physic-chemical properties relative to treatment

3 結(jié) 論

與CK相比，秸稈均勻還田有效降低了土壤容重及土壤緊實(shí)度，提高了土壤團(tuán)聚體水穩(wěn)定性及大于0.25 mm土壤團(tuán)聚體含量，改善了土壤結(jié)構(gòu)，增加了土壤有機(jī)碳含量，有效促進(jìn)了土壤腐殖質(zhì)積累，并顯著提高了玉米產(chǎn)量。相比于秸稈翻壓還田及秸稈覆蓋還田，秸稈均勻還田處理效果最為明顯，其顯著促進(jìn)了作物秸稈的分解與轉(zhuǎn)化，使土壤胡敏酸及富里酸分子結(jié)構(gòu)簡單化。秸稈還田后HA結(jié)構(gòu)氧化度和縮合度呈下降趨勢(shì)，脂族鏈烴和芳香碳含量增加，HA 結(jié)構(gòu)簡單化、年輕化，而秸稈均勻還田則對(duì)土壤HA結(jié)構(gòu)及特征變化影響更顯著。綜上所述，秸稈均勻還田對(duì)于改善土壤結(jié)構(gòu)，提高土壤肥力具有非常重要的作用，是一種較為適合在東北地區(qū)推廣的秸稈還田模式。