摘要： 為探究秸稈還田量對(duì)遼西褐土團(tuán)聚體穩(wěn)定性及各組分有機(jī)碳含量的影響，以遼寧西部半干旱地區(qū)褐土為試驗(yàn)對(duì)象，研究不同秸稈還田量對(duì)于不同剖面土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性及其有機(jī)碳組分含量的影響。于2020年3月中旬進(jìn)行秸稈還田，共設(shè)置4個(gè)秸稈施用量（0、5 000、10 000、20 000 kg/hm2），于2022年秋收后采集土壤樣品，對(duì)褐土土壤團(tuán)聚體及其有機(jī)碳組分進(jìn)行分析。試驗(yàn)結(jié)果表明：各處理水穩(wěn)性團(tuán)聚體占比主要集中于＜0.250 mm粒徑。與CK相比較，秸稈還田顯著提高了水穩(wěn)性大團(tuán)聚體含量（＞0.25 mm）與水穩(wěn)性團(tuán)聚體MWD（平均重量直徑），且隨著還田量的增加而提高。秸稈還田使不同粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳含量呈現(xiàn)出增加的趨勢(shì)；10 cm剖面，與CK相比較，3個(gè)秸稈處理顯著提高了＞0.25 mm粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳含量。30 cm剖面，僅gt;0.250～2.000 mm粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳含量提升顯著。與CK相比較，秸稈處理顯著提高了10 cm剖面與30 cm剖面土壤顆粒有機(jī)碳（POC）含量，其中以S2處理增幅最高。可見(jiàn)，秸稈還田能有效提升土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性，有利于增加土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳含量，對(duì)于土壤顆粒有機(jī)碳含量提升具有促進(jìn)作用。

關(guān)鍵詞： 土壤有機(jī)碳；團(tuán)聚體；秸稈還田；顆粒有機(jī)碳；穩(wěn)定性；有機(jī)碳組分

中圖分類號(hào)：S158.3 "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1002-1302（2024）01-0219-06

東北地區(qū)作為我國(guó)重要的糧食產(chǎn)區(qū)，在保障我國(guó)糧食生產(chǎn)方面有著重要作用。2021年，東北地區(qū)糧食產(chǎn)量達(dá)14 445.7萬(wàn)t，約占全國(guó)糧食產(chǎn)量的21.15%［1］。近年來(lái)，隨著化肥工藝技術(shù)的提升，化肥有效利用率也不斷增強(qiáng)，導(dǎo)致農(nóng)民對(duì)化肥的依賴性日益加深，而對(duì)于耕地“重用輕?！保沟猛寥蕾|(zhì)量迅速下降，進(jìn)而導(dǎo)致土壤質(zhì)量惡化。而秸稈作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程當(dāng)中的副產(chǎn)品，產(chǎn)量極高，且具有重要的生物價(jià)值效益，對(duì)于改善土壤物理化學(xué)性狀，調(diào)節(jié)土壤養(yǎng)分含量以及耕層有機(jī)質(zhì)累積等方面都具有重要意義。

土壤團(tuán)聚體是土壤結(jié)構(gòu)中的最小基礎(chǔ)單元，其粒徑分布與結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性是評(píng)價(jià)土壤質(zhì)量的重要指標(biāo)之一，可以通過(guò)分析其變化，獲得土壤理化性質(zhì)、結(jié)構(gòu)功能以及養(yǎng)分狀況的綜合動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)［2］。土壤團(tuán)聚體是土壤有機(jī)碳的主要貯存容器，通過(guò)物理包裹有機(jī)碳的形式，使得內(nèi)部的有機(jī)碳免受外界微生物分解利用，對(duì)土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性產(chǎn)生積極影響［3］。土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性是土壤結(jié)構(gòu)的重要表征，一般受土地利用、外源養(yǎng)分輸入等方面影響［4-5］。當(dāng)外源有機(jī)物料進(jìn)入到土壤當(dāng)中，不僅提升了土壤有機(jī)質(zhì)含量，同時(shí)對(duì)土壤團(tuán)聚體形成也有促進(jìn)作用，提升了土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性［6］。因此，土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性對(duì)于土壤的生產(chǎn)能力、養(yǎng)分供給能力有著重要的影響［7］。

相較于土壤團(tuán)聚體，土壤有機(jī)碳組分對(duì)外源有機(jī)物料在土壤中的分解與轉(zhuǎn)化更為敏感，對(duì)于土壤碳循環(huán)與周轉(zhuǎn)更為重要，土壤有機(jī)碳組分中顆粒態(tài)礦物對(duì)于有機(jī)碳的吸附與固定是土壤固定有機(jī)碳的重要方式［8］。通常將粒徑大于0.053 mm的有機(jī)碳稱為顆粒態(tài)有機(jī)碳（POC），易受田間管理與作物生長(zhǎng)的影響，易被微生物分解礦化，作為土壤速效養(yǎng)分，供作物吸收利用［9-10］；將與土壤粉黏粒聯(lián)系更為緊密，粒徑小于0.053 mm的有機(jī)碳，稱為礦物結(jié)合態(tài)有機(jī)碳（MOC）， 此類有機(jī)碳生物利用效率低，穩(wěn)定性高，一般稱為惰性有機(jī)碳［11-12］。這2種土壤有機(jī)碳含量在土壤中的變化對(duì)于土壤團(tuán)聚體的形成、碳封存以及碳穩(wěn)定等都具有重要的影響［13］。

遼寧西部地區(qū)冬季氣候寒冷時(shí)期長(zhǎng)，夏季干旱少雨，土壤肥力中下，屬于中低產(chǎn)田。隨著遼寧省大力開展秸稈還田措施，秸稈還田對(duì)于該地區(qū)提升土壤肥力、作物產(chǎn)量等方面的作用已有報(bào)道［14-15］，而對(duì)該地區(qū)秸稈還田后，土壤團(tuán)聚體的分布及穩(wěn)定性鮮有報(bào)道。基于此，本研究利用3年的田間定位試驗(yàn)，設(shè)置不同秸稈還田量，研究在該模式下，對(duì)褐土團(tuán)聚體組成及各組分有機(jī)碳含量的影響，以期為遼西地區(qū)農(nóng)田耕作提升土壤地力，調(diào)節(jié)土壤結(jié)構(gòu)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

本試驗(yàn)于2020—2022年在遼寧省朝陽(yáng)市喀左縣六官鎮(zhèn)東前溝村試驗(yàn)田進(jìn)行，地理位置為119°68′E， 41°16′N。 該地區(qū)屬于寒溫帶大陸性季風(fēng)氣候，溫?zé)岣珊?，全年平均日照時(shí)數(shù)為2 807.8 h， 年平均溫度8.7 ℃，無(wú)霜期144 d，年均降水量為491.5 mm左右。供試土壤類型為褐土，土壤基本理化性質(zhì)如下：有機(jī)質(zhì)含量16.29 g/kg，全氮含量0.803 g/kg，總磷含量0.491 g/kg，全鉀含量12.31 g/kg，有效磷含量16.69 mg/kg，pH值6.65。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

于2020年3月中旬開始試驗(yàn)，本試驗(yàn)共設(shè)計(jì)4個(gè)處理小區(qū)（表1），每個(gè)小區(qū)面積為48 m2（6.0 m×8.0 m），小區(qū)間隔1.5 m。將試驗(yàn)用玉米秸稈于陰暗處自然風(fēng)干，剪成≤30 mm的小段備用。通過(guò)機(jī)械旋耕還田，還田深度為0～20 cm。于2020年4月下旬采用單行播種方式，于秸稈填埋區(qū)域上方起壟進(jìn)行作物種植。種植作物為玉米（吉第67），耕種前施用基肥，為常規(guī)玉米專用緩釋型復(fù)合肥（N ∶ P 2O 5 ∶ K 2O=28 ∶ 14 ∶ 12），每個(gè)處理區(qū)肥料用量為60 g/m2，生長(zhǎng)季未再追肥。所有試驗(yàn)區(qū)的澆水除草措施，均按照當(dāng)?shù)靥镩g管理進(jìn)行。

1.3 樣品采集與測(cè)定

1.3.1 樣品采集 于2022年10月11日采集土壤樣品，在處理區(qū)內(nèi)采用“S”形采樣法，選取5點(diǎn)，分別于10、30 cm剖面，采用內(nèi)徑為5 cm的土鉆取原狀土，帶回實(shí)驗(yàn)室在室溫下自然風(fēng)干，在風(fēng)干過(guò)程中，沿土塊自然結(jié)構(gòu)縫隙將土塊掰成直徑3 cm的小土塊，同時(shí)去除原狀土中肉眼可見(jiàn)的根系、石子等雜物，混合備用。

1.3.2 測(cè)定方法 （1）團(tuán)聚體篩選：團(tuán)聚體采用Six等的方法對(duì)不同粒徑的土壤團(tuán)聚體進(jìn)行 篩分［16］，從而獲得＞2.000 mm（大團(tuán)聚體）、gt;0.250～ 2.000 mm（小團(tuán)聚體）、gt;0.053～0.250 mm（微團(tuán)聚體）、≤0.053 mm（粉-黏團(tuán)聚體）各粒級(jí)團(tuán)聚體。（2）有機(jī)碳、顆粒有機(jī)碳、礦物結(jié)合態(tài)有機(jī)碳含量的測(cè)定：采用Cambardella等的方法分離土壤有機(jī)碳組分，分別獲得土壤顆粒有機(jī)碳和礦物結(jié)合態(tài)有機(jī)碳［17］。土壤團(tuán)聚體各粒級(jí)有機(jī)碳、土壤顆粒有機(jī)碳、土壤礦物質(zhì)結(jié)合態(tài)有機(jī)碳含量均采用元素分析儀（Vario EL Ⅲ，德國(guó)）進(jìn)行分析測(cè)定（土壤中不含碳酸鹽）。

1.3.3 計(jì)算方法 平均重量直徑計(jì)算公式如下：

MWD=∑ n i d ×M aggregate。

式中：MWD指團(tuán)聚體平均重量直徑，mm；d 指第i級(jí)的團(tuán)聚體各粒級(jí)的平均重量直徑，mm；M aggregate指不同粒級(jí)的團(tuán)聚體在土壤中所占的質(zhì)量百分比，%［18］。

1.4 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)處理與分析采用Microsoft Excel 2019，采用SPSS 26.0 進(jìn)行單因素方差分析，采用鄧肯氏極差法（Duncan's）進(jìn)行多重比較（α=0.05）。采用Origin 21進(jìn)行繪圖。數(shù)據(jù)均采用3次重復(fù)的平均值。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同秸稈還田量對(duì)不同剖面土壤有機(jī)碳含量的影響

不同秸稈還田量對(duì)10 cm剖面和30 cm剖面土壤有機(jī)碳含量的影響如圖1所示。秸稈還田增加了 10 cm 剖面中土壤的有機(jī)碳含量，除S1理外，其余處理與CK相比差異顯著；30 cm剖面，除S3處理其余處理土壤有機(jī)碳含量雖有增加趨勢(shì)但與CK相比差異不顯著（Plt;0.05）。

2.2 不同秸稈還田量對(duì)不同深度下土壤團(tuán)聚體比例的影響

通過(guò)分析各土層水穩(wěn)性團(tuán)聚體百分比含量情況（表2）可知，各處理中＞2.000 mm粒級(jí)團(tuán) 聚體占比最低，且隨著秸稈添加量增加而增加。

在10 cm剖面，S1、S2、S3處理中＞2.000 mm的團(tuán)聚體含量較CK分別提升了50.50%、80.73%和142.52%，差異顯著（Plt;0.05）；在30 cm剖面，僅S3處理中＞2.000 mm的團(tuán)聚體含量較CK呈顯著差異（Plt;0.05），提升了90.30%。在gt;0.250～2.000 mm 粒級(jí)，10 cm剖面，僅S2處理較CK提升顯著（22.54%）（Plt;0.05），其余各處理與CK相比均不顯著；30 cm 剖面，S3處理較CK提升了21.32%（Plt;0.05）?！?.250 mm粒級(jí)下，各處理占比隨秸稈添加量的增加而減小，gt;0.053～0.250 mm 粒級(jí)，10 cm剖面除S1處理外，其他處理與CK比較差異達(dá)顯著水平（Plt;0.05），30 cm剖面，各處理間差異不顯著（Plt;0.05）?！?.053 mm粒徑下，10 cm 與30 cm剖面，除S1處理其余處理與CK呈顯著差異（Plt;0.05）。

通過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)，隨著還田量的增加，添加秸稈處理的團(tuán)聚體的平均重量直徑（MWD）顯著增加，這也意味著土壤中＞0.250 mm粒徑的土壤團(tuán)聚體含量呈上升趨勢(shì)，10 cm剖面中團(tuán)聚體的MWD與CK相比較，分別提高了18.1%、34.5%和47.3%，各處理與CK均呈顯著性差異（Plt;0.05）：在30 cm剖面，各處理與CK相比較，分別提升了8.77%、26.31%、36.84%，且僅S3處理與CK差異顯著（Plt;0.05）。

2.3 不同秸稈還田量對(duì)不同剖面土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳含量的影響

由圖2可見(jiàn)，不同深度下，各處理土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳含量較CK均整體呈現(xiàn)出增加的趨勢(shì)。添加秸稈處理在10 cm和30 cm剖面，＞2.000 mm粒徑中團(tuán)聚體有機(jī)碳含量均有所增加。在10 cm剖面，各處理較CK中＞2.000 mm有機(jī)碳含量分別提升了29.62%、30.23%和32.11%，差異顯著（Plt;0.05）；在gt;0.250～2.000 mm粒徑下，S2、S3處理中土壤有機(jī)碳含量較CK分別提升了14.44%和37.16%，差異顯著（Plt;0.05），而S1處理雖有小幅度提升，但無(wú)顯著差異（9.86%）。30 cm剖面，各處理中＞2.000 mm 團(tuán)聚體有機(jī)碳含量提升約6.10%～12.66%；在gt;0.250～2.000 mm 粒徑下，各添加秸稈處理較CK分別提升了14.99%、21.36%和19.13%（Plt;0.05），尤以S2處理有機(jī)碳含量變化最大。隨著粒級(jí)細(xì)度的提升，在10 cm剖面，gt;0.053～0.250 mm粒級(jí)，添加秸稈處理中團(tuán)聚體有機(jī)碳含量較CK分別提升3.95%～22.51%，≤0.053 mm 粒徑下，與CK相比較，S3處理團(tuán)聚體有機(jī)碳含量提升20.34%，差異顯著（4.31%）。

2.4 不同秸稈還田量對(duì)于不同剖面土壤POC與MOC含量的影響

如圖3所示，不同處理下、不同剖面中土壤礦物質(zhì)結(jié)合態(tài)有機(jī)碳在土壤有機(jī)碳中的占比均大于土壤顆粒有機(jī)碳的占比。在10 cm剖面的土層中，添加秸稈處理中MOC與POC在土壤總有機(jī)碳中的占比分別為69%～71%、29%～31%。在 30 cm 剖面，添加秸稈處理POC的占比分別為26%、27%、28%。總體來(lái)說(shuō)，各添加秸稈處理POC較CK占比雖增加，但比例變化幅度不大。不同深度、不同處理中土壤POC與MOC含量變化如圖4所示。在 10 cm 剖面，相較于CK，秸稈還田均增加了各處理中土壤POC含量，分別提升了8.76%、25.52%、22.44%，其中以S2處理增幅最大；而30 cm剖面，S1、S2對(duì) 30 cm 剖面土層中土壤POC的提升較小，與CK相比較分別提升了9.79%、7.73% 均遠(yuǎn)低于S3處理（39.17%）。不同處理土壤中MOC含量在不同剖面變化相差無(wú)幾。

3 討論

3.1 秸稈還田對(duì)于褐土團(tuán)聚體組成及穩(wěn)定性的影響

土壤團(tuán)聚體作為土壤重要的組成部分，承擔(dān)著蓄存、轉(zhuǎn)運(yùn)養(yǎng)分的功能，是提升作物產(chǎn)量的重要因素之一，其特性對(duì)于土壤侵蝕板結(jié)、有機(jī)質(zhì)周轉(zhuǎn)等過(guò)程具有重要影響［19-20］。本研究中，不同秸稈還田量對(duì)于不同剖面土壤有機(jī)碳含量、不同粒級(jí)團(tuán)聚體分布情況與穩(wěn)定性均產(chǎn)生了影響。通過(guò)相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)，各剖面土壤有機(jī)碳含量與平均重量直徑（MWD）間呈極顯著正相關(guān)關(guān)系（Plt;0.01）（圖5），土壤中大團(tuán)聚體含量（＞0.25 mm） 隨著秸稈還田量的增加而提高。孟慶英等的研究也表明不同秸稈還田量可以顯著提升不同剖面中大團(tuán)聚體含量［21］。宋潔等研究表明，秸稈還田可使不同剖面＞0.25 mm團(tuán)聚體含量增加，形成優(yōu)勢(shì)粒級(jí)［22］。當(dāng)秸稈施入到土壤中， 經(jīng)微生物利用，在微生物體表形成多糖生物膜， 可以有效提高微生物抵御外界的擾動(dòng)能力，同時(shí)具有 更好的生物穩(wěn)定性與秸稈降解能力［23-24］。利用

秸稈中的瞬時(shí)膠結(jié)劑如木質(zhì)素、半纖維素、幾丁質(zhì)等膠結(jié)物質(zhì)，經(jīng)過(guò)微生物自身周轉(zhuǎn)，與土壤中持久性膠結(jié)劑（腐殖質(zhì)、金屬氧化物、強(qiáng)吸附聚合物）、土壤中金屬離子鍵，對(duì)土壤中＜2 μm微團(tuán)聚體進(jìn)行鏈接、聚合、包裹從而形成大團(tuán)聚體，而大團(tuán)聚體的形成同時(shí)對(duì)于有機(jī)碳在土壤中的固存起到了積極的作用［25-27］。本研究表明，秸稈進(jìn)入到土壤中后，10 cm "剖面中大團(tuán)聚體有機(jī)碳含量提升為39.48% ～69.27%，高于30 cm剖面大團(tuán)聚體有機(jī)碳含量變化（提升21.09%～42.28%），同時(shí)對(duì)不同剖面中＜0.250 mm "的微團(tuán)聚體有機(jī)碳含量也表現(xiàn)出一定的增加趨勢(shì)，這與馮秋蘋等的研究結(jié)果［28-29］一致，與孟慶英等的結(jié)果［21］相反，可能是由于還田深度不同而導(dǎo)致的結(jié)果差異。

3.2 秸稈還田對(duì)土壤有機(jī)碳組分的影響

土壤有機(jī)碳在土壤中的存在方式主要分顆粒有機(jī)碳與礦物質(zhì)結(jié)合態(tài)有機(jī)碳。土壤顆粒有機(jī)碳作為植物殘?bào)w腐殖質(zhì)過(guò)程中重要的中間產(chǎn)物，被認(rèn)為是土壤活性有機(jī)質(zhì)組分的衡量指標(biāo)，其在土壤有機(jī)碳中的比例直接影響土壤有機(jī)碳的穩(wěn)定性，秸稈還田可以提升土壤有機(jī)碳含量，主要是由于土壤顆粒有機(jī)碳的增加［30-32］。本研究發(fā)現(xiàn)，土壤有機(jī)碳含量與土壤顆粒有機(jī)碳含量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系（Plt;0.01）（圖5），與前人研究結(jié)果［33］相似。有學(xué)者研究表明，土壤顆粒有機(jī)碳含量在土壤有機(jī)碳含量中占比一般為11%～83%［34-35］。而本試驗(yàn)中 10 cm 剖面下，土壤顆粒有機(jī)碳含量?jī)H占土壤有機(jī)碳含量的27%～31%?？赡苁怯捎谶|西地區(qū)褐土中養(yǎng)分含量低，且土壤POC未得到補(bǔ)充，同時(shí)在田間耕作管理與作物根系擾動(dòng)的雙重影響下，促進(jìn)了土壤顆粒有機(jī)碳的快速礦化分解，當(dāng)秸稈進(jìn)入到土壤，土壤中外源碳的添加使得微生物活性增強(qiáng)，促使土壤顆粒有機(jī)碳形成，進(jìn)而提升土壤POC含量，且隨著秸稈還田量的增加而變化［36］。

MOC作為外源有機(jī)質(zhì)的最終產(chǎn)物，作為土壤中的惰性有機(jī)碳，具有極高的穩(wěn)定性，其與土壤顆粒通過(guò)配位體緊密相連，通過(guò)離子鍵對(duì)有機(jī)碳進(jìn)行吸附固定，進(jìn)一步增強(qiáng)了其在土壤中的穩(wěn)定性，其在短時(shí)間內(nèi)變化較?。?7］。常漢達(dá)等通過(guò)連續(xù)20年的棉花秸稈還田試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，MOC含量呈先上升后下降的趨勢(shì)變化，在連作第10年時(shí)含量最高，隨后逐漸下降［38］。趙馨雅等通過(guò)連續(xù)5年的秸稈覆蓋試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，土壤MOC含量雖有增加的趨勢(shì)，但是較空白處理并未有顯著增長(zhǎng)［33］。本試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，在連續(xù)3年秸稈還田后，不同剖面添加秸稈處理中MOC含量沒(méi)有明顯變化，這可能與MOC的惰性性質(zhì)及土壤內(nèi)的循環(huán)周轉(zhuǎn)率緩慢有關(guān)。本試驗(yàn)周期只有3年，若 希望看到秸稈還田量對(duì)于褐土不同剖面中MOC"含量的影響，可能需要更長(zhǎng)的試驗(yàn)周期，同時(shí)結(jié)合土壤中的MOC含量變化，也進(jìn)一步說(shuō)明土壤中主要以POC礦化損耗為主［39］。

4 結(jié)論

通過(guò)連續(xù)3年的田間試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，秸稈還田可以有效改善土壤結(jié)構(gòu)，對(duì)土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)、團(tuán)聚體穩(wěn)定、MWD等方面都具有積極的作用。秸稈還田促進(jìn)了土壤中大團(tuán)聚體的形成，同時(shí)也顯著提高了土壤團(tuán)聚體中有機(jī)碳的含量。秸稈還田顯著提高了土壤表層（0～10 cm）與亞表層（10～30 cm）中POC的含量說(shuō)明土壤中主要以POC礦化損耗為主要因素。本研究結(jié)果表明，秸稈還田可以有效增加遼西地區(qū)褐土耕層土壤有機(jī)碳含量，提高土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳含量與顆粒有機(jī)碳含量，進(jìn)一步增強(qiáng)團(tuán)聚體穩(wěn)定性，對(duì)于提升遼西地區(qū)褐土土壤養(yǎng)分含量與生產(chǎn)力具有重要作用。

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收 稿日期：2023-04-14

基金項(xiàng)目：遼寧省農(nóng)業(yè)科學(xué)院院長(zhǎng)基金（編號(hào)：2022QN2309）。

作者簡(jiǎn)介：劉 暉（1992—），男，內(nèi)蒙古烏蘭察布人，碩士，助理研究員，主要從事土壤改良保育研究。E-mail：576404250@qq.com。

通信作者：于 淼，碩士，副研究員，主要從事土壤微生態(tài)調(diào)節(jié)研究。E-mail：Email：52638019@qq.com。