宋依依,曹 陽,段鑫盈,李嘉琦,朱曉晴,鄒洪濤,張玉龍
秸稈還田深度對土壤團聚體組成及有機碳含量的影響①
宋依依,曹 陽,段鑫盈,李嘉琦,朱曉晴,鄒洪濤*,張玉龍
(沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)土地與環(huán)境學(xué)院,沈陽 110866)
為探究玉米秸稈還田至不同深度后對土壤團聚體及有機碳含量的影響,采用田間微區(qū)試驗,將秸稈磨碎后分別還田至0 ~ 10、10 ~ 20、20 ~ 30、30 ~ 40 cm 4個深度土層,同時設(shè)置不還田對照,共計5個處理,連續(xù)種植玉米兩年后采集土壤樣品,采用濕篩法將團聚體分為>2、2 ~ 0.25、<0.25 mm共3個粒級,測定了土壤及團聚體內(nèi)有機碳含量。結(jié)果表明:①秸稈還田至不同深度后土壤的團聚體穩(wěn)定性以及大粒級團聚體(>2 mm) 含量均顯著增加(0.05),秸稈還田至0 ~ 10 cm和30 ~ 40 cm后粒徑>0.25 mm的團聚體含量增加幅度較大,對土壤結(jié)構(gòu)的改善效果更佳;②粉碎狀秸稈一次性還田至0 ~ 10、10 ~ 20、20 ~ 30 cm兩年后土壤有機碳含量降低,還田至30 ~ 40 cm兩年后土壤有機碳含量顯著增加(0.05);③秸稈的輸入會促進土壤中團聚體的團聚化過程,不同深度還田后對團聚體有機碳分布的影響不同,但都增加了大粒級團聚體內(nèi)有機碳的含量。以上結(jié)果表明,秸稈還田會改善土壤結(jié)構(gòu),促進有機碳的轉(zhuǎn)化,還田至30 ~ 40 cm對土壤的團聚化過程促進作用更明顯,土壤有機碳含量顯著增加,因此,30 ~ 40 cm為更合理的秸稈還田深度。
棕壤;秸稈還田深度;土壤團聚體;有機碳
土壤結(jié)構(gòu)破壞是土壤退化的一個重要因素。土壤團聚體作為土壤結(jié)構(gòu)的基本單元,影響著土壤的水熱傳輸、養(yǎng)分的蓄存、供應(yīng)和轉(zhuǎn)化。團聚體的穩(wěn)定性是衡量土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的重要標志[1]。良好的土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性可以提高土壤孔隙度,改良土壤肥力,并且防水蝕、風(fēng)蝕,有利于水土保持。通常根據(jù)不同的穩(wěn)定性將團聚體按如下分級:>2、0.25 ~ 2、<0.25 mm[2]。土壤有機碳(SOC)是全球碳循環(huán)的主要來源,對維持土壤生產(chǎn)力至關(guān)重要[3]。有報道指出,團聚體和土壤有機碳固定之間是一個互相促進的過程[4]。土地管理方式對團聚體穩(wěn)定性的影響被認為是決定土壤有機碳水平的關(guān)鍵因素。秸稈還田作為目前應(yīng)用廣泛的秸稈處理方式,可以改善土壤理化性狀,提高土壤質(zhì)量和養(yǎng)分循環(huán)效率,增加作物產(chǎn)量,促進農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展[5]。前人研究指出,秸稈還田能增強土壤團聚體的穩(wěn)定性、改善土壤結(jié)構(gòu),但因還田模式、土壤類型和試驗區(qū)所在地氣候等條件不同得到的研究結(jié)果有所差異[6-8]。當(dāng)下關(guān)于秸稈還田對土壤有機碳以及團聚體內(nèi)有機碳含量影響的研究結(jié)果也不盡相同,多數(shù)研究認為秸稈還田會增加土壤有機碳含量[9-11],但也有部分研究得出秸稈還田后土壤有機碳含量不一定顯著增加。Pei等[12]通過同位素標記研究發(fā)現(xiàn),玉米秸稈加入土壤后會使土壤中原有有機碳顯著減少。徐英德等[13]通過兩年培養(yǎng)試驗得出,在高肥力土壤上秸稈還田后各粒級團聚體內(nèi)有機碳含量比對照顯著增加,在低肥力土壤上秸稈還田后團聚體內(nèi)有機碳含量與對照無明顯差異。
目前,關(guān)于秸稈還田的研究主要基于秸稈覆蓋、秸稈旋耕淺還和秸稈深還田,對于秸稈還田至0 ~ 10、10 ~ 20、20 ~ 30、30 ~ 40 cm土層后土壤理化性質(zhì)的變化還缺乏深入探討。且當(dāng)下秸稈還田相關(guān)試驗多為連年還田,對于秸稈一次性還田兩年后土壤團聚體和有機碳變化鮮有研究。因此,本研究以遼寧地區(qū)的棕壤為研究對象,通過田間微區(qū)試驗,設(shè)置0 ~ 10、10 ~ 20、20 ~ 30、30 ~ 40 cm 4個還田深度,將秸稈粉碎后還田,以揭示在粉碎狀秸稈一次性還田至不同深度兩年后土壤團聚體組成和有機碳含量的變化規(guī)律,探討在遼寧棕壤旱田秸稈最佳的還田深度,以期為構(gòu)建科學(xué)合理的秸稈還田模式提供科學(xué)依據(jù)。
試驗在沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)科研試驗基地進行,該基地位于遼寧省沈陽市(41.82° N,123.56° E,海拔43 m),氣候為溫帶半濕潤大陸性氣候,年平均氣溫7.9℃,農(nóng)耕期≥7℃的平均積溫為3 281℃,日照時數(shù)平均為2 372.5 h,無霜期160 d左右,全年平均降水量714 mm。供試土壤是典型棕壤,0 ~ 10、10 ~ 20、20 ~ 30、30 ~ 40 cm土層土壤基本理化性質(zhì)如表1所示。
表1 不同土層土壤基本理化性質(zhì)
1.2.1 試驗布置 試驗從2018年5月開始,在微區(qū)內(nèi)進行,微區(qū)長、寬、高分別為75、45、50 cm,用無底矩形PVC框?qū)⑽^(qū)內(nèi)土壤與外部土壤隔開,PVC框埋深40 cm,上沿露出地面10 cm。試驗設(shè)置5個處理,包括4個還田深度處理和1個對照,每個處理3次重復(fù),共布置15個微區(qū),隨機排列,具體處理如下: T1,0 ~ 10 cm土層土壤與秸稈混合;T2,10 ~ 20 cm土層土壤與秸稈混合;T3,20 ~ 30 cm土層土壤與秸稈混合;T4,30 ~ 40 cm土層土壤與秸稈混合;CK,不施秸稈對照,土壤深松后原位回填。
秸稈還田時,為保證土壤的均質(zhì)性,劃定微區(qū)后,將各微區(qū)土壤分0 ~ 10、10 ~ 20、20 ~ 30、30 ~ 40 cm 土層取出,然后將粉碎至粉末狀的玉米秸稈與還田層次土壤混勻,最后將各小區(qū)土壤按層次原位回填。秸稈還田用量為12 000 kg/hm2(全量還田),在還入秸稈的同時每個微區(qū)均加入57 g尿素,調(diào)整C/N為25∶1。每個微區(qū)內(nèi)0 ~ 10、10 ~ 20、20 ~ 30、30 ~ 40 cm分層埋設(shè)定位監(jiān)測系統(tǒng)探針,監(jiān)測土壤水分、溫度動態(tài)變化。待土壤穩(wěn)定兩周后種植玉米,品種為京科968;各處理施加氮、磷、鉀肥量相同(N–P–K=240–75–75),均作為基肥一次性施用。在每個微區(qū)內(nèi)等距播種2株玉米,田間管理按照當(dāng)?shù)爻R?guī)管理模式進行,未進行灌溉,兩季玉米種植方式相同。
1.2.2 樣品采集 于2019年9月玉米收獲時采集土樣。采集CK的0 ~ 10、10 ~ 20、20 ~ 30、30 ~ 40 cm土層,以及T1的0 ~ 10 cm土層、T2的10 ~ 20 cm土層、T3的20 ~ 30 cm土層,T4的30 ~ 40 cm土層,分別記作CK10、CK20、CK30、CK40、T10、T20、T30、T40。原狀土樣用取土盒儲存運輸,用于團聚體的篩分及容重等性質(zhì)的測定;混合土樣一部分在自然條件下風(fēng)干制樣,用于土壤基本理化性質(zhì)的分析,一部分置于冰箱冷藏保存待用。
1.2.3 測定方法 團聚體篩分采用濕篩法[14],具體操作為:稱取新鮮土樣50 g,將孔徑分別為2、0.25、0.53 mm的套篩按順序從上到下組合好,將稱量好的土樣均勻置于最上層篩子上,將篩子置于裝有蒸餾水的水桶內(nèi)且調(diào)整水面高度使其浸潤土壤5 min,然后以振幅38 mm進行篩分15 min,將土壤篩分為3個粒級(>2、0.25 ~ 2、<0.25 mm)。將篩分后的土樣風(fēng)干、分別稱重,用研缽研磨并過100目篩,用元素分析儀(Elementar Ⅱ,德國)進行有機碳的測定。
濕篩法中不同粒級團聚體的質(zhì)量分數(shù)按(1)式計算:
R=m/×100 (1)
式中:R為粒級團聚體質(zhì)量分數(shù)(%);m為粒級團聚體質(zhì)量(g);為土壤各粒級團聚體質(zhì)量的總和。
粒徑>0.25 mm的團聚體質(zhì)量分數(shù)(0.25)按周虎等[15]提供的公式(2)計算。
0.25=m>0.25/×100=[1–m<0.25/] ×100 (2)
式中:m>0.25為粒徑>0.25 mm團聚體質(zhì)量(g);m<0.25為粒徑<0.25 mm團聚體質(zhì)量(g)。
團聚體內(nèi)有機碳貢獻率按(3)式計算:
C=SOC×R/SOC (3)
式中:C為粒級團聚體有機碳貢獻率;SOC為粒級團聚體中有機碳含量;R為粒級團聚體質(zhì)量分數(shù);SOC為全土有機碳含量。
采用Microsoft Excel 2010進行數(shù)據(jù)整理和均值、標準差計算;采用SPSS 19.0軟件進行統(tǒng)計分析,其中方差分析為單因素方差(One Way-ANOVA),不同處理之間多重比較采用Duncan法;采用一般線性模型(GLM)分析土層深度對土壤團聚體的影響。采用Origin 9.0軟件進行繪圖。
秸稈還田至不同深度后土壤團聚體組成與對照處理相比變化明顯(表2和圖1)。無論是否添加玉米秸稈,土壤水穩(wěn)性團聚體組成均以<0.25 mm粒級為主,質(zhì)量分數(shù)為40.20% ~ 59.81%;不同粒級團聚體含量(以質(zhì)量分數(shù)計)差異顯著(<0.05),且含量從大到小依次為粒級<0.25、2 ~ 0.25、>2 mm。隨著土層深度的增加,>2 mm 粒級含量增加,<0.25 mm粒級含量減小。秸稈還田至不同深度后團聚體粒級分布變化規(guī)律不同。添加秸稈以后,>2 mm粒級含量顯著增加,其中以還田至0 ~ 10 cm和30 ~ 40 cm土層后大粒級團聚體含量增加幅度較大;>2 mm和0.25 ~ 2 mm粒級均在秸稈添加至0 ~ 10 cm土層時增加量最大,分別增加了88.51% 和16.87%;秸稈還田至20 ~ 30 cm后>2 mm粒級含量最高,達到30.56%。秸稈還田至0 ~ 10 cm和30 ~ 40 cm后土壤0.25與對照相比增加最多,均達到極顯著水平(<0.01)。
2.2.1 秸稈還田深度對土壤總有機碳含量的影響 不同深度秸稈還田對土壤總有機碳含量影響不一致(圖2)。玉米秸稈一次性還田至0 ~ 10、10 ~ 20、20 ~ 30、30 ~ 40 cm兩年后,土層T10、T20、T30土壤有機碳含量均比對照有所減少,其中T10土壤有機碳含量減少量達到了顯著水平(<0.05),T30土壤有機碳含量減少量達到了極顯著水平(<0.01)。隨著土層深度增加,還田土層與對照土層土壤有機碳含量差值呈逐漸降低趨勢,T10、T20、T30分別減少了1.16、0.52、0.84 g/kg,T40土壤有機碳含量較對照處理提升了17%,增加量達到極顯著水平(<0.01)。
表2 不同秸稈還田深度下土壤水穩(wěn)性團聚體的組成
注:同列不同小寫字母表示處理間同一粒級團聚體含量差異顯著(<0.05),同行不同大寫字母表示同一處理不同粒級團聚體含量差異顯著(<0.05)。
(CK:對照,T:秸稈還田處理;不同小寫、大寫字母表示施加秸稈和不施加秸稈土層之間差異顯著(P<0.05)、極顯著(P<0.01);下同)
圖2 不同秸稈還田深度下土壤有機碳含量的變化
2.2.2 秸稈還田深度對土壤各粒級團聚體有機碳含量的影響 玉米秸稈一次性還田至0 ~ 10、10 ~ 20、20 ~ 30、30 ~ 40 cm兩年后土壤團聚體內(nèi)有機碳含量如圖3所示。未添加秸稈土壤各土層中團聚體內(nèi)有機碳含量除0 ~ 10 cm土層外均呈現(xiàn)隨團聚體粒徑減小而增加的趨勢,添加秸稈后的土壤各粒級團聚體中有機碳含量較為均衡,總體上有機碳含量隨團聚體粒徑減小而降低。除T10土壤外,其他土層秸稈還田后土壤>2 mm粒級中有機碳含量顯著增加,且在T20、T30土壤中差異達到極顯著水平(<0.01);<0.25 mm粒級中有機碳含量減少,差異均達到極顯著水平(<0.01)。粉碎秸稈一次性還田后T10土壤<0.25 mm粒級的團聚體內(nèi)土壤有機碳含量顯著增加(<0.05),>2 mm和2 ~ 0.25 mm粒級內(nèi)有機碳含量顯著減少(<0.05)。隨著土層深度的增加,團聚體內(nèi)的有機碳含量總體上呈現(xiàn)出逐漸減少的趨勢。
秸稈還田至不同深度后土壤團聚體有機碳貢獻率見圖4??傮w上,隨著土層深度的增加,>2 mm粒級團聚體有機碳貢獻率增加,<0.25 mm團聚體有機碳貢獻率減小。秸稈還田至不同深度后,>2 mm土壤團聚體有機碳貢獻率均增加,以還田至20 ~ 30 cm和30 ~ 40 cm時最高,分別達到31.87% 和27.46%。
秸稈還田至0 ~ 10、10 ~ 20、20 ~ 30 cm土層兩年后均明顯提高了>0.25 mm粒級占比,這與前人研究結(jié)果一致[6]。秸稈還田帶來的有機物料的輸入促進了土壤中小粒級團聚體向大粒級團聚體轉(zhuǎn)化,增強了團聚體穩(wěn)定性,改善了土壤結(jié)構(gòu)。一方面,向土壤中添加秸稈以后,秸稈腐解產(chǎn)生腐殖質(zhì)作為團聚體形成的膠結(jié)劑,促進了大粒級團聚體的形成[16]。另一方面,秸稈腐解后釋放的養(yǎng)分促進植物根系發(fā)育,植物通過根系吸收到更多的養(yǎng)分,促進植物根系的代謝,分泌更多促進團聚體膠結(jié)的化合物[17]。de Gryze等[18]指出,當(dāng)新鮮植物殘體輸入土壤時,大團聚體成為微生物活動的主要場所,微生物的代謝也促進了大粒級團聚體生成。秸稈還田至0 ~ 10 cm和30 ~ 40 cm土層后,土壤>0.25 mm粒級增加更為明顯,表明在相同還田量和還田時間條件下,0 ~ 10 cm和30 ~ 40 cm土層的土壤理化條件更適合大團聚體的形成。水分和溫度是影響微生物活動的重要因素,秸稈還至0 ~ 10 cm土層時,氧氣充分,且表層土養(yǎng)分含量較高,微生物有充足的氧氣和碳氮源;秸稈還田至30 ~ 40 cm時,打破了犁底層,土壤入滲能力增加,增加了該層含水量,使得微生物活性增加,產(chǎn)生了更多的膠結(jié)物質(zhì),更好地促進了小粒級團聚體向大粒級團聚體轉(zhuǎn)化[6]。
本研究中,玉米秸稈一次性還田至0 ~ 10、10 ~ 20、20 ~ 30 cm土層兩年后均降低了土壤有機碳含量,且與對照處理之間差值隨著土層深度的增加而減少,這與前人研究結(jié)果[19],即秸稈還田使土壤中的有機碳含量增加不一致;秸稈還田至30 ~ 40 cm后,還田層土壤有機碳含量大于未還田處理,與前人研究結(jié)果[20]相符。秸稈還田對土壤的影響與秸稈腐解速率密不可分,秸稈的腐解是一個復(fù)雜的過程,受多種因素影響。不同深度下土壤的理化性質(zhì)不同,導(dǎo)致不同還田深度秸稈腐解速率不同,因而秸稈中養(yǎng)分釋放程度不同。王蕾等[21]研究表明,玉米不同部位秸稈以5 cm長度還田至不同深度一年后腐解率最高,能達到60%,不能完全腐解。第二年秸稈還田時,第一年還田的秸稈未完全腐解,同時有新植物殘體輸入,因此有機碳含量增加。秸稈還田至不同深度后土壤的理化性質(zhì)變化規(guī)律不同。汪玉芳[22]研究發(fā)現(xiàn),油菜秸稈不同深度還田后,秸稈腐解率10 cm<20 cm< 0 cm覆蓋還田,表層土的溫度、微生物活性都有利于秸稈分解。秸稈還田后,秸稈的腐解率隨著土層深度的增加而減小[23],這是因為土壤微生物在秸稈分解中起到關(guān)鍵作用,表層土壤中的微生物量通常高于深層土壤。土壤有機碳礦化受到多種因素以及它們之間的交互作用的影響。秸稈還田顯著增加了土壤中CO2的排放,且秸稈摻入表層土壤比摻入下層土壤后CO2累計排放量高[24]。本研究結(jié)果與前人研究有出入,推測因為秸稈還田后第二年沒有繼續(xù)向土壤中補充秸稈,植物生長和土壤中的有機碳礦化消耗了土壤有機碳。秸稈還田后改變了土壤的理化性質(zhì)和微生物群落結(jié)構(gòu),使還田土壤中有機碳礦化量較對照處理大,且存在于下層土壤中的大部分碳被礦物所束縛,儲存在黏土組分中,因此下層土壤中有機質(zhì)礦化量比表層土壤低[25]。
(A1代表>2 mm團聚體,A2代表2 ~ 0.25 mm團聚體,A3代表<0.25 mm團聚體;下同)
圖4 不同秸稈還田深度下土壤團聚體有機碳貢獻率
秸稈一次性還田至10 ~ 20、20 ~ 30、30 ~ 40 cm土層后,>2 mm粒級團聚體內(nèi)有機碳含量均增加,其余粒級團聚體內(nèi)有機碳含量減少。秸稈還田促進了有機碳從較小粒級內(nèi)向較大粒級內(nèi)轉(zhuǎn)化,提高了大粒級團聚體中的有機碳貢獻率。土壤中混合秸稈后,較小粒級團聚體有機碳占主導(dǎo)地位轉(zhuǎn)化為>2 mm粒級團聚體有機碳占主導(dǎo)地位,表明>2 mm粒級團聚體對秸稈中碳的富集能力更強。秸稈還田至30 ~ 40 cm土層,大粒徑團聚體內(nèi)有機碳含量的提升不如其他土層明顯,可能是因為下層土壤內(nèi)有機碳更穩(wěn)定,更不容易被微生物利用[26]。秸稈還田至0 ~ 10 cm土層,團聚體有機碳的變化規(guī)律與其他土層不同,推測是因為表層土壤中有機碳礦化作用更強,小粒級團聚體中有機碳較穩(wěn)定,所以>2 mm粒級團聚體內(nèi)有機碳含量減少。有研究指出[13],玉米殘體輸入對土壤有機質(zhì)的提升作用主要發(fā)生在還田后的第一年,在720 d的長期腐解過程中,由于秸稈自身較快的分解速率和對土壤原有有機碳產(chǎn)生的激發(fā)效應(yīng),會導(dǎo)致秸稈一次性還田至0 ~ 30 cm土層兩年后土壤及團聚體內(nèi)有機碳含量的研究結(jié)果與前人研究結(jié)果不一致。
秸稈還田可以改善土壤結(jié)構(gòu),添加秸稈至不同深度后土壤中>2 mm粒級團聚體含量均增加,團聚體穩(wěn)定性提高。秸稈一次性還田至0 ~ 10、10 ~ 20、20 ~ 30 cm兩年后,土壤中有機碳含量降低,還田至30 ~ 40 cm深度后土壤中有機碳含量顯著增加。秸稈還田帶來的外源有機殘體輸入促進了土壤中有機碳從較小粒級向較大粒級團聚體的轉(zhuǎn)化,>2 mm粒級團聚體內(nèi)有機碳含量增加,有機碳貢獻率增加。綜合來看,粉碎狀秸稈一次性還田至不同深度兩年后,還田至30 ~ 40 cm深度對土壤改良效果最好,團聚體穩(wěn)定性增強,土壤中有機碳含量顯著增加。但秸稈一次性還田兩年以上后土壤中團聚體分布和有機碳含量的響應(yīng)、還田秸稈大小對土壤理化性質(zhì)改變的影響以及生產(chǎn)實踐中最有利于土壤改良的秸稈還田頻率仍有待進一步研究。
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Effects of Different Straw-Returning Depths on Soil Aggregate Composition and Organic Carbon Distribution
SONG Yiyi, CAO Yang, DUAN Xinying, LI Jiaqi, ZHU Xiaoqing, ZOU Hongtao*, ZHANG Yulong
(College of Land and Environment, Shenyang Agricultural University, Shenyang 110866, China)
In order to explore the effects of straw-returning depth on aggregate composition and organic carbon distribution in aggregates and soil, brown soil in Liaoning was used for a field micro-area experiment with crushed corn straw returning, in which 5 treatments were set up: CK (no straw returning) and four straw-returning depths of 0–10 cm, 10–20 cm, 20–30 cm, and 30–40 cm. Corn was planted and soil was taken in 2 years after straw-returning. Wet sieve method was used to obtain soil aggregates of 3 particle sizes: > 2 mm, 2–0.25 mm and <0.25 mm, and organic carbon contents in soil and aggregates was determined. The results showed that: 1) The stability of aggregates and the content of large aggregates (>2 mm) were increased significantly after straw-returning to different soil depths (0.05). Returning straw to 0–10 cm and 30–40 cm increased the content of >0.25 mm aggregates greatly, indicating the better improvement on soil structure; 2) Organic carbon content was reduced after straw-returning to 0–10 cm, 10–20 cm and 20–30 cm at one time two years later, and organic carbon content was significantly improved after straw-returning to 30–40 cm (<0.05); 3) The input of straw promoted soil agglomeration process. Straw-returning to different depths had different impact on the distribution of aggregate organic carbon, but they all increased the content of organic carbon in large aggregates. The above results show that straw-returning improves soil structure and promotes the conversion of organic carbon from small aggregates to large aggregates, straw-returning to 30–40 cm has a more obvious promotion effect on soil agglomeration process and increases significantly soil organic carbon, thus, 30–40 cm is the more reasonable depth for straw returning.
Brown soil;Straw returning depths; Soil aggregates; Organic carbon
S147.35;S513
A
10.13758/j.cnki.tr.2022.02.018
宋依依, 曹陽, 段鑫盈, 等. 秸稈還田深度對土壤團聚體組成及有機碳含量的影響. 土壤, 2022, 54(2): 344–350.
遼寧省重點研發(fā)計劃項目(2019JH2/10200004)、遼寧省興遼英才計劃項目(XLYC1905010)和遼寧省教育廳重點項目資助。
(zouhongtao2001@163.com)
宋依依(1997—),女,山東泰安人,碩士研究生,主要從事土壤改良研究。E-mail:yiyi9168@yeah.net