張玉銘, 胡春勝**, 陳素英, 王玉英, 李曉欣,董文旭, 劉秀萍, 裴 林, 張 惠

(1.中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所農(nóng)業(yè)資源研究中心/河北省土壤生態(tài)學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/中國科學(xué)院農(nóng)業(yè)水資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室石家莊 050022; 2.河北省中醫(yī)藥科學(xué)院 石家莊 050051; 3.石家莊市欒城區(qū)農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心 石家莊 051430)

土壤團(tuán)聚體是土壤結(jié)構(gòu)的基本單元, 是土壤有機(jī)碳氮賦存與固持的載體, 其形成及穩(wěn)定性與土壤有機(jī)碳氮密切相關(guān), 對土壤肥力的培育與發(fā)揮具有至關(guān)重要的作用, 是評價土壤質(zhì)量的重要指標(biāo)之一[1-2]。作為土壤養(yǎng)分的儲存庫和各種土壤微生物的生境,土壤團(tuán)聚體的數(shù)量和大小的分布及其穩(wěn)定性影響著土壤質(zhì)量, 良好的土壤結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定的團(tuán)聚體利于提高土壤孔隙度、改良土壤肥力和降低土壤可蝕性。土壤碳氮是土壤質(zhì)量和功能的核心, 是土壤肥力的重要物質(zhì)基礎(chǔ)[3-4]。土壤團(tuán)聚體的形成和有機(jī)碳氮含量的提高是兩個互相促進(jìn)的過程: 一方面, 土壤有機(jī)碳氮作為土壤團(tuán)聚體形成的膠結(jié)物質(zhì), 對土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性具有顯著影響[5]; 另一方面, 穩(wěn)定的團(tuán)聚體能夠?qū)x存于其中的有機(jī)碳氮形成有效的保護(hù), 土壤團(tuán)聚體的物理保護(hù)或物理化學(xué)保護(hù)導(dǎo)致有機(jī)碳氮與生物的空間隔絕, 使之避免受到土壤微生物的降解, 是土壤有機(jī)碳氮固持的重要機(jī)制。

通常大團(tuán)聚體(>0.25 mm)能夠儲存更多的有機(jī)碳, 但是容易被破壞, 形成微團(tuán)聚體(<0.25 mm), 微團(tuán)聚體對有機(jī)碳具有較強(qiáng)的物理保護(hù)作用, 被認(rèn)為是碳吸存的主要場所。研究表明, 團(tuán)聚體中有機(jī)碳和全氮含量隨粒徑減小而增加, 由于粒徑越小, 比表面積越大, 表面吸附能力越高, 致使團(tuán)聚體中碳氮含量隨粒徑減小而增加?！?.25 mm團(tuán)聚體中有機(jī)碳主要以穩(wěn)定的腐殖質(zhì)碳占優(yōu)勢, 由于其不斷積累而總有機(jī)碳含量升高; 大團(tuán)聚體中有機(jī)碳則主要以易分解礦化的活性有機(jī)碳占優(yōu)勢, 由于活性有機(jī)碳分解、礦化而總有機(jī)碳含量不斷降低, 從而致使<0.25 mm團(tuán)聚體有機(jī)碳含量最高。大團(tuán)聚體中的有機(jī)碳更年輕、更容易礦化; 微團(tuán)聚體中有機(jī)碳大多以高度腐殖化的惰性組分存在。土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定與更新周轉(zhuǎn)受到耕作與秸稈還田方式的驅(qū)動[6-7]。不同的耕作方式及秸稈還田方式可顯著影響土壤團(tuán)聚體數(shù)量、穩(wěn)定性等團(tuán)聚體特征, 從而對土壤團(tuán)聚狀況及有機(jī)碳氮固持產(chǎn)生顯著影響。土壤耕作會降低水穩(wěn)定性大團(tuán)聚體的含量和有機(jī)碳庫儲量[8], 大量研究表明,≥0.25 mm團(tuán)聚體對耕作措施敏感, 翻耕破壞土壤大團(tuán)聚體, 致使團(tuán)聚體中有機(jī)碳暴露, 不僅增加了有機(jī)質(zhì)的輸出, 還加劇了土壤溫室氣體排放。而秸稈還田能增加土壤團(tuán)聚化過程, 可在一定程度上減少耕作活動對團(tuán)聚體的破壞作用, 提高土壤大團(tuán)聚體含量[9], 有效改善土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu), 保持團(tuán)聚體穩(wěn)定性, 加速土壤中大團(tuán)聚體上有機(jī)碳氮的累積。因此, 提升大團(tuán)聚體中有機(jī)碳和氮含量不僅可以提升土壤肥力水平, 亦可以提升土壤固碳氮能力, 進(jìn)而減少土壤二氧化碳、氧化亞氮和甲烷的輸出, 減少農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對環(huán)境帶來的負(fù)面影響。

華北平原是我國重要的糧食主產(chǎn)區(qū)之一, 耕地面積占全國耕地總面積的1/4, 主要種植模式是小麥(Triticum aestivum)-玉米(Zea mays)輪作, 全國76%的小麥和29%的玉米產(chǎn)自該區(qū)域。由于長期實(shí)行秸稈全量還田與土壤淺旋耕耕作, 土壤耕層變淺、犁底層加厚、養(yǎng)分表聚等一系列土壤質(zhì)量問題凸顯[10-11], 已成為制約本區(qū)域糧食持續(xù)高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)的現(xiàn)實(shí)問題[12]。近年來, 農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中廣泛采用深耕/松等耕作方式來打破犁底層, 加大秸稈還田深度, 改善土壤結(jié)構(gòu)、恢復(fù)耕層深度[13-15], 對耕作層進(jìn)行重構(gòu), 降低土壤亞表層容重, 提高亞表層土壤碳氮含量, 促進(jìn)作物的高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)。雖然目前深耕/松及秸稈還田措施下對土壤物理性質(zhì)、有機(jī)碳氮含量及作物生產(chǎn)力等方面影響的研究多見報道[16-17], 但現(xiàn)有研究較少涉及改變耕作與秸稈還田方式后土壤團(tuán)聚體特征及其關(guān)聯(lián)碳氮庫的對比研究。因此, 本研究基于中國科學(xué)院欒城農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)試驗(yàn)站轉(zhuǎn)變耕作與秸稈還田方式定位試驗(yàn), 通過對比長期秸稈旋耕還田及旋耕轉(zhuǎn)變?yōu)榻斩捝罡€田與深埋還田的土壤團(tuán)聚體分布、穩(wěn)定性及其碳氮庫變化, 探討轉(zhuǎn)變耕作方式和秸稈還田方式對土壤團(tuán)聚體碳氮庫的影響, 對進(jìn)一步了解耕作方式變化后的土壤團(tuán)聚體特征及土壤碳氮庫周轉(zhuǎn)具有重要意義, 為改革耕作制度、優(yōu)化秸稈還田方式提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地位于中國科學(xué)院欒城農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)試驗(yàn)站(114°40′E, 37°50′N, 平均海拔50.1 m)。該站位于華北太行山前平原中部, 屬中國東部暖溫帶半濕潤季風(fēng)氣候, 年平均氣溫12.2 ℃, 降雨主要集中在7、8、9月, 雨熱同期, 無霜期200 d左右。供試土壤類型為潮褐土。種植制度為冬小麥-夏玉米輪作制。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)始于2016年10月小麥播種, 本試驗(yàn)設(shè)置5個處理, 每個處理3次重復(fù)。(1)小麥、玉米兩季秸稈全部移出, 土壤旋耕(對照1, RT)。以下各處理秸稈全部還田, 小麥-玉米輪作期間, 小麥秸稈全部覆蓋還田, 玉米秸稈粉碎后根據(jù)試驗(yàn)處理采取不同的還田方式, 具體為: (2)旋耕還田(對照2, SR), 玉米秸稈粉碎后利用旋耕犁旋耕2遍, 將秸稈還田至0～15 cm土層。(3)深耕還田(SP), 玉米秸稈粉碎后利用深耕犁將秸稈翻耕至0～20 cm土層。(4)秸稈集中深混埋至0～40 cm土層(SID, 簡稱“秸稈深混埋”), 以120 cm為一幅寬, 劃分為40 cm?40 cm?40 cm 3部分, 將120 cm幅寬內(nèi)的玉米秸稈全部集中到第1個40 cm幅寬處深埋在0～40 cm土層, 即該處理的秸稈還田量相當(dāng)于常規(guī)還田量的3倍; 秸稈還田的40 cm幅寬處不播種小麥, 無秸稈的其他兩個40 cm幅寬處旋耕后播種小麥, 播量相當(dāng)于120 cm幅寬的播量, 即在80 cm播幅上進(jìn)行小麥密播, 避免了秸稈旋耕還田造成的小麥播種質(zhì)量差的問題; 第2年和第3年秸稈還田位置依次移至第2個和第3個40 cm條帶, 3年為一輪回。該還田方式實(shí)現(xiàn)了秸稈增量錯位集中深還, 避免了年年進(jìn)行土壤的深翻耕, 配套種植方式, 可提高小麥播種質(zhì)量和出苗率。(5)秸稈集中深埋至30～40 cm土層(SBD, 簡稱“秸稈深埋”), 本處理秸稈還田模式與作物種植方式基本與處理3相似, 只是秸稈還田深度有所不同, 本處理將秸稈集中深埋至30～40 cm土層; 2個秸稈深還處理的供試土壤均采自秸稈還田條帶。各處理肥料施用量相同, 為: 每年施用400 kg(N)?hm?2、120 kg(P2O5)?hm?2、75 kg(K2O)?hm?2.。磷鉀肥全部用于小麥底肥。氮肥小麥、玉米季各占1/2。

1.3 樣品采集與測定方法

1.3.1 樣品采集

2018年9月玉米收獲后, 在每個試驗(yàn)小區(qū)按照S型5點(diǎn)取樣法在0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm各土層采集原狀土樣約2 kg, 自然風(fēng)干后去除粗根和小石塊, 將大土塊按自然紋理剝離為1 cm3左右的小土塊作為待測樣品。

1.3.2 機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體測定

采用干篩法[18]測定。稱取上述待測土樣200 g,放入孔徑2 mm的土篩中, 套篩由上到下孔徑依次為2 mm、1 mm、0.25 mm和0.053 mm, 底層安放底盒,以收取粒徑<0.053 mm的土壤, 套篩頂部有篩蓋。裝好土壤后, 用振蕩式篩分儀在最大功率下振蕩10 min,從上部依次取篩, 將各級網(wǎng)篩的土樣分別收集稱重,得到粒徑>2 mm、1～2 mm、0.25～1 mm、0.053～0.25 mm和<0.053 mm的機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體質(zhì)量。

1.3.3 水穩(wěn)性團(tuán)聚體測定

采用濕篩法[19]測定。按照干篩后的土壤團(tuán)聚體分布比例, 稱取50 g相當(dāng)于烘干土的風(fēng)干土樣, 平鋪于套篩最大孔徑的土篩上, 套篩孔徑同干篩法。調(diào)整桶內(nèi)水面高度, 使篩子移動到最高位置時最上一層篩子中的土樣淹沒在水面之下。先在水面下浸泡5 min, 然后以上下3 cm的振幅、25次?min?1的振蕩頻率振蕩2 min, 將每個篩子上的水穩(wěn)性團(tuán)聚體分別沖洗入已稱重的三角瓶內(nèi)(<0.053 mm的團(tuán)聚體靜置48 h后再收集), 65 ℃烘干、稱重; 之后再向每個瓶中加入10 mol?L?1的六偏磷酸鈉10 mL振蕩45 min,分散后分別過相應(yīng)孔徑的篩子, 收集各級篩子上的殘留物, 65 ℃烘干, 再次稱重。通過換算即得到孔徑>2 mm、1～2 mm、0.25～1 mm、0.053～0.25 mm和<0.053 mm的水穩(wěn)性團(tuán)聚體質(zhì)量。

1.3.4 土壤全氮和有機(jī)碳測定

采用元素分析儀(vario MACRO cube; Elementar,Germany)測定土壤全土和不同粒級團(tuán)聚體的全氮含量; 采用重鉻酸鉀氧化法測定全土和不同粒級團(tuán)聚體的有機(jī)碳含量。

1.4 相關(guān)指標(biāo)計(jì)算與數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析方法

1.4.1 相關(guān)指標(biāo)計(jì)算

利用干篩法和濕篩法所得到的各粒級團(tuán)聚數(shù)據(jù),計(jì)算各粒級團(tuán)聚體含量、粒徑>0.25 mm團(tuán)聚體含量、團(tuán)聚體平均重量直徑、團(tuán)聚體破壞率、團(tuán)聚體穩(wěn)定率和團(tuán)聚體養(yǎng)分貢獻(xiàn)率, 計(jì)算公式如下[3,7-9]:

式中: WSAi為i粒級機(jī)械穩(wěn)定性或水穩(wěn)性團(tuán)聚體質(zhì)量百分含量(%),Wi為各粒級機(jī)械穩(wěn)定性或水穩(wěn)性團(tuán)聚體重量(g),WT為供試土壤總重量(g),R0.25為粒徑>0.25 mm團(tuán) 聚 體含量(%),Mr>0.25、Mwr>0.25和MDr>0.25分別為粒徑>0.25 mm團(tuán)聚體、水穩(wěn)性和機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體重量(g),MT為 團(tuán)聚體的總重量(g), M WD為團(tuán)聚體重量直徑(mm),n為粒徑分組的組數(shù),Xi為某一級別粒徑組分的平均直徑(mm), P AD為團(tuán)聚體破壞率(%), DR0.25和 WR0.25分別為粒徑>0.25 mm機(jī)械穩(wěn)定性和水穩(wěn)性團(tuán)聚體質(zhì)量百分含量(%), WSAR為團(tuán)聚體穩(wěn)定率(%), C Ri為i粒級團(tuán)聚體養(yǎng)分在土壤中的貢獻(xiàn)率(%),Ci為i粒級團(tuán)聚體中養(yǎng)分含量(g?kg?1),CT為土壤養(yǎng)分含量(g?kg?1)。

1.4.2 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

采用Microsoft Excel 2013軟件處理數(shù)據(jù)及繪圖,采用SPSS17.0進(jìn)行不同處理間差異顯著性分析(P<0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 耕作與秸稈還田方式對土壤機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體分布特征的影響

圖1給出了不同秸稈還田方式下土壤機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體組成。結(jié)果表明, 各處理不同粒級團(tuán)聚體分布趨勢一致, 均以>0.25 mm粒級的團(tuán)聚體為主, 占總土重的76.6%～88.3%。其中, >2 mm的大團(tuán)聚體占總土重的35.7%～53.7%, 0.25 mm～2 mm的小團(tuán)聚體30.2%～44.8%; 粒徑小于0.25 mm的微團(tuán)聚體與粉粒和黏粒在土壤中所占比例很小, 僅為12.7%～23.6%。土壤結(jié)構(gòu)主要取決于>0.25 mm的團(tuán)聚體含量, 其含量越多, 說明土壤團(tuán)聚性越好, 團(tuán)聚體越穩(wěn)定。改變秸稈旋耕還田(SR處理)為深層還田可以提高>0.25 mm粒級的團(tuán)聚體含量, 以秸稈深混埋(SID處理)的>0.25 mm粒徑團(tuán)聚體含量最高, 其次為秸稈深埋(SBD處理)和秸稈深耕還田(SP處理)。>0.25 mm粒級團(tuán)聚體含量秸稈深混埋處理較傳統(tǒng)秸稈旋耕還田(對照)增加8.4% (0～10 cm土層)、8.0% (10～20 cm土層)、5.1% (20～30 cm土層)和9.8% (30～40 cm土層), 秸稈深埋較對照增加1.3% (0～10 cm土層)、4.3% (10～20 cm土層)、1.0% (20～30 cm土層)和3.2% (30～40 cm土層), 秸稈深耕還田較對照增加2.3% (0～10 cm土層)、2.5% (10～20 cm土層)、1.0%(20～30 cm土層)和?2.7% (30～40 cm土層)。秸稈深耕還田只是將秸稈還田至0～20 cm土層, 對亞耕層土壤(20～40 cm)無擾動, 但其耕作過程中形成的犁底層較旋耕偏下, 這有可能是造成30～40 cm土層SP處理>0.25 mm粒徑團(tuán)聚體含量低于SR處理的原因之一。

圖1 耕作與秸稈還田方式對土壤機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體組成的影響Fig.1 Effects of tillage and straw returning methods on the composition of soil mechanically stable aggregates

土壤中大團(tuán)聚體, 特別是>1 mm的大團(tuán)聚體能合理調(diào)節(jié)土壤通氣與持水、養(yǎng)分釋放與保持之間的矛盾, 是植物良好的生長基礎(chǔ)。秸稈深層還田的SID和SBD處理分別較傳統(tǒng)的秸稈旋耕還田使>1.0 mm大團(tuán)聚體增加2.9%～25.3%和1.2%～15.1%。由此可見, 通過改進(jìn)秸稈還田方式可以有效地改善土壤結(jié)構(gòu), 提高其蓄水保墑保肥能力, 為實(shí)現(xiàn)作物的高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)奠定基礎(chǔ)。

2.2 耕作與秸稈還田方式對水穩(wěn)定性土壤團(tuán)聚體分布特征的影響

圖2顯示了不同耕作與秸稈還田方式下0～40 cm土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體分布情況。結(jié)果表明, 不同處理間水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量與干篩法測定的機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體相比, >1 mm粒徑的團(tuán)聚體含量明顯減少, 減少幅度為7.8%～44.0%, 減少幅度越大表明該粒級團(tuán)聚體水穩(wěn)定性越差; 比較圖2和圖1不難看出, 0～10 cm土層, 秸稈深層還田(SID和SBD)兩處理減少幅度明顯大于SR和SP處理, 而隨著土層加深, SR和SP兩處理的減少幅度逐漸增加, 并明顯大于SID和SBD兩處理。這表明, 秸稈旋耕還田和深耕還田提高了表層土壤>1 mm粒徑的團(tuán)聚體水穩(wěn)定性, 而秸稈深層還田則提高了亞耕層土壤>1 mm粒徑的團(tuán)聚體水穩(wěn)定性。而對于 0.25～1 mm粒級水穩(wěn)定性團(tuán)聚體含量, 與機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體含量相比則普遍增加,增加幅度為7.2%～36.8%, 這表明在水力作用下部分粒徑>1 mm機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體崩塌進(jìn)入0.25～1 mm粒徑團(tuán)聚體。不同處理間, 0.25～1 mm粒級團(tuán)聚體增加的幅度不盡相同, 總體趨勢是表層以秸稈深混埋和秸稈深埋增加幅度較大, 而深層土壤以秸稈旋耕還田和秸稈深耕還田增加幅度較大。不同秸稈還田方式對>2 mm粒級的大團(tuán)聚體和0.25～2 mm的小團(tuán)聚體的水穩(wěn)性影響存在較大差異, 秸稈深層還田主要增加10 cm以下土層土壤水穩(wěn)性大團(tuán)聚體含量(>2 mm), 而表層主要增加了水穩(wěn)性小團(tuán)聚體含量(0.25～2 mm), 由此可見水穩(wěn)性大團(tuán)聚體和小團(tuán)聚體含量的消長受到了秸稈還田方式的影響。0～20 cm土層不同處理間>0.25 mm的水穩(wěn)性團(tuán)聚體總含量無明顯差異, 而亞耕層土壤(20～40 cm)>0.25 mm的水穩(wěn)性團(tuán)聚體總含量以秸稈深還處理(SID和SBD)明顯高于SR和SP處理, 這表明短期內(nèi)秸稈還田方式不同還不足以影響0～20 cm耕層土壤>0.25 mm粒徑的團(tuán)聚體的總含量, 而對于20～40 cm亞耕層土壤, 由于SID和SBD兩處理中3倍于常規(guī)秸稈量的秸稈集中還至該層, 大量秸稈的引入促進(jìn)了土壤團(tuán)聚化進(jìn)程, 提高了團(tuán)聚體的水穩(wěn)定性。

圖2 耕作與秸稈還田方式對土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體組成的影響Fig.2 Effects of tillage and straw returning methods on soil water-stable aggregate composition

2.3 耕作與秸稈還田方式對土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的影響

秸稈還田方式不僅對土壤團(tuán)聚體分布產(chǎn)生影響,也會導(dǎo)致團(tuán)聚體穩(wěn)定性的不同。秸稈深層還田顯著提高了耕層土壤機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體的平均重量直徑;而秸稈還田方式對水穩(wěn)性團(tuán)聚體平均重量直徑的影響趨勢則略有不同, 秸稈深層還田顯著增加了下層土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體平均重量直徑, 而表層土壤則表現(xiàn)為秸稈深耕還田>秸稈旋耕還田>秸稈深埋>秸稈深混埋(圖3), 究其原因, 秸稈深混埋和秸稈深埋使大量秸稈進(jìn)入10 cm以下土層, 下層土壤孔隙氧氣含量低, 秸稈腐解過程中有機(jī)碳氧化形成二氧化碳少,有機(jī)碳損失少, 更多地形成膠結(jié)物質(zhì)將微團(tuán)聚體和黏粒礦物膠結(jié)起來, 提高了下層土壤大團(tuán)聚體的含量及其水穩(wěn)定性。而對于秸稈旋耕還田和秸稈深耕還田處理, 大部分秸稈仍保留在表層土壤中, 其腐解產(chǎn)物對土壤團(tuán)聚體起到了膠結(jié)作用, 提高了表層土壤大團(tuán)聚體含量及其水穩(wěn)性。

圖3 耕作與秸稈還田方式對土壤機(jī)械穩(wěn)定性(A)和水穩(wěn)性(B)團(tuán)聚體平均重量直徑的影響Fig.3 Effect of tillage and straw returning methods on the mean weight diameter of soil mechanically stable (A) and water stable (B) aggregates

將土壤團(tuán)聚體平均重量直徑與>0.25 mm團(tuán)聚體含量進(jìn)行線性擬合, 結(jié)果顯示, 二者之間有極顯著正相關(guān)關(guān)系, 水穩(wěn)性團(tuán)聚體平均重量直徑與>0.25 mm粒級團(tuán)聚體含量相關(guān)性高于機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體, 相關(guān)系數(shù)分別為0.8453和0.7446 (圖4)。說明機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體和水穩(wěn)性團(tuán)聚體的平均重量直徑主要由>0.25 mm的團(tuán)聚體所組成。土壤>0.25 mm團(tuán)聚體的含量越多, 團(tuán)聚體的平均重量直徑越大, 土壤結(jié)構(gòu)也越穩(wěn)定。

圖4 土壤粒徑>0.25 mm水穩(wěn)性(a)和機(jī)械穩(wěn)定性(b)團(tuán)聚體含量(R0.25)與團(tuán)聚體平均重量直徑(MWD)間的關(guān)系Fig.4 Relationship between mean weight diameter of soil aggregates (MWD) and contents of water stable (a) and mechanically stable (b) soil aggregates with >0.25 mm size (R0.25)

團(tuán)聚體的結(jié)構(gòu)破壞率和團(tuán)聚體穩(wěn)定率是反映土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的指標(biāo), 結(jié)構(gòu)破壞率越小和穩(wěn)定率越大, 代表土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性越高。表1表明,>1 mm的各粒級團(tuán)聚體的結(jié)構(gòu)破碎率均為正值, 表明這部分水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量在土壤中所占的比例低于機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體所占的比例, 亦即經(jīng)過濕篩會使該粒級的機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體部分遭到破壞而成為較小粒級團(tuán)聚體, 換言之, >1 mm的土壤團(tuán)聚體水穩(wěn)定性較差。對于0.25～1 mm粒徑團(tuán)聚體而言, 其結(jié)構(gòu)破壞率均為負(fù)值, 說明該粒級水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量在土壤中所占的比例高于機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體所占的比例, 即濕篩使>1 mm的機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體崩塌成為粒徑0.25～1 mm團(tuán)聚體或粒級更小的團(tuán)聚體。從團(tuán)聚體穩(wěn)定率不難看出, 0.25～1 mm粒級團(tuán)聚體穩(wěn)定性遠(yuǎn)高于>1 mm的團(tuán)聚體。秸稈深層還田(SID和SBD處理)顯著降低了亞耕層(20～40 cm)土壤>2 mm粒徑團(tuán)聚體的結(jié)構(gòu)破碎率(P<0.05), 提高了亞耕層土壤的大團(tuán)聚體穩(wěn)定性。

表1 不同耕作與秸稈還田方式下土壤團(tuán)聚體的破碎率和穩(wěn)定率Table 1 Fragmentation rates and stability rates of soil aggregates with different sizes under different tillage and straw returning methods

2.4 耕作與秸稈還田方式對土壤全氮及團(tuán)聚體氮庫的影響

土壤耕作與秸稈還田方式對全氮在耕層土壤垂向分布的影響如圖5所示。結(jié)果表明, 相同耕作措施下, 秸稈還田顯著增加了耕層土壤全氮含量, 秸稈還田方式顯著影響全氮在耕層土壤的垂向分布。與無秸稈還田旋耕(RT)處理相比, 秸稈旋耕還田顯著提高了10～20 cm土壤全氮含量(P<0.05), 秸稈深耕還田處理顯著提高了0～10 cm土壤全氮含量(P<0.05); 20～30 cm土層秸稈旋耕和深耕還田處理較無秸稈處理全氮略有增加, 但未達(dá)到顯著性差異;30～40 cm土層3個處理間全氮含量無差異。這表明秸稈實(shí)施旋耕與深翻耕還田只對20 cm以上土層產(chǎn)生了影響。其中, 0～10 cm土層秸稈旋耕還田和深翻耕還田分別比無秸稈還田處理全氮增加14.8%和35.5%, 10～20 cm土層則分別增加63.7%和44.8%。而對于秸稈深混埋與深埋處理, 由于作業(yè)方式對0～40 cm土層的土壤擾動較大, 徹底打破了原有耕層土壤垂向布局, 對耕層土壤發(fā)生了重構(gòu), 在耕層重構(gòu)過程中秸稈進(jìn)行了深層還田, 與傳統(tǒng)的旋耕和深翻耕相比, 秸稈深混埋和秸稈深埋處理0～20 cm土層全氮顯著降低, 而20～40 cm亞耕層土壤全氮增加, 秸稈深埋處理差異達(dá)顯著水平(P<0.05)。由此, 實(shí)現(xiàn)了0～40 cm全耕層氮素垂向的均勻分布, 消除了長期秸稈旋耕還田造成的養(yǎng)分表聚現(xiàn)象(圖5)。

圖5 耕作與秸稈還田方式對氮素在耕層土壤垂向分布的影響Fig.5 Effects of tillage and straw returning methods on vertical distribution of nitrogen in plough soil layer

從耕作與秸稈還田方式對各粒級土壤團(tuán)聚體全氮含量來看(表2), 各處理的不同粒級團(tuán)聚體全氮含量以粒徑<0.053 mm的粉黏粒中最高, 其次為粒徑>0.25 mm的小團(tuán)聚體和大團(tuán)聚體, 微團(tuán)聚體(0.053～0.25 mm)中氮素含量最低。與無秸稈旋耕處理相比,秸稈旋耕還田與深耕還田顯著增加了20 cm以上各粒級團(tuán)聚體全氮含量(P<0.05), 20 cm以下土層各粒級團(tuán)聚體全氮含量3個處理間無顯著差異。將秸稈進(jìn)行深混埋和深層填埋, 顯著降低了0～10 cm土層各粒級團(tuán)聚體中全氮含量(P<0.05), 其中, >2 mm大團(tuán)聚體中降低28.2%和37.6%, 0.25～2 mm小團(tuán)聚體中降低30.9%和44.8%, 0.053～0.25 mm微團(tuán)聚體中降低39.0%和50.0%, 粉黏粒中降低42.6%和58.9%, 隨著粒徑的減小氮素減少幅度呈增加趨勢; 在10～20 cm土層, 秸稈深混埋處理各粒級團(tuán)聚體全氮含量呈增加趨勢, 增加幅度為1.5%～10.6%, 均未達(dá)到顯著水平; 而秸稈深埋處理各粒級團(tuán)聚體氮素含量仍低于秸稈旋耕處理, 減少幅度為8.5%～32.7%; 在20～30 cm土層, 秸稈實(shí)行深層還田的兩個處理各粒級團(tuán)聚體氮素含量均有所增加(除秸稈深混埋處理<0.053 mm降低13.2%), 增加幅度為14.7%～47.0%, 但均未達(dá)到顯著性差異; 在30～40 cm土層, 由于作業(yè)過程中將秸稈集中深埋致該土層, 使各粒級團(tuán)聚體全氮含量增加, 增加幅度為69.78%～88.9%, 粒徑>0.25 mm團(tuán)聚體中全氮含量增加幅度高于<0.25 mm團(tuán)聚體, 表明填埋于該層次的秸稈腐解過程中腐殖質(zhì)將粉黏粒和微團(tuán)聚體膠結(jié)成為小團(tuán)聚體和大團(tuán)聚體, 將氮素賦存于粒徑>0.25 mm團(tuán)聚體中。

耕作與秸稈還田方式對土壤團(tuán)聚體氮素貢獻(xiàn)率的影響如表3所示。各處理對土壤團(tuán)聚體氮素貢獻(xiàn)率主要分布在>0.25 mm的團(tuán)聚體中, <0.25 mm的微團(tuán)聚體和粉黏粒全氮貢獻(xiàn)率均較小。耕作與秸稈還田方式對土壤團(tuán)聚體氮素貢獻(xiàn)率的影響主要發(fā)生在0～10 cm土層和30～40 cm土層, 秸稈旋耕與深耕還田主要增加了0～10 cm土層>2 mm團(tuán)聚體對土壤氮素的貢獻(xiàn)率, 而秸稈深層還田則相對增加了該層0.25～1 mm團(tuán)聚體對土壤氮素的貢獻(xiàn)率。而在30～40 cm土層, 秸稈深層還田則主要增加了>2 mm團(tuán)聚體對土壤氮素的貢獻(xiàn)率, 秸稈旋耕和深耕還田相對增加了0.25～1 mm團(tuán)聚體對土壤氮素的貢獻(xiàn)率。隨著土壤深度的加深, 0.053～0.25 mm的微團(tuán)聚體土壤氮素的貢獻(xiàn)率呈增加的趨勢。這表明秸稈還田和耕作對土壤的擾動深度影響了耕作層土壤氮素在團(tuán)聚體中的分布及其對土壤氮庫的貢獻(xiàn)。

表3 耕作與秸稈還田方式對土壤團(tuán)聚體全氮貢獻(xiàn)率的影響Table 3 Contribution rates of soil aggregates with different sizes to soil nitrogen under tillage and straw returning methods

2.5 耕作與秸稈還田方式對土壤總有機(jī)碳及團(tuán)聚體有機(jī)碳庫的影響

圖6顯示了耕作與秸稈還田方式對土壤有機(jī)碳在0～40 cm耕作層垂向分布的影響。結(jié)果表明, 不同處理有機(jī)碳在耕層土壤中的垂向分布特征與全氮相同。秸稈旋耕還田與深耕還田很難消除養(yǎng)分表聚現(xiàn)象, 土壤有機(jī)碳含量以0～10 cm表層最高, 隨著深度向下延伸, 有機(jī)碳含量逐漸降低; 20 cm以上土層有機(jī)碳含量顯著高于秸稈深層還田的兩個處理, 而20 cm以下的亞耕層土壤有機(jī)碳則低于秸稈深層還田處理。對于秸稈深混埋(SID)和深埋(SBD)兩個處理, 各層土壤有機(jī)碳含量基本趨同。表明秸稈深層還田有效改善了土壤有機(jī)碳垂向分布, 消除了養(yǎng)分的層化現(xiàn)象, 對實(shí)現(xiàn)全耕層土壤培肥起到了積極作用。

圖6 耕作與秸稈還田方式對有機(jī)碳在耕層土壤垂向分布的影響Fig.6 Effects of tillage and straw returning methods on vertical distribution of organic carbon in plough soil layer

各粒級水穩(wěn)性團(tuán)聚體有機(jī)碳含量(表4) 分析結(jié)果表明, 隨著團(tuán)聚體粒徑增加, 土壤有機(jī)碳含量呈增加趨勢。耕作與秸稈還田方式對有機(jī)碳在土壤團(tuán)聚體中的分布產(chǎn)生影響, 0～10 cm土層中秸稈深層還田兩個處理各粒級團(tuán)聚體有機(jī)碳含量顯著低于秸稈旋耕與深耕還田方式(P<0.05); 10～20 cm土層與0～10 cm土層各處理團(tuán)聚體有機(jī)碳含量變化趨勢相同, 但各處理間粒徑>0.25 mm團(tuán)聚體有機(jī)碳含量無顯著性差異; 20～30 cm土層, 秸稈深混埋處理各粒級團(tuán)聚體有機(jī)碳均有增加, 但只有>2 mm大團(tuán)聚體有機(jī)碳含量顯著增加(P<0.05), 而秸稈深埋處理除對粉黏粒有機(jī)碳含量無顯著影響外, 均顯著提高了其他各粒級團(tuán)聚體有機(jī)碳含量(P<0.05); 對于30～40 cm土層, 秸稈深層還田的兩個處理均顯著提高了各粒級團(tuán)聚體有機(jī)碳含量(P<0.05)。這表明由于不同耕作措施下秸稈還田位置存在差異, 致使不同層次土壤有機(jī)碳在團(tuán)聚體中的分布規(guī)律亦存在差異。

表4 耕作與秸稈還田方式對土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳分布的影響Table 4 Effects of tillage and straw returning methods on organic carbon contents in soil aggregate with different sizes

由于受團(tuán)聚體有機(jī)碳含量和水穩(wěn)性團(tuán)聚體構(gòu)成的雙重影響, 各處理土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳貢獻(xiàn)率主要分布在0.25～1 mm和>2 mm粒級團(tuán)聚體中, 多數(shù)情況下二者貢獻(xiàn)率相當(dāng), 貢獻(xiàn)率變幅分別為29.3%～68.4%和19.3%～59.6%; 其次為1～2 mm粒級團(tuán)聚體,貢獻(xiàn)率變幅為5.2%～26.8%; 再次為0.053～0.25 mm微團(tuán)聚體, 貢獻(xiàn)率變幅為5.8%～18.8%。且微團(tuán)聚體對土壤有機(jī)碳的貢獻(xiàn)有隨土壤深度的加深而增加的趨勢; 粒級<0.053 mm的粉黏粒對土壤有機(jī)碳的貢獻(xiàn)很微弱, 僅為1.2%～5.0%。秸稈深層還田顯著增加了20～40 cm亞耕層土壤粒級>2 mm大團(tuán)聚體有機(jī)碳貢獻(xiàn)率, 而降低了<1 mm粒級團(tuán)聚體有機(jī)碳貢獻(xiàn)率, 表明秸稈深層還田利于有機(jī)碳在大團(tuán)聚體中的賦存(表5)。

表5 耕作與秸稈還田方式對土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳貢獻(xiàn)率的影響Table 5 Contribution rates of soil aggregates with different sizes to soil organic carbon %

3 討論

土壤結(jié)構(gòu)性能與土地利用方式、管理措施密切相關(guān)。耕作、種植、施肥、秸稈還田等農(nóng)業(yè)管理措施通過改變土壤屬性、內(nèi)部環(huán)境以及生物活性影響著土壤顆粒團(tuán)聚過程以及團(tuán)聚體的穩(wěn)定性[3]。通常粒徑>0.25 mm的團(tuán)聚體被稱為土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)體, 是土壤中最好的結(jié)構(gòu)體, >0.25 mm粒級團(tuán)聚體的質(zhì)量百分比(R0.25)可以衡量土壤結(jié)構(gòu)的優(yōu)劣, 其含量越高,團(tuán)聚體穩(wěn)定性越高(圖4), 土壤結(jié)構(gòu)越好[20], 越有利于土壤對水分、養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化, 促進(jìn)植物的生長, 達(dá)到改善土壤生產(chǎn)力的目的。本研究結(jié)果表明, 耕作方式和秸稈還田方式的改變顯著影響了不同土層、不同粒級土壤團(tuán)聚體的分布比例和穩(wěn)定性。與秸稈旋耕還田相比, 秸稈深層還田顯著增加了亞耕層土壤>2 mm粒級機(jī)械穩(wěn)定性和水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量, 提高了機(jī)械穩(wěn)定性和水穩(wěn)性團(tuán)聚體平均重量直徑, 增加了土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性, 降低了土壤結(jié)構(gòu)破壞率, 使<0.25 mm粒級團(tuán)聚體含量有所降低。主要原因在于秸稈作為新鮮有機(jī)殘茬歸還亞耕層土壤后, 不斷釋放養(yǎng)分, 提高了土壤中微生物的活性, 促進(jìn)了土壤中真菌菌絲的生長[20], 微生物分解產(chǎn)生的有機(jī)酸、腐殖物質(zhì)和秸稈中的多糖、木質(zhì)素等土壤中的有機(jī)膠結(jié)物質(zhì)與菌絲發(fā)生纏繞, 將土壤小顆粒膠結(jié)成微團(tuán)聚體, 進(jìn)一步膠結(jié)成大團(tuán)聚體[21]。耕作與秸稈還田方式是影響耕層土壤團(tuán)聚體分布的主要驅(qū)動因素, 隨著土層的加深, 秸稈深層還田對土壤團(tuán)聚體分布的作用力逐漸增強(qiáng), 促進(jìn)亞耕層大團(tuán)聚體形成, 從而改善全耕層土壤結(jié)構(gòu)。因此, 相對于主要作用于 0～15 cm土壤表層的旋耕措施, 耕作與秸稈還田方式轉(zhuǎn)變后促進(jìn)和改善了下層土壤團(tuán)聚體的分布狀況和穩(wěn)定性,耕作和秸稈還田在不同程度上驅(qū)動了各處理不同土層及粒級間團(tuán)聚體的更新變化。

土壤耕作和秸稈還田能夠顯著影響土壤結(jié)構(gòu)和養(yǎng)分周轉(zhuǎn), 也是土壤團(tuán)聚體分布及更新周轉(zhuǎn)的主要驅(qū)動因素, 在一定條件下, 對農(nóng)田土壤養(yǎng)分的涵養(yǎng)發(fā)揮著重要作用。前人研究表明, 秸稈還田利于大團(tuán)聚體的形成、增加其有機(jī)碳氮含量[3]。本研究亦得到類似結(jié)果, 實(shí)施秸稈還田顯著增加了各團(tuán)聚體有機(jī)碳氮含量。秸稈通過旋耕和深耕還田, 主要補(bǔ)充和增加了20 cm以上土層土壤有機(jī)碳氮含量, 而秸稈在實(shí)施深層混埋或集中深埋過程中, 對0～40 cm土層土壤進(jìn)行了重構(gòu), 促進(jìn)全耕層土壤的融合, 有效消除了長期實(shí)施秸稈旋耕還田造成的養(yǎng)分過度表聚現(xiàn)象,顯著增加了亞耕層土壤各粒級團(tuán)聚體有機(jī)碳氮含量。土壤團(tuán)聚體中有機(jī)碳氮不僅促進(jìn)了團(tuán)聚體的形成,也能夠顯著促進(jìn)其自身穩(wěn)定性[15], 而且穩(wěn)定的團(tuán)聚體也能夠顯著提高對有機(jī)碳氮的物理保護(hù)作用, 促進(jìn)土壤有機(jī)碳氮的有效固持, 從而實(shí)現(xiàn)全耕層土壤培育, 促進(jìn)植物的生長, 達(dá)到改善土壤生產(chǎn)力的目的。

4 結(jié)論

土壤耕作與秸稈還田方式是影響耕層土壤團(tuán)聚體組成與碳氮分布特征的重要農(nóng)業(yè)管理措施。改變秸稈旋耕還田為深層還田可以顯著提高>0.25 mm粒級團(tuán)聚體含量和團(tuán)聚體的平均重量直徑, 改善土壤結(jié)構(gòu)。秸稈深層還田顯著提升了亞耕層(20～40 cm)土壤>1 mm粒級水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量, 提高了粒徑>2 mm土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定率, 降低了其結(jié)構(gòu)破碎率, 從而提高了亞耕層土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

秸稈深層還田措施使0～40 cm土層土壤有效融合, 消除了耕層土壤養(yǎng)分表聚現(xiàn)象, 顯著增加了亞耕層土壤有機(jī)碳氮含量以及大團(tuán)聚體對土壤有機(jī)碳氮的貢獻(xiàn)率, 粒徑>2 mm 團(tuán)聚體有機(jī)碳和氮貢獻(xiàn)率在20～40 cm土層分別平均為42.2%～44.0%和32.8%～49.9%, 比秸稈旋耕還田處理分別增加48.7%～54.9%和32.8%～101.8%。

綜上所述, 華北小麥-玉米輪作農(nóng)田, 通過實(shí)施玉米秸稈深層還田, 可有效改善耕層土壤結(jié)構(gòu), 提高亞耕層土壤養(yǎng)分固持與供應(yīng)能力, 實(shí)現(xiàn)了全耕層培肥,為作物高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)。