秸稈還田對植煙土壤有機(jī)質(zhì)及團(tuán)聚體特征的影響

薄國棟，張繼光，申國明*，于會泳，高 林，孫弋媛，王 毅，周顯升，張 揚(yáng)，劉 明

（1.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院煙草研究所，農(nóng)業(yè)部煙草生物學(xué)與加工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院青島煙草資源與環(huán)境野外科學(xué)觀測試驗(yàn)站，青島 266100；2.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院研究生院，北京 100081；3.山東濰坊煙草有限公司，山東 濰坊 261000；4.山東中煙工業(yè)有限責(zé)任公司，濟(jì)南 250100）

近年來隨著化肥的大量施用及有機(jī)肥配比的降低，導(dǎo)致了黃淮煙田出現(xiàn)土壤板結(jié)、結(jié)構(gòu)性差等一系列土壤質(zhì)量問題。秸稈作為常見的有機(jī)物料，合理還田能夠起到提高土壤有機(jī)質(zhì)含量，改善土壤理化性狀的作用。白和平等[1]研究表明，秸稈還田能夠使麥田土壤有機(jī)質(zhì)增加0.29 g/kg，張鵬等[2]的研究結(jié)果認(rèn)為土壤中有機(jī)碳含量隨著谷子及玉米秸稈還田量的增加而增加。劉玉濤等[3]的研究也表明，小麥秸稈還田能夠提高土壤中有機(jī)碳的含量。孫星等[4]研究表明，秸稈與化肥的配施處理與單施化肥相比較，能顯著提高烏柵土和紅壤性水稻土的有機(jī)質(zhì)含量及品質(zhì)，是培肥土壤的有效途徑。此外，秸稈還田配施化肥也能夠有效降低土壤容重，改善土壤物理狀況[5]。也有研究表明，秸稈還田全膜雙壟溝播玉米技術(shù)，使耕層的土壤養(yǎng)分上升，土壤容重下降[6]，可見，作物秸稈還田具有提升土壤有機(jī)質(zhì)含量，改善土壤物理結(jié)構(gòu)，達(dá)到逐步提高耕地質(zhì)量的良好效果。

土壤團(tuán)聚體作為土壤結(jié)構(gòu)的基本單位[7]，主要是由植物根系、菌絲以及土壤微生物的分泌物通過一定的物理作用以及化學(xué)作用膠結(jié)而成[8]。土壤團(tuán)聚體按照顆粒大小分為大團(tuán)聚體（＞0.25 mm）和微團(tuán)聚體（＜0.25 mm）[9]，大團(tuán)聚體豐富是土壤良好結(jié)構(gòu)特征的表現(xiàn)，其與土壤肥力之間存在一定的正比例關(guān)系，良好的團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)是土壤肥力的物質(zhì)基礎(chǔ)，能夠保證和協(xié)調(diào)土壤中水、肥、氣、熱供應(yīng)能力。Van Bavel[10]和Gardener[11]分別提出了平均重量直徑（MWD）以及幾何平均數(shù)（GMD）作為土壤分布狀況以及穩(wěn)定性的指標(biāo)，并且MWD與GMD值越大，土壤的分布狀況與穩(wěn)定性越好。與此同時，分形維數(shù)也是團(tuán)聚體數(shù)量組成以及質(zhì)地均一性的綜合性指標(biāo)[12-13]，被廣泛應(yīng)用于評價農(nóng)業(yè)管理措施對水穩(wěn)性團(tuán)聚體分布的影響。

本文通過開展玉米秸稈和小麥秸稈不同用量的還田試驗(yàn)，研究其對土壤有機(jī)質(zhì)與土壤團(tuán)聚體特征的影響及兩者之間的關(guān)系，以期為黃淮煙區(qū)篩選最佳的秸稈還田模式，最終為退化煙田土壤改良提供理論和實(shí)踐指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)地點(diǎn)為山東省諸城市百尺河鄉(xiāng)大順河村（36°9′N，119°32′E），該區(qū)為溫帶季風(fēng)性氣候，年平均降水量700 mm左右，多年平均無霜期191 d，平均日照時數(shù)為2578.6 h。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計

本試驗(yàn)為 2009—2012年在煙田開展秸稈定位試驗(yàn)。試驗(yàn)分為7個處理，分別為玉米秸稈還田1500 kg/hm2（M1）、4500 kg/hm2（M2）、7500 kg/hm2（M3），小麥秸稈還田 1500 kg/hm2（W1），4500 kg/hm2（W2），7500 kg/hm2（W3），對照（CK）。試驗(yàn)采取田間隨機(jī)區(qū)組設(shè)計，重復(fù)3次。秸稈在每年3月份土地翻耕前，粉碎后撒施于土壤表面，然后翻耕耙勻，其他肥料的施用均為施煙草專用肥 750 kg/hm2，硫酸鉀225 kg/hm2，腐熟豆餅300 kg/hm2。試驗(yàn)開始前土壤的基本性狀為 pH 6.04，全氮 0.7 g/kg，全磷5.3 g/kg，全鉀18.7 g/kg，堿解氮55.29 mg/kg，有效磷32.45 mg/kg，速效鉀213.3 mg/kg。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 樣品采集與處理 于2012年10月煙葉采收完成后，在每個小區(qū)，采用“S型”采樣法分別采集0～20 cm的耕層混合農(nóng)化樣以及原狀土樣，將耕層農(nóng)化土樣放入塑料袋中，將原狀土放入塑料飯盒中，并盡量減少在采集以及運(yùn)輸?shù)倪^程中對原狀土的破壞。帶回實(shí)驗(yàn)室后，耕層農(nóng)化樣風(fēng)干、過篩后備用；原狀土樣在室內(nèi)沿自然結(jié)構(gòu)（自然脆弱帶）輕輕掰成直徑約1 cm的小土塊，同時除去植物殘體、小石塊以及蚯蚓等動物，并風(fēng)干備用。

1.3.2 測定方法 土壤有機(jī)質(zhì)采用常規(guī)的重鉻酸鉀容量法測定，土壤團(tuán)聚體測定采用周虎[14]方法并略作修改進(jìn)行測定。

1.3.3 數(shù)據(jù)處理 土壤團(tuán)聚體的平均重量直徑（MWD）、幾何平均直徑（GMD）、分形維數(shù)采用以下公式進(jìn)行：

式中，Wi為i粒級團(tuán)聚體重量所占的比例，MT為供試土壤的總的重量，為某級團(tuán)聚體平均直徑；為粒徑小于 xi的團(tuán)聚體的重量；MT為團(tuán)聚體總重量；xmax為團(tuán)聚體的最大粒徑，D為分形維數(shù)。

采用Microsoft Excel 2007進(jìn)行數(shù)據(jù)以及圖表處理；采用SAS 9.2軟件進(jìn)行統(tǒng)計分析，顯著性水平設(shè)為α=0.05。

2 結(jié) 果

2.1 土壤有機(jī)質(zhì)含量

從圖 1可以看出，不同用量的秸稈還田，除M1對土壤有機(jī)質(zhì)無明顯提高外，與CK相比，M2、M3、W1、W2、W3等各處理的土壤有機(jī)質(zhì)分別增加了11.8%、17.6%、5.2%、6.3%、12.6%。相同用量的玉米秸稈與小麥秸稈還田相比，玉米秸稈對土壤有機(jī)質(zhì)的增加量大于小麥秸稈。因此，玉米及小麥秸稈還田能夠有效的增加土壤有機(jī)質(zhì)，特別在秸稈還田量大于1500 kg/hm2時，玉米秸稈提高土壤有機(jī)質(zhì)含量的效果要優(yōu)于小麥秸稈。

圖1 不同用量秸稈還田對土壤有機(jī)質(zhì)影響Fig.1 The effect of straw returning rates on organic matter

2.2 土壤團(tuán)聚體特征

2.2.1 團(tuán)聚體平均重量直徑（MWD）和幾何平均直徑（GMD） 通過干篩法可以獲得原狀土壤中團(tuán)聚體的總體數(shù)量。從表1可以看出，干篩法測得，不同秸稈還田處理間MWD以及GMD的大小順序分別是：M3＞M2＞M1＞CK，W3＞W(wǎng)2＞W(wǎng)1＞CK。通過以上數(shù)據(jù)分析可以看出，MWD及GMD均隨秸稈還田量的增加而增加。秸稈還田提高了土壤團(tuán)聚體的團(tuán)聚度及穩(wěn)定性，而且玉米秸稈還田相對于小麥秸稈還田處理，更能提高土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性。

濕篩法獲得的團(tuán)聚體是土壤中的水穩(wěn)性團(tuán)聚體，水穩(wěn)性團(tuán)聚體在保持土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性方面具有重要貢獻(xiàn)，且＞0.25 mm水穩(wěn)定性團(tuán)聚體的含量與土壤肥力成正比。通過表1濕篩法分析結(jié)果可以看出，高量秸稈還田處理的M3及W3與中低量秸稈還田處理（CK、M1、M2、W1、W3）相比，土壤團(tuán)聚體的MWD以及GMD均有一定程度提高，而且＞0.25 mm 水穩(wěn)定性團(tuán)聚體含量隨著秸稈還田量增加而增加?？梢?，高量秸稈還田更能夠有效提高土壤水穩(wěn)定性團(tuán)聚體的團(tuán)聚能力，增加土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性。

表1 不同用量秸稈還田對土壤團(tuán)聚體特征的影響Table1 The effect of straw returning rates on characteristics of soil aggregates

2.2.2 土壤團(tuán)聚體分形維數(shù) 從圖2干篩法測得的團(tuán)聚體分形維數(shù)可以看出，隨著玉米及小麥秸稈還田量的增加，團(tuán)聚體分形維數(shù)呈逐漸降低的趨勢，施用等量的玉米秸稈與小麥秸稈還田相比，除了M1的團(tuán)聚體分形維數(shù)大于W1處理外，其他處理等量玉米秸稈還田的分形維數(shù)均低于小麥秸稈還田處理，玉米秸稈相對于小麥秸稈更能夠有效保持土壤團(tuán)聚體數(shù)量組成及均一性。

圖2 不同用量秸稈還田對土壤分形維數(shù)的影響Fig.2 The effect of straw returning rates on fractal dimension

通過圖2濕篩法的結(jié)果可以看出，玉米與小麥秸稈還田的團(tuán)聚體分形維數(shù)具有相類似的規(guī)律，團(tuán)聚體分形維數(shù)先隨秸稈還田量的增加而增加，然后降低。與高量秸稈還田（W3、M3）處理相比，中低量（W1、W2、M1、M2）秸稈還田處理并沒有有效改善水穩(wěn)定性團(tuán)聚體數(shù)量組成及均一性。

2.3 土壤有機(jī)質(zhì)與土壤團(tuán)聚體特征的關(guān)系

從表2土壤有機(jī)質(zhì)與土壤團(tuán)聚體特征的回歸方程可以看出，土壤有機(jī)質(zhì)與干篩測得的 MWD及GMD均呈極顯著正相關(guān)（r2=0.94，0.94），土壤有機(jī)質(zhì)與干篩測得分形維數(shù)呈極顯著負(fù)相關(guān)（r2=-0.92），與濕篩法測得＞0.25 mm團(tuán)聚體含量以及GMD有顯著正相關(guān)（r2=0.81，0.76）。土壤有機(jī)質(zhì)與土壤團(tuán)聚體之間具有緊密聯(lián)系，可以通過秸稈還田來增加土壤有機(jī)質(zhì)含量，進(jìn)而對土壤結(jié)構(gòu)進(jìn)行有效改良。

表2 土壤團(tuán)聚體特征與土壤有機(jī)質(zhì)含量的關(guān)系Table2 The relation between characteristics of soil aggregates and the content of soil organic matter

3 討 論

土壤有機(jī)質(zhì)是評價土壤肥力質(zhì)量的重要指標(biāo)之一，不僅與多種土壤養(yǎng)分相關(guān)，而且對土壤持水供水能力、孔隙度和團(tuán)聚體等物理性質(zhì)具有重要影響[15]。本研究結(jié)果表明，秸稈還田能夠增加土壤有機(jī)質(zhì)含量，這與羅宜賓[16]的研究的結(jié)果一致。而且隨著秸稈還田量的增加土壤有機(jī)質(zhì)也隨之增加，由于秸稈本身絕大部分是有機(jī)成分，其中纖維素、半纖維素及蛋白質(zhì)復(fù)合體較難被微生物分解，殘留在土壤中形成有機(jī)質(zhì)，另一方面秸稈還田還利用更新土壤腐殖質(zhì)，維持土壤有機(jī)質(zhì)平衡和提升有機(jī)質(zhì)的質(zhì)量。

從不同用量秸稈還田對土壤團(tuán)聚體 MWD及GMD的影響可以看出，干篩測得土壤團(tuán)聚體MWD及GMD與對照相比，均有不同程度的提高，分形維數(shù)隨著秸稈還田量的增加而減少，吳承禎等[17]認(rèn)為，土壤團(tuán)聚體的結(jié)構(gòu)性越好、穩(wěn)定性越高，那么它的分形維數(shù)越小。許多研究表明，土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性取決于土壤特性，特別是作為團(tuán)聚體主要膠結(jié)劑的土壤有機(jī)質(zhì)含量[18-21]。通過干篩測得土壤團(tuán)聚體MWD及GMD與土壤有機(jī)質(zhì)之間達(dá)到了極顯著正相關(guān)。濕篩法所測得土壤團(tuán)聚體MWD值與干篩法稍有不同，土壤有機(jī)質(zhì)與濕篩法測得MWD沒有達(dá)到顯著正相關(guān)，但與GMD達(dá)到了顯著性相關(guān)。這一方面可能是土壤侵蝕及耕作傾向于破壞水穩(wěn)定性大團(tuán)聚體其內(nèi)部包裹的輕質(zhì)、細(xì)顆粒物質(zhì)易被地表水流遷移流失，導(dǎo)致侵蝕部位有機(jī)質(zhì)減少，有機(jī)質(zhì)與團(tuán)聚體不是簡單的正相關(guān)關(guān)系[22]，另一方面因?yàn)镚MD比MWD更為準(zhǔn)確，能更好的反映團(tuán)聚體分布的變化情況[23]。此外干篩與濕篩兩種方法分別反映的是原狀土壤團(tuán)聚體和水穩(wěn)性團(tuán)聚體的特征，方法的不同也可能引起數(shù)據(jù)結(jié)果有差異[14]。等量玉米秸稈較小麥秸稈在提高土壤有機(jī)質(zhì)及土壤團(tuán)聚體特征方面效果好，這是由于玉米秸稈本身含有有機(jī)質(zhì)多于小麥秸稈，還田后對土壤有機(jī)質(zhì)的增加效果優(yōu)于小麥秸稈所致。本研究結(jié)果顯示，隨著玉米及小麥兩種秸稈還田量的增加，土壤有機(jī)質(zhì)的含量及團(tuán)聚體穩(wěn)定性得到一定程度的提高和改善。但本研究僅是3年定位試驗(yàn)的結(jié)果，后期工作還需要繼續(xù)開展長期定位試驗(yàn)，并結(jié)合其他肥力指標(biāo)來綜合確定合理的秸稈還田量，并進(jìn)一步探討秸稈對土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的影響機(jī)制。

4 結(jié) 論

1）隨玉米及小麥秸稈還田量增加，煙田土壤有機(jī)質(zhì)含量呈不同程度增加。2）不同用量秸稈還田對土壤團(tuán)聚體特征有明顯的影響，在高量秸稈還田時，MWD（干篩）、GMD（干篩）及＞0.25 mm水穩(wěn)定性團(tuán)聚體含量最高，分形維數(shù)最小，說明在高量秸稈還田對改良煙田土壤結(jié)構(gòu)的效果好。3）土壤有機(jī)質(zhì)與干篩測得MWD、GMD及分形維數(shù)呈極顯著正相關(guān)，與濕篩測得＞0.25 mm團(tuán)聚體含量及GMD呈顯著性相關(guān)，說明通過增加土壤有機(jī)質(zhì)能夠改良土壤團(tuán)聚體。4）在0～7500 kg/hm2用量秸稈還田時，等量玉米秸稈還田較小麥秸稈增加煙田有機(jī)質(zhì)及改良土壤結(jié)構(gòu)方面效果好。

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